(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱コイルの埋め込まれた継手の構造データと、前記継手に熱融着されるパイプ本体とその継手との線膨張係数及び熱伝導率とを少なくとも入力する入力手段と、
前記パイプ本体と前記継手との前記熱融着における所定の部位の温度を計算するために前記入力されるデータを利用する場合、少なくとも前記発熱コイルの熱膨張による力の発生を考慮して前記計算を行なう演算手段と、
その演算結果を出力する出力手段と、
を備えたことを特徴とする継手融着における温度シミュレーション装置。
【請求項２】
前記力の発生を考慮して前記計算を行なうとは、前記発熱コイルが前記継手の内面から遠ざかる方向へ移動することを考慮して前記計算を行なうことであることを特徴とする請求項１記載の継手融着における温度シミュレーション装置。
【請求項３】
前記演算手段は、前記隙間が存在している間は、前記力の発生を考慮せず、前記隙間が無くなった以後は、前記力の発生を考慮して、前記所定の部位の温度を計算することを特徴とする請求項１、又は２記載の継手融着における温度シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、パイプ本体と継手の接触面を発熱コイルによる熱で溶かして融着することについての温度シミュレーションを行なう場合に利用可能な、継手融着における温度シミュレーション装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２本のガス用ポリエチレンパイプ（以降、ＰＥパイプと呼ぶ）を接合する方法として、継手を用いて接合する方法が知られており、以下にその構成及び動作を説明する。
【０００３】
即ち、図７（ａ）に示すように、継手９０２は、ＰＥパイプ９０１の外形より少し大きめの内径を有し、しかもＰＥパイプ９０１に比べて長さの短い筒状のものである（図７（ｂ）参照）。継手９０２の内部には、内面側に近い方にコイル状に成形された電熱線９０３が内蔵されている。すなわち電熱線９０３は、継手９０２の内面から一定距離ｄ（埋め込み深さ）の処に埋め込まれている（図７（ａ）のＡ部拡大図参照）。又、この電熱線９０３の両端は、継手９０２の外部に露出しており、その先端部には通電用の端子（図示省略）が設けられている。ここで、図７（ａ）は、ＰＥパイプ９０１と、電熱線９０３を内蔵した継手９０２の組立状態において、ＰＥパイプ９０１の中心軸Ｘを含み切断した場合の断面図であり、図７（ｂ）は、同組立状態において、中心軸Ｘに対して直角方向に切断した図中ＹＹ’で示す矢視断面図である。
【０００４】
２本のＰＥパイプ９０１を接合する場合、ＰＥパイプ９０１と継手９０２を図７（ａ）のように配置して、電熱線９０３に通電する。このように電熱線９０３がある一定時間通電されることにより、継手９０２の電熱線９０３の周辺部が軟化し、継手９０２の内面側がＰＥパイプ９０１の外面側へと移動して、継手９０２とＰＥパイプ９０１との間に存在している隙間（ギャップ）９０４が閉塞する。隙間９０４が閉塞した後も通電が続けられており、継手９０２の内面側とＰＥパイプ９０１の内面側の相対向する部位の各表面温度すなわち各界面温度が上昇し、熱融着可能な温度に到達することにより、両者の接合面が熱融着される。これにより２本のＰＥパイプ９０１の接合が完了する。
【０００５】
このような熱融着による接合における各部の温度変化を計算により予測するシミュレーション装置が知られている。
【０００６】
予測する各部の温度としては、例えば、ＰＥパイプ９０１の外面と、それに対応している位置の継手９０２の内面等である。
【０００７】
即ち、このような従来のシミュレーション装置は、ＰＥパイプ９０１と継手９０２の物性値として、熱伝導率、比熱、粘性、線膨張係数、ポアソン比等を入力データして、伝熱解析や熱応力解析を行なって、上記熱融着の際のＰＥパイプ９０１の外面と、継手９０２の内面等の温度変化のシミュレーションを行うものである。
【０００８】
例えば、この装置は、隙間９０４が閉塞前後のＰＥパイプ９０１と、継手９０２の界面の温度変化を計算により予測して、界面温度が融着に適した温度になるまでの時間を割り出すこのが出来る。
【０００９】
