技術紹介

夜間電力蓄熱式蒸気発生器「蒸気源」
田原 賢一 *KenichiTahara

夜間電力を利用した蓄熱式蒸気発生器「蒸気源」を東京電力㈱、東北電力㈱、北陸電力㈱、中国電力㈱、九州電力㈱および石川島検査計測㈱が共同で開発し、当社は商品化開発を担当した。「蒸気源」は、学校や事業所の給食施設用の厨房機器やその他蒸気を必要とする機器に蒸気を供給する装置である。割安な夜間電力を利用することから、燃焼式のボイラに比べてランニングコストを大幅に低減できる利点を有する。さらに燃焼部分がないため環境にやさしく安全性にも優れている。
「蒸気源」の技術概要および実機による蓄熱試験および蒸気発生試験の概要について報告する。

キーワード：夜間電力、蓄熱、溶融塩、HTS、マグネシア、蒸気発生器、厨房機器、回転釜、蒸気源

り環境にやさしい熱源の利用が望まれている。
1．はじめにこのような観点から東京電力㈱、東北電力㈱、学校や事業所の給食施設などでは、回転釜、蒸北陸電力㈱、中国電力㈱および九州電力㈱の電力

し器、解凍器などの厨房機器により、大量の蒸気会社では割安な夜間電力を利用する蓄熱式蒸気発を使って煮炊きなどの調理を行っている。蒸気発生器の開発に着手し（1）、当社はその商品化開発を

生の熱源は油やガスなどの化石燃料が主であり、実施した。本夜間電力蓄熱式蒸気発生器は「蒸気通常はボイラが使用されている。しかし、昨今油、源」と称して販売を開始しており、既に 1 号機はガスなどの燃料費は高騰してきており、ランニンユーザに納入し順調に運転されている。

グコストが安く経済的な熱源が求められている。

当社で「蒸気源」実機による各種試験を実施しさらに油、ガスなどの化石燃料の燃焼では炭酸ガ

その性能を確認したので、「蒸気源」システム概スを発生するため、地球温暖化防止の点からもよ要とともにその性能試験結果について報告する。

＊

研究開発事業部

プラント技術部

次長

―

25―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

温される。
2．システム概要
2.1

厨房機器等で使用する飽和蒸気は、蓄熱槽からシステム概要の過熱蒸気を蒸気発生器へ供給することにより発「蒸気源」のシステム構成を図 1 に示す。また外生し、過熱蒸気発生のための給水は、水道水を利観写真を写真 1 に示す。

用し軟水装置にて軟水化したあと給水ポンプによ「蒸気源」は蓄熱モジュール、制御モジュール

り蓄熱槽内の伝熱管へ供給される。供給された水および軟水処理装置から構成される。蓄熱モジュは昇温された蓄熱材により加熱され過熱蒸気となールは、「蒸気源」型式により蓄熱槽が 2 台またはり蒸気発生器へ導かれる。

1 台で構成される。制御モジュールは給水ポンプ、蒸気発生器では過熱蒸気を給水ポンプ出口から蒸気発生器および制御操作パネルから構成される。

分岐した給水と混合し、0.3 〜 0.5 MPa 程度の飽和蓄熱槽には、蓄熱材として溶融塩 HTS（Heat

蒸気と飽和水とする。この飽和蒸気が回転釜など

Transfer Salt）およびマグネシア（MgO）クリンカの蒸気利用系へ導かれる。蓄熱槽が 2 台の場合のが充填されている。蓄熱材は蓄熱槽内部に挿入さ「蒸気源」の水・蒸気系統図を図 2 に示す。

