(57)【要約】【課題】過冷却状態の発生の抑制を低コストで実現することのできる界面前進凍結濃縮装置を提供すること。【解決手段】被処理液を循環させる循環流路と、循環流路内に配置され、被処理液にその表面が接触すると共に裏面側が冷ブラインにより冷却される凍結板２１と、を備える凍結濃縮装置において、凍結板２１に、当該凍結板を折り曲げることにより裏面側へ凹む凹部２１ａを複数個離間して形成する。この凹部２１ａに進入した被処理液は、折り曲げていない部分と比較して凍結速度が速いため、早期に氷結晶が形成されて被処理液の凍結時の種氷となることから、過冷却の発生を抑制することができる。また、複数の凹部２１ａを板を折り曲げることにより形成しているため、凍結板２１に分厚い板を用いる必要がなくコストを低下させることができると同時に、薄い板であっても十分な強度を持つ凍結板２１を容易に得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理液を循環させる循環流路と、
前記循環流路内に配置され、前記被処理液にその表面が接触すると共に裏面側が冷ブラインにより冷却される凍結板と、を備え、
前記凍結板には、当該凍結板を折り曲げることにより裏面側へ凹む凹部が複数個離間して形成されていることを特徴とする界面前進凍結濃縮装置。
【請求項２】
前記凍結板の複数の凹部は同一方向に延び、その方向は前記被処理液の流れる方向に交差する方向であることを特徴とする請求項１記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項３】
前記凍結板の複数の凹部は、平面視において細長状を成し、その一方側の端部と、前記被処理液の流れる方向に隣接する他の凹部の他方側の端部とが前記被処理液の流れる方向に重なるように配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項４】
各々が上下方向に延びるように裏面側を対向して設けられた一対の前記凍結板と、一対の前記凍結板の間に設けられたフレーム部と、により凍結管を構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項５】
前記凍結管の上部及び下部の少なくとも一方は、前記一対の凍結板が対向する方向の厚さが前記一対の凍結板の表面同士間の距離に対して小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の界面前進凍結濃縮装置。
【請求項６】
前記冷ブラインを前記凍結管内へ供給又は前記凍結管内から排出する管を備え、
前記管は、軸線方向に複数の開口部を備えることを特徴とする請求項４又は５記載の界面前進凍結濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面前進凍結濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
凍結濃縮法は、飲料・液状食品に含まれる成分の濃縮や、排水処理における汚濁物質の処理等に幅広く用いられている。その中でも、被処理液を凍結器の被処理液流路において循環させつつ当該流路の壁面を冷ブラインにより冷却することで被処理液流路の壁面に氷結晶を順次形成し成長させて被処理液を凍結濃縮する界面前進凍結濃縮方法は、懸濁結晶法と比較して被処理液と氷結晶との固液分離が極めて容易であり、システムが単純化されることからその用途が広がっている。
【０００３】
被処理液の凍結濃縮において濃縮倍率を高めるためには、溶質の取り込みが少ない氷結晶（結晶間に溶質を取り込んでいない）を形成することが好ましい。このためには、被処理液の冷却時に発生する過冷却状態の発生を抑制させる必要がある。界面前進凍結濃縮装置において上記の過冷却状態の発生を抑制する方法としては、被処理液を入れる容器内部に多数の小穴を設け、各小穴内の溶液に温度勾配を生じさせ、その最深部に生成させた核となる氷結晶を基に氷結晶を成長させることにより過冷却を防止する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２１６３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献に記載の装置では、深さが２ｍｍ超の小穴を容器内部に多数設けた後も十分な強度を持つような分厚い容器を用いる必要があるため、コストがかかるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、過冷却状態の発生の抑制を低コストで実現することのできる界面前進凍結濃縮装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る界面前進凍結濃縮装置は、被処理液を循環させる循環流路と、循環流路内に配置され、被処理液にその表面が接触すると共に裏面側が冷ブラインにより冷却される凍結板と、を備え、凍結板には、当該凍結板を折り曲げることにより裏面側へ凹む凹部が複数個離間して形成されていることを特徴とする。
