JP5248650B2 - 気体溶解器、及びこれを用いた炭酸水生成装置 - Google Patents

Description

本願発明は、水（又は温水）に炭酸ガス（ＣＯ２）を高濃度に溶解させるための気体溶解器、及びこれを用いた炭酸水生成装置に関する。

近年、水や温水に炭酸ガスを高濃度に溶解させた炭酸水は、人体、農作物に対して様々な効能があることが研究されており、一定の実証事例が公表されている。古くから疲労回復に効果があるとして炭酸泉質（「二酸化炭素泉」）の温泉が身近な例として知られている。炭酸成分が体へ及ぼす効能としては、皮膚から浸透して血行促進，老廃物の排出、むくみの解消など、及び飲料による疲労回復の効果、糖尿病・痛風・貧血症の改善も期待できると言われている。

さらに、水耕栽培用水や土壌洗浄水、農業用水として用いても農作物に対する成長促進があり、他には鶏舎や牛舎の洗浄水として用いた場合には、動物だけでなく作業従事者にも対し衛生状態が向上するとの研究が発表されている。

このようなさまざまな分野への効能・効果が期待できる炭酸水生成装置は、種々の開発が行われその内容が提案されている。

例えば、機械的な装置を用いて水に炭酸を溶解させる方法や装置として、特開２００１−２９３３４４号「炭酸水製造装置および炭酸水製造方法」公報（特許文献１）は、炭酸ガスボンベからの炭酸ガスを、中空糸膜などの膜型炭酸ガス溶解器を用いて、水に溶解する方法（膜による炭酸ガスの溶解方法）を開示する。特開２００４−３０５２８６号「炭酸ガス溶解方法および装置」公報（特許文献２）は、炭酸ガスボンベからの炭酸ガスを、インゼクタを用いて微細気泡として、水に溶解する方法（微細気泡による炭酸ガスの溶解方法）を開示する。特開２００９−１９５８１２号「炭酸水製造装置」公報（特許文献３）は、炭酸ガスを注入した水を加圧部に圧送加圧して水に炭酸ガスを溶解させる装置を開示する。また、特開２００８−２１２４９５号「炭酸泉生成装置」公報（特許文献４）は、水に炭酸水を注入して内径側に蛇腹状の凹凸部を形成した管材をコイル状に巻回させた管路を流通させる炭酸ガス溶解器を用いる装置を開示する。

さらに、電気的な装置を用いて水に炭酸を溶解させる方法や装置としては、例えば、特開平０８−１９６４５６号「二酸化炭素を溶解させた浴用水の供給装置」公報（特許文献５）や特開平０８−２５２１９２号「風呂給湯装置」公報（特許文献６）による開示がある。これらは、陽極および陰極のうち少なくとも陽極に炭素質電極を用いて構成された電解用電極を用いて水を電解することにより、炭素質電極に炭酸ガスを発生させて水に溶解させること（炭素質電極を用いた水の電解による炭素ガスの発生と溶解）により炭酸水を得る方法及び装置である。

特開２００１−２９３３４４号公報 特開２００４−３０５２８６号公報 特開２００９−１９５８１２号公報 特開２００８−２１２４９５号公報 特開平０８−１９６４５６号公報 特開平０８−２５２１９２号公報

しかし、特開２００１−２９３３４４号公報（特許文献１）に開示の膜による炭酸ガスの溶解方法は、水垢及び（又は）細菌の発生により膜が詰まり、炭酸ガスを溶解できなくなる問題点があった。また、特開２００４−３０５２８６号公報（特許文献２）に開示の微細気泡による炭酸ガスの溶解方法は、大きな装置が必要であり炭酸ガスの製造コストも高くなるという問題点があった。また、特開２００９−１９５８１２号公報（特許文献３）の開示には加圧により水に溶解させる加圧溶解部と減圧部も備える必要があり、構成部品が多くかつその制御が煩雑になって家庭的な使用には適さない問題点があった。また、特開２００８−２１２４９５号公報（特許文献４）の開示には、管路が長くなって炭酸泉の生成能力が低下し、内部構造が複雑であるため炭酸ガス溶解部の製造コストが嵩む問題があった。

