計測自動制御学会東北支部 第 266 回研究集会 (2011.7.20)
資料番号 266-11

ジュール加熱食品加工における温度推定法
Estimation of Temperature for Joule Heating Food System○加川拓磨 ∗ , 長縄明大 ∗ , 小松和三 ∗○ Takuma Kagawa∗ , Akihiro Naganawa∗ and Kazumi Komatu∗*秋田大学*Akita University
キーワード :

ジュール加熱 (Joule heating), 温度推定 (Temperature estimation),
電流値 (Current value), 発熱量 (Calorific value)

連絡先 :〒 010-8502 秋田市手形学園町 1-1, 秋田大学大学院工学資源学研究科機械工学専攻

長縄明大，Tel.: (018)889-2726，Fax.: (018)889-2726，E-mail: naganawa@ipc.akita-u.ac.jp

1.

緒言

極板と食材を入れ，交流電圧を印加することに近年，国際化による食文化の融合に伴って消費者嗜好が非常に複雑化し多様化している．また，食品関連の事件・事故，また健康ブームの影響により，食品への関心はますます高まってきている．このような社会的背景のもとで，食品工学や食品科学など食品に関する様々な研究がなされてきた．特に，食品やその原材料中の様々な化学成分が，ガンや生活習慣病の予防改より，食材の持つ電気抵抗を利用して発熱させるジュール加熱法が注目されている 1) ．その特徴として，速応性が良いこと，温度制御性が良いことなどに加えて，加熱むらを抑えることができる，エネルギ変換効率が高いなどが挙げられる．このジュール加熱法に関しても，生理機能性の保持 2, 3) や発熱現象の可視化 4, 5) など，様々な研究が行われてきたが，加熱温度を制御する研究についてはほとんど行われていない．

善に有効であることが明らかになって以来，食の三次機能性に対する社会の要求や期待は大きく，科学的な裏づけの確立と同時に，これらの生理機能成分を効率的に最終製品の中に移行発現させうる加工技術の開発が急務となっている．
食品加工法で従来から最も一般的に使われているのは，伝熱加熱法である．この方法は，容器などの媒介を介し，外部の熱源から熱伝導を利用して，食品を加熱する方法である．しかし，伝熱加熱法では加熱むらや過加熱を引き起こすなどの欠点がある．一方，容器の中に 2 枚の電そこで本研究では，ジュール加熱法における容器内部の加熱温度を制御するのに必要な温度推定に関する検討を行った．通常，食品加工においては，容器内に温度センサを配置することができないため，ジュール加熱法のエネルギ変換効率の高さに注目し，容器内に流れる電流値から発熱量を求め，温度を推定することとした．
その有効性は，実験により確認することができ，また容器内の物質の電気抵抗が変化した場合や容器の体積が異なる場合についても検証した．

–1–

2.

ここで，Q は発熱量 J，t は時間 s，I は電流 A，

ジュール加熱装置

Fig. 1 に本研究で用いたジュール加熱装置の概略図を示す．実験装置は，ジュール加熱のための交流電源，加熱に用いる容器，2 枚の電極

V は印加電圧 V である．

3.2

装置の加熱特性板からなり，PC は容器への印加電圧を調整す

本装置の加熱性能として，通電時間，昇温特るため，また容器内の温度および容器へ流れる性および電流値を確認するための実験を行った．

電流値を計測するために用いた．容器は，耐熱実験は，容器中（横幅 x = 40 mm）を用い，試性，電気絶縁性が良く，薬品に浸食されにくい料は濃度 0.12 %の食塩水 250cc とし，容器へのテフロン樹脂（厚さ 5 mm）を用いており，大き印加電圧は 30 V とした．なお，本研究におけさは縦が y=80 mm，高さが z=80 mm であり，る全ての実験における初期温度は 30 ℃となる

横幅 x は 4.3 節で異なる容器サイズに対する検ように予備加熱を行い，30 ℃から 80 ℃になる証を行うため，x=20, 40, 80 mm の 3 つの容器まで加熱温度の推定を行った．

を準備し，それぞれ，容器小，容器中，容器大Fig. 2 に時間に対する昇温の様子を示す．図と呼ぶことにする．また，電極板は厚さ 1 mm

より，実験開始前は容器内温度が約 25 ℃であっのチタン材に 0.2 mm のセラミックコーティンたので，通電を行うことにより，約 80 s で初期グをしたものを用いた．容器に印加する交流は，温度に到達した．その後，約 245 s まで 30 ℃を商用の 50 Hz とし，熱電対は K 型を用いた．

保持した後，目標温度が 80 ℃となるための加熱を行った様子がわかる．

3.

