JP5288287B2 - 冷蔵・冷凍庫における冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷却される対象物内の氷結晶の粗大化を交番電界によって防止する冷蔵・冷凍庫における冷却装置に関する。

肉や野菜等の生鮮食品を鮮度が高い状態で長期保存するために該生鮮食品を冷凍して保存する手段が従来公知であるが、この冷凍の際、肉や野菜等の内部に含まれる水分が凍って氷結晶が形成され、この氷結晶が粗大化すると、肉や野菜等の細胞が破壊され、解凍時にドリップの流出等が生じ、品質が低下するという問題がある。

冷凍時に肉や野菜等の冷却対象物内において氷結晶が粗大化するのは、冷凍時、対象物の温度が氷結晶生成温度域に留まる時間が長いことが１つの要因として考えられる。

このような問題に対し、庫内に載置された対象物を冷却する際、零度以下に冷却される前記庫内に設けられた一対の電極の間に交流電圧を印加することにより庫内に交番電界を形成し、該交番電界によって、冷却時に対象物の温度が氷結晶生成温度域に留まる時間を短くし、冷却中における対象物内の氷結晶の粗大化を抑制する特許文献１に示す冷却方法及び冷却装置が公知になっている。

特許第４１５２６９５号公報

上記文献では、交流電圧によって電界の強さや向きを周期的に変化させることにより、冷却中における対象物内の氷結晶の粗大化を防止可能になるという利点がある一方で、電界強さが１０〜７０Ｖ／ｃｍ、交流電圧の周波数が５０Ｈｚ〜５ＭＨｚに設定され、この範囲内では冷却中における対象物内の氷結晶の粗大化を十分に防止できない場合があるという課題がある。
本発明は、冷却される対象物内の氷結晶の粗大化を交番電界によって防止するにあたり、さらに効率的に氷結晶の粗大化を防止できる冷蔵・冷凍庫における冷却装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため本発明は、第１に、冷却される対象物３が載置される庫内２に一対の電極１３Ａ，１３Ｂを少なくとも一組形成し、庫内２を零度以下に冷却する冷却手段４と、前記一対の電極１３Ａ，１３Ｂ間に交流電圧を印加して庫内２に交番電界を形成する電圧印加手段１４とを備え、該交番電界によって庫内２に載置されて冷却中の対象物３内の氷結晶の粗大化を抑制する冷却装置において、交流電圧の周波数が１０００ヘルツ以上になるとともに該交流電圧の実行値が１０００〜１５００ボルトになるように前記電圧印加手段１４を構成し、庫内２を形成する内壁２ａと、該庫内２を隔てる水平状の仕切り板６Ａ，６Ｂと、該仕切り板６Ａ，６Ｂ上にスペーサ１１を介して設置されて対象物３が載置される載置台１２とを備え、前記スペーサ１１を絶縁体とすることにより、前記仕切り板６Ａ，６Ｂと載置台１２とを絶縁するとともに該載置台１２と内壁２ａとを絶縁し、前記内壁２ａ及び載置台１２を導体とし、前記一対の電極１３Ａ，１３Ｂの一方が前記内壁２ａに形成されるとともに、他方が前記載置台１２に形成されたことを特徴としている。

第２に、前記仕切り板６Ａ，６Ｂを、着脱自在に庫内２に設けたことを特徴としている。

第３に、前記仕切り板６Ａ，６Ｂを、複数設けたことを特徴としている。

本発明の構成によれば、対象物の冷却中、対象物に含まれる水分が過冷却又は過冷却に近い状態になり、冷却中における対象物内の氷結晶の粗大化をさらに効率的に防止できるという効果がある。

本発明の適用した冷却装置の構成を示す概念図である。 電源装置の構成を示す回路図である。 電源装置からの出力波形を示す図である。 冷却装置を用いた冷却方法の優位性を示す特性グラフである。 （Ａ）は電界を形成しないで冷却した鶏肉の顕微鏡写真であり、（Ｂ）は交番電界を形成して冷却した鶏肉の顕微鏡写真である。 （Ａ）は電界を形成しないで冷却したサーモンの顕微鏡写真であり、（Ｂ）は交番電界を形成して冷却したサーモンの顕微鏡写真である。 電源装置の他例を示す回路図である。

以下図示する例に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の適用した冷却装置の構成を示す概念図である。図示する冷却装置１は、直方体をなすボックス状に形成され、庫内２が冷却対象物（対象物）３を冷却するための冷却室２になり、この冷却室２を零度以下（詳しくは、−２０〜−５℃程度）に冷却する冷却手段４と、冷却室２を上下に隔てる水平状の上下２枚の仕切り板６Ａ，６Ｂとを備えている。ちなみに、図示する例では、冷凍庫に適用する場合の冷却装置１について示しているが、冷蔵庫として用いる場合の冷却装置に本発明を適用してもよい。

