JP2501958B2 - 閉鎖式生態学的システムの圧力補整装置及び同システム並びにその圧力補整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、閉鎖式生態学的システ
ムのための圧力補整装置、特に、物質移動に関する限
り、地球環境から完全に隔離された居住者をも含む閉鎖
システムに係わる。このシステムは、エネルギー及び情
報の伝達に関しては開放されている。閉鎖式生態学的シ
ステムは、居住者の生命維持を確保すると共に、内側及
び外側間の圧力差が一定に維持された安定した環境を実
現すべく運営されるものである。

【０００２】

【発明の背景】地球自体は、微生物、植物、及び人間を
含む動物が、多少の差こそあれ恒常的な状態で生存し、
物質が絶えずリサイクルされる有限の資源である１つの
生活圏である。太陽光線の形で連続的なエネルギー入力
が行なわれる。地球を取巻く大気圏に対する物質得失量
は微々たるものである。即ち、地球は、閉鎖された生態
学的システムまたは生活圏である。地球は、土壌、海
洋、大気、バイオマスなどの間で物質を絶えずリサイク
ルするが、大気中の二酸化炭素濃度の増大や、いわゆる
“オゾン層破壊”の他、未だ解明されていない種々の影
響が示唆しているように、諸条件に変化が起こっている
と考えられる。

【０００３】諸条件の相互作用を研究し、我々の環境を
制御する技術を開発するためには、地球という名の生活
圏の模型を構築する必要がある。このような実験は、地
球環境と実験自体との間で、物質交換が起こる地球上の
オープンシステムでは不可能でないまでも困難である。
従って、地球環境との物質交換が起こらないように完全
に閉鎖されたシステムを提供しなければならない。ま
た、必要に応じて条件を変化させることのできる閉鎖シ
ステム内で制御したり、科学的研究を行なうためには、
この小型生活圏内に人を居住させる必要がある。

【０００４】システム内に人が居住する閉鎖システムで
あるためには、長期に亘って健康を維持するためのバラ
ンスのとれた食事が提供されるだけでなく、有意義な学
術研究を行なうのに必要な、長い期間に亘って閉鎖シス
テムが略定常的な状態に維持されるように、炭素、酸
素、窒素、その他の栄養物、水などの閉サイクルを確立
しなければならない。

【０００５】そこで、アメリカ合衆国アリゾナに州バイ
オスフェア２（Ｂiosphere２）と呼ばれる完全閉鎖式生
態学的システムを建設中である。このシステムは、物質
移動が起こらないように、不透過殻体によって約１ヘク
タールの土地と 142,000ｍ³の地球環境から隔離された
空間をすっぽり囲むというものである。殻体の地上部分
は、太陽光線を受けるため透明である。閉鎖システムに
は空気エネルギーが供給され、必要に応じてシステムへ
熱を供給するが、逆にシステムから熱を奪うこともでき
る。即ち、このバイオスフェア２閉鎖システムは、物質
に対しては閉鎖されているが、エネルギーについては開
放的である。有意義な研究が行なわれるように、情報伝
達に関しても常時開放されている。

【０００６】地球の大気圧は多種多様な要因に従って変
化するが、地球の引力と大気の質量が不変であるから、
限られた範囲内では変動しない。局部的な温度変化や大
気密度変化が起こっても、忽ち他の局部域へ消散してし
まう。

【０００７】バイオスフェア２は、比較的小さい完全気
密姓の閉鎖システムであるから、地球という生活圏と
も、通常建築による囲いとも著しく異なる。通常の建築
物では、内部の空気を加熱したり冷却したり、或いは湿
度調節したりすると、その結果として、大気の膨脹した
分または収縮した分が建物の外へ漏れるか、または内部
へ空気を吸込むことになる。このような場合には、漏れ
が圧力をゆっくりと平衡させるから、建物の内と外の間
に、はっきりした圧力差は生じない。バイオスフェア２
は閉鎖構造であるから、漏れは起こらない。従って、通
常の建物が必要とするよりは、遥かに高い強度で構築し
ない限り、圧力差が構造を破裂させるか、または押し潰
してしまう。

【０００８】バイオスフェア２は、圧力を平衡させる
“ラング（肺）”を組込むことによって、このような危
険な力を回避するように設計されている。このラング
は、バイオスフェア２の内側における温度及び／または
湿度またはバイオスフェア２の外側における大気圧の変
化に呼応して、その容積を変えることができる閉鎖シス
テムの一部分である。ラングの可動部分の重量が、バイ
オスフェア２の内側における正圧を制御することによ
り、内側に向っての漏れを防止する。原理的には、必要
な総容積さえ確保されるなら、ラングの数は１つでも２
つ以上でもよいが、ラングを２つ使用することによっ
て、所要の可変容積が得られる。

【０００９】

【発明の概要】上記の問題を解決する装置は未だ開発さ
れていない。本発明は、閉鎖式生態学的システムと、こ
れに有用な圧力補整装置及び圧力補整方法を提供する。
更に詳しくは、本発明は、第１及び第２圧力域、好まし
くは、地球大気とバイオスフェア２との間に組込むこと
により、何れの圧力域の条件に変化が起こっても、これ
ら両圧力域の間に、比較的一定した圧力差を維持する圧
力補整ラング装置を提供する。

【００１０】このラングは、第１及び第２圧力域間に可
撓性膜を有し、この膜は、その周縁を支持、密封され
て、両圧力域間における流体の移動を防止する。圧力差
が小さければ、撓むだけで、膜は流体容積差を補整す
る。即ち、膜の可撓性が両圧力域間の流体圧力差の著し
い変化を防止する。膜は少なくとも全システムの不透過
性と同程度に流体不透過性である。ラングはまた、膜に
よって周縁を密封、支持された略水平な非可撓性のパン
をも含む。一方の開放圧力域である地球大気は、パンよ
りも上方の領域に対して開放されており、他方の閉鎖圧
力域であるバイオスフェア２は、パンよりも下方の領域
に対して開放されている。引力に抗してパンの重量を支
え、パンの降下を制限するが、パンの上昇は制限しない
で、第２圧力域の容積を変化させることにより、両圧力
域間の圧力差を制限する手段を設ける。

