5.4 各種共通機器類の開発

5.4.1 研究開発目標

　平成７年度のWE-NET作業計画に基づき、昨年度に引き続き緊急性の高い下記４つのテー マに付いて検討を行った。

(1) 大型液体水素ポンプ
(2) 大口径真空断熱配管
(3) 液体水素弁
(4) 計装設備

　昨年度は技術的レベル調査のため文献上の調査を行った上で要素項目毎にコンポーネン トに要求される概要仕様に基づき概念設計に必要な検討を行っているので、本年度はこの 検討結果を更に進め、今後の開発をより鮮明に描けるように、必要な要素開発試験の検討 を合わせて検討した。
　以下に各々の項目についての検討概要を記載する。

5.4.2 平成７年度の研究開発成果

5.4.2.1 大型液体水素ポンプ

　WE-NETプロジェクトの中で大型水素ポンプは最も革新的な重要技術の一つと言って良い 。下記にその技術的難しさの概要を示す。

(1)　高回転の要求

　液体水素は水に比べ約１／14の比重しかない。即ち、このポンプは大容量であるが為に 必然的に遠心ポンプに成ることが予想されるが、この低密度故に他の流体に比べ格段に高 速回転が必要とされる。

(2)　大馬力の要求

　ポンプの必要馬力＝体積×圧力×効率であるので低密度であることはこれに反比例して 同じ重量流量に対し大きな馬力が必要となる事を意味する。

(3)　高効率、高断熱の要求

　大きな馬力が必要である反面、流体が極低温であるので熱の発生、侵入に対し流体の蒸 発が発生しやすくストールに対する感受性が高い。

(4)　耐極低温の要求

　極低温流体（約−253℃）であるため使用材料が限られると共に温度差による熱の歪み に設計上対応する必要がある。
従って、高回転／大馬力で有りながら高効率でストールしにくい極低温ポンプの設計が必 要と言うことになる。昨年度来、これら要求を達成する要素技術検討を行ってきたが、本 年度は各要素技術の中で低温材料技術、翼形状、動力系、軸受け、低熱侵入構造、フィー ドスルー、耐久性等の要素技術を検討すると共に、今後パイロットプラントのために必要 な設計技術を視野に入れて開発のために必要な要素試験についての方向性の検討を行った 。来年度は更に詳細にこの要素試験についての検討を進める事が必要であるとの結論を得 た。

5.4.2.2 大口径真空断熱配管

　大口径断熱配管の設計にとっても極低温で分子径の小さな液体水素の挙動は大きな設計 上の制限となる。即ち極低温であることは熱収縮落差が大きいと共に脆性のため使用でき る材料の選択の幅が大幅に少なくなってしまうことを意味している。
この為本年度は昨年度に引き続き

• 断熱構造
• 熱伸縮構造
• 継手構造

の検討を更に進める検討を行った。
極低温であるが為に熱収縮落差が大きいという点については大口径である場合は必ずしも 管路内に均等に流体が流れているとは限らず、配管内の下側半分のみが液体水素に浸り、 上部半分はガスに接触しているような場合の熱歪み吸収方法についての対策が必要になる 。
　本年度は断熱構造、熱伸縮構造の中では極低温に使用できる限られた材料機構の中でこ れら歪みを吸収する構造やその方法についての検討を行った。
　また同時に大気開放が必要な継手部分（ＱＤ部分）については管内部に吸着した大気成 分が極低温下で固化、蓄積する可能性すら有る。（吸着固化した物が窒素であれば細管詰 まりの原因になるし、酸素であれば蓄積後爆発の原因にも成りかねない）この大気成分の 下流への蓄積は結果としてそれを取り除く必要周期と言う形で、システム全体のオーバー ホール（定期点検）の制限条件に繋がる。この事は全体システムの経済性に大きく関わる 可能性があるために本検討では調査確認を行いこの影響を定量的に算出するようにつとめ た。今後精度を上げていくためには、更に詳細な試験を行っていく必要があるが、今年度 の検討結果で全体システム検討のための基礎的な条件が得られたと言える。
　また分子径の小さい点については極低温で使用できるシール材の種類が少ない上に更に 洩れに対する感受性を高くしてしまう点が問題となる。この点については現時点では実際 の条件への精度が低く、これら条件が明確になった時点で今後更に検討を続けて行く必要 がある。

