(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
乾燥室(２)内に収容され、被乾燥体(11)を載置可能に構成した乾燥棚(７)と、この乾燥棚(７)の上方に配置される加熱板(15)とを備え、
上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とを電導性材料で構成するとともに、上記の被乾燥体(11)を絶縁材料で形成した容器(12)に収容し、
上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とを静電容量測定装置(10)に電気的に接続して、上記乾燥棚(７)と加熱板(15)との間の静電容量を測定可能に構成し、
上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とをそれぞれ上下多段に構成して、各乾燥棚(７)の上方にそれぞれ上記の加熱板(15)を配置し、
上記の乾燥棚(７)の各段を、他の段の乾燥棚(７)と電気的に導通した状態と絶縁した状態とに切換え可能に構成し、絶縁状態では各乾燥棚(７)とその近傍の加熱板(15)との間の静電容量を測定可能に構成し、導通状態では複数の乾燥棚(７)と加熱板(15)との間の静電容量を測定可能に構成したことを特徴とする、乾燥装置。
【請求項２】
上記の絶縁状態では、上記の他の段の乾燥棚(７)を接地してガード電極に構成した、請求項１に記載の乾燥装置。
【請求項３】
乾燥室(２)内に収容され、被乾燥体(11)を載置可能に構成した乾燥棚(７)と、この乾燥棚(７)の上方に配置される加熱板(15)とを備え、
上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とを電導性材料で構成するとともに、上記の被乾燥体(11)を絶縁材料で形成した容器(12)に収容し、
上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とを静電容量測定装置(10)に電気的に接続して、上記乾燥棚(７)と加熱板(15)との間の静電容量を測定可能に構成し、
上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とをそれぞれ上下多段に構成して、各乾燥棚(７)の上方にそれぞれ上記の加熱板(15)を配置し、
上記の加熱板(15)の各段を、他の段の加熱板(15)と電気的に導通した状態と絶縁した状態とに切換え可能に構成し、絶縁状態では各加熱板(15)とその近傍の乾燥棚(７)との間の静電容量を測定可能に構成し、
導通状態では複数の加熱板(15)と乾燥棚(７)との間の静電容量を測定可能に構成したことを特徴とする、乾燥装置。
【請求項４】
上記の絶縁状態では、上記の他の段の加熱板(15)を接地してガード電極に構成した、請求項３に記載の乾燥装置。
【請求項５】
上記の乾燥棚(７)を複数の棚部分(19)に電気的に区画して、各棚部分(19)とその近傍の加熱板(15)との間の静電容量を測定可能に構成した、請求項１から４のいずれか１項に記載の乾燥装置。
【請求項６】
上記の加熱板(15)を複数の板部分に電気的に区画して、各板部分とその近傍の乾燥棚(７)との間の静電容量を測定可能に構成した、請求項１から４のいずれか１項に記載の乾燥装置。
【請求項７】
上記の乾燥室(２)の周壁(３)を接地して、この周壁(３)をガード電極に構成した、請求項１から６のいずれか１項に記載の乾燥装置。
【請求項８】
上記の乾燥室(２)内を、減圧若しくは真空状態に調節可能に構成した、請求項１から７のいずれか１項に記載の乾燥装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、凍結乾燥食品などを乾燥するための乾燥装置に関し、さらに詳しくは、乾燥状態や乾燥終点を正確に把握して、効率よく且つ確実に乾燥でき、しかも安価に実施できる乾燥装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に食品等の凍結乾燥品は、凍結された被乾燥体が乾燥室内に収容され、乾燥室内を真空状態にして、凍結している含有水分を昇華させることにより乾燥される。このとき、通常、乾燥室内では上記の被乾燥体が乾燥棚に載置され、各乾燥棚の上方に配置した加熱板からの輻射熱により加熱されることで、上記の凍結水分が昇華していく。
