JP2019529107A - 帯電による水の即時ライン上炭酸化の方法及び装置 - Google Patents

帯電による水の即時ライン上炭酸化の方法及び装置 Download PDF

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Abstract

加圧及び冷却した二酸化炭素と水との混合入力流を炭酸化するための炭酸化装置が提供される。第１のカートリッジが炭酸化チャンバ内に配置され、入力流と流体連通する多孔質マイクロメッシュネットと、炭酸化チャンバ出力ポートと流体連通する中央空隙とを画定する。マイクロメッシュネットは、ネットを通過する水分子の鎖を破壊して、カートリッジ内の水分子と二酸化炭素分子との間の結合を強化するように構成されている。また、ネットは、水分子に分極作用を及ぼす受動分極場を発生させることによって、ネットに衝突して通過する水分子及び二酸化炭素分子の流れに応答して結合をさらに強化する。二酸化炭素分子を捕捉し安定化させるためにカートリッジ内にビーズを設けて、水分子と二酸化炭素分子との間の結合をさらに強化してもよい。

Description

本発明は、飲料水及び飲用飲料の炭酸化を促進して炭酸水及び（炭酸水とシロップを混合して）炭酸飲料を生成する方法及び装置に関する。一般に、炭酸水及び他の炭酸飲料は、金属チャンバ内で加圧冷水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）とを混合するか、場合によっては、分注時にライン上でそれらを即時に混合して生成される。
飲料製造施設で炭酸飲料を製造する場合、得られた炭酸飲料は、ボトル、缶、又は他の配布用容器に分注される。一部の飲料は、他の飲料よりも高い炭酸化レベルで製造される。炭酸化レベルは、飲料毎に異なる。炭酸化レベルは、消費者の好みに応じて異なる。炭酸化レベルは、炭酸化をある期間に一定レベルで維持するとの要望に影響される。飲料中のＣＯ２の寿命を考慮すると、特定のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）容器（例えば、炭酸飲料を入れたプラスチックボトル）では、時間の経過と共に容器の壁から二酸化炭素が漏れ出すと、飲料中の炭酸化を維持することが急にできなくなる。これは、最初は炭酸飲料に圧力が作用しているが、ボトルや缶が開けられると、二酸化炭素の泡が大気圧及び周囲温度下で飲料から急速に消散し、炭酸化が低下し始めるためである。同じことが、高圧下で二酸化炭素と冷却水とを組み合わせて強炭酸水を生成し、分注ノズル（例えばポストミックスディスペンサ）内で強炭酸水とシロップとを混合するディスペンサの使用場所（例えば、ソーダファウンテン）でも起こる。
水中での二酸化炭素ガスの溶解度は２５℃及び大気圧下で固定されることが周知である。これらの境界条件下では、水中のわずかな割合のＣＯ２のみが炭酸として存在し、水中の大部分のＣＯ２は酸に変換されずにＣＯ２（ａｑ）として残る。すなわち、ＣＯ２（ａｑ）は水に結合せず、水から急速に解放される。水に溶解するＣＯ２の量を増やすため（発泡水を生成しなければならない場合）、食品飲料業界は、低温で冷却された水を使用し高圧下でガスと混合するプロセスを開発した。実際、水の凍結に近い温度（０℃／３２°Ｆ）で水と二酸化炭素を混合すると、（冷えた）水中に保持される二酸化炭素（ＣＯ２ａｑ）の量が大幅に増加する。二酸化炭素と高圧（冷却）水とを混合しながら二酸化炭素ガス圧を高めることは、飲料中の炭酸化レベルを高めるために食品飲料業界がよく使用する追加工程である。したがって、炭酸水を製造する場合、液体及び気体の両方の低温（水の凍結に近い温度、０℃）と高圧（４００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（２７５７ｋＰａ）超）とが、飲料製造工場でも、ポストミックス式飲料ディスペンサの使用場所でも、解決策として現在利用されている。
一般的な炭酸飲料では、飲料が分注されるときに気泡が急速に形成される。大気圧下及び室温では、気泡（ＣＯ２）が水溶液内部で成長して飲料の表面から急速に放出され、比較的短時間で「気の抜けた」飲料になる。開放されたグラスで飲むのに適した強炭酸水を製造するには、大量の二酸化炭素ガスを水に溶解させ、ガスが大気中に急速に溶解するのを防ぐ必要がある。
水（Ｈ２Ｏ）分子と二酸化炭素（ＣＯ２）分子との間の電気的結合は、（炭酸の形で）水中の二酸化炭素の量を維持するための主要な要因である。この電気的結合によって、発泡水が分注された後も長い期間に亘って炭酸化レベルを維持することができる。しかしながら、Ｈ２Ｏ分子とＣＯ２分子との結合は非常に弱いことが知られている（すなわち、水分子同士の結合は、二酸化炭素分子との結合よりも強い）。一般に、化学反応（ＣＯ２／Ｈ２Ｏ結合）及びその逆反応（ＣＯ２／Ｈ２Ｏ分離）が等しい速度で起こるときには、平衡条件が成立している。通常、平衡状態は、水上でのＣＯ２（ガス）の分圧によって決まる。
