JP2005133992A - 冷却凍結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトで効率の良い空気冷媒用の冷却凍結装置の提供。
【解決手段】 空気冷却装置１からの冷却空気が凍結装置３に供給され、そこで被冷却体２が凍結される。その凍結装置３は搬送装置４が内装されたダクト５を有し、その搬送方向と冷却空気の流通方向とが逆向きに形成され、凍結装置３から流出した冷却空気が空気冷却装置１に戻される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気冷媒により食品等を凍結する冷却凍結装置に関する。

従来最も広く使用されている食品を凍結する業務用の冷凍機は、フロン等の冷媒を使用する蒸気サイクルを用いるものであり、その冷凍機の効率を上げるため、２段の圧縮又は２元冷媒の冷凍機が使用されている。大量の食品を冷凍するこれらの冷凍機は大型でシステム的に複雑となり、高価なものとならざるをえなかった。又、地球温暖化防止の上からフロン類の冷媒の使用を避ける傾向にあり、そのためにはこのタイプの装置の使用を控えることが求められつつある。又、フロン等の使用の蒸気サイクル冷凍機は、冷媒を蒸発器内で蒸発冷却し、蒸発器外面側の庫内空気を冷却するものである。このとき、蒸発器を通過する空気温度は冷媒温度よりも数度高くなる。それとともに、蒸発器を通過する空気の温度分布は、必ずしも均一にはならない。

次に、空気冷媒を用いる冷凍機は、下記特許文献１及び特許文献２にそれぞれ提案されている。これらの空気冷媒冷凍機は、フロン等の蒸気サイクル冷凍機に比較して効率が悪く、被冷却体を室温から凍結まで急速に行う場合には、装置が大型化し、装置全体が高価にならざるをえなかった。

特開２０００−１２１１８５号公報 特開２００２−２３５９６１号公報

そこで本発明は、空気冷媒を用いる冷却凍結装置において、全体の効率が良く、コンパクトにすることが出来る冷却凍結装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、空気を冷却する空気冷却装置(1) と、空気冷却装置(1) からの冷却空気が供給されて、被冷却体(2) を凍結させる凍結装置(3) を具備する冷却凍結装置において、
その凍結装置(3) は、被冷却体(2) を搬送する搬送装置(4) が内装された細長いダクト(5) を有し、そのダクト(5) の搬送方向の下流部に冷却空気の流入口(6) が設けられ、その上流部に冷却空気の流出口(7) が空気冷却装置(1) に連結され、冷却空気の流通方向と被冷却体(2) の搬送方向とが逆向きに形成された冷却凍結装置である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
凍結装置(3) のダクト(5) の上流部から流出する冷却空気が、空気冷却装置(1) に導かれて、それが凍結装置(3) と空気冷却装置(1) とを循環するように形成された冷却凍結装置である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
凍結装置(3) に保冷庫(17)が連通されて、その保冷庫(17)内に前記冷却空気が導かれるように形成された冷却凍結装置である。

請求項４に記載の本発明は、請求項３において、
凍結装置(3) の搬送方向の下流部に保冷庫(17)が連通されると共に、凍結装置(3) 内の第１の位置から冷却空気を抽気して保冷庫(17)内にそれが導かれ、保冷庫(17)内の冷却空気を第１の位置より上流部で凍結装置(3) に還流する冷気還流手段(8) が設けられた冷却凍結装置である。
請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
凍結装置(3) のダクト(5) の長手方向の一部に、ダクト(5) の断面を縮小する冷却空気増速部(9) を設けた冷却凍結装置である。

請求項６に記載の本発明は、請求項５において、
冷却空気増速部(9) の位置をダクト(5) の長手方向に移動可能とした増速部移動手段(10)が設けられた冷却凍結装置である。
請求項７に記載の本発明は、請求項１において、
前記空気冷却装置(1) は、圧縮後に冷却された空気が空気圧縮−膨張機(12)のタービン(13)に供給されて、そこでその空気が膨張冷却され、
そのタービン(13)の上流側にドレン分離器(14)が設けられて、空気中の水分がドレンとして除去され、タービン(13)の下流側にミスト状霧氷を除去する霧氷除去器(15)が設けられた冷却凍結装置である。