【０００３】
上記の被乾燥体の乾燥状態の把握や目的含水率に達した時点(即ち、乾燥終点)の見極めは、例えば被乾燥体の重量変化を指標にすることが考えられるが、真空下で被乾燥体の重量を測定することは困難であり、特に、少容量の食品を乾燥棚に多数並べて凍結乾燥する場合には、ロードセルの耐久性や設置位置、設置数等を考慮すると現実的ではない。
【０００４】
そこで従来、上記の被乾燥体の乾燥状態の把握や乾燥終点の見極めは、被乾燥体の温度変化の測定と過去の経験に基づいた乾燥条件とにより推測されていた。即ち、乾燥室内に配置された被乾燥体からランダムに品温測定用の被乾燥体を選択し、これらの選択された各被乾燥体に温度センサーを挿し込んで被乾燥体の品温を部分的に測定し、被乾燥体の品温上昇を観測することで凍結水分の昇華の終了時を判断していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の温度センサーを用いる装置では次の問題点があった。
(１)被乾燥体に温度センサーが挿し込まれるため、この選択された被乾燥体は乾燥後に温度センサーを取外すと穴の空いた形状となったり形状が崩れたりして、不良品となり、乾燥工程の歩留りが低下する。
【０００６】
(２)被乾燥体の上部は加熱板からの輻射熱で、下部は乾燥棚からの熱伝達で、それぞれ被乾燥体の中心部よりも早期に乾燥して昇温し始める。このため、温度センサーの挿入位置が被乾燥体の中心部から外れると、未だ乾燥終点に達していないにも拘わらず、温度センサーでの測定温度が上昇することになり、その被乾燥体の乾燥終点を誤って把握する惧れがある。
【０００７】
(３)上記の被乾燥体の乾燥速度は、乾燥室内が均一に減圧されていれば、理論的には各乾燥体間で差異を生じないが、現実には、加熱板による輻射熱や、乾燥棚から被乾燥体への熱伝導の違いなどに起因して、乾燥室内に収容された乾燥棚の位置や、各乾燥棚上での被乾燥体の位置により差異を生じることが考えられ、また、被乾燥体の形状や容量のバラツキのため、各被乾燥体間の乾燥速度に差異を生じると考えられる。この乾燥速度の差異は必ずしも一様でなく、例えば被乾燥体の品種が異なると差異の生じ方も異なるので、過去の経験に基づくだけでは、品温測定用の被乾燥体に、乾燥速度が最も遅い被乾燥体が選択されるとは限らない。このため、被乾燥体全体の乾燥終点を誤って把握する惧れがある。
【０００８】
上記の乾燥終点の把握を誤った場合、早期に乾燥工程を終了すると不十分な乾燥の不良品が生じ、歩留りが低下する。これを避けるため、従来は経験に基づいて乾燥不足を生じないように充分な乾燥時間を費やしており、乾燥エネルギーが無駄になる問題があった。
【０００９】
本発明はこれらの問題点を解消し、乾燥状態や乾燥終点を正確に把握して、効率よく且つ確実に乾燥でき、しかも安価に実施できる乾燥装置を提供することを技術的課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、例えば本発明の実施の形態を示す図１から図５に基づいて説明すると、次のように構成したものである。すなわち、乾燥室(２)内に収容され、被乾燥体(11)を載置可能に構成した乾燥棚(７)と、この乾燥棚(７)の上方に配置される加熱板(15)とを備え、上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とを電導性材料で構成するとともに、上記の被乾燥体(11)を絶縁材料で形成した容器(12)に収容し、上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とを静電容量測定装置(10)に電気的に接続して、上記乾燥棚(７)と加熱板(15)との間の静電容量を測定可能に構成し、上記の乾燥棚(７)と加熱板(15)とをそれぞれ上下多段に構成して、各乾燥棚(７)の上方にそれぞれ上記の加熱板(15)を配置する。
