JPH0549913B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、冷却のための経済的な工程を提供す
るために液体寒剤と低温ガスを利用して有機質物
品を冷却冷凍する方法に関する。本発明は、又、
装置の製造コスト及び運転コストを総合的にみて
コスト節減を達成することができるような態様で
寒剤冷凍のための構成部品と機械的冷凍のための
構成部品を組合せた寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ
冷凍装置に関する。

従来の技術 食品や生化学的薬剤を冷凍する場合、冷凍され
たときに物質内に生じる物理的変化に細心の注意
を払わなければならない。食品及び生化学的薬剤
には、それらの物質の細胞構造を破壊し、ひいて
は食物の組織や風味特性、又は生化学薬剤として
の活性を破壊するおそれのある有害な結晶構造の
生長を防止するために急速に冷凍しなければなら
ないものが多い。更に、冷却又は冷凍すべき物品
の表面に急速冷凍により凍結外皮を形成すると、
そのような凍結外皮は、物品内の流体が物品の内
部から表面へ滲出し、表面から蒸発し、又は運び
去られるのを防止する働きをもする。従つて、物
品をその内部を含む全体に亙つて所望の温度にま
で冷凍する間、凍結外皮を物品の実質的に全表面
に亙つて維持することにより物品の内部からの流
体の損失を防止又は大幅に減少させることができ
る。急速冷凍による凍結外皮の形成は、多くの場
合、被冷凍物品を液体寒剤（極低温液体）内に浸
漬させることによつて行われるが、寒剤即ち極低
温剤は、非常に高価であるため液体寒剤への浸漬
だけによつて物品を完全に冷凍させるのは経済的
ではない。

更に、本出願人の米国出願第219666号に開示さ
れているように、急速冷凍による収縮亀裂を防止
又は減少させるようにするために、被冷凍物品を
液体寒剤に露呈させたときに生じる外皮凍結の深
さを制限することが望ましい。凍結外皮の深さ即
ち厚さを制御し物品の表面温度を制御することに
よつて、更に、その物品全体を所望の温度にまで
冷凍する間物品の温度分布の制御を維持すること
によつて、より高品質の冷凍物品が得られる。

外皮凍結のために液体寒剤を使用することは上
述のような利点をもたらす。物品をその全体に亙
つて所望の温度にまで冷凍するのに必要な追加の
冷却は、上記米国出願第219666号に記載されてい
るように、物品との熱交換のために寒剤蒸気を使
用することによつて行うことができる。しかしな
がら、必要な熱除去の全部を行うのに必要とされ
る寒剤のコストは、食品のような極めて価格競争
の激しい消費物品にとつてはその市場性を失わせ
るほどに高くつく。従つて、価格競争が重要な要
素である場合は、物品を外皮凍結した後の追加の
冷却を行うのに機械的冷凍を用いることが望まし
い。

物品を冷却又は冷凍するための典型的な機械的
冷凍装置は、冷却すべき物品をチルド（冷却され
た）ガスに直接接触させるための冷却室を備えて
いる。チルドガスは物品から熱を奪う。通常、チ
ルドガスは、その熱除去能力を完全に利用するた
めに冷却室内で再循環されるが、被冷凍物品に接
触させた後チルドガスの一部を廃棄し、必要に応
じて新しいチルドガスを補給することもできる。
物品からチルドガスへ受け渡された熱は、チルド
ガスの循環中常時除去しなければならず、そのた
めの手段は、一般に、蒸気圧縮型冷凍機即ちいわ
ゆる「チラー」である。チラーは、通常、冷媒を
循環させるための閉ループ（流体回路）を有し、
そのループに順次に連結された蒸発器と、圧縮機
と、凝縮器と、膨張弁とから成る。冷媒は、蒸発
器において冷却（チル）すべきガスとの熱交換表
面を介しての間接接触により液相から飽和蒸気相
に変換され、それによつてガスの熱含量を減少さ
せる（ガスを冷却する）。チラーに使用される代
表的な冷媒としては、アンモニア、クロロフルオ
ロカーボン、及びその他の米国保健教育福祉省食
品薬品局認定冷媒がある。このような冷媒を代表
的なチラーに使用した場合、代表的な機械的冷凍
装置において得られるチルドガスの温度は、約−
51℃〜−18℃（−60〓〜０〓）の範囲である。

しかしながら、機械的冷凍装置によつて得られ
る熱伝達速度は、物品に先に述べたような所望の
凍結外皮を形成するのに十分な速さではない。し
かも、機械的冷凍装置の製造コストは高く、相当
な設備投資費用を必要とする。しかし、このよう
な欠点があるにも拘らず、機械的冷凍装置は、１
馬力又は１キロワツト当りに循環チルドガスから
除去する熱含量が大きいという点で作動効率が高
いという利点がある。

従つて、機械的冷凍装置に投資する設備費を正
当化するほど処理すべき物品の量が多い場合に
は、高品質の冷凍製品を経済的なコストで生産す
るための寒剤冷凍法と機械的冷凍法とを組合せる
ことに利点がある。

米国コーチ・エンジニアリング・アンド・マニ
ユフアクチヤリング・インコーポレイテツド社の
「食品冷凍装置における技術革新と効率」と題す
る販売カタログ（日付は入つていない）には、市
販の寒剤冷凍ユニツトと機械的冷凍ユニツトが記
載されており、それらの２種類のユニツトを組合
せて使用することが推奨されている。そのカタロ
グには、そのような組合せは、各ユニツトの最善
の特徴を利用することができるので非常に有利で
あるとうたわれており、寒剤冷凍ユニツトの液体
寒剤（液体窒素）の浸漬浴と機械的冷凍ユニツト
を並置し、冷たい寒剤蒸気が機械的冷凍ユニツト
へ直接流れるようにした構成が図示されている。

