日本包装学会誌 Vol.18 No.4（2009）

一般論文〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜

CFD による微細孔フィルムのヒートシール温度解析
石 川豊＊、北 澤裕 明＊、阿 部真＊、胡耀 華＊、鈴 木芳 孝＊＊

Analysis of Heat Sealing Temperature of Polymeric Film with a
Perforation by Computational Fluid Dynamics (CFD)
Yutaka ISHIKAWA*, Hiroaki KITAZAWA*, Makoto ABE* , Yaohua HU* and Yoshitaka SUZUKI**

簡易な MA（ModifiedAtmosphere）包装として、青果物をフィルム包装する際にシール部に一定間隔で非溶着の微細空隙を作り、この部分でガス透過性を調節する「パーシャルシール包装」が提案され、実用化されている。しかし、設定温度などのヒートシール条件は現場においてトライアンドエラーで決めていることが多い。本報では、CFD（数値流体力学）を利用してヒートシールローラーとフィルムが接触する瞬間における微小空間の温度変化をシミュレーションした。パーシャルシール包装として実際に運転しているシールローラーの回転速度、加熱温度、フィルムとの接触面積などの条件を入力すると溶着面温度は約 125℃と計算され、フィルムのヒートシール温度と引張り強度の関係から求めた適温範囲内にあることが確認された。このように、CFD によるフィルム内温度変化シミュレーションがパーシャルシール包装のヒートシール温度解析に適用可能であることが確認できた。

We proposed “Partial Seal Packaging” as a simple MAP (Modified Atmosphere Packaging) using
conventional films and changing rolls of sealing machine. The bags, 600mm long and 85mm wide, were made ofpolypropylene (OPP) sealed partially with 0.4mm of fused part width and 0.6mm of non-fused part width. Heat
sealing conditions such as temperature were decided by trial and error. In this study, we attempted to simulate
temperature change in minute space inside films in the moment when a film touches a roller by Computational Fluid
Dynamics (CFD). Heat sealing temperature was simulated to 125℃ by inputting initial conditions such as rotating
speed, roller temperature and contact area of film and roller. This temperature was in suitable temperature range forheat sealing intensity. Temperature change simulation inside films by CFD can also be applied to evaluation of heatsealing temperature analysis of Partial Seal Packaging
キーワード：CFD、ヒートシール、微細孔フィルム、温度分布
Keywords : CFD, Heat seal, Polymeric film with a perforation, Temperature distribution
独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構食品総合研究所(〒305-8642 茨城県つくば市観音台 2-1-12), National Food
Research Institute, National Agriculture and Food Research Organization, 2-1-12 Kannondai, Tsukuba, Ibaraki 305-8642, Japan**
高知県農業技術センター(〒783-0023 高知県南国市廿枝1100), Kochi Agricultural Research Center, 1100 Hataeda, Nankoku, Kochi
783-0023, Japan
著者連絡先：TEL:029-838-8037, FAX:029-838-7996, Email:yishi@affrc.go.jp*− 271 −CFDによる微細孔フィルムのヒートシール温度解析

る 10)。

１． 緒言

パーシャルシール包装では、センターシーＭＡ（Modified Atmosphere）包装は、青果ルローラーで連続的にヒートシールを施しな物の鮮度保持手法の一つとして広く利用されがら一部に非溶着部の通気孔を残すといったている。プラスチックフィルムで青果物を密技術的に難しい作業を行なわなければならな封包装した場合、青果物自身が行う呼吸作用い。この時に最も重要なことはヒートシールにより袋内が低酸素、高二酸化炭素雰囲気に温度の管理である。ヒートシール温度が低すなると、青果物自身の呼吸が抑制され、シェぎる場合には十分な強度が保てず、輸送・販ルフライフの延長がはかられるというもので売時に破袋してしまう危険がある。逆にヒーある

