JP2006017418A

JP2006017418A - 水分含有物の冷凍解凍装置と方法

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Publication number: JP2006017418A
Application number: JP2004197593A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shindo; 賢治進藤; Akimichi Kawase; 晃道川瀬; Yuichi Ogawa; 雄一小川
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-01-19
Also published as: WO2006004116A1

Abstract

【課題】水と氷、食品、ＤＮＡサンプルなどに含まれる水分の凍結時又は解凍時の相変化状態を正確に検出することができ、これにより製氷速度を高め、過冷却状態を保持し、対象物全体の完全凍結を外部から確認でき、対象物全体を解凍直前に保持して解凍時間を短縮することができる水分含有物の冷凍解凍装置と方法を提供する。
【解決手段】水分を含む水分含有物１を冷却または放熱する冷却放熱装置１２と、水分含有物に波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波２を照射するミリ波照射装置１４と、水分含有物を透過したミリ波３を検出するミリ波検出装置１６と、ミリ波の照射出力と検出出力から水分含有物の吸収量を演算し水分含有物の相変化状態を検出する相変化検出装置１８と、検出された相変化状態から前記冷却放熱装置を制御する冷解凍制御装置２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水と氷、食品、ＤＮＡサンプルなどの水分含有物の冷凍解凍装置と方法に関する。

水を冷却すると氷に相変化することは、広く知られており、その際に種々の物理特性も変化する。かかる水及び氷の特性は、例えば非特許文献１〜３に開示されている。

［非特許文献１］は、テラヘルツ周波数における氷の光学的定数の計測結果を報告している。
［非特許文献２］は、紫外線からマイクロ波における氷の光学的定数を報告している。
［非特許文献３］には、水の一般的な物理特性が記載されている。

一方、水から氷に相変化する際の物性変化を利用した装置として、例えば［特許文献１］が提案されている。

特許文献１の「自動製氷装置」は、製氷容器設置部に、製氷容器５１内の水が氷に相変化するのを検知する相変化検知センサ５２を取り付けたものである。図７に示すように、この相変化検知センサ５２は、高周波発振器５３に接続された励起用電極５４と、この励起用電極に対し絶縁され、励起用電極より発振する電磁波を受ける受信用検出コイル５５から構成され、受信用検出コイル周辺をなす製氷容器内の水の相変化を電導率、誘電率の変化として、受信用検出コイルに誘導される共振電圧、若しくは共振周波数の変化で捕らえるものである。

ＣｈｕｎＺｈａｎｇｅｔａｌ． "ＯｐｔｉｃａｌｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｉｃｅＩｈｃｒｙｓｔａｌａｔｔｅｒａｈｅｒｔｚｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ"，ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．４，２００１，Ｐ４９１-４９３ＳｔｅｐｈｅｎＧ．Ｗａｒｒｅｎ "Ｏｐｔｉｃａｌｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｉｃｅｆｒｏｍｔｈｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｔｏｔｈｅｍｉｃｒｏｗａｖｅ"，ＡＰＰＬＩＥＤＯＰＴＩＣＳ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．８，１９８４，Ｐ１２０６-１２２５ＭａｒｖｉｎＲ．Ｑｕｅｒｒｙｅｔａｌ． "Ｗａｔｅｒ（Ｈ２０）"，ＨＡＮＤＢＯＯＫＯＦＯＰＴＩＣＡＬＣＯＮＳＴＡＮＴＳＯＦＳＯＬＩＤＳＩＩ，１９９１，Ｐ１０５９-１０７７

