JP2004138247A

JP2004138247A - 極低温用タンクの防熱層構造

Info

Publication number: JP2004138247A
Application number: JP2003379970A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Oyama; 大山　正俊; Yasusuki Nakamura; 中村　容透; Keiji Miyashita; 宮下　圭二
Original assignee: Kawasaki Shipbuilding Corp
Current assignee: Kawasaki Shipbuilding Corp
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2004-05-13

Abstract

　【課題】　ＬＮＧなどの極低温物質をタンク内に注入した際に常温から極低温に温度低下することにより生じる支持具の熱荷重を低減あるいはゼロにし、支持具の本数を減らして施工コストを下げ、支持具を経由して逃げる伝熱量を削減し、防熱性能を向上することができ、タンクの小型化にも対応し得る極低温用タンクの防熱層構造を提供する。
　【解決手段】　補強材３の網目を構成する線材(単線)の断面積と該網目密度（線材のピッチ）とで特定される補強材の等価板厚をｔ_eq、補強材３の縦弾性係数をＥ_c、補強材３の熱伝導率をλとしたときに、補強材３の面内圧縮剛性（Ｅ_c×ｔ_eq）および補強材３の熱伝導性（λ×ｔ_eq）がそれぞれ網目密度５ｍｍで０．９ｍｍ径の金網よりも小さくなるように、補強材の材質と補強材の等価板厚(ｔ_eq)とを決定している。
【選択図】　　　　図３

Description

　本発明は、液化石油ガス（ＬＰＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化水素（ＬＨ₂）、液化窒素（ＬＮ₂）、液化酸素（ＬＯ₂）、液化ヘリウム（ＬＨ_e）などの極低温物質を貯蔵するための極低温用タンクにおいて、極低温用タンクの表面を被覆し、硬質ウレタン、フェノール樹脂などの合成樹脂発泡体からなり、その中間に網状の補強材を介装した極低温用タンクの防熱層構造に関するものである。本発明の対象とする極低温用タンクは球形や円筒形など曲率を有するもので、地上に設置されるものだけでなく、たとえば、船舶に搭載されるものも含む。

　この種の極低温用タンクでは、外気からのタンク内への熱の侵入を防止するため、その表面を防熱層で被覆する必要がある。この防熱層には、従来、特公昭５４−１９４８号公報および実公昭５９−７６７６号公報に記載のものがある。いずれも、硬質ポリウレタンやフェノール樹脂などの合成樹脂発泡体からなる内側防熱層部と外側防熱層部の間に網状の補強材を介装し、前記合成樹脂の発泡時の自己接着作用もしくは接着剤で接着して一体にした構造からなる。補強材は、主に外側防熱層部の低温割れを防止するために介装されている。またタンクはステンレスやアルミニウム合金で形成され、タンクの外周面上を被覆する防熱層は、タンクの周面に植設された多数の支持具（スタッドボルト等）によって支持され、とくにタンクの下半分で防熱層が落下するのを阻止している。それらの支持具は、通常、タンクと同質の材料であるステンレスやアルミニウム合金で形成されている。たとえばＬＮＧ船に搭載される大型の球形タンク（直径４０ｍ前後）の場合、内側防熱層部と外側防熱層部の厚みはそれぞれ１００ｍｍ前後（この値は一例で要求防熱性能によって設計的に変更される得る）で、その境界層位置に介装される補強材には、線径０．９ｍｍ、網目密度（ピッチ）５ｍｍの平織の金網が使用されている。

