(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱壁を介して熱媒と粘度が１００ｃＰ以上の高粘性液体の間で熱交換を行う熱交換器と，該熱交換器に高粘性液体を供給する供給回路を備えた熱交換装置であって，
前記熱交換器に供給される高粘性液体に気体を混入させる給気手段と，高粘性液体と気体を混合させるミキサーを，前記供給回路において流れの順に配置したことを特徴とする，熱交換装置。
【請求項２】
前記給気手段は，先端が塞がれた中空管を前記供給回路中に配置し，該中空管の周面に微細な給気口を設けた構成であることを特徴とする，請求項１の熱交換装置。
【請求項３】
伝熱壁を介して熱媒と粘度が１００ｃＰ以上の高粘性液体の間で熱交換を行う熱交換方法であって，
前記熱交換を行う前に，前記高粘性液体中に気体を混入させた後，高粘性液体と気体を混合させることを特徴とする，熱交換方法。
【請求項４】
高粘性液体の流量に対して１０〜２０ｖｏｌ％の気体を混入させることを特徴とする，請求項３の熱交換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，熱媒と高粘性液体の間で熱交換を行う熱交換装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
食品工場などにおいて，例えばポタージュスープやコーンスープなどといった高粘性液体を加熱したり冷却するために熱交換器が使用されている。熱交換器としては，二重管型熱交換器，プレート熱交換器，掻き取り式熱交換器などが公知である。また高粘性液体を加熱するために，スチームインジェクション式加熱装置，通電加熱（オーミックヒーティング）装置，マイクロ波加熱装置などといった種々の加熱装置も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，加熱装置はいずれも冷却に利用することができず，またスチームインジェクションは迅速な昇温ができるが，高粘性液体を焦がしやすい。また通電加熱装置は自己発熱によって加熱することができ，加熱も迅速であるが，高電圧を使用するため大きな電源が必要であり，しかも加熱部が小さいため高粘性液体の流量を安定させる必要がある。またマイクロ波加熱装置は昇温速度が速くて，特に固形物入り食品の加熱に適しているが，エネルギーロスが大きく，ランニングコストが高い。
【０００４】
一方，熱交換器は高粘性液体を加熱するだけでなく冷却することも可能である。しかし，掻き取り式熱交換器は伝熱壁の内面を回転羽根（ブレード）で掻き取るので，高粘性液体の付着が妨げられ，伝熱効率の低下を防止できるが，食品などを加熱や冷却する場合は機械的な攪拌により食品の組織破壊が起こり，食感などの品質を劣化させてしまう。
【０００５】
このため，食品等の高粘性液体を加熱や冷却する場合は，食感などを維持するために攪拌を伴わない二重管型熱交換器などを用いることが好ましい。しかし二重管型熱交換器によって高粘性液体を加熱等した場合，伝熱壁の内面（パイプ内面）に沿って形成される境膜の厚さが大きくなり，伝熱効率が著しく低下してしまうことになる。
【０００６】
本発明は，二重管型熱交換器のように伝熱壁を介して熱媒と高粘性液体の間で熱交換を行う熱交換器において，伝熱効率の低下を防止することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，本発明にあっては，伝熱壁を介して熱媒と粘度が１００ｃＰ以上の高粘性液体の間で熱交換を行う熱交換器と，該熱交換器に高粘性液体を供給する供給回路を備えた熱交換装置であって，前記熱交換器に供給される高粘性液体に気体を混入させる給気手段と，高粘性液体と気体を混合させるミキサーを，前記供給回路において流れの順に配置したことを特徴としている。
【０００８】
高粘性液体とは，例えば粘度が１００ｃＰ程度の液体であり，例えばポタージュスープやコーンスープなどといった粘度が３００ｃＰ程度のスープ類などがあげられる。また，粘度が１００ｃＰ程度の食品や，食品以外の粘度が１００ｃＰ程度の他の液体などであっても良い。更に，液体中に固形物などを含んでいても良い。また高粘性液体に混入させる気体は，例えば空気であり，その他，例えば窒素ガスなどの不活性ガスなどであっても良い。また熱交換器とは，伝熱壁を介して熱媒と高粘性液体の間で熱交換を行う形式のものであり，例えば二重管型熱交換器，多管式熱交換器，プレート熱交換器，掻き取り式熱交換器などが例示される。
【０００９】
供給回路から熱交換器に高粘性液体を供給する。その際，高粘性液体中に向けて給気手段から気体を吐出することにより，熱交換を行う前に高粘性液体中に気体を混入させる。この場合，給気手段は，先端が塞がれた中空管を供給回路中に配置し，この中空管の周面に微細な給気口を設けた構成であっても良い。このように微細な給気口から気体を吐出することにより，供給回路内にて高粘性液体中に微細な泡状の気体を混入させることができるようになる。また，更に，前記高粘性液体と気体を混合させるミキサーを備えている。このミキサーによって高粘性液体と気体とを混合することにより，高粘性液体の全体に泡状の気体をより万遍なく混入させることができるようになる。
