(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
食品を冷凍し保存することができる貯蔵庫を備えた冷凍庫において、食品の周囲温度を検出する品温センサと、食品の伝熱特性を記憶する記憶手段と、前記品温センサにより検出した食品の周囲温度と前記記憶手段が記憶している食品の伝熱特性とから食品の内部温度を演算する品温演算手段と、品温演算手段により演算された食品の温度を用いて、冷凍庫を制御する冷凍庫制御手段とを有し、前記品温センサは庫内の食品を上下に挟んで相対する位置に設置した品温制御冷凍庫。
【請求項２】
前記記憶手段は、食品の上部総括熱伝達係数Ｋ１，下部総括熱伝達係数Ｋ２と、食品の上部表面積Ａ１，下部表面積Ａ２と、食品の熱容量Ｃとを記憶し、食品の内部温度Ｔ３を（数１）により算出することを特徴とする請求項１記載の品温制御冷凍庫。
【数１】
0004457486.tif 000005
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品の温度を検知し、食品の温度を安定的に制御して、食品を冷凍貯蔵する冷凍庫に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
食品を貯蔵中に、食品の温度を検知し、それに合わせて食品の温度を制御する技術については、例えば特開平７−２２５８７５号公報に開示されている。
【０００３】
以下、図面を参照しながら上記従来の品温検出技術について説明する。
【０００４】
図６は従来の貯蔵庫内に設置された品温センサの斜視図を示す。図６において、品温センサ６１はサーミスタ本体６２と、これを包囲するエポキシ樹脂６３によって構成されている。エポキシ樹脂６３は、サーミスタ本体６２と食品の２の熱容量を測定し、食品と同じ熱容量になるように単位経過時間毎の検出温度の変化率を合わせながら、サーミスタ本体６２に順次巻いていき、品温センサ６１の検出温度と食品の温度を等しくするというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例においては、品温センサ６１のサーミスタ本体６２を包囲するエポキシ樹脂６３の比熱が小さいため、食品の種類によっては、食品の熱容量に合わせるためには、エポキシ樹脂６３が多く必要であり、品温センサ６１自体が大きくなり、貯蔵庫の庫内が狭くなるという欠点があった。また、食品の種類によって、品温センサ６１の変更または熱容量の調整が必要であるという欠点があった。
【０００６】
本発明は従来の課題を解決するもので、品温センサが嵩張らず、コンパクトで、かつ食品の種類が変わっても、品温センサの変更または調整が不要で、従って、種類の異なる食品の温度も１種類のセンサで検出可能な品温検出技術を用いて、食品の温度を検知し、それを用いて冷凍庫を制御することで、食品の温度を安定的に制御する冷凍庫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】
本発明の請求項１に記載の発明は、食品を冷凍し保存することができる貯蔵庫を備えた冷凍庫において、食品の周囲温度を検出する品温センサと、食品の伝熱特性を記憶する記憶手段と、前記品温センサにより検出した食品の周囲温度と前記記憶手段が記憶している食品の伝熱特性とから食品の内部温度を演算する品温演算手段と、品温演算手段により演算された食品の温度を用いて、冷凍庫を制御する冷凍庫制御手段とを有し、前記品温センサは庫内の食品を上下に挟んで相対する位置に設置した品温制御冷凍庫であり、品温センサが嵩張らず、コンパクトで、貯蔵庫の庫内を狭くすることなく、食品の温度を検知し、それを用いて冷凍庫を制御することで、食品の温度を安定的に制御することができる。
