第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会 2008年6月14日 京都）

第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14

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システム原理６：過熱蒸気発生部

７：循環ダクト

５：エジェクタ
８：排気ダンパ

熱と空気と過熱水蒸気の話～乾燥と食品加工の研究から～

３：タンク水位センサ

２：ポンプ
１：水タンク

食品

工学研究科

生活科学研究科

４：エンジンユニット

９：排水弁

大阪市立大学大学院工学研究科 機械物理系専攻 講師

伊與田 浩志

乾燥の基礎， 食品乾燥， 装置と応用

大阪市立大学大学院工学研究科 後期博士課程
大阪青山大学・大手前製菓学院（非常勤講師）

山形 純子

ヘルシオの紹介記事(SHARPテクニカルジャーナル
テクニカルジャーナル,ヘルシオの紹介記事
テクニカルジャーナル 91, 40-44 (2005))
http://www.sharp.co.jp/corporate/rd/26/26-3-8a.html

大量調理，栄養士，スチコン

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グリル皿からの伝導伝熱

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空気中でタオルを乾かす

スチームの潜熱 グリルヒーターからの輻射熱

グリル皿（マイクロ波発熱体）

空気顕熱
スチーム加熱ユニット

マイクロ波の放射

スチーム発生部

スチーム吹出口

ふた加熱板で高温スチームを約１３０℃に高める

スチーム発生用
水容器

空気顕熱＋
水蒸気潜熱

乾燥中は約１４℃１４℃まで下がる（２０℃，相対湿度２０℃，相対湿度５０％，相対湿度５０％）
５０％）

ふたＩＨ

側面ＩＨ

給水ﾀﾝｸ

（乾き空気２０℃の場合：タオル温度（湿球温度）は約７℃まで下がる）

過熱水蒸気

水を沸騰

（乾燥前のタオル）20℃ 400ｇ
（乾燥後） 20℃ 200ｇ
タオルが保有している熱エネルギーは低下
気流乾燥：
・気流の顕熱を潜熱に変換する操作
・蒸発中の材料温度≒湿球温度

スチーム発生ユニット

スチームレンジ(松下テクニカルジャーナル：スチームレンジ 松下テクニカルジャーナル：52(6),38-42(2006))
松下テクニカルジャーナル：http://panasonic.co.jp/mtj/v5206/pdf/p0303.pdf
炊飯器(松下テクニカルジャーナル：33-37(2006))
炊飯器 松下テクニカルジャーナル：52(6),松下テクニカルジャーナル：http://panasonic.co.jp/mtj/v5206/pdf/p0302.pdf（補足）湿球温度測定の推奨流速 (ASHRAE standard 41.6 )
温度計と交差する場合：風速3~5m/s， 軸方向流の場合：1.5~2.5m/s

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過熱水蒸気と空気（利用チャート）

含水率・温度の変化

P steam =P total

水蒸気分圧 Psteam （ｋＰａ）

水ま た
は水蒸
気のみ

80
60

過熱水蒸気

湿球温度

高湿度

気流条件（高湿度）

通常の湿り空気線図
での縦軸は絶対湿度
だが，過熱水蒸気も同図上で表記したいので，水蒸気分圧で示した！

湿った材料（水）表面の状態

40

飽和蒸気圧線

断熱冷却線

露点温度

濃度差（拡散移動）20

材料初期条件

燃焼ガス

温度差（対流伝熱）

0

気流条件（低湿度）
乾き空気

050
湿球温度



空気
高温高湿度空気
過熱水蒸気

100 高温 150
気流温度 T g （℃）

200

ここでは，断熱冷却線を近似的に等湿球温度線としている！

室内空気

空気のみ

250

対流伝熱量q
対流伝熱量 cv(W/m2)= 熱伝達係数×
熱伝達係数×温度差
材料の温度変化が無いとき
対流伝熱量q
対流伝熱量 cv(W/m2)= 潜熱×
潜熱×蒸発速度

