(57)【要約】【課題】化石燃料の使用量の削減を図ることができ、ランニングコストおよびＣＯ２排出量を抑制することが可能な殺菌システムを提供する。【解決手段】本発明にかかる殺菌システムの構成は、流体を加熱殺菌する殺菌システム１００であって、電磁コイル１０６ａを有し、電磁コイルの誘導加熱を利用して流体を加熱する高周波加熱器１０６と、冷却水を循環させて電磁コイルを冷却するコイル冷却手段１０８と、高周波加熱器より前段において、冷却水を熱源として流体を加熱するヒートポンプ加熱器１１０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を加熱殺菌する殺菌システムであって、
電磁コイルを有し、該電磁コイルの誘導加熱を利用して前記流体を加熱する高周波加熱器と、
冷却水を循環させて前記電磁コイルを冷却するコイル冷却手段と、
前記高周波加熱器より前段において、前記冷却水を熱源として前記流体を加熱するヒートポンプ加熱器と、
を備えることを特徴とする殺菌システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を加熱殺菌する殺菌システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
飲料工場等の飲食物を生産する工場では、内容物である飲料（流体）は、缶やペットボトル等の容器に充填される前に加熱殺菌が行われる。飲料を加熱殺菌する装置としては、特許文献１に開示されている連続流量可変式殺菌装置を例示することができる。特許文献１では、飲料等の被処理液体を加熱プレートに導いて加熱媒体との熱交換によって殺菌温度に加熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２８４９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１では、蒸気混合器において、加熱源であるスチームを混合することにより温度を上昇させた温水を加熱媒体として用いている。したがって、スチームを生成するボイラ等が必然的に必要となる。しかし、ボイラのように化石燃料を燃焼させる設備であると、蒸気生成時（燃焼時）にＣＯ２が発生するため環境負荷への観点において好ましくない。また、ボイラでは蒸気を生成するための化石燃料に莫大なランニングコストを要するため、コスト削減も要請されている。更に、流体（製品）の加熱に用いられた温水はドレンにて排出されるため、ドレンが持つ熱量分のエネルギーロスが生じている。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑み、化石燃料の使用量の削減を図ることができ、ランニングコストおよびＣＯ２排出量を抑制することが可能な殺菌システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明にかかる殺菌システムの代表的な構成は、流体を加熱殺菌する殺菌システムであって、電磁コイルを有し、電磁コイルの誘導加熱を利用して流体を加熱する高周波加熱器と、冷却水を循環させて電磁コイルを冷却するコイル冷却手段と、高周波加熱器より前段において、冷却水を熱源として流体を加熱するヒートポンプ加熱器と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、従来のボイラに替えて、高周波加熱器によって流体の加熱を行うことができる。これにより、殺菌システムにおける化石燃料の使用量の削減を図ることができ、ランニングコストおよびＣＯ２排出量を抑制することが可能となる。更に、上記構成ではヒートポンプ加熱器を設け、冷却水を熱源として、すなわちコイル冷却手段における電磁コイルの冷却により冷却水が得た熱によって流体の加熱を行う。これにより、コイルの冷却を行いつつ、冷却水が得た熱を廃熱とすることなく有効利用して流体の加熱効率を高めることができ、エネルギーロスの削減すなわち殺菌システム全体のエネルギー効率向上を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、化石燃料の使用量の削減を図ることができ、ランニングコストおよびＣＯ２排出量を抑制することが可能な殺菌システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態にかかる殺菌システムの構成を示す図である。
【図２】第２実施形態にかかる殺菌システムの構成を示す図である。
【図３】殺菌システムのランニングコストについて説明する図である。