水分子も二酸化炭素分子もいずれも分極分子である。後述するように、本発明は、炭酸化を提供するための従来の（低）温度及び（高）圧力の使用に加えて、水分子の伸びきり鎖が分解され、水分子と二酸化炭素分子の自然分極も促進されて水（Ｈ２Ｏ）分子と二酸化炭素（ＣＯ２）分子の結合を強化する方法及び装置に関する。これにより、さらに強炭酸化された水が生成され、その炭酸化レベルがより長期間にわたって維持される。
水分子と二酸化炭素分子の分極特性を向上させることによって、特に、結合活性を促進するために分子（特に二酸化炭素分子）を捕獲することができる基板を設けることと組み合わせて、結合を強化するように分子をより容易に配向することができる。次いで、水溶液をより高いレベルまで炭酸化することができ、分注後により長期間にわたって高いレベルに炭酸化を維持することができる。
水分子、及び程度は小さいが二酸化炭素分子を帯電させて分極を配向させることによって、２つの分子間に多数の化学結合が生成される結果、高濃度の炭酸（Ｈ２ＣＯ３濃度）が水中で生成されてから、得られる発泡水の低レベルのｐＨに変換される。例えば、純水中では、ビエルム図は大気条件下で５．７のｐＨを示す。分極分子の配向を向上させることによって、水分子と二酸化炭素分子との間により多くの双極子結合が形成される結果、大気圧（ｐＣＯ２＝１気圧）下で３．６ｐＨ以下に達することができるｐＨの発泡水が生成される。この低いｐＨ値のレベルは、通常、はるかに高いＣＯ２圧力レベル、すなわち、ビエルム図において５バール（５００ｋＰａ）を超えるｐＣＯ２レベルに相当する。
後述するように、本発明は、特に、水分子間の結合を緩和し、水分子を分極し、次いで二酸化炭素分子がより多くの水分子と結合する可能性を高めるように水分子を配向させることによって、二酸化炭素分子と水分子との間の結合を促進する方法及び装置を提供する。
加圧及び冷却した二酸化炭素と水との混合入力流を炭酸化するための炭酸化装置が提供される。第１のカートリッジが炭酸化チャンバ内に配置され、入力流と流体連通する多孔質マイクロメッシュネットと、炭酸化チャンバ出力ポートと流体連通する中央空隙とを画定する。マイクロメッシュネットは、ネットを通過する水分子の鎖を破壊して、カートリッジ内の水分子と二酸化炭素分子との間の結合を強化するように構成されている。また、ネットは、水分子に分極作用を及ぼす受動分極場を発生させることによって、ネットに衝突して通過する水分子及び二酸化炭素分子の流れに応答して結合をさらに強化する。二酸化炭素分子を捕捉し安定化させるためにカートリッジ内にビーズを設けて、水分子と二酸化炭素分子との間の結合をさらに強化してもよい。
複数の炭酸化チャンバを概して直列配置で利用してもよい。
一実施形態では、炭酸化装置は一対の炭酸化チャンバとして実装され、第１の炭酸化チャンバは円筒形のマイクロメッシュネットを含み、第２の炭酸化チャンバは複数のビーズを内部に配置する。
別の実施形態では、炭酸化チャンバは両方とも炭酸化チャンバ内に関連マイクロメッシュネットを含み、複数のビーズがマイクロメッシュネットによって画定される領域に配置される。ネット及びビーズは、類似又は異なるサイズのものであってよい。
一実施形態では、炭酸化チャンバは、２〜４００ｃｍ３の内部容積を画定する。
マイクロメッシュネットは、直径２〜１００μで５〜８００μの開放メッシュ面積を画定するステンレス鋼撚り線から形成され得る。
一実施形態では、第１の炭酸化チャンバは、直径５ｍｍのビーズを収容する１００μのマイクロメッシュネットを画定するカートリッジを含み、第２の炭酸化チャンバは、４００μのメッシュネットを画定するカートリッジ及び０．５〜３ｍｍの直径を有するビーズを含む。
炭酸化装置への入力流は、約１６０ｐｓｉ（１１０３ｋＰａ）の圧力及び１．５ガロン／分（ＧＰＭ）（６．８ｌ／ｍｉｎ）の流量であると予想される。第２の炭酸化チャンバへの入力は、より低い圧力６５ｐｓｉ（４４８ｋＰａ）及びより低い流量１．１ＧＰＭ（５．０ｌ／ｍｉｎ）であってもよい。
炭酸化チャンバからの圧力及び流量を分注に適した圧力、例えば１５ｐｓｉ（１０３ｋＰａ）の圧力及び０．５〜１ＧＰＭ（２．３〜４．５ｌ／ｍｉｎ）の流量に低減させるため、炭酸化チャンバの出口に流体流補償装置を設けてもよい。
本明細書に開示される各種実施形態のこれら及び他の特徴及び利点は、以下の説明及び全体を通して同じ番号が同じ部分を指す図面を参照することでよりよく理解されるであろう。
