(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面に扉を有する断熱性の箱体で囲われた庫内に、前記箱体の背壁面に沿って、この壁面とほぼ同じ大きさの長方形の正面形状を有する冷却器を配設し、この冷却器の前面に複数個のファン及び複数段の食品棚を配設し、前記ファンから吹き出され前記冷却器を通して庫内を循環する冷却風により前記食品棚上に置かれた食品を冷凍保存する食品冷凍庫において、
前記食品を庫内に投入してから、この食品が所定温度に凍結するまでの期間を第１及び第２の２つの期間に分けて定め、前記第１の期間は前記ファンを停止又は低速運転し、前記第２の期間は前記ファンを高速運転するファン制御手段を設け、さらに、前記ファンと、このファンにより通風する前記食品棚との間に、この食品棚を通る冷却風を前記ファンごとに囲い込む風向ダクトを設け、前記ファンの運転を個別に制御するようにし、かつ、前記ファンを囲う方形の枠体と、この枠体内に前記食品棚に合わせて多段に設けた水平な仕切り板とにより、前記風向ダクトを構成したことを特徴とする食品冷凍庫。
【請求項２】
前記第１の期間は前記食品の表面温度が０℃近傍に低下するまでの期間であることを特徴とする請求項１記載の食品冷凍庫。
【請求項３】
前記第１及び第２の期間の時間設定をするタイマを設け、このタイマの信号により前記第１及び第２の期間の経過を検出して前記ファンの運転を切り換えるようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の食品冷凍庫。
【請求項４】
前記食品の表面温度を測定する温度センサを設け、この温度センサの信号により前記第１及び第２の期間の経過を検出して前記ファンの運転を切り換えるようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の食品冷凍庫。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鮮魚、生肉、加工食品などを冷凍保存する主として業務用の食品冷凍庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２〜図１４はこの種の食品冷凍庫の従来構成の一例を示すもので、図１２は冷凍庫の縦断面図、図１３はその内部の正面図、図１４は図１２における冷却器及び食品棚の上半部分の斜視図である。これらの図において、前面に扉１（図１２）を有する断熱性の箱体２で囲われた庫内に、箱体２の背壁２ａの壁面に沿って、この壁面とほぼ同じ大きさの長方形の正面形状を有する冷却器３が設置され、その前方に庫内空気を冷却器３の前面に垂直に図１２の矢印方向に送風する４台のファン４（４ａ〜４ｄ）が配置されている。
【０００３】
冷却器３の前面は上下に２分するとそれぞれがほぼ正方形になり、ファン４はこれら各正方形の対角線上に位置するように各２台ずつ設けられている。そして、ファン４と扉１との間に形成される冷凍空間５内に、複数段の食品棚６が上下方向に適宜の間隔で設置されている。図１４に示すように、板体からなる食品棚６は前端部が直角に折り曲げられて前面壁６ａが形成されて、左右端部及び後端部には前面壁６ａよりも低い周壁６ｂが折り曲げ形成されている。
【０００４】
このような冷凍庫において、図１４に矢印で示したように、ファン４からの冷却風は食品棚６に沿って前方に進むとその前面壁６ａに当たってファン４がない側に横に曲げられ、次いで箱体２の左右の側壁２ｂ又は２ｃ（図１３）に当たって冷却器３側に曲げられる。その場合、図１４において、食品棚６の前面壁６ａ及び箱体２の側壁２ｂ又は２ｃに当たってＵ字状に折り返す冷却風の向きは、対角線上で上下に位置するファン４ａと４ｂとでは互いに逆になる。
【０００５】
ここで、図１４について上記冷却風の流れを食品棚６の各段(6-1〜6-7)ごとに観察すると、真中の段6-4 を境にしてそれよりも上側の段 6-1〜6-3 及び下側の段 6-5〜6-7 では上に述べた通りであるが、上下のファン４ａ，４ｂの境目の段6-4 についてはファン４ａとファン４ｂの逆向きの流れが互いに干渉し合い、それぞれの進行が阻害されて冷却風がほとんど流れなくなる。また、ファン４ａ，４ｂからの冷却風は、中心のモータ部の影響のためほぼ円筒状の一定の広がりを持った旋回流となって吹き出され、その広がりは下流側ほど大きくなる。そのため上記のような干渉による流れの阻害現象は真中の段6-4 の上下の段6-3 及び6-5 についても程度の差はあれ存在する。更に、上述のように、ファン４ａ，４ｂは１台で数段の食品棚６に同時に通風しているため、各段に流れ込む冷却風は各食品棚６でそれぞれ異なった風量・風速になっている。
