JPH08323883A - 繊維強化樹脂製管継手及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】フィラメントワインディング法による繊維強化
樹脂製の耐ウィ−ピング性に優れた片落テ−パ管継手及
びその製造方法を提供する。 【構成】フィラメントワインディング法により成形さ
れ、テ−パ管部１１の両端に受口部１２，１３を有する
繊維強化樹脂製の片落テ−パ管継手であり、テ−パ管部
１１のテ−パ角度（テ−パ管部の管軸となす角度）が５
°〜３０°とされ、そのテ−パ管部１１の内面に伸縮性
繊維材強化樹脂層２が一体に設けられている。フィラメ
ントワインディングにおいては、フィ−ドアイ４３の往
復走行の折り返し時にフィ−ドアイをマンドレル軸と直
角方向（Ｚ）にマンドレル側に向け移動させて上記繊維
をマンドレル各端の掛止用ピン４４２，４４３に引っ掛
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化樹脂製の片落テ
−パ管継手及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】管継手の耐内圧強度の増強のために、繊
維強化樹脂製の管継手が注目されている。かかる繊維強
化樹脂製管継手としては、生産能率上、フィラメントワ
インディング法により成形することが好適である。管継
手においては、管の接続条件に応じて種々の形式が存在
し、口径の異なる管の接続には、通常、片落テ−パ管継
手が使用されている。

【０００３】繊維強化樹脂製管状体を内圧管として使用
する場合、マイクロクラック（荷重に対する繊維強化樹
脂の繊維の強度負担が厳密には、各繊維ごとに異なるた
めに、局部的な繊維と樹脂マトリックスとの界面の剥離
や繊維切れが生じる現象であり、材料破壊ではない）に
起因するウィ−ピング（マイクロクラックを伝っての発
汗現象）の問題が在り、このことは、繊維強化樹脂製管
継手においても同様である。

【０００４】ところで、上記の繊維強化樹脂製片落テ−
パ管継手をフィラメントワインディング法により成形す
る場合、すなわち、マンドレルを回転させると共にフィ
−ドアイをマンドレルの軸方向（Ｘ軸方向）に往復走行
させつつフィ−ドアイからの樹脂含浸繊維をマンドレル
に巻き付けていく場合、同管継手のテ−パ管部を成形す
るマンドレルのテ−パ面部においては、フィ−ドアイの
走行速度をｖ、マンドレルの回転速度をｎ（ｒｐｍ）と
すると、ワインディング層の厚みはｎ／ｖに比例し一定
となるが、マンドレル半径ｒ箇所での繊維の巻付け角度
αは、tanα＝（２πｎ／ｖ）・ｒとなり、フィ−ドア
イがマンドレルの径大端から径小端に向かって走行する
際、その走行に伴い繊維の巻付け角度αが減少していく
（マンドレルの半径ｒが減少していくため）。

【０００５】而るに、マンドレルの直上に繊維をワイン
ディングする際、すなわち、最内面をワインディングす
る際、上記のようにフィ−ドアイの走行に伴い巻付け角
αが減少していくと、繊維が平滑なマンドレル面上をす
べり巻き乱れが生じ易い〔繊維のすべりは、その繊維の
巻付け角の減少により繊維がたるむときに生じ（繊維の
引張り力が増すときは、その引張り力が繊維のすべりを
妨げようとするので、すべりは生じない）、フィ−ドア
イの走行に伴い繊維の巻付け角度αが減少していく場合
は、まさにこのケ−スに該当する〕。

【０００６】かかる繊維強化樹脂製片落テ−パ管継手に
おけるテ−パ管部内面の繊維巻付け状態の乱れのもとで
は、上記マイクロクラックの発生原因である、荷重に対
する繊維強化樹脂の繊維の強度負担の不均一性が一層顕
著になり、マイクロクラックが発生し易くなる。従っ
て、この繊維強化樹脂製片落テ−パ管継手においては、
テ−パ管部での耐ウィ−ピングが重大となる。

