JP2022133232A - 二重殻液体水素タンク - Google Patents

Abstract

【課題】断熱性能が高く、且つ支持力が大きい底部断熱支持構造を有する二重殻平底円筒形液体水素タンクを提供する。【解決手段】内槽と外槽との間にヘリウムガスを充填している二重殻平底円筒形液体水素タンクの底部断熱支持構造は、箱体４１を外槽の底板上に左右方向および前後方向に複数個並べて配置した下部箱体列４０と、下部箱体列４０の上に置かれた下部支え板と、箱体４１を下部支え板上に左右方向および前後方向に複数個並べて配置した上部箱体列６０と、上部箱体列６０の上に置かれ、内槽を下から支える上部支え板と、下部箱体列および上部箱体列を構成する各箱体４１の中に収容され、内部空間が真空状態とされている真空容器６１とを備える。各箱体４１およびその中に収容されている各真空容器６１は、鉛直方向に延びる中心軸線が一致するようにされている。【選択図】図５

Description

この発明は、液体水素を貯蔵した内槽と、この内槽を取り囲む外槽とを備えた二重殻液体水素タンクに関し、特に内外槽間を大気圧にした状態で、中空の真空体を含む断熱箱を用いて内外槽間を断熱する二重殻液体水素タンクに関するものである。

液化天然ガス（ＬＮＧ）を低温にて大量に貯蔵するＬＮＧタンクが知られている。現在、ＬＮＧは火力発電のエネルギー源となっており、ＬＮＧタンクは大型化が進み、２０万ｍ^３の容積のものも提供されている。

ＬＮＧタンクは、設置場所に応じて地上用、地下用、タンカー用がある。また、その形状から、球形、円筒形、角形タンクがある。さらに、その構造から、二重殻式、メンブレン式タンクがある。大量のＬＮＧを運搬するＬＮＧ船として、例えば、球形タンクを用いたモス型ＬＮＧ船、角型タンクを用いたＳＰＢ式ＬＮＧ船などがある。ＬＮＧタンクの構造は、概ね、ＬＮＧを貯蔵する内槽と、内槽を取り囲む外槽とを備え、内槽と外槽との間の空間に大気圧窒素雰囲気で粒状パーライト層、ポリウレタン層、泡ガラス層などの断熱層を設けている。

本願発明が対象とするものは、ＬＮＧではなく、液体水素である。液体水素は水素ガスを液化したものであり、液体水素タンクは液体水素を貯蔵するものである。水素ガスは燃焼しても炭酸ガスを排出しないので、ＬＮＧに比べてより環境にやさしいクリーンなエネルギーである。このため、近い将来、本格的な水素燃料時代が到来すると思われる。この時には、貯蔵容量が数万ｍ^３以上もの大型液体水素タンクが必要になってくる。

水素ガスの沸点は－２５３℃であり、ＬＮＧの沸点である－１６２℃よりも９１℃低い。液体水素はＬＮＧに比べて蒸発し易く、液体水素貯蔵時における蒸発ロスが大きい。このため、液体水素タンクには、ＬＮＧタンクの断熱性能よりも高い断熱性能が求められる。具体的には、ＬＮＧ船モス型球形タンクの断熱性能は１４Ｗ／ｍ^２程度であるが、液体水素タンクでは２Ｗ／ｍ^２程度が要求される。

例えばＬＮＧタンクの断熱層の厚さが３００ｍｍである場合、液体水素タンクの断熱にＬＮＧタンクと同じ断熱材を使用したとすると、液体水素タンクの液体水素蒸発率（ＢＯＲ）をＬＮＧタンクのＬＮＧ蒸発率と同じにするためには、液体水素タンクの断熱層の厚さを３０００ｍｍにする必要がある。このような極端に厚い断熱層を設けることを回避するために、液体水素タンクには断熱性能が高い真空断熱の利用が必要になってくる。

将来建造される大型液体水素タンクは、従来の大型ＬＮＧタンクの延長線上でその構造を改良し、発展させたものと予想される。因みに、現存する液体水素タンクとして最大容量のものは、国内では神戸空港島に２，５００ｍ^３の液体水素タンク、海外では米国ＮＡＳＡに３，２１８ｍ^３の液体水素タンクがある。両タンクとも内槽吊り下げ方式の構造で、パーライト真空断熱方式の陸上二重殻球形タンクである。現在において、１万ｍ^３を超えるような大型液体水素タンクは存在しない。

特開２０１１－１２７６２４号公報（特許文献１）は、二重殻円筒形ＬＮＧタンクの構造を開示している。図２０は、この公報に開示された二重殻円筒形ＬＮＧタンクの構造を示している。この図を参照して、従来の二重殻円筒形ＬＮＧタンクの底部断熱支持構造を説明する。

ＬＮＧタンクは、ＬＮＧを貯蔵している円筒形の内槽１と、内槽１を取り囲む円筒形の外槽２と、底部断熱支持構造３とを備える。内槽１は、底板１ａと、側板１ｂと、ドーム状の屋根板１ｃとを有し、外槽２は、底板２ａと、側板２ｂと、ドーム状の屋根板２ｃとを有する。外槽２の底板２ａは、基礎５０上に設けられる。

外槽２、内槽１の底板２ａ，１ａは、一般に、側板２ｂ，１ｂを下から支える板厚の大きいアニュラー板部と、アニュラー板部の内径側に位置する板厚の小さい内径側底板部とからなるが、ここでは両者を含めて底板と記す。以下において、両者の区別が必要なときには、アニュラー板部及び内径側底板部と記す。

外槽２と内槽１との間の空間に断熱層が形成される。この断熱層は、外槽２の底板２ａと内槽１の底板１ａとの間に設けられる底部断熱支持構造３と、外槽２の側板２ｂ及び屋根板２ｃと、内槽１の側板１ｂ及び屋根板１ｃとの間に設けられる窒素ガス・粒状パーライト断熱層４とからなる。

底部断熱支持構造３は、外槽２の底板２ａ上に設けられた平盤状のレベルコンクリートからなる底部支持部３ａと、この底部支持部３ａ上であって内槽１の底板１ａのアニュラー板部の下方に設けられたコンクリート製のリング状支持部３ｂと、リング状支持部３ｂの内径側であって底部支持部３ａ上に設けられた積層構造部３ｃとを有する。

底部支持部３ａは、断熱コンクリート、例えば現場打設のパーライトコンクリートからなる。リング状支持部３ｂには、内槽１の自重、ＬＮＧ自重等の荷重がかかる。そのため、リング状支持部３ｂには断熱性及び高い支持強度が要求される。リング状支持部３ｂは、例えばパーライトコンクリートブロック、軽骨コンクリートブロックからなる。

積層構造部３ｃは、多孔質断熱材３ｃ１と不陸調整材（キャッピング材）３ｃ２とを交互に積層し、この積層部の上に強度の高い硬質断熱材３ｃ３を配置したものである。積層構造部３ｃには、ＬＮＧ自重だけがかかる。多孔質断熱材３ｃ１は、例えば泡ガラスブロックである。強度の高い硬質断熱材３ｃ３は、例えば軽量気泡軽骨コンクリートである。

内槽１の底板１ａは、リング状支持部３ｂ及び硬質断熱材３ｃ３上に載っている。言い換えれば、内槽１は、底部断熱支持構造３を介して基礎５０に支持されている。

低温工学Ｖｏｌ．３８， Ｎｏ．５（２００３）１９３頁～２０３頁に掲載された神谷祥二氏執筆の論文「液体水素輸送・貯蔵技術の開発」（非特許文献１）には、固体真空断熱方式の二重殻円筒形液体水素タンクの底部断熱支持構造が記載されている。この論文に記載のタンクでは、内槽と外槽との間の大空間を真空にし（大空間真空断熱方式）、アニュラー板部の下に位置するリング状支持部を、単一のコンクリート製にするのではなく、高密度ポリウレタンフォームブロックと、その上に位置する軽骨コンクリートブロックとの２層構造としている。

リング状支持部には、内槽自重、液体水素自重等がかかるため、高い圧縮強度が求められる。それと同時に、高い断熱性能も求められる。非特許文献１に記載の構造では、断熱性能をある程度犠牲にして圧縮強度を高めた軽骨コンクリートブロックでまず大きな荷重を受け止め、次に高密度ポリウレタンフォームブロックで軽骨コンクリートブロックからの荷重を受け止めるようにしている。軽骨コンクリートの圧縮強度及び熱伝導率は高密度ポリウレタンフォームよりも高い。そのため、圧縮強度は主として軽骨コンクリートが担い、断熱性は主として高密度ポリウレタンフォームが担う。内径側底板部下方の断熱構造は、図２０に示したタンクとほぼ同様に、泡ガラス（フォームグラス）およびポリウレタンフォームからなっている。

特開２００８－１６４０６６号公報（特許文献２）には、低温液化ガス貯蔵タンクの底部断熱支持構造として複数の筒状体を平面的に並設したものを使用している。

国際公開ＷＯ２０１４／１７４８１９号公報（特許文献３）は、船舶に搭載されて液化ガスを貯蔵するタンクの支持構造を開示している。具体的には、真空断熱方式の二重殻横置き円筒形タンクにおいて、熱伝導率が低くて強度の高いガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）からなる筒状体を内槽と外槽との間に複数設けて、内槽が筒状体を介して外槽に支持される構造が提案されている。

特開２０２０－２９８７３号公報（特許文献４）は、液化ガスを貯蔵するタンクの内槽と外槽との間の断熱床構造を開示している。図２１は、この特許文献４の図２を引用掲載したものである。この公報に開示された真空断熱方式の二重殻平底円筒形タンクでは、格子断面形状もしくは円管断面形状の低熱伝導率材料からなる側壁が、外槽の底板と内槽の底板との間に配置されている。

特開平７－１３９６９９号公報（特許文献５）は、超大型の内槽を支持でき且つ保冷性能の高い内槽の支持台を備えた極低温タンクを開示している。図２２は、この特許文献５の図２を引用掲載したものである。この公報に開示された真空断熱方式の二重殻平底円筒形タンクでは、硬質合成樹脂板材を横断面ハニカム状または格子状に組み立てて形成された支持台が、基台と内槽との間に設けられている。

特開平７－２１５３９４号公報（特許文献６）は、液体水素輸送タンカーの断熱保冷構造体を開示している。図２４は、この公報に開示された断熱保冷構造体を示している。断熱保冷構造体１０Ａは、液体水素を内蔵するタンク２Ａの外壁に互いに間隔を隔てて取り付けられた複数の積層された矩形プラスチックフォーム１２Ａと、積層されたプラスチックフォームの間に挟持され、内部が真空の複数の真空断熱ブロック（真空パネル）１１Ａと、隣接するプラスチックフォーム１２Ａの隙間および隣接する真空断熱ブロック１１Ａの隙間に充填された柔軟な断熱材７Ａ，１３Ａと、からなる。矩形プラスチックフォーム１２Ａは、外壁に垂直に外方に延びた複数のスタッドボルト５Ａと、該スタッドボルトに螺合する固定治具６Ａとにより、タンク２Ａの外壁に取り付けられている。

上記のいわゆる真空パネル方式のタンクでは、プラスチックフォーム（ポリウレタンフォーム）と、熱伝導率がプラスチックフォームより一桁小さい真空断熱ブロック（真空パネル）とを組み合わせて積層したものを、液体水素タンクの外壁に溶接されたスタッドボルトとこれに螺合する固定治具（ナット）によって、液体水素タンクの外壁に押さえつけながら締め付け固定している。この断熱方式では、内槽と外槽との間の大空間を真空にする困難さが解消され外槽の外圧座屈の心配もない。また、真空パネルを多く使用するので真空リークに対して大空間真空断熱方式より格段に安全性が高い。

