JP2024068259A - Crack repair device - Google Patents
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Abstract
【課題】容易に亀裂を補修できる装置を提供する。【解決手段】粒状の充填材を亀裂に噴射する噴射部と、前記充填材にレーザー光を照射して溶融させる照射部と、を備える装置。【選択図】図1The present invention provides a device that can easily repair cracks. The device includes an injection unit that injects granular filler into the cracks, and an irradiation unit that irradiates the filler with laser light to melt it. [Selected Figure] Figure 1
Description
特許法第30条第2項適用申請有り (1)学会論文 開示日 :令和3年11月9日 開示刊行物:第65回宇宙科学技術連合講演会DVD講演集 (2)学会論文 開示日 :令和4年8月1日 開示刊行物:土木学会全国大会第77回年次学術講演会梗概集 (3)学会論文 開示日 :令和4年11月1日 開示刊行物:第66回宇宙科学技術連合講演会DVD講演集Application for application of
本発明は、亀裂を補修する装置に関する。 The present invention relates to a device for repairing cracks.
従来、トンネルや岩盤に発生した亀裂を、水ガラスなどの充填材を用いて補修する方法が知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, a method has been known for repairing cracks that have occurred in tunnels or rock formations using a filler such as water glass (for example, Patent Document 1).
従来の方法では、充填材が亀裂に浸透するのに時間を要するし、充填材を用意するためのコストが必要となっていた。 With conventional methods, it takes time for the filler to penetrate the cracks and it is costly to prepare the filler.
本発明は、一実施形態として、粒状の充填材を亀裂に噴射する噴射部と、前記充填材にレーザー光を照射して溶融させる照射部と、を備える装置を提供する。 In one embodiment, the present invention provides a device that includes an injection unit that injects granular filler into a crack, and an irradiation unit that irradiates the filler with laser light to melt it.
本発明によれば、容易に亀裂を補修できる装置を提供できる。 The present invention provides a device that can easily repair cracks.
以下、本発明をその一実施形態に即して図面を参照しつつ説明する。 The present invention will be described below with reference to one embodiment of the invention.
〔構成〕
図2に本発明の一実施形態に係る装置1を示す。装置1は、指向性エネルギー堆積法(DED)を用いて、岩盤やコンクリート類の亀裂補修、砂若しくは粘土などの無機化合物材料を焼成した焼成材の亀裂補修、または、砂若しくは粘土などの無機化合物材料を焼結した焼結材の亀裂補修、特に、月の溶岩チューブLにおいて亀裂補修を行う装置である。なお、コンクリート類とはコンクリート、モルタル、またはグラウトなど、セメントを含んで硬化した材料を指す。
〔composition〕
2 shows an apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The apparatus 1 is an apparatus that uses directed energy deposition (DED) to repair cracks in rocks and concretes, cracks in fired materials obtained by firing inorganic compound materials such as sand or clay, or cracks in sintered materials obtained by sintering inorganic compound materials such as sand or clay, particularly cracks in lunar lava tubes L. Note that concretes refer to hardened materials that contain cement, such as concrete, mortar, or grout.
溶岩チューブLは、図1に示すように、月の表面から100m程度下方において溶岩が流れた後に形成された管状の物体であり、内部には空洞が形成される。 As shown in Figure 1, lava tube L is a tubular object formed after lava flows about 100 m below the surface of the moon, and has a cavity inside.
溶岩チューブは、溶岩が冷えて硬化することによって形成されたものであるため、表面には硬化時に収縮することによって生じた亀裂Cがある。 Lava tubes are formed when lava cools and hardens, so there are cracks C on the surface caused by contraction during hardening.
溶岩チューブLの大きさは直径100m程度、長さは数キロメートルから数十キロメートルに及ぶ。その大きさや構造のため、溶岩チューブLは、月面基地建設の候補地として挙げられている。 Lava Tube L is about 100 meters in diameter and several to several tens of kilometers long. Due to its size and structure, Lava Tube L has been named as a possible site for building a lunar base.
溶岩チューブL内部に基地などの居住施設を建設する場合、内部を空気で満たし、1気圧を維持する必要がある。そのため、溶岩チューブLには気密性が要求される。 When building a living facility such as a base inside the lava tube L, it is necessary to fill the inside with air and maintain a pressure of 1 atmosphere. For this reason, the lava tube L must be airtight.
