JP2018520843A - 低圧で作用する家庭用ソーダ機械 - Google Patents
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Abstract
取り外し可能なボトル内の液体を、６バール又はそれより低い前記ボトル内の作用圧で、少なくとも３．５ｇ／ｌの炭酸塩化レベルに炭酸塩化する家庭用ソーダ機械である。該家庭用ソーダ機械は、少なくとも５０バールでパルス炭酸（ＣＯ２）ガスを受け取り、前記取り外し可能なソーダボトル内の液体内の前記ＣＯ２ガスをかき乱して供給する炭酸塩化ユニットと、前記機械の作用圧を最大の６バールに制御する排気バルブと、を備えている。【選択図】 図２
Description
（関連特許出願の相互参照）
本出願は、２０１５年５月１４日に出願された米国仮出願第６２／１６１，２８５号に基づく優先権を主張する。
本出願は、２０１５年５月１４日に出願された米国仮出願第６２／１６１，２８５号に基づく優先権を主張する。
本発明は、一般に、家庭用ソーダ機械に関し、特に、そのような機械の作用圧に関する。
従来の水の炭酸塩化は密閉環境において水にＣＯ２を付加することを含んでいる。ヘンリーの法則は、一定圧力において、所定タイプ及び量の液体に溶解可能な所定ガスの量はその液体及び温度に平衡するそのガスの分圧に直接比例すると述べている。そのため、液体（この場合は水）の上方のガスの圧力が高い程、ＣＯ２を多く吸収する。
通常の家庭用ソーダ機械において、７ｇ／ｌ〜１０ｇ／ｌのような高い炭酸塩化レベルでは、ボトル内で許容される標準的な圧力レベルは、通常、８バールに設定される。図１を参照すると、キャニスター１２から６０バールのような高圧に加圧されたＣＯ２を受け取ると共にボトル１４に管１３を介して前記ＣＯ２を供給するカーボネーションヘッド１０を有する家庭用ソーダ機械が簡略されて示されている。ヘンリーの法則によると、圧力が高い程、炭酸塩化レベルが高くなる。通常の家庭用ソーダ機械は８バールで作用することで高い炭酸塩化レベルに到達することが分かるだろう。これを確実にするため、図１の機械は８バールに設定する排気バルブ１６を備えている。排気バルブ１６はボトル内の圧力が８バールになると圧力を解放し、８バールの圧力に保持する処理を可能にする。
安全手段として、炭酸塩化機械は、１１バールのようなより高い圧力に設定される安全弁１８を備えていてもよく、これは排気弁１６が何らかの理由で故障した場合にのみ解放する。
さらに、ボトルの降伏点（すなわち、それが膨張して遂に破裂する点）は、１７バールのようなさらに高い圧力に設定されてもよい。適切な使用により、ボトルは通常の作用圧以下では故障しない。しかし、炭酸塩化機械が、安全弁１８及び排気弁１６がもはや動作しなくなるような誤使用された場合には、ボトルは故障することがある。食器洗い機で洗浄不能なプラスチックボトルでは、降伏点は食器洗い機内で起こる温度のような５０℃より高い温度の熱源にボトルが晒されることで下がることがある。
そのため、本発明の好適な実施例によれば、取り外し可能なボトル内の液体を、６バール又はそれより低い前記ボトル内の作用圧で、少なくとも３．５ｇ／ｌの炭酸塩化レベルに炭酸塩化する家庭用ソーダ機械が提供される。
その上、本発明の好適な実施例によれば、前記家庭用ソーダ機械はまた、少なくとも５０バールでパルスＣＯ２ガスを受け取り、前記取り外し可能なソーダボトル内の液体内の前記ＣＯ２ガスを乱流にして供給する炭酸塩化ユニットと、前記機械の作用圧を最大の６バールに制御する排気バルブと、を備えている。
さらに、本発明の好適な実施例によれば、前記家庭用ソーダ機械はまた、前記液体の表面の下方に前記パルスＣＯ２ガスを供給する炭酸塩化管を備えている。
さらにまた、本発明の好適な実施例によれば、前記排気バルブは前記液体の上方にＣＯ２ガスのクッションを保持する圧力レベルに設定され、解放されたＣＯ２ガスによりカーボネーションヘッドに前記液体が流れるのを抑制する。
