JP7479607B2

JP7479607B2 - 不均一撹拌機能を有するディスクタイプのミキシングヘッド

Info

Publication number: JP7479607B2
Application number: JP2020145114A
Authority: JP
Inventors: 亮一水戸
Original assignee: 株式会社愛工舎製作所
Priority date: 2020-08-29
Filing date: 2020-08-29
Publication date: 2024-05-09
Anticipated expiration: 2040-08-29
Also published as: JP2022040421A

Description

本発明は、主に、パンやケーキ生地などの被撹拌食材を撹拌する連続発泡ミキサーに使用されるディスクタイプのミキシングヘッドに関するものであって、被撹拌食材の撹拌・粉砕時において食材の粒子径を不均一とさせる機能を有する。

食品の製造加工業界において、カステラやスポンジケーキなどのソフトな生地類を連続的かつ大量に製造する場合には、図１の斜視図（ミキシングヘッドの構造体の一部をカットモデルとして図示）に示すようなディスクタイプの連続発泡ミキシングヘッドが用いられることが多い。このようなミキシングヘッド１００は、主に、ステーターハウジング１０１ａと、ステーターヘッド１０１ｂから構成されるステーター１０１と、回転軸１０３によってステーターの内部で高速回転されるディスクタイプのローター１０２から構成されている。

ステーター１０１とローター１０２の双方の対向面には、同心円状でかつ環列状に突出した多数の小突起（以下、単に「ピン」と言う。）１０４が設けられており、撹拌時に撹拌対象の食材が係るピンの隙間を通過することによって被撹拌食材の撹拌・粉砕処理が為されるのである。なお、ローター１０２の回転時に、ローター１０２とステーター１０１との対向するピンどうしが干渉し合わないように、双方のピン１０４は、ローターとステーターのそれぞれの対向面で、直径の異なる互い違いの環列同心円状に設けられていることは言うまでもない。

パンやケーキ生地などの食材は、図２のミキシングヘッドの略断面図に示されるように、その側面に設けられた抽入孔１０５から空気などの気泡と共にミキシングヘッドに連続的に供給される。その後、被撹拌食材は、ステーターハウジング１０１ａ、及びローター１０２の下片面（図２において下側の意）のそれぞれに設けられたピン１０４の隙間を通過しつつ撹拌・粉砕され、回転中心部分からローター１０２の外縁部方向に向かって移動する。

食材がローター１０２の外縁部に達すると、食材はローター外縁部とステーター内面の側面周囲部との間に設けられた隙間を抜けて、ローター１０２の上片面（図２において上側の意）に移動する。ローターの上片面側に移動した食材は、今度は、ステーターヘッド１０１ｂとローター１０２の上片面の対向面のそれぞれに設けられたピン１０４の隙間を通過しつつ撹拌・粉砕され、ローター外縁方向から回転中心部分に向かって移動する。そして、回転軸１０３の先端方向に設けられた抽出孔１０６からミキシングヘッド１００の外部に抽出される。なお、撹拌対象である食材の流れの概略を図２中の小矢印群に示す。

係る一連の処理工程により、撹拌対象である食材の撹拌・粉砕が行われると同時に、食材中への空気の取り込みが行われ、その食品独特の食感や味・まろやかさ等を作り出すことができる。特に、スポンジケーキやカステラなどのデリケートな生地類を撹拌する際には、被撹拌食材中における空気の含有量が食材品質の重要なファクターとなり、含有される空気の割合によってその食感が大きく異なる。因みに、風味豊かな食感を得るためには、一般的に生地類の比重が０．４～０．８程度になるまで食材中に空気の混入が必要であると言われている。

また、食品独特の食感の形成においては、撹拌・粉砕処理が施された食材の粒子径の分布が大きく影響している。一般に、パンやケーキ生地などの食材は、小麦粉や卵白・卵黄などの粒子が分散質として、ミルクやクリームなどの分散媒の中に分散した疑似コロイド的な分散相を形成しているものと仮定することができる。処理工程が進むに伴って分散質の粒子径は順次破砕されて一層細かく、かつ均一となり、処理が進むにつれて撹拌対象である食材の食感は一層滑らかとなる。