米国特許第3298133号には、液体窒素とその蒸
気を用いて食品の極低温冷凍を行うための方法及
び装置が開示されている。この方法及び装置にお
いては、食品を傾斜経路に沿つてスプレー帯域に
まで上昇させ、スプレー帯域で食品に液体窒素を
吹付ける。スプレー帯域において発生した窒素蒸
気は、傾斜経路に沿つて下方へ吹込み、上昇して
くる食品を予備冷却するのに利用される。このよ
うに液体窒素が食品に接触して沸騰することによ
つて生じた窒素蒸気を、これから液体窒素を吹付
けるための食品の予備冷却に利用することは、冷
凍装置をより経済的にするという利点がある。

米国特許第3376710号には、食品を冷凍するた
めに液体寒剤と寒剤蒸気の両方を用いる極低温式
冷凍装置が開示されている。

米国特許第3507128号には、機械的冷凍法と液
体ガス式冷凍法の組合せを用いた連続的冷凍方法
及び装置が開示されている。この方法では、機械
的冷凍法を用いて物品をほぼその凍結点にまで予
備冷却し、次いで液体ガスを物品に吹付けて物品
を実質的に冷凍し、最後に機械的冷凍法により物
品全体をその所望の最終温度にまで冷凍する。

米国特許第3512370号には、上記米国特許第
3507128号の連続的冷凍法に類似したバツチ式冷
凍方法及び装置が開示されている。

米国特許第3805538号には、ここの食品に液体
寒剤のスプレーを接触させ、次いで冷却ガスを吹
付け、次いで再度液体寒剤を吹付けることから成
る食品冷凍方法が開示されている。この冷却ガス
は、冷凍コイルを用いて冷却された寒剤蒸気であ
り、冷凍コイル内の冷媒は、機械的に駆動される
圧縮機又は吸収冷凍装置等によつて冷却される。
冷凍コイルは、そのコイルの外表面に着霜防止溶
液を吹付けることによつて霜が付かないようにな
される。

発明が解決しようとする課題 本発明は、液体寒剤を用いて物品の外皮凍結を
行い、次いで機械的凍結法を用いて物品を所望の
最終温度にまで冷却する方法及び装置において、
寒剤蒸気の熱除去能力をより効率的に利用するた
めに寒剤蒸気を使用する態様を改良することを企
図したものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明は、冷却すべ
き物品に液体寒剤を接触させて該物品の温度を低
下させ、次いで、該物品に機械的冷凍系統内で低
温ガスに接触させて該物品の温度を更に低下させ
ることから成る冷却冷凍方法であつて、 前記物品と液体寒剤との直接接触により発生し
た寒剤蒸気の少なくとも一部分を、前記機械的冷
凍系統内で使用される熱伝達流体即ち低温ガスを
冷却するために使用することを特徴とする方法を
提供する。寒剤蒸気は、(1)循環する低温ガスとの
間接熱交換のために、あるいは、(2)機械的冷凍系
統を構成するチラーからの冷媒との間接熱交換の
ために、あるいは、(3)上記低温ガス又はチラーの
冷媒を冷却（チル）するために使用される中間冷
媒との間接熱交換のために、あるいは、上記(1)、
(2)、(3)の任意の組合せ操作のために、用いられ
る。

機械的冷凍法による冷却を補助するための寒剤
蒸気の使用は、上述した間接熱交換に加えて、寒
剤蒸気を機械的冷凍系統の低温ガスと物品との接
触帯域へ直接導入することによつて更に拡大する
こともできる。ただし、機械的冷凍系統内を循環
する低温ガス内へ寒剤蒸気を添加すると、その区
域内の作業者の呼吸を困難にする雰囲気が創生さ
れることがあるので、作業手順の変更や、装置へ
の作業者の接近を制限しなければならない場合が
ある。又、−196℃（−320〓）もの低温となる寒
剤蒸気は、機械的冷凍系統の構成部品を損傷する
ことがないように注意深く取扱わなければならな
い。

寒剤蒸気とチラーの冷媒又は上述した低温ガス
との間に中間熱伝達流体即ち中間冷媒を使用する
ことは、下記のような場合に好ましい。

(1) 寒剤蒸気の温度が非常に低く、その寒剤蒸気
との熱交換によつて低温ガスを冷却したとすれ
ば、機械的冷凍系統の構成部品がそのような低
温ガスに露呈されることによつて損傷されるお
それがある場合、又は (2) 寒剤蒸気の温度が非常に低く、チラーの冷媒
が寒剤蒸気との熱交換面上に着氷し、機械的冷
凍系統の作動に該を及ぼすおそれがある場合。

物品への液体寒剤の接触は、物品を液体寒剤に
浸漬させる方法、又は物品に液体寒剤を吹付ける
（スプレーする）方法、又はそれらの２つの方法
の組合せによつて行うことができる。

