JP2007064564A - 加熱媒体制御型汎用的加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を利用した加熱方法及びその装置を提供する。
【解決手段】飽和蒸気，飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体，及び過熱蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を、常圧の同一準密閉空間内で個別に発生させ、所定の制御条件下で被加熱体を各々の媒体の単回加熱、及び／又は３種の適宜な組み合わせで複数回加熱をすることを特徴とする被処理材料の加熱方法、及びその装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクアガスシステムを核とした食品等の被処理材料の加熱方法及びその装置に関するものであり、更に詳しくは、アクアガス発生装置を利用して、飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合体、及び過熱蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を独立又は連続して発生させ、所定の制御条件下で被処理材料を加熱することを可能とする新規加熱方法及びその装置に関するものである。

一般に、加熱水蒸気を利用した加熱方法として、例えば、飽和水蒸気を用いたいわゆるスチーム加熱（蒸煮）、ボイラーから発生させた高圧水蒸気を用いた高圧水蒸気加熱が知られており、また、ボイラーから発生させた高圧水蒸気を更に高温に加熱して形成した高温高圧の過熱水蒸気（過熱蒸気）を用いた過熱水蒸気加熱が知られている。これらのうち、上記スチーム加熱は、水を１００〜１２０℃程度に加熱して生成した水蒸気を加熱室内に充満させて、いわゆる「蒸し」により被処理材料を加熱処理する方法である。また、ボイラーの高圧水蒸気を用いた高圧水蒸気加熱は、加圧して高温化した飽和水蒸気を熱源に用いて被処理材料を加熱処理する方法である。

一方、上記過熱水蒸気加熱は、ボイラーから発生させた高圧水蒸気を更に加熱して１４０℃以上に高温化した、熱エネルギー的に準安定な過熱水蒸気を加熱室内に噴射し、充満させて、被処理材料を加熱処理する方法である。この方法では、過熱水蒸気による乾燥した高温高圧雰囲気が形成されるので、この加熱方法は、焼成に近い加熱手段として利用されている。上記過熱水蒸気加熱は、高温高圧で、高カロリーで、しかも、熱エネルギー的に準安定な乾燥水蒸気を利用できるため、例えば、食品の加熱焼成手段、農畜産物系廃棄物の焼成手段、木材等の炭化手段、金属材料表面等の洗浄手段等として、広くその応用技術が提案されている（特許文献１〜５参照）。

しかしながら、この種の加熱方法では、例えば、高温高圧水蒸気を発生させるボイラー、及びボイラーからの高温高圧水蒸気を更に加熱する高温加熱手段が必要とされること、設備が大型になること、加熱室に高温高圧の過熱水蒸気を噴射するため、エネルギーロスが大きく、既存の焼成方法と比べて効率的でないこと、いわゆる通常の水蒸気加熱で十分な場合が多く、あえて過熱水蒸気加熱を利用する必要性が少ないこと、少量処理には不向きであること、焼成効果が未だ十分に検証されていないために実用化に距離があること、等の問題があり、しかも、それらの問題は、いまだ解決されていない。

特開平０６−０９０６７７号公報 特開２００１−０６１６５５号公報 特開２００１−２１４１７７号公報 特開２００１−３２３０８５号公報 特開２００２−１９４３６２号公報

アクアガスシステムは、水を配管内で加熱し、加熱チャンバー内にノズルから噴霧することで、その水量やノズル形状により、微細水滴と水蒸気の混在した加熱媒体を作り出し、これらの高い熱伝達効率で被処理材料を加熱加工するために用いられるが、本発明者らは、基礎的なデータ集積の過程、及び装置の改善を検討している過程において、このアクアガスシステムにおいて、供給水量及び／又は加熱条件の調整により、従来の過熱水蒸気雰囲気や飽和水蒸気、更には、湿り蒸気的な加熱雰囲気を創出できることを見出すと共に、この新たな知見により、このような加熱媒体を供給水量及び／又は加熱条件で制御することで、従来の過熱水蒸気、アクアガス、飽和水蒸気の３種の水蒸気媒体を汎用的に用いることが可能な加熱方法及びその装置を構築できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、アクアガスシステムを核にして、食材処理や食品調製においても、広く応用でき、更に１つのシステムとして既存の飽和水蒸気系、過熱水蒸気系の調製も併せてできる新規加熱技術を提供することを目的とするものである。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の加熱方法は、（１）１００℃以上に加熱された熱水及び／又は水蒸気を、これと同温度以上に加熱された準密閉空間の加熱室内に連続的に噴射させ、微細水滴と湿熱水蒸気を発生させる、（２）上記微細水滴と湿熱水蒸気で上記加熱室内の空気を置換させて、湿度９５％以上及び酸素濃度１％以下の組成を有し、９０〜１８０℃の温度領域に保持されたガス成分で満たす、（３）上記微細水滴と湿熱水蒸気で被処理材料に上記温度領域で少なくとも１０℃の温度差の連続振幅加熱を施して加熱処理する、ことからなるアクアガスシステムを核にして、該アクアガス、飽和水蒸気及び過熱水蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を独立又は連続して発生させ、所定の制御条件下で被処理材料を加熱することを特徴とするものである。

