JP4252841B2 - 炭酸水製造装置及びそれを用いた炭酸水製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭酸水製造装置及びそれを用いた炭酸水製造方法に関する。より詳しくは、効率良く炭酸水を得る炭酸水製造装置及びそれを用いた炭酸水製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸水は優れた保温作用があることから、古くから温泉を利用する浴場等で用いられている。炭酸水の保温作用は、基本的に、含有炭酸ガスの末梢血管拡張作用により身体環境が改善されるためと考えられる。また、炭酸ガスの経皮進入によって、毛細血管床の増加及び拡張が起こり、皮膚の血行を改善する。このため退行性病変及び末梢循環障害の治療に効果があるとされている。
【０００３】
このような炭酸水を人工的に得るために、炭酸塩と酸とを反応させる化学的方法やボイラーの燃焼ガスを利用する方法、或いは例えば特許文献１に記載されているような絞りを有する配管中に炭酸ガスを直接吹き込む装置等がある。最近では、膜を用いて炭酸水を製造する方法が多く提案されている。膜を用いることにより、非常に微細な状態で炭酸ガスの供給を行うことができるため、効率良く炭酸水を製造することができるためである。例えば、特許文献２では、両端の開口した中空糸膜を複数本収納してなる中空糸膜モジュールを用い、この中空糸膜としては多孔質の中空糸膜を用いた方法が提案されており、また例えば特許文献３〜５等には、中空糸膜として非多孔質の中空糸膜を用いた方法も提案されている。
【０００４】
膜を用いて炭酸水を製造する方法としては、膜モジュールを備えた炭酸ガス溶解器に原水を一回通過させることにより炭酸水を製造する、いわゆるワンパス型と、循環用ポンプにより浴槽中の温水を炭酸ガス溶解器を介して循環させる、いわゆる循環型とがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２３８９２８号公報
【特許文献２】
特許第２８１０６９４号公報
【特許文献３】
特許第３０４８４９９号公報
【特許文献４】
特許第３０４８５０１号公報
【特許文献５】
特開２００１−２９３３４４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ワンパス型は、水に炭酸ガスを一気に溶解させるため、短時間で製造することが可能であるが、循環型に比べると溶解効率が低くなり、高濃度になりにくいという欠点があり、更なる溶解効率の向上が求められていた。一方、循環型においては、炭酸ガスを水にゆっくり溶解させるため、ワンパス型に比べると溶解効率は高く、高濃度にしやすいが、所望の濃度まで溶解させるには時間がかかり、同じく更なる溶解効率向上が求められていた。
【０００７】
すなわち、本発明の目的は、高い溶解効率、すなわち短時間で高濃度の炭酸水が容易に得られる炭酸水の製造装置と同装置を用いた炭酸水の製造方法とを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
かかる目的は、本発明の第一の主要な構成である、炭酸ガス供給手段と、水供給手段又は水循環手段と、該炭酸ガス供給手段と該水供給手段又は水循環手段とに連結された第一の炭酸ガス溶解器と、を備えてなる炭酸水製造装置であって、前記装置は、さらに、第一の炭酸ガス溶解器の炭酸水排出口の下流側に配され、炭酸水排出口以降に残された、未溶解の炭酸ガスを溶解するための、前記第一の炭酸ガス溶解器の炭酸水排出口に連結された第二の炭酸ガス溶解器とを備えてなり、前記第一の炭酸ガス溶解器は中空糸膜からなる膜モジュールであり、前記第二の炭酸ガス溶解器はスタティックミキサーである、ことを特徴とする炭酸水製造装置により達成される。
【０００９】
ここで、前記第一の炭酸ガス溶解器が膜モジュールから構成される場合には、最も溶解効率を上げることができる。この場合、前記膜モジュールが中空糸膜、特に、前記中空糸膜が薄膜状の非多孔質ガス透過層の両面を多孔質層で挟み込んだ三層構造の複合中空糸膜であることが好ましい。
【００１０】
前記第二の炭酸ガス溶解器としては、スタティックミキサーを用いる。遊離炭酸濃度が８００mg/L以上、特に１０００mg/L以上の高濃度炭酸水を製造する場合、第一の炭酸ガス溶解器の出口に近いほど、未溶解の炭酸ガスが増大し、溶解効率が低下する傾向にあり、第二の炭酸ガス溶解器は、このような未溶解の炭酸ガスを溶解させ、溶解効率の低下を抑止する働きを有する。ここで、前記スタティックミキサーが、ステータタイプ及び／又はケニックスタイプであると、本発明で用いる水のような低粘度流体において、圧力損失が少ない状態で、炭酸ガスを高い溶解効率で溶解することが可能であり、同時に安価に供給が可能である。本発明の第二の炭酸ガス溶解器は、第一の炭酸ガス溶解器の排出口以降で未溶解の炭酸ガスを溶解するものであり、第二の炭酸ガス溶解器には、基本的に、炭酸ガス供給手段は連結されていない。
【００１１】
前記炭酸ガス供給手段と該第一の炭酸ガス溶解器の間に、炭酸ガスの流量を一定に保つ流量制御バルブ、及び前記水供給手段又は／および水循環手段と該第一の炭酸ガス溶解器の間に、水の流量を一定に保つ流量制御バルブを備えると、炭酸水の遊離炭酸濃度を精度良く制御することができる。
【００１２】
また、前記第一の炭酸ガス溶解器を水供給手段に連結する場合、増圧ポンプを備えるのが好ましい。供給手段の水圧が低いときに、炭酸ガス溶解器の圧損の影響で、場合によって必要流量を満足しなくなるのを抑えることができる。
【００１３】
さらに、前記炭酸水製造装置の水または炭酸水が流通するライン中に、少なくとも前記増圧ポンプの作動を起動させたり、停止させるための起動／停止フロースイッチを備えると、ポンプの空運転防止ができるので好ましい。
【００１４】
前記第一および第二の炭酸ガス溶解器を通過することにより、非常に効率良く水に炭酸ガスを溶解することができるが、一部未反応の炭酸ガスが存在するため、第二の炭酸ガス溶解器の後に気液分離器を設けるのが好ましい。さらに、何らかのトラブルにより気液分離器が機能しなくなった場合を想定して、前記気液分離器後の導管に気泡センサーを設けるのが好ましい。気泡センサーには超音波式が良い。さらに、装置の何らかのトラブルにより、炭酸ガスが漏洩したことを想定して、装置に炭酸ガス濃度センサーまたは／及び酸素濃度センサーを設けるのが好ましい。
【００１５】
更に上記目的は、本発明の第二の基本的な構成である、第一の炭酸ガス溶解器に水及び炭酸ガスを供給し、得られた炭酸水を、第二の炭酸ガス溶解器に供給する炭酸水製造方法により達成される。更には、上記装置の様々な好ましい態様を採用することにより、既述したとおりの本発明に特有の作用効果を発揮できる。
【００１６】
ここで、前記炭酸水の温度を３０〜４５℃の範囲にすること、前記炭酸水の遊離炭酸濃度を８００〜１５００ｍｇ／Ｌの範囲にすることにより、炭酸水の保温作用を効果的に発現させることができる。
なお、炭酸ガスを水に溶解させると、ＣＯ2 、ＨＣＯ3 - 、ＣＯ3 2-の存在形態をとり、水のｐＨによってそれぞれの存在比率が変化する。本発明の炭酸水の遊離炭酸濃度とは、これら全ての存在形態を合わせた濃度をいう。
【００１７】
【発明の実施形態】
以下、図面により本発明の代表的な実施形態を具体的に説明する。図１は本発明の好適なワンパス型装置の概略的な全体構成図の一例である。１は炭酸ガスボンベ、２は圧力計、３は圧力制御バルブ、４は炭酸ガス流量計、５は炭酸ガス流量制御バルブ、６は炭酸ガス導入口、７は第一の炭酸ガス溶解器の構成部材である膜モジュール、８は温水導入口、９は水流量計、１０は水流量制御バルブ、１１はフロースイッチ、１２は増圧ポンプ、１３は第二の炭酸ガス溶解器であるスタティックミキサー、１４は気液分離器、１５はガス排出口、１６は炭酸水排出口、１７は浴槽である。