本発明の一実施形態による例示的な水炭酸化工程及びシステムを示すブロック図。 図１のブロック図を繰り返し、システム及びプロセス全体にわたる例示的な圧力及び流量レベルを示す図。 例示的なＨ２Ｏ及びＣＯ２混合装置を示す図。 炭酸化チャンバの一実施形態を示す図。 炭酸化チャンバの第２の実施形態を示す図。 炭酸化チャンバの分解図。 炭酸化チャンバの分解斜視図。 マイクロメッシュネットと共に配置されたビーズを有する炭酸化チャンバの分解斜視図。 炭酸化チャンバで使用されるメッシュフィルタを示す図。 炭酸化チャンバで使用されるメッシュフィルタを示す図。 流補償装置の第１の実施形態を示す図。 図８に示す流補償装置の断面図。 図８に示す流補償装置の端面図。 本発明の一実施形態に関する測定炭酸化パラメータと、現代の炭酸化システム及びボトル入り炭酸水との比較を示す表。 本発明の一実施形態に関する測定炭酸化パラメータと、現代の炭酸化システム及びボトル入り炭酸水との比較を示す表。 流補償装置の第２の代替的実施形態の斜視図。 図１２に示す流量補償装置の上面図。
概して、本発明は、水又は他の飲料の炭酸化を向上させる（すなわち、低温及び高圧を利用する）既存の技術及び装置を、後述する技術及び装置によって改良する。このような改良された技術及び装置は、以下より詳細に記載されるように、二酸化炭素分子と水分子との結合を増強及び増幅させるため、水と二酸化炭素の分極分子を配向させながら、水化合物の分子構造を分解することに向けられる。記載される実施形態では、技術及び装置は主に、ユースポイントソーダ水／発泡水ディスペンサと組み合わせて使用するように設計及び最適化されている。
本発明によれば、水は、図１及び図２に概略的に示す工程及びシステムを用いて炭酸化される。飲料水は外部の供給源（水源）から持ち込まれ、溶存固形分の総量を最小限に抑えるために精製される。溶解固形分の低減は、二酸化炭素の泡を合体させ、炭酸濃度を減少させるのにも有効である。供給水の精製は、水分子と二酸化炭素分子との間の結合の緩和をさらに支援する。次に、精製水は（水ポンプで）加圧され、ほぼ凍結温度まで（冷蔵庫内で）冷却される。本実施形態では、水ポンプは、０．２〜５ＧＰＭ（０．９〜２２ｌ／ｍｉｎ）の流量で水を供給する。
図１〜図３に示す炭酸化装置１０では、次に、加圧下（４０〜１００ｐｓｉ）（２７５〜６８９ｋＰａ）で液体の冷却水と気体の二酸化炭素の流れを混合装置４０（図３に示す）で合体させて、好ましくは、流れの交点で干渉を発生させて、合流点に隣接した低圧領域を生成する。その結果、ベンチュリ効果がもたらされる。ベンチュリ効果は、混合装置４０への二酸化炭素分子の流れを促進する。図３に示すように、流れる水への二酸化炭素ガスの吸収を高めるため、１つ以上の（インライン）流量制限装置４１を使用してベンチュリ効果をもたらすことができる。
二酸化炭素ノズル４３、４７及び水ノズル４５、４９は、流れの交点に設けられ、相互に略垂直に配向されて、二酸化炭素と水が合流する地点から下流に低圧領域を発生させる。上述したように、低圧領域はベンチュリ効果をもたらし、二酸化炭素と水の流れを増加させ、炭酸化チャンバに入る前に、二酸化炭素分子と水分子を初期炭酸化レベルまで混合しやすくする。
水と二酸化炭素の増加した混合物は、第１の炭酸化チャンバ内への流れを安定化させ、第１の炭酸化チャンバ内での水分子と二酸化炭素分子の結合を軽減する可能性がある複数の層流を防止することによって、炭酸化チャンバの機能を高める。
他の代替的実施形態では、給水ノズル４５、４９及び二酸化炭素供給ノズル４３、４７は、１つ以上のノズル（例えば、二酸化炭素ノズル４３、４７）が、関連付けられる水ノズル４５、４９からの流れ軸と略一致する前縁部を有するように配向される。前縁部をさらに丸めて加圧水の流れから傾斜させることで、傾斜した二酸化炭素ノズルの面をわたる流を増加させ、より明確な低圧領域を得ることができる。これにより、傾斜二酸化炭素ノズルに衝突する水の圧力調節に応答して、ベンチュリ、ひいては、流れのより高度な調節が可能になる。
図１〜図３にさらに示すように、次いで、混合チャンバから流出する水とガスの混合物は、１つ以上の炭酸化チャンバ２０を通過する。より詳細に図４ａ〜図７ａ及び図７ｂに示す炭酸化チャンバの各種実施形態において、炭酸化チャンバは、水分子の鎖を分解し、炭酸化チャンバを通る流に対する分子の配向を向上させ、他の分子との結合により利用され得るとき分子をより安定的な位置で捕捉する機能を果たす。以下さらに詳述するように、水分子は、より配向されるように分極することができ、例えば、水素原子が、捕捉された二酸化炭素分子に向かって流方向に配向される。これにより、水分子と二酸化炭素分子との結合が強化されて、水中で高レベルの炭酸化を実現する。
