JPWO2016027460A1 - 断熱容器 - Google Patents

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Abstract

常温よりも100℃以上低い温度の物質を保持する断熱容器であって、容器筐体と、容器筐体の外側に配置され、少なくとも容器筐体側に配設される一次断熱層とを備えている。そして、一次断熱層よりも外部側に配設され、通気性のある芯材(14)と、芯材(14)を真空封止する外被材(15)とを有する真空断熱材(8)と、真空断熱材(8)と一次断熱層との間に配置された熱応力分散層(21)と、を備えている。このような構成により、真空断熱材(8)の外被材(15)の、熱収縮亀裂による断熱性能低下を抑制することができるので、長期間に亘って、高い断熱性能を保障することができる。

Description

本発明は、LNG(液化天然ガス)等の、超低温物質を貯蔵する低温タンク等の断熱容器に関する。
一般に、Liquefied Natural Gas(LNG)等を貯蔵する低温タンクについて、輸送中および貯蔵中の蒸発損失低減のために、真空断熱材を用いて断熱性を強化する取り組みが始まっている(例えば、特許文献1を参照)。
図10は、特許文献1に示された、従来の低温タンクの断熱構造を示す図である。
図10に示されるように、低温タンクの断熱構造は、タンク外壁101、および、タンク外壁101の外側に配置された数千枚の断熱パネル102を備えている。断熱パネル102は、フェノールフォームからなる内層パネル103、および、真空断熱材104a(芯材とするグラスウールを多層ラミネートフィルムにて真空パックしたもの)の周囲を硬質ポリウレタンフォーム104bで包んだ外層パネル104を備えている。また、断熱パネル102同士の継ぎ目106の外側には、これを覆うように配置された追加断熱パネル105を備えている。追加断熱パネル105は、外層パネル104と同じように、真空断熱材105aの周囲を硬質ポリウレタンフォーム105bで包んで構成されている。
このような構成によれば、タンクの内壁側から外壁に向かう熱の流れを、内層パネル103、および、外層パネル104の硬質ポリウレタンフォーム104bに加えて、交互配置された真空断熱材104a,105aが遮ることとなる。このため、低温タンクの断熱性能を、顕著に向上させることができる。
しかしながら、このような従来の構成においては、確かに断熱性能の向上は見られるものの、真空断熱材104a,105aと、硬質ポリウレタンフォーム104b,105bとの線膨張係数の違いにより、長期間使用しているうちに、真空断熱材104a,105aの外被材となる多層ラミネートフィルムが、硬質ポリウレタンフォーム104b,105bの熱収縮に伴う熱収縮応力を受けて、亀裂が発生することが懸念される。したがって、真空断熱材104a,105aの持つ断熱性能を、長期間に亘って保障することが困難になる。
すなわち、特許文献1に記載された構成では、例えば外層パネル104の真空断熱材104aは、硬質ポリウレタンフォーム104bに一体成形されている。このため、硬質ポリウレタンフォーム104bの熱収縮によって、真空断熱材104aの多層ラミネートフィルムが引っ張り伸縮される。多層ラミネートフィルムは、この引っ張り伸縮の繰り返しによって亀裂を発生し、この亀裂により、真空断熱材104aの断熱性能が低下する可能性がある。
しかも、真空断熱材104aの外被材は、内層パネル103を構成するフェノールフォーム、および、継ぎ目106の部分を介して、例えばLNG等の物質の超低温が伝導して超低温化する。その結果、外被材を構成する多層ラミネートフィルムは低温脆化する傾向にある。このため、熱収縮による亀裂は、使用時間が長くなるほど発生しやすくなり、大きな課題となる。
特開2010−249174号公報
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、真空断熱材の外被材の熱収縮差による亀裂の発生による断熱性能低下を防止して、長期間に亘って高い断熱性能を保障できる断熱容器を提供するものである。
本発明の断熱容器は、常温よりも100℃以上低い温度の物質を保持する断熱容器であって、容器筐体と、容器筐体の外側に配置され、少なくとも容器筐体側に配設される一次断熱層とを備えている。そして、一次断熱層よりも外部側に配設され、通気性のある芯材と、芯材を真空封止する外被材とを有する真空断熱材と、真空断熱材と一次断熱層との間に配置された熱応力分散層と、を備えている。
これにより、一次断熱層と真空断熱材との間に熱収縮差があって、真空断熱材の外被材に一次断熱層の熱収縮力が加わっても、この熱収縮力は、熱応力分散層によって分散され、真空断熱材の外被材の、熱収縮差による亀裂等の発生を抑制することができる。これにより、真空断熱材は、本来の高い断熱性能を、そのまま維持することができ、断熱容器の断熱性能を長期間に亘って良好に保障することができる。
本発明によれば、真空断熱材の外被材の、熱収縮亀裂による断熱性能低下を抑制することができるので、長期間に亘って、高い断熱性能を保障することができる。
図1は、本発明の第1の実施の形態における断熱容器の断面図である。 図2は、本発明の第1の実施の形態における断熱容器の断熱構造体を示す拡大断面図である。 図3は、本発明の第1の実施の形態における断熱容器の断熱構造体に用いられる真空断熱材の断面図である。 図4は、本発明の第1の実施の形態における断熱容器の断熱構造体に用いられる真空断熱材の平面図である。 図5は、本発明の第1の実施の形態における断熱容器の熱シミュレーション結果を示す説明図である。 図6は、本発明の第1の実施の形態における実験例を示す図である。 図7は、本発明の第4の実施の形態における断熱容器の断熱構造体の構成を示す図である。 図8は、本発明の第5の実施の形態における断熱容器の断熱構造体の構成を示す図である。 図9Aは、本発明の第6の実施の形態における、防爆構造体Aの一例を示す図である。 図9Bは、本発明の第6の実施の形態における、防爆構造体Aの一例を示す図である。 図10は、従来の低温タンクの断熱構造を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。