【０００８】
更に、食品の種類が変わっても、前記記憶手段の記憶内容を変更するだけで対応可能で、品温センサの変更または調整が不要で、従って、種類の異なる食品の温度も１種類のセンサで検出可能であるという作用を有する。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記記憶手段は、食品の上部総括熱伝達係数Ｋ１，下部総括熱伝達係数Ｋ２と、食品の上部表面積Ａ１，下部表面積Ａ２と、食品の熱容量Ｃとを記憶し、食品の内部温度Ｔ３を（数１）により算出することを特徴とする請求項１記載の品温制御冷凍庫であり、食品の温度を正確に検知し冷凍庫を制御することにより、食品の温度を安定的に制御することができるという作用を有する。
【００１０】
【数１】
0004457486.tif 000002
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の品温制御冷凍庫の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は本発明の一実施の形態による品温制御冷凍庫の構成を示すブロック図、図２は食品の伝熱特性を表すための食品の熱伝達モデル図、図３は同実施の形態の動作を説明するためのフローチャート、図４は同実施の形態の動作を説明するための食品温度の変化を示す特性図、図５は同実施の形態の効果を説明するための食品温度の変化を示す特性図である。
【００１３】
図１において、１は冷凍庫であり、食品を冷凍保存することができる貯蔵庫２を有する。３は庫内を冷却する冷却手段で、冷却した空気（以下、冷気と略する）を庫内に循環する。４は貯蔵庫２内に設けられた庫内温度センサである。５は庫内温度センサ４により庫内温度を検出する庫内温度検出手段である。
【００１４】
又、６は庫内に貯蔵された食品である。
【００１５】
７ａ，７ｂは、庫内に食品６を挟んで相対する位置に設置され、貯蔵された食品６の周囲温度を検出する品温センサであり、７ａは庫内上部の循環空気中に設置され、貯蔵された食品６の上部雰囲気温度を検出する上部温度センサであり、７ｂは庫内下部の循環空気中に設置され、貯蔵された食品６の下部雰囲気温度を検出する下部温度センサである。
【００１６】
８は貯蔵された食品６の伝熱特性を記憶する記憶手段である。
【００１７】
９は上部温度センサ７ａと下部温度センサ７ｂにより検出された食品６の周囲温度と、記憶手段８が記憶している食品６の伝熱特性から、食品６の内部温度を演算する品温演算手段である。
【００１８】
１０は冷凍庫制御手段であり、１１庫内温度判定手段，１２食品温度判定手段，１３ＯＲ手段，１４冷却能力アップ手段とよりなる。
【００１９】
庫内温度判定手段１１は庫内温度検出手段５により検出された庫内温度が、庫内温度の設定温度を越えたかどうかを判定する。食品温度判定手段１２は品温演算手段９により演算された食品温度が、食品温度の設定温度を越えたかどうかを判定する。そして、ＯＲ手段１３は庫内温度判定手段１１が判定した判定結果と、食品温度判定手段１２が判定した判定結果との論理和演算を行う。そして、１５は冷却制御手段であり、ＯＲ手段１３の論理和演算結果に従って庫内の冷却を制御する。
【００２０】
又、冷却能力アップ手段１４は、食品温度判定手段１２が判定した判定結果に従って、冷却手段３の冷却能力を上げる働きをする。
【００２１】
１６は品温演算手段９により演算された食品の温度を表示する品温表示手段である。１７は警告手段であり、ＬＥＤ等の表示ランプを用いて、品温演算手段９により演算された食品の温度上昇時は、温度上昇警告を行うものである。
