JP2006200372A - 食品用クリーム用容積形ポンプおよびこれを備えた食品製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 食品用クリーム用容積形ポンプにおいて、側板を設けずとも材質の熱膨張によるポンプの能力変化を抑制し、高温の流体を流したときに十分な吐出圧を得る。
【解決手段】 内部にポンプ室２５が形成されたケーシング１３と、吸入口１１からポンプ室２５内に食品用クリームを吸入するとともに該食品用クリームを排出口１４から排出するように前記ポンプ室２５内に回転可能に設けられたロータ２１，２２とを備える容積形ポンプ１０において、ケーシング１３を前記ロータ２１，２２の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料から構成し、製造運転時の温度において、ポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２の外接円Ｃとの間のクリアランスをｄ、前記ロータ２１，２２の外接円Ｃの直径をＤ_１とするとき、ｄ／Ｄ_１×１００％で表される百分率が０．３〜０．６％の範囲内となる内径Ｄ_２を有するポンプ室２５を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、食品用クリームを圧送するために用いられる容積形ポンプおよびこれを備えた食品製造装置に関する。
本発明において、食品用クリームとは、乳脂肪や植物性脂肪等の脂肪分と水分等の混合物からなるものである。その具体例としては、ホイッピングクリーム等のクリームならびにクリームと同様の物性を有するソフトクリームミックス、アイスクリームミックス等が挙げられる。
本発明における食品は、上記食品用クリームを原料または原料の一部として製造されるものである。その具体例としては、ホイップドクリーム、ソフトクリーム、アイスクリーム等が挙げられる。

従来、ホイップドクリーム製造装置としては、クリームを圧送しつつ、狭い隙間を有する抵抗体の中を通すことによってせん断力を加え、クリームを連続的にホイップするものが知られている。この種のホイップドクリーム製造装置を洗浄するには、水や温湯（４０℃程度）またはメーカー指定の常温の洗浄液を１種類、または複数種類を順番に装置に流すことによって洗浄を行うことが広く行われている。しかしこの方法では、洗浄液等の温度が４０℃程度またはそれ以下とされているので、この温度では装置内に残留した脂肪分が溶融しにくく、脂肪分の完全な除去が困難である。このため、一週間に一度程度は装置を分解し、分解した部品をブラシ等を用いて洗浄することが推奨されている。
装置を分解せずに脂肪分を完全に除去するためには、脂肪分の融点（約３５℃）以上、望ましくは４０℃以上に洗浄液等の温度を上げるのが効果的である。さらに、洗浄液等の温度を８０℃以上にできれば、細菌やカビ、酵母等の微生物を死滅させる殺菌の効果も得られるようになり、装置内の消毒をより簡便に行うことができ、分解洗浄や薬液等の使用を行わずとも、より長い期間にわたって装置内の衛生状態を良好に維持することが可能となる。

ホイップドクリーム製造装置の場合、クリームに十分なせん断力を加えるためには製造運転時の吐出圧は０．５ＭＰａ以上必要である。また、洗浄液等の流量を確保するためには洗浄運転時の吐出圧は０．２ＭＰａ以上必要である。
しかし、従来のホイップドクリーム製造装置の圧送用ポンプとしては、主に外接型歯車ポンプが用いられている。この種の外接型歯車ポンプは、ケーシング内に形成されたポンプ室の中に、ロータとして、一対の噛み合った歯車（外歯車）が設けられ、固定されたケーシングと回転する歯車の歯との間に流体を密封して吸入口側から排出口側へと移送するものである。ケーシングと歯車との間のクリアランスが大きいと、排出口側から吸入口側への流体の漏れ等によって吐出圧の低下の原因となるので、ケーシングと歯車との間のクリアランスは、製造運転時に目的とする吐出圧が得られることを優先して設計されている。

ところで、温度が異なる２種類の液を外接型歯車ポンプに通すような場合、歯車対の軸方向両側に接して２枚の側板を設け、歯車をその軸に直角な平面によって挟み込み、材質の熱膨張によるクリアランスの変化に対応してポンプ内の圧力のバランスをとることにより、ポンプの能力変化を少なくする方法が一般的である。
また、特許文献１には、圧縮性流体（空気などの気体）を排気する真空ポンプ等として用いられる容積形ポンプにおいて、ロータの線膨張係数をハウジングの線膨張係数より小さくした構成が記載されている。
特開平１１−１０６３４３号公報