【００１１】ラングはまた、膜を第１圧力域から部分的
にシールする風雨カバーを含み、さらに、第１圧力域と
膜との間にあって、膜の第１圧力域側の流体圧を調節す
る流体ポンプをも含む。第２圧力域がダクトを介して膜
とつながるように、ラングを第２圧力域の主要部分から
物理的に分離するのが好ましい。好ましい実施例では、
第２圧力域が人間の居住区であり、この居住区内の圧力
補整された流体が、人間の呼吸する空気である。膜と居
住域主要部分を結ぶ通路は、居住者が膜にアクセスする
際に利用できる広い空気ダクトを兼ねる。

【００１２】膜の表面は、略円環面の一部に相当する。
但し、パンが上下限位置間を移動する際に、膜に大きい
円周方向引張りが作用しない程度に環状面から逸脱させ
てある。

【００１３】

【実施例】閉鎖式生態学的システムであるバイオスフェ
ア２の主要構造２０は、図１に示すように、ゆるやかな
山腹にコンクリート基礎を有し、コンクリート基礎上
に、ガラスを嵌め込められた鋼管から成る空間フレーム
２１が建設されている。基礎はそのコンクリートに溶接
され、漏れ試験を経たステンレススチール製シースが埋
込まれ、基礎を通して空気、水またはその他の物質が移
動するのを防いでいる。地上構造の大部分は、ガラス壁
でカバーされ、継ぎ目は、総てシールされている。ガラ
スは、基礎中のステンレススチール製シースによっても
シールされているから、閉鎖式生態学的システムの内部
と、地球環境との間で、空気またはその他の物質が移動
することはない。

【００１４】このシステムは、外気圧よりも高い約１５
００ダイン／cm² の圧力で運営されるように構成されて
いる。２基の大型可変容量圧力補整ラング（またはアキ
ュムレータ）２８，３０が地下ダクト４０を介して主要
構造２０の内部と接続し、周囲圧変化、温度変化などを
補整して閉鎖システム内の圧力を外気圧と平衡させる。

【００１５】主要構造２０には３つの重要部分がある。
第１は、約 0.6ヘクタールに及ぶ細長い原野モジュール
２２、第２は、その一方の側に位置する集中農耕モジュ
ール２３であり、原野モジュール２２に対して開放され
ている。第３は、集中農耕モジュールの一方の側に位置
する閉鎖式生態学的システム内で生活する人畜の居住区
２４である。農耕、制御、保守などのため、居住者がシ
ステム内全域で行動できることは云うまでもない。

【００１６】本発明の理解に必要ではないので、人の居
住区、各種研究室や作業室、複雑な地下ポンプ、ファ
ン、倉庫などの詳細は図示しなかった。

【００１７】閉鎖式生態学的システムの最も広大な部分
を形成する原野バイオマスは、丘の上端に、高さが約２
６ｍ、床面積１９００ｍ² のピラミット形空間フレーム
構造２６を有し、ここには、コンデンサコイル及びスプ
レイによって湿度を維持されている熱帯雨林、断崖上の
サバンナ、塩水沼湖、淡水沼湖、及び海洋がある。

【００１８】サバンナ及び低木林は、断面が略台形で天
井が扁平に近いガラス張り空間フレームモジュール３４
内に収容される。砂漠バイオームは、原野モジュール２
２の最も低い位置にあるピラミット形空間フレームモジ
ュール３６に収容されている。原野生物群系の温度は、
大抵の砂漠地帯よりも高いから、砂漠バイオームに栽培
するため選択される植物は、降雨量は少ないが湿度の高
い、霧の多い沿岸砂漠に多く見られる植物である。

【００１９】図２は、圧力補整ラング３０を上方から示
す横断平面図である。即ち、ラング３０のフロア平面図
を示しており、砂漠バイオームの収容された空間フレー
ムモジュール３６との接続態様をも示す。気密ダクト４
０が、砂漠バイオームの内部から圧力補整ラング３０の
内部に至る空気ダクトを形成している。このダクトは地
下パイプであり、内部を人が歩行できる例えば約 2.5ｍ
の直径を有する。従って、バイオスフェア２の居住者
は、密閉システムから出なくても、圧力補整ラング３０
の内側の修理を行なうことができる。パイプを地下に埋
没することにより、温度変動及び風雨による損傷を極力
防ぐことができる。

【００２０】アクセスロード４２が圧力補整ラング３０
を囲み、メインアクセスロード４４と接続しているか
ら、保守用の車輌が圧力補整ラング３０に達することが
できる。外側風雨カバー４６がラング３０全体をカバー
している。風雨カバー４６は、ドーム形の（図１）支柱
のない金属構造である。風雨カバー４６内に設けたファ
ン７２を利用して、風雨カバー内の気圧を操作できる程
度の気密性を具えることが好ましいが、厳密な意味では
気密性でなくてもよい。また、風雨カバー４６は、金属
構造に密封された窓を含むことが望ましい。この窓によ
って内部を照明したり、見学者が観察できるからであ
る。バイオスフェア２の場合、２基の圧力補整ラングを
使用し、夫々の膜の直径を４８ｍとする。なお、構造の
大小に応じてラングの数、寸法を適宜選択すればよい。

【００２１】ラング３０の作用部は、風雨カバー４６に
囲まれ保護されている。主要作用部は、圧力補整ラング
３０の内側から外側へ空気が流出するのを防止する障壁
である。障壁は、環状壁５０によって支持された可撓性
の膜４８、及び周縁５６に配列された一連の支持ポスト
５４によって支持された金属製パン５２を含む。パン５
２は、環状壁５０に固定され、シールされている膜に固
定され、シールされている。膜とパンとは協働してダク
ト４０内の環境を風雨カバー４６内の環境から完全にシ
ールする。図示の実施例におけるパンは直径が約２８ｍ
であり、膜４８とパン５２とを合わせた外径は約47.8ｍ
となる。膜４８は半球状を呈し、パン５ ２のエッジと囲
壁との間の幅１０ｍのギャップを閉鎖する。

