JP5311248B2 - 乾燥装置 - Google Patents
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Description
この発明は、品質変化の少ない食品用乾燥装置に関する。
品質変化の少ない乾燥は真空乾燥装置または凍結乾燥装置または冬季の寒風を利用して行われる自然乾燥などで行う。真空乾燥装置や凍結乾燥装置の品質を決定する乾燥温度は蒸発物質（通常は水）の真空度と沸点の関係で求められる温度とされる。乾燥物の蒸発のエネルギーは試料を積載するトレーからの伝熱エネルギーおよび容器壁面からの輻射熱に依存する。
しかしながら、上記のような従来の方法では乾燥物への熱供給速度が少なく、また熱供給速度を多くするためにトレーの温度を高くすることは品質に大きな影響が発生する原因となっていた。
本発明は、上記のような問題に鑑み、高品質の乾燥物を短時間でかつ低コストで製造することができる方法を提供することを課題とする。
本発明は、高品質の乾燥が短時間で低コストで製造することができ、かつ真空冷却が低コストでできる。
課題で乾燥温度を３０℃としたが、これは一応の目標値であり、試料によって品質変化の温度は異なるため特に固定するものでない。
本発明は、圧力が０．１〜０．５atm以下の空気の対流で乾燥する棚式以外に、流動層乾燥（図４）、噴霧乾燥（図５）、振動乾燥、板表面に乾燥物を付着させて乾燥する方式、真空冷却などに応用できる。
上記課題を解決するために、大気圧下で送風翼を回転したときに必要とする動力の１／２〜１／２０の動力で構成する送風機４を送風翼の大きさをそのままにして、設置することにより、常圧時の風量と同等である送風翼を有する送風機４を設置し、乾燥装置１の室内気体を循環するための案内板１１および１２が並行 に配置された２つの板で構成されたことを特徴とする乾燥装置と成したものである。
以下、本発明について説明するが、真空空気の対流乾燥を基本技術としたものであり、室内気体を循還するための案内板１１および１２が並行に配置された２つの板で構成された乾燥装置１の詳細ついて説明する。
まず、送風機の大きさについて考案する。真空気体中でもその圧力に相当するいくらかの気体が存在する。その気体を質量的に移動する方法を考案する。送風機の気体の輸送量は翼の大きさと回転数による。例えば常圧で１００kwの輸送能力を持つ送風機は１／１００の真空下では１kwの能力と考える。送風機の形式は輸送量と輸送抵抗により決まる。抵抗はプロペラ、シロッコ、ターボ、ルーツ、ピストン等必要圧力によって選択する。乾燥時のエネルギー輸送量は質量である。送風機の実際に必要な動力は羽根面の滑りなどによる効率によって大きく異なる。当特許は乾燥目的に適切な真空度や乾燥品温や装置構造等に適した方式によって乾燥方式を選定し、装置構成機器を選定し、動力を選定する。動力の変動幅はインバーターで制御する範囲を大きく越える。特許請求の講で示すように、常圧下での運転時の必要動力の１／２、望ましくは１／５から１／２０の、常圧下で運転に必要な動力より大幅に少ない動力で構成する送風機とした。
ついで、真空下の空気の飽和水分量を考える。非特許文献１（化学工学便覧、昭和４３年５月１０日全訂改版第３版発行、編者．社団法人化学工学協会、ｐ３４）の図１．２８に示される「高圧空気の飽和温度」の線図を低圧条件に外挿して得た２０℃の値は、０．１、０．２、０．３kg/cm2のそれぞれの水分は０．２、０．０９、０．０６kg/kgである。１気圧の２０℃の空気の水分が０．０１５kg/kgであることと比較すると、真空空気１kgの水分輸送量は、圧力が０．１、０．２、０．３kg/cm2それぞれについて、１／１３，１／６，１／４で可能である。この現象を乾燥空気の輸送現象に利用する効果は非常に大きな意味を持つ。
化学工学便覧、昭和４３年５月１０日全訂改版第３版発行、編者．社団法人化学工学協会
化学工学便覧、昭和４３年５月１０日全訂改版第３版発行、編者．社団法人化学工学協会
０．２kg/cm2の圧力は水封式真空ポンプで容易に可能な真空度の範囲である。
次に、乾燥物が対流気体の雰囲気にある乾燥温度を考える。乾燥物の周囲温度は乾燥物へのエネルギー輸送速度に影響するが、乾燥物の品質に直接影響を与える温度ではない。乾燥物の品質は水分が蒸発している部位の温度である。これらの常圧下の乾燥現象での一般理論が真空下の希薄な空気の対流乾燥現象にも適用できることを実験的に確認した。
当発明の方法では対流気体の露点温度が乾燥温度を示す。当特許の方法での露点は、熱交換器の冷却熱媒の温度であり、外気を使用したクーリングタワーで冷却する場合は冷却水の温度、冷凍機で作る温度ではその温度が露点温度となる。
当発明の方法では対流気体の露点温度が乾燥温度を示す。当特許の方法での露点は、熱交換器の冷却熱媒の温度であり、外気を使用したクーリングタワーで冷却する場合は冷却水の温度、冷凍機で作る温度ではその温度が露点温度となる。