れたヒータにより夜間電力にて 480 ℃程度まで昇2.2「蒸気源」の利点「蒸気源」は下記利点を有する。
（1）ランニングコストの低減
電力会社との蓄熱調整契約により大幅な割引を適用できる夜間電力を利用でき、従来のガス、軽油、重油焚きボイラや電気式ボイラよりもランニングコストを低減できる。
「蒸気源」の蓄熱は、安価な夜間電力を使用できる蓄熱調整契約時間（22 時〜 8 時）内に終了する。通常の電気料金が必要となる日中は蓄熱材を加熱せずに蒸気を発生させ、蒸気発生に
写真1 「蒸気源」外観

飽和蒸気（蒸気使用機器へ供給）
軟水処理装置

蓄熱モジュール
ヒーター

制御モジュール

過熱蒸気
軟水装置

給水タンク

蒸気発生器

蓄熱槽

蓄熱材

伝熱管

図1 「蒸気源」システム概要

―

26―

給水ポンプ

（4）特別な資格不要

蒸気利用系へ（飽和蒸気）「蒸気源」は、簡易ボイラ（圧力（過熱蒸気）

1 MPa 以下、5 m 2 （100 kW）以下）
給水栓

軟水
装置

給水タン
ク

蒸気発生器

蓄熱槽
１となるため、取り扱いに関して特別蓄熱槽
２な資格を必要としない。

（ドレン）

3．基本仕様および構造
3.1

基本仕様

「蒸気源」基本仕様および外形図をそ

給水ポンプ

れぞれ表 1 および図 3 に示す。

図2 水蒸気系統概念図

表 1 に示すように「蒸気源」型式には蓄熱槽が 2 台の場合と 1 台の場合があ
必要な電力は給水ポンプおよび制御系に必要な補るが、以下では蓄熱槽が 2 台の場合について説明

機電力のみであり、非常に少なく経済的である。

する。

（2）クリーンで安全

表 1 からわかるように「蒸気源」では 240 kWh

燃料としてガスや油を使用せず、燃焼部分がの電力量を投入して蓄熱材を加熱し、換算蒸気量ないため燃焼排ガスが発生しない。また、安全にて最大 300 kg の蒸気を発生させることができ性にも優れている。

る。0.5 MPa の飽和蒸気の実蒸気量としては 246（3）蒸気使用機器設備の変更不要kg に相当する。また、発生蒸気出力としては最大既設の蒸気式厨房機器などの蒸気使用機器を150 kg/h まで供給できる。

今まで通り使用することができる。

表 1 「蒸気源」基本仕様

項

仕目型式
ボイラ
種類
ヒータ
容量
蓄 熱 消 費 電 力 量
蓄 熱 モ ジ ュ ー ル 数
定 格 飽 和 蒸 気 圧
最 大 蒸 気 出 力
最 高 蓄 熱 温 度
最 大 換 算 蒸 気 量
出熱
効率
使用電源
伝
熱面積
本 体 外 形 寸 法
蓄 熱 モ ジ ュ ー ル
制 御 モ ジ ュ ー ル
総重量（蓄熱材込み）

様

HTS - 300 - M1

HTS -150 - M1
簡易ボイラ

27 kW
240 kWｈ2台

13.5 kW
120 kWｈ
1台
0.3〜0.5MPa

150 kg / h

85 kg /ｈ
480℃

300 kg

150 kg73% （連続出熱の場合）
3相AC200V（50又は60Hｚ）

4.4m2
2.2m2
幅1.49×奥行2.81×高さ1.82 ｍ
幅1.49×奥行1.61×高さ1.82 m
幅0.90×奥行0.97×高さ1.53 m
幅1.26×奥行0.40×高さ1.75 m
3,700 kg―

1,950 kg

27―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

図3 「蒸気源」外形図

3.2

蓄熱槽

蓄熱槽には蓄熱材が充填されており、蓄熱材を昇温するためのヒータおよび蒸気を発生するための伝熱管から構成されている。
（1）蓄熱材
蓄熱装置の蓄熱材として求められる条件としては、蓄熱容量が大きいこと、および熱伝導率が大きいことが挙げられる。「蒸気源」の蓄熱

