JP4306018B2 - 凍結濃縮装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、果物や野菜の濃縮ジュースその他の各種溶液を冷却・凍結して水分を除去し濃縮度を高めるようにした凍結濃縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、果物や野菜の濃縮ジュース等の濃縮液を生成するのに、栄養成分やフレーバ成分の保存性に優れている凍結濃縮法が用いられている。
この凍結濃縮法には、懸濁結晶濃縮法と界面前進凍結濃縮法とがある。
このうち、界面前進凍結濃縮法は、濃縮液内に１個の氷結晶を生成させて液相の濃縮を行なうもので、低濃度溶液の濃縮に好適であり、また製品コストの大幅な削減が可能である。
【０００３】
かかる界面前進凍結濃縮法においては、高濃度溶液の濃縮が課題となっているが、これを解決可能とした方法に、掻き取り式熱交換器を用いた掻き取り伝熱凍結濃縮法がある。
【０００４】
かかる掻き取り伝熱凍結濃縮法による凍結濃縮装置の１例を比較技術として図３に示す。
図３において、１は垂直に立設された中空の縦筒、２は該縦筒１の上端に連結され水平方向に連結された中空の横筒であり、該縦筒１の内部には濃縮液の縦通路２４が形成され、また該横筒２の内部には濃縮液から分離されたフレーク状の氷を搬送するための横通路２５が形成されている。
【０００５】
３は前記縦通路２４内に挿設された掻き取り機構で、中心軸３aの外周に螺旋羽根３ｂを長手方向に沿って巻装してなる。また４は前記横通路２５内に挿設された搬送機構で、中心軸４ａの外周に螺旋羽根４ｂを巻装してなる。５は前記縦筒１内の掻き取り機構３の下端に連結されてこれを駆動するモータ、６は前記横筒２内の搬送機構４の端部に連結されてこれを駆動するモータである。
【０００６】
１２は前記縦筒１の下部外周に設けられた冷却装置である。該冷却装置１２は冷凍サイクルの蒸発器の機能を有しており、冷媒を圧縮する圧縮機９に冷媒管１３，１３を介して接続され、該圧縮機９にて圧縮されたガス冷媒を凝縮させた後、膨張機構を経て該冷却装置１２に導き、該冷却装置１２にて蒸発させて、縦筒１の内部の縦通路２４に導入された濃縮液を冷却するようになっている。
【０００７】
７は濃縮液が収容される濃縮液タンクで、該タンク７の底部開口部には循環ポンプ８を備えた濃縮液管１４が接続されている。そして該濃縮液管１４の他端は前縦筒１の下部に開口された濃縮液入口１ａに接続されている。
【０００８】
１７は前記縦筒１の外周に設けられた濃縮液受けである。該濃縮液受け１７は前記冷却装置１２の下流側つまり上方部位に設けられ、その内部は前記縦筒１の周壁に穿孔された通路孔２３によって前記縦筒１内の縦通路２４と連通されている。
そして該濃縮液受け１７の下部に設けられた濃縮液出口１７ａは濃縮液戻り管１５を介して該濃縮液受け１７よりも下方に在る前記濃縮液タンク７に接続されている。２１は該濃縮液戻り管１５を開閉する開閉弁である。
【０００９】
１６は前記横筒２の端部の下部に開口された氷抽出口で、該氷抽出口１６の下方には生成したフレーク状の氷を受け入れる氷受けタンクが設けられている。
【００１０】
かかる凍結濃縮装置の稼動時において、
濃縮液タンク７内の濃縮液は循環ポンプ８によって、濃縮液管１４を通り前記縦筒１の濃縮液入口１ａから縦通路２４に導入される。
そして、該濃縮液は前記循環ポンプ８によって縦通路２４内を上方に押し上げられつつ冷却装置１２にて冷媒の蒸発によって奪熱され冷却される。かかる冷却により濃縮液中の水分が凍結されてフレーク状の氷となり、縦筒１の内壁面に付着する。
【００１１】
一方、前記縦通路２４内の前記冷却装置１２の内側部位に設けられた掻き取り機構３はモータ５によって回転せしめられており、かかる回転により螺旋羽根３ｂの外周面にて前記縦筒１の内壁面に付着下氷を掻き取る。
掻き取られたフレーク状の氷は縦通路２４内に充満されつつ上方に押し上げられて横通路２５に入る。
さらに該横通路２５内の氷はモータ６によって駆動される搬送機構４によって水平方向に搬送され、氷抽出口１６から氷受けタンク２２に送出される。
【００１２】
このようにして水分が凍結分離されて濃縮度が増した濃縮液は縦筒１の内壁面を流れ落ちて通路孔２３から濃縮液受け１７に貯められる。この濃縮液は濃縮液戻り管１５を通って濃縮液タンク７内へ戻される。
