WO2017191693A1 - 耐圧ガラス球 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a pressure-resistant glass sphere that accommodates observation devices such as cameras, video cameras, and seismometers, measurement devices, and the like and can be used for exploration and search in deep ice, the seabed, the ground, or in thick ice such as Antarctica.
- glass pressure-resistant containers are also used instead of metal materials for weight reduction. Glass can be easily broken under tensile stress, but takes advantage of its extremely high strength against compressive stress. In Antarctica ice, it has been considered to incorporate a photomultiplier in a glass pressure vessel for the purpose of detecting elementary particles from space.
- glass is one of the great advantages that it is transparent, unlike metal materials and ceramic materials, and it is possible to visually observe the state of the seabed and the deep sea using a stored camera or video camera.
- Non-Patent Document 1 relates to a prototype of a deep-sea camera system using a pressure-resistant glass sphere, and the glass sphere started to be used as a pressure-resistant container in the United States around 1964, but there were problems such as the surface finish state. Describes the development and prototyping of pressure-resistant glass balls with the cooperation of Japanese glass manufacturers. There are two types of glass spheres developed and prototyped, one with an outer diameter of 36 cm and an inner diameter of 32 cm, and one with an outer diameter of 36 cm and an inner diameter of 33 cm.
- Patent Document 1 discloses a housing for an ocean measuring instrument using a pair of hollow glass hemispheres, but the two hollow glass hemispheres are not in direct contact with circular openings (grinding surfaces), but are protected. It is connected through a cage.
- Patent Document 2 as problems of the technology disclosed in Patent Document 1, the material cost and the operating cost are high, and the seal reliability by sealing is low, and in order to improve them, under high pressure in the deep sea
- the ground surface is polished with precision ( ⁇ 4 ⁇ m), and the equatorial surface joint outside the ground surface is coated with a non-hardening material and further covered with adhesive tape
- the technology is disclosed.
- Patent Document 3 is a pressure-resistant glass body that forms a single sphere by joining a pair of hollow hemispheres together at the joining surfaces to be joined to each other by an adhesive bonding layer made of a curable adhesive applied to the joining surfaces. Disclosed are pressure resistant glass bodies bonded together. This is to prevent the technique disclosed in Patent Document 2 from polishing the ground surface with high accuracy and the risk of misalignment when the two hollow hemispheres are joined together. In order to solve these problems, two hollow hemispheres are bonded with a curable adhesive.
- Patent Document 4 is a pressure-resistant structure in which a pair of hollow glass hemispheres are joined together on a grinding surface, and is characterized in that a metal film is formed on at least one of the grinding surfaces. This is because, in the technique disclosed in Patent Document 3, since the rubbed surfaces are bonded to each other by an adhesive bonding layer made of a curable adhesive, the observation equipment contained when the pressure-resistant glass body is recovered after the deep sea observation In order to remove the adhesive layer, etc., it is necessary to destroy the adhesive bonding layer and solve the problem that it can be used only once. In other words, by using a metal film instead of the adhesive bond layer, the observation equipment accommodated in the inside can be recovered without breaking the pressure-resistant structure recovered after the deep sea observation, and can be used repeatedly. It is called the merit.
- Patent Document 5 relates to an outer shell body of a pressure vessel, a pressure vessel, and an exploration device, and relates to a pressure vessel made of ceramic and having a through-hole. Disclosed is an outer shell characterized in that the thickness of a portion connected to the shell and having a through hole in the thickness direction is increased.
- Non-Patent Document 3 is a technical specification of a glass buoyancy sphere (Floatation Glass Sphere) manufactured by Teledyne Benthos in the United States.
- the outer diameter is 13 inches (33 cm)
- the inner diameter is 12 inches (30.5 cm)
- the weight is 9.07 kgf.
- a glass ball having a flying force of 10.4 kgf and a glass ball having an outer diameter of 17 inches (43.2 cm), an inner diameter of 15.9 inches (40.4 cm), a weight of 17.7 kgf, and a flying force of 25.4 kgf are disclosed.
- the levitation force is obtained by subtracting the weight of the glass sphere from the buoyancy obtained by the glass sphere.