本発明は、又、冷却すべき物品に液体寒剤を接
触させて該物品の温度を低下させるための液体寒
剤接触手段と、該物品を更に冷却するために物品
から低温ガスへ熱を伝達するための機械的冷凍手
段及び該低温ガスを創生するための低温ガス創生
手段を含む冷却手段とから成る寒剤冷凍・機械的
冷凍組合せ冷凍装置であつて、 前記低温ガス創生手段はチラー又はそれと均等
の機械的冷凍機を含み、機械的冷凍系統内を循環
させる前記低温ガスを該チラーと協同して冷却す
るために前記液体寒剤接触手段内で発生した寒剤
蒸気を使用するための間接熱伝達手段を設けたこ
とを特徴とする装置を提供する。

上気間接熱伝達手段は、下記の４つの手段のう
ちの１つ又はそれらの組合せから選択することが
できる。

(1) 第１の好ましい間接熱伝達手段は、一方の側
に寒剤蒸気を通し、他方の側に前記チラーの冷
媒を通して該チラーの冷媒の熱含量を減少させ
る熱交換面Ａと、熱交換面Ａからの該チラーの
冷媒と連通しており、一方の側に該チラーの冷
媒を通し、他方の側に低温ガスを通して該低温
ガスの熱含量を減少させる熱交換面Ｂとから成
るものである。

(2) 上記低温ガスを創生するために寒剤蒸気を利
用するための第２の好ましい間接熱伝達手段
は、一方の側に寒剤蒸気を通し、他方の側に冷
媒流体を通して該冷媒流体の熱含量を減少させ
る熱交換面Ｃと、熱交換面Ｃからの冷媒流体と
連通しており、一方の側に冷媒流体を通し、他
方の側に機械的冷凍系統の低温ガスを通して該
低温ガスの熱含量を減少させる熱交換面Ｄとか
ら成り、熱交換面Ｄに加えて、一方の側に前記
チラーの冷凍を通し、他方の側に前記低温ガス
を通して該低温ガスの熱含量を更に減少させる
熱交換面Ｅが設けられているものである。

ある種の応用例において寒剤蒸気の冷却能力
を最大限利用するために上記(1)と(2)の構成を組
合せることも可能である。即ち、寒剤蒸気を用
いて２つの異なる熱交換ループ直列式に冷却す
ることができる。第１の熱交換ループの冷媒流
体は、該ループの熱交換面（上記(2)の熱交換面
Ｃ）において冷却し、第２熱交換ループにはチ
ラーの冷媒を通し、チラーの冷媒を該ループの
熱交換面（上記(1)の熱交換面Ａ）において例き
やくつする。かくして、寒剤蒸気は、まず、機
械的冷凍手段内を循環する低温ガスから熱を除
去するための冷媒流体を冷却するのに使用さ
れ、次いで、該寒剤蒸気の残りの冷却容量を用
いて、やはり機械的冷凍手段内を循環する低温
ガスから熱を除去するためのチラー冷媒を過冷
却する。

(3) 上記低温ガスを創生するために寒剤蒸気を利
用するための第３の間接熱伝達手段は、一方の
側に寒剤蒸気を通し、他方の側に中間冷媒流体
を通して該中間冷媒流体の熱含量を減少させる
熱交換面Ｆと、熱交換面Ｆからの中間冷媒流体
と連通しており、一方の側に該中間冷媒流体を
通し、他方の側に前記チラーの冷媒を通して該
チラーの冷媒の熱含量を減少させるための熱交
換面Ｇと、熱交換面Ｇからの前記チラーの冷媒
と連通しており、一方の側に該チラーの冷媒を
通し、他方の側に前記低温ガスを通して該低温
ガスの熱含量を減少させる熱交換面Ｈとから成
るものである。この第３の間接熱伝達手段は、
上記(1)及び(2)のものほどは好ましくはない。

(4) 上記低温ガスを創生するために寒剤蒸気を利
用するための第４の間接熱伝達手段は、一方の
側に寒剤蒸気を通し、他方の側に第１冷媒流体
を通して第１冷媒流体の熱含量を減少させる熱
交換面Ｉと、熱交換面Ｉからの第１冷媒流体と
連通しており、一方の側に該第１冷媒流体を通
し、他方の側に第２冷媒流体を通して第２冷媒
流体の熱含量を減少させる熱交換面Ｊと、熱交
換面Ｊからの第２冷媒流体と連通しており、一
方の側に該第２冷媒流体を通し、他方の側に第
前記低温ガスを通して該低温ガスの熱含量を減
少させる熱交換面Ｋとから成り、熱交換面Ｋに
加えて、一方の側に前記チラーの冷媒を通し、
他方の側に前記低温ガスを通して該低温ガスの
熱含量を更に減少させる熱交換面Ｌが設けられ
ているものである。この第４の間接熱伝達手段
は、上記(1)及び(2)のものほどは好ましくはな
い。

機械的冷凍手段内を循環する低温ガスから熱を
除去するための間接熱伝達媒体として寒剤蒸気を
使用するための上記(1)、(2)、(3)、(4)の手段をいろ
いろに組合せて使用することもできる。

当業者には明らかなように、例えば液体窒素の
蒸気のような寒剤蒸気を機械的冷凍系統内の低温
ガスに直接混合させると、低温ガス中の寒剤蒸気
の濃度が増大する。そして、寒剤蒸気の濃度が増
大した雰囲気中の酸素濃度は、人間の呼吸を維持
できないレベルにまで減少することがある。従つ
て、寒剤蒸気を機械的冷凍系統内の低温ガスに直
接混合させないで、寒剤蒸気と低温ガスとの間に
間接熱伝達媒体を用いることの利点の１つは、機
械的冷凍系統内の低温ガス雰囲気中の酸素濃度を
寒剤蒸気によつて希釈させないことである。装置
の操作社の安全を保証するための適切な措置が採
られていれば、寒剤蒸気を機械的冷凍系統内の低
温ガスに直接混合させることも可能である。