写真2 蓄熱材外観材としては、HTS とマグネシア（MgO）クリン（2）。HTS とマグネシカを混合して用いている（1）

表2 蓄熱材物性値（3）ア（MgO）クリンカの外観および物性値をそれ（温度：600K）

ぞれ写真 2 および表 2 に示す（3）。ただし HTS は項目

常温時の固体状態の写真である。

比重kg/m3
kJ/kg
比熱（kcal/kg℃）
W/(m・K)
熱伝導率（kcal/mh℃）

HTS はアルカリ硝酸塩と亜硝酸塩の混合塩である。HTS は共融点が 142 ℃であり約 500 ℃の高温まで常圧・常温の空気中で使用できる液体―

単位28―

HTS

マグネシア （溶融硝酸塩）
3,4001.16（0.28）
22.4（19.3）

1,800
1.56（0.37）
0.39（0.34）

として、蒸気供給のための蓄熱材として適してい蓄熱材への熱伝達をよくするため、ヒータを格る。しかし、HTS は容積あたりの熱容量は比較的納する部材にフィンを設けてヒータから蓄熱材大きいが、熱伝導率は低いため他の蓄熱材との組への伝熱性能を高めている。

み合わせが必要である。「蒸気源」では混合材料

一方、蒸気発生量を増大させるためには、蓄として熱伝導率が大きく熱容量も比較的大きいマ

熱材の温度分布をできるだけ均一にして温度降

グネシア（MgO）クリンカを用いた。

下させ、伝熱管内の水への熱伝達を大きくする（2）蓄熱槽ことが必要である。そのためには加熱源のヒー蓄熱槽の水平断面の概念図を図 4 に示す。

タと同じように伝熱管にフィンを取り付け、蓄蓄熱材の蓄熱量を増大させるためには蓄熱材熱材から伝熱管への伝熱を促進することが考え温度をできるだけ高くすることが望ましいが、られる。しかし、最大 500 ℃に近い蓄熱材中のHTS は 550 ℃を超えると熱分解により HTS が減

伝熱管内に水を流すことから、伝熱管には大き量するため、500 ℃程度以上に昇温することはな温度差が繰り返し加わることになり、伝熱管できない。従って、HTS 温度が 500 ℃を超えなにフィンを取り付け一体化する構造は好ましくいようヒータの ON ／ OFF 制御を行っている。

ない。そのため「蒸気源」では、図 4 に示すよ

また、限られた時間内に蓄熱量をできるだけうに伝熱管をフィンに接近させ、ヒータのフィ多くするために蓄熱材を均一に温度上昇させるン効果を利用して蓄熱材温度をできるだけ均一ことが要求される。「蒸気源」ではヒータからに降下させるよう伝熱管を配置している。

過熱蒸気

C

ヒータ
B

蓄熱材
A

フィン

伝熱管

A：ヒータ温度
B：蓄熱槽中央温度
C：蓄熱槽下流温度

給水
図4 蓄熱槽水平断面概念図―

29―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

3.3

蒸気発生器

が上昇したときは、給水タンクへの蒸気逃しライ

蓄熱槽出口からの過熱蒸気は、給水ポンプ出口ンに設けた弁を開くことにより圧力を制限値以下から分岐した給水と蒸気発生器にて混合して飽和に降下させる。

蒸気となる。給水ポンプは、吐出圧力が変動して蓄熱材温度の低下に伴って発生蒸気圧力が低下も給水流量の変動が小さい特性を有するポンプをしてくるが、所定の蓄熱材温度で給水ポンプが自使用し、蓄熱槽にほぼ一定の給水流量を供給して動的に停止し、蒸気の発生を終了する。

いる。さらに給水ポンプの吐出配管に設置したリ
4．運転試験結果

リーフ弁により給水圧力が規定値を超えないようにしているので、給水ポンプ吐出圧力はほぼ一定「蒸気源」（HTS-300 型）実用機の性能試験を実となり、蒸気利用系側のバルブ開度を変えること施し、計画通りの性能を有することを確認した。