【図４】ボイラからの蒸気を用いた従来の殺菌システムの構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる殺菌システムの構成を示す図である。なお、図１に示す温度は、理解を容易にするための例示であり、これに限定するものではない。また、以下の説明では、流体として飲料、特に牛乳を例示するが、これにおいても限定されず、流体は、牛乳以外の飲料であってもよいし、飲料でなくてもよい。
【００１２】
図１に示す殺菌システム１００では、流体である飲料の加熱殺菌を行う。かかる飲料として牛乳を例示すると、流体（牛乳）は、清浄化工程等の種々の処理を経た後に、上流側送液ライン１０２ａを通じて殺菌システム１００に送られる。なお、上流側送液ライン１０２ａおよび後述する下流側送液ライン１０２ｂは、実際には、繋がった１つの送液ラインであるが、説明の便宜上、後述するホールディングチューブ（以下、ＨＴＵ１２０と称する）よりも上流側を上流側送液ライン１０２ａと称し、ＨＴＵ１２０よりも下流側を下流側送液ライン１０２ｂと称する。
【００１３】
殺菌システム１００には、３つの熱交換器１０４ａ、熱交換器１０４ｂおよび熱交換器１０４ｃが並設されている（以下、これらを総称するときには熱交換器１０４と称する）。本実施形態のように流体を加熱する熱交換器１０４としては、プレート式熱交換器を好適に用いることができる。なお、熱交換器の数は例示であり、これに限定するものではない。
【００１４】
殺菌システム１００に送られた流体は、まず熱交換器１０４ｂにおいて加熱される。熱交換器１０４ｂには後述するＨＴＵ１２０を通過した１３０℃〜１４０℃（高温）の流体が下流側送液ライン１０２ｂを通じて供給されている。これにより、熱交換器１０４ｂにおいて、上流側送液ライン１０２ａからの５℃（低温）の流体と、下流側送液ライン１０２ｂからの高温の流体との熱交換が行われ、上流側送液ライン１０２ａからの流体は５０℃まで加熱される。
【００１５】
熱交換器１０４ｂを通過した流体は、次に熱交換器１０４ｃにおいて加熱される。熱交換器１０４ｃには、後述する加熱媒体循環経路１１０ｂによってヒートポンプ加熱器１１０からの加熱媒体が循環している。これにより、熱交換器１０４ｃにおいて、上流側送液ライン１０２ａからの５０℃の流体と、ヒートポンプ加熱器１１０からの加熱媒体との熱交換が行われ、上流側送液ライン１０２ａからの流体は１２６℃まで加熱される。
【００１６】
熱交換器１０４ｃを通過した流体は、更に高周波加熱器１０６において加熱される。高周波加熱器は、電磁コイル１０６ａを有し、その誘導加熱（IH:Induction Heating）を利用して流体を加熱する。本実施形態では、高周波加熱器１０６内における上流側送液ライン１０２ａ近傍に発熱体１０６ｂを配置している。これにより、電源（不図示）から電磁コイル１０６ａに高周波の交流電力が供給されるとその周囲に磁場が形成される。かかる磁場が発熱体１０６ｂに印加されると、電磁誘導により渦電流が流れて発熱体１０６ｂが発熱し、その熱によって発熱体１０６ｂ近傍の上流側送液ライン１０２ａを通過する流体が加熱される。このような構成により、高周波加熱器１０６によって流体の加熱を行うことができ、従来のようにボイラを用いた場合と比較し、化石燃料の使用量の大幅な削減、ひいてはランニングコストおよびＣＯ２排出量を抑制することが可能となる。
【００１７】
なお、本実施形態においては、高周波加熱器１０６内の上流側送液ライン１０２ａ近傍に発熱体１０６ｂを配置したが、これに限定するものではない。例えば、上流側送液ライン１０２ａ全体や、高周波加熱器１０６内における上流側送液ライン１０２ａのみを、磁性材料を含む配管とすれば配管そのものが発熱することとなるため、発熱体１０６ｂを設ける必要がない。
【００１８】
ところで高周波加熱器１０６では、発熱体１０６ｂばかりではなく、電磁コイル１０６ａも発熱してしまう。そこで電磁コイル１０６ａを冷却するために、電磁コイル１０６ａの近傍にはコイル冷却手段１０８が配置されている。コイル冷却手段１０８は端的には循環配管であって、その中にはポンプ１０８ａを動力として冷却水が循環している。これにより、冷却水が熱を奪って電磁コイル１０６ａが冷却される。一方、熱を得た冷却水は、ヒートポンプ加熱器１１０における熱源となる。
【００１９】
ヒートポンプ加熱器１１０は、高周波加熱器１０６より前段の熱交換器１０４ｃにおいて、冷却水を熱源として流体を加熱する。詳細には、ヒートポンプ加熱器１１０は、内部の一次冷媒循環経路１１０ａに一次冷媒が循環していて、かかる一次冷媒循環経路１１０ａ上に、蒸発器１１２、圧縮手段１１４、凝縮器１１６および膨張手段１１８が設けられている。
【００２０】
蒸発器１１２は、一次冷媒と、コイル冷却手段１０８を循環する冷却水との熱交換を行う。この熱交換により、一次冷媒は、電磁コイル１０６ａの冷却により冷却水が得た熱を吸熱して蒸発し、冷却水は一次冷媒に放熱して冷却される。蒸発器１１２での熱交換後の一次冷媒は、圧縮手段１１４において電力を利用して圧縮されることにより高圧状態となって高熱を発する。一方、蒸発器１１２での熱交換後の冷却水は、コイル冷却手段１０８を循環して電磁コイル１０６ａの冷却に再度用いられる。
