JP7276958B2 - 冷凍撹拌装置 - Google Patents

Description

本発明は、撹拌しながら、冷却媒体を注入して被冷却物を冷却する冷凍撹拌装置に関する。

チキンナゲットやつくねなど、肉や魚を調味液と混ぜて製造する製品は、ミキサーで混合する工程で摩擦熱やミキサーからの熱によって製品温度が上昇し、品質が劣化するという問題があった。そこで一般的にはミキサーの上部からドライアイスや液化窒素といった冷却媒体を投入し、温度上昇を防ぐと共に、次工程の成型性が向上するように混合物の固さをコントロールしている。

しかし、冷却媒体を上部から投入すると、ミキサー上部の肉や魚ばかり冷却が進んでしまい、冷却効率が悪い。そこで効率を上げるためにミキサーの回転数を上げると、肉等の繊維がちぎれて、肉としての質感が失われてしまうという問題があった。
そこで、食品の混合時に効率よく冷却し、温度コントロールを行う方法として、例えば特許文献１に開示されるように、液体窒素等の極低温の冷却媒体を冷凍撹拌装置の底部から供給する装置がある。

このような装置では、冷却媒体を注入する注入ノズルが極低温となることによって、注入ノズルが肉等により凍りつく現象が発生する。これを防ぐために、温水等を用いて注入ノズルを温めながら冷却を行う方法が開示されている（たとえば特許文献２である）。

国際公開第２０１８／１７２６２７号 英国特許第２５４７４８９号明細書

しかし、特許文献２に開示される方法では、注入ノズル周辺を直接的に温水やヒーター等の温媒体により加温するため、液化ガスが温められすぎて冷却の効率が低下する恐れがある。
また、温水を使用する場合には、温水を常時流していないと液化ガスによる低温で温水が凍り、再稼働時に温水が流れないという問題がある。冷凍撹拌装置では、被冷却物を投入する工程、投入された被冷却物を冷却する工程、冷却された被冷却物を取り出す工程が順に繰り返されている。冷却媒体は冷却を行う工程のみで使用されるが、注入ノズルには冷却媒体を使用していないときも冷却媒体が封入されている状態となる。そのため、注入ノズルは冷却を行う工程以外の工程を実施する間も極低温の状態となり、注入ノズル周辺を循環する温媒体が凍結してしまうのである。温媒体が凍結していると、冷却を行う工程を開始できず、製造プロセスにダウンタイムが発生する。

そこで、冷却媒体の冷熱を効率的に利用して、被冷却媒体を迅速に冷却することができる、ダウンタイムの少ない冷凍撹拌装置の開発が望まれていた。

上記課題を解決するための本発明に係る冷凍撹拌装置は、
冷凍槽と、冷却媒体を注入する冷却媒体注入機構と、を有する冷凍撹拌装置であって、
前記冷却媒体注入機構は、冷却媒体導入経路を備える注入ノズルと、前記注入ノズルの開口部周囲の前記冷凍槽の壁面を加温する加温ケースとを備え、
前記開口部の外周と前記加温ケースとが所定の間隔で離間して配置されることを特徴とする。

上記の冷凍撹拌装置において、開口部の外周と前記加温ケースとの間に設けられる所定の間隔は、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下としてもよい。

本発明に係る冷凍撹拌装置は、前記開口部の外周と、前記加温ケースとの間に、断熱部を有することもできる。

上記の前記断熱部は、固体断熱材料で充填され、前記固体断熱材料はシリコン樹脂、フッ素樹脂、有機樹脂、織布材料、不織繊維材料、および多孔性マトリクス材料のうちの少なくとも1つを含んでもよい。

上記の冷凍撹拌装置における前記注入ノズルは、開閉弁を備え、前記開閉弁は、前記注入ノズルから前記冷却媒体が噴射されないときには前記注入ノズルの開口部を閉鎖するように閉弁することを特徴とすることができる。

