水素吸蔵合金アクチュエータを用いた海水交換システムの運転特性

水素吸蔵合金アクチュエータを用いた海水交換システムの運転特性
Operation Performance of Seawater Exchange System Using Metal Hydride Actuator
先川
光弘，森
小松
昌也，窪内
和誉（北大），正
篤（北海道開発土木研究所），○遠藤
松村
強（日本データーサービス），
一弘（道立工業技術研究センター），正
吉田
静男（北大）
Mitsuhiro SAKIKAWA， Civil Eng. Res. Inst. of Hokkaido，Hiragishi 1-3-1-34, Toyohira-ku, Sapporo, 062-8602
Masaya MORI，
Civil Eng. Res. Inst. of Hokkaido，
Atsushi KUBOUCHI，
Civil Eng. Res. Inst. of Hokkaido，
Tsutomu ENDO，
Nippon Data Service Co Ltd. ，N16E19, Higashi-ku, Sapporo, 065-0016,
Kazushige KOMATSU， Hokkaido Univ. ，N13W8 Kita-ku, Sapporo, 060-8628,
Kazuhiro MATSUMURA，Hokkaido Ind. Tech. Center，379, kikyou-cho, Hakodate, 041-0801,
Shizuo YOSHIDA，
Hokkaido Univ. ，
Seawater exchange is being considered as a measure against deterioration of water quality and freezing, which are becoming
problems in harbors and fishing ports. We have been developing a seawater exchange system with low running cost using
metal hydride (MH) actuator for a practical use, which is powered using the temperature difference between sources in nature.
In this study, a seawater-pumping device was produced experimentally using a MH actuator and a laboratory test for its
practical application was conducted in a tank. The device consists of a MH container charged with LmNi-type metal hydride, a
gas cylinder connected to the container, and a seawater transport pump driven by a chain attached to the cylinder. We
acknowledge the performance and characteristics and examine its practical application.
Keywords： Seawater Exchange , Thermal Energy , Metal Hydride Actuator
１．はじめに
３．
海水交換システムとして、実用化に向けた水素吸蔵合金
実験の結果
３．１
汲み上げ流量特性
（以下ＭＨという）アクチュエータを用いた汲み上げ型の
ＭＨアクチュエータの圧力差と装置の排水流量の関係に
海水交換装置を試作し、室内試験により装置の基本性能・
ついての試験結果を述べる。実験は、揚程 h0 を５cm、
10cm、
特性を明らかにした。
15cm、20cm と段階的に変え、ＭＨ容器の低温側には 10℃の
冷水を、高温側に 80℃の温水を通過させ、低圧側圧力を
２．実験の内容
0.09MPa に固定して高圧側圧力のみを変化させて所定の圧
本研究では、試作した海水交換装置（図−１）を用い、
室内試験により装置の性能・特性を明らかにするとともに、
その実用化の可能性について検討を行った。
駆動力伝達系統
力差ΔＰを得た時点でバルブを手動により解放し、連続的
に測定を行った。
各揚程のときのピストン
図−２∼３にΔＰが 0.8MPa で、
位置、高圧側圧力の変動を示す。
1
ピストン位置 h(cm)
0.9
0
水位
700
海水交換ポンプ
2400
-20
520
-40
500
1600
図−１
y
d1
h
-60
実験水槽
0
2
4
6
経過時間 t (s)
8
0.6
P
0.5
10
実験装置の作動状況(h0=5cm)
図−２
実験装置断面図
h0 0.8
h'
0.7
高圧側圧力 P(MPa)
ΔP=0.8MPa h0=5.0cm
20
１MPa 以下となる合金として希土類系合金に属する LmNi
（ランタンリッチミッシュメタル・ニッケル）系合金を選
定した。この合金は高温側 80℃で 0.9MPa、低温側 15℃で
0.1MPa の平衡水素圧を得るものである。なお、合金量は容
器１個当たり 1.75kg(218mℓ)を使用した。この時の水素貯
蔵量はおおよそ 250ℓである。
試作装置の性能試験では、装置運転中のＭＨ容器水素圧、
ピストン位置 h (cm)
設定し、高圧ガス保安法上、高圧ガスと規定されない最大
20
ΔP=0.8MPa h0=20.0cm 0.9
0
0.8
水位
-20
0.7
-40
0.6
h
-60
0
図−３
2
4
6
経過時間 t (s)
P
8
高圧側圧力 P(MPa)
1
この実験に使用したＭＨは、使用温度領域を 15∼80℃と
0.5
10
実験装置の作動状況(h0=20cm)
ＭＨ容器の温度（温水供給恒温槽内水温）、海水輸送ポンプ
のピストン位置、汲み上げ水位等を連続的に計測した。
バルブを開くと水素が開放されるためにアクチュエータ
が駆動し、その運動が駆動力系統を経てピストンに伝達さ
値は良く一致している。また、他の h' に対しても同様の結
れる。このため、ピストンが短時間に一気に上昇すると同
果を得られた。
時に、水素圧は急速に低下する。これは、本装置が水素圧
貯蔵のためのタンクなどを備えていないため、水素圧伝達
系の貯蔵容積がアクチュエータ容積に比較して小さいこと
による。このため、図−２のように揚程が小さい場合には、
ピストンが装置下端から上端まで一気に上昇するが、揚程
揚程 h0 のない条件におけるポンプ内のピストンの運動
は式（２）のように表すことができる。