請求項８に記載の本発明は、請求項７において、
前記霧氷除去器(15)は、メッシュ状の撥水性のフィルタ(24)よりなり、目詰まりの際にはその加熱部(25)により除霜される冷却凍結装置である。
請求項９に記載の本発明は、請求項７または請求項８において、
前記タービン(13)の上流側に空気圧縮用のモータ(19)駆動のブースタ(16)を有し、モータの回転数を可変とすることより空気の圧縮比を変えて、冷却空気の温度制御を行うこととした冷却凍結装置である。

請求項１０に記載の本発明は、請求項１〜請求項９のいずれかにおいて、
冷却空気の流路および保冷庫(17)の壁が、真空断熱材で形成された冷却凍結装置である。 請求項１１に記載の本発明は、請求項１０において、
真空断熱材として、シリカ系パーライトの多孔質粉末を用いた冷却凍結装置である。
請求項１２に記載の本発明は、請求項７〜請求項１１のいずれかにおいて、
空気圧縮−膨張機(12)および／またはブースタ(16)の軸受が、外部からの補助空気を要しない動圧空気軸受(32)(33)で形成された冷却凍結装置である。

本発明の凍結装置３は、被冷却体２を搬送する搬送装置４が内装された細長いダクト５を有し、そのダクト５の搬送方向の下流部に冷却空気の流入口６が設けられ、その上流部に冷却空気の流出口７が空気冷却装置(1) に連結され、冷却空気の流通方向と被冷却体２の搬送方向とが逆向きに形成されたから、被冷却体２と冷却空気との熱交換が促進され、被冷却体２の凍結を迅速に行うことが出来る。そのため、凍結装置３のコンパクト化を図ることが出来る。

上記構成において、凍結装置３のダクト５の上流部から流出する冷却空気を空気冷却装置１に還流し、それが凍結装置３と空気冷却装置１とを循環するように形成することが出来る。それにより、装置全体の熱効率を向上させ、空気冷却装置１のコンパクト化を図ることが出来る。
上記構成において、凍結装置３に保冷庫17を連通させ、保冷庫17内に凍結装置３内の冷却空気を導くことが出来る。それにより、保冷庫17内に新たな冷却装置を設ける必要がなくなる

上記構成において、凍結装置３の搬送方向の下流部に保冷庫17を連通し、凍結装置３内の第１の位置から冷却空気を抽出して保冷庫17内に導き、保冷庫17内の冷却空気を第１の位置より上流部で、凍結装置３に還流する冷気還流手段８を設けることが出来る。この場合には、簡単な構造で保冷庫17の被冷却体２を所望の温度に保持することが出来る。それと共に冷却空気を無駄なく保冷庫17と凍結装置３とで使用することが出来る。

上記構成において、凍結装置３のダクト５の長手方向の一部にダクト５の断面を縮小する冷却空気増速部９を設けることが出来る。この場合には、冷却空気増速部９の位置で被冷却体２との熱交換を促進し、被冷却体２を確実に凍結させることが出来る。
上記構成において、冷却空気増速部９の位置をダクト５の長手方向に移動可能とする増速部移動手段10を設けることが出来る。この場合には、被冷却体２の熱容量に応じて搬送路中の最適位置でそれを確実に凍結することが出来る。

上記構成の空気冷却装置１において、圧縮後に冷却した空気を空気圧縮−膨張機12のタービン13に供給し、そこで空気を膨張冷却することとし、そのタービン13の上流側にドレン分離器14を設けて空気中の水分をドレンとして除去し、タービン13の下流側にミスト状霧氷を除去する霧氷除去器15を設けることが出来る。このようにすることにより、空気中の水分を効率よく完全に除去し、被冷却体２の冷凍能力を向上することが出来る。

