JP2016112511A - 気体溶解液の製造方法および気体溶解液製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低圧且つ短時間で高濃度の気体溶解が可能で、小型な気体溶解装置を提供する。【解決手段】気体溶解装置１６において、水Ｗおよび炭酸ガスＣＯ２気液混合体ＧＬの流入により円筒状の旋回流発生器２０内に一次旋回流ＴＦ１が発生させられ、その一次旋回流ＴＦ１の旋回中心部から気液混合体ＧＬが旋回流発生器２０の内径Ｄ１よりも小さい径ｄの貫通孔２２を通過させられることで、一次旋回流ＴＦ１の回転数よりも小径且つ高い回転数で旋回する二次旋回流ＴＦ２となって筒状容器２６内に噴射され、筒状容器２６内では、その高速の二次旋回流ＴＦ２に基づく旋回流が旋回流抑制板３２によって抑制される。高速で旋回する二次旋回流ＴＦ２では炭酸ガスＣＯ２および水Ｗの気液混合体ＧＬにおいて微細気泡がさらに細かく剪断され、二次旋回流ＴＦ２またはそれに基づく旋回流が旋回流抑制板３２に衝突させられることで剪断された微細気泡が消滅する。【選択図】図１０

Description

本発明は、気体を液体中に効率良く溶解させる気体溶解方法および気体溶解装置に関するものである。

気体たとえば炭酸ガスを液体たとえば水に溶解させる気体溶解装置が用いられている。たとえば、特許文献１に記載された炭酸ガス溶解装置がそれである。これによれば、ノズルと、ノズルからの噴流を受け入れる入り口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザと、そのディフューザに接続された管内に軸中心線まわりに右回りおよび左回りに１８０°のねじられたエレメントが交互に配列されることにより構成されたスタティックミキサとを用い、３〜５ｋｇ／ｃｍ^２程度の高圧および１乃至数℃の低温下で、水および炭酸ガスの混合体を上記ノズルを通してディフューザ内に噴射し、その後にスタティックミキサ内で混合した上で、滞留槽内で滞留させることで溶解濃度を均一化することで、炭酸ガスを効率良くかつ一定に吸収溶解させ、炭酸ガスを一定の高濃度で溶存する液体を連続して製造できる。このような液体は、たとえばビール、清涼飲料水の製造に好適に用いられる。

特開平０２−２１２３１１号公報

しかしながら、上記のような従来の気体溶解装置では、液温を低温とするとともに配管内の圧力を高くし、かつ保持時間を長くする必要があるため、そのためのホールド延長配管等それらに付随する設備が大型となるので、設置場所が必要となり又設備導入費用が高くなっていた。また、洗浄時間も長くする必要があるために生産時間が限定的で、製造効率が十分に得られなかった。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、短時間で高濃度の気体溶解が可能で、小型な気体溶解装置を提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として、気体の微細気泡が消滅するまで気体を短時間で溶解させることができる装置について種々研究を重ねた結果、液体および前気体の気液混合体の流入により旋回流を発生させた円筒状の旋回流発生器の端面を覆うカバープレートの中央部に小径孔を設けて、その小径孔よりも大きい内径を有する筒状容器内に、混合体の旋回流の旋回中心部から気液混合体を噴射させると、その噴射された混合体は上記旋回流の回転数よりも高い回転で旋回する高速旋回流となって微細気泡をさらに細かく剪断する剪断現象が顕著となること、および、上記筒状容器内に、上記高速旋回流の旋回を抑制する旋回流抑制板を設けると、上記剪断された微細気泡が消滅して気体が好適に液体に溶解したことを示す液体の透明化が得られることを、比較的短時間で且つたとえば０．４ＭＰａ程度の低い圧力下で見出した。本発明は、斯かる知見に基づいて為されたものである。

すなわち、第１発明の要旨とするところは、（ａ）気体を液体中に溶解させた気体溶解液の製造方法であって、（ｂ）前記気体および液体の気液混合体の流入により一次旋回流を旋回流発生器内で発生させる一次旋回流発生工程と、（ｃ）前記旋回流発生器内の旋回流の旋回中心部から前記混合体を前記旋回流発生器の内径よりも小径の貫通孔を通過させることにより、前記旋回流の回転数よりも高い回転数で旋回する二次旋回流を前記貫通孔よりも大きい内径を有する筒状容器内に噴射する二次旋回流発生工程と、（ｄ）前記筒状容器内に固設された旋回流抑制板により、前記筒状容器内に噴射された前記二次旋回流に基づく旋回流を抑制する工程とを、含むことにある。

また、上記第１発明を好適に実施するための第２発明の要旨とするところは、気体を液体中に溶解させる気体溶解装置を備える気体溶解液製造装置であって、前記気体溶解装置は、（ａ）前記気体および液体の気液混合体の流入により一次旋回流を発生させる円筒状の旋回流発生器と、（ｂ）その旋回流発生器の内径よりも小さな貫通孔を有し、その旋回流発生器内で旋回する前記旋回流の旋回中心部から前記混合体を上記貫通孔を通過させることにより、前記旋回流の回転数よりも高い回転数で旋回する二次（高速）旋回流を噴射する絞り器と、（ｃ）その絞り器の貫通孔よりも大きい内径を有し、その貫通孔を通過した二次旋回流を一端に受け入れて他端から流出させる筒状容器と、（ｄ）その筒状容器内に固設され、前記高速旋回流に基づく旋回流を抑制す旋回流抑制板と、を、含むことを特徴とする。