次に、まず、本発明のアクアガスシステムについて説明する。
本発明において、微細水滴と湿熱水蒸気とは、高湿度の湿熱水蒸気とその凝縮により部分的に生成する微細水滴との混合系を意味し、乾熱水蒸気とは、上記湿熱水蒸気の乾燥により部分的に生成する高乾燥水蒸気を意味する。本発明では、上記微細水滴と湿熱水蒸気で被処理材料に９０〜１８０℃の温度領域で少なくとも１０℃の温度差の連続振幅加熱を施して加熱処理するが、ここで、少なくとも１０℃の温度差の連続振幅加熱とは、９０〜１８０℃の温度範囲において、短時間に１０℃を上回る温度差の振幅で連続的に加熱することを意味する。本発明では、例えば、１０〜５０℃の温度差の振幅で連続的に被処理材料を加熱することができる。本発明では、上記微細水滴と湿熱水蒸気の混合状態を気体水（アクアガス（登録商標））と称する。

本発明では、加熱室を１００℃を越える所定の温度に加熱すると共に、該加熱室に熱水及び／又は水蒸気を導入し、該加熱室を水の気体（気体水）で置換し、酸素濃度を１．０％以下に低下させることにより形成した気体水雰囲気で被加熱材料を加熱する。本発明において、上記加熱室は、被加熱材料を外気と遮断して加熱することができる所定の準閉鎖系空間で構成され、好適には、例えば、被加熱材料を載せるためのプレート、一部にガラス窓部を形成した開閉可能なドア部を有する準密閉空間が例示される。加熱室は、好適には、ステンレス製の素材で形成される。

本発明では、上記加熱室を１００℃を越える所定の温度に加熱するが、この場合、好適には、該加熱室に導入する熱水及び／又は水蒸気の温度と同等又はそれ以上に加熱する。本発明では、上記のように、加熱室を所定の温度に加熱すると共に、該加熱室で微細水滴と湿熱水蒸気を発生させ、該加熱室内の空気を水の気体で置換する。この場合、上記微細水滴と湿熱水蒸気は、例えば、細管を通して所定の流速で送水された水を細管の外部からヒータで加熱し、細管の端部に設けられたノズルを介して加熱室に導入することで生成される。

上記微細水滴と湿熱水蒸気は、１００〜１８０℃、より好適には、９５〜１５０℃に加熱された高温常圧のガス成分であり、被処理材料を高いエネルギー効率で加熱する作用を有する。加熱された水は、加熱室内にノズルを介して噴霧される。加熱室内は常圧状態で１００℃以上の所定の温度に加熱制御されており、噴霧された水滴は気化して、加熱室内を微細水滴と湿熱水蒸気の混合状態にする。その際に、噴霧される水量及び水滴径を調整することで、水蒸気雰囲気に一部微細水滴を混合させる状態を作り出すことができ、このような状態をアクアガスと呼ぶ。

本発明では、給水タンクの水を給水ポンプで汲み上げ、細管からなる導管を通して水蒸気発生蓄熱パネルに供給し、加熱ヒーターにより、例えば、１０５〜２００℃の所定の温度に加熱し、そのまま、細管の先端に設置した水蒸気噴射ノズルから高速で熱水及び／又は水蒸気を噴射させる。この場合、水蒸気ノズルとしては、先端に微細噴射孔を形成してなる、熱水及び／又は水蒸気を微細化して噴出する機能を有するものであれば、適宜のものが用いられる。微細噴射孔の孔径、孔数、孔の穿設位置等は任意に設定できる。水蒸気噴射ノズルからの熱水及び／又は水蒸気の噴射速度は、好適には、噴射ノズル先端において１６０〜２００／ｓ程度であるが、これらに制限されるものではなく、装置の大きさ、種類及び使用目的等に応じて、例えば、微細噴射孔の孔径、孔数等を変更することにより任意に設定することができる。