さらに、特開平０８−１９６４５６号公報（特許文献５）、および特開平０８−２５２１９２号公報（特許公報６）に開示する炭素質電極を用いた水の電解による炭素ガスの発生と溶解により炭酸水を得る方法は、炭素浴に適する高濃度の炭酸水を製造することが困難という問題点があった。

そこで、本願は、上記問題点を解決して、気体溶解を行う混合流路長が短く、かつ簡略な構造であっても炭酸水の生成能力が低下しない気体溶解器、及びこれを用いた炭酸水生成装置を提供することを目的とする。

本願に係る発明（以下、「本発明」）の気体溶解器は、面上に溝状の凸部又は尾根状の凸部平行かつ等間隔で反復形成した平板状の区画板と、該区画板を上記凹部又は凸部が対面するように所定の離隔距離をもって配置すると共に、該区画板の周囲を気密に封止して区画空間を形成してなる気液混合域と、該気液混合域の複数個を重ね合わせて多層構造にすると共に、これら各層のそれぞれと連通する共に前記各区画板（２３）を貫通し、かつ該各層の気液混合域を挟むようにして離隔形成した流体の流入口及び流出口と、から成り、上記凹部（２３ａｘ）又は凸部（２３ａｙ）は、流入口（２１）と流出口（２２）と結ぶ線分を堺として線対称に形成すると共に凹部（２３ａｘ）の溝延長線又は凸部（２３ａｙ）の尾根延長線が上記線分にそれぞれ鋭角に当接するように形成したことを特徴とするものである。

この本発明によれば、凹部又は凸部（以下、「凹凸部」）を形成した所定の離隔距離をもって対面した区画板により区画された気液混合域を流通する流れは、凹凸部に衝突又は邪魔されて乱流状態が形成され、水への気体の溶解を促進することができる。この所定の離隔距離は、流入口から流出口までに至る間に流れの粒子（流体粒子）が区画板の間を複数回往復できる程度の距離を設定する。すなわち、流速や凹凸部の突出高さ、乱流状態を呈する粒子の運動挙動、攪拌状況、及び区画板の面積、さらには水の粘性抵抗など種々の要因を考慮して設定する。例えば、１ｍｍから３ｍｍ、区画板の面積を広く設定できる場合は、３ｍｍから１０ｍｍなどに設定しても良い。流入口と流出口の位置関係は、気液混合域の最遠経路となるように設定する。なお、気液混合域に流れを迂回させるための変向板などを設けた場合は、これを考慮して配設する。

また、気液混合域を多層構造とした構成により、気体溶解器の機能を下げることなく小型化することができ、より設置の自由度を高めることができる。すなわち、気液混合域の容積を広範なものとすれば、それだけ気体の溶解度は上がるが、２枚の区画板の対面のみで区画形成した単層の気液混合域では、広範な占有面積が必要となって、コンパクト性（省スペース性）及び設置性に欠けるものとなる。そのため、この気泡混合域の多数個を重ね合せるようにして積層した多層構造とすることにより、溶解機能を損なわずにより小型化を図っている。

さらに、上記平板状の区画板に形成した上記凹部（２３ａｘ）又は凸部（２３ａｙ）は、流入口（２１）と流出口（２２）と結ぶ線分を堺として線対称に形成すると共に凹部（２３ａｘ）の溝延長線又は凸部（２３ａｙ）の尾根延長線が上記線分にそれぞれ鋭角に当接するように形成したことを特徴とする。

このように凹凸部の構成を付加することにより本発明は、凹凸部を連続した形状態とし、かつ流れを邪魔するように配置しているため、流入口から流出口へ最短経路（ほぼ直線）をたどらず凹凸部の尾根又は溝に沿った向きに導かれ、これにより気液混合域内への滞留時間を長くすることができる。その結果、流れ粒子（水分子や二酸化炭素の気泡）がより攪拌がなされて、二酸化炭素（又は炭酸ガス）の溶解を促進することができる。
さらに、上記凹部（２３ａｘ）又は凸部（２３ａｙ）は、流入口（２１）と流出口（２２）と結ぶ線分を堺として線対称に形成すると共に凹部（２３ａｘ）の溝延長線又は凸部（２３ａｙ）の尾根延長線が上記線分にそれぞれ鋭角に当接するように形成することにより、いわゆる上記凹部（２３ａｘ）又は凸部（２３ａｙ）の形成パターンの外観が矢羽根状を呈したものなり、流入口（２１）から流入した液体と気体の混合物は、上記線分に沿って流れるのではなく、凹部（２３ａｘ）の溝延長線又は凸部（２３ａｙ）の尾根延長線に沿って線分の両側方向に振り分けられ、気液混合域内の滞留時間が長くなって、より拡販が進み、溶解度を上げることができる。

