JPH04505209A - 食物体と気体間の強制熱伝達の方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 食物体と気体間の強制熱伝達の方法および装置本発明は、固体または液体の食物 体と周囲気体のあいだにおける強制熱伝達の方法および装置に関する。さらに具 体的には、本発明は、熱伝達および食物体の移動の両方を改善するために製品の 流れを構成する食物体を流動化することが望ましい場合における、大量に存在す る比較的小さい固体の食物体からの熱伝達に関する。強制熱伝達は、周囲気体を 低周波数の定在波音によって生じる振動運動状態にし、かつ食物体をこの振動運 動が最大となる位置に配置した状態で達成される。

食物体、つまり人間用の食品または動物の餌として意図された製品を冷却／冷凍 する上で基本的な問題は、食物体を包囲する気体の流量が低い場合、食物体から 気体流に伝達される表面単位当たりの熱伝達効果が低いという点である。大きい 熱伝達効果を得るためには、高い気体流速が要求される。

つまり、空気の流量を大きくしなければならない。しかし、同時に空気の温度上 昇は小さくなる。流量を大きくすると、冷却／冷凍コストが高くなる。また温度 上昇が小さい結果、加熱された空気のエネルギーはほとんど利用できない。

出口における食物体の希望温度を達成するには、食物体の供給温度、その一貫性 、厚さなどをはじめとする多くの要素によって、通過時間　の変化を予測しなけ ればならない。通適時間、つまり食物体が冷却／冷凍室内に存在する時間は、一 般に製品の流れの供給速度によって制御されるので、供給速度が低いときの通過 時間は、供給速度が高いときより長くなる。

気体中に音場を発生させることによって熱伝達が改善されることは、Ｖ、Ｂ、レ ービンの「低周波振動によるシリンダの熱交換Ｊ　（Ｚｈｕｒｎａｌ　Ｐｒ１ｋ ｌａｄｎｏｉ　Ｍｅｋｈａｎｉｋｉ　ｉ　Ｔｅｋｈｎｉｃｈｅｓｋｏｉ。

Ｎｏ、　５．　ｐｐ、６７−７２＋　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ−Ｏｃｔｏｂｅｒ　１ ９８１　）によって以前から知られていた。

音場における音圧と粒子速度という２つのパラメータから、強制熱伝達をもたら すものは粒子速度であることは明らかであろう。また、粒子速度が高くなるにつ れて熱伝達が大きくなることも明らかである。物体を加熱または冷却するために 表面全体に充分に高い粒子速度を持つ音を発生する有効な方法や装置が無かった からである。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、特に食物体が例えば小粒、小球、または ドロップのような大量の小さい固体食物体で構成されるアプリケーションにおい て、食物体から周囲気体へ表面単位当たり高い熱伝達効果を得ることによって、 るのではなく、強制熱伝達は周囲気体に低周波振動を与えることによって達成さ れる。本発明を明確にするために、冷却／冷凍に関し幾つかの実施例を後述する 。