【００２１】
圧縮手段１１４で圧縮された一次冷媒は、凝縮器１１６において加熱媒体循環経路１１０ｂを循環する加熱媒体との熱交換を行う。これにより、一次冷媒は、加熱媒体に放熱して凝縮し、膨張手段１１８において減圧状態とされて膨張冷却された後、再度蒸発器１１２における冷却水との熱交換を行う。
【００２２】
一方、凝縮器１１６における一次冷媒との熱交換により、加熱媒体は一次冷媒の熱を吸熱して加熱される。加熱された加熱媒体は、加熱媒体循環経路１１０ｂを循環して、高周波加熱器１０６より前段の熱交換器１０４ｃに送られ、上流側送液ライン１０２ａの流体と熱交換を行い、これを加熱する。その後、加熱媒体は、加熱媒体循環経路１１０ｂを循環し、再度凝縮器１１６において一次冷媒との熱交換を行う。
【００２３】
したがって、本実施形態のようにヒートポンプ加熱器１１０を設ければ、一次冷媒および加熱媒体を介した冷却水との間接的な熱交換により、冷却水を熱源として流体の加熱を行うことができる。これにより、電磁コイル１０６ａの冷却を行いつつ、それの冷却により冷却水が得た熱を廃熱とすることなく有効利用して流体の加熱効率を高めることができる。故に、エネルギーロスを削減し、殺菌システム１００全体のエネルギー効率向上を図ることが可能となる。
【００２４】
上述したように、上流側送液ライン１０２ａを通過する流体は、熱交換器１０４ｂおよび１０４ｃにより徐々に加熱（予熱）され、高周波加熱器１０６において加熱されることにより温度が１３０℃〜１４０℃、すなわち殺菌温度に到達する。高周波加熱器１０６において殺菌温度に達した流体は、ＨＴＵ１２０において所定時間（例えば２秒）保持されることにより、殺菌温度が維持されて殺菌が促進される。
【００２５】
ＨＴＵ１２０を通過した流体は、下流側送液ライン１０２ｂを通過して、上述したように熱交換器１０４ｂにおいて上流側送液ライン１０２ａからの流体と熱交換を行い、６０℃まで冷却される。熱交換器１０４ｂにおいて熱交換を行った流体は、熱交換器１０４ａにおいて、チラー水循環経路１３０ａを通じてチラー１３０からの供給されるチラー水と熱交換を行う。これにより、下流側送液ライン１０２ｂの流体は所定温度（例えば１０℃）まで冷却され、充填工程等の次工程に送られる。
【００２６】
上記説明したように、第１実施形態にかかる殺菌システム１００によれば、従来のボイラに替えて高周波加熱器１０６を用いて流体の加熱を行うことにより、殺菌システム１００における化石燃料の使用量の削減を図り、ランニングコストおよびＣＯ２排出量を抑制することが可能となる。またヒートポンプ加熱器１１０を設けることにより、電磁コイル１０６ａの冷却により冷却水が得た熱を流体の加熱に用いることができ、電磁コイル１０６ａの冷却を行いつつ、廃熱の有効利用による流体の加熱効率向上ひいては殺菌システム１００全体のエネルギー効率向上を図ることが可能となる。
【００２７】
図２は、第２実施形態にかかる殺菌システムの構成を示す図である。図２に示す第２実施形態の殺菌システム２００は、加熱媒体循環経路１１０ｂを循環する加熱媒体が熱交換器１０４ｂにおいて上流側送液ライン１０２ａを通過する流体と熱交換を行い、ＨＴＵ１２０を通過した流体は熱交換器１０４ｃにおいて上流側送液ライン１０２ａを通過する流体と熱交換を行う点で第１実施形態の殺菌システム１００と異なる。このような構成であっても、上述した殺菌システム１００と同様の利点を得ることができる。また、コイル冷却手段１０８の冷却水から得られる熱量が少ない場合に有益である。
【００２８】
次に、図３および図４を用いて、本実施形態にかかる殺菌システムの効果について説明する。図３は、殺菌システムのランニングコストについて説明する図であり、図３（ａ）は高周波加熱器１０６を単体で備える殺菌システムのランニングコストを説明する図であり、図３（ｂ）は高周波加熱器１０６およびヒートポンプ加熱器１１０を備える本実施形態の殺菌システム１００のランニングコストを説明する図である。図４は、ボイラからの蒸気を用いた従来の殺菌システムの構成を説明する図である。なお、上述した殺菌システム１００と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また図４に示す温度等の数値はいずれも理解を容易にするための例示である。
【００２９】
