スチームトラップの種類と選び方

加熱用の蒸気は飽和蒸気の潜熱で物を温め、凝縮したドレンをスチームトラップで抜いて使います。必要な蒸気量は熱量を潜熱で割って出し、0.3 MPaGなら潜熱は2,133 kJ/kgです。トラップは使う場所で形式を選び、安全率をかけたドレン量で大きさを決めます。

蒸気加熱を決める手順

加熱に要る熱量を出す（潜熱と顕熱の違い）
製品の温度に温度差を足して蒸気の温度を決め、飽和蒸気表で圧力を読む
必要蒸気量を「熱量÷その圧力の潜熱」で出す。起動時の量は別に見る
使う場所に合うトラップの形式を選ぶ（下の早見表）
ドレン量に安全率をかけ、運転中の作動圧力差（入口圧−背圧）で出せる大きさにする
ドレンの行き先を決める（回収、フラッシュ蒸気、回収管の背圧）

使う場所ごとのトラップ早見表

使う場所	まず選ぶ形式	ほかの候補と注意
熱交換器・ジャケット・タンクのコイル	空気抜き付きのフロート式	温度制御で蒸気側の圧力が下がる装置はストールにも備える
蒸気輸送配管のドレン抜き	ディスク式かフロート式	屋外で凍るおそれがあればディスク式
高圧の装置、ウォーターハンマーが起きやすい所	下向きバケット式	空気の抜けが遅いので、空気抜き弁を並べて付ける
保温用のスチームトレース	温度調節式	ドレンの顕熱まで使う。熱交換器には向かない
起動時の空気抜き	温度式の空気抜き弁（エアベント）	配管の末端の上側。ジャケットなら蒸気入口の反対側の高い所

この記事の内容

スチームトラップの種類と仕組みの比較
飽和蒸気と過熱蒸気の違い
必要な蒸気量の求め方と例題
ドレンと空気が抜けないと起きること
背圧とドレン回収・フラッシュ蒸気
スチームトラップの故障の見分け方
参考資料

スチームトラップの種類と仕組みの比較

スチームトラップは、ドレンや空気を外へ出して蒸気は通さない自動弁です。蒸気とドレンを見分ける原理で、機械式・熱力学式・温度式の3つに分かれます。

形式	分類	開閉の仕組み	ドレンの出方	空気の排出	弱みと注意
フロート式	機械式	ドレンがたまるとフロートが浮き、弁を開く	連続。できたそばから飽和温度のまま出す	温度式の空気抜きを組み込んだ形なら、起動時も運転中も出せる	屋外で凍ると壊れやすい。設計より大きな差圧では開かない
下向きバケット式	機械式	バケットの中に蒸気がたまると浮き、弁を閉じる	間欠	バケット上部の小穴から少しずつ	過熱蒸気や急な圧力低下でバケットまわりの水（水封）が切れると、蒸気を出し続ける
ディスク式	熱力学式	蒸気が速く流れるとディスクの上の圧力が勝ち、弁を閉じる	間欠	苦手。起動時に空気で閉じることがある	入口圧の下限（0.025MPaGほど）と許容背圧（入口圧の50〜80%）がある。排出音が大きい
温度調節式（バイメタル・ベローズ）	温度式	ドレンが蒸気の温度より冷えると開く	ドレンをためて冷えてから出す	冷えている起動時は全開で、よく出す	装置の中にドレンがたまる。バイメタル式は負荷や圧力の変化への追従が遅い

入口圧の下限はSpirax Sarco、許容背圧はTLV（50%）とSpirax Sarco（80%）の値です。

大きさは排出能力と作動圧力差で選ぶ

トラップの大きさは排出能力で選び、ドレン量に安全率をかけます。TLVの示す目安は、フロート式で1.5倍、間欠的に出す形式で2〜3倍です。動きの遅いバイメタル式では3〜5倍になります。値はメーカーで違い1.5〜5倍以上と幅があるので、選んだメーカーの値に従います。

カタログの排出能力は、出口を大気に開けて飽和に近い温水を連続で流して測った値。背圧がかかる所では、入口圧から背圧を引いた作動圧力差で読む
間欠的に開閉する形式は、表の値が正味の排出量より大きめに出る
起動時は冷えた装置から運転中より多くのドレンが出るので、その量でも確かめる
能力は一番小さい作動圧力差で確かめ、弁座は一番大きい差圧でも開くものにする

飽和蒸気と過熱蒸気の違い

加熱に使うのは、ふつう飽和蒸気です。飽和蒸気は圧力が決まれば温度も決まり、凝縮している間は温度が変わりません。伝熱面の圧力を一定に保てば、どこでも同じ温度で温められます。凝縮の熱伝達率は6,000〜15,000 W/(m²·K)ほどあります（TLV）。温水は1,000〜6,000 W/(m²·K)なので、蒸気の方が熱を渡しやすい媒体です。