発熱量による温度推定3.1

発熱量についてFig. 3 に Fig. 2 の加熱を行った際の容器に印加された電流値を示す．図より，初期温度 30℃を保持している際には，容器内に流れる電流

本研究では，ジュール加熱において容器内に値はわずかであったが，約 245 s 以降に行った電圧を印加すると，食品の持つ電気抵抗値に応通電の結果，約 1 A 以上の電流が流れているこじて流れる電流値が変化することに着目し，電とがわかる．しかし，その電流値は時間の変化流値をセンサで検出して発熱量を算出し，加熱に対して脈動しており，本測定結果のままでは温度を推定する方法について検討した．発熱量式 (1) を用いた温度推定は困難である．この原は，次式で表わされる，
80(1)ᗘ T >Υ@Q = V It⇕㟁ᑐ㟁ᴟᯈ
㟁ὶࢭࣥࢧ

604020PCzxFig. 1y஺ὶ㟁※

ジュール加熱装置の構成

00200

400600᫬㛫 t >s@800

1000Fig. 2 時間に対する昇温特性（容器中，濃度0.12%）–2–

因として考えられるのは，実験に用いた交流電3.3源の特性によるものと考えられる．
そこで，計測した電流値からその値を補正し，直線的に近似できないかの検討を行った．Fig.

4 に Fig. 3 で示した電流値の時刻 400〜450 s の拡大図を示した．図より，大きく脈動をしている値を除くと，おおよそ上下 2 本の破線で示した範囲内に収まっていることが分かった．このため本研究では，この 2 本の直線の範囲にある電流値についてはその値を用い，また 2 本の直線の範囲を超えた場合にはこれらの平均値を電流の補正値として温度推定に用いることとした．
なお，Fig. 3 にも電流の補正値を示した．

発熱量と温度の関係

本研究では，発熱量 Q より加熱温度 T を推定する方法について検討を行うため，容器への印加電圧を変えた場合の加熱実験を行い，その際の電流値を測定し，式 (1) より計算した発熱量

Q と加熱温度 T の関係を求めた．
Fig. 5 に結果を示す．実験は，容器中を用い，試料は 0.12%の食塩水とした．図より，印加電圧が 30 V〜50 V の場合では，高温時を除いてほぼ一致していることがわかる．また，印加電圧が 20 V のときは，他の結果に比べて差が大きいこともわかる．このように，高温時や印加電圧が低い場合に差が出た原因として，印加電圧が低くなると加熱時間が長くなり，放熱の影響が出ているものと考えられる．

3
㟁ὶ I >A@

上記より，発熱量 Q に対する温度 T の結果がほぼ一致していたことから，印加電圧が 50 V の㟁ὶࡢ⿵ṇ್2ときの結果に対して，次式のように近似曲線の
ィ1

ࡋࡓ㟁ὶ್

式を求め，これを温度の推定式とした．

T = −0.9 ∗ 10−9 Q2 + 1.7 ∗ 10−3 Q + 3000Fig. 3200400600᫬㛫 t >s@800(2)

1000

電流変化の様子（容器中，濃度 0.12%）

4.

