JP7223663B2 - 粒状凍結装置及び方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 ＵＢＭジャパン株式会社により平成３０年１２月１日に出版された月刊誌「食品と開発」第５３巻、第１２号

本発明は、粒状凍結装置及び方法に関し、詳しくは、低温液化ガスを用いて液状の原料を粒状に凍結させる装置及び方法に関する。

食品関連の産業分野では、液体窒素に代表される低温液化ガスを用いて液状の原料を凍結する方法又は装置として、低温液化ガスを流した樋状の流路に原料を滴下ノズルで連続的に滴下して冷却し、粒状凍結物を生成するものが知られている。とりわけ、滴下された原料の液滴同士が付着することを防止できるものとして、樋状の流路に傾斜を設けて低温液化ガスの流速を上げるとともに、流路の幅を末端に向けて徐々に狭くして低温液化ガスの深度を確保し、さらに、並列された複数の滴下ノズルの間に対応するように複数の仕切りプレートを流路に設けた粒状凍結装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

他にも、傾斜した流路を上下に分割配置して、低温液化ガスを流路の上段から下段に折り返すように流すことで流路を長くして、原料の凍結時間を長くする構成が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第６３２７７２１号公報 特開平７－８２４０号公報

ところで、低温液化ガスを流した流路に原料を滴下して粒状凍結物を得る装置では、滴下した原料を芯部まで凍結させられるように、流路を十分に長くして凍結時間を稼ぐ必要がある。そのため、流路を直線状に形成すると、必要な流路が長くなりすぎて装置の長大化を招くという問題があった。

これに対し、特許文献１に記載された装置では、滴下した原料の表面が凍結する程度の長さの流路を採用し、流路を通過して表面が凍結した原料を流路の終端部で一旦カゴに溜めてから、再度カゴごと低温液化ガスに浸漬して芯部まで凍結させるようにしている。

しかしながら、このように表面だけが凍結した原料を一カ所に溜めておく工程があることで、これらの原料がくっつき合って塊状になるおそれがあった。また、カゴに原料を溜めている間、粒状凍結物の生産に空白期間が生じるので、粒状凍結物を連続的に生産することができなかった。

また、特許文献２のような構成では、流路の上段から下段に落下する箇所で低温液化ガスの流れが攪乱されるので、表面のみ凍結した原料同士がその箇所で次々に衝突し合って塊状になり、しかも、その塊が肥大していき流路を塞ぐという問題が生じていた。

そこで本発明は、低温液化ガスに滴下した原料が凍結中に塊状になることを防ぎつつ、原料の粒状凍結物を安定的かつ連続的に生産可能な粒状凍結装置及び方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の粒状凍結装置は、低温液化ガスを流す樋状の流路を備え、前記流路に低温液化ガスを送り出す低温液化ガス送出部と、前記流路に原料を連続的に滴下する原料滴下部と、原料の凍結物を低温液化ガスから分離する固液分離部とを備えた粒状凍結装置において、前記流路は、上流に、流路幅が狭い幅狭区間を備え、前記幅狭区間と前記幅広区間の深さは同じであり、前記原料滴下部は、前記幅狭区間上の上流部に原料を滴下するように配置され、前記低温液化ガス送出部は、低温液化ガスを貯留する貯留槽と、該貯留槽から低温液化ガスを汲み上げて前記流路に送り出す揚液ポンプとを備え、前記流路は、前記揚液ポンプから低温液化ガスを受ける始端部と、Ｕ字状に折り返す折り返し部と、前記固液分離部に低温液化ガスを流す終端部とを備え、前記固液分離部により凍結物が分離された低温液化ガスが前記貯留槽に戻されるように構成され、前記終端部は前記貯留槽の直上に位置するように配置されていることを特徴としている。

さらに、前記流路は、前記折り返し部より上流側が直線状に形成されていること、水平に配設されていることも特徴としており、前記流路全体の寸法は、深さ５～１００ｍｍ、
長さ１，０００～１０，０００ｍｍ、幅５０ｍｍ以上であり、前記幅狭区間と前記幅広区間との流路幅の比が１．１～２．０倍であることも特徴としている。また、前記貯留槽及び前記揚液ポンプは外槽に覆われ、前記始端部及び前記終端部が、前記外槽に設けられた開口部に差し込まれるように配置されていることを特徴としている。

