(57)【要約】【課題】真空冷却ブラストチラー冷却とを一つの空気サイクルシステムにより実現し、冷却対象を高速冷却する。【解決手段】減圧室４は、吸引手段２の吸気側に接続される流出口１１と、膨張手段３の排気側に接続される流入口１３を有する。吸引手段２により空気が流出口１１から吸い出されることで、減圧室４の圧力は大気圧未満に低減される。大気圧未満に減圧された減圧室４に流入口１３から流入する空気は、その膨張手段３の通過時における膨張により冷却されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸引手段と、
膨張手段と、
減圧室とを備え、
その減圧室は、その吸引手段の吸気側に接続される流出口と、その膨張手段の排気側に接続される流入口とを有し、
その吸引手段により空気が流出口から吸い出されることで、その減圧室の圧力は大気圧未満に低減され、
大気圧未満に減圧された減圧室に流入口から流入する空気は、その膨張手段の通過時における膨張により冷却されている空気サイクルシステム。
【請求項２】
その吸引手段は、その減圧室から吸い出す空気を圧縮する圧縮装置を有し、
その圧縮装置により圧縮されることで昇温される空気を熱源として利用可能な請求項１に記載の空気サイクルシステム。
【請求項３】
その圧縮装置の圧縮仕事の少なくとも一部は、その膨張手段の膨張仕事により賄われる請求項２に記載の空気サイクルシステム。
【請求項４】
その吸引手段により吸引される気体の流れを絞ることで発生する高速流に引き込まれることによって、減圧室から空気を吸い出すエゼクタを備える請求項２または３に記載の空気サイクルシステム。
【請求項５】
水蒸気発生手段を備え、
その水蒸気発生手段の発生水蒸気は、そのエゼクタにより絞られる流体に供し、そのエゼクタを介してその圧縮装置により吸引可能とされている請求項４に記載の空気サイクルシステム。
【請求項６】
その減圧室からのエゼクタによる空気の吸い出し時に、その減圧室からの吸引手段による直接の空気の吸い出しと膨張手段を通過した空気の減圧室への流入が遮断可能とされている請求項４または５に記載の空気サイクルシステム。
【請求項７】
水蒸気発生手段を備え、
その水蒸気発生手段の発生水蒸気は、その圧縮装置により吸引可能とされている請求項２〜６の中の何れかに記載の空気サイクルシステム。
【請求項８】
水蒸気発生手段を備え、
その減圧室に、その水蒸気発生手段の発生水蒸気が供給可能とされている請求項１〜７の中の何れかに記載の空気サイクルシステム。
【請求項９】
冷熱蓄積手段を備え、
その膨張手段を通過した冷却空気は、その減圧室と冷熱蓄積手段とに選択的に供給可能とされている請求項１〜８の中の何れかに記載の空気サイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば業務用厨房等における食材の冷却や加熱に適する空気サイクルシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
加熱調理した食材を保存するために冷却する過程においては、食材温度は必ず１５℃〜５５℃の領域を通過する。その温度領域においては細菌の繁殖が活発に行われることから、この温度領域を食中毒防止のために可及的短時間で通過することが重要である。
【０００３】
そのような食材の急速冷却手段として、大量の調理を行う厨房ではブラストチラー方式と真空冷却方式が一般的に用いられている。ブラストチラー方式は、冷媒により作った冷気の強制流を当てることで食材を冷却する。真空冷却方式は、食材を入れた容器内を真空引きすることで減圧し、食材内部の水分の気化により蒸発潜熱を奪うことで食材を冷却する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来は食材や厨房に応じて何れか一方の方式により冷却が行われていたが、何れの方式にも一長一短があった。すなわち、ブラストチラー方式によれば食材をチルド温度（０〜２℃程度）まで確実に冷却できるが、食材表面における空気との熱交換によって冷却を行うため、食材表面に比べて食材内部の冷却が遅れる。そのため、食材の表面と内部とで温度差が生じ、凍結させてはならない場合は冷し方の工夫が必要で冷却時間が長くなる。また、加熱調理サイクル時間に比べて冷却サイクル時間が長くなるために調理装置１台に対する冷却装置の数が多くなり、厨房スペースが大きくなる。
