JP6765812B2 - 凍結装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に記載の「冷凍方法および冷凍装置」は、冷凍室に配置される過冷却冷凍容器に冷風装置から冷風を送り、冷凍室の温度を計測する温度センサからの信号により冷風装置を制御する冷風制御装置が、氷結点温度より低い温度の冷風により、過冷却冷凍容器内の食品を過冷却状態に移行したことを確認後、過冷却状態の温度より低温の冷風により過冷却状態を解消させ、さらに食品を氷結点温度以下に冷却し、凍結させる、というものである。
具体的には、最初、食品に氷結点温度より低い第1の温度、例えば−5℃〜−9℃の冷風を0.5m/s以下の風速で当てて、食品を過冷却状態にする。食品が過冷却状態になった後、さらに低い第2の温度、例えば−15℃以下の冷風を、例えば0.5〜1m/sの風速で食品に当て過冷却状態を解消させて氷結晶を生成させる。その後も−15℃以下の冷風を食品に当て続け過冷却状態が解消したときに生成した氷結晶を核に食品中の水分を急速に凍結させている。
制御手段が第1のタイミングを検出すると、刺激付与手段に、被凍結物へ物理的刺激を付与するよう指示する。そうすることで、制御装置は、被凍結物が過冷却状態にあることを、確実に、検出することができる。
被凍結物に物理的刺激が付与されると、被凍結物の過冷却状態が解除されて、急激に凝固を開始すると共に、被凍結物は凝固熱を放出して、被凍結物の温度は一時的に上昇し、被凍結物に氷晶核が生成されて、氷晶核の直径が成長していく状態となる。そして、被凍結物は、氷晶核の成長が終わり、凝固が開始され、80%〜90%凝固すると、被凍結物の品温は、温度勾配が一定で緩やかに低下していく。制御手段が、この凝固が80%〜90%となったことを示す第2のタイミングを温度勾配により検出するため、被凍結物が80%〜90%凝固したことを正確に検出することができる。
図1に示す凍結装置10は、ブライン凍結により被凍結部Fを凍結させるものである。凍結装置10は、収容庫20と、冷却装置30と、温度センサ40と、撹拌装置50と、熱交換器60と、制御装置70とを備えている。
収容庫20の区画板21により仕切られた内側は、冷却媒体Rを貯留する収容庫20の貯留槽22となっている。区画板21により仕切られた外側は、冷却媒体Rからの気体を通過させる通路23となっている。
温度センサ40は、被凍結物Fの温度を測定するものである。温度センサ40は、容器24に複数個取り付けられている。
制御装置70は、凍結装置10全体を統括制御するものである。制御装置70には、作業者が操作するための操作盤80が接続されている。
制御装置70は、温度センサ用入力部71と、操作盤用入出力部72と、汎用入出力部73と、冷却装置用出力部74と、撹拌装置用出力部75と、振動付与装置用出力部76と、制御部77とを備えている。
温度センサ用入力部71は、温度センサ40からのアナログの信号をデジタル信号に変換して制御部77へ出力するAD変換の機能を備えている。操作盤用入出力部72は、操作盤80の操作キーの押下情報を制御部77へ出力したり、制御部77からの表示情報を操作盤80へ出力したりする機能を備えている。
汎用入出力部73は、制御部77内の各種情報、例えば、温度測定データなどのデータを外部へ出力したり、外部から設定情報を制御部77へ入力したりする機能を備えている。汎用入出力部73は、USBとしたり、カード型フラッシュメモリのスロット部としたり、無線通信により外部(メンテナンス会社等の端末装置)へ送信したりすることができる。
冷却装置用出力部74は、制御部77からの冷却指示を冷却装置30へ出力する機能を備えている。撹拌装置用出力部75は、制御部77からの撹拌指示を撹拌装置50へ出力する機能を備えている。振動付与装置用出力部76は、制御部77からの振動指示を容器24に内蔵された振動付与装置へ出力する機能を備えている。
制御部77は、温度センサ40からの信号により被凍結物Fの温度勾配を演算して、被凍結物Fの凍結制御を行う制御手段として機能するものである。
温度勾配Tgは、測定した時間taと、時間taの後の時間tbのそれぞれの温度をT1,T2としたときに、温度勾配Tg=(T2−T1)/(tb−ta)により演算される。