以上のサイクルを繰り返すことにより、濃縮液タンク７内の濃縮液は水分量が減じてその濃縮度が増大される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示されるような凍結濃縮装置にあっては、縦通路２４内に導入された濃縮液は該縦通路２４内を上方に搬送されながら冷却装置１２によって冷却されるが、かかる冷却過程を経て、横通路２５に搬送されるフレーク状の氷には、上方冷却過程において、その表層に濃縮液のエキス（果物の果汁等）が付着したものが多く含まれる傾向にある。
そして、かかる凍結濃縮装置にあっては、このような濃縮液エキスが付着した氷が氷抽出口１６から氷受けタンク２２に排出されることにより、濃縮液が失われてしまうという問題点の発生をみる。
【００１４】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、濃縮液の冷却・凍結過程において生成される濃縮液中の水分が凍結された氷に濃縮液のエキスが付着するのを回避し、濃縮液が氷とともに失われるのを防止して濃縮液の濃縮度を高め得る凍結濃縮装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、濃縮液タンク内に収容された濃縮液を中空の縦筒の下部から該縦筒内に注入し、該縦筒の外部から第１の熱交換器によって冷却して該濃縮液中の水分をフレーク状の氷とし、この氷を前記縦筒内に設けられた掻き取り機構で掻き取り搬送することによって濃縮液を分離し、前記濃縮液の濃縮度を上げるようにした凍結濃縮装置において、
前記縦筒の、前記第１の熱交換器の下流側に、該第１の熱交換器にて冷却後の濃縮液を所定温度に加熱する第２の熱交換器を設けるとともに、該第２の熱交換器を経た後の濃縮液を前記濃縮液タンクに戻す濃縮液戻りラインを設け、
更に、前記縦筒は、前記第２の熱交換器の下方部位の壁部に、該縦筒内を流下した濃縮液が通過可能な複数の小孔が穿孔されてなり、該小孔を通過した濃縮液を前記濃縮液戻りラインに導くように構成されてなることを特徴とする凍結濃縮装置を提供する。
【００１６】
かかる発明において、第２の熱交換器は、好ましくは、縦筒の外周に巻装したコイルと該コイルに加熱電力を付与するヒータとにより構成する。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１において、前記小孔の周囲に金網等の網体を巻装し、該網体の外側を囲んで、該網体を経た濃縮液を収容する濃縮液受けを設け、該濃縮液受けに前記濃縮液戻りラインの入口端を接続してなる。
【００１９】
かかる発明によれば、縦筒内に導入された濃縮液は、第１の熱交換器において冷媒の蒸発等によって冷却されてフレーク状の氷が生成される。この氷は掻き取り機構によって掻き取られ、搬送される。このフレーク状の氷には表層に濃縮液が付着したものが多数含まれており、この氷は上方に搬送されて第２の熱交換器に至り、該第２の熱交換器において、所定温度まで加熱、昇温される。
かかる加熱により、フレーク状の氷の表層に付着していた濃縮液が分離され、縦筒の内壁面に沿って降下し、縦筒の壁部に穿孔された小孔を通って濃縮液戻りラインに入り、濃縮液タンクに戻される。
【００２０】
従って、かかる発明によれば、第１の熱交換器において生成された濃縮液が付着したフレーク状の氷は第２の熱交換器を通る際に加熱されて、氷に付着していた濃縮液が分離され、該濃縮液は濃縮液戻りラインから濃縮液タンクに回収されるので、濃縮液が氷とともに失われることがなく、濃縮液の濃縮度を効率良く高めることができる。
【００２１】
尚、請求項２の発明のように、網体を設ければ、小孔から溢れ出た氷粒を網体によって捕獲でき、この氷が濃縮液戻りラインに浸入して濃縮液を希釈するのを防止できる。
【００２２】
さらに請求項３記載の発明は、請求項１〜２の何れかにおいて、前記第１の熱交換器の冷却度及び第２の熱交換器の加熱度を制御するコントローラを設ける。
【００２３】
この場合、コントローラは、前記縦筒内部の温度等の温度検出信号に基づき、第１の熱交換器における濃縮液の冷却度及び第２の熱交換器における加熱度を制御して、縦筒の第２の熱交換器の下流側の縦筒内温度を所定温度に温度制御するように構成するのがよい。
【００２４】
かかる発明によればコントローラによって第１の熱交換器の冷却度及び第２の熱交換器の加熱度を制御することにより、縦筒内部の温度を、該縦筒内を搬送される氷に付着した濃縮液が完全に分離される温度に制御することができ、濃縮効率が向上する。
【００２５】
また、前記第１の熱交換器を蒸発器、第２の熱交換器を凝縮器として機能させて冷媒回路で接続してヒートポンプサイクルを構成し、コントローラによって温度制御を行なって前記縦筒内を適正温度に制御することも可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２７】