【０００５】
真空冷却方式によれば、食材温度が高い時は真空度が低くても食材内部の水分が盛んに蒸発し、奪われる蒸発潜熱が大きくなるため冷却速度は速くなる。しかし、真空度が高くなって食材温度が常温に近い領域になると、さらに真空引きするのが困難になるため、食材の冷却速度は頭打ちになる。到達真空度を高くするために高価な真空ポンプを用いると採算性が低下し、また、食材からの水分蒸発が過剰になると食味や食感が低下する場合がある。
【０００６】
さらに、ブラストチラー方式および真空冷却方式の何れにおいても大きな電力が消費され、その消費エネルギーは有効利用されることなく廃熱として放出されていた。特に真空冷却では蒸気を使うことが多く、その大量の熱エネルギーは廃棄するしかなくエネルギー消費面ではより多くの改善が必要であった。
本発明は上記問題を解決することのできる空気サイクルシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の空気サイクルシステムは、吸引手段と、膨張手段と、減圧室とを備え、その減圧室は、その吸引手段の吸気側に接続される流出口と、その膨張手段の排気側に接続される流入口とを有し、その吸引手段により空気が流出口から吸い出されることで、その減圧室の圧力は大気圧未満に低減され、大気圧未満に減圧された減圧室に流入口から流入する空気は、その膨張手段の通過時における膨張により冷却されている。
本発明によれば、減圧室を大気圧未満に維持できると共に、膨張手段において膨張されることで冷却された空気を減圧室に供給できる。これにより、減圧室に加熱調理された食材を投入することで、食材温度が高い間は食材に含まれる水分をさかんに蒸発させて蒸発潜熱を奪い、食材を内部も含めて急速に冷却でき、しかも、膨張されることで冷却された空気によりチルド温度まで確実に冷却することが可能になる。すなわち、ブラストチラー方式による冷却と真空冷却方式による冷却を同時に一つのシステムにより行うことができ、調理直後の高温の食材をチルド温度まで従来にない高速度で冷却できる。
【０００８】
その吸引手段は、その減圧室から吸い出す空気を圧縮する圧縮装置を有し、その圧縮装置により圧縮されることで昇温される空気を熱源として利用可能であるのが好ましい。
これにより、減圧室から吸い出した空気をほぼ断熱圧縮することで昇温した空気を熱源として利用できる。すなわち、圧縮装置の駆動用電力を高温空気として加熱に利用することができるので、減圧室での冷却のための汲出し熱量に加熱熱量を加えた出力を得ることができ、単純にヒータに電力を投入して加熱する場合に比べて総合的な成績係数（ＣＯＰ）を高くして省エネルギに貢献できる。
【０００９】
その圧縮装置の圧縮仕事の少なくとも一部は、その膨張手段の膨張仕事により賄われるのが好ましい。これによりエネルギーの有効利用を図ることができる。
【００１０】