露点温度＜
露点温度＜材料初期温度＜
材料初期温度＜湿球温度＜沸点温度＜
湿球温度＜沸点温度＜気流温度＜沸点温度＜気流温度
材料初期温度＜
材料初期温度＜露点温度＜
露点温度＜湿球温度＜沸点温度＜
湿球温度＜沸点温度＜気流温度＜沸点温度＜気流温度
材料初期温度＜
材料初期温度＜露点温度＝
露点温度＝湿球温度＝沸点温度＜
湿球温度＝沸点温度＜気流温度＝沸点温度＜気流温度1.2160○ T wet = 45 ℃

(Hot air)

1□ T we t = 70 ℃

(Humid hot air)

0.8

△ T wet = 100 ℃(Superheated steam)

0.6
0.4
0.2
0

Material surface temperature
T sf ℃

露点温度飽和蒸気=湿球温度=
蒸気 = 100℃
飽和
湿球温度
100℃

Mean moisture content
X kg-water/kg-solid（全圧P total ＝大気圧）100

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140
120
10080

○ T wet = 45 ℃

(Hot air)60□ T we t = 70 ℃

40(Humid hot air)
△ T wet = 100 ℃20(Superheated steam)

00500

1000

1500

Drying time t s

2000

0500

1000

1500

2000

Drying time t s

Inoue, T. et al. (2007), Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,
Series B, Vol.73(728), pp. 1068-1076.

1

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過熱水蒸気と空気（利用チャート）

反転過程モデル（凝縮過程~復元過程）
Condensation
Evaporation processprocess
Restoration process
Drying process

飽和蒸気
飽和蒸気

（全圧P total ＝大気圧）(a)反転時間
反転時間t
反転時間 rev
2

Initial weight(b)最大凝縮量
最大凝縮量Δmmax
Reverse time
01  λ (Tsf − Tl 0 ) ∆mmax =γq H πa Restoration timet rest rev

Time
対流熱流束

qHqcv qrtqHqcv qr

qp
qc-qp
凝縮潜熱

 λ (Tsf − Tl 0 ) t res = 4 
 πa qH q cd

高温高湿度空気

高湿度

60

低温スチーム

湿り空気

40

飽和蒸気圧線

断熱冷却線

飽和空気

20(霧入り空気)
霧入り空気)

2(b)Evaporation process(t>trev)

気液界面における熱バランスモデル

過熱水蒸気乾燥
1.蒸発速度の優位性
蒸発速度の優位性
2.熱放射ガス
熱放射ガス
3.初期品温が露点温度よ初期品温が露点温度よりも低い場合は，凝縮（結露）により急速に加熱・加水される
4.防爆・非酸化性
防爆・非酸化性
湿度の表現方法について「絶対湿度」，「相対湿度」
による表現は不適切

燃焼ガス
室内空気

0

乾き空気

050・・ (3)蒸発潜熱(a)Condensation process(t<trev)

80(c)復元時間
復元時間t
復元時間 res
Superheated Steam
Tsf =Const.
Dried Materials

qeqcd

2・・ (2)放射熱流束

水ま たは水蒸
気のみ

空気入り蒸気 λ (Tsf − Tl 0 ) t rev =  ・・ (1) πa q H 

Reverse point
0

過熱水蒸気

100
水蒸気分圧 Psteam （ｋＰａ）

Mass change Δ m

Δ m max

P steam =P total

半無限固体モデル

100 高温 150
気流温度 T g （℃）

200

空気のみ250

伊與田ほか，日本機械学会論文集，B63-612，pp2764-2770，(1997)過熱水蒸気加熱，伊與田浩志，日本食品工学会第６回年次大会
講演要旨集，pp1-2,（2005）

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食品と乾燥食品のもつ3つの機能
1.栄養機能2.感覚刺激機能（嗜好機能）
3.生体調節機能 ＋安全性

食品・・・熱感受性の強い材料
食品乾燥・・・水分除去だけでなく，食品としての機能化が期待される．

法的な話題
1.総合衛生管理製造過程（HACCPシステム，GMP，PP，1998年1月承認開始）
2.食品リサイクル法（H18年までに20％目標， 2001.5施行）
3.保健機能食品（特定保健用食品，栄養機能食品，2001.4施行）
4.電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（RPS法，自然エネルギの利用促進・義務付け，2003.4施行）
5.食育基本法（健全な心身を培い豊かな人間性をはぐくむ，2005.7.15施行）
6.特定健康診査・特定保健指導実施に関する基準（俗称：メタボ検診，４０歳以上７４歳以下， 2008.4.1施行）

