KR100775649B1 - 냉동기와 냉매교환장치를 포함하여 제공되는 침지식 급속냉동장치 및 이를 이용한 급속냉동방법 - Google Patents

Abstract

본원은 냉동기와 냉매교환수단과 급속냉동수단을 갖고 간접 냉각방식으로 운용되는 침지식 급속 냉동장치와 이를 이용한 냉동방법에 관한 것이다.

본원은 급속냉동장치에 특징부를 갖는 것으로 급속냉동장치 내부로는 냉동하기를 원하는 식품류가 적재선반에 적치되어 급속 냉동장치 내부로 진입하여 냉매액에 침지되어 급송 냉동되는 수단을 포함하고, 급속냉동장치 외부로 설치되는 유압제어장치는 식품 적재선반과 연동되어 적재선반을 급속 냉동장치 내부로 승, 하강되도록 제어하는 수단을 포함하며, 급속냉동장치 몸체는 2중 자켓형 구조를 형성하여 내벽과 외벽 사이에 진공층을 만들어 응축수의 발생을 억제하는 구조를 포함하여 제공되는 침지식 급속냉동장치를 특징부로 갖는다.

상기 특징부를 갖는 급속냉동장치는 냉동기와 냉매교환장치와 연계되어 간접 냉각방식으로 식품을 급속 냉동시키는 냉동방법으로서, 냉동기로부터 공급되는 1차냉매가 냉매교환장치의 내용물인 2차 냉매액을 냉각시키고 리싸이클 되기 위해 냉매교환장치 내부에 순환코일이 내장되고, 급속냉동장치로부터 냉동대상 식품을 냉각시킨 후 승온 된 2차 냉매액이 냉매교환장치로 유입되어 1차 냉매를 순환시키는 순환코일과 교류되며 냉각되고, 상기 냉각된 2차 냉매가 다시 급속냉동장치로 유입되어 냉동대상 식품을 급냉시키기 위한 준비가 완료된 상태에서, 냉동대상 식품이 적재선반에 적치되어 유압장치에 의해 급속냉동장치 내부로 진입하여 침지되는 단계; 급속냉동장치는 냉동대상 식품에 따라 설정온도로 급속 냉동하고, 냉동된 식품 은 다시 인출되는 단계를 포함하여 제공되는 냉각방법에 의해 발명이 구체화되는 식품류 냉동방법 및 그 장치가 개시된다.

급속냉동장치, 냉매, 냉동방법, 급냉장치

Description

냉동기와 냉매교환장치를 포함하여 제공되는 침지식 급속냉동장치 및 이를 이용한 급속냉동방법{Coolant Exchange System and Drown Type Quick Freezing System}

도 1은 본원에서 적용하는 간접냉각방식의 간략도

도 2는 본원에서 제공되는 급속냉동장치의 확대상세도

도 3은 냉매액의 온도변화 추이와 냉동제품의 품온을 측정하여 결과치를 나타낸 그래프

도 4a는 직접냉각방식에 의해 냉각된 제품의 세포 조직 내 결빙상태를 나타낸 단면도

도 4b는 간접냉각방식에 의해 냉각된 제품의 세포 조직 내 결빙상태를 나타낸 단면도

******* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *******

10 : 냉동기 20 : 냉매교환기

30 : 급속냉동장치 32 : 중심축

33 : 원형선반 34 : 다공판

35 : 진공층 36 : 폴리우레탄보온재

37 : 노즐 38 : 뚜껑

39 : 원형회복필름수지 40 : 유압장치

41 : 유압실린더

밀폐된 용기 속의 온도를 그 주위의 온도보다 낮게 하기 위해 기계적인 작업을 하거나, 열을 흡수하여 냉동작용을 하는 장치를 냉동기라 하는바, 저온 쪽에서 고온 쪽으로 열을 이동시키는 열펌프의 역할을 하며, 열을 운반하는 동작유체(動作流體)를 냉매(冷媒)라 한다. 냉매로는 이산화탄소·암모니아·염화메틸 등이 주로 사용되었으며 최근까지는 프레온을 사용했으나 오존층 파괴 문제로 대체물질의 개발이 이루어지고 있으며 일부는 아직도 사용되고 있다. 이들 기화하기 쉬운 냉매를 액체로 하여, 그것이 기화할 때 주위로부터 기화열을 빼앗는 현상을 이용한 것이 냉동기의 원리이다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 냉동기는 증기압축식 냉동기로, 이것은 압축기 ·응축기 ·증발기 ·팽창밸브로 이루어져 있다. 전동기로 압축기를 운전하여 기체상태인 냉매를 압축해서 응축기로 보내고, 이것을 냉동기 밖에 있는 물이나 공기 등으로 냉각해서 액화시키게 되며, 액체상태로 된 냉매가 팽창밸브에서 유량이 조정되면서 증발기로 분사되면 급팽창하여 기화하고, 증발기 주위로부터 열을 흡수하여 용기 속을 냉각한다. 기체로 된 냉매는 다시 압축기로 돌아와서 압축되어 액체상태가 된다. 이와 같이 반복되는 압축·응축·팽창·기화의 4단계 변화를 냉동사이클이라고 한다.

