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KR101630973B1 - 유체저장탱크 - Google Patents

유체저장탱크 Download PDF

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KR101630973B1
KR101630973B1 KR1020140172808A KR20140172808A KR101630973B1 KR 101630973 B1 KR101630973 B1 KR 101630973B1 KR 1020140172808 A KR1020140172808 A KR 1020140172808A KR 20140172808 A KR20140172808 A KR 20140172808A KR 101630973 B1 KR101630973 B1 KR 101630973B1
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tank body
tank
storage tank
fluid storage
curvature
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김기환
유지원
유석진
윤성태
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주식회사 포스코
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Abstract

본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크구조는 단면상의 변들이 폐곡선을 형성하며, 상기 폐곡선은 복수 개의 곡률반경을 포함하는 곡선으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크는 상기 유체저장탱크구조로 형성된 탱크바디 및 상기 탱크바디의 내면 및 외면 중 적어도 하나에 밀착결합되는 보강링부재를 포함할 수 있다.

Description

유체저장탱크{Storage tank for fluid having thereof}
본 발명은 유체저장탱크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체의 저장공간을 확보하면서도 유체 압력 변화를 수용할 수 있는 발명에 관한 것이다.
유가상승 및 엄격해지는 환경규제에 따라 석유보다 저렴하고 친환경적인 액화가스를 연료로 사용하는 자동차 및 선박 등이 증가하는 추세에 있다. 여기서, 액화가스는 액화천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG) 등이 있다.
상기 액화가스는 기체상태보다 부피가 크게 줄어들어 저장과 운송이 편리하지만 온도를 끓는점(LNG의 경우 약 -162℃, LPG의 경우 약 -50℃) 이하로 유지시켜 주어야 하는 단점이 있다. 이러한 액화가스를 연료로 사용하기 위해서는 액화가스를 끓는점 이하로 유지시켜 주는 액화가스 저장탱크가 필요하다.
이렇게 단위 체적에 보다 많은 가스를 저장하기 위하여 기체상태의 가스를 액화시켜 보관하는 방법을 많이 사용한다.
가스를 액화시키기 위해서는 우선 개별기체의 끓는점 이하로 온도를 낮추어 저온상태를 유지하여 액화방법과 기체에 압력을 가하여 액화시키는 방법이 있다.
소형 저장탱크의 경우 주로 실린더형이 사용이 되는데, 저온으로 가스를 액화시켜 유지한 상태에서 탱크바디 내부 압력을 증가시키더라도 탱크바디가 구조적으로 압력을 견딜 수 있기 때문에 안정성이 높은 이점이 있다.
여기서, 탱크바디 내부의 압력이 증가하는 요인은 탱크바디 외부에서의 열침입에 의하여 기화하여 전체적인 가스의 체적이 증가하기 때문이다. 이런 가스를 증발가스(Boil Off Gas: BOG)라고 하며 액화가스를 저장할 때에 중요한 요소로 고려된다.
대형 저장탱크의 경우는 압력을 높이는 방법보다는 저온상태를 유지하여 액화하는 방법을 주로 택하고 있다.
한편, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이 액화가스를 저장하기 위해 구형으로 탱크바디(10')를 제작할 경우 안전성이 높은 반면에 제한된 공간에 저장할 수 있는 가스의 양이 한정적이기 때문에 비효율적인 문제가 있다.
특히, 제한된 공간에 최대한 많은 양을 운반해야 하는 선박의 경우 공간효율성이 떨어지는 것은 선박의 경쟁력을 떨어뜨리는 요인이되므로 구형보다는 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이 단면이 각형인 다각면체으로 이루어진 탱크가 요구된다.
그러나, 이러한 다각면체 형상의 탱크바디(10')는 굽힘응력에 취약하여 내구성이 낮은 문제가 있다.
다시 말해, 탱크바디(10')는 실린더형, 구형, 다각면체의 형상에 상관없이, 높은 설계압력을 견디도록 설계되어야 하며, 이러한 압력을 견디는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 하나는 탱크바디(10')에 발생하는 굽힘응력에 저항하는 방법이고, 두 번째는 탱크바디(10') 외판의 면내하중에 저항하는 방법으로 나눌 수 있는 것이다.
