JP7312424B2 - 流動性食品材料の通電加熱装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度により粘度が変化する流動性食品材料の通電加熱装置および方法に関する。

流動性を有する食品材料などを殺菌や調理等のために加熱する方法の一つとして、その食品材料をパイプ内で連続的に流動移送させながら、食品材料の有する電気抵抗を利用して、食品材料に直接通電することにより食品材料自体を発熱させる加熱技術（通電加熱、ジュール加熱）が実用化されている（例えば、特許文献１）。この装置では、食料品輸送管路の上流側から下流側へ向けて所定間隔を置いて少なくとも２以上の部分に、管路の中心軸線に対して同心状となるように、この管路の内面に導電材料からなる環状の電極体を設け、管路の上流側に設置した電極体と下流側に設置した電極体との間で電圧を印加して、その間を移動する流動性食品材料中に電流を流し、ジュール熱を発生させることにより連続的に加熱する。

従来の通電加熱装置では、不均一加熱により生じる温度ムラにより、流路内壁での過加熱によるスケーリングが問題となっていた。
そこで、出願人は、複数の電極体に冷却媒体流路を設け、被加熱流路の出口端近傍に、被加熱流路の内壁温度を検出する温度センサを設け、該温度センサの測定値に基づき液体冷却媒体による冷却条件を制御する連続式通電加熱装置を提案した（特許文献２）。

特公平５－３３０２４号公報 特許第４９９５１６４号公報

温度により粘度が変化する流動性食品材料を連続移送する製造ラインにおいて、連続移送が一時停止されると、パイプ内の食品材料の粘度が高くなり、運転再開後に製造される製品に不良が生じるという問題がある。そのため、従来は、一時停止時間が一定時間以上になった場合には、パイプ内の食品材料を全て廃棄しなくてはならなかった。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決することができる、運転再開機能を備える通電加熱装置および方法を提供することを目的とするものである。

本発明の通電加熱装置は、複数の電極体および複数のスペーサ管体を有し、それらの内壁が食品材料を流動移送させながら通電加熱するための加熱流路を形成する通電加熱装置と、前記食品材料を流動移送させるポンプと、前記加熱流路の入口付近に設けられた入口温度センサと、前記加熱流路の最上流に位置する電極体に設けられた電極温度センサと、前記加熱流路の出口付近に設けられた出口温度センサと、前記ポンプおよび通電加熱装置の出力を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、運転再開時に前記ポンプにより前記食品材料を流動移送させることなく前記電極温度センサ若しくは前記入口温度センサが第１目標温度に到達する第１条件が満たされるまで一定出力で加熱を行う第１加熱を実行し、第１条件が満たされた後、前記ポンプによる前記食品材料の流動移送を再開して前記出口温度センサからの信号に基づき出力を制御する自動制御に切り換える運転再開機能を備えることを特徴とする。
上記通電加熱装置において、前記制御装置が、運転が一時停止された時点の出力を記憶する機能を有し、前記第１加熱を、運転が一時停止された時点の出力とするように構成してもよい。
上記通電加熱装置において、前記第１条件が満たされた後、前記自動制御に切り換える前に、第２条件が満たされるまで一定出力で加熱を行う第２加熱を実行するように構成してもよい。
上記通電加熱装置において、前記第２条件が、前記入口温度センサが第２目標温度に到達すること、または、運転再開から予め定められた一定時間が経過することであるように構成してもよい。

本発明の通電加熱方法は、上記通電加熱装置を用いた通電加熱方法であって、前記食品材料が温度により粘性が変化する食品材料であり、前記制御装置が、運転再開時に前記ポンプにより前記食品材料を流動移送させることなく前記電極温度センサ若しくは前記入口温度センサが第１目標温度に到達する第１条件が満たされるまで一定出力で加熱を行う第１加熱を実行し、第１条件が満たされた後、前記ポンプによる前記食品材料の流動移送を再開して前記出口温度センサからの信号に基づき出力を自動制御することを特徴とする。
上記通電加熱方法において、前記制御装置が、前記第１条件が満たされた後、前記自動制御に切り換える前に、第２条件が満たされるまで一定出力で加熱を行う第２加熱を実行すること、前記食品材料がチーズであり、前記第１条件が、前記電極温度センサが５０～６５℃に到達することであること、前記第２条件が、前記電極温度センサが７０～８５℃に到達することであることを特徴としてもよい。