水蒸気利用技術の主な動向
・蒸気機関「熱エネルギー」から「運動エネルギー」へ変換するための作動流体（主に産業革命以降）
食品分野では，古くから水蒸気は巧みに利用されています．
・調理「蒸す」 中国文明の影響の強い地域，モロッコなど
澱粉性食品（パンなど）の加工，焼成（過熱水蒸気中）
乾燥麺の断面写真

・業務用厨房機器，食品加工装置
スチームコンベクションオーブン，インスタント食品の乾燥
過熱水蒸気焼成装置，殺菌装置
・調理家電
炊飯器・電子レンジへの水蒸気の利用
健康調理器

ナチュラルノンフライ麺

その他
・環境分野，空気調和，各種製造プロセスなど

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・水蒸気を使いこなすには，「材料の初期温度，変性温度，気流の露点温度，湿球温度，沸点温度」の関係と「反転過程反転過程」を制反転過程御することが重要です．
反転過程の予測を含め，食品以外の乾燥・加熱・加工プロ
・本研究室の基礎的な実験・数値解析技術は，これら重要な温度や反転過程
反転過程
セスの熱設計や，製品高品位化のための最適化への応用も目指しています．

（高温空気中）

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実験装置

P steam =P total（全圧P total ＝大気圧）

過熱水蒸気

水蒸気分圧 Psteam （ｋＰａ）

100

水ま たは水蒸
気のみ

8060

高湿度

40

飽和蒸気圧線

断熱冷却線

燃焼ガス
20

室内空気 ジャガイモスライス の乾燥

0

乾き空気

0

水溶性成分（糖・塩）湿り澱粉球の乾燥を含む多孔材料の乾燥

50

100
150
気流温度 T g （℃）

200

空気のみ

250

高温

水蒸気・空気の利用チャート

高機能食品アマランス（穀物）の膨化

研究室HP： http://www.mech.eng.osaka-cu.ac.jp/~netsu/

Drying of Sliced Raw Potatoes in Superheated Steam and Hot Air,
H.Iyota, N.Nishimura, T.Onuma and T.Nomura,
Drying Technology，19(7), pp1411-1424, (2001)2第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会 2008年6月14日 京都）

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Superheated steam 170℃

Ｅｎｄｏｔｈｅｒｍｉｃ Ｆｌｏｗ

表面近傍断面の様子（SEM観察）

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均質系材料（収縮する材料）の乾燥計算モデルの例

dξ = M s dy

Hot air 240℃
AHot air 170℃

A0y

Raw potato

y=y0 ξ=ξ064℃
604080ξ ：固体質量基準座標
Ms ：単位体積中の固体の質量
y ：絶対座標y>y0 ξ=ξ0100

Temperature ℃

surfacey<y0 ξ=ξ0surface

crust

crust

cavitycavity(a) t=0(a) Hot air(c) t>tres

固体質量基準座標系の概念（均質材料）(b) Superheated steam

100μm(b) 0<t<tres(Tg=170℃)

含水率によらず固体分の質量は一定

Simulation of Superheated Steam Drying Considering Initial Steam Condensation,
H.Iyota, N.Nishimura, M.Yoshida and T.Nomura,
Drying Technology，19(7), pp1425-1440, (2001)

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試料内部の温度・含水率分布の履歴の推算
9220t =2700t =500

100t =100t =2560t =257

局所含水率 X1408

初期表面位置y0 =0.0044(℃)

180

材料温度 Tt =30006t =043t =2502t =20001t =0秒

20

凝縮過程（反転過程）の高度利用と制御

t =1005t =500t =1000t =2600

000.001

0.002

0.003

0.004

0.005

y (m)

0（a）温度分布

0.001

0.002

0.003

y (m)

0.004

0.005

（b）含水率分布

過熱水蒸気中での材料内含水率・温度分布と履歴の計算結果例

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60

表面温度

（湿球温度）（露点温度）

中心温度50(予熱区間)

40(定率乾燥区間)

