JP6470125B2 - 飲食物の殺菌処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、果汁やスープ等の飲食物材料を高電圧パルスにより殺菌するようにした飲食物の殺菌処理装置に関する。

果汁や肉汁、スープ等の飲食物材料に、交流高電界つまり高電圧パルスを印加することにより、飲食物材料に含まれる細菌を殺菌するようにした殺菌処理装置が、特許文献１に記載されるように、開発されている。この殺菌処理装置においては、一対の電極間に飲食物材料を流すようにしており、電極間を流れる飲食物材料の１ｍｍの厚みに対して数１００Ｖ以上の高電圧パルスを殺菌電圧として印加することにより、飲食物材料を殺菌処理するようにしている。

高電圧パルスを飲食物材料に印加して飲食物材料を殺菌する場合には、液状の飲食物材料を流路内に連続的に搬送しながら連続処理する場合のみならず、電極が設けられた容器内に飲食物材料を供給して飲食物材料をバッチ処理する場合にも適用することができる。

特開２００８−８６２５９号公報

飲食物材料を連続的に搬送しながら飲食物材料を連続処理したり、一定量毎にバッチ処理したりする場合のいずれの処理方式においても、電極間の隙間に供給される飲食物材料に高電圧パルスを印加するために、商用の交流電流をサイリスタにより整流するとともに昇圧し、直流電流をインバータによりパルス電流に変換するようにしている。インバータにより所定周波数の高周波に変換された電力は、昇圧トランスにより高電圧の殺菌電圧に昇圧され、昇圧された高電圧パルスが電極に印加される。

高電圧パルスを飲食物材料に印加するようにした従来の殺菌処理装置においては、殺菌効率を高めるために、印加電圧を高めるようにしている。例えば、電極間の距離を２ｍｍ程度とし、５０００Ｖ程度の高電圧を電極間に印加することが試みられている。このように高めた印加電圧を連続的に繰り返して飲食物材料に通電すると、飲食物材料は殺菌温度を超えた温度まで過加熱されてしまう。

そこで、高電圧パルスを飲食物材料に連続的に印加することなく、高電圧パルスを印加した後に、所定の休止時間を設けるようして飲食物材料に高電圧パルスを複数回印加するようにした殺菌処理装置が開発されている。このように、休止時間を設けると、飲食物材料の殺菌を確実に行うことができるとともに、飲食物材料が殺菌温度以上に過加熱されることが防止される。

５０００Ｖの高電圧を電極に印加できるように、昇圧トランスの出力側のピーク電圧を５０００Ｖとすると、そのときのピーク電流は約８．７５Ａ程度となり、昇圧トランスの電力は４３．７５ｋＷとなる。この電力容量の昇圧トランスを備えた殺菌処理装置を使用して、印加電圧を２５０Ｖとすると、リミッターによりピーク電流は１７４Ａを越えないように制御される。印加電圧のピーク値は、殺菌処理される飲食物材料の種類により選択される。このため、昇圧トランスとしては、この必要電力に余裕を持たせて、５０ｋＷ程度の容量のものが使用されている。さらに、昇圧トランスの出力側のピーク電圧を高めるために、１５０ｋＷ程度の容量の昇温トランスが使用されている。このため、昇温トランスの容量に対応させた容量のインバータとサイリスタが使用されている。

しかしながら、飲食物材料の過加熱を防止するために、飲食物材料に休止時間を設けて間欠的に高電圧パルスを印加すると、５０ｋＷ程度の容量の昇温トランスを用いた場合には、瞬間的には電極に昇圧トランスから５０００Ｖの電圧を印加することができるが、飲食物材料の殺菌処理を行う際の昇圧トランスの平均出力電圧はそれよりも低い電圧となる。このように昇温トランスの平均出力電圧が低くなると、サイリスタの出力電力も低くなる。例えば、昇圧トランスの入力側の平均電圧が４０Ｖ、平均電流が２６Ａ程度となると、昇圧トランスへの入力電力は１．０６ｋＷ程度となる。

