WO2008056683A1 - Dispositif de chauffage de à vapeur ou similaire - Google Patents

Dispositif de chauffage de à vapeur ou similaire Download PDF

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WO2008056683A1
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pressure
fluid
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liquid
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Makoto Hikita
Hideo Tsukazaki
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Hisaka Works, Ltd.
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    • F28C3/06—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour
    • F28C3/08—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour with change of state, e.g. absorption, evaporation, condensation

Definitions

  • the present invention relates to a fluid heating device, and more particularly to a steam contact heating device that heats a fluid by directly bringing the steam into contact with the fluid.
  • This type of heating device is used for various liquid heating applications such as a liquid continuous heating device, a liquid continuous sterilization device, and a hot water production device.
  • liquid food sterilization methods include indirect heating method that indirectly heats metal walls, etc., and direct steam heating method that directly heats liquid with steam.
  • a sterilization method for easily burnt liquids such as milk and soy milk, or liquids that tend to change color such as green juice
  • a direct steam heating method that requires only a short heating time, has little heat effect on the liquid, and prevents deterioration of quality.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 2004-201533
  • Patent Document 1 includes an injection heater that heats the liquid to a sterilization temperature by blowing steam directly into the liquid to be sterilized.
  • a steam blowing direct heat sterilizer is disclosed.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Publication No. 2000-300976 (Patent Document 2) describes a metering pump that feeds a fluid to be heated as a fluid continuous heating device, and a steam to be heated from the metering pump. And a static mixer that directly mixes and heats the mixture.
  • Patent Document 2 discloses a static mixer that directly blows and mixes steam (steam) into a fluid to be heated, for example, disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 7-37703 (Patent Document 3). It is described that a dispersion mixer can be used.
  • the dispersion mixer disclosed in Patent Document 3 is provided with a main fluid (heated fluid) passage conduit in which a stirring element such as a torsion plate is fixed, and a nozzle connected in the conduit. It mainly includes a header for injecting an injecting fluid (steam) into the conduit through the pipe and a pressure feeding means for pumping the injecting fluid to the header.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 2004—201533
  • Patent Document 2 Japanese Patent Publication No. 2000-300976
  • Patent Document 3 Japanese Utility Model Publication No. 7-37703
  • the fluid to be heated supplied to the mixer is sent by a metering pump, the fluid pressure is high, and in order to pass the stirring element as described above, a corresponding liquid is required. Pressure is required. Therefore, in order to mix steam with the fluid to be heated in the mixer disposed downstream of the pump, a steam pressure exceeding the discharge pressure of the pump is required, and as a result, a high steam supply pressure is required. . In this case, the heating temperature is more than necessary beyond the required sterilization temperature, which may cause thermal damage to the fluid to be heated and, consequently, the quality of the fluid.
  • the present invention provides a steam contact heating device that can improve the mixing efficiency of steam and realize high-quality heat treatment by supplying relatively low-pressure steam. Is a technical issue.
  • the present invention provides a vapor contact heating system comprising: a fluid transfer means for transferring a fluid with an increase in pressure by the action of a rotor; and a steam supply region for supplying steam to the fluid.
  • the fluid transfer means is provided with a fluid inlet and outlet and a force S, a pressure increasing channel is formed between the inlet and the outlet, and a steam supply port is opened in the pressure increasing channel.
  • a steam contact heating device is provided in which a steam supply region is disposed in the pressure increasing flow path.
  • the fluid is transferred by the action of the rotor, and at the same time, the steam is blown into the steam supply region provided in the pressure increasing flow path via the steam supply port, and the fluid transfer hand Mixing of fluid and steam and pressurization of the mixed fluid are simultaneously performed inside the stage.
  • the rotor disposed inside the fluid transfer means forms a pressure increasing flow path or faces the flow path. Therefore, the force and rotation of the rotor rotate the fluid and the fluid.
  • the supplied steam is mixed with stirring. This enables dynamic mixing of the fluid and the steam, and the steam can be uniformly mixed with the fluid.
  • the steam is mixed with the fluid in the middle of being transferred from the inlet to the outlet with increasing pressure, so that the fluid can be Compared to the case where steam is supplied after pressure increase, low-pressure steam can be supplied. For this reason, the steam to be supplied needs to be at a relatively low temperature, and heating it more than necessary does not cause thermal damage to the fluid to be heat-treated or cause deterioration in quality. In addition, low-pressure steam enables stable heat treatment with little pressure fluctuation.
  • the steam supply region in the pressure increasing flow path, it is possible to increase the pressure even after the steam supply, so that it is possible to avoid as much as possible the cavity that may occur due to the temperature rise of the liquid accompanying the supply of steam. .
  • the vapor can be uniformly dissolved in the fluid, and stable heat treatment with little variation is possible.
  • the fluid transfer means provided with the vapor supply region inside may be any means provided with a rotor and capable of simultaneously performing pressure increase and dynamic mixing by the rotation operation.
  • a non-volumetric pump represented by a spiral type or a vortex type, or a rotary positive displacement pump such as a rotary type screw set.
  • the pressure-increasing action of the pump is usually the force provided by a rotor (rotor) that is arranged inside the pump and converts its own rotational energy into pressure energy and imparts it to the fluid.
  • the amount of pressure increase can be adjusted by the rotational speed of the rotor. This makes it possible to quantitatively manage the steam supply pressure and fluid pressure inside the pump, and can easily realize automation.
  • the pressure balance can be adjusted by the number of rotations of the pump, it is possible to easily introduce steam having a temperature suitable for the fluid, thereby applying the heating device according to the present invention to various fluids. It becomes possible to do.
  • the fluid heated by the hold pipe disposed downstream of the fluid transfer means for supplying steam is kept for a certain period of time.
  • the sterilization is substantially effective and sufficient by holding. Therefore, in practice, it is necessary to keep the fluid pressure high even further downstream of the fluid transfer means.
  • the pressure of the fluid at the discharge port provided in the fluid transfer means and the downstream side thereof is maintained higher than the pressure of the steam at the steam supply port.
  • a back pressure valve is provided on the downstream side of the discharge port of the fluid transfer means.