여기서, 면내하중은 탱크바디(10') 내부의 압력증가시 탱크바디(10')가 균일하게 팽창하면서 발생하게 되는데 효과적으로 압력을 지지할 수 있는 방법인데, 이렇게 압력을 지지하는 탱크바디(10')의 형상은 단면이 원형인 구형, 실린더형의 탱크바디(10') 형상이다.
한편, 단면이 각형인 다각면체 형상의 탱크바디(10')는 굽힘응력에 저항하는 구조로 볼 수 있다. 즉, 평판의 일측면이 팽창하려는 압력에 의해서 밴딩되는 응력을 받는 구조인 것이다.
따라서, 전술한 문제를 해결하기 위한 유체저장탱크에 대한 연구가 필요하게 되었다.
본 발명의 목적은 유체의 저장공간을 확보하면서도 유체 압력 변화를 수용할 수 있는 유체저장탱크를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유체저장탱크구조는 단면상의 변들이 폐곡선을 형성하며, 상기 폐곡선은 복수 개의 곡률반경을 포함하는 곡선으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크는 상기 유체저장탱크구조로 형성된 탱크바디 및 상기 탱크바디의 내면 및 외면 중 적어도 하나에 밀착결합되는 보강링부재를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디에서 단면상의 변들이 형성하는 곡선은 상기 탱크바디의 외측으로 돌출된 볼록한 곡선 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디에서 단면상의 변들이 형성하는 곡선의 벽체 에지부에서 중앙부로 갈수록 두께가 두껍게 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디에서 단면상의 서로 마주 보는 변들이 형성하는 곡선이 서로 반대 방향으로 볼록하며, 동일한 곡률반경 분포로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크는 이중탱크구조로 제공되도록, 상기 탱크바디의 외면과 이격되어 상기 탱크바디의 외면을 감싸게 제공되는 외부탱크부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디와 외부탱크부재 사이의 공간은 진공으로 형성되거나, 단열재가 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디는, 단면상의 변들이 상부변, 하부변, 좌측변, 우측변 및 상기 상부변과 좌측변 사이의 좌상변, 상부변과 우측변 사이의 우상변, 하부변과 좌측변 사이의 좌하변, 하부변과 우측변 사이의 우하변으로 구성되며, 상기 상부변, 하부변, 좌측변, 우측변의 곡률반경이, 상기 좌상변, 우상변, 좌하변, 우하변의 곡률반경보다 크게 제공된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 유체저장탱크는 압력 상승에 의한 저장탱크의 굽힘응력이 발생하는 것을 감소시키면서도, 저장되는 유체의 양을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
즉, 단면이 원형인 저장탱크에 비하여는 저장시킬 수 있는 유체의 양을 증가시킬 수 있으며, 단면이 각형인 저장탱크에 비하여는 내부 압력 상승에 의해 저장탱크에 발생하는 굽힘응력을 줄일 수 있는 특정한 구조를 제시하는 것이다.
도 1은 종래기술에 의한 유체저장탱크를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 유체저장탱크를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 유체저장탱크를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 유체저장탱크에서 탱크바디를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 유체저장탱크에서 탱크바디의 위치에 따른 곡률반경 변화에 의한 굽힘변형을 나타낸 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
본 발명의 유체저장탱크는 유체의 저장공간을 확보하면서도 유체 압력 변화를 수용할 수 있는 발명에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 유체저장탱크는 압력 상승에 의한 저장탱크의 굽힘응력이 발생하는 것을 감소시키면서도, 저장되는 유체의 양을 증가시킬 수 있는 것이다.
다시 말해, 단면이 원형인 저장탱크에 비하여는 저장시킬 수 있는 유체의 양을 증가시킬 수 있으며, 단면이 각형인 저장탱크에 비하여는 내부 압력 상승에 의해 저장탱크에 발생하는 굽힘응력을 줄일 수 있는 특정한 구조를 제시한 것이다.
