高性能ベントボックスの設計と最適化戦略

新鮮な野菜や果物は、味が良く魅力的な形をしているだけでなく、人々が栄養を得て健康を維持するのに非常に有益であるため、人間の食物消費量の高い割合を占めています¹。多くの研究は、新鮮な果物や野菜が多くの病気の予防にユニークな役割を果たすことを示しています^2,3。新鮮な果物や野菜の貯蔵過程では、真菌、光、温度、相対湿度がそれらの劣化の重要な理由です^4,5,6,7,8。これらの外部条件は、内部代謝または化学反応に影響を与えることにより、保存された新鮮な果物や野菜の品質に影響を与えます⁹。

果物や野菜の一般的な処理技術には、非熱保存と保温が含まれます。その中で、熱前処理は乾燥プロセスにプラスの効果をもたらしますが、栄養素の損失、風味や臭いの変化、色の変化など、製品の品質にも悪影響を与える可能性があります^10,11。そのため、近年、生鮮食品に対する消費者の需要に応えるために、製品の非保温性が研究の観点から注目されています。現在、主に放射線処理、パルス電界、オゾン処理、食用コーティング、高密度相二酸化炭素、および果物や野菜を保存するためのその他の非熱保存技術がありますが、これらの技術には、大型機器、高価格、使用コストなどの欠点があることがよくあります¹²。したがって、シンプルな構造、低コスト、および保存装置の便利な制御の設計は、食品業界にとって非常に意味があります。

果物や野菜の保管環境では、適切な空気循環システムは、製品自体から発生する熱を排除し、温度勾配を減らし、それが配置されている空間の温度と湿度を維持するのに役立ちます。適切な空気循環はまた、呼吸および真菌感染症による体重減少を防ぎます^13,14,15。さまざまな構造内の気流について多くの研究が行われてきました。Praegerら^16,17は、倉庫内の異なるファン動作電力の下で異なる位置での風速をセンサを介して測定し、異なる垂直高さのために風速に7倍もの大きな差がある可能性があり、各位置の風速はファン動作電力と正の相関があることを発見しました。さらに、貨物配置とファン数が気流に及ぼす影響を調べた研究があり、一部のファン位置の距離を長くし、ファンの数を合理的に選択することが効果の向上に役立つと結論付けられました。Berryら¹⁸は、さまざまな果物の貯蔵環境における気流が梱包箱内の気孔分布に及ぼす影響を研究しました。Dehghannyaら^は、シミュレーションソフトウェアを使用して、パッケージ壁の通気面積、量、分布位置が異なるパッケージ内の強制予冷空気の空気の流れ^{状態を研究し、}空気の流れ状態に対する各パラメータの非線形影響を得ました。Deleleら²¹は、数値流体力学モデルを適用して、さまざまな形態の換気ボックスにランダムに分布した製品が気流に与える影響を研究しました。その結果、製品のサイズ、気孔率、箱穴の比率が気流に与える影響が大きいのに対し、ランダム充填の影響は小さいことがわかりました。Ilangovan et ^al.22は、3つのパッケージ構造間の気流パターンと熱挙動を研究し、その結果を参照構造モデルと比較しました。結果は、通気口の位置と設計が異なるため、ボックス内の熱分布が均一ではないことを示しました。Gongら²³は、トレイの端と容器の壁との間のギャップの幅を最適化した。

このホワイトペーパーで使用される手法には、シミュレーションと最適化の方法が含まれます。前者の原理は、支配方程式が有限体積法²¹を使用して離散化され、数値的に解かれたことです。この論文で用いた最適化手法を直交最適化²⁴と呼ぶ。直交検定は、典型的な多因子および多水準分析法です。この手法を用いて構築された直交表は、設計空間に一様に分布した代表点を含み、設計空間全体を視覚的に記述し、検討することができる。つまり、全因子テストを表すポイントが少ないため、時間、人的資源、材料、および財源を大幅に節約できます。直交試験は、電力システム、化学、土木工学などの分野での実験の設計に広く使用されています²⁵。

この研究の目的は、高性能の通気ボックスを設計および最適化することです。ベントボックスは、ガスをボックス内に均一に分散させるガス制御装置を含む元のボックスとして定義できます。速度均一性とは、通気ボックスを空気がどれだけ均等に流れるかを指します。Yun-Deら²⁶ は、多孔性材料の特性が生鮮野菜箱の速度均一性に重要な影響を与えることを以前に示しました。いくつかの実験では、プレナムまたは変調チャンバを試験チャンバの上部および下部の両方に残し、強制空気または誘導空気²⁷のいずれかの均質な分布を保証する。この論文で設計されたベントボックスには、ジグザグの穴のあるパイプの配列が含まれています。通気ボックス内の気流分布を制御することが主な保存戦略です。ベントボックスの左右に平行に設置された同じサイズの2つの吸気口があり、ボックスの上部に出口が設定されています。通気ボックスの内部構造を設計することは、この研究の鍵です。言い換えれば、パイプと穴の数は、通気ボックスの内部構造を変更するための重要なパラメータです。参照モデルには 10 本のパイプがあります。2つの中央のパイプにはそれぞれ10個の穴があり、パイプを横切って互い違いになっています。中央から外側のパイプまでの穴の数は一度に2つずつ増加します。

言い換えれば、新鮮な野菜、果物、その他の製品を保持する場合、継続的で安定した空気の流れは、製品の呼吸を減らし、製品の保存のためのエチレンやその他の有害物質を減らし、製品自体によって生成される温度を下げることができます。ベントボックスのパラメータが異なるため、必要な気流状態を取得することは容易ではなく、ベントボックスの保存特性に影響します。したがって、このプロジェクトは、ベントボックスの内部気流速度の均一性を制御目標としています。通気ボックスの構造パラメータについて感度分析を行った。サンプルは直交実験計画によって選択されました。範囲分析を使用して、3つの構造パラメータの組み合わせを最適化しました。一方、最適化結果の望ましさを検証します。