  • the sterilization temperature required for each food product may differ, but even in this case, it is based on the saturated vapor pressure corresponding to the sterilization temperature. Since the vapor pressure (temperature) that can be supplied is determined, the pump back pressure and the rotation speed should be set so that power and vapor can be supplied. Accordingly, it is possible to supply appropriate steam according to the fluid to be heat-treated, and it is possible to easily cope with various heat sterilization treatments, for example.
  • the vapor contact heating device shown in FIG. 1 is used, for example, for heat sterilization of a fluid.
  • a liquid tank 1 that stores and discharges a fluid to be heat-treated, and a fluid in the liquid tank 1 are described later.
  • Heat exchanger 3 for preheating, steam mixing pump 4 for mixing the fluid preheated in heat exchanger 3 and heating the fluid to the sterilization temperature, and the fluid heated by the steam mixing are constant.
  • Hold pipe 5 that maintains the time and promotes the sterilization of fluid
  • main cooler 6 that cools the fluid sterilized by hold pipe 5 to a temperature below a predetermined level
  • main back pressure valve 7 that keeps the back pressure of the steam mixing pump 4 constant.
  • reference numeral 8 denotes a water tank for storing and discharging water used for cleaning or sterilizing the fluid system (flow path) in the steam contact heating device
  • reference numeral 9 is The first switching valve that switches between the line from the liquid tank 1 and the line from the water tank 9 according to the operating conditions is shown.
  • reference numeral 10 indicates cooling of the treated liquid or the like in order to flow the treated liquid or the like to the recovery line (drainage line) without any trouble at the time of system sterilization treatment or sterilization treatment failure.
  • the drainage cooler 11 is provided on the downstream side of the drainage cooler 10, and a drainage back pressure valve that keeps the back pressure of the drain line constant, and the symbol 12 is the steam mixing pump 4. If the liquid temperature on the outlet side (downstream of the outlet 42 described later) or the liquid temperature on the outlet side of the hold pipe 5 deviates from the sterilization temperature range to be set, the treated liquid is transferred to the recovery line (drainage line). Show the second switching valve to send!
  • reference numerals 13, 14, and 15 denote a hot water tank, a hot water tank 13 and a heat exchanger, respectively, for securing a predetermined amount of hot water to be used in the heat exchanger 3 for preheating.
  • Shown is a circulation pump for circulating hot water to 3 and a heater for raising the temperature of the hot water sent from the circulation pump 14 to a predetermined temperature.
  • a control unit for measuring and controlling the temperature and flow rate of various fluids is provided.
  • TICA-1 measures the temperature of the liquid at the outlet side of the steam mixing pump 4 with a temperature sensor, and based on this measured value, the liquid temperature at the measurement location falls within the required temperature range.
  • a sterilization temperature control unit for adjusting the amount of steam supplied to the steam mixing pump 4 is shown.
  • TICA-2 measures the temperature of the liquid at the outlet side of the main cooler 6, and based on this measured value, the main cooler keeps the liquid temperature at the measurement location within the required temperature range.
  • Cooling water supply to 6 The TICA-3, the cooling temperature control unit to be adjusted, measures the temperature of the liquid at the outlet side of the heat exchanger 3, and based on this measurement value, the liquid temperature at the same measurement location is kept within the required temperature range.
  • symbol TIA-1 is used for line switching of the second switching valve 12, and measures the temperature of the liquid on the outlet side of the hold pipe 5 and measures this value (temperature ) Force Indicates that the sterilization temperature monitoring unit transmits the information to the second switching valve 12 or transmits the switching signal when it falls within the required sterilization temperature range! / ,! Further, the symbol FICA-1 measures the flow rate of the liquid at the outlet side of the transfer pump 2, and based on this measurement value, the rotation of the transfer pump 2 so that the flow rate of the liquid at the measurement point is within a predetermined range. Show the flow controller to adjust the number (here the inverter frequency)!
  • FIG. 2 is a cross-sectional view perpendicular to the axis of a steam mixing pump 4 as a fluid transfer means provided with a steam supply region inside.
  • the vapor mixing pump 4 is accommodated in a casing 43 having a liquid inlet 41 and an outlet 42, and inside the casing 43, and is rotatable on a drive shaft of a motor (not shown).
  • a liquid pressure boosting channel 45 formed between the connected rotor 44 and the inner wall 43a of the casing 43 and the rotor 44, and a steam supply port provided in the casing 43 and opened to the pressure boosting channel 45 And 46.
  • the steam supply for supplying steam to the liquid introduced into the pump 4 into the opening part of the steam supply port 46 in the pressure increasing flow path 45 Region 47 is formed.
  • the steam mixing pump 4 is mainly composed of a cascade pump!
  • a partition wall 48 is formed between the inlet 41 and the outlet 42, and the pressure increasing passage 45 that serves as a fluid passage 45 force Along the outer periphery of the disk-shaped rotor 44, the inlet 41 and the outlet 42 A part of the ring is formed to connect the two.
  • the liquid flowing in from the inflow port 41 flows about one round of the rotor 44 (through the pressurizing flow path 45) and is discharged from the discharge port 42 to the outside.
  • the rotor 44 is a so-called impeller in the illustrated example, and has a plurality of blade grooves 44a along the outer periphery thereof.
  • the steam supply port 46 is a part of the ring. It is located near the inlet 41 from the middle position of the pressurizing flow path 45 that is shaped!
  • the liquid discharged from the liquid tank 1 is sent by the transfer pump 2 to the heat exchanger 3 located on the downstream side of the transfer pump 2, and the heat treatment described later is performed.
  • Pre-heat treatment for example, 50 ° C or more and less than 100 ° C
  • the liquid thus preheated is transferred to the vapor mixing pump 4 (fluid transfer means) located on the downstream side.
  • the liquid sent to the vapor mixing pump 4 is introduced into the pressurizing channel 45 from the direction of the arrow a through the inlet 41.
  • the rotor 44 connected to the drive shaft of the motor rotates, and in this embodiment, the directional force is directed from the inlet 41 to the outlet 42 along the pressure increasing channel 45.