その吸引手段により吸引される気体の流れを絞ることで発生する高速流に引き込まれることによって、減圧室から空気を吸い出すエゼクタを備えるのが好ましい。これにより、減圧室における真空冷却をより効果的に行うことができる。この場合、水蒸気発生手段を備え、その水蒸気発生手段の発生水蒸気は、そのエゼクタにより絞られる流体に供し、そのエゼクタを介してその圧縮装置により吸引可能とされているのが好ましい。これにより、減圧室から吸引される冷気は水蒸気と混合されるが、この時水蒸気の一部は凝縮し、持っている潜熱を放出する。この熱を受け取った空気と水蒸気が圧縮装置により昇圧されることでより高温となり、加熱源として熱が有効利用できる。また、その水蒸気はエゼクタを介して圧縮装置に吸引されるので、エゼクタを駆動するための流体を兼用し、構造の簡単化を図ることができる。また、その減圧室からのエゼクタによる空気の吸い出し時に、その減圧室からの吸引手段による直接の空気の吸い出しと膨張手段を通過した空気の減圧室への流入が遮断可能とされているのが好ましい。これにより、エゼクタにより減圧室から空気を吸い出す時、その減圧室における減圧が阻害されることはない。
【００１１】
本発明の空気サイクルシステムは水蒸気発生手段を備え、その水蒸気発生手段の発生水蒸気は、その圧縮装置により吸引可能とされているのが好ましい。これにより、減圧室から吸引される冷気は水蒸気と混合されるが、この時水蒸気の一部は凝縮し、持っている潜熱を放出する。この熱を受け取った空気と水蒸気が圧縮装置により昇圧されることでより高温となり、加熱源として熱が有効利用できる。
【００１２】
本発明の空気サイクルシステムは水蒸気発生手段を備え、その減圧室に、その水蒸気発生手段の発生水蒸気が供給可能とされているのが好ましい。これにより、減圧室において水蒸気による加熱調理等を行うことができ、また、水蒸気を加圧することなく減圧室に送ることができるので安全性の高いものとすることができる。
【００１３】
本発明の空気サイクルシステムは冷熱蓄積手段を備え、その膨張手段を通過した冷却空気は、その減圧室と冷熱蓄積手段とに選択的に供給可能とされているのが好ましい。これにより冷熱の余剰分を一旦蓄えることができるので、その蓄えた冷熱を減圧室内の冷却時に減圧室に供給することで、減圧室内の食品の冷却速度を上げることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に示す第１実施形態の空気サイクルシステム１は、加熱調理された食材の冷却に用いられるもので、吸引手段として機能する吸引機構２、膨張手段として機能する膨張タービン３、減圧室４およびエゼクタ５を備える。
【００１５】
その吸引機構２は、遠心型コンプレッサー６と、モータ７により駆動される遠心型やルーツ型、スクリュー型などのブロワー８を圧縮装置として有する。そのコンプレッサー６の排気側とエゼクタ５の流出口５ａは切り換えバルブ９に接続され、その切り換えバルブ９はブロワー８の吸気側に接続される。ブロワー８の吸気側は、その切り換えバルブ９により、コンプレッサー６の排気側との接続状態とエゼクタ５の流出口５ａとの接続状態との間で状態切り換え可能とされている。ブロワー８の排気側は加熱室１７に接続される。エゼクタ５の流入口５ｂは大気中に通じる。
【００１６】
減圧室４は、第１流出口１１、第２流出口１２および流入口１３を有する。その第１流出口１１は、吸引機構２におけるコンプレッサー６の吸気側に第１流出用開閉バルブ１１ａを介して接続される。その第２流出口１２は、エゼクタ５の吸気口５ｃに第２流出用開閉バルブ１２ａを介して接続される。その流入口１３は、膨張タービン３の排気側に流入用開閉バルブ１３ａを介して接続される。なお、第１流出口１１と第２流出口１２とを単一の流出口であって、コンプレッサー６の吸気側とエゼクタ５の吸気口５ｃに切り換えバルブを介して選択的に接続されるようにしてもよい。
【００１７】
その膨張タービン３の吸気側はフィルター１５を介して大気中に通じる。膨張タービン３の回転翼車とコンプレッサー６の回転翼車は、シャフト１６により回転伝達可能に連結されている。
【００１８】
