技術者のための冷却トンネルガイド：技術的な原理を深く掘り下げる
はじめに工業用冷却を越えて
冷却トンネルは製造工程の重要な部分です。製品の温度を正確にコントロールしながら下げるように設計されている。しかし、単に冷却するだけではありません。実績のある工学原理に依存した複雑なシステムなのです。.
冷却トンネルがいかにうまく機能するかは、3つの主要分野がうまく機能するかどうかにかかっている。熱力学、流体力学、機械設計だ。設定した時間内に特定のコア温度に到達させるには、これらの分野を深く理解する必要がある。.
これは このガイドは、プロセスエンジニアに完全な技術的 故障。まずは熱伝導の基礎科学から。そして最新のトンネルの機械部品を分解します。また、様々な冷却技術についてもご紹介します。.
最後に、冷却トンネルの設置を成功させるための重要な設計要因、性能計算、制御システムについて説明します。熱負荷や滞留時間などの概念を理解する必要があります。これらは この機器の仕様と運用に不可欠なもの まあね。.
冷却の核心熱力学的分解
冷却トンネルの主な仕事は、熱を移動させることである。冷却は、何かに「冷たさ」を加えるのではないことを理解することが重要です。その代わり、体系的かつ効率的な方法で、製品から熱エネルギーを取り除きます。.
このエネルギー除去は、伝導、対流、放射という3つの異なる熱の移動方法によって行われる。通常、1つの方法がほとんどの働きをする。しかし、3つとも存在し、全体的な冷却プロセスに役立っている。.
伝導：直接接触伝導
伝導は、直接物理的に接触することで熱を移動させる。冷却トンネルでは、主に以下のような現象が起こります。 製品の底がベルトコンベヤーに触れる.
伝導による熱の移動速度は、いくつかの事柄に左右される。ベルト素材の熱伝導率が重要である。製品自体の熱伝導率やベルトに触れる表面積も重要です。これは要因の一つではあるが、特殊な伝導冷却ベルトを使用しない限り、対流よりも重要でないことが多い。.
対流：冷却の主力
強制対流は、冷却トンネルの熱伝達のほとんどを担っている。これは、製品の表面を流れる冷たい流体（通常は空気）を利用する。.
ファンやブロワーがこの空気の流れを作ります。動く空気は製品の表面から熱を奪い、冷凍ユニットの蒸発コイルに運びます。冷却の速さは、空気と製品の温度差と、空気の動く速さによって決まります。.
ここに便利なルールがある。 製品は対流熱伝達を高めることができる 係数を著しく増加させる。多くの場合、この増加幅は60～80%に及ぶ。これは、優れた気流設計がトンネル性能にとっていかに強力であるかを示している。.
放射線目に見えないエネルギー交換
放射熱伝達は、電磁波を通してエネルギーを交換する。暖かい製品は熱放射を放出する。トンネルエンクロージャーの冷たい内面は、この放射を吸収する。.
この方法は、製品とトンネルの壁との温度差が大きくなるほど重要になる。壁面温度が極めて低い極低温トンネルでは、輻射が全体的な熱除去に大きな役割を果たす。.
表1：冷却トンネルにおける熱伝達モードの比較分析
特徴 | 伝導 | 対流 | 放射線 |
主要メカニズム | 直接分子移動（製品からベルトへ） | 流体の流れによって持ち去られる熱（エア・オーバー・プロダクト） | 電磁波放射（製品から壁まで） |
支配要因 | 材料の熱伝導率、接触面積 | 風速、風温、流体特性 | 表面放射率、温度差（4乗） |
典型的な貢献 | 低～中程度（製品基盤に大きく依存する） | 高い（多くの場合、総冷却量の70-90%） | 中程度（温度差が大きいほど増加する） |
最適化 方法 | 良好な製品接触を保証するベルト素材の選択 | ファンの回転数を上げ、風温を下げる | 内壁の高放射率マットブラック塗装 |
近代的トンネルの解剖：主な構成要素
冷却トンネルは、機械部品と電気部品を1つのシステムにまとめたものです。適切な仕様、操作、メンテナンスのためには、各部品の役割を理解する必要があります。.