上記の冷凍撹拌装置における加温ケースは、温媒体流体が循環する温媒体循環経路またはヒーターを有することができる。

上記の加温ケースに温媒体流体を循環させる場合において、温媒体流体は温度３０℃以上１００℃未満の温水または温度３０℃以上２００℃未満のオイルであってもよい。

上記の冷凍撹拌装置に用いられる冷却媒体は液体窒素または液化炭酸とすることができる。

上記の冷凍撹拌装置によれば、冷却媒体を注入する開口部の外周と、加温ケースとが離間して配置される。このため、注入ノズル内を通過した冷却媒体は加温されることなく、低温状態のまま冷凍撹拌装置内に噴射される。したがって冷却媒体の冷熱を効率よく被冷却物の冷却に使用して、迅速に冷却することが可能となる。また、冷却媒体は加温されない状態で被冷却物の冷却に使用されることから、冷却媒体使用量を削減することが可能となる。

さらに、加温ケース内に温媒体流体を循環させる場合には、温媒体流体の凍結も防止することができる。冷却媒体は、被冷却物を冷却する工程の間は注入ノズルから冷凍撹拌装置に向けて噴射されるが、それ以外の工程の間は注入ノズル内に滞留している。ここで、本発明においては注入ノズルと加温ケースが離間して配置されているため、加温ケース内の温媒体流体が冷却媒体の冷熱によって凍結されることはない。したがって、冷却する工程以外の時間には、凍結防止を目的とする温媒体流体の循環を実施しないことが可能となり、温媒体流体の使用量を低減することが可能となる。凍結した温媒体流体を融解させるためのダウンタイムも発生しない。

また、注入ノズルの開口部周囲は、加温ケースにおける温媒体流体またはヒーターにより加温されることから、被冷却物が注入ノズルの開口部周囲で凍結する現象を抑制することが可能となる。
なお、被冷却物を冷却している間は、注入ノズルの開口部から冷却媒体が噴射されていることから、開口部及びその直近で被冷却物が一時的に凍結したとしても冷却媒体に同伴されて冷凍撹拌装置内部へと噴射されるため、凍結物で開口部が閉塞することはない。

本発明に係る冷凍撹拌装置の構成例を示す図である。 加温ケース２３を冷凍槽１０の内側方向から、冷凍槽１０壁面を透視して見た図である。 別の加温ケース２３を冷凍槽１０の内側方向から、冷凍槽１０壁面を透視して見た図である。 本発明に係る加温ケースの構成例を示す斜視図である。 本発明に係る加温ケースの構成例を示す斜視図である。 本発明に係る加温ケースおよび注入ノズルの構成例を示す図である。 本発明に係る加温ケースおよび注入ノズルの構成例を示す図である。 本発明に注入ノズルの構成例を示す図である。

本発明に係る冷凍撹拌装置は、被冷却物、特に食品等を撹拌しながら冷凍する装置である。被冷却物である食品の例としては、肉類や魚類を調味液と混合する加工食品が挙げられる。

本発明に係る冷凍撹拌装について、図１～図４を用いて説明する。
図１に示す冷凍撹拌装置１００は、冷凍槽１０と、冷却媒体を注入する冷却媒体注入機構２０と、を有する。冷凍撹拌装置１００内において、被冷却物１１は冷凍槽１０に保持され、冷却媒体により冷却されながら撹拌される。

冷却媒体注入機構２０により、外部から供給される冷却媒体が冷凍槽１０内に向けて噴射される。このとき、冷凍槽１０の上部から冷凍槽１０の内部に向けて、冷却媒体を下向きに噴射することも可能であるが、図１に示すように冷凍槽１０の下部から上向きに噴射する方が熱効率が高い。
本発明では、冷凍槽１０内の、被冷却物１１が保持される高さ（図１にＡで示す位置）より下方、すなわち冷凍槽１０の中部から下部に冷却媒体注入機構２０が配置される。

使用される冷却媒体は、冷熱を伝達することができる媒体であれば特に限定されないが、被冷却物が食品である場合には、安全性が高く被冷却物に対して不活性である媒体が好ましい。たとえば液体窒素や液化炭酸を使用することができる。