【００２２】パン５２は補強アルミニウムで形成するこ
とが好ましい。パン５２の構成については、図６乃至図
９に関連して詳しく説明する。幅13.5ｍの膜４８は、２
層ポリエステルで補強し、気密性を高めるためのコーテ
ィングを施した厚さ１６mmの可撓材で形成するのが好ま
しく、商品名“ＨＹＰＡＬＯＮ”で市販されているよう
なクロロスルホン化ポリエチレンが好ましい。膜４８の
重量は約 2.2kg／ｍ²であり、そのうち、約１４０ｇは
補強材である。図示した実施例の場合、膜が４８０ニュ
ートン／cm（幅）の引張強度を具えれば充分であると考
えられる。

【００２３】この圧力補整構造を“ラング（肺）”と呼
称するが、動物の肺とは異なり、ラングの内側と外側と
の間に物質の移動は起こらない。バイオスフェア２の場
合、内側が外側から完全にシールされるように不透過膜
を使用する。“ラング”は閉鎖システムの容積を変化さ
せることによって、閉鎖システムと外気との間に所定圧
力差を維持する手段として作用する。

【００２４】この実施例におけるラング３０の構造は、
たまたま斜面に建設されているが、床面及びパン５２は
基本的に水平である。擁壁５８は、アクセスロード４２
を土砂に埋もれないように保護する一方、風雨カバー４
６を傾斜面から保護する。風雨カバー４６には、ドアを
通る６ｍ幅のランプ６０があり、メインアクセスロード
４４からラング３０内へ資材を持込むことができる。

【００２５】膜４８の下方には、バイオスフェア２内で
利用される予備水を貯蔵するタンクとしての井戸６２及
び排水溜め６４がある。このラングの排水溜めは、閉鎖
システムの最も低いレベルにあり、床面は排水溜め６４
に向って傾斜している。従って、自然排水は、排水溜め
に水を戻す。スプリンクラーやその他の消火栓に給水す
るため、排水溜めに消火ポンプ（図示しない）が設置さ
れている。緊急時には、消火に使用された水は再び排水
溜めに戻されて再利用される。

【００２６】環状壁５０は、膜４８の全体を囲む観察及
び保守用通路６６を含む。この通路は、幅が１ｍ足らず
であり、両端にアクセス梯子６８がある。通路６６を利
用すれば、人も資材も環状壁５０上の膜に接近できる。
詳しくは、図４及び５に関連して後述する。環状壁５０
は、膜４８の下の床面から約 7.3ｍの高さであるから、
膜４８が完全にたるんでも、床の高さまでたるむことは
ない。即ち、膜４８は床よりも上方に懸架状態となり、
床をこすることはない。例えば、床上約２０cmの位置に
とどまる。

【００２７】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、側方から見
た前記圧力補整ラング３０の縦断面図である。図３
（Ａ）は、例えば低温のためシステム内の空気容積が比
較的小さい場合のラング３０を示し、図３（Ｂ）は、内
部空気の容積が比較的大きい場合のラング３０を示す。
図３（Ａ）では、円板状金属製のパン５２及び支持ポス
ト５４が完全に床面に当接している。可撓膜４８は、環
状壁５０からパン５２に至る通路の末端近くで弯曲して
いる。

【００２８】図３（Ｂ）では、バイオスフェア２内の空
気容積が、システムの温度が太陽熱で上昇した場合に起
こるように著しく増大し、増大した空気容積がダクトを
流れてパン５２及び膜４８を下方から押上げている。図
３（Ｂ）では、パン５２は、その移動上限、即ち、下限
位置よりも約１４ｍ上方に位置している。下方からの圧
力で膜４８は外方へ弯曲している。図３（Ａ）及び図３
（Ｂ）は、ラング３０内に起こり得る内部容積の大きい
変化を示すものである。バイオスフェア２自体の壁が非
可撓性であるだけに、このように大きい容量が必要にな
る。気象条件によって、バイオスフェア２の外側の気圧
が変化したり、バイオスフェア２内の温度及び湿度が変
化すると、ラングはバイオスフェア２の壁の安全を維持
する上で最も重要な圧力補整装置として作用する。

【００２９】常態では、バイオスフェア２内の空気容積
は、パン５２を上下限の略中間位置に“浮動”させる程
度である。パン５２は、単位面積当りで膜４８よりも重
く、空気圧がパン５２を床から浮上させると、膜４８は
図３（Ｂ）に示すように、稍上向きに膨らむ。環状をし
ている膜４８は対称であるから、パン５２は常にラング
３０の中心に位置する。下方の空気によるパン５２の浮
力は小さいが、膜４８はパンの重量を持上げるのに充分
な強度を具えている。

【００３０】システム内に確保したい具体的な正圧範囲
に応じて、パン５２の設定重量が決定される。この重量
が決まったら、膜４８の内側エッジに引張荷重がかかっ
ても、膜４８が裂けないように、パン５２の直径を充分
大きく設定する。これらのパラメータが、パン５２の構
造特性を決定する。即ち、適正な重量を設定し、膜４８
を保護するのに充分な直径を設定し、略一定の幾何形状
を維持する構造形態を設定する。