凍結装置10では、冷却装置30が冷却媒体Rを冷却し始める(ステップS20)。
制御装置70では、温度センサ40からの信号を、制御部77が温度センサ用入力部71を介して受信して、被凍結物Fの温度を測定して、温度勾配Tgを演算する(ステップS30)。制御部77は、温度センサ40による温度測定、および測定された温度からの温度勾配Tgの演算を、これ以降、被凍結物Fが目標凍結温度に冷却されるまで、継続的に監視する。凍結装置10が冷却し続けることで、被凍結物Fの温度が凝固点Pを超えて過冷却状態となっていく(図4参照)。
収容庫20は、2重構造になっているため断熱性および保温性を向上させることができる。
被凍結物Fの温度は、直線的に低下し、凝固点Pを超えて過冷却状態となったA区間から、被凍結物Fが有するエネルギーバリア(潜熱と凝固熱がせめぎ合いをしている状態)を超えて、被凍結物Fに臨界核が発生することで、臨界核の発生前の温度低下より、被凍結物Fの温度低下が円弧を描くように緩やかになり、緩慢になったB区間には入る。
制御部77が、所定値をB区間内のいずれかの温度勾配Tgとし、このB区間を第1のタイミングT1として、被凍結物FがB区間のいずれかの状態となったことを、温度勾配Tgにより検出することで、制御部77は、被凍結物Fに物理的刺激を付与するに適した温度となったことを、確実に、検出することができる。
なお、本実施の形態では、第1のタイミングT1は、B区間でも温度低下が停滞したことを示す温度勾配が0に近いマイナスの値(B区間とC区間の境界の前)となったときとしている。
従って、温度勾配Tgが所定値となったか否かは、温度勾配Tgが所定値未満となったこと、または温度勾配Tgが所定値以下となったことで判定するのが望ましい。
このようにして制御部77は、第1のタイミングT1を判定する(ステップS40)
そして、被凍結物Fの凝固が80%〜90%となると、被凍結物Fの温度勾配が降下し始める(D区間)。更に、被凍結物Fが冷却され、第3のタイミングT3を超えると、被凍結物Fの品温が急激に低下して完全に凍結することで、被凍結物Fの温度が急激に低下し始める(E区間)。
このようにして、制御部77は、C区間経過後、D区間が開始する第2のタイミングT2、及び被凍結物Fの温度が急激に低下し始めるE区間の始まりを示す第3のタイミングT3を検出することができる。
制御部77が第3のタイミングT3を検出することで、被凍結物Fが80%〜90%凝固したタイミングを確実に検出することができる。
被凍結物Fが80%〜90%凝固しているため、冷却強度を上げても、被凍結物Fに亀裂や裂け、変質を発生させることなく、最終的な凍結温度である目標凍結温度に向けて、被凍結物Fを急激に冷却することができる。
被凍結物Fの温度が目標凍結温度であった場合、被凍結物Fへの冷却を停止してもよいが、冷却を停止したことで被凍結物Fに2℃〜4℃の温度の戻りが発生するため、制御部77は、2分から3分の最終的な冷却を行う(ステップS90)。
撹拌装置50および容器24に内蔵された振動付与装置は、第1のタイミングから被凍結物Fの温度が目標凍結温度となるまで、即ち、C区間、D区間およびE区間に渡って、冷却媒体Rを撹拌または容器24を振動して、被凍結物Fに物理的刺激を付与し続けている。
最終的な冷却が終了すると、被凍結物Fの凍結が完了する。
更に、凍結装置10では、既述したように第2のタイミングT2を検出すると、冷却装置30の冷却強度を上げているため、更に、凍結時間を短縮することができる。
更に、空冷式は被凍結物の表面のみ直接刺激を付与しており、被凍結物の内部品温との差が大きくなり、損傷が発生しやすくなる。被凍結物内の含水率によっては、表面のクラッシユ、或は、内部氷晶核の成長により細胞の損傷が大きくなる。そして、特許文献1記載の冷凍装置は温度センサによるプログラムフリーザーで、凍結装置10と違いコントロールフリーザーではない。
凍結装置10は凍結時間の大幅な短縮、過冷度による氷晶核の生成と成長を抑えるため、被凍結物Fの表面と内部の温度のムラがなく瞬時に凍結でき、微小な臨界核等による効率的かつ良質な凍結が実現される。その結果、空冷式に比べてランニングコストやC02排出量を大幅に抑えることができる。
しかし、冷却媒体Rとして液体を用いる方が、急速に被凍結物を凍結することができるため、本発明は、ブライン凍結に好適である。