種類	状態	温度と圧力	加熱での扱い
飽和蒸気（乾き飽和蒸気）	水と共存できる温度の蒸気。水滴を含まない	圧力で温度が決まる	加熱の基本
湿り蒸気	水滴を含む飽和蒸気。蒸気の質量の割合を乾き度で表す	圧力で温度が決まる	使える潜熱が乾き度の割合に減る。配管の放熱でも湿っていく
過熱蒸気	同じ圧力の飽和温度より熱い蒸気	圧力だけでは温度が決まらない	主に動力用。熱交換器の加熱に使うなら、温度を下げて飽和に近づける

過熱蒸気を加熱に使わない理由

熱交換器での加熱に過熱蒸気が向かない理由は3つあります。

過熱の分は顕熱なので、伝熱面を進むうちに蒸気の温度が下がっていく
圧力が同じでも温度が決まらず、圧力で温度を制御できない
過熱の分の熱は気体の対流で渡すので、熱伝達率が低い

気体の対流の例では、教科書の概略値が管内の空気で47 W/(m²·K)と、凝縮より2けた小さい値です。過熱で増える熱も小さいものです。0.3 MPaGの蒸気を200℃まで過熱しても、増える熱は123 kJ/kgで潜熱の6%ほどです（IF97で計算）。過熱を取るには、水の霧を吹き込む減温器（デスーパーヒーター）を使います。

飽和蒸気表の読み方

下の表は、圧力計の読み（ゲージ圧）ごとの値をIAPWS-IF97で計算したものです。大気圧は0.101325 MPaとしました。

ゲージ圧 MPaG	絶対圧 MPa	飽和温度 ℃	潜熱 kJ/kg	飽和水の比エンタルピー kJ/kg	蒸気の比容積 m³/kg
0	0.101	100.0	2,257	419	1.673
0.1	0.201	120.4	2,201	506	0.880
0.2	0.301	133.7	2,163	562	0.603
0.3	0.401	143.7	2,133	605	0.461
0.5	0.601	158.9	2,085	671	0.315
0.7	0.801	170.5	2,047	721	0.240
1.0	1.101	184.1	1,999	781	0.177
1.5	1.601	201.4	1,934	859	0.124

蒸気表の圧力は絶対圧です。圧力計の読みに大気圧の約0.1 MPaを足して引きます（絶対圧力とゲージ圧力の違い）。
圧力を上げると温度は上がり、潜熱は減ります。 0から1.0 MPaGで、潜熱は2,257から1,999 kJ/kgへ約11%減ります。
比容積は圧力が低いほど大きく、大気圧では0.7 MPaGの約7倍です。高い圧力で送って使う所の近くで減圧すれば、配管を細くできます。
飽和水の比エンタルピーは、ドレンが持ち出す熱です。下流の圧力が下がると、この差の分がフラッシュ蒸気になります。
値は飽和蒸気表のツール（別サイト）でも引けます。

必要な蒸気量の求め方と例題

ドレンを飽和温度のまま出すなら、蒸気1 kgが渡す熱は潜熱と同じです。

必要蒸気量（ドレンを飽和温度で出すとき）

$$m_s = \frac{Q}{h'' - h'} = \frac{Q}{r}$$

式は横にスクロールできます

m_s：必要蒸気量［kg/h］、Q：加熱に要る熱量［kJ/h］、h''：乾き飽和蒸気の比エンタルピー［kJ/kg］、h'：飽和水の比エンタルピー［kJ/kg］、r：蒸発潜熱［kJ/kg］

湿り蒸気なら、rに乾き度をかけた値で割ります。

例題：液を20℃から80℃に温める熱交換器

例として、比熱4.0 kJ/(kg·K)の液を5,000 kg/hで流します。0.3 MPaGの飽和蒸気で、20℃から80℃まで温める計算です。放熱は考えません。

熱量：Q＝5,000×4.0×(80−20)＝1,200,000 kJ/h（333 kW）
潜熱：0.3 MPaGの値を表から読んで2,133 kJ/kg
必要蒸気量：m_s＝1,200,000÷2,133＝563 kg/h
トラップ：フロート式で安全率1.5倍なら、844 kg/hを運転中の作動圧力差で出せる大きさにする

蒸気の圧力を変えても、必要な蒸気量はあまり変わりません。

蒸気の圧力	飽和温度	必要蒸気量	対数平均温度差
0.1 MPaG	120.4℃	545 kg/h	65.9 K
0.3 MPaG	143.7℃	563 kg/h	90.4 K
0.5 MPaG	158.9℃	575 kg/h	106.1 K