(第1の実施の形態)
図1〜図5は、本発明の第1の実施の形態における断熱容器1を示している。
図1は、本発明の第1の実施の形態における断熱容器1の断面図であり、図2は、同断熱容器1の断熱構造体2を示す拡大断面図であり、図3は、同断熱容器1の断熱構造体2に用いられる真空断熱材8の断面図であり、図4は、同真空断熱材8の平面図であり、図5は、同第1の実施の形態における断熱容器1の熱シミュレーション結果を示す説明図である。
本実施の形態においては、LNGタンカー等に用いられる、球形独立タンク方式(モス方式)の断熱容器1が示されている。
図1において、断熱容器1は、常温よりも100℃以上低い物質、例えば−162℃の液化天然ガス(以下、LNGと称す)を保持するものであり、外面部と内面部とを断熱する断熱構造体2を備えている。支持体3は、断熱容器1を船体4に固定し、スカートと称される。支持体3は、例えば、アルミ合金と低温用鋼との中間に、熱伝導率の低いステンレス鋼を挿入し、侵入熱の低減を図ったサーマルブレーキ構造とすることができる。また、断熱容器1の断熱構造体2の外周は、カバー5で覆われている。
図2には、断熱容器1の断熱構造体2の構成の一例が示されている。断熱容器1の容器筐体6は、厚さ5mm程度のステンレス鋼等で形成されている。
断熱構造体2は、容器筐体6側の一次断熱層7と、その外側に配置された真空断熱材8とで構成されている。
一次断熱層7は、容器筐体6側の第1の断熱層7aと、その外側に配置された第2の断熱層7bとで構成されている。第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bは、それぞれ、数千枚の方形状の断熱パネル9を貼り付けることによって構成されている。
断熱パネル9は、本実施の形態では厚さ300mm〜400mm程度の発泡スチロール(ビーズ法発泡ポリスチレン(Expandable Polystyrene Beads−EPSによる発泡ポリスチレン)で形成されているが、ポリウレタンフォーム、フェノールフォーム、または、断熱枠に装填されたグラスウールあるいはパーライト等の断熱材によって構成されていてもよい。
なお、本実施の形態の一次断熱層7は、強度を確保するために、第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bと、真空断熱材8との間に、金属メッシュ7cが設けられている。一次断熱層7と真空断熱材8とは、ボルト10によって、容器筐体6に取付け固定されている。
また、一次断熱層7の外部側に配置された真空断熱材8は、その熱伝導率λが、0℃において0.002W/(m・K)であり、第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bを構成する発泡スチロールよりも、約15倍程度低いものである。
真空断熱材8は、図3に示されるように、芯材14を外被材15に内包して減圧密閉し、パネル状に構成されている。外被材15は、厚さ12μmのペットフィルムからなる第1保護層16aと、厚さ25μmのナイロンフィルムからなる第2保護層16bと、厚さ7μmのアルミ箔からなるガスバリア層17と、厚さ50μmの低密度ポリエチレンフィルムからなる熱溶着層18とを複層したラミネートフィルムである。
真空断熱材8は、平均繊維径が4μmの、遠心法で生成されたガラス繊維を焼成して構成される芯材14と、酸化カルシウムを主原料とする吸着剤20とを減圧し、端部において、熱溶着層18同士が対向するように熱接着して密閉して構成されている。そして、熱溶着された部分、および、それより外側部分には、芯材14が内部になく、外被材15同士が接触している封止ヒレ13が形成されている。
さらに、本実施の形態の真空断熱材8においては、外被材15を構成する第1保護層16aのペットフィルム上下面それぞれの外側に、熱応力分散層21をラミネートして一体化している。つまり、外被材15の最外層を、この熱応力分散層21によって構成している。なお、熱応力分散層21は、接着によって第1保護層16aと一体化させてもよい。
熱応力分散層21は、線膨張係数が小さくて熱収縮が少ないとともに、超低温に対する耐性および機械的強度の高い材料で形成されている。例えば、本実施の形態では、厚さが150μm程度のガラスクロスによって、熱応力分散層21が構成されている。
また、真空断熱材8の吸着剤20内に内包されている気体吸着材としては、ZSM−5型ゼオライトからなる吸着材を、表面積が大きい粉末状としたものを用いている。なお、常温での窒素吸着特性を向上させるために、ZSM−5型ゼオライトの中でも、さらに望ましくは、ZSM−5型ゼオライトの銅サイトのうち、少なくとも50%以上の銅サイトが銅1価サイトであり、銅1価サイトのうち、少なくとも50%以上が酸素三配位の銅1価サイトである吸着材を用いることができる。
このように、酸素三配位の銅1価サイトの率を高めた気体吸着剤を用いることにより、空気の吸着量を大幅に向上させることが可能となる。
また、本実施の形態で用いた気体吸着材は、ZSM−5型ゼオライトであり、可燃性材料を利用せずに形成されている。これによって、LNGのような可燃性ガス等のタンクに用いられる真空断熱材内部に気体吸着材を配置したとき、仮に経年劣化等によって、真空断熱材8の内部に可燃性のガスが侵入してきた場合であっても、発火等の危険がなく、安全な真空断熱材8を構成することができる。
本実施の形態の真空断熱材8においては、さらに難燃性構造を向上させている。すなわち、真空断熱材8の芯材14に無機繊維を用いることにより、有機繊維を用いた断熱材よりも難燃性が改善され、結果的に、断熱容器1の難燃性を向上させることができる。また、無機繊維を用いているため、気体中の湿気による体積膨張も少なく、結果的に、断熱容器1の保形性、および、後述する耐防爆性も向上させることができる。
また、真空断熱材8は、図4に示されるように、その略中央部(中央部も含む)に、一次断熱層取付け用のボルト10が挿通する貫通部8aが設けられており、貫通部8aの周囲は、外被材15同士が密着した溶着層15aで構成されている。
