海事・交通・水産・気象図書出版の成山堂書店

長年の研究成果を基に、4つのタンク様式ごとに支配力方程式を作成。
実務者に必要な固有の解を得るために、多くの条件設定をして数値解を算出。
超低温液化ガスの熱的な挙動や電熱現象を解説した稀有な一冊である。

【まえがき】より 最近のクリーンエネルギーとしての世界的なLNG海上輸送の増加や各種のタンク方式の開発と実用化を眺めると、著者が最初にLNG関連の研究、設計を始めた1970年当時から考えると隔世の感がある。また次世代エネルギーとして注目を浴びるようになった水素エネルギーの現状、さらに家庭向けの燃料電池の普及や一般消費者向けの燃料電池車の出現、水素発電推進の日本政府方針を見るに、同じくその可能性についての検討を命じられた1987年の当時から見るとようやくその時代が到来したかと感慨を覚える。我が国のようにエネルギー資源を海外に頼らざるを得ない状況において、さらに原子力発電に制約を課せられた国においてはLNGは地球環境に優しい重要なエネルギー資源であり、今後もその地位は変わらないものと思われる。海洋環境からはSOx排出の削減からLNG燃料の船舶が出現しており、今後はIMOによるECA（Emission control area）の海域拡大と共に、船舶燃料としてのLNGの利用も拡大していくものと予想され、主機に直結し最適の燃料供給を行う小型タンク内のLNGの取り扱いのノウハウなども重要になってくるであろう。
一方の水素については、我が国は資源ゼロの現実を踏まえて革新的エネルギー資源開発先進国として、世界の先頭を行く優れた諸技術を駆使し、世界に先駆けて開発すべきエネルギー資源であろうと著者は考える。単なる資源単体としての意味のみならず、水素に関連する改質技術や水の電気分解による製造技術、液化技術、あるいは他の物質との変換技術、吸蔵合金などの貯蔵技術、輸送技術、燃焼発電技術、燃料電池による電気変換技術、蓄電技術、さらにはタンクなどの超低温材料技術、断熱技術、あるいはMRIや超電導などの超低温の利用技術、あるいは低温回収技術など、LNGでは見られなかったあるいは軽視されていた非常に広いすそ野分野の技術が関連しており、よって水素の持つ新しい技術への波及効果と開発へのインセンティブは大きい。
これら用途のルーツの最上流にあって、今後の大量消費に対応した超低温液化水素の安全で信頼性ある貯蔵と輸送の技術は重要な役割を担うものであると考える。
昨年12月に採択されたCOP21パリ協定により動き始めた、世界的な脱炭素化の潮流はLNGや水素エネルギーへの期待を一層高めるものとなろう。
著者は企業ならびに大学さらに退職後は企業との共同研究を通して、LNG や液化CO2さらにはCO2-ハイドレイト、メタン-ハイドレイトに関する技術開発ならびに研究に携わってきた。
また水素LH2に関しては次世代エネルギーとして、企業の原動機部門の同僚との利用技術の研究ならびに輸送船の研究に携わり、そのクリーンさと利用のすそ野の広さに魅了されてきた。
昨今のLNGや水素の世界的な動向を見るに、また超低温液化ガスの熱的な挙動や伝熱現象を解説した適当な書籍が見当たらないことから、同じような分野で苦労をされている担当者、新しい方式を開発されようとしている研究者、これから液化ガスについて勉強を開始しようとしている初心者の方々、あるいはLNG船の運航に携わっている方々になんらかのヒントが与えられれば良いとの思いから、これまでの研究結果を基に新たに筆を執ったものである。内容は基礎理論を説いた専門書としてではなく、さらに進めて数値解まで求め、実務者向けの書になることを心掛けたつもりである。このために基礎的な理論に多く割くよりもまず解が得られることに重点を置いている個所もある。したがって解くための条件設定をしたところもある。また既に多くの書籍にある基礎的な記述に関しては省略している事項も多い。そのような点に気付かれたら他の専門書も見て頂きたい。読者におかれては物理化学、熱力学、伝熱学、流体力学および数値計算の専門書を一冊横において本書を見られることをお勧めしたい。一層理解が進むと考える。
大部分の数式展開は微分方程式に基づいているが、実務の場においては実用的でない場合も多いと思われる。読者におかれては本書に記述した結果を参考に、現象や操作の本質を失わない範囲内で実用的な数式、すなわち時間平均値や場所平均値を使うなどの即戦的な展開を工夫されることは有意義であろう。また実務者が必要とするのはまずは個々の条件下での固有の解であることから、数値計算では無次元化によるあるいはタンク様式間の統一した解の形については言及していない。それに代わって現状における現実的な幅を持たせた、なるべく多くの条件設定での数値解を示したので実務での参照が可能と考える。
現在タンク様式はいくつもあり、それぞれで内部の挙動様式は異なるものである。そのために本書ではつのタンク様式ごとに支配方程式を独自に作り解いている。またBFCシステムを用いているためにどのようなタンクや船体構造の形状にも対応できるようにしているので御利用頂きたい。CFDについてはLNGやLH2のような超低温液体の場合、透明容器に入れて中の動きを目視観察するといった実験は不可能であり、CFDが唯一のよりどころとなっている。その場合、計算による結果が正しいのかどうかの検証方法が重要になる。本書の主体となる第4 章以降の理論構成は一部を除いてほとんどが著者独自の発想によっており、未だ実船での確認がなされていない部分もある。それらについては今後実船データを得たものから順次検証を行っていきたい。数値計算についてはPC を用いているために計算速度やメモリーの点からDimensionを大きくとることが難しく、格子分割数に実用上の制限があった。よってハードウエアの制限を解いてより細密な分割ができれば、数値解の解像度を上げることが可能となろう。本書を執筆するにあたり、企業における実務、大学での研究の場を通し多くの指導と励ましを受けてきた九州大学名誉教授山崎隆介先生、大学での研究の道を開いて頂いた九州大学名誉教授故・栖原二郎先生、ならびに企業において、当時は革新的技術であった水素研究着手の端緒を開いて頂いた当時三菱重工業（株）長崎造船所副所長鈴木孝雄氏の各位に深甚なる謝意を表したい。実船における多くの技術課題を提供し、問題の共有や討論を通して理論と実船との繋がりを付けてきたTI Marine Contacting AS, Managing Director Mr. Anstein Sorensen には深く感謝したい。
I would like to express a sincere gratitude to a respected colleague Mr. Anstein Sorensen for the fruitful discussions and studies and bridging endeavour between theory and technology on the wide varieties of the engineering issues of LNG and LH2 carriers.
複雑なグラフ作業には図書館司書上川ひろみ氏にもお手伝い頂いた。正確で忍耐強い作業に謝意を表する。本書を出版していただいた成山堂書店の小川典子社長また遅れがちの執筆作業を根気強く励まし、読みにくい原稿や図表を好意的に処理して頂いた編集グループ板垣洋介氏、ならびに編集に尽力を頂いた田中陽平氏には深く感謝する。
最後に研究実務から執筆作業を通し、終始温かく見守ってくれた妻・美恵にありがとうを言いたい。