用語の定義 ここで用いられる「液体寒剤」という用語は、
約−18℃（０〓）以下の沸点を有する液体冷媒を
意味する。そのような液体寒剤の例としては、液
体窒素、液体空気、液体亜酸化窒素、液体二酸化
炭素、液体クロロフルオロカーボン等がある。

「寒剤蒸気」とは、液体寒剤が加熱によつて蒸
発せしめられたときに生じる蒸気をいう。

「低温ガス」とは、冷却又は冷凍すべき物品か
ら熱を奪うために機械的冷凍系統内を通して循環
されるガスのことをいう。「チルドガス」とも称
する。

「チラー」とは、寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ
冷凍装置内において冷却又は冷凍すべき物品に接
触させる低温ガスの少なくとも一部分を含むガス
の熱含量を減少させるために使用される「機械的
冷凍手段」のことをいう。従つて、「チラー」は、
低温ガスを創生するための「低温ガス創生手段」
を構成する。エラーは、冷媒を回収し再循環させ
る慣用の機械的冷凍手段、例えば蒸気圧縮式冷凍
はた又は吸収式冷凍機であつてよい。

「間接熱伝達」とは、熱交換させるべき２つの
流体を直接接触させることなく行われる熱交換の
ことをいう。「間接熱伝達手段」は、「間接熱伝
達」を行うための手段であり、後述する「熱交換
ループ」及びその「熱交換部」又は「熱交換面」
によつて構成される。この「間接熱伝達手段」即
ち「熱交換ループ」内を通す流体は、「冷媒」又
は「熱伝達流体」と称する。

「直接熱伝達」とは、熱交換させるべき２つの
物質を直接接触させることによつて行われる熱交
換のことをいう。

「液体寒剤浸漬手段」とは、物品を液体寒剤内
に直接浸漬させることができる任意の手段をい
う。

「液体寒剤スプレー手段」とは、物品を液体寒
剤スプレーに直接接触させることができる任意の
手段をいう。

「液体寒剤浸漬手段」又は「液体寒剤スプレー
手段」又はそれらの組合せを総称して、「液体寒
剤接触手段」と称する。

「有機質物品」とは、炭素の化合物から成る物
品のことであり、例えば、医療用薬剤等の生化学
的物質、果物、野菜、食肉、魚肉、家禽及び加工
食品等の食品である。

実施例 第１図は、従来一般に使用されている型式の機
械的冷凍機を示す。冷却又は冷凍すべき物品（以
下、単に「被冷凍物品」とも称する）は、装入器
２内へ入れられ、装入器によつて冷却又は冷凍室
４内へ供給される。冷凍室４内において物品は、
機械的冷凍系統内を循環されているチルドガス
（冷却されたガス）６によつて接触される。冷却
ガス６の熱量は、循環ループ１０を通して循環さ
れる冷媒を有する熱交換部（熱交換表面）８を被
つて通されることによつて低下される。循環ルー
プ１０内の冷媒の熱は、チラー（通常、蒸気圧縮
型冷凍機）１２によつて除去される。チルドガス
６は、ブロア又はフアン１４を用いて冷凍室４を
通して循環される。

第２図には、従来一般に使用されている極低温
冷凍機が示されている。冷却又は冷凍すべき物品
は、装入器２０内へ入れられ、装入器によつてト
ンネル形囲い体（以下、単に「トンネル」と称す
る）２２内へ供給される。トンネル２２内におい
て物品は、液体寒剤（極低温剤）（「極低温液体」
とも称する）２４の浴内に浸漬されるか、あるい
は液体寒剤を吹付けられ、物品の表面に凍結され
た少なくとも外皮が形成される。次いで、物品
は、寒剤蒸気２６に接触せしめられる。寒剤蒸気
２６の少なくとも一部分は、液体寒剤が先に冷却
又は冷凍すべき物品と接触したときに沸騰するこ
とによつて発生したものである。寒剤蒸気２６
は、フアン２８を用いてトンネル２２内を移動又
は循環され、排気ダクト３０によつてトンネル２
２から抽出される。物品は、トンネル２に沿つて
出口３２へ進み、出口３２に達した時点では全体
的に所望の温度にまで冷却されている。

本発明による寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍
装置（寒剤冷凍と機械的冷凍との組合せによる冷
凍装置）（「冷却・冷凍装置」又は単に「冷凍装
置」とも称する）の好ましい一実施例は、第３図
に示されている。

略述すれば、この実施例においては、液体寒剤
接触帯域４２において生じた寒剤蒸気用いて、機
械的冷凍系統６０のチラー５４を通つて循環する
冷媒から熱含量を除去する。寒剤蒸気は、図示の
ようにチラーの冷媒を冷却するのに使用すること
ができるが、べえぽうとして、チラーの冷媒を冷
却するのに使用される中間熱伝達流体を冷却する
のに用いることもできる。この別法は、第３図に
は示されていない。