  • the liquid that rotates in the opposite direction and is introduced into the pressure increasing channel 45 is transferred to the discharge port 42 side with pressure increasing.
  • steam is introduced from the steam supply port 46 provided in the casing 43 into the pressure increasing channel 45 from the direction of the arrow b, thereby forming a steam supply region formed in the opening of the steam supply port 46.
  • the vapor is mixed with the liquid being pressurized.
  • the liquid is heated (heated) to the heat sterilization temperature by supplying steam set to a temperature at which heat sterilization should be performed or higher.
  • the liquid supplied with the vapor is dynamically mixed (stirred) by the rotor 44, and is sent to the outlet 42 side through the pressure-increasing channel 45 while being pressurized, and the stirring and pressure-increasing are completed. At the same time, it is discharged to the outside (in the direction of arrow c in FIGS. 1 and 2) through the discharge port 42.
  • the sterilization temperature control unit TICA-1 measures the temperature of the liquid at the outlet side of the steam mixing pump 4 with a temperature sensor, and based on this measurement value, the measurement point is the same.
  • the amount of steam supplied to the steam mixing pump 4 is adjusted so that the liquid temperature falls within the required temperature range. Specifically, the flow rate of the steam is adjusted by controlling the opening and closing of the control valve disposed upstream of the steam supply port 46 by the sterilization temperature control unit TICA-1.
  • the liquid heated to a predetermined temperature (heat sterilization temperature) by supplying steam is held for a certain period of time by a hold pipe 5 located downstream of the steam mixing pump 4, so that the substantial fluid Perform sterilization.
  • a hold pipe 5 located downstream of the steam mixing pump 4, so that the substantial fluid Perform sterilization.
  • the liquid located at the discharge port 42 of the steam mixing pump 4 and the downstream side thereof (including the inside of the hold pipe 5) is maintained at a constant pressure by the main back pressure valve 7 disposed downstream of the hold pipe 5. Is done.
  • the liquid sterilized by the hold pipe 5 is cooled to a predetermined temperature or lower (for example, less than 100 ° C) by the main cooler 6, thereby completing the heat sterilization process.
  • the liquid pressure increasing channel 45 is provided in the steam mixing pump 4 as the fluid transfer means, and the steam supply port 46 is opened in the pressure increasing channel 45, so that the steam is increased in the pressure increasing channel 45.
  • Vapor mixing was carried out using the supply region 47 formed. Therefore, the action of the rotor 44 allows the steam to be supplied to the liquid under pressure transfer while stirring, and the steam is evenly mixed with the fluid, thereby enabling stable heat treatment with little bias.
  • by mixing steam with the liquid under pressure transfer for example, it is possible to use low-pressure steam as compared with the case where steam is mixed downstream from the pump as in the prior art, and the generation of cavitation during heating is suppressed. Can be controlled. Therefore, it is possible to avoid a situation where the liquid is heated to a temperature higher than the required sterilization temperature, and to suppress the thermal damage to the liquid to a small extent. It becomes possible.
  • the pressure increase amount (pressure increase gradient) of the liquid in the pressure increase flow path 45 is set to the rotation speed of the rotor 44.
  • the vapor supply pressure and the fluid pressure in the pump 4 can be quantitatively managed.
  • the pump rotation speed (so that the liquid pressure in the vapor supply region 47 is slightly lower than the vapor pressure) It is also possible to adjust the rotational speed of the rotor 44). In this way, the pressure balance can be adjusted by the number of rotations of the pump 4, so that steam having a temperature suitable for the liquid can be easily introduced, thereby increasing the types of liquids that can be heat-sterilized. Is possible.
  • the main back pressure valve 7 is provided on the downstream side of the discharge port 42 of the steam mixing pump 4, the hold disposed on the downstream side of the steam mixing pump 4.
  • the fluid pressure can be maintained at a predetermined value. This ensures that the vapor mixture is kept at a high pressure so that the vapor once dissolved in the liquid does not cause cavitation. More stable heat sterilization.
  • the rotational speed of the pump 4 substantially controls the pressure of the liquid on the inlet side of the pump 4.
  • the supply amount of steam is adjusted by the sterilization temperature control unit TICA-1, and the pressure on the pump outlet side is measured by a pressure sensor or the like, although illustration is omitted.
  • the opening / closing amount (flow rate) of the main back pressure valve 7 based on the value, more suitable heat sterilization control becomes possible. That is, by using the rotation speed of the steam mixing pump 4, the liquid temperature on the pump outlet side, and the pressure of the liquid on the pump outlet side as control parameters, more precise and stable heat sterilization can be performed. Therefore, it is possible to precisely and easily adjust the sterilization temperature required for each food even in the heat sterilization treatment of liquid food that requires fine adjustment.
  • the liquid is diluted and cannot be reheated.
  • this heating device heat sterilization control means
  • highly accurate and stable heat sterilization treatment is possible. Therefore, it is a very effective means for heat sterilization treatment of liquid food.
  • a so-called cascade pump vortex pump
  • This type of pump can exhibit a very high pressure-increasing action compared to other pumps. Therefore, as in this type of heat sterilization treatment, it is very suitable for an application that requires a high pressurization action simultaneously with heating for the purpose of smoothly introducing steam as low pressure as possible into the liquid and preventing cavitation.
  • the present invention is not limited to this embodiment, and is also applicable to a steam contact heating device having a configuration other than the above. Is possible.
  • the part relating to the features of the present invention steam mixing pump 4 as a fluid transfer means
  • the steam supply port 46 for supplying steam to the boosting channel 45 in the steam mixing pump 4 is closer to the inlet 41 than the intermediate position of the boosting channel 45!
  • the force opening position exemplified in the case where the casing 43 is provided so as to open can be arbitrarily set. For example, as shown by the broken line in FIG. It is also possible to provide the steam supply port 46 in the casing 43 so that it is fed. This is because depending on the type of pump used as the steam mixing pump 4, the boosting characteristics differ depending on the shape of the boosting channel 45 and the shape of the rotor 44. This is because the control may be easier if the position of the steam supply port 46 is set as a variable parameter.