구체적으로, 도 2는 본 발명의 유체저장탱크를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 유체저장탱크를 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체저장탱크구조는 단면상의 변들이 폐곡선을 형성하며, 상기 폐곡선은 복수 개의 곡률반경을 포함하는 곡선으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크는 상기 유체저장탱크구조로 형성된 탱크바디(10) 및 상기 탱크바디(10)의 내면 및 외면 중 적어도 하나에 밀착결합되는 보강링부재(20)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크는 이중탱크구조로 제공되도록, 상기 탱크바디(10)의 외면과 이격되어 상기 탱크바디(10)의 외면을 감싸게 제공되는 외부탱크부재(30)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디(10)와 외부탱크부재(30) 사이의 공간은 진공으로 형성되거나, 단열재가 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 유체의 저장공간을 확보하면서도 유체 압력 변화를 수용할 수 있는 구조로 제공되는 유체저장탱크를 제시한 것이다.
이는 종래에 단면이 사각형인 유체저장탱크의 경우에, 내부의 압력증가시 유체저장탱크의 벽체들이 곡면으로 팽창하려는 굽힘응력을 받아 내구성이 저하되던 것을 완화하는 동시에, 종래에 단면이 원형인 유체저장탱크의 경우에, 저장할 수 있는 유체의 양이 제한적이어서 낭비되는 공간이 발생하는 것을 개선하기 위해 제시된 것이다.
이를 위해, 상기 탱크바디(10)는 단면을 형성하는 폐곡선이 복수 개의 곡률반경을 가지는 곡선의 형상으로 제시되었다.
즉, 상기 탱크바디(10)는 평단면, 정단면, 측단면 중 적어도 하나의 단면상의 변들이 폐곡면을 형성하게 제공하는 동시에, 상기 폐곡면에 포함되는 곡면들은 적어도 두 개의 곡률반경을 가지도록 설계된 것이다.
이는 단면의 폐곡면이 하나의 곡률반경만을 가지는 종래의 구형, 실린더형 유체저장탱크보다는 유체의 저장공간을 확보할 수 있고, 종래의 다각면체의 유체저장탱크보다는 내부 압력증가에 의한 굽힘응력이 발생하는 것을 방지할 수 있게 한 것이다.
다시 말해, 종래의 유체저장탱크의 바디 단면이 각형인 경우에는 벽체들이 부풀어오르고자 하는 방향으로 변형이 발생하여 높은 굽힘응력이 작용하고, 특히 상하벽부와 측벽부들이 만나는 부분에는 더 큰 응력이 집중되어 탱크의 바디의 내구성을 현저히 저하시키던 것을, 단면상의 폐곡선에 복수의 곡률반경을 가지는 곡선이 포함되도록 설계하여 이러한 문제를 해결한 것이다.
더욱이 상기 탱크바디(10)는 단면상의 변들의 중앙부를 에지부보다 더 두껍게 제공할 수도 있으며, 곡선의 형상은 외측으로 볼록한 형상을 제시될 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 4 및 도 5를 참조하여 자세히 후술한다.
더하여, 상기 탱크바디(10)에는 내구성을 향상시키기 위한 보강링부재(20)가 제공될 수 있으며, 상기 보강링부재(20)는 상기 탱크바디(10)의 내부 또는 외부에 밀차결합됨으로써, 상기 탱크바디(10)가 내부 압력의 상승으로 팽창하는 것을 지지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 보강링부재(20)는 상기 탱크바디(10)의 외면에 밀착하게 제공되는 경우에는 후술할 외부탱크부재(30)의 제공시에 별도의 지지체를 포함하지 않아도 되는 이점을 가질 수 있다.
상기 보강링부재(20)가 상기 탱크바디(10)와 결합하는 것은 본딩 또는 용접 등의 방법이 사용될 수 있다.
한편, 상기 탱크바디(10) 내부의 저온 또는 고온을 유지하거나, 내부 압력을 유지시키기 위해서, 이중의 탱크 구조로 제공될 수 있는데, 이를 위해서, 외부탱크부재(30)가 상기 탱크바디(10) 외부에 제공될 수 있다.
즉, 상기 외부탱크부재(30)가 상기 탱크바디(10) 외면에 간격을 두고 이격되게 제공되며, 상기 탱크바디(10)를 감싸는 형상으로 제공될 수 있는 것이다.
여기서, 상기 외부탱크부재(30)는 상기 보강링부재(20)가 상기 탱크바디(10) 외면에 제공되면, 상기 보강링부재(20)에 의해 지지되며 결합될 수도 있고, 상기 보강링부재(20)가 상기 탱크바디(10) 외면에 제공되지 않으면, 별도의 지지체를 상기 탱크바디(10)와의 사이에 제공하여 결합될 수도 있다.