【００１８】
図示例によるワンパス型の炭酸水製造装置の場合、温水は、本発明の水供給手段である、図示せぬ給湯器から温水導入口８を経て水流量制御バルブ１０を介して一定流量とされて給湯され、増圧ポンプ１２により所要の圧力まで増圧されて膜モジュール７に給送される。一方、炭酸ガスボンベ１からは圧力制御バルブ３で減圧された炭酸ガスが炭酸ガス流量制御バルブ５により流量を制御されて、前記膜モジュール７の炭酸ガス導入口から同膜モジュール７へと導入される。
【００１９】
この膜モジュール７に導入された温水は、同モジュール７に配された図示せぬ複数本の中空糸膜の中空部あるいは外部を通過するようになっており、温水が通過する際に、中空糸膜を介して温水と反対側に導入された炭酸ガスが、中空糸膜を透過して水に溶解することにより炭酸水が生成される。この中空糸膜は、ガス透過性に優れる薄膜状の非多孔質層の両面を多孔質層で挟み込んだ三層構造の複合中空糸膜から構成されていることが好ましく、例えば三菱レイヨン（株）製の三層複合中空糸膜（ＭＨＦ）が挙げられる。
【００２０】
ここで、非多孔質ガス透過膜とは気体が溶解、拡散機構により透過する膜であり、クヌッセン流れのように気体がガス状で透過できる孔を実質的に含まないものであればいかなるものでも良い。非多孔質ガス透過膜を用いることにより、任意の圧力で、ガスが気泡として放出されることなくガスを供給、溶解でき、効率よい溶解ができると共に任意の濃度に制御性良く、簡便に溶解できる。また、膜を介して水または水溶液がガス供給側に逆流するようなこともない。
【００２１】
膜モジュール７にて生成された炭酸水は、次いで前記膜モジュール７と同様に、本発明の特徴部の一部をなす第二の炭酸ガス溶解器であるスタティックミキサー１３に導入される。このようなスタティックミキサー１３を用いると、水のような低粘度流体において、圧力損失が少ない状態で、炭酸ガスを高い溶解効率で溶解することが可能であり、同時に安価に供給が可能である。本発明の第二の炭酸ガス溶解器は、第一の炭酸ガス溶解器の排出口以降に残存する未溶解の炭酸ガスを効果的に溶解するものである。従って、この第二の炭酸ガス溶解器には、基本的に、新たに炭酸ガスを供給する必要はない。スタティックミキサー１３を通された炭酸水は気液分離器１４により未溶解の炭酸ガスが抜かれて浴槽１７に排出される。
【００２２】
図２は本発明の好適な循環型装置の概略的な全体構成図の一例である。１は炭酸ガスボンベ、２は圧力計、３は圧力制御バルブ、４は炭酸ガス流量計、５は炭酸ガス流量制御バルブ、６は炭酸ガス導入口、７は膜モジュール、８は温水導入口、１１はフロースイッチ、１２’は循環ポンプ、１３はスタティックミキサー、１４は気液分離器、１５はガス排出口、１６は炭酸水排出口、１７は浴槽、１８はプレフィルターである。ここで、図１と実質的に同一の機器および部材には同一符号を付しており、本実施例における水供給手段は、図１に示すワンパス型の炭酸水製造装置と実質的に同じである。ただし、図２において、図１と異なる符号が付されている部分が、増圧ポンプ１２に代わる循環ポンプ１２’と新たに設置されたプレフィルター１８である。
【００２３】
この循環型の炭酸水製造装置では、前記水供給手段に加えて、炭酸水が貯えられる浴槽１７から温水導入口８、プレフィルター１８を経て循環ポンプ１２’により、膜モジュール７に給送され、本発明の水循環手段を構成する。一方、炭酸ガスボンベ１からは圧力制御バルブ３で一定圧に減圧された炭酸ガスが、炭酸ガス流量制御バルブ５により流量を制御されて、前記膜モジュール７の炭酸ガス導入口から同膜モジュール７へと導入されて温水に溶解され、温水は浴槽１７に戻される。これを繰り返すことにより、徐々に炭酸水の遊離炭酸濃度が上昇していく。また、浴槽内の遊離炭酸濃度が低下した炭酸水に新たな炭酸ガスを補充する目的で循環させることにも使用できる。
【００２４】
ここで、炭酸ガス流量制御バルブ５を排除しても炭酸水を製造することはできるが、炭酸水の遊離炭酸濃度を精度良く制御するには炭酸ガス流量制御バルブ５を設けることが好ましい。炭酸ガス流量制御バルブ５としては、種々のニードルバルブや、電子式に使われているピエゾもしくはソレノイドアクチュエーターなどを挙げることができ、特に限定するものではないが、ニードルバルブは安価であるため好ましい。また、絞りを有するオリフィスを用いることもできる。
【００２５】
これら炭酸ガス流量制御バルブ５により常に一定の流量を制御することができるが、さらに炭酸ガス流量計４を備えることにより、流量を目視でき、何らかのトラブル時にも瞬時に判断できるのでよい。炭酸ガス流量計４としては、フロート式、電子式などが挙げられる。炭酸ガス流量計４は、炭酸ガスボンベ１と膜モジュール７の間に設ければよいが、膜モジュール７での圧損は、常時一定しているものではないため、フロート式の場合、ガス流量計４の入口と出口との間の差圧が安定している炭酸ガスボンベ１と炭酸ガス流量制御バルブ５との間に設けることが好ましい。
【００２６】
温水は、図１のようなワンパス型の場合、給湯器から供給され、図２のような循環式の場合、浴槽に貯えられたものを循環させる。水流量制御バルブ１０がなくても炭酸水を製造することはできるが、炭酸水の遊離炭酸濃度を精度良く制御するには水流量制御バルブ１０を設けることが好ましい。前述の炭酸ガス流量制御バルブ５と併用すると、炭酸水の遊離炭酸濃度をより精度良く制御することができる。水流量制御バルブ１０の種類は特に限定するものではないが、バルブ前後の圧力に影響しないファンコイル用の制御バルブなどが好ましい。また、炭酸ガス流量制御バルブ５と同様な理由から、水流量計９を備えるのが好ましい。
【００２７】
図１のようなワンパス型の場合、増圧ポンプ１２を備えることは、供給手段の水圧が低いときに、炭酸ガス溶解器の圧損の影響で、時により必要流量を満足できなくなるのを抑えることができるため好ましい。これらのポンプ１２，１２’の空運転防止のため、水または炭酸水が流通するライン中に、フロースイッチ１１を備えることが好ましい。
【００２８】
第一の炭酸ガス溶解器には、エアストーン、焼結金属、膜モジュールを用いることができ、これらを用いることにより、基本的に効率よく炭酸ガスを水に溶解することが可能となる。中でも、より効率良く炭酸ガスを水に溶解するには、膜モジュール７を用いることが好ましい。第一の炭酸ガス溶解器としてスタティックミキサーを用いることも考えられるが、効率よく炭酸ガスを水に溶解するには、スタティックミキサーのエレメント数が多数必要となり、膜モジュールに比べ圧力損失が高くなるので、本発明においては、第一の炭酸ガス溶解器として膜モジュールを用いることが望ましい。
【００２９】
膜の種類には平膜、チューブラー膜、中空糸膜、スパイラル膜などが挙げられるが、装置のコンパクト化、取り扱い易さから考えると中空糸膜が最も好ましい。
【００３０】
膜はガス透過性に優れるものであれば各種のものが用いられ、多孔質中空糸膜でも非多孔質中空糸膜でも良い。多孔質中空糸膜を用いる場合には、その表面の開口孔径が０．０１から１０μｍのものが好ましい。
【００３１】
最も好ましい中空糸膜は、既述したような薄膜状の非多孔質ガス透過層の両面を多孔質層で挟み込んだ三層構造の複合中空糸膜であり、非多孔質ガス透過層（膜）は、気体が膜基質への溶解・拡散機構により透過する膜であり、クヌッセン流れのように気体がガス状で透過できる孔を実質的に含まないものであればいかなるものでも良い。このように非多孔質を用いることにより、炭酸ガスを炭酸水中に気泡として放出することなくガスを供給、溶解でき、効率良い溶解ができると共に任意の濃度に制御性良く、簡便に溶解できる。また、多孔質膜の場合に稀に生じる逆流、すなわち温水が細孔を経てガス供給側に逆流するようなこともない。三層構造の複合中空糸膜は、非多孔質層がガス透過性に優れたごく薄膜状のものとして形成され、これが多孔質により保護されているので、損傷を受け難いため好ましい。