  • the control unit for measuring and controlling the temperature and flow rate of various fluids is provided to control the heat sterilization process. That is, the force S illustrating the case where the heat sterilization temperature and the pressure balance in the steam mixing pump 4 are controlled using the liquid temperature at the pump outlet side, the pump rotation speed, and the flow rate of steam as control parameters, and other parameters of course. It is also possible to perform control using as a control parameter.
  • the pressure sensor feeds back the pressure value at each point (for example, the liquid pressure value measured at the pump inlet side or the vapor pressure value measured upstream from the vapor supply port 46) to open and close various control valves.
  • the present invention is not limited to this. Taking advantage of its excellent heating temperature control performance and its stability, it can be suitably used for various liquid heating applications such as a liquid continuous heating device and a hot water production device.
  • Example [0043] In order to verify the usefulness of the present invention, the fluid contact heat sterilization treatment was performed using the steam contact heating device according to the present invention, and the treatment performance at that time was evaluated.
  • the main back pressure valve 7 sets the liquid pressure P2 [MPa] on the pump outlet side (downstream of the discharge port 42 of the steam mixing pump 4) to a predetermined value.
  • the pump rotation speed n [Hz] was adjusted to set the liquid pressure Pl [MPa] at the pump inlet side to a predetermined value.
  • the previously described control unit sterilization temperature control unit TICA-1
  • TICA-1 sterilization temperature control unit
  • FIG. 3 shows the experimental results.
  • T1 is the temperature of the liquid at the pump inlet [° C]
  • P3 is the steam introduction pressure [MPa] (the left side of the frame shows the original pressure of the introduced steam, and the right side shows the steam pressure at the casing inlet)
  • P4 is the liquid pressure [MPa] at the pump intermediate position (eg, liquid pressure at the position shown by the broken line in FIG. 2)
  • Q 1 is the liquid flow rate [L / H] at the pump inlet side.
  • the supplied steam pressure steam introduction pressure P3
  • the pump outlet side pressure P2 It is small compared to it.
  • the vapor pressure that can be supplied is equal to or lower than the saturated vapor pressure corresponding to the set temperature, but by controlling the pump inlet side pressure P1 and the outlet side pressure P2, as shown in FIG. (Low temperature) steam can be supplied!
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a steam contact heating device according to the present invention.
  • FIG. 2 is an axial cross-sectional view of a steam mixing pump.