しかしながら、近年、食材風味における自然回帰の願望が社会的に強まり、このような滑らかな食材の食感ではなく、いわゆるザラザラとした食感である自然食感のパンやケーキが消費者に好まれるようになってきた。このようなザラザラとした食感は、撹拌対象物である食材の粒子径の分布にバラツキを加え、敢えて、滑らかで均一の撹拌・粉砕結果を押えることで達成できる。そして、係る撹拌・粉砕処理は、例えば、特許文献１に示すような従来の縦型ミキサーを用いて、ケーキやパン生地などの食材を撹拌することによって実現することができる。

このような従来からの縦型ミキサーを使用して食材の撹拌・粉砕を行う場合の実例を図３に示す。撹拌対象物の食材は、図中のボウルｃの内部に滞留されており、撹拌を行う際には当該ボウルが支持アームｄによって鉛直方向に上昇され、撹拌子ｂがボウルｃの内部に降ろされる。その後、撹拌子ｂの上部に接続された駆動制御部ａに含まれる駆動モーター及び回転駆動機構（図示せず）によって撹拌子ｂが回転駆動され撹拌処理が行われる。なお、撹拌子ｂの形状は撹拌対象の食材によって種々様々であり、図３に示した事例（ホイッパータイプの撹拌子）に限定されるものではない。

なお、図３に示す事例では、撹拌子が撹拌対象物である食材中に上部から挿入される形式であり、また、特許文献１に示す事例では、撹拌子が撹拌対象物である食材中の下部に位置して撹拌処理を行うものである。すなわち、これらの従来技術では、撹拌対象物である食材が、ミキシングヘッドのステーターと回転するローターとの間を流れるのではなく、ボウルなどの容器に滞留される仕組みとなっており、回転する撹拌子が撹拌対象の食材中に、上方または下方の鉛直方向から加えられる構造となる。因みに、係る構造的な特徴により、このような形式のミキサーが「縦型ミキサー」と称される由縁となっている。

これらの縦型ミキサーでは、撹拌・粉砕動作を担う撹拌子がボウルに滞留された食材中で回転する為、撹拌・粉砕効果が食材全体に同時かつ均一に及ぶものではない。それ故、撹拌子の回転によって被撹拌食材中に生ずる食材の対流運動により、撹拌・粉砕効果が順次被撹拌食材中に及ぶことになる。このため、被撹拌食材全体に及ぶ撹拌・粉砕効果は均一ではなく、当然、撹拌・粉砕処理の結果による食材粒子径のバラツキが生ずる。つまり、このような食材粒子径のバラツキが、いわゆるザラザラとした自然食品的な食感を生むのである。

特開２０１３－１１０９９３号公報

しかしながら、特許文献１や前述の図３の事例に示された従来技術では、処理の度毎に撹拌対象の食材をボウルに入れ、その後、撹拌子による撹拌・粉砕処理を行い、処理の終了後にボウルから食材を取り出す、と言う一連の作業手順に基づいて順次作業が進められる。したがって、前述の図１や図２に示したような連続発泡ミキシングヘッドを用いたときのように被撹拌食材の連続処理を行う事ができず、大量かつ連続的に被撹拌食材を製造することが不可能であった。

本発明は、このような従来からの課題を解決することを目的としたものであって、撹拌・粉砕後の食材の粒子径分布にバラツキの有る状態を作り出すことが可能であり、大量かつ連続的に被撹拌食材を製造することができるディスクタイプの連続発泡ミキシングヘッドを提供するものである。

本発明の第１の観点によるディスクタイプのミキシングヘッドは、
ステーターハウジングとステーターヘッドから成るステーターと、前記ステーターハウジングとステーターヘッドの間に挟持され、回転軸によって回転駆動されるディスクタイプのローターとを含み、前記ローター及びステーターの対向する両端面に同心円状かつ環状に並ぶ複数の小突起群を設け、前記ステーターとローターとの間を連続的に流れる被撹拌食材を撹拌・粉砕するディスクタイプのミキシングヘッドであって、
前記ローターには同心円状かつ環状に配列された複数の貫通孔を穿ち、前記ステーターとローターとの間を流れる食材の主要経路に、前記ローターに設けられた貫通孔を通過する食材のバイパス経路を併設したことを特徴とする。

また、本発明の第２の観点によるディスクタイプのミキシングヘッドは、前記第１の観点において、
前記ローターに環状に配列された貫通孔は、複数の同心環状に設けられていること特徴とする。