この場合、継手９０２に内蔵されている電熱線９０３の上記埋め込み深さｄは、熱融着の際、一定であるとして解析を行なう。すなわち、電熱線９０３は、継手９０２の内面が熱融着の際の温度上昇に伴って、時間と共にＰＥパイプ９０１の外面側へ移動するのと同じようにＰＥパイプ９０１の外面側へと移動するものとして計算するのである。
【００１０】
このようにして得られたシミュレーション結果は、上記通電に必要な時間の事前検討等に活用される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のシミュレーション装置では、電熱線９０３の埋め込み深さｄや継手９０２やＰＥパイプ９０１の形状等を寸法通りデータ入力して解析を行なっても、継手９０２及びＰＥパイプ９０１についての解析により得られた界面温度と、実際に測定した界面温度との間に５℃程度以上の食い違いが生じるといった不具合があった。
【００１２】
この不具合は、ＰＥパイプ９０１の口径が、１００ｍｍ以下のいわゆる小口径のものに比べて、１５０ｍｍや２００ｍｍ等の大口径になるに従って顕著となり、通常は、シミュレーションにより得られた界面温度の方が、実測した界面温度よりも高くなるというものであった。
【００１３】
従って、従来のシミュレーション装置では、継手９０２及びＰＥパイプ９０１の界面温度が正確に推定出来ないという課題を有していた。
【００１４】
本発明は、従来のシミュレーション装置のこのような課題を考慮し、継手熱融着の場合、継手及びＰＥパイプの界面温度が従来に比べてより一層正確に推定出来るシミュレーション装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の本発明は、発熱コイルの埋め込まれた継手の構造データと、前記継手に熱融着されるパイプ本体とその継手との線膨張係数及び熱伝導率とを少なくとも入力する入力手段と、前記パイプ本体と前記継手との前記熱融着における所定の部位の温度を計算するために前記入力されるデータを利用する場合、少なくとも前記発熱コイルの熱膨張による力の発生を考慮して前記計算を行なう演算手段と、その演算結果を出力する出力手段とを備えた継手融着における温度シミュレーション装置である。
【００１６】
請求項２の本発明は、上記力の発生を考慮して前記計算を行なうとは、前記発熱コイルが前記継手の内面から遠ざかる方向へ移動することを考慮して前記計算を行なうことである継手融着における温度シミュレーション装置である。
【００１７】
請求項３の本発明は、上記演算手段は、前記隙間が存在している間は、前記力の発生を考慮せず、前記隙間が無くなった以後は、前記力の発生を考慮して、前記所定の部位の温度を計算する継手融着における温度シミュレーション装置である。
【００１８】
【作用】
本発明では、入力手段が発熱コイルの埋め込まれた継手の構造データと、前記継手に熱融着されるパイプ本体とその継手との線膨張係数及び熱伝導率とを少なくとも入力し、演算手段が前記パイプ本体と前記継手との前記熱融着における所定の部位の温度を計算するために前記入力されるデータを利用する場合、少なくとも前記発熱コイルの熱膨張による力の発生を考慮して前記計算を行ない、出力手段がその演算結果を出力する。
【００１９】
これにより、例えば、熱融着の場合、前記継手及び前記パイプ本体の所定の部位の温度の推定がより一層正確に行える。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明にかかる実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施例の継手融着における温度シミュレーション装置の構成図であり、同図を用いて本実施例の構成を説明する。尚、パイプと継手等に関しては、本質的に図７と同じものを使用する場合は、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２２】
図１において、入力手段１０１は本発明のパイプ本体としてのＰＥパイプ９０１（図７（ａ）参照）の各種物性値と、熱融着を行なう前の時点での電熱線９０３の埋め込み深さ（以下、これを初期埋め込み深さと呼ぶ）及び継手９０２の各種物性値等を入力するための手段である。演算手段１０２はこれらの入力データから所定の伝熱・応力解析を行ない、電熱線９０４の移動内容をも解析して、ＰＥパイプ９０１の外側面と継手９０２の内側面の相対向する部位の各界面温度等を計算する手段である。出力手段１０３は演算手段１０２による演算結果をプリンター（図示省略）に出力するためのものである。