ピーク電圧およびピーク電流を電極に印加することができる昇圧トランスの出力容量に見合った電力容量のサイリスタを使用すると、サイリスタは出力電力が低い領域で使用されることになる。しかしながら、サイリスタは出力電力が低い領域では、電流と出力とが直線的に変化せず、出力が安定しないため、サイリスタからは昇圧トランスに設定通りの入力電力を供給することができないということが判明した。サイリスタの出力が安定しないと、飲食物材料を所定の殺菌温度に維持しつつ効率的に殺菌処理を行うことができなくなる。

本発明の目的は、飲食物材料を効率的に殺菌処理し得るようにすることにある。

本発明の飲食物の殺菌処理装置は、電極間に高電圧パルスを印加して電極対の間に供給された飲食物を殺菌処理する飲食物の殺菌処理装置であって、交流電流を直流電流に整流するサイリスタと、前記直流電流を高周波電流に変換するインバータと、前記高周波電流を昇圧して高電圧パルスを発生する昇圧トランスと、前記インバータを制御して前記インバータから休止時間を介して１サイクルの高周波電流を出力させる制御部と、を有し、前記昇圧トランスの平均出力に対応する前記サイリスタの出力は、前記サイリスタの最大電源容量の１０％以上６０％以下の範囲である。

サイリスタの出力は、昇圧トランスの平均出力に応じた容量に設定されるので、サイリスタからは一定電圧となって、昇圧トランスの平均出力に応じた電流が出力される。これにより、電極から飲食物には一定電圧の高圧パルスが印加され、飲食物を効率的に殺菌処理することができるとともに、飲食物の過加熱発生を防止できる。しかも、昇圧トランスの出力容量に比して小容量の電源容量のサイリスタを使用することができるので、殺菌処理装置の製造コストを低減することができる。

一実施の形態である飲食物の殺菌処理装置における殺菌容器の外観を示す一部切欠き斜視図である。 殺菌処理装置における電源ユニットを示すブロック図である。 電極に対する高電圧パルスの印加状態を示すタイムチャートである。 比較例としてのサイリスタの出力特性を示す特性線図である。 本発明のサイリスタの出力特性を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、飲食物の殺菌処理装置を構成する殺菌容器１０の外観を示し、飲食物材料は一定量毎に殺菌容器１０内で殺菌処理される。殺菌容器１０は底壁部１１と平面四角形の筒体１２とを有し、絶縁性材料により形成されている。殺菌容器１０の上端部には開口部１３が設けられている。殺菌容器１０内には２枚の板状の電極１４，１５が隙間を介して配置されており、２つの板状の電極１４，１５により電極対１６が形成されている。電極対１６の間の隙間により通電スペース１７が形成されており、殺菌処理される飲食物材料は、開口部１３から通電スペース１７内に供給される。供給された状態のもとで、電極対１６に印加される電力により飲食物材料は殺菌処理される。このように、図１に示す殺菌容器１０は、バッチ処理により飲食物材料を一定量毎に殺菌するようにしている。

電極対１６には、電源ユニット２０から電力が供給される。電源ユニット２０は、図２に示されるように、サイリスタつまりサイリスタスタック２１を有している。サイリスタスタック２１は、図示しないサイリスタ（ＳＣＲ）と冷却ファンと交互に配置してこれらを束ねた形態となっており、外部からの例えば２００Ｖまたは４００Ｖの３相の商用交流電流を直流電流に整流して２５０Ｖまたは５００Ｖに昇圧する。サイリスタスタック２１の出力端子にはインバータ２２が接続されており、サイリスタスタック２１から出力された直流電流は、インバータ２２により高周波電流に変換される。インバータ２２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）により構成されており、５〜４００ｋＨｚの高周波電流つまり高周波パルスを出力する。