特開平７－２３２６９５号公報（特許文献７）は、液体水素タンカーを開示している。図２５は、この公報に開示された液体水素タンカーを示している。双胴型船体１Ｂの上部にタンク収容容器２Ｂを設け、このタンク収容容器２Ｂの内部に自立角型タンク式の液体水素タンク３Ｂを設置している。具体的には、液体水素タンク３Ｂは、その外面に保冷材５Ｂが取り付けられており、支持材６Ｂ，７Ｂを介してタンク収容容器２Ｂ内に支持されている。タンク収容容器２Ｂと液体水素タンク３Ｂとの間のボイドスペース８Ｂに、および液体水素タンク３Ｂと保冷材５Ｂとの間の隙間に、ヘリウムガスが封入されている。

特開２０１１－１２７６２４号公報 特開２００８－１６４０６６号公報 国際公開ＷＯ２０１４／１７４８１９号公報 特開２０２０－２９８７３号公報 特開平７－１３９６９９号公報 特開平７－２１５３９４号公報 特開平７－２３２６９５号公報

低温工学Ｖｏｌ．３８， Ｎｏ．５（２００３）１９３頁～２０３頁に掲載された神谷祥二氏執筆の論文「液体水素輸送・貯蔵技術の開発」

非特許文献１に記載された固体真空断熱方式の二重殻円筒形液体水素タンクの底部断熱支持構造では、液体水素自重、内槽自重等の大きな荷重がかかるリング状支持部が、高密度ポリウレタンフォームブロックと、断熱性能をある程度犠牲にして圧縮強度を高めた軽骨コンクリートブロックとからなっている。すなわち、軽骨コンクリートブロックで大きな荷重を受け止め、次に軽骨コンクリートブロックを高密度ポリウレタンフォームブロックで受け止める構造になっている。

軽骨コンクリートブロックの熱伝導率は、例えば常温で０．５２（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であり、真空部の熱伝導率（例えば常温で０．００３（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度）の１７３倍にもなる。高密度ポリウレタンフォームの熱伝導率は常温で０．０２３（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であり、真空部の熱伝導率に比べてはるかに大きい。そのため、リング状支持部で固体真空断熱方式を採用しても、液体水素タンクに要求される２Ｗ／ｍ^２程度の断熱性能を実用的な断熱厚さ（例えば１．５ｍ以内）で達成するのは難しい。

高密度ポリウレタンフォームの熱伝導率は軽骨コンクリートブロックの熱伝導率よりもかなり小さいが、その圧縮強度が軽骨コンクリートブロックの圧縮強度（常温で４０ＭＰａ程度）に比べて格段に小さすぎるので、リング状支持部全体を高密度ポリウレタンフォームで構成することはできない。さらに、軽骨コンクリートブロック中に含まれる水分などからのアウトガスがあり、内槽と外槽との間の大空間を高度な真空（例えば、０．０１Ｐａ～０．０００１Ｐａ）に保つのが難しくなる。

リング状支持部の内側の断熱支持構造部には、比重が０．０７１の液体水素の自重しかかからない。この断熱支持構造部は、泡ガラスブロックやポリウレタンフォームブロックからなる。泡ガラスの熱伝導率は常温で０．０４７（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であり、ポリウレタンフォームの熱伝導率は常温で０．０２３（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度である。泡ガラスブロックを用いる断熱支持構造の場合、固体真空断熱方式を採用しても、この断熱部で２Ｗ／ｍ^２程度の断熱性能を実用的な断熱厚さで達成するのは困難である。また、ポリウレタンフォームブロックのみからなる断熱支持構造は採用し難い。なぜなら、ポリウレタンフォームの圧縮強度は常温で０．２９ＭＰａ程度であり、泡ガラスの圧縮強度（常温で１．６ＭＰａ程度）に比べてかなり小さいからである。

特許文献３に開示された断熱支持構造の場合でも、外槽から内槽への熱の侵入を効果的に抑制する必要がある。このことをより詳しく説明する。内槽の外周面には、周方向に延びる帯状の補強板が溶接によって固定されている。さらにこの補強板には内側嵌合部を有する内側部材が溶接によって固定されている。外槽の内周面には一対の円弧状のバーが溶接によって固定されている。一対の円弧状バーの間の領域で外槽の内周面に、外側嵌合部を有する外側部材が配置される。外側部材は一対の円弧状バーに挟まれた領域内で外槽の内周面に沿ってスライド可能である。ＧＦＲＰの筒状体の上方端部は内側嵌合部に嵌合し、下方端部は外側嵌合部に嵌合している。このような構造の場合、補強板と内側部材と筒状体の壁と外側部材とによって、内槽と外槽との間に熱橋ができている。

ＧＦＲＰの熱伝導率はステンレス鋼の熱伝導率の４０分の１程度であるが、真空部の熱伝導率（例えば、０．００３Ｗ／ｍ・Ｋ）の１３３倍程度もあるので、外槽からこの熱橋を介して内槽に流入する伝熱量は少なくなく、高い断熱性能が要求される液体水素タンクにおいては好ましくない。

図２１に示す断熱床構造の場合でも、外槽から内槽への熱の侵入を抑制することが必要である。基台上に設けられた外槽の底板と内槽の底板との間の真空保冷層に、格子断面形状または円管状断面形状の低熱伝導率材からなる側壁が鉛直に配置されていて、この側壁が外槽の底板と内槽の底板との間で熱橋となっている。このため、所望の断熱性能を得るには断熱床の高さを大きくしなければならず、ひいては断熱床の座屈強度の低下を招く。

図２２に示す支持台の場合でも、外槽から内槽への熱の侵入をさらに抑制する余地がある。図２３は、図２２に示した支持台の図解的平面図を示している。

図２２に示すように、アルミ蒸着された表面を持つ硬質合成樹脂板を格子状に組み立てて形成された支持台（３）が、基台（２）と内槽（４）の底板（４ａ）との間に設けられている。支持台（３）は、格子状の単位格子層（３ａ，３ｂ，３ｃ）を３段に積み重ねたものである。単位格子層の積み重ねは、図２３に示す構造、すなわち断面正方形の筒状体同士を上下に当接させて積み重ねたものと熱伝導的に等価と考えられる。

図２３において、上段に位置する断面正方形の筒状体の開口を実線で示し、その下の下段に位置する断面正方形の筒状体の開口を点線で示している。図示するように、上段の単位格子層を構成する断面正方形の筒状体は、下段の単位格子層を構成する断面正方形の筒状体に対して、一辺の長さｄの半分のｄ／２の長さだけ横にずらして積み重ねられている。この構造では、上段の断面正方形の筒状体の対向する２個の鉛直壁と、下段の断面正方形の筒状体の対向する２個の鉛直壁とが重なって、鉛直方向に連なった壁を形成する。この鉛直方向に連なった壁が基台と内槽の底板との間で熱橋となる。

図２３において、上下の鉛直壁の重なり部分８に斜めハッチングを施している。図示するように、４個の鉛直壁を持つ各筒状体は、２個の鉛直壁部分で重なるので全断面積に占める重なり部分の断面積はかなり大きい。断面積を小さくする一つの手法として、重なり部分となる鉛直壁の厚みを小さくすることが考えられるが、そのようにすれば座屈強度が低下してしまう。したがって、支持台の所望座屈強度を確保しながら、重なり部分の面積を減らす工夫が必要である。

液体水素タンクの断熱にポリウレタンを使用した場合、液体水素タンクに要求される断熱性能２Ｗ／ｍ^２程度を達成するには、ポリウレタン層だと３メートルもの断熱厚さが必要になる。真空部の熱伝導率は、例えば０．００３Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。このため、液体水素タンクの断熱に真空断熱の利用が考えられる。

液体水素タンクの真空断熱法として、ａ）タンクの内外槽間の大空間を高度な真空にする大空間真空断熱法、およびｂ）内槽に多数の真空パネルを取り付ける真空パネル法がある。大空間真空断熱法の場合、大空間を高度な真空（例えば、０．０１Ｐａ～０．０００１Ｐａ）にし、これを長期間維持することは容易ではない。また、内外槽間の空間を真空にするため外槽の外圧座屈の問題がある。真空パネル法の場合、真空パネルはポリウレタンフォームコアを板厚０．３ｍｍ程度の薄いステンレス板で包皮し、包皮端部を精密溶接したものである。このための製作コストが高く、また薄い包皮は損傷し易いので、建設現場でのハンドリングやタンクの取付が厄介なものとなる。後述するように、タンク用の真空パネルが試作されているが、熱伝導率が高すぎ、パネル厚さも３００ｍｍ以下である。

特許文献６に開示された液体水素タンカーの断熱保冷構造体（図２４参照）の場合、真空断熱ブロック（真空パネル）１１Ａを保持するために、これをプラスチックフォーム（ポリウレタンフォーム）１２Ａを介して、スタッドボルト５Ａおよび固定治具（ナット）６Ａによってタンク２Ａの外壁に締め付け固定している。真空パネルは厚い平板状のポリウレタンフォームを板厚０．３ｍｍ程度の薄いステンレス板で包皮したものであるので、締め付け荷重を大きく作用させると真空パネルを損傷するおそれがある。さらに、剛性の小さいプラスチックフォームと真空断熱ブロックとを何段も重ねて使用する場合、断熱厚さが８００ｍｍ以上ともなると、ＬＮＧタンクにおいて断熱材の取付に用いられているスタッドボルト方式をそのまま液体水素タンクに適用できるかには疑問が残る。

また、内槽に液体水素が貯蔵されると、真空パネルは、その上下面の温度差で反り返るので、これを防止するためには上記の締め付け力を過大にせざるを得ない。真空パネルを、例えば正方形台の形状にしようとするとき、８隅をシャープに仕上げるのは難しい。ステンレス包皮内を排気するとき、８隅で薄いステンレス包皮がしわでゆがんで変形し易いからである。このゆがんだ真空パネルを所定の部位にピッタリ収まるように取り付けようとしても、真空パネルのゆがんだ８隅とその周りとの間に大きな隙間が生じ、真空パネルの断熱性能を大きく損ねる。

プラスチックフォーム（ポリウレタンフォーム）と真空パネルとを組合せて積層したものだけでは圧縮強度が小さいので、補強構造を設けなければ、二重殻平底円筒形液体水素タンクの底部断熱支持構造とすることはできない。

二重殻平底円筒形液体水素タンクの底部断熱支持構造で真空断熱を利用する場合、熱伝導率の小さい真空空間を大きく確保しながら、且つ支持力が大きい底部断熱支持構造をどのように作るかが大きな課題となる。熱伝導率があまりにも高いコンクリートブロックを含むリング状支持部を無くすような構造にすることも望まれる。

また、多数の真空パネルを内槽の外面にどのような方法で取り付けるかも大きな課題となる。

そこで、本発明は、断熱性能が高く、且つ支持力が大きい底部断熱支持構造を有する大型の二重殻平底円筒形液体水素タンクを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、所定の断熱性能を確保でき、かつ安全性が高い二重殻液体水素タンクを提供することである。

本発明の一つの局面において、二重殻平底円筒形液体水素タンクは、底板、側板及び屋根板を有する内槽と、底板、側板及び屋根板を有する外槽と、外槽の底板と内槽の底板との間に設けられる底部断熱支持構造とを備え、内槽と外槽との間の空間に大気圧のヘリウムガスを充填している。

底部断熱支持構造は、下部箱体列と、下部支え板と、上部箱体列と、上部支え板と、真空容器とを備える。

下部箱体列は、周囲を囲む側壁と、側壁の上端に固定される上蓋と、側壁の下端に固定される下蓋とからなる箱体を外槽の底板上に左右方向および前後方向に複数個並べて配置したものである。下部支え板は、下部箱体列の上に置かれる。

上部箱体列は、周囲を囲む側壁と、側壁の上端に固定される上蓋と、側壁の下端に固定される下蓋とからなる箱体を下部支え板上に左右方向および前後方向に複数個並べて配置したものである。上部支え板は、上部箱体列の上に置かれ、内槽を下から支えるものである。