【０００６】
ところで、食品を高品質に冷凍するには、食品内部の水分を微粒子状態に凍結させ、食品の細胞組織を破壊しないようにすることが最も重要であり、それには食品の冷却速度を速くすること、つまり氷結晶の生成速度の速い最大氷結晶生成温度帯（一般食品の場合０℃〜−５℃）を短時間で通過させ、氷結晶の生成が緩慢な氷結晶成長温度帯（−５℃〜−２５℃）以下に食品を保つことが肝要である。また、食品の冷却速度は温度差と風速（風量）で決定されるから、冷却速度を速めて食品を高品質に急速冷凍するには、（１）冷却風の温度を−３０℃以下のできるだけ低温にする、（２）冷却風の風速をできるだけ大きくして食品表面での熱伝達率を高める、（３）食品の表面全体に冷却風を当てる、ことが必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような食品冷凍庫において、従来は庫内投入後における食品表面からの水分蒸発が多く、乾燥により冷凍食品の品質が低下するという問題があった。この傾向は初期温度が高いほど大きいため、加熱調理されるフライや弁当などの食品は乾燥による品質低下が起こりやすい。その対策として、食品を庫内投入前に予冷してその表面温度を常温付近まで下げておくことが考えられる。しかし、常温空気中の予冷は食品温度が常温付近になるまでに時間がかかるため、予冷中の水分蒸発が大きい。そのため、予冷専用の冷却装置が必要になり、設置場所やコスト的に問題がある。
この発明は、食品冷凍庫内での食品の乾燥を最小限に抑え、かつ、食品に対して冷却風をできる限り均等に当てることにより、高品質で効率のよい食品の冷凍保存を実現することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来は食品冷凍庫を空の状態で所定の温度（例えば−２０℃〜−４０℃）にプルダウンすると、食品を庫内に投入し、直ちにファンをフルパワーで高速運転して急速冷凍するようにしている。ところが、本願発明者らが庫内食品の乾燥について調査実験したところ、食品からの水分蒸発は主として、食品を庫内に投入した直後から大きな風速の冷却風に曝すことによることが判明した。
【０００９】
ちなみに、図７は水及び氷の温度と飽和蒸気圧との関係を示すもので、これから分かる通り、水及び氷の飽和蒸気圧は温度に大きく依存し、０℃では25℃の約1/5 、−10℃では約1/10であり、一方、60℃では25℃の約６倍大きい。水分蒸発量は飽和蒸気圧の大きさに比例するので、温度が高いほど水分蒸発量が大きくなる。
【００１０】
一方、図８〜図１１は、本願発明者らが実施した実験結果を示すものである。この実験は、常温（25℃）及び冷凍温度（-40℃）の恒温槽内で、模擬食品に風速1.0mm/s及び3.6mm/sの風を当てて行ったものである。試料（模擬食品）としては、大きさ 100×100×５0(高さ)mm,水分含有量 85wt％のスクロース寒天水溶液を厚さ10μmの樹脂フィルムでラップしたものを用い、樹脂フィルムには試料上面の中心位置において80×80mmの開口をあけた。まず図8は、5分間ずつの水分蒸発量の時間変化を風速と周囲温度とをパラメータとしてプロットしたものである。これによれば、25℃( 室温) では風速が大きいほど水分蒸発量が大きく、−40℃では初期は風速が大きいほど水分蒸発量が大きいが、一定時間後はほぼ同程度に落ち着いていることが分かる。これは庫内投入直後の食品温度が同じ場合は、風速が小さいほど水分蒸発量が少なくなることを示している。
【００１１】
