KR970005542B1 - 액체 및 페이스티 제품의 냉동 장치 및 냉동 방법 - Google Patents

액체 및 페이스티 제품의 냉동 장치 및 냉동 방법 Download PDF

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폴 밀러 제레이
데이비드 스미스 콜린
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
윌리암 에프. 말쉬
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Abstract

내용없음.

Description

액체 및 페이스티 제품의 냉동 장치 및 냉동 방법
제1도는 본 발명의 냉동기의 한 구체화로서 냉동기를 수직으로 잘라서 본 단면도이며,
제2도는 제1도의 라인 Ⅱ-Ⅱ를 잘라서 본 단면도이다.
본 발명은 제품을 냉동하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 식품을 냉동하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 이에 국한되는 것은 아니다.
UK-A-2,023,789호는 대하(Scampi, 큰 새우)의 분리된 부위를 회전 드럼의 상단에 공급하여 제품을 냉동하는 방법 및 장치에 대하여 개시하고 있다. 드럼 표면은 드럼 하단의 액체 질소 풀(pool)에 의해 냉각된 상태로 유지된다. 대하가 드럼과 접촉하면 강력한 냉기 때문에 대하가 드럼표면에 살짝 달라붙은 상태의 딱딱한 외피의 냉동물이 생성된다. 드럼이 회전하면 대하는 전체적으로 동결된 상태가 되어 드럼밑의 콘베이어상으로 떨어진다. 전페 드럼은 인클로저(enclosure)에 포함되어 있다. 액체 질소를 식품에 직접 분무하면 부가의 냉각이 이루어지고, 질소 증기는 대기로 배출된다.
종래 기술 장치는 다수의 단점을 지니고 있다. 첫째, 드럼은 안정성의 이유때문에 인클로저에 포함되어 있어야 한다. 특히 드럼이 순환 공기중에서 작동될 경우, 액체 공기(비등점 -183℃)가 드럼 하단에 형성되어 콘베이어상으로 떨어진다. 하지만, 식품과 혼합된 액체 공기는 고연소성 혼합물을 생성하여 식품 냉동공법에 치명적인 폭발을 일으키는 것으로 최근 밝혀졌다.
두 번째 단점은 냉동을 조절할 수 없다는 특성과 직접 관련된 것이다. 특히, 드럼으로의 식품 공급이 멈추어지면 드럼 표면 온도가 급격히 감소한다. 이것은 중국적으로 외피만 딱딱하게 되는 급속한 냉동을 일으켜 이후 제품이 드럼 상단에 놓일 때 제품을 드럼 표면에 부착시키지 못한다. 그러면 드럼이 회전함에 따라 제품은 외피만 냉동된채로 드럼으로부터 미끄러져 콘베이어상으로 이동된다. 이 분제는 종래 기술에서 콘베이어상에서 식품을 추가 냉각을 실시하므로써 해결되어야만 했다.
세 번째 단점은, 상기 장치는 요리되지 않은 계란(이하 액체 계란으로 지칭)또는 다른 액체 또는 페이스티 제품의 성분을 냉동할 때 육안으로 보기에 매력적인 제품으 생산하지 않는데 있다. 특히, 대하와 달리 시이트로 싸인 상태로 냉동되는 계란은 드럼으로부터 자유롭게 분리되지 않는다. 따라서, 스크레이퍼 블레이드를 사용하여 드럼으로부터 시이트를 제거한 뒤 다음 단계에서 이를 분쇄해야 된다. 하지만, 분쇄된 제품은 외관이 아름답지 못하다.
본 발명가는 전술된 처음의 두가지 단점이 즉, 드럼을 지니는 냉동기로서, 드럼에는 실린더가 있고, 드럼의 내부 표면과 실린더의 외부 표면 사이의 공간을 통해 한제(cryogen,寒劑)를 순환시키는 팬이 제공되어 있는 냉동기를 사용하므로써 해결될 수 있음을 발견하였다.
유리하게는, 상기 드럼 및 실린더 사이의 거리는 10-350㎜, 바람직하게는 50-150㎜, 다욱 바람직하게는 100㎜이다.
바람직한 드럼의 내부 표면에는 핀들이 제공되며, 핀은 바람직하게는 안쪽을 향해 방사형으로 뻗어나가 실린더에 연결되어 있다. 이들 핀들은 드럼에 대한 열전달을 개선시키며 드럼에 대하여 병렬로 실린더를 유지시키는 작용을 한다.
유리하게는, 드럼 및 실린더는 동일축을 지니지만 이 동일축이 꼭 필수 불가결한 것은 아니다.