【００３１】環状壁５０の頂部と、パン５２の縁との間
に跨がる膜４８の断面長さは、前記両点を結ぶ直線より
は長いから、膜４８は、図３（Ａ）のように、パン５２
が下限位置に来るたるみ位置と、図３（Ｂ）のように、
パン５２が上限に来る位置との間で撓むことができる。
例えば、パン５２が床面に当接している時、環状壁５０
の中間高さと、パン５２の縁との間の直線距離は 11.35
ｍであるのに対して、膜４８の断面長さは13.565ｍであ
る。約 2.2ｍのゆとりが、たるみを可能にし、圧力がパ
ン５２を持上げ始める瞬間に（即ち、膜４８に最大の応
力が加わる時点で）膜４８の許容引張りを確保する。

【００３２】パン５２が床面から浮上して、膜４８が
“膨らむ”と、膜４８は、環状壁５０と、パン５２との
間で、略円弧状の断面形状を呈する。これが膜４８の引
張り力を平衡させる。完全にたるむと、膜４８は略垂曲
線を呈する。膜４８の面の半径方向長さは、パン５２が
床面に当接し、膜４８を挟んで圧力差が全くない常態
で、膜４８がたるんでも床面よりも高い位置までであ
り、床面をこすったりして損傷することがないように設
定されている。

【００３３】膜４８の形状は、膜４８が如何なる位置を
占めても、膜４８の破裂を招く円周方向フープ張力が発
生しないように（ラング３０の中心から）膜４８が充分
な円周を持つように計算される。たとえ膜４８が引張り
に耐えるのに充分な強度を具えていても、円周が不足な
ら、膜４８が張った状態では、略半球状の形態を採れな
くなり、ラングの有効容積が低下することになる。

【００３４】充分な円周とフープ応力の問題が起こるの
は、膜４８とパン５２が垂直方向に移動するのに伴なっ
て、膜４８上の総ての点が、パン５２の中心線からの新
しい半径位置へ移動するからである。所与の点が中心線
から遠い半径位置に移動しても、この点における膜４８
の円周は、この半径に対応する円を画くのに充分なゆと
りを持っていなければならない。

【００３５】先ず、膜４８に均一な圧力が作用するた
め、凡ゆる位置における膜４８の断面が円形を呈するも
のと仮定すると、夫々の位置、夫々の点に関して、パン
５２の中心から膜４８上の各点までの半径を計算するこ
とができ、計算を繰返すことにより、パン５２の作用範
囲内での総ての垂直方向位置における膜４８上の各点の
最大半径を算出することができる。

【００３６】各点の最大半径から、膜４８上の如何なる
点も、予め算出された最大半径に等しいパン５２の中心
からの半径位置にあり、中心線から各点までの距離が弧
長に対応する最大半径に等しくなるように膜４８の３次
元形状をレイアウトすることがてきる。この形状に設計
された膜４８はパン５２の垂直方向位置に応じて、夫々
異なる緊張円形帯状部分を持つ。膜４８のその他の部分
は、稍たるみ、場合によっては、“襞”を生ずることも
ある。このように、襞が生ずる方が、膜４８の全体にフ
ープ応力が加わるよりも好ましい。要するに、膜４８は
膨らんだ際に略半球形に近似してはいるが、パン５２の
位置に関係なく、円周不足のために起こる引張り応力を
回避できるように外周域を円環面とは異なるように形成
されている。

【００３７】膜４８の表面を半球面に近似させることに
よって、パン５２が床面に着き、閉鎖システム内の空気
容積が、膜４８をその上限位置に支持するのに不充分な
容積となった時、パン５２が着床し、膜がたるむことに
なる。これは、システムの総可変容積のうちの大きい部
分であり、総容積変化量の約 1／4 に相当する。即ち、
膜４８がたるんだ状態と、パン５２が、まさに床面から
浮上しようとする時の膜の位置との間の容積変化量は、
膜４８がたるんでいる位置と、パン５２がその上限まで
浮上した時の膜の位置との間の総容積変化量の約 1／4
である。膜４８がたるんでいる位置は、システムの正常
作用範囲外であり、例外的条件が発生した時のための予
備容積であることを表わしている。

【００３８】構造内の圧力は、パン５２及び膜４８の下
に広がる総面積に亘るパン５２及び膜４８の重量と、膜
４８の周縁と囲壁との間の連結に起因する圧力に対する
寄与とによって決定される。膜４８が浮揚すると、壁に
対して膜４８が上向きの力を作用させる。この力の大き
さは壁に対する膜４８の角度に応じて異なる。この力は
膜４８が上限位置に来る時最大となり、膜４８が下限位
置に来ると最小となる。この角度の影響は無視できない
要因であり、構造内の圧力は、パン５２がまさに床面か
ら浮上しようとする時に周囲圧よりも約１０００ダイン
／cm² （２ psf）高くなり、パン５２が上限位置に来る
と殆んど３０００ダイン／cm² （６ psf）となる。但
し、この２つの値は極限値であり、常態における圧力範
囲は約１３００乃至２０００ダイン／cm² である。パン
５２が上下することで、夫々のラング３０によって変位
させられる空気容積は、実施例の場合21,000ｍ³ 以上で
ある。

【００３９】システム内で空気クッション上にパン５２
と膜４８がこのように浮上することでバイオスフェア２
内に略一定の圧力が、即ち、外気圧に対して一定の差圧
が維持される。パン５２及び膜４８の重量とラング３０
内の面積は、常時約１５００ダイン／cm² （３ psf）の
公称正圧をシステム内に維持することにより、漏れが起
こっても必ず外方に向って漏れるように設定する。

【００４０】バイオスフェア２内の圧力は、風のため構
造の表面に加わる圧力が増大して空気が内側に向って漏
れることがないように、外気圧よりも充分高いレベルに
維持する。計算によれば、内側に向って漏れが起こる惧
れがあるのは、構造内の圧力が異常に低い常態で異常に
強い風圧下にある限られた領域だけである。

【００４１】ガラス張りのバイオスフェア２構造とラン
グ３０の膜４８の下側とを結ぶダクト４０は、通常の容
積変化に起因する空気流を、著しい圧力差を発生させず
に通過させるのに充分な広さを具えるが、（例えば大規
模なガラス破損により）バイオスフェア２に破局的なシ
ール損失が起こっても、パン５２が床に衝突して損傷す
ることがないように、空気流をゆっくり通過させるのに
充分な狭さに設定されている。