식품저장기술의 발달은 동물성, 식물성 식품의 동결저장 및 냉장유통은 물론 품질 유지시간이 짧은 야채류, 과일류 등 식물성 식품의 냉각에 의한 저장 및 유통기간이 대폭 연장되는 결과를 가져왔으며, 또한 저온보존이 가능한 각종 가공식품이 식생활을 윤택하게 만들고 있는 것은 냉장기술의 발전 덕분이라 아니 할 수 없다.

한편, 대부분 식품의 화학성분은 수분, 회분, 탄수화물, 지방, 단백질, 비타민 등으로 구성되어 있고, 식품은 수분을 60 ~ 80% 까지 함유하고 있어 이 수분이 식품의 품질변화와 밀접한 관계를 유지하고 있다.

식품이 함유하는 수분은 결합수(結合水)와 자유수(自由水)로 되어 있고, 이중 대표적인 것으로서 곡류, 콩류 등은 결합수가 대부분이며 자유수는 그 함유율이 적으나 이 자유수는 식품의 내부에서 자유로이 유동하는 물이기 때문에 미생물의 번식과 밀접한 관계가 있고, 일반적으로 날것이 변질하기 쉬운 것은 바로 자유수 때문이다.

식품의 냉각, 동결, 저장과 같은 저온 조작은 식품에 포함된 수분의 존재 상태에 따라 변화하게 되는바, 식품의 동결 목적을 간단히 말한다면 식품을 0℃ 이하(결빙점 이하)의 온도를 유지하도록 하여 식품 중의 자유수를 동결시킴으로써, 식품의 산소에 의한 변질, 미생물이나 곰팡이에 의한 변질을 방지하고자 하는 것이다.

이때 동결되는 것은 주로 동물성 식품이며 그 보존 기간은 대체적으로 온도관리에 의해서 좌우된다.

오늘날 우리의 식단에 오르고 있는 냉동식품류는 크게 2 종류로 나누어볼 수 있는데 포장냉동식품과 직접냉동식품으로 구분할 수 있으며 포장냉동식품의 경우 축산물의 포장육, 가공육, 수입육 등이 있고, 직접냉동 축산물으로는 주로 도살장에서 도살 후 곧 바로 냉동보관에 들어가는 냉동육, 구분이 되지 않은 수입육 등이 있으며 수산물의 경우 주로 직접 냉동식을 사용하고 있는데 건조하지 않은 원양수산물은 선상에서 직접 염장 냉동하여 보관하게 되고, 포장 수산물의 경우는 주로 건조수산물을 포장하여 냉동 유통시키게 되나 수산물을 냉동처리하여 판매하는 경우 저가로 취급되고 소비자에게도 각광을 받지 못하고 있는 실정이다.

따라서 근해에서 잡히는 신선한 수산물은 고비용의 활어 운반차로 유통되어 소비지의 식탁에 오르게 되거나 얼음을 채워 신선하게 유통하는 방식을 채택하고 있으므로 많은 비용이 발생되어 소비원가가 높아지는 문제점을 갖는다.

또한 농산물의 경우는 냉동시설 이용이 부담이되어 냉동제품을 만드는 사례가 거의 없고 대부분의 가정에서는 오랫동안 보관을 위하여 1차 손질하여 다듬은 농산물들을 냉동고에 보관하여 두므로 많은 공간을 차지하는 문제점을 갖는다.