そして、本発明１では、上記の乾燥棚(７)の各段を、他の段の乾燥棚(７)と電気的に導通した状態と絶縁した状態とに切換え可能に構成し、絶縁状態では各乾燥棚(７)とその近傍の加熱板(15)との間の静電容量を測定可能に構成し、導通状態では複数の乾燥棚(７)と加熱板(15)との間の静電容量を測定可能に構成したことを特徴とする。
また本発明２では、上記の加熱板(15)の各段を、他の段の加熱板(15)と電気的に導通した状態と絶縁した状態とに切換え可能に構成し、絶縁状態では各加熱板(15)とその近傍の乾燥棚(７)との間の静電容量を測定可能に構成し、導通状態では複数の加熱板(15)と乾燥棚(７)との間の静電容量を測定可能に構成したことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
被乾燥体が加熱板からの輻射熱や、この輻射熱を受けて昇温した乾燥棚からの伝導熱により加熱され、含有水分が気化したり凍結水分が昇華し、これにより被乾燥体が乾燥する。
このとき、被乾燥体に含まれる水分が気体になって被乾燥体から出ていくと、この被乾燥体を載置した乾燥棚とその上方の加熱板との間の静電容量が小さくなっていく。この静電容量は上記の静電容量測定装置により測定され、これにより被乾燥体の乾燥状態が把握される。そして、被乾燥体が平衡含水率に達すると水分の減少が停止するので、上記の静電容量測定値が一定となることで乾燥終点が把握される。
【００１２】
乾燥室に収容される上記の乾燥棚は、通常、被乾燥体の載置数を多くして乾燥効率を高めるため上下多段に構成され、従って、上記の加熱板も、各乾燥棚の間に挿入されるように、上下多段に構成される。
これら上下多段の乾燥棚または加熱板は、各段を他の段に対して電気的に導通した状態と絶縁した状態とに切換え可能に構成してあり、各段を他の段に対し絶縁した状態では特定の乾燥棚とその近傍の加熱板との間の静電容量を測定でき、他の段に対し導通した状態では複数の乾燥棚と加熱板との間の静電容量を測定できる。従って、例えば乾燥工程の初期にあっては複数の乾燥棚全体について加熱板との間の静電容量を測定して、被乾燥体全体の乾燥状態を簡単に把握し、乾燥工程の終期にあっては、各乾燥棚とその近傍の加熱板との間の静電容量を個別に測定することにより、乾燥終点を精緻に把握することができる。
【００１３】
上記の乾燥棚と加熱板とをそれぞれ上下多段に構成して、各乾燥棚とその近傍の加熱板との間の静電容量を個別に測定する場合、この測定対象の加熱板の上方の乾燥棚又は加熱板と、測定対象の乾燥棚の近傍の加熱板又は乾燥棚とは、それぞれ接地することによりガード電極に構成することができる。通常、各乾燥棚は略同一形状に形成されており、一方、加熱板はこの乾燥棚の略全面に対面しているので、これらを接地してガード電極に構成することにより、静電容量の測定精度を高めることができる。
【００１４】
上記の乾燥棚に載置された被乾燥体は、載置場所の相違により乾燥速度が異なることが考えられる。そこで、上記の各乾燥棚や各加熱板は、例えば中央部と周辺部のように、複数の棚部分や板部分に電気的に区画して、各部分とこれに対応する加熱板又は乾燥棚との間の静電容量を測定できるように構成すると、乾燥状態や乾燥終点をより精緻に把握でき、好ましい。
【００１５】
また、上記の加熱室の周壁は耐圧製や気密性の点から、一般に金属材料で形成されるが、この周壁を接地してガード電極に構成すると、内部に収容された乾燥棚とその近傍に配置した加熱板との間の静電容量を正確に測定できるので、より好ましい。
【００１６】
なお、上記の乾燥装置の適用は特定の乾燥方法に限定されないが、乾燥室を密閉した状態でも被乾燥体の乾燥状態等を容易に把握できるので、上記の乾燥室内を減圧状態にして被乾燥体を減圧乾燥する場合や、乾燥室内を真空状態にして真空凍結乾燥する場合に特に適している。
