JPH10267444A

JPH10267444A - 凍結方法及び装置

Info

Publication number: JPH10267444A
Application number: JP9067936A
Authority: JP
Inventors: Akira Akasaka; 亮赤坂; Makoto Ikeda; 真池田
Original assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Current assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-10-09
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JP3336428B2

Abstract

(57)【要約】【課題】任意の温度，風量，圧力の冷気を容易に発生
させることができ、発生した冷気の持つ冷熱エネルギー
と流動エネルギーとを有効に用いることにより、被凍結
物を効率よく冷却凍結し、凍結時間の短縮を図ることが
できるとともに、多種類の被凍結物を凍結の対象にする
ことができ、さらに、構成を簡素化して小型化すること
により省スペース化や運転，維持管理が容易で、消費動
力を低減することができる被凍結物の凍結方法及び装置
を提供する。【解決手段】冷気発生機２０で圧縮空気を断熱膨張さ
せて発生した冷気を、凍結機３０に設けた噴射ノズル３
５から被凍結物に直接噴射して被凍結物（冷凍食品Ｍ）
を凍結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、凍結方法及び装置
に関し、詳しくは、圧縮空気を断熱膨張させることによ
って発生した冷気を、噴射ノズルから凍結物に直接噴射
して凍結物を凍結させる凍結方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍食品の製造工程等で、被凍結物を所
望の低温度に冷却して凍結させ、連続的に凍結製品を得
る凍結方法及び装置として、冷気循環式の凍結方法及び
装置が知られている。図３は、このような冷気循環式冷
凍食品凍結装置の一例を示すものである。この凍結装置
は、入口１及び出口２の開口を有する断熱トンネル３内
に、前記入口１と出口２とを連絡するベルトコンベヤ等
の搬送手段４を設け、冷凍食品Ｍを搬送手段４で入口１
から断熱トンネル３内を経て出口２に向けて移送しなが
ら冷凍食品Ｍを連続的に凍結させるように形成されてい
る。

【０００３】前記冷凍食品Ｍを冷却する冷気は、断熱ト
ンネル３内の入口１及び出口２の近傍にそれぞれ開口
５，６を有する循環導管７に設けられたファン８により
送出され、熱交換器９においてフロン冷凍機１０で生成
した低温冷媒で冷却され、冷気となって開口６から断熱
トンネル３内に供給される。断熱トンネル３内に供給さ
れた冷気は、断熱トンネル３内で冷凍食品Ｍを冷却する
ことによって温気となり、開口５から循環導管７を経て
ファン８に吸引され、再び前記熱交換器９で冷却されて
冷気となり、前記経路を循環する。

【０００４】この結果、前記入口１から断熱トンネル３
内を経て出口２に移送される冷凍食品Ｍは、この間に冷
気により冷却され、出口２に至って凍結製品として搬出
される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法及び装置では、循環冷気を生成するための寒冷
発生装置であるフロン冷凍機で得られる冷却温度が、周
知のように、−４０℃程度であるから、これと熱交換し
て得られる冷気の温度も−３５℃程度となり、被凍結物
の凍結温度との差が小さいため、凍結時間がかかるとい
う問題があった。そこで、さらに低温を得るために、フ
ロン冷凍機を二段圧縮式にする方法もあるが、この場合
は、構成が複雑になるとともに設備費や動力費が嵩むこ
とになり、得られる冷却温度も、−５０〜−５５℃程度
であり、効果的ではなかった。

【０００６】また、冷気を循環させてフロン冷凍機で発
生する寒冷と熱交換させるためにファンと熱交換器とが
必要であり、冷気発生部が大型となり、設備費や動力費
が嵩むという問題もあった。