일반적으로 냉동고의 온도는 -40˚C에서 -45˚C를 유지하게 되는데 이런 냉동고의 온도를 유지하기 위하여 초기 냉동고의 시설에서부터 많은 비용이 발생하게 되는데 이러한 보관은 제품의 신선도 유지라는 관점보다는 장기 보관의 목적에만 주력하게 되므로 제품이 건조되거나 온도 편차에 따른 변질로 인하여 식감을 기대할 수 없게 되는 문제점을 갖는다.

따라서 냉동제품의 선도유지는 얼마나 낮은 온도로 급속히 냉동을 하느냐에 관건이 되는바, 직접냉각 방식의 경우 포장 후 Hardening Tunnel을 통하여 -40˚C의 냉동고로 서서히 이송되면서 냉동이 되므로 빙점에 이르기까지 제품 내의 수분이 조직을 팽창하여 주는 결과가 되어 해동 시에 식감을 떨어뜨리게 되는 요인이 된다.

이런 현상 등으로 소비자들은 냉동식품에 대한 좋은 이미지를 가질 수 없게 되고 또한 살균을 하지 않은 제품의 경우 해동시간이 길면 길수록 수분으로 인한 세균번식의 속도를 가중시키게 되어 냉동식품의 오염발생 위험이 고조되고 있다.

따라서 소비자들의 기호에 맞는 많은 냉동식품들을 소비자가 선호하도록 냉동하는 기술은 많은 연구를 통하여 다양하게 개발되고 있으나, 예를 들어 급속 냉동에 사용되고 있는 질소가스분사식 냉동방식(경직냉동)이나, 액화가스 고압통에 저장하는 냉각방식 등은 많은 비용이 발생하기 때문에 일부분 고부가가치 상품에 국한되고 범용적으로 사용하지 못하고 있는 실정이다.

본원은 냉동기와 냉매교환장치를 포함하여 제공되는 급속동결장치를 제시하고 이를 이용한 냉동방법을 개시하여 안전하고 신선한 제품을 식감을 유지한 채 우리 식탁에 공급하여 식품유통산업을 획기적으로 변화시켜 보고자 하는 전제를 갖고 출발한 것이다.

침지식 냉동방법은 직접냉동방식과 간접냉동방식으로 구분할 수 있는바, 직접냉동방식은 일반적으로 냉매를 냉각하는 1차 냉매액의 코일이 냉동탱크 내부에 설치되어 있고 냉매액은 Agitating Motor에 의하여 내부에서 순환냉각을 하는 방법으로 냉매액을 직접 냉각시키면서 냉동대상 제품의 품온 에너지로 상승 된 냉매액 을 냉각시키게 되는데 적지 않은 시간이 소모되므로 냉동기의 용량, 기계장치의 크기도 제품의 생산량에 비례하여 대형화해야 하고 에너지 손실률을 보정하기 위하여 냉동기가 운전 중 계속 작동되어야 하므로 소모성 비용이 높아지게 되는 문제점을 갖는다.

또한 간접냉동방식은 액화가스와 교환되는 2차 냉매액이 별도의 냉매액 교환장치를 통하여 완전히 냉각되어 제품이 침지 및 냉동되는 장치로 순환 공급되므로 일정한 온도의 초저온 냉매액이 계속 제품을 동일온도로 냉각시키는 효과로 인하여 급속히 냉동이 진행되며 또 순환되는 냉매액을 최단 시간 내에 설정온도로 낮추어 주는 특성을 갖는다.

본 발명에서는 간접냉동방식에 새로운 형태의 급속동결장치를 제시하고 이를 이용하는 냉동방법을 개시하고자 한다.

본원은 간접냉동방식의 변형으로서 새로운 형태의 급속동결장치를 제시하고 이를 이용한 급속냉동방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

본원의 급속동결장치는 냉동기와 냉매액 교환장치가 연계되어 급속냉동장치 내부로 냉동대상 식품이 유입될 시 액체상태의 2차 냉매가 설정온도(예를 들어 -60℃ ~ -65℃)를 유지하며 짧은 시간 내에 초저온으로 급속 냉각시켜 내용물의 신선도를 유지하면서 안전하게 장기 보관할 수 있도록 설정온도(-60℃)의 범위로 급속냉동시켜주는 금속냉동장치를 제공하고 이를 이용한 급속냉동방법을 제공하여 식품 유통상의 에너지 절감효과를 극대화시키며 또한 식감이 자연 그대로 유지되는 식품을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

본원은 냉동기와 냉매교환수단과 급속냉동수단을 갖고 간접 냉각방식으로 운용되는 침지식 급속냉동장치가 개시된다.