　しかしながら、上記した公報に記載の従来の防熱層には、次のような点で改良の余地がある。すなわち、
　(1)　上記したＬＮＧ船用の球形タンクの場合、タンクの材質がアルミニウム合金の場合には、タンクの線膨張係数が略（２０×１０^-6）でＬＮＧの温度が−１６２℃で、外気温度を３８℃とすると、タンクと外気との温度差が２００℃になる。一方、補強材としての金網の線膨張係数が略（１０×１０^-6）で、金網の温度が略−６２℃（（−１６２℃＋３８℃）×１／２）であるから、外気との温度差が略１００℃になる。したがってタンク内にＬＮＧを貯蔵した状態では、タンクの熱収縮が金網の熱収縮よりもはるかに大きく(４倍前後)なるため、防熱層を連結する多数の支持具にタンク側へ防熱層を引き寄せようとする力が作用する。この引き寄せ力は、防熱層の自重の約２０倍以上に達することがある。

　(2)　ＬＮＧなどの極低温物質をタンクに注入した際に各支持具に作用する負荷（熱荷重）を低減するためには、支持具の本数を増やす必要があるが、支持具の増設は施工コストの増加をまねくのに加えて、支持具を経由して補強材へ逃げるタンクからの冷熱量（伝熱量）が増加することにより、防熱性能が低下する。

　(3)　たとえば球形タンクの場合に、その直径をたとえば４０ｍから２０ｍ前後に小型化（直径を半分に）しようとすると、曲率（１／Ｒ）が倍になるため、各支持具に作用する熱荷重も倍近くになる。したがって、支持具の本数を倍に増やしたり、支持具の強度を
上げたりする必要がある。

　この発明は上述の点に鑑みなされたもので、ＬＰＧやＬＮＧなどの極低温物質をタンク内に注入した際に常温から極低温に温度低下することにより生じる支持具の熱荷重を低減あるいはゼロにし、支持具の本数を減らして材料コスト並びに施工コストを下げ、支持具を経由して逃げる伝熱量を削減し、防熱性能を向上することができ、タンクの小型化にも十分に対応し得る極低温用タンクの防熱層構造を提供することを目的としている。

　上記の目的を達成するために本発明の防熱層構造は、A)極低温用タンクの表面を被覆し、硬質ウレタン、フェノール樹脂などの合成樹脂発泡体からなり、その中間に網状の補強材を介装した極低温用タンクの防熱層構造において、B)前記補強材の網目を構成する線材(単線)の断面積と該網目密度（線材のピッチ）とで特定される補強材の等価板厚をｔ_eq、前記補強材の縦弾性係数をＥ_c、前記補強材の熱伝導率をλとしたときに、前記補強材の面内圧縮剛性（Ｅ_c×ｔ_eq）および前記補強材の熱伝導性（λ×ｔ_eq）がそれぞれ網目密度５ｍｍで０．９ｍｍ径の金網よりも小さくなるように、前記補強材の材質と同補強材の等価板厚(ｔ_eq)とを決定することを特徴としている。

　上記した構成を有する本発明の防熱層構造によれば、タンク内に極低温物質を貯蔵した際に支持具に作用する熱荷重が補強材の面内圧縮剛性（Ｅ_c×ｔ_eq）にほぼ比例（図５（ａ）参照）することから、補強材の面内圧縮剛性を従来の防熱層構造よりも小さくしているので、各支持具に作用する熱荷重が減少する。したがって、支持具の本数を減らしたり、支持具の強度を小さくしたりできる。同時に、補強材の熱伝導性（λ×ｔ_eq）も従来の防熱層構造よりも小さくしているので、支持具と補強材を伝わって逃げる冷熱量も小さく（図５(ｂ)参照）なるため、防熱層の防熱性能が向上する。

　請求項２記載のように、前記補強材を、線径０．１〜０．８ｍｍで５〜３０ｍｍピッチの、金網、ステンレス鋼網またはガラス繊維の撚り糸等からなる平織等の網で形成するとよい。