図４に示すように、従来の殺菌システム１０では、流体は、上流側送液ライン１２ａを通じて殺菌システム１０に送られ、熱交換器１４ｂおよび１４ｃにおいて、下流側送液ライン１２ｂを通過する高温の流体と熱交換を行うことにより加熱（予熱）される。熱交換器１４ｃより後段の熱交換器１４ｄには、熱水製造装置１６においてボイラ（不図示）からの蒸気を用いて生成された熱水が熱水供給経路１６ａを通じて供給されていて、熱交換器１４ｂおよび１４ｃにおいて加熱された流体は、かかる熱水と熱交換を行うことにより殺菌温度まで加熱される。殺菌温度まで加熱された流体は、熱交換器１４ｃおよび１４ｂの順に、上流側送液ライン１２ａを通過する流体との熱交換を行うことにより冷却される。その後、流体は、熱交換器１４ａにおいてチラー水循環経路１３０ａから供給されるチラー１３０のチラー水と熱交換を行うことにより、所定温度まで冷却されて次工程に送られる。
【００３０】
上述した図４に示す殺菌システム１０において、流体の処理量を１０ｔ／ｈｒ、熱交換器１４ｄにおいて１２６℃の流体を１３０℃まで加熱すると仮定した場合、熱交換器１４ｄにおいて流体の加熱に必要な仕事量（加熱必要仕事量）は、４６．５ｋＷと算出される（図４の式１）。更に、ボイラにおける効率を０．５、重油１Ｌを燃焼させて得られるエネルギー量を８７７９ｋｃａｌ、重油の１Ｌの値段を６０円と仮定すると、上記条件下における殺菌システム１０のランニングコストは、５４７円／ｈｒとなる（図４の式２）。
【００３１】
一方、図３（ａ）に示す高周波加熱器１０６のみを備える殺菌システムにおいて上記と同様の加熱必要仕事量４６．５ｋＷを処理する場合（流体の処理量１０ｔ／ｈｒ、１２６℃の流体を１３０℃まで加熱）、高周波加熱器１０６の全体効率を０．７と仮定すると、必要仕事量４６．５ｋＷの処理に要する電力量は６６．４ｋｗとなる。この電力量におけるランニングコストを上述した重油の条件を用いて算出すると、５５８円／ｈｒとなる（図３（ａ）の式３）。したがって、殺菌システムの最後段における加熱源を単にボイラから高周波加熱器１０６に置き換えるだけでは、殺菌システムのボイラレス化は達成できるものの、ランニングコストの削減には至らない。
【００３２】
上記２つの殺菌システムに対し、図３（ｂ）は、高周波加熱器１０６およびヒートポンプ加熱器１１０を備える第１実施形態の殺菌システム１００である。高周波加熱器１０６で必要とする電力量をＡ、高周波加熱器１０６の全体効率を０．７、殺菌システム１００のＣＯＰを３、冷却水を用いた１０６ａの水冷による熱量の回収量（熱源としての熱量）を高周波加熱器１０６の仕事量×０．２と仮定すると、殺菌システム１００では、高周波加熱器１０６の仕事量０．７Ａ（電力量Ａ×効率０．７）と、冷却水による回収分０．１４Ａ（１０６の仕事量０．７Ａ×０．２）と、ヒートポンプ加熱器１１０における電力量０．０７Ａ（冷却水１１０の回収量０．１４Ａ×１／２）とによって、加熱必要仕事量４６．５ｋＷを賄うこととなる（図３（ｂ）の式４）。かかる式４から、高周波加熱器１０６への電力量Ａは５１．１ｋｗ、ヒートポンプ加熱器１１０への電力量０．０７Ａは３．５８ｋｗと算出され、殺菌システム１００における電力量は５４．６８ｋｗとなる。したがって、殺菌システム１００における電力量は図３（ａ）のように高周波加熱器１０６単体の場合と比較して８２．３％程度まで削減されていることがわかる。
【００３３】
そして、上記計算した電力量における殺菌システム１００のランニングコストを既出の条件を用いて算出すると、４５９円／ｈｒとなる。したがって、殺菌システム１００によれば、図４に示す殺菌システム１０のようにボイラを用いた従来の殺菌システムや、高周波加熱器１０６のみを備える図３（ａ）の殺菌システムと比較し、ランニングコストの削減を図れることが理解できる。
【００３４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、流体を加熱殺菌する殺菌システムとして利用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０…殺菌システム、１２ａ…上流側送液ライン、１４ａ…熱交換器、１４ｂ…熱交換器、１４ｃ…熱交換器、１４ｄ…熱交換器、１６ａ…熱水供給経路、１００…殺菌システム、１０２ａ…上流側送液ライン、１０２ｂ…下流側送液ライン、１０４…熱交換器、１０４ａ…熱交換器、１０４ｂ…熱交換器、１０４ｃ…熱交換器、１０６…高周波加熱器、１０６ａ…電磁コイル、１０６ｂ…発熱体、１０８…コイル冷却手段、１０８ａ…ポンプ、１１０…ヒートポンプ加熱器、１１０ａ…一次冷媒循環経路、１１０ｂ…加熱媒体循環経路、１１２…蒸発器、１１４…圧縮手段、１１６…凝縮器、１１８…膨張手段、１２０…ＨＴＵ、１３０…チラー、１３０ａ…チラー水循環経路、２００…殺菌システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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