JP4899072B2 - 牛乳の急速冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、搾りたての牛乳を４℃まで急速に冷却するシステムに関する。

搾りたての牛乳は、３６℃程度と暖かい。このまま放置すると風味が落ちると共に雑菌の繁殖が心配される。そこで、従来から、搾りたての暖かい牛乳を４℃まで急速に冷却することが行われてきた。（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−２７４９１０公報（図１）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図６は従来の技術の急速冷却システムを説明する図であり、搾乳装置１０１で得られた牛乳は、牛乳送り管１０２を通じて調量タンク１０３に送られる。この調量タンク１０３は、間欠的に供給される牛乳を貯留し、連続流れに変換する役割を果たす。牛乳は３６℃程度と暖かいので次に示す手順で急速に冷却する。
ポンプ１０４で調量タンク１０３から一定量の牛乳をプレートクーラー１０５へ送る。このプレートクーラー１０５へは、氷蓄熱槽１０６から２℃程度の冷水が供給される。この冷水で牛乳を４℃程度に冷却して、牛乳排出管１０７から送り出す。これで、暖かい牛乳を４℃まで急速に冷やすことができる。

ところで、調量タンク１０３やプレートクーラー１０５は、食品を扱っている関係から、定期的に洗浄することが義務づけられている。洗浄時には、ドレーンバルブ１１０を開いて残存牛乳を排出する。次に、調量タンク１０３に洗浄ホース１１１を繋ぎ、洗浄ホッパ１１２を連結する。この洗浄ホッパ１１２には、管１１３を用いて湯を供給し、管１１４を用いてすすぎ水を供給する。この結果、調量タンク１０３やプレートクーラー１０５は、湯で洗い、すすぎ水ですすぐことができる。

ところで、管１１３を用いて供給する湯は、牛乳の脂肪を溶かすことができるように８０℃にする必要がある。このような高温の湯は、水道水を電熱ヒータや石油焚きヒータで加熱して作湯する。水道水は、寒冷地においては１０℃以下になることが少なくなく、これを８０℃まで加熱するには、電気代又は石油代が嵩む。省エネルギーや地球温暖化防止の観点から、電気代又は石油代の節約が望まれる。

本発明は、搾乳装置に不可欠な洗浄用湯を、少ない電気又は石油で沸かすことができるシステムを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、搾りたての暖かい牛乳を４℃まで急速に冷却するとともに、このときに前記牛乳から回収した熱を利用して湯を沸かすようにした牛乳の急速冷却システムであり、
０℃前後の媒体を蓄える氷蓄タンクと、この氷蓄タンクに蓄えた媒体を吸熱側媒体とし前記暖かい牛乳を放熱側媒体として熱交換を行う熱交換器と、圧縮機と膨張弁を内蔵し、冷媒を循環させ、氷蓄タンクに挿入されている伝熱チューブを通じて氷蓄タンクから吸熱する不凍液を高温側媒体とし、水を低温側媒体とし、前記氷蓄タンクの熱を前記水に伝えて湯にするヒートポンプ装置と、前記不凍液を循環させるために前記伝熱チューブと前記ヒートポンプ装置を繋ぐ不凍液管と、前記ヒートポンプ装置で得られた湯を蓄え、所定の温度まで加熱するヒータを備えている貯湯タンクと、前記水を前記ヒートポンプ装置へ送り、この前記ヒートポンプ装置で暖められた前記湯を前記貯湯タンクへ送る送水管と、からなる牛乳の急速冷却システムにおいて、
前記不凍液管には、前記不凍液の流量を調節する不凍液流量調節弁及び前記不凍液の温度を測る不凍液温度計と、この不凍液温度計で測った温度に基づいて前記不凍液流量調節弁を開閉制御する不凍液温度調節器が設けられ、
前記送水管には、送水量を調節する送水流量調節弁及び送水の温度を測る送水温度計と、この送水温度計で測った温度が所定値になるように前記送水流量調節弁を開閉制御する送水温度調節器が設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、氷蓄タンクと熱交換器とヒートポンプ装置とを採用することで、搾りたての暖かい牛乳を４℃まで急速に冷却するとともに、このときに牛乳から回収した熱を利用して湯を沸かすようにした。回収熱で湯は６０℃程度まで温められるので、８０℃まで追い焚きするだけで済み、電気代又は石油代を大幅に節約することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１は本発明に係る牛乳の急速冷却システムの原理図であり、このシステムは、牛乳を急速に冷却する急速冷却部１０と、８０℃の湯を作る作湯部３０とからなる。
急速冷却部１０は、搾乳を一端溜めるレシーバージャー１１と、このレシーバージャー１１から牛乳を送り出す送乳管１２と、この送乳管１２に設けられた送乳ポンプ１３、熱交換器１４、送乳流量調節弁１５及び送乳温度計１６と、この送乳温度計１６で測った温度が４℃を超えているときは流量を絞り、温度が４℃を下回っているときには流量を増加させるように送乳流量調節弁１５を開閉制御する送乳温度調節器１７と、急速冷却された牛乳を蓄える貯乳タンク１８と、熱交換器１４のための吸熱側媒体１９を蓄える氷蓄タンク２０と、吸熱側媒体１９を熱交換器１４へ循環させる循環路２１と、この循環路２１に設けた循環ポンプ２２とからなる。

