JP2010022266A - 原乳温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランニングコストの低減を図ることができるとともに、省エネルギーを図ることができる原乳温度調整装置を提供する。
【解決手段】搾乳された原乳を所定温度で貯留する原乳温度調整装置３０において、原乳が貯留されるタンク本体３１と、熱媒体を圧縮する圧縮機３４、熱媒体を液体に凝縮させる凝縮器３６、熱媒体を低圧化させる膨張器３８および熱媒体を気化させる蒸発器４０が、内部を熱媒体が流通する流通管３３によって接続されてなる温度調整回路３２とを具備し、流通管３３の一部がタンク本体３１の外壁面に取り付けられて温度調整回路３２の凝縮器３６の機能を果たすことにより、タンク本体３１内の原乳の温度調整を行うように設けられ、蒸発器４０が外部熱源から吸熱するように設けられることにより、温度調整回路３２は、ヒートポンプ回路を構成するように設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、搾乳された原乳を所定温度で貯留する原乳温度調整装置に関する。

搾乳したばかりの原乳は、牛の体温程度の温度を有しているが、この温度のまま貯留すると雑菌が増殖する。
そこで、乳牛を飼育している酪農家や酪農施設においては、搾乳した原乳を５℃程度の温度に冷却して貯留させておくタンクを有する原乳温度調整装置（いわゆるバルククーラ）が設置されている。

従来の原乳温度調整装置の一般的な構造を、図４に示す。
原乳温度調整装置１０は、原乳を貯留するタンク１１と、タンク１１内に貯留された原乳の温度を調整するための温度調整器とから構成されている。
温度調整器は、タンク１１を冷却ジャケット１２として設け、冷却ジャケット１２に供給する冷却水は冷凍機１４による冷却回路を通して冷却している。

特開平７−８１２７号公報 特開平１０−２１５７１８号公報

上述したように、従来の原乳温度調整装置では、原乳を冷却して貯留するものしか存在していなかった。
なお、子牛分娩後の一定時間内に分泌される牛の初乳は、子牛に受動免疫を付与するのに有用な免疫グロブリンを含んでいる。牛は母子免疫のほとんどを初乳に依存しているため、新生子牛に初乳を摂取させることは、出生後の病原体の感染を防ぐ上で重要であるとされている。

しかし、初乳は通常の乳に比べて多数の細菌やウイルス等の病原体を含有している。乳に含まれる病原体を減少させるためには、加温処理を行うのが一般的であるが、有用な成分への影響が少なく、病原体のみを不活性化できる加温処理の条件として初乳を高温（例えば６０℃程度）で所定時間保持することが検討されている。

そこで、従来の原乳温度調整装置のタンクにヒータ線を取り付けて、ヒータ線によってタンク内の初乳（原乳）を加熱することも考えられる。
しかし、単なるヒータ線による加熱では電力消費量が膨大となり、ランニングコストがかさんでしまうとともに、省エネルギーの観点からしてもヒータ線による加熱は無駄なエネルギー消費であるという課題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、ランニングコストの低減を図ることができるとともに、省エネルギーを図ることができる原乳温度調整装置を提供することにある。

本発明に係る温湿度調整装置は、搾乳された原乳を所定温度で貯留する原乳温度調整装置において、原乳が貯留されるタンク本体と、熱媒体を圧縮する圧縮機、熱媒体を液体に凝縮させる凝縮器、熱媒体を低圧化させる膨張器および熱媒体を気化させる蒸発器が、内部を熱媒体が流通する流通管によって接続されてなる温度調整回路とを具備し、前記流通管の一部がタンク本体の外壁面に取り付けられて前記温度調整回路の凝縮器の機能を果たすことにより、タンク本体内の原乳の温度調整を行うように設けられ、前記蒸発器が外部熱源から吸熱するように設けられることにより、前記温度調整回路は、ヒートポンプ回路を構成するように設けられていることを特徴としている。
この構成を採用することによって、ヒートポンプ回路を採用した温度調整回路でタンクを加熱することができるので、ランニングコストの低減および省エネルギーを図ることができる。

