JP5486220B2 - 煮沸制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビール製品や発泡酒製品の製造に適したビール煮沸装置における煮沸制御装置に関するものである。

従来、多管式熱交換器を有する煮沸釜を備えた麦汁煮沸制御装置として、特許文献１（特開２００７−２０２４８８号公報）に記載の装置が知られている。この従来装置では、供給ラインを通じて熱交換器に供給される蒸気の温度と、熱交換器から蒸気またはそれが凝縮した水を排出する排出ラインを通して排出される蒸気または水の温度とに基づいて、前記供給ラインを通る蒸気によって熱交換器に供給される時間あたりの熱量を制御しながら麦汁を煮沸する。

更に、従来技術を詳述する。図５において、この麦汁煮沸制御装置は、煮沸釜１０内の熱交換器２０に過熱された蒸気を供給する供給ライン９０と、熱交換器２０から蒸気またはそれが凝縮した水を排出する排出ライン１００とを有する。排出ライン１００には、スチームトラップ８０が設けられ、これにより蒸気状態で存在する水が凝縮される。

また、麦汁煮沸制御装置は、熱交換器２０において蒸気が麦汁１２によって時間あたりに奪われた熱量に基づいて、蒸気が熱交換器２０に与えるべき時間あたりの熱量を逐次制御する。この場合、熱交換器２０において蒸気が麦汁１２によって時間あたりに奪われた熱量は、熱交換器２０に供給される蒸気の温度と、熱交換器２０から排出される蒸気又は水の温度との差分に基づいて演算することができる。そこで、供給ライン９０には、その中を通る蒸気の温度を測定する第１温度計３０が設けられ、排出ライン１００には、その中を通る蒸気又は水の温度を測定する第２温度計４０が設けられている。

制御器１１０は、第１温度計３０によって測定される第１温度及び第２温度計４０によって測定される第２温度に基づいて、供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給される蒸気の時間あたりの量（熱交換器２０に供給される時間あたりの熱量）を制御する。

制御器１１０は、例えば、供給ライン９０を通る蒸気の流量（例えば、質量流量）を制御する制御弁６０及び制御弁６０の開度を制御する弁制御器５０を含んで構成され、第１温度計３０によって測定される温度及び第２温度計４０によって測定される温度に基づいて供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給すべき蒸気の流量を逐次演算し、その演算結果に供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給される蒸気の流量が一致するように制御弁６０を制御する。

以下、従来の弁制御器５０による制御弁６０の制御について説明する。熱交換器２０に供給される蒸気によって麦汁１２に与えられる熱量をＱ１、供給ライン９０から供給される蒸気によって熱交換器２０に流入する熱量をＱ２、熱交換器２０から排出ライン１００に排出される蒸気又は水によって熱交換器２０から流出する熱量をＱ３とすると、次式が成り立つ。

Ｑ１＝Ｑ２−Ｑ３ ・・・（１）
ここで、水の蒸発熱（ｃａｌ／ｇ）をＡ（＝５４０ｃａｌ／ｇ）、時間あたりの麦汁１２からの水の蒸発量である煮沸強度（％／ｈ）をＸ、煮沸時間（ｈ）をＴ、初期状態（煮沸前）の麦汁１２の量（ＨＬ＝１０６リットル）をＶ１、係数をαとすると、Ｑ１は、次式で示される。

Ｑ１＝Ａ・Ｘ・Ｔ・Ｖ１・α・１０^６ …（２）
また、蒸気の比熱（ｃａｌ／ｇ・℃）をＢ（＝０．５ｃａｌ／ｇ・℃）、蒸気の質量流量（ｋｇ／ｈ）をΓ、熱交換器２０の入口における蒸気の温度（第１温度計３０によって測定される蒸気の温度；℃）をｔ１、熱交換器２０の出口における蒸気又は水の温度（第２温度計４０によって測定される蒸気又は水の温度）をｔ２とすると、Ｑ２、Ｑ３は、次式で示される。

Ｑ２＝Ｂ・Γ・（ｔ１−ｔ２）・Ｔ・１０^３ …（３）
Ｑ３＝Ａ・Γ・Ｔ・１０^３ …（４）
したがって、（１）〜（４）式より、
Γ＝（Ａ・Ｘ・Ｖ１・α）／｛（Ｂ・（ｔ１−ｔ２）＋Ａ）・０．００１｝…（５）
なお、（５）式中、分母の“＋Ａ”は、熱量が煮沸釜で麦汁１２に移動しているので、“−Ａ”ではなく、“＋Ａ”となっている。ここで、（５）式にＡ、Ｂを代入すると、次式が得られる。