熱交換器１４は、プレート式熱交換器が好適であるが、多管式熱交換器であってもよく、構造は任意である。
貯乳タンク１８は、ステンレス鋼を二重構造にした、保温瓶構造のバルククーラーが好適である。
吸熱側媒体１９は、水と氷の混合物である。温度変化はあるが、平均温度は０℃と見なすことができる。

作湯部３０は、追焚き用のヒータ３１を備え、湯を貯える貯湯タンク３２と、水道水などの水を送る送水管３３と、この送水管３３に設けられた送水流量調節弁３４及び送水温度計３５と、この送水温度計３５で測った温度が例えば６０℃になるように送水流量調節弁３４を開閉制御する送水温度調節器３６と、氷蓄タンク２０に挿入した伝熱チューブ３７と、この伝熱チューブ３７に不凍液を循環させる不凍液管３８と、この不凍液管３８に設けた不凍液ポンプ３９、不凍液流量調節弁４１及び不凍液温度計４２と、この不凍液温度計４２で測った温度に基づいて不凍液流量調節弁４１を開閉制御する不凍液温度調節器４３と、不凍液を高温側媒体とし水を低温側媒体として熱交換を行わせるヒートポンプ装置５０（詳細後述）とからなる。

図２は本発明で採用したヒートポンプ装置の原理図であり、ヒートポンプ装置５０は、断熱構造のケース５１と、このケース５１に収納され冷媒が封入されている冷媒循環管５２と、この冷媒循環管５２に設けられている圧縮機５３、凝縮器５４、膨張弁５５及び蒸発器５６と、蒸発器５４に接して不凍液を流す高温側コア５７と、凝縮器５４に接して水を流す低温側コア５８とからなる。

ヒートポンプはエアコンに広く採用されており、その原理はよく知られているが、念のために作動を説明する。
蒸発器５６の中にある液状冷媒は、高温側コア５７から吸熱して、蒸発する。すなわち、液状冷媒は、蒸発に必要な大量の熱を高温側コア５７から奪って蒸発する。蒸発した冷媒は、圧縮機５３に吸い込まれ、加圧される。加圧されることで冷媒は高圧で高温の状態になる。この状態の冷媒は、凝縮器５４で隣接する低温側コア５８で冷やされて液体に変化する。気体から液体に変化するときに大量の熱を低温側コア５８へ与え、自身は低温（常温）で高圧の液状冷媒になる。この液状冷媒は高圧であるため、膨張弁５５で断熱膨張させて低圧にする。常温で低圧の液状冷媒は、次に蒸発器５６で簡単に気化される。

高温側コア５７には不凍液が流れているため、不凍液は低温になる。また、低温側コア５８には水が流れているため、水は湯になる。

以上の構成からなる牛乳の急速冷却システムの作用を説明する。なお、理解を促すために温度を図面に矩形枠で囲って記入したが、これらの温度は厳密な値ではなく単なる参考値である。
図３は本発明に係る急速冷却部の作用説明図であり、熱交換器１４に、氷蓄タンク２０から０℃の吸熱側媒体１９を送る。流量は循環路ポンプ２２の能力で決めることができる。

一方、熱交換器１４に、レシーバージャー１１から放熱側媒体として３６℃の牛乳を送る。流量は送乳ポンプ１３の能力で決めることができる。熱交換器１４では、吸熱側媒体１９で牛乳が冷やされる。送乳温度計１６で測定した温度が４℃になるように送乳温度調節器１７で送乳流量調節弁１５を制御する。

