JPWO2014080650A1 - 耐圧容器およびこれを備える探査機 - Google Patents
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Abstract
水深１０００ｍ以上の深海においても、第１外殻部材と第２外殻部材との接続部において応力集中による破損が生じにくい耐圧容器およびこれを備える探査機が提供される。筒状の第１外殻部材（２）と、第１外殻部材（２）の両端（２ａ，２ｂ）に接続される半球状の第２外殻部材（３）とを備え、第２外殻部材（３）を構成する母材のヤング率Ｅ２を、第１外殻部材（２）を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さい材料を選択し、耐圧容器（１）を構築する。
Description
本発明は、海底探査用の磁力計などの計測機器が収容され、深海の高圧下で高い耐圧性能を実現することができる耐圧容器およびこれを備える探査機に関する。
深海探査活動で使用する探査機器の中には、探査機器を耐圧容器の容器内に収めて、たとえば水深１０００ｍ以上の深海中で用いられるものがある。探査機器を収めるための耐圧容器としては、特許文献１に、両端部の外周側にフランジ部を有する筒状の第１外殻部材である胴部と、胴部の両端に配置され、開口部の外周側にフランジ部を有する半球状の第２外殻部材である鏡板部とを備え、胴部と鏡板部とのフランジ部を当接させて、それぞれのフランジ部をボルトおよびナットによって結合したチタン合金などの金属から成る耐圧容器が提案されている。また、耐圧容器において、金属の代わりにセラミックスが用いられることもある。
しかしながら、特許文献１に記載の金属から成る耐圧容器は、第１外殻部材としての胴部と、第２外殻部材としての鏡面部の形状が異なるにも拘らず、各部材が同一の材料から成るので、たとえば水深１０００ｍ以上の深海において、胴部と鏡板部とに加わる水圧の違いによって、各部材の変形にばらつきが生じるため、胴部と鏡板部との接続部において応力集中による破損が生じやすいという問題がある。
本発明の目的は、たとえば水深１０００ｍ以上の深海においても、応力集中による破損が生じにくい耐圧容器およびこれを備える探査機を提供することである。
本発明は、円筒状の第１外殻部材と、
第１外殻部材と軸線を共通にして、該第１外殻部材から離反する方向に凸となるように配置された状態で、当該第１外殻部材の両端にそれぞれ接続される略半球状の第２外殻部材とを備え、
該第２外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ２は、前記第１外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さい（Ｅ２＜Ｅ１）ことを特徴とする耐圧容器である。
第１外殻部材と軸線を共通にして、該第１外殻部材から離反する方向に凸となるように配置された状態で、当該第１外殻部材の両端にそれぞれ接続される略半球状の第２外殻部材とを備え、
該第２外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ２は、前記第１外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さい（Ｅ２＜Ｅ１）ことを特徴とする耐圧容器である。
さらに本発明は、上記の耐圧容器と、該耐圧容器内に収容されている探査モジュールとを備えることを特徴とする探査機である。
本発明によれば、円筒状の第１外殻部材と、第１外殻部材の両端に接続される半球状の第２外殻部材とを備え、第２外殻部材のヤング率Ｅ２が第１外殻部材のヤング率Ｅ１よりも小さいので、たとえば水深１０００ｍ以上の深海において、耐圧容器に水圧が作用した場合に、形状的に第１外殻部材より変形しにくい第２外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ２を、第１外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さくする（Ｅ２＜Ｅ１）ことで第１外殻部材と第２外殻部材との接続部での変形量の差が小さくなるため、第１外殻部材と第２外殻部材との接続部において応力集中による破損が生じにくい。
また、本発明の探査機によれば、応力集中による破損が生じにくい本発明の耐圧容器内に探査モジュールが収容されていることから、信頼性が高い探査機とすることができる。
また、本発明の探査機によれば、応力集中による破損が生じにくい本発明の耐圧容器内に探査モジュールが収容されていることから、信頼性が高い探査機とすることができる。
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本発明の一実施形態の耐圧容器を示す断面図である。
本発明の他の実施形態の耐圧容器の一部を示す断面図である。
本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器の一部を示す断面図である。
本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器の一部を示す断面図である。
本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器の一部を示す断面図である。
本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器の一部を示す断面図である。
