JP6439113B2 - 耐圧ガラス球 - Google Patents

Description

本発明は、カメラ、ビデオカメラ、地震計などの観察機器、計測機器等を収納し、深海、海底、地底あるいは南極大陸などの厚い氷の中など探査探索に用いることのできる耐圧ガラス球に関する。

カメラ、ビデオカメラ、地震計などを用いて海、深海、地底あるいは南極大陸などの厚い氷の中などを探査探索するには、それら観察機器、計測機器を収納する耐圧容器が必要である。従来、チタン合金などの高強度金属材料が用いられている。

その後、軽量化のために金属材料に代えて、ガラス製耐圧容器も使用されている。ガラスは引っ張り応力下では容易に破壊することがあるが、圧縮応力に対しては極めて高強度であるという特徴を活かしたものである。南極大陸の氷の中では、ガラス製耐圧容器の中に、宇宙からの素粒子の検出を目的としたフォトマルを内蔵することが検討されている。

また、ガラスは金属材料やセラミック材料と異なり透明であることも大きな利点の一つであって、収納したカメラやビデオカメラ等を用いて海底や深海の状態を視覚的に観察することができる。

非特許文献１は、耐圧ガラス球を用いた深海カメラシステムの試作に関するものであって、ガラス球が１９６４年頃からアメリカで耐圧容器として利用され始めたが、表面仕上げ状態などの問題点があったために、日本国内ガラスメーカーの協力を得て、耐圧ガラス球を開発試作したことが記載されている。開発試作されたガラス球は、外径３６ｃｍ、内径３２ｃｍのものと、外径３６ｃｍ、内径３３ｃｍの２種類である。

非特許文献２には、非特許文献１に記載された外径３６ｃｍ、肉厚１．５ｃｍのガラス球及び外径２６ｃｍ、肉厚１ｃｍのガラス球を用いたフリーフォール式深海カメラシステムが記載されている。

特許文献１は、一対の中空ガラス製半球体を用いた海洋測定器用ハウジングを開示したものであるが、二つの中空ガラス製半球体は円形開口部（すり合わせ面）が直接接するものではなく、保護ケージを介して結合されている。

特許文献２は、特許文献１で開示された技術の問題点として、材料コストと運転コストが高価なこと及びシーリングによるシール信頼性が低い点を挙げ、それらの改善のため、深海における高圧下での海水の侵入による圧壊を防止する手段として、すり合わせ面を精度よく研磨し（±４μｍ）、かつ、すり合わせ面の外側である赤道面接合部に非硬化性材料を施し、さらに接着テープで被覆する技術を開示している。

特許文献３は、一対の中空半球体を、互いに接合するすり合せ面で合わせて一つの球を形成する耐圧ガラス体であって、すり合わせ面に塗布された硬化性接着剤から成る接着結合層によって互いに結合された耐圧ガラス体を開示している。これは、特許文献２に開示された技術では、すり合わせ面を高い精度で研磨する必要のあること、及び２つの中空半球体を合わせたときに位置ずれが起こる危険性のあることを防止するためであって、これら問題を解決するために、硬化性接着剤によって２つの中空半球体を接着するものである。

特許文献４は、一対の中空ガラス製半球体をすり合わせ面で合わせた耐圧構造物であって、少なくとも一方のすり合わせ面に金属膜を形成することを特徴とするものである。これは、特許文献３で開示された技術では、硬化性接着剤からなる接着結合層ですり合わせ面を互いに結合するため、深海観測の後に耐圧ガラス体を回収した場合、収容してあった観測機器等を取り出すには、接着接合層を破壊する必要があって、１回の利用しかできないという問題点を解決するためのものである。すなわち、接着結合層の代わりに金属膜を用いることによって、深海観測の後に回収した耐圧構造物を破壊することなく、内部に収容してあった観測機器を回収でき、さらに繰り返し使用することができるというメリットをうたっている。

また、特許文献４では、耐圧構造物を繰り返し使用することによって、すり合わせ面に加圧（深海）→減圧（地上）→加圧→減圧という過程が繰り返され、すり合わせ面にクラックや剥離が発生するという問題点を、すり合わせ面に形成された金属膜によって補強し、クラックの発生や剥離を抑制できるとしている。

特許文献５は、耐圧容器の外殻体、耐圧容器および探査装置に関するものであって、セラミックから成り、貫通孔を有する耐圧容器に関するもので、セラミックから成る凸面状の外殻部と、該外殻部に連なり、厚み方向に貫通孔を有する部分の肉厚を厚くすることを特徴とする外殻体を開示している。

非特許文献３は、米国Teledyne Benthos社の深海用ガラス製浮力球（Floatation Glass Sphere）の技術スペックであって、外径１３インチ（３３ｃｍ）、内径１２インチ（３０．５ｃｍ）、重量９．０７ｋｇｆ、浮上力１０．４ｋｇｆのガラス球と、外径１７インチ（４３．２ｃｍ）、内径１５．９インチ（４０．４ｃｍ）、重量１７．７ｋｇｆ、浮上力２５．４ｋｇｆのガラス球が開示されている。ここで、浮上力とは、ガラス球によって得られる浮力からガラス球の重量を差し引いたものである。