本発明では、例えば、上記微細噴射ノズルから噴射された水蒸気を加熱室に導入するが、その際に、噴射ノズルの先端に近接して設置した循環ファンに水蒸気を噴射して、循環ファンの回転による衝撃力と風力により所定の風向に水蒸気を移送すると共に、それらの風向に合わせて設置された加熱ヒーターに水蒸気を接触させて、水蒸気をその温度を低下させずに加熱室全体に導入し、該加熱室を所定の温度に保持された水の気体で置換し、湿度９５％以上、酸素濃度１．０％以下、より好適には、湿度９９．０％以上、酸素濃度１．０％以下のガス成分で加熱室を満たすことにより加熱室内に気体水雰囲気を形成することができる。

微細噴射口から噴射された熱水及び／又は水蒸気は、循環ファンに衝突することで更に微細化する。また、循環ファンにより形成された風向の風下に設置された加熱ヒーターは、その表面が噴射された熱水及び／又は水蒸気に直接的に、かつ広面積で接触するように、好適には、噴射された熱水及び／又は水蒸気をなるべく遮るような位置及び方向に設置する。それにより、加熱ヒーターによる熱を噴射された熱水及び／又は水蒸気に効率良く伝達し、噴射された熱水及び／又は水蒸気の温度低下を確実に防止することが可能となる。

上記循環ファンは、例えば、加熱室内部の後面側の中央に設置され、噴射された熱水及び／又は水蒸気を、加熱室内部の左側面部及び右側面部に位置するダクト内に設置された加熱ヒーターに直接接触するように移送する機能を有するものが例示されるが、これらに制限されるものではない。また、上記加熱ヒーターは、好適には、例えば、シーズヒーター等をヘアピン状に多数設置して、噴射された熱水及び／又は水蒸気との接触面積が増えるようにしたものが例示されるが、これらに制限されるものではなく、同様の機能を有するものであれば同様に使用することができる。上記循環ファンの回転数及び回転方向は、装置の大きさ、ダクトの位置、形状、加熱ヒーターの形状、設置位置等を考慮して、噴射された熱水及び／又は水蒸気がダクト内に循環風として循環し得るように設定される。

加熱室は気体水で置換された段階で、被処理材料を加熱室に導入し、上記気体水を熱媒体として利用して、所定の加熱処理を行う。ここで言う加熱処理とは、上記気体水を熱源として利用するあらゆる種類の加熱処理を含むものであり、好適には、例えば、凍結材料の加熱による解凍処理、材料の加熱加工、材料の加熱による乾燥加工、材料の加熱による溶融又は焼成加工、水を含む液体の加熱処理等が例示される。本発明において、被処理材料は、特に制限されるものではないが、好適には、例えば、凍結品、植物製品、有機物、無機物、農産物、食料品、木材、金属、セラミックス、プラスチック等が例示されるが、本発明は、これらに制限されるものではなく、その他、乾燥、加熱、殺菌、焼成、解凍、調理などの加熱処理が適用されるあらゆる種類の被処理材料に適用され得るものである。

加熱室に導入した被処理材料は、所定の加熱処理を施した後、適宜のタイミングで加熱室の外に搬出され、被処理材料に接触した気体水は、気体水排出口から系外に排出される。加熱室内に噴射された熱水及び／又は水蒸気は、まず、循環ファンに衝突し、微細化され、ダクトに移送され、ダクト内に設置した加熱ヒーターに接触し、所定の温度に加熱された後、加熱室内に導入された被処理材料に接触し、熱媒体として利用された後、系外に排出される。熱媒体としての気体水の熱エネルギーは、被処理材料の加熱処理の熱源として利用されるが、本発明では、噴射された熱水及び／又は水蒸気は、そのまま、被処理材料に接触するのではなく、一旦、ダクト内に設置された加熱ヒーターにより加熱された後に、被処理材料に接触し、噴射された熱水及び／又は水蒸気の熱量を低下させることなく、被処理材料を加熱するので、被処理材料を効率よく加熱することが可能となる。