【０００７】
上記の構成を有する界面前進凍結濃縮装置において、循環流路内を循環する被処理液のうち凍結板の凹部に進入した被処理液は、被処理液の循環による混合が少ないと同時に折り曲げていない部分と比較して凍結板による単位体積あたりの伝熱面積が大きいことから、折り曲げていない部分の被処理液と比較して凍結速度が速く、早期に氷結晶が形成される。このとき形成された氷結晶が、被処理液の凍結時の種氷となるため、過冷却の発生を抑制することができる。
【０００８】
また、上記の凍結板に設けられた複数の凹部は凍結板を折り曲げることにより形成されているため、凍結板に分厚い板を用いる必要がなくコストを低下させることができると同時に、薄い板であっても十分な強度を持つ凍結板を容易に得ることができる。
【０００９】
ここで、凍結板の複数の凹部は同一方向に延び、その方向は被処理液の流れる方向に交差する方向であることが好ましい。
【００１０】
上記のように凹部の延びる方向を被処理液の流れる方向に交差する方向にすることで、被処理液の流れる方向に延びる場合と比して、凹部が被処理液の流れの全面と接触できるため、より広範囲の被処理液において過冷却の発生を効率よく抑制することができる。
【００１１】
また、凍結板の複数の凹部は、平面視において細長状を成し、その一方側の端部と、被処理液の流れる方向に隣接する他の凹部の他方側の端部とが被処理液の流れる方向に重なるように配置されることが好ましい。この場合、凍結板の強度を一層高めることができる。
【００１２】
ここで、上記作用を効果的に奏する構成としては、具体的には、各々が上下方向に延びるように裏面側を対向して設けられた一対の凍結板と、一対の凍結板の間に挟まれるように設けられたフレーム部と、により凍結管を構成することが挙げられる。
【００１３】
また、凍結管の上部及び下部の少なくとも一方は、一対の凍結板が対向する方向の厚さが一対の凍結板の表面同士間の距離に対して小さくなるように構成されている態様であることが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、凍結管中の冷ブラインにかえて温ブラインを供給することにより凍結板を加熱し被処理液中の凍結板の表面の氷結晶を除去する際に、氷結晶が凍結管の上部や下部に引っかかる等によるトラブルを未然に防ぐことができる。
【００１５】
また、冷ブラインを凍結管内へ供給又は凍結管内から排出する管を備え、管は、軸線方向に複数の開口部を備える態様であることが好ましい。
【００１６】
上記のように管の軸線方向に設けた複数の開口部から冷ブラインを供給又は排出することにより、凍結管内の冷ブラインの流れがより均一になることから、凍結管の外部における過冷却抑制効果をより均一に高めることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、過冷却状態の発生の抑制を低コストで実現することのできる界面前進凍結濃縮装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る凍結濃縮装置を示す縦断面図、図２は、図１中の凍結管を示す縦断面図、図３は、図２中の凍結板を示す図であり、凍結管の外部から内側に向かって見た図、図４は、図３のIV−IV矢視図、図５は、図３のV−V矢視図、図６は、図２中の供給管、排出管を示す断面図、図７は、図３の凍結板の表面に氷結晶が形成する際の状態図、図８は、図３の凍結板の異なる形態を示す図である。
【００２０】
図１に示すように、凍結濃縮装置１００は界面前進凍結濃縮装置であり、被処理液を収容する凍結タンク１０と、被処理液の循環流路を構成するためのバッフル板１１と、被処理液を循環させる撹拌機１３と、被処理液に接触する表面に氷結晶を形成させる凍結管２０と、を具備する。
【００２１】
この凍結濃縮装置１００を構成する凍結タンク１０内は、上下方向に延びるバッフル板１１によって内側領域と外側領域とに区画され、凍結タンク１０の略中央底部に設置された撹拌機１３のその回転羽１３ａが内側領域の下部で回転することにより、バッフル板１１の内側領域の被処理液が上向しバッフル板１１の上部から外側領域に溢流して外側領域を下向する循環流路が凍結タンク１０内に形成される。
【００２２】
この被処理液が上向するバッフル板１１の内側領域には、複数の凍結管２０が上下方向に延びるように配置されている。
【００２３】
