(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に配置された複数のチューブに液体と固形物の混合物を分配して流動させる方法であって，
前記混合物の逆流を発生させ，逆流した前記混合物を吸収し，その後吸収した前記混合物を徐々に戻すことにより，チュ−ブ入口での固形物の滞留を防止することを特徴とする，混合物の流動方法。
【請求項２】
前記チューブは，熱媒を流通可能なシェルアンドチューブ熱交換器の外胴内に配置されていることを特徴とする，請求項１の混合物の流動方法。
【請求項３】
並列に配置された複数のチューブに液体と固形物の混合物を分配して流動させる装置であって，
前記複数のチューブに混合物を流動させる送液手段と，前記複数のチューブの下流において加圧することにより混合物の逆流を発生させる逆流発生手段と，前記複数のチューブの上流において混合物の逆流を吸収するバッファ手段を備えることを特徴とする，混合物の流動装置。
【請求項４】
前記チューブは，熱媒を流通可能なシェルアンドチューブ熱交換器の外胴内に配置されていることを特徴とする，請求項３の混合物の流動装置。
【請求項５】
前記シェルアンドチューブ熱交換器が直列に複数配置されていることを特徴とする，請求項４の混合物の流動装置。
【請求項６】
前記バッファ手段と逆流発生手段の間に１又は２以上のシェルアンドチューブ熱交換器が配置されていることを特徴とする，請求項４又は５の混合物の流動装置。
【請求項７】
前記送液手段は，前記バッファ手段の上流にて一定流量で送液する供給ポンプと，前記逆流発生手段の下流にて一定流量で送液する排出ポンプを備えることを特徴とする，請求項３，４，５又は６のいずれかの混合物の流動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，シェルアンドチューブ熱交換器の外胴内において並列に配置されている複数のチューブなどに，例えば果肉入り飲料の如き液体と固形物の混合物を分配して流動させる方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばジュースやスープなどの飲料を工業的に製造する場合，オーミック加熱やマイクロ波を利用した加熱殺菌機などにより飲料を加熱殺菌するのが一般的である。しかしながら，これらの加熱殺菌機はランニングコストが高く殺菌能力を大きくし難い。一方，シェルアンドチューブ熱交換器などと呼ばれる外胴内に複数のチューブを配置した構成の多管式熱交換器は，正確な殺菌温度の制御が容易にでき，また低ランニングコストで連続的に送液しながら殺菌できるので，飲料などの殺菌には多管式熱交換器が広く利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，例えば果肉入りジュースなどのように液体と固形物の混合物を多管式熱交換器のチューブに分配して流動させる場合，チューブ入口に固形物が滞留して詰まり，チューブ内への流動を妨げたり，あるいは詰まらないまでも流動速度が低下するためチューブ内を流れる時間が長くなって，固形物が焦げる等の熱変性をうけてしまう結果となる。
【０００４】
かかる事態を避けるため，搬送パイプにフィンや撹拌プロペラなどを設置し，強制的に送液させることも考えられるが，このようなフィンや撹拌プロペラなどの設置だけでは，チューブ入口での固形物の滞留を完全に防止することは非常に困難である。
【０００５】
従って本発明の目的は，シェルアンドチューブ熱交換器の外胴内において並列に配置されている複数のチューブなどに混合物を分配して流動させるに際し，チューブ入口での固形物の滞留を防止できる方法と装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，請求項１にあっては，並列に配置された複数のチューブに液体と固形物の混合物を分配して流動させる方法であって，前記混合物の逆流を発生させ，逆流した前記混合物を吸収し，その後吸収した前記混合物を徐々に戻すことにより，チュ−ブ入口での固形物の滞留を防止することを特徴としている。
【０００７】
この請求項１の流動方法において，請求項２に記載したように，前記チューブは，例えば熱媒を流通可能なシェルアンドチューブ熱交換器の外胴内に配置されている。