また、噴射された熱水及び／又は水蒸気は、例えば、高速で循環ファンに衝突し、その衝突により衝撃で水滴が分割されて、更に、微細化されると共に、更に、加熱ヒーターで加熱されるので、この微細化された高温の気体水は、肉眼観察で完全に透明な高熱伝導率の高温の水粒子からなり、被処理材料の内部への浸透性が高く、一旦、被処理材料の内部へ浸透して熱交換を行った気体水に対し、後続の高温の気体水が熱エネルギーをたえず供給するので、高熱伝導率を有する熱が連続的に内部へ移動し、気体水が、効率よく被処理材料の内部へ浸透し、短時間で被処理材料を加熱することができる。

本発明において、上記噴出された熱水及び／又は水蒸気の水滴は、必要により、循環ファンに衝突することで更に微細化され、殺菌性の微細な水粒子として加熱室に充満する。実験の結果、給水タンクから採取された水のｐＨは約６．９〜７．１であったが、この殺菌性微細水粒子のｐＨは、約５．２〜５．８であり、１０５℃以上の高温条件と協動して、加熱室内で高殺菌性気体水雰囲気を形成する。したがって、本発明を、例えば、農産物、食料品に適用した場合には、高殺菌性雰囲気下で被処理材料を加熱処理することができるので、加熱と同時に高殺菌効果を付与できる。

次に、本発明の気体水による加熱装置の一実施の形態を図に基づいて具体的に説明する。ただし、図は、本発明の装置の一例を示すものであり、本発明は、これに制限されるものではなく、また、各構成要素は、同様の機能を有する同様の手段に置換することが可能であり、更に、公知の手段を任意に付加することができる。

図１は、本発明の加熱装置の正面図であり、被処理材料を外気と遮断して加熱するための加熱室１、その正面に設置された開閉可能なドア部２、そのハンドル３及び窓４、操作パネル５、及び供給水の加熱装置１５を構成要素として含むバッチ式の装置を示す。加熱室１は、被処理材料（図示せず）をその内部に収容して加熱処理し得る所定の空間を形成する。加熱室１の正面に設置されたドア部２は、ハンドル３を操作して適宜開閉し得る構造を有し、窓４は、被処理材料の加熱状況を確認するために設置される。尚、加熱室は、単一又は複数であっても良く、例えば、連続式の装置では、処理温度の異なる複数の加熱室を設けることが可能であり、その場合、ドア部は省略することができる。

図２は、上記装置の縦断平面図であり、水蒸気発生蓄熱パネル６を通して加熱された水は、高温水蒸気として微細水蒸気噴出ノズルを介して加熱室内に噴出され、回転する循環ファン７に衝突して微細化されると共に、左右に設置されたダクト８、８′に移送され、ダクト内８、８′内に設置された加熱ヒーター９に接触して、所定の温度に加熱され、循環風向１０として被処理材料（図示せず）に接触し、被処理材料を加熱する。熱源として利用された気体水は、排出口１１から系外に排出される。加熱室内に噴射された水蒸気は、循環ファン７により、装置の左側面部及び右側面部に設けられたダクト８、８′に移送され、加熱ヒーター９により加熱される。

本発明では、加熱ヒーター９の温度条件は、好適には、噴射された熱水及び／又は水蒸気の温度レベルに合わせるか、それ以上の温度に設定することが重要である。それにより、噴射された熱水及び／又は水蒸気の温度レベルを低下させることなく、噴射された熱水及び／又は水蒸気の温度レベルを維持した気体水で加熱室を満たすことが可能となるが、仮に、加熱ヒーターを設置しない場合には、このような気体水雰囲気を形成することはできない。

また、加熱室内及び噴射された熱水及び／又は水蒸気を加熱するための加熱ヒーターと、供給された水を加熱して所定の温度の高温水蒸気を発生させるための加熱手段とを独立して設置し、これらを併用することにより、噴射される熱水及び／又は水蒸気の温度と、加熱室内の温度を独立して制御することが可能となり、それにより、噴射された熱水及び／又は水蒸気の熱量を過度にロスすることなく、省エネルギーで気体水による被処理材料の加熱処理を実施することができる。

図３は、図２の水蒸気発生高熱パネルの一実施例であり、給水タンクから給水ポンプを介して供給される水を、ヒーター線を配設した細管を経由して水を加熱すると共に、その先端に設置された噴射ノズル１１から、微細水粒子１２を噴出する。図３には、Ｕ字状の細管を多数組み合わせた水蒸気発生蓄熱パネル６の一例を示したが、これに制限されるものではなく、同様の機能を有するものであれば同様に使用することができる。本発明では、上記水蒸気発生蓄熱パネルにより、水を、好適には、１０５〜２００℃に加熱するが、高効率の加熱をするには、水を約１０８〜１１５℃に加熱して噴出させることが好ましい。本発明において、熱媒体としての気体水を最も効率よく利用するには、約１０８〜１１５℃に設定された加熱室に約１０８〜１１５℃に加熱された熱水及び／又は水蒸気を噴出することが好適なものとして例示されるが、被処理材料の性質、加熱処理の種類及び本発明の装置の使用目的等に応じてこれらの温度条件を任意に設定することができる。