流入用開閉バルブ１３ａと第１流出用開閉バルブ１１ａを開き、切り換えバルブ９によりブロワー８の吸気側をコンプレッサー６の排気側に接続し、第２流出用開閉バルブ１２ａを閉じた状態でブロワー８をモータ７により駆動すると、コンプレッサー６により第１流出口１１から空気が吸い出されることで減圧室４の圧力は大気圧未満、例えば約０．４気圧（絶対圧、＝４０．５ｋＰａ）程度に低減される。これにより大気圧未満に減圧された減圧室４にフィルター１５、膨張タービン３を通過した空気が流入口１３から流入する。その流入口１３から減圧室４に流入する空気は、膨張タービン３の通過時に略断熱膨張して約０．４気圧（絶対圧、＝４０．５ｋＰａ）まで減圧されることで冷却されている。
【００１９】
減圧室４から吸い出された空気は、吸引機構２のコンプレッサー６において約０．６５気圧（６５．９ｋＰａ）まで昇圧され、次いでブロワー８において大気圧まで昇圧され、この２段の昇圧時に略断熱圧縮されることで例えば１１０〜１５０℃に昇温され、加熱室１７に供給されることで熱源として利用される。加熱室１７において、例えばチルド状態の食材の加熱、洗浄後の食器や器具の乾燥、冷凍食材の解凍、生ごみ処理などを行うことができる。また、加熱室１７において利用する以外に、給湯用の熱源として利用してもよい。そのコンプレッサー６の圧縮仕事はシャフト１６を介して膨張タービン３の膨張仕事により賄われる。
【００２０】
切り換えバルブ９によりブロワー８の吸気側をエゼクタ５の流出口５ａに接続し、第２流出用開閉バルブ１２ａを開いた状態でブロワー８をモータ７により駆動すると、エゼクタ５に流入口５ｂから空気が流入する。この際、流入バルブ１３ａと第１流出バルブ１１ａを閉じることで、減圧室４からの吸引機構２による直接の空気の吸い出しと膨張タービン３を通過した空気の減圧室４への流入を遮断する。エゼクタ５の流入口５ｂにおける空気圧力は大気圧であるのに対して流出口５ａにおける空気はブロワー８により吸引されることで約０．５気圧（５０．７ｋＰａ）まで減圧されている。これによりエゼクタ５において高速の空気流が生じる。エゼクタ５は、そのブロワー８により吸引される空気の流れを絞ることで、第２流出口１２から空気を吸い出して減圧室４の圧力をより低減し、例えば約０．１気圧（１０．１ｋＰａ）程度に低減する。エゼクタ５により減圧室４から空気を吸い出す時、流入用開閉バルブ１３ａと第１流出用開閉バルブ１１ａを閉じることで、減圧室４における減圧が阻害されることはない。エゼクタ５に流入口５ｂから流入する空気と吸引口５ｃから吸引される減圧室４の空気は、流出口５ａからブロワー８を介して加熱室１７に送られる。
【００２１】
上記実施形態により加熱調理された食材を冷却する場合、その食材を減圧室４に入れた後にモータ７によりブロワー８を駆動し、膨張タービン３とコンプレッサー６により構成されるエアサイクルマシンを作動させる。これにより、減圧室４を大気圧未満に維持できると共に、膨張タービン３において膨張されることで冷却された空気を減圧室４に供給できる。その減圧室４に投入された加熱調理された食材に含まれる水分は、食材温度が高い間はさかんに蒸発する。例えば減圧室４の圧力が約０．４気圧（４０．５ｋＰａ）で冷気が吹き込まれる場合、約７７℃以上の食材は内部からの水分沸騰が起こることで蒸発潜熱が奪われ、食材内部も含めて急速に冷却される。この際、膨張タービン３において膨張されることで冷却された空気によっても食材は冷却される。すなわち、ブラストチラー方式による冷却と真空冷却方式による冷却を同時に一つのシステムで行うことができる。
その沸騰がおさまってくる時点で、流入用開閉バルブ１３ａと第１流出用開閉バルブ１１ａを閉じ、切り換えバルブ９によりブロワー８の吸気側をエゼクタ５の流出口５ａに接続し、第２流出用開閉バルブ１２ａを開く。これによりエゼクタ５を作動させることで減圧室４内をさらに減圧し、食材からの水分沸騰が再び起こし、真空冷却をより効果的に行って食材温度を低下させることができる。そのエゼクタ５により減圧室４の圧力を約０．１気圧（１０．１ｋＰａ）程度に低減する場合、食材の温度を４２℃〜４３℃程度にできる。その再度の沸騰がおさまってくる時点で、流入用開閉バルブ１３ａと第１流出用開閉バルブ１１ａを開き、切り換えバルブ９によりブロワー８の吸気側をコンプレッサー６の排気側に接続し、第２流出用開閉バルブ１２ａを閉じる。これにより、膨張タービン３において膨張されることで冷却された空気により食材をチルド温度まで確実に冷却できる。すなわち、調理直後の高温の食材をチルド温度まで従来にない高速度で冷却できる。