製造運転時に圧送される食品用クリームの温度は５℃程度であり、これに対して洗浄運転時に８０℃程度の洗浄液等を流した場合、使用している材質の熱膨張によって歯車とケーシングの擦動抵抗が大きくなりすぎ、ポンプが運転中に停止したり、歯車を駆動する駆動用モータが過負荷になったり、ときにはポンプ自体が損傷する場合がある。
しかしながら、小型のポンプでは側板を設けることが難しく、食品用機械部品の場合、食品が接する箇所に不用意な液だまり箇所を設けることは、衛生上好ましくない。
特許文献１に記載のポンプは、移送される流体が圧縮性流体（すなわち気体）である場合であるが、移送される流体が食品用クリームや洗浄用の熱湯等のように、非圧縮性である液体を多量に含む場合、高温時にクリアランスを所定の範囲内に保つことが難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、側板を設けずとも材質の熱膨張によるポンプの能力変化を抑制し、高温の流体を流したときに十分な吐出圧が得られる食品用クリーム用容積形ポンプおよびこれを備えた食品製造装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、食品用クリームを圧送するために用いられる容積形ポンプであって、内部にポンプ室が形成されたケーシングと、吸入口からポンプ室内に食品用クリームを吸入するとともに該食品用クリームを排出口から排出するように前記ポンプ室内に回転可能に設けられたロータとを備え、前記ケーシングは、前記ロータの線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料から構成されており、製造運転時の温度において、ポンプ室の内面とロータの外接円との間のクリアランスをｄ、ロータの外接円の直径をＤ_１とするとき、ｄ／Ｄ_１×１００％で表される百分率が０．３〜０．６％の範囲内となる内径を有するポンプ室が設けられていることを特徴とする食品用クリーム用容積形ポンプを提供する。
本発明の食品用クリーム用容積形ポンプにおいて、ロータを構成する材料が金属であり、ケーシングを構成する材料が樹脂である組み合わせが好ましい。ケーシングを構成する樹脂の例としては、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリエーテルエーテルケトンが挙げられる。
また、本発明は、上述の食品用クリーム用容積形ポンプを備えることを特徴とする食品製造装置を提供する。

本発明によれば、製造運転時（低温時）に高い吐出圧が得られるのはもちろん、洗浄運転時（高温時）にもクリアランスを所定の範囲内に保って、十分な吐出圧を得ることができる。
側板を設けることなく内部構造が簡単なポンプにも適用が可能である上、ロータのかじりがなく、駆動用モータの消費電力が大きくならないため、小型のモータを選定することが可能になり、装置を小型化するとともに、低コスト化が可能となる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の食品用クリーム用容積形ポンプ（以下、単に「容積形ポンプ」という場合がある。）の一例を示す図面であり、（ａ）は部分切欠断面図、（ｂ）は（ａ）のＳ−Ｓ線に沿う断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ部の部分拡大図である。

図１に示すように、本形態例の容積形ポンプ１０は、吸入口１１を有するポンプ蓋１２と、内部にポンプ室２５が形成されたケーシング１３と、ベアリング１５が収容されたベアリングブロック１６と、ベアリング１５によって回転可能に支持されたシャフト２３と、シャフト２３のポンプ室２５内に挿入された一端部に取り付けられた駆動歯車２１と、駆動歯車２１に噛み合わされた被動歯車２２とを有する。
シャフト２３の駆動歯車２１が取り付けられた側とは反対側である他端部はベアリングブロック１６の外側に露出されており、ここにはシャフト２３を回転駆動する駆動用モータ（図示略）が設けられる。
ケーシング１３はポンプ室２５内に突設された支軸部２４を有し、被動歯車２２は、支軸部２４によって回転可能に支持されている。

駆動歯車２１および被動歯車２２は、容積形ポンプ１０のロータであり、駆動歯車２１と被動歯車２２とが噛み合わされた部分の一側（図１（ｂ）の左側）に吸入口１１、他側（図１（ｂ）の右側）に排出口１４が設けられている。
この容積形ポンプ１０は、シャフト２３を回転駆動してポンプ室２５内で両ロータ２１，２２を回転させることにより、吸入口１１からポンプ室２５内に流体（食品用クリーム）を吸入するとともに、該流体を各ロータ２１，２２とポンプ室２５の内面２６との間に密封し、吸入口１１側から排出口１４側へと流体を移送する。
なお、ここではロータとして一対の歯車２１，２２を用いた例を示したが、本発明は、ねじ（スクリュ）や回転ピストン、ローブ回転子等をロータとした容積形ポンプ（ねじポンプやピストンポンプ、ローブポンプ等など）に適用することも可能である。