断熱エンクロージャー
エンクロージャーの主な仕事は、熱的に分離された環境を作り出すことである。周囲の熱や湿気がプロセスゾーンに侵入するのを防ぐ。これは冷凍負荷を増大させ、効率を低下させる。.
これらのエンクロージャーは通常、高密度ポリウレタン・フォーム断熱材を充填したステンレス・スチール・パネルで作られている。パネルの厚さ、接合部のデザイン、気密シーリングが重要なディテールです。これらによってトンネルの熱的完全性と衛生的性能が決まります。.
コンベアシステム
コンベアシステムは、正確に制御された速度でトンネル内を製品を移動させる。これにより、滞留時間が直接設定されます。.
ベルトの種類は、作るものによって大きく異なります。ソリッドプラスチック、ワイヤーメッシュ、モジュール式プラスチックベルトなどのオプションがあります。駆動システムには、ほとんどの場合、可変周波数駆動（VFD）モーターが使用されます。これにより、正確な速度制御が可能になります。.
経験上、幅広い速度レンジを持つVFDを選択することは、プロセスの柔軟性にとって非常に重要です。デリケートなお菓子には、スムーズな「ソフトスタート」機能が、スタートアップとシャットダウンのサイクル中に製品がずれるのを防ぎます。.
冷凍機とAHU
冷凍・空気処理ユニット（AHU）は冷却システムの心臓部である。このユニットは空気を冷却し、トンネル筐体全体に移動させる。.
標準的な蒸気圧縮サイクルで作動する。これはコンプレッサー、コンデンサー、膨張弁、蒸発器コイルを使用する。エバポレーターコイルは、AHU内部の循環空気が実際に冷却される部分である。.
空気分配プレナムとダクトの優れた設計は非常に重要です。目標は、コンベヤーの幅と長さ全体にわたって、均一で一貫した気流と温度を製品に供給することです。これにより、ホットスポットやコールドスポットをなくすことができる。.
コントロールパネル（HMI/PLC）
コントロールパネルはトンネルの頭脳です。これにより、オペレーターは重要なプロセスパラメーターをすべて設定、監視、調整することができます。.
現代のシステムは、シンプルなサーモスタットや手動ダイヤルから、洗練されたシステムへと移行している。これらは、ヒューマン・マシン・インターフェース（HMI）タッチスクリーンを備えたプログラマブル・ロジック・コントローラー（PLC）技術を使用しています。.
このレベルの制御により、温度、ベルト速度、ファン速度の正確で再現可能なプロセス設定が可能になる。これは、安定した製品品質のために不可欠です。.
冷却技術の徹底分析
冷気または冷たい表面をどのように製品に適用するかは、温度そのものと同様に重要である。技術の選択は、冷却速度、製品の品質、運転コストに大きな影響を与えます。.
強制対流式
標準的な強制空気対流は、最も一般的で汎用性の高い冷却技術である。トンネル内を比較的低速で大量の冷気を循環させます。.
この方法は信頼性が高く、費用対効果も高い。焼き菓子やスナック菓子から製菓や惣菜まで、多くの製品に適している。.
空気衝突冷却
エアインピンジメント技術は、冷却強度を大きく向上させる。ノズルのアレイを使い、高速の冷気ジェットを製品の上面と下面に直接当てる。.
ここで重要なのは、製品の断熱空気「境界層」を破壊することである。この層を切り裂くことで、インピンジメントは対流熱伝達率を劇的に高めます。その結果、標準的な対流に比べて冷却時間が大幅に短縮される。.
この技術は、製品の表面を素早く固めるのに最適である。例えば、チョコレートコーティングのクラストや、クッキー、ピザベース、ミートパテのような平らなアイテムの冷却などである。.
間接伝導冷却
間接伝導冷却は、主媒体として空気を使用しません。その代わり、製品は、グリコールや冷水などの循環流体によって下から冷やされる固体ステンレススチールまたはプラスチックベルト上を直接移動します。.
