JP4760743B2 - 殺菌装置 - Google Patents

Description

本発明は、殺菌装置に係わり、より詳細には、牛乳や酒などの被加熱流体を加熱し殺菌を行うための装置に関する。

従来の図３に示すような殺菌装置２１’において、２２’はヒートポンプであり、当該ヒートポンプ２２’には、圧縮機１１’として密閉容器内に図示しない電動要素と、第一および第二の回転圧縮要素２４’、２６’を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサが用いられている。そして、このヒートポンプ２２’は、圧縮機１１’の第二の回転圧縮要素２６’と、放熱部１２’と、電動膨張弁１３’と、吸熱部１４’とが順次接続されることにより、環状の冷凍サイクルを構成している。ここで、放熱部１２’は、牛乳や酒などの流体や水耕栽培等に用いられる養液が循環する加熱部５’と交熱的に設けられるとともに、吸熱部１４’は、同じく流体や養液が循環する冷却部９’と交熱的に設けられている。なお、前記ヒートポンプ２２’内には、冷媒として地球環境にやさしく、可燃性および毒性等の低い自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）が充填されている。また、中間熱交換器２５’には通風用の送風機２９’が設けられている。

図３において、２７’は加熱部５’から流出した流体や養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ２７’の出力に基づき、圧縮機１１’の運転制御が行なわれる。２８’は圧縮機１１’の第二の回転圧縮要素２６’から吐出された冷媒の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ２８’の出力に基づき、送風機２９’の運転制御が行なわれる。１７’は冷却部９’から流出した流体や養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１７’の出力に基づき、電動膨張弁１３’の弁開度の制御が行なわれる。

以上の構成により、冷媒の圧縮過程について説明する。圧縮機１１’に流入した冷媒は第一の回転圧縮要素２４’で圧縮され、中間熱交換器２５’で一旦冷却され、第二の回転圧縮要素２６’で圧縮されて圧縮機１１’から流出するようになっている。

圧縮機１１’から流出した冷媒は、放熱部１２’で殺菌対象流体（被加熱流体）を加熱することで冷却され、電動膨張弁１３’による膨張過程を経たのち、吸熱部１４’で殺菌対象流体（養液）を冷却することで冷媒が再度加熱されて第一の回転圧縮要素２４’に流入する。

ここで、第一の回転圧縮要素２４’の過程は図４のｐ−ｈ線図におけるｂ’−ｃ’過程、中間熱交換器２５’の過程はｃ’−ｄ’過程、第二の回転圧縮要素２６’の過程はｄ’−ｅ’過程で示すことができる。また、放熱部１２’の過程は図４のｐ−ｈ線図におけるｅ’−ｆ’過程、膨張弁１３’の過程はｆ’−ａ’過程となる。また、吸熱部１４’の過程はａ’−ｂ’過程となる。

次に、殺菌対象流体（養液）の流れについて説明する。殺菌対象流体（養液）は養液槽２’からポンプ３’によって流路４’に流出し、加熱部５’で加熱され殺菌されたのち、貯留部７’に一旦貯留され、冷却部９’に送られ冷却されて養液槽２’に流入する。

ここで、第一の回転圧縮要素２４’から吐出される冷媒は、中間熱交換器２５’により放熱させるため、圧縮機１１’での第一の回転圧縮要素２４’と第二の回転圧縮要素２６’との熱量バランスを取ることができるようになる。また、中間熱交換器２５’で第一の回転圧縮要素２４’から吐出される冷媒を放熱させ冷媒温度を低下させることにより、第二の回転圧縮要素２６’に吸い込まれる冷媒密度を高くすることができて、圧縮効率の改善をはかることができるようになる。

しかしながら、上記構成でなる殺菌装置においては、中間熱交換器２５’で第一の回転圧縮要素２４’の吐出される冷媒の放熱を行っているため（図４、ｃ’−ｄ’）、所要の殺菌処理温度（＋８６℃）を得るためにエンタルピの低い状態から再圧縮をする必要がある（図４、ｄ’−ｅ’）。そのため、放熱を行わなかった場合に比べて、必要な吐出温度（＋８６℃）を得るためには第二の回転圧縮要素２６’における吐出圧力を図４のｐ−ｈ線図におけるＰ２まで高める必要があった。