ケーシング１３は、ロータ２１，２２の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料から形成されている。ロータ２１，２２をステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属から構成する場合、水中での異種金属の接触による腐食等を防止し、かつ線膨張係数の差を十分大きくとるためには、ケーシング１３を構成する材料として樹脂（特にエンジニアリングプラスチック）を用いることが好ましい。また、ケーシング１３の材料として樹脂を採用することで、ポンプや食品製造装置の軽量化を図ることもできる。
食品用機械に使用される樹脂材料のなかで、機械的強度および耐熱性が比較的高く、食品衛生法上使用可能であって、なおかつ線膨張係数が大きい材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が挙げられる。
例えばＳＵＳ３０４の線膨張係数が約１．７３×１０^−５（１／℃）であるのに対して、ＰＴＦＥの線膨張係数は約９．９×１０^−５（１／℃）、ＰＥＥＫの線膨張係数は約５．０×１０^−５（１／℃）である。
ケーシング１３の線膨張係数をロータ２１，２２の線膨張係数で除した比（以下、「線膨張係数比」という場合がある。）は、２．５〜６．０の範囲内が望ましい。「線膨張係数比」が２．５より小さいと、高温時にポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２のクリアランスを十分に保つことができず、ロータ２１，２２とケーシング１３の擦動抵抗の増大やロータ２１，２２のかじり等の原因となるおそれがある。また、「線膨張係数比」が６．０より大きいと、高温時にポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２のクリアランスが大きくなりすぎて、十分な吐出圧が得られなくなるおそれがある。

ここで、ポンプ室２５の内面２６は、ロータ２１，２２の外接円Ｃ（ロータが歯車である場合は、歯先円）に沿う円弧状の部分を有する。この部分の内径をＤ_２とする。
ポンプ室２５の内面２６は、製造運転時の温度において、ポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２の外接円Ｃとのクリアランス（以下、単に「クリアランス」という場合がある。）をｄ、ロータ２１，２２の外接円Ｃの直径をＤ_１とするとき、ｄ／Ｄ_１×１００％で表される百分率（以下、「クリアランス比」という場合がある。）が０．３〜０．６％の範囲内となるような内径Ｄ_２を有する。「クリアランス比」のより好ましい範囲は、０．４％〜０．５％である。
なお、図１（ｃ）から明らかなように、クリアランスｄは、ロータ２１，２２の外径Ｄ_１およびポンプ室２５の内径Ｄ_２に対して、ｄ＝（Ｄ_２−Ｄ_１）／２の関係を有する。
ロータの外径Ｄ_１は、ポンプの小型化のため、２０〜６０ｍｍ程度が好ましい。この場合、製造運転時のクリアランスｄとして好適な寸法は、例えば０．１０〜０．２０ｍｍ程度である。
「クリアランス比」が０．３％未満だと、高温時にポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２のクリアランスを十分に保つことができず、ロータ２１，２２とケーシング１３の擦動抵抗の増大やロータ２１，２２のかじり等の原因となるおそれがある。また、「クリアランス比」が０．６％を超えると、高温時にポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２のクリアランスが大きくなりすぎて、十分な吐出圧が得られなくなるおそれがある。

高温の流体を移送したとき、ロータ２１，２２は周囲全体が高温の流体で覆われるので
、ポンプ室２５の内面２６からのみ流体の熱を受けるケーシング１３よりも、ロータ２１，２２のほうが温度上昇の程度が大きいと考えられる。これに対して、ケーシング１３の線膨張係数をロータ２１，２２の線膨張係数よりも大きくすることにより、ケーシング１３の熱膨張の度合いが、ロータ２１，２２の熱膨張の度合いと同程度またはそれ以上となり、高温時（洗浄運転時）のクリアランスが、低温時（製造運転時）のクリアランスと同程度またはそれ以上に保たれるようになる。
このため、製造運転時（低温の流体を流す。）に高い吐出圧が得られるのはもちろん、洗浄運転時（高温の流体を流す。）にも、十分な吐出圧を得ることができる。
ホイップドクリーム製造装置の場合、クリームに十分なせん断力を加えるためには製造運転時の吐出圧は０．５ＭＰａ以上が望ましい。また、洗浄液等の流量を確保するためには洗浄運転時の吐出圧は０．２ＭＰａ以上が望ましい。

上述の容積型ポンプは、食品用クリームを圧送して輸送する輸送装置のほか、食品用クリームを原料または原料の一部とした食品の製造装置にも好適に用いることができる。このような食品製造装置の一例として、ホイップドクリーム製造装置について説明する。
図２は、ホイップドクリーム製造装置３０の外観図であり、図３は、ホイップドクリーム製造装置３０の構成を示す概略図である。図２に示すように、この製造装置３０は、直方体状の装置本体３１の上面に設けられた原料注入口３２と、装置本体３１の側面に突出した突出部３３より下方に垂設された製品出口３４とを備える。