【００２２】
図２は前記記憶手段８の記憶している食品の伝熱特性を表すための食品の熱伝達モデル図である。本実施例においては、内部温度を検出しようとする食品として、冷凍グラタンのような、容器入りの調理済み食品を冷凍したものを取り上げる。
【００２３】
図２は前記記憶手段８の記憶している食品の伝熱特性を表すための食品の熱伝達モデルを示す図である。本実施例においては、内部温度を検出しようとする食品として、例えば冷凍グラタンのような、プラスチック製ケース入りの食品を取り上げる。
【００２４】
図２において、３１はグラタンであり、３２はグラタン３１を入れる耐熱樹脂の容器である。そして、３３は埃よけの樹脂の上蓋である。Ｔ１は食品の上部雰囲気温度、Ｔ２は食品の下部雰囲気温度、Ｔ３は今回検出しようとする食品の内部温度で、図２中で黒丸で示す食品の内部中心の温度である。又、Ａ１は食品の上部表面積で、食品の内部中心を含む水平面より上側の食品の外表面積である。Ａ２は食品の下部表面積で、食品の内部中心を含む水平面より下側の食品の外表面積である。Ｋ１は食品の上部総括熱伝達係数であり、食品の上部雰囲気から食品の内部中心に至る空気の熱伝達率や上蓋３３の熱伝導率やグラタン３１の熱伝導率により導かれる値となる。Ｋ２は食品の下部総括熱伝達係数であり、食品の下部雰囲気から食品の内部中心に至る空気の熱伝達率や容器３２の熱伝導率やグラタン３１の熱伝導率により導かれる値となる。Ｃは食品の熱容量であり、本実施例ではグラタン３１がそのほとんどを占めており、グラタンの比熱と重量の積により導かれる値となる。
【００２５】
前記記憶手段８は、食品の上部総括熱伝達係数Ｋ１，下部総括熱伝達係数Ｋ２と、食品の上部表面積Ａ１，下部表面積Ａ２と、食品の熱容量Ｃとを記憶している。
【００２６】
図２に示す熱伝達モデルにおいて、食品の上部から侵入する熱量をＱ１、食品の下部から侵入する熱量をＱ２とすると、単位時間あたりの侵入熱量△Ｑ１，△Ｑ２はそれぞれ、以下の式となる。
【００２７】
△Ｑ１＝Ｋ１Ａ１（Ｔ１−Ｔ３）
△Ｑ２＝Ｋ２Ａ２（Ｔ２−Ｔ３）
従って、食品への総侵入熱量をＱとすると、単位時間あたりの総侵入熱量△Ｑは、上部からの侵入熱量と下部からの進入熱量の和であるから、以下の式となる。△Ｑ＝△Ｑ１＋△Ｑ２＝（Ｋ１Ａ１Ｔ１＋Ｋ２Ａ２Ｔ２）−（Ｋ１Ａ１＋Ｋ２Ａ２）Ｔ３
単位時間当たりの総侵入熱量△Ｑは、総侵入熱量Ｑの時間ｔによる微分値で表される。
【００２８】
又、侵入する熱量Ｑにより、熱容量Ｃの食品の内部温度Ｔ３は上昇してゆくから、
△Ｑ＝ｄＱ／ｄｔ＝Ｃ・ｄＴ３／ｄｔ
と表される。従って、
Ｃ・ｄＴ３／ｄｔ＝（Ｋ１Ａ１Ｔ１＋Ｋ２Ａ２Ｔ２）−（Ｋ１Ａ１＋Ｋ２Ａ２）Ｔ３
であり、この微分方程式の解は、食品の内部温度Ｔ３の初期値をＴ０とすると、（数１）で表される。
【００２９】
【数１】
0004457486.tif 000003
【００３０】
又、食品が冷却され温度が下降してゆく場合においても、Ｑを食品からの放出熱量とすることで、（数１）と全く同一の式が得られる。
【００３１】
前記品温演算手段９は、上部温度センサ７ａが検出した食品６の上部雰囲気温度をＴ１とし、下部温度センサ７ｂが検出した食品６の下部雰囲気温度をＴ２とし、記憶手段８が記憶している食品６の伝熱特性Ｋ１，Ｋ２，Ａ１，Ａ２，Ｃとから、（数１）に従って、食品６の内部温度Ｔ３を演算する。
【００３２】
尚、食品の内部温度Ｔ３の初期値Ｔ０は、食品が最初に貯蔵庫に入れられた時の温度を冷凍温度（例えば−２０℃）と仮定して、（数１）に従って演算を繰り返すことで、初期値に誤差があっても、一定時間後に内部温度Ｔ３は真の値に収束する。
【００３３】