【０００７】このような凍結装置において、凍結物を凍
結するために冷気から被凍結物に与えられる熱量Ｑは、
次式で表される。Ｑ＝ｋＡΔΤ Ｑ：交換熱量［ｋｃａｌ／ｈ］ｋ：被凍結物と冷気との熱伝達係数［ｋｃａｌ／ｍ²ｈ
℃］Ａ：被凍結物の表面積［ｍ²］ ΔΤ：被凍結物と冷気との平均温度差［℃］上記式から、発生した冷熱を被凍結物に有効に伝達する
ためには，熱伝達係数ｋと平均温度差ΔΤとを増加させ
ればよいことがわかる。

【０００８】前記熱伝達係数ｋは、流速の０．８乗に略
比例するから、例えば流速を２倍にすれば、熱伝達係数
ｋは約１．７倍になる。したがって、熱伝達係数ｋを増
加させるためには、冷気の流速を速めればよいが、流速
を更に速めるためには、より大型で強力なファンを必要
とし、消費動力が増加することになる。

【０００９】また、平均温度差ΔΤを増加させるために
は、発生する冷気の温度を被凍結物の凍結温度よりかけ
離れた低温にする必要があるが、上述のように、フロン
冷凍機ではこのような低温は得られない。

【００１０】すなわち、上記従来の冷気循環式の凍結方
法及び装置では、発生する冷気温度は、被凍結物の凍結
温度に近い温度であり、さらに、発生した冷熱の被凍結
物への伝達効率も劣るため、凍結時間を短縮することは
難しい。また、冷気の温度や流量，流速を被凍結物の種
類，形状，重量等に応じて選択することができず、多種
類の被凍結物を凍結の対象とすることができないという
問題もあった。

【００１１】一方、上記冷気循環式とは別に、フロン冷
凍機で発生する冷熱に代えて液化窒素や液化炭酸ガス等
の冷熱を利用する液化ガス式の凍結方法及び装置も知ら
れている。これによると、比較的安い設備費で容易に低
温の冷熱を得ることができるが、冷熱の温度が低い割に
は被凍結物表面への熱伝達効率が劣っており、高価な液
化ガスの冷熱を有効利用しきれず、また、凍結に使用し
た後のガスを回収利用することが難しいため、運転費が
嵩むという問題があった。

【００１２】そこで本発明は、任意の温度，風量，圧力
の冷気を容易に発生させることができ、発生した冷気の
持つ冷熱エネルギーと流動エネルギーとを有効に用いる
ことにより、被凍結物を効率よく冷却凍結し、凍結時間
の短縮を図ることができるとともに、多種類の被凍結物
を凍結の対象にすることができ、さらに、構成を簡素化
して小型化することにより省スペース化や運転，維持管
理が容易で、消費動力を低減することができる被凍結物
の凍結方法及び装置を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の凍結方法は、圧縮空気を断熱膨張させて冷
気を発生させる冷気発生機で発生した冷気により被凍結
物を凍結する方法であって、前記冷気発生機で発生した
冷気を、被凍結物を凍結する凍結機に供給して該凍結機
に設けられた噴射ノズルから被凍結物に直接噴射して被
凍結物を凍結することを特徴としている。

【００１４】さらに、本発明方法は、前記噴射ノズルか
ら噴射された冷気が被凍結物を凍結することによって温
気となった後、前記凍結機から前記冷気発生機に回収し
て再圧縮し、前記圧縮空気として循環させることを特徴
とし、前記噴射ノズルから噴射する冷気の量及び／又は
温度を被凍結物の凍結条件に応じて調節することを特徴
とし、前記冷気発生機から前記凍結機に供給する冷気の
量が前記凍結機から前記冷気発生機に回収する温気の量
より多いことを特徴としている。