실린더의 축크기는 드럼의 축크기보다 작은 것이 바람직하다. 이는 사용시에 팬이 한제를 실린더의 외부면과 드럼의 내부면 사이에 있는 공간을 통해 순환시킨 후 실린더 내부를 통해 순환시킬 수 있도록 하기 때문이다.
유리하게는, 실린더의 내부로 액체 질소를 유입하는 수단이 제공된다. 이러한 수단은 파이프같이 단순한 것이거나, 또는 직경 250마으크론 이하, 바람직하게는 직경 100마이크론 이하, 더욱 바람직하게는 직경 40마이크론 미만의 소적(droplet)들을 운반할 수 있는 스프레이노즐을 포함할 수 있다.
팬은 실린더중에 배치되면 축을 지닌 흐름팬일 수 있다. 바람직한 팬은 방사형 흐름팬으로서 실린더를 통하여 한제를 끌어당긴 뒤 이것을 외측방향으로 실린더의 외부 표면 및 드럼의 내부 표면 사이의 공간내로 투입하도록 고안되어 있다.
팬은 바람직하게는 5m/s 이상의 직선 속도하에서, 바람직하게는 5-10m/s의 속도하에서 공간을 따라 한제를 통과시키도록 고안되어 있다.
바람직하게는, 상기 드럼에 출구가 제공되는데, 이 출구는 상기 드럼의 말단 벽면으로부터 안쪽으로 돌출된 출구이며 바람직하게는 드럼과 동일축을 지닌다. 출구를 이렇게 배치시키면, 한제에 함유된 극저온성액체 소적들이 출구를 직접 통과하기 보다는 실린더를 통하여 재순환되게 된다.
출구는 실린더 내부내로 액체 한제를 유입하는 수단 가까이에 위치하는 것이 유리하다.
바람직하게 냉동기에 대한 한제의 유속을 조절하는 수단이 제공되어 상기 냉동기가 제품을 기다리는 동안, 한제는 -30℃ 내지 -40℃에서 냉동기를 이탈하며, 냉동기가 제품을 냉동하는 동안에는 한제는 -40℃이하에서 냉동기를 떠난다.
본 발명은 또한 제품을 냉동하는 방법을 제공하는데, 이 방법은 제품을 냉각 회전 드럼의 외부에 공급하는 단계를 포함하며 냉각 회전 드럼이 본 발명에 따라 냉동기의 일부를 구성한다는데 특징이 있다.
액체 한제가 상기 제품의 바로 상층에 존재하는 드럼 표면 온도가 -30℃이하, 바람직하게는 -35℃이하, 더욱 바람직하게는 -38℃ 이하가 되도록 하는 속도로 드럼내에 유입되는 것이 바람직하다.
드럼으로부터 배출된 냉각 한제는 -40℃ 내지 -160℃의 온도, 바람직하게는 -40℃ 내지 -120℃의 온도에 있는 것이 유리하며 제품이 냉동되는 동안에는 -100℃의 온도가 유리하다. 공간을 통과하는 한제의 온도는, 출구를 통해 드럼을 떠나는 냉각 한제보다 조금 낮다. 바람직한 배출 온도를 사용하면, 액체 공기(bp. -183℃)가 드럼 외부에는 형성되지 않을 것이므로 종래 기술에 의한 단점 하나가 해결된다.
바람직하게는, 팬이 5m/s이상의 직선 속도, 바람직하게는 5-10m/s 의 직선 속도하에서 드럼의 내부와 실린더의 외부 사이 공간을 통하여 한제를 순환시킨다. 이러한 속도하에서, 드럼의 냉각은 매우 정확히 조절 될 수 있다. 일반적으로, 한제는 액체 질소이며 이것은 드럼 외부면 냉각이 100-140w/㎡℃의 속도로 얻어질 수 있는 비율로 유입된다.
바람직하게는, 제품이 드럼에 공급되지 않을 때는 배출 온도가 -30℃~-40℃이며 제품이 드럼상에서 냉동될 때 배출 온도는 -40℃ 이하가 되도록 한제의 흐름이 조절된다.
상기 기술된 냉동기는 대부분의 제품을 냉동하는데 적합하며, 특히, 국한하는 것은 아니지만, 식품을 냉동하는데 적합하다.
상술된 세 번째 단점을 살펴보면, 종래 기술은 입자 제품을 생산하도록 잘게 분쇄되는 냉동 액체 또는 페이스티 제품 시이트를 생산하였다. 이러한 시이트는 드럼의 외부에 단단히 부착되어 있기 때문에 드럼으로부터 이들을 분리하기 위해서는 스크레이퍼가 요구되었다.