非特許文献４は、ドイツNautilus Marine Service GmbH社のガラス球に関するデータシートであって、外径１７インチ（４３２ｍｍ）、球殻の厚み２１ｍｍ、１８ｍｍ、１４ｍｍのガラス球や外径１３インチ（３３０ｍｍ）、球殻の厚み１２ｍｍのガラス球などが開示されている。

米国特許第３，５６３、０８９号公報 米国特許第３，５８７，１２２号公報 特表２００３−５１７５７１号公報 特開２０１０− ３８８５４号公報 日本国特許第５３１３４００号公報

耐圧ガラス球を用いた深海カメラシステムの試作について、海洋科学技術センター試験研究報告第１号、p.26〜31、１９７７ ４．フリーフォール方式耐圧ガラス球入り深海カメラシステム、ＪＡＭＳＴＥＣＴＲ ３、１９７９ http://teledynebenthos.com/product/flotation_instrument_housings/flotation-glass-spheres http://www.nautilus-gmbh.com/fileadmin/images_nautilus/002_VITROVEX/Instruments/Data_sheets/140101_VITROVEX_deep_sea_instrumentation_housings.pdf

非特許文献１に記載された耐圧ガラス球は、空中重量１６ｋｇｆで実効浮力（浮上力）８ｋｇｆ及び空中重量１２．５ｋｇｆで実効浮力（浮上力）１２．５ｋｇｆと記載され、これら耐圧ガラス球を用いた深海カメラシステムの最大到達深度は５，８１０ｍと記載されている。

非特許文献２には、外径３６ｃｍ、肉厚１．５ｃｍ、空中重量１２．５ｋｇｆで実効浮力（浮上力）１２．５ｋｇｆの大形の耐圧ガラス球を用いたフリーフォール式耐圧ガラス球入り深海カメラシステムが、水深６，７００ｍに相当する耐圧性能を有し、実際に水深３，４００ｍで深海生物の写真撮影及び回収に成功したと記載されている。そして、この深海カメラシステムの回収の際の浮上速度は、１．１ｍ／ｓであったと記載されている。また、外径２６ｃｍ、肉厚１ｃｍ、実効浮力４．７ｋｇｆの小形ガラス球を利用した深海カメラシステムは、水深６０００ｍの耐圧試験に合格したと記載されている。その上で、効率的な探査探索とシステムの回収のためには、耐圧ガラス球の軽量化による浮上力の増大が重要な課題であることが示唆されている。また、耐圧ガラス球の大深度における連続使用回数についてはまだ疑問が多いと記載されている。

特許文献１に開示された技術は、ガラス球を用いているとはいえ、すり合わせタイプではなく、特許文献２で指摘された課題を有している。

特許文献２で開示された技術は、すり合わせ面の高精度の研磨加工と赤道面周囲のシール加工が必要とされている。また、耐圧ガラス球の耐圧テストは１０，０００p.s.i（約６９ＭＰａ）で行われている。これは水深約６，９００ｍに相当するものである。

特許文献３で開示された技術は、前記の通り硬化性接着剤を用いることから、繰り返し使用することが難しいという課題を有する。また、運転深度は７，０００ｍまでが好ましいとされている。

特許文献４で開示された技術は、すり合わせ面に金属膜を形成することによって補強し、すり合わせ面でのガラスのクラックや剥離を抑えようとするものであるが、加圧・減圧試験は、４分間で６０ＭＰａまで加圧し、次の４分間で減圧し、これを５０回繰り返して、水深６，０００ｍでの探査探索と回収を想定したものである。

特許文献５で開示された技術は、１１，０００ｍ級の深海での探査探索ができるよう、貫通孔部分の強度を向上させるため、貫通孔部分の肉厚を厚くするものであるが、不透明なセラミック製耐圧容器の外殻体を対象としている。耐圧ガラス球において、球殻の一部に貫通孔をあけ、その部分の肉厚を厚くするという加工は困難であるし、すり合わせ面の強度の改善にはつながらないという課題がある。

非特許文献３及び４に記載されている製品例においては、外径１０インチ球及び外径１３インチ球では、浮上力が小さい。同様に、深度９，０００ｍ球及び１２，０００ｍ級の１７インチ級の製品ラインアップはあるものの、７，０００ｍ級に比べて浮上力が十分ではなく、深海からの回収に時間を要する。

これら公知技術及び従来例の記載からわかるように、本発明に係る耐圧ガラス球においては、深海の水圧に耐えて繰り返し使用が可能な耐圧性能を維持しつつ、軽量化と浮上力の増大を図ることが重要な課題となっている。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、一対の中空ガラス製半球体を、その赤道面にあるすり合わせ面を接合面として合わせて得られる耐圧ガラス球において、前記すり合わせ面から所定の幅の赤道面部の球殻の厚みが、赤道面部以外の部分の球殻の厚みより厚肉であることを特徴とする耐圧ガラス球である。ここで、中空ガラス製半球体とは、別の言い方をすると、半球の赤道面にすり合わせ面を持つガラス製半球殻体であり、球殻とは、中空ガラス製半球体において、ガラスで構成される部分のことである。

本発明は、耐圧ガラス球のクラックや剥離が、すり合わせ面で発生し、深海においては、これらクラックや剥離を起点として、耐圧ガラス球全体の圧壊が起こるという事実に基づいたものである。

