JP4679420B2 - 炭酸水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭酸水製造装置に関する。

ビールやソーダ水のような炭酸飲料は、缶やペットボトル等に充填されて提供されるだけでなく、ビールサーバやドリンクサーバ等からカップ等の器に注がれて提供されることもある。その場合に、器に注がれる直前に、冷却された水及び飲料の原液と、炭酸ガスボンベから供給される炭酸ガスとが混合されて、炭酸飲料が製造される。しかしながら、炭酸ガスボンベの取り扱いが困難であるという問題があった。

これを解決する方法として、下記の特許文献１に、二酸化炭素と水とをタンク内で接触させてガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置と、該ガスハイドレートを水から分離する分離装置と、水が分離されたガスハイドレートを貯蔵するガスハイドレート貯蔵タンクと、炭酸水を製造する炭酸水製造タンクと、飲料貯蔵タンクとよりなり、前記貯蔵タンク内のガスハイドレートを前記炭酸水製造タンクに供給して炭酸水を製造するとともに、該炭酸水を取り出して前記飲料貯蔵タンクから取り出された飲料の原液とを混合するようにしたことを特徴とする炭酸飲料製造装置が記載されている。この製造装置において、ガスハイドレートが水と混合されることにより炭酸水が製造される。

また、二酸化炭素ガスハイドレートは、0 ℃ 程度で 1 m³ のガスハイドレート中に 50 m³ の二酸化炭素ガス及び 0.8 m³の水を含むことが、下記の特許文献２に記載されている。
特開２００５−２２４１４６号公報 特開２００５−３０５１２８号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置によって炭酸水を製造しようとすると、ガスハイドレート製造装置と、分離装置と、ガスハイドレート貯蔵タンクと、炭酸水を製造する炭酸水製造タンクとが必要で、これらの装置を組み合わせて使用しなければならないので、費用が掛かるとともに、ビールサーバやドリンクサーバ等に比べて持ち運びが困難或いは不可能である。

本発明の目的は、持ち運びが容易で簡易な構造で、炭酸水の製造速度を容易に制御できる炭酸水製造装置が提供することである。

本発明では、二酸化炭素ハイドレートを使用する。二酸化炭素ハイドレートは、時間が経過するにつれて二酸化炭素と水とに分解する。なお、0 ℃ 常圧下におけるその体積は、二酸化炭素が二酸化炭素ハイドレートの 50 倍、水が二酸化炭素ハイドレートの 0.8 倍である（特許文献２参照）。そして、二酸化炭素と水とが共存する系において、二酸化炭素は水に溶解する。二酸化炭素の圧力（分圧）が高い場合には、大量の二酸化炭素が水に溶解して、炭酸水が生成する。

本発明の炭酸水製造装置は、二酸化炭素ハイドレートを載せることができ、かつ水を通す孔を有する支持板を内側に有し、全体が断熱材で覆われた下位容器と、該下位容器の上に設けられ、上部に圧力調節弁を、下部に開閉可能な水出口を有し、全体が断熱材で覆われた上位容器と、一端が前記下位容器の下部に取り付けられ、他端が前記上位容器の上部に取り付けられ、前記下位容器内部と前記上位容器内部とを通じさせる第１の導管と、一端が前記上位容器の下部に取り付けられ、他端が前記下位容器の上部に取り付けられ、途中に開閉可能な弁を有し、前記上位容器内部と前記下位容器内部とを通じさせる第２の導管とを備え、前記第１の導管は、前記下位容器内部の圧力によって、前記下位容器に貯蔵されている水を前記上位容器内に供給し、前記第２の導管は、前記弁が開いているときに、重力によって、前記上位容器に貯蔵されている水を前記支持板上に載せられた二酸化炭素ハイドレートに供給することを特徴とする。

下位容器内部は、二酸化炭素ハイドレートの分解により生成した二酸化炭素で満たされるために高圧になる。一方、上位容器内部は、下位容器内部の二酸化炭素が第１の導管を通って上位容器内部に運ばれるものの圧力調節弁によって所定の圧力に保たれるので、下位容器内部よりも低圧になる。下位容器内部の圧力（高圧）と上位容器内部の圧力（低圧）との圧力差によって、第１の導管は、下位容器内に貯蔵されている水を上位容器内に供給する。