【００１７】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１および図２は本発明を凍結乾燥装置に適用した実施形態を示し、図１は凍結乾燥装置の概略構成図、図２はその要部の拡大断面図である。
【００１８】
図１に示すように、この凍結乾燥装置(１)は、凍結した汁食品などの食品を真空下で凍結乾燥する装置であり、乾燥室(２)は円筒状に形成された金属製の周壁(３)を備え、この周壁(３)は接地してある。この乾燥室(２)の中央上部には支持レール(４)が設けてあり、乾燥台(５)がこの支持レール(４)に懸下して搬送することにより乾燥室(２)内へ案内される。
【００１９】
上記の乾燥台(５)は、中央の支持枠(６)の左右にそれぞれ複数の乾燥棚(７)が上下多段に付設してあり、各乾燥棚(７…)は伝熱性と電導性の良好な金属材料で構成され、上記の支持枠(６)に絶縁材料(８…)を介して固定されている。また、各乾燥棚(７)はそれぞれ配線(９)を介して静電容量測定装置(10)に電気的に接続してある。
【００２０】
図１及び図２に示すように、上記の乾燥棚(７)には、被乾燥体(11)として前記の凍結した食品が、例えばポリプロピレン樹脂などの絶縁材料である合成樹脂製トレー(12)にそれぞれ収容されて、多数載置してある。
【００２１】
図２に示すように、上記の各乾燥棚(７)と静電容量測定装置(10)とは、接続制御装置(13)を介して接続されており、この接続制御装置(13)を操作することにより、各乾燥棚(７)を上記の静電容量測定装置(10)に接続した状態と、接地線(14)に接続した状態とに切換え制御される。このとき、上記の静電容量測定装置(10)に接続した乾燥棚(７)と、接地線(14)に接続した乾燥棚(７)とは、互いに絶縁してある。
【００２２】
一方、図１及び図２に示すように、上記の乾燥室(２)内には、左右の周壁(３)に沿ってそれぞれ上下多段の加熱板(15)が設けてあり、各加熱板(15)は、乾燥室(２)内に収容された上記の各乾燥棚(７)の上方で、これらの乾燥棚(７)から離隔した位置に配置される。即ち、この乾燥棚(７)と加熱板(15)とは互いに絶縁状態にある。上記の左右の加熱板(15)は伝熱性と電導性の良好な金属材料で構成され、配線(16)を介して上記の静電容量測定装置(10)に電気的に接続してある。また上記の加熱板(15)内には、図２に示すように、加熱オイルなどの熱媒液を流通させるための流路(17)が形成してある。
【００２３】
なお、上記の静電容量測定装置(10)は、上記の配線(９・16)を介して接続した乾燥棚(７)と加熱板(15)との間の静電容量を測定することができ、その測定結果を記録し表示できるように記録表示装置(18)に接続してある。
【００２４】
次に、上記の乾燥装置を用いて真空凍結乾燥する手順について説明する。
最初に、常法により、未凍結状態の被乾燥体(11)を合成樹脂製トレー(12)に分注して乾燥台(５)の各乾燥棚(７)に載置したのち凍結し、この乾燥台(５)を支持レール(４)で案内して乾燥室(２)内に搬入する。
次いで、乾燥室(２)内を密閉して例えば真空度を６６.６Ｐａ以下に減圧し、加熱板(15)内の上記の流路(17)に、例えば８０℃に加熱した熱媒液を循環させ、加熱板(15)からの輻射熱により上記の被乾燥体(11)に含まれる氷結水分を昇華させる。
【００２５】
上記の乾燥工程中、前記の静電容量測定装置(10)により、１００kＨzの周波数で乾燥棚(７)と加熱板(15)との間の静電容量が連続的または不連続的に測定される。このとき、上記の被乾燥体(11)は絶縁材料である合成樹脂材料で形成したトレー(12)に収容されているので、乾燥棚(７)と加熱板(15)との間に配置されたこの被乾燥体(11)を含む静電容量が測定され、この測定値は被乾燥体(11)に含まれる水分(氷分)の変化に応じて変動する。なお、乾燥室(２)の周壁(３)は前述のように接地してあるので、上記の静電容量の測定に対してガード電極を構成している。
【００２６】