次に図9は、-40℃の庫内における試料の積算水分蒸発量及び表面温度の時間変化を風速をパラメータとしてプロットしたものである。これによれば、試料表面温度が約-1.3℃となり、表面の凍結が完了する時間とその間の積算水分蒸発量とは、風速3.6m/sのときが約0.4時間で約1.23g、同じく1.0m/sのときが1.5時間で1.16gであり、風速が大きければ表面が凍結するまでの時間は短くなるものの、その間の水分蒸発量は風速が小さいときよりも大きくなることが分かる。また、図9において、表面温度が最大氷結晶生成温度帯である-1.3℃〜-5℃を通過する時間は、風速3.6m/sのときが約0.06時間、同じく1.0m/sのときが約0.22時間であり、風速が小さくなると長くなることが分かる。
【００１２】
次に図１０は、-40℃，風速3.6m/sにおける試料の内部、ここでは試料上面から12.5mmの位置及び同じく25mmの位置（試料中心）における温度降下の時間変化をプロットしたものである。これによれば、温度が最大氷結晶生成温度帯である-1.3℃〜-5℃を通過する時間は、12.5mm位置で約0.08時間、同じく25mm位置で0.13時間である。また図１１は、風速1.0m/sにおける同様の時間変化をプロットしたもので、これによれば、温度が最大氷結晶生成温度帯である-1.3℃〜-5℃を通過する時間は、12.5mm位置で約0.15時間、同じく25mm位置で0.25時間である。これらの結果から、風速が小さくなると内部温度が最大氷結晶生成温度帯を通過する時間が長くなることが分かる。
【００１３】
この発明は、上記した実験結果を踏まえ、食品の冷凍過程における乾燥をできるだけ抑えながら、最大氷結晶生成温度帯は速やかに通過させるようにして、かつ、食品に対して冷却風をできる限り均等に当てることにより、高品質の食品冷凍を実現しようとするものである。そこで、この発明は、前面に扉を有する断熱性の箱体で囲われた庫内に、前記箱体の背壁面に沿って、この壁面とほぼ同じ大きさの長方形の正面形状を有する冷却器を配設し、この冷却器の前面に複数個のファン及び複数段の食品棚を配設し、前記ファンから吹き出され前記冷却器を通して庫内を循環する冷却風により前記食品棚上に置かれた食品を冷凍保存する食品冷凍庫において、前記食品を庫内に投入してから、この食品が所定温度に凍結するまでの期間を第１及び第２の２つの期間に分けて定め、前記第１の期間は前記ファンを停止又は低速運転し、前記第２の期間は前記ファンを高速運転するファン制御手段を設け、さらに、前記ファンと、このファンにより通風する前記食品棚との間に、この食品棚を通る冷却風を前記ファンごとに囲い込む風向ダクトを設け、前記ファンの運転を個別に制御するようにし、かつ、前記ファンを囲う方形の枠体と、この枠体内に前記食品棚に合わせて多段に設けた水平な仕切り板とにより、前記風向ダクトを構成したものとする（請求項１）。
【００１４】
すなわち、前記請求項１の発明によれば、食品温度が高く、従ってその表面での飽和蒸気圧が高くて水分蒸発しやすい投入初期（第１の期間）はファンを停止するか低速運転し、庫内との温度差による熱伝達を主に利用して、水分蒸発をできるだけ抑えながら食品の冷却を図るようにすることができる。そして、前記第１の期間の経過後、食品が凍結するまでの期間（第２の期間）はファンを高速（フルパワー）運転し、風速による熱伝達を加えて急速冷凍を行う。なお、食品凍結後はその状態を維持するだけでよいので、風速を再び低下させてもよい。また、前記複数個のファンの運転を個別に制御することにより、大型の庫内をきめ細かに分割制御することが可能になり、前記構成の風向ダクトを設けることにより、食品に対する均等冷却が可能となる。
【００１５】
前記第１の期間は食品がある程度冷却されるまでの期間であるが、この期間は食品の表面温度が０℃近傍に低下するまでの期間とするのがよい（請求項２）。図７から明らかなように、食品表面温度が０℃近傍になると飽和蒸気圧は数mmHgまで低下する一方、すでに述べたように食品内部の水分を微粒子状態に凍結させて食品の細胞組織の破壊を防ぐには、氷結晶の生成速度の速い最大氷結晶生成帯( 一般食品では０〜−５℃)を短時間に通過させる必要があり、食品表面温度が最大氷結晶生成帯に差し掛かる０℃近傍に達したら、以降は前記第２の期間としてファンを高速回転させて急速冷凍を図るのがよい。
【００１６】
前記第１及び第２の期間の時間は、投入される代表食品の初期温度と重量（熱容量）、庫内温度及び予測熱伝達率から比較的容易に演算することができる。従って、この演算値を予め求めておけば、その時間経過によりファンの回転数を変えることができる。ファン運転の切り換えは手動操作でもよいが、前記第１及び第２の期間の時間を設定するタイマを設け、このタイマの信号により前記第１及び第２の期間の経過を検出してファン運転を自動切り換えすることができる（請求項３）。