Γ＝（５４０・Ｘ・Ｖ１・α）／｛（０．５・（ｔ１−ｔ２）＋５４０）・０．００１｝
…（６）
（６）式において、煮沸強度Ｘ１及びαは、予め設定される値である。また、初期状態の麦汁１２の量Ｖ１は、煮沸すべき麦汁の量であり煮沸前に設定される値である。したがって、制御器１１０は、第１温度計３０によって測定される第１温度ｔ１及び第２温度計４０によって測定される第２温度ｔ２に基づいて、供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給される蒸気の流量Γを逐次演算し、この流量Γに基づいて制御弁６０を制御することができる。

特開２００７−２０２４８８号公報

前記文献で報告されている従来の制御方法では、予め定められた煮沸時間の中で、予め定められた煮沸強度（時間あたりの水分蒸発量（％／ｈ））が維持されるように、熱交換器に供給する蒸気の流量を制御弁によって制御しており、煮沸時間中はほぼ直線的に一定の熱量を麦汁１２に与えることとなる。

しかしながら、従来技術では、総熱量を一定量に制御することはできるものの、予め定められた煮沸強度を維持するために、予め定められた煮沸時間内で必要な総熱量を与えることを保持しつつ、時間に応じて強弱をつけながら制御することはできないという課題がある。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、煮沸時間内に与える熱量を時間に応じて強弱をつけながら、安定的かつ正確に煮沸制御することができる煮沸制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る煮沸制御装置は、熱交換器が内部に配置され、当該熱交換器によって煮沸対象物を煮沸する煮沸釜と、前記熱交換器に蒸気を供給する供給ラインに介挿され、当該供給ラインを通して前記熱交換器に供給される蒸気の温度を測定する第１温度計と、前記熱交換器から蒸気または蒸気が凝縮した水を排出する排出ラインに介挿され、当該排出ラインを通して前記熱交換器から排出される蒸気または水の温度を測定する第２温度計と、所定の煮沸時間内で前記煮沸対象物に与える総熱量を、時間あたりの熱量比率に基づき分配し、時系列の強弱をつけて比率設定することで、前記熱交換器に供給される時間あたりの熱量設定値を算出する演算器と、この演算器で算出される熱量設定値と前記第１温度計で測定される第１の温度と前記第２温度計で測定される第２の温度とに基づき蒸気流量設定値を演算し、この蒸気流量設定値により前記供給ラインを通る蒸気流量を調節して、前記熱交換器に供給される時間あたりの熱量を制御する制御器とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、煮沸時間内に与える熱量を時間に応じて強弱をつけながら、安定的かつ正確に煮沸制御を行なうことができる。

本発明に係る煮沸制御装置の実施の形態１を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における折線設定の好適な例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における折線設定の好適な他の例を示す説明図である。 本発明に係る煮沸制御装置の実施の形態２を示すブロック図である。 従来の煮沸制御装置の一例を示すブロック図である。

＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。なお、図１において、図５で示した従来例と同一構成部分については同一番号が付されている。

図１において、この制御装置は煮沸釜１０内の熱交換器２０に過熱された蒸気を供給する供給ライン９０と、熱交換器２０から蒸気またはそれが凝縮した水を排出する排出ライン１００とを有する。

麦汁煮沸装置は、熱交換器２０において蒸気が麦汁１２によって時間あたりに奪われた熱量に基づいて、蒸気によって熱交換器２０に与えるべき時間あたりの熱量を逐次制御する。熱交換器２０において蒸気が麦汁１２によって時間あたりに奪われた熱量は、熱交換器２０に供給される蒸気の温度と、熱交換器２０から排出される蒸気又は水の温度との差分に基づいて演算することができる。そこで、供給ライン９０には、その中を通る蒸気の温度を測定する第１温度計３０が設けられ、排出ライン１００には、その中を通る蒸気又は水の温度を測定する第２温度計４０が設けられている。