このように構成された第１発明の気体溶解液の製造方法および第２発明の気体溶解液製造装置によれば、気体溶解装置において、液体および気体の気液混合体の流入により円筒状の旋回流発生器内に一次旋回流が発生させられ、その旋回流発生器内で旋回する旋回流の旋回中心部から前記気液混合体が前記旋回流発生器の内径よりも小径の貫通孔を通過させられると、その一次旋回流の回転数よりも小径で且つ高い回転数で旋回する二次（高速）旋回流となって筒状容器内に噴射され、筒状容器内では、その二次旋回流或いはそれに基づく旋回流が旋回流抑制板に当接して旋回が抑制される。このため、上記一次旋回流の回転数よりも高い回転で旋回する二次旋回流となって気体および液体の気液混合体において微細気泡がさらに細かく剪断される。次いで、上記筒状容器内に固設された旋回流抑制板に上記二次旋回流或いはそれに基づく旋回流が衝突させられることでその旋回流がさらに剪断され、その剪断された微細気泡が消滅して気体が好適に液体に溶解したことを示す液体の透明化すなわち気体溶解液が、比較的短時間で且つ低い圧力下で得られる。すなわち、短時間で高濃度の気体溶解が可能で、小型な気体溶解装置が得られる。

ここで、好適には、前記旋回流発生器は、前記旋回流発生器内の旋回流の接線方向に平行、且つ旋回流発生器の軸中心線から偏心した位置の軸中心線を有する流入管を有し、該流入管を通して前記液体および気体の混合体を流入させるものである。このようにすれば、液体および気体の混合体が流入させられることにより、旋回流発生器内に旋回流が発生させられる。

また、好適には、前記旋回流発生器の一端部は、前記筒状容器と前記絞り器を介して同心に接続されるとともに、前記旋回流発生器の他端部は、円盤状の蓋板によって閉じられており、前記蓋板には、前記絞り器に形成された貫通孔に向かって突き出す円柱状部材が設けられている。このようにすれば、旋回流発生器内の容積が上記円柱状部材の容積分だけを小さくされるので、旋回流発生器内の一次旋回流が一層高速回転となる利点がある。

また、好適には、前記絞り器に形成された貫通孔は、前記旋回流発生器側から前記筒状容器に向かうに従って小径となるように形成されている。このようにすれば、旋回流発生器から筒状容器へ向かう気液混合体に乱流が発生することが好適に防止される。

また、好適には、前記旋回流抑制板は、前記筒状容器の少なくとも外周部において前記筒状容器の径方向および軸中心線方向を含む面に平行で、且つ軸中心線において相互に交差する複数の整流板を有するものである。このようにすれば、筒状容器内に流入する高速旋回流に基づく旋回流が整流板に当接してその旋回が抑制されるので、好適に気体が液体に溶解されるとともに、軸中心線方向の流通抵抗が可及的に抑制される。

また、好適には、前記液体が供給される第１管部と前記気体が供給される第２管部と前記気液混合体が出力される第３管部とを有する合流管と、前記第１管部内に設けられた前記液体を噴射するノズルと、前記第３管部内に設けられ、前記ノズルからの噴流を受け入れる入口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザと、前記第３管部に接続された管内に、軸中心線まわりに右回りおよび左回りにそれぞれねじられたエレメントが交互に配列されることにより構成されたスタティックミキサとを、含み、前記気液混合体は、前記スタティックミキサから出力されるものである。このようにすれば、前記旋回流発生器に供給される前の段階で、前記気液混合体が好適に攪拌されてその気体が細かくされ、気体の液体に対する接触面積が大きくされて溶解が容易となる利点がある。

また、好適には、前記スタティックミキサと前記旋回流発生器との間に設けられ、前記スタティックミキサから出力された気液混合体をそれに剪断力を与えつつ前記旋回流発生器へ圧送する分散ポンプが、さらに含まれる。このようにすれば、前記旋回流発生器に供給される前の段階で、前記気液混合体に剪断力が与えられて好適に攪拌されて一層その気体が細かくされ、気体の液体に対する接触面積が大きくされて溶解が一層容易となる利点がある。また、分散ポンプを設けない場合に比較して、気体供給圧力を低くしても気体の溶解をすることができる。