한편, 상기 외부탱크부재(30)는 상기 탱크바디(10)와의 사이 간격의 공간에 단열재를 제공하여, 상기 탱크바디(10) 내부 유체의 온도를 유지시키게 제공할 수 있으며, 또는 상기 탱크바디(10)와의 사이 간격을 진공으로 형성하여, 전도에 의한 열전달을 방지할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 유체저장탱크에서 탱크바디(10)를 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명의 유체저장탱크에서 탱크바디(10)의 위치에 따른 곡률반경 변화에 의한 굽힘변형을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디(10)에서 단면상의 변들이 형성하는 곡선은 상기 탱크바디(10)의 외측으로 돌출된 볼록한 곡선 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디(10)에서 단면상의 변들이 형성하는 곡선의 벽체 에지부에서 중앙부로 갈수록 두께가 두껍게 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디(10)에서 단면상의 서로 마주 보는 변들이 형성하는 곡선이 서로 반대 방향으로 볼록하며, 동일한 곡률반경 분포로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체저장탱크의 상기 탱크바디(10)는, 단면상의 변들이 상부변(11), 하부변(12), 좌측변(13), 우측변(14) 및 상기 상부변(11)과 좌측변(13) 사이의 좌상변(15), 상부변(11)과 우측변(14) 사이의 우상변(16), 하부변(12)과 좌측변(13) 사이의 좌하변(17), 하부변(12)과 우측변(14) 사이의 우하변(18)으로 구성되며, 상기 상부변(11), 하부변(12), 좌측변(13), 우측변(14)의 곡률반경이, 상기 좌상변(15), 우상변(16), 좌하변(17), 우하변(18)의 곡률반경보다 크게 제공 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 유체의 저장 공간을 확보하면서도, 굽힘응력을 감소시킬 수 있는 탱크바디(10)의 구체적인 구조를 제시한 것이다.
우선, 상기 탱크바디(10)는 단면상의 폐곡선이 복수의 곡률반경을 가지는 곡선을 포함하는 형상으로 제공되며, 상기 곡선들은 상기 탱크바디(10)의 내부에서 외부로 볼록한 형상으로 제공될 수 있다.
즉, 상기 유체의 저장공간을 확보하기 위해서, 상기 탱크바디(10)의 벽체가 볼록한 형상으로 제시한 것이다.
더하여, 상기 곡선들 중에서 서로 마주보는 곡선들은 서로 동일한 곡률반경 분포(mirror structure)로 제공될 수 있는데, 이러한 경우에는 서로 마주보는 곡선의 벽체들이 서로 균등하게 압력을 지지함으로써, 상기 탱크바디(10)의 내구성을 구조적으로 더 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 탱크바디(10)의 곡선의 벽체들은 중앙부가 에지부보다 두꺼운 형상으로 제공될 수 있는데, 이는 상기 탱크바디(10) 내부의 압력이 증가할 때, 굽힙응력을 가장 많이 받는 부분이, 상기 곡선을 형성하는 벽체의 중앙부이기 때문에, 상기 중앙부를 에지부보다 더 두껍게 제공하여, 탱크바디(10) 전체의 내구성을 향상시킨 것이다.
그리고, 상기 탱크바디(10)는 단면상의 폐곡면을 형성하는 곡선을 총 8개가 포함되는 형상으로 제공될 수 있는데, 이는 상부변(11), 하부변(12), 좌측변(13), 우측변(14) 및 상기 상부변(11)과 좌측변(13) 사이의 좌상변(15), 상부변(11)과 우측변(14) 사이의 우상변(16), 하부변(12)과 좌측변(13) 사이의 좌하변(17), 하부변(12)과 우측변(14) 사이의 우하변(18)으로 구성될 수 있다.
특히, 상기 상부변(11), 하부변(12), 좌측변(13), 우측변(14)의 곡률반경이, 상기 좌상변(15), 우상변(16), 좌하변(17), 우하변(18)의 곡률반경보다 크게 제공될 수 있는데, 이는 개략적 단면이 형상이 팔각형보다는 사각형에 가까운 형상이다.