本発明によれば、温度により粘度が変化する流動性食品材料を連続移送する製造ラインにおいて、連続移送が一時停止後に製造される製品の不良を最小限とすること可能となる。

実施形態例に係る温度補填機能付き充填成型装置の構成図である。 実施形態例に係る通電加熱装置の拡大断面図である。 実施形態例に係る電極体の流路の断面図である。 実施形態例に係る運転再開時の温度制御を説明するフローチャートである。

本発明を実施するための形態例を、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態例に係る温度補填機能付き充填成型装置１の構成図である。この充填成型装置１は、溶融チーズを充填し、成形して包装チーズ製品を製造するための装置群であり、ニーダー１０と、通電加熱装置２０と、コントロールユニット３０と、電源ユニット４０と、充填成型機５０とを備えている。

ニーダー１０は、７５～８０℃程度まで加熱された溶融チーズを撹拌するタンクを有しており、ニーダー内の溶融チーズはポンプ１４によりパイプ１１～１３を介して下流側に定速移送される。パイプ１１および１２の間には第１開閉バルブ１５が設置されており、パイプ１２の途中には第２開閉バルブ１６が設置された分岐流路が設けられている。パイプ１２の出口付近（通電加熱装置２０の入口付近）には流路の中心軸線部分の温度を計測する入口温度センサ３１が設けられており、パイプ１３の入口付近（通電加熱装置２０の出口付近）には流路の中心軸線部分の温度を計測する出口温度センサ３３が設けられている。なお、パイプ１１および１２を二重管などにより保温するようにしてもよい。

パイプ１２および１３の途中には通電加熱装置２０が配置されており、パイプ１２内の移動時に低下した溶融チーズの温度を、充填機５０に移送する前に加熱する。充填直前に溶融チーズが一定の温度以下（例えば５０℃～６０℃以下）になると粘度が大幅に上昇し、充填量のバラツキや成形不良の原因となるという問題や一定の温度以下（例えば６０℃以下）では殺菌不良が生じるという問題があるからである。通電加熱装置２０は、パイプ１３通過時の温度低下を考慮し、例えば６０～８５℃の範囲となるように溶融チーズを通電加熱する。
充填機５０は、袋内に溶融チーズを充填するノズルと、袋内に充填された溶融チーズを成型する成型機を備えている。

図２は、実施形態例に係る通電加熱装置２０の拡大断面図である。
通電加熱装置２０は、交互に配置された複数の電極体２３と、複数のスペーサ管体２４とを備えており、これらはフランジ２２ａ～２２ｂにより挟着固定されている。電極体２３の内径とスペーサ管体２４の内径は同径となっており、交互に連結し連通させることにより被加熱食品材料を通電加熱処理するための加熱流路２１が形成されている。

電極体２３は、リング状であることが望ましいが、多角形、楕円などその形状には特に制限はない。リング状の電極２３はスペーサ管体２４に一致した内面形状を有し、スペーサ管体２４を交互に配置することにより各電極間を溶融チーズ等の流動性食品材料が通過する際に電気的回路が構成され通電加熱される。電極体２３は、良導電性の材料で構成され、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、白金、純鉄、ステンレス等の金属を用いることができる。加熱流路２１の両端付近に設けられる２つの電極体は漏洩電流阻止のためのアース電極２５であり、アース電極２５，２５に挟まれる残りの電極体２３は全て通電加熱用である。