インバータ２２の出力端子には昇圧トランス２３が接続されている。昇圧トランス２３は、インバータ２２から出力された高周波電流を昇圧して高電圧パルスを発生させ、電極対１６に高電圧パルスを印加する。

電源ユニット２０は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）２４を有している。このＰＬＣ２４には、操作パネル２５が接続されており、操作パネル２５には、飲食物材料に対する通電条件を入力するためのキー等からなる入力部が設けられている。さらに、入力された通電条件等を表示するための図示しないディスプレイが操作パネル２５に設けられている。ＰＬＣ２４は、サイリスタスタック２１とインバータ２２に対する制御信号を演算するマイクロプロセッサと、制御プログラム、演算式、マップデータ等が格納されるメモリを有している。

サイリスタスタック２１の作動を制御するために、サイリスタスタック２１には定電圧制御部２６が接続されている。インバータ２２の作動を制御するために、インバータ２２には発振制御部２７が接続されている。定電圧制御部２６と発振制御部２７は、それぞれＰＬＣ２４から制御信号により作動し、ＰＬＣ２４とともにサイリスタスタック２１とインバータ２２の作動を制御する制御部を構成している。図１に示すように、通電スペース１７内に供給された飲食物材料の温度を検出するために、温度センサ２８が通電スペース１７内に配置されており、温度センサ２８の検出信号は、ＰＬＣ２４に送られる。

定電圧制御部２６によりサイリスタスタック２１の起動つまりオンオフが制御されるとともに、サイリスタスタック２１の出力電圧が定電圧制御部２６にフィードバックされる。定電圧制御部２６からは、ＰＬＣ２４に対して、サイリスタスタック２１を起動させた状態と起動を停止させた状態との検出信号がフィードバックされる。

一方、発振制御部２７によりインバータ２２の起動が制御されるとともに、インバータ２２から出力される高周波パルスを１サイクル毎に発振制御部２７にフィードバック信号が出力される。さらに、発振制御部２７は、ＰＬＣ２４に対してインバータ２２に対する発振開始信号と発振終了信号とを出力し、インバータ２２から出力された高周波パルスの数がＰＬＣ２４によりカウントされる。インバータ２２から出力される高周波パルスの数が設定数となると、ＰＬＣ２４は発振制御部２７に発振の停止つまり高周波パルスの出力停止信号を出力し、インバータ２２の出力を停止する。

インバータ２２から出力された高周波パルスを昇圧することにより、飲食物材料に高電圧パルスを印加して飲食物材料を殺菌処理する場合には、サイリスタスタック２１を起動させた状態のもとで、インバータ２２のオンオフを制御して高電圧パルスを飲食物材料に印加する。このように、インバータ２２をオンオフ制御して高電圧パルスを飲食物材料に印加するようにすると、インバータ２２の立ち上がりと立ち下がりの速度を迅速に設定することができ、瞬時に殺菌電圧の高電圧パルス飲食物材料に印加することができる。これにより、飲食物材料が過加熱される前に、飲食物材料に含まれる細菌を殺菌することができ、殺菌後の飲食物材料が変質したり、風味が損なわれたりすることなく、高品質の殺菌処理を行うことができる。

図１に示される殺菌容器１０は、電極１４，１５の間の通電スペース１７の間隔、つまり電極間寸法が２ｍｍに設定されており、昇圧トランス２３は、５０〜１５０ｋＷの出力容量を有するものから何れかの出力容量を有するものが選択される。昇圧トランス２３が５０ｋＷの出力容量を有する場合には、昇圧トランス２３から電極１４，１５には約５０００Ｖの高電圧パルス電圧を印加することができる。この殺菌処理装置を用いて飲食物材料を殺菌処理するときには、休止時間を経て瞬間的にパルス電圧が電極１４，１５に印加される。