また、前記タンク本体内の液温を測定する液温センサと、前記タンク外壁面の高さ方向のほぼ中央に設けられた第１温度センサと、前記凝縮器の下流側に配設されている流通管に設けられた第２温度センサと、前記第１温度センサと前記第２温度センサとで測定された各温度の間に前記液温センサで測定された温度が入るように前記圧縮機の回転数を制御して、原乳の温度を所定温度に到達させる制御部とを具備することを特徴としてもよい。
この構成による作用は以下のとおりである。
すなわち、液体を加温するにあたっては、タンクの上下で温度ムラが出やすく、この温度ムラを無くしつつ所定温度にまで温度上昇をさせる制御は困難を極めた。しかし、実験の結果、タンク外壁面の高さ方向のほぼ中央に設けられた第１温度センサと、凝縮器の下流側に配設されている流通管に設けられた第２温度センサと、第１温度センサと第２温度センサとで測定された各温度の間にタンク内の原乳の温度が入るように制御することで温度ムラを無くしつつ所定温度にまで上昇させることが可能となることが判明した。

さらに、前記凝縮器の上流側に配設されている流通管に設けられた第３温度センサを具備し、前記制御部は、前記第３温度センサで測定された温度が予め設定された閾値を越えた場合には、前記圧縮機の回転数を下げるように制御することを特徴としてもよい。
この構成によれば、温度の急激な上昇を避け、原乳の品質を維持することができる。

なお、前記タンク本体の凝縮器の外側には断熱材が設けられ、前記タンク本体内部の内壁面に第４温度センサが設けられ、該断熱材の表面温度を測定する第５温度センサが設けられ、前記制御部は、原乳の温度が所定温度に到達した後は、前記液温センサで検出された液温と、前記第４温度センサで検出されたタンクの内壁面温度と、前記第５温度センサで検出された断熱材表面温度とから、断熱材から外気へ放出される放熱量を算出し、該放熱量に基づいて前記圧縮機の回転数を制御して、原乳の温度を所定温度で維持させることを特徴としてもよい。
この構成によれば、所定温度に達した原乳をこの所定温度で維持する場合であっても、正確に所定温度で維持可能である。

さらに、前記温度調整回路の熱媒体の流通方向を切り換える四方弁が設けられ、前記タンク本体の外壁面に取り付けられた流通管の一部は、前記温度調整回路の凝縮器または蒸発器の機能を果たすことで、タンク本体内の原乳の加熱および冷却の双方向の温度調整を行うように設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、原乳の加熱および冷却を1つの装置で行えるので設備の小型化およびイニシャルコストの低減を図ることができるとともに、ランニングコストの低減および省エネルギーを図ることができる。

本発明の原乳温度調整装置では、ランニングコストの低減および省エネルギーを図りつつ、原乳を所定温度で貯留させることができる。

以下本発明に係る原乳温度調整装置の好適な実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、原乳温度調整装置の第１の実施形態の全体構成を示す説明図である。
本実施形態の原乳温度調整装置３０は、原乳を貯留するタンク本体３１と、タンク本体３１内の原乳の温度を調整する温度調整回路３２とを備えている。なお、本実施形態の原乳温度調整装置３０における温度調整回路３２は、原乳を加熱する方向に制御する回路であるとする。
タンク本体３１内には原乳を撹拌する撹拌装置３５が設けられており、原乳の温度ムラを無くすようにしている。

温度調整回路３２は、熱媒体を圧縮させる圧縮機３４と、圧縮機３４で圧縮された熱媒体を液体に凝縮させる凝縮器３６と、凝縮器３６で熱放出した熱媒体を断熱膨張させて圧力を下げる膨張器３８と、膨張器３８で圧力低下した熱媒体を気化させて外部から熱を吸熱する蒸発器４０とが設けられ、各構成は熱媒体を流通させる流通管３３により連結されて構成されている。