溶岩チューブLの気密性を保持するためには亀裂Cを塞ぐ必要があるが、装置1は、この亀裂Cを防ぐために用いられる。 To maintain the airtightness of the lava tube L, it is necessary to seal the crack C, and the device 1 is used to prevent this crack C.
装置1は、図2(a)に示すように、照射ヘッド11と、レーザー照射部12と、噴射部13とを有する。なお、以下では、図2に示すように上下左右の各方向を定め、この方向に基づいて説明を行う。
As shown in FIG. 2(a), the device 1 has an
照射ヘッド11は、水平方向に広がる略円盤状に形成された部材であり、レーザー照射部12と噴射部13とを保持する機能を有する。
The
レーザー照射部12は、高出力でのレーザー発振を行うレーザー発振器121と、1以上のレンズで構成された光学系122とを備える(図2、図3)。レーザー発振器121から出射したレーザー光は、図3に点線で示すように、光学系122を通って下方へ照射される。
The
噴射部13は、図2及び図3に示すように、充填材30を貯蔵する貯蔵部131と、充填材30を下方に噴射する開口である噴射口132と、貯蔵部131と噴射口132とを接続する管部133と、充填材30にガスを用いて圧力を加える加圧部134とを備える。
As shown in Figures 2 and 3, the
貯蔵部131が貯蔵する充填材30は様々な物が考え得るが、ケイ素を含んだ材料等、高温で溶融しガラス化する材料であることが望ましい。以下の説明では、充填材30として月や地球の砂を用いるものとする。
The
図2(b)は照射ヘッド11を下方から視た図であるが、噴射口132は、照射ヘッド11の下部において、円周方向に等間隔に、かつ、光学系122から同じ距離をおいて3か所に形成される。
加圧部134は、高圧のガスを保持している。加圧部134は、貯蔵部131に貯蔵された充填材30にガスを供給し、充填材30を、ガスを用いて加圧する機能を有する。加圧部134と貯蔵部131は内部の空間が繋がっている。貯蔵部131の充填材30は加圧部134から供給されたガスと共に管部133内を移動し、噴射口132から噴射される。
FIG. 2B is a view of the
The pressurizing
3つの噴射口132から照射された充填材30は、図3に点線で示すように、焦点Fに集まるように噴射される。焦点Fは光学系122の直下に位置する。焦点Fに噴射された充填材30には、光学系122から出射したレーザー光の照射が可能である。
The
<亀裂の補修作業>
溶岩チューブLに生じた亀裂Cの補修作業について以下に説明する。まず作業者は、補修を行う亀裂Cの位置に焦点Fを合わせる。
<Crack repair work>
The following describes the repair work for the crack C that has occurred in the lava tube L. First, the worker focuses F on the position of the crack C to be repaired.
次に作業者は装置1を操作して溶射を行う。溶射の際、装置1は、レーザー光の照射と充填材30の噴射を同時に行う。焦点Fに噴射された充填材30は、亀裂Cの内部に充填されるとともに、レーザー光によって溶融してガラス化する。
Next, the worker operates the device 1 to perform thermal spraying. During thermal spraying, the device 1 simultaneously irradiates the laser light and sprays the
作業者が焦点Fを亀裂Cに沿って移動させると、亀裂Cに沿って溶射処理が連続して実行され、亀裂Cに沿って充填材30の溶融及び充填が実行される。
As the operator moves the focal point F along the crack C, the thermal spraying process is performed continuously along the crack C, and the
亀裂Cに充填された充填材30は、時間経過とともに冷却し、硬化する。充填材30は、周囲の母材に溶け込み、一体となって硬化する。このようにして、亀裂Cの補修が完了する。
The
亀裂Cが大きな幅を有する場合、図4に示すように、装置1は照射ヘッド11を亀裂C及び溶岩チューブLの表面に沿って移動(掃引)させ、複数のビードを形成するように溶射を行えばよい。ビードを積層することによって、充填材30が亀裂Cを塞ぐとともに、周囲と一体化するように硬化する。
When the crack C has a large width, as shown in FIG. 4, the device 1 moves (sweeps) the
<実験>
上記のように形成した補修部について、強度を確認する試験を行った。
<Experiment>
A test was carried out to confirm the strength of the repaired portion formed as described above.