第３図の実施例を以下に詳述する。冷却又は冷
凍すべき物品（単に「冷却すべき物品」又は「被
冷凍食品」とも称する）は、装入器４０内に入れ
られ、装入器によつて液体寒剤接触帯域４２へ供
給される。液体寒剤接触手段は、第３図に示され
るような液体寒剤浸漬手段であつてもよく、ある
いは液体寒剤スプレー手段、又は浸漬手段とスプ
レー手段の組合せであつてもよい。液体寒剤４６
の浸漬浴（以下、単に「浴」とも称する）４５に
おいて液体寒剤４６が沸騰することによつて発生
した寒剤蒸気４４は、導管４８を通して排出され
るが、導管４８内を通る間に熱交換ループ（熱交
換ループ区間５０と熱交換ループ区間５６とから
成る）内の冷媒流体から熱を除去するための熱伝
達媒体として使用される。即ち、寒剤蒸気４４
は、熱交換ループ区間５０の、導管４８内に配置
された熱交換部５７内を通る冷媒を冷却する。
「熱交換部」は、管などから成り、管の内側を通
る流体と管の外側を通る流体との間で管壁を介し
て熱交換させるので、ここでは「熱交換部」のこ
とを「熱交換面」とも称する。寒剤蒸気４４は、
導管４８から出口ダクト５２を通つて流出する。

チラー５４から出ている熱交換ループ区間５０
内の冷媒は、熱交換ループ区間５６内を通る冷媒
と同じ冷媒とすることが好ましい。熱交換ループ
区間５６は、熱交換部５８へ冷媒を供給する。か
くして、寒剤蒸気４４は、チラー５４によつて既
に凝縮された冷媒を、膨張弁５５を通して熱交換
部５８へ送る前に、過冷却するのに使用される。
又、熱交換ループ区間５０と、熱交換ループ区間
５６とで異なる冷媒を使用し、両熱交換ループ区
間の間に熱伝達手段を設ける構成（図示せず）と
することもできる。熱交換ループ区間５０と、熱
交換ループ区間５６に異なる冷媒を使用すること
は、機械的冷凍手段即ち機械的冷凍系統６０に作
動温度範囲のより一層の融通性を与えることを可
能にするが、２つの熱交換ループ区間の間の熱伝
達手段即ち熱交換部（熱交換表面を介しての両者
の冷媒間の熱伝達の非効率により寒剤蒸気４４の
熱含量除去容量（熱を奪う能力）の一部が失われ
る。更に、装置のコストも増大する。これに対し
て、熱交換ループ区間５０と熱交換ループ区間５
６に同じ冷媒を通して量区間を直接連通させ、チ
ラー５４によつて予備冷却され凝縮された冷媒を
過冷却するのに寒剤蒸気４４を使用した場合、寒
剤蒸気の熱含量除去容量を最大限に利用すること
ができる。通常、熱交換部５８においてチルドガ
ス（「低温ガス」とも称する）６４を冷却するの
に用いられた冷媒からの熱含量除去の約60〜80％
は、チラー５４によつて行われ、残りの40〜20％
は寒剤蒸気４４との熱交換によつて行われる。

冷却又は冷凍すべき物品は、寒剤接触帯域４２
から機械的冷凍室６２内へ通され、該室内で循環
する低温ガス６４によつて接触される。低温ガス
６４は、熱交換部（熱交換表面）５８を介しての
間接熱交換により熱含量を減少される。循環低温
ガスを熱交換部５８を通して送るためにブロア又
はフアン６６が使用される。

第３図に示された好ましい実施例は、寒剤接触
帯域４２内で物品を外皮凍結させることができ、
それによつて、後の凍結工程中物品中の流体を物
品内で留めるようにする。熱交換ループ区間５０
は、凍結室６２、熱交換部５８及びブロア６６等
の下流側の装置を寒剤蒸気４４の低温に露呈させ
ることなく、被凍結物品から熱含量を除去するた
めに寒剤蒸気４４に残つている冷却容量を利用す
る手段を提供する。

第３図の冷却・冷凍装置において、寒剤接触帯
域即ち寒剤冷凍部４２と、機械的冷凍系統即ち機
械的冷凍部６０内にそれぞれ熱交換部５７，５８
を配置することは限定的な要件として企図された
ものであるが、寒剤冷凍部４２及び機械的冷凍部
６０内での他の構成部品に対する熱交換部の位置
は、自由に選択することができる。例えば、機械
的冷凍部６０内の熱交換部５８は、機械的冷凍室
６２内の底部と頂部の間の中間の位置に配置して
もよく、その場合室６２内の低温ガス６４のため
の配管と交差させては位置することができる。

液体寒剤接触帯域４２内で物品の表面に凍結形
成される外皮の厚さは、通常、物品の断面の厚さ
の約５〜20％の範囲である、例えば、物品が球状
であるとすると、その球の円周の周りの凍結外皮
の厚さは、球の断面直径の約約５〜20％の範囲と
なる。外皮の厚さは、その物品の急激な冷却によ
り収縮亀裂を起こす程外皮が厚くならないよう
に、又、物品の外表面が脆くなり、取扱い中損傷
することがないように制御しなければならない。
反対に、外皮は、物品全体が所望の温度にまで冷
却されないうちに再融解してしまう程薄くてもい
けない。外皮が再融解すると、物品の内部から流
体が滲出してしまう。

凍結外皮の厚さは、又、処理工程の経済性に直
接依存する。先に述べたように、液体寒剤との接
触、又は液体寒剤と寒剤蒸気との接触だけによつ
て物品を完全に凍結させるのは、価格競争の激し
い凍結物品の場合にはコストが高くなりすぎると
いう欠点がある。