凝縮器３６は、圧縮機３４の下流側の流通管３３がタンク本体３１の外壁面に螺旋状に巻き付いて構成されている。凝縮器３６では、圧縮されて高温となった熱媒体とタンク本体３１の外壁面との間で熱交換を行い、熱媒体はタンク本体３１へ放熱する。このため、タンク本体３１は加温される。

また、蒸発器４０は、流通管３３の周囲に空気との接触面積を増加させるためのフィンが複数積層されて構成された熱交換器として設けられている。このような蒸発器４０には、ファン４２が設けられ、蒸発器４０のフィンに向けて強制的に送風される。このため、外部熱源である空気との間で熱媒体が熱交換を行い、熱媒体は空気から熱を吸熱する。このように、温度調整回路３２は、蒸発器４０で空気から熱を吸い上げて利用するヒートポンプ回路を採用しており、省エネルギーに寄与することができる。
蒸発器４０で吸熱して気化した熱媒体は、圧縮機３４に戻る。

また、温度調整回路３２には、凝縮器３６の上流側の流通管３３と蒸発器４０の下流側の流通管３３を連結するバイパス管４３が配設されている。バイパス管４３の中途部には、リリーフバルブ４４が設けられており、通常時はリリーフバルブ４４が閉状態となっているが、圧縮機３４で圧縮した熱媒体が所定の値よりも高圧となってしまった場合には、リリーフバルブ４４を開状態とし、高圧となった熱媒体を圧縮機３４の入力側に逃がすようにしている。

続いて、本実施形態の原乳温度調整装置３０の制御系について説明する。
タンク本体３１およびその周辺の６箇所に温度センサ５２，５４，５６，５８，６０，６２が設けられており、各温度センサ５２，５４，５６，５８，６０，６２の検出温度に基づいて制御装置５０が圧縮機３４の回転数の制御および蒸発器４０のファン４２の回転数の制御を行う。制御装置５０は、ＣＰＵ、メモリ、表示部、入力スイッチ等を備えており、メモリ内に記憶されている制御プログラムをＣＰＵが読み出し、各温度センサ５２，５４，５６，５８，６０，６２からの温度情報に基づいて圧縮機３４およびファン４２の制御を行うことができる。

タンク本体３１内には、貯留されている原乳の温度を直接計測する液温センサ５２が設けられており、測定された液温は制御装置５０に入力される。
タンク本体３１の外壁面には、高さ方向のほぼ中央に第１温度センサ５４が取り付けられている。第１温度センサ５４で測定されたタンク外壁面の温度は、制御装置５０に入力される。

凝縮器３６の下流側に位置する流通管３３には、第２温度センサ５６が設けられている。第２温度センサ５６で測定された流通管３３の温度（凝縮器３６で放熱した熱媒体の温度）は制御装置５０に入力される。
また、凝縮器３６の上流側に位置する流通管３３には、第３温度センサ５８が設けられている。第３温度センサ５８で測定された流通管３３の温度（圧縮機３４で圧縮された熱媒体の温度）は、制御装置５０へ入力される。

タンク本体３１の高さ方向のほぼ中心であって、タンク内壁面には、第４温度センサ６０が取り付けられている。第４温度センサ６０で測定されたタンク本体３１内における壁面温度は制御装置５０へ入力される。

また、タンク本体３１の周囲に巻回された流通管３３（凝縮器３６）の外側には、断熱材５９が配置されている。
そして断熱材５９の外側には、断熱材５９表面の温度を計測する第５温度センサ６２が設けられている。第５温度センサ６２で測定された断熱材５９の表面温度は、制御装置５０へ入力される。