本発明は、強度を改善するために耐圧ガラス球のすべての部分の球殻の厚みを厚くするのではなく、強度に影響を及ぼす赤道面（すり合わせ面）から所定の幅の赤道面部の球殻の厚みだけを、赤道面部以外の部分の球殻の厚みより厚くすることによって、重量の増大を防止して浮上力を増大させながら、強度を改善するものである。

本発明において、前記一対の中空ガラス製半球体のすり合わせ面から所定の幅の赤道面部の球殻の厚みが、赤道面部以外の部分の球殻の厚みと比べて、外径より外側に及び内径より内側に、合計で０．５ｍｍ以上厚くされている耐圧ガラス球が望ましい。つまり、すり合わせ面を含む赤道面部の球殻の外径が、他の部分の球殻の外径より０．５ｍｍ以上外側に厚いか、すり合わせ面を含む赤道面部の球殻の内径が、他の部分の球殻の内径より０．５ｍｍ以上内側に厚いか、例えば、０．２５ｍｍ以上外側に厚く、かつ０．２５ｍｍ以上内側に厚く、合計で０．５ｍｍ以上厚いというような構成であることが望ましい。

本発明の具体的態様として、前記一対の中空ガラス製半球体の外径が３３０ｍｍ、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みが１７ｍｍであって、赤道面部における球殻の厚みが、外径より外側に０．２５ｍｍ以上、かつ内径より内側に０．２５ｍｍ以上、それぞれ厚くした耐圧ガラス球をあげることができる。

本発明の他の具体的態様の一つとして、前記一対の中空ガラス製半球体の外径が３３０ｍｍ、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みが１６ｍｍであって、赤道面部における球殻の厚みが、赤道面部以外の部分の球殻の厚みと比べて、外径より外側に０．５ｍｍ以上、かつ内径より内側に０．５ｍｍ以上、それぞれ厚くした耐圧ガラス球をあげることができる。

なお、前記２つの具体的態様において、３３０ｍｍという外径は、公知例において１３インチと記載されている外径と同じであって、厳密に３３０ｍｍに限られるわけではなく、数ミリ程度の外径差を有するガラス球は、本具体的態様に含まれる。また、球殻の厚みが１７ｍｍあるいは１６ｍｍという場合も、厳密に１７ｍｍあるいは１６ｍｍに限られるわけではなく、通常は±０．５ｍｍ以内の誤差が許容される。

本発明のさらに別の具体的態様の一つとして、前記一対の中空ガラス半球体の外径が４３２ｍｍ、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みが２０ｍｍであって、赤道面部における球殻の厚みが、赤道面部以外の部分の球殻の厚みと比べて、外径より外側に及び内径より内側に、合計で０．５ｍｍ以上厚くされている耐圧ガラス球をあげることができる。本具体的態様における４３２ｍｍという外径は、公知例において１７インチと記載されている外径と同じであって、厳密に４３２ｍｍに限られるわけではなく、数ミリ程度の外径差を有するガラス球は、本具体的態様に含まれる。

本発明のさらに別の具体的態様の一つとして、前記中空ガラス製半球体の外径が２５０ｍｍ、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みが８ｍｍであって、赤道面部における球殻の厚みが、外径より外側に及び内径より内側に、合計で０．５ｍｍ以上厚くされている耐圧ガラス球をあげることができる。本具体的態様における２５０ｍｍという外径は、公知例において１０インチと記載されている外径と同じであって、厳密に２５０ｍｍに限られるわけではなく、数ミリ程度の外径差を有するガラス球は、本具体的態様に含まれる。また、球殻の厚みが８ｍｍという場合、通常は±０．５ｍｍ以内の誤差が許容される。

このような耐圧ガラス球を構成する中空ガラス製半球体において、球殻の厚みが、赤道面部以外の部分の厚みより厚肉とする赤道面部の所定の幅としては、赤道面であるすり合わせ面から９ｍｍ以上１３０ｍｍ以下であることが望ましい。つまり、赤道面であるすり合わせ面から９ｍｍ以上１３０ｍｍ以下の幅で厚肉とされている部分が赤道面部である。これは、すり合わせ面である赤道面の球殻の厚みだけを厚肉とすることは不可能であって、すり合わせ面である赤道面から、前記所定の幅を厚肉化されているのである。

赤道面部の幅を前記数値範囲に限定するのは、９ｍｍより小さすぎると、すり合わせ面の肉厚増大による強度向上の効果が乏しくなってしまう怖れがあり、赤道面部の幅が１３０ｍｍを超えると、耐圧ガラス球の重量減少による浮上力増大効果が小さくなるからである。

そして、前記中空ガラス製半球体において、接合面となるすり合わせ面の面精度として、平坦度を表すＰＶ値が２０μｍ以下、表面粗さＲａが０．５μｍ以下、垂直度が２μｍ以下であることが望ましい。こうすることによって、球殻の厚みを薄く抑えながら、すり合わせ面の強度をさらに向上させることが可能になるからである。

非特許文献２には、すり合わせ面の研磨精度を±４μｍとした記載されているが、本発明では、すり合わせ面の強度向上のため、表面粗さＲａを０．５μｍ以下として、かつ新しい概念として垂直度を導入した。垂直度については、後に詳しく説明するが、２つの中空ガラス球同士をすり合わせ面で合わせる際に、すり合わせ面の平行度（接線に対する垂直度）が高ければ高いほど、強度低下につながるクラックや剥離の発生が抑えられるという考え方に基づいている。