【００４２】パン５２は、非可撓性の“ピストン”とし
て作用し、これを囲む膜４８が上向きに膨らみ、パン５
２の高さに応じて、数学的に計算できる容積の空気を囲
む。パン５２の高さは、容易に測定でき、これによって
バイオスフェア２システム内の空気容積を測定すること
ができる。システム内の環境に変化が起こると容積が変
化することは云うまでもない。バイオスフェア２の全域
に、約１００個の温度及び湿度センサーを配置すること
により、データを出力させ、このデータから容積変化を
計算し、予期されるパン５２の高さを求めることができ
る。この予期される高さを実際の高さと比較すればよ
い。経時的に気体容積をモニターし、パン５２の位置ト
レンドを観察することにより、システムの壁に漏れが発
生しているかどうか、またはシステム内のバイオマスに
固定されている気体元素量の変化によって、総気体容量
が著しく変化しているかどうかを判定することができ
る。

【００４３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、ダクト４０
が膜４８の下側へのアクセスを可能にすることをも示し
ている。このダクト４０は、擁壁５８、風雨カバー４６
及び環状壁５０のシール可能な開口を通って、短い階段
７０に至る。階段は、環状壁５０の内側に沿ってラング
全体を囲むフラットフロアに至る。常態において、パン
５２及びその支持ポスト５４は、床面から浮上している
から、排水溜め及びパン５２の下側へのアクセスが可能
である。

【００４４】バイオスフェア２内の気圧は、バイオスフ
ェア２の内部大気状態の膜４８及びパン５２の重量、及
びシステム外部の気圧などの要因の組合わせによって決
定される。このうち、容易に制御できる要因は、膜４８
及びパン５２の有効重量だけである。然し、一旦構造が
建設されてしまうと、パン５２及び膜４８の重量を変え
るのは容易でない。圧力制御の幅をもっと広くしたけれ
ば、比較的軽いパン５２を設けた上で、これに取外し自
在なバラストを付加すればよい。然し、もっと好ましい
方法がある。

【００４５】即ち、風雨カバー４６にファン７２を組込
む。若し風雨カバーが、外気と膜４８及びパン５２の外
側との間に、然るべきシールを形成するなら、ファン７
２を利用することによって、膜４８の外側に作用するラ
ング３０上部内の気圧を調整することができる。風雨カ
バーから空気をポンプアウトすることにより、パン５２
及び膜４８の上方の圧力を、従って、バイオスフェア２
内の圧力を低下させる。逆に、風雨カバー４６に対し、
空気をポンプインすることにより、バイオスフェア２内
の気圧を増大させることができる。このようにして、フ
ァン７２はバイオスフェア２の内側と構造外側の地球気
圧との間の空気差圧の制御を可能にする。

【００４６】バイオスフェア２の内側と外側との差圧が
比較的小さければ、これに伴なう容積差も小さいから、
パン５２の高さの変化は小さい。上述したように、バイ
オスフェア２の内側と外側との公称差圧は、約１５００
ダイン／cm² である。２つのパン５２が夫々約 7.5乃至
８cm移動するだけで、この過剰圧を打消すことができ
る。

【００４７】バイオスフェア２には、２つのラング２
８，３０を設け、各ラングの風雨カバー４６にファン７
２を組込む。各ラング内からの、どちらかと云えば、停
滞ぎみの空気を閉鎖システムの主要部分内の空気と時々
混合することが望ましい。このためには、プッシュプル
方式でファンを作動させればよい。即ち、一方の膜４８
の上の空気圧を増大させるように一方のファンを作動さ
せ、他方の膜４８の上の空気圧を低下させるように、他
方のファンを作動させる。これにより、一方のパン５２
が下降し、他方のパン５２が上昇するから、両ラングと
閉鎖システムの残りの部分との間で、空気を移動させる
ことになる。ファンの動作を周期的に反転させることに
より、両方の膜４８を交互に上下させ、空気流を往復動
させることができる。両方の膜４８の上の空気圧は、周
期的に増減されるから、バイオスフェア２の内側と外側
との正味圧力差は、このプツシュプル方式のポンピング
が行なわれている間、大きく変化することはない。

【００４８】大規模なシール効果損失に際しても、ファ
ンは普重な役割を果す。常態ではパン５２及び膜４８の
重量が小さい正圧を作用させることによって、若しガス
漏れがあっても、これをバイオスフェア２から押出す。
然し、漏れが大きくなると、パン５２及び膜４８の移動
量が、忽ちラングの可変容積を超えてしまう。このよう
な事態になる前に、ファンを作動させることにより、パ
ン５２及び膜４８の重量を補整して、正圧を打消すのに
充分なだけ、風雨カバー４６内の圧力を低下させればよ
い。即ち、バイオスフェア２内の圧力を調整して外側の
気圧に合わせることによって、バイオスフェア２内から
地球大気への空気流を止めればよい。この場合、漏れが
起こるとすれば、漏れが固定されるまで起こる対流移動
だけである。

【００４９】図４及び図５は、図２，図３（Ａ）及び図
３（Ｂ）に示した通路６６及び梯子６８を詳細に示す。
図４は、環状壁５０を囲む通路６６を上方から示す。通
路６６の幅は、その全長の大部分に亘り１ｍよりも稍狭
いが、梯子６８の両側の踊り場プラットホーム８０にお
いて広がって、１ｍよりも稍広い幅となっている。従っ
て、梯子６８から通路６６へ向きを変える充分なゆとり
があり、梯子６８と通路６６との間を移動する際に、工
具や装置を置く場所が与えられる。梯子６８を昇り降り
できるように、床張りされていない梯子道８３を除い
て、通路６６はスチール格子８２で床張りされている。
梯子６８の両側の各踊り場プラットホーム８０の縁端に
沿ってチェーンを延設することにより、格子６６のため
の床のギャップから人が落ちるのを防止する。また、通
路６６の全長に亘り、その外縁に沿ってハンドレール８
６を延設することにより、格子８２の縁端から人が落下
するのを防ぐ。環状壁５０が、格子８２の内側縁と境を
接して、人が膜４８の上へ落下するのを防ぐ（図４）。
ハンドレール８６は、床に取付けた一連の間隔を保つ支
柱８８によって支持されている。支持ビーム９０が通路
６６の床を環状壁５０に固定支持する。