発熱量による温度推定

前章の結果より，印加電圧に依存することな2.4

く，発熱量に対する温度の推定式を求めることができたので，本章では式 (2) の有効性に関す

2.2
㟁ὶ I >A@㟁ὶࡢ⿵ṇ್

る検証を行った．4.1 では印加電圧が異なる場

21.850V

40V80ィ

1.41.2400Fig. 40.12%）410420430
᫬㛫 t >s@ᗘ T >Υ@1.6
ࡋࡓ㟁ὶ್44030V

6020V

4045020電流変化の拡大図（容器中，濃度0010000

20000 30000 40000Ⓨ⇕㔞 Q >J@

50000

60000

Fig. 5 発熱量と温度の関係（容器中，濃度0.12%）–3–合の温度推定の結果について，4.2 では加熱試推定できているといえる．

料の抵抗値が異なる場合の結果について，4.3では加熱試料の抵抗値は等しいが容器の大きさ

4.2

試料の抵抗値が異なる場合が異なる場合の結果について述べる．
つぎに，試料の抵抗値が異なる場合における4.1

温度推定を行った．本研究では，加熱対象の食印加電圧が異なる場合

塩水の塩分濃度を変えることにより，試料の抵本研究では，印加電圧を 30 V と 50 V とした抗値を変えた．実験は，容器中を用い，濃度が場合の加熱実験を行い，式 (2) の有効性を検証

0.12%，0.24%，0.36%の食塩水に対しては印加した．実験は，容器中を用い，試料は 0.12%の食電圧を 30 V とし，濃度が 1.0%の食塩水に対し塩水とした．Fig. 6，7 に実験結果を示し，Fig.ては電流値が装置の上限値より飽和しないよう6 が印加電圧が 30 V の場合，Fig. 7 が印加電圧に印加電圧を 10 V とした．

が 50 V の場合である．いずれの図においても，Fig. 8 に試料の濃度が異なる場合の発熱量

推定値には電流の脈動と考えられる変動が見らに対する温度の関係を示す．図より，全ての曲れるが，熱電対により測定した実測値とほぼ一線がほぼ一致していることから，塩分濃度が異致した結果が得られており，発熱量より温度がなったとしても，発熱量より温度が推定できることを示しており，その推定式は先に求めた式

80

ᘧ 280
ᐇ್

ᗘ T >Υ@ᗘ T >Υ@6040

᥎ᐃ್6040⃰ᗘ 0.12>@⃰ᗘ 0.24>@20⃰ᗘ 0.36>@2000100

200300400500600700⃰ᗘ 1>@ᘧ 200

᫬㛫 t >s@Fig. 6 温度推定の結果（印加電圧 30 V，容器中，濃度 0.12%）

10000

20000
30000
Ⓨ⇕㔞 Q >J@

40000

Fig. 8 発熱量と温度の関係（抵抗値が異なる場合）
808060ᐇᗘ T >Υ@ᗘ T >Υ@

᥎ᐃ್್

40
᥎ᐃ್60
ᐇ ್40

20200020 40 60 80 100 120 140 160 180 200
᫬㛫 t >s@00Fig. 7 温度推定の結果（印加電圧 50 V，容器中，濃度 0.12%）

60120
᫬㛫 t >s@180240Fig. 9 温度推定の結果（印加電圧 30 V，容器中，濃度 0.24%）–4–(2) で可能であることもわかる．

熱量に対する温度も変わることがわかる．また，Fig. 9 に濃度が 0.24%の食塩水に対して行っ容器の大きさが大きくなると目標温度である 80た温度推定の結果を示す．図より，温度の推定℃に到達させるため，大きな発熱量が必要であ値は実測値にほぼ一致しており，温度推定が可ることもわかる．
このため，式 (2) のままでは温度を推定する能であることが確認できた．

ことができないため，この式を加熱試料の体積4.3に対して補正する方法について検討した．一般

容器の大きさが異なる場合に質量 m g の水を Tm ℃上昇させるために必要
最後に，容器の大きさが異なる場合における検証を行った．容器の大きさは，Fig. 1 に示すな熱量 Qm J は，次式で表される．

Qm = 4.17 × m × Tm

横幅 x，すなわち電極間の長さが異なる場合であり，容器小では 100g，容器中では 250g，容器大では 500g の試料を用いた．

Fig. 10 に印加電圧を 50 V，試料を 0.12 %の食塩水とした場合における発熱量と温度の関係を示す．図より，容器の大きさが異なると，発(3)このため，加熱対象の水が m 倍になると，温度上昇に必要な熱量 Qm も m 倍となることがわかる．そこで，Fig. 10 の結果において，容器小および容器中の質量を容器大の質量に合わせるため，容器小の発熱量を 5 倍に，容器中の発熱量を 2 倍した結果のグラフを Fig. 11 に示す．図ᐜჾᑠ80ᐜჾ୰ᐜჾ኱より，質量による補正を行うことにより，発熱ᗘ T >Υ@量に対する温度の関係がほぼ一致したといえる．
60以上のことから，式 (2) の発熱量に対する温度の推定式において，発熱量を体積比 Vh で割40ることにより，仮想的に質量を同じにし，推定Ⓨ⇕㔞 50>V@ᐜჾᑠࠉ Vh 1