大きく変わるのは温度差の方です。0.1 MPaGにすると、対数平均温度差は90.4 Kから65.9 Kに縮みます。総括伝熱係数が同じなら、伝熱面積は約1.4倍が必要です。温度差の求め方は熱交換器の伝熱計算の基礎で扱っています。蒸気量は冷却水・蒸気・熱媒油の必要量（別サイト）のツールでも出せます。

ドレンと空気が抜けないと起きること

トラップが詰まったり小さすぎたりすると、装置の中にドレンがたまります。たまった分の伝熱面は加熱に使えません。そこへ蒸気が触れて急に凝縮すると、ウォーターハンマーが起きます。

空気も伝熱を大きく落とします。化学工学便覧に載る実験は、垂直の冷却面で27〜66℃の蒸気を凝縮させたものです。空気が質量で0.2%混じると、熱流束は純粋な蒸気の半分以下でした。1%では4分の1以下です。蒸気の温度が高いほど、下がり方は小さい傾向があります。圧力計の読みが同じでも、温度も下がります。0.3 MPaGで空気が体積の1割なら、143.7℃が140.0℃になります（ダルトンの法則とIF97で計算）。空気は腐食も進めるので、起動時に空気抜き弁などで外へ出します。

蒸気配管のウォーターハンマー

蒸気輸送配管では、低い所にたまったドレンが塊になって高速の蒸気に運ばれます。これが配管にぶつかるのがウォーターハンマーです。配管のたるみやドレン抜きの不足、冷えた配管で弁を急に開ける操作がきっかけになります。

防ぎ方（勾配と間隔はSpirax Sarcoの値）

蒸気の流れる向きに1/100以上の下り勾配をつける
30〜50 mごとと低い所に、ドレンをためる下向きの短管（ドレンポケット）とトラップを設ける
径を変える所は、底をそろえた偏心レジューサにする（同心、偏心レジューサの使い分け）
冷えた配管に蒸気を入れるときは、弁をゆっくり開ける

温度制御の装置で起きるストール

温度調節弁が絞られると、熱交換器の中の蒸気の圧力が下がります。入口圧が背圧より低くなると、トラップの弁が開いてもドレンは流れません。これがストールです。熱風ヒーターの風量が減ったときなど、負荷が下がる場面で起きます。たまったドレンは温度むらやウォーターハンマーを起こし、トラップを替えても直りません。

背圧を下げる。大気に開いた回収タンクへ、ドレンを自然に落とす
回収先が大気圧でドレンを自然に落とせるなら、真空破壊弁（バキュームブレーカー）で空気を入れて流す。背圧が大気圧を超える所では効かない
蒸気や圧縮空気の圧力でドレンを押し出すポンプトラップを使う

背圧とドレン回収・フラッシュ蒸気

トラップが出せる量は、入口圧と背圧の差（作動圧力差）で決まります。背圧は回収管の立ち上がりや回収タンクの圧力、配管の圧力損失から生じます。ドレンを1 m持ち上げるごとに、背圧は約0.01 MPa増えます（水の密度から計算）。

例題の熱交換器で、ドレンを5 m持ち上げて0.05 MPaGの回収管に入れるとします。背圧は約0.10 MPaGで、作動圧力差は0.3−0.10＝0.2 MPaです。温度制御で蒸気側が0.1 MPaG近くまで下がれば、差圧は0でストールの状態です。背圧が大気圧より高いので、真空破壊弁では直りません。背圧に強いのはフロート式で、入口圧の90%以上まで使えるものもあります（TLV）。回収管を共用するなら、逆流を防ぐ逆止弁をトラップの後に入れます。

フラッシュ蒸気の量

圧力の高いドレンが低い圧力の所へ出ると、飽和水の比エンタルピーの差で一部が蒸発します。これがフラッシュ蒸気です。

フラッシュ率

$$x_f = \frac{h'_1 - h'_2}{r_2}$$

式は横にスクロールできます

x_f：フラッシュ率（ドレン1 kgから出る蒸気の質量）［kg/kg］、h'1：トラップ入口の圧力での飽和水の比エンタルピー［kJ/kg］、h'2：出口側の圧力での飽和水の比エンタルピー［kJ/kg］、r2：出口側の圧力での蒸発潜熱［kJ/kg］