弁が開いているとき、第２の導管は、重力によって、上位容器に貯蔵されている水を前記支持板上に載せられた二酸化炭素ハイドレートに供給する。第２の導管は断熱材で覆われていないために、第２の導管から供給される水は下位容器内の二酸化炭素ハイドレートよりも温度が高いので、その水が容器内の二酸化炭素ハイドレートに掛かると、二酸化炭素ハイドレートの分解が促進されて、生成する炭酸水の量が増える。すなわち、弁を開閉することにより炭酸水の製造速度を制御できる。

前記第２の導管は、前記支持板上に載せられた二酸化炭素ハイドレートの全体に水をかける噴出部を前記他端部に備えることが望ましい。

また、本発明の炭酸水製造装置は、前記上位容器に貯蔵されている水の水位に応じて前記弁を開閉する制御装置を備えたことが望ましい。

また、本発明の炭酸水製造装置は、前記第２の導管内の水を加熱するヒータを備えたことが望ましい。第２の導管内の水の温度が高くなるので、二酸化炭素ハイドレートの分解をさらに促進することができる。

さらに、本発明の炭酸水製造装置は、前記下位容器内の氷を融かす加熱手段を備えることが望ましい。これは、例えば、前記下位容器の外に設けられた電源に電気的に接続する、電源スイッチを備えた電熱器である。

本発明の装置は、支持板を有し、全体が断熱材に覆われた下位容器と、下位容器の上に設けられ、圧力弁と水出口とを有し、全体が断熱材に覆われた上位容器と、下位容器内部と上位容器内部とを通じさせる第１の導管及び第２の導管とを組み合わせたものであるので、小型かつ軽量に形成される。すなわち、二酸化炭素ハイドレートから炭酸水を製造するのに必要な手段の全てが、２つの容器に盛り込まれているので、構成が簡易で、持ち運びが容易な炭酸水製造装置が提供される。

また、本発明の装置は、第２の導管に設けられている弁を開けることにより、上位容器に貯蔵されている水が支持板に載せられた二酸化炭素ハイドレートに供給され、二酸化炭素ハイドレートの分解が促進されて生成する炭酸水の量が増えるので、炭酸水の製造速度を容易に制御できる炭酸水製造装置が提供される。

本発明の装置においては、下位容器内部及び上位容器内部を所定の温度及び所定の圧力に保持することができる。これは下位容器及び上位容器に設けられた断熱材と上位容器に設けられた圧力調節弁とにより実現される。下位容器における所定の温度及び所定の圧力とは、例えば -20 ℃ 〜 -10 ℃ 及び 0.2 MPa である。この状態に保持されると、例えば外気温が 30 ℃ の場合には約 2.5 日間、外気温が 0 ℃ の場合には約 8 日間、二酸化炭素ハイドレートを容器内に蓄えておくことができる。また、-20 ℃ 〜 -10 ℃ に保持できる断熱材は、例えば厚さ 2 cm の発泡ポリウレタンである。一方、上位容器における所定の温度及び所定の圧力とは、例えば 0 ℃ 〜 5 ℃ 及び 0.2 MPa である。また、0 ℃ 〜 5 ℃ に保持できる断熱材は、例えば厚さ 1 cm の発泡ポリウレタンである。

下位容器内部において、-20 ℃ 〜 -10 ℃ 下で二酸化炭素ハイドレートが分解すると、生成した水はしばらくすると氷になり、周りの二酸化炭素ハイドレートや支持板等に付着してしまう。しかし、時間が経つにつれて、下位容器外部から供給される熱によって氷は融けて水になる。

図１は、実施例の炭酸水製造装置の全体構成を示す図である。

炭酸水製造装置１は、下位容器１０と、その上に設けられる上位容器２０と、下位容器内部１２と上位容器内部２２とを通じさせる第１の導管３０及び第２の導管４０と、第２の導管４０の途中に設けられた電磁弁４１とで構成される。