具体的には、送乳温度計１６で測定した温度が４℃を超えていれば、送乳流量調節弁１５を絞る。すると、牛乳の温度が下がり４℃に達する。また、送乳温度計１６で測定した温度が４℃未満であれば、送乳流量調節弁１５を開く。すると、牛乳の温度が上がり４℃に達する。

熱交換器１４では、Ｑ１１で示す熱量が移動し、吸熱側媒体１９は吸熱により６℃まで温度上昇して氷蓄タンク２０に戻る。氷蓄タンク２０には水と氷の混合物が蓄えられており、図３の作用を進めると、氷が徐々に少なくなり、水の量が増加する。当分の間は熱交換器１４へ０℃の吸熱側媒体１９を供給することができるが、水を氷に変換する手当は必要となる。

図４は本発明に係る作湯部の作用説明図であり、ヒートポンプ装置５０には、低温側媒体として５〜２０℃の水が供給される。ヒートポンプ装置５０でＱ１２の熱移動が発生し、この熱量Ｑ１２で水が６０℃まで加熱される。送水温度計３５で測った温度が６０℃未満であれば送水流量調節弁３４を絞る。すると、温度が上昇して６０℃に達する。

貯湯タンク３２では、貯湯温度計６１で測った温度が８０℃になるように、ヒータ３１で追い焚きする。なお、ヒータ３１の出力は貯湯温度調節器６２で調整する。

ヒートポンプ装置５０によりＱ１２の熱移動が発生しているため、高温側媒体である不凍液は、冷却される。具体的には、−２℃の不凍液が−１０℃まで冷却される。不凍液温度計４２で測った温度が−１０℃を超えている（０℃に寄っている）ときには、不凍液流量調節弁４１を絞る。すると、不凍液の温度が下がって−１０℃に達する。

氷蓄タンク２０では、吸熱側媒体１９が、伝熱コイル３７を介して−１０℃の不凍液で冷却される。吸熱側媒体１９は水と氷との混合物であり、不凍液で冷却されることで、水が徐々に氷に変化し、氷の割合が増加する。

図３から明らかなように牛乳が３６℃から４℃に下がる過程で放出した熱量Ｑ１１は、熱交換器１４を介して氷蓄タンク２０へ移動する。次に、図４において、氷蓄タンク２０の放出熱量Ｑ１２は、ヒートポンプ装置５０を介して水に移動する。熱量Ｑ１１と熱量１２とは、熱損失や効率を無視すると同一になる。この結果、３６℃の牛乳は４℃に下がり、５〜２０℃の水は６０℃の湯になる。すなわち、牛乳の保有熱を熱源として水を加熱したことになる。

本発明によれば、ヒータ３１は６０℃の湯を８０℃まで追い焚きする。このときに加える熱エネルギーは、水量×比熱×（８０−６０）＝水量×比熱×２０となる。
これに対して、本発明を用いないで１０℃の水道水を８０℃まで加熱するときは、水量×比熱×（８０−１０）＝水量×比熱×７０の熱エネルギーが必要となる。水量と比熱は同一であるから、（本発明で必要な熱エネルギー）／（従来必要な熱エネルギー）＝２０／７０＝１／３．５となり、本発明によれば、従来の１／３以下のエネルギーで８０℃の湯を得ることができる。

次に、夜間電力の利用の形態を検討する。寒冷地においては、電力供給者が、給湯ヒータ用・暖房循環ヒータ用にとして、格安の夜間電力を供給することがある。
図５は搾乳のタイムスケジュールを示す図であり、搾乳は１日２回、５時〜７時と１７時〜１９時に実施する。これを受けて、急速冷却部は５時〜８時と１７時〜２０時に作動させる。氷蓄タンクの準備はその前に済ませておく必要があるので、作湯部は例えば、２時〜５時と１４時〜１７時に作動させる。

電気区分は、０時〜８時が夜間電気で、残りが昼間電気である。夜間電気は、昼間電気の約５分の１の料金に規定されている例がある。
早朝に行われる急速冷却部の作動及び作湯部の作動は夜間電気で賄うことができる。したがって、湯を作るコストは更に下げることができる。