真空容器は、下部箱体列および上部箱体列を構成する各箱体の中に収容され、周囲を囲む側壁と、側壁の上端に固定される上板と、側壁の下端に固定される下板とからなり、内部空間が真空状態とされている。

各箱体およびその中に収容されている各真空容器は、鉛直方向に延びる中心軸線が一致するようにされている。下部箱体列の各箱体の中心軸線と、上部箱体列の各箱体の中心軸線とは、水平方向に見て左右方向および前後方向にずれた位置関係となっている。

好ましい実施形態では、各真空容器は、水平面で切断した横断面形状が円形である。また、一つの実施形態では、下部箱体列および上部箱体列を構成する各箱体は、水平面で切断した横断面形状が正方形である。他の実施形態では、各箱体は、水平面で切断した横断面形状が円形である。

好ましくは、正方形断面の下部箱体列の各箱体の中心軸線と、上部箱体列の各箱体の中心軸線とは、箱体の正方形の辺の長さの１／２の長さだけ水平方向に見て左右方向および前後方向にずれた位置関係となっている。

好ましくは、各箱体とその中に収容されている各真空容器との間に、断熱材が配置されている。真空容器は、例えばステンレス鋼板からなる。各箱体は、例えばガラス繊維強化プラスチックからなる。

一つの実施形態では、底部断熱支持構造は、外槽の底板上に設けられ、下部箱体列の外縁部に接してこの下部箱体列を取り囲む堰体をさらに備える。

本発明の他の局面において、二重殻液体水素タンクは、底板、側板及び屋根板を有し、内部に液体水素を貯留する内槽と、底板、側板及び屋根板を有する外槽と、外槽と内槽との間に設けられる断熱構造とを備える。内槽と外槽との間の空間には大気圧のヘリウムガスが充填されている。

断熱構造は、第１箱体列と、第２箱体列と、真空容器とを備える。

第１箱体列は、周囲を囲む箱体側壁と、箱体側壁の一方端に固定される一方側端壁と、箱体側壁の他方端に固定される他方側端壁とからなる箱体を、一方側端壁が内槽の外面に対面する姿勢で、内槽の外面上にＸ方向およびＹ方向に複数個並べて配置したものである。

第２箱体列は、周囲を囲む箱体側壁と、箱体側壁の一方端に固定される一方側端壁と、箱体側壁の他方端に固定される他方側端壁とからなる箱体を、一方側端壁が第１箱体列の箱体の他方側端壁に対面する姿勢で、第１箱体列の上にＸ方向およびＹ方向に複数個並べて配置したものである。

真空容器は、第１箱体列および第２箱体列を構成する各箱体の中に収容されるものであり、各箱体の箱体側壁の内面に対面した姿勢で周囲を囲む容器側壁と、容器側壁の一方端に固定される一方側容器蓋と、容器側壁の他方端に固定される他方側容器蓋とからなり、内部空間が真空状態とされている。

各箱体およびその中に収容されている各真空容器は、鉛直方向または水平方向に延びる中心軸線が一致するようにされている。そして、第１箱体列の各箱体の中心軸線と、第２箱体列の各箱体の中心軸線とは、Ｘ方向およびＹ方向にずれた位置関係となっている。

断熱構造は、好ましくは、外槽の底板と内槽の底板との間に設けられる底部断熱支持構造と、外槽の側板と内槽の側板との間に設けられる側部断熱構造と、外槽の屋根板と内槽の屋根板との間に設けられる屋根部断熱構造とを備える。

一つの実施形態では、内槽は角柱形状をしている。この場合、外槽が角柱形状をしていてもよいが、他の形状であってもよい。

他の実施形態では、外槽および内槽は円筒形状をしている。この場合、好ましくは、内槽の円筒形側板上に配置される第１箱体列および第２箱体列の各箱体の一方側端壁および他方側端壁の外表面は、内槽の中心軸線を中心とする円周線に沿う湾曲形状を有している。

好ましい実施形態では、Ｘ方向およびＹ方向に隣接する箱体間の間に隙間を形成するためのスペーサを備える。このスペーサは、例えば、各箱体の箱体側壁の外面のうち、内槽側に近い側の端部領域に固定されている。

一つの局面における本発明によれば、断熱性能が高く、且つ支持力が大きい底部断熱支持構造を有する、大型の二重殻平底円筒形液体水素タンクを提供することができる。

さらに、他の局面における本発明によれば、断熱性能が高く、かつ安全性の高い二重殻液体水素タンクを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る二重殻平底円筒形液体水素タンクを示す図解図である。 底部断熱支持構造の一部を拡大して示す図解図である。 外槽の底板上に載置された下部箱体列の配置状態を示す図解的平面図である。 真空容器を収容している箱体を示す図であり、(ａ)は水平面で切断した横断面図を示し、（ｂ）は鉛直面で切断した縦断面図を示している。 下部箱体列と上部箱体列との位置関係を示す図解的平面図である。 比較例としての高さ１２００ｍｍの箱体を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は水平面で切断した端面を示している。 高さ６００ｍｍの箱体を上下に積み重ね、さらに上下の箱体を前後左右方向にずらした位置関係にした構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は下段の箱体と上段の箱体との重なりを図解的に示した図である。 本発明の一実施形態に係る底部断熱支持構造の一部を示す図解的平面図である。 本発明の他の実施形態に係る底部断熱支持構造の一部を示す図解的平面図である。 真空容器を収容した箱体の他の例を示す図であり、（ａ）は水平面で切断した横断面図、（ｂ）は鉛直面で切断した図解的縦断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る角形液体水素タンクを示す図解図である。 他の実施形態の側部断熱構造を示す図解図である。 他の実施形態の箱体を示す斜視図である。 他の実施形態の側部断熱構造および屋根部断熱構造を示す図解図である。 他の実施形態の側部断熱構造の角部を示す図解図である。 他の実施形態の屋根部断熱構造の図解的平面図である。 他の実施形態の側部断熱構造および底部断熱支持構造を示す図解図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る二重殻円筒型液体水素タンクを示す図解図である。 他の実施形態の箱体を示す図である。 従来の二重殻円筒形ＬＮＧタンクを示す図解図である。 従来の真空断熱方式の二重殻円筒形タンクの断熱床構造を示す図解図である。 従来の真空断熱方式の二重殻円筒形タンクの支持台の構造を示す図解図である。 図２２に示した支持台の図解的平面図である。 特開平７－２１５３９４号公報に記載された断熱保冷構造体を示す図である。 特開平７－２３２６９５号公報に記載された液体水素タンカーを示す図である。

［第１実施形態］
図１～図５を参照して、本発明の一実施形態に係る二重殻平底円筒形液体水素タンクの構成を説明する。各図において、同一の参照番号は同一の要素を示す。

［二重殻平底円筒形液体水素タンクの全体概略構成］
二重殻平底円筒形液体水素タンクは、底板１１、側板１２及びドーム状の屋根板１３を有する内槽１０と、底板２１、側板２２及びドーム状の屋根板２３を有する外槽２０と、外槽２０の底板２１と内槽１０の底板１１との間に設けられる底部断熱支持構造３０とを備える。液体水素タンクは、基礎５０上に設けられる。内槽１０には、液体水素が貯蔵される。

内槽１０は例えばステンレス鋼板からなり、内槽１０を取り囲む外槽２０は例えば普通鋼板からなる。

内槽１０と外槽２０との間の空間は真空ではなく、この空間に大気圧のヘリウムガスが充填される。従って、底部断熱支持構造３０、図示を省略した屋根部断熱構造および図示を省略した側部断熱構造は、大気圧のヘリウムガス雰囲気の中に置かれる。

ヘリウムガスの沸点は－２６９℃、水素ガスの沸点は－２５３℃、窒素ガスの沸点は－１９６℃、酸素ガスの沸点は－１８３℃である。内槽１０と外槽２０との間の空間に、水素ガスの沸点よりもかなり高い沸点を持つ窒素ガスや酸素ガスが存在すると、これらのガスは内槽１０の外表面（－２５３℃）で液化するため、内槽１０と外槽２０との間の空間が大気圧以下になり、外槽２０に大きな外圧がかかるようになる。

ヘリウムガスの熱伝導率は窒素ガスの熱伝導率の３倍程度であるが、外槽２０の外圧座屈を防ぐために、本発明の実施形態では、水素ガスの沸点よりも低い沸点を持つヘリウムガスを内槽１０と外槽２０との間の空間に充填している。

内槽１０の底板１１および外槽２０の底板２１は、一般に、側板１２、２２を下から支える板厚の大きいアニュラー板部と、アニュラー板部の内径側に位置する板厚の小さい内径側底板部とからなる。以下の説明では、便宜上、アニュラー板部の板厚と内径側底板部の板厚とが同じであるとし、両者を合わせたものを内槽および外槽の底板として話を進める。

［上部箱体列および下部箱体列の説明］
図２に詳細構造を示している底部断熱支持構造３０は、外槽２０の底板２１の上に配置された下部箱体列４０と、下部箱体列４０の上に置かれた下部支え板５１と、下部支え板５１の上に配置された上部箱体列６０と、上部箱体列６０の上に置かれ、内槽１０を下から支える上部支え板５２とを備える。下部支え板５１および上部支え板５２の材質は、例えばステンレス鋼である。

下部箱体列４０を安定して支えるために、外槽２０の底板２１の溶接継手部の余盛は平らにフラッシュイングされている。下部箱体列４０は、箱体４１（図４参照）を外槽２０の底板２１の上に左右方向および前後方向に複数個並べて配置したものである。言い換えれば、多数の箱体４１を碁盤目状に並べて下部箱体列４０を形成している。

図４に示すように、各箱体４１は、周囲を囲む側壁４１ａと、この側壁４１ａの上端に例えばネジを介して固定された上蓋４１ｂと、側壁４１ａの下端に例えばネジを介して固定された下蓋４１ｃとからなり、その材質は、好ましくはガラス繊維強化プラスチックである。ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）の強度は４００ＭＰａ程度と高く、その熱伝導率は例えば０．４（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であり、ステンレス鋼の熱伝導率の１／４０程度である。

図示した実施形態では、各箱体４１は、水平面で切断した横断面形状が同一サイズの正方形である。従って、隣接する箱体同士は、その側面を当接させた状態で碁盤目状に配置される。

図３は、外槽２０の底板２１上に配置された下部箱体列４０の様子を示している。図示するように、下部箱体列４０の外縁は、外槽２０の側板２２と内槽１０の側板１２との間でほぼ円形になるようにする。厳密には、小さなギザギザを円形軌道に沿って連ねた形状である。

図示した実施形態の底部断熱支持構造３０は、外槽２０の底板２１上に固定して設けられた堰板５３を備える。この堰板５３は、下部箱体列４０の外縁部に接してこの下部箱体列４０を取り囲み、下部箱体列４０の水平方向への移動を抑制する。

上部箱体列６０は、箱体４１（図４参照）を下部支え板５１の上に左右方向および前後方向に複数個並べて配置したものである。言い換えれば、多数の箱体４１を下部支え板５１上で碁盤目状に並べて上部箱体列６０を形成している。

上部箱体列６０を構成する箱体４１は、実質的に下部箱体列４０を構成する箱体４１と同じであるので、重複した説明を行わない。

図示した実施形態の底部断熱支持構造３０は、好ましくは、下部支え板５１上に固定して設けられた堰板５４を備える。この堰板５４は、上部箱体列６０の外縁部に接してこの上部箱体列６０を取り囲み、上部箱体列６０の水平方向への移動を抑制する。

堰板５３，５４は例えばステンレス鋼板からなる。堰板５３，５４は、上述したように箱体４１が水平方向に自由に移動するのを制限する役割を果たすが、それに加えて箱体４１を配置するときのガイドとしての役割も果たす。