본원의 침지식 급속냉동장치는 급속냉동장치 내부로 냉동하기를 원하는 식품류가 적재선반에 적치되어 급속냉동장치 내부로 진입하여 냉매액에 침지되어 급송 냉동되는 수단을 포함하고, 급속 냉동장치 외부로 설치되는 유압제어장치는 식품 적재선반과 연동되어 적재선반을 급속 냉동장치 내부로 자동 또는 수동으로 승, 하강되도록 제어하는 수단을 포함하여 제공된다.

본원의 급속냉동장치 몸체는 2중 자켓형 구조를 형성하여 내벽과 외벽사이에 진공층을 만들어 응축수의 발생을 억제하는 구조를 갖는 침지식 급속냉동장치가 개시되고, 상기 급속냉동장치 내부로 유압제어장치에 의해 승, 하강되는 식품 적재선반은 냉동대상 제품의 크기에 따라 부착, 탈착이 용이하도록 원형 다공판 선반형식으로 제공되고 선반은 5 ~ 30도의 경사각을 이루어서 다공판 구멍 사이로 냉매액 잔액이 쉽게 흘러 선반에 적체되지 않도록 제공되며, 냉동대상 식품을 적재선반에 싣고 승, 하강 시키는 유압제어장치는 PLC 콘트롤 판넬과 연결되어 냉동대상 제품에 따라 침지시간이 자동으로 제어되어 승, 하강되도록 제공되는 침지식 급속냉동장치가 개시된다.

상기 장치들을 활용하는 냉동밥법은 냉동기와 냉매교환장치와 급속냉동장치가 일체로 연계되어 간접 냉각방식으로 식품을 급속 냉동시키도록 제공되는 방법으로서, 냉동기로부터 공급되는 1차냉매가 냉매교환장치의 내용물인 2차 냉매액을 냉각시키고 리싸이클 되기 위해 냉매교환장치 내부에 순환코일이 내장되고, 급속냉동장치로부터 냉동대상 식품을 냉각시킨 후 승온 된 2차 냉매액이 냉매교환장치로 유입되어 1차냉매을 순환시키는 순환코일과 교류되며 냉각되고, 상기 냉각 된 2차냉매가 다시 급속냉동장치로 유입되어 냉동대상 식품을 급냉시키기기 위한 준비가 완료된 상태에서, 냉동대상 식품이 적재선반에 적치되어 유압장치에 의해 급속냉동장치 내부로 진입하여 침지되는 단계; 급속냉동장치는 냉동대상 식품에 따라 설정온도로 급속 냉동하고, 냉동된 식품은 다시 인출되는 단계를 포함하여 제공되는 냉각방법이 개시된다.

본원의 급속냉동장치는 냉매액교환장치와 밀접하게 연결되어 냉매액교환장치의 냉매액은 침지식 급속냉동장치 내에 냉동하기를 원하는 식품의 일회 냉동능력에 따른 체적(부피)을 계산하여 냉매액의 넘치지 않도록 수위를 유지하면서 급속냉동장치 내부로 제품을 담은 냉동대상 식품을 적재한 선반이 침지 되었을 때 제품이 완전히 침지되어 일정수위가 이뤄지도록 자동조절이 가능하게 제공된다.

이 때 초저온 냉매액 교환장치의 수위는 탱크의 상부까지 일정 수위를 유지하는데 기계가 정지되었을 때 교환장치의 냉각액이 침지식 급속냉각장치의 탱크로 흐르지 않도록 자동으로 닫히는 Check Valve가 설치되고, 또한 순환 가압식 펌프가 자동으로 닫히도록 하여 일정 수위가 유지 되도록 한다.

본원의 급속냉동장치의 냉각효능을 비교하기 위한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에서는 냉동기와 냉매교환기 및 급속냉동장치를 구비하여 간접냉각방식으로 냉동을 실시하는 간략도를 나타내어 도시하고 있는바, 냉동기에서 펌프1을 이용하여 냉매교환기로 프레온가스의 압축 및 응축으로 얻어지는 1차 냉매가 보내지고, 냉매교환기는 1차 냉매와 2차 냉매액이 열교환하는 장치로서 냉동기에서 유입되는 프레온가스의 압축 및 응축으로 얻어지는 1차냉매가 냉매교환기에 내장된 코일을 순환하고 다시 냉동기로 되돌려 주고, 급속냉동장치로부터 이송되어 오는 승온 된 2차 냉매액은 펌프2의 힘에 의해 냉매교환기로 이송되어 유속과 접촉시간을 조정하며 와류를 형성시켜 2차 냉매액을 초저온으로 급속냉각시켜 주고, 냉각된 2차 냉매액은 펌프2를 통하여 다시 침지식 급속동결장치로 되돌려 보내주는 수단을 포함하여 냉각시스템을 이룰 수 있음을 나타내고 있다.