上記構成において、霧氷除去器15を、メッシュ状の撥水性のフィルタ24により形成し、目詰まりの際にはその加熱部25により除霜することが出来る。このように構成することにより、除霜により発生した水分を円滑に流下し、霧氷除去器15の性能を迅速に回復することが出来る。
上記構成において、タービン13の上流側に空気圧縮用のモータ19駆動のブースタ16を設け、その回転数を可変とすることにより空気の圧縮比を変えて冷却空気の温度制御を行うことが出来る。それにより簡単な構成で、被冷却体２に適した冷却空気温度を得ることが出来る。

上記構成において、冷却空気の流路および保冷庫の壁を真空断熱材で形成することが出来る。それにより、比較的薄い壁で断熱構造を形成し、コンパクトな凍結装置を提供出来る。
上記構成において、真空断熱材としてシリカ系パーライトの多孔質粉末を用いることが出来る。それにより比較的安価で壁厚の薄い断熱構造を形成できる。
上記構成において、空気圧縮−膨張機12よび／またはブースタ16の軸受を、外部からの補助空気を要しない動圧空気軸受32，33で形成することができる。その場合には食品等の被冷却体に軸受油等の臭いがつくことを防止できる。

次に図面にもとづいて、本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の冷却凍結装置の説明図であり、図２はその空気冷却装置１と凍結装置３との関係を示す説明図、図３は空気冷却装置１の説明図である。
この冷却凍結装置は図２に示す如く、空気冷却装置１により冷却された空気が配管ｉを介して凍結装置３に送られ、被冷却体を冷却し、そこで使用された冷却空気が配管ｊを介して空気冷却装置１に還流するものである。
凍結装置３は、図１に示す如く、搬送装置４が内蔵された細長いダクト５（トンネル状）を有し、そのダクト５の搬送方向の上流部に被冷却体２の投入口５ａが設けられるとともに、冷却空気28の流出口７が設けられる。

また、ダクト５の下流端には冷却空気28の流入口６が設けられている。ダクト５の中間部から下流部にかけて断面船底形の空気案内板９ａが、搬送装置４の上面に対向して配置され、その位置のダクト５の流路断面を縮小して、そこに冷却空気増速部９を形成している。この空気案内板９ａは、冷却空気28の流速を速くし、被冷却体２と冷却空気28との熱交換を促進させて、被冷却体２を急速に凍結させるものである。この空気案内板９ａは、増速部移動手段10に連結され、空気案内板９ａがダクト５の長手方向に移動自在となるようにしている。即ち、増速部移動手段10の可逆回転するモータ19の回転軸に連結されたネジシャフトを駆動することにより、それに螺着された可動体10ａを介して空気案内板９ａをダクト５の長手方向のいずれの方向にも移動させることができるものである。なお空気案内板９ａは、冷却空気28の流速を増大させつつ、それに伴う流通抵抗が比較的低い範囲となるように設計される。

ダクト５の下流端の下方には連通部17ａを介して保冷庫17が接続されている。この保冷庫17の天井部又は側部とダクト５の下流部との間には互いに離間して複数の空気の連通路17ｂが設けられ、その連通路17ｂにダンパ29が開閉自在に取り付けられている。更に、保冷庫17の一側又はその上部とダクト５の上流部との間には冷気還流手段８が設けられている。この冷気還流手段８には脱臭器18及びファン30が設けられている。そのファン30は保冷庫17の内部に配置された温度センサ31の出力信号によりＯＮ・ＯＦＦ制御されるものである。

なお、温度センサ31の出力信号によりダンパ29も同時にＯＮ・ＯＦＦ制御することも出来、或いはダンパ29は手動で開閉することも出来る。複数の連通路17ｂの内いずれかを選択するかは、被冷却体２の最適保存温度により決まる。即ち、より低い凍結温度を必要にするときは、ダクト５のより下流側の連通路17ｂを開放すればよい。その位置の冷却空気28は上流側よりも低温であるからである。また凍結装置３のダクト５の流出口７は、脱臭器18を介して空気冷却装置１に連結され、冷却空気28を循環して、再冷却し熱効率を向上させている。