0.7 MPaGのドレンを大気に出すと、13.4%が蒸気になります。計算は(721−419)÷2,257＝0.134です。ドレン500 kg/hなら、フラッシュ蒸気は67 kg/hです。大気圧の蒸気は1 kgが1.67 m³なので、体積は約112 m³/hになります。正常なトラップの出口から白い湯気が出るのはこのためで、回収管もこの蒸気を通せる太さにします。

ドレンを回収する

ドレンは熱を持ち、水処理も済んだ水です。ボイラーの給水に戻せば、燃料と薬品が減ります。DOEの資料では、回収ドレンは多くが93℃を超え、補給水は10〜27℃ほどです。比エンタルピーの差は多くが279 kJ/kgを超え、蒸気の熱の1割を超えることも多いとしています。フラッシュ蒸気はフラッシュタンクで分ければ、低圧の蒸気として使えます。

スチームトラップの故障の見分け方

トラップの故障は、蒸気を逃がす吹き放しと、ドレンを出せない詰まりに分かれます。DOEの資料では、3〜5年保守していない系統で15〜30%のトラップが故障していることがあります。定期的に点検している系統なら、漏れは5%未満が目安です。

確かめ方	見るもの	分かること	限界
目視	出口のドレンの量と、出口の先端の様子	生蒸気が漏れているとドレンがあまり出ず、出口の直後に無色透明の部分が見えることがある	正常でもフラッシュ蒸気の白い湯気は出る。回収管につながると見えない
温度	トラップの入口側の温度（出口側は飽和温度までしか上がらない）	入口が冷えていれば、詰まりか容量不足	蒸気と飽和ドレンは同じ温度なので、吹き放しは入口側で測っても見分けにくい
音・振動	弁の作動音と流れる音	生蒸気の漏れは高い音や金属的な音になる	聞き分けに慣れが要る。聴診器や超音波の測定器を使う
常時の監視	温度や振動のセンサーの値	重要なトラップの漏れを早く見つけ、傾向を追える	―

弁口3.2 mmが開いたままのトラップは、0.69 MPaGで大気へ吹き出すと約24 kg/hの蒸気を失います（DOE）。1年中（8,760時間）止めずに動かす設備なら、約210 tになります。

点検の間隔の目安（DOE）

約1.0 MPaG（150 psig）以上：毎週〜毎月
約0.2〜1.0 MPaG（30〜150 psig）：毎月〜3か月ごと
約0.2 MPaG（30 psig）未満：年1回

故障したときの弁の位置は形式で違います。開いたまま壊れやすいのは、ディスク式と下向きバケット式です。温度調節式は開と閉のどちらもあります。詰まりはトラップの休止と見分けにくいので、入口の温度と装置の状態を合わせて見ます。トラップの前のストレーナーは、ごみ詰まりを防ぐ役目です。

参考資料

化学工学会編『改訂六版化学工学便覧』丸善、1999年（6·3·2 凝縮熱伝達 p.370〜371、26·2·2 排熱回収技術 p.1254〜1255）
一色尚次・北山直方『伝熱工学新装第2版』森北出版、2018年（表11.1 p.62、15章 p.102）
IAPWS「Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam」2007年 http://www.iapws.org/relguide/IF97-Rev.html
U.S. Department of Energy「Improving Steam System Performance: A Sourcebook for Industry, Second Edition」DOE/GO-102012-3423、2012年 https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f15/steamsourcebook.pdf
U.S. Department of Energy「Inspect and Repair Steam Traps（Steam Tip Sheet #1）」DOE/GO-102012-3401、2012年 https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f16/steam1_traps.pdf
Spirax Sarco「Steam Traps and Steam Trapping」（Thermostatic Steam Traps、Mechanical Steam Traps、Thermodynamic Steam Traps、Considerations for Selecting Steam Traps、Selecting Steam Traps、Air Venting Applications の各ページ） https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/steam-traps-and-steam-trapping
Spirax Sarco「Introduction to Steam Distribution」 https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/steam-distribution/introduction-to-steam-distribution
Spirax Sarco「Steam Mains and Drainage」 https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/steam-distribution/steam-mains-and-drainage
Spirax Sarco「Practical Methods of Preventing Stall」 https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/practical-methods-of-preventing-stall
TLV「蒸気の基礎知識」（蒸気の状態による分類、蒸気の伝熱、乾き度・湿り度、スチームトラップのタイプ別使い分け、スチームトラップの排出能力と安全率、トラップの背圧、ストール現象、スチームトラップの作動点検、蒸気漏れとフラッシュ蒸気の見分け方の各ページ） https://www.tlv.com/ja-jp/steam-info/steam-theory
TLV「Steam Trap Selection: Safety Factor and Life Cycle Cost」 https://www.tlv.com/en-us/steam-info/steam-theory/steamtrap-basics/steam-trap-selection-part-2