下位容器１０は、直径 300 mm 程度、高さ 400 mm 程度、厚さ 1 mm 程度のステンレス製のタンクから成り、容積 20 リットル 程度、重さ 3 kg 程度である。その全体は断熱材１１によって覆われている。断熱材１１は、厚さ 2 cm の発泡ポリウレタンから成り、これによって下位容器内部１２は -20 ℃ 〜 -10 ℃ に保持される。

下位容器１０内には、二酸化炭素ハイドレート２を載せる支持板として、水を通す（しかし、二酸化炭素ハイドレート２は通さない）孔１３ａを有する遮蔽板１３が設けられている。この孔１３ａの大きさは、二酸化炭素ハイドレート２よりも小さい、直径 5 mm 程度が望ましい。なお、遮蔽板１３は、同程度の網目を有する金属製の網、例えば、熱伝導性に優れる銅製の網であってもよい。さらに、遮蔽板１３の上に、11 kg 程度の二酸化炭素ハイドレート２を載せられることが望ましい。そして、遮蔽板１３の下に炭酸水３が溜まる。炭酸水３が溜まるこの部分、すなわち遮蔽板１３下の容積は 1 リットル 程度であることが望ましい。

遮蔽板１３の上には、下位容器１０の外に設けられた電源６１に、電源スイッチ６２を介して電気的に接続する電熱器（ヒータ）６０が設けられている。電源スイッチ６２をオンすることにより、電熱器６０が通電されて 1 ℃ 程度まで昇温することができる。

上位容器２０は、直径 300 mm 程度、高さ 300 mm 程度、厚さ 1 mm 程度のステンレス製のタンクから成り、容積 20 リットル 程度、重さ 2.5 kg 程度である。その全体は断熱材２１によって覆われている。断熱材２１は、厚さ 1 cm の発泡ポリウレタンから成り、これによって上位容器内部２２は 0 ℃ 〜 5 ℃ に保持される。

上位容器２０の上部には、圧力調節弁２３が設けられている。圧力調節弁２３によって、上位容器内部２２の気体が容器外に排出されて、上位容器内部２２は所定の圧力、例えば 0.2 MPa に保持される。また、後述のように、第１の導管３０によって下位容器内部１２は上位容器内部２２に通じているので、下位容器内部１２も上位容器内部２２と同じ圧力に保持される。

上位容器２０内の下部には、栓（図示しない）により開閉可能な水出口２４が設けられている。レバー２４ａを動かして栓を開けることにより、上位容器２０に貯蔵されている水を水出口２４から容器外に出すことができる。

第１の導管３０は、その一端３０ａが下位容器１０の下部に取り付けられ、他端３０ｂが上位容器２０の上部に取り付けられ、下位容器内部１２と上位容器内部２２とを通じさせる。第１の導管３０は、下位容器内部１２の圧力によって、下位容器１０に貯蔵されている水を上位容器２０内に供給する。

上位容器２０内に貯蔵される水に浸かる位置には、フロートスイッチ５１が設けられている。フロートスイッチ５１は、３つのフロート５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを有している。フロート５２Ａは水位Ｈ_Ａに、フロート５２Ｂは水位Ｈ_Ｂに、フロート５２Ｃは水位Ｈ_Ｃに設けられている（ただし、Ｈ_Ａ＜Ｈ_Ｂ＜Ｈ_Ｃである）。

第２の導管４０は、その一端４０ａが上位容器２０の下部に取り付けられ、他端４０ｂが下位容器１０の上部に取り付けられ、上位容器内部２２と下位容器内部１２とを通じさせる。第２の導管４０は、外部からの電気信号によって開閉される電磁弁４１と電熱器（ヒータ）４２とを途中に備え、遮蔽板１３上に載せられた二酸化炭素ハイドレート２の全体に水をかける噴出部４３を他端部に備える。第２の導管４０は、弁４１が開いているときに、重力によって、上位容器２０に貯蔵されている水を遮蔽板１３上に載せられた二酸化炭素ハイドレート２に供給する。