本発明において、気体水（アクアガス、ＡＱＧと記載することがある。）とは、開放管等の開放系の中で外部ヒータにより１００℃以上に加熱された熱水及び／又は水蒸気を、圧力を生じさせないように開放系の準密閉状態で熱水及び／又は水蒸気温度と同温度以上に安定的に加熱された加熱室内で、連続的に噴射させ、微細水滴と湿熱水蒸気を発生させ、加熱室内部を常圧状態のまま水蒸気で充満させ、空気との置換により、湿度９０％以上、酸素濃度１．０％以下、より好ましくは、湿度９９．０％以上、酸素濃度１．０％以下にしたガス成分として定義される。

上記加熱室内で発生させたガス成分（気体水）は、水蒸気温度と同温度以上に安定的に加熱された加熱室内では、温度低下を起こさないことから、凝縮が少なく、水蒸気の有する高い潜熱と吐出された水蒸気の密度が安定的に維持されるので、熱エネルギーのロスが少なく、高熱量の熱媒体として作用し、非酸化状態での省エネ加熱を可能とすることができる。気体水は、上記開放系の外部ヒータ（パネルヒータ）及び加熱室内の加熱ヒータの容量を選択することにより、好適には、例えば、１００〜１８０℃の温度に維持できるが、これらに制限されるものではなく、その使用目的等に応じて、適宜の温度条件に選定できる。気体水は、水蒸気及び過熱水蒸気と比べて、より高い熱の伝導性を持ち、例えば、加工食品の歩留まりを向上させるような初期凝縮期間の調整を可能とするような、湿熱水蒸気及び微細水滴を用いた加熱媒体「アクアガス」として、特に、食品の加熱・殺菌加工に好適に用いられる。

従来、通常の蒸気による加熱方式、高温高圧水蒸気による加熱方式、スチームコンベクションオーブンによる加熱方式等が存在するが、これらの加熱方式の内、高温高圧水蒸気による加熱方法では、高温高圧水蒸気を減圧し、低圧水蒸気の状態で、圧力を生じないように開放管を設けて準密閉状態にした加熱室へ連続的に導入した場合、加熱室及び被加熱材料は、低圧水蒸気の熱エネルギーで加熱されることから、加熱室内の温度は、導入される水蒸気の温度よりも低くなり、そのために、水蒸気は常に凝縮し、液化され、潜熱量は低下し、エネルギーのロスがきわめて大きくなる。また、加熱室内部を低圧水蒸気で充満させ、残留する酸素濃度を１．０％以下に維持するためには、大量の水蒸気と熱エネルギーが必要となる。

この加熱方式で被処理材料を加熱する場合、導入される水蒸気より温度の低い加熱室内には、常に大量の低圧水蒸気が送り込まれ、熱交換による凝縮が発生する。そのため、例えば、１３０℃以下では、被処理材料は、その凝縮の影響により蒸しの状態での加熱となる。他方、スチームコンベクションオーブンによる加熱方式では、加熱室内は一定温度に加熱された状態であり、水蒸気は常に気化温度での水の蒸発により発生し、水蒸気の温度は、加熱室内部の温度の上昇により上昇する。水蒸気は加熱室内では温度上昇過程にあり、十分な密度及び潜熱量を保つことができない。この加熱方式で被処理材料を加熱する場合、充満した水蒸気による加熱ではなく、乾燥空気が含まれた水蒸気による加熱となり、その潜熱量は小さくなる。

これらの加熱方式に対して、本発明の加熱方式では、開放管等の開放系の中で外部ヒータにより１００℃以上に加熱された水蒸気を、圧力を生じさせないように開放管を設けた準密閉状態で、かつ水蒸気温度と同温度以上に安定的に加熱された加熱室内で、連続的に熱水及び／又は水蒸気を噴射させ、微細水滴と湿熱水蒸気を発生させるので、加熱室の内部は常圧状態のまま水蒸気で充満され、空気との置換が行われ、例えば、湿度９９．０％以上、酸素濃度１．０％以下のガス成分の状態となり、発生した水蒸気は温度低下を起こさないことから高い潜熱量の維持が可能となる。