なお、本発明は、このようなボルト10を用いた構成に限定されない。例えば、貫通部8aを有さずに、真空断熱材8同士が突き当たっている端部に、ウレタン等の充填材が充填された構成であってもよい。このような構成においては、真空断熱材8同士が充填材によって固定された状態であるので、上下面の温度差による応力歪みによって、クラック等が発生しやすくなる。よって、真空断熱材8と一次断熱層7との間に熱応力分散層21を設けて、熱応力を分散させる構成が特に有効である。
上述のように構成された真空断熱材8は、一次断熱層7に貼り付けられて、容器筐体6に固定される。
本実施の形態では、まず、真空断熱材8の外被材15の最外層を構成する熱応力分散層21の、一次断熱層7(第2の断熱層7b)と対向する面の全面に、ホットメルト等からなる接着剤22を塗布して、一次断熱層7を構成する断熱パネル9の外表面に、真空断熱材8を接着、一体化する。
次に、このようにして真空断熱材8を一体化した断熱パネル9を、周知の方法で容器筐体6に固定して、真空断熱材8を取り付けている。例えば、図2に示されるように、真空断熱材8の上部から、その貫通部8aおよび断熱パネル9を貫通したボルト10を、溶接等によって固定されたナット6aに締め付けて、容器筐体6に固定することができる。このとき、本実施の形態では、ボルト10の頭部フランジ11が、真空断熱材8の貫通部8a周囲の溶着層15aを押さえるようにして、真空断熱材8が、断熱パネル9に、さらに固定されている。
また、真空断熱材8の突き合わせ面同士の間、および、一次断熱層7の突き合わせ面同士間の隙間には、断熱性確保のため、充填断熱材12が設けられていてもよい。この充填断熱材12としては、例えば、柔軟かつ伸縮性に富んだ、繊維の直径が1μmを下回るマイクログラスウールが用いられる。なお、充填断熱材12は、柔軟かつ伸縮性に富んだものであれば、軟質ウレタン、または、容器筐体6の線膨張係数に近い材料、例えば、補強材入りのフェノールフォームあるいはポリウレタンフォーム等でもよい。
また、本実施の形態では、真空断熱材8の突き合せ部と、一次断熱層7を構成する断熱パネル9の突き合せ部とが、互いにずれた位置となるように設定されている。
さらに、真空断熱材8の外周縁に形成された封止ヒレ13は、低温側、すなわち、一次断熱層7側に折り込まれて配置されている。
次に、上述した構成について、その作用効果を説明する。
断熱容器1は、容器筐体6の外側に配置された一次断熱層7と、一次断熱層7よりも外部側に配設された真空断熱材8とによって断熱されて、容器筐体6内のLNGを低温保持する。
ここで、断熱容器1においては、真空断熱材8の全面が、一次断熱層7(第2の断熱層7b)の外面に、接着剤22で接着され、一体化されている。よって、一次断熱層7(第2の断熱層7b)に熱収縮が起きると、これによる引張伸縮力が、真空断熱材8の外被材15に加わることになる。
この、真空断熱材8の外被材15に加わる、一次断熱層7(第2の断熱層7b)の熱収縮による引張伸縮力は、真空断熱材8の外被材15の最外層を構成する熱応力分散層21に加わる。
熱応力分散層21は、本実施の形態においては、ガラスクロスで構成されており、その線膨張係数は小さくて熱収縮が少なく、かつ、超低温に対する耐性および機械的強度が高い。これにより、熱応力分散層21は、一次断熱層7(第2の断熱層7b)の熱収縮に抗して、ほとんど熱収縮することなく、その熱収縮力を分散吸収し、熱収縮がほとんど発生しない。
この結果、熱応力分散層21をラミネートして一体化された外被材15の、アルミ箔からなるガスバリア層17に亀裂が発生することを、強力に抑制することができる。特に、熱収縮亀裂は、コーナ部において生じやすい。しかしながら、このコーナ部に集中しやすい熱収縮応力を、熱応力分散層21が受け止めて分散することにより、コーナ部が熱収縮応力から保護され、熱収縮応力の集中による亀裂を、効率よく抑制することができる。
したがって、長期間使用していても、外被材15のガスバリア層17に亀裂が入ることを防止でき、長期間に亘って、真空断熱材8の高い断熱性を維持し、断熱容器1の断熱性を保障することができる。
また、本実施の形態では、熱応力分散層21としてガラスクロスを用いている。ガラスクロスは、線膨張係数が小さくて、熱収縮が少なく、かつ、超低温に対する耐性および機械的強度が高い。さらに、ガラスクロスは、熱伝導率も低く、断熱性が高い。これにより、容器筐体6内に保存された物質からの超低温によって、真空断熱材8が低温脆化することを抑制することができる。したがって、外被材15の低温脆化による亀裂発生を抑制でき、さらに長期間にわたって断熱容器1の断熱性を保障することが可能となる。
さらに、本実施の形態において、真空断熱材の外被材15の最外層となる熱応力分散層21は、外被材15の上下両面それぞれに、ラミネートされ、一体化されている。よって、真空断熱材8の外被材15は、その外表面の全体において、強度が高いものとなり、生産時の取り扱い等によって、外被材15に亀裂が入ったり、破れたりすることを防止できる。したがって、断熱構造体2の組立過程において生じやすい、真空断熱材8の不良品発生率を抑制し、コストアップを抑えつつ、断熱容器1の断熱性能を、長期間に亘って良好なものとすることができる。
また、本実施の形態において、真空断熱材8は、接着剤22による一体化に加えて、さらに、その略中央部に設けられた貫通部8aに、ボルト10を挿通させて、貫通部8aの周囲が一次断熱層7に機械的に固定された構成となっている。これにより、仮に、接着剤22による接着が継時的劣化によって劣化して、真空断熱材8が、自身の重量によって落下しやすい状況に至ったとしても、この落下を阻止することができる。よって、真空断熱材8が剥がれ落ちる等のことのない、安全で信頼性の高い構成を実現することができる。
さらに、上述した機械的固定は、貫通部8aの周囲の、外被材15同士が密着した溶着層15aを、ボルト10の頭部フランジ11で押さえることにより行われている。これにより、真空断熱材8の芯材14部分の外被材15を傷つけることなく、真空断熱材8を固定することができ、外被材15の傷つきによる断熱性能の低下、および、外被材15の劣化を防止して、長期間に亘って断熱性能を保障することが可能となる。