そのため、高めた吐出圧力に耐えることができるように、第二の回転圧縮要素２６’の機械的強度を増強したり、配管類を含む装置全体の耐圧強度を増強する必要が生じることになって、これらの質量が大きくなったりコスト高になってしまうという問題点を有していた。
特開２００４−２１６１０４号公報

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、第一および第二の圧縮機間で放熱を行なっても、圧縮機の吐出圧力を高くすることなく必要な殺菌処理温度を得ることができるようにした殺菌装置を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は以下に示す特徴を備えている。

冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、同ヒートポンプの放熱部に接続され、前記ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象流体を殺菌処理する殺菌処理手段を備えた殺菌装置において、
前記ヒートポンプは、低圧側となる第一圧縮機および高圧側となる第二圧縮機と、放熱部と、電動膨張弁と、吸熱部とを順次接続してなり、前記第一圧縮機と第二圧縮機の間に、前記放熱部に流入する前記殺菌対象流体を前記第一圧縮機から吐出される冷媒により加熱する予備加熱用の補助熱交換器と、膨張弁と、同膨張弁を経て前記第二圧縮機に流入する冷媒と前記第二圧縮機から吐出され放熱部を経た冷媒との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器とを接続してなることを特徴としている。

また、前記殺菌処理手段の下流側に配置されるとともに、前記ヒートポンプの吸熱部に接続され、同ヒートポンプの吸熱を利用して前記殺菌対象流体を冷却する冷却手段を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、第一および第二の圧縮機間で放熱を行なっても、同圧縮機の吐出圧力を高くすることなく必要な殺菌処理温度を得ることができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明を適用した一実施例の殺菌装置の概略構成図であり、図２は本発明を適用した一実施例の殺菌装置の圧力−比エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。

本実施例における殺菌装置１は、例えば牛乳や酒などの被加熱流体（殺菌対象流体）の殺菌を行なうプラントとして加熱殺菌処理を行なうものである。図１において、２は本実施例における殺菌対象としての被加熱流体を貯留した貯留槽であり、この貯留槽２には、ポンプ３が介設された流路４を介して補助熱交換器１６ａ、加熱部５、貯留部７（なお、これら加熱部５及び貯留部７により殺菌処理手段を構成するものとする。）および冷却部９（冷却手段）が順次接続され、被加熱流体が循環する構成になっている。

また、図１において、１０はヒートポンプであり、冷媒配管１５を介して第一の圧縮機１１ａおよび第二の圧縮機１１ｂと、これら両圧縮機１１ａおよび１１ｂの間に被加熱流体を加熱する予備加熱用の補助熱交換器１６ａおよび冷媒間熱交換器１６ｂを備え、これら補助熱交換器１６ａおよび冷媒間熱交換器１１ｂの間に備えた膨張弁１７からなる膨張手段と、放熱部１２と、電動膨張弁１３と、吸熱部１４とが順次接続されて環状の冷凍サイクルを構成し、前記膨張弁１７は制御装置２０に接続して制御されるようになっている。

ここで、前記放熱部１２を流れる冷媒は、被加熱流体が循環する加熱部５と対向流となるように設けられている。また、前記吸熱部１４は被加熱流体が循環する前記冷却部９と熱交換するように設けられている。なお、前記第一の圧縮機１１ａおよび前記第二の圧縮機１１ｂは、密閉容器内に電動要素とそれにより駆動される回転圧縮要素とを収納してなるロータリコンプレッサである。

また、本実施例では、前記ヒートポンプ１０内には冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）が充填されている。さらに、前記加熱部５から流出した被加熱流体の温度を検出する温度センサ６が設けられており、同温度センサ６の出力に基づいて、前記第一の圧縮機１１ａおよび前記第二の圧縮機１１ｂの運転制御が行なわれる。また、前記冷却部９から流出した被加熱流体の温度を検出する温度センサ８が設けられており、同温度センサ８の出力に基づいて前記電動膨張弁１３の弁開度の制御が行なわれる。

以上の構成により、図１および図２に基づいて、本実施例における殺菌装置の動作について説明する。冷媒は前記第一の圧縮機１１ａで圧縮され、前記補助熱交換器１６ａにおける冷媒放熱路１６ａ１を流通することで被加熱流体の吸熱路１６ａ２を流通する被加熱流体と熱交換することにより一旦放熱し、前記膨張弁１７を経たのち、前記冷媒間熱交換器１６ｂにおける冷媒吸熱路１６ｂ１を流通することで放熱路１６ｂ２を流通する冷媒と熱交換することにより吸熱（蒸発）したのち、前記第二の圧縮機１１ｂで圧縮されるようになっている。