1,2)。

トシール温度が高すぎる場合には、通気孔にしかし、青果物用包装材料として使われるなるはずの非溶着部の一部にまで熱が伝わることが多い延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）フことで通気部が溶着してしまい、十分なガスィルムなどに比較的呼吸量の高い青果物を入透過性が確保できないといったことが考えられて密封した場合、袋内の酸素濃度が低下しれる。パーシャルシール包装は、高知県におすぎることで、ガス障害が発生するような事いてすでにニラ、小ネギ、青ネギなどで実用

1)例も指摘されている 。そこで青果物の鮮度化されている技術ではあるが、現場における保持用フィルムとして、直径 20-100μm の微ヒートシール温度の設定は、試行錯誤により小ピンホールによりガス透過量を調節する微経験的に決めているというのが現状である。

3)

細孔フィルムが開発され、ホウレンソウ 、
4)

5)

従って、ヒートシールの最適温度の設定や精ブロッコリー 、ウメ などを使った貯蔵試験度管理などを理論的な裏付けをもった上で定では、鮮度保持効果があることが報告されて量的に行うことが求められている。

いる。しかし、この方法もあらかじめフィル

CFD（数値流体力学）は、さまざまなタイム表面に加工しておくことが必要なことからプの流れや熱伝達および物質移動のモデル化

どうしても価格が高くなってしまうなどの問が可能であり、化学プロセスやバイオメディ

6)

題が指摘され 、実際に使用できる対象作物

カル、建築・空調などこれまでにもさまざまは、呼吸量が高く鮮度低下が早い、さらに高な分野で適用されてきた。農業分野において価格な作物に限定されてしまっているというも、施設栽培における温室内の温度分布解析のが現状である。

11)や人工漁礁周りの流れの解析 12)などの分野

そこで開発されたのが、微細孔を開けて袋で利用されている。本報では、この CFD ソフのガス透過性を調節するといった基本的な機

トウエアを利用してパーシャルシール包装の能はそのままにして、従来とは全く異なる安ヒートシール時におけるフィルム内の温度分価で取り扱い易い微細孔包装（パーシャルシ

布解析を行った。フィルムがローラーで挟まール包装）である

7)。この新しい微細孔フィ7)ルムを使うことにより、ニラ や葉ネギ

8)れ加熱される瞬間の溶着部および非溶着部の、温度変化を微小範囲においてシミュレーショ

ナバナ などで鮮度保持効果が確認されていンし、可視化再現することによって、表面に

9)− 272 −

日本包装学会誌 Vol.18 No.4（2009）

凹凸をもったセンターシールローラーによりフィルムが両ローラー間を通過する瞬間、生成されるフィルム内熱環境について総括的

凸部では加熱したローラーとフィルムが接触に検討を行った。

することによりフィルム温度が上昇し、ヒートシールされる。しかし、凹部ではローラー

２． 材料及び方法とフィルムの接触がないためフィルムに十分

2.1 パーシャルシール包装に熱が伝わらず、シールされずに通過する。

本研究で使用したパーシャルシール包装は、ローラーが回転することによりこれが連続的ニラや小ネギ、青ネギなどをフィルムで連続に繰り返され、シール部幅 4mm、溶着部幅して包装する際に使われる横型ピロー包装機

0.4mm、非溶着部幅 0.6mm のパーシャルシーのセンターシールローラーを表面加工するこル包装を製造した。袋の大きさは、85mm×とにより、背貼り部分に非シール部分を残し、600mm とし、この袋の背貼り部分には 0.6mm

これを微細な通気孔とすることで袋全体のガ幅の通気部分が 600 個作られていることになス透過性を調整する方法である。

る(Fig.2)。なお、袋の上下は完全なシールと包装機は、茨木精機社製 FP3200 を使用し、している。使用したフィルムは、片面ヒート

直径 100mm、幅 4mm のセンターシールロー

シールグレードの延伸ポリプロピレン（OPP）ラーを設置した。Fig.1 に示すように、一方のフィルムである。

ローラーは表面に凹凸をつけた歯車状（凸部0.4mm 幅、凹部 0.6mm 幅、凹凸の段差 0.4mm）とし、もう一方は表面を平らにした。

2.2 CFD 解析手法
ヒートシール時におけるフィルム内温度分布の経時的変化をシミュレーションした。
CFD（数値流体力学）ソルバーで計算するた− 273 −

CFDによる微細孔フィルムのヒートシール温度解析

めの形状作成・メッシュ生成を行うプリプロ製圧力測定フィルム・プレスケールを使用しセッサとして、流体解析プリプロセッサた。本シートは圧力領域によって超極低圧用GAMBIT（アンシス・ジャパン株式会社）を（圧力測定範囲 0.2-0.6MPa）から超高圧用（圧使用し、CFD 解析を行うために、熱流体解析