　請求項２記載の防熱層構造では、補強材を、線径０．１〜０．８ｍｍの網にしたことによって、従来の線径０．９ｍｍの補強材に比べて材質に関係なく、等価板厚（ｔ_eq）が減少するから、支持具に作用する熱荷重および伝熱量がそれぞれ減少する。とくに、材質をガラス繊維の網にすれば、金網に比べて縦弾性係数（Ｅ_c）および熱伝導率（λ）がそれぞれ小さくなるから、支持具に作用する熱荷重および伝熱量が一層減少する。

　本発明の極低温用タンクの防熱層構造には、次のような優れた効果がある。

　(1) 補強材の面内圧縮剛性および熱伝導性が共に従来の防熱層構造よりも小さくなるから、極低温物質を貯蔵した際に支持具に作用する熱荷重が低減され、防熱層の防熱性能が向上する。

　(2) 請求項２記載の防熱層構造では、上記した請求項１の発明が有効に達成される。

　(3) 極低温物質をタンクに貯蔵したときに、防熱層内の補強材の熱収縮がタンクの熱収縮よりも大きくなるようにすれば、従来の防熱層構造と違って各支持具に作用する熱荷重が低減される。したがって支持具の本数を減らしたり、支持具を不要にしたりでき、支持具の本数を減らして材料コスト並びに施工コストを削減でき、また支持具を経由して逃げる伝熱量も低減されるから、防熱性能が向上する。また支持具の熱荷重が低減されるから
、タンクの小型化にも十分対応できる。

　なお、極低温用タンクの表面を被覆し、硬質ウレタン、フェノール樹脂などの合成樹脂発泡体からなり、その中間に網状の補強材を介装した極低温用タンクの防熱層構造において、
　前記補強材の網目を構成する線材(単線)の断面積と該網目密度（線材のピッチ）とで特定される補強材の等価板厚をｔ_eq、前記補強材の熱伝導率をλとしたときに、前記補強材の熱伝導性（λ×ｔ_eq）が網目密度５ｍｍで０．９ｍｍ径の金網よりも小さくなるように、前記補強材の材質と同補強材の等価板厚（ｔ_eq）とを決定するとともに、
　前記タンクの線膨張係数（α_TK）と、前記タンク内に貯蔵される極低温物質の温度と外気温度との温度差（△Ｔ_TK）とによって特定される前記タンクの熱収縮率（α_TK×△Ｔ_TK）よりも、前記補強材の線膨張係数（α_N）と前記補強材の温度と外気温度との温度差（△Ｔ_N）とによって特定される前記補強材の熱収縮率（α_N×△Ｔ_N）が大きくなるように、前記補強材の材質と同補強材の前記合成樹脂発泡体内における介装位置とを決定することができ、
　さらに、上記の極低温用タンクの防熱層構造において、前記補強材を、線径０．１〜０．８ｍｍで５〜３０ｍｍピッチのポリエステル（ポリエチレンテレフタレート）繊維の撚り糸等からなる平織等の網で形成し、前記補強材の介装位置（前記合成樹脂発泡体の外表面からの深さ）を前記合成樹脂発泡体の厚みの１／２の位置又はこの位置よりも前記タンクの表面寄りにすることもできる。

　以下、本発明の極低温用タンクの防熱層構造の実施例を図面に基づいて説明する。

　図１は実施例の防熱層構造を備えた極低温用タンクの縦断面図、図２はタンクおよび防熱層の一部を切り欠いて示す部分拡大切断図、図３は図２のタンクおよび防熱層を拡大して示す縦断面図である。

　図１に示すように、タンク１は球形もしくは円筒形の曲率を有し、本例ではアルミニウム合金から形成されている。タンク１の外周面を被覆する防熱層２は、内側（タンク側）防熱層部２ａと外側防熱層部２ｂとの２層積層構造からなり、両層部２ａ・２ｂの間に網状の補強材３を介装し、相互に防熱層を形成する合成樹脂を発泡成形するときの発泡時自己接着作用あるいは接着剤にて接着して一体化した構造からなる。内側防熱層部２ａはガラス繊維、天然繊維、化学繊維などで強化された硬質ウレタン樹脂発泡体、フェノール樹脂発泡体などから選択されるが、本例では天然繊維強化のフェノール樹脂発泡体からなる。また、外側防熱層部２ｂは、硬質ウレタン樹脂発泡体、フェノール樹脂発泡体などから選択されるが、本例では硬質ウレタン樹脂発泡体からなる。さらに、両層２ａ・２ｂの厚さは、いずれも１００ｍｍにしている。