また、本発明にかかる気体溶解器は、前記尾根状又は溝状の凸部又は凹部を、平行かつ等間隔に反復して形成し、かつ対面した凹凸部の反復の周期が同じ又は異なる周期であることを特徴としている。

これにより、対面する凹凸部に沿って流れの粒子が上下に挙動して攪拌と混合が促進される。かつその周期が異なる場合は、より複雑な挙動が誘発されてさらに混合性と攪拌性を高めることができる。

さらにまた、同一周期で凹凸部を形成した区画板の対面配置する場合に、周期を一致させた位置関係で、又は半周期ずれた位置関係で配置するようにしてもよい。

この様に、対面する凹凸部の反復周期を一致させた位置関係で配置した場合は、これに沿った（波状の）流れ粒子の上下動をより活発にすることができ混合性と攪拌性を高めることができる。また、半周期分ずらした位置関係で対面配置した場合、別言すると、凸部どうし及び凹部どうしが対向した位置関係で対面一致させて配置した場合は、形成される空間に拡張空間と狭小空間が形成されるため、流れ粒子に圧縮力と膨張力とを繰り返し与えることができる。この結果、液体粒子と気体粒子どうしの摩擦や衝突より、より活発にこれらの粒子の分裂が誘発されて、液体への気体の溶け込みがより促進させることができる。これにより、炭酸ガスが高濃度に溶解した気液水を生成することができる。

請求項４にかかる発明の炭酸水生成装置は、上記した各構成からなる気体溶解器と、該気体溶解器の気液混合域に水と炭酸ガス（ＣＯ２）とをそれぞれ別個に、又は合流させてから供給するために流入口に連結した注入管と、前記気体溶解器で生成した炭酸水を外部へ供給するために流出口に連結した流出管と、から成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、簡単な構造で、かつ外部から加圧や電気などのエネルギーを付加することなく、水道圧と炭酸ガスの供給圧のみで効率良く炭酸ガスの溶解を行うことができる。

また、炭酸水生成装置は、上記で特定した炭酸水生成装置に注入して炭酸ガスを溶融させる水（媒体）として常温の水ではなく、加熱水を用いても良い。

この発明によれば、炭酸ガスの水への溶け込みをより効率的に行うことができ、例えば、水の温度を適宜に設定することにより、生成した炭酸水をそのまま入浴用水として使用したり、高温である場合は浴槽水への差し湯としても使用することができる。また、効果的な高温殺菌水や高温消毒水としても用いることができる。

上記各構成の本発明によれば、気体と溶解させる媒体（水）とが混合した気液は、所定面積を有する区画板の対面により区画形成した狭小空間の気液混合域を通過して、流入口から流出口へ至るため、企画板の間に乱流状態が形成されて粒子はより攪拌されて、可溶性気体（炭酸ガス等）の液体への溶解の度合いを高めることができる。

また、気液混合域を多層化することにより省スペースで効率良く気体を溶解させることができる。

さらに、上記構成の気体溶解器を用いる炭酸水生成装置は、水道水と気体溶解器の流入口の経路に供給圧を調整可能とした炭酸ガス供給手段（例えば、二酸化炭素を充填したガスボンベ（以下、「炭酸ガスボンペ」）を接続するだけの簡易な構成であるため、一般家庭の水道水の管路や給湯設備の管路に容易に接続することができる。また、使用するエネルギーは、湯水の供給圧（又は水道利用の場合は水道圧）と炭酸ガスボンベからのガス圧のみであり、外部からの追加のエネルギー（例えば、コンプレサーからの付加圧力や外部電源からの付加電力）を必要としない。その結果、簡易かつ容易にかつ継続的に、さらには制御し易く安全な炭酸水を得ることができる。そのため、装置の設置コストや保守管理のための維持コストを低くすることができる。