力測定範囲 130-300MPa）まで６種類に分かれソフトウエア FLUENT（アンシス・ジャパンている。本実験には低圧用（圧力測定範囲株式会社）を使用した。

2.5-10MPa）を使用した。本シートは、支持体解析の対象としたパーシャルシール包装は、（PET ベース）に発色剤（マイクロカプセル）

凹凸形状のヒートバーと平面形状のヒートバが塗布されている A フィルムと、支支持体ーの間に厚さ 50μm のポリプロピレンフィ（PET ベース）に顕色剤が塗布されている Cルム（25μm のフィルム 2 枚）を挟んだ形状フィルムの２種類のフィルムからなる。使用とし（ヒートシール層は十分薄いものとしてする際には、Ａフィルムの発色剤面とＣフィ考慮しなかった）、長さを 14.1mm とした。凹

ルムの顕色剤面を合わせ、圧力によって発色凸形状のヒートバーは、接触部（凸部）が幅剤層のマイクロカプセルが破壊されることで、0.4mm で 10 個、非接触部（凹部）が幅 0.6mmその中の発色剤が顕食剤に吸収され、赤く発で 9 個とし、凹凸の高さは 0.4mm とした(Fig.3)。

色する。この色の変化を圧力画像解析システ

計算格子は、接触面付近が密になるように不ム（富士フイルム社製：FPD-9210）で定量す等間隔に配置し、8900 に分割した。また、歯る。

形は初期温度を設定し、その後一定とした。
さらに、フィルム密度、比熱、熱伝導率など

2.4 ヒートシール強度の測定
溶着面温度を正確に設定したヒートシールを初期値として入力した。

試験片の作成には、溶着面温度の直接測定法[“MTMS”]を利用した 13,14,15)。加熱プレスユニ

2.3 ローラー間の圧力計測
ローラー間の圧力計測には富士フイルム社

ットを一定温度で加熱しておく。試料フィル− 274 −日本包装学会誌 Vol.18 No.4（2009）

ムは、溶着層を内側にして向かい合わせ、そ作ることができる条件である。フィルムの温の間に微細センサー（熱電対クロメル／アル度変化を見ると、上面ローラー凸部と下面ロメル（CA=”K”）45μmφ）を挿入し設置する。

ーラーで挟まれた部分と上面ローラー凹部とこれをプレスユニット間に挟んで、溶着面温下面ローラーで挟まれた部分では明らかな違度が一定になるまで（数秒間）圧着加熱を行いが見られた。前者では、フィルムの上下両う。熱電対で測定したデータは、日置電気（株）

面がローラーに接しているため温度上昇が急社製デジタル記録計（8855 メモリハイコーであったが、後者は、ローラー凹部がフィルダ）に転送し、Ａ／Ｄ変換：16bit、温度分解ムと接触していないため、フィルム上下で温能：0.1℃、時間分解能：（サンプリング周期）度差が見られ、下面より温度が徐々に高くな

最小 4kS/sec の条件で温度測定を行った。溶ることがわかった。

着面温度を 110-145℃まで 1-5℃刻みになるようにサンプルを作成した。
ヒートシールを行った試料は、溶着面の引き裂きテスト 16)によりヒートシール強さの計測を行った。ヒートシール部分に対して直角の方向に幅 15mm、展開長さ 100-150mm になるように試験片を採取し、ヒートシール部を中央にして 180°に開く。試験片の両端をインストロン社製万能物性試験器（Model 5542）のつかみ治具に取り付け、300mm/min の速度でヒートシール部が破断するまで引っ張り加重を加え、その間の最大荷重（N{kgf}/15mm）