この方法は、製品の底部まで強力かつ効率的に冷却します。液体、スラリー、またはソース、ピューレ、製菓用フィリングのような半固形製品で、薄く広げることができるものに最適です。.
極低温冷却 (LN2 / CO2)
極低温冷却は、液体窒素（LN2）や二酸化炭素（CO2）の相変化時に放出される巨大な冷却能力を利用します。液体窒素は-196℃（-320°F）で沸騰し、二酸化炭素は-78.5℃（-109.3°F）で昇華する。.
トンネル内に噴霧されると、これらのクライオジェンは瞬時に製品から大量の熱を吸収する。これにより、超高速冷却または凍結が実現する。これは、高価値製品の細胞構造と品質を保持するために非常に重要である。.
用途としては、魚介類や鶏肉の個別急速冷凍（IQF）、調理済み肉製品の水分閉じ込め、品質が最も重要な高級惣菜の冷蔵などがある。.
表2：冷却トンネル技術の技術比較
テクノロジー | 冷却率 | 資本コスト（CAPEX） | 営業費用（OPEX） | 主な利点 | 理想的なアプリケーション |
強制空気 | 中程度 | 低い | 低い | シンプルさ、多用途性 | 汎用、ベーカリー、製菓 |
インピンジメント | 高い | ミディアム | ミディアム | 高速で均一な冷却 | フラット製品、表面クラスト、パーベイクド製品 |
間接的 | 中～高 | 高い | 低い | 液体/スラリー用 | ソース、ピューレ、菓子フィリング |
クライオジェニック | 非常に高い | 中～高 | 高い | 極限のスピード、品質保持 | IQFシーフード、高付加価値プロテイン、メディカル |
重要な設計パラメータと計算
冷却トンネルの仕様や設計には、構造化されたエンジニアリングアプローチが必要です。製品要件から機器の仕様に至るまでには、いくつかの重要な計算と設計上の考慮事項が含まれます。これは、新しい冷却プロジェクトのエンジニアリングチェックリストとして役立ちます。.
総熱負荷の計算
全熱負荷は、冷凍システムが単位時間当たりに除去しなければならない熱エネルギーの総量です。冷却トンネルのサイズ決定において最も重要な計算です。この負荷は、いくつかの異なる部分の合計です。.
- 製品の負荷： これは主負荷であり、製品が冷却される際に製品自体から放出される熱を表します。ここで、「m」は製品の質量流量（kg/hr）、「c」は製品の比熱、「ΔT」は必要な温度変化です。.
- 浸透負荷： これは、インフィードとアウトフィードの開口部からトンネル内に入る熱である。また、パネルの漏れやドアの開口部からの熱も含まれる。.
- コンベアとファンのモーター負荷： トンネル内の機械部品はすべて、運転中に熱を発生する。これにはファンモーターやコンベア駆動システムも含まれます。この熱を考慮する必要があります。.
- トランスミッションの負荷： これは、断熱された壁、天井、床を通り抜け、暖かい外の環境から冷たいトンネル内に入る熱のことである。.
これらの個々の負荷を合計すると、必要な冷凍能力の合計が決まる。これは通常、1時間当たりのキロワット（kW）またはBTUで表されます。この計算を正しく行うことが、トンネルがプロセス要件を満たすための基本です。.
滞在時間の決定
滞留時間とは、製品が冷却トンネルの制御された雰囲気内で過ごす総時間である。これは、製品が目標の中心温度まで冷却されるのに十分な長さが必要な重要なパラメーターである。.
シンプルだが重要な公式がそれを決定する：滞留時間＝トンネルの長さ／コンベヤーの速度。.
望ましい冷却プロファイルを達成するために、エンジニアはトンネルの長さ（資本コスト要因）とコンベヤーの速度（生産スループット要因）のバランスを取らなければならない。.
気流と湿度のコントロール
効果的な冷却は、空気の温度だけでなく、その空気の管理方法にも左右される。目標は、製品の周囲に乱流の気流を作り出すことです。これは、滑らかな層流よりも熱を取り除くのにはるかに効果的です。.