図１は本発明の実施形態にかかる凍結濃縮装置の構成図である。
図１において、１は垂直に立設された中空の縦筒、２は該縦筒１の上端に連結され水平方向に延設された中空の横筒であり、該縦筒１の内部には濃縮液の縦通路２４が形成され、また該横筒２の内部には濃縮液から分離されたフレーク状の氷を搬送するための横通路２５が形成されている。
【００２８】
３は前記縦通路２４内に挿設された掻き取り機構で、中心軸３ａの外周に螺旋羽根３ｂを長手方向に沿って巻装してなる。また４は前記横通路２５内に挿設された搬送機構で、中心軸４ａの外周に螺旋羽根４ｂを巻装してなる。５は前記縦筒１内の掻き取り機構３の下端に連結されてこれを駆動するモータ、６は前記横筒２内の搬送機構４の端部に連結されてこれを駆動するモータである。
【００２９】
１２は前記縦筒１の下部外周に設けられた冷却装置である。該冷却装置１２は冷凍サイクルの蒸発器の機能を有しており、冷媒を圧縮する圧縮機９に冷媒管１３、１３を介して接続され、該圧縮機９にて圧縮されたガス冷媒を凝縮させた後、膨張機構を経て該冷却装置１２に導き、該冷却装置１２にて蒸発させて、縦筒１の内部の縦通路２４内に導入された濃縮液を冷却するようになっている。
【００３０】
７は濃縮液が収容される濃縮液タンクで、該タンク７の底部開口部には循環ポンプ８を備えた濃縮液管１４が接続されている。そして該濃縮液管１４の他端は前縦筒１の下部に開口された濃縮液入口１ａに接続されている。
【００３１】
１６は前記横筒２の端部の下部に開口された氷抽出口で、該氷抽出口１６の下方には生成したフレーク状の氷を受け入れる氷受けタンク２２が設けられている。
【００３２】
以上の構成は図３に示す従来技術と同様である。
本発明においては、縦筒１に前記冷却装置１２を経た後の濃縮液を含むフレーク状氷を昇温させる加熱装置を設けて、縦通路２４内の温度制御を行うように構成している。
【００３３】
即ち、図１において、１１は前記縦筒１の外周に巻装された加熱コイル、１０は該加熱コイル１１に電熱を与えるヒータである。該加熱コイル１１は上記縦筒１の上部に設けられて、前記冷却装置１２にて冷却後の濃縮液及びフレーク状の氷を所定温度まで加熱するものである。
１７は前記縦筒１の外周に設けられた濃縮液受けであり、該濃縮液受け１７は前記冷却装置１２の下流つまり上方でかつ前記加熱コイル１１の下方に設けられている。
【００３４】
１７ａは前記濃縮液受け１７の下部に設けられた濃縮液出口で、濃縮液戻り管１５を介して濃縮液受け１７よりも下方に配置された前記濃縮液タンク７に接続されている。２１は該濃縮液戻り管１５を開閉する開閉弁である。
【００３５】
前記縦筒１の前記濃縮液受け１７内に臨む部位には多数の小孔１８が穿孔され、さらに濃縮液受け１７内には該小孔１８を囲んで金網１９が設けられている。
【００３６】
３０はコントローラ、３３は前記縦筒１の、ヒータ１０の下流側における内壁面の温度を検出する温度センサ、３４は該温度センサ３３からの温度検出信号を前記コントローラ３０に伝送する検出回線である。該コントローラ３０からの制御出力は、制御回線３２により前記圧縮機９に出力されるとともに、制御回線３１により前記ヒータ１０に出力され、かかる制御出力によって、圧縮機９の容量制御及びヒータ１０の加熱度の制御を行っている。
【００３７】
かかる構成からなる凍結濃縮装置の稼動時において、濃縮液タンク７内の濃縮液は循環ポンプ８によって濃縮液管１４を通り前記縦筒１の濃縮液入口１ａから縦通路２４に導入される。
【００３８】
そして、該濃縮液は前記循環ポンプ８によって縦通路２４内を上方に押し上げられつつ冷却装置１２にて冷媒の蒸発によって奪熱され冷却される。かかる冷却により濃縮液中の水分が凍結される。かかる冷却により濃縮液中の水分が凍結されてフレーク状の氷となり縦筒１の内壁面に付着する。
【００３９】
一方、前記縦通路２４内の前記冷却装置１２の内側部位に設けられた掻き取り機構３はモータ５によって回転せしめられており、かかる回転により螺旋羽根３ｂの外周面にて前記縦筒１の内壁面に付着した氷を掻き取る。
【００４０】
このようにして生成されたフレーク状の氷には前記のようにその表面に濃縮液が付着したものが多く含まれている。この氷は縦通路２４内に充満されつつ、循環ポンプ８による押込力等によって上方に押し上げられ、加熱コイル１１の内側に達すると、該加熱コイルの電熱によって、後述するコントローラ３０にて制御された所定温度まで加熱、昇温される。かかる加熱によって、フレーク状の氷の表層に付着している濃縮液（濃縮液のエキス）が分離される。