【００３２】
中空糸膜の膜厚は１０μｍから１５０μｍのものが好ましい。１０μｍ未満では膜の強度が不十分となりやすく、また１５０μｍを超えると炭酸ガスの透過速度が低下し溶解効率が低下しやすい。三層構造の複合中空糸膜の場合には、非多孔質膜の厚みは０．３から２μｍが好ましい。０．３未満では、膜の劣化が生じやすく、膜が劣化するとリークが発生しやすくなる。また、２μｍを超えると炭酸ガスの透過速度が下がり溶解効率が低下しやすい。
【００３３】
中空糸膜の膜素材としては、シリコーン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリスルホン系、セルロース系、ポリウレタン系等が好ましいものとして挙げられる。三層構造複合中空糸膜における非多孔質膜の材質としては、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ４−メチルペンテン−１、ポリジメチルシロキサン、ポリエチルセルロース、ポリフェニレンオキサイド等が好ましいものとして挙げられ、特にポリウレタンは製膜性が良好で、溶出物が少ないため好ましい。
【００３４】
中空糸膜の内径は５０から１０００μｍが好ましい。５０μｍ未満では中空糸膜内を流れる炭酸ガスまたは温水の流路抵抗が大きくなり、炭酸ガスまたは温水の供給が困難になる。また、１０００μｍを超えると、溶解器のサイズが大きくなり、コンパクトにならない。
【００３５】
本発明では、第一の炭酸ガス溶解器に水及び炭酸ガスを供給し、得られた炭酸水を、第二の炭酸ガス溶解器に供給することが重要である。
【００３６】
本発明では、第一の炭酸ガス溶解器で炭酸ガスを水に溶解させるが、第一の炭酸ガス溶解器の出口に近いほど、未溶解の炭酸ガスが増大し、溶解効率が低下する傾向があり、第二の炭酸ガス溶解器は、このような未溶解の炭酸ガスを溶解し、溶解効率の低下を抑止する働きを有する。遊離炭酸濃度が８００mg/L以上、特に１０００mg/L以上の高濃度炭酸水を製造する場合においては、未溶解の炭酸ガス量の増大が顕著であり、このような高濃度炭酸水を製造する場合には本発明は特に有効である。また、場合によっては第三以降の、さらに多数の炭酸ガス溶解器を連結しても構わない。
【００３７】
第一の炭酸ガス溶解器に用いる膜モジュール７は、特にワンパス型の場合に膜面積を増やすことで、溶解効率をさらに高めることができるが、本発明では、小さい膜面積の膜モジュールを第一の炭酸ガス溶解器に用いても、膜モジュールで製造した炭酸水を第二の炭酸ガス溶解器に通過させることにより、第一の炭酸ガス溶解器で未溶解の炭酸ガスを溶解させることができ、容易に溶解効率を向上させることができる。
【００３８】
循環型の場合、循環ポンプ１２’の流量／炭酸ガスの流量比を高くするほど溶解効率が高くなるが、その比を高くするほど、循環ポンプの流量が多くなるか、炭酸ガスの流量が少なくなるため、消費電力が増加、あるいは製造時間が長くなるという欠点を生じる。しかし、第二の炭酸ガス溶解器がない場合に比べて、本発明の第二の炭酸ガス溶解器を用いることにより、循環ポンプの流量／炭酸ガスの流量比が同じでも、溶解効率が向上するため、同じ溶解効率にしたいならば、循環ポンプの流量／炭酸ガスの流量比を下げることが可能となり、消費電力を減少させたり、製造時間を短くしたりすることができる。
【００３９】
炭酸水の水温は好ましくは３０℃から４５℃の範囲であり、この範囲であれば最も保温効果があり、かつ快適な入浴ができるためより好ましい。
【００４０】
図２のような循環型の場合、循環ポンプ１２’が必要である。ポンプとしては自吸性能を有する容積式定量ポンプが好ましい。これを用いることで安定した循環と常時一定した循環水量を実現することができる。また、炭酸水が高濃度になると気泡が発生しやすくなり、気泡リッチな状態になるが、このような場合でも、初期の運転時に呼び水をしなくても起動できる自吸性能を有するポンプを使用すれば安定して送水することが可能である。
【００４１】
第二の炭酸ガス溶解器としては、スタティックミキサー１３が好ましい。スタティックミキサー１３は、流体を機械的に分離して炭酸ガスを分散させるもので、詳細については、例えば、萩原新吾監修、静止型混合器 基礎と応用、日刊工業新聞社発行（昭和５６年９月３０日初版第１刷発行）の第１章に詳しく説明されている。
【００４２】
ここで用いるスタティックミキサー１３は、特にステータタイプ及び／又はケニックスタイプを用いるのが好ましい。ステータタイプとは、ＵＳ４０９３１８８号公報等に開示されているスタティックミキサーであり、その構造は、各ステージが３つの半楕円形のバッフルから成り立っており、これらバッフルはセンター軸に沿って２つの交差するバッフルと反対側にもう１つのバッフルを組み合わせたものである。一方のケニックスタイプは、管中に、右方向にねじれた螺旋状エレメントと、左方向にねじれた螺旋状エレメントが交互に配された構造からなるものであり、スパイラルタイプと称することもある。
【００４３】
これらは本発明に用いるスタティックミキサーに適しており、圧力損失が少ない状態で、炭酸ガスを水に高い溶解効率で溶解することが可能でかつ、安価に供給が可能である。
【００４４】
スタティックミキサー１３に同じ流量で水を流す場合、一つの流路に存在するエレメント数が多いほど混合されやすくなり、生成される炭酸水の遊離炭酸濃度が高くなる傾向にある。
しかしながら、エレメント数が１００より多いと、生成する炭酸水の遊離炭酸濃度は頭打ちになる一方で、通水を行う際に生じる圧力損失が極めて大きくなり、通水が困難となる。
一方、エレメント数が５よりも少ないと、スタティックミキサーによる溶解効率向上の効果がなくなるため、スタティックミキサー１３のエレメント数の下限は、５以上が好ましく、１０以上がより好ましい。また、エレメント数の上限は、１００以下が好ましく、５０以下がより好ましい。
【００４５】
なお、スタティックミキサー１３は、一本のまま使っても構わないが、複数本を直列に連結して使用することもできる。直列に連結した場合のエレメント数とは、一本の流路中に存在するエレメント数をいうものであり、例えば一本あたりのエレメント数が７のスタティックミキサーを５本直列に連結した場合、一つの流路に存在するエレメント数は３５となる。
スタティックミキサー１３は、複数本を並列に連結して使用することもできる。並列に連結して使用すると、圧力損失を低い状態に保ちつつ、一度に生成できる炭酸水量を増加させることができるため、好ましい。
並列に連結する場合、例えば一本あたりのエレメント数が２０のスタティックミキサーを５本並列に連結した場合であっても、一つの流路に存在するエレメント数は２０となる。
【００４６】
スタティックミキサー１３のエレメント径は、あまり細いと圧力損失が高くなり、多流量での通水ができないため、内径の下限は、５ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がより好ましい。
【００４７】
スタティックミキサー１３のエレメント径を太くすると、供給する水の流量を高くしても、通水時の圧力損失は低下する傾向にある。
しかしながら、供給する必要のある水の流量があまり多いと、炭酸水製造装置が大規模なものとなるため、内径の上限としては、１００ｍｍ以下であることが好ましく、５０ｍｍ以下がより好ましい。
【００４８】