【０００７】従来、フィラメントワインディング法にお
いて、とげ状突起を有するテ−プをマンドレルのテ−パ
面に貼付けてワインディングを行い繊維のすべりを防止
することが公知である（特開昭６３−９８４２７号公
報）。また、マンドレルの外径が変化しても、ワインデ
ィング層の厚みを一定とし、かつ、繊維の巻付け角が小
となるのを防止するように、フィ−ドアイの動きを多面
的に制御して繊維のすべりを防止することも公知である
（例えば、特昭６３−６４７３号公報）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の手段を上記の繊維強化樹脂製片落テ−パ管継手に用い
ると、前者（特開昭６３−９８４２７号公報）において
は、とげ状突起を有するテ−プが内面に残存することに
なる結果、とげ状突起を起点としてクラックが発生し易
くなり、耐圧性を保証し難い。また、とげ状突起を有す
るテ−プが特殊製品であり、その製作コストが高くつ
き、経済的にも不利である。

【０００９】また、後者においては、フィ−ドアイの走
行動作が複雑となり、高速作動が難しくなり、生産性の
低下を免れ得ない。本発明の目的は、フィラメントワイ
ンディング法による繊維強化樹脂製の耐ウィ−ピング性
に優れた片落テ−パ管継手及びその片落テ−パ管継手を
良好な生産性で製造できる片落テ−パ管継手に製造方法
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る繊維強化樹
脂製管継手は、フィラメントワインディング法により成
形され、テ−パ管部の両端に受口部を有する繊維強化樹
脂製の片落テ−パ管継手であり、テ−パ管部のテ−パ角
度（テ−パ管部の管軸となす角度）が５°〜３０°とさ
れ、少なくともそのテ−パ管部の内面に伸縮性繊維材強
化樹脂層が一体に設けられていることを特徴とする構成
であり、受口部の内面に樹脂成形体を固着することもで
きる。

【００１１】本発明に係る繊維強化樹脂製管継手の製造
方法は、この繊維強化樹脂製管継手を製造する方法にお
いて、フィ−ドアイから樹脂含浸繊維を繰出すと共にフ
ィ−ドアイをマンドレルの軸方向に沿い往復走行させ、
フィ−ドアイの往復走行の折り返し時にフィ−ドアイを
マンドレル軸と直角方向にマンドレル側に向け移動させ
て上記繊維をマンドレル各端の掛止用ピンに引っ掛ける
ことによりフィラメントワインディング法による成形を
行うことを特徴とする構成である。

【００１２】以下、図面を参照しつつ本発明の構成を説
明する。図１は本発明に係る繊維強化樹脂製片落テ−パ
管継手の一例を示している。図１において、１１はテ−
パ管部であり、テ−パ角度（テ−パ管部の管軸となす角
度）は５°〜３０°とされている。１２，１３はテ−パ
管部両端の内面平滑な受口部を示している。

【００１３】２は伸縮性繊維材（テ−プ）強化樹脂層で
あり、テ−パ管部１１の内面及び両受口１２，１３の内
面に一体に設けられている。３はフィラメントワインデ
ィング法により形成された繊維強化樹脂製の肉部であ
り、繊維巻き付け角２０°〜７０°のヘリカル巻きによ
り成形されている。図２は本発明に係る繊維強化樹脂製
片落テ−パ管継手の別例を例を示し、各受口部１２，１
３の内面にはパッキング装着溝、抜け止めリング装着
溝、パイプ止めテ−パ面等が設けられている。

【００１４】２はテ−パ角度が５°〜３０°のテ−パ管
部１１の内面に一体に設けられた伸縮性材（テ−プ）強
化樹脂層である。２２（２３）は受口部１２（１３）の
内面に固着された樹脂成形体、３２（３３）はこの樹脂
成形体２２（２３）上に凹部（例えば、口径φ５０の受
口の場合で、７ｍｍ程度。口径φ２００の受口の場合
で、２０ｍｍ程度）を埋めるだけの最小厚みでフィラメ
ントワインディング法により成形された繊維巻き付け角
９０°±５°（フ−プ巻き）の繊維強化樹脂層である。
３はフィラメントワインディング法により形成された繊
維強化樹脂製の肉部であり、上記と同様、繊維巻き付け
角が２０°〜７０°のヘリカル巻きにより成形されてい
る。

