KR20090128798A - 식품류의 급속동결을 위한 다층구조의 터널식 동결방법 및그에 사용되는 냉매 - Google Patents

식품류의 급속동결을 위한 다층구조의 터널식 동결방법 및그에 사용되는 냉매 Download PDF

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Abstract

본원은 식품의 급속동결을 위한 다층구조의 터널식 동결방법 및 그 장치에 관한 것으로, 냉동식품의 가공 시에 잠재 에너지인 품온 에너지로 인한 냉동효과의 저감이 없도록 하기 위해서 기계 내에서 연속적으로 급속냉동을 수행하되, 예냉구간-> 경직구간-> 침지구간을 거치는 과정으로 짧은 시간에 냉동효율을 높일 수 있는 다층 구조의 터널식 침지 동결시스템에 관련한 기술이다.
더욱 구체적으로 본원은 외부에 냉동기와 냉매교환수단을 갖고 다층 구조의 터널식 냉각방식으로 운용되는 급속냉동방법에 있어서, 다층 구조의 터널식 침지동결장치가 예냉구간, 경직구간, 침지구간을 갖도록 제공되고, 예냉구간에서는 외부에 별도로 설치되는 냉동기를 이용하여 -40±5℃ 범위의 냉풍을 만들어 가공대상 제품에 냉풍을 불어줘서 예냉시키는 단계; 경직구간에서는 예냉구간을 거친 가공대상 제품 위에 냉매액을 뿌려주면서 표면 냉각을 실시하는 단계; 침지구간에서는 외부에 설치되는 냉매액 순환장치를 이용하여 냉매액의 온도를 -60±5˚C 범위로 유지 및 순환시켜 줌으로 가공대상 제품을 완전하게 냉동시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 급속냉동방법에 관한 것이다.
Figure P1020080054744
급속냉동, 예냉구간, 경직구간, 침지구간, 냉매액

Description

식품류의 급속동결을 위한 다층구조의 터널식 동결방법 및 그에 사용되는 냉매{multifloor tunnel type freezing method and the refrigerant}
본원은 식품의 신선도를 유지한 채 짧은 시간 내 동결시키기 위한 FQF(Fresh Quick Freezer)기술분야에 관한 것으로, 본원은 냉동식품 가공 시에 잠재 에너지인 품온 에너지로 인한 냉동효과의 저감 현상을 없애기 위해 기계 내에서 연속적으로 급속냉동을 수행하되, 예냉구간-> 경직구간-> 침지구간을 거치는 과정으로 짧은 시간에 냉동효율을 높일 수 있는 다층구조의 터널식 침지 동결시스템에 관련한 기술이다.
식품 저장기술의 발달은 농수축산물 등 식품의 저장기간 및 유통기간이 대폭 연장되는 결과를 가져왔으며, 또한 저온보존이 가능한 각종 육류가공식품 냉동기술이 인류의 식생활을 윤택하게 하고 있는바, 이는 바로 냉장기술의 발전 덕분이라 아니 할 수 없다.
사람들이 섭취하는 식품의 화학성분은 주로 수분, 회분, 탄수화물, 지방, 단백질, 비타민 등으로 구성되어 있고, 특히 식품에는 수분이 60 ~ 80% 까지 함유되어 있어서 이 수분이 식품의 품질변화와 밀접한 관계를 유지하고 있는바, 식품이 함유하는 수분은 결합수(結合水)와 자유수(自由水)로 되어 있고, 이중 대표적인 것 으로서 곡류, 콩류 등은 결합수가 대부분이며 자유수는 그 함유율이 적으나 이 자유수는 식품의 내부에서 자유로이 유동하는 물이기 때문에 미생물의 번식과 밀접한 관계가 있고, 일반적으로 날것이 변질하기 쉬운 것은 바로 자유수 때문이다.
식품의 냉각, 동결, 저장과 같은 저온 조작은 식품에 포함된 수분의 존재 상태에 따라 변화하게 되는바, 식품의 동결 목적을 간단히 말한다면 식품을 0℃ 이하 의 온도를 유지하도록 하여 식품 중의 자유수를 동결시킴으로써, 식품의 산소에 의한 변질, 미생물이나 곰팡이에 의한 변질을 방지하고자 하는 것인바, 이때 동결되는 것은 주로 동물성 식품이며 그 보존 기간은 대체적으로 온도관리에 의해서 좌우된다.
오늘날 우리의 식단에 오르고 있는 냉동식품류는 크게 2 종류로 나누어볼 수 있는데 포장냉동식품과 직접냉동식품으로 구분할 수 있으며 포장냉동식품의 경우 축산물의 포장육, 가공육, 수입육 등이 있고, 직접냉동 축산물으로는 주로 도살장에서 도살 후 곧 바로 냉동보관에 들어가는 냉동육, 구분이 되지 않은 수입육 등이 있으며 수산물의 경우 주로 직접냉동방식을 사용하고 있는데 건조하지 않은 원양수산물은 선상에서 직접 염장냉동하여 보관하게 되고, 포장 수산물의 경우는 주로 건조수산물을 포장하여 냉동 유통시키게 되나 수산물을 냉동처리하여 판매하는 경우 저가로 취급되고 소비자에게도 각광을 받지 못하고 있는 실정이다.