図４ａ〜図７ａ及び図７ｂに示すように、炭酸化チャンバ２０のうちの１つ以上に金属マイクロメッシュネット３１、３３が設けられ、マイクロメッシュネットは、マイクロネッシュ（ｍｉｃｒｏ−ｎｅｓｈ）ネットへの物理的衝撃により、水分子などの分子の伸びきり鎖を破壊するような構成とサイズを有する。破壊により、流れる過程で二酸化炭素分子との結合に利用可能なより多くの水分子が生成され、水分子と二酸化炭素分子との結合をさらに強化する。分子はさらに、ガラスビーズの本体又はアレイに向けられてもよく（図４ｂ）、図４ｂ及び図６ｂに示すように、マイクロメッシュネットを有する炭酸化チャンバ３１、３３内、又は図４ａに示すように、別個のチャンバに配置されてもよい。ビーズは微小な凹凸を含み、分子、具体的には、より大きな二酸化炭素分子を凹凸内に捕捉することができる。次いで、ビーズの不規則表面上で安定化した二酸化炭素分子は、より小さな水分子にとって略より静止した標的であり、水分子は二酸化炭素と結合して炭酸を生成し、生成された炭酸は炭酸化チャンバから流に放出される。その結果、水と安定化炭酸化分子間の結合レベルは通常、単に加圧冷却水中に二酸化炭素を圧送することによって水と二酸化炭素分子が結合される場合よりも実質上高いことが判明した。さらに、そのような圧送だけでは、より緩やかな形態の炭酸化が生じることが分かっており、多くの二酸化炭素が水性混合物中に存在する、すなわち、水分子と有効に結合していないため、炭酸が時間の経過と共に消散しやすい。
上述したように、本発明によれば、炭素分子と水分子との結合が、分子の分極によってさらに強化される結果、分子が結合にとってより適切に配向される。そのような配向はさまざまな方法で行うことができる。本発明の一実施形態では、分子の配向は、水素分子及び二酸化炭素分子が衝突し、分解し、マイクロメッシュネットを通過する際の活動の結果として、マイクロメッシュグリッド上に受動的に生成された分極磁場によって実現される。マイクロメッシュネットのこのような受動分極は、マイクロメッシュネット（例えば、ステンレス鋼で作製されていてもよい）の上流面から電子を除去し、ネットの上流表面にわずかな一時的正電荷を、ネットの下流側により大きな負電荷を生じさせると理解される。上記の誘電分極は、ガラス棒を絹布で擦り、ガラス棒の表面からいくらかの電子を除去し、ガラス棒に一時的に正電荷を与えるときに発生するのと同じように発生すると考えられる。
水分子がマイクロメッシュネットを通過するとき、ネット上の電荷は、水分子を流れの中の二酸化炭素分子と結合させる、及び／又はビーズの表面上で二酸化炭素分子を捕捉し安定化させるため、より正電荷を帯びた酸素原子をネットに向かって配向させ、さほど正電荷を帯びていない水素原子をネットから離れるように配向させるように水分子に影響を及ぼすと考えられる。これにより、分子とネットとの相互作用の結果として生じる上記受動分極は、水と二酸化炭素分子との双極子結合を強化する。
あるいは、マイクロメッシュネットは、電圧源に接続された一対の同心ネットとして実装されてネットの能動的分極を提供し、ネットを通過する水分子の配向を向上させることができる。当業者には明らかなように、ネットを流れる電流の特定の配向は、水分子がネットを通過するときの水分子の所望の分極に応じて実行することができる。
上述したように、第１の炭酸化チャンバは、流入する水とガスとの混合物を通過させるマイクロメッシュネットを含み、このネットは、好ましくは、ステンレス鋼などのマイクロメッシュ金属の１つ以上の独立したリングで形成される。炭酸水がマイクロメッシュネットを通過すると、短時間（１秒未満）で、多くの分極分子の高速通過によって弱い静電場を生成しながら水の長分子化合物を破壊し、流体混合物（水及び二酸化炭素）の分極分子が増え、水分子の短い（破壊された）鎖が二酸化炭素分子との双極子−双極子静電接続を形成する可能性が高くなる。本実施形態では、静電場は、分極分子の通過によって自己誘導され、電気誘導を生成する。同じ装置の他の実施形態は、共通のＤＣ電源又は複数のＤＣ電源を介して外部から電場を人工的に発生させる結果、高度に分極化された水及び気体分子は、ネット上で生成された電場に応じて即時に配向されるプロセスを利用してもよい。採用される解決策（誘導電場又は人工的に生成された電場）がいずれであっても、液体分子及び気体分子は高度に分極及び配向される。受動的に誘導された電場の場合、誘導静電場は内部を通過する分子の分極に寄与するだけでなく、分極自体が生成される電場を修正する。
分極分子の通過によって発生する静電場は比較的弱いと予想されるが、結果的に水分子の分極が進むため、水分子と二酸化炭素分子との結合の可能性が高まる。これは、各水分子の分極度が高まるにつれて、分極度の高い水分子の総数が増加するためである。分子の長鎖を破壊し、徐々に配向させることによって、電場に応答して、水中での炭酸の（一時的）形成が増加し、その結果、水がさらに強炭酸化されることが分かった。また、水分子は、二酸化炭素分子の分散（すなわち、分注中に炭酸水が空気に曝されるときの泡立ち）を軽減する二酸化炭素分子との結合を保持することが分かった。結合が増加するにつれて、炭酸水が開放されたグラスやボトルに入れられたとき、水中での炭酸化がより高く、時間の経過に対してより耐えられるようになる。