【０００８】
これら請求項１，２の流動方法において，混合物とは，例えば果肉入りジュースなどのような飲料であり，その他飲料以外の液体（粘性物，ゾル等を含む）と固形物（繊維などを含む）の混合物も含む。これら請求項１，２の流動方法にあっては，混合物の逆流を発生させることにより，チュ−ブ入口に滞留した固形物をチュ−ブ入口から剥離させて液体中に分散させることができる。こうして，固形物を液体中に分散させた状態で流動が再開されることにより，固形物の閉塞などを防止しながらシェルアンドチューブ熱交換器のチューブなどに混合物を円滑に分配して流動させることができるようになる。
【０００９】
請求項３にあっては，並列に配置された複数のチューブに液体と固形物の混合物を分配して流動させる装置であって，前記複数のチューブに混合物を流動させる送液手段と，前記複数のチューブの下流において加圧することにより混合物の逆流を発生させる逆流発生手段と，前記複数のチューブの上流において混合物の逆流を吸収するバッファ手段を備えることを特徴としている。
【００１０】
この請求項３の流動装置において，請求項４に記載したように，前記チューブは，例えば熱媒を流通可能なシェルアンドチューブ熱交換器の外胴内に配置されている。また請求項５に記載したように，前記シェルアンドチューブ熱交換器が直列に複数配置されていても良い。更に請求項６に記載したように，前記バッファ手段と逆流発生手段の間に１又は２以上のシェルアンドチューブ熱交換器が配置されている。また請求項７に記載したように，前記送液手段は，前記バッファ手段の上流にて一定流量で送液する供給ポンプと，前記逆流発生手段の下流にて一定流量で送液する排出ポンプを備えている。
【００１１】
これら請求項３〜７の流動装置にあっては，逆流発生手段で加圧することによって混合物の逆流を発生させることができ，この逆流によってチュ−ブ入口に滞留した固形物をチュ−ブ入口から剥離させて液体中に分散させることができる。また一方，このように発生した混合物の逆流をバッファ手段によって吸収することが可能である。こうして，固形物を液体中に分散させた状態で流動が再開されることにより，固形物の閉塞などを防止しながらシェルアンドチューブ熱交換器などのチューブに混合物を円滑に分配して流動させることができるようになる。
【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参照して説明する。図１は，本発明の実施の形態にかかる混合物の流動装置１の説明図である。
【００１３】
加熱部１０と冷却部１１が隣接して配置されており，加熱部１０には複数の加熱用のシェルアンドチューブ熱交換器１２（以下「熱交換器１２」という）がパイプ１３を介して直列に接続して設けられており，同様に冷却部１１には複数の冷却用のシェルアンドチューブ熱交換器１５（以下「熱交換器１５」という）がパイプ１６を介して直列に接続して設けられている。加熱部１０と冷却部１１はホールドチューブ１７で接続されており，加熱部１０において熱交換器１２とパイプ１３を交互に送液された混合物ａは，このホールドチューブ１７を経て冷却部１１に送液され，更に冷却部１１において熱交換器１５とパイプ１６を交互に送液されるようになっている。
【００１４】
加熱部１０の上流には供給パイプ２０を介してタンク２１が接続されている。このタンク２１内には，例えば果肉入りジュースなどの如き液体と固形物の混合物ａが溜められている。供給パイプ２０の最上流端はタンク２１の下面に接続されており，タンク２１内の混合物ａが供給パイプ２０内に流入するようになっている。供給パイプ２０には一定流量で混合物ａを送液する供給ポンプ２２が介装されており，この供給ポンプ２２の稼働により，タンク２１内の混合物ａは，供給パイプ２０内を一定流量で送液されて，加熱部１０に向かって送液されるようになっている。
【００１５】
供給ポンプ２２と加熱部１０の間において供給パイプ２０から分岐するように設けられた分岐パイプ２５には，バッファ手段としてのバッファタンク２６が設けられており，このバッファタンク２６内の空気は給排気管２７を経て給排気制御機構２８に吸収されている。後述するように，混合物ａの逆流が発生して供給パイプ２０内が加圧された場合は，混合物ａは供給パイプ２０内から分岐パイプ２５を経てバッファタンク２６内に流れ込むようになっている。