制御器１１０ａは、第１温度計３０によって測定される第１温度及び第２温度計４０によって測定される第２温度に基づいて、演算器１２０から与えられる蒸気の時間あたりの量（熱交換器２０に供給される時間あたりの熱量）の設定値に対して、供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給される蒸気の時間あたりの量を制御する。

制御器１１０ａは、例えば、供給ライン９０を通る蒸気の流量（例えば、質量流量）を制御する制御弁６０及び制御弁６０の開度を制御する弁制御器５０ａを含んで構成され、第１温度計３０によって測定される温度及び第２温度計４０によって測定される温度に基づいて供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給すべき蒸気の流量を逐次演算し、その演算結果に供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給される蒸気の流量が一致するように制御弁６０を制御する。

演算器１２０は、煮沸時間内で麦汁１２に与える熱量を、時系列に強弱をつけて折線により比率設定することで、熱交換器２０から麦汁１２に与える時間あたりの熱量の設定値を、制御器１１０ａに与える。この折線設定による時間あたりの熱量設定値の算出方法を図２に基づいて説明する。

図２は本発明の好適な実施形態として、熱交換器２０から麦汁１２に与える時間あたりの熱量を、煮沸時間内で比率による重み付けによって設定した折線を示す説明図である。横軸に煮沸時間の経過時間を取り、縦軸に熱交換器２０から麦汁１２に与える時間あたりの熱量を比率で重み付けしたものを取る。以下、これを「熱量比率」とも呼ぶ。

図２の例では、煮沸時間のＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の４つの時間帯において、それぞれｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４の比率（重み）で熱量を加えるものとしている。

図２の折線設定から、全時間帯の熱量比率の総面積Ｓは下記（７）式で定義することができる。

Ｓ＝ｒ１・Ｔ１＋ｒ２・Ｔ２＋ｒ３・ｔ３＋ｒ４・Ｔ４…（７）
これにより各熱量比率に対する時間あたりの熱量（以下これを「瞬時熱量」と呼ぶ）を、ｑ１，ｑ２，ｑ３，ｑ４とすると、各値は（８）式のようにｑ４を基準に定義することができる。

また、煮沸時間内で与えられる総熱量Ｑ_Ｔは、（７）式から下記（９）式のように定義できる。

Ｑ_Ｔ＝ｑ１・Ｔ１＋ｑ２・Ｔ２＋ｑ３・Ｔ３＋ｑ４・Ｔ４ ・・・（９）
前記（８）式を（９）式に代入して（１０）式を得ることができ、これより熱量流量ｑ４を表す（１１）式を求めることができる。

Ｑ_Ｔ＝（ｒ１/ｒ４）・ｑ４・Ｔ１＋（ｒ２/ｒ４）・ｑ４・Ｔ２＋（ｒ３/ｒ４）・ｑ４・Ｔ３＋（ｒ４/ｑ４）・ｑ４・Ｔ４
＝（ｑ４／ｒ４）・（ｒ１・Ｔ１＋ｒ２・Ｔ２＋ｒ３・ｔ３＋ｒ４・Ｔ４）…（１０）
ｑ４＝（Ｑ_Ｔ／Ｓ）・ｒ４…（１１）
（１１）式を（８）式にそれぞれ代入すると、熱量流量の各値は（１２）式のように表すことができる。

これを一般化すると、熱量流量を表す下記（１３）式が得られる。

ｑ_ｉ＝（Ｑ_Ｔ／Ｓ）・ｒ_ｉ ・・・（１３）
このように一般化することにより、図３に示すような傾斜部を持つ折線設定においても適用することができる。

次に制御器５０による制御方法について説明する。前記（１３）式で求められた熱交換器２０に供給される蒸気によって麦汁１２に与えられる瞬時熱量ｑ_ｉは、供給ライン９０から供給される蒸気によって熱交換器２０に流入する熱量をｑ_２、熱交換器２０から排出ライン１００に排出される蒸気又は水によって熱交換器２０から流出する熱量をｑ_３とすると、前記（１）式と同様に次式が成り立つ。