2016年7月7日
朝倉三連水車の響きを聞きながら
古林義弘

【目次】
第1章　緒論 第2章LNGタンクシステムの構造 　2-1 船舶搭載タンク
　2-2 陸上タンク

第3章LNG・LH2タンクシステムの伝熱、熱流動、熱物性に関する基礎式 　3-1 熱伝導
　　3-l-1 熱伝導の基礎微分方程式
　　3-l-2 境界条件および初期条件
　3-2 熱伝達
　　3-2-1 自然対流熱伝達
　　3-2-2 強制対流熱伝達
　3-3 熱放射
　3-4 蒸気の性質と状態変化
　　3-4-1 蒸気とガス
　　3-4-2 飽和圧力と温度との関係、蒸気圧曲線
　　3-4-3 状態変化
　3-5 気液平衡
　　3-5-1 状態方程式
　　3-5-2 気液平衡の条件
　3-6 物資移動
　　3-6-1 基礎微分方程式
　　3-6-2 境界条件および初期条件
　3-7 凝縮
　3-8 熱流動
　　3-8-1 面対称水平軸座標系(x,z)、(u,w)
　　3-8-2 軸対称水平軸座標系(x,z)、(u,w)
　　3-8-3 面対称緯度軸座標系(r,?)、(u,w)
　　3-8-4 軸対称緯度軸座標系(r,φ)、(u,w)
　　3-8-5 直角3 次元座標系(x,y,z)、(u,v,w)