金属メッシュによって生成された静電場は、水分子の双極性のために、静電場に対して水分子を整列させる傾向がある。この整列が縦方向の電気歪みを引き起こすことで水分子が高密度化し、断面の膨張を含む可能性がある。縦方向電歪み及び断面膨張により、部分的に負電荷を帯びた水分子が、部分的に正電荷を帯びた系中に存在し得る炭素部分を有する二酸化炭素分子と相互作用し、安定した炭酸分子を形成する確率が高まる。
図示される実施形態では、マイクロメッシュネットは、直径が約２〜１００μで、約５〜８００μの開放メッシュ面積を有する薄ステンレス鋼撚り線から形成される。しかしながら、マイクロメッシュネットは他の材料から形成されてもよく、撚り線／開放メッシュ面積のサイズは、特定の圧力レベル、流量、所望の炭酸化レベル、及びその他の要因に適するように変更してもよいと予想される。
炭酸水が第１の炭酸化チャンバから排出されると、出力は第２の炭酸化チャンバに伝達され、そこで炭酸化レベルがさらに高められる。上述したように、図３に示すように、第１の炭酸化チャンバはビーズを含んでも含まなくてもよく、第２の炭酸化チャンバは、水分子及び二酸化炭素分子（まだＣＯ２ａｑの形状）を捕捉することができる微細な表面凹凸を有するガラスビーズをさらに含んでもよい。こうした捕捉は、炭酸水中の分子、特に、より大きな二酸化炭素分子の活動を軽減することによって、他の分子が捕捉された分子と結合するのを簡易化する。
ガラスビーズの凹凸面上に捕捉された高活性水分子は、遊離二酸化炭素分子との結合に利用しやすくなり、水分子が炭酸水中で自由に流動する場合がそれにあたる。その工程によると、特定の直径（０．５ｍｍ〜５ｍｍ）を有するガラスビーズは、結合しやすくするように正しく配向される分子衝突の割合を増加させることによって作用する表面触媒として機能する。
衝突の１０％が最初に好ましい分子配向を有する場合、表面触媒を流に添加することでそれを３０％に増加させることができると予想される。つまり、水分子と二酸化炭素分子との結合形成の速度が３倍になる（他の全ての条件が同じである場合）ことを意味する。また、水分子と二酸化炭素分子が、両者が自由に動くときではなく、一方が他方よりも静止しているときに、結合する可能性が実質的に高くなることを意味する。
水及び二酸化炭素分子と比較して、表面触媒は、水及び二酸化炭素分子の大きさよりもかなり大きな表面積を有する。一見滑らかなガラスビーズの表面は、原子規模ではかなりの凹凸を有する。その凹凸又は表面凹凸は、水分子を捕捉し安定化させる役目を果たす。これにより、水相溶性分子が捕捉された水分子に結合する能力が高める。
ガラスビーズの表面凹凸は、二酸化炭素分子及び／又は水分子の形状又は間隔と一致する、又はそれ以外の形で適合し得る。よって、例えば、二酸化炭素分子がガラスビーズの表面に衝突して付着する場合がある。二酸化炭素が自由に動けなくなると、水分子とよく配向された衝突をする、すなわち分子が結合する可能性が劇的に高まる。このようにして、表面触媒は、炭酸を多く、遊離二酸化炭素分子を少なく生成するのを支援する結果、炭酸化がはるかに長期間持続する。
いったん結合されると、他の衝突分子の衝撃は、捕捉された炭酸分子をガラスビーズ表面から叩き落とすことができる。捕捉されているが拘束されていない水分子又は二酸化炭素分子は、同様に放出する、又は叩き落とすことができる。しかしながら、炭酸化分子の放出は、他の受動性分子が迅速に捕捉される可能性があるため、最小限の意味しか持たないと予想される。いったん水分子と二酸化炭素分子が水素結合して炭酸を形成すると、炭酸水により容易に保持される。この結果、長期間炭酸化され、好適な味プロファイルを維持する炭酸飲料が得られる。
好適な実施形態では、炭酸化装置１０は、図１及び図２に示すように、２つの炭酸化チャンバ２０を含む。しかしながら、他の実施形態は、異なる数、例えば３つ以上の炭酸化チャンバを含んでもよい。炭酸化チャンバはさまざまな寸法を有することができる。好適な一実施形態では、各炭酸化チャンバは、２〜４００立方センチメートルの内部容積を有する。
図４ａ及び図４ｂは、炭酸化チャンバ２１及び２３を含む炭酸化装置２０を示す。炭酸化チャンバ２１は、円筒形のマイクロメッシュネットを有する内部を画定する。炭酸化チャンバ２３は、ネット内に複数のガラスビーズを有する内部を画定する。炭酸化チャンバ２１を通る入力流は、入力ポート２２を通過し、出力ポート２４から出る。炭酸化チャンバ番号２を通る流れは、入力ポート２６を通過し、出力ポート２８から出る。