下位容器１０及び上位容器２０の外側には、制御装置５０が設けられている。制御装置５０は、ＣＰＵ及び外部機器との接続用インタフェースを実装したワンチップＩＣから成り、電磁弁４１、電熱器４２、及びフロートスイッチ５１に電気的に接続している。

制御装置５０は、上位容器２０内に貯蔵される水の水位を示すフロートスイッチ５１からの信号に応じて、電磁弁４１を開閉し、電熱器４２をオン・オフする。具体的には、水位が下がって水位Ｈ_Ａになると、制御装置５０は、電磁弁４１を開けるとともに、電熱器４２に通電して加熱する。また、上位容器２０に水が供給されて水位が上がって水位Ｈ_Ｃになると、制御装置５０は、電磁弁４１を閉じるとともに、電熱器４２による加熱を停止する。

電熱器４２が加熱されると、第２の導管４０内を通る水は温められ、下位容器内部１２よりも高い温度、例えば 10 ℃ 程度になる。

実施例で使用される二酸化炭素ハイドレート２は、例えば、上記特許文献１に記載のガスハイドレート製造装置によって製造されるものである。

実施例において、時間が経過するにつれて、二酸化炭素ハイドレート２は、下位容器１２において、二酸化炭素及び水に分解する。生成した水は、下位容器内部１２の温度が低いためにしばらくすると氷になり、周りの二酸化炭素ハイドレート２や遮蔽板１３等に付着する。時間が経つにつれて、下位容器１０外部及び電熱器６０から供給される熱によって、氷は融けて水になる。そして、生成した二酸化炭素によって下位容器内部１２の圧力が高まるので、常圧下に比べてより大量の二酸化炭素が水に溶解して、炭酸水３が生成する。例えば、11 kg の二酸化炭素ハイドレート２から、10 リットル 程度の炭酸水３が生成する。生成した炭酸水３は、遮蔽板１３の孔１３ａを通って、下位容器１０内の底に溜まる。

また、生成した二酸化炭素は、下位容器内部１２を満たして下位容器内部１２を高圧にする。さらに、第１の導管を通って上位容器内部２２に運ばれて上位容器内部２２の圧力を上昇させる。ただし、上位容器内部２２は圧力調節弁２３によって所定の圧力に保たれるので、下位容器内部１２よりも低圧になる。下位容器内部１２の圧力と上位容器内部２２の圧力との圧力差によって、下位容器１０内に貯蔵されている炭酸水３は上位容器２０内に供給され、上位容器２０の底に溜まる。なお、下位容器１０内に貯蔵されている炭酸水３の水位が第１の導管３０の内径よりも高い場合には、主に炭酸水３が上位容器２０内に供給され、第１の導管３０の内径よりも低い場合には、主に二酸化炭素が上位容器内部２２に供給される。

上位容器２０内に貯蔵されている炭酸水４は、レバー２４ａを動かして栓を開けることにより、水出口２４から容器外に出る。

上位容器２０内に貯蔵されている炭酸水４の水位が低くなると、制御装置１０は、電磁弁４１を開け、電熱器４２に通電して加熱する。電磁弁４１が開くと、上位容器２０内に貯蔵されている炭酸水４は、第２の導管４０を通って噴出部４３から、下位容器１０内の遮蔽板１３上に載せられた二酸化炭素ハイドレート２に供給される。このとき、噴出部４３から供給される炭酸水４は、電熱器４２によって加熱されたために、10 ℃ 程度となっている。そして、噴出部４３から供給される炭酸水４によって二酸化炭素ハイドレートの分解が促進されて、炭酸水３の貯蔵量が増える。

炭酸水３の貯蔵量が増えると、炭酸水３は第１の導管３０を通って、上位容器２０内に供給され、上位容器２０に貯蔵される。上位容器２０内に貯蔵されている炭酸水４の水位が高くなると、制御装置１０は、電磁弁４１を閉じ、電熱器４２による加熱を停止する。