第一及び第二の炭酸ガス溶解器を通過することにより、非常に効率良く水に炭酸ガスを溶解させることができるが、いかに効率が高くても一部未反応の炭酸ガスが存在する。大量に炭酸水を製造する場合、人体に危害を加える可能性を完全になくすため、第二の炭酸ガス溶解器の後に気液分離器１４を設けるのが好ましい。なお、気液分離器１４は、ガス排出口１５に連通している。
気液分離器１５は、例えばエアーベントバルブを連結させたチーズ配管を使用することができる。
【００４９】
このように、気液分離器１４を設けることにより、浴槽１７に未反応の炭酸ガスが流出しないようになるが、ガス排出口が詰まったときなど何らかのトラブルにより気液分離器１４が機能しなくなった場合を想定して、気液分離器１４の下流側の導管に気泡センサー１８を設けるのが好ましい。気泡センサー１８を設けることで、導管内に気泡が混入した場合に検知し、装置を停止させることが可能となる。気泡センサー１８は超音波式が好ましく、導管を挟んで配した超音波発信子及び超音波受信子を用いて、導管内を透過させた超音波の減衰率から気泡を感知することができる。
【００５０】
また、装置の何らかのトラブルにより、炭酸ガスが漏洩する可能性を考慮して、装置に炭酸ガス濃度センサー及び／又は酸素濃度センサーを設けるのが好ましい。炭酸ガス濃度センサーとしては、赤外線式、固体電解質式などが挙げられ、酸素濃度センサーとしては、磁気風方式、ジルコニア方式、ガルバニ電池方式などが挙げられる。
【００５１】
次に、本発明を実施例により更に具体的に説明する。なお、表中の溶解効率は、以下の式より求めた。
溶解効率（％）＝炭酸水中の遊離炭酸量／使用した炭酸ガス量×１００
【００５２】
（実施例１）
図１に示したワンパス型の炭酸水製造装置により炭酸水を製造した。第一の炭酸ガス溶解器には、膜面積が０．６ｍ2 である三菱レイヨン（株）製三層複合中空糸膜で作られた中空糸モジュールを用い、炭酸ガスを４Ｌ／ｍｉｎで（２０℃換算）、４０℃の温水を５Ｌ／ｍｉｎで、炭酸ガス溶解器に供給した。第一の炭酸ガス溶解器の後部には第二の炭酸ガス溶解器としてＴＡＨインダストリーズ( 株) 製ステータタイプ、スタティックミキサー（型式０５０−０３２F 、エレメント径１０．９７ｍｍ、エレメント数１４）を連結した。表１に結果を示す。
【００５３】
（実施例２）
炭酸ガスを３Ｌ／ｍｉｎ（２０℃換算）でガス溶解器に供給した以外は、実施例１と同様な操作を行った。表１に結果を示す。
【００５４】
（実施例３）
スタティックミキサーにノリタケカンパニーリミテッド（株）製ケニックスタイプ、スタティックミキサー（ＤＳＰ型、エレメント径１０ｍｍ、エレメント数１２）を用いた以外は、実施例１と同様な操作を行った。表１に結果を示す。
【００５５】
（比較例１）
スタティックミキサーを連結しなかった以外は、実施例１と同様な操作を行った。表１に結果を示す。実施例１に比べ、溶解効率が低下した。
【００５６】
【表１】
【００５７】
（実施例４）
図２に示した循環型装置で炭酸水を製造した。第一の炭酸ガス溶解器には膜面積が０．６ｍ2 である三菱レイヨン（株）製三層複合中空糸膜で作られた中空糸モジュールを用い、炭酸ガスを２Ｌ／ｍｉｎで（２０℃換算）炭酸ガス溶解器に供給した。第一の炭酸ガス溶解器の後部には第二の炭酸ガス溶解器としてＴＡＨインダストリーズ( 株) 製ステータタイプ、スタティックミキサー（型式０５０−０３２F 、エレメント径１０．９７ｍｍ、エレメント数１４）を連結した。水槽に水温４０℃の温水を１０Ｌ入れ、循環ポンプで毎分５Ｌの温水を水槽に戻した。循環５分後の結果を表２に示す。
【００５８】
（実施例５）
スタティックミキサーにノリタケカンパニーリミテッド（株）製ケニックスタイプ、スタティックミキサー（ＤＳＰ型、エレメント径１０ｍｍ、エレメント数１２）を用いた以外は、実施例４と同様な操作を行った。表２に結果を示す。
【００５９】
（比較例２）
スタティックミキサーを連結しなかった以外は、実施例４と同様な操作を行った。循環５分後の結果を表２に示す。実施例４に比べて遊離炭酸濃度、溶解効率共に低下した。
【００６０】
（比較例３）
スタティックミキサーを連結せず、炭酸ガスを１Ｌ／ｍｉｎで（２０℃換算）、炭酸ガス溶解器に供給した以外は、実施例４と同様な操作を行った。循環１０分後の結果を表２に示す。実施例４と同じ遊離炭酸濃度及び溶解効率であるが、製造時間は２倍要する。
【００６１】
【表２】
【００６２】
以上の説明からも明らかなように、本発明による炭酸水の製造法によれば、膜モジュールを構成要素とする炭酸ガス溶解器を第一の炭酸ガス溶解器として、炭酸ガスを水に溶解させ、第一の炭酸ガス溶解器を通過した炭酸水を第二の炭酸ガス溶解器であるスタティックミキサーに通過させることにより、従来と比較すると構造が簡単で且つ著しく効率的に高濃度の炭酸水を簡単に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に適用するに好適なワンパス型装置の概略的な全体構成図である。
【図２】本発明に適用するに好適な循環型装置の概略的な全体構成図である。
【符号の説明】
１ 炭酸ガスボンベ
２ 圧力計
３ 圧力制御バルブ
４ 炭酸ガス流量計
５ 炭酸ガス流量制御バルブ
６ 炭酸ガス導入口
７ 膜モジュール
８ 温水導入口
９ 水流量計
１０ 水流量制御バルブ
１１ フロースイッチ
１２ 増圧ポンプ
１２’ 循環ポンプ
１３ スタティックミキサー
１４ 気液分離器
１５ ガス排出口
１６ 炭酸水排出口
１７ 浴槽
１８ プレフィルター
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭酸水製造装置及びそれを用いた炭酸水製造方法に関する。より詳しくは、効率良く炭酸水を得る炭酸水製造装置及びそれを用いた炭酸水製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸水は優れた保温作用があることから、古くから温泉を利用する浴場等で用いられている。炭酸水の保温作用は、基本的に、含有炭酸ガスの末梢血管拡張作用により身体環境が改善されるためと考えられる。また、炭酸ガスの経皮進入によって、毛細血管床の増加及び拡張が起こり、皮膚の血行を改善する。このため退行性病変及び末梢循環障害の治療に効果があるとされている。
【０００３】
このような炭酸水を人工的に得るために、炭酸塩と酸とを反応させる化学的方法やボイラーの燃焼ガスを利用する方法、或いは例えば特許文献１に記載されているような絞りを有する配管中に炭酸ガスを直接吹き込む装置等がある。最近では、膜を用いて炭酸水を製造する方法が多く提案されている。膜を用いることにより、非常に微細な状態で炭酸ガスの供給を行うことができるため、効率良く炭酸水を製造することができるためである。例えば、特許文献２では、両端の開口した中空糸膜を複数本収納してなる中空糸膜モジュールを用い、この中空糸膜としては多孔質の中空糸膜を用いた方法が提案されており、また例えば特許文献３〜５等には、中空糸膜として非多孔質の中空糸膜を用いた方法も提案されている。
【０００４】
膜を用いて炭酸水を製造する方法としては、膜モジュールを備えた炭酸ガス溶解器に原水を一回通過させることにより炭酸水を製造する、いわゆるワンパス型と、循環用ポンプにより浴槽中の温水を炭酸ガス溶解器を介して循環させる、いわゆる循環型とがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２３８９２８号公報
【特許文献２】
特許第２８１０６９４号公報
【特許文献３】
特許第３０４８４９９号公報
【特許文献４】
特許第３０４８５０１号公報
【特許文献５】