物品の所望の深さにまで外皮凍結を達成するの
に必要とされる時間は、物品の種類とその初期温
度によつて左右される。食品の場合の幾つかの例
を以下に示す。

厚さ約0.95cm（0.375in）、直径約12.7cm
（5.0in）、初期温度約4.4℃（40〓）の牛の挽き肉
を液体窒素（寒剤）の浸漬浴に浸漬させると、約
７秒でその表面に約0.13cm（0.05in）の厚さの凍
結外皮が形成される。厚さ約0.51cm（0.2in）、直
径約2.5cm（1.0in）、初期温度約21.1℃（70〓）の
ズツチーニの薄切りを液体窒素（寒剤）の浸漬浴
に浸漬させると、約10秒でその表面に約0.04cm
（0.015in）の厚さの凍結外皮が形成される。この
冷却・冷凍装置全体の構成を同じとして、特定の
応用例に適合する特定の送り装置及び機械的冷凍
手段を備えたものとした場合、被冷凍物品の表面
の一体性を保護し、物品の流体の滲出損失及び収
縮亀裂を防止すると共に、その冷却・冷凍装置の
寒剤冷凍部と機械的冷凍部との間での物品の熱含
量除去（冷凍）配分の点で経済的な操作を可能に
するような、物品と液体寒剤との望ましい接触時
間を実験的に決定することは、当業者には容易で
あろう。

物品を浸漬浴４５に浸漬させることにより発生
した寒剤蒸気４４は、物品を浴４５に浸漬させる
前に予備冷却するために及び、又は物品を浴４５
に浸漬させた後、ただし冷凍装置の機械的冷凍部
６０内へ進入させる前に、後冷却させるために使
用することができる。物品のこのような予備冷却
又は後冷却する態様は、第３図には示されていな
い。

冷凍装置の機械的冷凍部６０内で使用される低
温ガスの温度を更に低下させる追加の手段とし
て、寒剤蒸気４４の一部分を低温ガス６４の流れ
内へ直接注入する方法を用いることができる。こ
のような変形実施態様は第３図には示されていな
い。寒剤蒸気の低温ガス流への注入は、寒剤蒸気
の低温（蒸発した液体窒素の場合で−320〓（−
196℃））に露呈されるものとしては設計されてい
ない冷凍装置の構成部品を損傷することがないよ
うに慎重に操作しなければならない。又、冷凍装
置の安全性にも配慮しなければならない。なぜな
ら、循環用の低温ガス６４は、通常、空気であ
り、寒剤蒸気（窒素）の注入によりその空気中の
窒素含量が増大すると、低温ガスとして使用され
ている空気の酸素濃度が人間の呼吸に適さないレ
ベルにまで低下してしまうことがあるからであ
る。

第４図は、本発明の別の好ましい実施例による
寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍装置を示す。こ
の実施例では、後に機械的冷凍系統７６内の循環
低温ガスから熱を除去するのに使用される冷媒流
体から熱含量を除去するために寒剤蒸気を使用す
る。これは、機械的冷凍系統７６内のチラー９６
の冷媒による低温ガスの冷却の補助として行われ
る。

以下に、第４図の実施例の構成を詳述する。冷
却又は冷凍すべき物品は、装入器７０内に入れら
れ、装入器によつて液体寒剤接触帯域７２へ供給
される。この組合せ冷凍装置の寒剤冷凍部を構成
する液体寒剤接触帯域７２は、第４図の実施例で
は液体寒剤８０の浸漬浴（以下、単に「浴」とも
称する）７４から成る。物品は、液体寒剤接触帯
域７２からこの組合せ冷凍装置の機械的冷凍受を
構成する機械的冷凍系統７６へ通される。浸漬浴
（以下、単に「浴」とも称する）７４において物
品との接触により液体寒剤８０が沸騰することに
よつて発生した寒剤蒸気７８は、導管８２を通し
て排出されるが、導管８２内を通る間に熱交換ル
ープ８４の、導管８２内に配置された熱交換部８
５内の冷媒流体即ち熱伝達流体から熱を除去する
ための熱伝達媒体として使用される。熱交換ルー
プ８４内の熱伝達流体の流れ方向に対する寒剤蒸
気７８の流れ方向は、同方向であつても、あるい
は向流関係であつてもよいが、向流関係の方が、
熱伝達効率がよい。寒剤蒸気７８は、導管８４か
ら出口ダクト８６を通つて流出する。

機械的冷凍装置系統７６内に配置された第２の
熱交換部８８を有する熱交換ループ８４は、機械
的冷凍室９２内を通して循環される低温ガス９０
から熱含量を除去するのに使用される。室９２内
において低温ガス９０は、冷却すべき物品に直接
接触せしめられる。低温ガス９０からの追加の熱
含量の除法は、チラー９６内で冷却された冷媒を
通す熱交換部９４によつて行われる。循環低温ガ
ス９０を熱交換部９４及び８８を通して送るため
にブロア又はフアン９８が使用される。

熱交換ループ８４を通して冷媒を循環させるの
に重力を利用することができるように熱交換部８
５を熱交換部８８より高い位置に配置することが
できる。それによつて、熱交換ループ８４全体の
設計次第では、冷媒を循環させるためのポンプを
省除することも可能である。

機械的冷凍のためのチラー９６の熱除去容量を
補助するために、第３図の実施例に示されるのと
同様の態様で寒剤蒸気を用いてチラー９６からの
チルド冷媒を過冷却する構成とすることも可能で
ある。ただし、その目的のための寒剤蒸気の利用
は、チラー９６及びそれによつて冷却される冷媒
の許容作動温度範囲と、それに適応する温度範囲
の寒剤蒸気が得られるかどうかによつて可能な場
合と、可能でない場合とがある。