１．真空下の空気の質量輸送を考えた送風機を選択し、
２．真空下の空気を圧力、温度、水分を考慮し、
３．真空下の乾燥物の品質は水分のある位置の温度が大きく影響することを考慮し、
４．真空装置を構成する乾燥室、真空ポンプ、熱供給、熱排出、空気流れなど幾多の設備コスト、運転コストを考慮し、
５．上記の１〜４の事項を総合的に考えて、最良の乾燥装置を考案した結果、図１に示す乾燥装置１の室内圧力を０．５atm以下、望ましくは０．３atm以下に維持し、大気圧下で回転したときに必要とする動力の１／２，望ましくは１／５〜１／１０の動力で構成する送風機４を設置し、乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に熱源を供給する熱源発生器６と、乾燥装置１の室内気体を循環する案内板１１および１２と、乾燥装置１の室内気体の水分を液体または氷にする熱交換器７と、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する冷却装置８と、乾燥装置１の室内圧力を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成する乾燥装置を基本構成とした。本特許の基本理念は多くの乾燥方式に適用できる。その一例として棚式置き式、流動式、噴霧式を示した。
２．真空下の空気を圧力、温度、水分を考慮し、
３．真空下の乾燥物の品質は水分のある位置の温度が大きく影響することを考慮し、
４．真空装置を構成する乾燥室、真空ポンプ、熱供給、熱排出、空気流れなど幾多の設備コスト、運転コストを考慮し、
５．上記の１〜４の事項を総合的に考えて、最良の乾燥装置を考案した結果、図１に示す乾燥装置１の室内圧力を０．５atm以下、望ましくは０．３atm以下に維持し、大気圧下で回転したときに必要とする動力の１／２，望ましくは１／５〜１／１０の動力で構成する送風機４を設置し、乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に熱源を供給する熱源発生器６と、乾燥装置１の室内気体を循環する案内板１１および１２と、乾燥装置１の室内気体の水分を液体または氷にする熱交換器７と、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する冷却装置８と、乾燥装置１の室内圧力を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成する乾燥装置を基本構成とした。本特許の基本理念は多くの乾燥方式に適用できる。その一例として棚式置き式、流動式、噴霧式を示した。
循環気体の湿度は循環気体の一部を凝縮水回収用熱交換器に導入しすることによって可能とした。
真空乾燥下の乾燥においても、乾燥物の周囲温度と露点温度との温度差は試料に供給される熱流速度に影響することを確認した。
図１に示す設備を用いて乾燥した。図１の構成を説明する。乾燥室１は真空を保持できる容器であり、その室内には送風機翼２と送風機翼２を回転する動力３とでなる送風機４と、乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に蒸気を供給するボイラー６と、乾燥で発生した水蒸気を液体の水に凝縮する熱交換器７と、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する装置８と、真空気体を室外に導出するダクト９と、真空ポンプ１０と、乾燥試料１３を積載するトレー１４と、乾燥装置１の室内気体を循環する案内板１１および１２とで構成する。
図１の構成内容について補足説明をする。
トレー１４は試料が積載保持できる金網や多孔板でよく、試料にトレーから乾燥エネルギーを与えるためのボイラーからの蒸気を導管で導く熱板にするとか、ヒーターで加熱するなどの必要はない。
トレー１４は試料が積載保持できる金網や多孔板でよく、試料にトレーから乾燥エネルギーを与えるためのボイラーからの蒸気を導管で導く熱板にするとか、ヒーターで加熱するなどの必要はない。
送風機４で発生する気体流れ１７は、熱交換機５を通って気体流れ１８となり、試料１３を経て気体流れ１９となり、気体流れ１９の一部は案内板１１、１２でできるダクトを通る気体流れ１５となり、気体流れ１９の一部は熱交換器７を通る気体流れ１６となり、気体流れ１５、１６は合流して気体流れ１７となり、送風機４に至る気体循環を構成する。
図１，２，３の乾燥装置の気体流れ方向は上記説明の逆の方向で行っても同様の効果が期待できる。
図１，２，３の乾燥装置の気体流れ方向は上記説明の逆の方向で行っても同様の効果が期待できる。