本発明によれば、中空ガラス製半球体の球殻の厚みを薄く抑えながら、すり合わせ面から所定の幅の赤道面部の球殻の厚みだけを増大させることによって耐圧強度を高めているので、耐圧ガラス球全体の重量を低減させることができ、結果として浮上力が向上するという効果が得られる。

本発明の耐圧ガラス球の製造プロセスを説明する図である。 本発明の耐圧ガラス球のすり合わせ面と赤道面部を表す図である（実施例１）。 本発明におけるすり合わせ面の垂直度の定義と測定方法を示す図である。 本発明による耐圧ガラス球（実施例１）の全体設計図である。 図４におけるＣ部拡大図であって、すり合わせ面の加工精度が示されている。 球殻の厚みが均等に１７ｍｍである耐圧ガラス球の設計図である（比較例）。 本発明の実施例の別の一例の設計図である。 本発明の実施例のさらに別の一例の設計図である。 本発明の請求項６に記載の耐圧ガラス球の構成を示す設計図である。

本発明に用いる中空ガラス製半球体は次のような工程で作製される。

成型工程では、溶融されたガラスを通常のダイレクトプレス技術によって中空半球体形状に成型する。図１-１〜３に示すように、金型（胴型）内に溶融したガラスの塊（ガラスゴブ）を投入し、上方から金型（矢型）を下して、ガラスをプレス成型し、金型の形状を転写し、中空ガラス半球体を得る。

この段階で、中空ガラス製半球体の外面・内面の形状や表面状態が決定される。本発明においては、胴型の赤道面部に該当する位置は、厚肉化する分だけ広くなっており、矢型の赤道面部に該当する位置は、厚肉化する分だけ狭く加工されている。このようにすることによって、耐圧ガラス球の赤道面部の球殻の厚みは、その他の部分の球殻の厚みより、厚肉化されるのである。

金型の形状精度及びガラスに接する金型表面の面精度が極めて重要であり、プレス成型された中空ガラス製半球体の品質や形状精度を大きく左右する。本発明において、厚肉化される赤道面部の幅は、９ｍｍ以上１３０ｍｍ以下であることが望ましいので、耐圧ガラス球の赤道部面の厚肉部に相当する胴型及び矢型の部分が、そのような寸法及び形状となるよう加工されている。

本発明の耐圧ガラス球に用いるガラスの材質としては、比重２．３５程度のホウケイ酸ガラスが望ましい。より一般的なガラス材質であるソーダ石灰ガラスの比重である２．５０に比べて、比重が小さいことから、深海において得られる浮上力が大きくなることが期待できるからである。

また、本発明の耐圧ガラス球に用いるガラスの材質としては、耐熱性・耐熱衝撃性の観点からもホウケイ酸ガラスが望ましい。ホウケイ酸ガラスの線熱膨張係数は約５０ｘ１０^−７／℃と小さいことから、温度変化に伴う形状変化や発生する熱応力が小さくなるからである。ホウケイ酸ガラスは耐久性にも優れている。

プレス成型後は、室温まで徐冷された中空ガラス製半球体を、加工工程に移す。まず、図１-４に示すように、プレス成型時にはみ出した余分なガラス部分をMC（マシニングセンタ）加工機によって除去する。ここでは、例えば、番手が６００番程度の電着ダイヤモンド研削具を使用する。研削時間を管理することによって、所望の寸法になるまで研削する。この工程によって、粗削りされたすり合わせ面（接合面）が完成する。

次に接合面の内側及び外側のエッジ部に糸面取り加工を施す。この工程は番手が６００番程度のベルトサンダーを使って手動で行う。中空ガラス製半球体の接合面のエッジ部には研削加工時に生じた微細なチッピング等が存在するため、これを除去すること、また使用中・取扱い中のカケ、剥離や割れの発生を予防するために、このような糸面取りを施す。糸面取りではなく、曲率の大きな、いわゆるＲ加工を行うと、加圧時に、すり合わせ面端部に大きな応力が発生することが実験的に確認されており、幅０．３〜０．５ｍｍ程度の糸面取り加工が適切である。

次に、番手が１０００番程度の金剛砂を使用した研磨盤による研磨によって、接合面の精密研磨加工を行って、図１-５の中空ガラス製半球体を得る。

図２は、赤道面１４の近傍の赤道面部１１の球殻の肉厚を、内径より内側に及び外径より外側に、約１５ｍｍの幅にわたって、それぞれ約０．５ｍｍだけ厚くした構成の、本発明の耐圧ガラス球の赤道面部近傍の断面図である。

本実施態様においては、赤道面部以外の部分の球殻１４の厚みは１７ｍｍとなるよう設計されており、赤道面部１１に向かって徐々に球殻の厚みが厚くなり、赤道面部における球殻の厚みは約１８ｍｍである。外径部の厚肉部は、赤道面部以外の部分から３０ｍｍの曲率で徐々に厚肉化されている。一方、内径部の厚肉部は、赤道面部以外の部分から９５ｍｍの曲率で徐々に厚肉化されている。図２中に、２．８２°との記載があるが、これは金型を用いてプレス成形した中空ガラス製半球体を、プレス成形後に金型から離型しやすくするために、ごくわずかなテーパー（２．８２°の傾き）を付けたことを表している。