急速冷却部と作湯部とは、同時に運転する必要がないため次のような利点がある。
図４に示す作湯部３０の機器に故障が発生して修理が必要になることがある。この場合であっても図３に示す急速冷却部１０は、氷蓄タンク２０内に氷が残存している限り、作動させることができる。その間に、作湯部３０を復旧すればよい。急速冷却部１０と作湯部３０とを独立して運転可能にしたため、牛乳の急速冷却システムは弾力的に運転が行える。

以上の説明したことから、本発明の牛乳の急速冷却システムは次のようにまとめることができる。
図１において、搾りたての暖かい牛乳を４℃まで急速に冷却するとともに、このときに前記牛乳から回収した熱を利用して湯を沸かすようにした牛乳の急速冷却システムは、
０℃前後の媒体を蓄える氷蓄タンク２０と、
この氷蓄タンク２０に蓄えた媒体を吸熱側媒体１９とし前記暖かい牛乳を放熱側媒体として熱交換を行う熱交換器１４と、
圧縮機と膨張弁を内蔵し、冷媒を循環させ、氷蓄タンク２０に挿入されている伝熱チューブ３７を通じて氷蓄タンク２０から吸熱する不凍液を高温側媒体とし、水を低温側媒体とし、前記氷蓄タンク２０の熱を前記水に伝えて湯にするヒートポンプ装置５０と、
このヒートポンプ装置５０で得られた湯を蓄え、所定の温度まで加熱するヒータ３１を備えている貯湯タンク３２とからなることを特徴とする。

尚、本発明の牛乳の急速冷却システムは、北海道などの寒冷地に好適であるが、本州、四国、九州に適用することは差し支えない。

本発明の牛乳の急速冷却システムは、北海道などの寒冷地に好適である。

本発明に係る牛乳の急速冷却システムの原理図である。 本発明で採用したヒートポンプ装置の原理図である。 本発明に係る急速冷却部の作用説明図である。 本発明に係る作湯部の作用説明図である。 搾乳のタイムスケジュールを示す図である。 従来の技術の急速冷却システムを説明する図である。

符号の説明

１０…急速冷却部、１４…熱交換器、１９…吸熱側媒体、２０…氷蓄タンク、３０…作湯部、３１…ヒータ、３２…貯湯タンク、３７…伝熱チューブ、３８…不凍液管、５０…ヒートポンプ装置、５３…圧縮機、５４…凝縮器、５５…膨張弁、５６…蒸発器。

Claims (1)

1. 搾りたての暖かい牛乳を４℃まで急速に冷却するとともに、このときに前記牛乳から回収した熱を利用して湯を沸かすようにした牛乳の急速冷却システムであり、
   ０℃前後の媒体を蓄える氷蓄タンク（２０）と、
   この氷蓄タンク（２０）に蓄えた媒体を吸熱側媒体とし前記暖かい牛乳を放熱側媒体として熱交換を行う熱交換器（１４）と、
   圧縮機（５３）と膨張弁（５５）を内蔵し、冷媒を循環させ、氷蓄タンク（２０）に挿入されている伝熱チューブ（３７）を通じて氷蓄タンク（２０）から吸熱する不凍液を高温側媒体とし、水を低温側媒体とし、前記氷蓄タンク（２０）の熱を前記水に伝えて湯にするヒートポンプ装置（５０）と、
   前記不凍液を循環させるために前記伝熱チューブ（３７）と前記ヒートポンプ装置（５０）を繋ぐ不凍液管（３８）と、
   前記ヒートポンプ装置（５０）で得られた湯を蓄え、所定の温度まで加熱するヒータ（３１）を備えている貯湯タンク（３２）と、
   前記水を前記ヒートポンプ装置（５０）へ送り、この前記ヒートポンプ装置（５０）で暖められた前記湯を前記貯湯タンク（３２）へ送る送水管（３３）と、からなる牛乳の急速冷却システムにおいて、
   前記不凍液管（３８）には、前記不凍液の流量を調節する不凍液流量調節弁（４１）及び前記不凍液の温度を測る不凍液温度計（４２）と、この不凍液温度計（４２）で測った温度に基づいて前記不凍液流量調節弁（４１）を開閉制御する不凍液温度調節器（４３）が設けられ、
   前記送水管（３３）には、送水量を調節する送水流量調節弁（３４）及び送水の温度を測る送水温度計（３５）と、この送水温度計（３５）で測った温度が所定値になるように前記送水流量調節弁（３４）を開閉制御する送水温度調節器（３６）が設けられていることを特徴とする牛乳の急速冷却システム。

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