特開２００１−２９３３４４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ワンパス型は、水に炭酸ガスを一気に溶解させるため、短時間で製造することが可能であるが、循環型に比べると溶解効率が低くなり、高濃度になりにくいという欠点があり、更なる溶解効率の向上が求められていた。一方、循環型においては、炭酸ガスを水にゆっくり溶解させるため、ワンパス型に比べると溶解効率は高く、高濃度にしやすいが、所望の濃度まで溶解させるには時間がかかり、同じく更なる溶解効率向上が求められていた。
【０００７】
すなわち、本発明の目的は、高い溶解効率、すなわち短時間で高濃度の炭酸水が容易に得られる炭酸水の製造装置と同装置を用いた炭酸水の製造方法とを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
かかる目的は、本発明の第一の主要な構成である、炭酸ガス供給手段と、水供給手段又は水循環手段と、該炭酸ガス供給手段と該水供給手段又は水循環手段とに連結された第一の炭酸ガス溶解器と、を備えてなる炭酸水製造装置であって、前記装置は、さらに、第一の炭酸ガス溶解器の炭酸水排出口の下流側に配され、炭酸水排出口以降に残された、未溶解の炭酸ガスを溶解するための、前記第一の炭酸ガス溶解器の炭酸水排出口に連結された第二の炭酸ガス溶解器とを備えてなり、前記第一の炭酸ガス溶解器は中空糸膜からなる膜モジュールであり、前記第二の炭酸ガス溶解器はスタティックミキサーである、ことを特徴とする炭酸水製造装置により達成される。
【０００９】
ここで、前記第一の炭酸ガス溶解器が膜モジュールから構成される場合には、最も溶解効率を上げることができる。この場合、前記膜モジュールが中空糸膜、特に、前記中空糸膜が薄膜状の非多孔質ガス透過層の両面を多孔質層で挟み込んだ三層構造の複合中空糸膜であることが好ましい。
【００１０】
前記第二の炭酸ガス溶解器としては、スタティックミキサーを用いる。遊離炭酸濃度が８００mg/L以上、特に１０００mg/L以上の高濃度炭酸水を製造する場合、第一の炭酸ガス溶解器の出口に近いほど、未溶解の炭酸ガスが増大し、溶解効率が低下する傾向にあり、第二の炭酸ガス溶解器は、このような未溶解の炭酸ガスを溶解させ、溶解効率の低下を抑止する働きを有する。ここで、前記スタティックミキサーが、ステータタイプ及び／又はケニックスタイプであると、本発明で用いる水のような低粘度流体において、圧力損失が少ない状態で、炭酸ガスを高い溶解効率で溶解することが可能であり、同時に安価に供給が可能である。本発明の第二の炭酸ガス溶解器は、第一の炭酸ガス溶解器の排出口以降で未溶解の炭酸ガスを溶解するものであり、第二の炭酸ガス溶解器には、基本的に、炭酸ガス供給手段は連結されていない。
【００１１】
前記炭酸ガス供給手段と該第一の炭酸ガス溶解器の間に、炭酸ガスの流量を一定に保つ流量制御バルブ、及び前記水供給手段又は／および水循環手段と該第一の炭酸ガス溶解器の間に、水の流量を一定に保つ流量制御バルブを備えると、炭酸水の遊離炭酸濃度を精度良く制御することができる。
【００１２】
また、前記第一の炭酸ガス溶解器を水供給手段に連結する場合、増圧ポンプを備えるのが好ましい。供給手段の水圧が低いときに、炭酸ガス溶解器の圧損の影響で、場合によって必要流量を満足しなくなるのを抑えることができる。
【００１３】
さらに、前記炭酸水製造装置の水または炭酸水が流通するライン中に、少なくとも前記増圧ポンプの作動を起動させたり、停止させるための起動／停止フロースイッチを備えると、ポンプの空運転防止ができるので好ましい。
【００１４】
前記第一および第二の炭酸ガス溶解器を通過することにより、非常に効率良く水に炭酸ガスを溶解することができるが、一部未反応の炭酸ガスが存在するため、第二の炭酸ガス溶解器の後に気液分離器を設けるのが好ましい。さらに、何らかのトラブルにより気液分離器が機能しなくなった場合を想定して、前記気液分離器後の導管に気泡センサーを設けるのが好ましい。気泡センサーには超音波式が良い。さらに、装置の何らかのトラブルにより、炭酸ガスが漏洩したことを想定して、装置に炭酸ガス濃度センサーまたは／及び酸素濃度センサーを設けるのが好ましい。
【００１５】
更に上記目的は、本発明の第二の基本的な構成である、第一の炭酸ガス溶解器に水及び炭酸ガスを供給し、得られた炭酸水を、第二の炭酸ガス溶解器に供給する炭酸水製造方法により達成される。更には、上記装置の様々な好ましい態様を採用することにより、既述したとおりの本発明に特有の作用効果を発揮できる。
【００１６】
ここで、前記炭酸水の温度を３０〜４５℃の範囲にすること、前記炭酸水の遊離炭酸濃度を８００〜１５００ｍｇ／Ｌの範囲にすることにより、炭酸水の保温作用を効果的に発現させることができる。
なお、炭酸ガスを水に溶解させると、ＣＯ2 、ＨＣＯ3 - 、ＣＯ3 2-の存在形態をとり、水のｐＨによってそれぞれの存在比率が変化する。本発明の炭酸水の遊離炭酸濃度とは、これら全ての存在形態を合わせた濃度をいう。
【００１７】
【発明の実施形態】
以下、図面により本発明の代表的な実施形態を具体的に説明する。図１は本発明の好適なワンパス型装置の概略的な全体構成図の一例である。１は炭酸ガスボンベ、２は圧力計、３は圧力制御バルブ、４は炭酸ガス流量計、５は炭酸ガス流量制御バルブ、６は炭酸ガス導入口、７は第一の炭酸ガス溶解器の構成部材である膜モジュール、８は温水導入口、９は水流量計、１０は水流量制御バルブ、１１はフロースイッチ、１２は増圧ポンプ、１３は第二の炭酸ガス溶解器であるスタティックミキサー、１４は気液分離器、１５はガス排出口、１６は炭酸水排出口、１７は浴槽である。
【００１８】
図示例によるワンパス型の炭酸水製造装置の場合、温水は、本発明の水供給手段である、図示せぬ給湯器から温水導入口８を経て水流量制御バルブ１０を介して一定流量とされて給湯され、増圧ポンプ１２により所要の圧力まで増圧されて膜モジュール７に給送される。一方、炭酸ガスボンベ１からは圧力制御バルブ３で減圧された炭酸ガスが炭酸ガス流量制御バルブ５により流量を制御されて、前記膜モジュール７の炭酸ガス導入口から同膜モジュール７へと導入される。
【００１９】
この膜モジュール７に導入された温水は、同モジュール７に配された図示せぬ複数本の中空糸膜の中空部あるいは外部を通過するようになっており、温水が通過する際に、中空糸膜を介して温水と反対側に導入された炭酸ガスが、中空糸膜を透過して水に溶解することにより炭酸水が生成される。この中空糸膜は、ガス透過性に優れる薄膜状の非多孔質層の両面を多孔質層で挟み込んだ三層構造の複合中空糸膜から構成されていることが好ましく、例えば三菱レイヨン（株）製の三層複合中空糸膜（ＭＨＦ）が挙げられる。
【００２０】
ここで、非多孔質ガス透過膜とは気体が溶解、拡散機構により透過する膜であり、クヌッセン流れのように気体がガス状で透過できる孔を実質的に含まないものであればいかなるものでも良い。非多孔質ガス透過膜を用いることにより、任意の圧力で、ガスが気泡として放出されることなくガスを供給、溶解でき、効率よい溶解ができると共に任意の濃度に制御性良く、簡便に溶解できる。また、膜を介して水または水溶液がガス供給側に逆流するようなこともない。
【００２１】
膜モジュール７にて生成された炭酸水は、次いで前記膜モジュール７と同様に、本発明の特徴部の一部をなす第二の炭酸ガス溶解器であるスタティックミキサー１３に導入される。このようなスタティックミキサー１３を用いると、水のような低粘度流体において、圧力損失が少ない状態で、炭酸ガスを高い溶解効率で溶解することが可能であり、同時に安価に供給が可能である。本発明の第二の炭酸ガス溶解器は、第一の炭酸ガス溶解器の排出口以降に残存する未溶解の炭酸ガスを効果的に溶解するものである。従って、この第二の炭酸ガス溶解器には、基本的に、新たに炭酸ガスを供給する必要はない。スタティックミキサー１３を通された炭酸水は気液分離器１４により未溶解の炭酸ガスが抜かれて浴槽１７に排出される。