[真空容器の説明]
図４を参照して、底部断熱支持構造３０は、下部箱体列４０および上部箱体列６０を構成する各箱体４１の中に収容された真空容器６１を備える。真空容器６１は、好ましくはステンレス鋼板から作られ、周囲を囲む側壁６１ａと、この側壁６１ａの上端に溶接固定された上板６１ｂと、側壁６１ａの下端に溶接固定された下板６１ｃとからなる円形筒状体である。各真空容器６１は、水平面で切断した横断面形状が円形となる。

真空容器６１の上板６１ｂには排気口６１ｄが設けられており、工場で排気口６１ｄを通して真空容器６１の内部空間を排気し、内部空間を熱伝導率が例えば０．００３Ｗ／ｍ・Ｋ以下の真空状態にした後に、排気口６１ｄを封止する。

上記の真空容器６１は、ポリウレタンフォームのコア材を０．３ｍｍ程度の薄いステンレス板で包皮した所謂真空パネルではない。真空パネルは、薄いステンレス板を精密に溶接して作るものなので、手間がかかり高価になる。因みに、ＷＥ－ＮＥＴ（Ｗｏｒｌｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｎｅｔｗｏｒｋ）水素液化、輸送、貯蔵技術の開発における平成１３年度の研究開発成果報告書では、直径１０１９ｍｍ×高さ２００ｍｍのステンレス包皮真空パネルが製作され、その熱伝導率が０．００５１Ｗ／ｍ・Ｋであったと記されている。

［箱体内の真空容器の収容構造］
本発明の実施形態における箱体４１の大きさは、例えば幅（左右方向寸法）５００ｍｍ×奥行（前後方向寸法）５００ｍｍ×高さ６５０ｍｍで、側壁４１ａの板厚が６ｍｍである。真空容器６１の大きさは、外径４８４ｍｍ×高さ４３０ｍｍで、側壁（筒壁）６１ａの板厚が４ｍｍ、上板６１ｂおよび下板６１ｃの板厚が１５ｍｍである。

各箱体４１およびその中に収容される各真空容器６１は、鉛直方向に延びる中心軸線ＣＬが一致するようにされている。好ましくは、各箱体４１とその中に収容される各真空容器６１との間には、断熱材が配置される。具体的には、上蓋４１ｂと上板６１ｂとの間、および下蓋４１ｃと下板６１ｃとの間には厚さ１００ｍｍのポリウレタンフォーム４２，４３が配置され、箱体４１の側壁４１ａと真空容器６１の壁６１ａとの間には粒状パーライト４４またはポリウレタンフォームが配置される。

粒状パーライトの熱伝導率は０．０４４Ｗ／ｍ・Ｋであり、ポリウレタンフォームの熱伝導率は０．０２３Ｗ／ｍ・Ｋであり、ヘリウムガスの熱伝導率は０．０７Ｗ／ｍ・Ｋである。ヘリウムガス雰囲気での粒状パーライトの熱伝導率はデータが少ないので正確な数値は不明であるが、本明細書ではヘリウムガスの対流も考慮してヘリウムガス雰囲気下の粒状パーライトの熱伝導率を０．２Ｗ／ｍ・Ｋと十分大きく見積もっておく。

［上部支え板および下部支え板の説明］
下部箱体列４０の上に置かれる下部支え板５１および上部箱体列６０の上に置かれる上部支え板５２は、公知の底板製作のように、多数の小板を互いに当接配置して作られる。小板同士の継手は片面開先溶接され、余盛は平らにフラッシュイングされる。継手の溶接は部分溶け込み溶接でもよく、部分溶け込み溶接は飛び石溶接であってもよい。下部支え板５１は上部箱体列４０を載置するだけの単なる敷板であり、また上部支え板５２は内槽１０を載置するための単なる敷板であるので、気密性は必要とされず、小板同士が一体的に接合されていればよい。

下部支え板５１および上部支え板５２を長尺でない多数の小板で製作する場合、小板同士を溶接せず小板同士を当接させただけで製作することもできる。この場合、上部および下部支え板の各小板は、温度変化に対応して自由に収縮、膨張することができる。

図２に示すように、下部支え板５１の外端部は、下部箱体列４０の外縁部より１００ｍｍ程はみ出すようにする。また、下部支え板５１の外端部は、外槽２０の内面から間隔を隔てるにようにして断熱を確保する。

［下段の箱体と上段の箱体との位置関係］
下部支え板５１上に配置される上部箱体列６０の外縁部は、下部箱体列４０の外縁部よりも径方向内側に位置するようにする。上部支え板５２の外端部は、上部箱体列６０の外縁部より１２５ｍｍ程はみ出すようにし、さらに外槽２０の内面から間隔を隔てるようにして断熱を確保する。

下部箱体列４０を構成する各箱体４１と、上部箱体列６０を構成する各箱体４１との位置関係を図５に示している。図５において点線で示す箱体４１は下部箱体列４０を構成するものであり、実線で示す箱体４１は上部箱体列６０を構成するものである。下部箱体列４０を構成する多数の箱体４１、および上部箱体列６０を構成する多数の箱体４１は、同じ左右方向および前後方向に並び碁盤目状の配列を形成している。

図５に明確に示すように、下部箱体列４０の各箱体４１の鉛直方向中心軸線ＣＬと、上部箱体列６０の各箱体４１の鉛直方向中心軸線ＣＬとは、水平方向に見て左右方向および前後方向にずれた位置関係となっている。好ましくは、下部箱体列４０の各箱体４１の中心軸線ＣＬと、上部箱体列６０の各箱体４１の中心軸線ＣＬとは、箱体４１の正方形の辺の１／２の長さだけ水平方向に見て左右方向および前後方向にずれた位置関係となっている。このような配置関係にすることによって、底部断熱支持構造３０の断熱性能を、液体水素タンクとして必要な２Ｗ／ｍ^２程度以下にすることができる。この点については、後に詳述する。

［底部断熱支持構造に作用する荷重］
液体水素タンクの内槽１０に液体水素が貯蔵されると、底部断熱支持構造３０の上面は－２５３℃になり、その下面は常温の２５℃になるため、液体水素タンクの内槽１０および底部断熱支持構造３０はともに冷却収縮する。そのため、内槽１０の底板１１は上部支え板５２の上面をスライドし、上部支え板５２は上部箱体列６０の上面をスライドし、下部支え板５１は下部箱体列４０の上面をスライドする。

ステンレスの線膨張率は１６×１０^－６／℃であり、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）の線膨張率である８×１０^－６／℃の２倍であること、および現場組立施工性を考慮して、上部支え板５２の外端部を上部箱体列６０の外縁部よりも１２５ｍｍはみ出すようにし、下部支え板５１の外端部を下部箱体列４０の外縁部より１００ｍｍはみ出すようにしている。

上方からの荷重が箱体４１の側壁で受け止められるとき箱体４１の側壁間で上部支え板５２および下部支え板５１が大きく下方に凹まないようにするために、上部支え板５２および下部支え板５１の板厚を大きくする。支え板５１，５２の板厚を大きくすることによって、側壁４１ａ間では箱体４１の上蓋４１ｂに上方からの荷重がほとんどかからなくなる。その結果、箱体４１内に収容された真空容器６１に上方からの荷重がかからなくなり、真空容器６１の損傷を防ぐことができる。本発明の実施形態における真空容器６１は、断熱のみを目的とするものであって、荷重支持要素ではない。

既述した液体水素タンカーの断熱保冷構造体では真空パネルの損傷が懸念されたが、本発明ではこのような事態は回避される。また、本発明に係る底部断熱支持構造３０では、内槽１０の底板１１の下方に、熱伝導率が高くて断熱性能を低下させるコンクリートブロックを配置しないので、従来技術の問題点を解消できる。

液体水素の比重は０．０７と小さいが、内槽１０に液体水素を貯蔵したとき内槽１０の側板１２に側圧が作用するため、内槽側板－底板Ｔ継手部にモーメントがかかり、底板１１の外端部の下側エッジ部が上部支え板５２の上面に押し付けられる。すなわち、底板１１の外端部の下側エッジ部が上部支え板５２の上面に突っ張る形となる。上部支え板５２は、軽骨コンクリートより強度が高くて硬いステンレス鋼板からなるので、この突っ張りを支障なく受け止めることができる。

外槽２０の底板２１上、および下部支え板５１上に多数の箱体４１を載置する場合、例えば５００ｍｍ×５００ｍｍ×６５０ｍｍの箱体１６個を２ｍ×２ｍの正方形板に載置した大型ブロックを作り、これを利用するブロック施工法が適用できる。

内槽１０の側板１２の直下近傍に位置する箱体４１には内槽自重等の大きな荷重がかかるが、この直下近傍領域よりもタンク内径側の領域にある箱体４１には液体水素自重がかかるだけである。そこで、前者（直下領域近傍）の箱体４１の側壁の板厚を大きくし、後者（内径側領域）の箱体４１の側壁の板厚を小さくしてもよい。また、内槽１０の側板１２の直下近傍領域に位置する箱体４１には相対的に小さな正方形断面のものを用い、直下近傍領域よりもタンク内径側に位置する箱体４１には相対的に大きな正方形断面のものを用いるようにしてもよい。

［底部断熱支持構造の断熱性能－その１］
図６および図７を参照して、本発明の底部断熱支持構造の断熱性能を説明する。

図６の（ａ）は、幅１０００ｍｍ×奥行１０００ｍｍ×高さ１２００ｍｍの大きさで、板厚が１２ｍｍのガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）からなる断面正方形の箱体を示す。この箱体の内部空間は真空となっている。箱体の下面と上面との温度差は２７８℃（＝２５３＋２５）とする。ＧＦＲＰの熱伝導率を０．４（Ｗ／ｍ・Ｋ）、真空部の熱伝導率を０．００３（Ｗ／ｍ・Ｋ）とすると、図６（ｂ）に示すこの箱体の横断面（Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の四角形）を通過する伝熱量は５．０６Ｗ／ｍ^２となる。

図６（ａ）に示す箱体は、見方を変えれば、正方形の筒体の内部に、包皮厚さが０ｍｍで熱伝導率が０．００３（Ｗ／ｍ・Ｋ）の真空パネルをピッタリはめ込んだものともとれる。すなわち、高さ１２００ｍｍ、厚さ１２ｍｍの正方形断面の筒体と厚さ１２００ｍｍの真空パネルとからなる箱体では、まだ液体水素の貯蔵に必要な２Ｗ／ｍ^２をクリアできないことを意味している。

図７（ａ）に示す箱体は、図６（ａ）に示す箱体の高さを半分にしたものを２段に積み重ねたものであり、上段の箱体の鉛直中心軸線が、下段の箱体の鉛直中心軸線に対して、断面正方形の一辺の長さの半分の２５０ｍｍだけ左右方向および前後方向にずれて位置している。

下段の箱体の下面と上段の箱体の上面との間の温度差は２７８℃とする。この２段積み箱体における上段箱体の横断面（Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の四角形）（図７（ｂ）参照）を通過する伝熱量は０．８８Ｗ／ｍ^２であり、図６（ａ）の１個の箱体の断面を通過する伝熱量の１７．４％に過ぎない。このように、図６（ａ）の箱体の高さを１／２にしたものを２段に積み重ね、上段の箱体の鉛直中心軸線が下段の箱体の鉛直中心軸線に対してずらす構造にすることにより、箱体を鉛直方向に通過する伝熱量を大幅に減らすことができる。この点について、以下に詳述する。