【００５０】膜４８の中心に位置する金属パン５２は、
図示実施例の場合、２８ｍの直径を有する。パン５２も
膜４８も圧力変化を補整しなければならないバイオスフ
ェア２の大きい容積に鑑み、大きくなければならない。
従って、金属製のパン５２を単一の打抜きアルミ板から
形成するのは困難である。図６は、金属製のパン５２の
詳細な平面図である。金属製のパン５２は、多数の、一
部オーバラップするアルミ板９２で形成されている。こ
れらのアルミ板は、オーバラップ部分で溶接する。夫々
異なるサイズのアルミ板が使用され、図６の場合、垂直
方向に整列している継ぎ目は皆無である。これは、パン
５２の強度を高める上で有効であり、剪断応力が一連の
継ぎ目に伝播し難い、例えば、パン５２の最も幅の広い
部分に近いアルミ板９２Ａは、長さが 13.04ｍであるこ
とが好ましい。反対側のアルミ板９２Ｂは、 12.43ｍで
あることが好ましい。中央のアルミ板９２Ｃは 11.52ｍ
である。その真下のアルミ板９２Ｄも 11.52ｍである
が、右の方へ位置が食い違っている。アルミ板９２Ｄの
両側に位置するアルミ板９２Ｅ，９２Ｆは、夫々 12.74
ｍであり、従って、パンの縁端に近い継ぎ目は整列しな
い。

【００５１】図６は、パン５２の内側や、ダクト４０及
びバイオスフェア２へのアクセスを可能にする密封人道
９１をも示す。人道の密封を解けば、バイオスフェア２
を外側環境に対して開放する結果になるから、緊急事態
が発生した時にだけ使用される。バイオスフェア２構造
の主要部分は、バイオスフェア２へ入出しなければなら
ない緊急事態に備えたエアロックを備えている。

【００５２】パン５２の強度を放射状及び同心円状の補
強ネットワークによって更に高めている。図７は、この
補強ネットワークを示すパン５２の俯瞰図である。第１
に、半径方向に約 1.5ｍの間隔で一連の同心円補強材９
４Ａ−９４Ｆが配置されている。第２に、最も内側の同
心円補強材９４Ａから最も外側の同心円補強材９４Ｆま
で略半径の全長に亘り一連の放射状補強材９６ａ〜９６
ｅが配置され、前記同心円補強材と連結されている。第
３に、放射状補強材は中心から遠ざかるに従ってその間
隔が広がるから、４番目の、即ち、同心円補強材９４Ｄ
とパン５２のリム９４に、外縁に近く、互いに間隔を保
つ放射状補強材の間に、６本の弦状補強材１００ａ〜１
００ｆが配置されている。

【００５３】これらの補強材は、金属製のパン５２の板
面に溶接された背の高いレールである。図８は、パン５
２及び補強材９８ａの典型的な断面図である。垂直方向
の撓みに対して、最大の強度が得られるようにレールを
パン５２に垂直に溶接してある。

【００５４】数本の補強材が交差する場所の接合態様
は、もっと複雑である。図９は、放射状補強材９８ｋ
と、弦状補強材１００ａとの接合部を示す。弦状補強材
のレール部分１０２は、パン５２と放射状補強材９８ｋ
との双方に溶接されている。パン５２とは反対側のレー
ル１０２の縁端にはプレート１０４が溶接されており、
サイドブレース１０６がプレート１０４を放射状補強材
９８ｋに固定している。

【００５５】図２，図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示した
支持ポスト５４は、弦状補強材の６つの接合部及びその
中間点においてパン５２を支持する。従って、弦状補強
材１００ａ〜１００ｆは、パン５２を補強するだけでな
く、支持ポスト５４の荷重をパン５２の全面に配分す
る。支持ポスト５４はバイオスフェア２が開放状態にあ
り、内側と外側の圧力が均衡した状態においてパン５２
の重量を支える。

【００５６】図１０は、パン５２のリムに対して接線方
向に見た支持ポスト５４の側面図である。主要脚１１０
がラング３０の基礎に固定されており、この脚は、パン
５２の外縁を支持するための外側ガセット板１１２まで
直立している。外側ガセット板１１２は、最外側リム９
５に溶接された垂直側面１１４と、パンの底面に溶接さ
れた傾斜頂面１１６とを有する。

【００５７】支持ポスト５４は、主要脚１１０の基部
と、パン５２との間に、該脚を半径方向に安定させるた
め設けた斜め内側脚１１８をも含む。内側脚は、弦状補
強材１００ｂ，１００ｃ（図７）の接合部１０８から半
径方向に張出している。即ち、この内側脚１１８は、半
径の全長に亘る放射状補強材９６ｂの直下で、パン５２
に取付けられている。内側脚１１８は、外縁または周縁
から約 1.5ｍの位置でパンと連結されている。

【００５８】図１１は、パン５２の外側から半径方向に
内方に向って見た支持ポスト５４である。ここでは、内
側脚１１８が主要脚１１０の陰に隠れている。支持ポス
ト５４は、主要脚１１０基部の両側に取付けられた２本
の側方脚１２２を含む。側方脚１２２の夫々は、外側ガ
セット板１１２と同様に、パン５２の最外側補強材９４
Ｇの直ぐ内側に取付けられた側方ガセット板を有する。
側方脚１２２は、支持ポスト５４を円周方向に安定させ
る。