【００４１】
そしてこの分離された濃縮液は、縦筒１の内壁面に沿って流下し、多数の小孔１８を通って濃縮液受け１７内に流出し、さらに金網１９を通過することによって氷片当の固形分が捕捉され、濃縮液出口１７ａから濃縮液戻り管１５に流入し、該濃縮液戻り管１５を通って濃縮液タンク７に戻される。
【００４２】
ここで前記コントローラ３０においては、温度センサ３３にて検出された縦通路２４内の加熱コイル１１下流側における濃縮液の温度（縦筒１の内壁温度でも可）の検出信号、圧縮機の吐出圧力の検出信号、ヒータ１０の電力の検出信号等の検出信号が入力されている。そして該コントローラ３０においてはこれらの信号に基づき、圧縮機９の容量およびヒータ１０の加熱電力を制御することにより、縦通路２４壁面の温度を適正温度に制御する。
【００４３】
また前記冷却装置１２を蒸発器、加熱コイル１１を凝縮器として機能させ、双方を冷媒回路で接続してヒートポンプサイクルを形成し、該ヒートポンプサイクルの温度制御を前記コントローラ３０によって行い、縦筒１内の温度を適正温度に制御することもできる。
【００４４】
一方、前記加熱コイル１１によって加熱されて濃縮液が分離された氷、つまり濃縮液の付着のないフレーク状の氷は、縦通路２４内を上方に搬送されて横筒２内の横通路２５に入る。
さらに該横通路２４内の氷はモータ６によって駆動される搬送機構４によって水平方向に搬送され、氷抽出口１６から氷受けタンク２２に送出される。
以上のサイクルを繰り返すことにより、濃縮液タンク７内の濃縮液は水分量が減じてその濃縮度が増大される。
【００４５】
(実験例)
図２は、本発明にかかる凍結濃縮装置における運転時間毎の濃縮液及び氷の状態の変化状況の実験結果を示し、同図（Ａ）は図３に示される比較技術の場合、同図（Ｂ）は図１に示される実施形態の場合を示す。
【００４６】
図２に明らかなように、氷相濃度、つまり氷抽出口１６から抽出される氷に濃縮液が含まれている程度は、比較技術（図２（Ａ））では運転時間１５０分で６．９％であったのに対し、本発明の実施形態では運転時間１４０分で０．５４％と、従来技術の従来技術の１／１２程度に減少している。
即ち、図１に示す本発明の実施形態の装置にあっては、凍結濃縮工程後に抽出される氷中に含まれる濃縮液の量つまり、水とともに失われる濃縮液の量は従来技術の１／１２程度に減少している。
【００４７】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、第１の熱交換器において生成された、濃縮液が付着したフレーク状の氷は第２の熱交換器にて加熱することにより、該氷の表層に付着している濃縮液を確実に分離させて濃縮液タンクに回収することができ、濃縮液が氷とともに失われるのを防止することができる。これにより濃縮液の濃縮度を効率よく高めることができる。
【００４８】
特に請求項４のように構成すれば、コントローラによって第１の熱交換器の冷却度及び第２の熱交換器の加熱度を制御することにより、縦筒内部の温度を氷から濃縮液を分離させる適正温度に制御することができ、濃縮効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる凍結濃縮装置の全体構成図である。
【図２】上記実施形態の装置と従来技術との凍結性能の比較表である。
【図３】本発明との比較技術を示す図１対応図である。
【符号の説明】
１ 縦筒
２ 横筒
３ 掻き取り機構
４ 搬送機構
５、６ モータ
７ 濃縮液タンク
８ 循環ポンプ
９ 圧縮機
１０ ヒータ
１１ 加熱コイル
１２ 冷却装置
１３ 冷媒管
１４ 濃縮液管
１５ 濃縮液戻り管
１６ 氷抽出口
１７ 濃縮液受け
１８ 小孔
１９ 金網
２１ 開閉弁
２２ 氷受けタンク
２４ 縦通路
２５ 横通路
３０ コントローラ
３３ 温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、果物や野菜の濃縮ジュースその他の各種溶液を冷却・凍結して水分を除去し濃縮度を高めるようにした凍結濃縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、果物や野菜の濃縮ジュース等の濃縮液を生成するのに、栄養成分やフレーバ成分の保存性に優れている凍結濃縮法が用いられている。
この凍結濃縮法には、懸濁結晶濃縮法と界面前進凍結濃縮法とがある。
このうち、界面前進凍結濃縮法は、濃縮液内に１個の氷結晶を生成させて液相の濃縮を行なうもので、低濃度溶液の濃縮に好適であり、また製品コストの大幅な削減が可能である。