図７（ｂ）において、実線は上段の１個の正方形断面の箱体の側壁とその内部の真空部とを示し、点線は下段の４個の正方形断面の箱体の側壁とその内部の真空部とを示している。この図において、説明の便宜上、特定の領域に対して特定の符号を付した。領域と符号との関係は、以下の通りである。
「Ｇ」：ＧＦＲＰ部
「Ｖ」：真空部
「ＧＧ」：上下段のＧＦＲＰ部が重なっている領域
「ＶＶ」：上下段の真空部が重なっている領域
「ＧＶ」，「ＶＧ」：ＧＦＲＰ部と真空部とが上下に重なっている領域
上段の箱体の正方形断面Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’において、ＧＧ領域では高さ６００ｍｍで熱伝導率が０．４（Ｗ／ｍ・Ｋ）のＧＦＲＰの上段箱体の側壁に、高さ６００ｍｍで熱伝導率が０．４（Ｗ／ｍ・Ｋ）のＧＦＲＰの下段箱体の側壁が連なっている。ＧＶ領域およびＶＧ領域では、高さ６００ｍｍのＧＦＲＰの壁に、高さ６００ｍｍで熱伝導率が０．００３（Ｗ／ｍ・Ｋ）の真空の壁が連なっている。ＶＶ領域では、上下段の真空部が連なっている。したがって、図７（ｂ）の箱体の正方形断面Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’を通過する伝熱量は、図６（ｂ）の箱体の正方形断面Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’を通過する伝熱量よりも大幅に低減される。本発明の実施形態に係る底部断熱支持構造は、上記の原理を適用した断熱性能を有するものである。

［底部断熱支持構造の断熱性能－その２］
図８は、図５の一部を拡大して示す図であり、上部箱体列６０の箱体４１およびその内部の真空容器６１と、下部箱体列４０の箱体４１およびその内部の真空容器６１との配置関係を図解的に示している。実線は、上段の箱体４１の側壁とその内部の真空容器６１の側壁とを示し、点線は、下段の箱体４１の側壁とその内部の真空容器６１の側壁とを示している。図８では、箱体４１の側壁と真空容器６１の側壁との間に、粒状パーライトが充填されているとしている。

図８に示す符号と領域との関係は、以下の通りである。
「Ｇ」：ＧＦＲＰ部
「Ｓ」：ステンレス鋼部
「Ｖ」：真空部
「Ｐ」：ポリウレタンフォーム部
「Ｐａ」：粒状パーライト部
底部断熱支持構造の下面から上面に向かう熱流の通過する領域の詳細は、以下の通りである。

まず、流路断面積が小さい熱流路は，例えば次の通りである。熱流路の全ての部分を取り上げるのは大変なので、ここでは例示的に特定の流路を取り上げた。

Ｇ－Ｇ領域では、上段の箱体のＧＦＲＰの側壁に、下段の箱体のＧＦＲＰの側壁が連なっている。

ＰＰａＰ－ＰＰａＰ領域では、上段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、粒状パーライトおよび下部ポリウレタンフォームに、下段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、粒状パーライトおよび下部ポリウレタンフォームが連なっている。

ＰＳＰ－ＰＰａＰ領域では、上段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、上段の真空容器のステンレス側壁および下部ポリウレタンフォームに、下段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、粒状パーライトおよび下部ポリウレタンフォームが連なっている。

Ｇ－ＰＳＰ領域では、上段の箱体のＧＦＲＰ側壁に、下段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、下段の真空容器のステンレス側壁および下部ポリウレタンフォームが連なっている。

ＰＰａＰ－Ｇ領域では、上段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、粒状パーライトおよび下部ポリウレタンフォームに、下段の箱体のＧＦＲＰ側壁が連なっている。

流路断面積が大きい熱流路は、例えば次の通りである。

ＰＳＰ－ＰＶＰ領域では、上段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、上段の真空容器のステンレス側壁および下部ポリウレタンフォームに、下段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、下段の真空容器の真空部および下部ポリウレタンフォームが連なっている。

ＰＶＰ－ＰＶＰ領域では、上段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、上段の真空容器の真空部および下部ポリウレタンフォームに、下段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、下段の真空容器の真空部および下部ポリウレタンフォームが連なっている。

ＰＶＰ－ＰＰａＰ領域では、上段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、上段の真空容器の真空部および下部ポリウレタンフォームに、下段の箱体内の上部ポリウレタンフォーム、粒状パーライトおよび下部ポリウレタンフォームが連なっている。

上記のように、流路断面積の大きい熱流路は真空部を含むので、底部断熱支持構造の伝熱量は大幅に低減されることになる。

液体水素タンクに液体水素が貯蔵されると、底部断熱支持構造の下面は常温の２５℃になり、上面は－２５３℃になる。ステンレスの熱伝導率を１６Ｗ／ｍ・Ｋ、ＧＦＲＰの熱伝導率を０．４Ｗ／ｍ・Ｋ、大気圧ヘリウム雰囲気での粒状パーライトの熱伝導率を０．２Ｗ／ｍ・Ｋ、ポリウレタンフォームの熱伝導率を０．０２３Ｗ／ｍ・Ｋ、真空部の熱伝導率を０．００３Ｗ／ｍ・Ｋとすると、本発明の実施形態に係る底部断熱支持構造の断熱性能は１．６１Ｗ／ｍ^２程度となり、液体水素タンクの断熱性能として要求される２Ｗ／ｍ^２以下となる。なお、この計算をする上において、円形筒状体の真空容器の外径を４８４ｍｍ、正方形断面の箱体側壁と真空容器の側壁との間の最小隙間を２ｍｍとしている。

比較として、本発明と同様の底部断熱支持構造において、上段の箱体の鉛直中心軸線と下段の箱体の鉛直中心軸線とを前後左右方向にずらさずに両者を一致させた構造とした場合、その断熱性能は８．３０Ｗ／ｍ^２程度となる。

内槽に液体水素が貯蔵されるとき箱体が冷却収縮するため、隣接する箱体間に隙間が生じる。また、ＧＦＲＰ、ポリウレタンフォームおよびステンレスの線膨張率がそれぞれ異なっているので、箱体内においても例えば箱体のＧＦＲＰ側壁の内面とポリウレタンフォームの外表面との間にも隙間が生じる。さらに、上部支え板および下部支え板の小板同士の間に隙間がある。当然のことながら、これらの隙間に熱伝導率が高い充填ヘリウムガスが侵入する。しかしながら、本発明の実施形態に係る底部断熱支持構造では、熱流路において真空部が存在する構造になっているので、上記の隙間を通る熱流路に対しても同様に真空部が存在する。したがって、隙間による底部断熱支持構造の断熱性能の低下は小さく抑えられる。

また、底部断熱支持構造の断熱性能の低下は、現場での組立精度が悪くて各部に不都合な隙間が生じることによっても起こる。そのため、底部断熱支持構造の設計にあたっては、断熱性能に余裕を持たせることが必要である。底部断熱支持構造の断熱性能の設計目安としては、底部断熱支持構造の各所で２～３ｍｍぐらいのヘリウムガスの隙間が発生するとしても上記の２Ｗ／ｍ^２を超えないように、例えば１．７Ｗ／ｍ^２ぐらいの断熱性能を目安に設計するのが良い。試算においては、真空容器の真空部の熱伝導率を０．００３Ｗ／ｍ・Ｋとしたが、実際には真空度を上げることにより０．００１５Ｗ／ｍ・Ｋ程度まで期待できるので、箱体の高さを５００ｍｍ以下にすることができる。

［第２実施形態］
図９は、この発明の他の実施形態を示す図解的平面図である。この実施形態では、箱体４１が、円筒形状の側壁と、この円筒形状側壁の両端部に例えばネジを介して固定された上蓋および下蓋とを備えるものであり、その内部に円柱形状の真空容器６１を収容している。実線は、上段の箱体４１の側壁とその内部の真空容器６１の側壁とを示し、点線は、下段の箱体４１の側壁とその内部の真空容器６１の側壁とを示している。上段の円形箱体４１の鉛直中心軸線と下段の円形箱体４１の鉛直中心軸線とは、円形箱体４１の外径の１／２の長さだけ前後左右にずれて位置している。

円形箱体４１の側壁内面と円柱形状の真空容器６１の側壁外面との間には、真空容器を箱体内に差し込める程度の隙間６２が設けられている。各円形箱体４１の上蓋と真空容器６１の上板との間、および各円形箱体４１の下蓋と真空容器６１の下板との間には、厚さ１００ｍｍのポリウレタンフォームが配置され、隣接する円形箱体４１の側壁外面間には、粒状パーライトまたはポリウレタンフォームが配置される。本実施形態では、組立て現場で円形箱体４１の側壁外面間に粒状パーライトを充填する。

底部断熱支持構造が冷却されるときに、ＧＦＲＰからなる円形箱体４１およびステンレスからなる真空容器６１が収縮するが、ステンレスの線膨張率がＧＦＲＰの線膨張率の２倍程度であることから、両者の間に真空容器６１を容易に差し込める程度の隙間６２があれば支障は無い。この第２実施形態に係る底部断熱支持構造の断熱性能は、先に説明した第１実施形態と同程度である。

［第３実施形態］
図１０は、この発明のさらに他の実施形態を示す図であり、（ａ）は図解的横断面図、（ｂ）は図解的縦断面図である。この実施形態では、上部箱体列および下部箱体列を構成する各箱体４１が、第１箱体４１１と、第２箱体４１２とを備え、各箱体４１内に収容される真空容器６１が、第１真空容器６１１と、第２真空容器６１２とを備える。第１箱体４１１および第２箱体４１２はＧＦＲＰからなり、第１真空容器６１１および第２真空容器６１２はステンレスからなる。

図１０に示すように、箱体４１の中心部に円柱形状の第１真空容器６１１が位置し、円筒側壁を有する第１箱体４１１が第１真空容器６１１の周囲を囲み、内側円筒壁および外側円筒壁を有するドーナッツ形状の第２真空容器６１２が第１箱体４１１の周囲を囲み、正方形側壁を有する第２箱体４１２が第２真空容器６１２の周囲を囲んでいる。

第１真空容器６１１および第２真空容器６１２の高さは同じである。第１箱体４１１および第２箱体４１２の高さは同じであり、共通の上蓋４１ｂおよび共通の下蓋４１ｃによって上下の開口が閉塞される。第１および第２箱体４１１，４１２の高さは、第１および第２真空容器６１１，６１２の高さよりも大きい。第１および第２真空容器６１１，６１２の上板と第１および第２箱体４１１，４１２の上蓋４１ｂとの間、および第１および第２真空容器６１１，６１２の下板と第１および第２箱体４１１、４１２の下蓋４１ｃとの間に、ポリウレタンフォームが配置される。そして、第２箱体４１２と第２真空容器６１２との間に、粒状パーライトが充填されるか、ポリウレタンフォームが配置される。

この第３実施形態においても、上段の箱体４１の鉛直中心軸線と、下段の箱体４１の鉛直中心軸線とは、正方形の第２箱体４１２の一辺の長さの１／２の長さだけ前後左右にずれて位置している。この位置ずれによって鉛直方向に延びる熱流路に真空部が介在することになるので、底部断熱支持構造の断熱性能を向上させることができる。

現場施工の能率を上げるには、箱体４１の平面視正方形の面積が大きいほどよい。しかしながら、図４に示した箱体４１において、正方形の一辺の長さを例えば１０００ｍｍ程度に大きくすると、上部支え板５２および下部支え板５１の凹みを抑えるためには、これらの支え板の板厚を例えば５０ｍｍ程度にしなければならない。そのような厚みの支え板を用いるのは現実的ではないので、この第３実施形態として、大きな平面視正方形面積を有する第２箱体４１２の側壁のスパンの間に、上部および下部支え板を支えるＧＦＲＰからなる第１箱体４１１を設けた。

［従来の断熱構造との対比］
本発明の特徴は、液体水素タンクの断熱に多数の真空容器を利用したことにある。大型の二重殻平底円筒形液体水素タンクの断熱法として、外槽と内槽との間の大空間を真空にする大空間真空断熱法がある。この場合、真空にすべき空間が巨大であるため、現場で空間を高度に真空化し、かつその真空度を維持することは容易ではない。それに対して、本発明に係る底部断熱支持構造では、予め工場で真空化した小さな真空容器を多数利用するので、上記の困難さを回避できる。