일반적으로 냉동고 온도는 -40 ~ -45˚C를 유지하게 되는데 이런 냉동고의 온도를 유지하기 위하여 초기 냉동고의 시설에서부터 많은 비용이 발생하게 되는데 이러한 보관은 제품의 신선도 유지라는 관점보다는 장기보관의 목적에만 주력하게 되므로 제품이 건조되거나 온도 편차에 따른 변질로 인하여 맛있는 식감을 기대할 수 없게 되는 문제점을 갖는바, 냉동제품의 신선도 유지는 얼마나 낮은 온도로 급속히 냉동을 하느냐에 달려있다 해도 과언이 아니다.
따라서 소비자들의 기호에 맞는 많은 냉동식품들을 소비자가 선호하도록 냉동하는 기술은 많은 연구를 통하여 다양하게 개발되고 있으나, 예를 들어 급속 냉동에 사용되고 있는 질소가스 분사식 냉동방식(경직냉동)이나, 액화가스 고압통에 저장하는 냉각방식 등은 과도한 비용이 발생하기 때문에 일부분 고부가가치 상품에 국한되어 사용될 뿐, 범용적으로 사용되지 못하고 있는 실정이다.
식품을 냉동시킨 후 해동후에 냉동전과 최대한 같은 상태를 유지하기 위해서는 급속냉동이 필요한바, 급속냉동이라 하면 일반적으로 냉동대상 제품에 따라 차이가 있으나 최대 빙결정 생성대(-1 ~ -5°)를 단 시간(30~35분 이내)에 통과시켜 빙결정의 크기를 작게 해 줌으로서 해동 후 고품질을 유지할 수 있게 된다.
이렇게 급속 냉동하는 방법에는 공기냉동법 접촉식냉동법(contaact freezing) 침지식냉동법, 액화가스냉동법, 저온삼투압 탈수냉동법과 최근에 외국에서 개발된 전자파를 이용한 방법과 진공을 이용한 냉동법 등이 개시되어 있다.
그러나 식품에 적용할 수 있고 냉동효율과 경제성을 따져볼 때 침지식 냉동법이 가장 에너지효율이 좋고 냉동속도가 빠른 것으로 알려지고 있다. 이 침지식 냉동방법에는 식용 에틸알콜을 많이 사용하는데 우리나라는 물론 일본 등 전 세계 적으로 소방법 및 안전관리 관련법에 의해 순도 90%이상의 에틸알콜은 폭발성과 화재의 위험성을 갖고 있기 때문에 철저히 위험물 관리기준이 적용되고 있어 그 사용에 제약을 받는 문제점이 있다.
즉, 순도 90%이상의 에틸알콜을 냉매제로 사용하면 영하 60~70도에도 얼지 않도록 사용할 수 있음에도 관련법규에 의해 에틸알콜 냉매제를 사용하기 위해서는 특수시설을 갖추도록 제약을 받기 때문에, 보통 관련법규에 해당되지 않는 알콜 순도 60%이하(예를 들면 알콜60%에 물 40%를 희석한 것)로 희석하여 사용하는 경우도 있으나, 이렇게 희석되어 알콜 순도 60%이하가 되면 소방법 및 관련법규 대상에서는 제외되나 최저 도달 온도가 약 -40도 전후 밖에 이르지 못하고, 알콜 순도가 60% 이하가 되면 냉매제인 에틸알콜이 일반 물 처럼 얼어 버려 사용할 수 없는 상태가 되기 때문에 급속냉동 방법이라 말할 수 없게 된다.
따라서 식품에 이용되는 냉매는 영하 55 ~ 65도 이하에서도 쉽게 얼지 않아야 하는 조건, 냉매로 사용 시 식품에 묻을 수 있으므로 식용이 가능해야 하는 조건, 소방법이나 관련 법규에 위험물관리대상으로 포함되지 않고 사용 가능해야 하는 조건 등을 충족시킬 수 있는 것이어야 식품류를 냉동하는 침지식 급속냉동기 의 냉매제로 사용할 수 있게 된다.
침지식 동결방법은 직접동결 방식과 간접동결방식으로 구분되기도 하는바, 직접냉동방식은 일반적으로 냉매를 냉각하는 1차 냉매액의 열교환을 위해 코일 또는 판형 방식 등으로 냉동탱크 내부에 설치되어 있고 냉매액은 Agitating Motor에 의하여 내부에서 순환냉각을 하는 방법으로 냉매액을 직접 냉각시키면서 냉동대상 제품의 품온 에너지로 상승 된 냉매액을 냉각시키게 되는데 적지 않은 시간이 소모되므로 냉동기의 용량, 기계장치의 크기도 제품의 생산량에 비례하여 대형화해야 하는 부담이 있고 에너지 손실률을 보전하기 위하여 냉동기가 운전 중 계속 작동되어야 하므로 소모성 비용이 높아지게 되는 문제점을 갖는다.