実開平５−８３６０号公報、「自動製氷装置」

水から氷を製氷する場合、特許文献１では水の相変化を電導率、誘電率の変化として検出している。しかし、この手段では、水と氷が混在している相変化過程を検出できない問題点があった。そのため、相変化後も余分な冷却が必要であり、一層の製氷速度の向上に限界があった。
また細胞膜内に水分を含む野菜、果物、食肉等の場合、水分を氷らせる際氷結晶の成長により細胞を破壊することがあり品質の劣化のおそれがあるため、相変化の直前の過冷却状態で保持することが最も望ましい。しかし、従来はかかる過冷却状態の検出はできなかった。
さらに、食肉、鮮魚、冷凍食品、ＤＮＡサンプルなどでは、一般に冷凍時には短時間に全体を完全に凍結させる必要があり、未凍結部分が残存すると雑菌が繁殖するおそれがある。しかし、従来は、単に急速冷却するにすぎず、対象物全体が完全に凍結していることを外部から切断することなく確認する手段がなかった。
また、逆に解凍時には、例えばマグロに代表されるように、内部の細胞膜が破壊しないように、解凍に十分時間をかける必要があった。そのため、解凍に時間がかかりすぎる問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、水と氷、食品、ＤＮＡサンプルなどに含まれる水分の凍結時又は解凍時の相変化状態を正確に検出することができ、これにより製氷速度を高め、過冷却状態を保持し、対象物全体の凍結状態を外部から確認でき、対象物全体を解凍直前に保持して解凍時間を短縮することができる水分含有物の冷凍解凍装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、水分を含む水分含有物を冷却または放熱する冷却放熱装置と、
該水分含有物に波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波を照射するミリ波照射装置と、
水分含有物を透過した前記ミリ波を検出するミリ波検出装置と、
前記ミリ波の照射出力と検出出力から水分含有物の吸収量を演算し水分含有物の相変化状態を検出する相変化検出装置と、
検出された相変化状態から前記冷却放熱装置を制御する冷解凍制御装置と、を備えたことを特徴とする水分含有物の冷凍解凍装置が提供される。

また、本発明によれば、水分を含む水分含有物を冷却または放熱する冷却放熱ステップと、
該水分含有物に波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波を照射するミリ波照射ステップと、
水分含有物を透過した前記ミリ波を検出するミリ波検出ステップと、
前記ミリ波の照射出力と検出出力から水分含有物の吸収係数を演算し水分含有物の相変化状態を検出する相変化検出ステップと、
検出された相変化状態から前記吸収係数を所定の範囲に維持するように水分含有物の冷却速度または放熱速度を制御する速度制御ステップと、を備えることを特徴とする水分含有物の冷凍解凍方法が提供される。

上記本発明の装置及び方法によれば、相変化過程で吸収係数が大きく変化する波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波を用いて水分を含む水分含有物の吸収係数を演算し、その相変化状態を正確に検出することができる。従って、検出された相変化状態をフィードバックして吸収係数を所定の範囲に維持することができ、これにより、製氷速度を高め、過冷却状態を保持し、対象物全体の完全凍結を外部から確認でき、対象物全体を解凍直前に保持して解凍時間を短縮することができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ミリ波照射装置は、周波数１００ｋＨｚ〜５０ＧＨｚのミリ波を発振するミリ波発振器と、該ミリ波を水分含有物に向けて照射する発振用ホーンアンテナとからなり、
前記ミリ波検出装置は、水分含有物を透過した前記ミリ波を受信する受信用ホーンアンテナと、受信したミリ波を検出し電気信号に変換するパワーセンサと、該電気信号からミリ波の出力を検出するパワーメータとからなる。

この構成により、ミリ波発振器で発振した周波数１００ｋＨｚ〜５０ＧＨｚのミリ波全体を、発振用ホーンアンテナで水分含有物に向けて正確に照射することができる。また、受信用ホーンアンテナで水分含有物を透過したミリ波全体を受信することができ、これからパワーセンサとパワーメータで検出出力を正確に検出することができる。従って、水分含有物と透過せずに飛散するミリ波を最小限に抑えることができ、吸収係数を正確に演算し、凍結時又は解凍時の相変化状態を正確に検出することができる。

上述したように、本発明の水分含有物の冷凍解凍装置と方法は、水と氷、食品、ＤＮＡサンプルなどに含まれる水分の凍結時又は解凍時の相変化状態を正確に検出することができ、これにより製氷速度を高め、過冷却状態を保持し、対象物全体の完全凍結を外部から確認でき、対象物全体を解凍直前に保持して解凍時間を短縮することができる、等の優れた効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の冷凍解凍装置の全体構成図である。この図において、本発明の冷凍解凍装置１０は、冷却放熱装置１２、ミリ波照射装置１４、ミリ波検出装置１６、相変化検出装置１８及び冷解凍制御装置２０を備える。