実験は、図5(a)のように、楔形の開先を有する試験体Sを用いて行った。具体的には、試験体Sの開先に装置1を用いて充填材30を噴射するとともにレーザーによって溶融させた。また、開先に沿って焦点Fを毎秒7.5ミリメートルの速度で掃引し、複数のビードを積層した。レーザーの出力は、300Wとした。その他の試験条件は図6に示す。このようにして開先を接合し、試験体Sを略直方体の形状とした。開先接合前後の試験体Sの寸法は図5(a)、(b)に示すとおりである。
The experiment was conducted using a test specimen S having a wedge-shaped groove, as shown in Figure 5(a). Specifically,
充填材30には月の模擬砂を用いた。具体的には、火山溶岩石を原料とする月土壌シミュラントFJS-1を充填材30として使用した。シミュラントFJS-1の主な化学組成はSiO2が49.8%,Al2O3 が19.9%,CaO が10.2%である。アポロ計画で採取された月土壌の粒度分布の上下限内に収められ、50%粒径が0.067mmである。
Lunar simulant sand was used for the
試験体Sは、溶岩チューブLの表層を模擬するため、模擬砂を焼結することによって形成されている。 The test specimen S was formed by sintering simulated sand to simulate the surface of the lava tube L.
開先接合後の試験体Sに対し、曲げ荷重を与えて強度を計測した。強度の計測は、図5(c)のように、試験体Sを単純支持とし、支点間の中央に集中荷重をかけることにより行った。 After groove welding, a bending load was applied to the test specimen S to measure its strength. The strength was measured by simply supporting the test specimen S and applying a concentrated load to the center between the supports, as shown in Figure 5 (c).
試験の結果1~2N/mm2の曲げ強度が計測され、ある一定の強度を有することが分かった。試験時の破壊は、充填材30と母材(補修前の試験体S)の境界ではなく、充填材30の中心を通るように発生した(図5(c))。母材と充填材30とが十分な強度をもって接合されていることが分かる。
As a result of the test, a bending strength of 1 to 2 N/mm2 was measured, and it was found to have a certain level of strength. The fracture during the test occurred not at the boundary between the
<変形例>
上記装置1による亀裂Cの補修は、溶岩チューブLだけでなく、コンクリート構造物や、岩石など、ケイ素を含む物体や構造物に広く適用可能である。例えば、岩盤の補修やトンネルの亀裂の補修などに、上記の装置1及び補修方法は、適用可能である。このような物体、構造物に対しても充填材30はガラス化し、母材と一体となって硬化するため、上記と同様に、装置1による亀裂補修作業の実施が可能である。
<Modification>
The repair of the crack C by the above-mentioned device 1 can be widely applied not only to the lava tube L but also to objects and structures containing silicon, such as concrete structures and rocks. For example, the above-mentioned device 1 and repair method can be applied to repairing rock masses and cracks in tunnels. Since the
充填材30の材料としては、月面の砂に限定されず、地球上の砂が用いられてもよい。また、溶岩の粉砕物など、その他の材料が使用可能である。充填材30としては、ケイ素が含まれる粉体または粒体を用いることが好ましいと考えられる。
The material for the
上記実施形態では、充填材30を亀裂内において溶融させることによって作業が実行された。別の形態として、溶融した充填材30を噴射することにより、亀裂Cの補修作業が実施されてもよい。
In the above embodiment, the work was performed by melting the
<効果>
(態様1)上記実施形態または変形例では、コンクリート類、または岩石の亀裂Cにおいて、粒状の充填材30を亀裂Cに噴射する噴射部13と、充填材30にレーザー光を照射して溶融させるレーザー照射部12と、を備える装置1が提示される。
<Effects>
(Aspect 1) In the above embodiment or variant example, an apparatus 1 is presented that includes an
上記態様において、装置1は、コンクリートや溶岩などの岩石に生じた亀裂Cを十分な強度をもって補修することができる。また、レーザー光を照射して充填材を加熱するため、酸素の無い環境においても、装置1は補修作業を確実に実施可能である。 In the above embodiment, the device 1 can repair cracks C that have occurred in rocks such as concrete and lava with sufficient strength. In addition, because the filler is heated by irradiating it with laser light, the device 1 can reliably carry out repair work even in an oxygen-free environment.