【００５９】図１２は、膜４８とパン５２との連結部を
詳細に示す断面図である。外側リム９５は、略垂直な外
面１２０を画定する。膜４８は、その内周縁に一連の孔
を有し、一連のボルト１２４及びナット１２６により、
これらの孔を介してリム９５の垂直面と側方脚１２２の
間にクランプされる。垂直外面１２０に沿って円周方向
に薄い、約１cmのシリコンシール剤１２８を塗布するこ
とにより、膜４８を気密シールする。例えば、ダウ・コ
ーニング社製の「＃1200 Ｐrime Ｃoat 」を先ず下塗
りとして膜に塗り、次いで同じくダウ・コーニング社製
の「＃732 ＲＴＶ」シリコン接着剤を塗布して連結部
をシールすることが好ましい。

【００６０】図１３は、膜４８と環状壁５０との連結部
を示す。図１４は、膜４８の外縁の部分詳細図である。
環状壁５０の内周縁全体にブラケット１３０を溶接す
る。このブラケット１３０は、内側に向いた垂直面１３
２を有する。膜４８とパン５２の連結部と同様に、ナッ
ト１３６及びボルト１３８を利用し、膜４８の孔を介し
て垂直面１３２とクランプ板１３４の間に膜４８をクラ
ンプする。パン／膜連結部の場合と同様に、シリコンシ
ール剤１４０を帯状に塗布する。

【００６１】膜４８の外縁部は、該外縁部に等間隔に設
けた可撓板１４４を介して、膜４８に取付けた一連のリ
フト突片１４２を含む。リフト突片１４２は、ボルト孔
１４６の列から約 1／3 ｍ離れた位置にあり、可撓板１
４４の長さは、約 1／3 ｍである。膜４８の全周には、
膜４８と同じ材質から成る約１５cmの幅の帯が連続補強
帯１４８として固定されている。膜４８をブラケット１
３０にクランプするためのボルト孔１４６は、この補強
帯をも貫通し、補強帯１４８は、膜４８の裂断防止に寄
与するだけでなく、ボルトによって加えられる力を孔の
間に配分する作用をも果す。パン５２に近い膜４８の内
縁も同様であるが、リフト突片１４２は含まない。但
し、必要に応じて設けてもよい。

【００６２】本発明の圧力補整ラングの種々の構成要件
を以上に詳述したが、多様な変更を加え得ることはいう
までもない。開放環境と閉鎖環境の間に、または２つの
別々の閉鎖環境の間に圧力補整ラングを設けることによ
り、所要の圧力関係を維持することができる。圧力補整
の対象となる流体は、地球大気及びバイオスフェア２の
場合のように空気でもよいが、その他の流体でもよい。
例えば、閉鎖環境が海底に存在する場合、海底環境が海
水圧という形で第１圧力域となり、閉鎖環境が空気圧と
いう形で第２圧力域となる。

【００６３】パンはその重量に作用する重力を利用する
ことによって、圧力補整ラングにバイアスを組込むこと
を可能にする。両圧力域間の圧力差はパンの重量を調節
するか、ファンを利用するか、または、例えば、ばねの
ような単純な機械的バイアスを含むその他の偏倚装置を
利用することによって平衡させることができる。本発明
の物理的構成及び第１，第２圧力域の細部は図示した実
施例とからなり異なる態様で実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】完全に閉鎖された生態学的システムであるバイ
オスフェア２を本発明の２基のラングと共に示す斜視図
である。

【図２】本発明に係るラングの１例を示す水平断面図で
ある。

【図３】図２の３−３線におけるラングの断面図であ
り、（Ａ）はバイオスフェア２内の容積が収縮した時の
図、（Ｂ）はバイオスフェア２内の容積が膨脹した時の
図である。

【図４】本発明に係るラングを囲むアクセス通路の部分
平面図である。

【図５】図４のアクセス通路及び梯子、及びラング膜の
エッジシールを示す断面図である。

【図６】本発明に使用されるパンを構成する個々の金属
板を示す平面図である。

【図７】図６のパンの頂面に溶接される補強材を示す平
面図である。

【図８】図７の８−８線における補強材及びパンの断面
図である。

【図９】図７の９−９線における補強材とパンの接合部
の断面図である。

【図１０】本発明においてパンを支持する支持ポスト及
びこれに支持されけるパンを示す側面図である。

【図１１】図１０に示した支持ポスト及びパンの正面図
である。

【図１２】パンと膜との連結部を示す断面図である。

【図１３】膜とこれを囲む環状壁との連結部を示す断面
図である。

【図１４】膜の外縁部分を示す詳細図である。

【符号の説明】

２０ 主要構造 ２２ 原野モジュール ２３ 農耕モジュール ２４ 居住区 ２８，３０ 圧力補整ラング ３６ 空間フレームモジュール ４０ 空気ダクト ４６ 外側風雨カバー ４８ 可撓性膜 ５０ 環状壁 ５２ パン ５４ 支持ポスト ５６ 周縁