　図２・図３に示すように、タンク１の外周面には、支持具としてのアルミニウム合金製スタッドボルト４が一定の間隔（本例では、２本／ｍ²）をあけて溶接等により植設されており、スタッドボルト４の先端部は補強材３を貫通し、ワッシャー５を挿通したうえナット６で補強材３を保持している。外側防熱層部２ｂのワッシャー５の位置に該当する部分は目地になっており、この目地に外側防熱層部２ｂと同質の合成樹脂発泡体２ｃが充填されている。また外側防熱層部２ｂの外表面には、エンボス成形されたアルミニウム合金板２ｄが装着されている。

　さて、本例の防熱層構造においては、次のような構成を備えている。すなわち、タンク１内にＬＮＧなどの極低温物質を注入（貯蔵）したときに、タンク１の熱収縮よりも補強材３の熱収縮が大きくなるように設定している。タンク１内にたとえばＬＮＧが注入され
ることにより、タンク１および防熱層２が冷却されるが、定常状態となったときの常温（外気温度）との冷却温度差（△Ｔ）は、図４の右側の線図に示すように、防熱層２の厚さ方向における表面からの深さ（ｄ）にほぼ比例する。したがって、防熱層２内において補強材３が介装されている位置の表面からの深さが決まれば、補強材３の冷却温度差（△Ｔ_N）が求められる。図４はタンク１とその防熱層２の部分断面図および冷却温度差（△Ｔ）と防熱層２の厚さ方向における表面からの深さ（ｄ）の関係を示す線図である。

　また、タンク１の冷却温度差（△Ｔ_TK）およびタンク１の線膨張率（α_TK）がわかっているから、補強材の熱収縮率（α_N×△Ｔ_N）＞タンクの熱収縮率（α_TK×△Ｔ_TK）となる、線膨張率（α_N）を有する補強材３の材質を選択すればよい。補強材３を防熱層２の厚み方向の１／２の位置に介装する場合には、
△Ｔ_N＝１／２×△Ｔ_TKで、アルミニウム合金の線膨張率はα_TN＝２０×１０^-6であるから、α_N＞４０×１０^-6となる補強材３の材質を選択すればよい。これに該当するものに、たとえばポリエチレンテレフタレート繊維（線膨張係数：８０×１０^-6）製の網状補強材がある。なお、補強材３を介装する防熱層２内の位置（表面からの深さ）は深くしてタンク１の表面に近づければ近づけるほど、有利になることは言うまでもない。すなわち、補強材３の位置をタンク１の表面に近づけるほど、α_N×△Ｔ_N＞α_TK×△Ｔ_TKを満たすα_Nの必要最小値が小さくなり、それだけ補強材３の材質の選択枝が増え、設計上の自由度（フレキシビリティー）が増すことになる。

　さて、本発明（請求項１）に対応する防熱層構造においては、次のような特徴的構成を備えている。すなわち、補強材３の面内圧縮剛性を、従来の補強材（０．９ｍｍ径の金網）に比べてかなり小さくしている。補強材３の面内圧縮剛性は補強材３の縦弾性係数（Ｅ_c）と補強材３の等価板厚（ｔ_eq）の積になる。ここで等価板厚（ｔ_eq）とは、網状の補強材３を一枚の薄い板に均等に引き伸ばしたと仮定したときの板厚をいう。同時に、補強材３の面内熱伝導性も、従来の補強材（０．９ｍｍ径の金網）に比べてかなり小さくしている。補強材３の面内熱伝導性は、補強材３の熱伝導率（λ）と補強材３の等価板厚（ｔ_eq）の積になる。