第4章　船体およびタンク形状に適合させた熱流動の数値計算 　4-1 座標系と適用構造形状
　4-2 BFC手法の導入と座標変換の一般式
　　4-2-1 物理空間から計算空間への座標変換
　　4-2-2 速度の反変速度への変換
　4-3 タンク形状に合わせた座標系と支配方程式および物理的解釈
　　4-3-1 水平自由表面空間：無限長断面、HorCyl
　　4-3-2 水平自由表面空間：軸対称回転体、HorSph, VerCyl
　　4-3-3 緯度平面空間：無限長断面、LatHld-2
　　4-3-4 緯度平面空間：軸対称回転体、LatHld-3
　　4-3-5 次元直角空間：SPB
　　4-3-6 球あるいは球環：SPH
　4-4 差分式への展開と数値計算
　　4-4-1 全体流れとフローチャート
　　4-4-2 連続条件を満足する圧力のPoisson 方程式の解法
　　4-4-3 時間間隔と安定条件：Neumann の安定条件
　　4-4-4 差分式への展開

第5章　満載・自然蒸発時のタンク内でのLNG・LH2の挙動 　5-1 満載時の挙動概要
　5-2 計算モデル
　　5-2-1 液層部
　　5-2-2 気層部
　　5-2-3 気液界面での熱授受
　　5-2-4 LNGタンクおよびLH2タンクの概要とLNGおよびLH2の物性値
　5-3 熱流動の基礎式および境界条件、初期条件
　　5-3-1 球形タンク
　　5-3-2 横置き円筒タンク
　　5-3-3 縦置き円柱タンク
　　5-3-4 SPBタンク
　5-4 LNG大型タンクおよびLH2小型タンクの数値計算
　　5-4-1 LNG 球形タンク
　　5-4-2 LNG横置き円筒タンク
　　5-4-3 LNG縦置き円筒タンク
　　5-4-4 LNG SPBタンク
　　5-4-5 LH2球形タンク
　　5-4-6 LH2 横置き円筒タンク
　　5-4-7 LH2縦置き円筒タンク
　　5-4-8 LH2 SPB タンク
　　5-4-9 温度分布および流れの考察
　5-5 自然蒸発中のLNG、LH2内の垂直方向温度分布

第6章　部分積載・自然蒸発時のタンク内でのLNG、LH2の挙動 　6-1 部分積載時の挙動概要
　6-2 計算モデルおよび基礎式
　6-3 LNG 大型タンク、LH2小型タンクの数値計算
　　6-3-1 LNG 球形タンク
　　6-3-2 LNG横置き円筒タンク、縦置き円筒タンクおよびSPBタンク
　　6-3-3 LH2球形タンク,横置き円筒タンク,縦置き円筒タンクおよびSPBタンク
　　6-3-4 温度分布および流れの考察

第7章　満載時のLNG・LH2の自然蒸発率Boil off rateの計算 　7-1 自然蒸発率BOR の概要
　7-2 船体構造とタンクとの一体解析
　7-3 タンクへの伝熱要素分解とその大きさ
　　7-3-1 タンク断熱部を通しての伝熱
　　7-3-2 タンク支持構造を通しての伝熱
　　7-3-3 タンク頂部での伝熱
　　7-3-4 タンク壁から液面への放射熱
　7-4 タンク全体での入熱量とBOR算定
　7-5 実船での数値計算例
　　7-5-1 球形タンク
　　7-5-2 矩形タンク
　7-6 大気・海水の外界条件を変えた場合：IMO条件
　7-7 BOR を人為的に制御する、蒸気取り出し量の制御
　　7-7-1 圧力と蒸発との関係
　　7-7-2 BOV取り出しを部分的に制限した場合：部分蓄圧
　　7-7-3 タンク圧力を飽和温度よりも低く維持した場合：負圧蒸発

