(57)【要約】【課題】粉または粒状物質を処理対象とし、処理対象の温度、湿度、密度等の条件が変わっても、これを正確に短時間加熱処理する加熱制御装置を提供する。【解決手段】本発明は粉または粒状の物質（対象物）を加熱制御する押出し機において、押出し機の出口近辺の温度をセンスする手段と、押出し機の排出流量を制御する手段と、対象物が押出される過程で受ける温度、圧力、時間を目標値になるように押出し機モーターと排出流量制御機構を自動制御する手段とで加熱制御装置を構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉または粒状の物質（対象物）を加熱制御する押出し機において、押出し機の出口近辺の温度をセンスする手段と、押出し機の排出流量を制御する手段と、対象物が押出される過程で受ける温度、圧力、時間を目標値になるように押出し駆動モーターと排出流量制御機構を制御する手段とから構成されることを特徴とする加熱制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の加熱制御装置において、押出し駆動の制御にモーターの回転速度制御を用い、排出流量制御機構を流量制御弁とその位置制御モーターで構成しその制御を位置制御モーターの回転位置制御により実施することを特徴とする加熱制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の加熱制御装置において、押出し機の出口近辺の温度をセンスする温度センサと流量制御弁の圧力をセンスする力センサと押出し駆動モーターの回転速度をセンスする回転速度センサと流量制御弁の位置をセンスする位置センサからの情報を入力とし、押出し駆動モーターの回転速度制御および流量制御弁の位置制御モーターの回転位置制御情報を出力とするコントローラと、対象物が押出される過程で受ける温度、圧力および時間を目標値になるように制御するプログラムとを備えたことを特徴とする加熱制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の加熱制御装置において、対象物を供給するフィーダー用押出し機と加熱制御用押出し機とからなる２軸押出し機の構成とし、対象物の排出流量の変化に応じてフィーダー用押出し機の駆動モーター回転速度を制御することにより対象物が加熱制御用押出し機に過不足無く供給されるように構成した加熱制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の加熱制御装置において、対象物を注入するホッパーにブリッジを防止する機能を付加するにあたり、加熱制御装置の排出部とホッパーの間に排出物の熱を還流させる機構を設け、ホッパーに注入される対象物に熱噴流を照射することによりブリッジを防止し注入対象物を加熱するように構成した加熱制御装置。
【請求項６】
請求項１に記載の加熱制御装置において、押出し機のスクリューに薄膜ヒーターを装着して温度制御を可能ならしめ、対象物が押出される過程で受ける温度、圧力、時間を目標値になるように制御する手段に薄膜ヒーター制御を加えたことを特徴とする加熱制御装置。
【請求項７】
粉または粒状の物質（対象物）を加熱制御する押出し機において、押出し機のスクリューに薄膜ヒーターを装着して温度制御を可能にする手段と押出し機の出口近辺の温度をセンスする手段と対象物が押出される過程で受ける温度、圧力、時間を目標値になるように押出し駆動モーターと薄膜ヒーターを制御する手段とから構成されることを特徴とする加熱制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粉または粒状穀物を短時間加熱する加熱制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、米糠や大豆などの粉状または粒状の物質を、例えば、摂氏１５０度（以下１５０度Ｃと略す）で均一且つ正確に９秒間加熱するという短時間加熱の適切な制御装置がなかった。例えば，米糠の安定化処理については特許文献１に華氏８５度（摂氏３０度）で２０分加熱する例が示されている。電磁波や赤外線加熱法はこの目的に適合するがエネルギー効率が悪い。押出し機（ｅｘｔｒｕｄｅｒ）は対象物が押出される過程で摩擦とせん断による熱が発生するので加熱装置として適している。例えば、特許文献２の図１にその例が示されている。しかし、対象物の温度や湿度が変わっても、加熱温度と時間を正確に制御する適切な方法が無かった。