図２に、初乳を殺菌して貯留する際に必要とされる温度上昇を表すグラフを示す。
このように、初乳の加温前の最初の温度（タンク本体３１への投入時の温度）が１０℃であるとし、本実施形態の原乳温度調整装置３０は、これを６０℃まで加温し、６０℃のまま一定時間維持するように制御する。
まず、初期温度（１０℃）から目標温度（６０℃）まで上昇させる際の制御方法について説明する。

温度を所定の温度まで上昇させる際には、タンク本体３１内の上下方向で温度ムラが生じやすいので、温度ムラを無くしつつ、タンク本体３１内の初乳の全体温度を上昇させるように制御することが必要である。制御装置５０は、第１温度センサ５４で測定されたタンク外壁面の高さ方向ほぼ中央の温度と、第２温度センサ５６で測定された放熱後の熱媒体の温度の間に、液温センサ５２で測定された原乳の温度が入るように、圧縮機３４の回転数を制御する。
また、このとき蒸発器４０に接触する空気温度が低い場合、十分な吸熱ができない場合もあるので、制御装置５０はファン４２の回転数を下げるように制御する。さらに、蒸発器４０に接触する空気温度が高い場合、吸熱効率を上げるために、制御装置５０はファン４２の回転数を上げるように制御してもよい。

また、制御装置５０内には、予め第３温度センサ５８で測定される熱媒体の温度の閾値を記憶させておく。そして、初乳の温度を上昇させている最中は、制御装置５０は第３温度センサ５８で測定される熱媒体の温度と閾値とを比較している。第３温度センサ５８で測定される熱媒体の温度が閾値を越えたことを制御装置５０が検出した場合、制御装置５０は、圧縮機３４の回転数を下げるように制御する。このような制御が実行されることで、温度の急激な上昇を避け、初乳の品質を維持することができる。

続いて、液温センサ５２で測定された原乳の温度が目標温度に達した後、この目標温度を維持する場合の制御方法について説明する。
目標温度に達した場合、制御装置５０は、第４温度センサ６０によるタンク内壁面の温度と、第５温度センサ６２による断熱材５９の表面温度とを測定し、これらの温度に基づいて圧縮機３４の回転数の制御をすることにより、液温を一定に保つように制御する。
具体的には、第４温度センサ６０によるタンク内壁面の温度と、第５温度センサ６２による断熱材５９の表面温度とから、タンク外部へ放出される放熱量を算出し、この放熱量に基づいて圧縮機３４の回転数を制御する。

放熱量と圧縮機の回転数との関係は以下のように説明できる。
タンクからの放熱量をＱとした場合、Ｑ＝ＫＡΔＴである（式１）。ここで、Ｋは断熱材５９の熱通過率、Ａは伝導面積、ΔＴは第４温度センサ６０によるタンク内壁面の温度と第５温度センサ６２による断熱材５９の表面温度との温度差である。

また、放熱量Ｑと圧縮機３４の回転数は、圧縮機３４の回転数をＮとすると、Ｑ∝Ｎ（式２）の関係が成立する。すなわち、圧縮機３４の回転数Ｎは、タンクからの放熱量Ｑと、圧縮機３４の性能や温度調整回路３２の性能に応じた比例定数とから算出可能である。
したがって、制御装置５０では、予め式１における断熱材５９の熱通過率Ｋ、伝導面積Ａ（タンクの表面積）および式２における比例定数を予め算出して記憶させておき、計測した第４温度センサ６０の温度と第５温度センサ６２の温度との差から回転数Ｎを算出する。
そして、制御装置５０は、算出された回転数となるように圧縮機３４を制御する。

なお、圧縮機３４の制御は、インバータ制御で実施できると、精密な温度調整および省エネルギーが実施できるので好適である。すなわち、圧縮機３４の回転駆動は、図示しないモータにより行われており、モータの回転制御は図示しないインバータ回路によって行われるようにするとよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の乳温度制御装置の第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態の全体構成を示す説明図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。