ｑ_ｉ＝ｑ_２−ｑ_３ …（１４）
ここで、水の蒸発熱（ｃａｌ／ｇ）をＡ（＝５４０ｃａｌ／ｇ）、蒸気の比熱（ｃａｌ／ｇ・℃）をＢ（＝０．５ｃａｌ／ｇ・℃）、蒸気の質量流量（ｋｇ／ｈ）をΓ、熱交換器２０の入口における蒸気の温度（第１温度計３０によって測定される蒸気の温度；℃）をｔ１、熱交換器２０の出口における蒸気又は水の温度（第２温度計４０によって測定される蒸気又は水の温度）をｔ２とすると、ｑ_２、ｑ_３は、次式で示される。

ｑ_２＝Ｂ・Γ・（ｔ１−ｔ２）・Ｔ・１０^３ …（１５）
ｑ_３＝Ａ・Γ・Ｔ・１０^３ …（１６）
したがって、（１４）〜（１６）式より、
Γ＝ｑ_ｉ／［｛Ｂ・（ｔ１−ｔ２）＋Ａ｝・０．００１］ …（１７）
なお、（１７）式中、分母の“＋Ａ”は、熱量が煮沸釜１０で麦汁１２に移動しているので、“−Ａ”ではなく、“＋Ａ”となっている。ここで、（１７）式にＡ、Ｂを代入すると、次式が得られる。

Γ＝ｑ_ｉ／［｛０．５・（ｔ１−ｔ２）＋５４０｝・０．００１］ …（１８）
したがって、制御器５０は、演算器１２０から与えられる熱量流量ｑ_ｉの設定値から、第１温度計３０によって測定される第１温度ｔ１及び第２温度計４０によって測定される第２温度ｔ２に基づいて、供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給される蒸気の流量Γを逐次演算し、このΓに従って制御弁６０を制御することができる。

上記実施の形態１では、演算器１２０で設定した折線の比率（重み）に基づいて、煮沸時間内で与える時間あたりの熱量に変化をつけながら、目標である煮沸時間内の煮沸強度を保つことで、安定的かつ正確に煮沸制御を行なうことができる。その結果、麦汁の品質をきめ細かく制御することが可能となる。

＜実施の形態２＞
図４に示すように、図１の構成に加えて、供給ライン９０を通る蒸気の流量（例えば、質量流量）を測定する流量計７０を含め、流量計７０で測定される蒸気流量測定値と蒸気流量設定値とに基づいたフィードバック制御を実行するように構成しても良い。この場合において、制御器１１０ｂは、第１温度計３０によって測定される温度及び第２温度計４０によって測定される温度に基づいて供給ライン９０を通して熱交換器２０に供給すべき蒸気の流量を逐次演算する。そして、弁制御器５０ｂは、演算により得られた蒸気流量設定値と流量計７０によって測定される蒸気流量測定値とが一致するように制御弁６０を制御する。

１０…煮沸釜
２０…熱交換器
３０…第１温度計
４０…第２温度計
５０，５０ａ，５０ｂ…弁制御器
６０…制御弁
７０…流量計
８０…スチームトラップ
９０…供給ライン
１００…排出ライン
１１０，１１０ａ，１１０ｂ…制御器
１２０…演算器

Claims (2)

1. 熱交換器が内部に配置され、当該熱交換器によって煮沸対象物を煮沸する煮沸釜と、
   前記熱交換器に蒸気を供給する供給ラインに介挿され、当該供給ラインを通して前記熱交換器に供給される蒸気の温度を測定する第１温度計と、
   前記熱交換器から蒸気または蒸気が凝縮した水を排出する排出ラインに介挿され、当該排出ラインを通して前記熱交換器から排出される蒸気または水の温度を測定する第２温度計と、
   所定の煮沸時間内で前記煮沸対象物に与える総熱量を、時間あたりの熱量比率に基づき分配し、時系列の強弱をつけて比率設定することで、前記熱交換器に供給される時間あたりの熱量設定値を算出する演算器と、
   この演算器で算出される熱量設定値と前記第１温度計で測定される第１の温度と前記第２温度計で測定される第２の温度とに基づき蒸気流量設定値を演算し、この蒸気流量設定値により前記供給ラインを通る蒸気流量を調節して、前記熱交換器に供給される時間あたりの熱量を制御する制御器と、
   を備えることを特徴とする煮沸制御装置。
2. 前記供給ラインを通る蒸気流量を測定する流量計を備え、
   この流量計で測定される蒸気流量測定値と前記蒸気流量設定値とに基づいたフィードバック制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の煮沸制御装置。

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