JP7621632B2

JP7621632B2 - 冷菓製造装置

Info

Publication number: JP7621632B2
Application number: JP2020177811A
Authority: JP
Inventors: 俊明齋藤; 隆仁齋藤; 信治西山
Original assignee: シーピーエンジニアリング株式会社
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2025-01-27
Anticipated expiration: 2040-10-23
Also published as: JP2022068959A

Description

本発明は、冷菓製造装置に関する。

従来技術として、特許文献１には、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器がこの順に冷媒配管により接続される冷凍機が開示されている。

特開２０１６－０９０１０３号公報

蒸発器により冷菓の原料を冷却する冷菓製造装置では、冷菓の原料の温度を調整するために、圧縮機の運転周波数を一定に保つ一方で、蒸発器から圧縮機に向かう配管に設けられた弁の開閉制御を行い、蒸発器における冷媒の蒸発圧力を制御する場合がある。しかしながら、弁の開閉により冷媒の蒸発圧力を制御する場合、冷菓の温度を正確に調整することは難しく、改善の余地があった。
本発明は、弁の開閉により蒸発器における冷媒の蒸発圧力を制御する場合と比べて、冷菓の温度を正確に調整することを目的とする。

かかる目的のもと完成させた本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁で膨張された冷媒と原料との間で熱交換を行い冷菓を製造する蒸発器と、前記冷菓の温度が予め定められた温度となるように、前記圧縮機の運転周波数を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記冷菓を製造する際の負荷に応じて、前記圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とする冷菓製造装置である。
ここで、前記原料を収容するシリンダと、回転駆動される回転軸と、前記回転軸の回転に伴って前記シリンダ内を回転移動し原料を攪拌するブレードとをさらに備え、前記制御部は、前記冷菓を製造する際の負荷として前記回転軸の回転負荷に応じて、前記圧縮機の運転周波数を制御しても良い。
また、前記制御部は、前記冷菓を製造する際の負荷が予め定められた値より大きい場合に、前記圧縮機の運転周波数を低下させても良い。
また、前記制御部は、前記冷菓を製造する際の負荷が予め定められた値より小さい場合に、前記圧縮機の運転周波数を上昇させても良い。
また、前記圧縮機から排出された高温気体状の冷媒を前記蒸発器に供給する供給部をさらに備え、前記供給部は、前記蒸発器にて蒸発された気体状の冷媒の圧力に応じて、前記高温気体状の冷媒の供給量を制御しても良い。
また、冷媒として二酸化炭素を用いても良い。

本発明によれば、弁の開閉により蒸発器における冷媒の蒸発圧力を制御する場合と比べて、蒸発器により冷却される原料の温度を正確に調整することができる。

本実施の形態が適用される冷菓製造装置の概略構成の一例を示す図である。（ａ）～（ｂ）は、本実施の形態が適用される攪拌装置の構成の一例を示した図である。制御装置の概略構成の一例を示す図である。圧縮機制御部が行う周波数変更処理の一例を示すフローチャートである。ホットガス制御部が行うホットガス用弁の開度変更処理の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態が適用される冷菓製造装置１の概略構成の一例を示す図である。
冷菓製造装置１は、アイスクリーム類や氷菓等の冷菓を製造するために用いられる。本実施の形態の冷菓製造装置１は、冷菓の原料と空気との混合物である原料ミックスを攪拌および冷却する攪拌装置１００を備えている。なお、攪拌装置１００の構成については、後段にて詳述する。

冷菓製造装置１は、図１に示すように、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、蒸発器５、アキュムレータ６、熱交換器７および受液器８を備えている。また、冷菓製造装置１は、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、蒸発器５、アキュムレータ６、熱交換器７、受液器８等を接続する環状の冷媒回路５１を有している。
冷菓製造装置１では、冷媒として、二酸化炭素冷媒（以下、「ＣＯ_２冷媒」と表記する場合がある。）を用いる。ＣＯ_２冷媒は、フルオロカーボン系の冷媒と比べて、地球温暖化係数が小さい。冷菓製造装置１では、ＣＯ_２冷媒を用いることで、他の冷媒を用いる装置よりも環境負荷の削減を図っている。

さらに、冷菓製造装置１は、冷媒回路５１のうち圧縮機２と凝縮器３との間の配管から分岐し終端が蒸発器５に接続される分岐路５２を有している。
また、冷菓製造装置１は、分岐路５２上に、圧縮機２にて圧縮された高温・高圧の気体状の冷媒（以下、「ホットガス」と表記する場合がある。）が蒸発器５に流入する量を調節するホットガス用弁９を備えている。
また、冷菓製造装置１は、圧縮機２から流出した冷媒から、圧縮機２を潤滑するための油を分離する周知の分離機１１と、分離機１１にて分離された油中の異物を取り除くフィルタを有する周知の戻し部１２と、を備えている。
また、冷菓製造装置１は、蒸発器５に混入した油を圧縮機２へ戻す油供給装置２０を備えている。