そして、本発明の粒状凍結装置によって原料を粒状に凍結させる粒状凍結方法は、前記流路の始端部から低温液化ガスを送り出す低温液化ガス送出工程と、低温液化ガスを流した前記流路に原料を滴下する原料滴下工程と、前記流路に滴下された原料の表面を凍結させる表面凍結工程と、表面が凍結した原料を芯部まで凍結させる芯部凍結工程と、流路の終端部で原料の凍結物を低温液化ガスから分離する固液分離工程と、凍結物が分離された低温液化ガスを前記流路の始端部に送る低温液化ガス循環工程とを含むことを特徴としている。

本発明の粒状凍結装置によれば、低温液化ガスを流す流路に幅狭区間があることにより、その区間を流れる低温液化ガスの液面が上昇して液体の深さが増すので、滴下した原料を流路の底面に付着させることがなく、滴下した原料の表面を凍結させることができる。また、幅狭区間より下流の幅広区間では流路の幅が広くなっていることから、原料を十分な間隔を保って流すことができるので、表面が凍結した原料が互いに衝突して塊状化することを防止し、滴下した原料を芯部まで凍結させた粒状凍結物を安定して得ることができる。

また、流路を、単なる直線状とせず、折り返し部を設けてＵ字状に形成することにより、サイズをコンパクトにできるので、十分な凍結距離を確保しながら装置の長大化を抑止できる。しかも、低温液化ガス送出部によって、流路に低温液化ガスを流すと共に、流路に流した低温液化ガスを貯留槽で回収し、揚液ポンプを駆動力として再び流路に流すことができるので、低温液化ガス供給源から低温液化ガスが供給される限り、流路に低温液化ガスを恒常的に流し続けることができる。

さらに、本発明の粒状凍結装置を用いた粒状凍結方法によれば、低温液化ガス送出工程と低温液化ガス循環工程とにより、流路には常に低温液化ガスが流れるように保たれ、原料滴下工程と、表面凍結工程と、芯部凍結工程と、固液分離工程と、凍結物回収工程とによる一連の作業工程により、流路に滴下した原料が流路の終端部で粒状凍結物となって、低温液化ガスから分離されて回収されるので、流路に原料を滴下し続けることで、粒状凍結物の生産を淀みなく連続的に行うことができる。

本発明の粒状凍結方法を実施可能な粒状凍結装置の一形態例を模式的に示す側面図である。 同じく平面図である。

図１乃至図２に示されるように、粒状凍結装置１１は、液体窒素に代表される低温液化ガスを流す樋状の流路１２を備えており、流路１２に低温液化ガスを送り出す低温液化ガス送出部１３と、流路１２に原料を連続的に滴下する原料滴下部１４と、原料滴下部１４により流路１２に滴下された原料の凍結物を低温液化ガスから分離する固液分離部１５と、固液分離部１５によって分離された凍結物を回収する凍結物回収部１６とを備えている。また、流路１２は、上蓋１７ａを備えた外気遮断槽１７の内部に納められている。

流路１２は、水平に配設されるとともに、低温液化ガスの流れの始めとなる始端部１２ａと、低温液化ガスの流れの終わりとなる終端部１２ｂと、始端部１２ａから終端部１２ｂにかけての中程でＵ字状に折り返す折り返し部１２ｃとを備え、始端部１２ａから折り返し部１２ｃまでの間、及び、折り返し部１２ｃから終端部１２ｂまでの間は、いずれも直線状に形成されている。

また、流路１２は、上流に、流路幅が狭い幅狭区間１２ｄを備え、幅狭区間１２ｄの下流に、幅狭区間１２ｄよりも流路幅が広い幅広区間１２ｅを備えている。ここで、幅狭区間１２ｄの長さは、低温液化ガスの流れの中で、滴下された原料の表面を凍結させることができる程度の長さになっている。また、幅広区間１２ｅの流路幅は、幅狭区間１２ｄの流路幅に対して１．１～２．０倍の範囲、好ましくは１．３～１．５倍の範囲に設定されている。

流路１２全体の寸法は、滴下する原料の凍結しやすさや、原料滴下部１４が一度に滴下する液滴の数に応じて変更可能であるが、深さは５～１００ｍｍの範囲内であり、長さは１，０００～１０，０００ｍｍの範囲内であり、幅は５０ｍｍ以上であることが望ましい。

また、滴下する原料の液滴の大きさによっては、凍結時間のみならず、液滴表面に対する芯部の凍結のしやすさも変わるので、流路１２の長さと共に、液滴表面を凍結させる幅狭区間１２ｄと芯部を凍結させる幅広区間１２ｅとの比率も変えることが望ましい。例えば、滴下する原料の液滴が小さい場合は、凍結時間が短くなり、表面が凍結すれば芯部もすぐに凍結するので、流路１２を短くし、幅広区間１２ｅを幅狭区間１２ｄよりも短くとることが望ましい。また、滴下する原料の液滴が大きい場合は、凍結時間が長くなり、表面が凍結しても芯部がすぐに凍結するわけではないので、流路１２を長くし、幅広区間１２ｅを幅狭区間１２ｄよりも長くとることが望ましい。