さらに、本発明の好適な実施例によれば、前記排気バルブは６バールに設定される。
さらに、本発明の好適な実施例によれば、前記取り外し可能なボトルの降伏点は１６バール以下である。
さらに、本発明の好適な実施例によれば、前記ボトルは、ガラスとプラスチックの少なくとも１つから製造される。
そのため、本発明の好適な実施例によれば、家庭用ソーダ機械のための方法が提供される。その方法は、小孔を移動する少なくとも５０バールのＣＯ２ガスにより引き起こされる乱流を利用して、取り外し可能な家庭用ソーダボトル内の液体の表面の下方にＣＯ２ガスを混合することと、前記機械の作用圧を最大の６バールに制御することと、を含んでいる。
さらに、本発明の好適な実施例によれば、前記方法は、炭酸塩化管を介して前記ＣＯ２ガスを供給することも含んでいる。
さらに、本発明の好適な実施例によれば、前記制御は、前記ＣＯ２ガスの炭酸塩化パルスを前記液体の炭酸塩化パルスに変調し、解放されたＣＯ２ガスによりカーボネーションヘッドに前記液体が流れるのを抑制することを含んでいる。
さらに、本発明の好適な実施例によれば、前記作用圧は６バールに設定される。
発明の主題は明細書の結び部分に特に指摘されると共に明確にクレームされている。しかしながら、添付する図面を参照しながら以下の詳細な説明を参照することで、目的、特徴、及びその利点と共に構成と動作方法の両方が、発明であると理解されるだろう。
説明の簡略化及び明瞭化のため、図中に示される構成要素は必ずしも一定の比率で描かれていないことが分かるだろう。例えば、幾つかの構成要素の寸法は明瞭化のために他の構成要素に比べて誇張されていることがある。さらに、適当と考えられる場合、図面間において一致する又は類似する構成要素を示す参照符号は繰り返されていることがある。
以下の詳細な説明では、発明を良く理解するために多くの特定の詳細な構成が説明される。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細な構成なしに実施可能であることが当業者によって理解されるだろう。他の例では、本発明を不明瞭にしないように公知な方法、手順、及び構成要素は詳細には説明されない。
ヘンリーの法則は液体に溶解するのに十分に長い時間、液体の上方に保持される加圧したガスのためにだけ真実であることを出願人は認識している。しかしながら、出願人は、これが加圧したＣＯ２ガスをボトル内の液体に直接注入することで炭酸塩化する家庭用のボトル炭酸塩化機械では起こらないことを認識している。出願人が認識しているように、そのような機械は６０バールのような高圧でＣＯ２を供給し、ボトル内の圧力が８バールのような最大許容圧力に増加するまで脈動（パルス）される。
その上さらに、これらの機械において、カーボネーションヘッドは、水の上部にガスを供給しないが、通常、管を介して水の内部にガスを供給し、ガスが出る時に水の内部に乱流を引き起こすことを出願人は認識している。したがって、液体の上方のガスは水の内部に溶解するガスと平衡しないため、ヘンリーの法則は適用されない。
乱流の結果、非常に低圧レベルが利用され、過去に利用されたものと同じ所望な炭酸塩化レベルを達成することを出願人は認識している。さらに、重要な問題であるボトルの破裂のエネルギー量は圧力の関数であるため、圧力が低い程、破裂のエネルギーはかなり小さくなる。換言すると、ソーダ機械及びボトルは両方ともに非常に安全になる。
今、図２を参照すると、本発明の好適な実施例により構成及び作用される低圧の家庭用ソーダ機械２０が示されている。低圧のソーダ機械２０は、ガスキャニスター１２と、低圧カーボネーションヘッド２２と、ボトル２４と、炭酸塩化管１３と、低圧安全弁２６と、低圧排気弁２８と、を備えている。低圧カーボネーションヘッド２２はカーボネーションヘッド１０と同様の構造であってもよく、及び／又は、より低圧で作用するように幾分異なった構成要素を有していてもよい。