さらに、本実施の形態において、断熱容器1の容器筐体6外面に設けられた一次断熱層7は、第1の断熱層7aに加えて、第2の断熱層7bが重ね合わされて配置されることにより構成されている。よって、容器筐体6内に保存された物質からの超低温が、第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bによって、真空断熱材8まで伝導リークすることを大幅に低減することができる。その結果、真空断熱材8の外被材15が低温脆化することを、効果的に抑制することができる。これにより、真空断熱材8は、本来の高い断熱性能を維持することができ、さらに長期間に亘って高い断熱性を保障することができる。
容器筐体6と真空断熱材8との間を断熱する一次断熱層7を、第1の断熱層7aと第2の断熱層7bとに分離して設けたことにより、これら両者間には、空気層が形成される。これにより、物質的な連続性(第1の断熱層7aと第2の断熱層7bとが一体物であって、第1の断熱層7a,第2の断熱層7bを構成する物質、例えば発泡スチロールが、容器筐体6側から真空断熱材8まで連続している場合の連続性)が断絶されることにより、超低温のリーク量を低減させることができ、真空断熱材8の外被材15の低温脆化を、より効果的に抑制することができる。
また、すでに述べたように、本実施の形態の断熱構造体2における、真空断熱材8の熱伝導率λは、一次断熱層7の、第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bを構成する発泡スチロールの熱伝導率λよりも、約15倍程度低いものである。これにより、真空断熱材8による断熱が加わる分、第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bのみから構成されるものと比べて、その断熱性能を大きく向上させることができる。
さらに、真空断熱材8は、その高い断熱性能を十分に活かして外気熱を遮断し、真空断熱材8の内側、すなわち、一次断熱層7が設けられている部分の雰囲気温度を大幅に低下させる。これにより、一次断熱層7は、それ自体が持つ断熱効果を相対的に向上させることができ、真空断熱材8自体が持つ、高い断熱効果の発揮と合わせて、その断熱性能をきわめて高いものとすることができる。
また、一次断熱層7の第1の断熱層7a,第2の断熱層7bは、発泡スチロールのみで構成されている。これにより、LNG等の物質からの超低温の伝導、すなわち超低温リーク量は、全域に亘ってほぼ等しいものとなる。その結果、一次断熱層7(第2の断熱層7b)の、真空断熱材8と接する面の温度分布は、ほぼ等しいものとなる。よって、一次断熱層7(第2の断熱層7b)と接する真空断熱材8も、隣接する真空断熱材8を含めて、そのほぼすべての温度分布が略均等なものとなる。これにより、真空断熱材8においては、温度分布ムラによる外被材15の熱伸縮バラツキも抑制され、外被材15自体の熱伸縮バラツキによる亀裂も防止できるので、さらに長期間に亘って高い断熱性を保障することができる。
換言すると、真空断熱材8は、一次断熱層7の外表面に配置されているので、LNG等の物質から真空断熱材8までの距離は、全域に亘ってほぼ同じとなる。したがって、LNG等の物質から真空断熱材8への超低温の伝導、すなわち超低温リーク量は、全域に亘ってほぼ等しいものとなる。この点からも、真空断熱材8の、一次断熱層7(第2の断熱層7b)と接する面の温度分布は、ほぼ等しいものとなる。よって、真空断熱材8の外被材15の温度分布ムラを抑制して、外被材15の伸縮度合いのバラツキを抑制でき、亀裂発生の度合いを大きく低減させることができる。
さらに、本実施の形態では、一次断熱層7の外側が、真空断熱材8によって覆われているので、一次断熱層7の表面温度が環境条件によってばらつくことを抑制でき、一次断熱層7と接する、真空断熱材8の外被材15の亀裂を、さらに抑制することができる。
また、真空断熱材8同士の突き合わせ部に充填された充填断熱材12は、マイクログラスウールで構成されており、柔軟かつ伸縮性に富んでいる。これにより、外気の寒暖に応じて、真空断熱材8にわずかな伸縮が生じても、それに応じて充填断熱材12が伸縮するので、真空断熱材8の伸縮が拘束されることによる、外被材15の亀裂破損等が防止され、長期間に亘って、さらに高い断熱性能を確保することができる。
また、真空断熱材8は、通気性のある芯材14を、ラミネートフィルムからなる外被材15で真空封止して構成し、その封止ヒレ13を一次断熱層7(第2の断熱層7b)側に折り込んで構成されている。これにより、真空断熱材8の封止ヒレ13を介して生じる熱リークを抑制することができる。したがって、真空断熱材8の断熱効果を十分に活かした断熱効果、および、一次断熱層7設置部分の雰囲気温度を低下させる効果を、効率よく発揮させることができる。よって、真空断熱材8を用いた断熱効果を十二分に発揮させ、断熱性を飛躍的に向上させることができる。
図5は、本発明の第1の実施の形態における熱シミュレーション結果を示す説明図であり、破線は、従来の断熱パネルが、図中の真空断熱材の位置まで配置されていて、LNGによる低温が外気まで熱移動する従来タイプの特性を示しており、一点鎖線は、本実施の形態の構成の特性を示している。
図5から明らかなように、本実施の形態の構成では、真空断熱材8による断熱効果によって、一次断熱層7の外面温度を、AからBまで低下させることができている。すなわち、真空断熱材8により、一次断熱層7の設置部分の雰囲気温度が、AからBまで低下している。しかも、一次断熱層7における熱勾配角度が緩やかになっていることから、一次断熱層7自体における低熱の移動が低減し、かつ、雰囲気温度の低下による一次断熱層7による断熱効果が向上していることがわかる。
図6は、本発明の第1の実施の形態における実験例を示す図である。
図6において、比較例1は、真空断熱材の配置されていない、断熱層のみで形成された構成である。実験例1は、比較例と同じ断熱層の厚みで、真空断熱材を外壁側に備えた構成における、熱貫流率の変化を計測したものである。実験例2は、真空断熱材を外壁側に備えた上で、比較例1と同じ熱貫流率にした場合に、どの程度の断熱層の厚みとなるかを計測したものである。
これらを計測する際の条件としては、タンク内の温度を−160℃とし、外気温度を25℃とした。
また、一次断熱層7としては、発泡スチロールを用いている。
実験例1では、断熱層全体の厚さを比較例1と同様にして、平均熱貫流率を測定している。この場合、比較例1と比較して、断熱性能は28%向上している。