図４ｂに示す炭酸化装置２０は炭酸化チャンバ３１及び３３を含む。炭酸化チャンバ３１は、炭酸化チャンバ３１内に配置された１００μｍのマイクロメッシュ３５と複数の５ｍｍガラスビーズとを有する内部を画定する。炭酸化チャンバ３３は、複数の１〜３ｍｍのガラスビーズを含む４００μｍのマイクロメッシュネットを画定する。
図５〜図６ｂは、キャップ部２５、ベース部２９、及びキャップ部２５とベース部２９とによって画定されるチャンバ内に配置されたカートリッジ２７を有する例示的な炭酸化チャンバ２３の分解図である。
カートリッジ２７は、内部チャンバ３３の周りにマイクロメッシュネット３４を画定し、中にガラスビーズを配置することができる。カートリッジ２７は、シール部材３５とキャップ２５の側壁５７との係合によって、キャップ２５と流体封止係合するように配置されている。図６ｂに示すように、カートリッジ２７の内部と炭酸化チャンバの入力ポートとの間の流体の流れを容易にして、ビーズ内とビーズの周囲の流体流を促進するため、開放格子３９をカートリッジ２７の一端に設けることができる。
図６ａ及び図６ｂの流路の比較によって示されるように、炭酸化チャンバに出入りする流体の流れは、上部ポート又は側部ポートを通ってカートリッジに出入りするように変更することができる。
好適な実施形態では、各炭酸化チャンバは、図４ａ〜図７ｂに示すように、略円筒形状である。各炭酸化チャンバは、中空の円筒形領域を画定し、そこに金属材料製の円筒形マイクロメッシュネットが配置される。第１の炭酸化チャンバに入る水は、マイクロメッシュネットを通過した後、次の（第２の）炭酸化チャンバに送られる。図４ａ、図４ｂ、及び図６ｂに示すように、第１の炭酸化チャンバはガラスビーズを含んでも含まなくてもよく、第２の炭酸塩化チャンバはガラスビーズを含むと予想される。ガラスビーズは、マイクロメッシュネットの内側の炭酸化チャンバ内で自由に浮遊することが好ましい。第２の炭酸化チャンバは、第１の炭酸化チャンバと同様のネットを含み得るが、図４ｂに示されるように、より微細なマイクロメッシュネット及びより小さな直径のビーズを有することが好ましい。炭酸化チャンバ及び流補償装置の構成及び機能を、以下より詳細に説明する。
第２の炭酸化チャンバから排出された炭酸水は、後述する流補償器に連通させることができる。適切な流補償装置の異なる実施形態を、図８、図９図１０及び図１２〜図１３に示す。あるいは、流補償装置は、Ｅｖｅｒｐｕｒｅ ＥＶ３１２４９３流補償装置又はＣＭ Ｂｅｃｋｅｒインライン流制御補償器（型番Ｄ１２３５）などの市販の装置によって実現することができる。
分子流はほぼ区別不能であるが、第２の炭酸化チャンバから出る炭酸水は通常、第１の炭酸化チャンバからの出るものよりも高レベルの炭酸化のものである。流補償装置は、乱流を減少させ、強炭酸水の半層流を増加させて、混合物の圧力を瞬間的に大気圧まで低下させる。さらに、流補償装置は、炭酸水の圧力及び流量をユースポイントディスペンサへの投入に適したレベル、例えば１５ｐｓｉ（１０３ｋＰａ）の圧力及び０．５〜１．６ＧＰＭ（２．３〜７．３ｌ／ｍｉｎ）の流量に調整するように規制する。本発明と関連して有用な流補償装置のさまざまな実施形態を、図８〜図１０及び図１２〜図１３に示す。
図８〜図１０に示す実施形態では、流補償装置８０は、３つの特有の要素（ｉ）第１の流制限領域８１、それに直接続く（ｉｉ）膨張領域８３、ほとんどの場合、（ｉｉｉ）通気要素８５を有する細長本体８５からなる。流補償装置は、更に、細長本体（調整装置）が挿入される外側シェル８７を含む。炭酸水は、流補償装置の外側シェル８７に入り、延長体８２と外側シェル８７との間を補償装置８０の出口８６に向かって延びる流路を通って、延長体８２の周りを周方向に流れる。延長体８２の外側シェル８７内への回転は、可変流制限装置として機能する。
他の実施形態は、同じ物理的原理（圧力を下げ、流れを安定させる）を使用するが、異なる幾何学的形状で機能する補償装置を含んでよい。図１２〜図１３に示す実施形態は、流制限装置９１が、炭酸化チャンバの下流に配置され、膨張チャンバ９３及び通気装置９５がその後に続く流補償装置９０を含む。発泡水９２、シロップ９４及び／又は温水９６を安定的に分注し、それらを大気圧で分注するため、流補償装置９０を分注装置に実装することができる。
流補償装置から出力される炭酸水の炭酸化レベル及びその他の特性を、図１１ａ及び図１１ｂに示す表に記載する。これらの図は、本発明の炭酸水の出力を他の市販の分注システム、並びに選択された炭酸水製品のボトルの炭酸水から測定された出力と比較したものである。