【特許文献１】特願平６−５１３２０１（１４頁  例１）
【特許文献２】米国特許Ｕ．Ｓ．４，７４１，２６４（図１）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
粉や粒状の穀物を加熱する場合、調理などで経験するように数分〜数十分といった長い時定数の熱処理にはいろいろな方法が適用可能であるが数秒間という短時間過熱の制御方法はあまり見当たらない。例えば、米糠の酸化腐敗の原因であるリパーゼの失活と米糠に含まれる栄養素の保存を両立させる米糠安定化処理過程においては温度と時間の厳密な条件設定と管理が必要になる。すなわち、リパーゼを失活させるにはフライパンなどで数分間１５０度Ｃに加熱すれば良いが、この熱処理過程で米糠に含まれるビタミンは分解して消失してしまう。リパーゼを失活させ且つビタミンを保存する熱処理条件は、例えば１５０度Ｃで９秒間加熱するというように短時間且つ正確な制御が必要になる。
【０００４】
押出し機（ｅｘｔｒｕｄｅｒ）は対象物が押出される過程で摩擦とせん断による熱が発生するので加熱装置として適している。押出し機の場合は、対象物に加る熱と時間は、押出し駆動速度、スクリュー形状、出口ノズルの締め具合などによって決まる。しかしながら、注入される対象物の温度、湿度（水分含有率）、密度などが変れば、対象物が押出される過程で受ける温度、圧力、時間は当然変化してしまう。本発明は、斯かる実情に鑑み、注入される処理対象の粉または粒状穀物の温度、湿度、密度などの条件が変化しても、対象物が処理過程で受ける温度、圧力、時間等の条件を目標値に正確に制御し、且つ、エネルギー効率の良い加熱制御装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は粉または粒状の物質（対象物）を加熱制御する押出し機において、押出し機の出口近辺の温度をセンスする手段と、押出し機の排出流量を制御する手段と、対象物が押出される過程で受ける温度、圧力、時間を目標値になるように制御するコントローラ手段とからなる加熱制御装置に関わるものである。
【０００６】
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。対象物を例えば米糠とした場合、注入される米糠の温度、湿度、密度は素材、梱包、気温、注入機構などによって変化するが、これを押出し機を通して加熱処理する過程においては、温度センサーによって加熱温度がモニターされ、目標値との相違から、スクリューの回転速度、押出し機の出口ノズル（流量制御弁）の締め具合などが調節され、処理温度、圧力、時間が目標値に制御される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１〜図２は発明を実施する形態の一例であって、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わす。図１は押出し機の機構全体を示し，図２は対象物の処理条件を目標値に制御するための制御ブロック図を示している。図１の押出し機は２軸式の例であるが、基本的な構成は従来のものと同様である。本図示例の特徴とするところは、図１および図２に符号７，９，１２，１４で示した各種センサを押出し機に装着し、これらのセンサ情報をコントローラ１３に入力し、コントローラ１３にて目標値制御のプログラムを動作させ、その出力を符号１，６，１０で示す各種モーター（それぞれ、モーターＡ、モーターＢ、モーターＣ）を通して押出し機を制御することにより処理条件を目標値に制御するように構成した点にある。
【０００８】