原料滴下部１４は、幅狭区間１２ｄの上流部に原料を滴下するように配置されており、複数の滴下ノズル（図示せず）を備え、流路１２に複数の液滴を同時に滴下できるように構成されている。

外気遮断槽１７は、壁面に空気が封入された空気相と、断熱材によって形成された断熱相とからなる断熱構造（図示せず）を有しているので、流路１２の温度変化を抑制して流路１２を流れる低温液化ガスの蒸発を抑えることができる。外気遮断槽１７の上蓋１７ａの、原料滴下部１４の直下位置には、流路１２への原料の滴下が阻害されないように滴下孔１７ｂが設けられている。

低温液化ガス送出部１３は、真空断熱された底面及び壁面を有し、上面が開口した、低温液化ガスを貯留する貯留槽１８と、貯留槽１８から低温液化ガスを汲み上げて流路１２に送り出す揚液ポンプ１９と、貯留槽１８に低温液化ガスを供給する、電磁弁２０ａ付きの低温液化ガス供給源２０と、貯留槽１８の液面の高さを検知する液面センサー２１と、液面センサー２１の検知情報に応じてこの電磁弁２０ａを開閉して貯留槽１８の液面の高さを一定に保つように制御する液面制御部２２とを備えている。

揚液ポンプ１９は、動力であるモーター１９ａの下部に、円筒形状のケース１９ｂが設けられたポンプであり、ケース１９ｂの内部に配置した縦型のスクリュー（図示せず）をモーター１９ａで回転させることで液体を汲み上げられるように構成されている。ケース１９ｂの下部には、低温液化ガスを流入させる流入口１９ｃが設けられ、貯留槽１８内に差し込まれるように配置されている。また、ケース１９ｂの上部には、スクリューによってケース１９ｂ内に汲み上げられた低温液化ガスをケース１９ｂ外に吐出する吐出口１９ｄが設けられている。したがって、揚液ポンプ１９は、貯留槽１８内の低温液化ガスを流入口１９ｃから汲み上げて、吐出口１９ｄから送り出すことができる。

貯留槽１８及び揚液ポンプ１９のケース１９ｂは、内部を保冷可能な筐体である外槽２３に覆われており、貯留槽１８及び揚液ポンプ１９内の低温液化ガスの温度を維持できるように構成されている。外槽２３の一側面の上部には開口部２３ａが設けられており、下部には排出口２３ｂが設けられている。開口部２３ａは、外気遮断槽１７と接続されており、外気遮断槽１７内から外槽２３内に、流路１２の始端部１２ａ及び終端部１２ｂが、開口部２３ａを通じて差し込まれるように配設されている。また、排出口２３ｂの外には、上面が開口した筐体である凍結物回収部１６が隣接するように配置されている。

開口部２３ａにおいて、流路１２の始端部１２ａは、揚液ポンプ１９の吐出口１９ｄの直下に位置するように配置されており、流路１２の終端部１２ｂは、貯留槽１８の直上に位置するように配置され、終端部１２ｂの先には、メッシュ板１５ａからなる固液分離部１５が取り付けられている。固液分離部１５のメッシュ板１５ａは、上部が流路１２の進行方向を遮るように垂設されるとともに、下部が傾斜して貯留槽１８を避けるように排出口２３ｂの先まで延び、外槽２３の外に突き出て、凍結物回収部１６の上方に至るように配設されている。

固液分離部１５がメッシュ板１５ａであることから、流路１２の終端部１２ｂに流れてきた低温液化ガスは、メッシュ板１５ａを通過して下方に位置する貯留槽１８に流下する一方で、低温液化ガスと共に流れてきた原料の粒状凍結物は、メッシュ板１５ａの垂直部分で受け止められて低温液化ガスから分離され、傾斜部分を転がって排出口２３ｂに誘導され、その先にある凍結物回収部１６に回収される。

したがって、揚液ポンプ１９の吐出口１９ｄから低温液化ガスが吐出されると、吐出された低温液化ガスは、流路１２の始端部１２ａへと送り出されて流路１２内を流れ、終端部１２ｂに達すると、終端部１２ｂから固液分離部１５のメッシュ板１５ａを通過して貯留槽１８に戻される。貯留槽１８に戻された低温液化ガスは、揚液ポンプ１９によって再び流路１２に送り出される。