さらにまた、冷菓製造装置１は、アキュムレータ６内の気体状の冷媒の圧力を検知する蒸発圧力センサ３１と、蒸発器５における液体状の冷媒の液面の高さを検知する液面レベルセンサ３２と、受液器８における冷媒の圧力を検知する受液器圧力センサ３３とを備えている。
また、冷菓製造装置１は、アキュムレータ６内の冷媒の圧力が予め定めた上限値を超えた場合に、冷媒を冷菓製造装置１の外部に放出する低圧側安全弁３５と、受液器８内の冷媒の圧力が予め定めた上限値を超えた場合に、冷媒を冷菓製造装置１の外部に放出する高圧側安全弁３６とを備えている。
さらに、冷菓製造装置１は、冷菓製造装置１の各部の制御を行う制御装置６０を備えている。
以下に、冷菓製造装置１を構成する要素についてより具体的に説明する。

圧縮機２は、冷媒を吸入部２ａから吸入し、圧縮して、吐出部２ｂから吐出する。これにより、圧縮機２は、冷媒を冷媒回路５１内で循環させる。圧縮機２は、駆動源であるモータ２ｃを有しており、制御装置６０によるモータ２ｃの制御により、運転周波数が連続的に調整される。圧縮機２としては、例えば、モータ２ｃによりピストンを回転させることで冷媒を圧縮する所謂ロータリー圧縮機や、モータ２ｃによりピストンを往復移動させることにより冷媒を圧縮する所謂往復圧縮機等が挙げられるが、特に限定されるものではない。また、圧縮機２の運転周波数とは、圧縮機２において、モータ２ｃにより駆動されるピストン等の移動体が、単位時間（例えば１秒間）当たりに移動する回数（回転数、往復数）を意味する。

凝縮器３は、圧縮機２で圧縮された冷媒を、不図示の冷却装置により予め定めた温度に冷却されたチラー水と熱交換することにより凝縮し、液化する。本実施の形態においては、フルオロカーボン系の冷媒と比べて気体状である場合の圧力が高いＣＯ_２冷媒を用いることから、圧縮機２から吐出された冷媒をより冷やすべく、チラー水として、チルド水を用いる。チルド水を生成する装置や、チルド水を凝縮器３に供給する装置は、冷菓製造装置１内にあってもよいし、冷菓製造装置１とは別に設けられていてもよい。図１には、チルド水を生成する装置や、チルド水を凝縮器３に供給する装置が、冷菓製造装置１とは別に設けられている例を示している。

膨張弁４は、凝縮器３で凝縮された冷媒を、減圧膨張する。本実施の形態の膨張弁４は、冷媒が流通する流路を開閉する弁（不図示）と、この弁の開閉駆動を行うモータ４ａとを有する、所謂モータバルブである。制御装置６０による制御に基づいて、モータ４ａが駆動されて弁が回転させられることにより、弁の回転角度（以下、「開度」と表記する場合がある。）が調節されて、冷媒が流通可能な流路面積が変更される。なお、弁の開度が０度である場合に弁が全閉状態となって流路面積が０となり、弁の開度が最大開度である場合に弁が全開状態となって流路面積が最大となる。弁の開度が０度から最大開度の間においては、開度が連続的に調整される。これにより、膨張弁４を通過して蒸発器５に供給される冷媒の量が連続的に調整される。

蒸発器５は、上述した攪拌装置１００を内部に有する。蒸発器５は、膨張弁４で膨張された冷媒を、攪拌装置１００の後述するシリンダ内筒１１０に供給される冷菓の原料ミックスと熱交換することにより、蒸発させる。付言すると、攪拌装置１００では、蒸発器５において冷媒により原料ミックスが冷却され、冷菓が製造される。
アキュムレータ６は、蒸発器５で蒸発した気体状の冷媒と液体状の冷媒とを分離する。そして、アキュムレータ６は、分離した液体状の冷媒を蒸発器５へ戻し、液体状の冷媒が圧縮機２へ流入することを抑制する。

熱交換器７は、蒸発器５で蒸発されアキュムレータ６を通過した冷媒と、凝縮器３で凝縮され受液器８から排出された冷媒との間で熱交換を行う。付言すると、熱交換器７は、受液器８から排出された高温の冷媒によりアキュムレータ６を通過した冷媒を加熱し、アキュムレータ６を通過した冷媒の中に液体状の冷媒が残存している場合に残存した液体状の冷媒を気化させ、液体状の冷媒が圧縮機２へ流入することを抑制する。
受液器８は、凝縮器３で凝縮された液体状の冷媒の一部を貯留するとともに、貯留する冷媒を膨張弁４に供給する。

ホットガス用弁９は、圧縮機２から吐出されたホットガスを、分岐路５２を介して蒸発器５に供給する。ホットガス用弁９は、弁の開閉駆動を行うモータ９ａを有している。そして、ホットガス用弁９は、制御装置６０によるモータ９ａの制御に基づいて、開度が連続的に調整される。これにより、ホットガス用弁９により蒸発器５へ供給されるホットガスの流量が連続的に調整される。

蒸発圧力センサ３１は、蒸発器５およびアキュムレータ６の内部の圧力を検知することで、アキュムレータ６における気体状の冷媒の圧力を検知する。
受液器圧力センサ３３は、受液器８内の圧力を検知することで、受液器８内の液体状の冷媒の圧力を検知する。

液面レベルセンサ３２は、蒸発器５における液体状の冷媒の液面の高さとして、攪拌装置１００の後述するシリンダ内筒１１０とシリンダ外筒１２０との間の空間Ｓ２（いずれも図２（ａ）～（ｂ）参照）における冷媒の液面の高さを検知する。液面レベルセンサ３２としては、冷媒の液面の高さを連続的に検知することができれば特に限定されないが、例えば、静電容量式の液面センサを用いることができる。
液面レベルセンサ３２による検知結果は、制御装置６０に出力される。