20Ⓨ⇕㔞 50>V@ᐜჾ୰ࠉ Vh 2.5Ⓨ⇕㔞 50>V@ᐜჾ኱ࠉ Vh 5

0050000

100000 150000Ⓨ⇕㔞 Q >J@

200000250000式の補正を行った．
µ ¶
µ ¶2Q
Q
−3−9+ 30+ 1.7 ∗ 10
T = −0.9 ∗ 10
VhVh(4)

Fig. 10 容器の大きさが異なる場合の発熱量に対する温度の関係（印加電圧 50 V，濃度 0.12%）

Fig. 12，13 に，容器の大きさが異なる場合の温度の推定結果を示し，Fig. 12 が容器中にᐜჾᑠᐜჾ୰

対する結果，Fig. 13 が容器大に対する結果で

ᗘ T >Υ@80ある．なお，試料の濃度は 0.12%とした．図よᐜჾ኱60り，いずれの容器に対しても，実測値と推定値が一致しており，式 (2) の発熱量に対する温度40の推定式を質量で補正することにより，温度推30>V@ᐜჾ኱

2030>V@ ᐜჾ୰Ⓨ⇕㔞 2 ಸ定が可能であることが確認できた．

30>V@ ᐜჾᑠⓎ⇕㔞 5 ಸ0050000

100000 150000Ⓨ⇕㔞 Q >J@

200000250000Fig. 11 仮想的に水の質量を同じにした場合の発熱量に対する温度の関係

5.

結言

本研究では，ジュール加熱食品加工における容器内部の加熱温度を推定する方法について検–5–

以上の結果より，発熱量に対する温度の推定式80を求めることにより，加熱温度を推定すること60
ᗘ T >Υ@ᐇが可能であると考えられる．

್

今後の課題は，電流の脈動を抑える装置に関40して検討を行い，さらに容器内に固体物質が混᥎ᐃ್在する場合においても検証を行う予定である．
2000360

Fig. 127201080
᫬㛫 t >s@参考文献14401) 秋山美展：ジュール加熱技術 −その特徴と応用−，ジャパンフードサイエンス，41

容器中の場合の温度推定

巻，6 号，pp.47-54，2002.

ᗘ T >Υ@802) 秋山美展：ジュール加熱技術の応用展開 −60

ᐇプログラム加熱法の可能性−，ジャパンフー

್40

ドサイエンス，41 巻，9 号，pp.79-81，2002.
᥎ᐃ್3) 秋山美展，三保茂之，長縄明大，和田祐子，
᥎ᐃ್20

ᐇ
00

1200

2400

3600 4800
᫬㛫 t >s@6000

大久長範，森勝美：プログラム加熱による್

豆腐ゲル強度の改善，日本食品工学会 2003

7200年大会，2003.

4) 植村邦彦，五十部誠一郎，今井哲哉，野口Fig. 13

容器大の場合の温度推定

明徳：有限要素法による通電加熱における討した．得られた結果をまとめると，以下の通りである．

(1) 本研究では，実験により測定した電流値を用いて発熱量を求め，さらに発熱量に対する温度の推定式を近似曲線により求めた．

(2) (1) で求めた式により，印加電圧が異なる場合の検証をした結果，推定値と実測値がほぼ一致していた．

(3) (1) で求めた式により，加熱試料の塩分濃度が異なる場合の検証をした結果，推定値と実測値がほぼ一致していた．

(4) (1) で求めた式を体積で補正することにより，加熱試料の体積が異なっても，推定値と実測値がほぼ一致していた．

–6–

温度分布の解析，日本食品科学工学会誌，

43 巻，5 号，pp.510-519，1996.
5) 長縄明大，三保茂之，秋山美展，足立高弘：ジュール加熱現象の可視化と有限要素解析，
日本食品工学会誌，7 巻，2 号，pp.105-111，2006.