JP2007029885A - 炭酸水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水を循環させるためのポンプ圧が低く、混合安定槽が小型でありながら、高濃度の炭酸水を低コストで得ることができる炭酸水製造装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る人工炭酸泉製造装置１は、合流部６０において、炭酸ガス供給ライン４０を流れた炭酸ガスが、水循環ライン１０を循環する水中に吹き込まれる。この炭酸ガスは、スタティックミキサー２３内を流れる際に高速で分散されて小気泡化され、水に一定程度溶け込む。次いで、スタティックミキサー２３内を流れ出た水は、混合安定槽２５内へと導入され、各ジャマ板によって乱流を生じつつ一定時間滞留する。混合安定槽２５内では、スタティックミキサー２３内で小気泡化された炭酸ガスが水に一定程度溶け込んでいるので、炭酸ガスと水との反応時間が短くても充分に安定化し、炭酸ガス濃度１０００ｍｇ／Ｌ以上の高濃度の炭酸水（人工炭酸泉）となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水に炭酸ガスを溶け込ませた炭酸水（例えば浴場の人工炭酸泉）を製造する装置に関する。

特許文献１及び２を例に採って、背景技術を説明する。
特許文献１（特開２００４−３１３７４９号公報）には、高濃度の炭酸水を製造することができる炭酸水製造装置が開示されている。この装置は、水供給手段や炭酸ガス供給手段、スタティックミキサー等を備えている。スタティックミキサーは、駆動手段を有しない静止型のミキサーであって、その内部に２０〜１００個のエレメントを備えている。スタティックミキサーでは、水供給手段から供給される水と、炭酸ガス供給手段から供給される炭酸ガスとが混合され、炭酸ガスが水中に溶解される。なお、スタティックミキサーについては、例えば非特許文献１に詳細な説明が記載されている。

この特許文献１の炭酸水製造装置は、スタティックミキサーのみを用いて水と炭酸ガスを反応させている。このように、スタティックミキサーのみを用いて安定した高濃度の炭酸水を製造しようとすると、エレメント数を著しく多くする必要がある。そして、エレメント数を多くすると、スタティックミキサーの全体構造が大型化する。あるいは、エレメント数の多いスタティックミキサーは、圧力損失が大きくなるため、水を供給するポンプを高圧にしなければならず、装置全体のエネルギ損失が大きくなる。

特許文献２（特許第２８０５５９３号公報）に開示された液体のガス混合装置は、液体の移送パイプ中に介装されたミキサータンクを備えている。このミキサータンク内には、少なくとも２個以上の仕切壁が取り付けられており、これら仕切壁に仕切られた少なくとも３個以上の混合室が形成されている。このようなミキサータンクを備える装置では、同文献２によると、複数の混合室内で渦流が発生し易くなり、短時間に効率よく液体とガスを混合させることができるとされている。

ところが、この特許文献２の混合装置のように、少なくとも２個以上の仕切壁と、少なくとも３個以上の混合室を備えるミキサータンクは、構造が大型化する。また、ミキサータンクだけで液体とガスを混合する場合は、一定以上の反応時間が必要であるため、ミキサータンク内において滞留時間を長くとらなければならず、ミキサータンクの容量を大きくする必要がある。

特開２００４−３１３７４９号公報 特許第２８０５５９３号公報 化学工学会編、『化学工学の進歩３４ ミキシング技術』、１４．静止型混合器の特徴と用途開発、槇書店発行

この種の炭酸水製造装置は、圧力損失を抑えてエネルギ損失を少なくすること、あるいは、装置の構造をよりコンパクトにすること等が求められている。
本発明は、このような観点からなされたものであって、水を循環させるためのポンプ圧が低く、混合安定槽が小型でありながら、高濃度の炭酸水を低コストで得ることができる炭酸水製造装置を提供することを目的とする。