本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器の一部を示す断面図である。
本発明の実施形態の耐圧容器を備える探査機の外観を示す図である。
本発明の他の実施形態の耐圧容器を備える探査機の外観を示す図である。
図１は、本発明の一実施形態の耐圧容器１を示す断面図である。本実施形態の耐圧容器１は、筒状、具体的には円筒状の第１外殻部材２と、第１外殻部材２の各端部２ａ，２ｂに接続される半球状の第２外殻部材３とを備える。
第２外殻部材３は、第１外殻部材２と軸線Ｌを共通にして、第１外殻部材２から離反する方向に凸となるように配置された状態で、第１外殻部材２の端部２ａ，２ｂにそれぞれ接続される。第２外殻部材３を構成する母材のヤング率Ｅ２は、第１外殻部材２を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さい（Ｅ２＜Ｅ１）。
ここに、「ヤング率」とは、弾性体が弾性変形した際に生じる応力σと、それによって生じる体積ひずみεとの比である体積弾性係数Ｅ（Ｅ＝σ／ε）をいう。なお、以下の各実施形態において、耐圧容器は、説明の便宜上、等方等質の線形弾性体であると仮定して説明する。
深海における高圧下で、円筒状の第１外殻部材２および半球状の第２外殻部材３がともにヤング率が同じか、または第２外殻部材のヤング率が第１外殻部材のヤング率よりも大きい場合には、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの変形量の差がより大きくなりやすいため、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａにおいて応力集中による破損が生じやすい。
一方、本実施形態の耐圧容器１の構成によれば、たとえば水深１０００ｍ以上の深海において、耐圧容器１に水圧が作用した場合に、形状的に第１外殻部材２より変形しにくい第２外殻部材３の変形量が大きくなるため、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの変形量の差が小さくなり、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａにおいて応力集中による破損が生じにくい。
なお、前記接続部Ａとは、第１外殻部材２の端部２ａ，２ｂと各第２外殻部材３の開口端３ａ，３ｂとが対向する部分およびその近傍の部分をいう。また第１外殻部材２の端部２ａ，２ｂおよび各開口端３ａ，３ｂの各端面は、軸線Ｌに垂直な平面上で円環状である。
特に、本実施形態の耐圧容器１は、第２外殻部材３のヤング率Ｅ２を、第１外殻部材２のヤング率Ｅ１の１／６以上とするのが好適である。本件発明者らは、水圧による耐圧容器１の変形シミュレーションを行なったところ、第２外殻部材３のヤング率が第１外殻部材２のヤング率Ｅ１の１／６以上で、第１外殻部材２のヤング率Ｅ１未満（Ｅ１＞Ｅ２≧（１／６）×Ｅ１）である場合に、第１外殻部材２の端部２ａ，２ｂと、第２外殻部材３の開口端３ａ，３ｂの変形との差が小さくなり、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの応力発生を抑制し、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａにおいて応力集中による破損をより抑制する傾向があることを見出した。
さらに、第２外殻部材３のヤング率Ｅ２が、第１外殻部材２のヤング率Ｅ１の１／６以上、１／２以下（Ｅ１×１／２≧Ｅ２≧Ｅ１×１／６）であるときには、特に第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの応力発生を抑制し、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａにおいて応力集中による破損をより抑制する傾向があることを見出した。
さらに、本発明の耐圧容器１は、深海における高圧下で、低ヤング率の第２外殻部材３が、高ヤング率の第１外殻部材２の表面に押し付けられる状態となり、高ヤング率の第１外殻部材２の端部表面に沿った形で変形しやすくなるため、微小な隙間などが形成されにくく密着しやすくなる。すなわち耐圧容器１の信頼性が高くなる。
また、第１外殻部材２および第２外殻部材３との接合部Ａでの密着性を接触面積の観点からみたとき、上述のとおり、第２外殻部材３が変形しやすくなることによって、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接触面の単位面積当たりの微小な隙間が少なくなるため、第１外殻部材２と第２外殻部材３とがより密着する。したがって、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａの密着性を高められる。
それゆえ、本実施形態の耐圧容器１は、前記従来技術のように、第１外殻部材２および第２外殻部材３の外周側にリブを設けて、ボルトなどの結合部材を用いる必要がない。つまり、耐圧容器１は、たとえば水深１０００ｍ以上の深海において、耐圧容器１に水圧が作用することで、上述したように、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａの密着性を高められるため、前記結合部材を用いなくても、高い信頼性を確保することができる。