20 収容庫
201 底部
202 側壁部
203 天井部
21 区画板
22 貯留槽
23 通路
24 容器
30 冷却装置
40 温度センサ
50 撹拌装置
60 熱交換器
70 制御装置
71 温度センサ用入力部
72 操作盤用入出力部
73 汎用入出力部
74 冷却装置用出力部
75 撹拌装置用出力部
76 振動付与装置用出力部
77 制御部
80 操作盤
81 表示部
82 操作部
F 被凍結物
R 冷却媒体
Claims (6)
- 被凍結物が配置される収容庫と、
前記収容庫の冷却媒体の温度を低下させる冷却手段と、
前記被凍結物の温度を測定する温度センサと、
前記被凍結物へ物理的刺激を付与する刺激付与手段と、
前記温度センサからの信号により演算された前記被凍結物の温度勾配が、被凍結物が有するエネルギーバリアを超えて、被凍結物に臨界核が発生することで、臨界核の発生前の温度低下より被凍結物の温度低下が緩やかになり、緩慢になった区間におけるいずれかの温度勾配を第1のタイミングとして検出すると、前記被凍結物へ物理的刺激を付与するように、前記刺激付与手段に指示する制御手段と、
を備えた凍結装置。 - 被凍結物が配置される収容庫と、
前記収容庫の冷却媒体の温度を低下させる冷却手段と、
前記被凍結物の温度を測定する温度センサと、
前記被凍結物へ物理的刺激を付与する刺激付与手段と、
前記温度センサからの信号により演算された前記被凍結物の温度勾配が、被凍結物が有するエネルギーバリアを超えて、被凍結物に臨界核が発生することで、臨界核の発生前の温度低下より被凍結物の温度低下が緩やかになり、緩慢になった区間におけるいずれかの温度勾配を第1のタイミングとして検出すると、前記被凍結物へ物理的刺激を付与するように、前記刺激付与手段に指示するとともに、前記刺激付与手段が物理的刺激を前記被凍結物に付与することで、前記被凍結物の温度が上昇した後、前記冷却手段による冷却により、前記被凍結物の温度勾配が、再度、低下する第2のタイミング、又は第2のタイミングの後前記被凍結物が80%〜90%凝固し、その温度が更に急激に低下する第3のタイミングを示す値となったことを検出する機能を有する制御手段と、
を備えた凍結装置。 - 被凍結物が配置される収容庫と、
前記収容庫の冷却媒体の温度を低下させる冷却手段と、
前記被凍結物の温度を測定する温度センサと、
前記被凍結物へ物理的刺激を付与する刺激付与手段と、
前記温度センサからの信号により演算された前記被凍結物の温度勾配が、被凍結物が有するエネルギーバリアを超えて、被凍結物に臨界核が発生することで、臨界核の発生前の温度低下より被凍結物の温度低下が緩やかになり、緩慢になった区間におけるいずれかの温度勾配を第1のタイミングとして検出すると、前記被凍結物へ物理的刺激を付与するように、前記刺激付与手段に指示するとともに、前記刺激付与手段が物理的刺激を前記被凍結物に付与することで、前記被凍結物の温度が上昇した後、前記冷却手段による冷却により、前記被凍結物の温度勾配が、再度、低下する第2のタイミング、又は第2のタイミングの後前記被凍結物が80%〜90%凝固し、その温度が更に急激に低下する第3のタイミングを示す値となったことを検出する機能を有し、前記第2又は第3のタイミングを検出すると、前記冷却手段の冷却強度を上げるよう指示する機能を有する制御手段と、
を備えた凍結装置。 - 前記制御手段は、前記第1のタイミングを検出したときから、前記被凍結物の目標冷却温度まで、前記刺激付与手段による物理的刺激を維持させる機能を備えた請求項1から3のいずれか1項に記載の凍結装置。
- 前記収容庫は、区画板で仕切られた二重構造で、その内部に前記冷却媒体を貯留し、前記被凍結物の容器を収容するものであり、前記収容庫には、前記液状の冷却媒体を撹拌する撹拌手段が設けられている請求項1から4のいずれか1項に記載の凍結装置。
- 前記収容庫は、区画板で仕切られた二重構造で区画板の内側には、冷却媒体を貯留する貯留槽、前記被凍結物が収納される容器を備え、区画板の外側には、冷却媒体からの気体を通過させる通路を備え、前記容器には、前記刺激付与手段として、振動付与装置が内蔵されている請求項1から5のいずれか1項に記載の凍結装置。
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