本発明の炭酸水製造装置は、 水循環ラインと、 炭酸ガス供給ラインと、 該炭酸ガス供給ラインから前記水循環ラインにガスを吹き込む合流部と、 該合流部の下流側に設置されたスタティックミキサーと、 該ミキサーの下流側に設置された混合安定槽と、を具備することを特徴とする炭酸水製造装置。

スタティックミキサーのみを備える装置の場合、炭酸ガス濃度が６００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ５．５程度の炭酸水であれば容易に製造できるが、それ以上高濃度の炭酸水を得るには、スタティックミキサーのエレメントを著しく多段化する必要がある。そして、スタティックミキサーのエレメントを多段化すると、ミキサー内における圧力損失が大きくなるため、水を循環させるためのポンプを高圧にしなければならず、装置全体のエネルギ損失が大きくなる。
一方、合流部及び混合安定槽のみを備える装置の場合、水と炭酸ガスとの反応に一定以上の時間がかかるため、混合安定槽における滞留時間を長くとる必要があり、混合安定槽の大型化を招く。

本発明によれば、スタティックミキサーにおいて炭酸ガスを高速で水中に分散させて小気泡化した後、混合安定槽において乱流下で一定時間かけて炭酸ガスと水を反応させ、安定化させる。本発明の装置では、エレメント数の多くないスタティックミキサーを通して水を循環させるため、ポンプ圧が低く、しかも混合安定槽が小型でありながら、１０００ｍｇ／Ｌ〜１３００ｍｇ／Ｌ以上、ｐＨ４．８程度の安定した炭酸水を低コストで得ることができる。
なお、スタティックミキサーのエレメント数は６〜１０段、混合安定槽の滞留時間は６〜１０秒程度が好ましく、６〜８秒程度がより好ましい。

本発明の炭酸水製造装置においては、前記炭酸ガス供給ラインが、ガス流量の多い多流量ラインと、ガス流量の少ない少流量ラインを含む少なくとも二系統以上のラインを備え、これら多流量ラインと少流量ラインを間欠的に開状態とする運転が可能となっており、 この間欠運転のピッチと、前記多流量ライン又は前記少流量ラインが開状態となる時間を設定する手段をさらに具備することができる。

本発明のこの態様では、多流量ライン、少流量ラインのそれぞれに電磁弁を取り付け、例えば、多流量ラインの電磁弁を１分間開状態とした後、次に少流量ラインの電磁弁を１分間開状態とする２分ピッチの間欠運転を１５回繰り返すような時間設定を行うことができる。そして、本発明の装置で浴場の炭酸泉を製造する場合、入浴者が増える等によって二酸化炭素の消費量が増えた際に、手動又は自動で前述のような間欠運転をスタートする。これにより、急激な二酸化炭素濃度の変化を抑制しつつ、炭酸泉の濃度低下を防止することができる。
なお、多流量ラインのガス流量は循環水流量１ｍ^３当たりに０．２〜０．４ｍ^３程度が好ましく、０．２９〜０．３１ｍ^３程度がより一層好ましい。また、少流量ラインのガス流量は循環水流量１ｍ^３当たりに０．０４〜０．１０ｍ^３程度が好ましく、０．０６〜０．０７ｍ^３程度がより一層好ましい。

本発明によれば、ポンプ圧が低く、混合安定槽が小型でありながら、高濃度の炭酸水を低コストで得ることができる炭酸水製造装置を提供できる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、入浴用の人工炭酸泉を製造するものとして説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る人工炭酸泉製造装置の系統図である。
図２は、図１の人工炭酸泉製造装置の混合安定槽を構成する槽本体を示す図である。（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）は側面図である。
図３は、混合安定槽の構成（図２の槽本体を上下に２つ組み合わせたもの）を示す側面図である。

図１に示すように、人工炭酸泉製造装置１は、大きく分けて水循環ライン１０と炭酸ガス供給ライン４０を備えている。これら両ライン１０、４０は、図１のほぼ中央に示す合流部（ティー継手）６０で合流している。合流部６０においては、炭酸ガス供給ライン４０から水循環ライン１０を流れる水（炭酸泉）に炭酸ガスが吹き込まれる。この人工炭酸泉製造装置１は、図１の上側に示す操作盤２のスイッチ等を操作して運転することができる。