【０００３】
かかる界面前進凍結濃縮法においては、高濃度溶液の濃縮が課題となっているが、これを解決可能とした方法に、掻き取り式熱交換器を用いた掻き取り伝熱凍結濃縮法がある。
【０００４】
かかる掻き取り伝熱凍結濃縮法による凍結濃縮装置の１例を比較技術として図３に示す。
図３において、１は垂直に立設された中空の縦筒、２は該縦筒１の上端に連結され水平方向に連結された中空の横筒であり、該縦筒１の内部には濃縮液の縦通路２４が形成され、また該横筒２の内部には濃縮液から分離されたフレーク状の氷を搬送するための横通路２５が形成されている。
【０００５】
３は前記縦通路２４内に挿設された掻き取り機構で、中心軸３aの外周に螺旋羽根３ｂを長手方向に沿って巻装してなる。また４は前記横通路２５内に挿設された搬送機構で、中心軸４ａの外周に螺旋羽根４ｂを巻装してなる。５は前記縦筒１内の掻き取り機構３の下端に連結されてこれを駆動するモータ、６は前記横筒２内の搬送機構４の端部に連結されてこれを駆動するモータである。
【０００６】
１２は前記縦筒１の下部外周に設けられた冷却装置である。該冷却装置１２は冷凍サイクルの蒸発器の機能を有しており、冷媒を圧縮する圧縮機９に冷媒管１３，１３を介して接続され、該圧縮機９にて圧縮されたガス冷媒を凝縮させた後、膨張機構を経て該冷却装置１２に導き、該冷却装置１２にて蒸発させて、縦筒１の内部の縦通路２４に導入された濃縮液を冷却するようになっている。
【０００７】
７は濃縮液が収容される濃縮液タンクで、該タンク７の底部開口部には循環ポンプ８を備えた濃縮液管１４が接続されている。そして該濃縮液管１４の他端は前縦筒１の下部に開口された濃縮液入口１ａに接続されている。
【０００８】
１７は前記縦筒１の外周に設けられた濃縮液受けである。該濃縮液受け１７は前記冷却装置１２の下流側つまり上方部位に設けられ、その内部は前記縦筒１の周壁に穿孔された通路孔２３によって前記縦筒１内の縦通路２４と連通されている。
そして該濃縮液受け１７の下部に設けられた濃縮液出口１７ａは濃縮液戻り管１５を介して該濃縮液受け１７よりも下方に在る前記濃縮液タンク７に接続されている。２１は該濃縮液戻り管１５を開閉する開閉弁である。
【０００９】
１６は前記横筒２の端部の下部に開口された氷抽出口で、該氷抽出口１６の下方には生成したフレーク状の氷を受け入れる氷受けタンクが設けられている。
【００１０】
かかる凍結濃縮装置の稼動時において、
濃縮液タンク７内の濃縮液は循環ポンプ８によって、濃縮液管１４を通り前記縦筒１の濃縮液入口１ａから縦通路２４に導入される。
そして、該濃縮液は前記循環ポンプ８によって縦通路２４内を上方に押し上げられつつ冷却装置１２にて冷媒の蒸発によって奪熱され冷却される。かかる冷却により濃縮液中の水分が凍結されてフレーク状の氷となり、縦筒１の内壁面に付着する。
【００１１】
一方、前記縦通路２４内の前記冷却装置１２の内側部位に設けられた掻き取り機構３はモータ５によって回転せしめられており、かかる回転により螺旋羽根３ｂの外周面にて前記縦筒１の内壁面に付着下氷を掻き取る。
掻き取られたフレーク状の氷は縦通路２４内に充満されつつ上方に押し上げられて横通路２５に入る。
さらに該横通路２５内の氷はモータ６によって駆動される搬送機構４によって水平方向に搬送され、氷抽出口１６から氷受けタンク２２に送出される。
【００１２】
このようにして水分が凍結分離されて濃縮度が増した濃縮液は縦筒１の内壁面を流れ落ちて通路孔２３から濃縮液受け１７に貯められる。この濃縮液は濃縮液戻り管１５を通って濃縮液タンク７内へ戻される。
以上のサイクルを繰り返すことにより、濃縮液タンク７内の濃縮液は水分量が減じてその濃縮度が増大される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示されるような凍結濃縮装置にあっては、縦通路２４内に導入された濃縮液は該縦通路２４内を上方に搬送されながら冷却装置１２によって冷却されるが、かかる冷却過程を経て、横通路２５に搬送されるフレーク状の氷には、上方冷却過程において、その表層に濃縮液のエキス（果物の果汁等）が付着したものが多く含まれる傾向にある。
そして、かかる凍結濃縮装置にあっては、このような濃縮液エキスが付着した氷が氷抽出口１６から氷受けタンク２２に排出されることにより、濃縮液が失われてしまうという問題点の発生をみる。