上下ローラーに挟まれたフィルムの熱流方を求め、ヒートシール強さとした。各測定は向の断面の温度分布の経時変化を Fig.5 に示５反復行った。

した。

３． 結果
3.1 CFD によるフィルム内温度変化シミュレーション
CFD による温度変化シミュレーション結果を Fig.4 に示した。設定条件は実際に現場での運転条件を考慮して、フィルムの初期温度20℃、上面ローラー150℃、下面ローラー130℃とした。この温度設定は、実際のパーシャルシールにおいて十分なシール強度がありかつ一定以上の通気性を持つ理想的なフィルムを− 275 −

CFDによる微細孔フィルムのヒートシール温度解析

歯車状ローラー凸部と平面ローラーに挟まれれた溶着面（2 枚のフィルムの溶着面）の温たフィルム縦方向断面では、上端 150℃、下度変化シミュレーションを Fig.7 に示した。

端 130℃は固定されており、両端から徐々に0.002sec 後には 51℃、0.004sec 後で 93℃、内部に熱が伝わり、0.008sec 後には溶着面が0.006sec 後で 113℃、0.008sec 後には 125℃に約 125℃に達した。歯車状ローラー凹部と平達することがわかった。また、0.02sec 後には面ローラーに挟まれたフィルム縦方向断面でほぼ平衡温度に達し、上面ローラーの温度は、上端はローラーに接しておらず、下面お150℃と下面のローラー温度 130℃の中間温よび横方向からの熱伝導のみで温度が高くな度である約 140℃となった。

るため温度上昇は遅く、0.008sec 後ではまだ80℃にも達していなかった。
50μm 厚フィルムの中心部（溶着面）の横方向温度分布の経時変化を Fig.6 に示した。

3.2 CFD シミュレーションとフィルム特性の比較
本包装機では、フィルムが２つのローラーの間を通過する瞬間において、２つのローラーは一定の力でフィルムを挟み込むように設計されている。挟み込む力がまったくなければ、フィルムとローラーは一点でのみ接触す
凸部ローラー下の温度上昇が早いのは当然でることになるが、実際には一定の力で挟み込あるが、凹部ローラー下でも比較的大きな温んでいるためフィルムの弾性との関係から常度上昇は見られた。パーシャルシール包装でに一定の面積をもってローラーとフィルムがは、ローラー凸部下部分ではフィルムが溶着接触することになる。これを圧力シートで計し、凹部下部分では溶着することなく微細孔測した結果、ほぼ２〜３個の凸部が接触してを形成すると考えられるが、凹部下にあるフいることがわかった。今、ローラーの回転速ィルムでも凸部との境界域では一部溶着温度度は 18ｍ/min（300mm/sec）、ローラーの直径以上になることがわかった。

は 10mm、凹凸のピッチは 1mm である。ロー

歯車状ローラー凸部と平面ローラーに挟まラーとフィルムの接触時間を凹凸のピッチ２− 276 −日本包装学会誌 Vol.18 No.4（2009）

個分とすると、2/300=0.0067sec、３個分とす

ルム中心部である溶着面温度は、ローラーとると、3/300=0.0100sec となる。その平均的なフィルムが接触している 0.008sec 間に 125℃値として、ローラーとフィルムは約 0.008secまで上昇することが Fig.7 より明らかとなっ間接触しているものと仮定して以下のシミュた。これはヒートシール適温範囲 118-130℃

レーションを行った。に入っており、良好なヒートシールが行える

フィルムの溶着面温度が 110℃から 145℃条件であることを示唆している。実際にこのになるようにヒートバー温度を設定してヒー条件で作成したパーシャルシール包装は、シトシールを行い、それぞれのフィルムについール強度も十分でガス透過性も良好であるとて引張り試験を行った。溶着面温度と引張りいった結果となり、CFD の結果を裏付けるも強度の関係を Fig.8 に示した。のとなった。同様の試験を上面のローラー温度を 150℃に固定し、下面のローラー温度を110-190℃の範囲で変化させた場合の溶着面温度シミュレーションを行い、Fig.9 に示した。

