JP3881600B2 - 固液混合物の熱交換処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固形物と液体とを含む固液混合物の熱交換処理方法に関する。より詳しくは、伝熱管の中を通過させることにより固液混合物を加熱又は冷却する固液混合物の熱交換処理方法に関し、最も好適には、食品の熱処理（加熱、冷却を含む）に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
液体の連続的な加熱又は冷却のためにチューブ式熱交換器が多用されている。現在入手できるチューブ式熱交換器の基本的な設計思想は、その伝熱管路を通過する液体の流れに乱れを作り、これによる事実上の攪拌作用によって均一な加熱又は冷却を行うというものである。この設計思想に立脚して、例えば特開平１１−３４７３８６号公報は、チューブ式熱交換器の内部にスタティックミキサーを設け、伝熱管内を通過する流体を積極的に攪拌することを提案している。
【０００３】
連続的な加熱又は冷却に好適であるとして、食品業界では、固液混合物の熱処理（加熱、冷却を含む）にチューブ式熱交換器が用いられている。チューブ式熱交換器は、その中を液体が流れると、通常、流速分布が発生する。図３は、例示的に固形物１を含む液体２が伝熱管３を通過するときに発生する流速分布を波線で図示してある。流体に対する熱処理の条件を設定する場合に、流速分布を考慮に入れて、伝熱管路の断面の中心付近を流れる流体に対して適切な加熱又は冷却を行うことができるように、その流速などが決定される。このことはチューブ式熱交換器を用いて固液混合物を熱処理するときにあっても例外ではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固液混合物の熱処理にチューブ式熱交換器を流用することは、次の問題を発生し易い。
【０００５】
（１）固液混合物に含まれる固形物が管路内壁に衝突したり、固形物同士が衝突することにより、固形物の一部が欠けてしまう「固形物の崩れ」が発生し易い。
【０００６】
（２）熱処理の条件が、上述したように、伝熱管路の断面の中心付近を流れる固液混合物に対して適切な加熱又は冷却を行うことができるようにその流速などが決定されているため、管内壁付近を流れる固形物が過加熱となり易く、このため、褐変、焦げなどが発生し易い。
【０００７】
（３）図４に図示するように、伝熱管壁の一部のエリアに固形物が滞留したときには、当該エリアの有効断面積が小さくなり、このため、流速が設定値を超えてしまい、このことが熱処理不良の原因になり易い。その一方で、滞留した固形物は、過加熱によって、上述した焦げなどの問題を発生してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、チューブ式熱交換器のように伝熱管を通じた熱交換を利用して固液混合物を加熱又は冷却する場合に、固液混合物の固形物の崩れを防止することのできる固液混合物の熱交換処理方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、伝熱管内で固液混合物を熱交換する際に、当該固液混合物を安定送液すること、すなわち、伝熱管内を通過する固液比のばらつきを抑制することができる固液混合物の熱交換処理方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の更なる目的は、伝熱管内に上記固形物の滞留が発生して実質的に伝熱管の有効断面積が狭くなり、この狭くなったエリアを通過する固形物の流速が早くなるために固形物が加熱不良になるのを防止することができる固液混合物の熱交換処理方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、汎用のチューブ式熱交換器及び定量排出器を使用して、固液混合物に含まれている固形物の崩れの発生を抑えながら、この固形物を適切に加熱又は冷却することができる固液混合物の熱交換処理方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
チューブ式熱交換器のような伝熱管は、上述したように、流れに乱れを生じさせることにより均一な加熱を確保するものであるが、本発明は、これとは逆に、固液混合物を熱処理（加熱又は冷却）するときに、流れに乱れを生じさせないようにすれば、固形物の崩れを防止できるという観点から検討を加えることによって案出されたものである。
【００１３】