【００１６】
冷却部１１の下流には排出パイプ３０が接続されており，冷却部１１を経た混合物ａがこの排出パイプ３０内に流入して送液されるようになっている。排出パイプ３０には，先に説明した供給ポンプ２２と等しい一定流量で混合物ａを送液する排出ポンプ３２が介装されており，この排出ポンプ３２の稼働により，冷却部１１を経た混合物ａは，排出パイプ３０内を一定流量で送液されて，適宜次の工程に送液されるようになっている。
【００１７】
排出ポンプ３２と冷却部１１の間において排出パイプ３０から分岐するように設けられた分岐パイプ３５には，逆流発生手段としての逆流ポンプ３６が設けられており，この逆流ポンプ３６はアクチュエーター３７によって駆動されている。逆流ポンプ３６は，例えばピストンやダイアフラムの往復動によって混合物ａを加圧し，排出パイプ３０内において混合物ａの逆流を発生させるプランジャーポンプなどである。アクチュエーター３７は油圧装置，空圧装置，送りねじ機構などであり，逆流を発生させるのに必要な駆動を逆流ポンプ３６に与えられるものであれば良く，速度調整ができるものであることが好ましい。
【００１８】
図２は，加熱部１０に設けられている熱交換器１２と，冷却部１１に設けられている熱交換器１５の説明図であり，図３は，熱交換器１２と熱交換器１５の縦断面図である。なお，熱交換器１２と熱交換器１５は同様の構造を有しているので，便宜上同一の図面で説明する。
【００１９】
熱交換器１２，１５は，いずれも複数のチューブ４０を外胴４１内に並列に配置した構成になっている。各チューブ４０はヘッダー４２，４３間を接続するように設けられており，ヘッダー４２に流入した混合物ａが，各チューブ４０内に分配されて図２中の右向きに流れ，ヘッダー４３に流入するようになっている。また外胴４１の上下面には熱媒の給排口４４，４５がそれぞれ形成されている。
【００２０】
そして加熱部１０では，熱交換器１２において給排口４５から給排口４４を通じて高温の熱媒を外胴４１内に流通させることにより，外胴４１内は常に所望の高温度の熱媒で満たされており，チューブ４０の表面には常に高温の熱媒が接触してチューブ４０は高温に加熱されている。そして，これにより，加熱部１０では，混合物ａは各チューブ４０内を流れる間に所望の高温度に加熱されて殺菌されるようになっている。
【００２１】
一方，冷却部１１では，熱交換器１５において給排口４４から給排口４５を通じて低温の熱媒を外胴４１内に流通させることにより，外胴４１内は常に所望の低温度の熱媒で満たされており，チューブ４０の表面には常に低温の熱媒が接触してチューブ４０は低温に冷却されている。そして，これにより，冷却部１０では，混合物ａは各チューブ４０内を流れる間に所望の低温度に冷却されるようになっている。
【００２２】
さて，以上のように構成された流動装置１において，供給ポンプ２２と排出ポンプ３２を稼働させる。これにより，タンク２１内の混合物ａは，供給パイプ２０内を一定流量で送液されて，先ず加熱部１０において熱交換器１２とパイプ１３を交互に送液される。そして加熱部１０では，混合物ａは各熱交換器１２のチューブ４０内を流れる間に所望の高温度に加熱されて殺菌される。こうして加熱部１０において殺菌された混合物ａは，ホールドチューブ１７を経て，次に冷却部１１において熱交換器１５とパイプ１６を交互に送液される。そして冷却部１１では，混合物ａは各熱交換器１５のチューブ４０内を流れる間に所望の低温度に冷却される。こうして殺菌及び冷却が終了した混合物ａは，排出パイプ３０内を一定流量で送液されて，適宜次の工程に送液されることとなる。
【００２３】
ここで，例えば果肉入りジュースなどの如き液体と固形物の混合物ａを送液する場合，各熱交換器１２，１５において，チューブ４０の入口に固形物が滞留して詰まり，チューブ４０内への混合物ａの流動を妨げたり，あるいは詰まらないまでも混合物ａの流動速度が低下するためチューブ４０内を流れる時間が長くなる心配がある。特に加熱用の熱交換器１２の場合，チューブ４０内を流れる時間が長くなると，固形物が焦げる等の熱変性をうけてしまう心配がある。
【００２４】