- Non-Patent Document 1 The pressure-resistant glass sphere described in Non-Patent Document 1 is described as an effective buoyancy (levitation force) of 8 kgf with an air weight of 16 kgf and an effective buoyancy (levitation force) of 12.5 kgf with an air weight of 12.5 kgf.
- the maximum reachable depth of the deep sea camera system is described as 5,810 m.
- Non-Patent Document 2 describes a deep sea containing a free-fall type pressure-resistant glass sphere using a large pressure-resistant glass sphere having an outer diameter of 36 cm, a wall thickness of 1.5 cm, an air weight of 12.5 kgf, and an effective buoyancy (levitation force) of 12.5 kgf. It is described that the camera system has pressure resistance performance corresponding to a water depth of 6,700 m, and has actually succeeded in photographing and collecting deep-sea creatures at a water depth of 3,400 m. And it is described that the ascent speed at the time of collection
- Patent Document 1 uses a glass sphere, it has a problem pointed out in Patent Document 2 instead of a friction type.
- Patent Document 3 Since the technique disclosed in Patent Document 3 uses a curable adhesive as described above, it has a problem that it is difficult to use it repeatedly. Moreover, it is said that the driving depth is preferably up to 7,000 m.
- Patent Document 4 The technique disclosed in Patent Document 4 is to reinforce by forming a metal film on the mating surface, and to suppress cracking and peeling of the glass on the mating surface.
- the pressure is increased to 60 MPa per minute, the pressure is decreased for the next 4 minutes, and this is repeated 50 times to assume exploration search and recovery at a water depth of 6,000 m.
- the pressure-resistant glass sphere according to the present invention aims to reduce weight and increase levitation force while maintaining pressure resistance that can withstand repeated water pressure in the deep sea and can be used repeatedly. Is an important issue.
- the present invention is based on the fact that cracking and peeling of the pressure-resistant glass sphere occur on the mating surface, and that the whole pressure-resistant glass sphere is crushed in the deep sea starting from the crack and peeling.
- the thickness of the spherical shell of the equatorial plane part having a predetermined width from the mating surfaces of the pair of hollow glass hemispheres is larger than the outer diameter of the spherical shell of the part other than the equatorial plane part and the inner diameter.
- a pressure-resistant glass sphere having a thickness of 0.5 mm or more in total on the inner side is desirable.
- the outer diameter of the spherical shell of the equatorial plane portion including the rubbing surface is 0.5 mm or more thicker than the outer diameter of the spherical shell of the other portion, or the inner diameter of the spherical shell of the equatorial surface portion including the rubbing surface is other than It may be 0.5 mm or more thicker than the inner diameter of the spherical shell of the part, for example, 0.25 mm or more thicker outside, and 0.25 mm or more thicker inside, so that the total thickness is 0.5 mm or thicker. desirable.
- the pair of hollow glass hemispheres has an outer diameter of 330 mm
- the thickness of the spherical shell other than the equatorial plane is 16 mm
- the spherical shell of the equatorial plane is A pressure-resistant glass sphere whose thickness is 0.5 mm or more outside the outer diameter and 0.5 mm or more inside from the inner diameter can be given as compared with the thickness of the spherical shell other than the equator part.
- the outer diameter of 330 mm is the same as the outer diameter described as 13 inches in the known example, and is not strictly limited to 330 mm.
- the outer diameter is about several millimeters. Glass spheres having a difference are included in this specific embodiment.
- the thickness of the spherical shell is 17 mm or 16 mm, it is not strictly limited to 17 mm or 16 mm, and an error within ⁇ 0.5 mm is usually allowed.
- the hollow glass hemisphere has an outer diameter of 250 mm, and the thickness of the spherical shell other than the equatorial plane is 8 mm, and the thickness of the spherical shell in the equatorial plane is
- a pressure-resistant glass sphere having a total thickness of 0.5 mm or more on the outer side from the outer diameter and the inner side from the inner diameter can be given.
- the outer diameter of 250 mm in this specific embodiment is the same as the outer diameter described as 10 inches in the known example, and is not strictly limited to 250 mm, but a glass sphere having an outer diameter difference of about several millimeters. Are included in this specific embodiment.
- an error within ⁇ 0.5 mm is usually allowed.