以上のように構成された品温制御冷凍庫について、以下図１，図２，図３を用いてその動作を説明する。
【００３４】
図３において、先ず、庫内温度検出手段５は庫内温度センサ４により貯蔵庫２の庫内温度を検出する（Ｓｔｅｐ１）。
【００３５】
そして、庫内温度判定手段１１は、庫内温度検出手段５によって検出された庫内温度が、庫内温度の設定温度を越えたかどうかを判定する（Ｓｔｅｐ２）。その結果、庫内温度が庫内温度の設定温度より高い場合、庫内温度判定手段１１は冷却ＯＮ信号をＯＲ手段１３に出力する（Ｓｔｅｐ３）。又、庫内温度が庫内温度の設定温度より低い場合、庫内温度判定手段１１は冷却ＯＦＦ信号をＯＲ手段１３に出力する（Ｓｔｅｐ４）。
【００３６】
次に、上部温度センサ７ａが食品６の上部雰囲気温度Ｔ１を検出し、下部温度センサ７ｂが食品６の下部雰囲気温度Ｔ２を検出する（Ｓｔｅｐ５）。
【００３７】
そして、品温演算手段９は、記憶手段８が記憶している食品６の伝熱特性Ｋ１，Ｋ２，Ａ１，Ａ２，Ｃとから、（数１）に従って、食品６の内部温度Ｔ３を演算する（Ｓｔｅｐ６）。これにより、貯蔵庫２のドア開閉等による食品６の温度変動を的確に検知する。そして、品温表示手段１６は、品温演算手段９によって演算された食品温度を表示する（Ｓｔｅｐ７）。
【００３８】
そして、食品温度判定手段１２は、品温演算手段９によって演算された食品温度が、食品温度の設定温度を越えたかどうかを判定する（Ｓｔｅｐ８）。その結果、食品温度が食品温度の設定温度より高い場合、食品温度判定手段１２は冷却ＯＮ信号をＯＲ手段１３に出力する（Ｓｔｅｐ９）。そして、冷却能力アップ手段１４は、冷却手段３の冷却能力を上げる（Ｓｔｅｐ１０）。そして、警告手段１７は、警告表示ランプを点灯し、温度上昇警告を行う（Ｓｔｅｐ１１）。
【００３９】
又、食品温度が食品温度の設定温度より低い場合、食品温度判定手段１２は冷却ＯＦＦ信号をＯＲ手段１３に出力する（Ｓｔｅｐ１２）。そして、冷却能力アップ手段１４は、冷却手段３の冷却能力を通常とする（Ｓｔｅｐ１３）。そして、警告手段１７は、警告表示ランプを消灯する。（Ｓｔｅｐ１４）。
【００４０】
次に、ＯＲ手段１３は庫内温度判定手段１１からの出力信号と、食品温度判定手段１２からの出力信号との論理和演算を行う（Ｓｔｅｐ１５）。
【００４１】
即ち、両方からの出力信号が共に冷却ＯＮ信号であるか、少なくとも、どちらか一方からの出力信号が冷却ＯＮ信号であれば、ＯＲ手段１３は冷却ＯＮ信号を出力し、冷却制御手段１５は冷却手段３で作られた冷気を貯蔵庫２内に循環し、貯蔵庫２内を冷却する（Ｓｔｅｐ１６）。
【００４２】
又、両方からの出力信号が共に冷却ＯＦＦ信号であれば、ＯＲ手段１３は冷却ＯＦＦ信号を出力し、冷却制御手段１５は貯蔵庫２内に冷気を遮断し、貯蔵庫２内の冷却を停止する（Ｓｔｅｐ１７）。そして、Ｓｔｅｐ１に戻る。
【００４３】
以上、Ｓｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ１７の動作により、食品の温度を検知し、検知した食品の温度を用いて、冷凍庫１を制御することで、食品の温度を安定的に制御することができる。
【００４４】
次に図４，図５を用いて、食品温度の変化における本実施の形態の動作と効果を説明する。図４，図５は、それぞれ本実施の形態の動作と効果を説明するための食品温度の変化を示すグラフであり、縦軸に温度、横軸に時間経過をとって、冷凍庫１の貯蔵庫２内の庫内温度センサ４により検出した庫内温度の変化と、品温演算手段９により演算された食品温度の変化とを図示したものである。
【００４５】