続いて、本実施の形態の冷菓製造装置１における冷媒の挙動について説明する。本実施の形態の冷菓製造装置１では、冷媒が、圧縮機２、凝縮器３、受液器８、後述する分離用熱交換器２２、熱交換器７、膨張弁４、蒸発器５、アキュムレータ６、熱交換器７を順に流れて圧縮機２に戻る冷凍サイクルが構成される。
具体的に説明すると、冷菓製造装置１では、圧縮機２にて圧縮され吐出部２ｂから吐出された高温高圧の気体状の冷媒は、凝縮器３へ流入する。そして、冷媒は、凝縮器３において、予め定めた温度に冷却されたチラー水と熱交換されて凝縮液化され、凝縮器３から吐出される。凝縮器３から吐出された高圧液体状の冷媒は、受液器８、分離用熱交換器２２および熱交換器７を通過する。なお、受液器８から熱交換器７へ流入した冷媒は、アキュムレータ６から圧縮機２に向かう冷媒を加熱・気化するために用いられる。次いで、熱交換器７から吐出された高圧液体状の冷媒は、膨張弁４にて減圧され、低温低圧の気液２相の冷媒となった後、蒸発器５へ流入する。そして、冷媒は、蒸発器５において、原料ミックスと熱交換されて蒸発気化され、蒸発器５から吐出される。蒸発器５から吐出された低圧気体状の冷媒は、アキュムレータ６および熱交換器７を通過した後、吸入部２ａから圧縮機２に吸入され、再び圧縮される。

また、冷菓製造装置１では、圧縮機２にて圧縮され吐出部２ｂから吐出された高温高圧の気体状の冷媒（ホットガス）が、分岐路５２を通り、ホットガス用弁９に供給される。そして、蒸発器５の圧力に応じて、ホットガス用弁９によりホットガスが蒸発器５へ直接供給される。

（攪拌装置１００）
続いて、攪拌装置１００の構成について説明する。図２（ａ）～（ｂ）は、本実施の形態が適用される攪拌装置１００の構成の一例を示した図である。図２（ａ）は、攪拌装置１００を側方から見た図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＩＩＢ－ＩＩＢ部での断面図である。
図２（ａ）～（ｂ）に示すように、攪拌装置１００は、冷菓の原料ミックスが供給される円筒状のシリンダ内筒１１０と、シリンダ内筒１１０の外側に設けられ、シリンダ内筒１１０との間に形成された空間に冷媒が供給される円筒状のシリンダ外筒１２０とを備えている。また、攪拌装置１００は、シリンダ内筒１１０の内部空間に設けられ、シリンダ内筒１１０の内部空間に供給された原料ミックスを攪拌する攪拌部１３０を備えている。

本実施の形態の冷菓製造装置１では、攪拌装置１００のシリンダ内筒１１０とシリンダ外筒１２０とにより、上述した蒸発器５が構成される。
また、本実施の形態の攪拌装置１００では、シリンダ内筒１１０およびシリンダ外筒１２０は、中心軸がほぼ水平となるように配置されている。

シリンダ内筒１１０は、上述したように、内部の空間Ｓ１に原料ミックスが供給される。そして、シリンダ内筒１１０では、空間Ｓ１において原料ミックスが攪拌および冷却されることで、完成品である冷菓が製造される。
シリンダ内筒１１０は、軸方向の一方の端部に設けられ、原料ミックスが空間Ｓ１に向けて供給される原料供給口１１１と、軸方向の他方の端部に設けられ、製造された冷菓が空間Ｓ１から排出される冷菓排出口１１２とを有している。原料ミックスは、不図示の原料タンクに保存されており、原料供給ポンプにより、原料供給口１１１を介して空間Ｓ１に供給される。また、空間Ｓ１にて製造された冷菓は、排出ポンプにより、シリンダ内筒１１０内の圧力を一定に保ちながら、空間Ｓ１から冷菓排出口１１２を介して不図示の冷菓タンクに排出される。

また、シリンダ内筒１１０は、原料供給口１１１に供給される原料ミックスの温度を測定する原料温度センサ１１４を有している。また、シリンダ内筒１１０は、冷菓排出口１１２から排出される冷菓の温度を測定する冷菓温度センサ１１５を有している。原料温度センサ１１４および冷菓温度センサ１１５による温度の測定結果は、制御装置６０（図１参照）へ出力される。

シリンダ外筒１２０は、上述したように、シリンダ内筒１１０の外側に配置され、シリンダ内筒１１０の外周面との間に形成された空間Ｓ２に、膨張弁４（図１参照）で膨張された低温低圧の気液２相の冷媒が供給される。シリンダ外筒１２０では、例えば、冷媒の液面高さがシリンダ内筒１１０の外周面における鉛直上部よりも高くなるように冷媒が供給される。そして、シリンダ外筒１２０では、この冷媒とシリンダ内筒１１０の空間Ｓ１に供給された原料ミックスとの間で熱交換が行われ、冷媒が蒸発気化する。