【００１７】
また、食品の表面温度を測定する温度センサを設け、この温度センサの信号により前記第１及び第２の期間の経過を検出してファン運転を切り換えるようにすることができる（請求項４）。前記温度センサによれば、時間によらずに食品表面温度を直接検知してファン運転を切り換えられるので、そのタイミングの決定がより正確になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。なお、従来例と対応する部分には同一の符号を用い、かつ従来例と実質的に同一の部分は説明を簡略化するものとする。まず、図１は冷凍庫の縦断面図、図２は図１のII−II線に沿う断面図である。図１及び図２において、前面に上下に２分割された扉１を有する断熱性の箱体２で囲われた庫内に、箱体２の背壁２ａに沿って、長方形の正面形状を有する冷却器３が設置され、その前方に庫内空気を冷却器３の前面に垂直に図１の矢印方向に送風する４台のファン４（４ａ〜４ｄ）が図１３と同様の配置で設置されている。
【００１９】
ファン４の前方には複数段の食品棚６が上下方向に設置され、食品棚６上には食品７が多数載置されている。庫内には代表食品７の表面温度を測定する温度センサ８が設けられ、その信号はファンの運転を制御するファン制御装置９に入力されている。温度センサ８は食品７の表面温度を精度良く測定できれば非接触式の表面温度計でも、一般的な熱電対式の温度計でもよい。
【００２０】
図３はファン制御装置９の概略構成を示すブロック図である。図３において、ＣＰＵ１０はＲＯＭ１１に格納された制御プログラムに従い、ＲＡＭ１２に設定された制御データ及び温度センサ８からの信号に基いて、インバータからなるファン駆動部１３を介してファン４を運転制御する。図４はファン制御装置９によるファン４の運転制御の一例を模式的に示すタイムチャートである。庫内が例えば−30℃にプルダウンされた後、この庫内に例えば25℃( 常温) の食品７が投入されると、ＣＰＵ１０は温度センサ８で測定された代表食品７の表面温度が、例えば０℃に低下するまでを第１の期間（例えば約１時間）として、この間はファン４を停止するか、例えば風速が0.5m/sの低速で運転する。これにより、食品７の表面乾燥は最小限に抑えられる。
【００２１】
次いで、ＣＰＵ１０は表面温度が例えば０℃に低下したら、表面温度が庫内温度と一致する例えば−30℃に達するまでを第２の期間（例えば約３時間）として、ファン４を例えば風速が3.0m/sの高速でフルパワー運転する。その間、最初の例えば 1.5〜2.5 時間は氷結期間であり、食品表面に発生した氷結晶は微粒子状態のまま表面全体に広がり、更に内部にまで広がって食品全体が凍結する。食品全体が凍結した時点では、食品表面温度は例えば−５℃程度になる。その後、例えば1.5 〜0.5 時間で例えば−30℃まで冷凍される。第２の期間の経過後は例えば−30℃の状態に保冷され、氷結晶の成長が抑えられる。ＣＰＵ１０は第２の期間が経過して上記保冷状態に入ると、ファン４を再び例えば風速が1.0m/sの低速にして運転する。
【００２２】
上記した第１あるいは第２の期間の時間は、食品７の種類に応じて、庫内投入時の温度条件（加熱状態か常温か）や重量（熱容量）から演算することが可能であり、また食品７の初期温度や重量をパラメータとして冷却温度特性を数値化することも可能である。そこで、ファン４の運転制御は上記した食品表面温度の直接測定による他、第１あるいは第２の期間の演算結果に基いてファン運転を手動操作で変えるか、更にはＲＡＭ１２に上記冷却特性を記憶させておき、温度センサ８に代えて、図３に鎖線で示したタイマ１４及び入力手段（キーボード）１５を設け、入力手段１５からプリセットした食品７の種類、初期温度、重量などに対応してＲＡＭ１２から読み出した第１及び第２の期間をタイマ１４にセットし、そのタイムアップを待ってファン４の運転を切り換え制御することも可能である。
【００２３】