5.4.2.3 液体水素弁

　大型液体水素弁の設計にとっても極低温で分子径の小さな液体水素の挙動は大きな設計 上の制限となる。即ち極低温であることは熱収縮落差が大きいと共に脆性のため使用でき る材料の選択の幅が大幅に少なくなってしまうことを意味している。特にバルブの場合、 その開閉に従い温度変化が生ずるのと僅かな形状の歪みが漏れという重大不具合に直結す る点からこれら問題に対する対応には注意が必要となる。この為、本年度は昨年度に引き 続き、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。現時点では各液体水 素弁についての設計仕様が必ずしも明確にはなっていないが水素弁として使用の可能性が 考えられる形式について要素技術の洗い出しと、その要素技術に対する下記のような開発 上のキーテクノロジーを選び出し検討を加えた。

(1) 低温材料
(2) バルブ流量特性
(3) 弁駆動機構
(4) シール機構及び材料

バルブの形式としてはシャットオフバルブにバタフライ形式、流量調整弁にボールバル ブ形式が検討されているがこの形式の違いにより各技術項目のクリティカルさが異なり、 言い換えると各要素技術の困難さがバルブ形式の決定に影響を及ぼすと言える。
特に今回は各キーテクノロジーの中で早い時期にこの特性を調べて設計仕様の条件とす べき技術に対し基礎試験の検討を行い、来年度以降の検討の中で更に検討を行っていくこ とを提案した。

5.4.2.4 計装設備

　WE-NET計画では大規模に液体水素を使用することから、この水素を安全に効率よく使用 するためには計測技術は極めて重要な位置を占める。この中でも下記の３つの計測技術の 必要性は高く、これまで色々な方法が試みられてきたが、極めて限られた応用条件の下で は使用できるものの、一般的に確立された技術と言うにはほど遠いレベルに留まっている ことを認めざるを得ない。

(1) タンク液位計
(2) 流量計
(3) 洩れ検出方法の検討

　そこでここでは昨年に引き続いてこれら技術の調査検討を行った。この結果、タンク液 位や流量計測について将来性のある技術方法の可能性が見つかり、現在明らかにされてい る技術範囲内で検討を行った結果、極めて有望であることが分かった。今後この方法につ いて具体的に技術を蓄積している必要があるが、本年度はこれら技術確立のため今後行わ なくては成らない要素試験についての検討を行い、提案を行った。来年度以降は更に精度 を上げた検討を早期に行い実際の試験でこれらデーターを確認している必要がある。
　また、漏れ検出についてはその量、状態量、危険度により大きく方法が異なることから 、今後使用を想定される箇所を絞り込むことによってより、検討に具体性を持たせること にしたい。漏れの検出とは安全確保の中で極めて重要であるばかりでなく全体の設計仕様 上のバランスへの配慮も必要であることから幅広い検討が必要と言える。

5.4.3 今後の進め方及び課題

　検討を行った４つのテーマについては、平成５年度から平成７年度までの３年間にわた る調査・検討によって、いずれの要素についても今後試験による定量的な確認を必要とす るが、現在の技術を発展させることによって十分開発は可能であることが明らかになった 。
　しかし、いずれの要素も水素輸送・貯蔵技術システムの定量的評価には必須のものであ り、またその性能や特性などの設計値がシステム全体の性能や特性に決定的な影響を及ぼ す。
　したがって、今後予想されるパイロットプラント構想も考え合わせれば、早急に要素の 開発に着手し、具体的に性能、諸特性や技術的限界を明らかにしていく必要がある。