冷却媒体注入機構２０は、冷却媒体導入経路２２を備える注入ノズル２１と、加温ケース２３を備える。
図２および図３は、加温ケース２３を冷凍槽１０の内側方向から、冷凍槽１０壁面を透視して見た図である。開口部２４の周囲には断熱部４０が形成され、温媒体またはヒータは加温ケース２３の外周３２と内周３１に囲まれた部分に収納される。
加温ケース２３は、温媒体またはヒーターを収納することができる構造であればよく、図２に示すように中空部を有する四角形状でもよく、図３に示すようにドーナツ形状であってもよい。

図１に示す冷却媒体導入経路２２は外部の冷却媒体貯槽（不図示）から供給される冷却媒体を注入ノズル２１に導入するための経路である。
冷却媒体は、注入ノズル２１の開口部２４から冷凍槽１０の内部に向けて噴射される。したがって、冷凍槽１０の内部では、開口部２４およびその周辺が特に温度の低い部分となる。

加温ケース２３は、冷凍槽１０の壁面のうち、開口部２４の周囲であって、かつ、開口部２４の外周２５から所定の間隔で離間している部分を加温するものである。
加温ケース２３内にはヒーターを配置してもよく、温媒体流体を循環させる温媒体循環経路を設けてもよい。中空部を有する四角形上の加温ケース２３に温媒体流体循環経路を設ける場合には、図４に斜視図で示すように、温媒体流体を加温ケース２３に導入する導入ライン５０と、加温ケース２３から導出する導出ライン５１を設け、加温ケース２３の内部全体を温媒体流体循環経路としてもよい。
図５は、図４に示す加温ケース２３を裏側（すなわち、加温ケース２３を冷凍槽１０に取り付けた時に、冷凍槽１０の壁面側となる方向）から見た図である。加温ケース２３の外周３２と内周３１に囲まれた部分に導入ライン５０から流入する温媒体を流通させることができ、導出ライン５１から排出させることができる。

温媒体流体は、加熱することができる流体であれば特に限定されず、例えば温水やオイルであってもよい。取り扱いの利便性と安全性、加温効率を考慮すると、温水を使用する場合には温度を３０℃以上１００℃未満とすることが好ましく、５０℃以上７０℃以下とすることがさらに好ましい。オイルを使用する場合には３０℃以上２００℃未満とすることが好ましく、５０℃以上７０℃以下とすることがさらに好ましい。なぜなら温媒体の温度が低すぎる場合には温媒体が容易に凍結し、高すぎる場合には被冷却物の冷却効率が低下するためである。

図６に、冷凍槽１０の内側方向から見た開口部２４および加温ケース２３の位置関係を示す。図７は、冷凍槽１０の外側方向から見た開口部２４および加温ケース２３の位置関係を示す。冷却媒体は開口部２４から噴射されるため、開口部２４と開口部の外周２５は最も温度が低くなる。しかし、開口部２４及び開口部の外周２５近傍に被冷却物があっても、冷却媒体に同伴されて噴射されることから、その場所に被冷却物が凍結したり、凍結した被冷却物により注入ノズル２１の開口部２４が閉塞することはない。

本発明では、加温ケース２３により加温する部分を、注入ノズル２１の外周２５から所定の間隔で離間した場所（図６中に実線両矢印で示す）とする。具体的には、所定の間隔とは、加温ケース内の温度に応じて定めることができ、例えば外周２５から加温ケース２３の内周３１までの距離が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることができる。加温ケース２３内の温度（加温ケース２３内にヒーターが配置される場合にはヒーターの温度、加温ケース２３内に温媒体流体を循環させる場合には温媒体流体の温度である）が高い場合には、外周２５から加温ケース２３の内周３１までの距離を狭くしてもよい。加温ケース２３内の温度が低い場合には、外周２５から加温ケース２３までの距離が短すぎると、加温ケース２３内が過度に冷却され、温媒体流体を使用する場合には温媒体流体が凍結する恐れがあるためである。一方で、距離が長くなりすぎると、開口部２４の周囲が過度に冷却され、被冷却物が開口部２４の周囲に凍結し、開口部２４を閉塞させる恐れがある。