30

質量変化

20

初期温度
最大凝縮量

・マイクロ波加熱の併用
・全圧変化（沸点制御）

100-10-20

凝縮過程

蒸発復元過程

反転時間

経過時間

・初期温度
・気流温度
・気流流速
・他の加熱，加湿手法との複合化
・赤外線加熱の併用

蒸発乾燥過程
復元時間

反転過程モデル（高湿度空気，湿球温度 70℃）

・凝縮水に他の成分が含まれたとき（活量低下）100

水バッチ式の実装置庫内

飽和蒸気
b c dae

過熱水蒸気

乾燥空気分圧( Pair )

温度変化℃

70

（全圧P total ＝大気圧）
P steam =P total

80

水または水蒸気のみ

過熱水蒸気供給

空気から過熱水蒸気への置換や，設定温度に到達するまでの所要時間も重要．

循環加熱
空気入り蒸気低温スチーム60

飽和蒸気供給飽和蒸気供給飽和蒸気圧線
飽和空気

40

高温高湿度空気

B

湿り空気

A

C

水蒸気分圧( Psteam )制御パラメータ80

装置化：温度･水蒸気量の制御性とプロセス設計

水蒸気分圧 Psteam （ｋＰａ）

凝縮から蒸発への反転過程の制御（乾燥条件一定）

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過熱水蒸気供給20
霧入り空気

燃焼ガス(13Ａ)
室内空気

循環加熱

0050

100

食品品質に影響を与える可能性あり！

断熱冷却線

乾き空気150200空気のみ

250

気流温度 T g （℃）

3第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会 2008年6月14日 京都）

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空気から過熱水蒸気への移行（Total pressure: P total =101.3kPa）(a) T' wet=48ºC(RA)

050

T dew

(Dry air)100

Temperature

150

200

T （ºC）

Regulator P steam (kPa)120(f) Change from 0 to 180 s

100

2.2

2.0

2.0(c) T' wet=70ºC(b) T' wet=60ºC

0

2.2

1.8

1.6
△(e)T’ wet=100℃○(f) Change from 0 to 180 s◇(g) Change from 0 to 360 s□(h) Change from 180 to 360 s◆(i) Change from 360 to 540 s▲(a)T ’ wet=48℃

1.480(g) 0-360 s

60

1.2400(h) 180-360 s

20

Material mass m (g)20

Adiabatic saturated line(d) T' wet=80ºC

Material mass m (g)Dry-bulb temp( T g )Boiling point temp. (T boil )40

Gelatinization temp.(T gln)60

過熱水蒸気への置換速度が初期の凝縮過程に与える影響(e) T' wet =100ºC (SHS)● Experimental conditions with measured
wetted-wick temp. (T 'wet )○ Cross-pint with horizontal line
shows dew point temp. (T dew)
□ Cross-point with adiabatic saturated line
shows adiabatic saturated temp. （T as )Saturated steampressure curve

80
Initial material temp.( T ini )Steam partial pressure P steam （ｋＰａ）

100120(i) 360-520 s

240 360
Time t (s)

480

1.8

1.6
△(e)T’ wet=100℃○(f) 0-180 s◇(g) 0-360 s□(h) 180-360 s◆(i) 360-540 s▲(a)T ’ wet=48℃

1.4

1.2

600

0120

240 360
Time t (s)48060000120

240360Time t (s)480600(A)実験結果(B)計算結果
H. Iyota, T. Inoue, J.Yamagata and N. Nishimura
Drying Technology, 26(2), pp211-221 (2008.2)

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メモ

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栄養士法（第一条）

・「水」にはいろいろなものが溶けている．
（水を使う装置の難しさ）
・「空気」にもいろいろな物質や微粒子が混ざっている．
（空気利用，浄化の難しさ）
・「過熱水蒸気」利用にはプロセス設計も重要（庫内容積は，小さい方が制御性が良い！）
・高効率化とクローズドシステム化技術が必要
・空気～過熱水蒸気の広い温度・湿度領域の利用

栄養士（都道府県知事の免許）
栄養士の名称を用いて，栄養の指導に従事することを業とする者
管理栄養士（厚生労働大臣の免許）
管理栄養士の名称を用いて，
 傷病者に対する療養のため必要な栄養の指導
 個人の身体の状況、栄養状態等に応じた高度の専門的知識及び技術を要す
る健康の保持増進のための栄養の指導
 特定多数人に対して継続的に食事を供給する施設における利用者の身体の状況、栄養状態、利用の状況等に応じた特別の配慮を必要とする給食管理及びこれらの施設に対する栄養改善上必要な指導等を行うことを業とする者