また、液面制御部２２は、液面センサー２１によって貯留槽１８の液面の高さが設定された下限値よりも低下したことを検知すると低温液化ガス供給源２０の電磁弁２０ａを開くように指令を出し、液面の高さが設定された上限値に戻ったことを検知すると電磁弁２０ａを閉じるように指令を出すように設定されている。したがって、貯留槽１８内の低温液化ガスは、液面制御部２２によって所定量になるように保たれている。

以下、上述の粒状凍結装置１１を用いた粒状凍結方法について説明する。まず、低温液化ガス送出部１３において、液面制御部２２が低温液化ガス供給源２０から貯留槽１８に、所定の液面高さになるまで低温液化ガスを供給した状態で、揚液ポンプ１９を駆動させ、貯留槽１８から低温液化ガスを汲み上げて流路１２の始端部１２ａに送り出し、低温液化ガスを流路１２全体に流す（低温液化ガス送出工程）。

流路１２に十分な量の低温液化ガスが流されたら、原料滴下部１４から原料を滴下する（原料滴下工程）。滴下された原料は、最初に幅狭区間１２ｄで低温液化ガスの流れに浸されることで液滴表面が凍結され、粒状になって下流に流される（表面凍結工程）。表面が凍結した原料は、幅狭区間１２ｄを過ぎると幅広区間１２ｅに進入し、流路１２の幅方向に広がりながら流され、芯部まで凍結される（芯部凍結工程）。芯部まで凍結した原料は、流路１２の終端部１２ｂに到達すると、固液分離部１５のメッシュ板１５ａによって低温液化ガスから分離され（固液分離工程）、それとともに、メッシュ板１５ａに誘導されて凍結物回収部１６に送られ、粒状凍結物として回収される（凍結物回収工程）。一方、凍結物が分離された低温液化ガスは、貯留槽１８に戻され、揚液ポンプ１９によって再び流路１２の始端部１２ａに送られる（低温液化ガス循環工程）。

本発明の粒状凍結装置１１では、流路１２に幅狭区間１２ｄが設けられていることにより、その区間を流れる低温液化ガスの液面が流路幅の狭さの分だけ上昇して液体の深さが増すので、原料滴下部１４から滴下された原料の液滴を流路１２の底面に付着させることなく表面を凍結させて粒状化させ、低温液化ガスの流れに乗せることができる。

また、幅狭区間１２ｄ下流の流路幅が狭いままであると、幅狭区間１２ｄで表面のみ凍結した原料の粒同士が密集し、衝突し合って塊状化するおそれがあるが、幅狭区間１２ｄの下流に、流路幅が広がった幅広区間１２ｅが設けられていることにより、表面のみ凍結した原料の粒を十分な間隔を保って流すことができる。

すなわち、本発明の粒状凍結装置１１では、流路１２に幅狭区間１２ｄが設けられ、幅狭区間１２ｄの下流が幅広区間１２ｅになっていることにより、幅狭区間１２ｄで表面が凍結した原料を、低温液化ガス中に流しつつ、その流れの中で互いに衝突し合って塊状化することを防止することができるので、滴下した原料を粒状のまま芯部まで凍結させることができ、原料の粒状凍結物を安定して得ることができる。

また、流路１２が略水平で高低差がほとんどないことから、貯留槽１８から低温液化ガスを汲み上げる高さを低く抑えることができ、揚液ポンプ１９に必要な動力を、流路１２に高低差がある場合よりも削減することができる。

しかも、流路１２を、単なる直線状とせず、折り返し部１２ｃを設けてＵ字状に形成することにより、サイズをコンパクトにできるので、十分な凍結距離を確保しながら装置の長大化を抑止できる。

また、低温液化ガス送出部１３によって、流路１２に低温液化ガスを流すと共に、流路１２に流した低温液化ガスを貯留槽１８で回収し、揚液ポンプ１９を駆動力として再び流路１２に流すことができるので、低温液化ガス供給源２０から低温液化ガスが供給される限り、流路１２に低温液化ガスを恒常的に流し続けることができる。

さらに、低温液化ガスを外槽２３に覆われた貯留槽１８と外気遮断槽１７に覆われた流路１２との間で循環させることで、低温液化ガスを蒸発しにくくすることができるので、低温液化ガスの損失を抑えて使用量を低減することが可能になる。