d2
d12  d 2 y
L  2 =Δpπ 2 − f − F （２）
2 M + m + ρπ
4  dt
4

が大きくなると図−３のように一度で上昇することができ
ここで、L は海水交換装置ポンプの有効長さである。図
−６は、h' =106cm で揚程のない条件におけるポンプ内ピス
なくなる。ピストンが停止と上昇を何度か繰り返しながら
トンの位置の時間変動を示しており、実測値と式（２）に
上端に達しているのは、開放状態のＭＨ容器内で逐次行わ
よる計算値はほぼ一致していることがわかる。
れている水素供給によるものである。このため、揚程が大
0.8
きい場合に効率よくピストンを上昇させて海水を汲み上げ
0.7
るには、水素圧を蓄える機構としてリザーブタンクなどを
0.6
実測値 MH 容器
計算値
y (m)
ここで、ＭＨ容器から切り替えバルブの間に水素圧を十
d2
Δp=0.8Mpa
揚程あり
0.5
設けて装置全体の急激な圧力減少を抑える必要がある。
0.4
MH アクチュエータ
d1=52cm
d2= 4cm
0.3
分に蓄えられるリザーブタンクがあり、ピストンが最下面
0.2
から最上面まで一気に上昇できたとすると、このときの汲
0.1
み上げ流量がこの海水輸送ポンプの能力ということができ
0
d
0.25
0.5
1
1.25
1.5
ピストン位置の時間変動（h0=5.0cm）
図−５
0.8
量Ｑは圧力差ΔＰを一定に与え続けることが可能な場合の
0.7
値で、前述の実験で得られたピストンの最大上昇速度から
0.6
0.5
y (m)
計算したものである。揚程を変化させても最大流量Ｑは圧
力差にほぼ比例していることがわかる。
0.12
Q(m3/sec)
0.75
経過時間 t (s)
を与えた場合の時間当たり流量Ｑを示している。ここで流
0.09
h
h'
y
る。ここでは、前述した実験結果を基に本装置での能力の
検討を行ってみる。図−４は、ある揚程 h0 で各圧力差ΔＰ
MH 容器
上限
実測値
計算値
Δp=0.8MPa
揚程なし
0.4
0.3
h'
L y
0.2
h0=5.0cm
h0=10.0cm
h0=15.0cm
h0=20.0cm
0.1
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
経過時間 t (s)
0.06
図−６
h0
0.03
ピストン位置の時間変動（揚程なし：水没時）
図−５と図−６を比較すると、揚程がない場合は、揚程
があるときよりもピストンの移動量は大きく、海水の輸送
0
0.2
0.4
0.6
0.8
量を著しく増すことが可能であることがわかる。
Δp (MPa)
図−４
圧力差と汲み上げ流量の関係
４．まとめ
３．２
これまでの主要な結論をまとめると以下のようになる。
ポンプ内ピストンの運動
ポンプ内におけるピストンの運動は、ピストンとポンプ
①装置の排出流量は、揚程を変化させても圧力差にほぼ比
内壁間の隙間が無視できるものとすれば式（１）のような
例して増すことが分かった。
運動方程式で表すことができる。
②揚程の有無によるポンプ内輸送水の運動方程式を提案し、

 d 2 y
d12
d2
d2
( h '+ y )  2 = −ρπ 1 gy + Δpπ 2 − f − F
2 M + m + ρπ
4
4
4

 dt
実測値とほぼ一致することを確認した。
（１）
ここで、M：ピストンの質量、m：チェーンの質量、d1：
③海水の輸送に際しては可能な限り揚程を生じない状態で
作動させる装置の機構を考えるべきである。
ピストンの直径（あるいは交換ポンプシリンダチューブの
内径）、d2：アクチュエータの内径、ρ：水の単位体積質量、
y：ポンプ内のピストンの位置座標、 h' ：ピストンから水
参考文献
１）先川光弘・森昌也・窪内篤・遠藤強・小松和誉・松村
面までの距離の初期値、f：システムの機械的な摩擦力、F：
ピストン上下の圧力差による抗力（= ky ' ： y ' =dy/dt）を示
一弘・吉田静男；水素吸蔵合金アクチュエータを用いた海
している。なお、本装置の摩擦力 f については予備実験に
講演会予稿集(2003)，
より 65N とし、k については実験結果により得られた y の
２）先川光弘・森昌也・梅沢信敏・松村一弘・岡田昌樹・
最大値に合うよう設定して 850kg/s を用いた。
図−５は、 h' =46cm、h0=25cm の条件におけるピストン位
遠藤強・吉田静男：温度差エネルギーと水素吸蔵合金を利
置の時間変動を示している。実測値と式（１）による計算
水交換システムへの応用，ロボティクス・メカトロニクス
用した海水交換装置の開発,海岸工学論文集，第 49 巻
(2002) ,pp1406-1410

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