図３において、符号４１は、食品用クリーム１を冷蔵して貯蔵するタンクである。タンク４１の上部には、原料注入口３２が設けられている。タンク４１は配管４２によってポンプ１０の吸入口１１に接続されている。配管４２の途中には、エア取入管４４に接続された三方弁４３が設けられている。エア取入管４４には、空気中の雑菌や異物等を除去する除菌フィルタや、エアコンプレッサなどを設けることが望ましい。エア取入管４４から供給される空気の量は、所望のオーバーランが得られるように、クリーム１の流量に応じて調整することが望ましい。
ポンプ１０の排出口１４は、配管４５を介してレジスター４６に接続されている。レジスター４６の周囲には、内部の温度を低温に維持するため冷却装置４７が設けられている。レジスター４６の内部には狭い間隙を有する流路が形成されている。
ポンプ１０を運転すると、タンク４１内の食品用クリーム１が配管４２を通して吸引され、エア取入管４４を通して供給される清浄な空気とともに排出口１４から圧送される。空気を導入されたクリームがレジスター４６の内部の流路を通過すると、クリームはせん断力を受けて連続的にホイップされ、ホイップドクリームとなる。レジスター４６内で調製されたホイップドクリーム２は、製品出口３４から排出される。

図４は、ホイップドクリーム製造時にポンプを通る流体の温度変化の一例を示すタイムチャートである。なお、洗浄用の温水や洗浄液の温度および通液時間、ならびにクリームの温度および製造運転を連続する時間は一例に過ぎず、適宜改変が可能である。
図４に示すタイムチャートによれば、製造に先立って殺菌のため８０℃の熱湯を３分間程度流す。製造運転時には温度５℃のクリームを２〜７時間程度にわたって圧送する。製造後の洗浄時には、リンスのため６０℃の温湯を３分間程度流したのち、６０℃に加温した洗浄液を５分間程度流し、さらにリンスのため６０℃の温湯を３分間程度流す。

本形態例のホイップドクリーム製造装置３０によれば、ポンプ１０のケーシング１３がロータ２１，２２の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料から構成されており、製造運転時の温度において、ポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２の外接円Ｃとの間のクリアランスをｄ、ロータ２１，２２の外接円Ｃの直径をＤ_１とするとき、ｄ／Ｄ_１×１００％で表される百分率が０．３〜０．６％の範囲内となる内径Ｄ_２を有するので、製造運転時（低温時）に高い吐出圧が得られるのはもちろん、洗浄運転時（高温時）にもクリアランスを所定の範囲内に保って、十分な吐出圧を得ることができる。側板を設けることなく内部構造が簡単なポンプにも適用が可能である上、ロータのかじりがなく、駆動用モータの消費電力が大きくならないため、小型のモータを選定することが可能になり、装置を小型化するとともに、低コスト化が可能となる。

［ケーシング材料の適性テスト］
図１に示す構成の容積形ポンプ１０において、ケーシング１３をＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ、ポリアセタール、高密度ポリエチレンの４種類の材料により製造し、それぞれのケーシング１３を、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる歯車（ロータ）２１，２２と組み合わせた。
ここで、ＳＵＳ３０４の線膨張係数は１．７３×１０^−５（１／℃）、ＰＴＦＥの線膨張係数は９．９×１０^−５（１／℃）、ＰＥＥＫの線膨張係数は５．０×１０^−５（１／℃）、ポリアセタールの線膨張係数は９．０×１０^−５（１／℃）、高密度ポリエチレンの線膨張係数は１２．０×１０^−５（１／℃）である。

表１に示すケーシング材料のうち、ＰＴＦＥおよびＰＥＥＫでは耐熱性に問題がなく、温度５℃のクリームを圧送する場合にも、温度８０℃の熱湯を流す場合にも、支障なく運転することができた（表１中、これを「○」で示す）。
これに対して、ポリアセタールの場合、樹脂自体の耐熱温度が８０〜８５℃であるため、温度５℃のクリームの圧送には支障がないが、温度８０℃の熱湯を流した場合、ポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２との摺動部はこれより高温となり、ケーシング１３が変形してしまい、使用に適していないことがわかった（表１中、これを「△」で示す）。
高密度ポリエチレンの場合、樹脂の耐熱温度が６０〜８０℃であるため、ポリアセタールにも増して耐熱性に劣り、温度８０℃の熱湯を流すときには使用に適さない（表１中、これを「×」で示す）。