  • FIG. 3 is a result of a liquid heating test using the heating device according to the present invention.

Description

明 細 書
蒸気接触式加熱装置
技術分野
[0001] 本発明は、流体の加熱装置、特に蒸気を流体に直接接触させることで流体を加熱 する蒸気接触式加熱装置に関する。
背景技術
[0002] この種の加熱装置は、例えば液体連続加熱装置、液体連続式殺菌装置、熱水製 造装置など、種々の液体加熱用途に利用されている。
[0003] 例えば、液状食品の殺菌方法には、金属壁等を隔てて間接的に加熱する間接加 熱方式と、蒸気により液体を直接加熱する直蒸気加熱方式がある力 このうち、コーヒ 一フレッシュや豆乳などの焦げ付き易い液体、あるいは青汁など変色し易い液体な どの殺菌方法として、短い加熱時間で済み、力、つ液体への熱影響が小さく品質の低 下防止が可能な直蒸気加熱方式が好ましく用いられる傾向にある。
[0004] 例えば日本国特許公開公報 2004— 201533号（特許文献 1)には、殺菌されるべ き液体に直接蒸気を吹き込むことにより当該液体を殺菌温度にまで加熱するインジェ クシヨンヒーターを備えた蒸気吹込み式直接加熱殺菌装置が開示されている。
[0005] また、 日本国特許公開公報 2000— 300976号（特許文献 2)には、流体連続加熱 装置として、被加熱流体を送る定量ポンプと、定量ポンプから送られてきた被加熱流 体にスチームを直接混合して加熱する静止型混合器とで構成されたものが開示され ている。
[0006] また、特許文献 2には、蒸気 (スチーム)を被加熱流体に直接吹き込んで混合する 静止型混合器として、例えば日本国実用新案公報平 7— 37703号 (特許文献 3)に 開示の分散混合器を使用可能な旨が記載されている。ここで、特許文献 3に開示の 分散混合器は、内部に、ねじり板等の攪拌エレメントを固定した主流体 (被加熱流体 )通過用導管と、この導管内に接続するノズルを設け、このノズルを介して導管内に 注入流体 (蒸気）を注入するヘッダと、ヘッダに注入流体を圧送する圧送手段とを主 に備えるものである。 特許文献 1：日本国特許公開公報 2004— 201533号
特許文献 2 :日本国特許公開公報 2000— 300976号
特許文献 3 :日本国実用新案公報平 7— 37703号
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] このように、液体への蒸気の混合方法としては、特許文献 2や特許文献 3に開示の 如ぐ静的な混合方法が採用されている力 加熱あるいは殺菌しょうとする液体によ つては、蒸気の混合効率が不十分となる場合がある。そのため、蒸気と液体とが均一 に混ざり合わず、加熱や殺菌にばらつきが生じる恐れがある。
[0008] また、上述の混合器に供給される被加熱流体は定量ポンプにより送られてきたもの であるから、その流体圧は高ぐまた上述の如き攪拌エレメントを通過させるためには 相応の液体圧が必要となる。従い、ポンプ下流側に配設される混合器内で被加熱流 体に蒸気を混合するためには、ポンプの吐出圧力を上回る蒸気圧が必要となり、結 果として高い蒸気供給圧力が要求される。これでは、要求される殺菌温度を超えて 必要以上に加熱することになり、被加熱流体への熱ダメージ、ひいては流体の品質 低下を招く恐れがあり好ましくなレ、。
[0009] 以上の事情に鑑み、本発明では、蒸気の混合効率を高めると共に、比較的低圧の 蒸気を供給することで質の高い加熱処理を実現可能とする蒸気接触式加熱装置を 提供することを技術的課題とする。
課題を解決するための手段
[0010] 前記課題を解決するため、本発明は、回転子の作用により昇圧を伴って流体を移 送する流体移送手段と、流体に蒸気を供給する蒸気供給領域とを備えた蒸気接触 式加熱装置であって、流体移送手段に流体の流入口と排出口と力 S設けられると共に 、流入口と排出口との間に昇圧流路が形成され、かつ昇圧流路に蒸気の供給口を 開口することで、昇圧流路中に蒸気供給領域が配設された蒸気接触式加熱装置を 提供する。
[0011] 上述の構成によれば、回転子の作用で流体が移送されるのと同時に、蒸気供給口 を介して昇圧流路中に設けられた蒸気供給領域に蒸気が吹き込まれ、流体移送手 段内部で流体と蒸気との混合および混合流体の昇圧とが同時に行われる。通常、流 体移送手段の内部に配設される回転子は昇圧流路を形成し、あるいは当該流路に 面するものであるから、力、かる回転子を回転させることで流体と、流体に供給された蒸 気とが攪拌混合される。これにより、流体と蒸気との動的な混合が可能となり、蒸気を 流体に均一に混合することができるようになる。
[0012] また、流体移送手段内の昇圧流路にあって、昇圧を伴って流入口から排出口へと 移送されている最中の流体に蒸気を混合することにより、従来のように、流体の昇圧 後に蒸気を供給する場合と比べて低圧の蒸気を供給することができる。そのため、供 給すべき蒸気が比較的低温で済み、必要以上に加熱することで加熱処理すべき流 体に熱ダメージを与えたり、品質の劣化を招くことがない。また、低圧蒸気であれば、 圧力変動も小さく安定した加熱処理が可能となる。さらに、蒸気供給領域を昇圧流路 中に配設することで、蒸気供給後も昇圧することができるので、蒸気の供給に伴う液 体の昇温により生じる恐れのあるキヤビテーシヨンを極力避けることができる。これによ り、蒸気を流体に均一に溶け込ますことができ、ばらつきの少ない安定した加熱処理 が可能となる。
[0013] 蒸気供給領域を内部に設けた流体移送手段としては、回転子を備え、その回転作 用により昇圧と動的混合とを同時に可能とするものであればよい。具体的には、渦巻 き式や渦流式などに代表される非容積式のポンプ、あるいはロータリー式ゃスクリュ 一式などの回転容積式のポンプを挙げることができる。この場合、ポンプの昇圧作用 は、通常ポンプ内部に配設され、自身の回転エネルギを圧力エネルギへと変換して 流体に付与するロータ（回転子）によりもたらされるものである力、ら、例えばその昇圧 量はロータの回転数でもって調整することができる。これによりポンプ内部における蒸 気供給圧と流体圧との定量的な管理が可能となり、自動化も容易に実現できる。また 、ポンプの回転数で圧力バランスが調整可能となるため、容易に流体に合わせた温 度の蒸気を導入することができ、これにより種々の流体に対しても本発明に係る加熱 装置を適用することが可能となる。