또한 간접냉동방식은 액화가스와 교환되는 2차 냉매액이 별도의 냉매액 교환장치를 통하여 완전히 냉각되어 제품이 침지 및 냉동되는 장치로 순환 공급되므로 일정한 온도의 초저온 냉매액이 계속 제품을 동일온도 이하로 냉각시키기 위해 급속히 냉동이 진행되며 또 순환되는 냉매액을 최단 시간 내에 설정온도로 낮추어 줘야하는 특성을 갖는다.
본원은 상기 종래기술의 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 식품의 냉동 가공 시에 잠재 에너지인 품온 에너지로 인한 냉동효과의 저감이 없도록 하기 위해서 기계 내에서 연속적으로 급속냉동을 수행하되, 예냉구간-> 경직구간-> 침지구간을 거치는 과정으로 짧은 시간에 냉동효율을 높일 수 있는 다층구조의 터널식 침지 동결방법 및 그 장치를 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
또한 본원의 다층구조의 터널식 침지 동결장치에 적용하여 냉동 대상 식품류의 냉각액으로 사용되는 냉매를 소방법에 해당되지 않는 특수 냉매를 이용하여 -60도 이하에도 동결되지 않고 침지액으로 사용할 수 있는 냉매를 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
상기의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본원은 FQF(Fresh Quick Freezer)시스템으로 예냉구간-> 경직구간-> 침지구간을 포함하는 과정으로 짧은 시간에 냉동효율을 높인 알콜 침지식 냉동장치를 개발하고 식용의 에틸알콜에 식용 가능의 글리콜 계열을 첨가한 침지액을 사용하여 -60±5˚C 에서도 얼지 않는 용액에 가공대상 냉동제품을 침지시켜 급속 냉동시킬 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
본원은 특히 제품 냉동 시에 잠재 에너지인 품온 에너지로 인한 급속냉동 효과의 효율감소를 타 기반시설의 활용 없이도 자체 냉동장치 내에서 효율적으로 수 행하기 위하여 예냉구간-> 경직구간-> 침지구간을 거치는 과정으로 짧은 시간에 냉동효율을 높인 것을 특징으로 하는바, 예냉구간은 외부에 별도로 설치되는 냉동기를 이용하여 -40 ℃ 정도의 냉풍을 만들어 가공대상 제품이 빙점에 가까워질 때까지 예냉시켜 침지공정을 수행할 시 냉매액의 온도상승을 방지하기 위한 예비공정이고, 경직구간은 예냉구간을 거친 가공대상 제품 위에 냉매액을 뿌려주면서 표면냉각을 실시하여 줌으로 이미 냉동을 시작하고 있는 가공대상 제품의 품온 에너지가 외부로 발산되는 것을 방지하기 위한 표면냉동 공정이며, 침지구간은 외부에 설치되는 냉매액 순환장치를 이용하여 냉매액의 온도를 - 60±5˚C로 범위에서 원하는 온도를 일정하게 유지 공급시켜 줌으로 가공대상 제품을 완전하게 냉동시켜 주는 공정이다.
본원의 기술사상을 더욱 상세히 설명하여 보면, 냉동시키고자 하는 대상제품을 이동콘베이어로 이송받아 제품의 투입구에서 가공대상제품의 규격에 맞는 바스켓에 담겨져 일정구간 이동하면서 제품의 품온을 낮추는 예냉구간을 거치는바, 예냉구간에 사용되는 냉원은 외부에 마련되는 별도의 냉동기를 이용하여 - 40±5˚C 범위의 냉풍을 불어줘서 냉동대상 제품이 빙점에 가까워질 때까지 예냉시켜 줌으로 침시공정 수행시에 냉매액의 온도상승의 막아주는 예비공정이며, 예냉구간의 구성은 냉풍을 공급하는 에어 참버와 가압을 위한 일정한 각도의 가압노즐 구간으로 나눠 구성될 수 있으며, 예냉 시간은 가공대상 물품의 빙점에 따라 그 통과시간을 조절할 수 있는 구조로 제작된다.
경직구간은 예냉구간을 거치면서 빙점에 가까워진 가공대상 제품 위에 냉매 액을 뿌려주면서 표면 냉각을 실시하여 줌으로 이미 냉동을 시작하고 있는 가공대상 제품의 품온 에너지가 외부로 발산되는 것을 방지하기 위한 공정인바, 경직구간에서는 - 60±5˚C의 침지액을 냉매액 교환장치에서 직접 분사하는 방식으로 냉매액 공급배관, 가압분사노즐, 공급펌퍼, 회수펌퍼를 포함하는 구성으로 제공될 수 있다.
경직구간을 거친 가공대상 제품은 다공구조를 갖는 바스켓에 담겨진 채 침지구간에 침지되어 냉동되며 이때 냉매액의 수위는 다공구조를 갖는 바스켓의 상단에 위치하여 냉동대상물을 침지시켜 완전 냉동공정을 수행하게 된다.