　本実施例では、補強材３の網の線径を０．６ｍｍに細くした３つの場合を示している。いずれも網目（メッシュ）密度（ピッチ）は５ｍｍで従来のものと共通している。そして、材質は金網（鉄）、ステンレス鋼およびガラス繊維（グラスネット）である。結果は、図５に示すように、スタッドボルト４に作用する熱荷重およびタンク１から防熱層２の外表面に逃げる冷熱量のいずれも小さくなった。すなわち、
　図５(ａ)は上記タンク１にＬＮＧを貯蔵したときにスタッドボルト４に作用する熱荷重(Ｆ)と補強材３の面内圧縮剛性（Ｅ_c×ｔ_eq）との関係を示す線図であり、図５(ｂ)は上記タンク１にＬＮＧを貯蔵したときに防熱層２の外表面からタンク１内に侵入する伝熱量（Ｑ）と補強材３の面内熱伝導性（λ×ｔ_eq）との関係を示す線図である。いずれの線図も、補強材が０．９ｍｍ径の平織の金網（線材のピッチ５ｍｍ）の場合を指数１００として現したものである。これらの結果から認められるように、補強材３の網目を構成する線材の径を０．６ｍｍに縮小したことによって等価板厚（ｔ_eq）が小さくなったから、材質に関係なく、図５(ａ)に示すようにスタッドボルト４に作用する熱荷重(Ｆ)が小さくなった。同時に、図５(ｂ)に示すようにタンク１内に侵入する伝熱量（Ｑ）も小さくなった。とくに、金網に比べて縦弾性係数（Ｅ_c）および熱伝導率（λ）のどちらも小さいガラス繊維（グラスネット）を使用することにより、図５(ａ)・図５(ｂ)に示すように熱荷重(Ｆ)および伝熱量（Ｑ）がさらに小さくなった。

　このように補強材３の線径を細くすること、あるいはピッチ（メッシュ密度）を広げることが効果的であるが、外側防熱層部２ｂの低温割れを防止するための補強材３の強度を考慮すると、線径は外側防熱層部２ｂの合成樹脂発泡体の比重、強度、強度のバラツキ度
にもよるが、最小でも０．１ｍｍが限度である。またメッシュ密度は、外側防熱層部２ｂの発泡体の上記に例示した強度特性との関係から、最大で２０〜３０ｍｍが限度である。２０〜３０ｍｍよりもメッシュ密度を広げると、外側防熱層部２ｂの低温割れを確実に防止できないおそれがあるからである。合成樹脂発泡体の強度は、本来大きくなく、しかも発泡条件や施工要領に影響され、発泡の均一性が保たれにくく、その結果として強度特性がバラツクものであるからである。

　とくに、上記のスタッドボルト４に作用する熱荷重(Ｆ)は、タンク１の曲率が大きくなるのに正比例して増加するから、タンク１を小型化するときはその防熱層２の構造において、スタッドボルト４並びに同近傍部構造の安全率確保のためにスタッドボルト４に作用する熱荷重を低減すべきであり、本発明を適用すると効果的である。

　最後に、他の実施例に係る防熱層構造においては、次のような構成を備えている。すなわち、タンク１内に極低温物質を貯蔵したときに、タンク１の熱収縮よりも補強材３の熱収縮が大きくなるように設定したうえ、補強材３の面内熱伝導性も、従来の補強材（０．９ｍｍ径の金網）に比べてかなり小さくしている。本例では、補強材３にポリエステル（ポリエチレンテレフタレート）繊維製の網状補強材を選択し、その線径を０．６ｍｍにした。補強材３の線膨張係数が（８０×１０^-6）であるため、補強材３の熱収縮度がタンク１より大となり、補強材３の熱伝導率が（０．１２ｋｃａｌ／ｍｈ℃）で、等価板厚（ｔ_eq）が小となり、補強材３の上記した２つの要件である、(1)補強材の熱収縮率（α_N×△Ｔ_N）＞タンクの熱収縮率（α_TK×△Ｔ_TK）、(2)補強材３の面内熱伝導性（λ×ｔ_eq）を、従来の補強材（０．９ｍｍ径の金網）に比べてかなり小さくすることを充足するものとなった。