以下、対象物が米糠の場合について説明するが、本発明はこれに限定されることなく、米、麦、豆、とうもろこしおよびこれらの粉状体、ふすま，（糠）、胚などに適用できる。また、穀物以外でも粉または粒状に加工した野菜、果物、キノコ、植物、肉、魚介類にも適用できる。なお、米糠の加熱制御の目的はリパーゼを失活させ栄養素を保存するという米糠の安定化である．このような目的の押出し機はその用途にちなんでスタビライザと呼ばれることが多いので、図１はスタビライザ全体図、図２はスタビライザ制御ブロック図としてある。
【０００９】
次に、上記図示例の作動を説明する。図１はスタビライザ全体を示す機構図で、米糠はホッパー３を通して押出し機に注入される。押出し機の主要部は羽根の付いたスクリューとこれを駆動するモーターとで構成される。図１は２軸式の例であり、モーター１で駆動される主押出し機は加熱処理用で、モーター６で駆動される副押出し機は米糠を供給するフィーダーである。米糠はホッパー３およびフィーダー２を通して主押出し機１７に供給され、短時間加熱処理されたあと流量制御弁５で流量調節され外部に排出される。
【００１０】
米糠の加熱制御は主押出し機１７の出口近辺にて行われる。もし、流量制御弁５が完全に閉じていれば出口が閉鎖されるので、米糠は排出されずに押し戻されスクリューと羽根の間で摩擦とせん断を繰り返して加熱される。この時の加熱温度は主モーター１の動力、スクリュー形状、材質および米糠の物性値（ポアソン比、比熱、密度、鋼との摩擦係数）などによって決まる。流量制御弁５を開くと、米糠は外部に排出される。この時の加熱温度、圧力、時間などからなる処理条件はスクリューと羽根の構造は密閉時と変わらないので、主モーター１の回転速度、流量制御弁の閉め具合および出口近辺で加圧・加熱された状態での米糠の物性値で決まる。
【００１１】
図１で押出し機の出口近辺の米糠の温度を温度センサー１４でセンスし、これをコントローラ１３に入力する。また、排出された米糠の温度を温度センサー１２でセンスし、コントローラ１３に入力する。一方、流量調節弁の閉め具合は力センサ７と位置センサ９とでセンスし、それぞれコントローラ１３に入力する。ここで、位置センサにはスリップリング等を使用することができる。生成物の排出流量の調節は流量制御弁の位置をギア８を介して位置制御モーター１０にて制御して行う。図１において、主押出し機１７の出口近辺の加熱制御のうち、温度と圧力は主として位置制御モーター１０による流量制御弁で制御され、時間は主として主モーター１の回転数により制御される。
【００１２】
図１には排出される生成物の熱を有効利用してホッパー３における米糠のブリッジを防止する機構も示してある。ブリッジは対象物同士が繋がって橋をつくり、ホッパー内に空洞を生じせしめる現象で、粉や粒状の物質を注入する場合にはよく生じる物理現象である。ブリッジが発生すると対象物はブリッジに邪魔されて押出し機にうまく注入されない。図１において、熱流は排出部吸気口１１からパイプで配管され、ポンプＰを介してホッパー３に取り付けたブリッジ防止噴気ノズル４から対象となる注入物に向けて噴出・照射される。これにより、対象物に含まれる水分を蒸発させ米糠を乾燥させながらブリッジを防止とるという一石二鳥の効果が得られる。米糠の水分含有量は１０％以上で、押出し駆動エネルギーのかなりの割合がこの水分蒸発に使われるので、このフィードバック機構はエネルギー効率の向上に大きく貢献する。なお、吸気口付近にはフィルターや弁を取り付け、生成物がパイプを通して逆流しないように工夫する。また、吸気口の代わりにヒートパイプを用いて熱を還流させることもできる。
【００１３】
図２は図１のスタビライザを制御するためのブロック図である。図においてコントローラ１３の入力は押出し機（ｅｘｔｒｕｄｅｒ）の出口近辺の温度センサ１４、流量制御弁の力センサ７、排出部の温度センサ１２、主モーター１（モーターＡ）の回転速度センサ２１および流量制御弁位置制御用モーター（モーターＣ）の位置センサ９である。出口近辺の温度センサ１４はこの部分の温度勾配が急峻であり、制御特性上特に重要性が高いので出口方向に３つ並べて取り付けてある。一方、コントローラ１３の出力は主モーター１（モーターＡ）による押出し機（ｅｘｔｒｕｄｅｒ）回転数制御、位置制御用モーター１０（モーターＣ）による流量制御弁位置制御および副押出し駆動モーター６（モーターＢ）によるフィーダー供給量制御の３つである。ここで、モーターＢは加熱制御により生成物の排出流量が変化するのに対応させて米糠の供給量を制御するものである。
