5.4 各種共通機器類の開発
本年度は、昨年に引き続き下記の４つのテーマについて検討を行った。
- 大型液体水素ポンプ
- 大口径真空断熱配管
- 液体水素弁
- 計装設備
検討は、まず現在の技術レベルを洗い出すため、従来技術の調査を行い、その結果を踏まえて今後の研究方針に従い、各検討項目ごとにコンポーネントの概念設計および機器設計に必要な技術検討を行った。
5.4.1 大型液体水素ポンプ
ＷＥ−ＮＥＴ計画で使用が検討されている大型液体水素ポンプは、水素液化設備やタンカーなどの様々な箇所で液体水素を大容量で輸送するために使用される。このポンプは、図5-4-1に示すように大容量ポンプとしての性能的な面、極低温流体でかつ可燃性・爆発性のある液体水素を扱う環境的な面や、操作やメンテナンスなどの使い易さの面からその基本仕様や構造が決定される。
大型液体水素ポンプの検討の中では、主に高圧および低圧の移送用ポンプ開発を目的にポンプ形式の調査、モータの調査と平行してポンプの基本的要素技術である低NPSH化の調査、軸受けの調査を行った。また、大容量ポンプの問題点を明らかにするため実際の概念設計を意識した検討を各要素に対して行い、今後さらなる要素開発の必要がある。
昨年度は、既存技術の調査を行い、その概念検討を行った。今年度は、この結果に基づいてシステム検討から算出されたポンプの基本仕様をべースに、液体水素ポンプの成立性に関して定量的に検討した。
その結果、液体水素ポンプは軸流ポンプあるいは斜流ポンプと巻線型誘導モータとを直結した立軸ウェットモータポンプを基本べースとすることで、性能、耐久性、安全性を持ったシンプルな構造の液体水素ポンプを設計・製造し得ることが判った。
5.4.2 断熱配管
液体水素の移送に不可欠な共通機器である断熱配管について、前年度よりの継続調査として、極低温配管における熱伸縮機構、断熱配管の継手構造およびＬＮＧ基地等での断熱配管について、以下の現状技術調査を行った。
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・熱伸縮機構 | ： | 長距離大口径の低温配管を対象に低温伸縮による熱応力対策と伸縮吸収機構の現状技術について調査を行った。 |
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・継手機構 | ： | 液体水素タンカーへの積込みまたはタンカーからの受入れに必要なローディングアームの継手構造の開発に際し、類似する既存の継手技術としてＨ−IIロケットのアンビリカルでの継手について調査を行った。 |
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・ＬＮＧ基地 | ： | ＷＥ−ＮＥＴ計画での液体水素貯蔵基地の最終規模および設備構成が比較的類似する既存のＬＮＧ基地における受入れ配管の規模とその運用技術に関する調査を行った。
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さらに、今年度からの研究テーマである機器開発においては、断熱配管の基本諸元、断熱構造、熱伸縮構造および継手構造の基本検討として、以下の調査検討を実施した。
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・基本諸元 | ： | 液体水素用断熱配管の開発目標（口径、配管長等）を設定するために、各設備間のインターフェース条件を整理し基地規模を想定することにより、断熱配管への要求条件を設定した。 |
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・断熱構造 | ： | 低温配管用断熱方法を分類し、液体水素配管用断熱構造の選定について検討した。 |
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・熱伸縮構造 | ： | 外気温や極低温内部流体による配管材の熱伸縮より発生する熱応力を緩和するための各種伸縮構造について、比較検討を行った。 |
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・継手構造 | ： | ローディングアームの接続継手は頻繁に着脱を行うため、液体水素温度で配管内に吸人された空気が吸着する恐れがある事から、吸着窒素量に関する予備調査を行った。
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大口径真空断熱配管の調査結果として、大容量の液体水素を安全かつ安定して長距離移送する配管技術には、今日迄に蓄積された真空断熱配管技術に加え、断熱構造としてシールド内蔵多層真空断熱構造を採用し、配管の熱伸縮機構として、配管の自己可撓性による方法、ベローズ型伸縮継手による方法およびヒンジ／ジンバル式等を要求条件（口径、入熱制限、設計圧力他）により選択し、組合せて使い分ける必要がある事がわかった。
継手構造としては、液体水素温度で吸着ガス量に関する予備調査の結果、着脱を繰り返す継手部で空気に触れる場合は、その吸着量を低減する処置が必要であるとの結果を得た。
上記の結果に基づき、来年度からは具体的な構造の基本設計検討を実施し、要素試験等により確認が必要な事項に関しては、その試験方法を立案する予定である。
5.4.3 液体水素弁
既存技術の調査を行い、その結果と平成５年度成果を踏まえ、液体水素弁を実際に開発する上で必要な技術の検討を行った。ここでは、想定されるシステムで必要と考えられる液体水素弁の仕様を仮設定し、選択肢として挙げられる個々の技術を評価し、その中で適切な技術を選択しながら、最終的に機器の具体例を構築した。
とくに、材料、流量特性、弁駆動機構、シールの各項目については機器開発でのキーポイントとなるため詳細に検討を行った。
液体水素弁の設計・製造において想定されるシステムには大きく分けて２つの形式の遠隔操作弁が必要である。１つは空圧作動式の玉形弁、もう１つは空圧作動式のちょう形弁である。いずれも想定されているシステムに使用できるほど大型のものは開発されておらず、現在、最大のものはロケット試験設備用の弁であるので、想定されるシステムに転用するには大型化が必要である。
液体水素弁開発の技術課題は、要素技術としては大型化に伴う課題が最も重要であり、机上検討では限界があるため、ここで検討した液体水素弁の技術を確認する要素試験の必要がある。
5.4.4 計装設備
ＷＥ−ＮＥＴ計画の中では多量の水素を取り扱うが、このとき、計測技術は必要不可欠なものである。本年度は前年度に引き続き、液位計の方式、流量計の方式、漏れ検出方法について、その技術的問題点、解決すべき事項を中心に、各方式について概念設計を考慮に入れた検討を行った。
その中で液位計については、超音波液位計方式、静電容量方式、パルス反射方式の調査を行い、特に有望なパルス反射方式について概念設計を行った。
また、流量計測の方法については、取引き量の計測、システムとしての作動点の特定、微小漏れの検出などの各目的別に従来技術の調査および技術的課題の検討を行い、タービン流量計、コリオリ流量計、容積流量計を取り上げてその特徴と開発要素についての検討を行った。
漏れ検出方式については接触燃焼式、半導体式、気体熱電導式、赤外線吸収式の検討を行い、その特徴と使用上の問題点を明らかにした。
その結果、いずれの場合も万能な方法はなく、その必要性に応じ、方法の選択を行ってゆく必要がある。また、大容量化した場合の開発要素については、早い時期に確認を行う必要がある。