- the thickness of the spherical shell is thicker than the thickness of the portion other than the equator surface portion, and the predetermined width of the equator surface portion is from the rubbed surface which is the equator surface. It is desirable that it is 9 mm or more and 130 mm or less. That is, the portion that is thick from 9 mm to 130 mm in width from the mating surface that is the equator plane is the equator plane portion. This is because it is impossible to increase only the thickness of the spherical shell on the equator plane that is the mating surface, and the predetermined width is increased from the equator plane that is the mating surface.
- the width of the equatorial plane is limited to the above numerical range, if it is less than 9 mm, there is a fear that the effect of improving the strength due to the increase in the thickness of the mating surface will be poor, and if the width of the equatorial plane exceeds 130 mm This is because the effect of increasing the levitation force due to the weight reduction of the pressure-resistant glass sphere is reduced.
- Non-Patent Document 2 describes that the grinding surface has a polishing accuracy of ⁇ 4 ⁇ m.
- the surface roughness Ra is set to 0.5 ⁇ m or less, and as a new concept. Verticalness was introduced.
- the perpendicularity will be described in detail later, when the two hollow glass spheres are aligned with each other on the rubbed surface, the higher the parallelism (perpendicular to the tangent) of the rubbed surface, the more cracks and peeling that lead to strength reduction. This is based on the idea that generation can be suppressed.
- the pressure resistance is increased by increasing only the thickness of the spherical shell of the equatorial plane part of the predetermined width from the mating surface while suppressing the thickness of the spherical shell of the hollow glass hemisphere.
- the weight of the entire glass sphere can be reduced, and as a result, the effect that the levitation force is improved is obtained.
- the molten glass is molded into a hollow hemisphere by a normal direct press technique.
- a molten glass lump (glass gob) is put into a mold (cylinder mold), the mold (arrow mold) is lowered from above, and the glass is press-molded. The mold shape is transferred to obtain a hollow glass hemisphere.
- the shape and surface state of the outer and inner surfaces of the hollow glass hemisphere are determined.
- the position corresponding to the trunk-shaped equator plane is widened as the thickness increases, and the position corresponding to the arrow-shaped equator plane is narrowed as the thickness increases.
- the shape accuracy of the mold and the surface accuracy of the mold surface in contact with the glass are extremely important, and greatly affect the quality and shape accuracy of the press-molded hollow glass hemisphere.
- the width of the equatorial plane part to be thickened is desirably 9 mm or more and 130 mm or less, the barrel-shaped part and the arrow-shaped part corresponding to the thick part of the equatorial part surface of the pressure-resistant glass bulb are It is processed to have such a size and shape.
- borosilicate glass having a specific gravity of about 2.35 is desirable. This is because the levitation force obtained in the deep sea can be expected to increase because the specific gravity is small compared to 2.50 which is the specific gravity of soda lime glass which is a more general glass material.
- the glass material used for the pressure-resistant glass sphere of the present invention is preferably borosilicate glass from the viewpoint of heat resistance and thermal shock resistance. This is because the linear thermal expansion coefficient of borosilicate glass is as small as about 50 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., so that the shape change accompanying the temperature change and the generated thermal stress are reduced. Borosilicate glass is also excellent in durability.
- the hollow glass hemisphere slowly cooled to room temperature is transferred to a processing step.
- a processing step First, as shown in FIG. 1-4, the excess glass portion that protrudes during press molding is removed by an MC (machining center) processing machine.
- an MC machining center
- an electrodeposited diamond grinder having a count of about 600 is used. By controlling the grinding time, grinding is performed until a desired dimension is obtained. By this step, a rough-cut ground surface (joint surface) is completed.
- thread chamfering is performed on the inner and outer edge portions of the joint surface. This process is performed manually using a belt sander with a count of about 600. Since there are fine chippings, etc. generated during grinding at the edges of the joint surface of the hollow glass hemisphere, they should be removed, and the occurrence of chipping, peeling and cracking during use and handling will be prevented. Therefore, such thread chamfering is performed. It has been experimentally confirmed that when the so-called R processing having a large curvature is performed instead of thread chamfering, a large stress is generated at the end of the mating surface during pressurization, and the width is about 0.3 to 0.5 mm. Yarn chamfering is appropriate.