実験例2では、比較例1と同様の断熱性能を得ようとした場合に、どの程度、断熱層全体が薄くなるかを測定している。この場合、比較例1と比較して、37%厚みを低減できることがわかる。
このように、本実施の形態の構成によれば、第1の断熱層7aと第2の断熱層7bとからなる一次断熱層7の合計厚み幅を、大幅に小さくすることができる。例えば、真空断熱材8のパネル厚を20mmとすると、第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bの合計厚さを170mm薄くすることができ、その分、断熱容器1の容積を増大させることができる。
例えば、本実施の形態の構成を、LNGのボイルオフガスを燃料として使用しているLNGタンカー等の断熱容器(タンク)として使用することにより、LNGの使用量を抑えることができる。よって、経済性が向上するとともに、LNGのボイルオフガスを再液化するようなタイプのLNGタンカーでは、その再液化のためのエネルギーロスを低減することができる。
また、真空断熱材8の芯材14として、無機繊維を用いることにより、外部からの火災に起因する断熱容器1への類焼に対して、断熱材の難燃化を図ることができる。さらに、真空断熱材8の外被材15中に湿気が残っていたとしても、この湿気によって芯材14が膨張して、真空断熱材8自体が変形することを抑制することができる。これにより、LNG断熱容器等のように、定期的に温水洗浄等のメンテナンスが行われるとき、その温水洗浄時に真空断熱材8が大きく膨張変形し、真空断熱材8自体の大きな熱膨張変形によって、その外被材15に亀裂が生じることを防止でき、断熱容器1の断熱性保障を、より確実に実現することができる。
また、芯材14として、ガラス繊維を焼成して用いていることにより、焼成を行っていない場合と比較して、寸法変化を大幅に抑制することができる。
例えば、焼成を行わず、遠心法によって形成された芯材14を用いる場合には、寸法変形が2倍以上となり、およそ5〜6倍程度まで厚みが厚くなる。一方、本実施の形態の構成によると、寸法変形を1.2倍程度、多くても1.5倍以下に抑制することが可能であるので、タンクの内壁と外壁との中で寸法変形を起こすことによる弊害を抑制することが可能となる。
なお、本実施の形態では、芯材14を遠心法によって形成しているが、例えば、紙を漉くように、水分を含ませた芯材を脱水する抄造法で形成された芯材14を用いることも可能である。
抄造法で形成された芯材14を用いる場合には、あらかじめ水に溶かして繊維を分散させた上で脱水することにより、大気圧に対して減圧する場合の寸法変形が少なく、厚みが薄くなるように形成する。このため、亀裂等によって破袋した場合であっても、寸法変形によって発生する弊害を抑制することが可能となる。
また、本実施の形態によれば、真空断熱材8は、断熱容器1の最も外壁側に一列に配置されているので、従来のように、断熱パネルを2列配置して、真空断熱材8を大部分で重ね合わせるもののように、多量の真空断熱材8を必要とせず、そのために必要となる多量の材料およびコストを低減することが可能となる。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
第2の実施の形態の構成は、図1〜図4に示される構成と同様であるが、一次断熱層7を構成する第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bを、互いに異種材料で形成する、または、同じ発泡スチロールであっても、その発泡密度を互いに異ならせて、第2の断熱層7bの断熱性能が、第1の断熱層7aの断熱性能と同等か、それよりも高い構成としてある点で異なる。
例えば、第1の断熱層7aを、第1の実施の形態と同様の、EPSによる発泡ポリスチレンで形成し、第2の断熱層7bを、ウレタンフォームで形成するといった構成が挙げられる。
これにより、容器筐体6側の第1の断熱層7a設置部分の雰囲気温度を、その外側に位置する、断熱性能の高い第2の断熱層7bによって、低く抑えることができる。よって、第1の断熱層7aの断熱効果を向上させ、その分、真空断熱材8への熱リークを抑え、外被材15温度の低温脆化を抑制して、より信頼性を高めることができる。
さらに、第2の断熱層7bよりも断熱性能の高い真空断熱材8を、より外壁側に備える構成とすることにより、第2の断熱層7bの断熱性能を向上させることができ、ひいては、第1の断熱層7aの断熱性能を向上させることも可能となる。
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
第3の実施の形態の構成も、図1〜図4に示される構成と同様であるが、真空断熱材8の外被材15の第1保護層16a,第2保護層16bのうち、第2の断熱層7bと接する方を、これとは反対側の、外気と接する方よりも、より耐低温脆化性の高い構成としたものである。
例えば、真空断熱材8の、第2の断熱層7bと接する側の材料を、熱応力分散層21内側のラミネートフィルムをアルミ箔でコーティングした材料とする。そして、これとは反対側の、外気と接する側の材料を、熱応力分散層21内側のラミネートフィルムをアルミ蒸着でコーティングした材料とする。
または、真空断熱材8の第2の断熱層7bと接する側の、外被材15の熱応力分散層21内側のラミネートフィルムを多重構造とする。そして、これとは反対側の、外気と接する側の外被材15の熱応力分散層21内側のラミネートフィルムを一重の構造とする。
これにより、真空断熱材8の、低温となる側の外被材15は、耐低温脆化性をより高めることができ、低温脆化を効率よく抑制することができる。そして、これとは反対側の外被材15は、比較的安価な材料、または、同じ材料でも少量で構成することができ、安価に信頼性を向上させることができる。
また、外壁側に位置するアルミ蒸着フィルムは、アルミ箔と比較して断熱性能が高いため、外気からの熱の進入を抑制することができ、タンク内を、より低温に維持することが可能となる。
(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。
図7は、本発明の第4の実施の形態における断熱容器1の断熱構造体102の構成を示す図である。