【００２２】
図２は本発明の好適な循環型装置の概略的な全体構成図の一例である。１は炭酸ガスボンベ、２は圧力計、３は圧力制御バルブ、４は炭酸ガス流量計、５は炭酸ガス流量制御バルブ、６は炭酸ガス導入口、７は膜モジュール、８は温水導入口、１１はフロースイッチ、１２’は循環ポンプ、１３はスタティックミキサー、１４は気液分離器、１５はガス排出口、１６は炭酸水排出口、１７は浴槽、１８はプレフィルターである。ここで、図１と実質的に同一の機器および部材には同一符号を付しており、本実施例における水供給手段は、図１に示すワンパス型の炭酸水製造装置と実質的に同じである。ただし、図２において、図１と異なる符号が付されている部分が、増圧ポンプ１２に代わる循環ポンプ１２’と新たに設置されたプレフィルター１８である。
【００２３】
この循環型の炭酸水製造装置では、前記水供給手段に加えて、炭酸水が貯えられる浴槽１７から温水導入口８、プレフィルター１８を経て循環ポンプ１２’により、膜モジュール７に給送され、本発明の水循環手段を構成する。一方、炭酸ガスボンベ１からは圧力制御バルブ３で一定圧に減圧された炭酸ガスが、炭酸ガス流量制御バルブ５により流量を制御されて、前記膜モジュール７の炭酸ガス導入口から同膜モジュール７へと導入されて温水に溶解され、温水は浴槽１７に戻される。これを繰り返すことにより、徐々に炭酸水の遊離炭酸濃度が上昇していく。また、浴槽内の遊離炭酸濃度が低下した炭酸水に新たな炭酸ガスを補充する目的で循環させることにも使用できる。
【００２４】
ここで、炭酸ガス流量制御バルブ５を排除しても炭酸水を製造することはできるが、炭酸水の遊離炭酸濃度を精度良く制御するには炭酸ガス流量制御バルブ５を設けることが好ましい。炭酸ガス流量制御バルブ５としては、種々のニードルバルブや、電子式に使われているピエゾもしくはソレノイドアクチュエーターなどを挙げることができ、特に限定するものではないが、ニードルバルブは安価であるため好ましい。また、絞りを有するオリフィスを用いることもできる。
【００２５】
これら炭酸ガス流量制御バルブ５により常に一定の流量を制御することができるが、さらに炭酸ガス流量計４を備えることにより、流量を目視でき、何らかのトラブル時にも瞬時に判断できるのでよい。炭酸ガス流量計４としては、フロート式、電子式などが挙げられる。炭酸ガス流量計４は、炭酸ガスボンベ１と膜モジュール７の間に設ければよいが、膜モジュール７での圧損は、常時一定しているものではないため、フロート式の場合、ガス流量計４の入口と出口との間の差圧が安定している炭酸ガスボンベ１と炭酸ガス流量制御バルブ５との間に設けることが好ましい。
【００２６】
温水は、図１のようなワンパス型の場合、給湯器から供給され、図２のような循環式の場合、浴槽に貯えられたものを循環させる。水流量制御バルブ１０がなくても炭酸水を製造することはできるが、炭酸水の遊離炭酸濃度を精度良く制御するには水流量制御バルブ１０を設けることが好ましい。前述の炭酸ガス流量制御バルブ５と併用すると、炭酸水の遊離炭酸濃度をより精度良く制御することができる。水流量制御バルブ１０の種類は特に限定するものではないが、バルブ前後の圧力に影響しないファンコイル用の制御バルブなどが好ましい。また、炭酸ガス流量制御バルブ５と同様な理由から、水流量計９を備えるのが好ましい。
【００２７】
図１のようなワンパス型の場合、増圧ポンプ１２を備えることは、供給手段の水圧が低いときに、炭酸ガス溶解器の圧損の影響で、時により必要流量を満足できなくなるのを抑えることができるため好ましい。これらのポンプ１２，１２’の空運転防止のため、水または炭酸水が流通するライン中に、フロースイッチ１１を備えることが好ましい。
【００２８】
第一の炭酸ガス溶解器には、エアストーン、焼結金属、膜モジュールを用いることができ、これらを用いることにより、基本的に効率よく炭酸ガスを水に溶解することが可能となる。中でも、より効率良く炭酸ガスを水に溶解するには、膜モジュール７を用いることが好ましい。第一の炭酸ガス溶解器としてスタティックミキサーを用いることも考えられるが、効率よく炭酸ガスを水に溶解するには、スタティックミキサーのエレメント数が多数必要となり、膜モジュールに比べ圧力損失が高くなるので、本発明においては、第一の炭酸ガス溶解器として膜モジュールを用いることが望ましい。
【００２９】
膜の種類には平膜、チューブラー膜、中空糸膜、スパイラル膜などが挙げられるが、装置のコンパクト化、取り扱い易さから考えると中空糸膜が最も好ましい。
【００３０】
膜はガス透過性に優れるものであれば各種のものが用いられ、多孔質中空糸膜でも非多孔質中空糸膜でも良い。多孔質中空糸膜を用いる場合には、その表面の開口孔径が０．０１から１０μｍのものが好ましい。
【００３１】
最も好ましい中空糸膜は、既述したような薄膜状の非多孔質ガス透過層の両面を多孔質層で挟み込んだ三層構造の複合中空糸膜であり、非多孔質ガス透過層（膜）は、気体が膜基質への溶解・拡散機構により透過する膜であり、クヌッセン流れのように気体がガス状で透過できる孔を実質的に含まないものであればいかなるものでも良い。このように非多孔質を用いることにより、炭酸ガスを炭酸水中に気泡として放出することなくガスを供給、溶解でき、効率良い溶解ができると共に任意の濃度に制御性良く、簡便に溶解できる。また、多孔質膜の場合に稀に生じる逆流、すなわち温水が細孔を経てガス供給側に逆流するようなこともない。三層構造の複合中空糸膜は、非多孔質層がガス透過性に優れたごく薄膜状のものとして形成され、これが多孔質により保護されているので、損傷を受け難いため好ましい。
【００３２】
中空糸膜の膜厚は１０μｍから１５０μｍのものが好ましい。１０μｍ未満では膜の強度が不十分となりやすく、また１５０μｍを超えると炭酸ガスの透過速度が低下し溶解効率が低下しやすい。三層構造の複合中空糸膜の場合には、非多孔質膜の厚みは０．３から２μｍが好ましい。０．３未満では、膜の劣化が生じやすく、膜が劣化するとリークが発生しやすくなる。また、２μｍを超えると炭酸ガスの透過速度が下がり溶解効率が低下しやすい。
【００３３】
中空糸膜の膜素材としては、シリコーン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリスルホン系、セルロース系、ポリウレタン系等が好ましいものとして挙げられる。三層構造複合中空糸膜における非多孔質膜の材質としては、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ４−メチルペンテン−１、ポリジメチルシロキサン、ポリエチルセルロース、ポリフェニレンオキサイド等が好ましいものとして挙げられ、特にポリウレタンは製膜性が良好で、溶出物が少ないため好ましい。
【００３４】
中空糸膜の内径は５０から１０００μｍが好ましい。５０μｍ未満では中空糸膜内を流れる炭酸ガスまたは温水の流路抵抗が大きくなり、炭酸ガスまたは温水の供給が困難になる。また、１０００μｍを超えると、溶解器のサイズが大きくなり、コンパクトにならない。
【００３５】
本発明では、第一の炭酸ガス溶解器に水及び炭酸ガスを供給し、得られた炭酸水を、第二の炭酸ガス溶解器に供給することが重要である。
【００３６】
本発明では、第一の炭酸ガス溶解器で炭酸ガスを水に溶解させるが、第一の炭酸ガス溶解器の出口に近いほど、未溶解の炭酸ガスが増大し、溶解効率が低下する傾向があり、第二の炭酸ガス溶解器は、このような未溶解の炭酸ガスを溶解し、溶解効率の低下を抑止する働きを有する。遊離炭酸濃度が８００mg/L以上、特に１０００mg/L以上の高濃度炭酸水を製造する場合においては、未溶解の炭酸ガス量の増大が顕著であり、このような高濃度炭酸水を製造する場合には本発明は特に有効である。また、場合によっては第三以降の、さらに多数の炭酸ガス溶解器を連結しても構わない。