また、第１外殻部材２および第２外殻部材３の外周側にリブが設けられていない耐圧容器１、言い換えると、第１外殻部材２の外周面と第２外殻部材３の外周面とが面一で繋がっている耐圧容器１は、水中において流体抵抗が小さくなるため水中で移動させやすく、水中で用いる場合に好適である。さらに、このような耐圧容器１は外周にリブ等の結合構造やボルト等の結合部材を用いないため製造コストの観点からも好適で、また外周側にリブを設ける製造工程や、ボルトなどの結合部材で第１外殻部材２と第２外殻部材３とを結合する製造工程を省けるため生産性の観点からも好適である。
なお、接合部Ａにおいて、第１外殻部材２の端部２ａ,２ｂと各第２外殻部材３の開口端３ａ，３ｂとをより強固に結合するため、ボルトや自己融着ゴムなどの結合部材を、必要に応じて用いることもできる。
ここで、図１に示す耐圧容器１は、耐圧容器１の外周面に、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａを覆うようにして、市販の自己融着ゴム２１を貼り付けた例を示している。以下の図面においても同様である。それにより、第１外殻部材２と第２外殻部材３との結合を強固にすることができる。なお、上記の例以外にも、たとえば第２外殻部材３に、外周から筒内に貫通する貫通孔を設け、該貫通孔に真空ポンプを接続して、耐圧容器１の内部を減圧して気密性を高めることができる。また、耐圧容器１の内部に電子機器をいれて用いる場合には、該貫通孔から配線することで耐圧容器の内部の電子機器と外部の電子機器とを接続することができる。このような耐圧容器１は、たとえば水深１０００ｍ以上の深海であっても、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａにおいて応力集中による破損が抑制されることから高い使用上の利便性がある。
また図１に示す耐圧容器１においては、第２外殻部材３と第１外殻部材２との接合部Ａにおいて、第２外殻部材３の厚みが、第１外殻部材２の厚みよりも厚くなっており、第２外殻部材３が、第１外殻部材２と比較して、耐圧容器１の内部に突出するようにして配置されている例を示している。
深海において耐圧容器１を移動させる場合に、水抵抗を低減させるため軸線Ｌ方向に耐圧容器１を牽引することが好適であるが、このように耐圧容器１を牽引した場合、海底の岩等に第２外殻部材２が接触し易くなる。それゆえ、第２外殻部材３の厚みを、第１外殻部材２の厚みよりも厚くすることにより、耐久性を高めることができる。なお、第１外殻部材２の厚みおよび第２外殻部材３の厚みの比としては、第１外殻部材２の厚みをＴ１、第２外殻部材３の厚みをＴ２としたとき、Ｔ２／Ｔ１を１．２以上２．５以下とすることが好適である。Ｔ２／Ｔ１が１．２以上２．５以下であれば、耐圧容器１の質量を増加させすぎることなく、耐久性を高めることができる。
さらに、耐圧容器１を深海等の高圧下で用いると、第２外殻部材３が水圧による応力を受けることに伴い過剰に変形するおそれがある。ここで、第２外殻部材３が過剰に変形した場合に、第１外殻部材２との接合部Ａにおいてずれが生じ、気密性が低下してしまうおそれがあるほか、例えば第２外殻部材３が外側に突出するように変形した場合には、水中において流体抵抗が大きくなり、水中での移動が難しくなるおそれがある。
それゆえ、図１に示す耐圧容器１においては、第２外殻部材３の厚みを第１外殻部材２の厚みよりも厚くし、第２外殻部材３が耐圧容器１内に突出する、言い換えれば第２外殻部材３と第１外殻部材２との外周面が面一で繋がるように配置されている。それにより、第２外殻部材３の過剰な変形を抑制でき、気密性を保持できるとともに、水中における流体抵抗が大きくなることを抑制できる。
ここで、本実施形態の耐圧容器１は、機械的強度の観点から、第１外殻部材２がセラミックスからなり、第２外殻部材３が金属からなることが好適である。
また、このように第１外殻部材２がセラミックスからなり、第２外殻部材３が金属からなる耐圧容器１は、第１外殻部材２および第２外殻部材３が両方ともにセラミックスからなる従来の耐圧容器（以下、オールセラミックスの耐圧容器という。）に比べて、深海における高圧下で第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの変形量の差がより小さくなるため好適である。
具体的には、セラミックスは一般的に圧縮強度が高く、引張り強度が小さいため、オールセラミックスの耐圧容器は、深海における高圧下で第２外殻部材３が軸線Ｌ方向に押圧されると、その構造上、第２外殻部材３の開口端３ａ，３ｂ付近に引張り応力が生じやすく、第１外殻部材２の端部２ａ，２ｂに比べて大きな引張り応力が生じる。そのため深海における高圧下で第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの変形量の差がより生じやすい。
しかしながら、第１外殻部材２がセラミックスからなり、第２外殻部材３が金属からなる耐圧容器１では、第２外殻部材３に、一般的に引張り強度がセラミックスより大きい金属を用いているため、オールセラミックスの耐圧容器に比べて、深海における高圧下で第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの変形量の差がより小さくなり、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａにおいて応力集中による破損がより抑制される。