すなわち、固形物と液体とが混在する固液混合物では、固形物の密度が小さい（すなわち、当該固液混合物に含まれている固形物量が少ない）場合、その流動特性は液体に近いものとなるが、逆に、固形物の密度が大きい（すなわち、当該固液混合物に含まれている固形物量が多い）場合、隣接する固形物間の隙間を液体がすり抜け易くなる。このような液体の「すり抜け」現象が発生したときには、液体が伝熱管を通過するのに要する時間と、固形物が伝熱管を通過するのに要する時間とに差が発生し、固液混合物に対して均等な熱処理を施すことが不可能になってしまう。しかし、この液体の「すり抜け」現象を抑えることができれば、固形物と、その回りの液体とを一緒に移動させることができる。
【００１４】
上記の観点に基づき、本発明によれば、基本的には、
伝熱管の中を通過させることにより、液体と固形物とを含む固液混合物を加熱又は冷却する固液混合物の熱交換処理方法において、
前記固液混合物の中で前記固形物が密状態で分布するように該固形物の含有割合を調整すると共に、前記液体を所定の粘度となるように調整し、
次いで、前記固液混合物を圧送して前記伝熱管の中を通過させ、
これにより隣接する固形物間の隙間を液体がすり抜けるのを抑制しながら、固液混合物を加熱又は冷却することを特徴とする固液混合物の熱交換処理方法が提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、上述したように、▲１▼固液混合物を圧送して伝熱管を通過させる、▲２▼固形物を密状態に調整する、▲３▼液体の粘度を調整する、という３つの要素を組み合わせたことに特徴を有する。
【００１６】
固液混合物の圧送は、ガス圧（典型的にはエア圧）で固液混合物を付勢することより行うことができる。典型的には、伝熱管の上流にタンクを用意し、このタンク内の固液混合物に加圧エアを供給することにより、固液混合物を圧送して伝熱管を通過させることができる。伝熱管内の固液混合物の移動は、連続したものであってもよく、断続的な移動であってもよい。固液混合物を圧送する他の手段としてピストンポンプを用いてもよい。
【００１７】
固形物の密度と液体の粘度との関係は、伝熱管を通過する流速などと相関関係があり、数値で一律に規定することは難しいが、流速が比較的速ければ、液体の粘度は比較的小さくてもよい。逆に、流速が比較的遅ければ、液体の粘度を比較的大きくする必要がある。液体の粘度は増粘剤を用いて調整すればよい。固形物としては、配管内を通過可能な大きさを有するものであればよい。
【００１８】
伝熱管としては、その中を通過する固液混合物との間で熱交換できるものであればよく、その材質に制限はないが、固液混合物が食品であれば、比較的管理し易いステンレス鋼の断面円形の管体を採用するのが好ましい。
【００１９】
伝熱管の内径は、一般的には、１０ｍｍ〜２５ｍｍとするのがよく、伝熱管の管路長は、固液混合物の移送速度（伝熱管を通過する固液混合物の速度）と熱処理条件とを加味して決めればよい。
【００２０】
伝熱管を用いて固液混合物を加熱処理するのであれば、その加熱手段としては、例えば、加圧蒸気又は熱水等の熱媒体を伝熱管の周囲に存在させ、伝熱管の外側から伝熱により管路内の固液混合物を加熱するか、あるいは伝熱管の回りに電熱コイルなどを巻いて伝熱管を直接的に加熱すればよい。また、通電加熱等の直接的な加熱手段により固液混合物を加熱してもよい。電熱コイルを用いた加熱は、コイルに供給する電力を制御によって比較的容易に管理することができるため、加熱処理の管理が容易である。
【００２１】
固液混合物を冷却処理するのであれば、その冷却手段としては、低温の水で伝熱管の回りを冷やすようにすればよい。
【００２２】
本発明は、典型的には、例えばコーン粒入りコーンスープ、米飯粒を含む雑炊、あるいはタピオカ、白玉団子等の小固形物を含む飲料等の食品の熱処理に適用され、固形物としては、例えば、牛肉、豚肉、鶏肉等の肉類、魚肉、貝類等の魚介類、ニンジン、ジャガイモ、カボチャ、ピーマン、タマネギ等の野菜類、とうもろこし等の穀粒、大豆、えんどう豆等の豆類等の粒状物等を、必要により上記の大きさにカット、スライス等して用いられる。
【００２３】
増粘剤としては、ジェランガム、キサンタンガム、アルギン酸ナトリウム等の耐熱性を有する増粘多糖類又は化工澱粉などを挙げることができる。液体の上記「すり抜け」現象を抑えるのに、液体の粘度は、実験によれば、７００ｍＰａ・ｓ〜４０００ｍＰａ・ｓであるのが好ましく、より好ましくは９００ｍＰａ・ｓ〜３０００ｍＰａ・ｓ、さらに好ましくは１０００ｍＰａ・ｓ〜２０００ｍＰａ・ｓ、最も好ましくは１１００ｍＰａ・ｓ〜１８００ｍＰａ・ｓの粘性液であるのがよい。このような粘度を得るのに、例えば水のような液体の粘度を調整するのに必要な、固液混合物に対する増粘剤の含有割合は、一般的には、０．７重量％〜２．０重量％程度である。