本発明が好適に適用された気体溶解液製造装置の一例である炭酸水製造装置を概略的に説明する図である。 図１の気液混合装置の構成を概略説明する図である。 図１の気体溶解装置の構成を概略説明する図である。 図３の気体溶解装置の一部を構成する旋回流発生器の構成を説明する、その軸中心線Ｃ１に直交する断面図である。 図４に示す旋回流発生器の構成を説明する縦断面図である。 図４に示す旋回流発生器の他の例の構成を説明する縦断面図である。 図４に示す絞り器の他の例を説明する縦断面図である。 図３の気体溶解装置の一部を構成する旋回流抑制装置の構成を説明する縦断面図である。 図３の気体溶解装置の一部を構成する旋回流抑制装置の他の構成例を説明する斜視図である。 図３の気体溶解装置における気体溶解作用を説明する模式図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の気体溶解液製造装置の一例である炭酸水製造装置１０を説明する略図である。図１において、炭酸水製造装置１０は、気体Ｇを代表する炭酸ガスＣＯ２と液体Ｌを代表する水Ｗとを混合してそれらの気液混合体ＧＬを出力する気液混合装置１２と、その気液混合装置１２の出力側に接続され、その気液混合装置１２から出力された気液混合体ＧＬに剪断力を与えつつ圧送する第２ポンプすなわち分散ポンプ１４と、分散ポンプ１４から圧送された気液混合体ＧＬを受けて、その一次旋回流を発生するとともにその一次旋回流よりも高速の二次旋回流を発生させて微細な気泡を発生させた後、さらにその高速の二次旋回流を衝突させて微細な気泡を消滅させ、気液混合体ＧＬ内の炭酸ガスＣＯ２を水Ｗに速やかに溶解させて炭酸水（気体溶解液）ＣＯ２Ｗを出力する気体溶解装置１６と、気体溶解装置１６から出力された炭酸水（気体溶解液）ＣＯ２Ｗを一時的に貯留するためのバッファタンク１８とを、備えている。なお、炭酸水製造装置１０において、少なくとも炭酸ガスＣＯ２、水Ｗ、気液混合体ＧＬ、炭酸水（気体溶解液）ＣＯ２Ｗに接する部材は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌで代表されるサニタリー用途のステンレス鋼から構成されるサニタリー配管或いは部品により構成される。

上記気液混合装置１２には、流量調節弁ＦＶ１、流量計ＦＭ１、温度計ＴＭ１、圧力計ＰＭ１、電磁開閉弁ＭＶ１が設けられた気体導入管Ｐ１を介して炭酸ガスＣＯ２がたとえば０．８ＭＰａ程度の圧力で供給されるとともに、第１ポンプ１３および圧力計ＰＭ２、温度計ＴＭ２が設けられた液体導入管Ｐ２を介して水Ｗが炭酸ガスＣＯ２に対して同程度以下たとえば０．６ＭＰａ程度の圧力で供給される。また、１気圧および０℃の標準状態において炭酸ガスＣＯ２は水Ｗに対して、４〜５倍程度の容積で供給される。

図２に詳しく示すように、気液混合装置１２は、液体導入管Ｐ２に接続されて水Ｗが供給される第１管部Ｔ１と気体導入管Ｐ１に接続されて炭酸ガスＣＯ２が供給される第２管部Ｔ２と気液混合体ＧＬが出力される第３管部Ｔ３とを有する合流管Ｔと、合流管Ｔの第１管部Ｔ１内に設けられて水Ｗを第３管部Ｔ３に向かって噴射する噴射ノズルＮＺと、合流管Ｔの第３管部Ｔ３内に設けられ、ノズルＮＺからの水Ｗの噴流を受け入れる入口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザＤＦと、第３管部Ｔ３に接続された管ＳＭＰ内に、軸中心線まわりに右回りおよび左回りにそれぞれねじられた複数（本実施例では４対）のエレメントＥＲおよびＥＬが交互に且つそれらエレメントＥＲおよびＥＬの軸中心線方向の端にそれぞれ位置する直線状端縁が相互に直交するように配列されることにより構成されたスタティックミキサＳＭとを、備え、気泡が微細化された水Ｗと炭酸ガスＣＯ２との気液混合体ＧＬをそのスタティックミキサＳＭから出力する。また、このスタティックミキサＳＭにより、気液混合体ＧＬの均質化および整流化が行なわれ、流量のばらつきが抑制される。

分散ポンプ１４は、たとえば、複数の鋸歯状突起を有するロータおよびステータをポンプハウジング内に備え、ロータ中心部の羽根から遠心力により流れる気液混合体ＧＬが複数の鋸歯状突起を有するロータおよびステータを通過する際に、気液混合体ＧＬに高い剪断力とキャビテーションの発生による高い衝撃力とを与えることにより、混合および溶解作用を発生させる形式のシャーポンプであり、たとえば、ユーロ・ジャパン・マシナリー社製のＥＭＰ２０５等が好適に用いられる。分散ポンプ１４は、気液混合体ＧＬを、電磁開閉弁ＭＶ２を有する合流配管Ｐ３を介して、０．４ＭＰａ程度の圧力で気体溶解装置１６へ圧送する。