本発明の性質およびその態様は、添付図面の以下の簡単な説明から、さらに容易 に理解されるであろう。

図１は、定速空気流内の固体の食物体を示す。

図２は、超低周波音場に暴露した空気流内の固体の食物体を示す。

図３は、本発明による装置の一実施例を示す。

図４は、本発明による装置の別の実施例を示す。

図５は、食物体を冷却するための設備に使用可能な、本発明の３番目の実施例を 示す。

図６は、例えばブランチングの後で食物体を冷却するのに特に適した、本発明に よる装置の４番目の実施例を示す。

図７は、本発明を取り入れたフリーザの断面図である。

図８は、特に通過経路および冷却管を示した、図７のフリーザの別の断面図であ る。

図９は、図７および図８のフリーザの冷凍室の立面図である。

先に示したように、気体中に発生させた定在波音の影響によって気体を前後運動 させると、食物体の表面と周囲気体の間で強制熱伝達を達成することができる０ 図１は、空気流に曝された温度Ｔ６の固体食物体を示す、また、空気流の粒子を 点で示し、様々な時点における空気粒子の位置をｔ、ｒ　ｔｔで示す０食物体を 通過する前の空気流の温度はＴ、であり、食物体を通過した後はＴｔになる０図 ２は、同じ空気流に曝された同じ固体の食物体を、今度は超低周波音の影響下に 置強制熱伝達は、図２に示すように、閉じた音響共鳴器あるいはいずれにしても 音響的に実質的に閉じた音響共鳴器の中で、低周波の定在波音を発生させること によって、実現する。ここでいう低周波音とは、周波数５０Ｈｚ以下の音のこと である。５０Ｈｚを越える周波数にあまり関心が無い理由は、閉じた半波共鳴器 は高い周波数では寸法が非常に小さいので、装置の容量が小さくなるため、装置 全体が用途に不向きだからである。低周波では破裂音発生のおそれが薄れるので 、できれば３０Ｈｚ以下の周波数を使用することが望ましい。こに相互に分離し ているために、増大する。このように、音の粒子速度の流動化特性が、熱伝達に 好影響を与えることは明らかである。

音に対する障害物を構成する該当食物体があまり大きくなりすぎると、共鳴器の 共鳴の鋭さが低下することが分かっている。つまり、粒子速度の腹と節の振幅の 比が小さくなる。

したがって、損失が大きい状態で、長い共鳴管を用いて定在波音を発生するだけ の理由が無くなる。エグジゲータを粒子速度の腹近くに配置することによって、 共鳴管を短くすることができる。

音響共鳴器を実際に設計する場合、幾つかの可能性がある。

種々の設計例つまり実施例を図３ないし図９に示し、それらの原理については後 で簡単に説明する０図３は、エグジゲータ１および発生する低周波音の波長の半 分に対応する長さの共鳴器２を有する、低周波音発生装置を示す０粒子速度の腹 は共鳴器の中心部付近の領域にあり、したがって、強制熱伝達に暴露する物質は 、共鳴器の中心部のすぐ上の位置から供給し、共鳴器の中心部のすぐ下の位置か ら排出する０図４の共鳴器は、機能的には図３の共鳴器と同じであるが、共鳴器 の下半分がヘルムホルツ共鳴器に置き換えられた点が異なる。

ここでは、波長の４分の１の長さを持つ管形共鳴器３と、この管形共鳴器と同じ 共鳴周波数が得られるような寸法にしたヘルムホルツ共鳴器４が組み合わされて いる。つまり、この場合、管形共鳴器とへルムホルツ共鳴器が合同で１つの共鳴 器を形成する。図５は、図４のへルムホルツ共鳴器を漏斗形にすることによって 、強制熱伝達に暴露する物質をヘルムホルツ共鳴器１０に集め、その底部に設け た開口部を経て排出するようにした例である。図６は、波長の４分の１に当たる 長さを持つ２つの共鳴器３０．３１を横並びに配置し、両方の開放端を連絡させ た例である。２つのエグジゲータ３２．３３は、各共鳴器に同一周波数の定常波 音を発生する。これらのエグジゲータを反転位相で作動させることによって、単 一共通定常波音が発生する。原則的に、この合同共鳴器は半波共鳴器と同様に機 能する。

音響共鳴器の形状が不規則である場合、粒子速度のみかけの振幅はその影響を受 けて、元の正弦波を認識するのが困難になる。しかし、音の体積速度はそのよう な影響を受けず、正弦波の形状を維持し、粒子速度の振幅と定期的に合致する。

したがって、音響共鳴器の場合、大きい熱伝達が得られる領域を体積速度の腹と して、より適切かつ簡単に識別することができる。

次に本発明を、冷却／冷凍に関する種々の実施例を参照しながら、さらに詳しく 説明する。

図５は、グリーンピースなどの食物体を冷凍するための装置であり、例えばスエ ーデン特許出願番号第８８０２４５２−６号に記述されているような種類の超低 周波音発生装置を使用することができる。この実施例は、波長の４分の１の長さ が望ましい管形共鳴器１１と、その一端に取り付けたエグジゲータ１２とから成 る。反対側の端部には、ディフューザ１３が冷凍室１４に直接取り付けられてお り、冷凍室の上端から粒状の食物体１５を供給管１６を経て供給する。管形共鳴 器はディフューザ、冷凍室、およびヘルムホルツ共鳴器１０と一緒になって、半 波共鳴器に当たる共鳴器を形成する。ディフューザと冷凍室は、体積速度の腹が 存在する領域内に配置する０食物体１５は、重力によって冷凍室１４を下降する 。冷凍室には多数の傾斜障害物を装備し、これに食物体を一時的に引っかけるこ とによって、体積速度の高い領域内の食物体の移動時間を引き延ばす、この障害 物は網を張ったトレイで構成することが望ましいが、例えばバイブやビームなど 、空気は通過できるが食物体は通過できないものならば、他の設計でもかまわな い。冷凍室の下端には１、漏斗として機能するヘルムホルツ共鳴器１０を装備し 、食物体を捕獲してさらに容器へ送り出す、ヘルムホルツ共鳴器の上部には、送 風機によってダクト１８を経て冷却用空気が供給される。この空気は冷却室内を 上昇し、食物体によって加熱される。加熱された冷却用空気は、ダクト１９を通 って排出される。