ここで、本実施の形態の攪拌装置１００では、シリンダ内筒１１０の中心軸とシリンダ外筒１２０の中心軸とが互いにずれて配置されている。具体的には、図２（ｂ）に示すように、シリンダ内筒１１０の中心軸が、シリンダ外筒１２０の中心軸に対し鉛直下方にずれて配置されている。これにより、例えばシリンダ内筒１１０の中心軸とシリンダ外筒１２０の中心軸とが一致する場合と比べて、シリンダ内筒１１０を冷却するために必要となる冷媒の量を低減したり、冷媒の蒸発面積を広くして効率的な熱交換を行ったりすることができる。

シリンダ外筒１２０は、膨張弁４で膨張された低温低圧の気液２相の冷媒が空間Ｓ２に向けて供給される冷媒供給口１２１と、熱交換により蒸発気化した気体状の冷媒が排出される冷媒排出口１２２とを有している。冷媒排出口１２２から排出された冷媒は、アキュムレータ６（図１参照）に流入する。さらに、シリンダ外筒１２０は、ホットガス用弁９により高温気体状の冷媒（ホットガス）が空間Ｓ２に向けて供給されるホットガス供給口１２３を有している。さらに、シリンダ外筒１２０は、液体状の冷媒が油供給装置２０に吸引される冷媒吸引口１２４を有している。

冷媒供給口１２１、冷媒排出口１２２、ホットガス供給口１２３および冷媒吸引口１２４は、シリンダ外筒１２０の外周面に設けられている。この例では、冷媒供給口１２１は、シリンダ外筒１２０の外周面のうち鉛直下方に設けられている。また、冷媒排出口１２２は、シリンダ外筒１２０の外周面のうち鉛直上方に２つ設けられている。さらに、ホットガス供給口１２３は、シリンダ外筒１２０の外周面において、シリンダ外筒１２０の中央部に設けられている。さらに、冷媒吸引口１２４は、冷媒供給口１２１よりも鉛直上方、且つシリンダ外筒１２０の中央部に設けられている。

攪拌部１３０は、上述したように、シリンダ内筒１１０内の空間Ｓ１に供給された原料ミックスを攪拌する。攪拌部１３０は、シリンダ内筒１１０内の空間Ｓ１において軸方向に沿って伸びる円筒状の支持部１３１と、支持部１３１の外周面に設けられる複数のブレード１３２とを有している。また、攪拌部１３０は、支持部１３１の一方の端部および他方の端部から軸方向に沿って伸び、シリンダ内筒１１０の両端部にベアリング１３９を介して回転可能に支持される回転軸１３３を有している。さらに、攪拌部１３０は、制御装置６０による制御に基づいて、回転軸１３３を予め定めた回転数で回転駆動するモータ１３５と、モータ１３５による回転軸１３３の回転負荷を検知するインバータ１３６とを有している。
ここで、本実施の形態の攪拌装置１００では、攪拌部１３０の中心軸とシリンダ内筒１１０の中心軸とが略一致するように配置されている。付言すると、攪拌装置１００では、シリンダ内筒１１０の略中央に、攪拌部１３０が配置されている。

攪拌部１３０は、モータ１３５により回転軸１３３が回転駆動されることで、支持部１３１およびブレード１３２がシリンダ内筒１１０内の空間Ｓ１で回転移動する。そして、空間Ｓ１では、ブレード１３２によりシリンダ内筒１１０の内壁面に凍結付着した付着物がかき取られながら、原料ミックスが攪拌される。

（油供給装置２０）
油供給装置２０は、圧縮機２に流入する冷媒の中に油を供給する。ここで、冷菓製造装置１に用いられている冷媒はＣＯ_２冷媒であるため、空間Ｓ２内に存在するときの温度領域では、油が冷媒の中に完全に溶け込んでしまい、油と冷媒とを分離することが難しいという特性がある。また、空間Ｓ２内の冷媒の中に含まれる油の量が多いと、油を多く含んだ冷媒と、シリンダ内筒１１０内の原料ミックスとの間の熱交換が阻害されるおそれがある。
油供給装置２０は、上記事項に鑑みて、冷菓製造装置１内に設けられたものであり、空間Ｓ２内の冷媒を油が混ざった状態でシリンダ外筒１２０外に引っ張り出すとともに、冷媒と油とを分離して、油を圧縮機２に流入する冷媒の中に供給する。

油供給装置２０は、空間Ｓ２から冷媒を吸引するエジェクタ２１と、エジェクタ２１にて吸引された（油を含んだ）冷媒の油と冷媒とを分離するための分離用熱交換器２２と、を有している。油供給装置２０は、分岐路５２におけるホットガス用弁９よりも上流側から分岐し終端がエジェクタ２１に接続される二次分岐路５４を有している。また、油供給装置２０は、空間Ｓ２とエジェクタ２１とを接続し、空間Ｓ２内の冷媒をエジェクタ２１に向けて流通させる吸引路５５を有している。また、油供給装置２０は、エジェクタ２１と分離用熱交換器２２とを接続し、エジェクタ２１から流出した冷媒を分離用熱交換器２２に流入させる流入路５６を有している。また、油供給装置２０は、分離用熱交換器２２と、熱交換器７と圧縮機２との間の配管５７と、を接続し、分離用熱交換器２２から流出した冷媒を配管５７に流入させる流出路５８を有している。