により蒸気流量を変化させることができる。蒸気以下に主要結果について説明する。

発生器の飽和蒸気圧力は 0.3 〜 0.5 MPa 程度である。

4.1

蓄熱性能

蒸気発生器内の水位は、蒸気発生器給水管ある

蓄熱調整契約時間は 22 時〜 8 時までの 10 時間でいはドレン配管に設けた弁を水位計で検出した水あるが、今回の試験では 23 時 20 分〜 9 時 20 分ま位により開閉制御して調整する。蒸気利用系にてでの 10 時間とした。蓄熱槽内部のヒータおよび蓄蒸気を必要としなくなり蒸気発生器内の蒸気圧力

熱材の昇温カーブの一例を図 5 に示す。なお、昇550500
ヒータ温度（蓄熱槽#1）
450
ヒータ温度（蓄熱槽#2）
蓄熱槽中央温度（蓄熱槽#1）
350
蓄熱槽中央温度（蓄熱槽#2）
300
250

時刻
図5 蓄熱槽昇温カーブの一例

―30

―

9:00

8:30

8:00

7:30

7:00

6:30

6:00

5:30

5:00

4:30

4:00

3:30

3:00

2:30

2:00

1:30

1:00

0:30

0:00

150

23:30

200

23:00

温度(℃)

400

温は前日に蒸気を使い切った状態から開始した。

記 2 方法による蒸気発生試験を実施した。

温度計測箇所は下記の通りである。

（1）蒸気利用系として水槽を用いる。

ヒータ温度 ：蓄熱槽中央部（図 4 の A）

「蒸気源」発生蒸気を水槽中に設けた伝熱管

蓄熱槽中央温度 ：蓄熱槽中央部（図 4 の B）

（羊腸式）内にて冷却し、「蒸気源」の連続運転

蓄熱材の温度を 480 ℃とするためにヒータ温度を実施する。水槽には常時冷却水を流す。

が 500 ℃以上でヒータ電源 OFF、480 ℃以下でヒー（2）蒸気利用系として回転釜（1 〜 2 台）を用いタ電源 ON の制御を行っている。図 5 から蓄熱開る。

始後約 6 時間半でヒータが上限値 500 ℃に達し、回転釜に水を満たし、沸騰するまで運転する。

以降 ON ／ OFF 制御を繰り返していることがわか

以下にその結果を示す。

る。蓄熱槽中央温度は約 9 時間程度で上限値①蒸気利用系として水槽を用いた場合480 ℃に達している。

最大蒸気流量 150 kg/h を目標として運転した場

蓄熱調整契約時間（10 時間）に達すると、ヒー合の蓄熱材温度および蒸気温度・圧力の変化を一タ電源を OFF とし、蒸気発生運転を開始するまで例として図 6 に示す。また、そのときの蒸気流量待機した。

変化を図 7 に示す。

蒸気発生性能ヒータおよび蓄熱材温度の計測箇所は図 4 に示

夜間に蓄熱材を加熱し、蓄えられた熱だけで下した通りである（図中 A、B、C）。蒸気流量は渦

500

1.0
ヒータ温度（上：蓄熱槽#1、下：蓄熱槽#2）

450

温度(℃)

4000.9
蓄熱槽下流側温度（上：蓄熱槽#1、下：蓄熱槽#2） 0.8

蓄熱槽中央温度（上：蓄熱槽#1、下：蓄熱槽#2）

350

0.7

3000.6
蒸気発生器

250

蒸気圧力0.5200

圧力(MPa)4.2

0.4

1500.3蒸気発生器 蒸気温度

1000.2
給水ポンプ自動停止

50
09:20

9:4010:00

10:20

10:40

0.1

11:00

0.011:20

時刻

図6 蒸気発生試験 温度・圧力変化の一例―

31―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

流量計により計測した。

図 6 から蓄熱材の温度は下流側よりも中央から先「蒸気源」運転開始後 5 分後に水槽入口蒸気弁をに降下していることがわかる。

開として発生蒸気を水槽へ供給した。実際の厨房

蒸気発生直後は高温の伝熱管に水が供給される等においてタイマー設定による蒸気発生後、直ちため、伝熱管内の急激な蒸発により蒸気圧力は激に蒸気を使用しないケースもあることを模擬する