116℃以下では引張り強さは 0.4N 以下ときわめて低く、117℃で 2.5N を超え、118℃以上では 4N 以上の強度を示した。118℃以上で溶着した試料で引張り試験を行った場合、通常は２枚のフィルムが剥がれることにより引張り下面ローラー温度が 110℃の場合、0.008sec

強度を示したが、130℃以上の温度になるとフ後の温度は 118℃ぎりぎりであり、120,130℃

ィルムの加熱と非加熱のライン上でちぎれる

では 118-130℃の範囲内に十分入っており、ような形で引張り強度を示した。このことか140℃では 130℃ぎりぎりの温度であった。実ら、130℃以上ではいわゆる“破れシール”

17)

際に包装機でパーシャルシールを作った結果、となると考えられる。従って、ここではヒー110℃のものはシール強度が不足しており、トシール適温範囲を 118-130℃と設定した。

140℃のものは通気性が不十分であることをフィルムの初期温度 20℃、上面のローラー確認している。適正に作成できたのは 120,150℃、下面ローラー130℃とした場合のフィ130℃のものであった。このことから CFD を− 277 −

CFDによる微細孔フィルムのヒートシール温度解析使ったフィルム内温度変化シミュレーション

５． 結論

がパーシャルシール包装作成の適否を判断するための有効な方法になり得ることが示唆された。

簡易な MA（Modified Atmosphere）包装として利用されている「パーシャルシール包装」であるが、設定温度などのヒートシール条件４． 考察は現場においてトライアンドエラーで決めていることが多い。本報では、CFD（数値流体

パーシャルシール包装は、溶着部分が力学）を利用してヒートシールローラーとフ0.4mm、非溶着部分が 0.6mm と微小な領域でィルムが接触する瞬間における微小空間の温の加工であり、ヒートシールローラーとフィ度変化をシミュレーションした。

ルムが接触している時間が数ミリ秒という極シールローラーの回転速度を 300mm／sec、めて短時間での現象であるため、加工部分の歯形形状のローラー温度 150℃、平面ローラ温度変化を実測することは非常に難しい。そー温度 130℃、フィルム初期温度 20℃、ローのため、これまでは試行錯誤で設定温度を決ラーとフィルムとの接触を非接触 0.6mm・接めて実際に加工を行い、引張り試験や青果物

触 0.4mm と入力するとローラーの接触時間を入れての実証試験でその良否を検証するこに溶着面温度は約 125℃に達すると計算され、としかできなかった。本研究では、フィルムフィルムのヒートシール温度と引張り強度の内の温度変化を 0.5msec 刻みでシミュレーシ関係から求めた適温である 118-130℃範囲内ョンすることができ、Fig.5 のように縦方向のにあることが確認された。このように、CFD分布、Fig.6 のように横方向の分布いずれも解によるフィルム内温度変化シミュレーション析することが可能となった。今後は、CFD にがパーシャルシール包装のヒートシール温度よるシミュレーションにより最適なシール温解析に適用可能であることが確認できた。

度の設定やローラーの運転速度を変えた場合の温度設定などこれまで経験に頼ってきた操６． 謝辞
本研究は農林水産省農林水産技術会議の競作の理論的な裏づけデータとして活用できる争的資金「新たな農林水産政策を推進する実ものと考えられる。
しかし、本研究のモデルは凹凸の単純な形状を 2 次元で再現し、同時に全ての歯形に温用技術開発事業」により実施したものである。
ここに関係各位に感謝申し上げます。

度がかかるといったものであった。実際には歯車が回転しながら順に歯型が当たるといっ＜参考文献＞

た複雑な動きをしているため、今後はより現

1) A. A. Kader, D. Zagory and E. L. Kerbel,実に近づけたモデルを作成し、より精度の高Critical review in Food Sci. and Nutrition,

いシミュレーションを行っていく必要がある

28(1), 1-30(1989)と考えられる。

2) D. Zagory and A. A. Kader, Food technol.,42, 70-77(1988)− 278 −

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（審査受理 2009 年 6 月 18 日）− 279 −