エジェクタ２１は、圧縮機２にて高圧にされた冷媒が通るノズル部２１ａと、シリンダ外筒１２０内の冷媒を吸引する吸引部２１ｂと、を有している。このエジェクタ２１においては、圧縮機２にて高圧にされた冷媒は、ノズル部２１ａの流入口から流入した後に、流路面積の低下に伴い減圧膨張し、流速が大きくなった後に流出する。一方、シリンダ外筒１２０内の冷媒は、吸引部２１ｂの流入口とノズル部２１ａとの圧力差により、吸引部２１ｂの流入口から吸引されるとともに、圧縮機２にて高圧にされた冷媒に引き込まれて、両冷媒が混ざってエジェクタ２１から流出する。エジェクタ２１における冷媒の挙動は、ベンチュリ効果を利用したものである。

エジェクタ２１から流出した冷媒は、分離用熱交換器２２にて、凝縮器３で凝縮された後の高圧の液体状の冷媒と熱交換を行い、気化される。これにより、冷媒と油とが分離し、分離後の油が、流出路５８を介して、圧縮機２の上流側に配置された配管５７に流入する。このようにして、空間Ｓ２の冷媒から油が抽出され、圧縮機２の上流側において、気体状の冷媒の中に注入される。

（制御装置６０）
図３は、制御装置６０の概略構成の一例を示す図である。
制御装置６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）（不図示）、ＲＯＭ（Read Only Memory）（不図示）、ＲＡＭ（Random Access Memory）（不図示）等を有している。ＲＯＭには、ＣＰＵにより実行される基本プログラム（オペレーションシステム）や各種の設定等が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＡＭを作業エリアに使用し、ＲＯＭや、半導体メモリやＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶部（不図示）から読み出したアプリケーションプログラムを実行する。ＣＰＵがプログラムを実行することにより、以下に述べる、制御装置６０の機能が実現される。

制御装置６０には、上述した蒸発圧力センサ３１、液面レベルセンサ３２等からの出力信号が入力される。
制御装置６０は、圧縮機２の運転周波数である周波数Ｆを制御する制御部の一例としての圧縮機制御部６１と、ホットガス用弁９の開度を制御する供給部の一例としてのホットガス制御部６２と、膨張弁４の開度を制御する膨張弁制御部６３と、を備えている。

制御装置６０においては、原料供給ポンプを起動して原料ミックスをシリンダ内筒１１０内に溜め込み、攪拌装置１００を起動する。その後予め定められた周波数で圧縮機２を起動させて、且つホットガス用弁９を予め定められた開度とする。これにより、シリンダ内筒１１０内の原料ミックスの温度が下がり硬化を始める。攪拌装置１００のモータ負荷（ロード）が予め定められた負荷の設定値（以下、「ポンプスタート」と称する場合がある。）に到達すると原料供給ポンプと排出ポンプが起動する（以下、「溜め込みと初期冷凍」と称する場合がある。）

また、制御装置６０においては、冷菓を製造する時（以下、「製造時」と称する場合がある。）には、圧縮機制御部６１が圧縮機２の周波数Ｆを、ホットガス制御部６２がホットガス用弁９の開度を制御することで、攪拌装置１００にて製造される冷菓の温度を調整する。また、製造時には、膨張弁制御部６３が膨張弁４の開度を制御することで、蒸発器５における液体状の冷媒の液面の高さを調整する。

また、制御装置６０においては、製造終了時に蒸発器５内に液冷媒を残さないように、膨張弁４を閉じ圧縮機２を駆動し凝縮器３で液化した冷媒を受液器８に回収するために、蒸発器５およびアキュムレータ６内の冷媒の圧力と、蒸発器５における液体状の冷媒の液面の高さとを検知しながら、各機器の制御を行う。以下、この制御による冷菓製造装置１の運転を「製造終了時の冷媒回収運転」と称する場合がある。製造停止時に蒸発器５に液冷媒が存在すると、蒸発器５、アキュムレータ６内の圧力が増加し、低圧側安全弁３５より冷媒が放出し危険だからである。

また、制御装置６０においては、冷菓を製造していない時には、蒸発器５およびアキュムレータ６内の圧力を蒸発圧力センサ３１で検出し、検出圧力が予め定められた上限圧力に到達した場合に圧縮機２を予め定められた周波数で起動し、検出圧力が予め定められた下限圧力まで低下した場合に、圧縮機２を停止する制御を行う。以下、この制御による冷菓製造装置１の運転を「製造停止時の圧力保持運転」と称する場合がある。制御装置６０は、製造停止時に蒸発圧力が上昇した場合に、上記の制御にて圧縮機２の起動と停止を繰り返す。

以下に、制御装置６０が行う、製造時の制御、製造終了時の冷媒回収運転の制御、製造停止時の圧力保持運転の制御について詳述する。
（製造時の制御）
冷菓製造装置１では、圧縮機２の運転周波数を大きくすると、気体状の冷媒が蒸発器５およびアキュムレータ６から圧縮機２へ流入することで、蒸発器５において冷媒の圧力が低下する。また、圧縮機２の運転周波数を小さくすると、気体状の冷媒が蒸発器５およびアキュムレータ６から圧縮機２へ流入することが抑制され、蒸発器５において冷媒の圧力が上昇する。
また、蒸発器５では、冷媒は、圧力が高くなると温度も高くなり、圧力が低くなると温度も低くなる性質を有している。
本実施の形態の冷菓製造装置１では、このような関係から、蒸発圧力センサ３１が検出した蒸発器５およびアキュムレータ６における冷媒の圧力に基づいて圧縮機２の周波数を制御し、あわせてホットガス用弁９の開度を制御することで、冷媒の温度を予め定められた範囲に制御している。