以上のように、実施例の炭酸水製造装置１は、容積が 40 リットル 程度と小型で、重さが 7 kg 程度（二酸化炭素ハイドレート２を除く）と比較的軽量であるので、持ち運びが容易である。第２の導管４０に設けられている電磁弁４１を開けることにより二酸化炭素ハイドレートの分解を促進するので、炭酸水４の製造速度を容易に制御できる。

二酸化炭素ハイドレート２の分解速度が遅くて、必要量の炭酸水３が貯蔵されていない場合には、下位容器内部１２を加熱して二酸化炭素ハイドレート２の分解を促進させることができる。下位容器の断熱材１１をパネル状にして、断熱材１１の一部を外して断熱効果を弱めることにより、下位容器内部１２の温度を上げてもよいし、電熱器６０の温度を高くしてもよい。

また、下位容器１０内の下部に貯蔵されている炭酸水３が凍ってしまうことを防ぐために、下位容器１０内の下部に、下位容器１０を覆う断熱材１１とは別の断熱材を設けてもよい。この断熱材は、プラスチック等で覆われていて清潔であることが望ましい。

また、圧力調節弁２３で下位容器内部１２及び上位容器内部２２の圧力を変えることにより、用途に応じて必要な炭酸濃度を有する炭酸水４を得ることができる。

さらに、この炭酸水４と飲料の原液とを混合することにより、炭酸飲料を製造することも可能である。

実施例の炭酸水製造装置の全体構成を示す図。

符号の説明

１：炭酸水製造装置、２：二酸化炭素ハイドレート、３：（下位容器に貯蔵されている）炭酸水、４：（上位容器に貯蔵されている）炭酸水、１０：下位容器、１１：（下位容器の）断熱材、１２：下位容器内部、１３：遮蔽板、２０：下位容器、２１：（上位容器の）断熱材、２２：上位容器内部、２３：圧力調節弁、２４：水出口、３０：第１の導管、４０：第２の導管、４１：電磁弁、４２：電熱器、４３：噴出部、５０：制御装置、５１：フロートスイッチ、５２：フロート、６０：電熱器、６１：電源、６２：電源スイッチ。

Claims (5)

1. 二酸化炭素ハイドレートを載せることができ、かつ水を通す孔を有する支持板を内側に有し、全体が断熱材で覆われた下位容器と、
   該下位容器の上に設けられ、上部に圧力調節弁を、下部に開閉可能な水出口を有し、全体が断熱材で覆われた上位容器と、
   一端が前記下位容器の下部に取り付けられ、他端が前記上位容器の上部に取り付けられ、前記下位容器内部と前記上位容器内部とを通じさせる第１の導管と、
   一端が前記上位容器の下部に取り付けられ、他端が前記下位容器の上部に取り付けられ、途中に開閉可能な弁を有し、前記上位容器内部と前記下位容器内部とを通じさせる第２の導管とを備え、
   前記第１の導管は、前記下位容器内部の圧力によって、前記下位容器に貯蔵されている水を前記上位容器内に供給し、
   前記第２の導管は、前記弁が開いているときに、重力によって、前記上位容器に貯蔵されている水を前記支持板上に載せられた二酸化炭素ハイドレートに供給する
   ことを特徴とする炭酸水製造装置。
2. 請求項１記載の炭酸製造装置において、前記第２の導管は、前記支持板上に載せられた二酸化炭素ハイドレートの全体に水をかける噴出部を前記他端部に備えることを特徴とする炭酸水製造装置。
3. 請求項１又は２記載の炭酸水製造装置において、前記上位容器に貯蔵されている水の水位に応じて前記弁を開閉する制御装置を備えたことを特徴とする炭酸水製造装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載の炭酸水製造装置において、前記第２の導管内の水を加熱するヒータを備えたことを特徴とする炭酸水製造装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載の炭酸水製造装置において、
   前記下位容器内の氷を融かす加熱手段を備えたことを特徴とする炭酸水製造装置。

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