【００２３】
次に、以上のように構成された本実施例の継手融着における温度シミュレーション装置において、その動作を図２を参照しながら説明する。
【００２４】
ここで、本発明の一実施例として従来と相違する主なる点は、次の通りである。
【００２５】
すなわち、上述したように従来の場合、電熱線９０３の埋め込み深さは熱融着の際、継手の内面を基準として、一定であるとして解析を行なっていた。これに対して、本実施例の場合、電熱線９０３の埋め込み深さは熱融着の際、継手の内面を基準として、時間経過とともにその継手の内面から遠ざかる方向へ移動しうるものとして解析を行なう点である。
【００２６】
ここで図２は本実施例の継手融着における温度シミュレーション装置の、演算手段１０２における演算処理の基本的な流れを示す概念図である。
【００２７】
同図において、入力手段１０１により、熱伝導率、比熱、密度、粘性、ヤング率、線膨張係数、ポアソン比が入力データして入力され、更に、これらに加えて、電熱線９０３の初期埋め込み深さのデータが入力される。
【００２８】
入力手段１０１から入力された各種データは、次のように処理される。
【００２９】
すなわち、上記入力データからＰＥパイプ９０１の外面（パイプ界面）、継手９０２の内面（継手界面）、電熱線９０３、及び電熱線９０３近傍の継手９０２内部の各々の時刻ｔにおける温度が、演算手段１０２内の伝熱解析手段２０１により伝熱解析が行われて求められる。
【００３０】
それら時刻ｔにおける各温度データ及び各種物性値を用いて、演算手段１０２内の熱応力解析手段２０２による熱応力解析結果から電熱線９０３の時刻ｔにおける埋め込み深さＬｅ（ｔ）が電熱線埋め込み深さ解析手段２０３により計算され、電熱線の埋め込み深さのデータが更新される。
【００３１】
このようにして、更新された電熱線の埋め込み深さのデータ等を基に再び、熱応力解析手段２０２により伝熱解析を行なうという一連のプロセスを繰り返す。
【００３２】
そのプロセスについて、図３を参照しながら演算処理における電熱線９０３の時刻ｔにおける埋め込み深さＬｅ（ｔ）の計算プロセスを中心として更に具体的に説明する。
【００３３】
ここで、図３は、本実施例の動作を説明するフローチャートである。
ステップ１；入力手段１０１から電熱線９０３の初期埋め込み深さを用いた継手９０２の形状データ等を入力する。
【００３４】
ステップ２；ステップ１での入力データを基にして、所定の伝熱解析及び熱応力解析が実行される。
【００３５】
ステップ３；ここでは、伝熱解析・熱応力解析結果から、継手９０２の内面位置の時刻ｔにおける変位ＤＪ（ｔ）と、電熱線９０３の内面位置の時刻ｔにおける変位ＤＷ（ｔ）が計算される。尚、電熱線９０３の内面とは、ＰＥパイプ９０１の中心側に面する面をいう。
【００３６】
ここで、図４に示すように、変位ＤＪ（ｔ）及び変位ＤＷ（ｔ）は、継手９０２の内面の初期位置を原点（０点）として、ＰＥパイプ９０１の中心に近づく方向を負の方向、同中心から遠ざかる方向を正の方向とした座標系での方向性を有する値である。尚、ＰＥパイプ９０１の中心は継手９０２の中心と同一であるとする。
【００３７】
更に、変位ＤＪ（ｔ）は、継手９０２の内面の時刻ｔにおける、継手９０２の内面の初期位置すなわち上記座標系での原点からの変位量を表している。具体的には、変位ＤＪ（ｔ）は、通常、ＰＥパイプ９０１の中心に近づく方向への変位量を表すので負の値となる。
【００３８】
一方、変位ＤＷ（ｔ）は、電熱線９０３の内面位置の時刻ｔにおける、電熱線９０３の内面の初期位置すなわち上記座標系での原点から正方向へ後述するＬｅ（０）だけ移動した位置からの変位量を表している。具体的には、変位ＤＷ（ｔ）は、通常、ＰＥパイプ９０１の中心から遠ざかる方向への変位量を表すので正の値となる。
【００３９】
ただし、この変位ＤＷ（ｔ）の計算は、電熱線９０３が自身の発熱による温度上昇に伴い熱膨張する場合に、継手９０２の溶融樹脂部の移動性や粘性等からの影響を考慮せず、電熱線９０３単独の物性や温度条件に基づいて、通常の演算方法により行われる。従って、この変位ＤＷ（ｔ）の計算結果は、継手９０２の溶融樹脂の移動や粘性等からの影響を考慮していない点で、継手９０２に内蔵されている状態での電熱線９０３の実際の変位とは相違する。
【００４０】