圧縮機制御部６１は、蒸発圧力センサ３１が検出したアキュムレータ６における気体状の冷媒の圧力Ｐに基づいて、圧縮機２の周波数Ｆを制御する。言い換えれば、圧縮機制御部６１は、蒸発器５にて蒸発された気体状の冷媒の圧力に基づいて、圧縮機２の周波数Ｆを制御する。より具体的には、圧縮機制御部６１は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが予め定められた設定蒸発圧力Ｐｘより大きくなった場合には、圧縮機２の周波数Ｆを上昇させるべく、モータ２ｃの回転速度を高くする。一方、圧縮機制御部６１は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘより小さくなった場合には、圧縮機２の周波数Ｆを低下させるべく、モータ２ｃの回転速度を低くする。
但し、圧縮機制御部６１は、予め定められた周波数範囲内で圧縮機２を回転させる。

ホットガス制御部６２は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘ以上である場合にはホットガス用弁９の開度を低下させる。
一方、ホットガス制御部６２は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘより小さい場合にはホットガス用弁９の開度を上昇させる。その後、ホットガス制御部６２は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘと等しくなったときに、ホットガス用弁９の開度を維持する。

図４は、圧縮機制御部６１が行う周波数変更処理の一例を示すフローチャートである。
圧縮機制御部６１は、周波数変更処理を、予め設定された一定時間（例えば１ミリ秒）ごとに繰り返し実行する。
圧縮機制御部６１は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘと等しいか否かを判断する（Ｓ４０１）。圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘと等しくない場合（Ｓ４０１でＮｏ）、圧縮機制御部６１は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘより大きいか否かを判断する（Ｓ４０２）。圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘより大きい場合（Ｓ４０２でＹｅｓ）、圧縮機制御部６１は、圧縮機２の周波数Ｆを上昇させる（Ｓ４０３）。その後、圧縮機制御部６１は、Ｓ４０１の処理を行う。

他方、圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘより大きくない場合（Ｓ４０２でＮｏ）、圧縮機制御部６１は、圧縮機２の周波数Ｆを低下させる（Ｓ４０４）。その後、圧縮機制御部６１は、Ｓ４０１の処理を行う。
圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘと等しい場合（Ｓ４０１でＹｅｓ）、圧縮機制御部６１は、圧縮機２の周波数Ｆを維持する（Ｓ４０５）。

図５は、ホットガス制御部６２が行うホットガス用弁９の開度変更処理の一例を示すフローチャートである。
ホットガス制御部６２は、開度変更処理を、予め設定された一定時間（例えば１ミリ秒）ごとに繰り返し実行する。
ホットガス制御部６２は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘと等しいか否かを判断する（Ｓ５０１）。圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘと等しくない場合（Ｓ５０１でＮｏ）、ホットガス制御部６２は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘより大きいか否かを判断する（Ｓ５０２）。圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘより大きい場合（Ｓ５０２でＹｅｓ）、ホットガス制御部６２は、ホットガス用弁９の開度を低下させる（Ｓ５０３）。その後、ホットガス制御部６２は、Ｓ５０１の処理を行う。

他方、圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘより大きくない場合（Ｓ５０２でＮｏ）、ホットガス制御部６２は、ホットガス用弁９の開度を上昇させる（Ｓ５０４）。その後、ホットガス制御部６２は、Ｓ５０１の処理を行う。
圧力Ｐが設定蒸発圧力Ｐｘと等しい場合（Ｓ５０１でＹｅｓ）、ホットガス制御部６２は、ホットガス用弁９の開度を維持する（Ｓ５０５）。

このように、制御装置６０においては、圧縮機制御部６１が圧縮機２の周波数を調整し、ホットガス制御部６２がホットガス用弁９の開度を調整することで、蒸発器５にて蒸発された気体状の冷媒の圧力が設定蒸発圧力Ｐｘとなるように制御する。冷媒は、蒸発器５において、圧力が高くなると温度も高くなり、圧力が低くなると温度も低くなるという特性を有していることから、制御装置６０は、冷媒の圧力を予め定められた値に制御することで、冷媒の温度を予め定められた値に制御する。そして、これにより、攪拌装置１００にて製造される冷菓の温度が予め定められた値となるように制御している。

膨張弁制御部６３は、液面レベルセンサ３２が検出した蒸発器５内の液体状の冷媒の液面の高さである検出高さｈを用いて膨張弁４の開度を制御する。膨張弁制御部６３は、検出高さｈが予め定められた設定高さｈｘより高い場合に、膨張弁４の開度を小さくして、蒸発器５に供給する液体状の冷媒の量を低下させる。一方、膨張弁制御部６３は、検出高さｈが設定高さｈｘより低い場合に、膨張弁４の開度を大きくして、蒸発器５に供給する液体状の冷媒の量を上昇させる。