(態様2)態様1において、充填材30は砂である。
(Aspect 2) In aspect 1, the
上記態様のように、充填材30を砂とすることで、容易に入手できる安価な材料によって、亀裂Cの補修を実施することが可能となる。
As described above, by using sand as the
(態様3)態様2において、充填材30は月の砂である。
(Aspect 3) In
上記態様とすることにより、月で亀裂補修作業を実施する際、地球から月面まで充填材30を運搬する必要が無くなる。そのため、月でも容易に亀裂補修を行い、基地など居住施設の建設を円滑に進めることが可能となる。
By adopting the above-mentioned configuration, when carrying out crack repair work on the Moon, there is no need to transport the
(態様4)態様3において、亀裂Cは、月の溶岩チューブに発生した亀裂である。 (Aspect 4) In aspect 3, crack C is a crack that occurred in a lunar lava tube.
実施形態及び変形例は、月の砂を用いて溶岩チューブLの亀裂Cを補修することに適している。月の砂と溶岩チューブLの組成がほぼ同じであるため、十分な強度が期待できる。溶岩チューブL内部の気密性を維持するに十分な、補修が可能となる。 The embodiment and modified examples are suitable for repairing cracks C in a lava tube L using lunar sand. Since the composition of lunar sand and lava tube L is almost the same, sufficient strength can be expected. Repairs can be made that are sufficient to maintain the airtightness of the inside of the lava tube L.
(態様5)態様1から4のいずれかにおいて、噴射部13は、充填材30を貯蔵する貯蔵部131と、充填材30を前記レーザー光に向けて噴射する噴射口132と、噴射口132と貯蔵部131とを接続する管部133と、貯蔵部131に貯蔵された充填材30に圧力を加える加圧部134と、を備える。
(Aspect 5) In any of aspects 1 to 4, the
上記態様とすることにより、充填材30の充填を亀裂内部において効率よく実行可能となる。また、加圧部134を備えることにより、大気の無い環境においても、充填材30の噴射が可能となる。
The above configuration allows the
(態様6)態様1から5のいずれかにおいて、噴射部13及びレーザー照射部12は、亀裂C及び亀裂Cが生じた材料表面に沿って移動してビードを形成する。
(Aspect 6) In any of aspects 1 to 5, the
上記態様により、装置1は、大きな亀裂Cに対しても確実に補修を実行することができる。 The above-mentioned aspect allows the device 1 to reliably perform repairs even on large cracks C.
(態様7)態様1から6のいずれかにおいて、亀裂Cはコンクリート類、無機化合物材料を焼成した焼成材、無機化合物材料を焼結した焼結材、及び岩石のいずれかに生じた亀裂である。 (Aspect 7) In any of aspects 1 to 6, crack C is a crack that occurs in concrete, a fired material made by firing an inorganic compound material, a sintered material made by sintering an inorganic compound material, or rock.
上記のように装置1は、コンクリート、砂質、石質の材料に広く適用可能である。 As described above, the device 1 is widely applicable to concrete, sand, and stone materials.
1 装置
11 照射ヘッド
12 レーザー照射部
13 噴射部
30 充填材
Reference Signs List 1
Claims (7)
前記充填材にレーザー光を照射して溶融させる照射部と、
を備える装置。 An injection unit that injects granular filler into the cracks;
An irradiation unit that irradiates the filler with laser light to melt it;
An apparatus comprising:
請求項1に記載の装置。 The filler is sand.
2. The apparatus of claim 1.
請求項2に記載の装置。 The filler is moon sand.
3. The apparatus of claim 2.
請求項3に記載の方法。 The crack is a crack in a lunar lava tube.
The method according to claim 3.
前記充填材を貯蔵する貯蔵部と、
前記充填材を前記レーザー光に向けて噴射する噴射口と、
前記噴射口と前記貯蔵部とを接続する管部と、
前記貯蔵部に貯蔵された前記充填材に圧力を加える加圧部と、を備える
請求項1または2に記載の装置。 The injection unit is
A storage section for storing the filler;
an injection port that injects the filler toward the laser light;
A pipe portion connecting the injection port and the storage portion;
The device according to claim 1 or 2, further comprising: a pressurizing unit that applies pressure to the filler stored in the storage unit.
請求項1または2に記載の装置。 The ejection unit and the irradiation unit move along the crack and the material surface where the crack occurs to form a bead.
3. Apparatus according to claim 1 or 2.
請求項1または2に記載の方法。
The crack is a crack occurring in any one of concrete, a fired material obtained by firing an inorganic compound material, a sintered material obtained by sintering an inorganic compound material, and rock.
The method according to claim 1 or 2.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20221202 |