この加熱方式で被処理材料を加熱する場合、加熱室内での温度低下が起こらず、水蒸気の凝縮が少なく、また、高い潜熱量を維持して、非酸化的な加熱が可能となると共に、被処理材料に９０〜１８０℃の温度領域で少なくとも１０℃の温度差の連続振幅加熱を施すことが可能となる。このように、本発明の加熱方式は、高潜熱量での省エネルギー加熱、凝縮の影響のない加熱及び非酸化状態での加熱を実現するものである。

次に、本発明では、上記アクアガスシステムにおいて、供給水量及び／又は加熱条件を調整することにより、飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を、常圧の同一準密閉空間内で個別に発生させ、所定の制御条件下で被加熱体を各々の媒体の単回数、及び／又は３種の適宜な組み合わせで複数回加熱をすることができる。

本発明では、供給水量及び／又は加熱条件を調整することにより、飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気を独立して発生させることができ、また、供給水量及び／又は加熱条件を連続変化させることにより、上記３種の水蒸気加熱媒体を連続して発生させることができる。

更に、本発明では、少なくとも、被処理材料を外気と遮断して加熱する準密閉状態の加熱室、該加熱室を１００℃を超える所定の温度に加熱する加熱手段、１００℃以上に加熱された熱水及び／又は水蒸気を上記加熱室内に連続的に噴射させ、微細水滴と湿熱水蒸気を発生させて所定の方向に移送する水蒸気発生手段、供給水量を調整する供給水量調整手段及び／又は加熱条件を調整する加熱条件調整手段、を構成要素として含む加熱装置を構成することができる。

本発明において、上記供給水量調整手段、及び加熱条件調整手段は、供給水量を調整する機能、及び加熱条件を調整する機能を有するものであれば、その種類、方式等は特に制限されるものではなく、これらの手段については、装置の大きさ、形態及び種類等に応じて任意に設計することができる。

本発明では、微細水滴と水蒸気の加熱媒体について、同一の装置で、過熱水蒸気からアクアガス、飽和水蒸気と用途に併せて加熱媒体の種類を選択して、加熱処理できる装置（調理加工機）を構築することができる。これらのシステムは、例えば、処理食材の加熱用途に応じて、活、生、生冷凍、冷食、乾燥品、粉体、液物、何れでも効率よく高品質加熱が可能な汎用的なシステムであり、複数装置の設置や多段階利用を要しないので、極めて、費用対効果が高い装置である。

本発明により、１）被処理材料に９０〜１８０℃の温度領域で少なくとも１０℃の温度差の連続振幅加熱を施して加熱・殺菌処理することができる、２）被処理材料を外界と遮断して加熱するための加熱室を、水の気体で置換し、湿度９９．０％以上、酸素濃度を０．１％以下のガス成分（気体水雰囲気）にすることができる、３）上記気体水で被処理材料を短時間で効率よく低侵襲的に加熱・殺菌することができる、４）凍結品の解凍、農産物、食料品の加熱・殺菌調理、木材、金属、セラミック材料等の加熱、乾燥、焼成に適用できる、５）気体水を生成させ、それを熱媒体として利用する気体水による加熱・殺菌装置を提供することができる、６）多機能・多目的型加熱が可能な加熱装置を提供できる、７）効率的な加熱及び殺菌が可能な加熱装置を提供できる、８）費用対効果が高い加熱方法を提供できる、９）業務用、厨房用、生産用小形・中型・大型、連続・可動型まで全ての需要分野に適合可能な加熱装置を提供できる、１０）アクアガスシステムを核として、飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を独立又は連続して発生させ、所定の制御条件下で被処理材料を加熱することが可能な加熱方法及びその装置を提供できる、という効果が奏される。

次に、試験例及び実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の試験例及び実施例によって何ら限定されるものではない。