上記の測定は、乾燥工程の初期や中期では、前記の接続制御装置(13)により各乾燥棚(７)が他の乾燥棚(７)と互いに電気的に接続され、これにより全乾燥棚(７)と加熱板(15)との間の静電容量が測定される。乾燥棚(７)や加熱板(15)は上下に多数あり、それぞれが全体として１つの電極を形成するので、各電極が広い面積を有することとなり、両者の間の静電容量は精度よく測定される。
【００２７】
乾燥工程の終期になると、接続制御装置(13)を操作することにより、測定対象の乾燥棚(７)のみが上記の静電容量測定装置(10)に接続され、近傍の加熱板(15)との間の静電容量が測定される。このとき、図２に示すように、測定対象の乾燥棚(7a)の上下に位置する乾燥棚(7b・7c)は測定対象の乾燥棚(7a)から電気的に絶縁されており、それぞれ接地線(14)に接続されてガード電極にされる。
【００２８】
総ての乾燥棚(７)について加熱板(15)との間の静電容量の減少が停止すると、被乾燥体(11)は総て平衡含水率に達して乾燥終点に至ったと判定される。そして上記の熱媒液の循環が停止され、乾燥室(２)内が常圧に戻されたのち、上記の乾燥台(５)が乾燥室(２)から搬出されて乾燥工程が終了する。
【００２９】
なお、上記の実施形態では乾燥棚の各段を、他の段の乾燥棚と電気的に導通した状態と絶縁した状態とに切換え可能に構成したが、これに代えて加熱板の各段を、他の段の加熱板と電気的に導通したと絶縁した状態に切換え可能に構成し、上記と同様に各段ごとに静電容量を測定できるように構成してもよい。
【００３０】
また上記の実施形態では各段ごとに静電容量を測定できるように構成したが、例えば図３に示すように、乾燥棚(７)をさらに複数の棚部分(19)に電気的に区画して、各棚部分(19)とその近傍の加熱板との間の静電容量を測定可能に構成してもよい。このように構成すると、例えば乾燥棚(７)の周縁部と中央部とで個別に静電容量を測定できるので、乾燥状態や乾燥終点をより精緻に把握することができる。
【００３１】
次に、凍結乾燥における乾燥棚と加熱板との間の静電容量と、被乾燥体の重量及び温度変化との関連を調べる測定実験を、図４に示す実験装置で行った。
即ち、この実験装置(20)は、乾燥室(21)内に配置した重量測定装置(22)上に乾燥棚(23)を載せ、この乾燥棚(23)の上方に加熱板(24)を、上下端に絶縁体(25)を備えた支柱(26)で支持し、この乾燥棚(23)と加熱板(24)との間に被乾燥体(27)をポリプロピレン製トレー(38)に収容して配置してある。
【００３２】
上記の重量測定装置(22)は室外の重量記録装置(28)に接続してある。また、上記の被乾燥体(27)には、上面隅部近傍に第１温度センサ(29)を、中心部に第２温度センサ(30)を固定し、これらの各温度センサ(29・30)をそれぞれ室外の温度測定記録装置(31)に接続してある。
さらに、上記の乾燥棚(23)と加熱板(24)は、それぞれ静電容量測定装置(32)に接続してあり、この静電容量測定装置(32)の測定結果を記録表示装置(33)に出力できるように構成してある。
【００３３】
上記の被乾燥体(27)としては、１０％デキストリン液１３００ｇを上記のトレー(38)内に分注して、−３０℃で凍結したものを用いた。
乾燥条件は、乾燥室(21)内を６６.６Ｐａ以下の真空度に設定し、加熱板(24)による加熱温度を８０℃に設定した。また、静電容量の測定は１００kＨzの周波数を用いた。
【００３４】
上記の実験装置での測定結果を、図５のグラフに示す。なお、重量の測定結果は、乾燥始点での被乾燥体(27)に含まれる氷分量に対する、乾燥過程で残っている氷分量の比率で表している。被乾燥体(27)の乾燥速度は、単位時間に昇華する氷分量で表されるので、上記の重量変化曲線(34)が乾燥曲線を示している。この乾燥曲線によれば、乾燥開始後約９３０分で測定重量が一定値になり、被乾燥体(27)が平衡含水率に達したことが確認される。
【００３５】