冷凍槽１０の壁面のうち、開口部２４の中心から加温ケース２３により加温される部分の外周（図６中に点線両矢印で示す）までの距離は、特に限定されず、例えば３０ｍｍ以上１００ｍｍ以下としてもよい。この距離が短すぎると加温される部分の外周３２の外側に被冷却物が凍結して付着し、その部分の撹拌が不十分になる恐れがある。一方、この距離が長すぎると温媒体の使用量が増加して非効率であるし、凍結撹拌装置の冷却効率も低下する。
開口部の外周２５から加温される部分の内周３１および外周３２までの距離は、熱媒体の熱量、温度、流量等に応じて定めることができる。

開口部２４の外周２５と加温ケース２３との間は、断熱部４０を有することにより断熱されていることが好ましい。加温ケース２３からの入熱が冷却媒体に直接伝達されない方が、より低い温度の冷却媒体を冷凍槽１０に供給することができ、また、冷却媒体の冷熱による温媒体流体の凍結も抑制できるためである。断熱部４０は空気が入る隙間とすることもできるが、固体断熱材料で充填されていてもよい。固体断熱材料は、断熱性能を有するものであれば特に限定されず、例えばシリコン樹脂、フッ素樹脂、有機樹脂、織布材料、不織繊維材料、および多孔性マトリクス材料のうちの少なくとも1つを含む材料であってもよい。

注入ノズル２１の開口部２４に開閉弁６１が備えられていてもよい。開閉弁６１の下部にはスプリング６２が配置されており、冷却媒体が噴射されないときはスプリング６２により開閉弁６１が押し下げられることにより閉弁している。冷却媒体導入経路２２から所定の圧力を有する冷却媒体が供給されると、スプリング６２による押下げに反発するように開閉弁６２が押し上げられて、冷却媒体流通経路２２との隙間から冷却媒体が噴射される。このように開閉弁６１を配置することにより、被冷却物が注入ノズル２１内部に侵入し、注入ノズル２１が閉塞する現象を抑制することが可能となる。

（実施例）
図４ないし図７に示す形状の冷却媒体注入機構２０を取り付けた冷凍撹拌装置を製作し、注入ノズル２１付近の凍結状況等を確認した。
冷凍撹拌装置は厚さ５ｍｍのステンレススチール製壁面を有し、容量５５０Ｌの冷凍槽を有するミキサーである。ここにひき肉１００ｋｇと調味液２００Ｌを導入し、冷却および撹拌を行った。ひき肉と調味液の撹拌が完了し、出来上がった混合物の全体の温度が－４℃まで低下した段階で冷凍工程は終了し、混合物を取り出す取り出し工程を実施した。
冷却媒体としては、送液圧力０．５ＭＰａ、温度－１９５．８℃の液体窒素を使用した。

（実施例１）
実施例１では、注入ノズル２１の開口部２４の外周２５から加温ケース２３の内周３１までの距離を１０ｍｍとし、開口部２４中心から加温ケース２３の外周３２までの距離を６０ｍｍとし、温媒体流体として温度６０℃の温水を流速２ＳＬＭで加温ケース内に導入した。実施例１では、冷凍槽１０の内側壁面の内、加温ケース２３の内周３１と外周３２に囲まれる部分に接する部分の平均温度は４０℃となり、当該部分への被冷却物（ひき肉および調味液）の凍結は確認されなかった。また、冷凍工程が完了するまでの時間は１０分であった。
冷凍工程完了後、被冷却物を冷凍槽１０から取り出すための取り出し工程がある。取り出し工程の間は冷却媒体の供給は停止されており、冷却媒体が注入ノズル２１の内部に滞留する状態となる。しかし、取り出し工程終了後にも加温ケース２３内の温媒体流体は凍結せず、そのまま次の冷凍工程を実施することが可能であった。

