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ウォーターロックをFRPで自作する

【ヨットのウォータロック(Water Lock)をFRPで自作する】
                      ・ ヨットのエンジン冷却排水と排気設計のポイントは こちら
---【ヨットの設備関係の目次】---
      ・ステンレス製のウォーターロックが錆びる原因は  こちら
      ・FRPパイプの自作(曲げパイプ自作)は  こちら

先のブログに「ステンレスのウォータロックは錆びる,FRPで自作しては」と書きました。今回は,ウォーターロックの仕組みと自作編です。

【ウォーターロックの構造と働き】
ウォーターロック(WaterLock)の内部は次の図のようになっています。
エンジン運転中,ミキシングエルボから排水を含む排気がウォーターロックへ送り込まれます。送り込まれた排水は排気の力でウォーターロックから排気口へ送り出されます。エンジンが停止し,排気圧力がなくなると,排気途中にあった排水が排気ホース側からもどります。もどってきた排水がエンジン側へ流入するのを防ぐのがウォータロックの役目です。

エンジンからの排気入口は底面から最も高い位置に設けます。理由は,ウォーターロック内の排水がエンジン側へもどりにくくするためです。排出側のパイプは底辺に近いレベルまで下げます。これにより,底面近くに残留した排水も排気圧力で排気口へ押し出されます。
エンジン運転中,ウォーターロック内にとどまる排水を少なくしないと,エンジン停止時と同時に排気ホース内の未排出水がウォータロック側へ戻るため,それらの戻り排水を,余裕を持って溜めることができません。
底面近くの排水を押し出すために排出側のパイプを図のように底面に近いレベルまで下げることが大切です。
ウォーターロックの入口側の高さは排気ホース側から未排出水が戻ってきても,エンジン側へ排水が戻らぬよう十分余裕のある高さが必要です
ミキシングエルボとの高低差は → こちら)。

また,未排出分の排水がウォータロック側へ戻ってもロック内の水位が高くならぬような大きさ(容量)が必要です。(船尾の排出口までのホースが長いのにウォーターロック容量が小さいのはエンジントラブルのもととなります)
(図はクリックで拡大します)

     WL構造1
下図は排気口の方向を水平方向にした例です。
排気口の出口側を水平方向にしてもかまいませんが,入口側を低くしてはいけません。上図に比べると排気入口側が少し低くなった分だけ逆流の安心度が下がります。下図右は排気入口側を水平方向にして,かつ逆流防止のために内部の高さを高くした例です。(図をクリックすると拡大します)
WL構造2WL構造3
【ウォーターロックの内部温度について】
ウォーターロックはエンジン排気熱が加わるため内部温度が非常に高くなるのではと考えますが,その温度は「ミキシングエルボで冷却排水が混合された後では42度C」とヤマハ設計室から発表されています。詳しくは「ヤマハ設計室だより:艫(とも)排気システム」の「艫排気用配管材料の選定」をごらんください。
     ヤマハ設計室だより:艫(とも)排気システムは  → こちら