また、第１外殻部材２および第２外殻部材３が両方ともに金属からなる従来の耐圧容器（以下、オール金属の耐圧容器という。）に対して、第１外殻部材２がセラミックスからなり、第２外殻部材３が金属からなる耐圧容器１は、第１外殻部材２に、一般的に金属に比べて比重が小さいセラミックスを用いているため、オール金属の耐圧容器より浮力が高くなる。つまり、第１外殻部材２がセラミックスからなり、第２外殻部材３が金属からなる耐圧容器１を後述する無人探査機に搭載すれば、無人探査機に搭載する浮力材の量を少なくすることができ、無人探査機の小型化や製造コストの削減を容易に可能とすることもできる。
つまり、第１外殻部材２がセラミックスからなり、第２外殻部材３が金属からなる耐圧容器１は、深海における高圧下で第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの変形量の差が小さくなるため、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａに応力集中による破損が生じにくいものであるとともに、高い機械的強度および高い浮力を兼ね揃えたものである。
具体的には、第１外殻部材２としては、たとえば、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、および炭化珪素などのセラミックスを用いることができ、第２外殻部材３としては、たとえば、ステンレス鋼、チタン合金およびアルミニウム合金などの金属を用いることができる。
さらに、第２外殻部材３としてアルミニウム合金を選択する場合、５０５６系，５０５１系またはＡ６０６１系のジュラルミンは高い強度と、海水に対する高い耐食性を備えているため、これらのジュラルミンを用いることがより好適である。また、第１外殻部材２および第２外殻部材３をともにセラミックスにて構成することも可能であるが、この場合には、例えば第１外殻部材２をヤング率の高いアルミナや炭化珪素とし、第２外殻部材３をアルミナや炭化珪素よりもヤング率の小さい窒化珪素やジルコニアより構成すれば良い。
＜製造方法＞
次に、耐圧容器１の製造方法について説明する。図１に示す耐圧容器１のうち、まず円筒状の第１外殻部材２については、たとえば、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素および炭化珪素などの各種セラミックスを用いて製造することができる。以下にアルミナ、ジルコニア、窒化珪素および炭化珪素を用いた第１外殻部材２の製造方法について述べる。
次に、耐圧容器１の製造方法について説明する。図１に示す耐圧容器１のうち、まず円筒状の第１外殻部材２については、たとえば、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素および炭化珪素などの各種セラミックスを用いて製造することができる。以下にアルミナ、ジルコニア、窒化珪素および炭化珪素を用いた第１外殻部材２の製造方法について述べる。
（１）アルミナを用いた第１外殻部材２の製造方法
平均粒径が１μｍ程度のアルミナ原料と、ＣａＯ、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどの焼結助剤とを１次原料とし、この１次原料１００質量％に対し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのバインダを１〜１．５質量％、水などの溶媒を１００質量％、各種界面活性剤などの分散剤を０．５質量％にそれぞれ計量し、これらを撹拌機の容器内に投入して、混合・撹拌し、スラリーとした後、これを噴霧造粒（スプレードライ）法によって造粒し、２次原料とする。
平均粒径が１μｍ程度のアルミナ原料と、ＣａＯ、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどの焼結助剤とを１次原料とし、この１次原料１００質量％に対し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのバインダを１〜１．５質量％、水などの溶媒を１００質量％、各種界面活性剤などの分散剤を０．５質量％にそれぞれ計量し、これらを撹拌機の容器内に投入して、混合・撹拌し、スラリーとした後、これを噴霧造粒（スプレードライ）法によって造粒し、２次原料とする。
そして、この２次原料を静水圧プレス成形（ラバープレス）法にて円筒状に成形し、必要に応じて切削加工を施した後、これを焼成炉にて大気雰囲気中１５５０〜１７００℃の焼結温度で焼成する。焼成後、研削加工などの最終仕上げ加工を行い、アルミナ質焼結体から成る円筒状の第１外殻部材２を得ることができる。
（２）ジルコニアを用いた第１外殻部材２の製造方法
Ｙ２Ｏ３添加量を３ｍｏｌ％とし、共沈法によって作成された平均粒径が０．１μｍのジルコニアを１次原料とし、この１次原料を１００質量％として、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのバインダを３質量％、水などの溶媒を１００質量％、各種界面活性剤などの分散剤を０．５質量％にそれぞれ計量し、これらを撹拌機の容器内に投入して混合・撹拌して、スラリーとした後、これを噴霧造粒（スプレードライ）法にて造粒して２次原料とする。