ステップ４；ステップ３での計算結果を利用して、電熱線９０３の時刻ｔにおける埋め込み深さＬｅ（ｔ）が（式１）により計算される。この埋め込み深さＬｅ（ｔ）は、継手９０２の時刻ｔにおける内面からの距離を表している。
【００４１】
Ｌｅ（ｔ）＝Ｌｅ（０）＋（ＤＷ（ｔ）−ＤＪ（ｔ））×α        （式１）
ここで、Ｌｅ（０）は、時刻ｔ＝０における電熱線９０３の埋め込み深さであり、時刻ｔ＝０は、電熱線９０３への通電開始時刻とする。
【００４２】
又、αは、電熱線９０３の変位に対する、継手９０２の溶融樹脂部の移動性や粘性等からの影響を考慮するための補正係数であり、０≦α≦１である。
【００４３】
この補正係数αについて、更に具体的に説明する。
【００４４】
すなわち、電熱線９０３が溶融樹脂部に比べて十分に硬い材質である場合は、α＝１として計算される。これは、電熱線９０３の熱膨張により発生する継手の内面から遠ざかる方向（正方向）への変位量は、溶融樹脂部の流動性や粘性等には左右されることがないためである。
【００４５】
又、電熱線９０３が溶融樹脂部に比べて十分に軟らかい材質である場合は、α＝０として計算される。これは、電熱線９０３の熱膨張により発生する継手の内面から遠ざかる方向（正方向）への変位量は、溶融樹脂部の流動性や粘性等により完全に阻止され、溶融樹脂部の負方向への動きに電熱線９０３が全く従うようになるためである。この場合には、Ｌｅ（ｔ）＝Ｌｅ（０）となり、従来の装置における解析の前提条件に相当する。
【００４６】
ステップ５；ステップ４にて得られた電熱線９０３の時刻ｔにおける埋め込み深さＬｅ（ｔ）を基にして、形状データが更新される。
【００４７】
ステップ６；ステップ５での新たな更新データを基にして、所定の伝熱解析及び熱応力解析が実行される。
【００４８】
ステップ７；時刻ｔにおけるＰＥパイプ９０１の外側面と継手９０２の内側面の相対向する部位の各界面温度の計算が実行される。言うまでもなく、この計算には、電熱線９０３の時刻ｔにおける埋め込み深さＬｅ（ｔ）が利用されている。
【００４９】
ステップ８；時刻ｔにｔ＋Δｔを代入して、ステップ２へ戻る。このようにして、上記ステップを所定の時刻まで繰り返し実行し、熱融着のシミュレーションを行なう。
【００５０】
次に、上記シミュレーション装置による計算結果を図５（ａ），（ｂ）に示す。
【００５１】
但し、呼び直径１００ｍｍの継手９０２とＰＥパイプ９０１を用い、それらの隙間９０４の初期値は１．１８ｍｍ、電熱線９０３の初期埋め込み深さは、Ｌｅ（０）＝０．８ｍｍであるとする。
【００５２】
図５（ａ）は、ＰＥパイプ９０１と継手９０２及び電熱線９０３の一部略示断面模式図である。この断面は、ＰＥパイプ９０１の中心軸Ｘ（図７（ａ）参照）を含み切断した場合のものであり、電熱線９０３への通電開始時刻すなわち時刻ｔ＝０の時点での状態を表している。
【００５３】
又、図５（ｂ）は、継手９０２の内面位置の時間による変化（図中実線にて表示）及び電熱線９０３の内面位置の時間による変化を表したグラフである。尚、図中、α＝１の場合を点線で、α＝０．４４の場合を一点鎖線で、α＝０の場合を二点鎖線にて表わした。
【００５４】
ここで、横軸は、電熱線９０３への通電開始時刻（ｔ＝０）を基準とした場合の時間経過を表している。又、縦軸は、継手９０２の時刻ｔ＝０時点での内面位置を原点（０点）とし、ＰＥパイプ９０１の中心に近づく方向を負の方向、同中心から遠ざかる方向を正の方向とする図４で示した座標系と同様の座標系を用いたものであり、時刻ｔにおける継手９０２の内面位置及び電熱線９０３の内面位置を表している。
【００５５】
図５（ｂ）におてい、例えば、α＝０．４４の場合について、更に具体的に説明する。
【００５６】
例えば、継手９０２の内面位置の、時刻ｔ＝２００秒における変位は、ＤＪ（２００）＝−１．１ｍｍであり、同時刻における電熱線９０３の内面位置の変位は、ＤＷ（２００）＝０．２７５ｍｍであることが、上記ステップ３にて計算される。
【００５７】
これにより、時刻ｔ＝２００秒における電熱線９０３の埋め込み深さは、ステップ４により、Ｌｅ（２００）＝Ｌｅ（０）＋（ＤＷ（２００）−ＤＪ（２００））×α＝０．８＋｛０．２７５−（−１．１）｝×０．４４＝１．４（ｍｍ）として算出される。
【００５８】
このようにして、各時刻におてい演算により得られた電熱線９０３の内面位置をグラフに表すと同図に示す一点鎖線で示すものとなる。
【００５９】