【００１０】
そして，このように高粘性液体中に泡状の気体を混入させることにより，伝熱壁の内面に沿って形成される境膜の厚さを薄くすることができ，高粘性液体と熱媒との総括伝熱係数の低下を防止できる。これにより，高粘性液体の加熱効率や冷却効率を向上させることが可能となる。
【００１１】
なお，高粘性液体の流量に対して１０〜２０ｖｏｌ％の気体を混入させることが好ましい。高粘性液体の流量に対する気体の混入量が１０ｖｏｌ％未満では，高粘性液体中に隈無く気体を混合させることが困難であり，高粘性液体中と熱媒との総括伝熱係数の低下を効果的に防止することができない。一方，高粘性溶液の流量に対する気体の混入量が２０ｖｏｌ％を越えると，高粘性液体中から気体が分離しやすくなり，やはり総括伝熱係数の低下を効果的に防止することができなくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を用いて説明する。図１は，本発明の実施の形態にかかる熱交換装置１の説明図である。図中のほぼ中央に配置された熱交換器１０には，図示の例では左側に供給回路１１が接続され，右側に排液回路１２が接続されており，供給回路１１，熱交換器１０，排液回路１２の順に，図中の右向きに高粘性液体が送液されるようになっている。また熱交換器１０には，熱媒の入口１３と出口１４が設けられ，これら入口１３と出口１４には，熱交換器１０に供給される熱媒の温度を測定するセンサ１５と，熱交換器１０から排出された熱媒の温度を測定するセンサ１６が設けられている。なお，熱媒には例えば温水や冷水などが使用される。
【００１３】
供給回路１１の始端部はバランスタンク２０に接続されており，更に供給回路１１には，送液ポンプ２１，流量計２２，圧力センサ２３及びスタティックミキサー２４が流れの順に従って配置されている。圧力センサ２３とスタティックミキサー２４の間において，供給回路１１に給気手段２５が装着されている。また熱交換器１０に接続された供給回路１１の終端部近傍には，温度センサ２６が装着されている。
【００１４】
図２は，供給回路１１に装着された給気手段２５の内部構造を示す拡大断面図である。供給回路１１に分岐するように形成されたケーシング３０の内部を貫通して中空管３１が挿入されている。中空管３１の先端（図示の例では下端）３１’は塞がれており，この先端３１’をケーシング３０に対向する供給回路１１の壁面近傍に位置させることにより，供給回路１１の内部を直角に横断するように中空管３１が配置されている。また中空管３１の周面には微細な開口径を有する給気口３２が複数箇所に配置されており，中空管３１の上端を通じて中空管３１内に供給された気体が，これら給気口３２を通じて供給回路１１の内部において高粘性液体に向かって吐出されるようになっている。なおこの実施の形態では，中空管３１内に空気が供給されている。
【００１５】
排液回路１２には，サイトグラス３５が設けられている。また熱交換器１０に接続された排液回路１２の始端部近傍には，温度センサ３６が装着されている。
【００１６】
さて，この熱交換装置１において，バランスタンク２０に充填された高粘性液体を送液ポンプ２１の稼働によって図１中の右向きに送液し，供給回路１１を通じて熱交換器１０に高粘性液体を供給する。このように熱交換器１０に送液される途中で，流量計２２により高粘性液体の流量が測定され，圧力センサ２３により高粘性液体の圧力が測定される。
【００１７】
そして，供給回路１１中を送液される高粘性液体に向けて給気手段２５から空気が吐出されることにより，熱交換器１０に供給される前において，高粘性液体中に空気が混入される。この場合，先に図２で説明したように，供給回路１１の内部に配置された中空管３１の周面から微細な給気口３２を通じて空気が吐出されることにより，供給回路１１内にて高粘性液体中に微細な泡状の空気が混入されるようになる。
【００１８】
こうして高粘性液体中に吐出した空気を混入させた後，更に，スタティックミキサー２４によって高粘性液体と空気を混合する。これにより，高粘性液体の全体に泡状の空気をより万遍なく混入させることができる。
【００１９】
そして，このように泡状の空気を混入させた高粘性液体を熱交換器１０に供給する。なお，熱交換器１０に供給される直前に，温度センサ２６によって高粘性液体の温度が測定される。
【００２０】
一方，熱交換器１０には入口１３と出口１４を通じて熱媒が流通されており，これにより，熱交換器１０において，伝熱壁（図示せず）を介して，高粘性液体と熱媒との間で熱交換が行われる。
【００２１】
こうして，熱交換器１０において熱交換が行われ，熱媒から熱を受け取った高粘性液体は，排液回路１２を通じて図１中の右向きに送液され，排出される。なお，熱交換器１０から排出された直後に，温度センサ３６によって高粘性液体の温度が測定される。また，排液回路１２中を送液される高粘性液体の状態は，サイトグラス３５において観察することが可能である。
【００２２】