본 발명은 액체 및 페이스티 제품을 냉동하기 위한 냉동기를 제공한다. 이 냉동기는 통상 수평인 축 주위에서 회전하도록 장착된 드럼을 지니는데 이 냉동기는 드럼의 외부 표면상에 제품의 소적들을 공급하는 수단을 지니며 소적들이 응집되는 것을 억제하는 수단을 지닌다.
바람직하게는, 상기 수단은 드럼의 외주부를 돌아 연장된 하나 또는 그 이상의 홈을 구비하고 있다. 이 수단은 드럼의 외부 표면에 다수의 오목부를 지니고 있다.
소적들의 응집을 억제하면 제품은 개개의 입자로 냉동된다. 이 입자들은 종래 기술의 시이트와는 달리 드럼의 외부 표면에 강하게 부착되지 않는다.
홈들이 직사각형 또는 반-원형의 횡단면으로 존재한다 하더라도 홈들은 일반적으로는 포물선형 횡단면을 지니는 것이 유리하다.
꼭 필수 불가결한 것은 아니지만, 상술된 모든 특징을 갖거나 또는 일부의 특징을 갖는 냉동기를 제공하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명은 또한 액체 및 페이스티 제품을 냉동하는 방법을 제공한다. 이 방법은 상기 제품을 드럼의 냉각면에 제공하는 단계와, 제품을 냉동하는 단계와, 냉각면으로부터 냉동 생성물을 제거하는 단계들으로 구성되는 방법으로서, 제품이 소적의 형태로 상기 표면에 공급되며, 상기 드럼에는 소적들의 응집을 억제하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 소적들은 0.02-0.2cc, 바람직하게는 0.03-0.08cc의 평균 부피를 지니고 있다.
바람직하게는, 상기 소적들은, 제품의 소적들의 90%이상, 바람직하게는 98% 이상이 개별적 입자로 냉동될 수 있는 속도로 공급된다.
제품을 냉각 표면으로부터 분리하기 전에 -17℃ 이하의 평균 온도, 바람직하게는 -25℃ 이하, 더욱 바람직하게는 -38℃ 이하로 냉각시키는 것이 유리한다.
냉각 표면에서 1㎜ 낮은 곳의 온도는 제품이 냉각 표면과 접촉하는 동안 -20℃ 보다 낮다. 특히 바람직한 상기 온도는 제품이 상기 표면과 접촉하고 있는 동안에는 -25℃보다 낮은 것이 좋다.
냉각 표면 아래의 온도는 열전기쌍으로 쉽게 측정된다.
액체 및 페이스티 제품의 예로는 액체 계란, 크림, 소스, 육즙, 다진 시금치, 약제품 및 혈액 제품 등이다.
본 발명을 좀더 잘 이해하기 위한 일례로서 첨부된 도면을 참조하여 언급한다. 도면을 살펴보면 냉동기는 (1)로 표시되어 있다.
냉동기(1)는 모터(3)에 의해 0~4r.p.m.의 가변성 속도로 장축 주위에서 회전할 수 있는 드럼(2)을 포함하고 있다. 드럼(2)은 스테인레스 스틸로 만들어졌고 600㎜의 외부 직경과 5㎜의 최대벽 두께를 지닌다.
드럼(2)에는 드럼(2)의 외주부를 돌아 연장된 다수의 홈(4)이 제공되어 있다. 각 홈(4)은 실질적으로 포물선형 단면을 지니며 약 0.6㎜의 촛점 길이를 지니고 있다.
드럼의 외부 표면은 광택성이 매우 크다.
소적 분배기(5)는 파이프(8)에 의해 탱크(7)에 연결되어 있다. 파이프(8)에는 밸브(9)가 장착되어 있다. 탱크(7)에는 플로우트(float) 밸브(10)가 제공되는데 이 밸브는 유입 파이프(11)에 연결되어 있다.
드럼(2)은 내부 실린더(12)를 포함한다. 이 실린더는 스테인레스 스틸로 만들어지며 이것은 16개의 핀(13)에 의해 드럼(2)에 연결되어 있다. 핀은 드럼(2)으로부터 안쪽으로 향해 방사형으로 뻗어 있다. 내부 실린더(12)의 방사형 외부 표면은 약 100㎜의 공간(20)에 의해 드럼(2)의 방사형 내부 표면으로부터 분리된다.