そこでこの流動装置１では，逆流ポンプ３６の稼働によって混合物ａを加圧し，混合物ａの逆流を発生させる。すると，冷却部１１では，排出パイプ３０から混合物ａが逆流してくることにより，各交換器１５とパイプ１６を流れる混合物ａに逆流が発生し，同様に加熱部１０では，各熱交換器１２とパイプ１３を流れる混合物ａに逆流が発生する。そして，この逆流によって各熱交換器１２，１５のチューブ４０入口に滞留した固形物をチュ−ブ４０入口から剥離させてヘッダー４２に満たされた混合物ａ中に分散させることができる。また一方，このように混合物ａの逆流が発生した場合は，供給パイプ２０内が加圧されて，混合物ａは供給パイプ２０内から分岐パイプ２５を経てバッファタンク２６内に流れ込むこととなる。
【００２５】
こうして，固形物を混合物ａ中に分散させた状態で流動が再開されることにより，各熱交換器１２，１５のチューブ４０入口での固形物の閉塞などを防止しながら各熱交換器１２，１５に混合物ａを円滑に流動させることができ，混合物ａの殺菌が連続的に行われるようになる。なお，逆流ポンプ３６の稼働によって発生した混合物ａの逆流は，バッファタンク２６によって吸収されるので，供給ポンプ２２による送液には影響を及ぼさない。このためタンク２１内の混合物ａは，供給ポンプ２２の稼働により供給パイプ２０内に常に一定流量で送液されることとなる。また，各熱交換器１２，１５にて殺菌及び冷却が終了した混合物ａは，排出ポンプ３２の稼働により排出パイプ３０から常に一定流量で排出されて，適宜次の工程に送液されることとなる。なお，バッファタンク２６に吸収した混合物ａは，混合物ａの流動が再開された際に，給排気制御機構２８の気圧を制御して徐々に供給パイプ２０内に戻すことにより，流動装置１内の圧力を安定させることが望ましい。このように，図示の流動装置１によれば，逆流によって各熱交換器１２，１５のチューブ４０入口での固形物の閉塞などを防止しつつも，常に一定の流量でタンク２１内の混合物ａを流動装置１に供給でき，また排出パイプ３０から常に一定流量で混合物ａを排出させることが可能となる。
【００２６】
以上，本発明の好ましい実施の形態を例示したが，本発明はここに説明した形態に限定されない。例えば図４に示す流動装置２のように，各熱交換器１２，１５の入口に攪拌機構５０を設けても良い。この場合，攪拌機構５０は，図５に示すように，両端開口の中空円筒形状をなすパイプ本体５１の内面に，複数枚（図示の形態では４枚）の螺旋状のフィン５２を設けた構成とすると良い。なお，図４に示す流動装置２は，各熱交換器１２，１５の入口に攪拌機構５０を設けた点を除けば，先に図１〜３で説明した流動装置１と同様の構成を有するため，共通の符号を付することにより重複説明を省略する。このような攪拌機構５０を用いることにより，パイプ本体５１の入口側５１ａから出口側５１ｂに向かって流れる混合物ａに対して旋回流を生じさせることができ，それに伴って混合物ａを攪拌して固形物の滞留を少なくし，固形物の滞留を除去するタイミングを延長することが可能となる。これにより，逆流ポンプ３６を稼働させる間隔を延ばすことができるようになる。
【００２７】
また，図１，４ではいずれも複数の熱交換器１２，１５を直列に接続した例を示したが，必ずしも複数の熱交換器１２，１５を備えている必要はなく，例えば図６に示す流動装置３のように，一台の熱交換器１２（又は１５）のみを備えていても良い。なお，図６に示す流動装置３は，一台の熱交換器１２（又は１５）のみを備えている点を除けば，先に図１〜３で説明した流動装置１と同様の構成を有するため，共通の符号を付することにより重複説明を省略する。このように一台の熱交換器１２（又は１５）のみについても同様に，熱交換器１２（又は１５）のチューブ４０入口での固形物の閉塞などを防止しながら熱交換器１２（又は１５）に混合物ａを円滑に流動させることができ，混合物ａの加熱（又は冷却）が連続的に行われるようになる。
【００２８】