この実施の形態の熱交換装置１にあっては，熱交換器１０に供給する前に高粘性液体中に空気を混入させたことにより，熱交換器１０内において高粘性液体と熱的に接触する伝熱壁（図示せず）の内面に沿って形成される境膜の厚さを薄くすることができ，高粘性液体と熱媒との総括伝熱係数の低下を防止できる。これにより，高粘性液体の加熱効率や冷却効率を向上させることが可能となる。
【００２３】
なお，高粘性液体中と熱媒との総括伝熱係数の低下を効果的に防止するために，給気手段２５によって高粘性液体中に混入させる空気量は，高粘性液体の流量に対して１０〜２０ｖｏｌ％の範囲とすることが好ましい。例えば，高粘性液体の流量が１５００リットル／ｈｒであれば，中空管３１周面の給気口３２からの空気の好ましい吐出量の範囲は１５０〜３００リットル／ｈｒ（０．００２５〜０．００５Ｎｍ３／ｍｉｎ）である。
【００２４】
ここで，高粘性液体中と熱媒との総括伝熱係数は，次式（１）及び（２）で求められる。
Ｕ  ＝  （Ｗ・Ｃ・（ｔ２−ｔ１））／（Ａ・ΔＴ）      …（１）
ΔＴ  ＝  （ΔＴ１−ΔＴ２）／ｌｎ（ΔＴ１／ΔＴ２）      …（２）
Ｕ：総括伝熱係数（Ｗ／ｍ２・Ｋ）
Ｗ：流量（Ｌ／ｓ）
Ｃ：比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
Ｋ：絶対温度
Ａ：伝熱面積（ｍ２）
ｔ１：高粘性液体の入口温度
ｔ２：高粘性液体の出口温度
ΔＴ１：（熱媒出口温度）−（高粘性液体入口温度）
ΔＴ２：（熱媒入口温度）−（高粘性液体出口温度）
【００２５】
なお，以上のようにして熱交換を終了し，熱交換装置１から排出された高粘性液体について空気を除去する必要がある場合は，熱交換装置１から排出された高粘性液体をサージタンクなどに溜め，脱気工程を行うことにより，高粘性液体中から空気を容易に除去することが可能である。
【００２６】
【実施例】
実施の形態で説明した熱交換装置において高粘性液体として粘度が３００ｃＰのカルボキシメチルセルロース（以下「ＣＭＣ」）を送液し，加熱及び冷却処理を行った。ＣＭＣの流量を０〜３，０００リットル／ｈｒに変化させ，熱交換器における総括伝熱係数を調べた。給気手段によって給気圧２〜３ｋｇ／ｃｍ２で高粘性液体中に空気を混入させ，ＣＭＣ中に空気が微細に混入するように調節した。なお，ＣＭＣを加熱する際の熱交換器へのＣＭＣの入口温度は４０℃，熱媒の入口温度は７０℃とした。その結果，図３のグラフを得た。なお，同様の手順で熱交換装置においてＣＭＣを冷却した場合の結果も図３に併せて示した。
【００２７】
加熱時に関しては，ＣＭＣの流量が１５００リットル／ｈｒ以上の範囲において総括伝熱係数の増加が見られた。これは，流量１５００リットル／ｈｒ以上の時のＣＭＣと空気の混合状態は良好であり，空気はＣＭＣ中に微細に分散していたが，流量１５００リットル／ｈｒ以下の範囲ではＣＭＣと空気は分離し，混合状態が不良であったためと考えられる。冷却時に関しても，ＣＭＣと空気の混合状態が良好であった流量１５００リットル／ｈｒ以上の範囲で総括伝熱係数の増加が見られた。
【００２８】
（比較例）
図４は，同様の熱交換装置において空気を供給せずに粘度３００ｃＰのＣＭＣを流量０〜３，０００リットル／ｈｒで送液した時の総括伝熱係数と流量の関係を示したグラフである。なおＣＭＣを加熱する際の熱交換器へのＣＭＣの入口温度は４０℃，熱媒の入口温度は７０℃とした。また同様の手順で熱交換装置においてＣＭＣを冷却した場合の結果も図４に併せて示した。加熱時と冷却時のいずれの場合も，１５００リットル／ｈｒ以上での総括伝熱係数は，先図３に示した空気を混入させた場合に比べて低かった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば，高粘性液体と熱媒との総括伝熱係数の低下を効果的に防止することができ，高粘性液体の加熱速度や冷却速度を早めることができる。このため処理能力が向上し，処理量も多くなる。また加熱部又は冷却部が短くできるため，コンパクトな装置の設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる熱交換装置の説明図である。
【図２】給気手段の内部構造を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の実施例についての総括伝熱係数と流量の関係を示したグラフである。
【図４】比較例についての総括伝熱係数と流量の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１    熱交換装置
１０  熱交換器
１１  供給回路
１２  排液回路
１３  熱媒の入口
１４  熱媒の出口
１５，１６  センサ
２０  バランスタンク
２１  送液ポンプ
２２  流量計
２３  圧力センサ
２４  スタティックミキサー
２５  給気手段
２６  温度センサ
３０  ケーシング
３１  中空管
３２  給気口
３５  サイトグラス
３６  温度センサ
【図１】
0003688932.tif 000002
【図２】
0003688932.tif 000003
【図３】
0003688932.tif 000004
【図４】
0003688932.tif 000005