低圧のカーボネーションヘッド２２はキャニスター１２より４５〜８０バールのような高圧で加圧されたＣＯ２を受け取り、管１３を介して該ＣＯ２をボトル２４に供給する。炭酸塩化及び余分に蓄積されたガスの解放の後、消費者は低圧カーボネーション機械２０からボトル２４を取り外す。低圧排気弁２６は排気弁１６と同様の構造であってもよいが、より低い解放点を有していてもよく、それにより家庭用ソーダ機械２０のより低い作用圧を定義する。例えば、低圧排気弁２６は８バールの代わりに５バールでガスを解放してもよい。別の実施例では、低圧排気弁２６は３バール又はそれより低圧でガスを解放してもよい。低圧排気弁２６の解放パラメータは圧力排気弁に標準のスプリングの張力を調整することにより決定されてもよいことが分かるだろう。
低圧安全弁２８は安全弁１８と同様の構造であってもよいが、より低圧の解放点を有していてもよい。上記した５バールの例では、低圧安全弁２８は１１バールの代わりに７．５バールでガスを解放してもよい。上記した３バールの例では、低圧安全弁２８は５バールでガスを解放してもよい。
ボトル２４はボトル１４の降伏点より低い降伏点を有していてもよい。この実施例では、より低い降伏点は作動圧と降伏点の間に現在の安全マージンを維持するように設定されてもよい。代わりに、ボトル２４はボトル１４の降伏点と同様の降伏点を有してもよく、それはボトルの安全マージンを増加させるだろう。上述したように、機械の作動圧が８バールより低い時に破裂のエネルギーはかなり低くなり、それにより、ボトル２４が破裂した時のダメージが小さくなるため、両方の実施例はボトル１４の安全性を向上させる。
その上さらに、ボトル２４の加圧状態から非加圧状態への圧力変化は前記低圧により劇的に低いため、ボトル２４は寿命がより長くなる。
低圧では、家庭用ソーダ機械２０が低圧排気弁２６の解放圧力により規定される低圧で作用することが分かるだろう。消費者は液体を炭酸塩化するため低圧カーボネーションヘッド２２を複数回脈動（パルス）させてもよい。毎回、カーボネーションヘッド２２は小孔を有する管１３を介して、ガスキャニスター１２から液体３０に少量のガスを移動させてもよい。前記小孔を通してガスを押圧することにより発生する高速のガスは、ガスが水を通過してボトルの上部に上昇する時に、水中で乱流３２を引き起こす。水の上方のガスはボトル２４内の液体の上部にある「クッション」３４となる。バルブ２６はクッション３４の最大圧力を定義してもよい。
乱流３２はそれ自体で３．５ｇ／ｌ〜１２ｇ／ｌのような所望な炭酸塩化レベルに液体を炭酸塩化するため十分であることを出願人は認識している。しかしながら、出願人はまた、ガスと共に機械の排気路を通って液体３０が引き上げられるのを抑制するためにクッション３４が必要とされることを認識している。クッション３４はまた液体３０を炭酸塩化するのにも有用である。
今、図３Ａ及び３Ｂを参照すると、低圧で有用な、自動炭酸塩化パルスの家庭用ソーダ機械２０のためのタイミング図が示されている。ガスと共に機械の排気路を通って液体が引き上げられるのを防止するため、機械２０は、「パルス幅変調」と同様の方法で、炭酸塩化パルスを変調してもよい。図３Ａに示されている低レベルの炭酸塩化のため、それぞれが異なる長さの３パルスがあり、例えば、それらのパルスは、それぞれ、１０００ｍｓ及び７００ｍｓで、パルス間に一定の時間を有してもよい。より高いレベルの炭酸塩化では、より多くのパルスがあってもよい。例えば、それらは、それぞれ、１８００、１５００、１５００、１０００、７００ｍｓで、パルス間に一定の時間を有してもよい。一般に、パルスは幅が増加した後に幅が減少し、機械がボトルを解放する前にさらに短い時間がある。さらに、所望な場合には、パルス間の時間は異なってもよい。