図１で説明する。乾燥装置１の室内圧力を０．１atm〜０．５atmに、望ましくは０．２atm〜０．３atmに維持し、大気圧下で送風翼を回転したときに必要とする動力の１／２，望ましくは１／５〜１／２０の動力で構成する送風機４を設置し、乾燥試料１３を積載するトレー１４と、乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に熱源を供給する熱源発生器６と、乾燥装置１の室内気体を循環する案内板１１および１２と、乾燥装置１の室内気体の水分を液体または氷にする熱交換器７と、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する冷却装置８と、乾燥装置１の室内圧力を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成する乾燥装置。
図２で説明する。乾燥装置１の室内圧力を０．１atm〜０．５atmに、望ましくは０．２atm〜０．３atmに維持し、大気圧下で送風翼を回転したときに必要とする動力の１／２，望ましくは１／５〜１／２０の動力で構成する送風機４を設置し、乾燥試料１３を積載するトレー１４と、乾燥装置１の室内気体を循環する案内板１１および１２と、乾燥装置１の室内気体の水分を液体または氷にする熱交換器７と、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する冷却装置８と、乾燥装置１の室内圧力を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成する乾燥装置。
図３で説明する。乾燥装置１の室内圧力を０．１atm〜０．５atmに、望ましくは０．２atm〜０．３atmに維持し、大気圧下で送風翼を回転したときに必要とする動力の１／２，望ましくは１／５〜１／２０の動力で構成する送風機４を設置し、乾燥試料容器２５に堆積する乾燥試料１３を攪拌する攪拌機２９を乾燥室１内に設置し、攪拌機２９を駆動する動力３０と、乾燥試料を供給する装置２０と、乾燥物１３を排出する排出装置２２と、乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に熱源を供給する熱源発生器６と、乾燥装置１の室内気体を循環する案内板１１および１２と、乾燥装置１の室内気体の水分を液体または氷にする熱交換器７と、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する冷却装置８と、乾燥室を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成する乾燥試料１３の乾燥装置。
図４で説明する。乾燥装置１の室内圧力を０．１atm〜０．５atmに、望ましくは０．２atm〜０．３atmに維持し、大気圧下で送風翼を回転したときに必要とする動力の１／２，望ましくは１／５〜１／２０の動力で構成する送風機４を設置し、乾燥試料１３を多孔板２３上で浮遊させ、乾燥試料供給装置２０と、乾燥物が流出する板２１と、乾燥物排出装置２２と、乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に熱源を供給する熱源発生器６と、乾燥装置１の室内気体を循環する案内板１１および１２と、乾燥装置１の室内気体の水分を液体または氷にする熱交換器７と、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する冷却装置８と、乾燥室を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成する乾燥装置。
図５で説明する。乾燥装置１の室内圧力を０．２atm〜０．５atmに、望ましくは０．２atm〜０．３atmに維持し、大気圧下で送風翼を回転したときに必要とする動力の１／２，望ましくは１／５〜１／２０の動力で構成する送風機４を乾燥室１内に設置し、乾燥乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に熱源を供給する熱源発生器６と、乾燥室１にある噴霧乾燥室２４と、噴霧乾燥室へ接続するダクト１８と、乾燥試料を噴霧する噴霧装置２７と、乾燥した乾燥粉を捕集する濾過布２６と、乾燥粉貯留部２５と、排出バルブ２８と、濾過布２６を通過した風を返風するダクト１９と、返風がそのまま送風機４に流動する風１５と、熱交換器７を経る風１６と、風１６を冷却する熱交換器７と、熱交換機７の冷却装置８と、乾燥装置１の室内圧力を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成する乾燥装置。