Ｙ２Ｏ３添加量を３ｍｏｌ％とし、共沈法によって作成された平均粒径が０．１μｍのジルコニアを１次原料とし、この１次原料を１００質量％として、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのバインダを３質量％、水などの溶媒を１００質量％、各種界面活性剤などの分散剤を０．５質量％にそれぞれ計量し、これらを撹拌機の容器内に投入して混合・撹拌して、スラリーとした後、これを噴霧造粒（スプレードライ）法にて造粒して２次原料とする。
そして、この２次原料を静水圧プレス成形（ラバープレス）法にて円筒状に成形し、必要に応じて切削加工を施した後、これを焼成炉にて大気雰囲気中１３００〜１５００℃の焼成温度で焼成する。焼成後、研削加工などの最終仕上げ加工を行い、ジルコニア質焼結体から成る円筒状の第１外殻部材２を得ることができる。
（３）窒化珪素を用いた第１外殻部材２の製造方法
純度が９９〜９９．８％、平均粒径が１μｍの窒化珪素原料と、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３などの焼結助剤とを１次原料とし、この１次原料１００質量％に対し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ），ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などのバインダを１質量％、水などの溶媒を１００質量％、各種界面活性剤などの分散剤を０．５質量％以下（０質量％を除く）にそれぞれ計量し、これらを撹拌機の容器内に投入して、混合・撹拌し、スラリーとした後、噴霧造粒（スプレードライ）法にて造粒して、２次原料とする。
純度が９９〜９９．８％、平均粒径が１μｍの窒化珪素原料と、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３などの焼結助剤とを１次原料とし、この１次原料１００質量％に対し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ），ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などのバインダを１質量％、水などの溶媒を１００質量％、各種界面活性剤などの分散剤を０．５質量％以下（０質量％を除く）にそれぞれ計量し、これらを撹拌機の容器内に投入して、混合・撹拌し、スラリーとした後、噴霧造粒（スプレードライ）法にて造粒して、２次原料とする。
そして、この２次原料を静水圧プレス成形（ラバープレス）法にて円筒状に成形し、必要に応じて切削加工を行った後、これを焼成炉にて窒素雰囲気中１９００℃を最高温度として焼成する。焼成後、研削加工などの最終仕上げ加工を行うことによって、窒化珪素質焼結体から成る円筒状の第１外殻部材２を得ることができる。
（４）炭化珪素を用いた第１外殻部材２の製造方法
純度が９９〜９９．８％、平均粒径が０．５〜１０μｍの炭化珪素原料と、Ｃ（グラファイト）、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３などの焼結助剤とを、ボールミルなどの粉砕機によって、平均粒径が１μｍ以下となるように粉砕する。さらに、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）などのバインダを適量添加して、スラリーとした後、このスラリーを噴霧造粒（スプレードライ）法にて造粒して２次原料とする。
純度が９９〜９９．８％、平均粒径が０．５〜１０μｍの炭化珪素原料と、Ｃ（グラファイト）、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３などの焼結助剤とを、ボールミルなどの粉砕機によって、平均粒径が１μｍ以下となるように粉砕する。さらに、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）などのバインダを適量添加して、スラリーとした後、このスラリーを噴霧造粒（スプレードライ）法にて造粒して２次原料とする。
そして、この２次原料を静水圧プレス成形（ラバープレス）法にて円筒状に成形し、必要に応じて切削加工を行った後、これを焼成炉にて非酸化雰囲気中１８００〜２２００℃の温度で焼成する。焼成後、研削加工などの最終仕上げ処理を行うことによって、炭化珪素質焼結体から成る円筒状の第１外殻部材２を得ることができる。
このように、第１外殻部材２の材質として、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素または炭化珪素などのセラミックス材料を適用することが可能であり、基礎的特性の試験結果や製造技術の観点からも、耐圧容器１の部材を構成することが可能である。耐圧容器１の用途、利用方法、水圧など、求められる特性に応じて最適な材料を選択すればよく、製造コストや海底の岩石と接触した場合の耐摩耗性などの観点からは、アルミナが優れており、軽量化や信頼性の観点からは、窒化珪素製の耐圧容器が優れている。
また、図１に示す耐圧容器１のうち、第２外殻部材３については、ステンレス鋼、チタン合金およびアルミニウム合金などの金属材料を用いて製造することができる。前記金属材料を鍛造などの方法を用いて、第２外殻部材３を削り出し可能な形状に成形し、前記金属材料から成る成形体を得た後、前記成形体を切削加工によって第２外殻部材３の形状に加工することによって、第２外殻部材３を得ることが可能である。