本実施態様においては、すり合わせ面１２の端部は、内側エッジでは０．３ｍｍより小さい幅（約０．２ｍｍ）で糸面取りされており、外側では０．５ｍｍの幅で糸面取りされている。結果として、一対の中空ガラス製半球体は、幅１７．６８ｍｍのすり合わせ面で接合されることになる。

接合面であるすり合わせ面１２の面精度・形状精度の測定は、Ｒａ（表面粗さ）については表面粗さ・輪郭形状測定機（Mitutoyo CS-3000）により、またＰＶ（平坦度）及び垂直度については、三次元形状測定機（Mitutoyo CRT-A C776）により実施した。

ＰＶ（平坦度）及び垂直度の測定方法は次の通りである。まず、中空ガラス半球体を、赤道面を上にして、三次元形状測定器の試料台上にセットする。ぞして、すり合わせ面（赤道面）上の任意の4点の位置（高さ）から、傾き（水平度）を測定する。その赤道面の傾きを自動補正して、基準面（水平面）とする。

次に、中心角を１０度ずつ分割したすり合わせ面上の３６点の位置を測定して、最大値（Ｐｅａｋ）及び最小値（Ｖａｌｌｅｙ）からＰｅａｋ−ｔｏ−Ｖａｌｌｅｙ値、すなわちＰＶ値（平坦度）を求める。

さらに、中心角を４５度ずつ分割した８カ所で、図３のように、ガラス球の外側〜すり合わせ面〜内側に掛けてプローブを走らせ、垂直度を測定する。すなわち、垂直度とは、すり合わせ面の外径部と内径部が、完全水平面に比べて、どの程度ずれているかを表す値である。垂直度が大きいほど、すり合わせ面の高くなった部分が、押し付けられることとなって、クラックや剥離が生じやすいと考えられ、好ましくない。

完成した一対の中空ガラス製半球体を、その赤道面であるすり合わせ面で合わせて、ガラス球内を、孔部から８００Ｐａ程度に減圧した。すり合わせ面の接合部位はブチルゴムテープと塩化ビニールテープを一周巻いて固定した。このようにして本発明の耐圧ガラス球を製作し、加圧試験に供した。なお、前記減圧に用いた孔部は直径約５ｍｍであって、孔開けドリルを用いて形成され、観測等に必要なケーブルを通した後、Ｏ−リングを介してボルトとナットで締め付けて封止した。

（実施例１）
前記した図２は、外径３３０ｍｍ、球殻の肉厚１７ｍｍの耐圧ガラス球において、すり合わせ面１２である赤道面１４から１５ｍｍの幅にわたって、２つの中空ガラス製半球体の厚みを外径より外側に０．５ｍｍ、内径より内側にも０．５ｍｍ厚くした構成である。従って、赤道面部１１における球殻１４の厚みは、赤道面部以外の部分より合計で１ｍｍ厚くなっている。内径側は、赤道面部以外の部分の球殻から、曲率９５ｍｍで肉厚を徐々に０．５ｍｍ厚くしている。また、外径側は曲率３０ｍｍで肉厚を徐々に０．５ｍｍ増大している。すり合わせ面１２の幅は１７．６８ｍｍである。すり合わせ面は、番手が１０００番の金剛砂を用いて、０．５μｍ以下の表面粗さになるまで研磨した。ガラス端部に存在する欠陥を除去するため、番手が６００番の研磨ベルトを用いて外側の端部を０．５ｍｍ、内側の端部を０．３ｍｍの幅で研磨した。

すり合わせ面１２の面精度等は、前記した方法を用いて測定した。その結果、すり合わせ面の表面粗さＲａは０．１５７μｍ、ＰＶ値は７．９μｍ、垂直度は全周8カ所で０．１〜１．５μｍであった。

このようにして得た一対の中空ガラス製半球体をすり合わせ面１２で合わせて、赤道面部１１の外側にゴム製のバンドを巻いて固定し、耐圧ガラス球とした。すり合わせ面には接着剤等の緩衝材は使用しなかった。

本実施の例は、後に示す表１中のＮｏ．４に相当する構成であって、耐圧ガラス球の重量は１２．４８ｋｇｆ、浮力は１９．２４ｋｇｆ、浮力から重量を差し引いた浮上力は６．７６ｋｇｆである。球殻全ての肉厚を１８ｍｍとした表１中のＮｏ．２１では、重量１３．０６ｋｇｆ、浮力１９．２３ｋｇｆ、浮上力６．１７ｋｇｆであるので、本実施の形態の構成とすることにより浮上力が０．５９ｋｇｆ増大したことになる。

この耐圧ガラス球について、２種類の耐圧テストを実施した。

第一のテストは、水深１２，０００ｍの水圧に相当する１２０ＭＰａでの単純加圧試験である。常圧から２０分で１２０ＭＰａに加圧し、１２０ＭＰａの圧力で２０分保持したのち、２０分で常圧に戻した。その後、耐圧ガラス球のすり合わせ面を観察したところ、クラックや剥離は発生していないことが確認された。