本実施形態では、温度調整回路３２に四方弁６６を設け、四方弁６６の切り換えによって温度調整回路３２においては加熱と冷却の双方の制御が1つの回路で実行可能となるように設けられている。四方弁６６は、圧縮機３４の上流側の流通管３３が、凝縮器３６の上流側（冷却時には蒸発器３６の下流側）の流通管３３または蒸発器４０の下流側（冷却時には凝縮器４０の上流側）の流通管３３のいずれか一方と接続し、圧縮機３４の下流側の流通管３３が、凝縮器３６の上流側（冷却時には蒸発器３６の下流側）の流通管３３または蒸発器４０の下流側（冷却時には凝縮器４０の上流側）の流通管３３のいずれか他方と接続するように配置されている。そして、圧縮機３４の上流側と下流側の流通管３３の接続先が、上述した場合における一方と他方とが逆に切り替わるように制御される。

温度調整回路３２は、熱媒体を圧縮させる圧縮機３４に対して、圧縮機３４から吐出される熱媒体を正逆方向に切り換えて流通させることができる。したがって、タンク本体３１の加熱時には、圧縮機３４で圧縮された熱媒体は、四方弁６６から凝縮器３６に流通し、凝縮器３６で熱放出した熱媒体を膨張器３８で断熱膨張させて圧力を下げ、膨張器３８で圧力低下した熱媒体を気化させて外部から熱を吸熱する蒸発器４０を通過して、四方弁６６を経て圧縮機３４に戻る。

タンク本体３１の冷却時には、四方弁６６を切り換え、上述した方向と逆方向に熱媒体を流す。つまり、凝縮器３６が蒸発器として機能し、蒸発器４０が凝縮器として機能する。
まず、圧縮機３４で圧縮された熱媒体は、四方弁６６から凝縮器４０に流通し、ファン４２によって空気に熱放出する。そして、凝縮器４０で熱放出した熱媒体は膨張器３８で断熱膨張させて圧力を下げ、蒸発器３６でタンク本体３１から熱を吸熱して四方弁６６を経て圧縮機３４に戻る。このようなサイクルによれば、タンク内の初乳を冷却することができる。

また、凝縮器（蒸発器）３６と蒸発器（凝縮器）４０との間には、加熱時に用いられるバイパス管７０と、冷却時に用いられるバイパス管７４が配管されている。
バイパス管７０にはリリーフバルブ６８と逆止弁６９が設けられており、加熱時における通常状態ではリリーフバルブ６８が閉状態となっているが、圧縮機３４で圧縮した熱媒体が所定の値よりも高圧となってしまった場合には、リリーフバルブ６８を開状態とし、高圧となった熱媒体を圧縮機３４の入力側に逃がすようにしている。

また冷却時に用いるバイパス管７４にもリリーフバルブ７２と逆止弁７３が設けられている。冷却時における通常状態ではリリーフバルブ７２が閉状態となっているが、圧縮機３４で圧縮した熱媒体が所定の値よりも高圧となってしまった場合には、リリーフバルブ７２を開状態とし、高圧となった熱媒体を圧縮機３４の入力側に逃がすようにしている。

タンク本体３１を加熱する制御方法については、上述した実施形態と同一の制御方法であるので、ここでは説明しない。
以下、タンク本体３１を冷却する制御方法について説明する。
タンク本体３１内の初乳を冷却していく場合、制御装置５０は、第１温度センサ５４で測定されたタンク外壁面の高さ方向ほぼ中央の温度と、第２温度センサ５６で測定された放熱後の熱媒体の温度の間に、液温センサ５２で測定された原乳の温度が入るように、圧縮機３４の回転数を制御する。
また、このとき凝縮器４０に接触する空気温度が高い場合、十分な排熱ができない場合もあるので、制御装置５０はファン４２の回転数を下げるように制御する。さらに、凝縮器４０に接触する空気温度が低い場合、排熱効率を上げるために、制御装置５０はファン４２の回転数を上げるように制御してもよい。