以上の解決手段を備えた本発明によれば、ディスクタイプのミキシングヘッドを用いて、食材の粒子径が異なりザラザラとした自然食感のあるケーキ生地やパン生地を連続して大量に製造することができ、従来の縦型ミキサーを用いる場合に較べて作業効率を大幅に高めることが可能である。

本発明によるディスクタイプのミキシングヘッドを実現するための最良の形態である実施例について、本発明の明細書に添付された各図面を参照しつつ以下に説明を行う。先ず、本発明に基づくディスクタイプのミキシングヘッド１０（以下、単に「ミキシングヘッド１０」という）のカットモデル斜視図を図４に、また、その略断面図を図５に示す。

これらの図からも明らかなように、ミキシングヘッド１０の基本構造は、前述の図１、図２に示した従来タイプのミキシングヘッド１００の場合とほぼ同様である。なお、ミキシングヘッド１０を構成する各部材の材質は特に限定されるものではないが、その強度や防錆性、或は、食品製造機械として使用されるという衛生面を考慮すれば、ステンレス鋼材（例えば、ＳＵＳ３１６鋼材など）を用いることが好ましい。

添付の各図に示される通り、ミキシングヘッド１０は主に、ステーターハウジン１１ａ、ステーターヘッド１１ｂから成るステーター１１と、ステーター１１の内部に収められたローター１２から構成されている。ローター１２は、モーターなどの動力源（図示せず）から回転軸１３を介し、ステーター１１の内部において高速度で回転駆動されるディスクタイプの部材である。

ミキシングヘッド１０の側面には、パンやケーキ生地などの被撹拌食材と空気の混合流体を供給する抽入孔１５が設けられており、また、回転軸１３の先端方向には、ステーター１１とローター１２によって撹拌された被撹拌食材を、ミキシングヘッド１０の外部に抽出するための抽出孔１６が設けられている。

なお、ミキシングヘッド内における被撹拌食材の流れを図５中の小矢印群に示す。因みに、ミキシングヘッド１０への被撹拌食材の供給方法は、圧送ポンプなどを用いて抽入孔１５から圧入するようにしても良いが、構造の簡易化や食材流量制御の容易性等に鑑みれば、抽出孔１６から吸引して抽出する方法を採用することが好ましい。

また、ステーターハウジン１１ａ及びステーターヘッド１１ｂの内面には、複数の同心円状かつ環列状に突出した多数の小突起（以下、単に「ピン」と言う。）１４が設けられている。また、ステーター１１の内面に対向するローター１２のディスクの両端面にも、同様の小突起（ピン）１４が設けられている。

ステーター１１及びローター１２に配置・配列された複数のピンの様子を表すべく、ステーターヘッド１１ｂの内面と、ローター１２端面の平面図を図６及び図７に示す。なおローター１２は、ステーター１１の内部で高速回転するため、図６、７に示された両部材に設けられたピン１４は、回転時における相互の干渉を防止すべく、ステーターとローターのそれぞれにおいて、相互に異なる直系の環列の同心円状に、互い違いとなるように配置されている。

本発明によるミキシングヘッド１０が従来タイプのミキシングヘッドと異なる最大の特徴は、図７に示すように、ローター１２に環列状に並んで複数の貫通孔１２ａが設けられていることである。すなわち、係る貫通孔を設けることによって、ミキシングヘッド１０の内部における被撹拌食材の主要経路に対してバイパス経路を併設することができる。

前述の従来タイプのミキシングヘッドで説明したように、抽入孔１５からミキシングヘッド１０の内部に供給された被撹拌食材の大部分は、ローター１２の回転中心方向からステーターハウジング１１ａ内面と高速回転するローター１２の下側端面との間を抜けて、ローター１２の外縁部方向に移動する。そして、ローター１２外縁部とステーター１１の側面周囲部の内面との間に設けられた隙間を抜けて、ローター１２の上側端面に移動する。

その後、ローター１２の上側端面に移動した被撹拌食材は、今度は、高速回転するローター１２の上側端面と、ステーターヘッド１１ｂ内面との隙間を通って回転中心方向に移動する。そして、回転中心方向に集約された被撹拌食材は、抽出孔１６からミキシングヘッド１０の外部へ抽出されるのである。なお、ここで言う「上側」「下側」とは、あくまでも動作説明の便宜上、図５の中における位置関係を示すものに他ならない。