このように、膨張弁制御部６３は、液体状の冷媒の液面の高さが、予め定められた設定高さｈｘとなるように、膨張弁４の開度を制御する。なお、下限高さｈｎは、液体状の冷媒が、蒸発器５の最低面の高さに設定されている。上限高さｈｍは、液体状の冷媒が、液面レベルセンサの上限の高さに設定されている。

以上のように構成された冷菓製造装置１においては、蒸発器５内の液体状の冷媒が気化して、液体状の冷媒の液面が低下すると、膨張弁制御部６３は、膨張弁４の開度を上昇させる。膨張弁４は、所謂モータバルブであり、弁の開度が徐々に大きくなるので、膨張弁４を通過して蒸発器５に供給される冷媒の量が徐々に多くなる。
ここで、蒸発器５内の液体状の冷媒が多いと、冷菓の冷却が促進され易くなり、蒸発器５内の液体状の冷媒が少ないと、冷菓の冷却が促進され難くなる。仮に、膨張弁４が、オフであるときに冷媒の流路を全閉とし、オンとなったときに冷媒の流路を全開とするソレノイドバルブである場合を考える。膨張弁４がソレノイドバルブである場合、オフであり冷媒の流路が全閉である状態から、オンとなり流路が全開となると、多量の液体状の冷媒が一気に蒸発器５に流入する。他方、ソレノイドバルブがオンであり冷媒の流路が全開である状態から、オフとなり流路が全閉となると、液体状の冷媒が蒸発器５に流入しなくなる。その結果、ソレノイドバルブのオンとオフとが切り替えられることによる蒸発器５内に流入する液体状の冷媒の量の変動が激しくなり、冷菓の温度の変動が大きくなり易くなる。
これに対して、本実施の形態に係る冷菓製造装置１においては、膨張弁４の開度が徐々に変化するので、蒸発器５内に流入する液体状の冷媒の量が徐々に変動する。その結果、冷菓の温度の変動も小さい。

（製造終了時の冷媒回収運転）
製造終了時には、蒸発器５に存在する冷媒を受液器８に回収する。
製造中にユーザにより製造を終了するための所定の操作が行われると（例えば停止ボタンが押されると）、制御装置６０は、膨張弁４を閉じ、原料供給ポンプおよび排出ポンプを停止させる。また、制御装置６０は、圧縮機２を予め定められた周波数で運転継続させる。また、制御装置６０は、攪拌装置１００を予め定められた一定周波数で運転継続させる。
そして、制御装置６０は、液面レベルセンサ３２が検出した検出高さｈが、予め定められた高さに到達するまで低下した場合に、ホットガス用弁９を閉じる。
また、制御装置６０は、蒸発圧力センサ３１が検出した蒸発器５およびアキュムレータ６における冷媒の圧力が、予め定められた圧力まで下がった場合には、圧縮機２を停止させるとともに、攪拌装置１００を停止させる。

製造終了時には、蒸発器５による冷媒の蒸発が行われず、蒸発熱が消費されないため、蒸発器５に冷媒が残存していると、残存している冷媒の温度が上昇する。ここで、蒸発器５に多くの冷媒が存在していると、温度上昇に伴って冷媒の圧力が高くなりやすい。これに対し、本実施の形態の冷菓製造装置１では、製造終了時に蒸発器５に存在する冷媒を受液器８に回収することで、冷媒の圧力が上昇しにくくなる。

また、製造終了時には、制御装置６０は、凝縮器３に対するチラー水の供給は停止せず、製造時に引き続いて行う。これにより、受液器８に回収される冷媒が凝縮器３により冷却され、受液器８の温度が低温に保たれるため、受液器８における冷媒の圧力上昇は起こりにくい。
なお、冷菓の製造を停止した後、シリンダ内筒１１０内の原料ミックスが溶けるまで、ホットガス制御部６２は、ホットガス用弁９の開度を０よりも大きくして、ホットガスを攪拌装置１００内に供給してもよい。

（製造停止時の圧力保持運転）
圧縮機制御部６１は、冷媒の回収が終了した後、蒸発圧力センサ３１が検出したアキュムレータ６における気体状の冷媒の圧力Ｐに基づいて、圧縮機２を制御する。より具体的には、圧縮機制御部６１は、上述したように、冷媒の回収が終了した後、モータ２ｃの回転を停止している。そして、圧縮機制御部６１は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが予め定められた上限圧力Ｐｙより大きくなった場合に、モータ２ｃの回転を行う。そして、圧縮機制御部６１は、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが予め定めた下限圧力Ｐｍ以下となったら、モータ２ｃの回転を停止する。
圧縮機制御部６１は、以上の制御を、冷菓の製造を停止している期間、継続して行う。

ところで、製造停止時には、上述したように蒸発器５およびアキュムレータ６に存在する冷媒を受液器８に回収するが、全ての冷媒を回収することは難しく、蒸発器５およびアキュムレータ６に冷媒が残存する場合がある。冷菓製造装置１に用いられている冷媒はＣＯ_２冷媒であるため、受液器８に冷媒を回収した場合であっても、冷菓の製造を停止してからの時間経過や冷菓製造装置１の周囲温度の上昇等によって、冷媒の圧力が上昇しやすい。
また、製造停止時には、シリンダ内筒１１０の空間Ｓ１に対し予め定めた温度に加熱された殺菌水を供給して洗浄する所謂ＣＩＰ（Cleaning In Place）洗浄を行う場合がある。ＣＩＰ洗浄に用いる殺菌水の温度は、約８５℃と高温であるため、蒸発器５に冷媒が残存していると、冷媒の圧力が急激に上昇する場合がある。
そして、冷媒の圧力が過度に高くなった場合には、低圧側安全弁３５を介して冷媒が冷菓製造装置１の外部へ放出されるおそれがある。