【ウォーターロックをFRPで自作する例です】
上記のようにキシングエルボで冷却排水が混合された後の内部温度は急速に下がるのでウォーターロックの材質としてFRPを選定しても問題はありません。以下はFRPによる自作例です。
安価な木板で下図のような形をつくります。
板のサイズは容積をいくらにするかで増減します。
容積は,ウォータロックから排気口までに残留する排水がもどってきても十分に余裕のある容量が必要です。(図をクリックすると拡大します)
   WL木枠作成1
下図のように板を組合わせて釘で止めます(後で取り外すので簡易なとめ方をします)。
底板も作って軽く釘止めします。箱の底辺を短くした形にするのは,最終段階で板を取り外しやすくするためです。
したがって,底辺の長さを短くする分は少しでもOKです。
板で作った箱をひっくり返して,接合部分を丸く削ります(FRPで積層した時に角が滑らかに仕上がります)。(図をクリックすると拡大します)
板で箱を作る角に丸みをもたせる
箱の表面にクレラップまたはサランラップを張るます。
シワが少なくなるように張ると仕上がりがきれいです。
ラップは二重以上の厚さに張ります。
張った上に,本来は,剥離材を塗りますが,ラップが剥離材の役割をするので剥離材無しでもOKです。
FRP用ガラスマットまたはクロスを全面に張ってFRP用樹脂で積層します。
この時の積層は次の工程で穴を開けるのでほどほどの厚さにとどめます。(図をクリックすると拡大します)
     FRPで積層する
硬化したら,木板を全てはがします。ラップも剥がします。
下図のように,横板に穴を開けて,排気入口パイプと排気出口パイプを取付けます。
穴とパイプの隙間に樹脂を沁みこませたガラスマットを詰め込み内側から しっかりとふさぎます。
天板をFRPで作り,はめ込みます。はめ込んだ隙間に樹脂を沁みこませたガラスマットを詰め込みしっかりととめます。
仕上げに,全体をFRPで積層し,ペコペコしないように強化します。(図をクリックすると拡大します)
     排気入口と出口をつける
できるならば,排気入口のパイプは最初の図のように天板側から入れたほうが安心です。
船体への取付け板は,船体に合わせて取付けると良いでしょう。

【番外編:プラスチックのゴミ箱でWaterLock】
下図はプラスチックの円筒型ゴミ箱の内側をFRPで積層して作る方法です。
小型エンジンで,かつ,船尾の排気口までの排気ホースが短い場合は,下図のサイズより小さくしても良いですが,直径を小さくすると,入側と出側の高低差が小さくなるので逆流する可能性が高くなります。当たり前ですが,設置にあたって,排水入口パイプが必ず上となるようにします。
プラスチックのゴミ箱の外側にFRPを巻いて作るのは要注意です。排気熱でプラスチックが溶け,排気出口を塞いだり,詰まらせるおそれがあるからです。
(図をクリックすると拡大します)
     ゴミ箱でWLを作る
先のブログに書きましたが,ウォータロックはミキシングエルボのインジェクション点から25cm以上の高低差を設け,できるだけミキシングエルボから近い位置へ設置することが肝要です。

注意:ウォーターロックを適正に設置したので万全…ではありません。荒海を航海をするヨットでは後方からたたきつける波が排気ホースへ侵入しないように「グースネック」などを使用して船尾で排気経路をしっかりと高くする排気経路の設計が重要です。
これらはこちら「ヨットのエンジン冷却排水と排気設計のポイント」をご覧ください。

【参考:メーカ製 WaterLock】
自作がめんどうな方は,Vetus社が製造しているWaterLockを使用するのも良いでしょう。
次のURLでVetus社の排気系のページが見られます。
http://www.vetus-shop.com/vetus-exhaust-systems-c-21_72.html
次はその中から1例です。(図をクリックすると拡大します)
      Vetusウォーターロック写真Vetus WaterLock


ヨットのエンジン冷却排水と排気設計のポイントは → こちら
ステンレス製のウォーターロックが錆びる原因は → こちら
FRPパイプの自作(曲げパイプ自作)は → こちら

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  1. 2011/09/06(火) 17:48:32|
  2.   ヨットのウォーターロック
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FRPパイプ(曲げパイプ)の自作

【FRPパイプ,FRP曲げパイプの自作】

ヨットの排気管を船尾で高くする時や,ウォーターロックを自作する時に使用できるFRPパイプの自作方法です。
ストレートのFRPパイプならメーカーから既製品を購入する方法もありますが,短い長さで済む時は自作が安価です。