本発明においては、被撹拌食材の大部分が通過する主要経路に加えて、ローター１２に設けた貫通孔１２ａを経由するバイパス経路が併設されることになる。すなわち、ローター１２の下側端面の貫通孔１２ａまで移動した被撹拌食材の一部は、係る貫通孔１２ａを通過して、そのままダイレクトにローター１２の上側端面に移動できる。

そして、ローター１２の上側端面では、係る貫通孔１２ａを抜けてダイレクトに移動してきた被撹拌食材の一部と、ローター１２の外縁部とステーター１１の側面周囲部の内面との隙間を通って移動してきた被撹拌食材とが合一され、ミキシングヘッド１０の抽出孔１６からミキシングヘッドの外部に抽出されるのである。

貫通孔１２ａによるバイパス経路を抜けてきた被撹拌食材は、主要経路を通過してきた被撹拌食材に較べ、ローター１２の表面とステーター１１の内面に設けられたピン１４によって撹拌・粉砕処理を受ける距離が短縮される。したがって、それぞれの被撹拌食材を構成する食材粒子径の大きさが異なることになる。

つまり、主要経路を移動してきた被撹拌食材の粒子径は、撹拌・粉砕処理を受けながら移動する距離が長くその粒子径が一層細かくなり、被撹拌食材の食感が一層滑らかとなる。これに比して、バイパス経路を通って移動してきた被撹拌食材の粒子径は比較的に粗く、係る粒子径の異なる２種類の被撹拌食材の合一によって、あたかも自然食品のようなザラザラとした食感が得られる。

続いて、本発明に基づくミキシングヘッドにより処理を行った場合、処理後の被撹拌食材の粒子径の不均一性を示す指標の試算を試みる。ところで、主要経路を通ってきた被撹拌食材の量と、バイパス経路を抜けてきた被撹拌食材の量の比率は、それぞれの被撹拌食材が通過する経路の断面積比に比例することは言うまでもない。

図８にミキシングヘッド１０におけるステーター内部の水平断面模式図を示す。同図において、ステーター１１の内半径をｒ１、ローター１２の外縁半径をｒ２、ローター１２に設けた貫通孔１２ａの半径をｒ３と想定する。また、ローター１２の表面で環状に設けられた貫通孔１２ａの個数をＮと想定する。

さらに、ステーター１１の内側面周囲部とローター外縁部との隙間を通る主要経路の断面積をＳ１、ローター１２に設けた貫通孔１２ａを抜けるバイパス経路の断面積をＳ２と想定すると、Ｓ１及びＳ２は、それぞれ次のように求めることができる。
Ｓ１＝πｒ１^２－πｒ２^２＝π（ｒ１^２－ｒ２^２）
Ｓ２＝Ｎ×πｒ３^２
したがって、粒子径の異なる被撹拌食材の量的比率をαと置くと、αは次のように表すことができる。
α＝Ｓ２／Ｓ１＝（Ｎ×ｒ３^２）／（ｒ１^２－ｒ２^２）

すなわち、係るαの値が小さいほど、処理終了後の被撹拌食材において、バイパス経路を抜けた食材が含まれる割合が少なくなり、被撹拌食材の粒子径はほぼ均一となる。一方、αの値が大きいほど、バイパス経路を抜けた被撹拌食材の含まれる割合が多くなり、撹拌処理後の食材粒子径は不均一となって、ザラザラとした食感が一層強まることになる。

具体例として、本実施例に基づく各種のを以下に示す。
ステーターの内半径：ｒ１＝１２２ｍｍ
ローターの外縁半径：ｒ２＝１１８ｍｍ
貫通孔の半径：ｒ３＝５ｍｍ
ローター上の貫通孔数：Ｎ＝１０個

係る数値に基づき、本実施例における粒子径の異なる被撹拌食材の量的比率αを算出すると以下のようになる。
α＝（１０×５^２）／（１２２^２－１１８^２）≒０．２７
すなわち、本実施例では、処理後の被撹拌食材の粒子径は、粒子が粗いものと細かいもののとの比率が約１：４となって、適度なザラザラ感のある自然食感を作り出せることができる。

なお、本実施例の場合は、バイパス経路の役目を担う貫通孔１２ａがローター１２の中心から、半径ｒ２方向のほぼ２／３の位置に設けられている。したがって、被撹拌食材がローターの中心からバイパス経路の貫通孔に到達するまでの距離をｌ１、貫通孔１２ａを通らず、ローター外縁部とステーター側面周囲部の内面との隙間を抜ける主要経路を通って、ローターの反対側の貫通孔１２ａの位置までに達する距離をｌ２とすると、これらの距離は次のように表すことができる。