【００１４】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、濃縮液の冷却・凍結過程において生成される濃縮液中の水分が凍結された氷に濃縮液のエキスが付着するのを回避し、濃縮液が氷とともに失われるのを防止して濃縮液の濃縮度を高め得る凍結濃縮装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、濃縮液タンク内に収容された濃縮液を中空の縦筒の下部から該縦筒内に注入し、該縦筒の外部から第１の熱交換器によって冷却して該濃縮液中の水分をフレーク状の氷とし、この氷を前記縦筒内に設けられた掻き取り機構で掻き取り搬送することによって濃縮液を分離し、前記濃縮液の濃縮度を上げるようにした凍結濃縮装置において、
前記縦筒の、前記第１の熱交換器の下流側に、該第１の熱交換器にて冷却後の濃縮液を所定温度に加熱する第２の熱交換器を設けるとともに、該第２の熱交換器を経た後の濃縮液を前記濃縮液タンクに戻す濃縮液戻りラインを設け、
更に、前記縦筒は、前記第２の熱交換器の下方部位の壁部に、該縦筒内を流下した濃縮液が通過可能な複数の小孔が穿孔されてなり、該小孔を通過した濃縮液を前記濃縮液戻りラインに導くように構成されてなることを特徴とする凍結濃縮装置を提供する。
【００１６】
かかる発明において、第２の熱交換器は、好ましくは、縦筒の外周に巻装したコイルと該コイルに加熱電力を付与するヒータとにより構成する。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１において、前記小孔の周囲に金網等の網体を巻装し、該網体の外側を囲んで、該網体を経た濃縮液を収容する濃縮液受けを設け、該濃縮液受けに前記濃縮液戻りラインの入口端を接続してなる。
【００１９】
かかる発明によれば、縦筒内に導入された濃縮液は、第１の熱交換器において冷媒の蒸発等によって冷却されてフレーク状の氷が生成される。この氷は掻き取り機構によって掻き取られ、搬送される。このフレーク状の氷には表層に濃縮液が付着したものが多数含まれており、この氷は上方に搬送されて第２の熱交換器に至り、該第２の熱交換器において、所定温度まで加熱、昇温される。
かかる加熱により、フレーク状の氷の表層に付着していた濃縮液が分離され、縦筒の内壁面に沿って降下し、縦筒の壁部に穿孔された小孔を通って濃縮液戻りラインに入り、濃縮液タンクに戻される。
【００２０】
従って、かかる発明によれば、第１の熱交換器において生成された濃縮液が付着したフレーク状の氷は第２の熱交換器を通る際に加熱されて、氷に付着していた濃縮液が分離され、該濃縮液は濃縮液戻りラインから濃縮液タンクに回収されるので、濃縮液が氷とともに失われることがなく、濃縮液の濃縮度を効率良く高めることができる。
【００２１】
尚、請求項２の発明のように、網体を設ければ、小孔から溢れ出た氷粒を網体によって捕獲でき、この氷が濃縮液戻りラインに浸入して濃縮液を希釈するのを防止できる。
【００２２】
さらに請求項３記載の発明は、請求項１〜２の何れかにおいて、前記第１の熱交換器の冷却度及び第２の熱交換器の加熱度を制御するコントローラを設ける。
【００２３】
この場合、コントローラは、前記縦筒内部の温度等の温度検出信号に基づき、第１の熱交換器における濃縮液の冷却度及び第２の熱交換器における加熱度を制御して、縦筒の第２の熱交換器の下流側の縦筒内温度を所定温度に温度制御するように構成するのがよい。
【００２４】
かかる発明によればコントローラによって第１の熱交換器の冷却度及び第２の熱交換器の加熱度を制御することにより、縦筒内部の温度を、該縦筒内を搬送される氷に付着した濃縮液が完全に分離される温度に制御することができ、濃縮効率が向上する。
【００２５】
また、前記第１の熱交換器を蒸発器、第２の熱交換器を凝縮器として機能させて冷媒回路で接続してヒートポンプサイクルを構成し、コントローラによって温度制御を行なって前記縦筒内を適正温度に制御することも可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２７】
図１は本発明の実施形態にかかる凍結濃縮装置の構成図である。
図１において、１は垂直に立設された中空の縦筒、２は該縦筒１の上端に連結され水平方向に延設された中空の横筒であり、該縦筒１の内部には濃縮液の縦通路２４が形成され、また該横筒２の内部には濃縮液から分離されたフレーク状の氷を搬送するための横通路２５が形成されている。
【００２８】