図５は異なる実施の形態を示す食品冷凍庫の縦断面図、図６はそのVI−VI線に沿う断面図である。図５及び図６において、図１及び図２の実施の形態と相違するのは、上下４台のファン４（４ａ〜４ｄ）が左右の一方側（図示は左側）に片寄せられて設置されるとともに、各ファン４とこれに通風する食品棚６との間に、風向ダクト１６が設けられ、温度センサ８はファン４ごとに設置されている点である。図１４において述べたように、上下各２台のファン４ａ，４ｂ及び４ｃ，４ｄがそれぞれ冷却器３の対角線上に配置された場合には、上下のファン４ａと４ｂの境目あるいはファン４ｃと４ｄの境目で冷却風の逆向きの流れが互いに干渉し合うが、図６に示すように全てのファン４を一方側に片寄せて配置した場合には、各ファン４ａ〜４ｄの冷却風の向きが同じになり、冷却風の流れが円滑になる。
【００２４】
一方、各ファン４ａ〜４ｄはそれぞれ４段ずつの食品棚６に対応しているが、風向ダクト１６はこれら各４段の食品棚６を通る冷却風をファン４ａ〜４ｄごとに囲い込んでいる。風向ダクト１６は、ファン４の周囲を取り巻く方形の枠体１７と、この枠体内に食品棚６に合わせて多段（図示は３段）に設けられた水平な仕切り板１８とから構成され、食品棚６と小さな隙間を介して連続していて、ファン４から吹き出されて食品棚６内でＵ字状に折り返し、再びファン４に吸い込まれる庫内空気が上下のファン４間で互いに影響し合わないように、庫内空間を区画している。
【００２５】
このような図５及び図６の食品冷凍庫は、隣接するファン４の冷却風の干渉が少なく、各食品棚６間の風量のばらつきが低減して正確な凍結管理が可能になるとともに、各ファン４は互いに独立した冷却空間を形成するので、ファン４の運転を個別に制御して、大型の庫内をきめ細かく分割制御することも可能になる。
【００２６】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、食品を庫内に投入してから、この食品が所定温度に凍結するまでの期間を第１及び第２の２つの期間に分けて定め、食品表面の飽和蒸気圧が比較的高い前記第１の期間はファンを停止又は低速運転し、前記飽和蒸気圧が低下した前記第２の期間はファンを高速運転するファン制御手段を設けることにより、食品表面からの水分の蒸発を最小限に抑えて、高品質の食品冷凍を実現することができる。また、複数個のファンの運転を個別に制御することにより、大型の庫内をきめ細かに分割制御することが可能になり、前記構成の風向ダクトを設けることにより、食品に対する均等冷却が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態を示す食品冷凍庫の縦断面図である。
【図２】  図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】  図１におけるファン制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】  図３のファン制御装置によるファンの運転制御を模式的に示すタイムチャートである。
【図５】  この発明の異なる実施の形態を示す食品冷凍庫の縦断面図である。
【図６】  図１のVI−VI線に沿う断面図である。
【図７】  水及び氷の温度と飽和蒸気圧との関係を示す線図である。
【図８】  模擬食品の食品冷凍庫内における水分蒸発量の時間変化の実験結果を示す線図である。
【図９】  模擬食品の食品冷凍庫内における積算水分蒸発量及び表面温度の時間変化の実験結果を示す線図である。
【図１０】  模擬食品の風速3.6m/sの食品冷凍庫内における内部温度の時間変化の実験結果を示す線図である。
【図１１】  模擬食品の風速1.0m/sの食品冷凍庫内における内部温度の時間変化の実験結果を示す線図である。
【図１２】  食品冷凍庫の従来例を示す縦断面図である。
【図１３】  図１２の食品冷凍庫の内部を示す正面図である。
【図１４】  図１２の食品冷凍庫の冷却風の流れを示す要部斜視図である。
【符号の説明】
１    扉
２    箱体
３    冷却器
４    ファン
６    食品棚
７    食品
８    温度センサ
９    ファン制御装置
１６    風向ダクト
１７    枠体
１８    仕切り板
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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