【００１４】
図１の機構と図２に示すコントローラから目標とする加熱制御を実現するための手順は次のようになる。まず、モーターの動力、スクリュー形状、米糠の物性値、（ポアソン比、比熱、密度、鋼との摩擦係数）、流量制御弁圧力とスクリューによる圧力の上昇、上昇温度、排出流量（排出速度）との関係を定式化する。この定式化により、機構設計に必要なパラメーの目安をつけることができる。なお、スクリュー内壁は対象物との摩擦と加圧が繰り返されるので、その材質選択は重要である。生成物を食品として用いる場合には磨耗分が生成物に混入しても食品安全性が確保できる鉄などの材料を選び、かつ磨耗しにくいように加工する。次に、目標値条件を実現するスタビライザ機構、すなわち、スクリュー形状、主モーターのトルクなどの主要パラメータを理論的に設定する。定式化や理論設計が出来ない場合は押出し機の動作解析ソフトウエアを用いてシミュレーションにより主要パラメータを割り出すこともできる。
【００１５】
次に、加熱制御の条件パラメータを予備実験から決める。すなわち、目標とする温度と圧力の条件は主として流量制御弁の位置設定によって決まるので、米糠を押出し機に連続的に供給した状態で流量制御弁の位置をマニュアルで変化させ、この場合の位置制御モーターの駆動トルク、押出し機（ｅｘｔｒｕｄｅｒ）の出口近辺の温度センサ１４および流量制御弁の力センサ７の値を、それぞれ実測し、目標に近い状態を実現するパラメータの組み合わせを割り出す。一方、米糠の加熱時間はスクリュー形状と米糠の物性値が与えられると、主モーター１の回転数によりほぼ決定するので、これらより目標値の動作パラメータを割り出す。
【００１６】
以上により、温度センサ１４、力センサ７および位置センサ９のそれぞれの値とモーターＡの回転速度２１とからなるコントローラ１３の入力目標基準値とモーターＡの回転速度制御値およびモーターＣの回転位置制御値からなるコントローラ１３の２つの出力目標基準値が設定できる。これらの入出力パラメータの関係をコントローラ１３に目標基準値設定プログラムとして書き込む。次に、これらの入力目標基準値と実際のセンサの値のずれデルタ１を計算し、デルタ１がゼロになるようにコントローラ１３の加熱制御プログラムを作成する。すなわち、加熱制御プログラムでは、入力系のずれデルタ１に対してモーターＡの回転速度制御値およびモーターＣの回転位置制御値の出力目標基準値に対する補正値ベータ１を計算し、回転速度制御と位置制御を行う。
【００１７】
次に、上記の状態で生成された排出物の生成量および排出部温度を測定すると共にマニュアルでモーターＢ（フィーダー用モーター６）の回転数を変化させ排出量にバランスした供給制御の目標基準値を実測する。次に、実際の排出部温度センサの値と他のセンサの値に対して、目標基準値からの入力系ずれデルタ２を計算し、デルタ２がゼロになるようにフィーダ供給量制御プログラムを作成する。すなわち、フィーダ供給量制御プログラムでは入力系ずれデルタ２に対してモーターＢの回転速度制御値の出力系目標基準値から補正値ベータ２を計算し、供給量制御を行う。
【００１８】
排出吸気口１１からホッパー３への熱還流を作動させると、注入される米糠の温度が上昇するので上記の制御プログラムに影響が出る。つまり、温度に対する動作基準が若干シフトする。この温度シフト分は予め制御プログラムに組み込んでおくことが可能であるが、実験により微調整分を確認し、より木目細かい制御ができるようにプログラムを修正する。なお、ホッパー３へ取り付けるブリッジ防止噴気ノズル４の形状、ノズルの向き、流量、設置する位置および個数などについては実験により効果を確認しながら決めていく。
【００１９】
上記の実施例においては、対象物を加熱する熱源は摩擦、せん断および排出部からの熱還流の３つの作用を利用しているが、更にエネルギー効率を改善する為の他の実施例を次に示す。これは、第４の熱源として薄膜ヒーターを用いて押出し機のスクリューを直接加熱制御する方法である。薄膜ヒーターは厚さが０．１〜０．２ミリメートルと薄く、０．０４ミリメートル程度の薄膜ヒーターを００２５ミリメートル程度のポリイミドの絶縁フィルムと接着フィルムでサンドイッチ状にはさみ、鉄やアルミ等の基材に貼り付けて使用することが出来る。