방사형 팬(14)은 드럼(2)에서 회전되도록 장착되어 있으며 모터(15)에 연결되어 있다. 이 모터는 2.2kW(3H.P)가변성 속도의 모터를 지닌 장치이다.
스프레이노즐(17)을 갖는 파이프(16)는 내부 실린더(12)내로 뻗어 있고, 제어 밸브(18)와 셧 오프(shut-off) 밸브(19)를 통해 액체 질소원(도시되어 있지 않음)에 연결되어 있다.
사용시에, 모터(15)를 작동시켜 방사형 팬(14)이 약 1400r. p. m.에서 작동되도록 조정한다. 방사현 팬(14)은 약 5m/s의 직선 속도하에서 공간(20)을 통하여 공기를 순환시킨다.
셧 오프 밸브(19)와 제어 밸브(18)를 열어 액체 질소를 파이프(16) 및 스프레이노즐(17)을 통해 내부 실린더(12)내로 유입되도록 한다. 액체 질소 소적들(이들은 직경 40마이크론 이하이다)을 질소 증기와 함께 내부 실린더(12)를 따라 끌어 들인 뒤 방사형 팬(14)에 의해 바깥쪽으로 방사형으로 이동시킨다. 이들은 말단벽(29)에 의해 둘러싸인 영역(21)에 도달할 때까지 공간(20)을 따라 운행한다. 파이프(16) 주변의 통로(22)를 통해 나머지가 소비되는 동안 증기 약간이 재순환된다. 통로(22)로의 유입은 드럼(2)의 말단벽(29)으로부터 안쪽으로 돌출된 출구(28)에 의해 수행된다. 출구(28)는 액체 질소의 증발되지 않은 소적들을 빗나가게 하고 방사형 팬(14)의 흐입구에 이 소적들의 재순환이 용이하게 일어나도록 한다.
액체 질소의 흐름은 밸브(9)가 패쇄되었을 때 배출 기체의 온도가 -38℃에서 거의 일정하게 유지되는 방식으로 제어 밸브(18)에 의해 조절된다.
배출 기체가 원하는 거의 일정한 온도(-38℃)에 일단 한번 도달하면, 모터(3)가 작동 개시되어 약 2r.p.m.으로 드럼(2)을 회전시킨다. 이후 밸브(9)를 열면 액체 계란이 탱크(7)로부터 파이프(8)를 지나 소적 분배기(5)에 유입된다. 동시에 밸브(19)를 제어하여 배출 기체의 온도를 -100℃로 감소시킨다. 도면에서는 간단히 도시되어 있지만, 소적 분배기(5)는 각 유출 튜브(6)가 약 0.05cc의 액체 계란을 함유하는 소적들을 분배하도록 한다. 소적들이 분배될 수 있는 속도는 가변적이지만 유출구 하나당 1분에 대해 600소적들을 분배하는 속도가 바람직하다.
소적(23)이 홈(4)내로 떨어지면, 드럼(2)의 냉각으로 인해 소적들의 표면이 거의 즉각적으로 고체화된다. 냉각이 급속히 일어나면 액체 계란이 홈(4)을 따라 내려가지 않으므로 소적들은 서로 응집되지 않는 개별적인 입자를 형성한다.
동체가 회전하면 입자는 전체적으로 냉동되어 점점 더 냉각된다. 입자들이 하단점에 도달하면 입자 대부분은 외관이 좋은 입자 생성물(25) 더미를 이탈하여 떨어져 나간다.
경충격 스크레이퍼(26)가 제공되어 스스로 떨어지지 않는 입자를 떨어뜨린다.
평형시에 위치(24)에서 드럼(2)의 표면 온도는 약 -39℃이다. 위치(27)에서 드럼(2)의 표면 온도는 약 -32℃이다.
배기 기체의 온도가 -80℃ 이하로 조정될 때 냉동 입자는 드럼(2)의 표면에 재빨리 점착되므로 강한 힘으로 제거되어야 한다. 이것은 (24)위치에서 -27℃의 표면 온도 및 (27) 위치에서 -20℃의 표면 온도와 상응한다. 대조적으로 위치(24)에서 표면 온도가 -43℃ 이하로 내려가면 입자는 드럼(2)의 표면에 고착되지 않고 동결되기 전에 간단히 떨어져 나간다는 것을 알 수 있다.
드럼(2)의 외부 표면과 달리, 내부 표면은 공간(20)을 통과하는 냉각 질소에 의한 강력한 열전달을 촉진하도록 꺼칠 꺼칠하게 되어 있다. 비슷하게, 내부 실린더(12)의 표면과 핀(13)은 서로 비슷한 방식으로 거칠게 되어 있다.