침지구간에서 완전히 냉동된 제품은 바이브레이터형 이송기로 배출되고, 제품 표면에 묻어있는 냉매액을 낙수시킨 다음 압축공기를 가압 분사하여 제품포장의 표면에 묻어있는 냉각수를 강제 건조시키게 된다.
냉매액 교환장치는 1차 냉매인 액화가스와 2차 냉매액인 침지용 냉매액이 교차되며 설정온도(예를들면 - 60±5˚C 범위로 설명)까지 낮추어주는 기능을 하는 것으로, 본원의 기술사상에서 냉매액 교환장치는 코일이나 판형이나 기존의 냉매액 교환기능을 갖는 장치는 어느 것이나 제한 없이 다양한 타입으로 적용될 수 있으며, 본원에서 사용되는 냉매액은 에틸알코올과 프로필렌글리콜이 에틸알코올 9~2 대 프로필렌글리콜 1~8의 부피비율의 범위로 냉동대상 제품의 특성에 따라 필요한 첨가제를 추가하여 제공되는 냉매액이 이용됨으로 본원의 목적을 달성할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
이하 본원의 기술사상을 구현하기 위한 더욱 구체적인 발명의 구현 양태는 ' 발명의 실시를 위한 구체적인 내용'란 기재에서 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본원의 냉동방법에서는 냉동하기를 원하는 식품들을 먼저 필름 등으로 포장하고, 포장된 식품을 예냉구간, 경직구간, 침지구간을 갖는 다층 구조의 터널식 침지동결장치에 일정시간 통과, 동결시켜 보관하게 됨으로 냉동대상제품을 짧은 시간 내에 제품 내의 수분이 세포 내에서 가장 작은 결정상태로 동결되도록 급속냉동시킴으로 동결식품의 해동 시에 신선한 식감을 그대로 유지할 수 있도록 하며 세균의 번식을 억제할 수 있도록 하는 냉동방법을 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명의 급속냉동장치는 식품，화학，기계 공장 등의 냉각 설비，냉동 창고，제빙 장치 등 각종의 냉동분야에서 급송냉동장치로서 유용하고，특히 -50 ℃ ~ -70 ℃ 범위의 저온에서 급속냉동을 안정적으로 실시하기 위한 장치에서 유용하게이용되어 식품의 안전관리에 기여할 수 있는 효과를 갖는다.
특히 본원은 현재 국내외에서 폭발위험성이 있어서 위험물질로 분류되는 에틸알콜 90%이상을 소방시설을 갖추지 않고 위험에 노출된 상태에서 불법으로 사용되고 있는 문제점을 본원이 개발한 냉매제로 대체 사용하게 됨으로서 이러한 위험에서 벗어나게 하는 효과를 갖는다.
이하 본원 발명의 기술사상을 바람직하게 구현하기 위한 실시양태를 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 기술한 것으로 본원의 보호범위는 본원발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이며, 본 명세서에 기재된 예시는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본원의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
도 1은 본원에서 적용가능한 예냉구간-> 경직구간-> 침지구간을 포함하는 과정으로 짧은 시간에 냉동효율을 높이고자 하는 알콜 침지식 냉동장치의 측면 간략도를 도시하고 있는 것이고, 도 2는 도 1의 상부 평면도를 나타내고자 한 것이며, 도 3은 본원에서 이용가능한 구조의 냉동 대상제품을 담기 위한 바스켓 구조를 나타 내고자 한 것이다.
먼저 본원의 냉동장치를 통하여 냉동하기를 원하는 냉동 대상제품(1)이 비닐팩으로 포장되어 이송콘베이어 1(11)로 이송되고 이는 일정규격이나 단위로 구분되어 유입부(10)를 통해 바스켓(20)에 담겨지고 냉동장치(100)에 들어오면 양측에서 바스켓(20)을 지지하며 일정구간 이동사이클을 이루는 체인컨베어(30)를 통하여 예냉구간-> 경직구간-> 침지구간을 거치면서 냉동공정이 수행되는 시스템이다.
먼저 냉동 대상제품은 자체의 품온을 낮추는 예냉구간(40)을 거치는바, 예냉 구간에 사용되는 냉원은 외부에 마련되는 별도의 냉동기(41)와 블로워(42)를 이용하여 - 40±5˚C 범위의 냉풍을 냉동 대상제품(1)에 불어줘서 빙점에 가까워질 때까지 예냉시켜 줌으로 침지공정 수행시에 냉매액의 온도상승의 막아주는 예비공정이 수행되며, 예냉구간의 구성은 냉풍을 공급하기 위해 별도의 냉동기(41)와 블로워(42)를 이용하여 - 40±5˚C 범위의 냉풍을 불어주는 메인관(43)과 일정한 각도 조절이 가능한 가압노즐(44)로 구성될 수 있으며, 예냉시간은 가공대상 물품의 특성에 따라 예냉구간(40)의 통과시간을 조절할 수 있는 구조로 제공될 수 있음은 물론이다.