上記冷却手段４は、気化熱を利用する従来公知のものであるが、簡単にその構成を説明すると、気化された冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒に変化するコンプレッサ７と、コンプレッサ７によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を放熱しながら液化するコンデンサ８と、コンデンサ８によって液化された冷媒を気化する冷却器となるエバポレータ９とを備え、該エバポレータ９によって冷媒を気化する際の吸熱作用によって、冷気を発生させ、気化された冷媒は再びコンプレッサ７に戻される。以下、コンデンサ８→エバポレータ９→コンプレッサ７→コンデンサ８→・・・の循環が繰返され、冷却室２内が冷却される。なお、冷却器９からの冷気は、必要があれば、ファン等によって冷却室２内を循環させてもよい。

上下の仕切り板６Ａ、６Ｂの内、下側の仕切り板６Ａは、冷却室２の床面から所定間隔上方に離間させた位置に着脱自在に取付固定され、上側の仕切り板６Ｂは、下側の仕切り板６Ａから所定間隔上方に離間させた位置に着脱自在に取付固定されており、庫内２が棚状に形成され、上下の仕切り板６Ａ，６Ｂの間に下段側冷却室１０Ａが形成され、上側の仕切り板６Ｂと庫内２の天井面との間に上段側冷却室１０Ｂが形成されている。

各仕切り板６Ａ，６Ｂ上には、スペーサ１１を介して、冷却対象物３を置くための載置台１２が位置決め載置されており、該スペーサ１１は絶縁体から構成されているため、仕切り板６Ａ、６Ｂと、載置台１２とは絶縁されている。各載置台１２と、冷却室２を形成する内壁２ａとは、それぞれ金属等の導体であって、一対の電極１３Ａ，１３Ｂを形成しており、この冷却室２内に形成された一対の電極１３Ａ，１３Ｂの間に交流電圧（交番電圧）を印加する電源装置（電圧印加手段）１４が設けられている。

具体的には仕切り板６Ａ，６Ｂを含む内壁２ａ側の電極１３Ａがアース電極になり、載置台１２側の電極１３Ｂが印加電極になり、前記アース電極１３Ａは、電源装置１４のアース側端子１６Ａ及び接地点Ｇに電気的に接続されるとともに、前記印加電極１３Ｂは、電源装置１４の印加側端子１６Ｂに電気的に接続される（図１及び２参照）。ちなみに、印加電極１３Ｂとなる仕切り板６Ａ，６Ｂは上下２つ設けられているため、冷却室２内に一対の電極１３Ａ，１３Ｂが２組設けられている状態になる。

図２は、電源装置の構成を示す回路図である。図示する電源装置１４は、周波数が５０〜６０Ｈｚ且つ電圧の実行値が１００Ｖである一般家庭用の電源に接続される一対の入力端子１７Ａ，１７Ｂと、上述の印加側端子及びアース側端子である出力端子１６Ａ，１６Ｂと、入力端子１７Ａ，１７Ｂから入力された交流電力を昇圧するトランス１８と、該トランス１８によって昇圧された交流電力を整流するとともに昇圧して直流電力とする整流回路１９と、整流回路１９からの直流電力を所定の高周波数を有する交流電力に変換するスイッチング回路２１と、を備え、スイッチング回路２１の出力側の一対の端子が上述の出力端子１６Ａ，１６Ｂになる。

整流回路１９は、コッククロフト・ウォルトン回路である。コッククロフト・ウォルトン回路１９は、従来公知の整流回路であるため詳細は割愛するが、図示する例では、複数の平滑用コンデンサＣ１と、該平滑用コンデンサＣ１と同数又は１つの少ない数の押上げ用コンデンサＣ２と、平滑用コンデンサＣ１と押上げ用コンデンサＣ２を加算した数のダイオードＤ１、Ｄ２と、を有している。

そして、複数の平滑用コンデンサＣ１同士を直列に接続するとともに、押上げ用コンデンサＣ２が複数の場合には押上げ用コンデンサＣ２同士も直列に接続している。そして、入力側から１個目の押上げ用コンデンサＣ２の手前側にトランス１８の一方側の出力端子１８ａが接続され、入力側から１個目の平滑用コンデンサＣ１の手前側にトランス１８の他方側出力端子１８ｂの他方側が接続されており、最も出力側寄りの平滑用コンデンサＣ１又は押上げ用コンデンサＣ２（図示する例では平滑用コンデンサＣ１）の奥側から整流され且つ昇圧された電力が取出される。