尚、図４は、本実施の形態の動作と効果を説明するにあたり、比較のため、食品温度による冷却制御（以下、品温制御と称する）を行わず、前記、図３のＳｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ４に示す庫内温度のみによる冷却制御を行った場合の温度の変化を示すものである。
【００４６】
そして、図５は、前記Ｓｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ１７の動作で、品温制御を行った場合の温度の変化を、品温制御を行わなかった場合と比較して図示している。
【００４７】
図４，図５において、図中のＡ及びＢは冷凍庫１のドア開閉による庫内温度の上昇と、それによる食品温度の上昇を示している。
【００４８】
図４においては、庫内温度によってのみ冷却制御しており、庫内温度判定手段１１は、冷却ＯＮ設定温度−１６℃、冷却ＯＦＦ設定温度−２２℃にて、それぞれ冷却ＯＮ信号、冷却ＯＦＦ信号を出力し、冷却制御手段１５は、これに従って、冷気を循環又は遮断している。この結果、食品温度は−１７℃程度まで上昇している（図中Ｃ）。
【００４９】
そこで、品温制御を行う場合においては、食品温度判定手段１２は、冷却ＯＮ設定温度−１８℃、冷却ＯＦＦ設定温度−１９℃にて、それぞれ冷却ＯＮ信号，冷却ＯＦＦ信号を出力し、ＯＲ手段１３は庫内温度判定手段１１が判定した判定結果と、食品温度判定手段１２が判定した判定結果との論理和演算を行い、図４のＯＲ手段出力に示す冷却ＯＮ信号、冷却ＯＦＦ信号を出力する。そして、冷却制御手段１５は、これに従って、冷気を循環又は遮断する。又、冷却能力アップ手段１４は、図４に網掛けで示す時間、冷却手段３の冷却能力を上げる。
【００５０】
この結果、庫内温度及び食品温度は、図５の庫内温度（品温制御）及び食品温度（品温制御）に示すように変化し、冷凍庫１のドア開閉によって、−１７℃程度まで上昇した食品温度の、温度降下速度は著しく速くなる。
【００５１】
即ち、図５に示すように、食品温度が−１８℃から−１９℃まで温度降下するのに要する時間は、品温制御無しの時約６０分であるのに対し、品温制御時は約２０分に短縮される。
【００５２】
以上の動作により、本実施の形態の品温制御冷凍庫は、品温センサが嵩張らず、コンパクトで、貯蔵庫の庫内を狭くすることなく、食品の温度を検知し、検知した食品の温度と、貯蔵庫２内の庫内温度との両方で冷凍庫１を制御し、かつ、食品の温度上昇時は、冷却手段の能力を上げることにより、食品の温度を安定的に制御して、食品を冷凍貯蔵することができる。又、食品の温度を表示することで、オペレータに、食品温度の管理を容易にすることができる。更に、食品の温度上昇時は、温度上昇警告を行うことで、オペレータに注意を促し、警告を受けて、オペレータは冷凍庫のドア開閉を速やかに行う等により、食品の温度上昇を抑制することができるという効果が得られる。
【００５３】
尚、本実施の形態の食品温度の検出方法は、食品の内部温度Ｔ３の初期値Ｔ０に誤差があっても、一定時間後に真の値に収束するとしたが、冷凍状態を例にとると、筆者の実験結果によると、３００ｇの冷凍グラタンでは、時定数τは約１時間であり、内部温度Ｔ３の初期値Ｔ０に当初１０℃の誤差があっても、（数１）に従って演算を繰り返すことで、３時間で誤差０．５℃以内に収束し、実用的な品温検出方法として問題のない精度になる。例えば、レストラン等において、夜１０時の閉店前に、オペレータが新しい冷凍食品を冷凍庫１に収納したとすると、朝には正しく食品温度の検知と表示、及び品温制御が行われる。
【００５４】
又、本実施の形態においては、冷凍庫制御手段１０は、食品の温度と、貯蔵庫内の庫内温度とにより冷凍庫を制御するとしたが、品温演算手段９により演算された食品の温度のみで制御しても良いものである。
【００５５】