また、非特許文献１に記載された液体水素タンクの底部断熱支持構造は、多数のポリウレタンフォームや泡ガラスブロックの積層構造を含むものであり、ブロック間にはわずかな隙間が多数存在している。このため、底部断熱支持構造の真空化の排気において狭い隙間に気体が滞留しやすく、非特許文献１の液体水素タンクでは積層構造部を高度に真空化するのは容易ではない。

[本発明の実施形態のメリット]
液体水素タンクの断熱に真空断熱を利用する場合、真空リークに対する安全対策が必要になる。大空間真空断熱法においては一箇所の真空リークも断熱機能の致命的な低下につながるので、安全対策は厳しいものとなり、そのための構造設計は容易なものではない。

それに対して、本発明の実施形態に係る底部断熱支持構造においては、多数の真空容器を用いるものなので、真空リークのリスクを格段に分散化できるメリットがある。

また、大空間真空断熱法においては、外槽と内槽との間を真空にするので、外槽の外圧座屈を防止するために外槽の補強が必要とされ、さらに外槽の底板が基礎からめくれ上がらないように底板を基礎に強固に固定する大規模なアンカー工事が必要となる。

本発明の実施形態では、板厚が４ｍｍのステンレスで真空容器を製作しているので、板厚が０．３ｍｍ程度の真空パネルに比べて、損傷の心配が無く、製作コストも安くなり、現場の組立施工でのハンドリングも容易になる。

［底部断熱支持構造の支持力］
次に、この発明の実施形態に係る底部断熱支持構造の支持力について説明する。

底部断熱支持構造は、内槽の重量と貯蔵された液体水素の重量との合計荷重を支えなければならない。本発明の実施形態では、既述したように上部支え板および下部支え板の板厚を大きくしているので、内槽の底板からの伝達荷重が箱体の側壁で受け止められたときに上部支え板および下部支え板が箱体の側壁間で大きく凹むことはない。したがって、箱内に収容された真空容器には上記の荷重がかからず、真空容器を荷重に起因する損傷から護ることができる。真空容器は、荷重支持要素ではなく断熱のみを目的とするものであるので、その内部を真空にしたときに生じる大気外圧に耐えられるように設計するだけでよい。

図２に示すように、底部断熱支持構造は、下部箱体列上に上部支え板を介して上部箱体列を積み重ねただけのものである。したがって、底部断熱支持構造の支持力は、一段の上部または下部箱体列の支持力とほぼ等しくなる。そして、この一段の箱体列の支持力は、箱体列を構成する箱体の側壁の高さ、板厚、材質によって定まる。

内槽の側板下部で底部断熱支持構造にかかる荷重を、例えば４ｋｇ／ｃｍ^２であるとする。上記寸法のＧＦＲＰからなる箱体の座屈荷重は、ＧＦＲＰの曲げ弾性率が高いこと、および箱体を２段に積み重ねることによって箱体の側壁の高さが小さくなることから、上記荷重（４ｋｇ／ｃｍ^２）を容易にクリアすることができる。

［外槽および内槽の底板］
本発明の実施形態を説明するにあたり、外槽の底板を構成するアニュラー板部と内径側底板部とが同じ板厚寸法を有するものとした。アニュラー板部の板厚を大きくし、アニュラー板部の内径側に位置する内径側底板部の板厚を小さくした場合、アニュラー板部と内径側底板部との継手部で段差が生じる。このため、外槽の底板上に下部箱体列を構成する箱体を水平に碁盤目状に配列するとき、この段差が支障になる。この段差を無くすために、板厚の小さい内径側底板部上に例えば断熱性が高く強度の高いプラスチック板を敷いたり、大きい高さの箱体と小さい高さの箱体の２種類を使い分けたりするなどの工夫をしてもよい。

外槽および内槽の底板の溶接は一般に裏当金付片面開先溶接であるが、内槽の底板は上部支え板上をスライドするので、内槽の底板の下面をフラットにする必要がある。液体水素の比重が０．０７であり、ＬＮＧの比重０．４３の１／６程度であるので、底板にかかるヘッド厚は液体水素タンクの高さが２５ｍとしても０．１８気圧程度と小さく、また側板－底板Ｔ継手にかかるモーメントも小さい。このため、底板の板厚は比較的薄くできる。そこで、底板の溶接は、底板の板厚をなるべく大きくしてルートフェイスが４ｍｍ程度のＹ開先とし、溶接溶込みが底板下面に届かないようにするなどの工夫が必要である。

本発明の底部断熱支持構造は、ＰＣ（プレストレスコンクリート）ＬＮＧタンクと同様なタイプの液体水素タンクにも適用可能である。

［第４実施形態］
今まで説明してきた実施形態は、特に、内槽の底板と外槽の底板との間に設けられる底部断熱支持構造に焦点を当ててきた。一方の箱体列を構成する箱体と、それに重なるように配置される他方の箱体列を構成する箱体とを左右方向（またはＸ方向）および前後方向（またはＹ方向）にずらして配置する断熱構造は、内槽の側板と外槽の側板との間に設けてもよいし、内槽の屋根板と外槽の屋根板との間に設けてもよい。

図１１は、第４実施形態としての角形液体水素タンク１００を示している。液体水素タンク１００は、液体水素を貯蔵する角形の内槽１０１と、内槽１０１を取り囲む角形の外槽１０２とを備える。内槽１０１および外槽１０２は、例えば板骨（図示せず）を備え、高い剛性を有する。内槽１０１は、例えば、幅、奥行き及び高さが３０メートルの立方体であり、ステンレス鋼からなる底板１０１ａと側板１０１ｂと屋根板１０１ｃとを備える。外槽１０２は、普通鋼からなる底板１０２ａと側板１０２ｂと屋根板１０２ｃとを備える。内槽１０１と外槽１０２との間の空間には、常温大気圧のヘリウムガスが充填されている。

内槽１０１の底板１０１ａと外槽１０２の底板１０２ａとの間に底部断熱支持構造１１０が設けられ、内槽１０１の側板１０１ｂと外槽１０２の側板１０２ｂとの間に側部断熱構造１３０が設けられ、内槽１０１の屋根板１０１ｃと外槽１０２の屋根板１０２ｃとの間に屋根部断熱構造１５０が設けられる。陸上用タンクの場合、外槽１０２はコンクリート基礎上に設けられる。液化ガス運搬船の場合、外槽１０２は船体の頑丈な一部となる。

第４実施形態における底部断熱支持構造１１０は、第１実施形態の底部断熱支持構造３０と実質的に同じ構成を有する。各要素の寸法や形状は、適宜変更する。

側部断熱構造１３０および屋根部断熱構造１５０は、それぞれ、内槽１０１の側板１０１ｂおよび屋根板１０１ｃに密着して設けられる。外槽１０２の側板１０２ｂと側部断熱構造１３０との距離、および外槽１０２の屋根板１０２ｃと屋根部断熱構造１５０との距離は、現場作業およびタンク稼働後の点検作業の観点から、９００ｍｍ程度にするのが望ましい。

［断熱構造の共通の構成］
底部断熱支持構造１１０，側部断熱構造１３０および屋根部断熱構造１５０は、共通の特徴として、第１箱体列と、第２箱体列と、真空容器とを備える。

第１箱体列は、図４に示したものと実質的に同じ構成の箱体４１をＸ方向およびそれに直交するＹ方向に碁盤目状に複数個並べて配置したものである。箱体４１は、周囲を囲む箱体側壁４１ａと、箱体側壁４１ａの一方端に固定される一方側端壁４１ｂと、箱体側壁４１ａの他方端に固定される他方側端壁４１ｃとからなる。一方側端壁４１ｂまたは他方側端壁４１ｃが内槽１０１の外面（底板１０１ａ、側板１０１ｂおよび屋根板１０１ｃの外面）に対面する。

第２箱体列も、図４に示したものと実質的に同じ構成の箱体４１を第１箱体列の上にＸ方向およびＹ方向に碁盤目状に複数個並べて配置したものである。箱体４１は、周囲を囲む箱体側壁４１ａと、箱体側壁４１ａの一方端に固定される一方側端壁４１ｂと、箱体側壁４１ａの他方端に固定される他方側端壁４１ｃとからなる。第２箱体列の箱体の例えば一方側端壁４１ｂが、第１箱体列の他方側端壁４１ｃに対面する。

この実施形態においては、側部断熱構造１３０および屋根部断熱構造１５０の箱体４１は、既述の第１実施形態の底部断熱支持耕３０のＧＦＲＰからなる箱体４１とは異なり、例えば厚さ４mmのステンレス鋼板からなる溶接物品である。

真空容器は、好ましくはステンレス鋼板から作られ、図４に示した真空容器６１と実質的に同じ構成である。すなわち、真空容器６１は、第１箱体列および第２箱体列を構成する各箱体４１の中に収容され、各箱体４１の箱体側壁４１ａの内面に対面した姿勢で周囲を囲む容器側壁６１ａと、容器側壁６１ａの一方端に固定される一方側容器蓋６１ｂと、容器側壁６１ａの他方端に固定される他方側容器蓋６１ｃとからなる。真空容器６１の内部空間は真空状態とされている。

既述の第１実施形態の特徴と同様に、各箱体４１およびその中に収容されている真空容器６１は、鉛直方向または水平方向に延びる中心軸線が一致するようにされている。さらに、第１箱体列の各箱体４１の中心軸線と、第２箱体列の各箱体４１の中心軸線とは、Ｘ方向およびＹ方向にずれた位置関係となっている。底部断熱支持構造１１０および屋根部断熱構造１５０を構成する各箱体４１および各真空容器６１は、その中心軸線が鉛直方向に延びる。他方、側部断熱構造１３０を構成する各箱体４１および各真空容器６１は、その中心軸線が水平方向に延びる。

底部断熱支持構造１１０，側部断熱構造１３０および屋根部断熱構造１５０の構成要素である箱体４１は、例えば同じサイズの立方体（その大きさは、例えば５００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍ）であり、各箱体４１内に収容される真空容器６１も、例えば同じサイズの円筒体である。

［側部断熱構造の説明］
図１２～図１５を参照して、第４実施形態の側部断熱構造１３０の具体的構造を説明する。図１２は、内槽１０１の側板１０１ｂ上に配置された第１箱体列１３１の一部、および第１箱体列１３１上に配置された第２箱体列１３２の一部を示している。

図示するように、内槽１０１の側板１０１ｂ上に、第１箱体列１３１を構成する多数の箱体４１が水平方向および鉛直方向に碁盤目状に配置され、溶接によって固定されている。隣接する箱体４１間には、隙間２ｔが存在するようにされている。この理由は、後に詳述する。

さらに、第１箱体列１３１上に、第２箱体列１３２を構成する多数の箱体４１が水平方向および鉛直方向に碁盤目状に配置され、溶接によって固定されている。隣接する箱体４１間には、隙間２ｔが存在するようにされている。

第１箱体列１３１および第２箱体列１３２を構成する各箱体４１には、真空容器６１（図４参照）が配置されている。各箱体４１及びその中に収容される各真空容器６１は、その中心軸線が一致するようにされている。側部断熱構造１３０の場合、各箱体４１および各真空容器６１の中心軸線は、水平方向に延びている。

既述の実施形態で説明したように、断熱構造の断熱性能を高めるために、第１箱体列１３１の各箱体４１の中心軸線と、その上に配置される第２箱体列１３２の各箱体４１の中心軸線とは、Ｘ方向（水平方向）およびＹ方向（鉛直方向）にずれた位置関係となっている。各箱体４１が立方体形状の場合、好ましくは、第１箱体列１３１の各箱体４１の中心軸線と、第２箱体列１３２の各箱体４１の中心軸線とは、箱体の正方形の辺の長さの１／２の長さ＋１ｍｍだけＸ方向およびＹ方向にずれた位置関係となっている。