본원에서 냉매교환기와 급속냉동장치는 서로 일정 수위를 유지하면서 하나의 펌프2가 작동함으로서 서로 간의 냉매를 교환하게 되며, 침지식 급속냉동장치에는 냉동보관하기를 원하는 식품류가 트레이에 적재되어 침지되면 냉매교환기에서 계속 공급되는 60 ~ 65℃를 유지하는 2차 냉매액과 접촉하면서 급속동결시키도록 기능하고 △T를 극복하며 승온 된 냉매는 다시 냉매교환기로 보내지는 구조를 이루게 된다.

도 2에서는 본원에서 특징부로 하는 급속냉동장치(30)의 확대상세도가 제시되어 있는바, 급속냉동장치(30)의 내부로는 냉동하기를 원하는 식품류가 적재되는 원형선반(33) 다수 개가 중심종축(32)에 연결되어 있고 중심종축(32)의 일단은 유압제어장치(40)에 연동되는 2개의 유압실린더(41)에 의해 지지되는 중심횡축(42)과 연결되어 냉동대상 제품에 따라 침지시간이 자동으로 제어되는 제어부가 PLC 콘트롤 판넬에 내장되어 자동으로 제어되며 승, 하강되도록 제공된다.

유압제어 장치의 자동제어 기술은 이미 여러 분야에서 공지기술로 이용되고 있는 것으로 이에 대한 세부설명은 필요 없을 것이나, 본원의 제어방식을 간단히 설명하여 보면 자동제어판에 내장되어 있는 PLC는 냉동시키고자 하는 전 제품의 적정 냉동시간이 입력되고 있어 설정이 용이하도록 한다.

예를 들어 포장돈육이 약 5㎜ 정도의 두께로 3 ㎏씩 포장된 팩은 5분의 설정으로, 또는 생선 조기류는 2 ㎏씩 포장된 팩을 3분의 침적냉동 조건에서 본원이 목적하는 최상의 냉동결과를 얻을 수 있다는 실험결과를 얻은 후 냉동하고자 하고 상기 포장 팩을 각각 설정번호 #3, #4 등으로 입력시켜 놓는 경우, 운전자는 매뉴얼 상에 표기되어 있는 돈육의 설정번호를 제어판의 설정번호 입력판에 넣기만 하면 #3에 설정되어 있는 TD(time delay)에 의하여 약 5분 동안 침지되어 냉장되고 자동으로 상승시키는 방법 등으로 제어될 수 있다.

또한 본원의 급속냉동장치 몸체(30)는 2중 자켓형 구조를 형성하여 내벽과 외벽 사이에 진공층(35)을 만들어 응축수의 발생을 억제하는 구조를 갖는 침지식 급속냉동장치가 개시되고, 상기 급속냉동장치 내부로 유압제어장치(40)에 의해 승, 하강되는 식품 적재선반(33)은 냉동대상 제품의 크기에 따라 부착, 탈착이 용이하도록 원형 다공판 선반형식으로 제공되고 선반은 3 ~ 10도의 경사각을 이루어서 다공판 구멍(34)사이로 냉매액 잔액이 쉽게 흘러 빠지도록 제공된다.

또한 냉매교환장치(20)로부터 급속냉동장치(30)로 이송되는 냉매액의 냉각효율을 높여주기 위하여 급속냉동장치(30)의 상부에 다수 개의 2차 냉매액 분사노즐(37)이 내장되고 노즐 토출부(37a)는 일정방향을 향하여 경사각을 갖도록 냉매액 상층부에 약간 침적되는 구조로 제공되어 다수의 노즐 토출부(37a)가 일측방향을 향하여 고압으로 분사됨으로 2차 냉매액이 급속냉동장치(30)내부에서 와류를 형성시키도록 하여 냉동대상물과의 접촉면적을 넓히며 체공시간을 유지하여 냉동대상물을 효과적으로 급속 냉동시키도록 하는 기술구성을 갖는다.