これらの凍結管２０は、図２に示すように、各々が上下方向に延びるように裏面側を対向して設けられて被処理液がその表面に接触する一対の凍結板２１，２１と、これらの凍結板２１，２１の周端部間に挟まれるように設けられた断面コの字状のフレーム部２２とから構成される。それぞれの凍結板２１，２１とフレーム部２２の間には断熱性の高いシールパッキン２３が挟まれることでフレーム部２２から凍結板２１への伝熱を防止する構成とされ、そして、凍結板２１の外側に各々配置された押え板２４によって、凍結板２１、シールパッキン２３がフレーム部２２に押え付けられて固定される。このように、伝熱を防止するシールパッキン２３を凍結板２１とフレーム部２２との間に挟むことにより、押え板２４の外側の表面には氷結晶ができ難い構成となっている。
【００２４】
凍結管２０の下部を構成するフレーム部２２の内部には、凍結管２０へ冷ブラインを供給する供給管２５が被処理液の流れる方向に垂直となる方向（図１の紙面垂直方向）に配置され、凍結管２０の上部を構成するフレーム部２２の内部には、凍結管２０から冷ブラインを排出する排出管２７が被処理液の流れる方向に垂直となる方向（図２の紙面垂直方向）に配置され、図６に示すように、これら供給管２５、排出管２７の表面には軸線方向に沿って開口２５ａ，２７ａが複数設けられている。この供給管２５の開口２５ａから凍結管２０へ供給され、排出管２７の開口２７ａから排出される冷ブラインにより、凍結板２１の裏面側が冷却される。
【００２５】
供給管２５、排出管２７とフレーム部２２との間には各々断熱性の高い断熱パッキン２６が設けられ、冷ブラインによりフレーム部２２が冷却されてフレーム部２２の表面に氷結晶が形成されることを防ぐ構成とされている。
【００２６】
ここで、特に本実施形態の凍結板２１は、厚さ１ｍｍ〜１．５ｍｍのステンレス製の板を折り曲げることにより、図３〜図５に示すように裏面側へ凹む凹部２１ａを複数個離間して有している。この凹部２１ａは、全てが同一方向に延びると共に被処理液の流れる上方向と交差する方向に延び、その形状は平面視で細長状とされ、長手方向の長さが５０ｍｍ〜１００ｍｍ、短手方向の長さが２ｍｍ〜４ｍｍ、深さが３〜５ｍｍとされている。
【００２７】
また、凹部２１ａは、その一方側の端部と、被処理液の流れる方向に隣接する他の凹部の他方側の端部とが被処理液の流れる方向に重なるように一定間隔で配置され、その凹部２１ａの面積が凍結板２１の面積に対して１％〜５％となるように形成されている。
【００２８】
これらの一対の凍結板２１，２１は、図２に示すように、その上部及び下部がそれぞれ内側に曲げられ、フレーム部２２、シールパッキン２３、凍結板２１の折り曲げられている部分、及び押え板２４からなる凍結管２０の上部及び下部の厚さが、凍結板２１の上部及び下部を除く部分の厚さよりも小さくなるように構成されている。
【００２９】
このような構成を有する凍結濃縮装置１００の作用について説明する。
【００３０】
凍結濃縮装置１００の凍結タンク１０内を撹拌機１３の駆動により循環する被処理液は、内側領域を上向する際に、凍結板２１により冷却されることにより凍結板２１の表面に氷結晶が形成され積層されていき、これにより、被処理液が凍結濃縮される。そして、凍結板２１の表面に形成された氷結晶は、凍結管２０内の冷ブラインを温ブラインに換えて、凍結板２１の表面を加熱することで、溶解し凍結板２１から剥離して被処理液中に浮上し取り除かれる。
【００３１】
上記の凍結濃縮装置１００による被処理液の凍結濃縮にあっては、凹部２１ａを複数有する凍結板２１の表面で、図７に示すように、まず凹部２１ａの最深部に被処理液の氷結晶Ｓ１が形成される。これは、凍結板２１の凹部２１ａに進入した被処理液は、撹拌機１３による混合の影響が少ないと同時に凍結板２１の折り曲げていない部分と比較して被処理液の体積あたりの伝熱面積が大きいことから、冷ブラインによる冷却速度が、折り曲げていない部分よりも速いので、温度低下が大きく、速く氷結晶が形成される。
【００３２】
このように凹部２１ａの最深部に形成された氷結晶Ｓ１を核として、氷結晶が徐々に凹部２１ａに成長していき、さらに凍結板２１の表面全体に氷結晶が形成されるため、被処理液が過冷却状態となることなく凍結濃縮を行うことができる。
【００３３】
そして、これらの凹部２１ａは、凍結板２１を折り曲げることにより形成されているため、凍結板２１に分厚い板を用いる必要がなくコストを低下させることができると同時に、薄い板であっても十分な強度を持つ凍結板を容易に得ることができる。ここで、薄く折り曲げられていない板を凍結板２１として用いた場合、凍結管２０の周囲（凍結板２１の表面側）に被処理液が満たされていない状態で凍結管２０に冷ブラインを供給して冷却すると凍結管２０が大きく膨らむという問題があるが、本実施形態の凍結板２１は、折り曲げることによって設けられた凹部２１ａを備えることによって上述のように強度を十分に有するため、薄い板を凍結板２１として用いても凍結管２０の膨らみの発生が抑制される。