強制熱伝達は、食物体と１、低周波音の影響を受ける気体、この例では空気との 間に達成される。食物体が１・Ｌ・イに引っ掛かっているときに、音によって発 生した空気の運動が食物体の流動化を達成する。

図６は、粒状の食物体を例えばブランチラグした後で冷却／冷凍する別の実施例 を示す。この装置は、どちらも波長の４分の１の長さを持つ２つの共鳴器３０． ３１から成る。各共鳴器の上端部にはエグジゲータ３２．３３があり、この例で もスエーデン特許出願番号第８８０２４５２−６号に記載の種類または同等のエ グジゲータを適切に使用することができる。これらの２つのエグジゲータ３２． ３３は、共通の電動機３４によって駆動され、相互に反転位相で作動する。これ によって、開放端３５．３６が結合空間３７を介して連絡するように横並びに配 置した２つの共鳴器内で、単一の共通定在波音が発生する。

各共鳴器の下部および結合空間３７の隣接部に、体積速度の腹となる領域ができ 、ここが実際の冷却／冷凍室を構成する。

冷却／冷凍領域には、その内部を数回前後して通過して２つのバイブシステムを 形成しているバイブ３８．３９の形をした障害物を設置する。これらのバイブ内 を水、アンモニア、フレオンなどの冷却剤が流れる。冷却／冷凍する粒状の食物 体は、上の方から、２つの分岐管４１．４２を持つバイブ４０を通して装置内に 供給され、２つのバイブシステムのすぐ上に入ってくる。供給された粒状の食物 体は、重力によってバイブシステムをゆっくりと下降していき、この通過中に冷 却／冷凍される。バイブシステムの外側はこのように伝熱面を構成しており、熱 伝達はまず粒状の食物体と共鳴器内部の空気の間で起き、次に空気と伝熱面の間 で起ぎる。冷却剤に吸収された熱はその後、例えばブランチング装置で食物体を 加熱するためなどに利用する。粒状の食物体は冷却／冷凍し、障害物３８．３９ を通過した後、−か所に集められ、結合空間３７の下部に配置したバイブ４３か ら排出する。

図７は、本発明によるフリーザ５２の好適実施例を示す、これは、スタンド５４ に支持された断熱ハウジング５６から成る。

断熱ハウジング５６の内部には冷凍室５８があり、その開放上端部を管形共鳴器 ６０に接続する。エグジゲータ６２によって発りする超低周波音は、管形共鳴器 ６０を介して、冷凍室の上部Ｇ入り、そこでピラミッド形のウェーブディバイダ によってン凍室５８全体に分散される。

図７に示すような、本発明による好適実施例では、冷凍で５８の上部をさらにフ ァンダクト６４に接続し、このフアツジとトロ４をファン６６を介して冷凍室５ ８の下部に接続する。ファンダクト６４も断熱することが望ましい。　図７およ び図８は、穴付き障害物あるいはトレイ底部６８．７０．７２．７４．７６．７ ８．８０．８４．８６．８８の傾斜を特に良く示している。一番上のトＬイ底部 ６８は製品人口９０　（図９参照）につながっており、−１ですべり落ち、そこ からさらに、そのトレイ底部とは実質αバッキングや保存など、その後の処理を 受けるために、最ａ生　リ、右側の側面には製品出口９２が示されている。製品 の流れに　は矢印で表す、基本的に四角形の穴付きトレイ底部６８．７ｏ、冷　 ７２．７４は、螺旋状にカーブした下降通路を形成し、冷凍される製品はそこを 通って運ばれる。トレイ底部は完全な四角形室　とすることができ、この場合は 角の部分はコーナーセフショク　ン６９．７１．７３に接続するが、斜めの四角 形であってもよく、ン　その場合は隣接する２つのトレイ底部の角の部分を４５ °のし　傾斜角度を変更するために、トレイ底部をさらに調整可能に番 的 浚 ッテリの傾斜を調整することができる。