【００１５】図３は本発明に係る繊維強化樹脂製管継手
の製造において使用する通常のフィラメントワインディ
ング装置の概略を示し、繊維がボビン４１から引き出さ
れ、この繊維に樹脂含浸槽４２において硬化性樹脂が含
浸され、この硬化性樹脂含浸繊維がフィ−ドアイ４３を
経て回転中のマンドレル４０に巻回積層されていく。マ
ンドレル４０には、剛性が高く軽量なもの、例えば、
鋼、ステンレス、アルミニウム、ジュラルミン等の金属
製品、ウレタン等のゴム材、ポリプロピレン、ポリエチ
レン等のブロ−成形品、ポリアミド、高密度ポリエチレ
ン等の切削加工品等を使用できる。

【００１６】上記フィ−ドアイ４３においては、マンド
レル４０の回転軸に平行なＸ軸方向の往復走行、このＸ
軸に上下に直角な方向のＺ軸方向の往復走行及びＸ軸及
びＺ軸に直角なＹ軸方向の正逆移動が最低限必要であ
り、更に、樹脂含浸繊維の巾を調整するためにＺ軸を軸
とする往復回転（Ｗ運動）やＹ軸を軸とする往復回転
（Ｕ運動）等を可能とすることもできる。これらの走行
・回転の制御には通常、ＡＣサ−ボモ−タが使用され
る。制御方式としては、近接スイッチ等を使用したフィ
−ドバック方式、予め移動座標を記憶させたプログラム
に従いコンピュ−タで制御するティ−チインプレ−バッ
ク方式等が使用される。

【００１７】図４の（イ）乃至図４の（ハ）は、本発明
に係る樹脂含浸繊維管継手の製造方法の一例を示し、管
継手は図２に示した構造の例である。図４の（イ）にお
いて、４０は中間にテ−パ面部４０１を有するマンドレ
ルであり、テ−パ角度は５°〜３０°とされている。２
２，２３は樹脂成形体を、４４２，４４３はピンリング
をそれぞれ示している。

【００１８】管継手の製造にあたっては、まず、図４の
（イ）に示すように、マンドレル４０の両端に樹脂成形
体２２，２３を装着し、ピンリング４４２，４４３を支
着する。更に、マンドレル４０のテ−パ面部４０１に必
要に応じ未硬化樹脂を含浸した伸縮性テ−プ等の伸縮性
繊維材を積層して、未硬化樹脂含浸伸縮性繊維材２０を
形成する。この伸縮性繊維材としては、例えば、編んだ
もので、伸長率が５〜１００％，伸長回復率が６０％以
上のものを使用することができる。

【００１９】次いで、図４の（ロ）に示すように、マン
ドレル４０を回転させ、フィ−ドアイ４３をＸ軸方向に
移動させて、樹脂成形体２２，２３上に凹部を埋めるだ
けの深さで樹脂含浸繊維３２，３３をフ−プ巻きする。
この場合、伸縮性繊維材層２０に対しては繊維のフ−プ
巻きを行わないようにフィ−ドアイ４３の走行を制御
し、実質的に樹脂成形体２２，２３上のみをフ−プ巻き
することが好ましい。

【００２０】次いで、図４の（ハ）に示すように、フィ
−ドアイ４３の走行速度やマンドレル４０の回転速度を
樹脂含浸繊維の巻き付け角を±２０°〜７０°程度とす
るように設定し、フィ−ドアイ４３を往復走行させ、マ
ンドレル４０の径小端側でのフィ−ドアイの往復走行の
折り返し時にフィ−ドアイ４３をＺ軸に沿いマンドレル
４０側に向け走行させて繊維をピンリング４４３に引っ
掛け、更にＺ軸に沿いもとの位置に戻すようにして、ヘ
リカル巻きで所定厚みの繊維強化樹脂製肉部３を成形し
ていく（フィ−ドアイ４３の走行ラインとマンドレル４
０との間隔が特に大きい場合は、マンドレルの径大端側
でもフィ−ドアイ４３の往復走行の折り返し時にフィ−
ドアイ４３をＺ軸に沿いマンドレル４０側に向け走行さ
せて繊維をピンリング４４２に引っ掛け、更にＺ軸に沿
いもとの位置に戻すようにする）。この場合、フィ−ド
アイ４３の走行速度をｖ、マンドレル４０の回転速度を
ｎ（ｒｐｍ）とすると、ワインディング層３の厚みはｎ
／ｖに比例し一定となり、マンドレル半径ｒ箇所での繊
維の巻付け角度αは、tanα＝（２πｎ／ｖ）・ｒとな
る。