冷却放熱装置１２は、水分を含む水分含有物１を内部に収容する冷凍容器１２ａと、冷凍容器内を冷却または放熱する冷凍機１２ｂと、水分含有物１の温度を検出する温度検出器１２ｃ（例えば熱電対）とからなる。

ミリ波照射装置１４は、水分含有物１に波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波２（以下、照射ミリ波と呼ぶ）を照射する。ミリ波照射装置１４は、この例では、周波数１００ｋＨｚ〜５０ＧＨｚの照射ミリ波２を発振するミリ波発振器１４ａと、照射ミリ波２を水分含有物に向けて照射する発振用ホーンアンテナ１４ｂとからなる。

ミリ波検出装置１６は、水分含有物１を透過したミリ波３（以下、透過ミリ波と呼ぶ）を検出する。ミリ波検出装置１６は、この例では、水分含有物１を透過した透過ミリ波３を受信する受信用ホーンアンテナ１６ａと、受信した透過ミリ波３を検出し電気信号に変換するパワーセンサ１６ｂと、変換した電気信号から透過ミリ波３の出力を検出するパワーメータ１６ｃとからなる。

相変化検出装置１８は、ミリ波２、３の照射出力と検出出力から水分含有物の吸収係数を演算し水分含有物の相変化状態を検出する。冷解凍制御装置２０は、検出された相変化状態から冷却放熱装置１２を制御する。
相変化検出装置１８と冷解凍制御装置２０は、例えばデータ入出力装置を備えたＰＣ（パソコン）である。なお、温度検出器１２ｃの検出データも冷解凍制御装置２０又はＰＣに入力される。

図２は、本発明の冷凍解凍方法のフロー図である。この図に示すように、本発明の冷凍解凍方法は、冷却放熱ステップＳ１、ミリ波照射ステップＳ２、ミリ波検出ステップＳ３、相変化検出ステップＳ４及び速度制御ステップＳ５からなる。

冷却放熱ステップＳ１では、冷却放熱装置１２により、水分を含む水分含有物１を冷却または放熱する。
ミリ波照射ステップＳ２では、ミリ波照射装置１４により、水分含有物１に波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波２（照射ミリ波）を照射する。
ミリ波検出ステップＳ３では、ミリ波検出装置１６により、水分含有物１を透過したミリ波３（透過ミリ波）を検出する。

相変化検出ステップＳ４では、相変化検出装置１８により、ミリ波２、３の照射出力と検出出力から水分含有物１の吸収量を演算し水分含有物の相変化状態を検出する。
速度制御ステップＳ５では、冷解凍制御装置２０により、検出された相変化状態から吸収係数を所定の範囲に維持するように水分含有物１の冷却速度または放熱速度を制御する。

図３は、水と氷の吸収係数と波長との関係図である。この図において、横軸は電磁波の波長と周波数、縦軸は吸収係数である。また、図中の実線は固体（氷）、一点鎖線は液体（水）を示している。
この図から、波長が約１００μｍ（０．１ｍｍ）以上の領域では、水と氷の吸収係数が大きく相違することがわかる。例えば、３５ＧＨｚでの氷と水の吸収係数はそれぞれ４２ｃｍ^-１，７×１０^-３ｃｍ^-１程度であり、約６０００倍程度の違いがある。
なお、波長が１００ｍｍを超えると、水分含有物１を透過せずに周り込む比率が高くなるため、計測精度が低下する。