급속냉동장치(30)탱크의 상부는 몸체와 분리가 가능한 뚜껑부(38)를 갖고 몸체와 뚜껑부(38) 사이에는 프렉시블구조의 원형회복필름수지(39)가 1/4~1/8 조각으로 내장되어 급속냉동장치 내부로 식품 적재선반(33)이 승, 하강될 시 프렉시블하게 조각들이 분할되어 통과시키고 통과 후에는 다시 원형상태를 유지하게 되는 구성을 이루는 것이 바람직하나, 실제적으로 -50 ~ -60 ℃ 범위의 초 저온상태에서는 증발상태가 거의 없으므로 몸체와 뚜껑부(38) 사이에 원형회복필름수지가 없는 경우에도 작업 상에 지장은 없으나 다만 청결상태 유지 등 제반 작업관리를 위해 원형회복필름수지를 내장시키는 것이 바람직하다.

또한 급속냉동장치(30) 탱크의 벽체는 100% SUS재질로 제작되고 벽체를 2중 자켓형으로 하여 탱크 내벽과 외벽사이를 진공층(35)을 둬서 탱크 내부와 외부의 온도차로 인한 영향을 차단하며 또 온도차로 인한 응축수의 발생을 제거하는 것이 바람직하다.

더욱 급속냉동장치(30)탱크의 완벽한 단열 및 보호를 위하여 탱크 외벽에 또 우레탄으로 2중 보온층(36)을 이루고 SUS 테이프로 마감을 하여 완벽히 냉의 손실을 차단하도록 구성하는 것이 바람직하다.

본원 급속냉동장치의 냉동효율을 측정하기 위하여 1차 냉매는 일반 냉동기의 액화가스 냉매인 1차 냉매를 그대로 사용하였고, 2차 냉매로서는 에틸알콜과 프로필렌글리콜 2성분계의 냉매를 사용하여 직접냉각방식과 간접냉각방식의 냉각효율을 측정하고자 하였다.

실험 1. (직접냉각방식실험 ; 초저온 냉매액의 조제비별 설정온도에 이르는 실험)

* 설정온도 : -60˚C

* 실험방법 : 침지 탱크 저부에 직접방식의 냉각코일을 설치 설정온도에 이르는 시간을 측정.

* 희석액의 조제비율별 확인

* 1차 냉매액 : 액화 프레온 가스 22#

* 실험에 사용한 냉동기의 능력 : 0.75 KW

* 실험에 사용된 침지 탱크의 사이즈 : 2.4 ㎥ (사각 탱크)

* 실험결과 ; 표 1

[표 1]

희석비율 (20 Liter) (에칠알콜 : 프로필렌글리콜)	냉각시간 (-60˚C 기준) 직접냉각식 (침지 탱크내)	적용냉동기 능력
8 : 2	10 분	0.75 HP
7 : 3	13 분	0.75 HP
6 : 4	20 분	0.75 HP

* 상기실험에서 얻어진 냉각시간의 경우 제품이 탱크 내에 없는 상태에서 직접냉각방식으로 Agitating Motor를 이용하여 탱크 내에서 순환하여 얻어진 냉각시간임.

결론 ; 직접냉각식의 경우 제품의 품온 에너지에 의한 냉매액의 온도차에서 발생되는 냉매액의 온도변화(△T)가 발생 시 냉매액을 설정온도까지 내리는데 필요한 냉동기의 부하와 제품이 냉동 될 때 제품 내의 수분이 빙점에 이르는 시간이 길어져서 세포내의 수분의 결합이 커져서 제품이 해동시에 신선도가 떨어지고 식감을 상실하게 되는 결과(도 4의 A사진)를 알 수 있다.

실험 2 ; ( 간접냉각방식 ; 초저온 냉매액의 조제비별 설정온도에 이르는 실험)

* 설정온도 : -60˚C

* 실험방법 : 본 발명의 복합싸이클론형 냉각장치로 간접 냉각하여 순환 설정온도에 이르는 시간.