이는 굽힘응력에 대응하는 곡률반경이 형성된 벽체를 제공하면서도, 유체의 저장공간을 최대한 확보하기 위한 형상인 것이다.
일례로, 도 4의 (b)에 제시한 탱크바디(10) 사이의 폭(D)에 대하여, 상기 상부변(11), 하부변(12), 좌측변(13), 우측변(14)의 곡률반경은 0.7D보다 크고, 1.3D보다 작게 형성하고, 상기 좌상변(15), 우상변(16), 좌하변(17), 우하변(18)의 곡률반경은 0.1D보다 크고 0.2D보다 작게 형성하면, 단면 형상이 팔각형보다는 사각형에 가까운 탱크바디(10)의 형상을 형성할 수 있게 된다.
한편, 도 5에 제시된 바와 같이, 탱크바디(10)의 단면상의 변들의 곡률반경에 따른 굽힘응력의 발생 정도를 확인할 수 있는데, 단면상의 형상이 원형으로 갈수록 변형이 적으며, 단면상의 형상이 사각형이 될수록 변형이 많이 일어나는 것을 확인(확장되어 두껍게 표시된 파랑색 부분)할 수 있다.
여기서, 도 5의 각 단면 형상들이 어떤 곡률반경의 분포로 형성되었는지를 살펴보면, 우선 도 5에서는 3개의 줄과 4개의 열을 확인할 수 있다
첫 번째 줄은 상기 좌상변(15), 우상변(16), 좌하변(17), 우하변(18)의 곡률반경을 탱크바디(10) 사이의 폭(D)에 대하여, 10%, 두 번째 줄은 15%, 세 번째 줄은 20%인 경우를 제시한 것이다.
첫 번째 열은 상기 상부변(11), 하부변(12), 좌측변(13), 우측변(14)의 곡률반경을 탱크바디(10) 사이의 폭(D)에 대하여, 100%, 두 번째 열은 150%, 세 번째 열은 200%, 네 번째 열은 250%인 경우를 제시한 것이다.
10: 탱크바디 11: 상부변
12: 하부변 13: 좌측변
14: 우측변 15: 좌상변
16: 우상변 17: 좌하변
18: 우하변 20: 보강링부재
30: 외부탱크부재

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 단면상의 변들이 폐곡선을 형성하며, 상기 폐곡선은 복수 개의 곡률반경을 포함하는 곡선으로 형성된 탱크바디;
    이중탱크구조로 제공되도록, 상기 탱크바디의 외면과 이격되어 상기 탱크바디의 외면을 감싸게 제공되는 외부탱크부재; 및
    상기 탱크바디와 상기 외부탱크부재 사이에 구비되어, 상기 탱크바디의 외면 및 상기 외부탱크부재의 내면에 밀착결합되는 보강링부재;
    를 포함하며,
    상기 탱크바디에서 단면상의 변들이 형성하는 곡선의 벽체 에지부에서 중앙부로 갈수록 두께가 두껍게 제공되어, 상기 탱크바디 내부의 압력을 상기 보강링부재와 협력하여 지지하는 유체저장탱크.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탱크바디에서 단면상의 변들이 형성하는 곡선은 상기 탱크바디의 외측으로 돌출된 볼록한 곡선 형상인 것을 특징으로 하는 유체저장탱크.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 탱크바디에서 단면상의 서로 마주 보는 변들이 형성하는 곡선이 서로 반대 방향으로 볼록하며, 동일한 곡률반경 분포로 형성된 것을 특징으로 하는 유체저장탱크.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 탱크바디와 외부탱크부재 사이의 공간은 진공으로 형성되거나, 단열재가 제공되는 것을 특징으로 하는 유체저장탱크.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 탱크바디는, 단면상의 변들이 상부변, 하부변, 좌측변, 우측변 및 상기 상부변과 좌측변 사이의 좌상변, 상부변과 우측변 사이의 우상변, 하부변과 좌측변 사이의 좌하변, 하부변과 우측변 사이의 우하변으로 구성되며,
    상기 상부변, 하부변, 좌측변, 우측변의 곡률반경이, 상기 좌상변, 우상변, 좌하변, 우하변의 곡률반경보다 크게 제공 것을 특징으로 하는 유체저장탱크.
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