【００２４】
固液混合物中の固形物を密状態で分布させるには、固形物の含有割合を調整するのがよい。すなわち、固液混合物に固形物が３０重量％以上、より好ましくは３５重量％〜８０重量％、さらに好ましくは４０重量％〜７０重量％、最も好ましくは４５重量％〜６５重量％含まれるように、固形物及び液状物を混合するのがよい。
【００２５】
特に本発明において、伝熱管により熱交換処理された固液混合物と、これとは別ルートで加熱又は冷却された液体とを混合する場合には、上記固液混合物中の固形物の含有割合を４０重量％〜７０重量％とし、液状物の粘度を９００ｍＰａ・ｓ〜２０００ｍＰａ・ｓとすることが好ましい。これによって、固液混合物に含まれている固形物の崩れを防止することができるとともに、上記固液混合物と、これとは別ルートで加熱又は冷却された液体とを均一に混合しやすくなる。
【００２６】
流動性を有する食品の場合、連続的な熱処理のためのチューブ式熱交換器を含むシステムの末端に定量排出器を用いて小分けして小売り用の容器に収容するが、本発明は、このチューブ式熱交換器と定量排出器との組み合わせを好適に使用することができる。
【００２７】
定量排出器をチューブ式熱交換器に連通させ、この定量排出器を、一定の開放時間を所定のサイクルで実行させることにより、チューブ式熱交換器に圧送される固液混合物は間欠的に熱交換器の内部を移動することになる。図１は、この状態を説明するための図である。同図の上下に延びる波線で区画された領域Ａ、Ｂ、Ｃ・・・は定量排出器の一回の動作で小売り用容器に収容される固液混合物を示す。同図から理解できるように、本発明によれば、流速分布の発生が抑えられ、領域Ａの固液混合物が、その下流の領域Ｂの固液混合物を押し出すようにしてコマ送りのように断続的に移動する。換言すれば、チューブ式熱交換器内では、固液混合物は、その固形物間及び液体との間の相対的な位置関係を維持しながら下流側に向けて移動する。これにより、固液混合物は、チューブ式熱交換器内で、固形物の沈降現象の発生や滞留の発生或いは固形物間の衝突もしくは固形物が管壁に衝突するのを回避することができる。
【００２８】
そして、上述したように定量排出器を制御して、定量排出器を所定のサイクルで動作させることにより、結果的に、チューブ式熱交換器を通る固液混合物の通過時間（流量）つまり熱処理時間を厳密に制御することができる。
【００２９】
これにより、従来のように圧送ポンプなどの回転数を制御して、チューブ式熱交換器を通過する流体の熱処理時間を制御する必要はないので、簡素なシステム構成で、固液混合物の熱処理時間つまり固液混合物の流量を管理することができる。
【００３０】
本発明の上記の目的、他の目的並びに作用は、以下の好ましい実施例の説明から明らかになろう。
【００３１】
【実施例】
図２は、本発明を適用するのに好適な熱交換システムを例示するものである。図示の熱交換システムは、エア源に接続された加圧タンク４を有し、加圧タンク４内の圧力はレギュレーター５によって調整される。熱交換システムは、また、バルブ６を備えた配管７を介して加圧タンク４と接続された二重管型チューブ式熱交換器８（配管内径：２３ｍｍ、配管長さ：１６００ｃｍ、材質：ステンレス製、熱媒体は熱水を使用）と、チューブ式熱交換器８の下流端と配管９を介して接続された定量排出器１０とを有する。定量排出器１０は、入口バルブ１１と、この入口バルブ１１の下流側に設けられた計量ピストン１２と、計量ピストン１２の下流側に設けられた充填ノズル１３とを含み、充填ノズル１３から排出された固液混合物は、小売り用容器（例えば、パウチ）に収容される。
【００３２】
定量排出器１０の作動は次のとおりである。被処理物である固液混合物が定量排出器１０に達した後、まず、入口バルブ１１を開放して固液混合物を計量ピストン１２内に引き入れる。計量ピストン１２で計量後、入口バルブ１１を閉鎖し、その後計量ピストン１２から充填ノズル１３へ固液混合物を押し出す。以上の作動により、定量排出器１０は熱交換処理された固液混合物を定量的に排出する。なお、バルブ１１、計量ピストン１２、充填ノズル１３は、外部の制御機器からの信号により、所定のサイクル、例えば、２０〜４０回／分のサイクルで作動するように制御される。
【００３３】
上記熱交換システムを用いて熱処理を行う固液混合物として、グリーンピース入りスープを用いて実験した。
【００３４】