［隣接する箱体間の隙間］
隣接する箱体４１間に隙間２ｔを設けるのは、内槽１０１の側板１０１ｂ側に位置する一方側端壁の冷却収縮を考慮したためである。隣接する箱体４１同士を当接して配置固定した場合を考えてみる。内槽１０１の側板１０１ｂ側に位置する一方側端壁は液体水素の温度によって冷却されて収縮するが、他方側端壁の冷却温度は一方側端壁よりも高いので冷却収縮量は相対的に小さい。そのため、液体水素の貯蔵時に、隣接する箱体４１の他方側側端に過大な圧縮力が作用することになる。

上記の過大な圧縮力の発生を避けるために、隣接する箱体４１間に隙間２ｔを設けることが重要である。この隙間２ｔは、Ｘ方向およびＹ方向に隣接する箱体４１間にスペーサを設けることによって確保される。

図１３は、一つの箱体４１にスペーサ１３３を取り付けた状態を示している。箱体４１の一方側端壁４１ｂが内槽１０１の側板１０１ｂに接して配置されるので、その冷却収縮量が大きい。そこで、この一方側端壁４１ｂを取り囲む４面の端部に厚みｔ（例えば、１ｍｍ）、幅５０ｍｍの板状のスペーサ１３３を、例えばスポット溶接によって固定する。各箱体４１にスペーサ１３３を溶接固定すれば、Ｘ方向およびＹ方向に隣接する箱体４１間には、２ｔ（例えば、２ｍｍ）の隙間を確保することができる。

スペーサ１３３の厚みｔを１ｍｍとしたのは、以下の計算を根拠とするものである。すなわち、箱体４１の一辺の長さを５００ｍｍ、箱体４１の材料であるステンレスの線膨張率を１６×１０^－６、第１箱体列１３１の箱体４１の一方側端壁４１ｂと第２箱体列１３２の箱体４１の他方側端壁４１ｃとの温度差を２７８℃（２５３＋２５）とすると、（５００ｍｍ）×（１６×１０^－６l／℃^）×（２７８℃）＝２．２２ｍｍとなるので、スペーサ１３３は２．２２ｍｍの約半分の１ｍｍの厚みとなるようにした。

上記の厚みのスペーサ１３３を設けておくと、液体水素の貯蔵時に、第２箱体列１３２の隣接する箱体４１の他方側端壁４１ｃ同士が軽く当接する状態になる。このとき、隣接する箱体４１間には、内槽１０１の側板１０１ｂに垂直な方向に実質的に１ｍｍ程度の隙間が残ることになる。この隙間には、当然にヘリウムガスが侵入してくる。このことは、側部断熱構造１３０の断熱性能にとって不利なものになるが、この影響は、各箱体４１の内部に収容されている真空容器６１の真空部で有効に抑えられる。

図１３に示すように、好ましくは、スペーサ１３３は、箱体４１の一方側端壁４１ｂの全周囲に延在させるのではなく、両端を所定の間隔をあけるように切り離している。このスペーサ１３３の切り離し部分に位置する一方側端壁４１ｂの角部に切り欠き１３４を設ける。箱体４１の一方側端壁４１ｂを相手材（例えば、内槽の側板や、第１箱体列の箱体の他方側端壁）に当接させるとき、相手材と切り欠き１３４とですみ肉開先が形成され、これを隅肉溶接することにより箱体４１を相手材に溶接固定できる。切り欠きの長さは、例えば、第１箱体列１３１の箱体４１で１００ｍｍ、第２箱体列１３２の箱体４１で７５ｍｍとする。

［屋根部断熱構造の説明］
図１４は、内槽１０１の側板１０１ｂ上に側部断熱構造１３０を設け、内槽１０１の屋根板１０１ｃ上に屋根部断熱構造１５０を設けた構造を示している。まず、屋根部断熱構造１５０について説明する。

内槽１０１の屋根板１０１ｃ上にポリウレタンフォーム層１５１が設けられている。ポリウレタンフォーム層１５１は、複数のポリウレタンフォームブロックを並べて配置したものである。このポリウレタンフォーム層１５１の上に第１箱体列１５２を設け、第１箱体列１５２の上に第２箱体列１５３を設ける。第１箱体列１５２は、ポリウレタン層１５１上に多数の箱体４１をＸ方向およびＹ方向に碁盤目状に並べて配置したものであり、第２箱体列１５３は、第１箱体列１５２上に多数の箱体４１をＸ方向およびＹ方向に碁盤目状に並べて配置したものである。各箱体４１内には、側部断熱構造１３０及び底部断熱支持構造１１０と同様に、図４に示したものと実質的に同じ構成の真空容器６１が収容されている。

なお、内槽１０１の屋根板１０１ｃ上にポリウレタンフォーム層を１５１を設けるのは、側部断熱構造１３０の第１箱体列１３１の上面と屋根板１０１ｃの上面との間の段差をなくして平らな面とし、この面上に屋根部断熱構造１５０の第１箱体列１５２を配置するためである。

第１箱体列１５２および第２箱体列１５３の最外部の箱体は他の部材に溶接して固定されるが、最外部の箱体の内側の箱体は所定部に載置されるだけである。最外部の箱体は内側の箱体を取り囲む堰の役目をする。

各箱体４１の中心軸線と、各箱体内に収容される真空容器６１とは、中心軸線が位置するようにされている。屋根部断熱構造１５０の場合、上記の中心軸線は鉛直方向に延びている。

第１箱体列１５２の各箱体４１の中心軸線と、その上に位置する第２箱体列１５３の各箱体４１の中心軸線とは、Ｘ方向およびＹ方向にずれた位置関係となっている。好ましい実施形態では、。各箱体４１が立方体形状であり、第１箱体列１５２の各箱体４１の中心軸線と、第２箱体列１５３の各箱体４１の中心軸線とは、箱体の正方形の辺の長さの１／２の長さ＋１ｍｍだけＸ方向およびＹ方向にずれた位置関係となっている。

側部断熱構造１３０と同様に屋根部断熱構造１５０においても、Ｘ方向およびＹ方向に隣接する箱体間には、スペーサを介在させることにより２ｍｍ程度の間隔の隙間が形成されている。

図１６は、屋根部断熱構造１５０の平面図である。図１６において、太い一点鎖線で示すのは内槽１０１の側板１０１ｂであり、点線で示すのはポリウレタンフォーム層の上に設けられた第１箱体列１５２であり、実線で示すのは第１箱体列１５２の上に設けられた第２箱体列１５３である。多数の箱体４１を碁盤目状に配置した第１箱体列１５２および第２箱体列１５３の周囲を取り囲むように、ポリウレタンフォームブロック１５４が配置されている。

［側部断熱構造と屋根部断熱構造との結合部］
図１４は、側部断熱構造１３０と屋根部断熱構造１５０との結合部の構造を示している。まず側部断熱構造１３０に注目すると、内槽１０１の側板１０１ｂ上に第１箱体列１３１を構成する複数の箱体４１がスペーサ１３３を介して鉛直方向に並ぶように配置され、隅肉溶接１３６で固定されている。図中矢印で示すのは、各箱体４１内の真空容器６１の中心軸線の延びる方向である。溶接部は、箱体４１の一方側端壁４１ｂの上縁部に位置するので、第１箱体列１３１を構成する各箱体４１は内槽１０１の側板１０１ｂに一個づつぶら下がる形で側板１０１ｂに支持される。

第１箱体列１３１の最上部に位置する箱体４１ＵＭは、その半分の高さだけ内槽１０１の側板１０１ｂに当接しているので、一方側端壁４１ｂの中央の位置で開先無しで内槽１０１の屋根板１０１ｃに隅肉溶接される。この隅肉溶接部を参照番号１３７で示す。

第１箱体列１３１上に、第２箱体列１３２を構成する複数の箱体４１がスペーサを介して鉛直方向に並ぶように配置され、隅肉溶接１３８で第１箱体列１３１を構成する箱体４１の他方側端壁の中央部に固定されている。第２箱体列１３２を構成する各箱体４１は、第１箱体列１３１を構成する箱体４１にぶら下がる形で支持される。この実施形態においては、１個の箱体の重量は、内部の真空容器、断熱材を含めて１０３Ｋｇ程度である。

既述したように、第１箱体列１３１を構成する箱体４１の中心軸線（水平方向に延びる）と、第２箱体列１３２を構成する箱体４１の中心軸線（水平方向に延びる）とは、Ｘ方向およびＹ方向にずれた位置関係となっている。

液体水素を貯蔵する内槽１０１の側板１０１ｂは、どの部分においても第１箱体列１３１および第２箱体列１３２の２段箱体列によって覆われている。

側部断熱構造１３０の第１箱体列１３１の最上部に位置する箱体４１ＵＭの上に、屋根部断熱構造１５０の第１箱体列１５２の最外部に位置する箱体４１ＯＭが載置され、隅肉溶接１３９で両者は固定される。側部断熱構造１３０の第２箱体列１３２の最上部に位置する箱体４１ＵＭは、隅肉溶接１４０で、屋根部断熱構造１５０の第１箱体列１５２の最外部の箱体４１ＯＭに固定される。

側部断熱構造１３０の最上部上方と、屋根部断熱構造１５０の最外部外方とが交差する角部領域の段差部分には、ポリウレタンフォームブロック１５４が例えば接着剤で箱体４１に結合される。

［側部断熱構造の角部の構造］
図１５は、角形の内槽１０１の２つの側板１０１ｂの上に側部断熱構造１３０を設けた構造を示している。各箱体４１内に示す矢印は、各箱体４１内に収容された真空容器６１の中心軸線の延びる方向を示している。図１５に示すように、角形内槽１０１の角部に対応する側部断熱構造１３０の角部では、箱体４１間に生じる段差部を埋めるようにポリウレタンフォームブロック１５５が配置固定されている。

［側部断熱構造と底部断熱支持構造との結合部］
第４実施形態の底部断熱支持構造１１０は、基本的には、第１実施形態の底部断熱支持構造３０と同じであるので、極力重複した説明を繰り返さないようにする。

図１７は、第４実施形態に係る角形液体水素タンク１００の底部断熱支持構造１１０と側部断熱構造１３０とが交差する部分の立面図である。図示するように、外槽１０２の底板１０２ａと内槽１０１の底板１０１ａとの間に底部断熱支持構造１１０が設けられ、外槽１０２の側板１０２ｂと内槽１０１の側板１０１ｂとの間に側部断熱構造１３０が設けられている。

底部断熱支持構造１１０は、既述の第１実施形態と同様に、外槽１０２の底板１０２ａ上にＸ方向およびＹ方向に複数の箱体４１を碁盤目状に並べて配置した第２箱体列１１２（第１実施形態の下部箱体列に対応）と、第２箱体列１１２の上に置かれた下部支え板５１と、下部支え板５１上にＸ方向およびＹ方向に複数の箱体４１を碁盤目状に並べて配置した第１箱体列１１１（第１実施形態の上部箱体列に対応）と、第１箱体列１１１の上に置かれ、内槽１０１を下から支える上部支え板５２と、各箱体４１の中に収容され、内部空間が真空状態とされている真空容器６１とを備える。

図１７において、箱体４１内に示す矢印は、真空容器６１の中心軸線の方向である。各箱体４１およびその中に収容されている各真空容器６１は、鉛直方向に延びる中心軸線の位置が一致するようにされている。また、第２箱体列１１２の各箱体４１の中心軸線と、第１箱体列１１１の各箱体４１の中心軸線とは、水平方向に見てＸおよびＹ方向にずれた位置関係となっている。

底部断熱支持構造１１０においても、水平方向に隣接する箱体４１間にはスペーサ１３３を介して約２ｍｍの隙間が設けられている。また、図示するように、外槽１０２の底板１０２ａ上に、第２箱体列１１２の外縁部に接してこの第２箱体列を取り囲む堰体５３が設けられている。さらに、下部支え板５１上に、第１箱体列１１１の外縁部に接してこの第１箱体列を取り囲む堰体５４が設けられている。