このようにしてなる凍結装置３には、空気冷却装置１からの冷却空気28がダクト５の下流端に供給される。そしてダクト５内の搬送装置４が駆動され、投入口５ａから被冷却体２が投入される。被冷却体２は、魚介類や加工食品であり一般的に水分を含む。搬送装置４によって上流側から下流側に運ばれる被冷却体２は、冷却空気28により次第に冷却され、冷却空気増速部９位置で完全に凍結されて、連通部17ａを介し保冷庫17に収納される。その保冷庫17には、ダクト５内の冷却空気が連通路17ｂ、冷気還流手段８を介して流通する。

次に空気冷却装置１は、この例では図３の如く構成されている。即ち、可変のモータ19により駆動されるブースタ16によって、外気と凍結装置３から再生器27を通った空気が圧縮され、それが配管ａを介し中間冷却器20により冷却され、次いで配管ｂを介し空気圧縮−膨張機12に供給される。その空気圧縮−膨張機12の圧縮機21によって再圧縮された空気は、配管ｃ及び切換弁22を介し、何れか一方のフィルタ24の加熱部25の配管を通過し、配管ｄから後置冷却器26に導かれて冷却され、更に配管ｅから再生器27に供給され再冷却されて、ドレン分離器14を介しタービン13に供給される。

そのドレン分離器14は圧縮空気中のドレンを除去する。次いで、タービン13により膨張し所定の温度まで冷却された空気は、配管ｈから切換弁23を介し霧氷除去器15に供給される。霧氷除去器15では切換弁23を介して、その何れか一方のフィルタ24を冷却空気が通過し、その冷却空気中のミスト状霧氷がフィルタ24によって捕捉され、乾燥した冷却空気が凍結装置３に供給される。使用により目詰まりしたフィルタ24は、比較的高温の圧縮空気が加熱部25を流通することにより解凍され、ドレンとして外部にそれを排出する。
凍結装置３に供給された冷却空気は、被冷却体を冷却凍結したのちに、配管ｊを介して再生器27に導かれる。再生器27に導かれる冷却空気は、圧縮された空気と熱交換し、その圧縮空気を冷却したのちに配管ｋを介しブースタ16に供給される。このように凍結装置３から流出する冷却空気を再度循環使用するため、冷却凍結装置全体の熱効率が極めて良くなる。

モータ19は、可変型のものであり、凍結装置３に供給される冷却空気温度をモータ19の回転速度を変えることにより制御する。即ち、ブースタ16の空気圧縮率を変化させることにより、冷却空気の温度を変える。なお空気圧縮−膨張機12のタービン13は、ブースタ16により圧縮された空気により駆動され、そのタービン13が駆動されると、それと同軸の圧縮機21を駆動して、そこに導かれた圧縮空気を再圧縮するものである。
従って、この例では空気圧縮−膨張機12には他の動力は供給されない。なおそれに代えて、圧縮機21とタービン13とを連結する回転軸をモータにより駆動することも出来る。その場合には図４に示す如く、ブースタ16と圧縮機21，モータ19およびタービン13を同軸で連結する。

その場合には中間冷却器20は圧縮機21の下流側に連結される、いわゆる１軸式の構成となる。このモータ19は始動時、加速時に本来の電動機の役目をするが、タービン13の出力がブースタ16と圧縮機21の合計入力を上回れば、発電機の役目をする。

空気冷却装置１において、図３のモータ19とブースタ16を含めた回転体に動圧空気軸受32を使用すると共に、圧縮機21とタービン19の回転体に動圧空気軸受33を使うことが好ましい。また、図４の１軸式の構成では、ブースタ16，圧縮機21とタービン19の回転体に動圧空気軸受32，33を使用することが好ましい。それは、食品等に好適なoil-freeな清浄な空気を循環使用することができると共に、油軸受を使うことによる保守費の増大を完全に排除できるからである。