次に、冷媒は前記放熱部１２で前記加熱部５の被加熱流体に熱を放熱することで冷却され、また、前記冷媒間熱交換器１６ｂにおける放熱路１６ｂ２を流通することでも前記冷媒吸熱路１６ｂ１を流通する被加熱流体と熱交換することにより熱を放熱し、その後、前記電動膨張弁１３による膨張過程を経たのち、前記吸熱部１４で前記冷却部９の被加熱流体から熱を吸熱して前記第一の圧縮機１１ａに流入する。

前記補助熱交換器１６ａにおける冷媒放熱路１６ａ１の出口には冷媒温度を検知する温度センサ１８が設けられ、前記冷媒間熱交換器１６ｂにおける冷媒吸熱路１６ｂ１の出口には冷媒温度を検知する温度センサ１９が設けられ、前記温度センサ１８および前記冷媒間熱交換器１６ｂの間には前記膨張弁１７が設けられるとともに、これらは前記制御部２０に接続された構成になっている。

ここで、前記第一の圧縮機１１ａの過程は図２のｐ−ｈ線図におけるｂ−ｃ過程、前記補助熱交換器１６ａの過程はｃ−ｄ過程、前記膨張弁１７の過程はｄ−ｅ過程、前記冷媒間熱交換器１６ｂにおける冷媒級熱路１６ｂ１の過程はｅ−ｆ過程、前記第二の圧縮機１１ｂの過程はｆ−ｇ過程、前記放熱部１２の過程はｇ−ｈ’過程、前記放熱部１２通過後の前記冷媒間熱交換器１６ｂにおける放熱路１６ｂ２の過程はｈ’−ｈ過程、前記電動膨張弁１３の過程はｈ−ａ過程となる。また、前記吸熱部１４の過程はａ−ｂ過程となる。

そして、図２のｐ−ｈ線図に示すｇ−ｈ過程における圧力Ｐ１は、図４のｐ−ｈ線図に示すｅ’−ｆ’過程における圧力Ｐ２よりも低い圧力であって、Ｐ１＜Ｐ２の関係を有する圧力差があることから、図２のｐ−ｈ線図に示すｆ−ｇ過程における前記第二の圧縮機１１ｂの吐出圧力Ｐ１を、図４のｐ−ｈ線図に示すｄ’−ｅ’過程における第二回転圧縮要素２６’の吐出圧力Ｐ２よりも低圧に抑えることができる。

これにより、前記補助熱交換器１６ａで冷媒の放熱をしても、あまり前記第二の圧縮機１１ｂの吐出圧力を上げずに済むようになり、同第二の圧縮機１１ｂの機械的強度や、前記放熱部１２に連なる配管類の耐圧強度の増強を抑えることが可能になって、これらの質量が大きくならないようにするとともに、コスト高になってしまわないようにした殺菌装置となる。

熱回収された冷媒が前記第二の圧縮機１１ｂに吸い込まれるように構成したことで、同第二の圧縮機１１ｂの圧縮性能を抑えて吐出圧力を抑えることが可能になり、上述した背景技術のように、第二の回転圧縮要素２６’の機械的強度を増強したり、放熱器１２’に連なる配管類の耐圧強度を増強する必要がなくなり、これらの質量が大きくなったりコスト高になってしまうという問題点を解決できる。

なお、前記膨張弁１７の開度は、前記補助熱交換器１６ａの冷媒放熱路１６ａ１出口および前記冷媒間熱交換器１６ｂの冷媒吸熱路１６ｂ１出口の冷媒温度に基づいて制御されているが、さらに、前記第一の圧縮機１１ａの入口圧力、同第一の圧縮機１１ａの入口温度および前記補助熱交換器１６ａの入口温度の計測結果を制御に用いることで、前記第一の圧縮機１１ａに吸入される冷媒の状態が変化しても、前記第二の圧縮機１１ｂに流入する冷媒のエントロピを前記第一の圧縮機１１ａにおける冷媒のエントロピと同程度にしやすくなる。