特にデリケートな製品の場合、湿度管理も同様に重要です。製品表面の温度がトンネル内の空気の露点を下回ると、結露が発生する。.
これは、チョコレートのような製品にとっては悲惨なことで、“シュガーブルーム ”を引き起こす。この欠陥は、くすんだ粒状の表面を作り出す。AHUを適切に設計し、空気の侵入を管理することが、湿度をコントロールする鍵である。.
最新の制御とインダストリー4.0
冷却トンネルの制御システムは大きく進化した。業界は、基本的な手動ダイヤルやスイッチから、高度に洗練された自動化システムへと移行した。これらは、一貫性、トレーサビリティ、効率性において大きなメリットをもたらす。.
最新のシステムは、PLCとHMIタッチスクリーンを中心に構築されている。このプラットフォームは、レシピ管理のような強力な機能を可能にします。ワンタッチで、さまざまな製品に対応する何十もの独自のパラメータセットを保存し、呼び出すことができます。.
これらのシステムはまた、品質保証とトレーサビリティのための広範なデータロギングを提供します。迅速なトラブルシューティングのために、詳細なアラーム履歴を提供します。また、機器ベンダーによる遠隔診断機能も備えています。.
表3：冷却トンネル制御システムの階層
ティア | コントロール・インターフェース | 主な特徴 | 最適 |
ベーシック | 物理的なダイヤルとスイッチ | 温度と速度の手動制御。. | 小規模経営、低コストでの参入。. |
中級 | PLC付きHMIタッチスクリーン | レシピ保存、アラーム記録、基本データ表示。. | ほとんどの場合 標準生産ライン 一貫性が必要だ。. |
上級 | SCADAインテグレーション、IIoT | 集中制御、履歴データの傾向分析、予知保全アラート、リモートアクセス。. | 完全なデータ統合を必要とする大規模な自動化工場。. |
結論パフォーマンスのための原則の統合
冷却トンネルの有効性は、単に冷たいだけではありません。基本的な原理を統合することで性能が発揮される、精密に設計されたシステムなのだ。.
最適な冷却は、応用された熱力学、堅牢な機械設計、そしてインテリジェントで応答性の高い制御から生まれます。それぞれの要素が重要な役割を果たします。これには、熱負荷の計算から気流の設計まで、あらゆる要素が含まれます。.
業界が前進するにつれ、いくつかのトレンドが冷却トンネル技術の進化を形成し続けるだろう。これには、エネルギー効率の向上、プロセス制御の強化、よりスマートなデータ駆動型製造などが含まれる。.
- 食品加工・工学｜食品科学・技術｜バージニア工科大学 https://www.fst.vt.edu/research/food-processing-and-engineering.html
- 先進冷凍技術｜米国環境保護庁 https://www.epa.gov/greenchill/advanced-refrigeration-technologies
- 食品工学｜FABE - オハイオ州立大学 https://fabe.osu.edu/future-students/majors/food-agricultural-and-biological-engineering/food-engineering
- 食品科学工学研究所｜国立農業図書館（米国農務省） https://www.nal.usda.gov/research-tools/food-safety-research-projects/institute-food-science-and-engineering-1
- 食品システム工学｜アーカンソー大学 https://food-science.uark.edu/research-outreach/research/food-systems-engineering.php
- EARTH Hub - 冷媒技術｜カンザス大学 https://erc-earth.ku.edu/
- 食品プロセス工学｜イリノイ工科大学 https://www.iit.edu/academics/programs/food-process-engineering-ms
- SMIP冷却トンネルの最適化｜CESMII https://www.cesmii.org/project/sopo-2331/
- 冷却トンネル 食品加工｜フレイングループ https://www.fraingroup.com/cooling-tunnels-food-processing/
- 産業用冷却・加熱トンネルを理解する｜Genemco (ジェネムコ) https://www.genemco.com/blogs/news/title-exploring-the-mechanics-of-industrial-cooling-and-heating-tunnels