第４図の実施例においても、第３図の実施例の
場合と同様に、冷凍装置の寒剤接触帯域即ち寒剤
冷凍部７２及び機械的冷凍系統即ち機械的冷凍部
７６内での各構成部品間の相対的位置関係は、限
定的な要件ではなく、自由に選択することができ
る。

第５図は、本発明の更に別の好ましい実施例に
よる寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍装置を示
す。この実施例では、後に機械的冷凍系統１３８
内の循環低温ガスから熱を除去するための中間熱
伝達流体熱を除去するのに使用される冷媒流体か
ら熱含量を除去するために寒剤蒸気を使用する。

これは、機械的冷凍系統１３８内のチラー１４
６の冷媒による低温ガスの冷却の補助として行わ
れる。

以下に、第５図の実施例の構成を詳述する。冷
却又は冷凍すべき物品は、装入器１２０内に入れ
られ、装入器によつて液体寒剤接触帯域１２２へ
供給される。この組合せ冷凍装置の寒剤冷凍部を
構成する液体寒剤接触帯域７２において、液体寒
剤１２４の浸漬浴（以下、単に「浴」とも称す
る）１２３に浸漬される。浴１２３において物品
との接触により液体寒剤１２４が沸騰することに
よつて発生した寒剤蒸気１２６は、導管１２８を
通して排出されるが、導管１２８内を通る間に熱
交換手段１３０に接触し、熱交換手段１３０内を
通る中間熱交換流体即ち中間熱伝達流体から熱を
除去する。一方、熱交換手段１３０は、熱交換部
１３４において第２の間接熱交換手段１３２から
熱含量を除去するのに使用される。第２の間接熱
交換手段１３２は、その熱交換部１４０において
機械的冷凍装置系統１３８内を循環する低温ガス
１３６から熱含量を除去する。低温ガス１３６か
らの追加の熱含量の除去は、チラー１４６内で冷
却された冷媒を通す熱交換ループ１４４の熱交換
部１４２によつて行われる。冷却又は冷凍すべき
物品は、浸漬浴１２４から出た後機械的冷凍室１
４８へ通され、該室内で低温ガス１３６に接触さ
れ、所望の温度にまで冷却される。本発明の好ま
しい実施例では、機械的冷凍室１４８は、螺旋状
のコンベヤによつて画定される螺旋状搬送経路を
有する熱交換室である。物品は、室１４８の底部
の入口１５０において螺旋状のコンベヤの下端に
載せられ、該コンベヤによつて螺旋状経路に沿つ
て室１４８の頂部の出口１５２に向つて運び上げ
られる。低温ガス１３６は、室１４８の頂部から
物品の移動方向に対して向流関係をなして螺旋状
経路を下向きに流れ、室１４８の底部から流出す
る。物品の流れ方向に対する低温ガスの流れ方向
は、同方向流れ又は交差流れとするように変更す
ることもできる。

第５図に示されていない実施態様として、冷却
又は冷凍すべき物品の種類によつては、低温ガス
１３６による冷却作用を補助するために浸漬浴１
２４からの寒剤蒸気を冷凍室１４８の下方部分へ
流すようにすることができる。このように寒剤蒸
気を機械的冷凍系統１３８へ直接導入すること
は、寒剤接触帯域１２２において形成された物品
の凍結外皮が機械的冷凍室１４８の入口部分に寒
剤蒸気が存在していないと再融解してしまうおそ
れがある場合に、特に望ましい。寒剤蒸気を機械
的冷凍系統１３８へ直接導入する場合には、やは
り装置の作動上の制約を考慮し、かつ、安全への
配慮をしなければならない。

第６図は、第３図の寒剤冷凍・機械的冷凍組合
せ冷凍装置に第４図に示されている熱交換ループ
８４を追加して寒剤蒸気の一層の効率的利用を図
つた変型実施例を示す。この実施例では、第３図
及び第４図の実施例の構成部品と同じ構成部品
は、同じ参照番号で示されている。第６図の実施
例の装置の構成は、第３図と第４図の構成を合せ
て参照すれば自明であろう。この実施例では、機
械的冷凍室６２を通して循環される低温ガス６４
が、熱交換ループ５６の熱交換部５８と、熱交換
ループ８４の熱交換部８８の両方に対して熱交換
関係をなして通され、冷却される。

寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍装置の液体寒
剤接触部のための液体寒剤浸漬浴又は液体寒剤ス
プレー装置の設計は、処理速度に融通性を与える
ような設計とすべきである。例えば、浸漬浴の場
合は、浸漬浴内での物品の滞留時間の変更を可能
とするような設計が必要である。例えば、滞留時
間は、第５図に示されるように傾斜した側壁１５
６を有する浴内の寒剤液体のレベル（液面）を高
くするか、あるいは浴内を通る物品搬送コンベヤ
の速度を遅くすることによつて長くすることがで
きる。浸漬浴内での物品の滞留時間を長くすれば
するほど、寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍装置
の機械的冷凍部にかかる冷凍負荷が少なくなり、
一定時間内に機械的冷凍部を通して処理すること
ができる物品の数量が増大する。物品の表面に凍
結外皮を形成しそれを機器的冷凍処理中維持する
のに必要とされる以上の熱含量を物品から除去す
るほどに浸漬浴を使用することは、エネルギー消
費の点からみれば、経済的ではない。しかしなが
ら、それは、処理速度の制御に融通性を与えると
いう利点がある。処理速度の制御の融通性は、季
節的な需要変動の大きい食品の加工業者にとつて
は極めて重要である。液体寒剤接触工程中に発生
する寒剤蒸気の熱含量除去能力を利用する本発明
の方法及び装置を使用することにより、食品加工
業者は、経済的にみて適切な態様で加工需要の変
動に対処することができる。