３は前記縦通路２４内に挿設された掻き取り機構で、中心軸３ａの外周に螺旋羽根３ｂを長手方向に沿って巻装してなる。また４は前記横通路２５内に挿設された搬送機構で、中心軸４ａの外周に螺旋羽根４ｂを巻装してなる。５は前記縦筒１内の掻き取り機構３の下端に連結されてこれを駆動するモータ、６は前記横筒２内の搬送機構４の端部に連結されてこれを駆動するモータである。
【００２９】
１２は前記縦筒１の下部外周に設けられた冷却装置である。該冷却装置１２は冷凍サイクルの蒸発器の機能を有しており、冷媒を圧縮する圧縮機９に冷媒管１３、１３を介して接続され、該圧縮機９にて圧縮されたガス冷媒を凝縮させた後、膨張機構を経て該冷却装置１２に導き、該冷却装置１２にて蒸発させて、縦筒１の内部の縦通路２４内に導入された濃縮液を冷却するようになっている。
【００３０】
７は濃縮液が収容される濃縮液タンクで、該タンク７の底部開口部には循環ポンプ８を備えた濃縮液管１４が接続されている。そして該濃縮液管１４の他端は前縦筒１の下部に開口された濃縮液入口１ａに接続されている。
【００３１】
１６は前記横筒２の端部の下部に開口された氷抽出口で、該氷抽出口１６の下方には生成したフレーク状の氷を受け入れる氷受けタンク２２が設けられている。
【００３２】
以上の構成は図３に示す従来技術と同様である。
本発明においては、縦筒１に前記冷却装置１２を経た後の濃縮液を含むフレーク状氷を昇温させる加熱装置を設けて、縦通路２４内の温度制御を行うように構成している。
【００３３】
即ち、図１において、１１は前記縦筒１の外周に巻装された加熱コイル、１０は該加熱コイル１１に電熱を与えるヒータである。該加熱コイル１１は上記縦筒１の上部に設けられて、前記冷却装置１２にて冷却後の濃縮液及びフレーク状の氷を所定温度まで加熱するものである。
１７は前記縦筒１の外周に設けられた濃縮液受けであり、該濃縮液受け１７は前記冷却装置１２の下流つまり上方でかつ前記加熱コイル１１の下方に設けられている。
【００３４】
１７ａは前記濃縮液受け１７の下部に設けられた濃縮液出口で、濃縮液戻り管１５を介して濃縮液受け１７よりも下方に配置された前記濃縮液タンク７に接続されている。２１は該濃縮液戻り管１５を開閉する開閉弁である。
【００３５】
前記縦筒１の前記濃縮液受け１７内に臨む部位には多数の小孔１８が穿孔され、さらに濃縮液受け１７内には該小孔１８を囲んで金網１９が設けられている。
【００３６】
３０はコントローラ、３３は前記縦筒１の、ヒータ１０の下流側における内壁面の温度を検出する温度センサ、３４は該温度センサ３３からの温度検出信号を前記コントローラ３０に伝送する検出回線である。該コントローラ３０からの制御出力は、制御回線３２により前記圧縮機９に出力されるとともに、制御回線３１により前記ヒータ１０に出力され、かかる制御出力によって、圧縮機９の容量制御及びヒータ１０の加熱度の制御を行っている。
【００３７】
かかる構成からなる凍結濃縮装置の稼動時において、濃縮液タンク７内の濃縮液は循環ポンプ８によって濃縮液管１４を通り前記縦筒１の濃縮液入口１ａから縦通路２４に導入される。
【００３８】
そして、該濃縮液は前記循環ポンプ８によって縦通路２４内を上方に押し上げられつつ冷却装置１２にて冷媒の蒸発によって奪熱され冷却される。かかる冷却により濃縮液中の水分が凍結される。かかる冷却により濃縮液中の水分が凍結されてフレーク状の氷となり縦筒１の内壁面に付着する。
【００３９】
一方、前記縦通路２４内の前記冷却装置１２の内側部位に設けられた掻き取り機構３はモータ５によって回転せしめられており、かかる回転により螺旋羽根３ｂの外周面にて前記縦筒１の内壁面に付着した氷を掻き取る。
【００４０】
このようにして生成されたフレーク状の氷には前記のようにその表面に濃縮液が付着したものが多く含まれている。この氷は縦通路２４内に充満されつつ、循環ポンプ８による押込力等によって上方に押し上げられ、加熱コイル１１の内側に達すると、該加熱コイルの電熱によって、後述するコントローラ３０にて制御された所定温度まで加熱、昇温される。かかる加熱によって、フレーク状の氷の表層に付着している濃縮液（濃縮液のエキス）が分離される。
【００４１】
そしてこの分離された濃縮液は、縦筒１の内壁面に沿って流下し、多数の小孔１８を通って濃縮液受け１７内に流出し、さらに金網１９を通過することによって氷片当の固形分が捕捉され、濃縮液出口１７ａから濃縮液戻り管１５に流入し、該濃縮液戻り管１５を通って濃縮液タンク７に戻される。
【００４２】
ここで前記コントローラ３０においては、温度センサ３３にて検出された縦通路２４内の加熱コイル１１下流側における濃縮液の温度（縦筒１の内壁温度でも可）の検出信号、圧縮機の吐出圧力の検出信号、ヒータ１０の電力の検出信号等の検出信号が入力されている。そして該コントローラ３０においてはこれらの信号に基づき、圧縮機９の容量およびヒータ１０の加熱電力を制御することにより、縦通路２４壁面の温度を適正温度に制御する。