その後の処理を受けるために、最終的に製品出口９２か出ていれた位置の次の流 動化領域に達する１食物体が製品出口９２かれの速度が遅すぎる場合には、超低 周波音の方向がトレイ底部と鋭角を成すようにして、超低周波音の水平成分が製 品の流れの速度を高くすることが望ましい。冷凍工程の点で難しい特性を持つ食 物体、例えば粘りのある製品を冷凍する場合、意図した技術的効果を達成するた めに、冷凍室の頂部と最下部を結ぶファンダクト６４の中間に配置したファン６ ６を作動することが望ましい。

以上、フリーザに関連して超低周波音を導入することで、冷凍する食物体とクー リングバッテリとの間における熱輸送および熱伝達が増大すること、そして、特 にクーリングバ・ンテリを製品の流れの近接部に、しかも超低周波音の強度が充 分に高い条件下で設置した場合は、この技術を利用することにより、ファンを使 用する必要性が無くなることを示した。

ら、効率が高くなる。超低周波音技術による特に優れた利点は、超低周波音を流 動化しやすい製品の流動化に利用することができ、生産性がさらに向上するとい う点である。

ここでは、低周波音を新しい好適フリーザに関連して述べたが、これは食物製品 の冷却やその他の工程、例えばフライや調理や乾燥などの加熱で強制熱伝達を行 いたい場合にも、適用することができる。

ＦＩＧＪ　ＦＩＧ、、２ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成３年５月１日

Claims (34)