ｌ１＝ｒ２×（２／３）
ｌ２＝ｒ２＋ｒ２×（１／３）＝ｒ２×（４／３）
つまり、
ｌ２＝２×ｌ１
となって、主要経路はバイパス経路のほぼ２倍の経路長になる。

すなわち、被撹拌食材が主要経路を通った場合、バイパス経路に較べて約２倍の距離、ステーターとローターのピンによる撹拌・粉砕処理を受けるため、主要経路を通る被撹拌食材に含まれる粒子径は、バイパス経路を通る場合に較べて約１／２以下に粉砕される可能性が高い。以上の結果より、本実施例では、主要経路を通った被撹拌食材に対し、その粒子径が約２倍の被撹拌食材が量的には約２５％混合されることになる。

なお、係る食材の粒子径の大きさ比率や、異なる粒子径の食材の混合比率は、ローター１２に設ける貫通孔１２ａの位置や、その孔径、或いはその個数によって任意に選定することが可能である。これによって、様々の異なる粒子径を含む被撹拌食材を得ることが可能であり、異なる風味・食感を有する食品を多様に製造することができる。

また、本実施例では、貫通孔はローター上において、１つの環列状に設けられているのみであるが、本発明は係る事例に限定されるものではない。上述の食感・風味の多様性を追求する観点に鑑みれば、例えば、環状に設けた貫通孔を、ローター上において複数の同心円状に配置するようにしても良い。さらに、各環列に設けられた貫通孔の個数や孔径を同心円毎に異なるように設定しても良い。

本発明によるディスクタイプのミキシングヘッドを用いれば、不均一な粒子径分布を有するパン生地やケーキ生地等の被撹拌食材を、極めて高い作業効率の下で、大量かつ連続的に製造することができる。

なお、本発明の実施形態は、以上に説明した実施例に限定されるものではなく、例えば、各々の実施例を構成する各部位の形状や配置或いはその素材等は、本発明の趣旨を逸脱することなく、現実の実施態様に即して適宜変更ができるものであることは言うまでもない。

以上に説明した本発明の構成は、製パン業界や製菓業界をはじめとして、食材の撹拌・混練を必要とする各種の食品業界においてもその利用が可能である。

従来のディスクタイプミキシングヘッドの斜視図である。従来のディスクタイプミキシングヘッドの略断面図である。従来の縦型ミキサーによる撹拌処理の方法を示した説明図である。本発明によるディスクタイプミキシングヘッドの斜視図である。本発明によるディスクタイプミキシングヘッドの略断面図である。ステーターヘッド内側に設けたピン配置の様子を表す平面図である。ローターのディスク端面に設けたピンと貫通孔の様子を表す平面図である。ステーター内部の水平断面模式図である。

１０ … ミキシングヘッド
１１ … ステーター
１１ａ … ステーターハウジング
１１ｂ … ステーターヘッド
１２ … ローター
１２ａ … ローター貫通孔
１３ … 回転軸
１４ … ピン（小突起群）
１５ … 抽入孔
１６ … 抽出孔
１００ … ミキシングヘッド
１０１ … ステーター
１０１ａ … ステーターハウジング
１０１ｂ … ステーターヘッド
１０２ … ローター
１０３ … 回転軸
１０４ … ピン（小突起群）
１０５ … 抽入孔
１０６ … 抽出孔

Claims

ステーターハウジングとステーターヘッドから成るステーターと、前記ステーターハウジングとステーターヘッドの間に挟持され、回転軸によって回転駆動されるディスクタイプのローターとを含み、前記ローター及びステーターの対向する両端面に同心円状かつ環状に並ぶ複数の小突起群を設け、前記ステーターとローターとの間を連続的に流れる被撹拌食材を撹拌・粉砕するディスクタイプのミキシングヘッドであって、
前記ローターには同心円状かつ環状に配列された複数の貫通孔を穿ち、前記ステーターとローターとの間を流れる食材の主要経路に、前記ローターに設けられた貫通孔を通過する食材のバイパス経路を併設したことを特徴とするディスクタイプのミキシングヘッド。
前記ローターに環状に配列された貫通孔は、複数の同心環状に設けられていること特徴とする請求項１に記載のディスクタイプのミキシングヘッド。