* 희석액의 조제비율별 확인

* 1차 냉매액 : 액화 프레온 가스

* 실험에 사용한 냉동기의 능력 : 0.75 KW

* 실험결과 ; 표 2

[표 2]

희석비율 (20 Liter) (에칠알콜 : 프로필렌글리콜)	냉각시간 (-60˚C 기준) 간접냉각식 (침지 탱크내)	적용냉동기 능력
8 : 2	3 분	0.75 HP
7 : 3	8 분	0.75 HP
6 : 4	10 분	0.75 HP

* 실험용 복합사이클론형 교환장치 별도 설치

* 상기의 시험성적은 가압순환 펌-퍼를 사용하여 밀폐된 냉매액 교환장치를 이용하여 냉매액이 순환되면서 냉각되는 간접방식으로 설정온도까지에 이르는 시간을 확인한 자료임.

결론 ; 냉매액 교환장치를 사용하여 실험 한 결과 약 3 배정도 빠르게 설정 온도에 이르는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 복합사이클론형 냉매액 교환 장치의 △T를 극복하는 시간을 입증하는 것으로 판단되고 제품이 해동시에 신선도가 유지되며 식감을 유지하게 되는 결과(도 4의 B사진)를 알 수 있었다.

실험 3. (본원의 냉매액 교환장치를 이용한 급속 냉동시스템의 가동 시험결과에 따른 급속냉동 효과 측정실험)

* 설정온도 : -60˚C

* 실험방법 : 본 실험은 냉장하지 않은 생선을 대상으로 침지식 냉동장치에서 深部(심부)의 동결온도가 -50˚C 까지 동결이 되는 시간과 또 대상제품의 침지 시 냉매액의 온도상승과 냉매액 교환장치를 통하여 냉매액이 △T를 극복 설정온도에 이르는 시간 등을 확인하기 위한 방법으로 진행

* 희석액의 조제비율별 (8 : 2)

* 기계의 구성 : 냉동기 - 냉매액 교환장치 (복합사이클론형) - 침지식 급속 냉동장치

* 냉동대상 제품 : 생선류 약 10 kg (20마리) - 냉장하지 않은 제품

* 제품의 품온 : 예냉시설에서 약 10˚C - 12˚C 유지상태 제품을 급속 냉동시스템에 침지 후 제품의 심부온도가 -50˚C에 이르는 시간측정.(상기의 시험은 매분 냉매액의 온도변화 추이와 냉동제품의 품온을 측정하여 결과치를 나타낸 그래프를 도 3으로 첨부한다.

결론 ; 도 3의 그래프 자료로부터 실험의 결과는 냉동제품이 냉동되는 속도와 품온으로 인한 신선도의 차이가 얼마나 차이가 있는지에 대해서도 제품의 안전도와 해동에도 큰 차이가 있음을 나타내고 있음을 나타내고 있다.

도 4은 본원의 냉매를 이용하여 직접냉각방식과 간접냉각방식으로 냉동대상물을 -60˚C로 동결시킨 상태의 사진을 나타내고 있는바, 실험 1에서 실시한 에칠알콜과 프로필렌글리콜의 배합비가 8 : 2 로 이루어진 냉매로 직접냉각방식에서 냉동대상물을 -60˚C로 동결시키기 까지 10분이 소요된 냉동대상물의 동결상태를 현미경으로 촬영한 세포사진이 4A이고, 실험 2에서 실시한 에칠알콜과 프로필렌글리콜의 배합비가 8 : 2 로 이루어진 냉매로 간접냉각방식에서 냉동대상물을 -60˚C로 동결시키기 까지 3분이 소요된 냉동대상물의 동결상태를 현미경으로 촬영한 세포사진이 4B이다.

상기 도 4A 사진에 나타난 냉동물은 동결에 시간이 걸리면서 냉동대상물에 자유수가 생기면서 자유수와 결합수가 모두 동결된 상태의 사진이고, 도 4B 사진에 나타난 냉동물은 자유수가 생기기 전 급속냉동이 이루어지므로 결합수만이 동결된 상태의 사진으로서 도 4A의 냉동물은 행동 후 식용에 이용될 시 자유수가 녹아지면서 어석거리는 상태가 되어 식감을 상실하는 상태가 되고, 도 4B의 냉동물은 해동 후 식용에 이용될 시 결합수만 녹아지면서 어석거리는 상태가 없이 식감을 그대로 유지하는 신선도를 유지할 수 있게 되는 사실을 확인할 수 있었다.