スペーサ管体２４は絶縁材料からなり、電極体２３と交互に設置されることにより被加熱材料流路となる管路を構成する。スペーサ管体２４は、非導電性のプラスチック、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリサルフォンなどの樹脂によって作製される。スペーサ管体２４の形状は、角形の筒体としてもよく、内周面が円形で外周面が矩形となった筒体を用いてもよくその形状に制限はないが、電極体２３の断面形状とスペーサ管体２４の断面形状を対応させた形状にすることが必要である。スペーサ管体２４と電極体２３との接続面間にはシール材を組み込んで被加熱材料流路４１の外部に被加熱物が漏出することを防止している。スペーサ管体２４の長さが電極間の距離となるが、電極間の距離Ｌは、電極体２３の内径Ｒ（被加熱材料流路４１の直径）に対する比（Ｌ／Ｒ）が２倍以上であることが好ましく、さらに好ましくは、４倍以上１２倍以下であることにより均一な加熱が促進される。

加熱流路２１の両端部には流入側と流出側のジョイント部２６，２６が設けられている。それぞれの電極体２３は、被加熱材料の流れる方向に隣り合った電極体２３，２３間が相互に逆極性となるように電源ユニット４０に接続される。なお、通電加熱装置２０に設けられる電極体２３の数は加熱温度等に応じて任意に設定することができる。

図３は、電極体２３の流路の断面図である。電極体２３には加熱流路２１の内面に沿って冷媒流路２３１が同心状に設けられている。冷却媒体は電極体に設けられた冷却媒体供給口２３２の一方から供給され、反対側に設けられた冷却媒体排出口２３２から排出される。電極体２３には、さらに、給電用のネジ穴２３３が設けられている。冷媒流路２３１を設け、冷却媒体を流通させることにより、電極体２３の温度上昇を抑え、電極内壁表面の食品が過熱されることを防止している。冷却媒体は、冷却性能が高い液体冷却媒体（例えば、水）を用い、ポンプ等の公知の冷却媒体送給手段（図示せず）により冷却媒体流路を流通させる。なお、冷媒流路２３１を有しない電極体からなる通電加熱装置にも本発明の技術思想は適用可能である。

実施形態例の通電加熱装置２０では、最上流側に位置するアース電極２５にのみ電極温度センサ３２が設けられている。このように加熱流路２１の最上流部分に温度センサを設けたのは、加熱流路２１中、最上流部分の温度が最も低く、溶融チーズの粘性が高いと考えられる箇所の温度を取得するためである。なお、電極温度センサ３２は、最上流側に位置するアース電極２５に設けることが好ましいが、他の電極体２３（例えば最上流側に位置する電極体２３）に設ける構成としてもよい。

温度センサ３１～３３で計測された温度は、コントロールユニット３０に送信される。コントロールユニット３０は、処理装置、制御プログラムが格納された記憶装置および操作パネルを備えており、温度センサ３１～３３の計測値に基づき通電加熱装置２０の出力を制御する。温度センサ３１～３３は、いずれも熱電対等の公知の温度センサを用いることができる。実施形態例では、入口温度センサ３１の温度が５５℃である場合に、出口温度センサ３３の温度が７５℃となるような加熱を行った。
通常運転時は、温度センサ３３の計測値に基づき電極体２３に供給される電力をＰＩＤ制御により自動制御する。ＰＩＤ制御における比例動作（Ｐ動作）や積分動作（Ｉ動作）の値は、オーバーシュートやサイクリングを起こさないように、加熱流路２１の全長や食品材料の流速等に応じて適宜最適に設定する。

包装チーズ製品の製造中に、フィルムロール等の交換や故障のために、充填成型装置１の運転を一時停止することが必要となる場合があるが、停止時間が長引けば長引く程、流路内の溶融チーズの温度は低下する。例えば、約１０分間停止した場合、７５℃であった溶融チーズが５５℃まで低下することが確認された。溶融チーズの品温が４０℃以下になった場合はポンプ１４による移送が困難となるため、流路内の全ての溶融チーズを廃棄することが必要となる。
一時停止時間が短い場合でも、温度が低下した溶融チーズの温度を適正なものとするための制御は、通常運転時とは異なるものとなる。温度が低下した状態で通常運転時と同じ自動制御を行うとハンチングが生じ、安定稼働が得られるまでに例えば数分の時間がかかる。また、通常運転時に行われる出口温度センサ３３による出力自動制御は、出口温度センサ３３に温度が低下した溶融チーズが到達するまでフィードバックがかからないので、その分遅れが生じるという問題もある。安定稼働が得られるまでの間に移送した溶融チーズは、充填不良等の問題があることから、全て廃棄する必要があった（例えば、流量６０ｋｇ／分の場合、数百ｋｇの溶融チーズを廃棄することが必要となる。）。
以下では、実施形態例に係る運転再開時の温度制御を、図４を参照しながら説明する。以下の説明では、流路内の最も温度が低い部分の温度が４０℃以上であることを前提とする。

