食品加工用などの衝撃波発生装置 の小形軽量化と低価格化 熊本高等専門学校 教授 情報通信エレクトロニクス工学科 大田 一郎 2016年8月23日（火） 10:30～10:55 ＪＳＴホール 1 衝撃波により食品等を加工する方法 衝撃波を発生 水中を伝搬 食品の細胞膜を破壊→軟化 衝撃波発生 水中 食品 圧力容器 ○ 瞬時に非加熱で加工 ○食品の香りや栄養分が殆ど 破壊されない． 伊東繁，「食品の処理方法」特開2012-147800 2 衝撃波を発生する方法 (1) 爆薬を用いる方法 ×取り扱い者の資格が必要 ×前準備と事後処理の手間が掛かる (2) 水中放電による方法 ○ (1)の問題はない ×高耐圧大電流の外部スイッチ(20~60万円)が必要 ×装置の小形軽量化・低価格化が難しい 家電品までは至っていない（実験や業務用） 本特許では ① 外部スイッチ無しで水中放電できるしくみ ② 高速充電できる高電圧発生装置 3 従来の衝撃波発生装置 外部スイッチＳ 商 用 電 源 整 流 回 路 昇 圧 Vout 回C 路 水中 電圧 Vout コンデンサ 0 放電 電極 食品 圧力容器 3.5kV 充電 充電できない 放電 時間 4 提案の衝撃波発生装置 ①外部スイッチ無し アクリル 昇 パイプ 圧 Vout 回C 空気 水中 または 路 真空 コンデンサ 食品 ②高速充電 圧力容器 3.5kV 整 流 回 路 電圧 Vout 商 用 電 源 0 放電 時間 5 購入可能なスイッチ素子と提案スイッチの比較 高耐圧大電 メカニカルス 特注の半導体スイッチ 提案 流スイッチ イッチ※ SCR MOSFET IGBT スイッチ 耐圧 12kV ～120kV ～36kV ～36kV 30kV～ ピーク電流 50kA ～ 16kA ～ 3kA ～ 5kA 制限なし 価格 約20万円 40～60万円 数千円 ※ロス・エンジニアリング社製 高電圧リレー EA12-NC-20 アクリル パイプ 外部スイッチでは 17cm スイッチの接点 でアーク放電 が生じて放電 電極間には十 分な衝撃波が 発生しない． 水中 空気 または 真空 圧力容器 ①外部スイッチ無し 6 充電電流 0 0 クロック 0 時間 ×充電時間 が遅い 時間 ×突入電流 が大きい 時間 従来方法 3.5kV 電圧Vout 電圧Vout 0 一定周波数 0 指数関数で増加 0 商 用 電 源 整 流 回 路 昇 圧 回C 路 Vou クロック の制御 時間 3.5kV ○充電時間 が早い 時間 充電電流 クロック ② 高速充電する方法 ○突入電流 が小さい 時間 提案方法 7 fc=2kHz IItr2 i 1000 4 Ii Itr2 500 0 充電電圧Vo (kV) 0 2000 6 4000 6000 Time t (ms) 8000 2 Vo 80 2000 fc fc 1500 Ii Itr2 500 0 10000 0 0 Vo 時間 t (s) 従来方法(一定クロック周波数） 60 40 1000 時間 t (ms) Ii 100 Vout 2500 充電電圧Vo (kV) 1500 Vo Vout 充電3.5秒 1000 2000 3000 Time t (ms) 20 Clock frequency f c (kHz) 充電電流I i (V) Input current Itr2 (A) 8 fc=20kHz 2000 3000 120 0 4000 時間 t (ms) Vo Ii 充電電流I i (A) 2500 10 充電電圧Vo Output voltage Vout(V) (V) Vo Vout 3500 Input currenti I(A) tr2(A) 充電電流I 充電8秒 3000 12 充電電流I i (A) 充電電圧Vo (V) Output voltage Vout (V) 3500 クロック周波数f c (kHz) 充電電圧と電流波形 （上：解析，下：実験波形） 時間 t (s) 提案方法②（指数関数増加クロック) 8 7kA 0 Iout Io -2000 -40kA -3000 -4000 0 20 40 60 Time t (μs) 80 Vout 2000 49kA 1000 0 -93kA -1000 -2000 50kA Io -3000 -4000 0 100 20 40 60 Time t (μs) 100 提案スイッチ(空気ギャップ)の場合 各放電方法の比較 提案スイッチ 従来 放電方法 方式 空気 真空 平均放電電流 18.9kA 37.8kA 40.7kA 12kHz 17.3kHz 17.4kHz 共振周波数 57.7μs 57.6μs 放電電圧Vo (V) Output voltage Vout (V) 従来スイッチの場合 83.3μs 