空気冷却装置１から凍結装置３に供給される冷風温度を−５０℃ないし−６０℃とすることで急速凍結が可能となる。被冷却体２としては、魚介類や野菜、ゆでた麺類、飯などであり、それを急速凍結して食品の品質向上を図ることが出来る。なお、一般的に保冷庫17に保管された凍結品の温度は通常−25℃〜−60℃程度である。その温度を保つように、複数の連通路17ｂのうち一つまたは二つが選択されるとともに、温度センサ31を介してファン30をＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、その温度を維持することが出来る。

凍結装置３は図１に示す如く冷却空気28と被冷却体２とが対向流となり、その被冷却体２は所定の温度以下になってから凍結が進行する。そこでは、被冷却体２内の水分の凝固潜熱の冷却負荷が生ずる。従ってその負荷は被冷却体２の水分量に依存するが、単位時間内の処理量の増大を図るためには、凍結が進行するゾーンの冷却風と被冷却体２の熱伝達の増大を図ることが必要である。この例では舟底形の空気案内板９ａによって冷却空気増速部９を形成してその実現を図る。その結果、ダクト５の長さを短くしシステム全体を小型化することが出来る。

次に、外部からの侵入熱は、空気冷却装置１の低温部及び凍結装置３の断熱性能及び冷風の漏れで決定される。通常冷却空気が流通する流路の断熱材としてウレタン等の発泡体が多く使用されているが、断熱性能の向上を図るには、真空断熱材が好ましい。この真空断熱材の熱伝達率は通常の発泡ウレタンの数分の１程度となる。このような低伝導率の素材を含む断熱壁を採用することで、同一の厚みとすれば侵入熱の低減が可能である。また同一の侵入熱を許容するとすれば断熱壁の厚みを発泡ウレタンの場合に比べ著しく薄くして、庫内容積を拡大できる。真空断熱材として好ましくは、シリカ系パーライト粉末（酸化珪素、火山灰などの成分であるＳ_i Ｏ₂ の多孔質の粉末を用いる）。即ち、この多孔質の粒子を芯材に使用した真空断熱材を用いることが出来る。それにより庫内温度の低下を迅速に行い固定的な冷却負荷を小さくすることが出来る。

次に、凍結装置３内で、冷却空気28と被冷却体２との熱交換に伴い、被冷却体２の水分は冷却空気28に移動する。従って、凍結装置３からの戻り空気はその絶対湿度が高くなる。空気冷却装置１内を通過する湿度の高い空気はブースタ16、圧縮機21を通過して加圧され、次いで冷却されてドレン分離器14によりドレンが分離される。この例では、ドレン分離器14は慣性式のものを用いることが出来る。ドレン分離機14で除去できないミスト状水分はタービン13（膨張機）を通過後に微粒霧氷状となり、ミスト状水分に比較して嵩が大きくなる。その霧氷微粒子は前述の如く霧氷除去器15のフィルタ24により分離される。なお、この例では、ブースタ16を遠心式ターボブロワーとし、圧縮機21を遠心式圧縮機とし、タービン13をラジアルタービンとすることができる。勿論、本発明はその実施例に限定されるものではない。

本発明の冷却凍結装置のうちの凍結装置３の要部説明図。 空気冷却装置１と凍結装置３との循環説明図。 同装置の空気冷却装置１の要部説明図であって回転体が二つある２軸構成のものである。 同装置の他の空気冷却装置１の要部説明図であって回転体が一つある１軸構成のものである。

符号の説明

１ 空気冷却装置
２ 被冷却体
３ 凍結装置
４ 搬送装置
５ ダクト
５ａ 投入口
６ 流入口
７ 流出口
８ 冷気還流手段
９ 冷却空気増速部
９ａ 空気案内板
10 増速部移動手段
10ａ 可動体