従って、例えば、時刻ｔ＝２００秒における継手及びＰＥパイプの各界面温度を正確に推定するためには、ステップ５〜ステップ７にて説明したように、演算により求められた、電熱線９０３の埋め込み深さＬｅ（２００）＝１．４ｍｍを用いた形状モデルを作成し、同様の解析を行なえばよい。
【００６０】
以上のようにして、本実施例のシミュレーション装置を用い、時刻ｔにおける継手及びＰＥパイプの各界面温度を正確に推定した結果を図６に示す。
【００６１】
同図において、実線で示したグラフは、上記計算例（α＝０．４４の場合）で説明したシミュレーション結果であり、点線で示したグラフは、実験による実測値である。又、一点鎖線で示したグラフは、従来の方法により計算した場合のシミュレーション結果である。同図からも明らかなように、本実施例のシミュレーション結果は、実測値と極めて良く一致している。
【００６２】
このように、本実施例の構成によれば、継手を熱融着する場合、継手及びＰＥパイプの界面温度が従来に比べてより一層正確に推定出来、継手熱融着に関する事前検討として、例えば、通電に必要な時間の検討等が極めて精度よく行えるという効果を発揮する。
【００６３】
尚、上記実施例では、演算手段は、継手及びＰＥパイプの各界面温度を正確に推定するために、電熱線９０３への通電開始時刻を基準として任意の時刻ｔにおける、電熱線９０３の埋め込み深さＬｅ（ｔ）を常に計算して利用する場合について説明したが、これに限らず、例えば、隙間が存在している間は、電熱線の埋め込み深さＬｅ（ｔ）の変化の有無を考慮せず、隙間が無くなった以後は、電熱線の埋め込み深さＬｅ（ｔ）の変化を考慮して、上記各温度を計算する構成とするなど、必要なときにだけ考慮するようにしてももちろんよい。この場合でも、隙間が無くなった以後の継手及びＰＥパイプの界面温度が従来に比べてより一層正確に推定出来るという効果を発揮する。
【００６４】
又、上記実施例では、パイプ及び継手の材質がポリエチレン樹脂である場合について説明したが、これに限らず、その他の樹脂であってもよいし、あるいは各々が必ずしも単一の材質により成形されていなくてもよく、例えば、継手が２種類の樹脂材料により成形されていてももちろんよい。
【００６５】
又、上記実施例では、ＰＥパイプ及び継手の界面温度の推定を行なう場合について説明したが、これに限らず、ＰＥパイプの内部や、継手の電熱線の近傍等でももちろんよく、温度を推定する部位は問わない。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、継手熱融着の場合、継手及びＰＥパイプの所定の部位の温度が従来に比べてより一層正確に推定出来るという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の継手融着における温度シミュレーション装置の構成図
【図２】同実施例の継手融着における温度シミュレーション装置の演算処理の基本的な流れを示す概念図
【図３】同実施例の動作を説明するフローチャート
【図４】同実施例のＰＥパイプと継手及び電熱線の一部略示断面模式図
【図５】図５（ａ）；同実施例のＰＥパイプと継手及び電熱線の一部略示断面模式図
図５（ｂ）；同実施例において、シミュレーション装置による計算結果を示すグラフ
【図６】同実施例のシミュレーション装置を用いた継手及びＰＥパイプの各界面温度のシミュレーション結果を示すグラフ
【図７】図７（ａ）；従来、及び本発明の一実施例で用いる継手、ＰＥパイプの組立状態において、中心軸を含み切断した場合の断面図
図７（ｂ）；同組立状態において、同中心軸に対して直角方向に切断した矢視断面図
【符号の説明】
１０１      入力手段
１０２      演算手段
１０３      出力手段
２０１      伝熱解析手段
２０２      熱応力解析手段
２０３      電熱線埋め込み深さ解析手段
９０１      ＰＥパイプ
９０２      継手
９０３      電熱線
９０４      隙間（ギャップ）
Ｘ          中心軸
【図１】
0003575559.tif 000002
【図２】
0003575559.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003575559.tif 000005
【図５】
0003575559.tif 000006
【図６】
0003575559.tif 000007
【図７】
0003575559.tif 000008