図２は、本発明の他の実施形態の耐圧容器１１の一部を示す断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。前述の実施形態の耐圧容器１は、耐久性の観点から、第２外殻部材３の全体を半球とすればよいのに対し、本実施形態の耐圧容器１１は、図２に示すように、半球体の凸部に代わる一部を軸線Ｌに垂直な平面部５としても構わない。このように平面部５を設けた耐圧容器１１は、該平面部５を利用して、水中コネクタ、小型カメラ、計測機器およびセンサなどの各種装置を耐圧容器１１に装備しやすくすることができる。
図３は、本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器１２の一部を示す断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。本実施形態の耐圧容器１２は、第２外殻部材３が、第１外殻部材２との接触部Ａの内周側に、第１外殻部材２の端部２ａ，２ｂがそれぞれ嵌合する環状の凸部６を備えている。
このような構成によれば、耐圧容器１２の外表面の形状を変えることなく、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接触面積を増加させることが可能となり、よりシール性能を向上させることが可能となる。換言すると、耐圧容器１２の外周表面の水に対する流れ抵抗を変えることなく、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでのシール性を向上させることができる。
図４は、本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器１３の一部を示す断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。本実施形態の耐圧容器１３は、第２外殻部材３が、第１外殻部材２との接続部Ａ側端部３１に、内周側、すなわち半径方向内方に突出する環状のフランジ部７を備える。
このような構成によれば、耐圧容器１３の外表面に水圧を受けた場合に、応力が集中しやすく、変形しやすい第２外殻部材３の接続部Ａ側端部３１の変形を、フランジ部７によって抑制することができるため、深海における高圧下で第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａでの変形量の差が小さくなるため、第１外殻部材２と第２外殻部材３との接続部Ａの応力集中による破損をより抑制することができる。
また、フランジ部７と第２外殻部材３とは、別の金属から構成されてもよく、第２外殻部材３の金属よりもヤング率の低い金属、たとえばアルミニウム、アルミニウム合金、チタンおよびチタン合金などの金属から適宜選択した材料をフランジ部７に用いれば、フランジ部７と第２外殻部材３とを一体的に同一種類の金属で形成した場合に比べて、より小さな体積のフランジ部７で耐圧容器１３のシール性能を向上させることができ、耐圧容器１３内の容積をより大きく維持することができる。
図５は、本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器１４の一部を示す断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。本実施形態の耐圧容器１４は、第２外殻部材３の内周面８側に、フランジ部７と軸線Ｌを共通にする円筒状の平滑面９を有する。
このような構成によって、深海において耐圧容器１４に水圧が作用した際、第２外殻部材３が第１外殻部材２に、均等な状態で軸線Ｌの方向により強く押付けられやすくなるため、第１外殻部材２と第２外殻部材３との密着性をより向上させることができる。
図６は、本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器１５の一部を示す断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。本実施形態の耐圧容器１５は、第２外殻部材３が、第１部材３２と第２部材３３とから成る複合構造とされる。なお、第１部材３２および第２部材３３のヤング率Ｅ３，Ｅ４は、第１外殻部材２のヤング率Ｅ１よりも小さい（Ｅ３＜Ｅ１、Ｅ４＜Ｅ１）。
具体的には、第２外殻部材３は、接続部Ａ側に配置される第１部材３２が第２部材３３の内径に等しいかやや小さい外径を有する突出部３４を備える。また、第２部材３３は、第１部材３２の突出部３４に嵌合され、第２部材３３の開口周縁部と突出部３４の間にはＯリング４が介在された状態で嵌合し、１０００ｍ以下の水深においても高い水密性で固定されている。つまり、１０００ｍ以下の水深では、耐圧容器１５に加わる水圧が低圧であるため、水圧による耐圧容器１５のシール性能が弱まるが、Ｏリング４を介在させることによって、１０００ｍ以下の水深での耐圧容器１５のシール性能を補強することができる。
このような構成によれば、過度の使用によって第１外殻部材２との接触面が摩耗しても、第１部材３２のみを交換すればよく、経済性に優れている。
なお、深海において圧力が作用した際に、より変形しやすい部位に対応する第１部材３２を構成する母材は、第２部材３３を構成する母材よりもヤング率が高いことが好適である。