前記第二の圧縮機１１ｂから吐出された冷媒は前記放熱部１２に流入し、そこで同放熱部１２と熱交換するように配設された前記加熱部５を流通する被加熱流体と熱交換することにより放熱する。なお、ここで本発明における前記ヒートポンプ１０は、高圧側が超臨界圧力となる。

そして、前記放熱部１２にて放熱された高圧側の冷媒は、前記冷媒間熱交換器１６ｂに流入してさらに放熱されたのち前記電動膨張弁１３に至る。なお、前記電動膨張弁１３の入口では冷媒は未だ臨界状態であるが、同電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で前記吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、前記吸熱部１４と熱交換するように配設された前記冷却部９を流通する被加熱流体と熱交換することにより気体の状態となり、再び前記第一の圧縮機１１ａ内に吸い込まれることになる。

前記放熱部１２にて放熱された高圧側の冷媒は、前記冷媒間熱交換器１６ｂに流入してさらに放熱されることで、前記吸熱部１４と熱交換するように配設された前記冷却部９を流通する被加熱流体と熱交換する際、同冷却部９における被加熱流体をより効果的に冷却できるようになっている。なお、前記冷却部９に図１に破線で示す冷却用のファンＦを設けることで、更に効率よく冷却できるようになる。

次に、被加熱流体の流れについて説明する。被加熱流体は前記貯留槽２から前記ポンプ３によって前記流路４に流出し、前記補助熱交換器１６ａで一旦予備加熱され、前記加熱部５で加熱され殺菌されたのち、前記貯留部７に一旦貯留され、前記冷却部９に流入して前記吸熱部１４を流通する冷媒と熱交換することにより冷却されて利用側に供給されるようになっている。こうした被加熱流体の流れは、後述するステップＡ〜ステップＣを経ることで、殺菌処理され、貯留され、冷却されて利用側に供給されることになる。

より詳細には、前記貯留槽２内の被加熱流体は、例えば、２ｌ／ｍｉｎの割合で前記ポンプ３により前記流路４に流出し、前記補助熱交換器１６ａにおける吸熱路１６ａ２で冷媒放熱路１６ａ１を流通する冷媒と熱交換することにより予備加熱されたのち前記加熱部５に流入する。前記加熱部５では上述したとおり前記ヒートポンプ１０の放熱部１２を流通する冷媒と熱交換することにより、被加熱流体は所定の殺菌処理温度、例えば＋８６℃にまで昇温される（ステップＡ、殺菌処理）。このとき、前記放熱部１２における被加熱流体の加熱温度は、前記加熱部５から流出した被加熱流体の温度を検出する温度センサ６に基づき前記第一の圧縮機１１ａを運転制御することによってより精度よく制御される。

ここで、前記放熱部１２から前記加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、前記加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で被加熱流体を昇温させることができる。そのため、従来のように放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と被加熱流体との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。

そして、前記加熱部５にて加熱された被加熱流体は、その後、前記貯留部７に流入し、ここで例えば約１５分間貯留される（ステップＢ、貯留）。これにより、被加熱流体を本実施例では一定の温度、例えば約＋８６℃で１５分加熱処理することが可能となり、確実に殺菌時間を確保して加熱殺菌の効果を高めることができる。なお、この貯留部７は、例えば被加熱流体を３０ｌ貯留することが可能な容量を有するタンクである。

前記貯留部７から流出した被加熱流体（温度は＋８６℃程）は次に冷却部９内に流入し、上述したように、前記ヒートポンプ１０の吸熱部１４で蒸発する冷媒と熱交換することにより、被加熱流体からは熱が奪われ、その温度は所定の温度、例えば＋５℃にまで下げられる（ステップＣ、冷却）。このとき、前記冷却部９における吸熱部１４を流通する冷媒による被加熱流体の冷却作用は、同冷却部９から流出した被加熱流体の温度を検出する前記温度センサ８に基づき、前記電動膨張弁１３の弁開度を制御することで精度よく制御される。

また、上述したように、前記冷却部９に前記ファンＦを設けることで上記の被加熱流体を冷却する構成以外に、前記冷却部９内に流入した被加熱流体の冷却を補助する冷却補助手段として、図１に破線で示すチラー回路２１を用いるようにしてもよい。これにより、冷却専用としての前記チラー回路２１を備えたことで、高温の被加熱流体を充分に冷却できるようになる。