【００１５】また、本発明の凍結装置は、空気圧縮手段
と、該空気圧縮手段で圧縮した圧縮空気を断熱膨張させ
て冷気を発生する膨張手段とを有する冷気発生機と、そ
の内部に被凍結物と冷気とを投入して被凍結物を凍結す
る凍結機とを組み合わせて構成した被凍結物の凍結装置
であって、前記冷気発生機で発生した冷気を前記凍結機
に供給する冷気供給経路と、前記凍結機で被凍結物の凍
結に使用した後の温気を前記冷気発生機に回収する温気
回収経路を備えるとともに、前記凍結機内に前記冷気発
生機から供給する冷気を被凍結物に直接噴射する多数の
噴射ノズルを備えたことを特徴としており、さらに、前
記噴射ノズルにおける噴射ノズル同士の間隔及び／又は
噴射ノズルと被凍結物との距離を可変自在に形成されて
いることを特徴としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明を適用した凍結装
置の一形態例を示す系統図である。この凍結装置１１
は、冷気発生機２０と凍結機３０とから構成されてい
る。冷気発生機２０は、空気を圧縮して圧縮空気を生成
する空気圧縮機２１と、これに付随して設けられる冷却
器２１ａ及びドレン分離器２１ｂと、圧縮空気を更に昇
圧する昇圧機２２と、これに付随して設けられる冷却器
２２ａ及びドレン分離器２２ｂと、昇圧空気を断熱膨張
させて冷気を発生する膨張タービン２３と、系内に空気
を導入するための補助空気圧縮機２４と、これに付随し
て設けられた乾燥器２５と、これらの機器類を接続する
配管とから構成されている。

【００１７】また、前記凍結機３０は、両端に入口３
１，出口３２の開口を有する断熱トンネル３３と、その
内部に前記入口３１と出口３２とを連絡するベルトコン
ベヤ等の搬送手段３４と、該搬送手段３４上に載置され
て移動する被凍結物、例えば冷凍食品Ｍの上下から冷気
を噴射する多数の噴射ノズル３５と、前記冷気発生機２
０から供給される冷気を前記噴射ノズル３５に導入する
冷気供給経路３６及び該冷気供給経路３６から分岐した
ノズルヘッダー３６ａ，３６ｂと、冷凍食品Ｍを冷却，
凍結することにより昇温した温気を断熱トンネル３３内
から前記冷気発生機２０に返送する温気回収経路３７と
から構成されている。

【００１８】このように冷気発生機２０と凍結機３０と
を組み合わせて構成された凍結装置１１において、冷気
を発生し、発生した冷気で冷凍食品を凍結する方法につ
いて説明する。

【００１９】まず、冷気発生機２０で冷気を発生する方
法について説明する。温気回収経路３７から回収された
断熱トンネル３３内の温気は、配管４１から空気圧縮機
２１に吸入されて圧縮され、圧縮空気となって配管４２
に導出し、冷却器２１ａで冷却水等により冷却され、冷
却により発生したドレンがドレン分離器２１ｂで除去さ
れる。ドレン分離器２１ｂを導出した圧縮空気は、配管
４３から昇圧機２２に導入されて更に昇圧され、配管４
４に導出されて冷却器２２ａで冷却され、発生したドレ
ンがドレン分離器２２ｂで除去される。

【００２０】一方、補助空気圧縮機２４では、配管４５
から吸入された大気が圧縮され、図示しない冷却器で冷
却され、ドレン分離器でドレンが分離された後に前記乾
燥器２５に導かれ、乾燥剤により乾燥される。この補助
空気圧縮機２４で圧縮されて系内に導入される補助空気
は、前記昇圧機２２で昇圧した昇圧空気と略同じ圧力、
略同じ温度となっている。また、補助空気の量は、断熱
トンネル３３内を正圧に保持することができる範囲に設
定され、通常は、前記昇圧空気の量に対して数％〜数十
％である。

【００２１】前記ドレン分離器２２ｂを導出した昇圧空
気と、前記乾燥器１７を導出した補助空気とは、配管４
６に合流して膨張タービン２３に導入され、断熱膨張し
て寒冷を発生し、温度約−８０℃，圧力約０．２ｋｇ／
ｃｍ²の冷気となって配管４７に導出する。このとき発
生する断熱膨張エネルギーは、膨張タービン２３と前記
昇圧機２２とを連結する軸２３ａを介して昇圧機２２で
の昇圧エネルギーとして消費される。このように、冷気
発生機２０では、凍結機３０から温気を回収し、圧縮，
昇圧した後に断熱膨張させることによって低温の冷気を
発生する。