예냉구간(40)을 거치면서 빙점에 가까워진 냉동 대상제품(1)은 경직구간(50)으로 이송되는바, 경직구간(50)은 상부 및/또는 저부에서 냉매액을 뿌려주면서 표면 냉각을 실시하여 줌으로 이미 냉동을 시작하고 있는 냉동 대상제품의 품온 에너지가 외부로 발산되는 것을 방지하기 위한 공정인바, 본원의 경직구간(50)에서는 별도로 마련되는 냉매액 교환장치(70-1,70-2,70-3)에서 - 60±5˚C의 침지액으로 냉각시킨 냉매액을 경직구간에서 직접 분사하는 방식으로 냉매액 공급배관(51), 가압분사노즐(52), 공급펌프(p1)를 포함하는 구성으로 제공될 수 있다.
경직구간(50)을 거친 냉동 대상제품(1)은 바스켓(20)에 담겨진 채 침지구간 (60)으로 이동되어 침지되며, 이때 침지구간(60)에는 저부 또는 상부에서 냉매액 분사노즐(61)에서 냉매액을 분사시켜주게 되며 냉매액의 수위는 바스켓의 상단에 위치하도록 하는 것이 바람직하며, 경직구간(50) 및 침지구간(60)에 - 60±5˚C의 냉매액을 공급하기 위해 냉매액 교환장치 (70-1,70-2,70-3)가 이용되는바, 냉매교 환장치는 1차 냉매와 2차 냉매액이 열교환하는 장치로서 냉동기에서 유입되는 프레온가스의 압축 및 응축으로 얻어지는 1차냉매가 냉매교환기에 내장된 코일을 순환하고 다시 냉동기로 되돌려 보내주는 시스템으로 제공될 수 있고, 본원의 냉동장치로부터 이송되어 오는 승온 된 2차 냉매액은 냉매교환장치로 이송되어 유속과 접촉시간을 조절하며 1차냉매와 접촉되며 와류를 형성시켜 2차 냉매액을 초저온으로 급속냉각시켜 주는 시스템을 포함하여 이루어지게 되며, 냉각된 2차 냉매액은 다시 펌프를 통하여 본원의 경직구간(50)이나 침지구간(60)의 동결장치로 리싸이클시켜 되돌려 보내주고 승온 된 냉매는 다시 냉매교환기로 보내지는 냉각시스템이며 냉동대상 제품의 특성에 따라 콘트롤 판넬에 입력되어 지시되는 내용으로 자동으로 온도와 이동속도를 제어하며 운전될 수 있도록 제공된다.
상기의 공정에서 침지구간(60)을 거치면서 완전 동결이 이루어져 가공된 냉동제품(2)은 다공성 구조를 갖는 바스켓(20)에 담겨진 채 침지구간 (60)에서 나올 때 일측으로 마련되는 바스켓 회전용 지지바(23)에 의해 바스켓(20)을 일측으로 기울어지도록 하여 내용물인 냉동된 제품(2)을 냉매회수조(70)에 마련되는 이송콘베이어2(71) 상부로 떨어뜨려 주게 되는바, 이송콘베이어2(71)는 바이브레이터형으로 진동 떨림 구성을 갖고 상부로는 롤러부러쉬(72)가 마련되어 이송콘베이어 2(71)를 따라 내려가는 냉동제품(2)에 진동을 줘서 표피에 묻어 있는 냉매를 털어 내는 기능을 하게 되고, 저부로 침강한 냉매는 다시 냉매교환기로 리싸이클되는 구성을 이루게 된다.
상기 이송콘베이어2(71)를 통과한 냉동제품(2)은 다시 세정 및 건조부(80)을 거쳐 냉동창고에 보관되게 되는바, 세정 및 건조부(80)에는 이송콘베이어3(81)이 마련되고, 그 상부에는 물 스프레이 노즐(82)에서 필요한 경우 물을 뿌려주며 냉동제품(2)에 샤워를 해준 후 공기 스프레이 노즐(83)을 이용하여 고압공기를 분사시켜 건조 후 냉동창고에 보관시키게 되는 구성을 이룰 수 있는 일 실시양태를 나타내고 있다.
도 3은 본원에서 적용가능한 구조의 바스켓(20)을 나타내고자 한 것으로, 본원에서 제공되는 바스켓(20)은 다공성 구조를 갖고 양측으로 마련되는 지지축(21)을 이용하여 90°회전될 수 있도록 제공되는바, 따라서 이동되는 바스켓(20)의 일측으로 바스켓회전용 지지바(23)가 마련되어 바스켓(20)의 일측에서 지지바(23)에 걸치게 되면 바스켓(20)이 일측으로 기울어지면서 내용물인 냉동제품(2)을 냉매회수조(70)에 마련되는 이송콘베이어 2(71)상부로 떨어뜨려 주도록 하고 바스켓은 원 위치로 되돌아가는 양태로 실시될 수 있으며, 도 3의 도면에서 예냉구간(40) 및 경직구간(50)에서는 바스켓(20)의 지지축(21)을 지탱하여주는 크램프(22)가 체인컨베어(30) 레일(31)의 상측에 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 이 것이 180°회전하여 침지구간(60)에 이르게 되면 크램프(22)가 체인컨베어(30) 레일(31)의 하단으로 위치하게 되어 바스켓(20)에 있는 냉동대상 식품만 냉매액에 침지되도록 제공되는 구성을 이루게 된다.