따라서 본 발명의 급속냉동장치는 냉동을 원하는 식품을 냉매 설정온도(-60 ~ -65℃)를 유지하며 짧은 시간 내에 초저온으로 급속 냉각시키는 능력을 갖고 내용물의 신선도를 유지하면서 안전하게 장기 보관할 수 있으며, 또한 상기의 급속냉동공정이 완료된 냉동물은 저장 및 보관장소로 이동되기 위하여 이송다이나 컨베어벨트 등을 지나면서 그 하부 쪽으로 공기를 불어주는 블로워시설이 설치되어 만약에 잔존할 수 있는 냉매액은 완전히 제거되어 안전하게 저장되도록 기능하여 본원의 목적을 충분히 달성할 수 있다．

본원의 냉동방법에서는 냉동하기를 원하는 식품들을 먼저 포장을 하고, 포장된 식품을 급속냉동장치의 냉매액에 일정시간 沈漬(침지)시켜 동결시켜 보관하게 됨으로 냉동시키기를 원하는 제품을 짧은 시간 내에 제품 내의 수분이 세포 내에서 가장 작은 결정상태로 동결되도록 급속냉동시킴으로 동결식품의 해동 시에 신선한 식감을 그대로 유지할 수 있도록 하며 세균의 번식을 억제할 수 있도록 하는 냉동방법을 제공하는 효과를 갖는다.

본 발명의 급속냉동장치는 식품，화학，기계 공장 등의 냉각 설비，냉동 창고，제빙 장치 등 각종의 냉동분야에서 급송냉동장치로서 유용하고，특히 -50 ℃ ~ -70 ℃ 범위의 저온에서 급속냉동을 안정적으로 실시하기 위한 장치로서 이용 가치가 크게 활용될 수 있다.

Claims (5)

1. 냉동기와 냉매교환수단과 급속냉동수단을 갖고 간접 냉각방식으로 운용되는 침지식 급속냉동장치에 있어서,

   급속냉동장치 내부로는 냉동하기를 원하는 식품류가 적재선반에 적치되어 급속냉동장치 내부로 진입하여 냉매액에 침지되어 급속냉동되는 수단을 포함하고,

   급속냉동장치 외부로 설치되는 유압제어장치는 식품 적재선반과 연동되어 적재선반을 급속 냉동장치 내부로 승, 하강되도록 제어하는 수단이 포함되며,

   급속 냉동장치 몸체는 2중 자켓형 구조를 형성하여 내벽과 외벽 사이에 진공층을 만들어 응축수의 발생을 억제하는 구조를 포함하여 제공되는 것을 특징으로 하는 침지식 급속냉동장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 식품 적재선반은 냉동대상 제품의 크기에 따라 부착, 탈착이 용이하도록 원형 다공판 선반 형식으로 제공되고, 선반은 3 ~ 10도의 경사각을 이루어서 다공판 구멍 사이로 냉매 잔액이 쉽게 흘러 빠지도록 제공되는 것을 특징으로 하는 침지식 급속냉동장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 급속냉동장치의 유압제어수단은 PLC 콘트롤 판넬과 연결되어 냉동 대상 제품에 따라 침지시간이 자동으로 제어되어 승, 하강 되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 침지식 급속냉동장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 급속냉동장치의 2중 자켓구조 외부로 우레탄재 2중 보온층을 형성하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 침지식 급속 냉동장치.
5. 냉동기와 냉매교환장치와 급속냉동장치가 일체로 연계되어 간접 냉각방식으로 식품을 급속 냉동시키도록 제공되는 냉동방법에 있어서,

   냉동기로부터 공급되는 1차 냉매가 냉매교환장치의 내용물인 2차 냉매액을 냉각시키고 재순환되기 위해 냉매교환장치 내부에 순환코일이 내장되고,

   급속냉동장치로부터 냉동대상 식품을 냉각시킨 후 승온 된 2차 냉매액이 냉매교환장치로 유입되어 1차 냉매을 순환시키는 순환코일과 교류되며 냉각되고,

   상기 냉각 된 2차 냉매가 다시 급속냉동장치로 유입되어 냉동대상 식품을 급냉시키기기 위한 준비가 완료된 상태에서,

   냉동대상 식품이 적재선반에 적치되어 유압장치에 의해 급속냉동장치 내부로 진입하여 침지되는 단계;

   급속냉동장치는 냉동대상 식품에 따라 설정온도로 급속 냉동하고, 냉동된 식품은 다시 인출되는 단계;를 포함하여 제공되는 것을 특징으로 하는 급속 냉각방법.

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