第二のテストは、繰り返し加圧試験である。繰り返し加圧試験では、１５分で最大到達圧力１１４ＭＰａまで加圧し、その後１５分で常圧に戻すサイクルを１サイクルとして、これを７回繰り返した。その結果、図２に示した本発明は、このテストにも耐えることができた。試験後、すり合わせ面を観察したところ、破損や圧壊につながるようなクラックや剥離の発生は確認できなかった。

（その他の実施例及び比較例）
実施例及び比較例を整理した結果を表１に示す。これらは、１２０ＭＰａの圧力がかかった場合に球殻の内側エッジ部に発生する最大引張り応力Ｆ（ＭＰａ）を計算したものである。この計算は、DASSAULT SYSTEMS社のSOLIDWORKSというソフトウェアを用いたもので、耐圧ガラス球が深海の水深に相当した圧力を受けた場合の、耐圧ガラス球各部に発生する応力を計算できるものである。

水深に対応した外圧が耐圧ガラス球に作用すると、球殻のすり合わせ面に応力が発生するが、前記したように、内側エッジ部に最大引張応力Ｆが発生し、その応力が耐圧ガラス球の強度を超えると、ガラス球が圧壊し破損する。従って、外圧の作用下で、内側エッジ部に発生する最大引張応力が小さい場合、耐圧強度が高いということができる。

表１中、Ｘとして表示されている寸法は、赤道面部において、内径から内側に、外径から外側に、それぞれ厚肉とされた厚みである。Ｙは、厚肉とされた部分の幅であって、すり合わせ面からの寸法を記載している。内Ｒは、内径側において、赤道面部以外の部分から、赤道面部を厚肉とするために徐々に厚みを増大していく際の曲率である。外Ｒとは、外径側において、赤道面部以外の部分から、赤道面部を厚肉とするために徐々に厚みを増大し、厚みの増大を収束させる際の曲率である。

表１には、参考のため、耐圧ガラス球の体積、外径体積及び重量を示し、さらに外径体積から計算される浮力及び浮力と重量の差から計算される浮上力を示している。ここで、ガラスの比重は２．３５、海水の比重は１．０２として計算している。

表１中、Ｎｏ．４として示した構成である実施例１は、水深１２，０００ｍ相当の単純加圧試験及び繰り返し加圧試験に合格した。実施例１では、中空ガラス製半球体の赤道面部の球殻は、赤道面部以外の部分の球殻の厚みと比べて、内径より内側は、すり合わせ面から約１５ｍｍの幅（Ｙ）にわたって０．５ｍｍだけ厚肉としている。そして、内径より内側で、赤道面部以外の球殻から９５ｍｍの曲率半径（内Ｒ）で厚肉部が形成されている。また、赤道面部は、外径より外側でも０．５ｍｍ肉厚を厚くしているが、赤道面部以外の球殻から３０ｍｍの曲率半径（外Ｒ）で赤道面部の厚肉部が形成されている。

実施例１の中空ガラス製半球体の設計図を図４に示した。一対の中空ガラス製半球体を、接合面であるすり合わせ面１２で合わせることにより、本発明の耐圧ガラス球が得られる。赤道面部以外の部分の球殻１４の厚みは１７±０．５ｍｍという設計値である。外半径として１６５．１ｍｍと記載されているように、外径は３３０．２ｍｍである。頂部には、観測等に必要なケーブルを通すために、孔部が形成されている。赤道面部１１（Ｃと示されている部分）の構造を、図５に拡大して示した。

図５には、すり合わせ面１２の表面の仕上げ状態が示されている。前記したように、すり合わせ面は番手が１０００番程度の細かい金剛砂を用いて、表面粗さが０．５μｍ以下となるまで精密研磨加工を行う。そして、ＰＶ値は２０μｍ以下、垂直度は２μｍ以下となるよう加工されている。すり合わせ面の端部は、内径側は幅０．３ｍｍ以下の糸面加工が施され、外径側は幅０．５ｍｍ程度の糸面取り加工が施されている。

Ｎｏ．２０は比較例であって、外径３３０ｍｍ、球殻の厚みが均等な１７ｍｍの耐圧ガラス球である。Ｎｏ．２０の構成を図６に示す。赤道面部の厚肉部がないことから、一対の中空ガラス製半球体のすり合わせ面の幅は１６．６９ｍｍであって、図２に示した実施例１に比べて１ｍｍ短い。なお、図２及び図６では、中空ガラス製半球体の外径は１６５．１ｍｍであり、内径は１４７．６ｍｍであることから、赤道面部以外の部分の球殻の厚みは１７．５ｍｍになっている。

Ｎｏ．２１及びＮｏ．２２は共に比較例であって、Ｎｏ．２１は、球殻の厚みが均等な１８ｍｍの耐圧ガラス球であり、Ｎｏ．２２は、球殻の厚みが均等な１９ｍｍの耐圧ガラス球である。

実施例１であるＮｏ．４は、内側エッジ部にかかる最大引張応力の値が９５ＭＰａと、比較例であるＮ．２０の１１６ＭＰａよるはるかに小さく、Ｎｏ．２１及びＮｏ．２２と同等である。このことから、赤道面部の厚肉化が、球殻の厚みを均等に厚くするのと同じ効果を有することがわかる。