【００４３】
また前記冷却装置１２を蒸発器、加熱コイル１１を凝縮器として機能させ、双方を冷媒回路で接続してヒートポンプサイクルを形成し、該ヒートポンプサイクルの温度制御を前記コントローラ３０によって行い、縦筒１内の温度を適正温度に制御することもできる。
【００４４】
一方、前記加熱コイル１１によって加熱されて濃縮液が分離された氷、つまり濃縮液の付着のないフレーク状の氷は、縦通路２４内を上方に搬送されて横筒２内の横通路２５に入る。
さらに該横通路２４内の氷はモータ６によって駆動される搬送機構４によって水平方向に搬送され、氷抽出口１６から氷受けタンク２２に送出される。
以上のサイクルを繰り返すことにより、濃縮液タンク７内の濃縮液は水分量が減じてその濃縮度が増大される。
【００４５】
(実験例)
図２は、本発明にかかる凍結濃縮装置における運転時間毎の濃縮液及び氷の状態の変化状況の実験結果を示し、同図（Ａ）は図３に示される比較技術の場合、同図（Ｂ）は図１に示される実施形態の場合を示す。
【００４６】
図２に明らかなように、氷相濃度、つまり氷抽出口１６から抽出される氷に濃縮液が含まれている程度は、比較技術（図２（Ａ））では運転時間１５０分で６．９％であったのに対し、本発明の実施形態では運転時間１４０分で０．５４％と、従来技術の従来技術の１／１２程度に減少している。
即ち、図１に示す本発明の実施形態の装置にあっては、凍結濃縮工程後に抽出される氷中に含まれる濃縮液の量つまり、水とともに失われる濃縮液の量は従来技術の１／１２程度に減少している。
【００４７】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、第１の熱交換器において生成された、濃縮液が付着したフレーク状の氷は第２の熱交換器にて加熱することにより、該氷の表層に付着している濃縮液を確実に分離させて濃縮液タンクに回収することができ、濃縮液が氷とともに失われるのを防止することができる。これにより濃縮液の濃縮度を効率よく高めることができる。
【００４８】
特に請求項４のように構成すれば、コントローラによって第１の熱交換器の冷却度及び第２の熱交換器の加熱度を制御することにより、縦筒内部の温度を氷から濃縮液を分離させる適正温度に制御することができ、濃縮効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる凍結濃縮装置の全体構成図である。
【図２】上記実施形態の装置と従来技術との凍結性能の比較表である。
【図３】本発明との比較技術を示す図１対応図である。
【符号の説明】
１ 縦筒
２ 横筒
３ 掻き取り機構
４ 搬送機構
５、６ モータ
７ 濃縮液タンク
８ 循環ポンプ
９ 圧縮機
１０ ヒータ
１１ 加熱コイル
１２ 冷却装置
１３ 冷媒管
１４ 濃縮液管
１５ 濃縮液戻り管
１６ 氷抽出口
１７ 濃縮液受け
１８ 小孔
１９ 金網
２１ 開閉弁
２２ 氷受けタンク
２４ 縦通路
２５ 横通路
３０ コントローラ
３３ 温度センサ
Claims (3)
- 濃縮液タンク内に収容された濃縮液を中空の縦筒の下部から該縦筒内に注入し、該縦筒の外部から第１の熱交換器によって冷却して該濃縮液中の水分をフレーク状の氷とし、この氷を前記縦筒内に設けられた掻き取り機構で掻き取り搬送することによって濃縮液を分離し、前記濃縮液の濃縮度を上げるようにした凍結濃縮装置において、
前記縦筒の、前記第１の熱交換器の下流側に、該第１の熱交換器にて冷却後の濃縮液を所定温度に加熱する第２の熱交換器を設けるとともに、該第２の熱交換器を経た後の濃縮液を前記濃縮液タンクに戻す濃縮液戻りラインを設け、
更に、前記縦筒は、前記第２の熱交換器の下方部位の壁部に、該縦筒内を流下した濃縮液が通過可能な複数の小孔が穿孔されてなり、該小孔を通過した濃縮液を前記濃縮液戻りラインに導くように構成されてなることを特徴とする凍結濃縮装置。 - 前記小孔の周囲に金網等の網体を巻装し、該網体の外側を囲んで、該網体を経た濃縮液を収容する濃縮液受けを設け、該濃縮液受けに前記濃縮液戻りラインの入口端を接続してなる請求項１記載の凍結濃縮装置。
- 前記第１の熱交換器の冷却及び第２の熱交換器の加熱度を制御するコントローラを備えてなる請求項１記載ないし２の何れか１つに記載の凍結濃縮装置。
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