【００２１】このようにして管継手の肉部を成形したの
ちは、未硬化の半製品をマンドレルと共に加熱炉に搬入
し、樹脂を硬化させ、この硬化体からマンドレルを脱型
し、両端のトリミングを行い、これにて、図２に示す片
落テ−パ管継手の製造を終了する。上記未硬化樹脂を含
浸した伸縮性繊維材層２０の形成は、貼付けや重ね巻に
より行われる。この伸縮性繊維材層２０においては、マ
ンドレルのテ−パ面部に上記の樹脂含浸繊維を直接にヘ
リカル巻きするときに繊維のすべりを防止して整然とし
たワインディングを可能とすること、管継手の内面層を
肉部よりも低弾性率の繊維強化樹脂で形成し、マイクロ
クラックの発生源である応力を弾性的に吸収させて管継
手内面でのマイクロクラックの発生を防止すること等を
目的として設けられており、編んだもので、伸長率が５
〜１００％，伸長回復率が６０％以上のものを使用する
ことが好ましい。

【００２２】この未硬化樹脂含浸伸縮性繊維材層２０の
形成は、予め未硬化樹脂を含浸した伸縮性繊維材を用い
る方法の他、場合によっては、伸縮性繊維材を貼付けた
り、樹脂未含浸で巻き付けた後に、上記肉部成形のため
にワインディングした樹脂含浸繊維の樹脂を浸透させる
ことにより、その樹脂含浸を行なってもよい。上記樹脂
成形体２２，２３は、受口の繊維強化樹脂肉部３にマイ
クロクラック（応力集中が生じるコ−ナが存在するため
にマイクロクラックが発生し易い）が発生しても、その
マイクロクラックの当該樹脂成形体への伝播を排除する
ことを目的として設けられており、樹脂成形体として
は、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリカ−ボネ−
ト、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、アクリル樹脂等の熱
可塑性樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノ
−ル樹脂等の熱硬化性樹脂、更には、これらに炭酸カル
シウム、水酸化アルミニウム等のフィラ−、短繊維（ガ
ラス繊維、炭素繊維等）を添加したものの射出成形品、
真空成形品、ブロ−成形品、熱硬化性樹脂の場合は、レ
ジンインジェクション成形品等を使用でき、高い寸法精
度が要求される場合は、射出成形品、真空成形品、パイ
プ賦形成形品を使用することが好ましい。

【００２３】本発明に係る繊維強化樹脂製管継手におい
ては、受口の入口外周にフランジを成形することもで
き、このフランジの成形は、上記フィラメントワインデ
ィング法による肉部の成形後、各受口外周端に二枚の型
板をセットし、この型板間に樹脂含浸繊維材を巻回充填
することにより行うことができる。上記樹脂含浸繊維の
繊維、伸縮性繊維材の繊維、フランジ部の繊維強化樹脂
の繊維の材質には、通常、ガラス繊維，炭素繊維等の無
機繊維やアラミド繊維，ポリエチレンテレフタレ−ト繊
維等の有機繊維が使用可能である。樹脂含浸繊維の繊維
の形態には、通常ロ−ビング繊維が使用されるが、ロ−
ビングクロステ−プ、ガラスクロステ−プ、すだれテ−
プ、チョップドストランドテ−プ、コンティニュアステ
−プ等のテ−プ状繊維の使用も可能であり、特にフラン
ジ部の繊維材には、クロステ−プ、ロ−ビングとすだれ
テ−プとの組合せが好ましい。含浸樹脂としては、エポ
キシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹
脂、フェノ−ル樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。こ
れらの熱硬化性樹脂のほか、光硬化型樹脂の使用も可能
である。