試験例１
本試験例では、図１に示すアクアガス発生装置を用いて、アクアガスの発生試験を実施した。アクアガス発生装置の運転を開始し、準密閉状態の加熱室（加熱チャンバー）を水蒸気温度と同温度に加熱し、次いで、該チャンバーに３００℃に加熱された水蒸気を連続的に噴射させて、チャンバーの内部を常圧状態のまま水蒸気で充満させた。運転開始から２５分経過後に微細水滴と湿熱水蒸気の混合状態を作り出し、約７分後に湿度９９．９％、酸素濃度０．０１％の「気体水」の状態に達した。上記アクアガス発生装置による気体水生成過程におけるチャンバー内の温度、湿度、酸素濃度、排気温度を測定した結果を図４に示す。図中で、２５分経過後に、チャンバー内の酸素濃度の急激な低下及び湿度の急激な上昇を経て、気体水が生成されることが分かる。

試験例２
本試験例では、図１に示す装置において、水蒸気発生用パネルヒータ（２ｋｗ）、加熱室内の加熱ヒータ（１０ｋｗ）を用いて、アクアガス発生装置の運転時の１００℃から３００℃までの水蒸気吐出温度と、装置内温度、装置内湿度、及び装置内酸素濃度との関係を調べた。上記パネルヒータは１００℃以上において、連続最大運転とし、上記加熱ヒータは１１０℃以上において、連続最大運転とした。ただし、１００℃以下においては、その設定温度に設定した。約１００〜１１５℃の気化発生期の水蒸気では、温度上昇に時間を要し、約１２０℃以上の水蒸気は装置内温度に連動して短時間、かつ安定な温度上昇を示し、装置内温度と水蒸気温度がきわめて安定に制御し得ることが分かった。他方、１１５℃前後の水蒸気は、準安定状態ではあるが、高密度で高い潜熱量を有する熱媒体として利用し得ると考えられる。これにより、本発明では、これらの準安定及び安定状態の気体水を、その特性を生かして、被加熱材料の種類、加熱加工の目的等に応じて任意に選択し、使用することが可能であることが分かった。

試験例３
本試験例では、図１に示す装置を用いて、気体水発生時における水蒸気及び微細水滴噴射ノズル付近の温度変化を調べた。その結果を図５に示す。図に示されるように、約９５〜１５０℃の温度領域で約１０〜４０℃の温度差の振幅で連続的かつ短時間の温度変化が生起することが分かった。また、上記温度差の振幅と、微細水滴と湿熱水蒸気及び乾熱水蒸気の組成は、噴射する水蒸気の温度と装置内温度を調節することにより、変化させ得ることが分かった。また、気体水発生時における装置内温度と気体水温度を比較した。供給水を加熱装置１５で余熱し、供給水量は定量ポンプ１１５ｓｐｍ（３．６２ｌ／ｈ）とした。その結果を図６に示す。図に示されるように、装置内温度を約１２０〜１５０℃の温度範囲で調節することにより、気体水の約２０〜５０℃の温度差の振幅の条件で連続振幅加熱できることが分かった。

また、上記と同様にして、気体水発生時における装置内温度と気体水温度を比較した。その結果を図７に示す。図に示されるように、装置内温度を約１１５〜１６５℃の温度範囲で調節することにより、気体水の約２０〜５０℃の温度差の振幅の条件で連続振幅加熱できることが分かった。更に、約１１５〜１６５℃の温度範囲の気体水を用いて、水道水（１００ｃｃ）を８０℃に加熱するための加熱時間を比較した。その結果、約１１５℃の温度条件の気体水を用いたとき、最も加熱時間が短く、高いエネルギー効率を示すことが分かった。

試験例４
上記試験例３と同様にして作り出したアクアガスの温度と時間の関係を調べた。図８に、１１５℃のアクアガスの温度時間曲線（庫内）、図９に、１１５℃のアクアガスの温度時間曲線（噴射ノズル部）を示す。比較例として、過熱水蒸気及び飽和水蒸気の温度時間曲線（庫内及び噴射ノズル部）を図１０及び図１１に示す。アクアガスの温度時間曲線は、過熱水蒸気及び飽和水蒸気の温度時間曲線と本質的に相違していることが分かる。

本発明において、飽和蒸気とは、液相と共存して平衡状態にある蒸気を意味し、過熱蒸気とは、沸騰点以上に熱せられた蒸気を意味し、アクアガスとは、微細水滴と湿熱水蒸気の混合媒体を意味する。本発明のアクアガスの発生機構の詳細を図１２に示す。また、各媒体の発生条件の設定の詳細を表１に示した。