また例えば，図１や図４に示した流動装置１，２において，バッファタンク２６に接続している分岐パイプ２５を，供給パイプ２０ではなくて，ホールドチューブ１７の位置に接続することにより，冷却部１１だけにおいて混合物ａを逆流させても良い。この場合，加熱部１０に設けられる熱交換器１２は，シェルアンドチューブ熱交換器ではない他の種類の熱交換器を利用しても良い。また例えば，図１や図４に示した流動装置１，２において，逆流ポンプ３６に接続している分岐パイプ３５を，排出パイプ３０ではなくて，ホールドチューブ１７の位置に接続することにより，加熱部１０だけにおいて混合物ａを逆流させても良い。この場合も同様に，冷却部１１に設けられる熱交換器１５は，シェルアンドチューブ熱交換器ではない他の種類の熱交換器を利用しても良い。
【００２９】
なお，流動装置１，２のいずれにおいても，逆流ポンプ３６の駆動による逆流は定期的に発生させても良いし，不定期でも良い。また，混合物ａは，果肉入りジュースなどの他，任意の液体と固形物を混合させたものであっても良い。
【００３０】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
（実施例１）角切りニンジンの連続殺菌
カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の０．５％水溶液に，５ｍｍ角のニンジンを１０％分散させた混合物を加熱部での圧力０．３ＭＰａ，排出量３００リットル／ｈの条件で連続殺菌した。逆流は約２０秒毎に発生させた。図１中の（イ），（ロ），（ハ），（ニ）の各位置に配置した観測窓で観察した結果，混合物の逆流が確認された。また，殺菌終了後の装置洗浄時において固形物の流出は確認されず，更に洗浄後の分解でも固形物の残存は確認されなかった。殺菌中の固形物の詰まりは除去されていることを確認した。
【００３１】
一方，逆流発生により殺菌時の温度が安定しないことが考えられるので，図１中の（ホ），（ヘ），（ト），（チ）の各位置に配置した温度センサーで混合物の温度を測定した。その結果，図７に示すように，逆流発生の前後での温度変動は小さく，特に重要なホールドチューブ入口での温度は殆ど変動しなかった。なお，図１中の（リ）の位置に配置した圧力センサーで測定した混合物の圧力変化を図７に併せて示した。
【００３２】
（実施例２）みかん顆粒の連続殺菌
カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の０．５％水溶液に，みかん顆粒を３０％分散させた混合物を，加熱部での圧力０．２ＭＰａ，排出量３００リットル／ｈの条件で連続殺菌した。逆流は約２０秒毎に発生させた。同様に観測窓で観察した結果，逆流が確認され，また，殺菌終了後の装置洗浄時において固形物の流出，洗浄後の分解における固形物の残存は確認されず，殺菌中の固形物の詰まりは除去されていることを確認した。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１〜７によれば，混合物の逆流でチュ−ブ入口に滞留した固形物を分散させることができ，固形物の閉塞等を防止しながらシェルアンドチューブ熱交換器のチューブなどに混合物を分配して円滑に流動させることができる。このため，混合物を安定して連続的に殺菌などができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる流動装置の説明図である。
【図２】熱交換器の説明図である。
【図３】熱交換器の縦断面図である。
【図４】各熱交換器の入口に攪拌機構を設けた流動装置の説明図である。
【図５】パイプ本体の内面に螺旋状のフィンを設けた攪拌機構の斜視図である。
【図６】一台の熱交換器のみを備える流動装置の説明図である。
【図７】本発明の実施例における各温度と圧力の経時的変化を示すグラフである。
【符号の説明】
ａ    混合物
１，２，３    流動装置
１０  加熱部
１１  冷却部
１２，１５  熱交換器
１３，１６  パイプ
２０  供給パイプ
２１  タンク
２２  供給ポンプ
２５  分岐パイプ
２６  バッファタンク
２７  給排気管
２８  給排気制御機構
３０  排出パイプ
３２  排出ポンプ
３５  分岐パイプ
３６  逆流ポンプ
３７  アクチュエーター
４０  チューブ
４１  外胴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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