気体溶解装置１６は、図３に示されるように、上端開口（他端開口）が円盤状の蓋板２０ａにより気密および液密に閉じられるとともに、分散ポンプ１４から圧送された気液混合体ＧＬを軸中心線Ｃ１から離れた部位に接線方向に受けて、その流入により一次旋回流ＴＦ１を内部に発生させる円筒状の旋回流発生器（旋回管）２０と、旋回流発生器２０の内径Ｄ１よりも小さな径ｄを有し、噴射孔（又は縮流ノズルとして機能する貫通孔）２２が中央部に貫通して形成されて、旋回流発生器２０の下端開口（一端開口）を気密および液密に閉じるように固定され、旋回流発生器２０内の中心部からの貫通孔２２を通して気液混合体ＧＬを通過させることにより、一次旋回流ＴＦ１の回転数よりも高い回転数で旋回する二次（高速）旋回流ＴＦ２を噴射する有底短円筒状の絞り器２４と、絞り器２４の貫通孔２２の径ｄよりも大きい内径Ｄ２を有して、円筒状の旋回流発生器２０および円版状の絞り器２４と共通の軸中心線Ｃ１を有してそれらと同心にその絞り器２４と気密および液密に固定され、貫通孔２２を通過した二次（高速）旋回流ＴＦ２を一端に受け入れて他端から流出させる筒状容器２６と、筒状容器２６に固定され、二次（高速）旋回流ＴＦ２或いはそれに基づく旋回流を衝突させて微細な気泡を消滅させ、気液混合体ＧＬ内の炭酸ガスＣＯ２を水Ｗに速やかに溶解させて炭酸水（気体溶解液）ＣＯ２Ｗを生成する旋回流抑制装置２８と、入口側から出口側に向かって流通断面積が徐々に現象する逆テーパ形状を有して旋回流抑制装置２８に入口側が固定され、旋回流抑制装置２８により生成された炭酸水（気体溶解液）ＣＯ２Ｗに乱流を生じさせないで入口側よりも小径の出口側から出力する径違い継手３４とを、備えている。

上記旋回流発生器２０、絞り器２４、筒状容器２６、旋回流抑制装置２８、径違い継手３４は、それらのフランジの傾斜を利用して締結する図１に示す締結バンドＢにより図示しないシール部材を介して相互に締結される。また、本実施例では、上記旋回流発生器２０は、サニタリー管の呼び径がたとえば２．５Ｓ（内径５９．５ｍｍφ）であり、筒状容器２６および旋回流抑制装置２８は、たとえば３．０Ｓ（内径７２．３ｍｍφ）であるので、Ｄ２＞Ｄ１＞ｄである。

図４は円筒状の旋回流発生器２０のIII−III視断面図を示し、図５は蓋板２０ａおよび絞り器２４が上端および下端の開口に固定された旋回流発生器２０の縦断面図である。旋回流発生器２０には、軸中心線Ｃ１に直交する面内において旋回流発生器２０の円筒状外周壁の接線方向すなわち旋回流発生器２０内の旋回流の接線方向に平行であり且つ旋回流発生器２０の軸中心線Ｃ１から外周側に偏心して位置する軸中心線Ｃ２を有する流入管２０ｂを有し、分散ポンプ１４から圧送された気液混合体ＧＬをその流入管２０ｂを通して流入させることで、軸中心線Ｃ１まわりの一次旋回流ＴＦ１を内部に発生させる。また、蓋板２０ａには、蓋板２０ａの中心部位から前記絞り器２４に形成された貫通孔２２に向かって突き出す長手状の円柱状部材２０ｃが設けられている。この円柱状部材２０ｃは、旋回流発生器２０内の一次旋回流ＴＦ１の回転を阻害しない位置にあって、旋回流発生器２０内の容積を減少させるものであるので、その一次旋回流ＴＦ１の回転を高速化することに寄与している。

図５において、絞り器２４は、旋回流発生器２０の内径Ｄ１（たとえば２．５Ｓ（５９．５ｍｍφ））よりも小さな径ｄ（たとえば８Ａ〜１５Ａ（１０．５〜１７．５ｍｍφ））を有する貫通孔２２が中央部に貫通して形成されて、旋回流発生器２０の下端開口（一端開口） 気密および液密に閉じるように固定され、旋回流発生器２０内の中心部からの貫通孔２２を通して気液混合体ＧＬを通過させることにより、一次旋回流ＴＦ１の回転数よりも高い回転数で旋回する二次（高速）旋回流ＴＦ２を噴射する。同じ運動エネルギであっても旋回径が小さくなることで旋回が高速となるので、気液混合体ＧＬに対して剪断力が一層付与される。上記の貫通孔２２は、旋回流発生器２２側から筒状容器２６側に向かうに従って小径となるように形成されるとともに、それに接近させられている円柱状部材２０ｃの先端部には、テーパＴＡが設けられている。これにより、旋回流発生器２２内の容積を減少させつつ、可及的に乱流の発生が防止されている。

図６は他の例を示しており、円柱状部材２０ｃは、図５に示されたものよりも図５に示されるように細く（小径）てもよく、その径および長さは、上記一次旋回流ＴＦ１を安定して高速で発生させるために最も効果のある形状に選択される。また、絞り器２４において、貫通孔２２は、旋回流発生器２２側から筒状容器２６側に向かうに従って小径となる割合が高くなるように形成されている。図７は、絞り器２４の他の例を示す断面図であり、円柱状部材２０ｃは設けられておらず、貫通孔２２には旋回流発生器２２側から筒状容器２６側に向かうに従って小径となる傾斜も設けられていない。