又、本実施の形態においては、食品の周囲温度を検出する品温センサを、食品６の周囲に２個設けたが、品温検出の精度を上げるために、更にセンサの数を増やしても良いし、食品の周囲温度の均温化が図られるなら品温センサ１個でも良いものである。
【００５６】
又、本実施の形態においては、冷凍庫１において、貯蔵庫を一つとしたが、これに拘ることなく、複数設けても良いものである。
【００５７】
又、貯蔵庫２の中に、複数種の食品が収納された場合は、その中で、特に温度を安定させたい食品、又は代表的な食品の温度を検知するようにするものである。
【００５８】
又、本実施の形態においては、食品の温度を表示するものとしたが、食品の温度を出力し、解凍器又は調理器等と連動させて、食品の温度に合わせた最適な解凍又は調理を行うようにしても良いものである。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載の発明は、食品を冷凍し保存することができる貯蔵庫を備えた冷凍庫において、食品の周囲温度を検出する品温センサと、食品の伝熱特性を記憶する記憶手段と、前記品温センサにより検出した食品の周囲温度と前記記憶手段が記憶している食品の伝熱特性とから食品の内部温度を演算する品温演算手段と、品温演算手段により演算された食品の温度を用いて、冷凍庫を制御する冷凍庫制御手段とを有し、前記品温センサは庫内の食品を上下に挟んで相対する位置に設置した品温制御冷凍庫であり、品温センサが嵩張らず、コンパクトで、貯蔵庫の庫内を狭くすることなく、食品の温度を検知し、それを用いて冷凍庫を制御することで、食品の温度を安定的に制御することができる。更に、食品の種類が変わっても、前記記憶手段の記憶内容を変更するだけで対応可能で、品温センサの変更または調整が不要で、従って、種類の異なる食品の温度も１種類のセンサで検出可能である。
【００６０】
又、請求項２に記載の発明は、前記記憶手段は、食品の上部総括熱伝達係数Ｋ１，下部総括熱伝達係数Ｋ２と、食品の上部表面積Ａ１，下部表面積Ａ２と、食品の熱容量Ｃとを記憶し、食品の内部温度Ｔ３を（数１）により算出することを特徴とする請求項１記載の品温制御冷凍庫であり、食品の温度を正確に検知し冷凍庫を制御することにより、食品の温度を安定的に制御することができる。
【００６１】
【数１】
0004457486.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による品温制御冷凍庫の構成を示すブロック図
【図２】  同実施の形態の食品の伝熱特性を表すための食品の熱伝達モデル図
【図３】  同実施の形態の動作を説明するためのフローチャート
【図４】  同実施の形態の動作を説明するための食品温度の変化を示す特性図
【図５】  同実施の形態の効果を説明するための食品温度の変化を示す特性図
【図６】  従来の貯蔵庫内に設置された品温センサの斜視図
【符号の説明】
１  冷凍庫
２  貯蔵庫
３  冷却手段
４  庫内温度センサ
５  庫内温度検出手段
６  食品
７ａ，７ｂ  品温センサ
８  記憶手段
９  品温演算手段
１０  冷凍庫制御手段
１１  庫内温度判定手段
１２  食品温度判定手段
１３  ＯＲ手段
１４  冷却能力アップ手段
１５  冷却制御手段
１６  品温表示手段
１７  警告手段
【図１】
0004457486.tif 000006
【図２】
0004457486.tif 000007
【図３】
0004457486.tif 000008
【図４】
0004457486.tif 000009
【図５】
0004457486.tif 000010
【図６】
0004457486.tif 000011