【００３７】
第一の炭酸ガス溶解器に用いる膜モジュール７は、特にワンパス型の場合に膜面積を増やすことで、溶解効率をさらに高めることができるが、本発明では、小さい膜面積の膜モジュールを第一の炭酸ガス溶解器に用いても、膜モジュールで製造した炭酸水を第二の炭酸ガス溶解器に通過させることにより、第一の炭酸ガス溶解器で未溶解の炭酸ガスを溶解させることができ、容易に溶解効率を向上させることができる。
【００３８】
循環型の場合、循環ポンプ１２’の流量／炭酸ガスの流量比を高くするほど溶解効率が高くなるが、その比を高くするほど、循環ポンプの流量が多くなるか、炭酸ガスの流量が少なくなるため、消費電力が増加、あるいは製造時間が長くなるという欠点を生じる。しかし、第二の炭酸ガス溶解器がない場合に比べて、本発明の第二の炭酸ガス溶解器を用いることにより、循環ポンプの流量／炭酸ガスの流量比が同じでも、溶解効率が向上するため、同じ溶解効率にしたいならば、循環ポンプの流量／炭酸ガスの流量比を下げることが可能となり、消費電力を減少させたり、製造時間を短くしたりすることができる。
【００３９】
炭酸水の水温は好ましくは３０℃から４５℃の範囲であり、この範囲であれば最も保温効果があり、かつ快適な入浴ができるためより好ましい。
【００４０】
図２のような循環型の場合、循環ポンプ１２’が必要である。ポンプとしては自吸性能を有する容積式定量ポンプが好ましい。これを用いることで安定した循環と常時一定した循環水量を実現することができる。また、炭酸水が高濃度になると気泡が発生しやすくなり、気泡リッチな状態になるが、このような場合でも、初期の運転時に呼び水をしなくても起動できる自吸性能を有するポンプを使用すれば安定して送水することが可能である。
【００４１】
第二の炭酸ガス溶解器としては、スタティックミキサー１３が好ましい。スタティックミキサー１３は、流体を機械的に分離して炭酸ガスを分散させるもので、詳細については、例えば、萩原新吾監修、静止型混合器 基礎と応用、日刊工業新聞社発行（昭和５６年９月３０日初版第１刷発行）の第１章に詳しく説明されている。
【００４２】
ここで用いるスタティックミキサー１３は、特にステータタイプ及び／又はケニックスタイプを用いるのが好ましい。ステータタイプとは、ＵＳ４０９３１８８号公報等に開示されているスタティックミキサーであり、その構造は、各ステージが３つの半楕円形のバッフルから成り立っており、これらバッフルはセンター軸に沿って２つの交差するバッフルと反対側にもう１つのバッフルを組み合わせたものである。一方のケニックスタイプは、管中に、右方向にねじれた螺旋状エレメントと、左方向にねじれた螺旋状エレメントが交互に配された構造からなるものであり、スパイラルタイプと称することもある。
【００４３】
これらは本発明に用いるスタティックミキサーに適しており、圧力損失が少ない状態で、炭酸ガスを水に高い溶解効率で溶解することが可能でかつ、安価に供給が可能である。
【００４４】
スタティックミキサー１３に同じ流量で水を流す場合、一つの流路に存在するエレメント数が多いほど混合されやすくなり、生成される炭酸水の遊離炭酸濃度が高くなる傾向にある。
しかしながら、エレメント数が１００より多いと、生成する炭酸水の遊離炭酸濃度は頭打ちになる一方で、通水を行う際に生じる圧力損失が極めて大きくなり、通水が困難となる。
一方、エレメント数が５よりも少ないと、スタティックミキサーによる溶解効率向上の効果がなくなるため、スタティックミキサー１３のエレメント数の下限は、５以上が好ましく、１０以上がより好ましい。また、エレメント数の上限は、１００以下が好ましく、５０以下がより好ましい。
【００４５】
なお、スタティックミキサー１３は、一本のまま使っても構わないが、複数本を直列に連結して使用することもできる。直列に連結した場合のエレメント数とは、一本の流路中に存在するエレメント数をいうものであり、例えば一本あたりのエレメント数が７のスタティックミキサーを５本直列に連結した場合、一つの流路に存在するエレメント数は３５となる。
スタティックミキサー１３は、複数本を並列に連結して使用することもできる。並列に連結して使用すると、圧力損失を低い状態に保ちつつ、一度に生成できる炭酸水量を増加させることができるため、好ましい。
並列に連結する場合、例えば一本あたりのエレメント数が２０のスタティックミキサーを５本並列に連結した場合であっても、一つの流路に存在するエレメント数は２０となる。
【００４６】
スタティックミキサー１３のエレメント径は、あまり細いと圧力損失が高くなり、多流量での通水ができないため、内径の下限は、５ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がより好ましい。
【００４７】
スタティックミキサー１３のエレメント径を太くすると、供給する水の流量を高くしても、通水時の圧力損失は低下する傾向にある。
しかしながら、供給する必要のある水の流量があまり多いと、炭酸水製造装置が大規模なものとなるため、内径の上限としては、１００ｍｍ以下であることが好ましく、５０ｍｍ以下がより好ましい。
【００４８】
第一及び第二の炭酸ガス溶解器を通過することにより、非常に効率良く水に炭酸ガスを溶解させることができるが、いかに効率が高くても一部未反応の炭酸ガスが存在する。大量に炭酸水を製造する場合、人体に危害を加える可能性を完全になくすため、第二の炭酸ガス溶解器の後に気液分離器１４を設けるのが好ましい。なお、気液分離器１４は、ガス排出口１５に連通している。
気液分離器１５は、例えばエアーベントバルブを連結させたチーズ配管を使用することができる。
【００４９】
このように、気液分離器１４を設けることにより、浴槽１７に未反応の炭酸ガスが流出しないようになるが、ガス排出口が詰まったときなど何らかのトラブルにより気液分離器１４が機能しなくなった場合を想定して、気液分離器１４の下流側の導管に気泡センサー１８を設けるのが好ましい。気泡センサー１８を設けることで、導管内に気泡が混入した場合に検知し、装置を停止させることが可能となる。気泡センサー１８は超音波式が好ましく、導管を挟んで配した超音波発信子及び超音波受信子を用いて、導管内を透過させた超音波の減衰率から気泡を感知することができる。
【００５０】
また、装置の何らかのトラブルにより、炭酸ガスが漏洩する可能性を考慮して、装置に炭酸ガス濃度センサー及び／又は酸素濃度センサーを設けるのが好ましい。炭酸ガス濃度センサーとしては、赤外線式、固体電解質式などが挙げられ、酸素濃度センサーとしては、磁気風方式、ジルコニア方式、ガルバニ電池方式などが挙げられる。
【００５１】
次に、本発明を実施例により更に具体的に説明する。なお、表中の溶解効率は、以下の式より求めた。
溶解効率（％）＝炭酸水中の遊離炭酸量／使用した炭酸ガス量×１００
【００５２】
（実施例１）
図１に示したワンパス型の炭酸水製造装置により炭酸水を製造した。第一の炭酸ガス溶解器には、膜面積が０．６ｍ2 である三菱レイヨン（株）製三層複合中空糸膜で作られた中空糸モジュールを用い、炭酸ガスを４Ｌ／ｍｉｎで（２０℃換算）、４０℃の温水を５Ｌ／ｍｉｎで、炭酸ガス溶解器に供給した。第一の炭酸ガス溶解器の後部には第二の炭酸ガス溶解器としてＴＡＨインダストリーズ( 株) 製ステータタイプ、スタティックミキサー（型式０５０−０３２F 、エレメント径１０．９７ｍｍ、エレメント数１４）を連結した。表１に結果を示す。
【００５３】
（実施例２）