一方、各温度センサ(29・30)の測定による温度変化曲線(35・36)は、互いに異なっている。即ち、被乾燥体(27)の上面隅部近傍では乾燥開始後、約８０分で上昇が始まり、７２０分後に約６０℃に達したが、中心部では乾燥開始後、約３６０分から上昇が始まり、８７０分後に約６４℃に達した。このことから、被乾燥体(27)の品温変化が測定場所によって異なるので、品温を測定する方法では乾燥状態や乾燥終点の正確な把握が容易でないことが判る。
【００３６】
これに対し、静電容量変化曲線(37)は重量変化曲線(34)と略同様にカーブしており、乾燥棚(23)と加熱板(24)との間の静電容量の変化は、重量変化と良好な相関を有している。従って、この静電容量の測定結果に基づいて、被乾燥体(27)の乾燥状態や乾燥終点を正確且つ容易に把握できることが判る。
【００３７】
前記の実施形態では、本発明の乾燥装置を凍結乾燥に用いた場合について説明したが、本発明は乾燥棚と加熱板との間の静電容量を測定するだけであるので、減圧乾燥装置や通風乾燥装置に適用することも可能である。また、凍結乾燥に用いる場合は、被乾燥体を凍結する前に乾燥室内に収容し、乾燥室内を減圧して含有水分を昇華させることにより自己凍結させることが可能であるが、この場合には、上記の静電容量の測定により、被乾燥体の凍結状態を把握することも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成され作用することから、次の効果を奏する。
【００３９】
（１）乾燥棚と加熱板との間の静電容量を測定するだけであるので、測定装置は被乾燥体に接触させることがなく、前記の品温を測定する従来技術と異なって測定により不良品を生じる惧れがない。
【００４０】
（２）乾燥棚と加熱板との間に配置した総ての被乾燥体を含めて静電容量を測定するので、これらの被乾燥体が平衡含水率に達する迄、水分の減少とともに静電容量測定値が減少していく。このため、静電容量の測定値の変動により乾燥状態等を正確に把握でき、測定値が一定になることで乾燥終点を正確に把握できるので、被乾燥体を確実に乾燥できるうえ、余分に乾燥時間や乾燥のためのエネルギーを費やす必要がなく、被乾燥体を効率良く乾燥することができる。
【００４１】
（３）上下多段の乾燥棚または加熱板は、各段を他の段に対して電気的に導通した状態と絶縁した状態とに切換え可能に構成してあるので、乾燥工程の初期にあっては複数の乾燥棚全体について被乾燥体全体の乾燥状態を簡単に把握することができ、しかも、乾燥工程の終期にあっては、乾燥棚の位置により被乾燥体の乾燥速度に差異があっても、特定の乾燥棚とその近傍の加熱板との間の静電容量を個別に測定することにより、乾燥終点を精緻に把握することができる。
【００４２】
（４）上記の加熱板や乾燥棚は一般に熱伝達の良好な金属材料で形成されるが、これらは、通常、導電性材料であるので、上記の静電容量の測定には、静電容量測定装置と、これと加熱板や乾燥棚とを電気的に接続するための配線とを追加するだけでよく、また計測用の電力も僅かであるので安価に実施できる。しかも、被乾燥体は絶縁材料で形成した容器に収容されているため、静電容量測定用の電極板として機能する乾燥棚や加熱板を絶縁材料で被覆する必要がなく、両者の熱伝達効率を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す、凍結乾燥装置の概略構成図である。
【図２】凍結乾燥装置の要部の拡大断面図である。
【図３】乾燥棚の変形例を示す概略平面図である。
【図４】実験装置の概略構成図である。
【図５】実験装置の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…乾燥装置(凍結乾燥装置)
２…乾燥室
７…乾燥棚
10…静電容量測定装置
11…被乾燥体
12…容器(合成樹脂製トレー)
15…加熱板
【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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