【００２２】次に、上記冷気発生機２０で発生した冷気
により被凍結物を凍結する方法について説明する。前記
膨張タービン２３から配管４７に導出した冷気は、冷気
供給経路３６を通って冷気発生機２０から自圧で凍結機
３０に供給される。冷気供給経路３６から供給された冷
気は、ノズルヘッダー３６ａ，３６ｂを介して断熱トン
ネル３３内に多数設けられた噴射ノズル３５に導かれ、
該噴射ノズル３５から搬送手段３４上に載置されて移動
する冷凍食品Ｍに向けて上下両方向から噴出する。ま
た、前記噴射ノズル３５は、例えば歯車機構や油圧機構
等により、噴射ノズル３５同士の間隔や噴射ノズル３５
の吹き出し口と冷凍食品Ｍとの距離を可変可能な構造に
形成されている。

【００２３】噴射ノズル３５から噴出する冷気は、圧力
が約０．２ｋｇ／ｃｍ²と高いため、噴射ノズル３５の
ノズルを通過するときに膨張して高速流が発生し、この
高速流により噴射雰囲気の空気を巻き込み、末広がり状
の冷気流を形成する。図２は、噴射ノズル３５から噴出
した冷気の流れの状態を模式的に表したものである。

【００２４】図２において、噴射ノズル３５から噴出し
た冷気は、噴出直後では、ノズル入，出の圧力差によっ
て数十〜１００ｍ／ｓ程度の高速噴出流Ａとなる。そし
て，この高速噴出流Ａは、周囲の空気を巻き込みながら
徐々に減速，増量して末広がり状の拡散流Ｂを形成す
る。例えば、拡散流Ｂは，高速噴出流Ａの３倍程度まで
増量し、中心部の流速約２０〜３０ｍ／ｓ，温度約−７
０℃の比較的高速で低温状態の高速拡散流Ｂ１と、周辺
部の流速約数ｍ／ｓ，温度約−５０℃の比較的低速で高
温状態となった低速拡散流Ｂ２とを形成して冷凍食品Ｍ
に到達する。

【００２５】一方、凍結機３０の断熱トンネル３３の入
口３１から投入され、搬送手段３４上を移動する冷凍食
品Ｍは、図２に示すように、最初に、低速拡散流Ｂ２を
通過するＭ１の位置にあるときに、比較的低速で高温の
冷気によって徐冷され、次いで、中心部の高速拡散流Ｂ
１を通過するＭ２の位置にあるときに、比較的高速で低
温の冷気によって急冷され、更に低速拡散流Ｂ２を通過
するＭ３の位置にあるときに、温度の均一化が行わるこ
とになる。そして、噴射ノズル３５の数だけ、この徐
冷，急冷，温度均一化の工程が繰り返されて冷凍食品Ｍ
が凍結し、断熱トンネル３３の出口３２から製品冷凍食
品として連続的に取り出される。

【００２６】上記構成によれば、圧縮空気を断熱膨張さ
せて得られる冷気には圧力があり、凍結機３０内の噴射
ノズル３５から被凍結物に冷気を直接噴射できるので、
発生寒冷を有効に利用することができる。すなわち、凍
結機３０内において、搬送手段３４によって移動する被
凍結物に噴射ノズル３５から冷気を直接噴射することに
より、各噴射ノズル３５におけるノズル効果により、噴
射ノズル３５と被凍結物との間に比較的に温度が低く流
速の速い中心部と比較的に温度が高く流速の遅い周辺部
とからなる末広がり状の冷気の流れが形成され、被凍結
物は、搬送手段３４に載置されて移動しながら、まず周
辺部の冷気流れで徐冷され、次いで中心部の低温の冷気
流れで急速冷却され、再び周辺部の流れで温度の均一化
が行われ、これらの工程を噴射ノズル３５の数だけ繰り
返して凍結が完了する。このように、発生した冷気が有
する冷熱エネルギーと流動エネルギーとを有効に利用す
ることにより、熱伝達効率を高めて被凍結物の凍結時間
を短縮することができる。