下図は,50~60cmのFRPパイプ(ストレート)を作成する手順です。
紙で型紙を作り,最終的に紙を水で溶かせて型紙を抜く方法です。
最近,水に浸すと粉々に溶ける紙が販売されていますので,型紙の表面に「溶ける紙」を巻いて使用すれば型紙が早くはずれるでしょう。今回は図にあるように新聞紙を型紙に幾重にも巻いて代用します(水に溶けるのに少し時間がかかります)。FRPで積層する場合は剥離材を使用するのが基本ですが,お金を節約するためにラップを巻いて剥離材の代用としてみます。
パイプの内径は排気管のラバーホースの内径より若干大きくします。FRPの積層は次の加工を考え薄めにします。(図をクリックすると拡大します)
FRPストレートパイプの自作
次はFRPで曲げパイプを自作する手順です。
先ず,上図で作成したストレートFRPパイプを用いてU字曲げパイプを作成する方法です。
下図のように,パイプを切り小片を作ります。
輪切りにした小片のバリを落とし,図のように組合わせて樹脂で仮接着します。
接着材が,内部へあふれた場合は削り取ります。
最終的な形が決まったら,帯状に切ったガラスのクロスまたはマットを巻きつけてFRP樹脂で積層します。
一般的なFRP加工に使用する不飽和ポリエステル樹脂を使用した場合,130-150度Cまで熱に耐えます。
エポキシ樹脂を使用すると耐熱は150~200度Cと高くなります。
排気ホースの中の温度は,排水がインジェクションされていれば100度C以下なので普通の不飽和ポリエステル樹脂でも十分と思います。(図をクリックすると拡大します)
FRP小片で曲げパイプ自作

次は,紙で曲げパイプの型紙を作り,FRPのU字パイプを作る方法です。
紙の型の曲がり部をマスキングテープなどを重ね巻きして滑らかな曲がりを作ることができます。
最後に,型となる紙を水で溶かして抜取りしますので,水に溶けやすい紙で型を作る必要があります。(図をクリックすると拡大します)
FRPでU字の型パイプ自作

FRPパイプを使用せず,塩ビのパイプやエルボを組合わせて作ることもできますが,塩ビは耐熱が低く,
温度が上がると変形する場合があるので排気系統に使用するのはさけたほうが良いでしょう。

ステンレス製のウォーターロックが錆びる原因はこちら
ウォーターロックを自作するはこちら

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  1. 2011/09/06(火) 12:25:36|
  2.   ヨットのウォーターロック
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ステンレスなのに錆びる

【ステンレス製のウォーターロックなのに,なぜ錆びるのか?】

---【ヨットの設備関係の目次】---
ヨットのエンジン排気と排水設計の留意点
ウォーターロックを自作する
FRPパイプの自作(曲げパイプ自作)
ヨット オケラⅢ世のエンジン排気と排水(昔話)

ステンレス製のウォーターロックが錆び,排水が漏れることがあります。
錆びないはずのステンレスなのになぜ錆びたのでしょうか?
それには,まず,ステンレスの錆びない仕組みを知ることが大切です。
【まえおき】
鉄は,自然界では安定状態の酸化物(鉄鉱石)として存在します。
酸化した状態(錆びた状態)で安定した物質となっているのです。
人間が,鉄鉱石を溶かしコークスで酸素を切離すことで鉄となります。
鉄は,水や空気中の酸素と反応して再び安定した状態にもどろうとします。
この戻ろうとする反応が錆び=腐食の現象です。

ステンレスは鉄が酸素と反応して再び酸化しないように研究開発された合金です。
19世紀に研究が始まり20世紀に実用化されました。

ステンレス(StainLess Steel)とは,鉄にクロムやニッケルを含有させた合金です。
ステンレスは水や酸素など作用で表面に薄いクロムの保護皮膜が形成されていて錆びにくい状態(不動態)となっていると言われています。
この保護皮膜は,表面に傷がついても,すぐに修復されます。
十分な保護皮膜ができるにはクロムの含有量が12%以上必要です。

ステンレスが気体や液体の中で錆びない状態を保つためには,保護皮膜を形成するための作用に必要な酸素が一定量存在する必要があります。
即ち,海水など塩素イオンの存在する場所において酸素が不足すると保護皮膜が減少し,腐食(錆び)がはじまります。
ヨットで,ステンレスの長いボルトを抜いてみたらボルトの頭とナットはなんともないのに,ボルトの中間部がボロボロになっていることがあります。
ボルト中間部に海水成分(塩素イオン)が存在し,かつ,酸欠状態となっていたため保護皮膜が減少して腐食したと言うことでしょう。
ヨットのステンレスのパルピットが塩水をかぶっても錆びないのは,海水(塩素イオン)が存在しても,たえず新しい酸素が表面へ供給されるため保護皮膜の減少が少ないためと考えられます。
海水中でも流れている場合は錆びにくい状態となりますが,これは水の酸素が作用して保護皮膜を減少させないためと考えます。