【００３４】
また、本実施形態においては、凍結板２１の凹部２１ａの延びる方向が被処理液の流れる方向と交差する方向であることから、被処理液の流れる方向に延びる場合と比して、凹部２１ａが被処理液の流れの全面と接触できるため、より広範囲の被処理液において過冷却の発生を効率よく抑制することができる。
【００３５】
さらに、上記の凍結濃縮装置１００の凍結板２１の凹部２１ａは、その一方側の端部と、被処理液の流れる方向に隣接する他の凹部の他方側の端部とが被処理液の流れる方向に重なるように一定間隔で配置されていることから、凍結板２１の強度が一層高められている。
【００３６】
また、凍結管２０の上部のシール部の厚さが対向する凍結板２１の距離よりも小さくなるように凍結板２１が折り曲げられていることにより、凍結板２１の表面に形成された氷結晶を被処理液に浮上させて除去する際に、氷結晶が凍結管２０の上部に引っかかる等によるトラブルを未然に防ぐことができ、過冷却を抑制することにより形成された溶質の取り込みが少ない氷結晶を、よりスムーズに凍結タンク１０の被処理液から除去することができる。また、凍結管２０の下部のシール部の厚さが対向する凍結板２１の距離よりも小さくなるように凍結板２１が折り曲げられていることにより、凍結管２０内の被処理液を除去した後に凍結板２１の表面に形成された氷結晶を落下させて取り除く場合であっても、凍結管２０の下部に引っかかることなくスムーズに除去することができる。なお、本実施形態の凍結管２０のように凍結板２１を折り曲げる構成でなくても、凍結管２０の上部及び下部の少なくとも一方が、一対の凍結板２１，２１が対向する方向の厚さが一対の凍結板２１，２１の表面同士間の距離に対して小さくなるように構成されていれば、本実施形態の凍結管２０と同様に、氷結晶の除去をスムーズに行うことができる。
【００３７】
また、冷ブラインを凍結管２０へ供給又は凍結管２０から排出する供給管２５、排出管２７ａの軸線方向に開口２５ａ，２７ａを複数備えていることにより、この開口２５ａ，２７ａから冷ブラインが凍結管２０内へ供給され又は凍結管２０内から排出される構造であることから、凍結管２０内の冷ブラインの流れがより均一になり、凍結板２１の表面における過冷却抑制効果をより均一に高めることができる。
【００３８】
なお、凍結板２１の凹部２１ａで形成された氷結晶Ｓ１は、上述の通り急速に凍結されているため溶質の取り込みが多いが、氷結晶を除去する際の凍結板２１の表面の加熱によって、凹部２１ａの氷結晶Ｓ１は、折り曲げていない部分に形成された氷結晶よりも早く溶けてしまうため、被処理液に浮上して除去される氷結晶は溶質の取り込みが少ない純度の高いものとなる。
【００３９】
以上、本発明を実施形態に基づき詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、凍結板２１の表面の凹部２１ａは同一方向に延びる形状としているが、図８に示す凍結板３０のように特定の方向に延びる第一の凹部３０ａと第一の凹部３０ａとは異なる方向に延びる第二の凹部３０ｂとが被処理液の流れる方向に対して交互に設けられる形状としてもよい。この場合でも同一方向に延びる凹部を設けた場合と同様の過冷却抑制効果を得ることができる。
【００４０】
また、本実施形態の凍結濃縮装置１００では、凍結タンク１０内の被処理液を撹拌機１３により循環させる構成について説明したが、凍結板が配置される凍結器とは別に循環流路を備え、ポンプ等により循環流路を循環させる構成としてもよい。また、撹拌機１３の代わりに散気管を設置して、空気等を吹き込み、エアーリフト効果で循環させる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態に係る凍結濃縮装置を示す縦断面図である。
【図２】図１中の凍結管を示す縦断面図である。
【図３】図２中の凍結板を示す図であり、凍結管の外部から内側に向かって見た図である。
【図４】図３のIV−IV矢視図である。
【図５】図３のV−V矢視図である。
【図６】図２中の供給管、排出管を示す断面図である。
【図７】図３の凍結板の表面に氷結晶が形成する際の状態図である。
【図８】図３の凍結板の異なる形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…凍結タンク、１１…バッフル板、１３…撹拌機、２０…凍結管、２１，３０…凍結板、２２…フレーム部、２３…シールパッキン、２４…押え板、２５…供給管、２６…断熱パッキン、２７…排出管、１００…凍結濃縮装置。
【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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