80 時間 t (μs) 時間 t (μs) 共振周期 Iout 4000 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 Vo 3000 Vout 2000 51kA 1000 0 -98kA -1000 -3000 Iout 57kA Io -2000 -4000 0 20 40 60 Time t (μs) 80 放電電流Io (kA) -1000 Vo 3000 Output current Iout(kA) 43kA 1000 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 Output current Iout(kA) Vo Vout Output voltage Vout(V) (V) 放電電圧Vo 2000 4000 Output current Iout(kA) 3000 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 放電電流Io (kA) 放電電圧Vo (V) Output voltage Vout (V) 4000 放電電流Io (kA) 放電実験の電圧・電流波形 100 時間 t (μs) 提案スイッチ(真空ギャップ)の場合 9 放電試験直後のリンゴの写真 従来スイッチの場合 提案スイッチ(空気ギャップ)の場合 従来方法とのリンゴ加工の比較 放電 従来 提案スイッチ 方法 スイッチ 真空ギャップ 軟化 半分までしか 全体が軟化 状態 軟化できない 提案スイッチ(真空ギャップ)の場合10 新技術の特長・従来技術との比較 ①放電スイッチ 損失 ピーク電流 耐圧 価格 従来技術 ×損失有り △～数万A △～数万V ×20万円～ 新技術 ◎ 無損失 ◎ 制限無し ○ 数万V以上 ◎ 数千円以下 ②充電回路 充電時間 突入電流 回路規模と 価格 従来技術 新技術 ×長い ○ 短い(半分以下) △大きい ○ 小(1/3以下) クロック制御回路のみ追加で パワー回路は同じ→差は僅か 11 ジューサー加工での電気代の比較 リンゴジュースを作る場合 電気代 消費電力 加工時間 240W 20秒 0.033円 300W 5秒 0.010円 (1kWh当たり25円) ジューサー 衝撃波加工 (充電時間) ジューサーと比較して電気代は約１／３ 12 想定される用途 【食品加工装置】 • 業務用調理器具（病院や老人ホーム等での 咀嚼が困難な人や高齢者用に） • 家電品としての調理器具（ヘルシー食品） 【食品以外の加工装置】 • 物質の軟化，粉体化，抽出浸透 • 殺菌装置 • 金属等の瞬間圧力整形 13 実用化に向けた課題 試作装置でリンゴの軟化が実証できたが， • アクリルパイプをスライドする速度が遅く，パイプ を完全に引き抜く前に衝撃波が発生して，パイプ が破壊される(真空ギャップの場合）． • アクリルパイプをスライドする速度の最適値と その機構を求める必要がある． • 今後，リンゴ以外の食品について実験データを 取得し，充電電圧，電極間距離，電極と食品間 の距離 などの最適値を求める必要がある． 14 企業への期待 • 未解決のアクリルパイプをスライドする高速化 については，機械加工技術により克服可能． • メカニカル技術をもつ企業と共同研究を希望． • また，衝撃波加工は食品以外にも多種多様な 応用分野への展開が可能なので，新規事業 を考えている企業には，本技術の導入が有効． 15 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 ：①衝撃波発生装置 ②充電装置，衝撃波発生装置 及び充電方法 • 出願番号 ：①特願2016-042179号 ②特願2016-097485号 • 出願人 ：国立高等専門学校機構 • 発明者 ：大田一郎，寺田晋也 16 産学連携の経歴 • 2003年-2005年 JST大学発ベンチャー創出事業に採択 (情報機器用超薄型ＩＣ電源の開発 ) • 2005年-2011年 大学発ベンチャー企業エスシパワ㈱設立 • 2012年-2013年 平成24年度A-STEP探索形に採択 (衝撃波を用いた食品加工用小形高電 圧発生回路に関する研究開発) 17 お問い合わせ先 熊本高等専門学校 熊本キャンパス 情報通信エレクトロニクス工学科 大田 一郎 TEL&FAX 096-242-6062 e-mail [email protected] Web oota-i で検索 コーディネーター 井手口 健 ＴＥＬ 096-242-6194 e-mail [email protected] 18
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