なお、上述した各実施形態の乳温度制御装置は、初乳の温度調整に限定するものではなく、一般的な原乳の温度調整に用いられてもよい。

本発明における原乳温度調整装置の第1の実施形態の全体構成を示す説明図である。 図１に示す原乳温度調整装置の温度上昇グラフを示す説明図である。 本発明における原乳温度調整装置の第２の実施形態の全体構成を示す説明図である。 従来の原乳温度調整装置の概略構成を示す説明図である。

符号の説明

３０ 原乳温度調整装置
３１ タンク本体
３２ 温度調整回路
３３ 流通管
３４ 圧縮機
３５ 撹拌装置
３６ 凝縮器
３８ 膨張器
４０ 凝縮器
４２ ファン
４３，７０，７４ バイパス管
４４，６８，７２ リリーフバルブ
５０ 制御装置
５２ 液温センサ
５４ 第１温度センサ
５６ 第２温度センサ
５８ 第３温度センサ
５９ 断熱材
６０ 第４温度センサ
６２ 第５温度センサ
６６ 四方弁
６９，７３ 逆止弁

Claims (5)

1. 搾乳された原乳を所定温度で貯留する原乳温度調整装置において、
   原乳が貯留されるタンク本体と、
   熱媒体を圧縮する圧縮機、熱媒体を液体に凝縮させる凝縮器、熱媒体を低圧化させる膨張器および熱媒体を気化させる蒸発器が、内部を熱媒体が流通する流通管によって接続されてなる温度調整回路とを具備し、
   前記流通管の一部がタンク本体の外壁面に取り付けられて前記温度調整回路の凝縮器の機能を果たすことにより、タンク本体内の原乳の温度調整を行うように設けられ、
   前記蒸発器が外部熱源から吸熱するように設けられることにより、前記温度調整回路は、ヒートポンプ回路を構成するように設けられていることを特徴とする原乳温度調整装置。
2. 前記タンク本体内の液温を測定する液温センサと、
   前記タンク外壁面の高さ方向のほぼ中央に設けられた第１温度センサと、
   前記凝縮器の下流側に配設されている流通管に設けられた第２温度センサと、
   前記第１温度センサと前記第２温度センサとで測定された各温度の間に前記液温センサで測定された温度が入るように前記圧縮機の回転数を制御して、原乳の温度を所定温度に到達させる制御部とを具備することを特徴とする請求項１記載の原乳温度調整装置。
3. 前記凝縮器の上流側に配設されている流通管に設けられた第３温度センサを具備し、
   前記制御部は、
   前記第３温度センサで測定された温度が予め設定された閾値を越えた場合には、前記圧縮機の回転数を下げるように制御することを特徴とする請求項２記載の原乳温度調整装置。
4. 前記タンク本体の凝縮器の外側には断熱材が設けられ、
   前記タンク本体内部の内壁面に第４温度センサが設けられ、
   該断熱材の表面温度を測定する第５温度センサが設けられ、
   前記制御部は、
   原乳の温度が所定温度に到達した後は、前記液温センサで検出された液温と、前記第４温度センサで検出されたタンクの内壁面温度と、前記第５温度センサで検出された断熱材表面温度とから、断熱材から外気へ放出される放熱量を算出し、該放熱量に基づいて前記圧縮機の回転数を制御して、原乳の温度を所定温度で維持させることを特徴とする請求項２または請求項３記載の原乳温度調整装置。
5. 前記温度調整回路の熱媒体の流通方向を切り換える四方弁が設けられ、
   前記タンク本体の外壁面に取り付けられた流通管の一部は、前記温度調整回路の凝縮器または蒸発器の機能を果たすことで、タンク本体内の原乳の加熱および冷却の双方向の温度調整を行うように設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちのいずれか1項記載の原乳温度調整装置。

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