第4の実施の形態においては、第1の実施の形態〜第3の実施の形態における真空断熱材8のさらに外側に、三次断熱層23を設けている。三次断熱層23は、一次断熱層7の、第1の断熱層7aおよび第2の断熱層7bと同材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。
第4の実施の形態の構成によれば、三次断熱層23の断熱効果が加わって、真空断熱材8の外気側の温度を低下させることができ、外被材15を介した熱リークをさらに低減して、断熱性能を一段と高いものとすることができる。
(第5の実施の形態)
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。
図8は、本発明の第5の実施の形態における断熱容器1の断熱構造体202の構成を示す図である。
本実施の形態においては、第1の実施の形態〜第4の実施の形態における真空断熱材8を二重に配置して、その外周縁を、段違いに重ね合わせて配置したものである。
このような構成とすることによって、真空断熱材8同士の突き合わせ部に発生する隙間を解消して、この部分で発生する断熱ロスを大幅に低減すると同時に、真空断熱材8と容器筐体6との間の密閉度を上げることができる。したがって、容器筐体6側の、一次断熱層7(第1の断熱層7aと第2の断熱層7b)が設置されている部分の雰囲気温度を低下させる効果を、さらに向上させることができ、その断熱性を一段と高いものとすることができる。
なお、本実施の形態では、真空断熱材8を二重に備えるものとしたが、例えば、真空断熱材8の外周縁の端部形状を段違いに構成することにより、隣接する真空断熱材8の突き合わせ部を、図8に示された突き合わせ部と同様に、外周縁で段違いに異なる形状とすることができる。このように、一重の真空断熱材8であっても、突き合わせ部からの熱移動を抑制することが可能となる。
(第6の実施の形態)
次に、本発明の第6の実施の形態について説明する。
第6の実施の形態においては、真空断熱材8の外被材15の内部で残留ガスが膨張したときに、真空断熱材8の急激な変形の抑制および防止を、より確実に行うことができるようにしている。すなわち、本実施の形態では、図9Aおよび図9Bに示されるように、外被材15の内部で残留ガスが膨張したときに、残留ガスが所定圧以上になると、外部に残留ガスを放出する防爆構造体Aを設けて、安全性を高めている。
なお、防爆構造体A以外の部分の構成および効果は、第1の実施の形態〜第5の実施の形態と同じであり、第1の実施の形態〜第5の実施の形態の構成と同じ部分には同一番号を付記して、その説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
本実施の形態で用いられる防爆構造体Aは、特定の構成に限定されるものではないが、代表的には、例えば、
構成例1:外被材15が、残留ガスを外部に逃がして膨張を緩和する構成、および、
構成例2:外被材15の内部に芯材14とともに封入された吸着剤20が、残留ガスを化学的に吸着する化学吸着型であるか、残留ガスの吸着によって発熱しない非発熱性であるか、または、化学吸着型かつ非発熱性である構成、
等が例示される。
図9Aおよび図9Bを用いて、構成例1の防爆構造体Aの例を説明する。
図9Aおよび図9Bは、本発明の第6の実施の形態における、防爆構造体Aの構成の一例を示す図である。
構成例1の防爆構造体Aとしては、代表的には、図9Aおよび図9Bそれぞれに示されるような、逆止弁24および強度低下部位26が挙げられる。
図9Aには、逆止弁24によって構成された防爆構造体Aの例が示されている。逆止弁24は、外被材15の一部に設けられた弁孔25を閉止する、キャップ状の構成を有している。弁孔25は、外被材15の内外を貫通するように設けられ、キャップ状の逆止弁24は、ゴム等の弾性材料で構成されている。
通常、弁孔25は、逆止弁24により閉止されているので、外被材15の内部に外気が侵入することは実質的に防止されている。仮に、周囲の温度変化によって外被材15が収縮し、これに伴って弁孔25の内径が変化しても、逆止弁24は弾性材料で構成されているので、弁孔25を良好に閉止することができる。万が一、外被材15の内部で残留ガスが膨張した場合には、内圧の上昇に伴って、逆止弁24が弁孔25から容易に外れて、残留ガスが外部に逃がされる。
また、図9Bは、強度低下部位26を設けることによって構成された防爆構造体Aの例を示している。強度低下部位26は、封止ヒレ13同士の溶着部位において、一部の溶着面積を小さくした部位26aによって構成されている。
この強度低下部位26の例では、封止ヒレ13の溶着部位26aにおける内側(芯材14側)が溶着されていない。このため、部位26aにおける溶着面積が、他の封止ヒレ13の溶着部位よりも小さくなっており、万が一、外被材15の内部で残留ガスが膨張した場合には、内圧の上昇による圧力が強度低下部位26に集中しやすくなる。そして、溶着層15aの溶着面積を小さくした部位26aが剥がれて、残留ガスが外部に逃がされる。
なお、強度低下部位26は、図9Bに示された、溶着面積を部分的に小さくする構成に限定されず、溶着面積が同じでも、溶着強度を部分的に低下させる構成であってもよい。例えば、封止ヒレ13を加熱溶着する際に、一部分についてのみ、加える熱を小さくして、溶着部位の溶着の程度を弱くしてもよい。あるいは、強度低下部位26を、封止ヒレ13の溶着箇所以外に設けてもよい。例えば、外被材15を構成する、熱溶着層18とガスバリア層17との間に、部分的に積層強度を低下させた部位を形成して、強度低下部位26を構成してもよい。
さらに、熱溶着層18の一部の材料を、他の部位と比べて溶着強度の低い材料にすることによって、強度低下部位26を形成してもよい。例えば、熱溶着層18としては、上述の通り、低密度ポリエチレンを好適に用いることができるが、熱溶着層18の一部に、高密度ポリエチレン、エチレン−ビニルアルコール共重合体、または、アモルファスポリエチレンテレフタレート等を用いてもよい。これらの高分子材料は、低密度ポリエチレンよりも溶着強度が低いため、強度低下部位26の形成に好適に用いることができる。