그러나 상기의 바스켓 구조는 파이롯프랜트에서 냉동효율을 측정하기 위한 하나의 실시양태를 나타낸 것일 뿐, 실제 공장규모의 냉동장치에서는 침지구간 에서 에너지 효율을 높이기 위하여 바닥면을 바스켓 단부와 근접시키는 구성으로 제 공되어 바스켓이 침지구간에서 180°회전될 수 있도록 제공되는 방법이 바람직할 수 있다.
본원의 기술사상은 냉동대상 식품을 바스켓(20)에 담아서 본원의 냉동시스템에 의하여 예냉구간-> 경직구간-> 침지구간을 거쳐 짧은 시간에 냉동효율을 높이고자 하는 것인바, 예를 들어 닭고기를 냉동하기를 원하는 경우 0.5~1 ㎏의 닭을 각각 팩으로 포장한 5~10 마리씩을 하나의 바스켓(20)에 담고 예를들어 설정번호 #3 등으로 입력시켜 놓는 경우(예를들어 소고기는 설정번호 #1로 , 돼지고기는 설정번호 #2 등), 운전자는 매뉴얼 상에 표기되어 있는 닭고기의 설정번호를 제어판의 설정번호 입력판에 넣기만 하면 #3에 설정되어 있는 TD(time delay)에 의하여 약 5분 동안 예냉구간을 거치고, 경직구간에서 7분, 침지구간에서 8분 등의 설정된 시간 동안 이동시키는 방법 등으로 최적의 냉동조건을 찾아 다양한 운전방법 및 제어방법으로 냉동 대상물품에 따른 다른 운전조건이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한 본원의 도 1, 도 2에 제시된 구성에서는 본원의 냉동장치(100)가 예냉구간(40), 경직구간(50), 침지구간(60)을 갖는 구성을 주요 특징부로 하는 것이기 때문에 이 부분을 표현하기 위하여 다른 부분들은 표시되지 않았으나, 본원의 다층 구조의 터널식 동결장치의 재질은 100% SUS재질로 제작되고, 벽체를 2중 자켓형으로 하여 탱크 내벽과 외벽 사이에 공기층을 둬서 탱크 내부와 외부의 온도차로 인한 영향을 차단하며 또 온도차로 인한 응축수의 발생을 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 본원에서 사용하는 냉동기 및 냉매액 교환장치(70-1,70-2,70-3)에서도완벽한 단열 및 보호를 위하여 탱크 외벽에 우레탄으로 2중 보온층을 이루고 SUS 테이프로 마감을 하여 완벽히 냉의 손실을 차단하도록 구성하는 것이 바람직하다.
본원 냉동장치의 파이롯 프랜트를 만들어 놓고 냉동효율을 측정하기 위하여 1차 냉매는 일반 냉동기의 액화가스 냉매인 1차 냉매를 그대로 사용하였고, 2차 냉매로서는 에틸알콜과 프로필렌글리콜을 주로하는 냉매를 사용하여 직접냉각방식과 간접냉각방식의 냉각효율을 유용성을 확인하기 위해 비교실험을 하였다.
실험 1. (직접냉각방식실험 ; 초저온 냉매액의 조제비별 설정온도에 이르는 실험)
* 설정온도 : -60˚C
* 실험방법 : 침지 탱크 저부에 직접방식의 냉각코일을 설치 설정온도에 이르는 시간을 측정.
* 희석액의 조제비율별 확인
* 1차 냉매액 : 액화 프레온 가스 22#
* 실험에 사용한 냉동기의 능력 : 0.75 KW
* 실험에 사용된 침지 탱크의 사이즈 : 2.4 ㎥ (사각 탱크)
* 실험결과 ; 표 1
[표 1]
희석비율 (20 Liter) (에칠알콜 : 프로필렌글리콜) 냉각시간 (-60˚C 기준) 직접냉각식 (침지 탱크내) 적용냉동기 능력
9 : 1 20 분 0.75 HP
8 : 2 10 분 0.75 HP
7 : 3 18 분 0.75 HP
6 : 4 24 분 0.75HP
5 : 5 30 분 0.75HP
4 : 6 40 분 0.75HP
3 : 7 50 분 0.75HP
** 상기실험에서 얻어진 냉각시간의 경우 제품이 탱크 내에 없는 상태에서 직접냉각방식으로 Agitating Motor를 이용하여 탱크 내에서 순환하여 얻어진 냉각시간임.
결론 ; 직접냉각식의 경우 제품의 품온 에너지에 의한 냉매액의 온도차에서 발생되는 냉매액의 온도변화(△T)가 발생 시 냉매액을 설정온도까지 내리는데 필요한 냉동기의 부하와 제품이 냉동 될 때 제품 내의 수분이 빙점에 이르는 시간이 길어져서 세포 내의 수분의 결합이 커져서 제품이 해동시에 신선도가 떨어지고 식감을 상실하게 되는 결과(도 5의 A사진)를 알 수 있다.