[0014] ここで、本発明に係る加熱装置を用いて流体を加熱殺菌する場合、蒸気供給用の 流体移送手段の下流側に配されたホールドパイプにより加熱された流体を一定時間 保持することで、実質的に有効且つ十分な殺菌を行う場合が多い。そのため、実際 には流体移送手段のさらに下流側においても流体圧を高く保つ必要がある。かかる 観点から、本発明では、流体移送手段に設けられた排出口およびその下流側にお ける流体の圧力が、蒸気の供給口における蒸気の圧力より高く維持されるようにした 。具体的には、流体移送手段の排出口よりも下流側に背圧弁を設けるようにした。
[0015] このように構成すれば、流体移送手段の排出口における流体圧（出口圧力）を所定 の値に保持すること力できる。これにより、一旦流体に溶け込んだ蒸気がキヤビテー シヨンを起こさないよう、蒸気混合流体を高圧に維持して、より安定した加熱殺菌を行 うこと力 Sできる。また、上述の如くポンプの排出口側圧力を設定できるのであれば、ポ ンプの回転数と合わせて設定することで、蒸気供給領域における圧力バランスをより 高精度に管理することができる。これにより、圧力バランスの調整パラメータが可視化 でき、精密且つ安定した運転が可能となる。特に、微妙な調整が必要となる液状食品 の加熱殺菌処理においては、食品ごとに必要となる殺菌温度が異なる場合もあるが 、この場合であっても、殺菌温度に応じた飽和蒸気圧に基づき、供給可能な蒸気圧（ 温度）が定まるので、力、かる蒸気を供給できるよう、ポンプ背圧および回転数を設定 すればよい。これにより、加熱処理すべき流体に合わせて適切な蒸気を供給すること ができ、例えば種々の加熱殺菌処理にも容易に対応することができる。
発明の効果
[0016] このように、本発明によれば、本発明では、蒸気の混合効率を高めると共に、比較 的低圧の蒸気を供給することで質の高い加熱処理を実現可能とする蒸気接触式カロ 熱装置を提供することが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、本発明に係る蒸気接触式加熱装置の一実施形態を図面に基づいて説明す
[0018] 図 1に示す蒸気接触式加熱装置は、例えば流体の加熱殺菌に用いられるもので、 加熱処理の対象となる流体を貯蔵、排出する液体タンク 1と、液体タンク 1内の流体を 後述する熱交換器 3および蒸気混合用ポンプ 4に移送するための移送用ポンプ 2と、 移送用ポンプ 2により送られてきた流体を、混合すべき蒸気の温度に近づける目的で 予備加熱する熱交換器 3と、熱交換器 3で予備加熱された流体に蒸気を混合して、 流体を殺菌温度にまで加熱する蒸気混合用ポンプ 4と、蒸気混合により加熱された 流体を一定時間保持して流体の殺菌作用を促進するホールドパイプ 5と、ホールドパ イブ 5で殺菌処理がなされた流体を所定以下の温度にまで冷却する主冷却器 6と、 主冷却器 6の下流側に配設され、蒸気混合用ポンプ 4の背圧を一定に保持する主背 圧弁 7とを主たる構成要素として備える。
[0019] なお、図 1中、符号 8は、蒸気接触式加熱装置内の流体系（流路）の洗浄あるいは 減菌処理に使用される水を貯蔵、排出する水タンクを、符号 9は、運転条件に合わせ て、液体タンク 1からのラインと水タンク 9からのラインとを切換える第一切換弁をそれ ぞれ示している。
[0020] また、同図中、符号 10は、系減菌処理時あるいは殺菌処理不良発生時に、処理済 の液体等を不具合なく回収ライン (排水ライン)へと流すために当該液体の冷却を行 う排水用冷却器を、符号 11は、排水用冷却器 10の下流側に設けられ、排水ラインの 背圧を一定に保持する排水用背圧弁を、さらに符号 12は、蒸気混合用ポンプ 4の出 口側（後述する排出口 42の下流側）における液体温度、あるいはホールドパイプ 5の 出口側における液体温度が設定すべき殺菌温度範囲を逸脱した場合、処理済液体 を回収ライン (排水ライン)へと送るための第二切換弁をそれぞれ示して!/、る。
[0021] また、同図中、符号 13、 14、 15はそれぞれ、予備加熱用の熱交換器 3に使用する 熱水を所定量確保するための熱水タンク、熱水タンク 13と熱交換器 3との間で熱水を 循環させるための循環用ポンプ、循環用ポンプ 14から送られた熱水を所定温度にま で昇温するヒーターを示して!/、る。
[0022] また、この実施形態では、各種流体の温度や流量を計測、制御するための制御部 が設けられている。例えば図 1中、符号 TICA— 1は、蒸気混合用ポンプ 4の出口側 における液体の温度を温度センサにより計測し、この計測値に基づき、同計測箇所 における液体温度が所要の温度範囲内に収まるよう蒸気混合用ポンプ 4への蒸気の 供給量を調節する殺菌温度制御部を示している。同様に、符号 TICA— 2は、主冷 却器 6の出口側における液体の温度を計測し、この計測値に基づき、同計測箇所に おける液体温度が所要の温度範囲内に収まるよう主冷却器 6への冷却水供給量を 調節する冷却温度制御部を、符号 TICA— 3は、熱交換器 3の出口側における液体 の温度を計測し、この計測値に基づき、同計測箇所における液体温度が所要の温度 範囲内に収まるよう熱交換器 3に使用する熱水の温度（例えばヒーター 15による加熱 量)を調節する予熱温度制御部をそれぞれ示して!/、る。
[0023] また、図 1中、符号 TIA—1は、第二切換弁 12のライン切換に使用されるもので、ホ 一ルドパイプ 5の出口側における液体の温度を計測し、この計測値 (温度）力 所要 の殺菌温度範囲内に収まって!/、な!/、場合には、当該情報を第二切換弁 12に伝達、 あるいは切換信号を伝達する殺菌温度監視部を示している。また、符号 FICA— 1は 、移送用ポンプ 2の出口側における液体の流量を計測し、この計測値に基づき、同 計測箇所における液体の流量が所定の範囲内に収まるよう移送用ポンプ 2の回転数 (ここではインバータの周波数)を調節する流量制御部を示して!/、る。
[0024] 次に、蒸気混合用ポンプ 4の構成について説明する。
[0025] 図 2は、蒸気供給領域を内部に設けた流体移送手段としての蒸気混合用ポンプ 4 の軸直交断面図を示す。同図に示すように、蒸気混合用ポンプ 4は、液体の流入口 41およびお ^出口 42とを有するケーシング 43と、ケーシング 43の内部に収容され、図 示しないモータの駆動軸に回転可能に連結された回転子 44と、ケーシング 43の内 壁 43aと回転子 44との間に形成される、液体の昇圧流路 45と、ケーシング 43に設け られ、昇圧流路 45に開口する蒸気供給口 46とを備えている。力、かる構成により、回 転子 44の回転時かつ蒸気の導入時には、昇圧流路 45における蒸気供給口 46の開 口部分に、ポンプ 4内部に導入した液体に蒸気を供給するための蒸気供給領域 47 が形成される。