［ロータとケーシングのクリアランスの最適値のテスト］
また、ロータとケーシングの間の最適なクリアランスを調べるため、表２に示すようにクリアランスｄの大きさを３通りに変えてテストした。
このテストにおいて、歯車（ロータ）２１，２２の材料はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）であり、ケーシング１３の材料は、ＰＴＦＥとＰＥＥＫの２通りでテストした。
なお、表２における「クリアランス比」とは、上述したように、ポンプ室２５の内面２６とロータ２１，２２の外接円Ｃとのクリアランスをｄ、ロータ２１，２２の外接円Ｃの直径をＤ_１とするとき、ｄ／Ｄ_１×１００％で表される百分率によって定義される。表２のクリアランスおよび「クリアランス比」の値は、４〜６℃（製造運転時の温度）における値を示す。

「クリアランス比」が０．４６％の場合、５℃のクリームおよび８０℃の熱湯をポンプに交互に流しても、ポンプが運転中に停止したり、ロータを回転駆動する駆動用モータが過負荷になったり、ポンプ自体が損傷したりすることがなく、連続して安定的に運転することができた。５℃のクリームを流したときに、ホイップに必要な吐出圧（０．５ＭＰａ以上）を得ることができたことはもちろんのこと、クリアランスを製造運転時の温度（４〜６℃）におけるロータおよびケーシングの寸法に基づいて設計したのにもかかわらず、８０℃の熱湯を流したときに、洗浄に必要な吐出圧（０．２ＭＰａ以上）を得ることができた。合わせて、熱膨張によるロータとケーシングの擦動抵抗の増大を抑え、駆動用モータの消費電流が予め設定してある安全値を超えないように抑制することができた。
本実施例の容積形ポンプを図３に示すホイップドクリーム製造装置３０のポンプ１０として用いることにより、オーバーランや硬さが適切であり、造花の保形性も良好なホイップドクリームを３０ｋｇ／時以上の高い生産能力にて連続的に製造することができた。

これに対して、「クリアランス比」が０．１５％である場合、５℃のクリームは支障なく圧送することができたが、８０℃の熱湯を流した場合には、ロータとケーシングとの摩擦が増加して、かじり等が発生することにより、運転不能となった。
また、「クリアランス比」が０．７６％である場合、クリアランスが大きすぎるため吐出圧不足となり、５℃のクリームに必要な吐出圧（０．５ＭＰａ以上）および８０℃の熱湯に必要な吐出圧（０．２ＭＰａ以上）のいずれも得ることができなかった。

本発明は、食品用クリームを圧送するポンプを備えた種々の食品製造装置に利用することができる。

（ａ）は本発明の容積型ポンプの一例を示す部分切欠断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＳ−Ｓ線に沿う断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡ部の部分拡大図である。 実施例に係るホイップドクリーム製造装置の外観を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は右側面図である。 実施例に係るホイップドクリーム製造装置の構成を示す概略図である。 ホイップドクリーム製造時にポンプを通る流体の温度変化の一例を示すタイムチャートである。

符号の説明

Ｃ…ロータの外接円、ｄ…ポンプ室の内面とロータの外接円との間のクリアランス、Ｄ_１…ロータの外接円の直径、Ｄ_２…ポンプ室の内径、１…食品用クリーム、２…食品（ホイップドクリーム）、１０…容積形ポンプ、１１…吸入口、１３…ケーシング、１４…排出口、２１…駆動歯車（ロータ）、２２…被動歯車（ロータ）、２５…ポンプ室、２６…ポンプ室の内面、３０…食品製造装置。

Claims (4)

1. 食品用クリームを圧送するために用いられる容積形ポンプであって、
   内部にポンプ室が形成されたケーシングと、吸入口からポンプ室内に食品用クリームを吸入するとともに該食品用クリームを排出口から排出するように前記ポンプ室内に回転可能に設けられたロータとを備え、
   前記ケーシングは、前記ロータの線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料から構成されており、
   製造運転時の温度において、ポンプ室の内面とロータの外接円との間のクリアランスをｄ、ロータの外接円の直径をＤ_１とするとき、ｄ／Ｄ_１×１００％で表される百分率が０．３〜０．６％の範囲内となる内径を有するポンプ室が設けられていることを特徴とする食品用クリーム用容積形ポンプ。
2. 前記ロータを構成する材料が金属であり、前記ケーシングを構成する材料が樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の食品用クリーム用容積形ポンプ。
3. 前記ケーシングを構成する樹脂が、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項２に記載の食品用クリーム用容積形ポンプ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の食品用クリーム用容積形ポンプを備えることを特徴とする食品製造装置。

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