실험 2 ; ( 간접냉각방식 ; 초저온 냉매액의 조제비별 설정온도에 이르는 실험)
* 설정온도 : -60˚C
* 실험방법 : 본 발명의 냉각장치로 간접 냉각하여 순환 설정온도에 이르는 시간.
* 희석액의 조제비율별 확인
* 1차 냉매액 : 액화 프레온 가스
* 실험에 사용한 냉동기의 능력 : 0.75 KW
* 실험결과 ; 표 2
[표 2]
희석비율 (20 Liter) (에칠알콜 : 프로필렌글리콜) 냉각시간 (-60˚C 기준) 간접냉각식 (침지 탱크내) 적용냉동기 능력
9 : 1 7 분 0.75 HP
8 : 2 5 분 0.75 HP
7 : 3 6 분 0.75 HP
6 : 4 9 분 0.75HP
5 : 5 12 분 0.75HP
4 : 6 16 분 0.75HP
3 : 7 20 분 0.75HP
* 실험용 열교환장치 별도 설치
* 상기의 시험성적은 가압순환 펌프를 사용하여 밀폐된 냉매액 교환장치를 통하여 냉매액이 순환되면서 냉각되는 간접방식으로 설정온도까지에 이르는 시간을 확인한 자료임.
결론 ; 냉매액 교환장치를 사용하여 실험 한 결과 약 2 ~ 5배 정도 빠르게 설정 온도에 이르는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 열교환장치의 △T를 극복하는 시간을 입증하는 것으로 판단되고 제품이 해동시에 신선도가 유지되며 식감을 유지하게 되는 결과(도 5의 B사진)를 알 수 있었다.
실험 3. (본원의 냉매액 교환장치를 이용한 급속 냉동시스템의 가동 시험결과에 따른 급속냉동 효과 측정실험)
* 설정온도 : -60˚C
* 실험방법 : 본 실험은 냉장하지 않은 생선을 대상으로 침지식 냉동장치에서 深部(심부)의 동결온도가 -50˚C 까지 동결이 되는 시간과 또 대상제품의 침지시 냉매액의 온도상승과 냉매액 교환장치를 통하여 냉매액이 △T를 극복 설정온도 에 이르는 시간 등을 확인하기 위한 방법으로 진행
* 희석액의 조제비율별 (8 : 2)
* 기계의 구성 : 냉동기 - 냉매액 교환장치 - 침지식 급속 냉동장치
* 냉동대상 제품 : 생선류 약 10 kg (20마리) - 냉장하지 않은 제품
* 제품의 품온 : 예냉 시설에서 약 10˚C - 12˚C 유지상태 제품을 급속 냉동시스템에 침지 후 제품의 심부온도가 -50˚C에 이르는 시간측정.(상기의 시험은 매분 냉매액의 온도변화 추이와 냉동제품의 품온을 측정하여 결과치를 나타낸 그래프를 도 4로 첨부한다.
결론 ; 도 4의 그래프 자료로부터 실험의 결과는 냉동제품이 냉동되는 속도와 품온으로 인한 신선도의 차이가 얼마나 차이가 있는지에 대해서도 제품의 안전도와 해동에도 큰 차이가 있음을 나타내고 있음을 나타내고 있다.
도 5는 본원의 냉매를 이용하여 직접냉각방식과 간접냉각방식으로 냉동대상물을 -60˚C로 동결시킨 상태의 사진을 나타내고 있는바, 실험 1에서 실시한 에칠알콜과 프로필렌글리콜의 배합비가 8 : 2 로 이루어진 냉매로 직접냉각방식에서 냉동대상물을 -60˚C로 동결시키기 까지 10분이 소요된 냉동대상물의 동결상태를 현미경으로 촬영한 세포사진이 5A이고, 실험 2에서 실시한 에칠알콜과 프로필렌글리콜을 주로 하는 배합비가 8 : 2 로 이루어진 냉매로 간접냉각방식에서 냉동대상물을 -60˚C로 동결시키기 까지 5분이 소요된 냉동대상물의 동결상태를 현미경으로 촬영한 세포사진이 5B이다.