[0026] この実施形態では、蒸気混合用ポンプ 4は、主にカスケードポンプで構成されて!/ヽ る。流入口 41と排出口 42との間には、隔壁部 48が形成され、流体流路となる昇圧流 路 45力 円板状の回転子 44の外周に沿って、流入口 41と排出口 42とをつなぐよう に一部環状に形成される。これにより、流入口 41から流入した液体は、回転子 44の 約一周分流れて（昇圧流路 45を通って)排出口 42から外部へ排出されるようになつ ている。回転子 44は、この図示例ではいわゆる羽根車であり、その外周に沿って複 数の羽根溝 44aを有している。また、蒸気供給口 46は、この実施形態では、一部環 状をなす昇圧流路 45の中間位置より流入口 41に近!/、側に開設されて!/、る。
[0027] 次に、上記構成の加熱装置を用いた場合の処理液の加熱殺菌工程の一例を説明 する。
[0028] まず、図 1に示すように、液体タンク 1から排出された液体を、移送用ポンプ 2により 、移送用ポンプ 2下流側に位置する熱交換器 3に送り、後述する加熱処理時の温度 に近づけるための予備加熱処理 (例えば 50°C以上 100°C未満）を施す。このようにし て予備加熱処理が施された液体を、下流側に位置する蒸気混合用ポンプ 4 (流体移 送手段)へと移送する。
[0029] 蒸気混合用ポンプ 4に送られた液体は、図 2に示すように、矢印 aの方向から流入 口 41を介して昇圧流路 45内に導入される。この際、図示しないモータを駆動させる ことで当該モータの駆動軸に連結された回転子 44が回転し、この実施形態では、流 入口 41から昇圧流路 45に沿って排出口 42へと向力、う方向に回転し、昇圧流路 45 内に導入された液体が昇圧を伴って排出口 42の側へと移送される。また、これと同 時に、ケーシング 43に設けられた蒸気供給口 46より蒸気を矢印 bの方向から昇圧流 路 45内に導入することで、蒸気供給口 46の開口部分に形成される蒸気供給領域 47 において、昇圧移送中の液体に蒸気が混合される。ここで、加熱殺菌を行うべき温度 あるいはそれ以上に設定された蒸気を供給することで、当該液体が加熱殺菌温度に まで昇温 (加熱）される。
[0030] 蒸気を供給した液体は回転子 44により動的に混合 (攪拌)され、かつ昇圧されなが ら昇圧流路 45中を排出口 42の側に向けて送られ、攪拌および昇圧の終了と共に排 出口 42を介して外部（図 1、図 2でいえば矢印 cの方向）に排出される。また、この実 施形態では、殺菌温度制御部 TICA— 1により、蒸気混合用ポンプ 4の出口側にお ける液体の温度を温度センサにより計測し、この計測値に基づき、同計測箇所にお ける液体温度が所要の温度範囲内に収まるよう蒸気混合用ポンプ 4への蒸気の供給 量が調節される。具体的には、蒸気供給口 46の上流側に配設したコントロール弁の 開閉を、殺菌温度制御部 TICA— 1により制御することで蒸気の流量調整を行う。
[0031] 蒸気の供給により所定の温度 (加熱殺菌温度）まで加熱された液体を、蒸気混合用 ポンプ 4の下流側に位置するホールドパイプ 5で一定時間保持し、流体の実質的な 殺菌処理を行う。この際、蒸気混合用ポンプ 4の排出口 42およびその下流側（ホー ルドパイプ 5内を含む）に位置する液体は、ホールドパイプ 5の下流側に配設される 主背圧弁 7により一定圧に保持される。
[0032] その後、ホールドパイプ 5で殺菌処理がなされた液体を主冷却器 6にて所定以下の 温度（例えば 100°C未満）にまで冷却することで、加熱殺菌工程が完了する。
[0033] このように、流体移送手段としての蒸気混合用ポンプ 4内に液体の昇圧流路 45を 設け、この昇圧流路 45に蒸気供給口 46を開口させて、昇圧流路 45中に蒸気供給 領域 47を形成したものを用いて、蒸気の混合を行うようにした。そのため、回転子 44 の作用で昇圧移送中の液体に蒸気を攪拌しながら供給することができ、蒸気を流体 に均一に混合して、偏りの少ない安定した加熱処理が可能となる。また、昇圧移送中 の液体に蒸気を混合することで、例えば従来のように、ポンプより下流側で蒸気を混 合する場合と比べて低圧の蒸気で済み、また加熱中のキヤビテーシヨンの発生を抑 制することができる。従って、要求される殺菌温度以上に液体を加熱する事態を避け て、液体への熱ダメージを小さく抑えることができ、これにより品質低下を極力防止し つつも、十分な加熱殺菌処理を施すことが可能となる。
[0034] また、この実施形態のように、流体移送手段としてポンプ (蒸気混合用ポンプ 4)を 適用することで、昇圧流路 45における液体の昇圧量 (昇圧勾配）を回転子 44の回転 数で調整できるようになる。これにより、ポンプ 4内部における蒸気供給圧と流体圧と の定量的な管理が可能となる。例えば所望の殺菌温度に応じて供給すべき蒸気圧（ ≤当該殺菌温度における飽和蒸気圧）が定まるので、蒸気供給領域 47における液 体の圧力が当該蒸気圧より若干低くなるよう、ポンプ回転数（回転子 44の回転数)を 調整することも可能である。このようにして、ポンプ 4の回転数で圧力バランスが調整 可能となるため、容易に液体に合わせた温度の蒸気を導入することができ、これによ り加熱殺菌可能な液体の種類を増やすことが可能となる。
[0035] また、この実施形態では、蒸気混合用ポンプ 4の排出口 42よりも下流側に主背圧 弁 7を設けるようにしたので、蒸気混合用ポンプ 4の下流側に配設されるホールドパイ プ 5において流体圧を所定の値に保持することができる。これにより、一旦液体に溶 け込んだ蒸気がキヤビテーシヨンを起こさないよう、蒸気混合液を高圧に維持して、よ り安定した加熱殺菌を行うことができる。この場合、ポンプ 4の出口側における液体圧 力が主背圧弁 7により制御されるので、ポンプ 4の回転数は、実質的にポンプ 4の入 口側における液体の圧力を制御することになる。
[0036] また、以上を踏まえた上で、殺菌温度制御部 TICA— 1により蒸気の供給量を調整 すると共に、図示は省略するが、ポンプ出口側の圧力を圧力センサ等で測定し、 かる圧力値に基づき主背圧弁 7の開閉量 (流量)を制御することで、より好適な加熱 殺菌制御が可能となる。すなわち、蒸気混合用ポンプ 4の回転数、ポンプ出口側の 液体温度、およびポンプ出口側の液体の圧力を制御パラメータとすることで、より精 密かつ安定した加熱殺菌処理が可能となる。従って、微妙な調整が必要となる液状 食品の加熱殺菌処理においても、食品ごとに必要となる殺菌温度を精密かつ容易に 調整すること力 S可能となる。特に、蒸気接触式の加熱方法だと、液体が希釈されるた め、再加熱ができないが、この加熱装置 (加熱殺菌制御手段）であれば、高精度かつ 安定した加熱殺菌処理が可能であるので、液状食品の加熱殺菌処理に対して非常 に有効な手段となる。