そして、本発明の粒状凍結方法によれば、低温液化ガス送出工程と低温液化ガス循環工程とにより、流路１２は常に低温液化ガスが流れるように保たれ、原料滴下工程と、表面凍結工程と、芯部凍結工程と、固液分離工程と、凍結物回収工程とによる一連の作業工程により、流路１２に滴下した原料が流路１２の終端部１２ｂで粒状凍結物となって、低温液化ガスから分離されて回収されるので、流路１２に原料を滴下し続けることで、粒状凍結物の生産を淀みなく連続的に行うことができる。

なお、本発明において、粒状凍結の対象となる原料は、主に食品分野のものを想定しているが、それ以外にも、材料分野や医薬品分野のものも、粒状凍結の対象として採用可能である。また、原料滴下部に加えて、固形物を投下可能な原料投下部を設けることにより、液状原料のみならず、カットフルーツなどの固形物の凍結にも応用可能である。

また、本発明は、以上の形態例に限定されることなく、発明の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、本形態例では、流路にはＵ字状の折り返し部が一カ所設けられているが、流路が略水平で、始端部と終端部とが近接するように形成されていれば、折り返し部が一カ所である必要はなく、Ｕ字状の折り返し部を奇数箇所設けて、複数回折り返す形状にしてもよい。

１１…粒状凍結装置、１２…流路、１２ａ…始端部、１２ｂ…終端部、１２ｃ…折り返し部、１２ｄ…幅狭区間、１２ｅ…幅広区間、１３…低温液化ガス送出部、１４…原料滴下部、１５…固液分離部、１５ａ…メッシュ板、１６凍結物回収部、１７…外気遮断槽、１７ａ…上蓋、１７ｂ…滴下孔、１８…貯留槽、１９…揚液ポンプ、１９ａ…モーター、１９ｂ…ケース、１９ｃ…流入口、１９ｄ…吐出口、２０…低温液化ガス供給源、２０ａ…電磁弁、２１…液面センサー、２２…液面制御部、２３…外槽、２３ａ…開口部、２３ｂ…排出口

Claims (6)

1. 低温液化ガスを流す樋状の流路を備え、前記流路に低温液化ガスを送り出す低温液化ガス送出部と、前記流路に原料を連続的に滴下する原料滴下部と、原料の凍結物を低温液化ガスから分離する固液分離部とを備えた粒状凍結装置において、
   前記流路は、上流に、流路幅が狭い幅狭区間を備え、該幅狭区間の下流に、該幅狭区間よりも流路幅が広い幅広区間を備え、前記幅狭区間と前記幅広区間の深さは同じであり、前記原料滴下部は、前記幅狭区間上の上流部に原料を滴下するように配置され、
   前記低温液化ガス送出部は、低温液化ガスを貯留する貯留槽と、該貯留槽から低温液化ガスを汲み上げて前記流路に送り出す揚液ポンプとを備え、
   前記流路は、前記揚液ポンプから低温液化ガスを受ける始端部と、Ｕ字状に折り返す折り返し部と、前記固液分離部に低温液化ガスを流す終端部とを備え、前記固液分離部により凍結物が分離された低温液化ガスが前記貯留槽に戻されるように構成され、
   前記終端部は前記貯留槽の直上に位置するように配置されていることを特徴とする粒状凍結装置。
2. 前記流路は、前記折り返し部より上流側が直線状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の粒状凍結装置。
3. 前記流路は、水平に配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の粒状凍結装置。
4. 前記流路全体の寸法は、深さ５～１００ｍｍ、長さ１，０００～１０，０００ｍｍ、幅５０ｍｍ以上であり、前記幅狭区間と前記幅広区間との流路幅の比が１．１～２．０倍であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の粒状凍結装置。
5. 前記貯留槽及び前記揚液ポンプは外槽に覆われ、
   前記始端部及び前記終端部が、前記外槽に設けられた開口部に差し込まれるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の粒状凍結装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載された粒状凍結装置によって原料を粒状に凍結させる粒状凍結方法であって、
   前記流路の始端部から低温液化ガスを送り出す低温液化ガス送出工程と、
   低温液化ガスを流した前記流路に原料を滴下する原料滴下工程と、
   前記流路に滴下された原料の表面を凍結させる表面凍結工程と、
   表面が凍結した原料を芯部まで凍結させる芯部凍結工程と、
   流路の終端部で原料の凍結物を低温液化ガスから分離する固液分離工程と、
   凍結物が分離された低温液化ガスを前記流路の始端部に送る低温液化ガス循環工程とを含むことを特徴とする粒状凍結方法。

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