図１１ａ及び図１１ｂに示すように、本発明により製造された炭酸水は、大気圧下でｐＨ３．６を示し、他の試験された市販製品の特性として見出された期間よりも長い期間にわたって強炭酸化を維持する。よって、本発明の炭酸化レベルは、長期間にわたって高レベルの炭酸化安定性を有する強炭酸水を生成することが分かった。
本明細書に示す詳細は例であり、単に例示的説明を目的とする。詳細は、最も有用であり、安定化した強炭酸飲料を提供する方法及び装置の各種実施形態の原理及び概念的態様に関する記載を容易に理解すると考えられるものを提供するために提示されている。この点に関して、当業者に自明となるように、各種実施形態のさまざまな特徴に関する基本的な理解及び図面と共に提示される説明を提供するうえで、必要以上の詳細、及びそれらを実際に実装する方法は示していない。
よって、上記の説明は例示であり、限定ではない。上記の開示を前提として、当業者であれば、本明細書に開示される本発明の範囲及び精神の範囲内にある変形を考案することができると考えられる。これには、水の二酸化炭素レベルを高めて安定させる各種方法を含む。さらに、本明細書に開示される実施形態の各種特徴は、単独で、又はさまざまに組み合わせて使用することができ、本明細書に記載される特定の組み合わせに限定されることを意図しない。したがって、特許請求の範囲は、例示された実施形態に限定されるものではない。

Claims (18)

  1. 加圧及び冷却された二酸化炭素分子と水分子の混合入力流を炭酸化するための炭酸化装置であって、
    （ａ）入力ポートと、出力ポートと、中央チャンバとを画定する第１の炭酸化チャンバであって、第１の炭酸化チャンバの入力ポートが入力流と流体連通している第１の炭酸化チャンバと、
    （ｂ）中央チャンバ内に配置される第１のカートリッジであって、第１の炭酸化チャンバの入力ポートと流体連通する第１のマイクロメッシュネットの多孔質外面と、前記第１の炭酸化チャンバの出力ポートと流体連通する第１のカートリッジ中央空隙とを画定する第１のカートリッジと、
    （ｃ）第１のマイクロメッシュネットの材料が、前記第１のマイクロメッシュネットを通過する水分子の鎖を破壊して第１のカートリッジの中央チャンバ内の水分子と二酸化炭素分子との結合を強化するようなサイズ及び構成を有することと、
    （ｄ）前記第１のマイクロメッシュネットが、更に、前記第１のマイクロメッシュネットを通過する水分子へ分極影響を及ぼす受動分極場を生成することによって、前記第１のマイクロメッシュネットに衝突して通過する水分子及び二酸化炭素分子の流れに応答する外面を画定し、前記中央チャンバ内の前記水分子と前記二酸化炭素分子との結合をさらに強化するように形成及び構成されることと
    を備える、炭酸化装置。
  2. 請求項１に記載の装置は、更に、
    （ｅ）第１のカートリッジの中央チャンバ内に配置された複数の第１のビーズを備え、第１の極性の第１のビーズが外面を画定し、前記外面の特徴は、前記外面上で二酸化炭素分子を捕捉し安定化させることで前記中央チャンバ内での水分子と二酸化炭素分子との結合をさらに強化するように形成された分子捕捉凹凸である、装置。
  3. 請求項１に記載の装置は、更に、
    （ｆ）入力ポートと、出力ポートと、中央チャンバとを画定する第２の炭酸化チャンバであって、第２の炭酸化チャンバの入力ポートは前記第１の炭酸化チャンバの出力ポートと流体連通している第２の炭酸化チャンバと、
    （ｇ）前記中央チャンバ内に配置される第２のカートリッジであって、前記第２の炭酸化チャンバの入力ポートと流体連通する第２のマイクロメッシュネットの多孔質外面と、第２の炭酸化チャンバの出力ポートと流体連通する第２のカートリッジの中央空隙とを画定する第２のカートリッジと、
    （ｈ）前記第２のマイクロメッシュネットが、前記第２のマイクロメッシュネットを通過する水分子の鎖を破壊して前記第２のカートリッジの中央チャンバ内の水分子と二酸化炭素分子との結合を強化するようなサイズ及び構成を有することと、
    （ｉ）前記第２のマイクロメッシュネットが、更に、前記第２のマイクロメッシュネットを通過する水分子へ分極作用を及ぼす受動分極場を生成することによって、前記第２のマイクロメッシュネットに衝突して通過する水分子及び二酸化炭素分子の流れに応答する外面を画定し、前記中央チャンバ内の水分子と二酸化炭素分子との結合をさらに強化するように形成及び構成されることと、
    （ｊ）カートリッジの中央チャンバ内に配置された複数の第２のビーズであって、複数の第２のビーズが外面を画定し、前記外面の特徴は、ビーズの外面上で二酸化炭素分子を捕捉し安定化させることで前記中央チャンバ内での水分子と二酸化炭素分子との結合をさらに強化するための分子捕捉凹凸である第２のビーズと
    を備える、装置。
  4. 請求項２に記載の装置は、更に、