【００２７】また、冷気発生機２０を構成する空気圧縮
機２１や昇圧機２２，膨張タービン２３は、例えば、弁
開度調整やバイパス手段等により、圧力や風量を容易に
調節することができ、任意の圧力や量及び温度の冷気を
容易に得ることができる。したがって、冷凍食品Ｍの凍
結温度よりはるかに低い低温を容易に得ることが可能で
ある。このようにして得られた任意圧力，量，温度の冷
気を、凍結機３０内に多数設けられ、ノズル間距離や、
ノズル吹き出し口と被凍結物（冷凍食品Ｍ）との距離を
可変自在に構成された噴射ノズル３５から噴射すること
により、冷凍食品Ｍの種類，形状，重量等に応じた凍結
温度，時間，冷気吹付流速を選択することができ、多種
類の冷凍食品Ｍを凍結の対象とすることができるととも
に、効率よく凍結することができる。

【００２８】冷凍食品Ｍに充分な冷熱を与えるために冷
気吹付速度を単純に速めると、軽量な冷凍食品の場合等
は飛散するおそれがあるが、本発明では、このような問
題にも簡単に対応することができる。すなわち、噴射ノ
ズル３５の間隔やノズル吹き出し口と冷凍食品との距離
（図２におけるＬ１，Ｌ２寸法）を、冷凍食品Ｍの形状
や重量等に合わせて調整するとともに、冷凍食品Ｍの上
下から冷気を吹き付けることにより，飛散させることな
く充分な冷熱を与えることができる。

【００２９】図１において，凍結機３０で冷凍食品Ｍの
凍結に使用された冷気は，昇温して温気となり、断熱ト
ンネル３３内から取り出され、温気回収経路３７を経由
して前記冷気発生機２０の配管４１から空気圧縮機２１
に冷気発生用の原料空気として吸入され、再圧縮，再昇
圧され、補助空気圧縮機２４により系外から導入されて
圧縮された補助空気と混合して前記経路を循環する。

【００３０】すなわち、冷気発生機２０から冷気供給管
３６を経由して凍結機３０に供給される冷気の供給量
は、凍結機３０から温気回収管３７を経由して回収され
る温気の回収量よりも僅かに多く、その量の差は、補助
空気圧縮機２４により系内に補給混合された量と等量で
ある。このように、冷気供給量を温気回収量よりも僅か
に多くすることによって、凍結機３０の断熱トンネル３
３内を僅かな正圧に保持することができ、断熱トンネル
３３内への外気の侵入を完全に防止できるから、侵入熱
を最小限にすることができるとともに、断熱トンネル３
３内での着霜を防止できるので、冷却効率が高まると同
時に低温空気を回収するので除湿装置を不要とすること
ができる。

【００３１】また、冷凍食品Ｍの凍結に使用された冷気
は，昇温して温気となり、冷気発生機２０の空気圧縮機
２１に自圧で吸引回収され、再び圧縮されて圧縮空気と
して循環するから、従来設けられていた冷気循環用のフ
ァンや、冷気を生成するための熱交換器をなくすことが
でき、装置の小型化，簡素化を図ることができ、これに
よって省スペース化、運転，維持管理を容易にすること
ができるとともに，消費動力を低減することができる。

【００３２】さらに、本形態例では、冷気発生機２０か
ら冷気供給経路３６を経由して供給される冷気を、多数
の噴射ノズル３５に直列に導いて噴射する場合を示した
が、多数の噴射ノズル３５を、例えば徐冷ゾーン，急冷
ゾーン，温度均一化ゾーンの３群に分けて、そのゾーン
毎に弁付きのノズルヘッダー３６ａ，３６ｂを並列に設
け、弁開度調節により各ゾーン毎の流量を調節するよう
に構成することもできる。