12 空気圧縮−膨張機
12ａ １軸式空気圧縮−膨張機
13 タービン
14 ドレン分離器
15 霧氷除去器
16 ブースタ
17 保冷庫
17ａ 連通部
17ｂ 連通路
18 脱臭器
19 モータ
20 中間冷却器

21 圧縮機
22 切換弁
23 切換弁
24 フィルタ
25 加熱部
26 後置冷却器
27 再生器
28 冷却空気
29 ダンパ
30 ファン
31 温度センサ
32 動圧空気軸受
33 動圧空気軸受
ａ〜ｋ 配管

Claims (12)

1. 空気を冷却する空気冷却装置(1) と、空気冷却装置(1) からの冷却空気が供給されて、被冷却体(2) を凍結させる凍結装置(3) を具備する冷却凍結装置において、
   その凍結装置(3) は、被冷却体(2) を搬送する搬送装置(4) が内装された細長いダクト(5) を有し、そのダクト(5) の搬送方向の下流部に冷却空気の流入口(6) が設けられ、その上流部に冷却空気の流出口(7) が空気冷却装置(1) に連結され、冷却空気の流通方向と被冷却体(2) の搬送方向とが逆向きに形成された冷却凍結装置。
2. 請求項１において、
   凍結装置(3) のダクト(5) の上流部から流出する冷却空気が、空気冷却装置(1) に導かれて、それが凍結装置(3) と空気冷却装置(1) とを循環するように形成された冷却凍結装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   凍結装置(3) に保冷庫(17)が連通されて、その保冷庫(17)内に前記冷却空気が導かれるように形成された冷却凍結装置。
4. 請求項３において、
   凍結装置(3) の搬送方向の下流部に保冷庫(17)が連通されると共に、凍結装置(3) 内の第１の位置から冷却空気を抽気して保冷庫(17)内にそれが導かれ、保冷庫(17)内の冷却空気を第１の位置より上流部で凍結装置(3) に還流する冷気還流手段(8) が設けられた冷却凍結装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
   凍結装置(3) のダクト(5) の長手方向の一部に、ダクト(5) の断面を縮小する冷却空気増速部(9) を設けた冷却凍結装置。
6. 請求項５において、
   冷却空気増速部(9) の位置をダクト(5) の長手方向に移動可能とした増速部移動手段(10)が設けられた冷却凍結装置。
7. 請求項１において、
   前記空気冷却装置(1) は、圧縮後に冷却された空気が空気圧縮−膨張機(12)のタービン(13)に供給されて、そこでその空気が膨張冷却され、
   そのタービン(13)の上流側にドレン分離器(14)が設けられて、空気中の水分がドレンとして除去され、タービン(13)の下流側にミスト状霧氷を除去する霧氷除去器(15)が設けられた冷却凍結装置。
8. 請求項７において、
   前記霧氷除去器(15)は、メッシュ状の撥水性のフィルタ(24)よりなり、目詰まりの際にはその加熱部(25)により除霜される冷却凍結装置。
9. 請求項７または請求項８において、
   前記タービン(13)の上流側に空気圧縮用のモータ(19)駆動のブースタ(16)を有し、モータの回転数を可変とすることより空気の圧縮比を変えて、冷却空気の温度制御を行うこととした冷却凍結装置。
10. 請求項１〜請求項９のいずれかにおいて、
    冷却空気の流路および保冷庫(17)の壁が、真空断熱材で形成された冷却凍結装置。
11. 請求項１０において、
    真空断熱材として、シリカ系パーライトの多孔質粉末を用いた冷却凍結装置。
12. 請求項７〜請求項１１のいずれかにおいて、
    空気圧縮−膨張機(12)および／またはブースタ(16)の軸受が、外部からの補助空気を要しない動圧空気軸受(32)(33)で形成された冷却凍結装置。
    

Images