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実質的に互いに隔離され、且つ互いに独
   立の開放環境と閉鎖環境の間で圧力を平衡させるため
   の、一方の側が閉鎖環境に向き、他方の側が開放環境に
   向いている環状の障壁を有する圧力補整装置であって、 前記障壁が半球状の剛性カバーににより囲まれており、
   且つ該剛性カバーの内側で可撓膜によってシールされて
   いる水平に配置された内側の剛性パン具備し、前記開放
   環境と前記閉鎖環境との間には、空気が漏失移動するの
   を防ぐための、外側の前記剛性カバーと、前記障壁と、
   内側の前記可撓膜とによって構成されるシール機構を具
   えていることを特徴とする閉鎖式生態学的システムの圧
   力補整装置。
2. 【請求項２】 実質的に互いに隔離され、且つ互いに独
   立の開放環境と閉鎖環境の間で圧力を平衡させるため
   の、一方の側が閉鎖環境に向き、他方の側が開放環境に
   向いている環状の障壁を有する圧力補整装置であって、 前記障壁が半球状の剛性カバーににより囲まれており、
   且つ該剛性カバーの内側で可撓膜によってシールされて
   いる水平に配置された内側の剛性パン具備し、前記開放
   環境と前記閉鎖環境との間には、空気が漏失移動するの
   を防ぐための、外側の前記剛性カバーと、前記障壁と、
   内側の前記可撓膜とによって構成されるシール機構を具
   えており、 前記障壁の重量が、該障壁を一方の環境に向かって引く
   ことにより、 一方の環境内の圧力を偏倚させることを特
   徴とする閉鎖式生態学的システムの圧力補整装置。
3. 【請求項３】 前記剛性カバーが、前記障壁を開放環境
   からの風雨の影響から保護し、前記可撓膜を開放環境か
   ら部分的にシールする風雨カバーとして構成され、前記
   障壁の開放環境側に作用する空気圧を調節するため開放
   環境と障壁との間にファンを設けてあることを特徴とす
   る請求項１または２の何れか一項に記載の閉鎖式生態学
   的システムの圧力補整装置。
4. 【請求項４】 前記障壁の重量が、これを一方の環境に
   向かって引き、前記ファンが前記障壁の重量を支えるの
   に充分な障壁に作用する空気圧を低下させ得る容量を有
   することを特徴とする請求項３記載の閉鎖式生態学的シ
   ステムの圧力補整装置。
5. 【請求項５】 前記可撓膜が、半球状に近い面を有する
   ことを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記
   載の閉鎖式生態学的システムの圧力補整装置。
6. 【請求項６】 前記剛性パンが、上下間の如何なる高さ
   にあっても、前記可撓膜の周りに、円周方向の引張りが
   殆んど存在しないように前記可撓膜の面を半球面から充
   分に逸脱させるようにしたことを特徴とする請求項１か
   ら５までの何れか１項に記載の閉鎖式生態学的システム
   の圧力補整装置。
7. 【請求項７】 総合的に作用して、内部に生育に適した
   環境を維持する各種有機体を含む閉鎖構造から成り、 閉鎖構造内側と外気との間の圧力差を一定に維持する圧
   力補整装置を内蔵する前記閉鎖構造と接続した閉鎖室
   と、前記 閉鎖構造内外の圧力差を変化させるため、圧力補整
   装置の外側の空気圧を随意変化させる手段を具備してい
   ることを特徴とする閉鎖式生態学的システム。
8. 【請求項８】 総合的に作用して、内部に生育に適した
   環境を維持する各種有機体を含む閉鎖構造から成り、 閉鎖構造内側と外気との間の圧力差を一定に維持する圧
   力補整装置を内蔵する前記閉鎖構造と接続した閉鎖室
   と、 前記閉鎖構造内外の圧力差を変化させるため、圧力補整
   装置の外側の空気圧を随意変化させる手段とを具備して
   おり、 前記 圧力補整装置の重量が、これを一方の環境に向かっ
   て引き、而も、前記空気圧を変化させる手段が、前記圧
   力補整装置の重量を支えるのに充分な圧力補整装置に作
   用する空気圧を低下させ得る容量を有することを特徴と
   する閉鎖式生態学的システム。
9. 【請求項９】 前記圧力補整装置が、可撓膜及びその外
   側の略閉鎖されたハウジングを含み、前記空気圧を変化
   させる各手段が、外気と前記各ハウジング内側との間で
   空気を移動させるファンから成ることを特徴とする請求
   項７または８の何れか１項に記載の閉鎖式生態学的シス
   テム。
10. 【請求項１０】 前記圧力補整装置が、中央に水平に配
    置された非可撓性の剛性パンと、これを囲む半球状の可
    撓膜とから成り、この膜が、半球形状に近似の面を有す
    ることを特徴とする請求項７から９までの何れか１項に
    記載の閉鎖式生態学的システム。
11. 【請求項１１】 閉鎖式生態学的システムにおける空気
    混合方法であって、システム内側とシステム外側との間
    に、可撓性の第１膜を有する第１の圧力補整装置を設け
    てあり、 システム内側とシステム外側との間に、可撓性の第２膜
    を有する第２の圧力補整装置を設けてあり、前記 第１膜の外側において圧力を交互に増減する一方、
    前記第２膜の外側において圧力を交互に減増することに
    より、夫々の膜の内側における空気を移動させるステッ
    プから成ることを特徴とする閉鎖式生態学的システムの
    圧力補整方法。
12. 【請求項１２】 閉鎖式生態学的システムにおける空気
    混合方法であって、システム内側とシステム外側との間
    に、可撓性の第１膜を有する第１の圧力補整装置を設け
    てあり、 システム内側とシステム外側との間に、可撓性の第２膜
    を有する第２の圧力補整装置を設けてあり、 前記第１膜の外側において圧力を交互に増減する一方、
    前記第２膜の外側において圧力を交互に減増することに
    より、夫々の膜の内側における空気を移動させるステッ
    プから成り、 夫々 の膜の外側における圧力を同期的に増減することに
    より、閉鎖システムの内側及び外側間の正味圧力差を略
    一定に維持することを特徴とする閉鎖式生態学的システ
    ムの圧力補整方法。
13. 【請求項１３】 前記可撓性の第１膜の外側に第１の閉
    鎖室を設け、前記可撓性の 第２膜の外側に第２の閉鎖室を設け、前記 第１の閉鎖室内の空気圧を増圧するのと同時に、第
    ２の閉鎖室内の空気圧を減圧し、逆に、第１の閉鎖室内
    の空気圧を減圧させるのと同時に、第２の閉鎖室内の空
    気圧を増圧させるステップを含むことを特徴とする請求
    項１１または１２の何れか１項に記載の閉鎖式生態学的
    システムの圧力補整方法。