[0037] また、この実施形態では、蒸気混合用ポンプ 4として、いわゆるカスケードポンプ (渦 流ポンプ)を使用した。この種のポンプは、他のポンプと比べて非常に高い昇圧作用 を発揮し得るものである。そのため、この種の加熱殺菌処理のように、極力低圧の蒸 気を液体にスムーズに導入し、かつキヤビテーシヨンを防ぐ目的で加熱と同時に高い 昇圧作用が要求される用途に非常に好適である。
[0038] 以上、本発明に係る蒸気接触式加熱装置の一実施形態を説明したが、本発明は、 この実施形態に限定されることなぐ上記以外の構成をなす蒸気接触式加熱装置に も適用可能である。また、本発明の特徴に係る箇所 (流体移送手段としての蒸気混合 用ポンプ 4)についても、当然ながら、上述の形態に限定されることなぐ発明の範囲 内で種々の変更が可能である。
[0039] 上記実施形態では、蒸気混合用ポンプ 4内の昇圧流路 45に蒸気を供給するため の蒸気供給口 46を、昇圧流路 45の中間位置より流入口 41に近!/、側に開口するよう 、ケーシング 43に設けた場合を例示した力 開口位置は任意に設定可能である。例 えば図 2中破線で示すように、昇圧流路 45の中間位置より排出口 42に近い側に開 口するよう、蒸気供給口 46をケーシング 43に設けることも可能である。これは、蒸気 混合用ポンプ 4として使用するポンプの種類によっては、昇圧流路 45の形状や回転 子 44の形状などによりその昇圧特性が異なるため、加熱殺菌温度やその処理流体 の種類に応じて、蒸気供給口 46の配設位置を可変パラメータとしたほうが制御が容 易となる場合があるためである。
[0040] また、上記実施形態では、蒸気混合用ポンプ 4として、渦流ポンプを適用した場合 を説明したが、これに限らず、種々のポンプが使用可能である。例えば、非容積式で あれば、渦巻式のポンプなどが使用可能であり、また、回転容積式であれば、ロータ リー式やスクリュー式のポンプなどが使用可能である。回転子 44の形状も問わない。 もちろん、回転子 44を備え、その回転作用により昇圧と動的混合とを同時に可能とす るものである限り、ポンプに限らず種々の流体移送手段が使用可能である。
[0041] また、上記実施形態では、各種流体の温度や流量を計測、制御するための制御部 を設けて加熱殺菌処理の制御を行う場合を説明した。すなわち、ポンプ出口側の液 体温度や、ポンプ回転数、蒸気の流量を制御パラメータとして加熱殺菌温度および 蒸気混合用ポンプ 4内の圧力バランスを制御した場合を例示した力 S、もちろん他のパ ラメータを制御パラメータとして制御を行うことも可能である。例えば圧力センサにより 、各ポイントの圧力値 (例えばポンプ入口側で計測した液体の圧力値や、蒸気供給 口 46より上流側で計測した蒸気の圧力値）をフィードバックして、各種コントロール弁 の開閉を行い、これにより上述の殺菌温度やポンプ内の圧力バランス、あるいは蒸気 の供給量などを制御することも可能である。もちろん、ポンプ回転数を固定パラメータ とした状態で殺菌処理を制御することも可能である。例えばポンプ回転数を固定し、 かつ主背圧弁 7を自己調圧可能とした上で、殺菌温度制御部 TICA— 1により蒸気 の供給量を調整することによつても殺菌処理の制御が可能である。
[0042] また、上記実施形態では、蒸気接触式加熱装置を、液体の加熱殺菌処理に適用し た場合を説明したが、もちろんこれに限ることない。その優れた加熱温度制御性能や その安定性を活力、して、例えば液体連続加熱装置、熱水製造装置など、種々の液体 加熱用途に好適に利用することが可能である。
実施例 [0043] 本発明の有用性を立証するため、本発明に係る蒸気接触式加熱装置を用いて流 体の加熱殺菌処理を行!/、、その際の処理性能を評価した。
[0044] 具体的には、図 1に係る構成において、主背圧弁 7によりポンプ出口側 (蒸気混合 用ポンプ 4の排出口 42の下流側）における液体の圧力 P2 [MPa]を所定値に設定す ると共に、ポンプ回転数 n [Hz]を調整して、ポンプ入口側における液体の圧力 Pl [ MPa]を所定値に設定するようにした。また、蒸気混合後の液体が設定すべき加熱 殺菌温度 TO [°C]となるよう、ポンプ出口側の温度 T2 [°C]に基づき既述の制御部（ 殺菌温度制御部 TICA— 1)により蒸気供給量を制御するようにした。
[0045] 図 3に実験結果を示す。ここで、 T1はポンプ入口側における液体の温度 [°C]、 P3 は蒸気導入圧 [MPa] (枠中左側は導入蒸気の元圧、右側はケーシング入口におけ る蒸気圧をそれぞれ示す）、 P4はポンプ中間位置における液体の圧力 [MPa] (例え ば図 2でレ、えば図中破線で示す位置における液体圧）、 Q 1はポンプ入口側におけ る液体の流量 [L/H]をそれぞれ示す。この結果から、何れの設定温度においても、 非常に誤差の少ない高精度な温度制御が可能であり、かっこの場合に、供給される 蒸気圧 (蒸気導入圧 P3)が、ポンプ出口側圧力 P2に比べて小さくて済んでいる。す なわち、供給可能な蒸気圧は、上記設定温度に応じた飽和蒸気圧以下となるが、図 3のように、ポンプ入口側圧力 P1と出口側圧力 P2とを制御することで、低圧（低温） の蒸気が供給可能となって!/、ること力 Sわ力、る。
図面の簡単な説明
[0046] [図 1]本発明に係る蒸気接触式加熱装置の一構成例を示す概略図である。
[図 2]蒸気混合用ポンプの軸直交断面図である。
[図 3]本発明に係る加熱装置を使用した液体加熱試験の結果である。

Claims

請求の範囲
[1] 回転子の作用により昇圧を伴って流体を移送する流体移送手段と、前記流体に蒸 気を供給する蒸気供給領域とを備えた蒸気接触式加熱装置であって、
前記流体移送手段に前記流体の流入口と排出口とを設けると共に、該流入口と該 出口との間に前記流体の昇圧流路を形成し、かつ
前記昇圧流路に前記蒸気の供給口を開口することで、前記昇圧流路中に前記蒸 気供給領域を配設してなる蒸気接触式加熱装置。
[2] 前記流体移送手段が非容積式のポンプである請求項 1に記載の蒸気接触式加熱 装置。
[3] 前記ポンプが渦巻式である請求項 2に記載の蒸気接触式加熱装置。
[4] 前記ポンプが渦流式である請求項 2に記載の蒸気接触式加熱装置。
[5] 前記流体移送手段が回転容積式のポンプである請求項 1に記載の蒸気接触式加 熱装置。
[6] 前記排出口およびその下流側における前記流体の圧力が、前記蒸気の供給口に おける前記蒸気の圧力より高く維持されるようにした請求項 1に記載の蒸気接触式加 熱装置。
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