また、その減圧室４から吸い出した空気をほぼ断熱圧縮することで昇温した空気を加熱室１７において熱源として利用できる。すなわち、ブロワー８の駆動用電力を高温空気として加熱に利用することができるので、減圧室４での冷却のための汲出し熱量に加熱熱量を加えた出力を得ることができ、単純にヒータに電力を投入して加熱する場合に比べて総合的な成績係数（ＣＯＰ）は高くなり、省エネルギに貢献できる。また、コンプレッサー６の圧縮仕事の一部が膨張タービン３の膨張仕事により賄われるので、エネルギーの有効利用を図ることができる。
さらに代替フロン等の冷媒を使わずに冷却と加熱を行うことができる。
【００２２】
図２は本発明の第２実施形態の空気サイクルシステム１′を示し、上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示して相違点を説明する。まず、第２実施形態においては減圧室４の数が複数（図示例では２）とされ、各減圧室４が第１実施形態と同様に膨張タービン３、コンプレッサー６、エゼクタ５に接続されている。
これにより、減圧室４の一部においては膨張タービン３から冷気を供給する状態とし、残部においてはエゼクタ５により空気を吸引する状態とする運用が可能になる。また、水蒸気発生手段として蒸気ボイラ３０を備えている。蒸気ボイラ３０の蒸気排出口３０ａはエゼクタ５の流入口５ｂに接続されている。切り換えバルブ９は設けられておらず、そのエゼクタ５の流出口５ａはコンプレッサー６の吸気側に常時接続され、コンプレッサー６の排気側はブロワー８の吸気側に常時接続される。これにより、コンプレッサー６により蒸気ボイラ３０の発生水蒸気が吸引可能とされ、エゼクタ５はコンプレッサー６により吸引される水蒸気の流れを絞ることで第２流出口１２から空気を吸い出す。これにより、減圧室４から吸引される冷気は水蒸気と混合されるので、この混合された際に一部の水蒸気は凝縮する結果潜熱を放出する。この凝縮水を除去した後にコンプレッサー６およびブロワー８により昇圧されることでより高温となり、例えば１５０℃以上にすることができる。その水蒸気は、エゼクタ５により絞られるようにエゼクタ５を介してコンプレッサー６により吸引されるので、エゼクタ５を駆動するための流体を兼用し、構造の簡単化を図ることができる。他は第１実施形態と同様とされている。
【００２３】
図３は本発明の第２実施形態の空気サイクルシステム１″を示し、上記第２実施形態と同様部分は同一符号で示して相違点を説明する。まず、第３実施形態においては、蒸気ボイラ３０の蒸気排出口３０ａはエゼクタ５の流入口５ｂではなく各減圧室４に蒸気供給用開閉バルブ３１を介して接続され、そのバルブ３１を開くことで各減圧室４に蒸気ボイラ３０の発生水蒸気が供給可能とされている。各減圧室４に送られた水蒸気の余剰分は排気用開閉バルブ３５を介して大気中に排気可能とされている。これにより、減圧室４において水蒸気による加熱調理等を行うことができる。また、水蒸気を加圧することなく減圧室４に送ることができるので安全性の高いものとすることができる。なお、排気用開閉バルブ３５に代えてリリーフ弁を用いることで、減圧室４において加圧下で水蒸気加熱を行うようにしてもよい。
【００２４】
エゼクタ５の流入口５ｂは開閉バルブ３２ａおよびフィルター３２ｂを介して大気中に通じている。また、ブロワー８とモータ７は備えておらず、吸引機構２はコンプレッサー６のみで空気を圧縮する。そのコンプレッサー６と膨張タービン３を連結するシャフト１６を駆動するモータ３３が設けられ、コンプレッサー６の圧縮仕事はモータ３３の出力と膨張タービン３の膨張仕事とによって賄われる。これにより吸引機構２を非常にコンパクトにできる。なお、モータ３３としては例えば高周波モータを採用し、その駆動にインバータが用いるのが好ましい。