また図３から、水分を含む水分含有物は、その固相と液相に大きな吸収差があることが予測できる。本発明はかかる水分含有物の吸収係数の相違に着眼し創案されたものである。

すなわち、上述した本発明の装置及び方法によれば、相変化過程で吸収係数が大きく変化する波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波を用いるので、水分を含む水分含有物１の吸収係数を正確に演算し、その相変化状態を正確に検出することができる。従って、検出された相変化状態をフィードバックして吸収係数を所定の範囲に維持することができ、これにより、製氷速度を高め、過冷却状態を保持し、対象物全体の完全凍結を外部から確認でき、対象物全体を解凍直前に保持して解凍時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図１に示した本発明の冷凍解凍装置１０を用い純水をサンプルとして試験した。この試験では、光路長１ｍｍのポリエチレンテレフタノートのセルにサンプル（純水）を入れ、液体から固体へと相変化する際のミリ波の透過率を計測した。またサンプルの温度は熱電対により測定した。各測定は９０秒ごとに繰返した。

この試験では、ミリ発振器（ｍｍＷ-Ｓｏｕｒｃｅ）にはガンオシレータ（ＴＥＲＡＢＥＡＭ社、発振周波数３５ＧＨＺ）を利用した。最大出力電力は１０ｍＷであり、連続発振が可能である。定格入力電圧６．５Ｖである。
また、使用したホーンアンテナ（ＨｏｒｎＡｎｔｅｎｎａ）はＣｕｓｔｏｍＭ／Ｗ社ＨＯ２２Ｒであり、その利得は２４ｄＢｉ、半値全幅の測定値は１４．５３ｄｅｇ．であった。
受信系では、ホーンアンテナから伝わる電力は導波管−同軸変換後、ダイオード検波形電力計であるパワーセンサ（Ａｎｒｉｔｓｕ社ＭＡ２４７５Ａ）とパワーメータ（Ａｎｒｉｔｓｕ社ＭＬ２４３７）により検出した。検出感度のダイナミックレンジは９０ｄＢ（-７０〜＋２０ｄＢｍ）であり、測定可能な周波数範囲は１００ｋＨｚ〜５０ＧＨｚであった。

図４は、この試験で得られた吸収係数の計測結果である。この図において、横軸は温度、縦軸は吸収係数である。
図４に示すように、約１６℃の液体（純水）をＡ点から冷却していくと、Ｂ点において一度−３．１℃まで温度が下がり過冷却状態が観察された。その後、Ｃ点で瞬間的に過冷却解除が起こり、再び０℃に戻ったとき相変位が起こり固相になったと考えられる。
その後、４０分程度かけて温度一定（−０．８℃）でＤ点まで吸収係数が下がり続けた。次いで、Ｄ点において吸収係数が−１５ｃｍ^-１程度になったところで、再び温度の低下が始まった。それとともに緩やかに吸収係数も低下した。その後、−１３℃（Ｅ点）から冷凍庫の到達冷却温度の−２０℃（Ｆ点）まで、吸収係数は一定となった。

過冷却になるまでの液相の状態（Ａ点〜Ｂ点）において、温度変化とともに吸収係数が下がっていくことが確認された。この結果から、０〜５℃の液相の状態では０．８ｃｍ^−１／℃の傾きを持つことがわかる。
また、吸収係数が過冷却（Ｂ点）後、固体に変化した（Ｃ点）後、吸収係数が大きく変化することがわかる。この様子から、液相から固相への相変化の様子や凍結状態をミリ波の透過量、すなわち吸収係数で明確に判別することが可能であることが確認できた。
また、吸収係数は−１３℃（Ｅ点）になるまでは緩やかに減少し、その後−２０℃（Ｆ点）まで安定することがわかる。これは氷としての水分子の分子構造が安定したためと考えられる。
現在、このように透過量の測定により内部の凍結を確認する簡便な方法は他にはない。従って、この技術は冷凍解凍時のモニタリングに応用が可能である。

次に、スクロース濃度１０％の混合水をサンプルとし、第１実施例と同じ光路長１ｍｍのポリエチレンテレフタノートのセルにサンプルを入れ、同様の試験を実施した。スクロース濃度１０％の混合水は、野菜や果物を模擬したものである。