炭酸ガスを３Ｌ／ｍｉｎ（２０℃換算）でガス溶解器に供給した以外は、実施例１と同様な操作を行った。表１に結果を示す。
【００５４】
（実施例３）
スタティックミキサーにノリタケカンパニーリミテッド（株）製ケニックスタイプ、スタティックミキサー（ＤＳＰ型、エレメント径１０ｍｍ、エレメント数１２）を用いた以外は、実施例１と同様な操作を行った。表１に結果を示す。
【００５５】
（比較例１）
スタティックミキサーを連結しなかった以外は、実施例１と同様な操作を行った。表１に結果を示す。実施例１に比べ、溶解効率が低下した。
【００５６】
【表１】
（実施例４）
図２に示した循環型装置で炭酸水を製造した。第一の炭酸ガス溶解器には膜面積が０．６ｍ2 である三菱レイヨン（株）製三層複合中空糸膜で作られた中空糸モジュールを用い、炭酸ガスを２Ｌ／ｍｉｎで（２０℃換算）炭酸ガス溶解器に供給した。第一の炭酸ガス溶解器の後部には第二の炭酸ガス溶解器としてＴＡＨインダストリーズ( 株) 製ステータタイプ、スタティックミキサー（型式０５０−０３２F 、エレメント径１０．９７ｍｍ、エレメント数１４）を連結した。水槽に水温４０℃の温水を１０Ｌ入れ、循環ポンプで毎分５Ｌの温水を水槽に戻した。循環５分後の結果を表２に示す。
【００５８】
（実施例５）
スタティックミキサーにノリタケカンパニーリミテッド（株）製ケニックスタイプ、スタティックミキサー（ＤＳＰ型、エレメント径１０ｍｍ、エレメント数１２）を用いた以外は、実施例４と同様な操作を行った。表２に結果を示す。
【００５９】
（比較例２）
スタティックミキサーを連結しなかった以外は、実施例４と同様な操作を行った。循環５分後の結果を表２に示す。実施例４に比べて遊離炭酸濃度、溶解効率共に低下した。
【００６０】
（比較例３）
スタティックミキサーを連結せず、炭酸ガスを１Ｌ／ｍｉｎで（２０℃換算）、炭酸ガス溶解器に供給した以外は、実施例４と同様な操作を行った。循環１０分後の結果を表２に示す。実施例４と同じ遊離炭酸濃度及び溶解効率であるが、製造時間は２倍要する。
【００６１】
【表２】
以上の説明からも明らかなように、本発明による炭酸水の製造法によれば、膜モジュールを構成要素とする炭酸ガス溶解器を第一の炭酸ガス溶解器として、炭酸ガスを水に溶解させ、第一の炭酸ガス溶解器を通過した炭酸水を第二の炭酸ガス溶解器であるスタティックミキサーに通過させることにより、従来と比較すると構造が簡単で且つ著しく効率的に高濃度の炭酸水を簡単に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に適用するに好適なワンパス型装置の概略的な全体構成図である。
【図２】本発明に適用するに好適な循環型装置の概略的な全体構成図である。
【符号の説明】
１ 炭酸ガスボンベ
２ 圧力計
３ 圧力制御バルブ
４ 炭酸ガス流量計
５ 炭酸ガス流量制御バルブ
６ 炭酸ガス導入口
７ 膜モジュール
８ 温水導入口
９ 水流量計
１０ 水流量制御バルブ
１１ フロースイッチ
１２ 増圧ポンプ
１２’ 循環ポンプ
１３ スタティックミキサー
１４ 気液分離器
１５ ガス排出口
１６ 炭酸水排出口
１７ 浴槽
１８ プレフィルター
Claims (27)
- 炭酸ガス供給手段と、
水供給手段又は水循環手段と、
該炭酸ガス供給手段と該水供給手段又は水循環手段とに連結された第一の炭酸ガス溶解器と、を備えてなる炭酸水製造装置であって、
前記装置は、さらに、第一の炭酸ガス溶解器の炭酸水排出口の下流側に配され、炭酸水排出口以降に残された、未溶解の炭酸ガスを溶解するための、前記第一の炭酸ガス溶解器の炭酸水排出口に連結された第二の炭酸ガス溶解器とを備えてなり、
前記第一の炭酸ガス溶解器は中空糸膜からなる膜モジュールであり、前記第二の炭酸ガス溶解器はスタティックミキサーである、
ことを特徴とする炭酸水製造装置。 - 前記炭酸ガス供給手段は、前記第一の炭酸ガス溶解器のみに連結されている請求項１記載の炭酸水製造装置。
- 前記中空糸膜が、薄膜状の非多孔質ガス透過層の両面を多孔質層で挟み込んだ三層構造の複合中空糸膜である請求項１記載の炭酸水製造装置。
- 前記スタティックミキサーが、ステータタイプ及び／又はケニックスタイプである請求項１記載の炭酸水製造装置。
- 前記スタティックミキサーのエレメント数が５〜１００である請求項４記載の炭酸水製造装置。
- 前記スタティックミキサーのエレメント径が５〜１００ｍｍである請求項４又は５に記載の炭酸水製造装置。
- 前記炭酸ガス供給手段の下流にあって前記第一の炭酸ガス溶解器の上流に、炭酸ガスの流量制御手段が配されてなる請求項１〜６のいずれかに記載の炭酸水製造装置。
- 前記第一の炭酸ガス溶解器の上流に、水の流量制御手段が配されてなる請求項１〜７のいずれかに記載の炭酸水製造装置。
- 前記第一の炭酸ガス溶解器の上流に、増圧ポンプを有する請求項１〜８のいずれかに記載の炭酸水製造装置。
- 前記炭酸水製造装置の水又は炭酸水が流通するライン中に、前記増圧ポンプの起動／停止用フロースイッチが配されてなる請求項９に記載の炭酸水製造装置。
- 前記第二の炭酸ガス溶解器の下流に、炭酸水と未溶解炭酸ガスを分離する気液分離器が配されてなる請求項１〜１０のいずれかに記載の炭酸水製造装置。
- 前記気液分離器の下流に、気泡センサーが配されてなる請求項１１に記載の炭酸水製造装置。
- 前記気泡センサーが、超音波式である請求項１２に記載の炭酸水製造装置。
- 炭酸ガス濃度センサー及び／又は酸素濃度センサーを有する請求項１〜１３のいずれかに記載の炭酸水製造装置。
- 第一の炭酸ガス溶解器に水及び炭酸ガスを供給する炭酸水製造方法であって、
第一の炭酸ガス溶解器の排出口以降の残された未溶解の炭酸ガスを溶解するために、第一の炭酸ガス溶解器によって得られた炭酸水を、第二の炭酸ガス溶解器に供給することを含んでなり、
前記第一の炭酸ガス溶解器が中空糸膜からなる膜モジュールであり、前記第二の炭酸ガス溶解器がスタティックミキサーである、
ことを特徴とする炭酸水製造方法。 - 前記第一の炭酸ガス溶解器に、水をワンパスで通過させる請求項１５に記載の炭酸水製造方法。
- 前記第一の炭酸ガス溶解器を介して水を循環させる請求項１５に記載の炭酸水製造方法。
- 前記第一の炭酸ガス溶解器のみに炭酸ガスを供給する請求項１５〜１７のいずれかに記載の炭酸水製造方法。
- 前記中空糸膜が、薄膜状の非多孔質ガス透過層の両面を多孔質層で挟み込んだ三層構造の複合中空糸膜である請求項１５〜１８のいずれかに記載の炭酸水製造方法。
- 前記スタティックミキサーが、ステータタイプ又は／及びケニックスタイプである請求項１５に記載の炭酸水製造方法。
- 前記スタティックミキサーのエレメント数が５〜１００である請求項２０に記載の炭酸水製造方法。
- 前記第一の炭酸ガス溶解器に、炭酸ガスを定流量で供給する請求項１５〜２１のいずれかに記載の炭酸水製造方法。
- 前記第一の炭酸ガス溶解器に、水を定流量で供給する請求項１５〜２２のいずれかに記載の炭酸水製造方法。
- 前記第一の炭酸ガス溶解器の上流に増圧ポンプを配し、増圧ポンプで増圧された水を、前記第一の炭酸ガス溶解器に供給する請求項１５〜２３のいずれかに記載の炭酸水製造方法。
- 水又は炭酸水が流通するライン中にフロースイッチを配し、ライン中に水または炭酸水が存在するときのみ前記増圧ポンプを駆動させる請求項２４記載の炭酸水製造方法。
- 生成される炭酸水の温度が３０〜４５℃の範囲である請求項１５〜２５のいずれかに記載の炭酸水製造方法。
- 生成される炭酸水の遊離炭酸濃度が８００〜１５００ｍｇ／Ｌの範囲である請求項１５〜２６のいずれかに記載の炭酸水製造方法。
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