- the thickness of the spherical shell 14 other than the equatorial plane is designed to be 17 mm, and the thickness of the spherical shell gradually increases toward the equatorial plane 11, and the thickness of the spherical shell in the equatorial plane is increased. Is about 18 mm.
- the thick part of the outer diameter part is gradually thickened with a curvature of 30 mm from the part other than the equator part.
- the thick part of the inner diameter part is gradually thickened with a curvature of 95 mm from the part other than the equator part.
- FIG. 2 there is a description of 2.82 °, but this is very slight in order to make it easy to release the hollow glass hemisphere press-molded from the mold after press molding. It shows that a taper (gradient of 2.82 °) was added.
- the end portion of the rubbing surface 12 is chamfered with a width smaller than 0.3 mm (about 0.2 mm) at the inner edge, and is chamfered with a width of 0.5 mm at the outer side.
- a pair of hollow glass hemispheres are joined at a rubbed surface having a width of 17.68 mm.
- the surface accuracy and shape accuracy of the bonded surface 12 which is the joint surface are measured with a surface roughness / contour measuring machine (Mitutoyo CS-3000) for Ra (surface roughness), PV (flatness) and verticality.
- a surface roughness / contour measuring machine Mitsubishi Chemical Vapor CS-3000
- Ra surface roughness
- PV flatness
- verticality was carried out using a three-dimensional shape measuring machine (Mitutoyo CRT-A C776).
- Peak-to-Valley value that is, the PV value (flatness) from the maximum value (Peak) and the minimum value (Valley). Ask for.
- the vertical angle is measured by running the probe at 8 points divided by 45 degrees at the center angle, as shown in FIG. That is, the perpendicularity is a value representing how much the outer diameter portion and the inner diameter portion of the mating surface are deviated from the complete horizontal plane. The greater the degree of perpendicularity, the higher the portion of the mating surface is pressed, and cracks and peeling are likely to occur, which is not preferable.
- the completed pair of hollow glass hemispheres were put together on the rubbing surface which is the equator plane, and the inside of the glass sphere was decompressed to about 800 Pa from the hole.
- the joint part of the rubbing surface was fixed by wrapping butyl rubber tape and vinyl chloride tape once.
- the hole used for the decompression has a diameter of about 5 mm and is formed using a drill, and after passing through a cable necessary for observation, etc., the hole is tightened with a bolt and a nut through an O-ring and sealed. Stopped.
- FIG. 2 is a pressure-resistant glass sphere having an outer diameter of 330 mm and a spherical shell thickness of 17 mm.
- the thickness of the two hollow glass hemispheres is outside the outer diameter over a width of 15 mm from the equator plane 14 which is the rubbing surface 12. And 0.5 mm thicker than the inner diameter. Therefore, the thickness of the spherical shell 14 in the equator plane portion 11 is 1 mm thicker than the portion other than the equator plane portion.
- the wall thickness is gradually increased by 0.5 mm with a curvature of 95 mm from the spherical shell of the portion other than the equatorial plane.
- the outer diameter side has a curvature of 30 mm and the thickness is gradually increased by 0.5 mm.
- the width of the rubbing surface 12 is 17.68 mm.
- the rubbing surface was polished using a gold sand with a count of 1000 until the surface roughness was 0.5 ⁇ m or less.
- the outer edge was polished to a width of 0.5 mm and the inner edge was polished to a width of 0.3 mm using a polishing belt having a count of 600.
- the surface accuracy of the rubbing surface 12 was measured using the method described above. As a result, the surface roughness Ra of the rubbing surface was 0.157 ⁇ m, the PV value was 7.9 ⁇ m, and the perpendicularity was 0.1 to 1.5 ⁇ m at 8 places on the entire circumference.
- the pair of hollow glass hemispheres obtained in this way were aligned at the rubbing surface 12, and a rubber band was wound around the outer side of the equatorial surface portion 11 and fixed to obtain a pressure glass sphere. No cushioning material such as an adhesive was used on the rubbing surface.
- the example of this implementation is No. in Table 1 shown later.