【００３３】また、温気回収経路３７から回収される温
気は、比較的低温，低湿度であるから、低温の場合は、
図１に破線で示すように、配管４６から膨張タービン２
３に導入される昇圧空気と熱交換させてこれを冷却する
ための配管３８ａ及び熱交換器３８ｂを設けるようにし
てもよい。この場合は、更に温度の低い冷気を発生する
ことができる。さらに、湿度が少ない場合は、圧縮空気
や昇圧空気配管中のドレン分離器２１ｂ，２２ｂを省略
することができる。また、膨張タービン２３を導出した
配管４７に、冷気中の塵や氷等の固型物を濾過するフィ
ルターを設けてもよい。

【００３４】なお、上記形態例で示した各数値は一例に
すぎず、これに限定されるものではない。また、上記形
態例では、被冷凍物が冷凍食品の場合に付いて説明した
が、種々の産業廃棄物等の低温破砕にも適用することが
できる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の凍結方法
及び装置によれば、冷気温度を被凍結物の凍結温度より
低くできるとともに、被凍結物に冷気を直接噴射するの
で、熱伝達が促進されるので凍結時間の短縮が図れると
ともに、装置の小型化やランニングコストの低減が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した凍結装置の一形態例を示す
系統図である。

【図２】噴射ノズルから噴出した冷気の流れを説明す
るための模式図である。

【図３】従来の凍結装置の一例を示す概略図である。

【符号の説明】

１１…凍結装置、２０…冷気発生機、２１…空気圧縮
機、２２…昇圧機、２３…膨張タービン、２４…補助空
気圧縮機、２５…乾燥器、３０…凍結機、３１…入口、
３２…出口、３３…断熱トンネル、３４…搬送手段、３
５…噴射ノズル、３６…冷気供給経路、３７…温気回収
経路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮空気を断熱膨張させて冷気を発生さ
せる冷気発生機で発生した冷気により被凍結物を凍結す
る方法であって、前記冷気発生機で発生した冷気を、被
凍結物を凍結する凍結機に供給して該凍結機に設けられ
た噴射ノズルから被凍結物に直接噴射して被凍結物を凍
結することを特徴とする凍結方法。
【請求項２】前記噴射ノズルから噴射された冷気は、
被凍結物を凍結することによって温気となった後、前記
凍結機から前記冷気発生機に回収して再圧縮し、前記圧
縮空気として循環させることを特徴とする請求項１記載
の凍結方法。
【請求項３】前記噴射ノズルから噴射する冷気の量及
び／又は温度は、被凍結物の凍結条件に応じて調節する
ことを特徴とする請求項１記載の凍結方法。
【請求項４】前記冷気発生機から前記凍結機に供給す
る冷気の量が、前記凍結機から前記冷気発生機に回収す
る温気の量より多いことを特徴とする請求項１記載の凍
結方法。
【請求項５】空気圧縮手段と、該空気圧縮手段で圧縮
した圧縮空気を断熱膨張させて冷気を発生する膨張手段
とを有する冷気発生機と、その内部に被凍結物と冷気と
を投入して被凍結物を凍結する凍結機とを組み合わせて
構成した被凍結物の凍結装置であって、前記冷気発生機
で発生した冷気を前記凍結機に供給する冷気供給経路
と、前記凍結機で被凍結物の凍結に使用した後の温気を
前記冷気発生機に回収する温気回収経路を備えるととも
に、前記凍結機内に前記冷気発生機から供給する冷気を
被凍結物に直接噴射する多数の噴射ノズルを備えたこと
を特徴とする凍結装置。
【請求項６】前記噴射ノズルは、噴射ノズル同士の間
隔及び／又は噴射ノズルと被凍結物との距離を可変自在
に形成されていることを特徴とする請求項５記載の凍結
装置。