図４は、実施形態例に係る運転再開時の温度制御を説明するフローチャートである。
ＳＴＥＰ１０１：運転再開操作がされると、コントロールユニット３０は、通電加熱装置２０による第１加熱を開始する。これにより通電加熱装置２０の加熱流路２１内の溶融チーズが通電加熱される。第１加熱は、自動制御を行わず電圧出力を一定とする静止加熱である。静止加熱時に印加する電圧は、予め設定した値としてもよいし、運転停止時に印加していた電圧値を記憶し、自動設定するようにしてもよい。

ＳＴＥＰ１０２～１０３：加熱流路２１の電極温度センサ３２での温度監視を開始する。電極温度センサ３２の温度が第１目標温度（例えば５０℃）になるまで、第１加熱を継続する。電極温度センサ３２で温度監視をするのは、加熱流路２１の内周面付近のチーズが充分に溶融していないと、いわゆる中抜け（層流）が生じ、加熱流路２１の内周面付近のチーズが焦げるおそれがあるからである。なお、電極温度センサ３２による第１目標温度の到達監視を行わず、予め定めた一定時間または一時停止時間に応じた一定時間の間、第１加熱を行うようにしてもよい。

ＳＴＥＰ１０４～１０５：電極温度センサ３２の温度が第１目標温度に到達すると、コントロールユニット３０は、ポンプ１４を起動して溶融チーズの移送を再開する。また、監視対象センサを電極温度センサ３２から入口温度センサ３１に切り換え、第２加熱を開始する。第２加熱もまた、自動制御を行わず電圧出力を一定とする静止加熱である。第１加熱と第２加熱は同一条件の場合もあれば、異なる条件の場合もある。

ＳＴＥＰ１０７：入口温度センサ３１の温度が第２目標温度（例えば７５℃）になるまで、第２加熱を継続する。ここで、第２目標温度は、正常運転時に入口温度センサ３１が計測する温度である。なお、入口温度センサ３１による第２目標温度の到達監視を行わず、予め定めた一定時間または一時停止時間に応じた一定時間の間、第２加熱を行うようにしてもよい。

ＳＴＥＰ１０８：入口温度センサ３１の温度が第２目標温度（例えば７５℃）に到達すると、コントロールユニット３０は、第２加熱をやめ、出口温度センサ３３の計測値に基づき通電加熱装置２０の出力自動制御を開始する。出口温度センサ３３の計測値に基づく出力自動制御は、通常運転時に行われる制御である。

なお、図４の例では、第１加熱の後に第２加熱を行っているが、第１加熱の後に第２加熱を行わずに、通電加熱装置２０の出力自動制御を開始するようにしてもよい。この場合、第１加熱を電極温度センサ３２からの信号でなく、入口温度センサ３１からの信号に基づき行うようにしてもよい。
また、第１加熱で行う静止加熱は、電極温度センサ３２または入口温度センサ３１により検出した温度値により異なる出力で行うようにしてもよい。ある温度から目標温度に到達するための時間および電圧値の関係は、予めの実験により算出し、制御プログラムに記載しておくようにする。

以上に説明した実施形態例に係る温度補填機能付き充填成型装置１によれば、通電加熱装置２０により短時間で溶融チーズの温度を上昇させることができるため、パイプ１２，１３間に熱交換器を設置する構成と比べ、パイプ１２，１３の長さを短く構成することが可能である。また、パイプ１２，１３を二重管などに保温する構成の場合、一時停止時にもパイプ内の食品材料は加熱され続け製品劣化が生じるが、本発明によれば一時停止時には通電加熱装置２０による加熱も停止されるので、製品劣化の問題は生じない。