図７は、本発明のさらに他の実施形態の耐圧容器１６の一部を示す断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。本実施形態の耐圧容器１６は、第１外殻部材２が、軸線Ｌ方向に連結された複数の円筒状部材２ｃからなるものである。なお、各円筒状部材２ｃの端部には２ａ’，２ｂ’の参照符を付した。
ここで、単一の円筒状部材からなる第１の外殻部材２は、構造上、水圧に対する変形量が、軸線Ｌ方向の中央部付近に比べて端部２ａ，２ｂが大きくなる。すなわち、深海中において、単一の円筒状部材からなる第１の外殻部材２は、端部２ａ，２ｂと、両端部の間の中央部の変形量の差から中央部に応力集中が生じる傾向がある。
これに対して、図７に示す耐圧容器１６は、第１外殻部材２が複数の円筒状部材２ｃからなるため、応力集中が複数の円筒状部材２ｃのそれぞれの端部２ａ’,２ｂ’の間の中央部に生じる、言い換えると、応力集中が生じる部位が分散することから、単一の円筒状部材２ｃからなる第１の外殻部材２と比べて局所的に大きな応力集中が生じにくい。すなわち、耐圧容器１６の耐久性が高まる。
＜ヤング率の測定方法＞
本発明に係る耐圧容器１，１１，１２，１３，１４，１５，１６の第１外殻部材２および第２外殻部材３のヤング率は、第１外殻部材２および第２外殻部材３のそれぞれから試験片を切り出し、部材の材質が金属である場合は、ＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３に準じて、常温での静的ヤング率を測定すればよい。また、部材の材質がセラミックスである場合は、ＪＩＳ Ｒ １６０２：１９９５に準じて、常温での静的ヤング率を測定すればよい。
本発明に係る耐圧容器１，１１，１２，１３，１４，１５，１６の第１外殻部材２および第２外殻部材３のヤング率は、第１外殻部材２および第２外殻部材３のそれぞれから試験片を切り出し、部材の材質が金属である場合は、ＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３に準じて、常温での静的ヤング率を測定すればよい。また、部材の材質がセラミックスである場合は、ＪＩＳ Ｒ １６０２：１９９５に準じて、常温での静的ヤング率を測定すればよい。
＜無人探査機＞
次に、前述の耐圧容器１の用途例について説明する。なお、前述の各実施形態で述べた耐圧容器１，１１〜１６のいずれも、次に述べる探査機５１，６０に搭載可能であるため、一例として図１に示す耐圧容器１を備える場合について説明する。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。
次に、前述の耐圧容器１の用途例について説明する。なお、前述の各実施形態で述べた耐圧容器１，１１〜１６のいずれも、次に述べる探査機５１，６０に搭載可能であるため、一例として図１に示す耐圧容器１を備える場合について説明する。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。
図８は、本発明の実施形態の探査機５１の外観を示す図である。本実施形態の探査機５１は、無人遠隔操作型の探査機であって、前述の耐圧容器１と、耐圧容器１内に収容されている探査モジュールである各種機器、観測機器とを備えた探査機本体５３と、探査機本体５３とテザーケーブル５４によって接続された推進体５２とを備える。
探査機本体５３は、前述の耐圧容器１と、耐圧容器１を保護するバンパーやフレームなどの外装部材と、浮力材などを含んで構成されている。
推進体５２は、海上の船舶５０から張架されるテザーケーブル５５と接続されており、テザーケーブル５４，５５を介して、船舶５０から探査機本体５３および推進体５２への電力供給が行われ、船舶５０に装備された通信機器と、探査機本体５３の各種機器，観測機器，推進体５２との双方向通信が可能なように構成されている。つまり、探査機５１は、船舶５０上から推進体５２が遠隔操作されることによって移動し、探査機本体５３に備えられた観測機器が得たデータを船舶５０上で観測することができるように構成されている。
本発明の他の実施形態では、探査機本体５３に、耐圧容器１に代えて、前述の耐圧容器１１，１２，１３，１４，１５，１６のいずれか１つを選択的に具備するようにしてもよい。
図９は、本発明の他の実施形態の探査機６０の外観を示す断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。本実施形態の探査機６０は、曳航式の無人探査機であって、海上の船舶５０から張架されるテザーケーブル６１に重錘６２が取付けられる。重錘６２には、磁気ノイズの削減のため、ナイロン製のロープ６３によって、電池、観測機器およびセンサなどの探査モジュールが収容されている耐圧容器１が接続されている。なお、耐圧容器１には、浮力材６４を取り付けてもかまわない。
船舶５０が探査機６０を牽引することによって、耐圧容器１内に収容されている観測機器またはセンサによって、海中で観測したデータを収集することができる。
本発明の他の実施形態では、耐圧容器１に代えて、前述の耐圧容器１１，１２，１３，１４，１５，１６のいずれか１つを選択的に具備するようにしてもよい。
探査機５１，６０によれば、応力集中による破損が生じにくい本発明の耐圧容器１内に探査モジュールが収容されていることから、信頼性が高い探査機とすることができる。
本発明の耐圧容器の用途は、前記の探査機以外にも、有人潜水調査船、海底設置型観測機器またはアルゴフロートなど、深海中で用いるものに利用することができる。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