【００２４】上記肉部の繊維強化樹脂の繊維の体積含有
率は、通常５５〜６７％とされる。

【００２５】

【作用】マンドレルのテ−パ面部に繊維を巻き付ける場
合、繊維のすべりは、そのテ−パ外面のテ−パ角度が
大であるほど、すべりに対する摩擦抵抗が小さいほ
ど、生じ易い。而るに、本発明においては、に対して
は、テ−パ角度が３０°以下と小であり、に対して
は、被巻付け面が滑らかなマンドレル面ではなく伸縮性
繊維材を用いた高摩擦面であるから、すべりなく整然と
ワインディングされ得る。従って、伸縮性繊維材層に面
する肉部内面においては、繊維の分布の乱れに起因する
繊維の荷重負担の不均一を充分に排除し得、マイクロク
ラックの発生をよく排除できる。

【００２６】また、伸縮性繊維材強化樹脂層（伸縮性繊
維材を強化繊維とする繊維強化樹脂層）においては、肉
部の繊維強化樹脂よりも弾性率が低く、マイクロクラッ
クの発生源である応力の弾性的吸収が期待され、上記伸
縮性繊維材層に面する肉部内面がマイクロクラックの発
生をよく排除し得ることとの相乗作用により、テ−パ管
部の優れた耐ウィ−ピング性を保証できる。

【００２７】更に、受口内面への樹脂成形体の固着や伸
縮性繊維材強化樹脂層の形成により、受口の耐ウィ−ピ
ング性も保証できる。片落テ−パ管継手において、径大
端の半径をＲ、径小端の半径をｒ、テ−パ管部のテ−パ
角度をαとすれば、テ−パ管部の長さＬは、Ｌ＝（Ｒ−
ｒ）／tanαで与えられるが、本発明に係る片落テ−パ
管継手においては、αを５°以上としているから、テ−
パ管部の長さをほぼ１０（Ｒ−ｒ）以下にでき、管継手
の長尺化を排除できる。

【００２８】

【実施例】

〔実施例１〕製品は呼び径１５０−７５，テ−パ角度１
３°の図２に示す片落テ−パ管継手である。樹脂には、
オルソ系不飽和ポリエステル（スチレン約４０％、６％
ナフテン酸コバルト含有）１００重量部とメチルエチル
ケトンパ−オキサイド（硬化剤）１重量部とからなる不
飽和ポリエステル樹脂液を使用し、繊維にはガラス繊維
ロ−ビング（番手４５００ｇ／ｋｍ)を１０本引き揃え
たものをそれぞれ使用した。

【００２９】マンドレルの各端部にそれぞれ塩化ビニル
樹脂成形体（真空成形品）を装着し、マンドレル中間の
テ−パ面部に、上記樹脂液を含浸したガラス伸縮テ−プ
（伸張率３６％，伸張回復率８７％，巾１００ｍｍ，目
付け３１ｇ／ｍ）の２層を積層し、而るのち、塩化ビニ
ル樹脂成形体上に凹部を埋めるだけの厚みで樹脂含浸ロ
−ビングをフ−プ巻きし、更に、樹脂含浸ロ−ビングを
フィ−ドアイの往復走行速度の調整により、マンドレル
の径大端側でほぼ３ｍｍ厚みにするように巻き付け角±
約６０°でヘリカル巻きし（マンドレル中間でのヘリカ
ル巻き層と伸縮性繊維材層との繊維体積率は５３％）、
このヘリカル巻き中、マンドレルの径小端側でのフィ−
ドアイの往復折り返し時での繊維のピンリングヘの引っ
掛けは、前記したようにフィ−ドアイをＺ軸方向に走行
させて行った。

【００３０】次いで、７０℃×１時間で樹脂を硬化のう
え脱型した。 〔実施例２〕実施例１に対し、樹脂にビスフェノ−ルＡ
型エポキシ樹脂１００重量部と脂環式無水物系硬化剤９
０重量に促進剤を所定量添加したエポキシ樹脂液を使用
し、硬化条件を１３０℃×２時間とした以外、実施例１
に同じとした。