　ところで、上記実施例は単一の材質で補強材３を構成した場合の例であるが、下記のように実施することによって、α_N、Ｅ_c、λ、ｔ_eqの物性値が当該防熱層の補強材として設計・施工性・コスト上において適したものとなる補強材を新たに作り上げ、これを採用することも可能である。すなわち、図６に示すように、
　(a) 材質の異なる二種の材料によってそれぞれ形成した線材３ａ・３ｂを組み合わせて、補強材３を構成する（図６(ａ)）。

　(b) 材質の異なる二種の材料によってそれぞれ形成した線材３ａ・３ｂを組み合わせる際に、メッシュ密度も変更して配列して、補強材３を構成する（図６(ｂ)）。

　(c) 材質の異なる二種の材料によって形成し、かつ材料の違いによって線径を変えた線材３ａ・３ｃを組み合わせて、補強材３を構成する（図６(ｃ)）。

　(d) 材質の異なる二種以上の材料によってそれぞれ糸材３ｅ・３ｆを形成し、それらの糸材を組み合わせて単一の線材３ｄとして、補強材３を構成する（図６(ｄ)）。

本発明の実施例の防熱層構造を備えた極低温用タンクの縦断面図である。タンクおよび防熱層の一部を切り欠いて示す部分拡大切断図である。図２のタンクおよび防熱層を拡大して示す縦断面図である。タンクとその断熱層の部分断面図および冷却温度差（△Ｔ）と防熱層の厚さ方向における表面からの深さ（ｄ）の関係を示す線図である。図５(ａ)はタンクにＬＮＧを貯蔵したときにスタッドボルトに作用する熱荷重(Ｆ)と補強材の面内圧縮剛性（Ｅ_c×ｔ_eq）との関係を示す線図であり、図５(ｂ)はタンクにＬＮＧを貯蔵したときに防熱層の外表面からタンク内に侵入する熱量（Ｑ）と補強材の面内熱伝導性（λ×ｔ_eq）との関係を示す線図である。図６(ａ）〜図６(ｄ)はそれぞれ本発明の異なる実施例を示す、補強材の線材の拡大断面図である。

符号の説明

　１　タンク
　２　防熱層（合成樹脂発泡体）
　３　補強材
　４　スタッドボルト（支持具）

Claims

　極低温用タンクの表面を被覆し、硬質ウレタン、フェノール樹脂などの合成樹脂発泡体からなり、その中間に網状の補強材を介装した極低温用タンクの防熱層構造において、
　前記補強材の網目を構成する線材(単線)の断面積と該網目密度（線材のピッチ）とで特定される補強材の等価板厚をｔ_eq、前記補強材の縦弾性係数をＥ_c、前記補強材の熱伝導率をλとしたときに、
　前記補強材の面内圧縮剛性（Ｅ_c×ｔ_eq）および前記補強材の熱伝導性（λ×ｔ_eq）がそれぞれ網目密度５ｍｍで０．９ｍｍ径の金網よりも小さくなるように、前記補強材の材質と同補強材の等価板厚（ｔ_eq）とを決定したことを特徴とする極低温用タンクの防熱層構造。
　前記補強材を、線径０．１〜０．８ｍｍで５〜３０ｍｍピッチの、金網、ステンレス鋼網またはガラス繊維の撚り糸等からなる平織等の網で形成した請求項１記載の極低温用タンクの防熱層構造。