실험에서 본 발명기는 제품 1㎏에 대하여 2㎏의 액체 질소를 사용하여 입자성 계란을 만들었다. 이것은 액체 계란의 소적들이 단순히 액체 질소의 홈통내로 떨어지므로써 매번 1㎏의 제품에 대하여 5㎏의 액체 질소가 필요했던 종래 기술과 비교되는 것이다.
상술된 구체예는 액체 계란을 냉동시키는 것을 구체적인 참고로 기술하였지만, 다른 액체 또는 페이스티 제품도 비슷한 방식으로 냉동될 수 있다. 이러한 것들의 예로는 스크램블 계란 혼합물, 분리된 노른 자위, 분리된 흰자, 크림, 소오스 및 육즙등이 있다. 약제품 또한 혈액 제품처런 냉동시킬 수 있다.
입자의 크기는 소적(23)의 크기 또는 홈(4)의 크기나 프로필을 변경시킴으로써 조정될 수 있다.
필요하다면, 액체 및 페이스티 제품을 냉동시키기 위해서는, 드럼(2)은 서로 다른 배치방식으로 냉각될 수 있다. 예를 들면, 방사형 팬(14), 내부 실린더(12) 및 핀(13)이 사용되지 않을 수 있다. 또한 액체 한제는 동체의 내부에 대해 간단히 분무될 수 있으며, 바람직하게는 드럼을 따라 연장되는 분무 바아로부터 분무되어 인접벽에 위치될 수 있다. 대안으로서, 방사형 팬(14), 내부 실린더(12) 및 핀(13)을 사용하지 않으면서 드럼의 하단 부위는 액체 한제로 채워질 수 있다. 더 구체화하면, 방사형 팬(14)은 보유되지만 내부 실린더(12) 및 핀(13)은 생략될 수 있다.
상술된 장치에서 드럼을 빠져나가는 한제의 적어도 일부는 냉동되는 제품상에 직접 분무될 수 있다.

Claims (13)

  1. 드럼(drum)을 포함하는 냉동기에 있어서, 드럼내에는 실린더가 배치되어 있고, 실린더 외부면과 드럼내부면 사이에 존재하는 공간을 통해 한제(寒劑, cryogem)를 순환시키는 팬(fan)이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 드럼에는 내쪽으로 연장되어 상기 실린더에 연결되어 있는 핀이 제공되는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  3. 제1항에 있어서, 액체 한제를 상기 실린더의 내부로 유입하는 장치가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 팬은 한제를 상기 실린더를 유입한 뒤 이것을 실린더의 외부면과 드럼의 내부면 사이 공간으로 보내도록 배치된 방사형 흐름팬인 것을 특징으로하는 냉동기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 드럼은 드럼의 말단벽으로부터 내부를 향해 돌출된 유출구를 지니는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  6. 제1항에 있어서, 냉동기가 제품을 기다리는 동안, 한제가 -30℃ 내지 -40℃에서 상기 냉동기를 떠나며, 상기 냉동기가 제품을 냉동하는 동안, 한제가 -40℃ 이하에서 냉동기를 떠나도록 냉동기로의 한제의 흐름을 조절하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  7. 통상 수평인 축주위에서 회전하도록 장착된 드럼을 포함하여 액체 및 페이스티 제품을 냉동시키는 냉동기에 있어서, 상기 냉동기는 상기 드럼의 외부면상에 제품의 소적들을 공급하는 장치를 구비하며, 상기 드럼은 이러한 소적들의 응집을 억제하는 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 소적들의 응집을 억제하기 위한 상기 장치가 상기 드럼의 외주부를 돌아 연장된 하나 이상의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  9. 액체 및 페이스티 제품을 드럼의 냉각 표면에 공급하는 단계, 상기 제품을 냉동하는 단계 및 상기 냉각면으로부터 냉동된 제품을 제거하는 단계를 포함하는, 액체 및 페이스티 제품을 냉동하는 방법에 있어서, 상기 제품은 소적들의 형태로 상기 냉각 표면에 공급되며, 상기 드럼에는 상기 소적들의 응집을 억제하는 장치가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 및 페이스티 제품을 냉동하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 소적들은 0.02~0.2cc의 평균 체적을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 소적들은 제품의 98% 이상의 소적들이 개개의 입자로 냉동될 수 이는 비율로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제품은 상기 냉각면으로부터 분리되기 전에 -17℃ 이하의 평균 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 냉각면에서 1㎜ 아래의 온도는 상기 제품이 냉각면과 점촉하는 동안 -20℃ 보다 높게 되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
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