しく変動するが、次第に安定してくる。

ためである。

図 6 および図 7 の試験では連続して最大蒸気出「蒸気源」が起動すると給水ポンプにより蓄熱力（150 kg/h）を維持しており、蒸気発生時間は 1槽へ給水され急激に蒸気が発生するが、水槽入口時間 25 分であった。また、所定の蓄熱材温度で給蒸気弁は最初閉じたままなので蒸気発生器内圧力水ポンプが自動停止することを確認した。

は高く給水流量は少ない。水槽入口蒸気弁を開く

蒸気流量が少ない条件で運転をすると、蓄熱槽と蓄熱槽への給水流量は急激に増加し蒸気が大量

内の蓄熱材温度は大流量の場合に比較して温度分に発生する。伝熱管内へ給水された水は、起動時布は均一な状態で降下していくので、より長時間は蓄熱槽の入口側近くで蒸気発生するが、時間とにわたって蒸気を発生することができ総発生蒸気ともに沸騰領域は下流側へ移動する。すなわち、量も多くなる。蒸気流量が 50 kg/h の場合では約 5蓄熱材から水への熱伝達領域は上流（給水）側か時間蒸気を発生することができる。

ら下流（蒸気出口）側方向へ移動する。従って、

200
180160蒸気流量（kg/h）

140
給水ポンプ自動停止

120
10080
60
40
20
09:20

9:40

10:00

10:20

10:40

時刻
図7 蒸気発生試験 蒸気流量変化の一例

―32―

11:00

11:20

②蒸気利用系として回転釜 2 台を用いた場合（2）蒸気式回転釜へ実際に蒸気を供給し、蒸気「蒸気源」に回転釜 2 台を接続した試験を行い、発生器として安定した状態で使用できる。

回転釜に蒸気を安定して供給できることを確認し今後はユーザへ納入した実機のメンテナンス・た。回転釜の水が沸騰して蒸気を必要としなくなサービスも含め、納入実績を蓄積していきたい。

り、回転釜の入口蒸気弁を閉とすると蒸気発生器「蒸気源」はラニングコストが安いこと、地球内の圧力は一時的に上昇するが、給水タンクへの温暖化防止の観点から炭酸ガスを放出しないこ

蒸気逃し弁が設定圧力で開となり、蒸気は給水タと、クリーンで安全性が高いこと等の特長を有しンクへ放出され、所定圧力内に維持されることをており、厨房機器以外にも病院向け蒸気滅菌装置確認した。など多くの分野での応用が期待されており、これ運転試験結果の一例を以下に示す。
回転釜内水量180 L/台

回転釜台数

2台

供給蒸気流量167 kg/h

沸騰までの時間20 分

らの新分野への利用を推進していきたい。
参考文献（1）小川智広、花房輝、渡辺健次： HTS を利用した高温蓄熱材による蒸気発生器、日本機械学会 熱工学部門ニュースレター No.47, 2005

6.まとめ

（2） 石田哲義：高温蓄熱槽とその応用機器の開発、「蒸気源」の運転試験により下記を確認した。

第 14 回電熱大会（1999.11.25）（1）「蒸気源」は計画通りの蓄熱性能および蒸（3）日本機械学会、伝熱工学資料（改訂第 4 版）気発生性能を有する。

研究開発事業部
プラント技術部次 長

田原 賢一
TEL. 045-759-2050
FAX. 045-759-2119―

33―

IIC REVIEW/2006/10. No.36