【００２５】
コンプレッサー６の排気の一部は熱交換器３４を介して膨張タービン３の吸気側に供給され、残部は大気中に排出される。その熱交換器３４にフィルター３７を介して導入された大気が、コンプレッサー６により略断熱圧縮された空気と熱交換されることで昇温され、加熱室１７に導入される。これにより、コンプレッサー６により圧縮されることで昇温された空気が熱源として利用されている。
【００２６】
膨張タービン３の排気側は切り換えバルブ３８に接続され、切り換えバルブ３８は各減圧室４に流入用開閉バルブ１３ａを介して接続されると共に、冷熱蓄積手段を構成する蓄冷材容器３９に接続されている。その切り換えバルブ３８の切り換えにより、膨張タービン３を通過した冷却空気は、減圧室４と蓄冷材容器３９とに選択的に供給可能とされている。蓄冷材容器３９に蓄冷材３９ａとして例えば水や塩化ナトリウム溶液等を充填したカプセルが収容されている。蓄冷材容器３９は、冷熱供給用第１開閉バルブ４１、流入用開閉バルブ１３ａを介して減圧室４に接続され、冷熱供給用第２開閉バルブ４２を介してコンプレッサー６の吸気側に接続されている。これにより、減圧室４内の冷却を行わない時等に膨張タービン３を蓄冷材容器３９に接続し、冷熱供給用第１開閉バルブ４１を閉鎖し、冷熱供給用第２開閉バルブ４２を開き、膨張タービン３で膨張した余剰冷気の持つ冷熱を一旦蓄える。減圧室４内の冷却時は、膨張タービン３を減圧室４に接続し、冷熱供給用第１開閉バルブ４１を開き、冷熱供給用第２開閉バルブ４２を閉鎖することで、その蓄えた冷熱を減圧室４に供給し、減圧室４内の食品の冷却速度を上げることができる。他は第２実施形態と同様とされている。
【００２７】
本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の範囲内で様々な構成の組み合わせが可能であり、例えばエゼクタは必須のものではない。また、膨張タービン３に発電機を接続し、その発電機の発生電力によりブロワー８やコンプレッサー６を駆動するモータ７、３３を駆動してもよい。さらに、本発明の空気サイクルシステムを食品以外のものの冷却に利用してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の空気サイクルシステムによれば、真空冷却とブラストチラー冷却とを一つのシステムにより実現でき、冷却対象の高速冷却ができる。特に本発明を食品の冷却に利用することで、食品内部における冷却速度の向上により細菌の増殖を効果的に防止して食品安全性の向上に貢献でき、加熱調理直後の状態維持により食味を向上し、加熱調理サイクル時間に対する冷却サイクル時間の短縮により調理装置１台に対するシステムの数を少なくし、場合によっては調理装置１台に一つの空気サイクルシステムで対応可能になり、厨房スペースを有効利用できる。さらに、減圧室から吸引後に圧縮されることで昇温された空気を熱源として有効利用することで省エネルギ化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の空気サイクルシステムの構成説明図
【図２】本発明の第２実施形態の空気サイクルシステムの構成説明図
【図３】本発明の第３実施形態の空気サイクルシステムの構成説明図
【符号の説明】
１　空気サイクルシステム
２　吸引機構
３　膨張タービン
４　減圧室
５　エゼクタ
６　コンプレッサー
８　ブロワー
１１　第１流出口
１３　流入口
３０　蒸気ボイラ
３９　蓄冷材容器
３９ａ　蓄冷材
【図１】
2004077045.tif 000003
【図２】
2004077045.tif 000004
【図３】
2004077045.tif 000005