【本題】
ステンレス製のウォーターロックが錆びる原因は,ステンレスの溶接に問題がある場合が多いと考えられます。
ステンレスには,クロムの量を多くして,ひどい環境の中でも錆びにくくしたもの,高温状態で使用できるもの,硬度を高くしたものなど,大きく分けて70種類ほどあります(細かく分類すると約200種類以上)。
最も広く使われている18-8ステンレス(SUS304)はクロム18%,ニッケル8%です。

ステンレスを溶接する時,溶接部の温度を1400度へあげて金属を溶かして接続します。
常温から1400度まで上昇する途中で溶接部の温度が450度から850度の範囲を通過します。また,溶接後,再びこの温度幅を通過して常温へ戻ります。
この温度幅を通過する時に,ステンレス合金を形成しているクロムが合金状態からはずれ,炭素と結合して炭化クロム化します。即ち,この温度幅の時間が長く続くと,ステンレス合金を形成していたクロムが炭化クロム化で変化し,ステンレスとしての性能が低下します。
その炭化クロム化した部分の耐食性が低下し,粒界腐食が起きやすくなります。ステンレス製のウォーターロックが錆びるのはステンレスの溶接時に局部的な耐食性の低下状態を作ってしまったためです。

では,どうするべきかですが,
(1)ウォータロックを作る時,素材として5mm以上の厚みのあるのステンレスを使用する。
(2)溶接芯線としてクロムが補充できるものを使用する。
(3)溶接方法として,飛び石手法などで450~850度Cとなる時間を短くする。
---例えば,溶接部の近くへ導電率の良い銅板など添えて熱を早く取り除くなど。
(4)SUS304よりクロムの多いステンレスを使用する。
(5)ステンレスの特性を熟知している職人に溶接してもらう。
などが考えられます。

ステンレスには,オーステナイト系,フェライト系,マルティンサイト系があり,腐食には粒界腐食,孔食,すきま腐食などが・・・と説明してくれる職人はステンレスを熟知している人でしょう。

でも,こんなことまでしてステンレス製のウォータロックを造らずとも・・・と思います。
耐熱,耐圧のある樹脂で造るのが簡単で長持ちすると思います。
自作するならば,FRPで造るのが簡単ではと思います。
不飽和ポリエステル樹脂を使用した一般的なFRPの耐熱は130~150度Cです。
エポキシ樹脂を使用すると耐熱は150~200度Cと高くなります。
(電子回路用のプリント基板は熱に強いエポキシ樹脂が使用されます)

参考:ウォーターロック内の温度について,エンジン排気熱が加わるため高温になるのではと考えますが,ヤマハ設計室から「ミキシングエルボで冷却排水が混合された後では42度C」と発表されています。詳しくは「ヤマハ設計室だより:艫(とも)排気システム」の「艫排気用配管材料の選定」をごらんください。
     ヤマハ設計室だより:艫(とも)排気システムはこちら

蛇足
日曜大工店などで鉄管にステンレスを巻いたパイプを見かけますが,この種の巻パイプは水や海水,潮風のあたる場所で使用してはいけません。ステンレスと鉄の接触面において「異種金属腐食=電気分解」が生じ,鉄の部分が急速に腐食します。テレビアンテナの支柱などへの使用すると,短い時間で内側の鉄管部分が腐食して倒れる場合があります。

・ウォーターロックを自作する はこちら
・FRPパイプの自作(曲げパイプ自作)はこちら
・ヨットのエンジン排気と排水設計の留意点 こちら


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  1. 2011/09/01(木) 11:45:52|
  2.   ヨットのウォーターロック
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