また、入力側から１個目の平滑用コンデンサＣ１は入力側から１個目の押上げ用コンデンサＣ２に対応し、入力側からｎ（ｎは自然数）個目の平滑用コンデンサＣ１は入力側からｎ個目の押上げ用コンデンサＣ２に対応しており、押上げコンデンサＣ２の手前側から、その押上げ用コンデンサＣ２に対応する平滑用コンデンサＣ１の奥側に一方的に電流が流れるようにダイオードＤ１を接続するとともに、平滑用コンデンサＣ１の奥側から、その平滑用コンデンサＣ１に対応する押上げ用コンデンサＣ２の出力側に隣接する次の押上げ用コンデンサＣ２の奥側に一方的に電流が流れるようにダイオードＤ２を接続している。

このように、コンデンサＣ１，Ｃ２とダイオードＤ１，Ｄ２とを多段に組合せ、コンデンサの電荷をためる作用と、ダイオードの整流作用とを利用することによって、入力された交流電力を、２倍→４倍→６倍→８倍→・・・と昇圧するとともに整流する。ちなみに、押上げ用コンデンサＣ２がｋ（ｋは自然数）個の場合、昇圧される電力は２×ｋ倍になる。

図３は、電源装置１４からの出力波形を示す図である。スイッチング回路２１は、トランジスタ等からなり、ＯＮ作動とＯＦＦ作動を交互に所定間隔で繰返し、１回のＯＮ作動毎にプラスマイナスの極性を反転させるように構成されており、電源装置１４からの出力電圧は１回の出力毎にプラスマイナスの極性が反転する方形波となる。

この電源装置１４から出力される交流電圧の実行値が５００〜１５００Ｖ、さらに好ましくは１０００〜１５００Ｖ、交流電圧の周波数が５００Ｈｚ以上、さらに好ましくは１０００Ｈｚ以上に設定されており、この出力電圧を上述の一対の電極１３Ａ，１３Ｂの間に印加することにより、冷却室２内に交番電界を生じさせ、この交番電界によって、載置台１２上に載置され冷却室２内において冷却される肉や生野菜等の冷却対象物３の冷却効率を向上させる。ちなみに、上記交流電圧の実行値は１５００Ｖ以上にしてもよいが、その分、電源装置１４が大型化するため、１５００Ｖ以下が好ましい。

具体的には、直流電圧による電界によって冷却効率が向上することが知られているが、交番電界によれば、上記冷却効率を向上させる効果の他、冷却対象物３内の氷結晶の粗大化や生成を抑止する効果があり、これによって、冷却対象物３内の水分を過冷却状態とすることが容易になる。ちなみに、交番電界によって、氷結晶の生成や粗大化が抑制されるのは、向きや強さが周期的に変化する交番電界によって水分子の双極子が回転や振動され、水分子集団であるクラスタが細分化されるのが、原因の１つと考えられる。

上記構成の冷却装置１及びこの冷却装置１を用いた冷却方法によれば、冷却中の冷却対象物３内の水分を過冷却状態或いは過冷却状態とならないまでも氷結晶の粗大化が抑制された状態とすることにより、解凍時におけるドリップの流出等を抑制し、高鮮度な状態で該冷却対象物３を長期保存することが可能になる。また、電源装置１４に、昇圧機能を有する整流回路１９を用いることにより、変圧器のみを用いた場合よりも全体をコンパクトにすることが可能になる。

図４は、冷却装置を用いた冷却方法の優位性を示す特性グラフである。図示する例では、冷却対象物３をペットボトルに注入された２５０ｍｌの水とし、庫内２の温度を−５℃、電源装置１４からの交流電圧の実行値を１１００Ｖに設定し、庫内２に電界を形成させない場合と、庫内２に電界を形成させる際の電源装置１４からの交流電圧の周波数を１００Ｈｚに設定した場合と、庫内２に電界を形成させる際の電源装置１４からの交流電圧の周波数を５００Ｈｚに設定した場合と、庫内２に電界を形成させる際の電源装置１４からの交流電圧の周波数を１０００Ｈｚに設定した場合と、のそれぞれにおいて、ペットボトルを載置台１２に載置して水３の温度変化を１０分毎に測定し、それぞれの温度変化を比較した。

ちなみに、冷却時間は１８０分とし、上下のおける上側の載置台１２にペットボトルを載置する他、上下の各載置台１２と、その載置台１２が置かれる仕切り板６Ａ，６Ｂとの間隔は１０ｍｍ、上下の仕切り板６Ａ，６Ｂの間の間隔が１４０ｍｍ、上側の仕切り板６Ｂと冷却室２の天井との間隔が１５０ｍｍにそれぞれ設定されている。