まず、このスープは、５０重量部のグリーンピース（全粒、平均粒径７ｍｍ）と、４９．５重量部の水と、０．５重量部の増粘剤としてのキサンタンガムとからなる。すなわち、所定の粘度の粘性液となるように、水にキサンタンガムを加えた。調整後の粘度は、１１００ｍＰａ・ｓであった（東機産業株式会社製Ｂ型粘度計、ローターＮｏ．３、品温２５℃で測定）。
【００３５】
上記のように調整したグリーンピース入りスープをタンク加圧タンク４内に投入して混合した。次いで、エアレギュレーター５で加圧タンク４内を０．３ＭＰａに圧力調整した後に、バルブ６を開放して、タンク４内のグリーンピース入りスープを配管７を経て二重管型チューブ式熱交換器８へ圧送して熱処理を行い、熱処理後のスープは定量排出器１０を介して小売り用パウチに充填した。
【００３６】
熱交換器８を通過するスープの品温は９０℃であり、熱交換器８を通過するのに要する時間は１３．３分であった（この間の平均流速は、５００ｇ／ｍｉｎ）。
【００３７】
上記の条件により、グリーンピース入りスープを加熱殺菌処理し、小売り用パウチに収容した製品を確認したところ、均一な熱処理が施されており、また、グリーンピースには褪色が見られず、しかも過加熱臭もなかった。さらには、崩れのあるグリーンピースも全く見当たらなかった。
【００３８】
以上、本発明の実施例を説明したが、加熱又は冷却のために増粘した液体成分の粘度が製品として適切でないときには、熱処理後に、別ルートで熱処理した液体成分を混入することにより、製品の固液混合物の粘度を低下させてもよい。同様に、製品として固形物の密度を低下させる必要があれば、熱処理後の固液混合物に、別ルートで熱処理した液体成分を混入することにより、製品中の固形物の密度を低下させるようにしてもよい。
【００３９】
さらに、固形物と共に加熱される液体は、固形物と同程度の加熱処理を施されるために、液体のみの加熱処理の場合よりも過加熱になり、風味、色調等の品質が劣化する場合がある。この場合、別ルートで熱処理された液体成分の混入割合を多くすることにより、過加熱液体が最終製品の風味、色調等の品質に殆どあるいは全く影響を及ぼさないようにして、高品質の製品を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】チューブ式熱交換器の伝熱管の断面図であり、固液混合物が断続的に加圧タンク側から定量排出装置側へ圧送されている状態を示す。
【図２】本発明の固液混合物の熱交換方法を好適に実施し得る熱交換システムの概略図である。
【図３】伝熱管内で発生する流速分布を説明するための図である。
【図４】従来技術において、配管内で固形物の滞留が発生した場合の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 固形物
２ 粘性液
３ 伝熱管
４ 加圧タンク
５ エアレギュレーター
６ バルブ
７、９ 配管
８ チューブ式熱交換器
１０ 定量排出器
１１ 入口バルブ
１２ 計量ピストン
１３ 充填ノズル

Claims (7)

1. 伝熱管の中を通過させることにより、液体と固形物とを含む固液混合物を加熱又は冷却する固液混合物の熱交換処理方法において、
   前記固液混合物の中で前記固形物が密状態で分布するように該固形物の含有割合を３０重量％〜７０重量％に調整すると共に、前記液体の粘度を７００ｍＰ・ｓ〜４０００ｍＰ・ｓとなるように調整し、
   次いで、前記固液混合物を圧送して前記伝熱管の中を通過させ、
   これにより隣接する固形物間の隙間を液体がすり抜けるのを抑制しながら、固液混合物を加熱又は冷却することを特徴とする固液混合物の熱交換処理方法。
2. 前記固液混合物の圧送がガス圧により行われる、請求項１記載の固液混合物の熱交換処理方法。
3. 前記固液混合物が前記伝熱管の中を間欠的に圧送される、請求項１又は２に記載の固液混合物の熱交換処理方法。
4. 前記伝熱管の下流端に連結する定量排出器を用意し、
   該定量排出器を所定の時間間隔で動作させることにより、前記固液混合物が前記伝熱管の中を間欠的に圧送される、請求項３記載の固液混合物の熱交換処理方法。
5. 前記伝熱管がチューブ式熱交換器からなる、請求項４記載の固液混合物の熱交換処理方法。
6. 前記固液混合物が食品である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固液混合物の熱交換処理方法。
7. 前記伝熱管で加熱又は冷却された前記固液混合物に、別ルートで加熱又は冷却された液体が混入される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の固液混合物の熱交換処理方法。

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