筒状容器２６は、円筒状の旋回流発生器２０よりも２〜３倍程度の長さを有するものであり、その上端には絞り器２４が固定され、下端には旋回流抑制装置２８が固定されている。旋回流抑制装置２８は、たとえば図８に示すように、短円筒状の本体３０と、その本体３０に筒状容器２６側に突き出すように固定された旋回流抑制板（ボルテックスブレーカ）３２とから構成されている。旋回流抑制板３２は、筒状容器２６に実質的に固定されており、筒状容器２６内の少なくとも外周部において前記筒状容器２６の径方向および軸中心線Ｃ１方向を含む面に平行で、且つ軸中心線Ｃ１において相互に交差する複数枚（本実施例では互いに直交する２枚）の整流板３２ａ、３２ｂを有する。整流板３２ａ、３２ｂは、たとえば、筒状容器２６の内径Ｄ２と同様の径方向寸法ｗとその径方向寸法ｗに対して０．４〜０．４５程度たとえば３０ｍｍの高さ寸法ｈを有し、且つ、内周部のうちの本体３０側に，上記径方向寸法ｗに対して０．２〜０．２２５程度たとえば１５ｍｍの高さおよび０．５５〜０．６程度たとえば４０ｍｍの径方向寸法の矩形の切欠きＫ１が形成されている。

図９は、整流板３２ａ、３２ｂの他の例を示している。図９の整流板３２ａ、３２ｂは、筒状容器２６に実質的に固定されており、筒状容器２６内の少なくとも外周部において前記筒状容器２６の径方向および軸中心線Ｃ１方向を含む面に平行で、且つ軸中心線Ｃ１において相互に交差する複数枚（本実施例では互いに直交する２枚）の整流板を有する点、および、筒状容器２６の内径Ｄ２と同様の径方向寸法ｗを有する点で、図８と共通しているが、寸法および形状において相違する。図９において、整流板３２ａは、径方向寸法ｗに対して２．８〜３．２程度たとえば２００ｍｍの高さ寸法ｈを有していて、上記径方向寸法ｗに対して２．２〜２．４程度たとえば１６０ｍｍの高さおよび０．５５〜０．６程度たとえば４０ｍｍの径方向寸法の高さおよび幅の矩形孔Ｋ２を中央部に有した四角枠状に形成されている。また、整流板３２ｂは、その四角枠状の整流板３２ａの上辺および下辺と同様の高さ寸法を有してそれら上辺および下辺と交差している。

径違い継手３４は、旋回流抑制装置２８の短円筒状の本体３０に接続されるための呼び径２．５Ｓ或いは３．０Ｓを有する大径側と、バッファタンク１８への配管Ｐ４に接続されるための１．０Ｓ或いは１．５Ｓを有する小径側との間を連続的に流通断面積を減少させるものであり、軸中心線Ｃ１まわりに対称或いは非対称の逆テーパ形状を有している。なお、図８に示す旋回流抑制装置２８が用いられる場合は、その出口側が小径となっているので径違い継手３４を用いなくてもよい。

配管Ｐ４には、配管Ｐ４内を流通する気体溶解液ＣＯ２Ｗを観察するための透明管３６、出力側の圧力をたとえば０．４ＭＰａに調圧する圧力調整弁３８、および３方切換弁４０が順次設けられている。気体溶解装置１６から出力された気体溶解液ＣＯ２Ｗは配管Ｐ４を介してバッファタンク１８内へ送られてそこで一時的に貯留される。この圧力調整弁３８により、気体溶解液ＣＯ２Ｗの温度が高くなるほど高い一定圧力となるように調圧され、気体溶解液ＣＯ２Ｗ中の炭酸ガスＣＯ２の溶解状態が維持される。バッファタンク１８内の気体溶解液ＣＯ２Ｗは、第３ポンプ４２および圧力計ＰＭ５を有する配管Ｐ５を介して図示しない気体溶解液充填装置へ圧送される。

以上のように構成された炭酸水製造装置１０において、気体溶解装置１６内の炭酸ガスＣＯ２の水ｗに対する溶解作用を、図１０の略図を用いて以下に説明する。気液混合装置１２および分散ポンプ１４において水Ｗ中に混合された炭酸ガスＣＯ２が予め分散且つ細分化された気液混合体ＧＬが気体溶解装置１６の流入管２０ｂに圧送されると、流入管２０ｂからは図４に示すように旋回流発生器２０の円筒状外周壁の接線方向に平行であり且つ旋回流発生器２０の軸中心線Ｃ１から外周側に偏心した位置に気液混合体ＧＬが流入するので、円筒状の旋回流発生器２０内に軸中心線Ｃ１まわりの一次旋回流ＴＦ１が発生させられる。これが一次旋回流発生工程に対応している。

次いで、旋回流発生器２０内で旋回する一次旋回流ＴＦ１を形成している気液混合体ＧＬが、旋回流発生器２０の中心部に位置し且つ旋回流発生器２０の内径Ｄ１よりも小さな径ｄの貫通孔２２を通過させられると、その一次旋回流ＴＦ１の回転数よりも小径で且つ高い回転数で旋回する二次（高速）旋回流ＴＦ２となって筒状容器２６内に噴射される。これが二次旋回流発生工程に対応している。この高速の二次旋回流ＴＦ２の形成により、気液混合体ＧＬ内の炭酸ガスＣＯ２の微細気泡がさらに細かく剪断される。