- the pressure glass sphere has a weight of 12.48 kgf, a buoyancy of 19.24 kgf, and a levitation force obtained by subtracting the weight from the buoyancy is 6.76 kgf.
- the first test is a simple pressure test at 120 MPa corresponding to a water pressure of 12,000 m in depth.
- the pressure was increased to 120 MPa in 20 minutes from the normal pressure, held at the pressure of 120 MPa for 20 minutes, and then returned to the normal pressure in 20 minutes. Thereafter, when the sliding surface of the pressure-resistant glass sphere was observed, it was confirmed that no cracks or peeling occurred.
- the second test is a repeated pressure test.
- a cycle in which the pressure was increased to 114 MPa in 15 minutes and then returned to normal pressure in 15 minutes was defined as 1 cycle, and this was repeated 7 times.
- the present invention shown in FIG. 2 was able to withstand this test.
- the rubbed surface was observed after the test, it was not possible to confirm the occurrence of cracks or peeling that could lead to breakage or crushing.
- the dimension displayed as X is the thickness of the equatorial plane part, which is thick from the inner diameter to the inner side and from the outer diameter to the outer side.
- Y is the width of the thickened portion and describes the dimension from the mating surface.
- the inner radius R is a curvature when the thickness is gradually increased from the portion other than the equator surface portion to increase the thickness of the equator surface portion on the inner diameter side.
- the outer radius is a curvature when gradually increasing the thickness of the equator surface portion from the portion other than the equator surface portion on the outer diameter side so as to converge the increase in thickness.
- Table 1 shows the volume, outer diameter volume and weight of the pressure-resistant glass sphere, and further shows the buoyancy calculated from the outer diameter volume and the levitation force calculated from the difference between the buoyancy and the weight.
- the specific gravity of glass is 2.35
- the specific gravity of seawater is 1.02.
- Example 1 which is the structure shown as 4 passed the simple pressurization test and repetition pressurization test equivalent to a water depth of 12,000 m.
- the spherical shell of the equatorial plane portion of the hollow glass hemisphere has a thickness of about 0.1 mm over the width (Y) of about 15 mm from the mating surface, compared to the thickness of the spherical shell of the portion other than the equatorial plane portion. Only 5mm thick.
- a thick part is formed with a radius of curvature (inner R) of 95 mm from the spherical shell other than the equatorial plane part inside the inner diameter.
- Reference numeral 20 denotes a comparative example, which is a pressure-resistant glass sphere having an outer diameter of 330 mm and a spherical shell having a uniform thickness of 17 mm.
- the configuration of 20 is shown in FIG. Since there is no thick portion of the equatorial surface portion, the width of the mating surface of the pair of hollow glass hemispheres is 16.69 mm, which is 1 mm shorter than Example 1 shown in FIG. 2 and 6, since the outer diameter of the hollow glass hemisphere is 165.1 mm and the inner diameter is 147.6 mm, the thickness of the spherical shell other than the equatorial plane is 17.5 mm. ing.
- No. 21 and no. No. 22 is a comparative example.
- No. 21 is an 18 mm pressure glass sphere having a uniform spherical shell thickness.
- Reference numeral 22 denotes a 19 mm pressure glass sphere having a uniform spherical shell thickness.
- No. 1 which is Example 1.
- No. 4 is a comparative example of N.P. 20 is much smaller than 116 MPa. 21 and no. Is equivalent to 22. From this, it can be seen that increasing the thickness of the equatorial plane has the same effect as increasing the thickness of the spherical shell uniformly.
- the tensile stress generated at the inner edge of the mating surface is No. 1 in Example 1.
- No. 4 is selected when a configuration that can be suppressed to about the same level as or below is selected. 2, 3, 5, 7 to 9, 11 to 16, and 19. Of these, No. 13, no. 15, 16 and 19 are No. As with 21 and 22, the levitation force is no. There is a disadvantage that it is smaller than 4, which is not preferable.
- the thickness of the spherical shell other than the equatorial plane is 17 mm, it can withstand a pressure of 120 MPa and has a pressure resistance comparable to that of a pressure resistant glass sphere having an outer diameter of 330 mm and a spherical shell thickness of 18 mm.