１，１１，１２，１３，１４，１５，１６ 耐圧容器
２ 第１外殻部材
３ 第２外殻部材
５ 平面部
４ Ｏリング
６ 凸部
７ フランジ部
８ 内周面
９ 平滑面
２１ 自己融着ゴム
３１ 接続部Ａ側端部
３２ 第１部材
３３ 第２部材
３４ 突出部
５０ 船舶
５１ 探査機
５２ 推進体
５３ 探査機本体
５４，５５，６１ テザーケーブル
６０ 探査機
６２ 重錘
６３ ロープ
６４ 浮力材
Ａ 接続部
２ 第１外殻部材
３ 第２外殻部材
５ 平面部
４ Ｏリング
６ 凸部
７ フランジ部
８ 内周面
９ 平滑面
２１ 自己融着ゴム
３１ 接続部Ａ側端部
３２ 第１部材
３３ 第２部材
３４ 突出部
５０ 船舶
５１ 探査機
５２ 推進体
５３ 探査機本体
５４，５５，６１ テザーケーブル
６０ 探査機
６２ 重錘
６３ ロープ
６４ 浮力材
Ａ 接続部
本発明は、円筒状の第１外殻部材と、
第１外殻部材と軸線を共通にして、当該第１外殻部材から離反する方向に凸となるように配置された状態で、前記第１外殻部材の両端にそれぞれ接続される略半球状の第２外殻部材とを備え、
該第２外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ２は、前記第１外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さく（Ｅ２＜Ｅ１）、
前記第２外殻部材の厚みは、前記第１外殻部材の厚みより厚いことを特徴とする耐圧容器である。
第１外殻部材と軸線を共通にして、当該第１外殻部材から離反する方向に凸となるように配置された状態で、前記第１外殻部材の両端にそれぞれ接続される略半球状の第２外殻部材とを備え、
該第２外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ２は、前記第１外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さく（Ｅ２＜Ｅ１）、
前記第２外殻部材の厚みは、前記第１外殻部材の厚みより厚いことを特徴とする耐圧容器である。
本発明によれば、円筒状の第１外殻部材と、第１外殻部材の両側に接続される半球状の第２外殻部材とを備え、第２外殻部材のヤング率Ｅ２が第１外殻部材のヤング率Ｅ１よりも小さく（Ｅ２＜Ｅ１）、さらに第２外殻部材の厚みが、第１外殻部材の厚みよりも厚いので、たとえば水深１０００ｍ以上の深海において、耐圧容器に水圧が作用した場合に、形状的に第１外殻部材より変形しにくい第２外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ２を、第１外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さく（Ｅ２＜Ｅ１）し、さらに第２外殻部材の厚みを、第１外殻部材の厚みよりも厚くすることで、第１外殻部材と第２外殻部材との接触部での変形量の差が小さくなるため、第１外殻部材と第２外殻部材との接触部において応力集中による破損が生じにくい。
また、本発明の探査機によれば、応力集中による破損が生じにくい本発明の耐圧容器内に探査モジュールが収容されていることから、信頼性が高い探査機とすることができる。
また、本発明の探査機によれば、応力集中による破損が生じにくい本発明の耐圧容器内に探査モジュールが収容されていることから、信頼性が高い探査機とすることができる。
Claims (8)
- 円筒状部材からなる第１外殻部材と、
該第１外殻部材と軸線を共通にして、当該第１外殻部材から離反する方向に凸となるように配置された状態で、前記第１外殻部材の両端にそれぞれ接続される略半球状の第２外殻部材とを備え、
該第２外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ２は、前記第１外殻部材を構成する母材のヤング率Ｅ１よりも小さい（Ｅ２＜Ｅ１）ことを特徴とする耐圧容器。 - 前記第２外殻部材の厚みが、前記第１外殻部材の厚みより厚いことを特徴とする請求項１に記載の耐圧容器。
- 前記第２外殻部材は、前記第１外殻部材の端部の内周に嵌合する凸部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐圧容器。
- 前記第２外殻部材は、前記第１外殻部材の端部に接続される部分から半径方向内方に突出する環状のフランジ部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の耐圧容器。
- 前記第２外殻部材は、内周面の前記フランジ部に連なる部分が、該フランジ部と軸線を共通にする円筒状の平滑面を有することを特徴とする請求項４に記載の耐圧容器。
- 前記第１外殻部材がセラミックスからなり、前記第２外殻部材が金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の耐圧容器。
- 前記第１外殻部材が、軸線方向に連結された複数の円筒状部材からなることを特徴とする請求項６に記載の耐圧容器。
- 請求項１〜７のいずれか１つに記載の耐圧容器と、該耐圧容器内に収容されている探査モジュールとを備えることを特徴とする探査機。
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