低圧の家庭用ソーダ機械２０はまた手動であってもよい。この実施例は、クッション３４の完全な解放を可能にすると共に液体を機械に吹き出させるのを防ぐため、ユーザが最後の脈動（パルス）を実行した後、ボトルの解放を遅くする機構を含んでいてもよい。例えば、その機構は、２０１５年１２月２４日に公開され、発明の共通の譲受人に譲渡された、米国特許公開US2015/0367296に記載されているような、ダンパー又はスプリングを含んでいてもよい。低圧において、ソーダ機械２０は加圧されたＣＯ２キャニスターにより高レベルな炭酸塩化を、低い作用圧で与えることが分かるだろう。実際に、本発明は３．５ｇ／ｌ以上の炭酸塩化を作る最も低い炭酸塩化圧力を利用するが、解放されたＣＯ２ガスで液体がカーボネーションヘッド２２に流れ込むのを防ぐ。
前記低い作用圧力では、ＣＯ２は液体中により効率良く吸収されることも分かるだろう。今、図４を参照すると、複数のボトルの温度の関数としてＣＯ２の吸収効率が図示されており、その効率はシリンダーから解放されるＣＯ２の量に対する水中に吸収されるＣＯ２の量の関係として定義される。分かるように、その効率は温度によってあまり変化しない（それは６℃の変化で２〜４％だけ下がる）。その上さらに、その曲線は６バールの排気弁を有するボトル（丸で示す）と８バールの排気弁を有するボトル（四角で示す）とで類似している。例えば、曲線３１と３２は、それぞれ、６バールの排気弁と８バールの排気弁を有する機械で炭酸塩化される同じボトルである。曲線３１と３２は、（２番目のボトルの）曲線４１と４２、及び（３番目の）曲線５１と５２に非常に類似している。したがって、炭酸塩化レベルは機械の排気圧の関数としてあまり変化しない。
さらに、前記効率はより低圧で増加する。６バールの曲線３１，４１及び５１は、通常、８バールの曲線３２、４２及び５２より上方にあり、より低い作用圧でより高い効率を示している。
低圧の作用圧のソーダ機械２０は６バール又はそれより低いから、ボトル２４の降伏点はより低くなり、そのため、それは従来のボトル１４よりかなり薄い壁を有していてもよいことがさらに分かるだろう。出願人は、結果として、ボトル２４がガラス又はプラスチックで形成されてもよいことを認識している。より低い圧力では、破裂し難くなるだけでなく、破裂のエネルギーが非常に小さくなり、人は破裂するボトルにより怪我をする可能性が小さくなる。
図５に示されているように、圧力Ｐの薄い壁の圧力容器において２つのタイプの応力があり、長さ方向の応力σ１と周方向のフープ応力σ２は、
直径が８．４ｃｍで６バール、８バールの０．５ｍｍのボトルのフープ応力σ２は、
さらに、ボトルが晒される圧力、温度等の変化により引き起こされる応力の変動がある。ボトルはフープ応力及び変動する応力に耐えるように設計されており、それはかなり長時間動作可能となっている。
図６を参照すると、５つの異なるタイプのプラスチックにおけるサイクルＮに対する応力Ｓのグラフが示されている。０サイクル（グラフの右側）では、プラスチックが扱い可能な最大フープ応力は、７５ＭＰａ〜１３０ＭＰａの範囲でかなり高い。しかしながら、２００００サイクル後のような複数のサイクルでは、この範囲は減少し、その範囲は４０ＭＰａ〜１００ＭＰａとなる。２００００サイクル後では、この範囲はほとんど変化しない。
図６はまた、６７ＭＰａと５０ＭＰａのそれぞれ６バールと８バールの最大フープ応力を図示している。分かるように、８バールの点は４つの曲線より十分に下方にあるが、それは約３０００サイクルで低い２つの曲線にぶつかる。したがって、８バールで作用するボトルは、合理的に、下方の２つの曲線のＡ１５０又はＡＫＥＳＴタイプのプラスチック製とすることはできない。
他方、６バールの点は５つの曲線より十分下方にあり、それは約１００００サイクルで最も下方のＡＫＥＳＴ曲線とぶつかり、８バールの点よりかなり改善される。
ボトル２４の寿命を向上させることに加えて、炭酸塩化機械の作用圧を減少させることにより、重要な安全性の問題であるボトル２４が破裂する時の破裂のエネルギーを減少させることもできる。