- No. As a configuration capable of obtaining a pressure-resistant glass sphere having a levitation force equivalent to 20, the total thickness of the outer diameter of the spherical shell of the equatorial plane portion or at least one of the inner diameter inside is increased, and the total thickness is increased. It was found that it is important to set the thickness to 0.5 mm or more.
- the influence on the strength and levitation force is small, and it is considered that the thick part of the equator plane part should be smoothly constructed from parts other than the equator plane part.
- FIG. 7 shows one of the configurations of the present invention in which the thickness of the equator surface portion is 0.25 mm on the inner side from the inner diameter and 0.25 mm on the outer side from the outer diameter, for a total thickness of 0.5 mm. . It corresponds to 3.
- the width of the mating surface is 17.19 mm
- the maximum tensile stress acting on the inner edge portion is 82 MPa, which is smaller than Example 1.
- the levitation force is 6.79 kgf
- the total thickness of the spherical shell is 18 mm. Compared to the configuration of 21, the levitation force is increased by 0.62 kgf.
- FIG. 8 shows another example of the present invention in which the thickness of the equator surface portion is 1.0 mm inside from the inner diameter and 1.0 mm outside the outer diameter, which is 2 mm in total. . It corresponds to 5.
- This configuration has a width of 18.69 mm at the mating surface, and the maximum tensile stress acting on the inner edge portion is 81 MPa, which is smaller than that of Example 1.
- the levitation force is 6.68 kgf
- the spherical shell thickness is 19 mm.
- the levitation force increases by 1.15 kgf.
- a pressure-resistant glass sphere with an outer diameter of 330 mm (NMS-IS-7000-13 in Non-Patent Document 4) used for exploration and exploration in the deep sea with a depth of 7,000 m has a uniform spherical shell thickness of 12 mm.
- the thickness of the spherical shell is 11 mm, and the outer diameter side and the inner diameter side are respectively set over the width of the equatorial plane portion of 15 mm.
- a pressure resistant glass sphere having an outer diameter of 250 mm (NMS-IS-10000-10 in Non-Patent Document 4) that is assumed to be used at a water depth of 10,000 m, the thickness of the spherical shell is set to 9 mm.
- No. in Table 2 4 is a pressure-resistant glass sphere having the same configuration as this NMS-IS-10000-10, but when subjected to an external pressure of 90 MPa corresponding to a water depth of 9,000 m, the value of the maximum tensile stress applied to the inner edge reaches 100 MPa. .
- the spherical shell has a uniform thickness of 21 mm ( (Corresponding to No. 2 in Table 2), if the idea of the present invention is applied, the thickness of the spherical shell is 19 mm, and the width of the equatorial plane portion that is the mating surface is 15 mm wide on the outer diameter side and the inner diameter side. No. in Table 2 by increasing the thickness to 0 mm. 2 has a pressure strength equal to or greater than 2, and the levitation force can be increased by 2.06 kgf.
- the thickness of the spherical shell is set to 16 mm, and the thickness is increased by 0.5 mm on each of the outer diameter side and the inner diameter side over the width of 15 mm of the equatorial plane portion that is the mating surface (Table No. 6 in No. 2), No. 2 9 has a compressive strength equal to or greater than 9, and can increase the levitation force by 1.23 kgf.
- the thickness of the spherical shell is set to 16 mm, and the thickness of the equator surface portion, which is the rubbing surface, is increased by 0.5 mm on the outer diameter side and increased by 1.5 mm on the inner diameter side (Table 2).
- No. 7 No. 7 9 has a compressive strength equal to or greater than 9, and can increase the levitation force by 1.06 kgf.
- FIG. 9 shows a design drawing of the pressure-resistant glass sphere having this configuration.
- Equatorial plane 12 Roughing surface (joint surface) 13 . Equatorial plane 14 . Spherical shell
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Abstract
深海や海底などの探査に用いる耐圧ガラス球には、深海などの高い圧力に耐え、かつ繰り返し使用が可能な高い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、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を、赤道面部以外の部分の球殻の厚みより厚肉としたことを特徴とする耐圧ガラス球である。
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。
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。
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。
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
12・・・すり合わせ面(接合面)
13・・・赤道面
14・・・球殻
Claims (8)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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