    （ｆ）入力ポートと、出力ポートと、中央チャンバとを画定する第２の炭酸化チャンバであって、第２の炭酸化チャンバの入力ポートは、前記第１の炭酸化チャンバの出力ポートと流体連通している第２の炭酸化チャンバと、
    （ｇ）中央チャンバ内に配置される第２のカートリッジであって、前記第２の炭酸化チャンバの入力ポートと流体連通する第２のマイクロメッシュネットの多孔質外面と、前記第２の炭酸化チャンバの出力ポートと流体連通する第２のカートリッジの中央空隙とを画定する第２のカートリッジと、
    （ｈ）前記第２のマイクロメッシュネットが、前記第２のマイクロメッシュネットを通過する水分子の鎖を破壊して、前記第２のカートリッジの中央チャンバ内の水分子と二酸化炭素分子との結合を強化するようなサイズ及び構成を有することと、
    （ｉ）前記第２のマイクロメッシュネットが、更に、前記第２のマイクロメッシュネットを通過する水分子へ分極作用を及ぼす受動分極場を生成することによって、前記第２のマイクロメッシュネットに衝突して通過する水分子及び二酸化炭素分子の流れに応答する外面を画定し、前記中央チャンバ内の水分子と二酸化炭素分子との結合をさらに強化するように形成及び構成されることと、
    （ｊ）前記カートリッジの中央チャンバ内に配置された複数の第２のビーズであって、複数の第２のビーズが外面を画定し、前記外面の特徴は、前記第２のビーズの外面上で二酸化炭素分子を捕捉し安定化させることで前記中央チャンバ内での水分子と二酸化炭素分子との結合をさらに強化するための分子捕捉凹凸である第２のビーズと
    備える、装置。
  5. 請求項４に記載の装置において、
    前記第１及び第２の炭酸化チャンバが、２〜４００ｃｍ３の内部容積を画定する、装置。
  6. 請求項５に記載の装置において、
    前記第１及び第２のマイクロメッシュネットが、直径２〜１００μのステンレス鋼撚り線から形成される、装置。
  7. 請求項６に記載の装置において、
    前記第１のマイクロメッシュネットが、５〜５００μの開放メッシュ面積を画定する、装置。
  8. 請求項７に記載の装置において、
    前記第２のマイクロメッシュネットが、１００〜８００μの開放メッシュ面積を画定する、装置。
  9. 請求項８に記載の装置において、
    前記第１及び第２のビーズが０．５〜５ｍｍの直径を有する、装置。
  10. 請求項８に記載の装置において、
    前記第１のビーズが５ｍｍの直径を有する、装置。
  11. 請求項１０に記載の装置において、
    前記第２のビーズが０．５〜３ｍｍの直径を有する、装置。
  12. 請求項４に記載の装置において、
    前記第１のカートリッジが１００μのマイクロメッシュネットを画定し、前記第１のビーズが５ｍｍの直径を画定し、前記第２のカートリッジが４００μメッシュネットを画定し、前記第２のビーズが０．５〜３ｍｍの直径を画定する、装置。
  13. 請求項４に記載の装置において、
    前記入力流が１６０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（１１０３ｋＰａ）の圧力及び１．５ガロン／分（ＧＰＭ）（６．８ｌ／ｍｉｎ）の流速を有する、装置。
  14. 請求項１３に記載の装置において、
    前記第２の炭酸化チャンバの出力ポートにおける炭酸水が、６５ｐｓｉ（４４８ｋＰａ）の圧力及び１．１ＧＰＭ（５．０ｌ／ｍｉｎ）の流速を有する、装置。
  15. 請求項１４に記載の装置は、更に、
    前記第２の炭酸化チャンバの出力ポートと流体連通する流補償装置を備え、前記流補償装置が、前記第２の炭酸化チャンバからの圧力及び流速を１５ｐｓｉ（１０３ｋＰａ）の圧力及び０．５〜１．０ＧＰＭ（２．３〜４．５ｌ／ｍｉｎ）の流速に低減するように構成される、装置。
  16. 請求項４に記載の装置は、更に、
    前記第１の炭酸化チャンバの入力ポートと流体連通する混合装置を備え、前記混合装置が、加圧冷却水の供給源と連通する第１の入力ポートと、二酸化炭素の供給源と連通する第２の入力ポートとを有し、水と二酸化炭素とを混合して入力流を形成するように構成され、前記入力流が水溶液中に遊離水分子と二酸化炭素分子とを有する、装置。
  17. 請求項１６に記載の装置において、
    前記加圧冷却水が、９０ｐｓｉ（６２０ｋＰａ）の圧力及び１．８ＧＰＭ（８．２ｌ／ｍｉｎ）の流速で前記混合装置の第１の入力ポートに供給される、装置。
  18. 請求項１７に記載の装置において、
    前記二酸化炭素が７５ｐｓｉ（５１７ｋＰａ）の圧力で前記混合装置の第２の入力ポートに供給される、装置。
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