ガスの蓄積エネルギーＵは、
Ｐはボトル内の圧力（８バール又は６バール）、Ｖは水面の上方のガスの容積、Ｐａは初期圧力、Ｐｂは最終圧力、γは断熱指数でＣＯ２では１．２７である。容積及び圧力が小さくなると、潜在エネルギー（Ｕ）は小さくなり、容積及び圧力が大きくなると、潜在エネルギー（Ｕ）はが大きくなる。以下の表は異なる圧力での異なる初期容積における破裂エネルギーをジュールで示している。
分かるように、１５０ｃｃにおける８バールのエネルギーは６バールのエネルギーより約５０％多い。１５０ｃｃにおける１０バールのエネルギーは６バールのエネルギーの約２倍である。
したがって、ボトル２４の作動降伏点は作動圧力に対して減少する。この減少の結果、ボトル２４の降伏点と家庭用炭酸塩化機械の作動圧力との間のマージンは増加する。例えば、従来の典型的な家庭用炭酸塩化機械を使用する場合、作動圧は８バールで、ボトルの降伏点は１７バールに設定され、そのマージンは２．１２５倍である（１７：８）。家庭用炭酸塩化機械２０で使用される同じボトル２４では、作動圧は５バールに設定され、そのマージンは３．４倍に上がる（１７：５）。
したがって、減少した低圧の作用圧の家庭用炭酸塩化機械２０は非常に安全な動作環境を創り出す。これは破裂する可能性の低いボトルにとって真実であり、例えばそれが破裂したとしても、同レベルの炭酸塩化を提供する機械に対する危険性は極めて低い。低圧機械２０のための製造工程はより高い圧力機械と同様であるが、その材料は非常に低い圧力に耐える必要があるだけであるから、機械及びボトルは非常に安全で製造するのに非常に安価である。
本発明の一定の特徴がここに説明され、記載されているが、当業者であれば、多数の変形、代用、変更、及び同等物を考え付くだろう。そのため、添付した請求項は発明の真の精神内にあるすべてのそのような変形及び変更をカバーするように意図していると理解されるべきである。
Claims (11)
- 取り外し可能なボトル内の液体を、６バール又はそれより低い前記ボトル内の作用圧で、少なくとも３．５ｇ／ｌの炭酸塩化レベルに炭酸塩化する家庭用ソーダ機械。
- 少なくとも５０バールでパルス炭酸（ＣＯ２）ガスを受け取り、前記取り外し可能なソーダボトル内の液体内の前記ＣＯ２ガスを乱流にして供給する炭酸塩化ユニットと、
前記機械の作用圧を最大の６バールに制御する排気バルブと、
を備えている請求項１に記載の家庭用ソーダ機械。 - 前記液体の表面の下方に前記パルスＣＯ２ガスを供給する炭酸塩化管を備えている請求項２に記載の家庭用ソーダ機械。
- 前記排気バルブは前記液体の上方にＣＯ２ガスのクッションを保持する圧力レベルに設定され、解放されたＣＯ２ガスによりカーボネーションヘッドに前記液体が流れるのを抑制する請求項２に記載の家庭用ソーダ機械。
- 前記排気バルブは６バールに設定される請求項２に記載の家庭用ソーダ機械。
- 前記取り外し可能なボトルの降伏点は１６バール以下である請求項１に記載の家庭用ソーダ機械。
- 前記ボトルは、ガラスとプラスチックの少なくとも１つから製造される請求項６に記載の家庭用ソーダ機械。
- 小孔を移動する少なくとも５０バールのＣＯ２ガスにより引き起こされる乱流を利用して、取り外し可能な家庭用ソーダボトル内の液体の表面の下方にＣＯ２ガスを混合することと、
家庭用ソーダ機械の作用圧を最大の６バールに制御することと、
を含む家庭用ソーダ機械のための方法。 - 炭酸塩化管を介して前記ＣＯ２ガスを供給することを含む請求項８に記載の方法。
- 前記制御は、前記ＣＯ２ガスの炭酸塩化パルスを前記液体の炭酸塩化パルスに変調し、解放されたＣＯ２ガスによりカーボネーションヘッドに前記液体が流れるのを抑制することを含む請求項８に記載の方法。
- 前記作用圧は６バールに設定される請求項８に記載の方法。
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