また、重量及び浮上力の観点から整理すると、Ｎｏ．４では、耐圧ガラス球の重量が１２．４８ｋｇｆ、浮力が１９．２４ｋｇｆ、浮上力が６．７６ｋｇｆであるのに対して、Ｎｏ．２１では浮上力が６．１７ｋｇｆで、Ｎｏ．４より０．５９ｋｇｆ小さく、Ｎｏ．２２では浮上力が５．５３ｋｇｆで、Ｎｏ．４より１．２３ｋｇｆも小さいことがわかった。

表１中で、すり合わせ面の内側エッジに発生する引張り応力が、実施例１であるＮｏ．４と同等程度以下に抑えることのできる構成を選び出すと、Ｎｏ．２、３、５、７〜９、１１〜１６、１９となる。このうち、Ｎｏ．１３、Ｎｏ．１５、１６及び１９は、Ｎｏ．２１及び２２と同様に浮上力がＮｏ．４より小さいという欠点があって、好ましくない。

以上の結果より、赤道面部以外の部分の球殻の厚みが１７ｍｍであっても、１２０ＭＰａの圧力に耐え、外径３３０ｍｍ、球殻の厚み１８ｍｍの耐圧ガラス球と同等程度の耐圧強度を有し、Ｎｏ．２０と同等程度の浮上力を有する耐圧ガラス球を得ることのできる構成としては、赤道面部の球殻の外径の外側又は内径の内側の少なくとも一方を厚肉化し、それら厚肉化する合計厚みを０．５ｍｍ以上とすることが重要であることが判明した。

赤道面部の厚肉化する幅Ｙとしては、９ｍｍ以上１３０ｍｍ以下が適切で、９ｍｍ以上６５ｍｍ以下であることが望ましい。１３０ｍｍを超えて厚くしても、強度向上のメリットはなく、逆に浮上力低下のデメリットが大きくなる。

表１中の内Ｒ及び外Ｒに関しては、強度や浮上力に対する影響は小さく、赤道面部の厚肉部を赤道面部以外の部分から滑らかに構成すればよいと考えられる。

図７は、赤道面部において、内径より内側に０．２５ｍｍ、外径より外側に０．２５ｍｍ、合計で０．５ｍｍ厚肉化した本発明の構成の一つであって、表１中のＮｏ．３に該当する。この構成は、すり合わせ面の幅が１７．１９ｍｍであり、内側エッジ部に働く最大引張応力は８２ＭＰａと、実施例１より小さい。また、浮上力は６．７９ｋｇｆであって、球殻の全ての厚みが１８ｍｍであるＮｏ．２１の構成に比べて、浮上力が０．６２ｋｇｆ増大する。

図８は、赤道面部において、内径より内側に１．０ｍｍ、外径より外側に１．０ｍｍ、合計で２ｍｍ厚肉化した本発明の他の構成の一つであって、表１中のＮｏ．５に該当する。この構成は、すり合わせ面で幅が１８．６９ｍｍであり、内側エッジ部に働く最大引張応力が８１ＭＰａと、実施例１より小さい。また、浮上力は、６．６８ｋｇｆであって、球殻の厚みが均等に１９ｍｍであるＮｏ．２２の構成に比べて、浮上力が１．１５ｋｇｆも増大する。但し、Ｎｏ．１３、１６及び１９の構成から判断すると、外径側又は内径側の厚肉化する厚みが１ｍｍを超えても、強度上のメリットは大きくなく、逆に浮上力を小さくするデメリットがあると考えられる。

以上の結果は、外径３３０ｍｍ、球殻の厚み１７ｍｍの耐圧ガラス球において、すり合わせ面近傍の赤道面部の球殻の厚みだけを厚くすることで、赤道面部以外の球殻の厚みを薄く保ったまま、耐圧強度を向上させるとともに、浮上力の観点でも有利であることを示したものである。

同様の考え方は、外径３３０ｍｍの耐圧ガラス球のみならず、外径２５０ｍｍの耐圧ガラス球や外径４３２ｍｍの耐圧ガラス球についても当てはまることが判明した。シミュレーションによる計算結果を表２に示した。このシミュレーションも、表１に示した計算と同じくDASSAULT SYSTEMS社のSOLIDWORKSというソフトウェアを用いたものである。

例えば、水深７，０００ｍ級の深海での探査探索に用いられている外径３３０ｍｍの耐圧ガラス球（非特許文献４中のNMS-IS-7000-13）は、球殻の厚みは均等な１２ｍｍとされているが（表２中のＮｏ．１１に相当する）、本発明の考え方を適用すれば、球殻の厚みを１１ｍｍとして、赤道面部の幅１５ｍｍにわたって、外径側及び内径側をそれぞれ０．５ｍｍ厚肉化することにより、同等の耐圧強度を有し、かつ浮上力が０．６３ｋｇｆ増大させることができる。

また、水深６，７００ｍでの使用を想定した外径４３２ｍｍの耐圧ガラス球（非特許文献３のSPHERE MODEL 2040-17V及び非特許文献４中のNMS-IS-6700-17）では、球殻の厚みは均等な１４ｍｍとされているが（表２中のＮｏ．１３に相当する）、本発明の考え方を適用すれば、球殻の厚みを１３ｍｍとして、すり合わせ面である赤道面部の幅１５ｍｍにわたって、外径側及び内径側をそれぞれ０．５０ｍｍ厚肉化することにより、耐圧強度を向上させながら、浮上力を１．１４ｋｇｆ増大させることができる。