これに対し、本実施の形態では、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが予め定めた上限圧力Ｐｙよりも大きくなった場合に、圧縮機２の運転を行うことで、蒸発器５およびアキュムレータ６に存在する冷媒を受液器８に回収している。これにより、蒸発器５およびアキュムレータ６における冷媒の圧力が低下し、冷媒の圧力上昇が抑制される。その結果、低圧側安全弁３５を介して冷媒が冷菓製造装置１の外部へ放出されることが抑制される。
また、蒸発圧力センサ３１が検出した圧力Ｐが予め定めた下限圧力Ｐｍよりも低くなった場合には、圧縮機２の運転を停止することで、製造停止時の電力消費が抑制される。

以上説明したように、冷菓製造装置１では、圧縮機制御部６１が、冷菓の温度が予め定められた温度となるように、圧縮機２の運転周波数を制御している。これにより、例えば、蒸発器５から圧縮機２へ向かう冷媒回路５７に弁を設け、この弁の開閉制御を行う場合と比べて、蒸発器５において蒸発される冷媒の圧力を、所望の圧力に調整しやすくなる。上述したように、蒸発器５では、冷媒は、圧力が高くなると温度も高くなり、圧力が低くなると温度も低くなる性質を有している。これにより、蒸発器５において蒸発される冷媒の圧力を調整することで、蒸発器５により原料ミックスが冷却されて製造される冷菓の温度を正確に調整することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、圧縮機制御部６１が、蒸発器５にて蒸発された気体状の冷媒の圧力に基づいて圧縮機２の運転周波数を制御しているが、これに限られるものではない。圧縮機制御部６１は、原料温度センサ１１４により測定される原料ミックスの温度、冷菓温度センサ１１５により測定される冷菓の温度、冷菓を製造する際の負荷としてインバータ１３６により検知される回転軸１３３の回転負荷に基づいて、圧縮機２の運転周波数を制御してもよい。
具体的には、圧縮機制御部６１は、冷菓温度センサ１１５により測定される冷菓の温度が、予め定められた温度より低い場合に、圧縮機２の運転周波数を低下させる。一方、圧縮機制御部６１は、冷菓温度センサ１１５により測定される冷菓の温度が、予め定められた温度より高い場合に、圧縮機２の運転周波数を上昇させる。
また、圧縮機制御部６１は、インバータ１３６により検知される回転軸１３３の回転負荷が予め定められた値より大きい場合に、圧縮機２の運転周波数を低下させる。一方、圧縮機制御部６１は、インバータ１３６により検知される回転軸１３３の回転負荷が予め定められた値より小さい場合に、圧縮機２の運転周波数を上昇させる。

また、上述した実施の形態では、冷媒としてＣＯ₂冷媒を用いているが、これに限られるものではない。冷媒としては、ＣＯ₂冷媒の他、例えば公知のフルオロカーボン系の冷媒を用いてもよい。

また、上述した実施の形態では、冷菓製造装置１内に、攪拌装置１００と、攪拌装置１００で攪拌される原料ミックス等を冷却する冷凍サイクルとの双方が含まれているが、冷凍サイクルの構成の一部が冷菓製造装置１とは異なる装置に設けられていてもよい。

１…冷菓製造装置、２…圧縮機、３…凝縮器、４…膨張弁、５…蒸発器、６…アキュムレータ、７…熱交換器、８…受液器、９…ホットガス用弁、１１…分離機、１２…戻し部、５１…冷媒回路、５２…分岐路、６０…制御装置、６１…圧縮機制御部、６２…ホットガス制御部、６３…膨張弁制御部、１００…攪拌装置、１１０…シリンダ内筒、１２０…シリンダ外筒、１３０…攪拌部

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁で膨張された冷媒と原料との間で熱交換を行い冷菓を製造する蒸発器と、
前記冷菓の温度が予め定められた温度となるように、前記圧縮機の運転周波数を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記冷菓を製造する際の負荷に応じて、前記圧縮機の運転周波数を制御することを特徴とする冷菓製造装置。
前記原料を収容するシリンダと、
回転駆動される回転軸と、
前記回転軸の回転に伴って前記シリンダ内を回転移動し原料を攪拌するブレードと
をさらに備え、
前記制御部は、前記冷菓を製造する際の負荷として前記回転軸の回転負荷に応じて、前記圧縮機の運転周波数を制御する請求項１に記載の冷菓製造装置。
前記制御部は、前記冷菓を製造する際の負荷が予め定められた値より大きい場合に、前記圧縮機の運転周波数を低下させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷菓製造装置。
前記制御部は、前記冷菓を製造する際の負荷が予め定められた値より小さい場合に、前記圧縮機の運転周波数を上昇させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷菓製造装置。
前記圧縮機から排出された高温気体状の冷媒を前記蒸発器に供給する供給部をさらに備え、
前記供給部は、前記蒸発器にて蒸発された気体状の冷媒の圧力に応じて、前記高温気体状の冷媒の供給量を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷菓製造装置。
冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷菓製造装置。