水循環ライン１０について詳細に説明する。
水循環ライン１０は、図１の左側に示す浴槽１１の水を循環させる。この浴槽１１内には、入浴に適した温度（約４０℃前後）の温水（人工炭酸泉）が溜められている。浴槽１１の下部（図１の右側）からは、配管１３が出ている。この配管１３の先には、循環ポンプ１５が繋がれている。配管１３の途中には、ヘアーキャッチャー１４が取り付けられている。このヘアーキャッチャー１４は、浴槽１１内から出た水に混じった髪の毛等を捕らえるためのものである。

循環ポンプ１５の下部からは、開閉弁１７ａを備えるドレン配管１７が出ている。循環ポンプ１５の上部からは、配管１９が出ている。この配管１９の先には、前述した合流部６０の接続口６０ａが繋がれている。循環ポンプ１５と合流部６０の間の配管１９には、フロースイッチ１８が取り付けられている。このフロースイッチ１８は、循環ポンプ１５が正常に稼動して送水しているか否かを確認するためのものである。

合流部６０の接続口６０ｂには、図１の右側へ延びるポンプ出側配管２１が繋がれている。このポンプ出側配管２１の先には、スタティックミキサー２３が取り付けられている。このスタティックミキサー２３は、駆動手段を有しない静止型のミキサーであって、一例として螺旋のエレメントの数が６〜１０枚程度（より好ましくは８〜１０枚程度）と比較的少ないタイプのものである。なお、この例の他に、ガイドベーン１枚を備えたＯＨＬ式のスタティックミキサーも使うことができる。エレメント数の少ないスタティックミキサー２３は、圧力損失が小さい（この例では０．１ＭＰａ以下）ので、循環ポンプ１５のポンプ圧が低くて済み、ランニングコストも安くて済む。スタティックミキサー２３では、合流部６０で吹き込まれた炭酸ガスが高速で分散されて小気泡化され、この小気泡化された炭酸ガスが水に一定程度溶け込む。

スタティックミキサー２３の先の配管２４は、混合安定槽２５の上部に繋がれている。この混合安定槽２５は、図２に示す槽本体２６を、図３に示すように上下に２つ連ねて結合したものである。これらの図に示す槽本体２６は、透明な塩化ビニール製（一例）の円筒管である。槽本体２６の両開口端部には、塩化ビニール製（一例）のフランジ２６Ａが溶接等により取り付けられている。図２（Ａ）に示すように、各フランジ２６Ａには、円周方向に等間隔おきに孔２６Ｂが形成されている。これらの孔２６Ｂは、図３に示すように２つの槽本体２６を連ね、両者のフランジ２６Ａ同士を対向させて結合する場合や、槽本体２６を図示せぬ基台に固定する場合等に、締結ボルト等を通すための孔である。

槽本体２６の内面には、複数のジャマ板２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅが取り付けられている。各ジャマ板２６Ｃ〜２６Ｅは、塩化ビニール製（一例）の半円板であって、円弧状の側面が槽本体２６内面の円周方向に沿うように溶接等で取り付けられている。図２（Ｂ）に示すように、ジャマ板２６Ｃと２６Ｅは、槽本体２６の軸芯Ｘから右側（図２（Ｂ）の右側）において、上下に離れて配置されている。ジャマ板２６Ｄは、槽本体２６の軸芯Ｘから左側（図２（Ｂ）の左側）において、ジャマ板２６Ｃと２６Ｅとの中間に配置されている。なお、ジャマ板の形状は、半円板以外にも、例えば円板に複数の貫通孔を流路がジグザグになるように形成したものや、板を斜めに取り付けそれぞれの板を交差させたもの等、他にも様々な形態ものを用いることができる。