第8章　部分積載時のLNG のBOR計算 　8-1 部分積載時の概要
　8-2 タンク様式で共通するBOV伝熱要素分解
　8-3 半球+ 円筒複合タンクで気層部の流動を考える
　　8-3-1 気層部とタンク壁の計算モデル
　　8-3-2 支配方程式
　　8-3-3 各液位での気相およびタンク壁の温度分布：非定常時
　　8-3-4 各液位での気相およびタンク壁の温度分布：定常時
　　8-3-5 各液位での蒸発速度：非定常時
　　8-3-6 各液位での蒸発速度：定常時
　8-4 半球+ 円筒複合タンクの満載時のホールド内の温度分布と流速ベクトル
　　8-4-1 上半球部
　　8-4-2 下円筒部
　8-5 SPB タンクの場合
　　8-5-1 計算モデル
　　8-5-2 LNGへの入熱量と蒸発速度
　8-6 球形タンクの場合
　　8-6-1 計算モデル
　　8-6-2 LNGへの入熱量と蒸発速度

第9章　LNG タンク周囲区画の温度分布と熱流動解析 　9-1 概要
　9-2 温度分布と熱流動解析
　9-3 球形タンクの場合
　　9-3-1 区画の分割
　　9-3-2 上半球の数値計算
　　9-3-3 下半球の数値計算
　9-4 矩形タンクの場合
　　9-4-1 区画の分割と座標系
　　9-4-2 支配方程式と座標系
　　9-4-3 数値計算と解
　9-5 各種異形のタンクおよびタンクカバーの場合
　　9-5-1 船体構造の概略と適用座標系
　　9-5-2 横断面
　　9-5-3 縦断面
　　9-5-4 対角断面
　9-6 計算結果をBOR評価へフィードバックする

第10章　多成分混合体としてのLNGの挙動解析 　10-1 多成分混合体LNGの特徴
　10-2 LNGを気体・液体の平衡体として考える
　　10-2-1 気液平衡条件
　　10-2-2 フガシティ式および状態式
　10-3 気液平衡理論のLNGタンクへの応用
　　10-3-1 気液平衡の計算手順
　　10-3-2 数値計算例
　10-4 実成分貨物でのBOR計算方法と実測BORの検証方法
　　10-4-1 実成分でのBOR計算
　　10-4-2 実測BORの検証方法
　　10-4-3 数値計算例

第11章　蓄圧時の圧力変化と蒸発現象：満載・部分積載時 　11-1 蓄圧現象の概要
　11-2 液層および気層の計算モデル
　　11-2-1 系全体の計算モデル
　　11-2-2 タンク全体系から見た気層部の熱平衡
　　11-2-3 タンク壁から液面への放射熱
　　11-2-4 蓄圧に伴う気液界面での蒸発・凝縮
　　11-2-5 気液界面での熱授受と境界条件
　　11-2-6 液層内での熱移動
　　11-2-7 LNG, LH2のタンク諸元
　11-3 現象を表現する支配方程式と数値解法
　　11-3-1 基礎式と数値計算手順
　　11-3-2 特殊条件-長時間蓄圧
　　11-3-3 特殊条件-低液位時の蓄圧
　　11-3-4 特殊条件-LH2超断熱タンクの蓄圧
　　11-3-5 数値計算のフロー
　　11-3-6 数値計算計画表
　11-4 LNG・LH2、タンク形式、大型・小型タンク、高液位・低液位の条件別数値計算
　　11-4-1 LNG タンクのグラフ
　　11-4-2 LH2タンクのグラフ
　11-5 昇圧に伴うLNG・LH2内の垂直方向温度分布
　11-6 総合考察
　　11-6-1 高温成層破壊による圧力解消
　　11-6-2 蓄圧開放後のBOVとタンク状態
　　11-6-3 タンク閉鎖直後の初期圧力上昇

第12章　ロールオーバー現象を紙上再現する 　12-1 ロールオーバー現象の概要
　　12-1-1 ロールオーバー発生前後の状態変化
　　12-1-2 ロールオーバー発生直前から消滅までの状態変化を段階に分解
　12-2 計算モデル
　　12-2-1 種液の拡散と混合
　　12-2-2 種液の一体化後の熱流動
　12-3 蓄積エネルギーによるBOV
　12-4 ロールオーバー全体を通しての数値計算：LNGタンク
　　12-4-1 球形タンク
　　12-4-2 横置き円筒タンク
　　12-4-3 SPBタンク
　12-5 LH2タンクのロールオーバーを考える
　　12-5-1 球形タンク
　　12-5-2 水平円筒タンク