図３は電極に対する高電圧パルスの印加状態を示すタイムチャートである。この殺菌処理装置においては、連続的に高電圧パルスを電極１４，１５に印加することなく、図３に示されるように、高電圧パルスを所定の通電時間ｔ１だけ電極に印加した後に、所定の休止時間ｔ２を置いて、複数回高電圧パルスを電極１４，１５に印加して飲食物材料を通電する。通電時間ｔ１は、６．６μｓ〜２００μｓに設定され、休止時間ｔ２は、４００μｓ〜６４００μｓに設定される。この通電時間ｔ１と休止時間ｔ２は、殺菌処理される飲食物材料の種類によって選択され、操作パネル２５を用いて作業者により入力される。

この殺菌処理装置は、操作パネル２５の操作によって、回数設定モードと１パルスモードと連続モードとのいずれかに設定することができ、設定されたモードはＰＬＣ２４メモリに格納される。回数設定モードにおいては、ＰＬＣ２４からインバータ２２に起動信号が送られると、高電圧パルスの通電時間ｔ１と休止時間ｔ２とからなる１サイクル毎に、発振制御部２７にフィードバック信号が送られ、ＰＬＣ２４により設定された回数がカウントされると、ＰＬＣ２４から発振制御部２７に発振停止の信号が出力されてインバータ２２は出力を停止する。

１パルスモードにおいては、ＰＬＣ２４からインバータ２２に起動信号が送られて、高電圧パルスを１パルス出力すると、インバータ２２の出力を停止する。この１パルスモードにおいては、操作パネル２５の操作により休止時間ｔ２を、0.001〜3276秒の範囲のうち任意の値に設定することができる。入力された休止時間ｔ２が経過すると、再度、ＰＬＣ２４からインバータ２２に起動信号が出力される。１パルスモードにおいては、通電時間ｔ１は、上述した６．６μｓ〜２００μｓに設定される。

上述した回数設定モードと１パルスモードは、飲食物をバッチ処理する形態の殺菌処理装置に好適である。これに対し、飲食物を連続的に電極間に流しながら殺菌処理する形態の殺菌処理装置においては、連続モードが適用される。連続モードにおいては、ＰＬＣ２４からインバータ２２に起動信号が送られ、ＰＬＣ２４から停止信号が出力されるまで、連続的に高電圧パルスの通電と休止とが繰り返される。回数設定モードと連続モードにおいては、上述したように、通電時間ｔ１は、６．６μｓ〜２００μｓに設定され、休止時間ｔ２は、４００μｓ〜６４００μｓに設定される。

通常の飲食物材料をバッチ処理する場合においては、高電圧パルスを２０μｓの通電時間ｔ１で、７００μｓの休止時間ｔ２を経て５回印加すると、飲食物材料を殺菌処理することができる。この殺菌処理により飲食物材料は、５１．３℃から６５度まで昇温される。この場合には、昇圧トランス２３の入力側の平均電圧は４０Ｖ、平均電流は２６Ａであり、サイリスタスタック２１の出力容量は１．０６ｋＷで良いことになる。電極１４，１５に印加されるピーク電力を１５０ｋＷの昇圧トランス２３を使用する場合であっても、サイリスタスタック２１は３．７ｋＷの電源容量があれば、殺菌処理することができる。

このように、休止時間を設けて高電圧パルスを電極１４，１５に印加する場合には、昇圧トランス２３の平均電力は、最大電量の５分の３から１００分の１程度となる。

図４は、比較例としてのサイリスタスタック２１の出力特性を示す特性線図である。これは高電圧パルスを、休止時間を置くことなく、連続的に印加するようにした従来の殺菌処理装置に使用されている１００ｋＷの容量のサイリスタスタック２１の出力特性線図であり、サイリスタスタック２１が２００Ｖの交流を直流に整流して２５０Ｖに昇圧する場合を示す。サイリスタスタック２１は、２５０Ｖの一定電圧を出力し、昇圧トランス２３の出力に応じて電流値が変化する。