図３に示すように、２段の槽本体２６で構成される混合安定槽２５は、上下の開口端部が閉塞されている。上下の槽本体２６の対向するフランジ２６Ａ間には、仕切板２７が挟まっている。上下の槽本体２６の内部は、穴２８で連通している。そして、混合安定槽２５の上端（入側）には、ジャマ板２６Ｃ（上側の槽本体２６のジャマ板２６Ｃ）の上方において、前述した配管２４が接続されている。一方、混合安定槽２５の下端（出側）には、ジャマ板２６Ｅ（下側の槽本体２６のジャマ板２６Ｅ）の下方において、槽出側配管３１が接続されている。混合安定槽２５では、その内部に導入された水（スタティックミキサー２３で小気泡化された炭酸ガスが一定程度溶け込んだ水）に各ジャマ板２６Ｃ〜２６Ｅで乱流を生じさせつつ、一定時間滞留させ、炭酸ガスを水に充分に混合溶解させる。

図１に戻って、混合安定槽２５の下部からは、前述の通り槽出側配管３１が延び出ている。この槽出側配管３１の先には、気泡除去装置３３が繋がれている。この気泡除去装置３３の上部からは、開閉弁３５ａを備える排気管３５が延び出ている。気泡除去装置３３では、混合安定槽２５内で水に溶け込まずに残存した炭酸ガスの気泡が取り除かれ、排気管３５から外部へと放出される。気泡除去装置３３には、図１の左側へ延びる配管３７が繋がれており、この配管３７の先は、前述した浴槽１１へと繋がれている。配管３７には、気泡除去装置３３寄りに開閉弁３６が取り付けられており、浴槽１１寄りに逆止弁３８が取り付けられている。

次に、炭酸ガス供給ライン４０について詳細に説明する。
炭酸ガス供給ライン４０は、ガス源である複数のガスボンベ４１を備えている。各ガスボンベ４１からは、それぞれ開閉弁４３ａを備える配管４３が延び出ている。これらの配管４３は一つに纏められ、圧力調整器４５へと繋がっている。この圧力調整器４５は、一次側圧力計４５ａ及び二次側圧力計４５ｂを備える。圧力調整器４５には、図１の左側へ延びる配管４７が繋がれている。この配管４７の途中には、ガス流量計４８、開閉弁４９が取り付けられている。これらガスボンベ４１や配管４３、４７、圧力調整器４５、ガス流量計４８等で、炭酸ガス集合装置が構成される。

配管４７の先には、３つのガスライン（急速ライン５１、中速ライン５２、セーブライン５３）が並列に配管されている。配管４７と各ライン５１〜５３の入側は、クロス継手５５で繋がれている。各ライン５１〜５３には、それぞれ電磁弁５１Ａ〜５３Ａ、ニードル弁５１Ｂ〜５３Ｂが取り付けられている。各電磁弁５１Ａ〜５３Ａは、前述した操作盤２にケーブル（図示されず）を介して個別に接続されており、操作盤２の設定にしたがってＯＮ／ＯＦＦされる。各ニードル弁５１Ｂ〜５３Ｂは手動式であって、予め個別に開閉度が設定されている。詳しくは、急速ライン５１のニードル弁５１Ｂは開閉度が大きく設定されており、中速ライン５２のニードル弁５２Ｂは開閉度が中程度に設定されており、セーブライン５３のニードル弁５３Ｂは開閉度が小さく設定されている。

ここで、各ライン５１〜５３の電磁弁５１Ａ〜５３Ａは、それぞれが間欠的に開状態となるよう、操作盤２で設定することができる。さらに、操作盤２では、各電磁弁５１Ａ〜５３Ａの間欠作動ピッチと、各電磁弁５１Ａ〜５３Ａが開状態となる時間とを設定することができる。これは、例えば、中速ライン５２の電磁弁５２Ａを１分間開状態とした後、次にセーブライン５３の電磁弁５３Ａを１分間開状態とする２分ピッチの間欠作動を１５回繰り返すような設定である。浴槽１１内の入浴者が増えて、炭酸泉に含まれる二酸化炭素の揮発量が増えた際には、操作盤２のスイッチ等を操作して、前述のように設定された運転をスタートさせる。これにより、容易な操作で急激な二酸化炭素濃度の変化を抑制しつつ、炭酸泉の濃度低下を防止することができる。また、ガスラインの数を少なくすることができる。