また、強度低下部位26の形成方法としては、熱溶着層18同士の溶着部位の厚みを部分的に小さくする構成、熱溶着層18の溶着部位となる領域の一部に接着強度の小さい接着剤を介在させる構成、および、外被材15の封止ヒレ13となる領域において、熱溶着層18を部分的に剥離して、ガスバリア層17同士を直接熱溶着する構成等も採用することができる。
万が一、事故等が発生したとき、真空断熱材8は、過酷な環境に曝されるおそれがある。しかしながら、本実施の形態の場合、真空断熱材8が過酷な環境に曝されて内部の残留ガスが膨張等すると、逆止弁24が弁孔25から外れたり、強度低下部位26から過度な膨張圧力が外部に放散されたりして、真空断熱材8の変形を有効に回避することができる。それゆえ、真空断熱材8の防爆性を向上させて、断熱容器1の安全性を高めることができる。
なお、本実施の形態の構成を示す図9Aおよび図9Bにおいては、真空断熱材8に設けられた熱応力分散層21を図示せずに、防爆構造体Aを強調表示している。
一方、構成例2の防爆構造体Aとしては、既に述べたZSM−5型ゼオライトによって構成された吸着材があげられる。吸着材を構成するZSM−5型ゼオライトは、化学吸着作用を有する気体吸着剤である。そのため、例えば、温度上昇といった様々な環境要因が生じても、一度吸着したガスが再放出されることが実質的に防止される。よって、可燃性燃料等を扱う場合に、何らかの影響で吸着剤20が可燃性ガスを吸着したとしても、その後の温度上昇等の影響によって、ガスが再放出されることがない。その結果、真空断熱材8の防爆性を、より一層向上させることが可能となる。
また、ZSM−5型ゼオライトは、不燃性の気体吸着剤であるため、本実施の形態における吸着剤20は、実質的に不燃性材料のみで構成されることになる。したがって、芯材14も含めて、真空断熱材8の内部に可燃性材料を用いることなく、防爆性を、より一層向上させることができる。
このように、吸着剤20が化学吸着型であれば、物理吸着型と比較して、吸着した残留ガスが容易に離脱しないので、真空断熱材8の内部の真空度を良好に保持することができる。しかも、残留ガスが脱離しないため、外被材15の内部で残留ガスが膨張して、真空断熱材8が変形するおそれを有効に防止することができる。よって、真空断熱材8の防爆性および安定性を向上させることができる。
また、吸着剤20が、非発熱性材料であるか、不燃性材料であるか、または、その両方を満たす材料であれば、外被材15が損傷する等によって、異物が内部に侵入しても、吸着剤20が発熱したり燃焼したりするおそれを回避することができる。よって、真空断熱材8の防爆性および安定性を、一段と向上させることができる。
以上説明してきたように、本発明の実施の形態の断熱容器1は、真空断熱材8を用いることによって断熱性を向上させるとともに、真空断熱材8の外被材15の熱収縮亀裂による断熱性低下を抑制することにより、高い断熱性を長期間に亘って保障できる。しかしながら、その構成は、本発明の目的を達成する範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、真空断熱材8は、一次断熱層7に対して接着剤22で接着され、一体に固定されるものを例示したが、これは、一次断熱層7を構成する断熱パネル9の成型時に、真空断熱材8が一体に成型固定されるようにしてもよいものである。
また、実施の形態では、真空断熱材8を、接着剤22による接着とともに、ボルト10の頭部フランジ11による機械的固定を併用して、一次断熱層7に固定一体化する構成を例示した。しかしながら、この機械的固定は、必ずしも必要となるものではなく、必要に応じて適宜適用すればよいものである。
さらに、真空断熱材8の熱応力分散層21は、真空断熱材8の両面に設けられる構成を例示したが、これは少なくとも一次断熱層7への固定面側に設けられていればよい。この場合には、真空断熱材8の上下両面の強度を向上することによる品質不良低減防止効果は期待できなくなるものの、本発明の所期の目的を達成するには十分である。
また、熱応力分散層21として、ガラスクロスを例示したが、一次断熱層7の熱収縮による引張収縮力を分散させることができるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、ガラス繊維以外にも、線膨張係数が小さく、強度の比較的強い、炭素繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、アラミド繊維、ポリアミド繊維およびポリイミド繊維から選択されるものを用いることができる。
さらに、熱応力分散層21は、真空断熱材8の外被材15にラミネートされて、外被材15の最外層を構成するものを例示したが、この熱応力分散層21は、単独部品として、接着剤22によって、真空断熱材8と一次断熱層7との両者に対して、接着一体化されるようにしてもよいものである。
また、実施の形態では、断熱容器1が、LNGタンカー等のタンクとして用いられる例を示したが、本発明はこの例に限定されず、陸上設置のLNGタンク等の断熱容器、または、医療用および工業用に用いられる低温保存容器等の断熱容器であってもよい。保存される物質も、LNGではなく、液体水素等、常温より100℃以上低い物質であれば、どのようなものであってもよい。
以上述べたように、本発明の実施の形態の断熱容器は、常温よりも100℃以上低い温度の物質を保持する断熱容器であって、容器筐体と、容器筐体の外側に配置され、少なくとも容器筐体側に配設される一次断熱層とを備えている。そして、一次断熱層よりも外部側に配設され、通気性のある芯材と、芯材を真空封止する外被材とを有する真空断熱材と、真空断熱材と一次断熱層との間に配置された熱応力分散層と、を備えている。
このような構成によれば、一次断熱層と真空断熱材との間に熱収縮差があって、真空断熱材の外被材に一次断熱層の熱収縮力が加わっても、この熱収縮力は熱応力分散層によって分散され、真空断熱材の外被材に、熱収縮差による亀裂等が発生することを抑制することができる。これによって、真空断熱材は、本来の高い断熱性能をそのまま維持することができ、断熱容器の断熱性能を、長期間に亘って良好に保障することができる。
また、熱応力分散層は、ガラスクロスで構成されていてもよい。
このような構成によれば、ガラスクロスが持つ断熱性能も加わって、外被材の熱収縮による亀裂を防止することができるとともに、外被材自体の断熱性を向上させ、外被材自体の低温脆化も抑制でき、信頼性を高め、より一層、長期間に亘って高い断熱性を保障することができる。