図６で説明する。乾燥装置１の室内圧力を０．２atm〜０．５atmに、望ましくは０．２atm〜０．３atmに維持し、大気圧下で送風翼を回転したときに必要とする動力の１／２，望ましくは１／５〜１／２０の動力で構成する送風機４を乾燥室１内に設置し、乾燥乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に熱源を供給する熱源発生器６と、乾燥室１にある噴霧乾燥室２４と、噴霧乾燥室へ接続するダクト１８と、乾燥試料を噴霧する噴霧装置２７と、乾燥した乾燥粉を捕集する濾過布２６と、乾燥粉貯留部２５と、排出バルブ２８と、濾過布２６を通過した風が返風するダクト１９と、そのまま循環する風１５と、熱交換器７を経る風１６と、熱交換器７の冷却装置８と、乾燥装置１の室内圧力を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成する乾燥装置。
従来、真空乾燥の乾燥温度は水の沸点で論じられてきたが、当発明の乾燥温度は室内循環気体の露点温度によって決まるため、乾燥物周辺の温度が例えば６０℃であっても３０℃の乾燥が可能である。
ここで上記文章では真空と表現したが、一般にこの程度の圧力では減圧と表現することが多い。しかし、真空または減圧の語彙は同じことを表現しているため、本特許文は、常圧より低い圧力全てを真空で表現した。また、常圧を１atmとし、絶対真空を０atmとした。
乾燥試料への熱供給は循環気体から対流によって与えられるエネルギーによるため、当特許装置のいずれの乾燥においても、対流を停止すればエネルギーの供給が無くなり乾燥が進行しない。
試料への熱供給は一義的に循環気体のエンタルピー線上の温度と品温との温度差に支配される。
本発明による乾燥は凍結乾燥装置にも応用できる。凍結乾燥の乾燥温度は氷が蒸発する温度であるため氷の蒸発温度の０℃が露点温度であり、対流気体の乾燥法で凍結乾燥が可能である。
さらに、当発明装置は真空冷却に応用できる。真空冷却に応用する場合はボイラーからの熱補給は必要なく、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する装置８を通した循環気体の中に試料を設置するのみでよい。
本発明の装置による冷却は真空冷却法より装置コスト、運転コストに大きな経済効果が期待できる。
人参厚さ2cm、大根厚さ3cmを、真空度０．２atm、温度６０℃で乾燥試験を行った結果、乾燥温度は２５〜２８℃で維持できた。乾燥物は変色のない製品が得られた。
当乾燥温度経過は露点温度で乾燥することを示し、野菜組織中の水の状態が液体か固体かで温度が異なるものではない。
水封式真空ポンプで目的とする品質の変化の少ない野菜の乾燥が可能である。
乾燥対象試料として蒸発成分のある試料は全て可能である。
地域、時期によって異なるが、冷却装置１１はクーリングタワー方式で可能である。実施例は冬季実験のため、水温１５℃であった。
１．乾燥装置
２．送風翼
３．モーター
４．送風機
５．熱交換器
６．ボイラー
７．熱交換器
８．冷却機
９．導管
１０．真空ポンプ
１１．Ａ案内板
１２．Ｂ案内板
１３．乾燥試料
１４．試料置きトレー
１５．風
１６．風
１７．通過ダクト１５、１６を通過した空気の混合気体
１８．Ａ熱交換器５を通過した空気
１９．乾燥物１３を通過した空気
２０．乾燥試料供給装置
２１．分離網
２２．乾燥物排出装置
２３．多孔板
２４．噴霧乾燥室
２５．乾燥物滞留部
２６．濾過布
２７．噴霧装置
２８．乾燥物排出装置
２９．攪拌機
３０．攪拌動力装置
３１．欠番
３２．外気導入弁
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１９．乾燥物１３を通過した空気
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２５．乾燥物滞留部
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Claims (1)
- 乾燥試料１３を積載するトレー１４と、乾燥装置１の室内気体にエネルギーを与える熱交換器５と、熱交換器５に熱源を供給する熱源発生器６と、乾燥装置１の室内気体の水分を液体または氷にする熱交換器７と、熱交換器７で得たエネルギーを冷却する冷却装置８と、乾燥装置１の室内圧力を真空に維持する導管９と、真空ポンプ１０とで構成された乾燥装置において、乾燥装置１の室内圧力を０．１ａｔｍ〜０．５ａｔｍに、望ましくは０．２ａｔｍ〜０．３ａｔｍに維持し、該乾燥装置１内には、大気圧下で送風翼を回転したときに必要とする動力の１／２〜１／２０の動力で構成する送風機４を設置することにより、常圧時の風量と同等である送風翼を有する送風機４を設置するとともに、乾燥装置１の室内気体を循環するための案内板１１および１２が並行に配置された２つの板で構成されたことを特徴とする乾燥装置。
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