次に、当該条件下で個別に発生する媒体の特性を図１３に示す。アクアガス発生・加熱装置内の「外部加熱ヒーター」（図１２参照）に供給する水量の制御によって、飽和蒸気、アクアガス、及び過熱蒸気が独立系として発生することが実証された。また、供給水量の連続変化による発生媒体の変化を図１４に示す。「飽和水蒸気状態」から連続して「アクアガス」、そして「過熱蒸気」を発生させることができることが実証された。更に、上記発生系における相変換の時間を測定した結果を図１５に示す。「飽和水蒸気状態」からアクアガスへは約９０秒、アクアガスから過熱蒸気への転移には約１８０秒を要するだけで、３相の組み合わせ利用が可能であることが分かった。

以上詳述したように、本発明は、アクアガス、飽和水蒸気、及び過熱水蒸気を発生させて被処理材料を加熱する被処理材料の加熱方法及びその装置に係るものであり、本発明により、アクアガスシステムを核として、飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を独立又は連続して発生させ、所定の制御条件下で被処理材料を加熱することが可能な加熱方法及びその装置を提供できる。本発明は、アクアガスシステムに関する新技術・新製品を提供するものとして有用である。

本発明の装置の一例を示す。 上記装置の縦断平面図である。 水蒸気発生蓄熱パネルの一例を示す。 水蒸気発生装置による気体水生成過程におけるチャンバー内の温度、湿度、酸素濃度、排気温度の測定結果を示す。 水蒸気（アクアガス）噴射ノズル付近の温度変化を示す。 装置内温度／水蒸気（アクアガス）温度の比較を示す。 装置内温度／水蒸気（アクアガス）温度の比較を示す。 １１５℃のアクアガスの温度時間曲線（庫内）を示す。 １１５℃のアクアガスの温度時間曲線（噴射ノズル部）を示す。 １１５℃の過熱水蒸気状態の温度の時間曲線（庫内及び噴射ノズル部）を示す。 １１５℃の飽和水蒸気状態の温度の時間曲線（庫内及び噴射ノズル部）を示す。 アクアガスの発生機構を示す。 供給水量の調製による発生媒体の変化を示す。 供給水量の連続的制御による発生媒体の変化を示す。 供給水量変化と媒体転移時間を示す。

符号の説明

１ 加熱室
２ ドア部
３ ハンドル
４ 窓
５ 操作パネル
６ 水蒸気発生蓄熱パネル
７ 循環ファン
８ ダクト
８′ダクト
９ 加熱ヒーター
１０ 循環風向
１１ 排出口
１２ 給水パネル
１３ 微細水蒸気噴出ノズル
１４ 噴出した微細水粒子
１５ 供給水の加熱装置

Claims (8)

1. 飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を、常圧の同一準密閉空間内で個別に発生させ、所定の制御条件下で被加熱体を各々の媒体の単回加熱、及び／又は３種の適宜な組み合わせで複数回加熱をすることを特徴とする被処理材料の加熱方法。
2. 被処理材料が、食品である請求項１記載の加熱方法。
3. 被処理材料を殺菌する請求項１記載の加熱方法。
4. 供給水量及び／又は加熱条件の調整により、飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気を独立して発生させる請求項１に記載の加熱方法。
5. 供給水量及び／又は加熱条件の連続変化により、飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気を連続して発生させる請求項１に記載の加熱方法。
6. 少なくとも、被処理材料を外気と遮断して加熱する準密閉状態の加熱室、該加熱室を１００℃を越える所定の温度に加熱する加熱手段、１００℃以上に加熱された熱水及び／又は水蒸気を上記加熱室内に連続的に噴射させ、微細水滴と湿熱水蒸気を発生させて所定の方向に移送する水蒸気発生手段、供給水量を調整する供給水量調整手段及び／又は加熱条件を調整する加熱条件調整手段、を構成要素として含み、飽和蒸気、飽和蒸気・過熱蒸気の制御された比率の混合媒体、及び過熱蒸気の３種の水蒸気加熱媒体を独立又は連続して発生させるようにしたことを特徴とする加熱装置。
7. 水蒸気発生手段として、給水タンク、該給水タンクの水を加熱室へ給水する給水ポンプ、該給水された水を１００℃以上に加熱するための外部ヒーターを配設した給水用細管、その先端に設置された噴射ノズル、該噴射ノズルから噴射された高温水蒸気を微細化して所定の方向に移送する回転可能な循環ファンを有する請求項６に記載の加熱装置。
8. 加熱室を１００℃を超える所定の温度に加熱する加熱手段として、加熱室内で発生させた微細水滴と湿熱水蒸気と接触する位置に、シーズヒーターをヘアピン状に複数設置した請求項６に記載の加熱装置。