상기 도 5A 사진에 나타난 냉동물은 동결에 시간이 걸리면서 냉동대상물에 자유수가 생기면서 자유수와 결합수가 모두 동결된 상태의 사진이고, 도 5B 사진에 나타난 냉동물은 자유수가 생기기 전 급속냉동이 이루어지므로 결합수만이 동결된 상태의 사진으로서 도 5A의 냉동물은 행동 후 식용에 이용될 시 자유수가 녹아지면서 어석거리는 상태가 되어 식감을 상실하는 상태가 되고, 도 5B의 냉동물은 해동 후 식용에 이용될 시 결합수만 녹아지면서 어석거리는 상태가 없이 식감을 그대로 유지하는 신선도를 유지할 수 있게 되는 사실을 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명의 급속냉동장치는 냉동을 원하는 식품을 냉매 설정온도(-60 ~ -65℃)를 유지하며 짧은 시간 내에 초저온으로 급속 냉각시키는 능력을 갖고 내용물의 신선도를 유지하면서 안전하게 장기 보관할 수 있으며, 또한 상기의 급속냉동공정이 완료된 냉동물은 저장 및 보관장소로 이동되기 위하여 이송다이나 컨베어벨트 등을 지나면서 그 하부 쪽으로 공기를 불어주는 블로워 시설이 설치되어 만약에 잔존할 수 있는 냉매액은 완전히 제거되어 안전하게 저장되도록 기능하여 본원의 목적을 충분히 달성할 수 있다．
도 1은 본원에서 적용가능한 냉동장치의 공정도.
도 2는 도 1의 상부 평면도
도 3은 본원에서 이용가능한 바스켓 예시도.
도 4는 본원에서 사용하는 냉매액의 온도변화 추이와 냉동제품의 품온을 측정하여 결과치를 나타낸 그래프.
도 5a는 직접냉각방식에 의해 냉각된 제품의 세포 조직 내 결빙상태를 나타낸 단면도
도 5b는 간접냉각방식에 의해 냉각된 제품의 세포 조직 내 결빙상태를 나타낸 단면도
******* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *******
1 : 냉동 대상제품 2 : 냉동제품
10 : 유입부 11 : 이송콘베이어1
20 : 바스켓 21 : 지지축
22 : 크램프 23 : 바스켓회전용 지지바
30 : 체인컨베이어 40 : 예냉구간
41 : 냉동기 42 : 블로워
43 : 메인관 44 : 냉압 분사노즐
50 : 경직구간 51 : 공급배관
52 : 냉매스프레이노즐 60 : 침지구간
61 : 냉매분사노즐 70 : 냉매액 교환장치
71 : 이송콘베이어2 72 : 롤러부러쉬
80 : 세정 및 건조부 81 : 이송콘베이어3
82 : 물 스프레이 노즐 83 : 공기 스프레이 노즐

Claims (5)

  1. 외부에 냉동기와 냉매교환수단을 갖고 다층 구조의 터널식 냉각방식으로 운용되는 급속냉동방법에 있어서,
    다층 구조의 터널식 동결장치가 예냉구간, 경직구간, 침지구간을 갖도록 제공되고,
    예냉구간에서는 외부에 별도로 설치되는 냉동기를 이용하여 -40±5℃ 범위의 냉풍을 만들어 가공대상 식품에 냉풍을 불어줘서 예냉시키는 단계;
    경직구간에서는 예냉구간을 거친 가공대상 식품 위에 냉매액을 뿌려주면서 표면냉각을 실시하는 단계;
    침지구간에서는 외부에 설치되는 냉매액 순환장치를 이용하여 냉매액의 온도를 -60±5˚C 범위로 유지 및 공급시켜 줌으로 가공대상 식품을 균일하게 냉동시키는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속냉동방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경직구간 및 침지구간에서 사용되는 냉매액은 에틸알코올과 프로필렌글리콜의 혼합비율이 9~3 : 1~7의 부피비율 범위로 제공되는 냉매액을 이용하는 것을 특징으로 하는 급속냉동방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 침지구간에서 사용되는 냉매액 교환장치는 코일형이나 판형의 냉매액 교환장치가 이용되는 것을 특징으로 하는 급속냉동방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 침지구간에서 냉동된 제품을 바이브레이터형 이송장치로 배출시켜 가공대상 제품의 표면에 묻어있는 냉매를 낙수시킨 다음 압축공기를 가압분사하는 건조단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 급속냉동방법.
  5. 냉동기와 냉매교환수단을 갖고 간접 냉각방식으로 운용되는 급속냉동장치에 있어서,
    다층 구조의 터널식 동결장치가 예냉구간, 경직구간, 침지구간을 갖도록 제공되고,
    예냉구간에서는 외부에 별도로 설치되는 냉동기를 이용하여 -40±5℃ 범위의 냉풍을 만들어 가공대상 식품이 빙점에 가까워질 때 까지 예냉시켜 주는 수단;
    경직구간에서는 예냉구간을 거친 가공대상 식품 위에 냉매액을 뿌려주면서 표면냉각을 실시하여 주는 수단;
    침지구간에서는 외부에 설치되는 냉매액 순환장치를 이용하여 냉매액의 온도를 - 60±5˚C로 일정하게 유지 공급시켜 줌으로 가공대상 제품을 균일하게 냉동시켜 주는 수단;
    을 포함하여 제공되는 것을 특징으로 하는 급속냉동장치.
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