各ライン５１〜５３の出側は、クロス継手５６で繋がれている。このクロス継手５６と前述した合流部６０の接続口６０ｃとは、配管５７で繋がれている。この配管５７の途中には、逆止弁５９が取り付けられている。

次に、前述した人工炭酸泉製造装置１の総合的な作用について述べる。
水循環ライン１０において、循環ポンプ１５が稼動すると、浴槽１１の下部から配管１３へと水（浴槽１１内の温水）が引き込まれる。この水は、循環ポンプ１５上部から配管１９へと送られ、合流部６０→ポンプ出側配管２１→スタティックミキサー２３→配管２４→混合安定槽２５→槽出側配管３１→気泡除去装置３３へと至り、配管３７を通って再び浴槽１１内に戻る。一方、炭酸ガス供給ライン４０において、ガスボンベ４１から供給される炭酸ガスは、配管４３→圧力調整器４５→配管４７→急速ライン５１、中速ライン５２、セーブライン５３のいずれか→配管５７を流れ、合流部６０へと至る。

合流部６０においては、ガスボンベ４１元圧から圧力調整器４５で減圧調整し、さらにニードル弁で所定の流量に調整した炭酸ガスが、循環ポンプ１５から配管１９へと送られた水に吹き込まれる。ここで吹き込まれた炭酸ガスは、スタティックミキサー２３内を流れる際に高速で分散されて小気泡化され、水に一定程度溶け込む。次いで、スタティックミキサー２３内を流れ出た水は、混合安定槽２５内へと導入され、各ジャマ板２６Ｃ〜２６Ｅ（図２、図３参照）によって乱流を生じつつ一定時間滞留する。混合安定槽２５内では、スタティックミキサー２３内で小気泡化された炭酸ガスが水に一定程度溶け込んでいるので、炭酸ガスと水との反応時間が短くても充分に安定化し、炭酸ガス濃度１０００ｍｇ／Ｌ以上の高濃度の炭酸水（人工炭酸泉）となる。

スタティックミキサーのみを備える装置（前述した特許文献１等）の場合、安定した高濃度の炭酸水を製造するためには、スタティックミキサーのエレメントを著しく多段化する必要があるが、本発明に係る人工炭酸泉製造装置１は、スタティックミキサー２３がエレメント数の少ない小型のものであっても、安定した高濃度の人工炭酸泉を製造することができる。あるいは、合流部及び混合安定槽のみを備える装置（前述した特許文献２等）の場合、水と炭酸ガスとの反応に一定以上の時間をかけ、滞留時間を長くとるために、混合安定槽を大型化しなければならないが、本発明に係る人工炭酸泉製造装置１は、炭酸ガスと水との反応時間が短くても充分に安定化させることができるので、混合安定槽２５を小型化することができる。そして、本発明に係る人工炭酸泉製造装置１は、スタティックミキサー２３及び混合安定槽２５を小型にできるので、装置全体の構成をコンパクトにできる。

以下、現状のスタティックミキサー（エレメント数６〜１０）のみを備える人工炭酸水製造装置と、本発明に係る人工炭酸水製造装置（スタティックミキサー＋混合安定槽）とをそれぞれ運転し、得られた炭酸水の性状を比較した試験の結果について述べる。この試験では、循環水の温度が約２０℃であった。また、本発明の実施例に係る人工炭酸水製造装置については、エレメント数８のスタティックミキサーと、ジャマ板を複数枚備える混合安定槽を用いた。この場合の槽内の平均流速は約０．８３ｍ／ｓｅｃであり、滞留時間は約６．６ｓｅｃである。