上述したように一定量の物品を冷凍するのに必
要な全体時間は、液体寒剤内に浸漬させる物品の
滞留時間を増大させることによつて短縮すること
ができる。例えば、厚さ約0.95cm（0.375in）、直
径約12.7cm（5.0in）のハンバーガーパツテイを冷
凍する場合、冷凍時間は、100％機械的冷凍を使
用した場合に必要とされる約18分から100％液体
窒素浸漬による冷凍を使用した場合に必要とされ
る約40秒にまで短縮することができる。

物品内からの流体の滲出損失を防止するために
は、浸漬浴での寒剤接触により物品の表面に形成
された凍結外皮が、物品が浸漬浴から出た後も凍
結状態に保たれるようにすることが肝要である。
浸漬冷凍の後も物品の芯部が比較的高い温度のま
まである調理された食品などの場合は凍結外皮の
再融解が起こり易い。例えばハンバーガーパツテ
イの場合浸漬冷凍後のパツテイ芯部の温度は約32
℃（90〓）である。ハンバーガーパツテイのよう
に熱い芯部を有する物品は、液体寒剤の浴から引
出した後、機械的冷凍手段へ通す前に、適当な長
さの熱交換区間で物品の移動方向と同方向に流れ
る寒剤蒸気に接触させることが好ましい。この熱
交換区間から引出された寒剤蒸気は、先に述べた
態様で機械的冷凍手段における熱含量除去負荷を
減少させるのに使用することができる。

以上、本発明を実施例に関連して説明したが、
本発明は、ここに例示した実施例の構造及び形態
に限定されるものではなく、本発明の精神及び範
囲から逸脱することなく、いろいろな実施形態が
可能であり、いろいろな変更及び改変を加えるこ
とができることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、食品を冷凍するために現在使用され
ている従来技術の代表的な機械的冷凍装置の概略
図である。第２図は、食品を冷凍するために現在
使用されている従来技術の代表的な寒剤接触式冷
凍装置の概略図である。第３図は、本発明の一実
施例による寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍装置
の概略図である。第４図は、本発明の別の実施例
による寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍装置の概
略図である。第５図は、本発明の更に別の実施例
による寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍装置の概
略図である。第６図は、本発明の更に別の実施例
による寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ冷凍装置の概
略図である。 ４２：液体寒剤接触帯域、４４：寒剤蒸気、４
５：浸漬浴、４６：液体寒剤、５０，５６：熱交
換ループ（間接熱伝達手段）、５７，５８：熱交
換部（熱交換面）、５４：チラー（低温ガス創生
手段）、６０：機械的冷凍系統、６４：低温ガス、
７２：液体寒剤接触帯域、７４：浸漬浴、７６：
機械的冷凍系統、７８：寒剤蒸気、８０：液体寒
剤、８４：熱交換ループ（間接熱伝達手段）、８
５，８８，９４：熱交換部（熱交換面）、９０：
低温ガス、９６：チラー（低温ガス創生手段）、
１２０：液体寒剤接触帯域、１２３：浸漬浴、１
２４：液体寒剤、１２６：寒剤蒸気、１２９：熱
交換ループ、１３０：熱交換手段、１３２：第２
の熱交換手段、１３４：熱交換部、１３６：低温
ガス、１３８：機械的冷凍系統、１４０，１４
２：熱交換部、１４４：熱交換ループ（間接熱伝
達手段）、１４６：チラー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷却すべき有機質物品に液体寒剤を接触させ
   て該物品の温度を低下させ、次いで、該物品に機
   械的冷凍系統内で低温ガスに接触させて該物品の
   温度を更に低下させることから成る有機質物品の
   冷却冷凍方法であつて、 前記物品と液体寒剤との直接接触により発生し
   た寒剤蒸気の少なくとも一部分を、前記機械的冷
   凍系統内で使用される熱伝達流体との間接熱交換
   のために使用することを特徴とする方法。 ２ 冷却すべき有機質物品に液体寒剤を接触さ
   せ、次いで、該物品に機械的冷凍系統内で低温ガ
   スに接触させて該物品を更に冷却させることから
   成る有機質物品の冷却冷凍方法であつて、 前記物品と液体寒剤との直接接触により発生し
   た寒剤蒸気の少なくとも一部分を中間冷媒との間
   接熱交換に使用し、次いで、該寒剤蒸気と中間冷
   媒の少なくとも一部分を用いて、前記機械的冷凍
   系統内で使用される熱伝達流体から間接熱伝達に
   より熱を除去することを特徴とする方法。 ３ 冷却すべき物品に液体寒剤を接触させて該物
   品の温度を低下させるための液体寒剤接触手段
   と、該物品を更に冷却するために物品から低温ガ
   スへ熱を伝達するための機械的冷凍手段及び該低
   温ガスを創生するための低温ガス創生手段を含む
   冷却手段とから成る寒剤冷凍・機械的冷凍組合せ
   冷凍装置であつて、 前記低温ガス創生手段は機械的冷凍式チラーを
   含み、機械的冷凍系統内を循環させる前記低温ガ
   スを該チラーと協同して冷却するために前記液体
   寒剤接触手段内で発生した寒剤蒸気を使用するた
   めの間接熱伝達手段を設けたことを特徴とする装
   置。