筒状容器２６内には、筒状容器２６と一体的に固定された旋回流抑制装置２８から突き出す旋回流抑制板３２が固設されており、上記二次旋回流ＴＦ２に基づく旋回流すなわち二次旋回流ＴＦ２および／またはそれに基づいて生成される旋回流が旋回流抑制板３２に衝突させられることでその旋回流にさらに剪断力が付与され、その剪断力によって微細気泡が消滅して透明な炭酸水（気体溶解液） ＣＯ２Ｗが得られる。これが旋回流抑制工程に対応している。液体の透明化は好適に炭酸ガスＣＯ２が溶解したことを示しており、本実施例では、その液体の透明化が、比較的短時間で且つ低い圧力下で得られる。すなわち、短時間で高濃度の気体溶解が可能で、小型な気体溶解装置が得られる。

以下に、本発明者等が行なった実験例を表１、表２、表３を用いて説明する。表１は、気体溶解装置１６において旋回流抑制板（ボルテックスブレーカ）３２の形状の影響を評価するために、旋回流抑制板が３種類の異なる形状である他は同じ条件で炭酸水を製造したときの溶解炭酸ガス量（Ｖ／Ｖ、溶解している炭酸ガスと水の容積比（溶解している炭酸ガス量／水の量）但し、炭酸ガス量は、０℃且つ１気圧の標準状態での値）を評価した場合を示している。表１における試験Ｎｏ．１は図８に示す旋回流抑制板（標準）を用いた場合、試験Ｎｏ．２は図９に示す旋回流抑制板（中、ｈ＝２００ｍｍ）を用いた場合、試験Ｎｏ．３は図９に示す旋回流抑制板（長、ｈ＝３００ｍｍ）を用いた場合である。なお、表１において、「○」は使用、「−」は不使用を示す。表１の評価結果によれば、溶解炭酸ガス量に関しては、試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３ではいずれも満足すべき結果が得られたが、旋回流抑制板（ボルテックスブレーカ）３２が長くなるほど、溶解炭酸ガス量が徐々に低下する性質がある。旋回流抑制板は、中（ｈ＝２００ｍｍ）以下の高さを用いることが望ましい。

表２は、気体溶解装置１６において貫通孔（縮流ノズル）２２の形状の影響を評価するために、貫通孔２２の径ｄが４種類である他は同じ条件で炭酸水を製造したときの溶解炭酸ガス量（Ｖ／Ｖ、溶解している炭酸ガスと水の容積比（溶解している炭酸ガス量／水の量）但し、炭酸ガス量は、０℃且つ１気圧の標準状態での値）を評価した場合を示している。表２の評価結果によれば、貫通孔の径ｄの寸法に関して、試験Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１４ではいずれも満足すべき結果が得られた。しかし、試験Ｎｏ．１１では、圧力損失が高くなって給水流量が６０００Ｌ／ｈｒに到達することができなかったので、炭酸ガス溶解液の製造能力が飽和している。また、試験Ｎｏ．１３およびＮｏ．１４では、圧力パランスが比較的不安定で、炭酸ガスの供給流量が脈動した。これらの点で、貫通孔の径ｄは、呼び径１０Ａ（＝内径１４．０ｍｍφ）を中心として、呼び径８Ａ（＝内径１０．５ｍｍφ）より大きく、呼び径１５Ａ（＝内径１７．５ｍｍφ）よりも小さい範囲、たとえば１２ｍｍφ）から１６ｍｍφ）の範囲内であることが望ましい。

表３は、気体溶解装置１６において旋回流発生器（旋回管）２０の形状の影響を評価するために、旋回流発生器２０の径Ｄ１が３種類である他は同じ条件で炭酸水を製造したときの溶解炭酸ガス量（Ｖ／Ｖ、溶解している炭酸ガスと水の容積比（溶解している炭酸ガス量／水の量）但し、炭酸ガス量は、０℃且つ１気圧の標準状態での値）を評価した場合を示している。表３の評価結果によれば、旋回流発生器２０の径Ｄ１に関して、試験Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２３ではいずれも満足すべき結果が得られた。試験Ｎｏ．２１およびＮｏ．２２では、旋回流発生器２０の流入管２０ｂの丸型（断面円形）および扁平（楕円断面）であるにも拘わらず、４．２８（Ｖ／Ｖ）以上の高い溶解炭酸ガス量（Ｖ／Ｖ）が得られているため、流入管２０ｂの断面形状による影響は見られなかった。しかし、試験Ｎｏ．２３では、３．１０という相対的に低い溶解炭酸ガス量（Ｖ／Ｖ）が得られているが、これは流入管２０ｂの断面の呼び径が１．０Ｓ（＝内径２３ｍｍφ）であることに起因していると推定される。したがって、流入管２０ｂの内径は、１．０Ｓ（＝内径２３ｍｍφ）以上且つ１．５Ｓ（＝内径３５、７ｍｍφ）以下の範囲内であることが望ましい。