【００２０】
薄膜ヒーターの装着方法は、スクリューによる押出し機能に影響しないようにする。図１において、シリンダー１５（スクリュー外筒）は薄膜ヒーターをその内壁に埋め込んだ状態を示している。また、図には示していないが、スクリュー軸１６の内側に薄膜ヒーターを貼り付けることもできる。このようにして、シリンダー内壁またはスクリュー軸内に装着した薄膜ヒーター、あるいはこれらの両方を併用して薄膜ヒーターに流す電流を制御すれば、スクリューで押出される対象物を直接加熱制御できる。なお、装着した薄膜ヒーターはスクリューと一緒に回転するが、その電流供給は電車のパンタグラフの要領で電極のすり合わせを使って容易に実現できる。
【００２１】
薄膜ヒーターを用いる場合の加熱制御方法は２つある。その一つは既に図２で説明した実施例に第４の熱源として薄膜ヒーターを追加する方法である。この場合、図２のコントローラ１３の入力は変わらないが、出力側に薄膜ヒーター加熱制御部を追加する。これに対応させて、コントローラ１３の制御プログラムは若干変更するが、簿膜ヒーターはスクリュー温度を直接的に制御できるので制御プログラムはモーター制御に比べてより簡単である。
【００２２】
薄膜ヒーターによる加熱制御の他の方法は、排出流量制御弁位置を固定にして排出量を一定にし、対象物の加熱制御を薄膜ヒーターのみで実施する方法である。この場合、対象物が押出される過程において受ける圧力と時間は流量制御弁の位置と主モーターの回転数でほぼ決定され、温度は薄膜ヒーターに流す電流で直接制御できるのでコントローラのプログラムは非常に簡単になる。また、排出量が一定になるので、フィーダー制御もほぼ固定化できシステムの動作を安定化できるという利点がある。
【００２３】
本発明の他の実施例として、対象物に添加物を加えて攪拌しこれを加熱処理するという使い方がある。例えば、米糠の安定化処理においては、リパーゼを不活性化するアンチリパーゼ酵素やプロテアーゼを小量添加することにより、安定化処理をより低温で確実に実施する方法が考えられる。なお、生成物を食用にする場合は予め食品安全性が確認された添加物を用いるのは当然である。図１に示す２軸構成の押出し機はこのような添加処理に適している。図には示していないが、添加物はフィーダー用押出し機に直接注入したり、ホッパーに添加物を注入する機構を追加するなどにより、フィーダー用押出し機にて添加攪拌されて主押出し機に供給される。添加物を加えたことにより、目標とする加熱制御の温度、圧力、時間のパラメータは変化するが、その制御については既に説明した方法と同じである。
【００２４】
尚、本発明の加熱制御装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の請求項１〜７記載の粉または粒状物質の加熱制御装置によれば、例えば、対象物を摂氏１５０度で９秒間正確に熱処理する必要がある場合などにおいて、注入する対象物の温度や湿度が変化してもエネルギー効率を損なうことなく目標とする加熱制御を安価に実現できるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】は加熱制御装置全体の機構図、
【図２】は加熱制御装置の制御ブロック図、
【符号の説明】１は押出し機の主モーター、２はフィーダー用押出し機、３はホッパー、４はブリッジ防止噴気ノズル、５は流量制御弁、６はフィーダー用モーター、７は力センサ、８はギヤ、９は位置センサ、１０は位置制御モーター、１１は吸気口、１２は排出部温度センサ、１３はコントローラ、１４は押出し機出口部温度センサ、１５は薄膜ヒーターを内臓した主押出し機シリンダー、１６は主押出し機スクリュー軸、１７は主押出し機スクリュー、２１は主モーター回転速度センサである。
【図１】
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【図２】
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