第13章　負圧時の強制蒸発と過冷却液 　13-1 LNG・LH2タンク内を負圧にした時の現象
　13-2 現象の理論考察と種のモデル想定
　13-3 フラッシュ蒸発層のみ考慮：モデルＡ
　　13-3-1 過熱液域の形成までの非定常過程
　　13-3-2 各種タンクでの数値計算
　13-4 バルク液蒸発とフラッシュ液蒸発を分離：モデルＢ
　　13-4-1 球形タンクおよび矩形タンクでの数値計算
　13-5 バルク液とフラッシュ液とが完全連成で蒸発：モデル
　　13-5-1 球形タンクおよび矩形タンクでの数値計算

第14章　LNGタンクの断熱設計とBOR最小化 　14-1 概要
　14-2 船体の安全上および材料としての断熱の役割と規則
　　14-2-1 断熱全体へのIMO条文
　　14-2-2 断熱材料へのIMO要求事項
　　14-2-3 IMOの次防壁、Secondary barrier
　14-3 BOR最小化の視点で見る断熱機構
　14-4 太陽放射の影響
　　14-4-1 太陽放射熱の定量化
　　14-4-2 太陽放射熱の実験
　14-5 タンク断熱とタンクカバー断熱の組み合わせ
　　14-5-1 船殻構造材のフィン効果とタンクカバー断熱効果
　　14-5-2 タンクカバー断熱有無による侵入熱量およびホールド温度比較
　14-6 タンク支持構造、スカート断熱：複合構造採用
　　14-6-1 ハイブリッド構造の様式と伝熱方程式
　　14-6-2 実験による検証

第15章　BOV冷熱回収と外部冷却機によるBOR制御と部分再液化 　15-1 ベーパー断熱システムの概念とメカニズム
　15-2 ベーパー断熱の簡易計算
　　15-2-1 球環内の流れ解析
　　15-2-2 矩形タンクでの流れ解析
　15-3 数値計算結果と評価
　15-4 実験による検証
　15-5 厳密解による取り扱い
　　15-5-1 球座標系での熱流動基礎式の誘導
　　15-5-2 実船構造への応用
　15-6 ベーパー断熱の展開:タンクカバー断熱との組み合わせ
　　15-6-1 基本構造
　　15-6-2 断熱効果の解析
　15-7 BOV冷熱による部分再液化でBOR制御
　　15-7-1 部分再液化システムの概要<
　　15-7-2 再液化率と所要動力計算
　　15-7-3 多段階液化とした場合の再液化率と所要動力計算
　15-8 ベーパー断熱の展開：外部冷却機によるBOR制御
　　15-8-1 システムの概要
　　15-8-2 外部冷却装置
　　15-8-3 独立した外部冷却方式
　　15-8-4 外部冷却方式+BOV冷熱方式の直列系統
　　15-8-5 それぞれの単独システムをタンク上下で直列に繋ぐ

第16章　LH2タンクシステムの概念設計 　16-1 概要
　16-2 水素の特性とLH2の特徴および技術対応
　16-3 タンク断熱システム
　16-4 タンク断熱の次防壁構想
　16-5 LH2ハンドリングシステムおよび燃料電池発電システム
　　16-5-1 自己凝縮積荷
　　16-5-2 自然蒸発再液化装置
　　16-5-3 タンク内蓄圧による蒸発抑制
　　16-5-4 蒸発BOVの冷熱回収と断熱機能強化
　　16-5-5 加圧揚荷
　　16-5-6 バラスト航時のBOV処理
　　16-5-7 燃料電池による発電と電力供給(LH2およびLNG)

付録 　第10章付録：純粋成分のフガシティ式
　第10章付録：多成分のフガシティ式
　第10章付録：BWRの状態式を用いたフガシティの表示-1
　第10章付録：BWRの状態方程式を用いたフガシティの表示-2
　第11章付録：LNG、タンク形式、大型･小型タンク、高液位･低液位の各種別蓄圧計算
　第11章付録：蓄圧時の熱流動モデルと伝導主体モデルの特徴
　第16章付録：並流型熱交でのLH2タンクにVISを適用した場合のBOR低減割合