過熱水蒸気加熱，伊與田浩志，日本食品工学会
第６回年次大会講演要旨集，pp1-2,（2005）など

第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14

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健康増進法 （第二十一（第二十一条）二十一条）（特定給食施設における栄養管理）
１ 特定給食施設であって特別の栄養管理が必要なものとして厚生労働省令で定めるところにより都道府県知事が指定するものの設置者は、当該特定給食施設に管理栄養士を置かなければならない。

人
給食管理

２ 前項に規定する特定給食施設以外の特定給食施設の設置者は、厚生労働省令で定めるところにより、当該特定給食施設に栄養士又は管理栄養士を置くように努めなければならない。

調理員◇ 厚生労働省令で定める基準とは

医学的な管理を必要とする者に食事を提供する特定給食施設であって、継続的に１回３００
医学的な管理を必要とする者に食事を提供する特定給食施設であって、継続的に１回３００食以上又は１日７５０食以上の食事を供給

食品

栄養の指導

管理栄養士
栄養士
作業環境

栄養

傷病者

生活背景

病院（許可病床数：３００床以上），介護老人保健施設（入所定員：３００人以上）

上記施設以外の、管理栄養士による特別な栄養管理を必要とする特定給食施設であって、上記施設以外の、管理栄養士による特別な栄養管理を必要とする特定給食施設であって、継続的に１回５００食以上又は１日１５００食以上の食事を供給
教護施設，更正施設，養護老人ホーム，特別養護老人ホーム，軽費老人ホーム，乳児院，児童養護施設，知的障害児施設，盲ろうあ児施設，肢体不自由児施設，情緒障害児短期治療施設， 児童自立支援施設，心身障害者福祉協会の設置する福祉施設， 身体障害者更正施設，身体障害者療護施設，身体障害者授産施設，事業所、寄宿舎、矯正施設、自衛隊等

食品・栄養

環境

4

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有機化学

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食品

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水蒸気庫内投入口

食品学総論
給食経営管理生化学

生体栄養管理

風向

栄養生理学
食品学各論
経営管理（原価，品質，組織）

生産管理（衛生，食材，作業）
食品加工学
解剖生理学
ライフスタイル
施設管理（機器設備，環境，備品）
栄養学
調理学
運動生理学
病理学
給食経営管理論

中心温度計
熱交換器，ファン

臨床栄養学

スチームコンベクション
オーブン

栄養教育

食品衛生学

公衆衛生学

カウンセリング論

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排気(ヒータ)

排気(ボイラ)

庫内洗浄用シャワー

気流温度
湿球温度
排気
(庫内)

ヒータ

Spherical
copper

F1

ボイラ

Tb

Tg

qcd
F3

水qcv

F2

排水

qr

ガス(13A)

気流温度Tg1000

1000

1801601401201008060402001200

銅球温度Tb

伝導伝熱量qcv
対流伝熱量qcd
020181614121086420

Heat flux qcv, qcd kW/m2

蒸気なし

1801601401201008060402001200

200

400

気流温度Tg200

800

銅球温度Tb

伝導伝熱量qcv

0600
Time t s

400

対流伝熱量qcd
600

Time t s

800

Temperature Tb ,Tg ℃

Heat flux qcv, qcd kW/m2

20
181614121086420

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Temperature Tb ,Tg ℃

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蒸気あり

良い装置を設計するためには．．
良い装置を設計するためには．．
機械工学

地球環境装置人

対象物

謝辞：
野邑奉弘先生（大阪市大名誉教授）
西村伸也先生（大阪市大工学研究科）
小西洋太郎先生（大阪市大生活科学研究科）
吉田正道先生（富山大学工学部）
今駒博信先生（神戸大学工学部）
藤原政嘉先生（大阪青山大学・（社）大阪栄養士会副会長）
渋川祥子先生（横浜国立大学名誉教授）
ネスレ科学振興会，文科省科研費，ソルトサイエンス研究財団

ありがとうございました．

5