このようにして、所定温度（＋５℃）にまで冷却された状態で被加熱流体は利用側に供給される。これにより、被加熱流体は前記ヒートポンプ１０の放熱部１２から放熱される熱を利用して加熱殺菌され、また、加熱殺菌された後の被加熱流体は、前記ヒートポンプ１０の吸熱部１４の吸熱作用を利用して効率的に冷却される。これにより、省エネルギ型の殺菌装置１を提供できるようになる。また、前記ヒートポンプ１０は、被加熱流体を利用して前記放熱部１２における冷媒の冷却、および前記吸熱部１４における冷媒の蒸発を促進することができるため、被加熱流体の加熱殺菌による室内温度の上昇を抑制することができ、例えば夏季であっても格別な空調装置による冷房運転を回避することができるようになる。

また、本発明において用いられる前記ヒートポンプ１０には、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルにより構成されるとともに、冷媒には二酸化炭素が用いられているため、前記放熱部１２における冷媒温度を通常の冷凍サイクルよりも高く、例えば約＋８６℃とすることができ、より一層、被加熱流体の殺菌効果を向上させることができる。

また、本発明による殺菌装置であれば、例えば約＋８６℃前後で予備加熱を行なったのち、＋１２０℃〜＋１５０℃で被加熱流体の殺菌処理を行なうことも可能になって、これにより、超高温瞬間殺菌法に用いることもできるようになる。

また、二酸化炭素はオゾン破壊を生じない物質であるため、ノンフロン化を実現することができ、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下とすることができる。また、二酸化炭素は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。

更に、上述したように、前記ヒートポンプ１０の放熱部１２における急激な加熱と、前記吸熱部１４における急激な冷却により、被加熱流体中の菌などに急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、より一層高い殺菌効果を得ることができるようになる。

なお、被加熱流体が前記貯留槽２に返送されるように構成した場合には、前記ポンプ３により再び前記補助熱交換器１６ａから前記加熱部５、前記貯留部７および前記冷却部９へと繰り返し循環される。このような循環サイクルが構成されることにより、被加熱流体を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。これにより、被加熱流体の殺菌効率は一層向上することになる。

本発明を適用した一実施例の殺菌装置の概略構成図である。 本発明を適用した一実施例の殺菌装置の圧力−比エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。 従来例による殺菌装置の概略構成図である。 従来例による殺菌装置の圧力−比エンタルピ線図（ｐ−ｈ線図）である。

符号の説明

１ 殺菌装置
２ 貯留槽
３ ポンプ
４ 吸熱部
５ 加熱部
６ 温度センサ
７ 貯留部
８ 温度センサ
９ 冷却部
１０ ヒートポンプ
１１ａ 圧縮機
１１ｂ 圧縮機
１２ 放熱部
１３ 電動膨張弁
１４ 吸熱部
１５ 冷媒配管
１６ａ 補助熱交換器
１６ａ１ 冷媒放熱路
１６ａ２ 吸熱路
１６ｂ 冷媒間熱交換器
１６ｂ１ 冷媒吸熱路
１６ｂ２ 放熱路
１７ 膨張弁
１８ 温度センサ
１９ 温度センサ
２０ 制御装置
２１ チラー回路

Claims (2)

1. 冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、同ヒートポンプの放熱部に接続され、前記ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象流体を殺菌処理する殺菌処理手段を備えた殺菌装置において、
   前記ヒートポンプは、低圧側となる第一圧縮機および高圧側となる第二圧縮機と、放熱部と、電動膨張弁と、吸熱部とを順次接続してなり、前記第一圧縮機と第二圧縮機の間に、前記放熱部に流入する前記殺菌対象流体を前記第一圧縮機から吐出される冷媒により加熱する予備加熱用の補助熱交換器と、膨張弁と、同膨張弁を経て前記第二圧縮機に流入する冷媒と前記第二圧縮機から吐出され放熱部を経た冷媒との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器とを接続してなることを特徴とする殺菌装置。
2. 前記殺菌処理手段の下流側には、前記ヒートポンプの吸熱部に接続され、同ヒートポンプの吸熱を利用して前記殺菌対象流体を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の殺菌装置。
   

Images