（比較例１）
比較例１では、注入ノズル２１の開口部２４に直接加温ケース２３が接する形状（開口部２４の外周２５から加温ケース２３の内周３１までの距離が０ｍｍである）とした。そのほかの条件は実施例１と同様である。比較例１では、冷凍槽１０の内側壁面の内、加温ケース２３の内周３１と外周３２に囲まれる部分に接する部分の平均温度は２０℃となり、当該部分への被冷却物の凍結は確認されなかった。しかし、冷凍槽１０に噴射されるときの冷却媒体の温度が、温媒体流体による加熱で上昇していたため、冷凍工程が完了するまでの時間は実施例１よりも長い１５分であり、使用した液体窒素の量は実施例１よりも多かった。
また、冷凍工程完了後に実施される取り出し工程の間に加温ケース２３内の温水が凍結したため、次の冷凍工程を開始するまでに、温水を溶解させるための２０分のダウンタイムが発生した。

（比較例２）
比較例２では、加温ケース２３を設置せず、冷却媒体を実施例１と同様の条件で冷凍槽１０に噴射した。比較例２では、冷凍槽１０の内側壁面の内、実施例１において温度測定を行った部分と同じ部分の平均温度は－５０℃となり、当該部分へ多量の被冷却物の凍結が発生した。これは冷却媒体の冷熱がそのまま冷凍槽１０の壁面に伝達され、過度に冷却されたためである。凍結の発生により注入ノズル２１の閉塞が発生し、冷却媒体の噴射が停止する現象が発生した。凍結した食品は品質が低下することから、製品として使用することができず、歩留まりが低下する結果となった。

以上の結果から、本発明の冷凍撹拌装置を用いることにより、冷却媒体である液体窒素の冷熱を効率的に利用し、被冷却媒体であるひき肉および調味液を迅速に冷却できたと言える。また、冷却後のひき肉と調味液の混合物を取り出す取り出し工程において、温媒体流体である温水が凍結する現象を抑制することができたため、凍結した温水を融解させるためのダウンタイムの発生を回避することができた。

１００．冷凍凍結装置
１０．冷凍槽
１１．被冷却物
２０．冷却媒体注入機構
２１．注入ノズル
２２．冷却媒体導入経路
２３．加温ケース
２４．開口部
２５．開口部の外周
３１．加温ケースの内周
３２．加温ケースの外周
４０．断熱部
５０．導入ライン
５１．導出ライン
５２．流通ライン
６１．開閉弁
６２．スプリング

Claims (7)

1. 冷凍槽と、冷却媒体を注入する冷却媒体注入機構と、を有する冷凍撹拌装置であって、
   前記冷却媒体注入機構は、冷却媒体導入経路を備える注入ノズルと、前記注入ノズルの開口部周囲の前記冷凍槽の壁面を加温する加温ケースとを備え、
   前記開口部の外周と前記加温ケースとが所定の間隔で離間して配置され、
   前記注入ノズルは、開閉弁を備え、
   前記開閉弁は、前記注入ノズルから前記冷却媒体が噴射されないときには前記注入ノズルの開口部を閉鎖するように閉弁する、
   ることを特徴とする、冷凍撹拌装置。
2. 前記所定の間隔は、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である、請求項１に記載の冷凍撹拌装置。
3. 前記開口部の外周と、前記加温ケースとの間に、断熱部を有する、請求項１または請求項２に記載の冷凍撹拌装置。
4. 前記断熱部は、固体断熱材料で充填され、前記固体断熱材料はシリコン樹脂、フッ素樹脂、有機樹脂、織布材料、不織繊維材料、および多孔性マトリクス材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載の冷凍撹拌装置。
5. 前記加温ケースは、温媒体流体が循環する温媒体循環経路またはヒーターを有する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷凍撹拌装置。
6. 前記温媒体流体は温度３０℃以上１００℃未満の温水または温度３０℃以上２００℃未満のオイルであることを特徴とする、請求項５に記載の冷凍撹拌装置。
7. 前記冷却媒体は液体窒素または液化炭酸である、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の冷凍撹拌装置。

Images