図５は、この試験で得られた吸収係数の計測結果である。この図において、横軸は温度、縦軸は吸収係数である。この図から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの冷却過程において、純水の場合と同様に過冷却状態（Ｂ点）を経て、瞬間的に過冷却解除が起こることがわかる。またこの例では、固相においても、Ｃ点からＤ点まで、温度の低下と共に吸収係数も低下することが確認された。
この結果から、吸収係数を所定の範囲（この例では約１０〜２０ｃｍ^-１）に維持することにより、野菜、果物、食肉等を相変化の直前の過冷却状態で保持することが可能であることがわかる。

厚さ１ｃｍ程度のひき肉をサンプルとし、第１実施例と同様の試験を実施した。ひき肉は、食肉、鮮魚、冷凍食品、ＤＮＡサンプル等を模擬したものである。

図６は、この試験で得られた吸収係数の計測結果である。この図において、横軸は温度、縦軸は吸収係数である。この図から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの冷却過程において、明確な過冷却状態は検出されないが、ゲル状態（Ａ点〜Ｂ点）と固体状態（Ｃ点〜Ｄ点）とは、吸収係数の変化特性は全く相違することが確認された。
図６から、未凍結部分が残存する場合、その吸収係数はゲル状態と固体状態の中間値を示すことから、対象物全体が完全に凍結していることを外部から切断することなく確認できることがわかる。
また、逆に解凍時に、固体状態（Ｃ点〜Ｄ点）の吸収係数に保持することにより、内部の細胞膜が破壊しないように保持しながら、解凍時間を大幅に短縮することができることがわかる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の冷凍解凍装置の全体構成図である。本発明の冷凍解凍方法のフロー図である。水と氷の吸収係数と波長との関係図である。本発明の第１実施例による吸収係数の計測結果である。本発明の第２実施例による吸収係数の計測結果である。本発明の第３実施例による吸収係数の計測結果である。［特許文献１］の「自動製氷装置」の模式図である。

符号の説明

１水分含有物、２照射ミリ波、３透過ミリ波、
１０冷凍解凍装置、１２冷却放熱装置、
１２ａ冷凍容器、１２ｂ冷凍機、１２ｃ温度検出器（熱電対）、
１４ミリ波照射装置、１４ａミリ波発振器、１４ｂ発振用ホーンアンテナ、
１６ミリ波検出装置、１６ａ受信用ホーンアンテナ、
１６ｂパワーセンサ、１６ｃパワーメータ、
１８相変化検出装置、２０冷解凍制御装置

Claims

水分を含む水分含有物を冷却または放熱する冷却放熱装置と、
該水分含有物に波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波を照射するミリ波照射装置と、
水分含有物を透過した前記ミリ波を検出するミリ波検出装置と、
前記ミリ波の照射出力と検出出力から水分含有物の吸収量を演算し水分含有物の相変化状態を検出する相変化検出装置と、
検出された相変化状態から前記冷却放熱装置を制御する冷解凍制御装置と、を備えたことを特徴とする水分含有物の冷凍解凍装置。
前記ミリ波照射装置は、周波数１００ｋＨｚ〜５０ＧＨｚのミリ波を発振するミリ波発振器と、該ミリ波を水分含有物に向けて照射する発振用ホーンアンテナとからなり、
前記ミリ波検出装置は、水分含有物を透過した前記ミリ波を受信する受信用ホーンアンテナと、受信したミリ波を検出し電気信号に変換するパワーセンサと、該電気信号からミリ波の出力を検出するパワーメータとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の水分含有物の冷凍解凍装置。
水分を含む水分含有物を冷却または放熱する冷却放熱ステップと、
該水分含有物に波長０．１ｍｍ〜１００ｍｍのミリ波を照射するミリ波照射ステップと、
水分含有物を透過した前記ミリ波を検出するミリ波検出ステップと、
前記ミリ波の照射出力と検出出力から水分含有物の吸収係数を演算し水分含有物の相変化状態を検出する相変化検出ステップと、
検出された相変化状態から前記吸収係数を所定の範囲に維持するように水分含有物の冷却速度または放熱速度を制御する速度制御ステップと、を備えることを特徴とする水分含有物の冷凍解凍方法。