【００３１】〔比較例〕実施例１に対し、ガラス伸縮テ
−プの積層を省略し、他の条件は実施例１に同じとした
（ヘリカル巻き肉部の外径も実質上実施例１に等しくし
た）。上記の実施例品並びに比較例品（各試料数は３
箇）のそれぞれについて、管継手の両端に硬質塩化ビニ
ル管を内圧に基づくスラスト荷重（管内の断面積×内
圧）に耐えるように接続し、耐内圧試験を行ったとこ
ろ、実施例品１及び２ともに６０ｋｇ／ｃｍ²でも何ら
の異常も観られなかったのに対し、比較例品では２５ｋ
ｇ／ｃｍ²といった低い内圧で受口表面から漏水が生じ
た。

【００３２】また、２０ｋｇ／ｃｍ²加圧−内圧０を１
サイクルとする水圧疲労試験を行ったところ、実施例品
１及び２ともに、１０００００サイクルを異常なく経過
したが、比較例品では５０００サイクル程度であった。

【００３３】

【発明の効果】本発明に係る繊維強化樹脂製の片落テ−
パ管継手においては、マンドレル上での繊維のすべりを
伸縮性繊維材強化樹脂層の繊維材により防止してその繊
維の整然分布を保証し得ると共にその伸縮性繊維材強化
樹脂層で応力を効果的に吸収できるので、テ−パ管部内
面でのマイクロクラックの発生をよく防止でき、受口内
面での樹脂成形体の固着によるマイクロクラックの発生
防止と相俟って管継手全体に優れた耐ウィ−ピング性を
保証できる。

【００３４】また、フィラメントワインディング法を使
用するも、ワインディング中はフィ−ドアイをＸ軸方向
とＺ軸方向に走行させるだけであるから、フィ−ドアイ
の走行制御も容易であり、高速度化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る繊維強化樹脂製管継手の一例を示
す断面図である。

【図２】本発明に係る繊維強化樹脂製管継手の上記とは
別の例を示す断面図である。

【図３】本発明に係る繊維強化樹脂製管継手の製造に使
用するフィラメントワインディング装置を模式図的に示
す説明図である。

【図４】本発明に係る繊維強化樹脂製管継手の製造方法
を示す説明図であり、図４の（イ）は伸縮性繊維材の積
層直後を、図４の（ロ）は樹脂成形体の凹部をフ−プ巻
で埋めた直後を、図４の（ハ）は繊維強化樹脂製肉部の
成形直後をそれぞれ示している。

【符号の説明】

１１ テ−パ管部 １２ 受口部 １３ 受口部 ２ 伸縮性繊維材強化樹脂層 ２０ 未硬化樹脂含浸伸縮性繊維材層 ２２ 樹脂成形体 ２３ 樹脂成形体 ３ フィラメントワインディング繊維強化樹
脂製肉部 ４０ マンドレル ４０１ マンドレルのテ−パ面部 ４３ フィ−ドアイ ４４２ ピンリング ４４３ ピンリング

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィラメントワインディング法により成形
   され、テ−パ管部の両端に受口部を有する繊維強化樹脂
   製の片落テ−パ管継手であり、テ−パ管部のテ−パ角度
   （テ−パ管部の管軸となす角度）が５°〜３０°とさ
   れ、少なくともそのテ−パ管部の内面に伸縮性繊維材強
   化樹脂層が一体に設けられていることを特徴とする繊維
   強化樹脂製管継手。
2. 【請求項２】受口部の内面に樹脂成形体が固着されてい
   る請求項１記載の繊維強化樹脂製管継手。
3. 【請求項３】請求項１または２の繊維強化樹脂製管継手
   を製造する方法において、フィ−ドアイから樹脂含浸繊
   維を繰出すと共にフィ−ドアイをマンドレルの軸方向に
   沿い往復走行させ、フィ−ドアイの往復走行の折り返し
   時にフィ−ドアイをマンドレル軸と直角方向にマンドレ
   ル側に向け移動させて上記繊維をマンドレル各端の掛止
   用ピンに引っ掛けることによりフィラメントワインディ
   ング法による成形を行うことを特徴とする繊維強化樹脂
   製管継手の製造方法。