【特許請求の範囲】
1. １．食物体の一部または全体を冷却／冷凍するか、あるいは食物体を調理、フラ イ、または乾燥するときに、固体または液体の食物体の表面と周囲気体との間に おける熱伝達を音によって強制する方法において、上記の音が低周波数の定在波 音から成ることを特徴とする強制熱伝達の方法。
2. ２．上記定在波音が粒子速度の腹を１つしか持たないことを特徴とする、請求項 １記載の方法。
3. ３．上記食物体の表面を、定在波音の粒子速度の腹の近接する領域に配置するこ とを特徴とする、請求項１又は２のいづれか１項に記載の方法。
4. ４．上記定在波音の波長の４分の１よりかなり小さい寸法の食物体に使用するこ とを特徴とする、請求項１から３までの中のいづれか１項に記載の方法。
5. ５．多数の食物体を連続的な流れとして上記定在波音に通過させることを特徴と する、請求項１から４までの中のいづれか１項に記載の方法。
6. ６．流れに定在波音への入口および定在波音からの出口を設けること、および上 記入口を上記出口より上のやや離れた位置に配置することを特徴とする、請求項 ５記載の方法。
7. ７．上記食物体の流れを入口から出口まで重力だけによって移送することを特徴 とする、請求項６記載の方法。
8. ８．入口から出口までの食物体の通過時間を、食物体の移送路に配置した障害物 またはトレイ底部によって長引かせることを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. ９．低周波音の影響によって食物体を上記障害物の上で流体化することを特徴と する、請求項８記載の方法。
10. １０．食物体の流速に定在波音の影響を及ぼすために、定在波音を上記トレイ底 部に対し鋭角を成す方向に発生させることを特徴とする、請求項８または９のい づれか１項に記載の方法。
11. １１．製品の流れを基本的に螺旋状にカーブする穴付きトレイ底部を横切る方向 に向けることを特徴とする、請求項５から１０までの中のいづれか１項に記載の 方法。
12. １２．定在波音を固定伝熱面を包囲するように方向付けること、および気体と上 記伝熱面との間で熱伝達が起こることを特徴とする、請求項１から１１までの中 のいづれか１項に記載の方法。
13. １３．エグジゲータ部と共鳴器部とを有する音響発生装置を含む、食物体の表面 と周囲気体との間の熱伝達を音によって強制する装置において、共鳴器部が音響 的に実質的に閉じており、強制熱伝達にさらされる食物体がエグジゲータによっ て発生する定在波音の粒子速度の腹となる共鳴器部内の位置に配置されるように 設計することを特徴とする、強制熱伝達装置。
14. １４．上記食物体の全ての寸法が上記定在波の波長の４分の１より小さいことを 特徴とする、請求項１３記載の装置。
15. １５．上記食物体が小粒、小球、ドロップなどの形態であることを特徴とする、 請求項１４記載の装置。
16. １６．上記定在波音内を通過する多数の食物体のための定在波音への入口および 定在波音からの出口を設け、入口を出口より上のやや離れた位置に配置すること を特徴とする、請求項１３から１５までの中のいづれか１項に記載の装置。
17. １７．入口から出口までの食物体の移送路に障害物またはトレイ底部を設けるこ とを特徴とする、請求項１６記載の装置。
18. １８．上記トレイ底部が、気体は通過できるが食物体は通過できない網、パイプ 、ビーム、または同様の手段から成ることを特徴とする、請求項１７記載の装置 。
19. １９．上記トレイ底部が基本的に螺旋状にカーブした連続通過経路を形成するこ とを特徴とする、請求項１７または１８のいづれか１項に記載の装置。
20. ２０．螺旋状にカーブした通過経路の傾斜を変化させるようにしたことを特徴と する、請求項１９記載の装置。
21. ２１．冷却用気体を共鳴器に供給するために冷却剤用の入口をトレイ底部の下の 位置に装備し、冷却用気体を共鳴器から排出するために上記冷却剤用の出口をト レイ底部の上の位置に装備することを特徴とする、請求項１７から２０までの中 のいづれか１項に記載の装置。
22. ２２．冷却剤を移送するパイプシステムをトレイ底部の間に装備することを特徴 とする、請求項１７から２０までの中のいづれか１項に記載の装置。
23. ２３．トレイ底部がパイプシステムから成ることを特徴とする、請求項１７から ２０までの中のいづれか１項に記載の装置。
24. ２４．上記パイプシステムのパイプの外側が伝熱面を構成し、上記パイプシステ ムが熱交換システムの一部であることを特徴とする、請求項２２または２３のい づれか１項に記載の装置。
25. ２５．共鳴器部が発生する低周波音の半波長に当たる長さの管形共鳴器から成る ことを特徴とする、請求項１３から２４までの中のいづれか１項に記載の装置。
26. ２６．共鳴器部が発生する低周波音の波長の４分の１に当たる長さの管形共鳴器 から成り、エグジゲータとは反対側になるその下端部をヘルムホルツ共鳴器に接 続し、２つの共鳴器が合同で、個々の共鳴器の共鳴周波数と同一の共鳴周波数を 持つ１つの共鳴器を形成することを特徴とする、請求項１４から２４までの中の いづれか１項に記載の装置。
27. ２７．管形共鳴器が相互に異なる直径を持つ幾つかの部分から成ることを特徴と する、請求項２５または２６のいづれか１項に記載の装置。
28. ２８．ヘルムホルツ共鳴器を漏斗形とし、食物体の出口をヘルムホルツ共鳴器の 底部に設けることを特徴とする、請求項２６記載の装置。
29. ２９．共鳴器部が、発生する低周波音の波長の４分の１に当たる長さをそれぞれ 持つ２つの管形共鳴器から成ることを特徴とする、請求項１４から２０までおよ び請求項２３から２４までの中のいづれか１項に記載の装置。
30. ３０．２つの管形共鳴器がそれぞれ１個のエグジゲータを有し、上記エグジゲー タを反転位相で作動させ、２つの管形共鳴器内部に低周波音の共通定在波を発生 させることを特徴とする、請求項２９記載の装置。
31. ３１．管形共鳴器を相互に隣接位置に配置し、エグジゲータとは反対側になるそ れぞれの開放端を共通空間を介して連絡させることを特徴とする、請求項３０記 載の装置。
32. ３２．管形共鳴器の開放端の共通空間が、食物体を集めて出口から排出させるた めの容器から成ることを特徴とする、請求項３１記載の装置。
33. ３３．音響的に実質的に閉じたシステムを構成することを特徴とする、請求項１ ３から３２までの中のいづれか１項に記載の装置。
34. ３４．食物体から冷却システムへの熱伝達を増大するため、および／または食物 体の流動化を促進するために、ファンを装備することを特徴とする、請求項２２ から３３までの中のいづれか１項に記載の装置。