図４は、現状のスタティックミキサーのみを備える装置を運転した場合の、運転時間（横軸：単位ｍｉｎ）と炭酸水のｐＨ（縦軸）との関係を示すグラフである。
図５は、本発明の実施例に係る装置（スタティックミキサー＋混合安定槽）を運転した場合の、運転時間（横軸：単位ｍｉｎ）と炭酸水のｐＨ（縦軸）との関係を示すグラフである。

図４に示すグラフから読み取れるように、スタティックミキサーのみを備える装置を運転した場合、最初にｐＨ＝７．７８２であった水道水は、１０分間の継続運転後にｐＨ＝５．６８と変化し、２０分間の継続運転後にｐＨ＝５．３９と変化し、３６分間の継続運転後にｐＨ＝５．２１と変化した。３６分間の継続運転後のｐＨ＝５．２１を炭酸水の濃度に換算すると、７８０ｍｇ／Ｌとなる。
このように、スタティックミキサーのみを備える装置では、７８０ｍｇ／Ｌ程度の炭酸水しか得ることができず、この濃度以上の炭酸水を製造しようとすると、スタティックミキサーを大型化し、エレメントを多段化しなければならない。

これに対し、本発明に係る装置を運転した場合は、図５に示すグラフから読み取れるように、最初にｐＨ＝８．１６であった水道水は、１０分間の継続運転後にｐＨ＝５．６６と変化し、２０分間の継続運転後にｐＨ＝５．３０と変化し、３６分間の継続運転後にｐＨ＝５．００と変化した。３６分間の継続運転後のｐＨ＝５．００を炭酸水の濃度に換算すると、１４００ｍｇ／Ｌとなる。
このように、本発明に係る装置によれば、スタティックミキサーのみを備える装置に比べ、安定した高濃度の人工炭酸水が得られることがわかる。

本発明の一実施の形態に係る人工炭酸泉製造装置の系統図である。 図１の人工炭酸泉製造装置の混合安定槽を構成する槽本体を示す図である。（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）は側面図である。 混合安定槽の構成（図２の槽本体を上下に２つ組み合わせたもの）を示す側面図である。 現状のスタティックミキサーのみを備える装置を運転した場合の、運転時間（横軸：単位ｍｉｎ）と炭酸水のｐＨ（縦軸）との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係る装置（スタティックミキサー＋混合安定槽）を運転した場合の、運転時間（横軸：単位ｍｉｎ）と炭酸水のｐＨ（縦軸）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 人工炭酸泉製造装置 ２ 操作盤
１０ 水循環ライン １１ 浴槽
１３、１９、２１、２４、３１、３７ 配管
１５ 循環ポンプ ２３ スタティックミキサー
２５ 混合安定槽 ２６ 槽本体
２６Ａ フランジ ２６Ｂ 孔
２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅ ジャマ板 ２７ 仕切板
２８ 穴 ３３ 気泡除去装置
４０ 炭酸ガス供給ライン ４１ ガスボンベ
４３、４７、５７ 配管
４５ 圧力調整器 ４８ ガス流量計
５１ 急速ライン ５２ 中速ライン
５３ セーブライン
５１Ａ〜５３Ａ 電磁弁 ５１Ｂ〜５３Ｂ ニードル弁
６０ 合流部

Claims (2)

1. 水循環ラインと、
   炭酸ガス供給ラインと、
   該炭酸ガス供給ラインから前記水循環ラインにガスを吹き込む合流部と、
   該合流部の下流側に設置されたスタティックミキサーと、
   該ミキサーの下流側に設置された混合安定槽と、
   を具備することを特徴とする炭酸水製造装置。
2. 前記炭酸ガス供給ラインが、ガス流量の多い多流量ラインと、ガス流量の少ない少流量ラインを含む少なくとも二系統以上のラインを備え、これら多流量ラインと少流量ラインを間欠的に開状態とする運転が可能となっており、
   この間欠運転のピッチと、前記多流量ライン又は前記少流量ラインが開状態となる時間を設定する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の炭酸水製造装置。
   

Images