上述のように、本実施例の炭酸水製造装置１０によれば、気体溶解装置１６において、水Ｗおよび炭酸ガスＣＯ２気液混合体ＧＬの流入により円筒状の旋回流発生器２０内に一次旋回流ＴＦ１が発生させられ、その旋回流発生器２０内で旋回する一次旋回流ＴＦ１の旋回中心部から気液混合体ＧＬが旋回流発生器２０の内径Ｄ１よりも小さい径ｄの貫通孔２２を通過させられると、一次旋回流ＴＦ１の回転数よりも高い回転数で旋回する二次（高速）旋回流ＴＦ２となって筒状容器２６内に噴射され、筒状容器２６内では、その高速の二次旋回流ＴＦ２およびそれに基づく旋回流が旋回流抑制板３２によって抑制される。このため、上記一次旋回流ＴＦ１の回転数よりも小径で且つ高い回転で旋回する二次旋回流ＴＦ２となって炭酸ガス（気体）ＣＯ２および水（液体）Ｗの気液混合体ＧＬにおいて微細気泡がさらに細かく剪断される。次いで、上記筒状容器２６内に固設された旋回流抑制板３２に上記二次旋回流ＴＦ２またはそれに基づく旋回流が衝突させられることでその旋回流がさらに剪断され、その剪断された微細気泡が消滅して気体が好適に液体に溶解したことを示す液体の透明化が、比較的短時間で且つ低い圧力下で得られる。すなわち、０．４ＭＰａ程度の比較的低圧且つ短時間で高濃度の炭酸ガスＣＯ２が溶解された気体溶解液ＣＯ２Ｗが得られる、小型な気体溶解装置１６が得られる。

また、本実施例の気体溶解装置１６において、旋回流発生器２０は、旋回流発生器２０内の旋回流の接線方向に平行、且つ旋回流発生器２０の軸中心線Ｃ１から偏心した位置を通る軸中心線Ｃ２を有する流入管２０ｂを有し、その流入管２０ｂを通して気液混合体ＧＬを流入させるものである。このため、気液混合体ＧＬが流入させられることにより、旋回流発生器２０内に一次旋回流ＴＦ１が好適に発生させられる。

また、本実施例の気体溶解装置１６において、旋回流発生器２０の一端部は、絞り器２４を介して筒状容器２６と同心に接続されるとともに、旋回流発生装置２０の他端部は、円盤状の蓋板２０ａによって閉じられており、前記蓋板２０ａには、絞り器２４に形成された貫通孔２２に向かって突き出す円柱状部材２０ｃが設けられている。このため、旋回流発生器２０内の容積が円柱状部材２０ｃの容積分だけを小さくされるので、旋回流発生器２０内の一次旋回流ＴＦ１が一層高速回転となる利点がある。

また、本実施例の気体溶解装置１６において、絞り器２４に形成された貫通孔２２は、旋回流発生器２０側から筒状容器２６に向かうに従って小径となるように形成されている。このため、旋回流発生器２０から筒状容器２６へ向かう気液混合体ＧＬに乱流が発生することが好適に防止される。

また、本実施例の気体溶解装置１６において、旋回流抑制板３２は、筒状容器２６の少なくとも外周部において筒状容器２６の径方向および軸中心線Ｃ１方向を含む面に平行で且つ軸中心線Ｃ１において相互に交差する複数の整流板３２ａ、３２ｂを有するものである。このため、筒状容器２６内に流入する高速の二次旋回流ＴＦ２或いはそれに基づく旋回流が整流板３２ａ、３２ｂに当接してその旋回が抑制されるので、好適に炭酸ガスＣＯ２が水Ｗに溶解されるとともに、軸中心線Ｃ１方向の流通抵抗が可及的に抑制される。

また、本実施例の炭酸水製造装置１０において、気液混合装置１２は、水Ｗが供給される第１管部Ｔ１と炭酸ガスＣＯ２が供給される第２管部Ｔ２と気液混合体ＧＬが出力される第３管部Ｔ３とを有する合流管Ｔと、第１管部Ｔ１内に設けられた水Ｗを噴射するノズルＮＺと、第３管部Ｔ３内に設けられ、ノズルＮＺからの噴流を受け入れる入口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザＤＦと、第３管部Ｔ３に接続された管ＳＭＰ内に、その軸中心線まわりに右回りおよび左回りにそれぞれねじられたエレメントＥＬおよびＥＲが交互に配列されることにより構成されたスタティックミキサＳＭとを、含み、気液混合体ＧＬは、スタティックミキサＳＭから出力されるものである。このため、旋回流発生器２０に供給される前の段階で、気液混合体ＧＬが好適に攪拌されてその炭酸ガスＣＯ２が細かくされ、炭酸ガスＣＯ２の水Ｗに対する接触面積が大きくされて溶解が容易となる利点がある。

また、本実施例の炭酸水製造装置１０において、スタティックミキサＳＭと旋回流発生器２０との間に設けられ、スタティックミキサＳＭから出力された気液混合体ＧＬをそれに剪断力を与えつつ旋回流発生器２０へ圧送する分散ポンプ１４が、さらに含まれる。このため、旋回流発生器２０に供給される前の段階で、気液混合体ＧＬに剪断力が与えられて好適に攪拌されて一層その炭酸ガスＣＯ２が細かくされ、炭酸ガスＣＯ２の水Ｗに対する接触面積が大きくされて溶解が一層容易となる利点がある。また、分散ポンプ１４を設けない場合に比較して、炭酸ガスＣＯ２の供給圧力を低くしても気体の溶解をすることができる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