また、水深１０，０００ｍでの使用を想定した外径２５０ｍｍの耐圧ガラス球（非特許文献４中のNMS-IS-10000-10）では、球殻の厚みは均等な９ｍｍとされている。表２中のＮｏ．４はこのNMS-IS-10000-10と同じ構成を有する耐圧ガラス球であるが、水深９，０００ｍに対応した９０ＭＰａの外圧を受けると、内側エッジ部に掛かる最大引張応力の値は１００ＭＰａに達する。そこで、本発明の考え方を適用すれば、球殻の厚みを８ｍｍとして、すり合わせ面である赤道面部の幅１５ｍｍにわたって、外径側及び内径側でそれぞれ０．５ｍｍ厚肉化することで、１０ｍｍ均等肉厚の場合（表２中のＮｏ．５に相当する）と同等の耐圧強度を有し、かつ浮上力を０．７８ｋｇｆ増大させることができる。

さらに、水深１２，０００ｍでの使用を想定した外径４３２ｍｍの耐圧ガラス球（非特許文献４中のNMS-IS-12000-17）では、球殻の厚みは均等な２１ｍｍとされているが（表２中のＮｏ．２に相当する）、本発明の考え方を適用すれば、球殻の厚みを１９ｍｍとして、すり合わせ面である赤道面部の幅１５ｍｍにわたって、外径側及び内径側のそれぞれで１．０ｍｍ肉厚化することで、表２中のＮｏ．２と同等以上の耐圧強度を有し、かつ浮上力を２．０６ｋｇｆ増大させることができる。

水深１２，０００ｍでの使用を想定した外径３３０ｍｍの耐圧ガラス球は市場には存在しない。表２中にＮｏ．８として示した１７ｍｍ均等肉厚ガラス球では、内側エッジに掛かる最大引張応力が１１６ＭＰａとなり、耐圧強度が十分とは言えない。一方、表２中にＮｏ．９として示した１８ｍｍ均等肉厚ガラス球では、内側エッジに掛かる最大引張応力が９３ＭＰａまで低減できるが、１７ｍｍ均等肉厚ガラス球と比べて、浮上力は０．６４ｋｇｆ減少してしまう。

そこで、本発明の考え方を適用すれば、球殻の厚みを１６ｍｍとして、すり合わせ面である赤道面部の幅１５ｍｍにわたって、外径側及び内径側のそれぞれで０．５ｍｍ肉厚化することで（表２中のＮｏ．６）、Ｎｏ．９と同等以上の耐圧強度を有し、かつ浮上力を１．２３ｋｇｆ増大させることができる。

同様のケースで、球殻の厚みを１６ｍｍとして、すり合わせ面である赤道面部の幅１５ｍｍにわたって、外径側で０．５ｍｍ肉厚化し、内径側で１．５ｍｍ厚肉化することでも（表２中のＮｏ．７）、Ｎｏ．９と同等以上の耐圧強度を有し、かつ浮上力を１．０６ｋｇｆ増大させることができる。この構成の耐圧ガラス球の設計図を図９に示した。

１１・・・赤道面部
１２・・・すり合わせ面（接合面）
１３・・・赤道面
１４・・・球殻

Claims (8)

1. 一対の中空ガラス製半球体を、その赤道面にあるすり合わせ面を接合面として合わせて得られる耐圧ガラス球において、前記すり合わせ面から所定の幅の赤道面部における前記中空ガラス製半球体の球殻の厚みが、赤道面部以外の部分の球殻の厚みより厚肉であることを特徴とする耐圧ガラス球。
2. 前記中空ガラス製半球体の、前記すり合わせ面から所定の幅の赤道面部の球殻の厚みが、赤道面部以外の部分の球殻の厚みと比べて、外径より外側に及び内径より内側に、合計で０．５ｍｍ以上厚くされていることを特徴とする請求項１に記載の耐圧ガラス球。
3. 前記中空ガラス製半球体において、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みより厚肉とした前記赤道面部の所定の幅が、前記すり合わせ面から９ｍｍ以上１３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の耐圧ガラス球。
4. 前記中空ガラス製半球体において、接合面となる前記すり合わせ面の平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下、平坦度を表すＰＶ値が２０μｍ以下、垂直度が２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の耐圧ガラス球。
5. 前記中空ガラス製半球体の外径が３３０ｍｍ、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みが１７ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の耐圧ガラス球。
6. 前記中空ガラス製半球体の外径が４３２ｍｍ、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みが１９ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の耐圧ガラス球。
7. 前記中空ガラス製半球体の外径が２５０ｍｍ、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みが８ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の耐圧ガラス球。
8. 前記中空ガラス製半球体の外径が３３０ｍｍ、前記赤道面部以外の部分の球殻の厚みが１６ｍｍであって、前記赤道面部の球殻の厚みが、外径より外側に０．５ｍｍ以上、内径より内側に０．５ｍｍ以上、それぞれ厚肉であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の耐圧ガラス球。
   

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