また、真空断熱材は、外被材の、少なくとも一次断熱層と接する側の面に、熱応力分散層を一体にラミネートすることによって構成されていてもよい。
このような構成によれば、さらに、コストアップ要因となるガラスクロスを、一次断熱層と接する側の片面のみとして、その使用量を抑えることができる。よって、コストアップを抑えつつ、断熱容器の断熱性能を、長期間に亘って良好に保障することができる。
また、真空断熱材は、外被材の上下両面に、熱応力分散層を一体にラミネートすることにより、外被材の最外層となる構成であってもよい。
このような構成によれば、さらに、真空断熱材は、その上下両面の最外層が強度の高い熱応力分散層となる。よって、生産時の取り扱いによって、外被材に亀裂が入ったり、破れたりするようなことを防止でき、真空断熱材の不良品発生率を抑制し、コストアップを抑えつつ、断熱容器の断熱性能を、長期間に亘って良好に保障することができる。
また、真空断熱材の芯材として、無機繊維が用いられた構成としてもよい。
このような構成によれば、さらに、真空断熱材の外被材中に湿気が残っていたとしても、この湿気によって芯材が膨張して、真空断熱材自体が変形することを抑制することができる。例えば、LNG断熱容器等のように、定期的に温水洗浄等のメンテナンスが行われるときに、若干の湿気が外被材中に残存していたとしても、真空断熱材が膨張変形するのを防止し、真空断熱材自体の熱膨張変形による外被材の亀裂発生をも防止できる。よって、断熱容器の断熱性保障を、より確実に実現することができる。
また、真空断熱材は、防爆構造を有する構成としてもよい。
このような構成によれば、さらに、真空断熱材中に若干の湿気および空気が残っていて、この湿気や空気等により、膨張が生じるようなことがあっても、膨張圧力が所定値以上になると、防爆構造部分から膨張圧力を外部に排出することができる。よって、そのまま膨張し続けて爆発的破壊が生じることを防止して、断熱容器としての安全性を確保することができる。
また、真空断熱材は貫通部を有し、貫通部を介して、一次断熱層に、さらに機械的に固定された構成であってもよい。
このような構成によれば、さらに、真空断熱材は、機械的固定が加わった形で一次断熱層と一体化することになる。よって、真空断熱材の一次断熱層への固定力が経年劣化によって弱くなってきても、真空断熱材が剥がれ落ちること等を確実に防止でき、信頼性の高いものを実現することができる。
また、フランジ部を有するボルトをさらに備え、貫通部の周囲に、外被材同士が密着した溶着層が構成され、溶着層が、ボルトのフランジ部によって押さえられることにより、真空断熱材が一次断熱層に固定される構成であってもよい。
このような構成によれば、さらに、芯材部分の外被材を傷つけることなく、真空断熱材を固定することができる。よって、外被材の傷つきによる断熱性能の低下、および、外被材の劣化を防いで、さらに長期間に亘って断熱性能の保障が可能となる。
以上述べたように、本発明によれば、真空断熱材の外被材の、熱収縮亀裂による断熱性能低下を抑制することができる、という格別な効果を奏することができる。よって、本発明は、LNGをはじめとする、極低温物質の貯蔵、および、輸送用の断熱容器等として、幅広く適用することができ、有用である。
1 断熱容器
2,102,202 断熱構造体
3 支持体
4 船体
5 カバー
6 容器筐体
6a ナット
7 一次断熱層
7a 第1の断熱層
7b 第2の断熱層
7c 金属メッシュ
8 真空断熱材
8a 貫通部
9 断熱パネル
10 ボルト
11 頭部フランジ
12 充填断熱材
13 封止ヒレ
14 芯材
15 外被材
15a 溶着層
16a 第1保護層
16b 第2保護層
17 ガスバリア層
18 熱溶着層
20 吸着剤
21 熱応力分散層
22 接着剤
23 三次断熱層
24 逆止弁
25 弁孔
26 強度低下部位
26a 部位
A 防爆構造体

Claims (8)

  1. 常温よりも100℃以上低い温度の物質を保持する断熱容器であって、
    容器筐体と、
    前記容器筐体の外側に配置され、少なくとも前記容器筐体側に配設される一次断熱層と、
    前記一次断熱層よりも外部側に配設され、通気性のある芯材と、前記芯材を真空封止する外被材とを有する真空断熱材と、
    前記真空断熱材と前記一次断熱層との間に配置された熱応力分散層と、
    を備えた断熱容器。
  2. 前記熱応力分散層は、ガラスクロスで構成された
    請求項1に記載の断熱容器。
  3. 前記真空断熱材は、前記外被材の、少なくとも前記一次断熱層と接する側の面に、前記熱応力分散層を一体にラミネートすることによって構成された
    請求項1または請求項2に記載の断熱容器。
  4. 前記真空断熱材は、前記外被材の上下両面に、前記熱応力分散層を一体にラミネートすることにより、前記外被材の最外層となる
    請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の断熱容器。
  5. 前記真空断熱材の前記芯材として、無機繊維が用いられた
    請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の断熱容器。
  6. 前記真空断熱材は、防爆構造を有する構成とした
    請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の断熱容器。
  7. 前記真空断熱材は貫通部を有し、前記貫通部を介して、前記一次断熱層に、さらに機械的に固定された
    請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の断熱容器。
  8. フランジ部を有するボルトをさらに備え、
    前記貫通部の周囲に、前記外被材同士が密着した溶着層が構成され、
    前記溶着層が、前記ボルトの前記フランジ部によって押さえられることにより、前記真空断熱材が前記一次断熱層に固定される
    請求項7に記載の断熱容器。
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