同図に示された結果によれば、電界を形成しない場合によりも交流電圧の周波数が１００Ｈｚの方が２０〜６０分の時間帯において効率良く水３を冷却しており、交流電圧の周波数が１００Ｈｚよりも交流電圧の周波数が５００Ｈｚの方が２０〜６０分の時間帯においてさらに効率良く水３を冷却しており、交流電圧の周波数が５００Ｈｚよりも交流電圧の周波数が１０００Ｈｚの方が２０〜８０分の時間帯においてさらに効率良く水３を冷却している。ちなみに、交流電圧の周波数が５００Ｈｚの際に若干過冷却状態となり、周波数が１０００Ｈｚの場合に、完全な過冷却状態になり、この両ケースにおいて冷却対象物３の氷結晶の粗大化がより効率的に抑制されている状態が観察された。

図５（Ａ）は電界を形成しないで冷却した鶏肉の顕微鏡写真であり、（Ｂ）は交番電界を形成して冷却した鶏肉の顕微鏡写真である。用いた冷却装置１は、図４の実験のものと同一であり、交番電界を形成させる場合の交流電圧の周波数は６０Ｈｚ、電圧の実行値は１０００Ｖとした。同図に示す結果では、交番電界を形成して冷却した鶏肉の方が組織破壊が抑制されている状態が観察できる。なお、図４及び５の結果より、上記交流電圧の周波数を５００Ｈｚ以上、好ましくは１０００Ｈｚ以上とすれば、さらに良好な結果が得られることが判明した。

図６（Ａ）は電界を形成しないで冷却したサーモンの顕微鏡写真であり、（Ｂ）は交番電界を形成して冷却したサーモンの顕微鏡写真である。用いた冷却装置１は、図４の実験のものと同一であり、交番電界を形成させる場合の交流電圧の周波数は６０Ｈｚ、電圧の実行値は１０００Ｖとした。同図に示す結果では、交番電界を形成して冷却したサーモの方が組織破壊が抑制されている状態が観察できる。なお、図６及び図４の結果によっても、上記交流電圧の周波数を５００Ｈｚ以上、好ましくは１０００Ｈｚ以上とすれば、さらに良好な結果が得られることが予測できる。

次に、図７に基づき本発明の別実施形態について説明する。
図７は、電源装置の他例を示す回路図である。同図に示す電源装置１４では、整流回路１９を上述のコッククロフト・ウォルトン回路ではなく、半波整流回路から構成しており、部品点数が少なくして構造を簡略化させている。

２ 冷却室（庫内）
２ａ 内壁
３ 冷却対象物（対象物）
４ 冷却手段
６Ａ，６Ｂ 仕切り板
１１ スペーサ
１２ 載置台
１３Ａ アース電極（電極）
１３Ｂ 印加電極（電極）
１４ 電源装置（電圧印加手段）

Claims (3)

1. 冷却される対象物（３）が載置される庫内（２）に一対の電極（１３Ａ），（１３Ｂ）を少なくとも一組形成し、庫内（２）を零度以下に冷却する冷却手段（４）と、前記一対の電極（１３Ａ），（１３Ｂ）間に交流電圧を印加して庫内（２）に交番電界を形成する電圧印加手段（１４）とを備え、該交番電界によって庫内（２）に載置されて冷却中の対象物（３）内の氷結晶の粗大化を抑制する冷却装置において、交流電圧の周波数が１０００ヘルツ以上になるとともに該交流電圧の実行値が１０００〜１５００ボルトになるように前記電圧印加手段（１４）を構成し、庫内（２）を形成する内壁（２ａ）と、該庫内（２）を隔てる水平状の仕切り板（６Ａ），（６Ｂ）と、該仕切り板（６Ａ），（６Ｂ）上にスペーサ（１１）を介して設置されて対象物（３）が載置される載置台（１２）とを備え、前記スペーサ（１１）を絶縁体とすることにより、前記仕切り板（６Ａ），（６Ｂ）と載置台（１２）とを絶縁するとともに該載置台（１２）と内壁（２ａ）とを絶縁し、前記内壁（２ａ）及び載置台（１２）を導体とし、前記一対の電極（１３Ａ），（１３Ｂ）の一方が前記内壁（２ａ）に形成されるとともに、他方が前記載置台（１２）に形成された冷蔵・冷凍庫における冷却装置。
2. 前記仕切り板（６Ａ），（６Ｂ）を、着脱自在に庫内（２）に設けた請求項１に記載の冷蔵・冷凍庫における冷却装置。
3. 前記仕切り板（６Ａ），（６Ｂ）を、複数設けた請求項１又は２の何れかに記載の冷蔵・冷凍庫における冷却装置。