図１７に示すように、側部断熱構造１３０の第１箱体列１３１の最下部の箱体４１Ｂは、その半分が内槽１０１の側板１０１ｂに当接した状態で、隅肉溶接１３６で側板１０１ｂに固定される。側部断熱構造１３０の第２箱体列１３２の最下部の箱体４１ＢＢは、その半分が第１箱体列１３１の最下部の箱体４１Ｂに当接した状態で隅肉溶接１３８で固定されている。

液体水素が貯蔵されると内槽１０１は収縮し、内槽１０１の底板１０１ａは上部支え板５２上をタンク内側方向にスライドする。このため、上部支え板５２の端部ｋが内槽１０１の隅角エッジから距離ｇの位置になるようにしている。この距離は、底板１０１ａの収縮、底部断熱構造１１０の収縮を考慮して７５ｍｍ程度とする。底部断熱支持構造１１０の第１箱体列１１１の最外部の箱体４１ＢＯと、側部断熱構造１３０の第１箱体列１３１の最下部の箱体４１Ｂとの間に空間ができるが、この空間はポリウレタンフォームＰＵＦおよびグラスウールＧＷで埋められる。グラスウールＧＷは、内槽１０１の収縮を吸収する。

第４実施形態の断熱性能を試算すると、底部断熱支持構造は１．８Ｗ／ｍ^２、側部断熱構造とヘリウム空間（厚さ９００ｍｍ、ヘリウムの熱伝導率を０．２Ｗ／ｍ・Ｋとする）の合体構造は１．６Ｗ／ｍ^２、屋根部断熱構造とヘリウム空間の合体構造は１．５Ｗ／ｍ^２である。

［第５実施形態］
図１８は、本発明の第５実施形態を示している。本発明の特徴である第１箱体列と第２箱体列との位置ずらし積み重ねによる断熱構造は、大型の二重殻円筒型液体水素タンクにも適用できる。

図１８に示す二重殻円筒型液体水素タンク３００は、陸上用であり、基礎５０上に設けられる。大型の二重殻円筒型液体水素タンクの場合、通常、内槽および外槽の屋根板はドーム状になっているが、第５実施形態に係る円筒型液体水素タンク３００の内槽３０１の屋根板３０１ｃはフラットな形状である。その理由は、箱体４１の取付を容易にするためである。屋根板３０１ｃは、側板３０１ｂと、支柱３０３と、万骨構造を含む屋根骨３０４とで支持される。

内槽３０１の円筒形側板３０１ｂの外周面に箱体４１を取り付ける場合、箱体４１の形状を少し変更する必要がある。

図１９（ａ）は、円筒形側板３０１ｂ上に配置される第１箱体列および第２箱体列を構成する箱体５４１および箱体５４２を図解的に示す平面図であり、図１９（ｂ）は、箱体５４１の図解的断面図である。

図１９（ａ）において、内槽３０１の半径が３０ｍ、第２箱体列の箱体５４２の上部角部までの半径が３１ｍ、箱体５４２の横幅寸法Ｗが５００ｍｍの場合、半径３１ｍの円弧と、箱体５４２の他方側端壁の外面との間の隙間δは１ｍｍ程度である。したがって、箱体５４１および箱体５４２の一方側端壁の外面および他方側端壁の外面をわずかに湾曲させる形状に変更すれば、第１箱体列の箱体５４１を内槽３０１の側板３０１ｂの湾曲した外周面に適合させて当接配置することができ、第２箱体列の箱体５４２を第１箱体列の箱体５４１の湾曲した外周面に適合させて当接配置することができる。

図１９ｂに示す箱体５４１は、その一方側端壁５４１ｂの外面および他方側端壁５４１ｃの外面が、内槽３０１の円筒形側板３０１ｂの外周面の形状に適合するように、湾曲した形状になっている。隙間δの寸法が小さいので、機械加工で容易に板材の表面を円弧面となるようにすることが可能である。

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、図示した実施形態は例示的なものである。本発明は、図示した実施形態に限定されるものではなく、本発明と同一の範囲内においてまたは均等の範囲内において種々の修正や変形が可能である。

本発明の断熱構造は断熱性能が高いので、大型の二重殻液体水素タンクに有利に利用され得る。

１０ 内槽、１１ 底板、１２ 側板、１３ 屋根板、２０ 外槽、２１ 底板、２２ 側板、２３ 屋根板、３０ 底部断熱支持構造、４０ 下部箱体列、４１ 箱体、４１ａ 側壁、４１ｂ 上蓋、４１ｃ 下蓋、４２，４３ ポリウレタンフォーム、４４ 粒状パーライト、５０ 基礎、５１ 下部支え板、５２ 上部支え板、５３ 堰板、５４ 堰板、６０ 上部箱体列、６１ 真空容器、６１ａ 側壁、６１ｂ 上板、６１ｃ 下板、６１ｄ 排気口、６２ 隙間、１００ 角形液体水素タンク、１０１ 内槽、１０１ａ 底板、１０１ｂ 側板、１０１ｃ 屋根板、１０２ 外槽、１０２ａ 底板、１０２ｂ 側板、１０２ｃ 屋根板、１１０ 底部断熱支持構造、１１１ 第１箱体列、１１２ 第２箱体列、１３０ 側部断熱構造、１３１ 第１箱体列、１３２ 第２箱体列、１３３ スペーサ、１３６，１３８，１３９，１４０ 隅肉溶接、１５０ 屋根部断熱構造、１５１ ポリウレタンフォーム層、１５２ 第１箱体列、１５３ 第２箱体列、１５４，１５５ ポリウレタンフォームブロック、３００ 二重殻円筒形液体水素タンク、３０１ｃ 屋根板、３０１ｂ 側板、３０３ 支柱、３０４ 屋根骨、４１１ 第１箱体、４１２ 第２箱体、６１１ 第１真空容器、６１２ 第２真空容器。

Claims (15)

1. 底板、側板及び屋根板を有する内槽と、底板、側板及び屋根板を有する外槽と、前記外槽の底板と前記内槽の底板との間に設けられる底部断熱支持構造とを備え、前記内槽と前記外槽との間の空間に大気圧のヘリウムガスを充填している二重殻平底円筒形液体水素タンクであって、
   前記底部断熱支持構造は、
   周囲を囲む側壁と、前記側壁の上端に固定される上蓋と、前記側壁の下端に固定される下蓋とからなる箱体を前記外槽の底板上に左右方向および前後方向に複数個並べて配置した下部箱体列と、
   前記下部箱体列の上に置かれた下部支え板と、
   周囲を囲む側壁と、前記側壁の上端に固定される上蓋と、前記側壁の下端に固定される下蓋とからなる箱体を前記下部支え板上に左右方向および前後方向に複数個並べて配置した上部箱体列と、
   前記上部箱体列の上に置かれ、前記内槽を下から支える上部支え板と、
   前記下部箱体列および前記上部箱体列を構成する各箱体の中に収容され、周囲を囲む側壁と、前記側壁の上端に固定される上板と、前記側壁の下端に固定される下板とからなり、内部空間が真空状態とされている真空容器とを備え、
   前記各箱体およびその中に収容されている各真空容器は、鉛直方向に延びる中心軸線が一致するようにされており、
   前記下部箱体列の各箱体の前記中心軸線と、前記上部箱体列の各箱体の前記中心軸線とは、水平方向に見て左右方向および前後方向にずれた位置関係となっている、二重殻平底円筒形液体水素タンク。
2. 前記各真空容器は、水平面で切断した横断面形状が円形である、請求項１に記載の二重殻平底円筒形液体水素タンク。
3. 前記下部箱体列および前記上部箱体列を構成する各箱体は、水平面で切断した横断面形状が正方形である、請求項１または２に記載の二重殻平底円筒形液体水素タンク。
4. 前記下部箱体列の各箱体の前記中心軸線と、前記上部箱体列の各箱体の前記中心軸線とは、前記箱体の正方形の辺の長さの１／２の長さだけ水平方向に見て左右方向および前後方向にずれた位置関係となっている、請求項３に記載の二重殻平底円筒形液体水素タンク。
5. 前記各箱体とその中に収容されている各真空容器との間に、断熱材が配置されている、請求項１～４のいずれかに記載の二重殻平底円筒形液体水素タンク。
6. 前記真空容器はステンレス鋼板からなる、請求項１～５のいずれかに記載の二重殻平底円筒形液体水素タンク。
7. 前記各箱体は、ガラス繊維強化プラスチックからなる、請求項１～６のいずれかに記載の二重殻平底円筒形液体水素タンク。
8. 前記底部断熱支持構造は、前記外槽の底板上に設けられ、前記下部箱体列の外縁部に接してこの下部箱体列を取り囲む堰体をさらに備える、請求項１～７のいずれかに記載の二重殻平底円筒形液体水素タンク。
9. 底板、側板及び屋根板を有し、内部に液体水素を貯留する内槽と、底板、側板及び屋根板を有する外槽と、前記外槽と前記内槽との間に設けられる断熱構造とを備え、前記内槽と前記外槽との間の空間に大気圧のヘリウムガスを充填している二重殻液体水素タンクであって、
   前記断熱構造は、
   周囲を囲む箱体側壁と、前記箱体側壁の一方端に固定される一方側端壁と、前記箱体側壁の他方端に固定される他方側端壁とからなる箱体を、前記一方側端壁が前記内槽の外面に対面する姿勢で、前記内槽の外面上にＸ方向およびＹ方向に複数個並べて配置した第１箱体列と、
   周囲を囲む箱体側壁と、前記箱体側壁の一方端に固定される一方側端壁と、前記箱体側壁の他方端に固定される他方側端壁とからなる箱体を、前記一方側端壁が前記第１箱体列の箱体の他方側端壁に対面する姿勢で、前記第１箱体列の上にＸ方向およびＹ方向に複数個並べて配置した第２箱体列と、
   前記第１箱体列および前記第２箱体列を構成する各箱体の中に収容され、前記各箱体の箱体側壁の内面に対面した姿勢で周囲を囲む容器側壁と、前記容器側壁の一方端に固定される一方側容器蓋と、前記容器側壁の他方端に固定される他方側容器蓋とからなり、内部空間が真空状態とされている真空容器とを備え、
   前記各箱体およびその中に収容されている各真空容器は、鉛直方向または水平方向に延びる中心軸線が一致するようにされており、
   前記第１箱体列の各箱体の前記中心軸線と、前記第２箱体列の各箱体の前記中心軸線とは、Ｘ方向およびＹ方向にずれた位置関係となっている、二重殻液体水素タンク。
10. 前記断熱構造は、
    前記外槽の底板と前記内槽の底板との間に設けられる底部断熱支持構造と、
    前記外槽の側板と前記内槽の側板との間に設けられる側部断熱構造と、
    前記外槽の屋根板と前記内槽の屋根板との間に設けられる屋根部断熱構造とを備える、請求項１に記載の二重殻液体水素タンク。
11. 前記内槽は角柱形状をしている、請求項９または１０に記載の二重殻液体水素タンク。
12. 前記外槽は角柱形状をしている、請求項９～１１のいずれかに記載の二重殻液体水素タンク。
13. 前記外槽および前記内槽は円筒形状をしており、
    前記内槽の円筒形側板上に配置される前記第１箱体列および前記第２箱体列の各箱体の一方側端壁および他方側端壁の外表面は、前記内槽の中心軸線を中心とする円周線に沿う湾曲形状を有している、請求項９または１０に記載の二重殻液体水素タンク。
14. Ｘ方向およびＹ方向に隣接する前記箱体間の間に隙間を形成するためのスペーサを備える、請求項９～１３のいずれかに記載の二重殻液体水素タンク。
15. 前記スペーサは、前記各箱体の箱体側壁の外面のうち、前記内槽側に近い側の端部領域に固定されている、請求項１４に記載の二重殻液体水素タンク。
    
    

Images