例えば、前述の実施例の旋回流抑制装置２８において、旋回流抑制板３２は軸中心線Ｃ１において交差する２枚の整流板３２ａおよび３２ｂから構成されていたが、軸中心線Ｃ１において交差する３枚以上の整流板から構成されていてもよい。

また、前述の実施例において、旋回流発生器２０の内径Ｄ１は、筒状容器２６の内径Ｄ２に対して大きくてもよいし、小さくてもよい。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０：炭酸水製造装置
１２：気液混合装置
１４：分散ポンプ
１６：気体溶解装置
１８：バッファタンク
２０：旋回流発生器
２０ａ：蓋板
２０ｂ：流入管
２０ｃ：円柱状部材
２２：貫通孔
２４：絞り器
２６：筒状容器
２８：旋回流抑制装置
３０：本体
３２：旋回流抑制板
３４：径違い継手
ＣＯ２：炭酸ガス（気体Ｇ）
ＣＯ２Ｗ：炭酸水（気体溶解液）
ＤＦ：ディフューザ
ＥＬ、ＥＲ：エレメント
ＧＬ：気液混合体
ＮＺ：ノズル
ＳＭ：スタティックミキサ
Ｔ：合流管
Ｔ１：第１管部
Ｔ２：第２管部
Ｔ３：第３管部
Ｗ：水（液体Ｌ）

Claims (8)

1. 気体を液体中に溶解させた気体溶解液の製造方法であって、
   前記気体および液体の気液混合体の流入により一次旋回流を旋回流発生器内で発生させる一次旋回流発生工程と、
   前記旋回流発生器内の中心部から前記混合体を前記旋回流発生器の内径よりも小径の貫通孔を通過させることにより、前記旋回流の回転数よりも高い回転数で旋回する二次旋回流を前記貫通孔よりも大きい内径を有する筒状容器内へ噴射する二次旋回流発生工程と、
   前記筒状容器内に固設された旋回流抑制板により、前記筒状容器内に噴射された前記二次旋回流に基づく旋回流を抑制する旋回流抑制工程と
   を、含むことを特徴とする気体溶解液の製造方法。
2. 気体を液体中に溶解させる気体溶解装置を備える気体溶解液製造装置であって、
   前記気体溶解装置は、
   前記気体および液体の気液混合体の流入により一次旋回流を発生させる円筒状の旋回流発生器と、
   前記旋回流発生器の内径よりも小さな貫通孔が形成され、前記旋回流発生器内の前記旋回流の旋回中心部から前記混合体を上記貫通孔を通過させることにより、前記旋回流の回転数よりも高い回転数で旋回する二次旋回流を噴射する絞り器と、
   前記絞り器の貫通孔よりも大きい内径を有し、その貫通孔を通過した前記二次旋回流を一端に受け入れて他端から流出させる筒状容器と、
   前記筒状容器内に固設され、前記二次旋回流に基づく旋回流を抑制する旋回流抑制板と
   を、含むことを特徴とする気体溶解液製造装置。
3. 前記旋回流発生器は、前記旋回流発生器内の旋回流の接線方向に平行且つ前記旋回流発生器の軸中心線から偏心した位置に軸中心線を有する流入管を有し、該流入管を通して前記液体および気体の混合体を流入させることを特徴とする請求項２の気体溶解液製造装置。
4. 前記旋回流発生器の一端部は、前記筒状容器と前記絞り器を介して同心に接続されるとともに、前記旋回流発生器の他端部は、円盤状の蓋板によって閉じられており、
   前記蓋板には、前記絞り器に形成された貫通孔に向かって突き出す円柱状部材が設けられている
   ことを特徴とする請求項２又は３の気体溶解液製造装置。
5. 前記絞り器に形成された貫通孔は、前記旋回流発生器側から前記筒状容器に向かうに従って小径となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１に記載の気体溶解液製造装置。
6. 前記旋回流抑制板は、前記筒状容器の少なくとも外周部において前記筒状容器の径方向および軸中心線方向を含む面に平行で、且つ軸中心線において相互に交差する複数の整流板を有するものである
   ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１に記載の気体溶解液製造装置。
7. 前記液体が供給される第１管部と前記気体が供給される第２管部と前記気液混合体が出力される第３管部とを有する合流管と、
   前記第１管部内に設けられた前記液体を噴射するノズルと、
   前記第３管部内に設けられ、前記ノズルからの噴流を受け入れる入り口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザと、
   前記第３管部に接続された管内に、軸中心線まわりに右回りおよび左回りにそれぞれねじられたエレメントが交互に配列されることにより構成されたスタティックミキサとを、備える気液混合装置を含み、
   前記気液混合体は、前記スタティックミキサから出力されるものである
   ことを特徴とする請求項２から６のいずれか１に記載の気体溶解液製造装置。
8. 前記気液混合装置と前記旋回流発生器との間に設けられ、前記気液混合装置から出力された前記気液混合体を、それに剪断力を与えつつ前記旋回流発生装置へ圧送する分散ポンプを、さらに含む
   ことを特徴とする請求項７の気体溶解液製造装置。

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