図４に示されるように、電流が４０Ａ以下となって、出力電力が１０％以下である１０ｋＷ以下になると、電流値と出力との関係に直線性がなくなり、特性が不安定になる。このため、図４に示されるように、電極１４，１５に高電圧パルスを連続的に印加する場合と同様の電源容量のサイリスタスタック２１を、休止時間ｔ２を介して間欠的に高電圧パルスを印加するための殺菌処理装置に適用すると、サイリスタスタック２１は不安定領域で作動することになる。

そこで、昇圧トランス２３の平均出力がサイリスタスタック２１の最大電源容量の１０％以上の範囲となるように、サイリスタスタック２１の最大電源容量が設定される。

図５は本発明のサイリスタスタック２１の出力特性を示す特性線図である。図４に示される比較例である１００ｋＷの容量のサイリスタスタック２１に代えて、図５に示されるように、その１０分の１の最大電源容量である１０ｋＷの容量のサイリスタスタック２１を使用すると、サイリスタスタック２１の出力が１．０６ｋＷで良い場合でも３．７ｋＷで良い場合でも、サイリスタスタック２１は最大電源容量の１０％以上の範囲で使用され、サイリスタスタック２１は安定領域で設定電圧を出力することになる。このように、昇圧トランス２３の平均出力に対応するサイリスタスタック２１の出力は、昇圧トランス２３の平均出力に応じた容量に設定され、サイリスタスタック２１の最大電源容量の１０％以上の範囲に設定される。

サイリスタスタック２１の出力特性は、最大電源容量の６０％を越えると、直線性がなくなるので、昇圧トランス２３の平均出力に対応するサイリスタスタック２１の出力は、サイリスタスタック２１の最大電源容量の６０％以下に設定される。

このように、サイリスタスタック２１の最大電源容量を、昇圧トランス２３の平均出力に応じた容量により設定することによって、昇圧トランス２３から高電圧パルスを高精度で電極に印加することができ、飲食物材料を確実に殺菌処理しつつ過加熱を防止して、高品質の飲食物を製造することができる。さらに、昇圧トランス２３の出力容量に比して小容量の電源容量のサイリスタスタック２１を使用することができるので、殺菌処理装置の製造コストを低減することができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。図１に示した殺菌容器１０は、飲食物材料をバッチ処理するための容器であるが、飲食物材料を連続的に搬送しながら、高電圧バルスで飲食物材料を殺菌処理する場合にも本発明を適用することができ、これに加えてジュール熱を加えて殺菌処理を行うようにする場合にも本発明を適用することができる。

１０ 殺菌容器
１１ 底壁部
１２ 筒体
１３ 開口部
１４，１５ 電極
１６ 電極対
１７ 通電スペース
２０ 電源ユニット
２１ サイリスタスタック
２２ インバータ
２３ 昇圧トランス
２４ プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）
２５ 操作パネル
２６ 定電圧制御部
２７ 発振制御部
２８ 温度センサ
ｔ１ 通電時間
ｔ２ 休止時間

Claims (2)

1. 電極間に高電圧パルスを印加して電極対の間に供給された飲食物を殺菌処理する飲食物の殺菌処理装置であって、
   交流電流を直流電流に整流するサイリスタと、
   前記直流電流を高周波電流に変換するインバータと、
   前記高周波電流を昇圧して高電圧パルスを発生する昇圧トランスと、
   前記インバータを制御して前記インバータから休止時間を介して１サイクルの高周波電流を出力させる制御部と、を有し、
   前記昇圧トランスの平均出力に対応する前記サイリスタの出力は、前記サイリスタの最大電源容量の１０％以上６０％以下の範囲である、飲食物の殺菌処理装置。
2. 請求項１記載の飲食物の殺菌処理装置において、１サイクルの通電時間は６．６〜２００μｓであり、前記休止時間は４００〜６４００μｓである、飲食物の殺菌処理装置。

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