通電加熱装置２０は、複数台を直列に接続してもよく、この場合、入口温度センサ３１は最上流に位置する通電加熱装置２０の入口付近に設置し、電極温度センサ３２は最上流に位置する通電加熱装置２０の最上流に位置するアース電極２５に設置し、出口温度センサ３３は最下流に位置する通電加熱装置２０の出口付近に設置する。
実施形態例に係る温度補填機能付き充填成型装置１は、溶融チーズへの適用に限定されるものではなく、温度低下により粘度が高くなるあらゆる流動性食品（例えばカスタードクリーム、クレーム、ソース、ジャム、フルーツソース）に適用することが可能である。温度低下により粘度が変化する流動性食品としては、増粘剤を入れた調味液も対象となる。流動性食品の充填直前の温度低下は、充填量の減少を生じさせるのみならず、袋製品の熱量不足によるシール不良の問題も生じさせることがあるが、本発明はこのような問題も解決することが可能である。

１ 温度補填機能付き充填成型装置
１０ ニーダー
１１～１３ パイプ
１４ ポンプ
１５ 第１開閉バルブ
１６ 第２開閉バルブ
２０ 通電加熱装置（ジュール加熱装置）
２１ 加熱流路
２２ フランジ
２３ 電極体（リング状電極）
２４ スペーサ
２５ アース電極（リング状電極）
２６ ジョイント部
３０ コントロールユニット（制御装置）
３１ 入口温度センサ
３２ 電極温度センサ
３３ 出口温度センサ
４０ 電源ユニット

Claims (6)

1. 複数の電極体および複数のスペーサ管体を有し、それらの内壁が食品材料を流動移送させながら通電加熱するための加熱流路を形成する通電加熱装置と、
   前記食品材料を流動移送させるポンプと、
   前記加熱流路の入口付近に設けられた入口温度センサと、
   前記加熱流路の最上流に位置する電極体に設けられた電極温度センサと、
   前記加熱流路の出口付近に設けられた出口温度センサと、
   前記ポンプおよび通電加熱装置の出力を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置が、運転再開時に前記ポンプにより前記食品材料を流動移送させることなく前記電極温度センサ若しくは前記入口温度センサが第１目標温度に到達する第１条件が満たされるまで一定出力で加熱を行う第１加熱を実行し、第１条件が満たされた後、前記ポンプによる前記食品材料の流動移送を再開して前記出口温度センサからの信号に基づき出力を制御する自動制御に切り換える運転再開機能を備えることを特徴とする通電加熱装置。
2. 前記制御装置が、運転が一時停止された時点の出力を記憶する機能を有し、
   前記第１加熱を、運転が一時停止された時点の出力とする請求項１に記載の通電加熱装置。
3. 前記第１条件が満たされた後、前記自動制御に切り換える前に、第２条件が満たされるまで一定出力で加熱を行う第２加熱を実行する請求項１または２に記載の通電加熱装置。
4. 前記第２条件が、前記入口温度センサが第２目標温度に到達すること、または、運転再開から予め定められた一定時間が経過することである請求項３に記載の通電加熱装置。
5. 請求項１または２に記載の通電加熱装置を用いた通電加熱方法であって、
   前記食品材料が温度により粘性が変化する食品材料であり、
   前記制御装置が、運転再開時に前記ポンプにより前記食品材料を流動移送させることなく前記電極温度センサ若しくは前記入口温度センサが第１目標温度に到達する第１条件が満たされるまで一定出力で加熱を行う第１加熱を実行し、第１条件が満たされた後、前記ポンプによる前記食品材料の流動移送を再開して前記出口温度センサからの信号に基づき出力を自動制御することを特徴とする通電加熱方法。
6. 前記制御装置が、前記第１条件が満たされた後、前記自動制御に切り換える前に、第２条件が満たされるまで一定出力で加熱を行う第２加熱を実行すること、
   前記食品材料がチーズであり、前記第１条件が、前記電極温度センサが５０～６５℃に到達することであること、前記第２条件が、前記電極温度センサが７０～８５℃に到達することであることを特徴とする請求項５に記載の通電加熱方法。