本発明に係る炭酸水生成装置の実施例（以下、「本実施例装置」と略称。）を示す概略図である。 本装置実施例に用いる本願発明に係る気体溶解器の実施例（以下、「本実施例溶解器」と略称。）を一部切り欠き断面で示す斜視図である。 本実施例溶解器の断面を示すものであり、（Ａ）は溶解器の中央長手方向の切断端面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部を拡大して示す部分拡大図である。 本実施例溶解器の区画板の他の実施例を示すものであり、（Ａ）は２種の凸部の反復形成例、（Ｂ）は尾根状又は溝状の凹凸部の平行反復形成例、（Ｃ）これを流れの方向と所定角度で交差するように形成した例、を示す斜視図である。 本実施例装置の具体的使用例の概略構成を示す概略図である。

次に、本願発明にかかる気体溶解器、及びこれを用いた炭酸水生成装置の具体的実施形態の一例について、図面に基づき詳細に説明する。

図１、及び図５は、本装置実施例を示す概略図である。炭酸水生成装置１は、主要構成要素である気体溶解器２の流入口２１には、水道水や給湯器から水又は温水を供給する流入管３としての注水管３ａを連結すると共に、流出口２２には外部機器類５（浴槽５１、シャワーヘッド５２、又は蛇口５３、等）へ配管した流出管４を連結している。また、注入管３には流入口２１の近傍に炭酸ガスボンベ６からの炭酸ガスを供給するため、Ｔ型継手３ｃ（通称、「チーズ」）及び調整弁３ｄを介して流入管３としてのガス供給管３ｂを連結している。

かかる構成により、炭酸ガスボンベ６から供給された炭酸ガスと、注水管３を流通してきた水又は温水とが、Ｔ型継手３ｃで合流して気体溶解器２内に導入される。そして、後述の気液混合域７を構成する区画板２３の作用によって、炭酸ガスが水に溶解して炭酸水となって流出口２２から流出し、連結された流出管４を通って、外部機器類５の浴槽５１やシャワーヘッド５２、さらには消毒水または洗浄用水として蛇口５３へ供給される。

本実施例装置では、水の流入管３としての注水管３ａからの供給圧（水圧）は、既設の公共水道や個別給湯設備からの給水圧又は給湯圧を、例えば０．０５〜０．５Ｍｐａ範囲で適宜に調整して用いている。また、炭酸ガスボンベ６からのガス圧は調整弁３ｄにより０．１５〜０．４Ｍｐａの範囲内で適宜に調整している。

また、水道圧又は給湯圧とガス供給圧のみをエネルギー源とし、外部から付加的に供給する電力や動圧を必要とすることなく、簡易かつ容易にさらには短時間で生成することができる。さらに全体がコンパクト（省容積化）に構成しているため、炭酸ガスボンべのみを調達して設置すれば、種々の人体的な効能・効果があると言われている炭酸水を一般家庭においても容易かつ手軽に利用することができる。

次に、炭酸水生成の主要要素である気体溶解器について、図２〜図４を用いて説明する。気体溶解器２は、所定の面積をもって平板状に形成（主に、金属製、樹脂製、）した区画板２３を、互いに所定の離隔距離をもって平行に対面させて形成している。本実施例では、上記離隔距離を例えば、約１ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定している。これは注入する水と炭酸ガスの流速、流量、及び流路の距離、さらには所望する溶解状態の仕様によって適宜に設定されるものである。さらに、対面させた区画板２３、２３の周囲の縁部２４どうしを溶着又は別部材を介在させて気密に封止することによって、気液混合域７を形成している。

この気液混合域７の両端部付近、又は流路が対向する位置には、適宜の継手（エルボー、スイベル、等）を介して、上記流入管３を連結する流入口２１（図面では単一の場合）、及び流出管４を連結する流出口２２を形成している。流路が対向する位置としては、気液混合域７の内部に迂回流路（例えば、Ｕ字状の流路、Ｗ字状の流路、等）を形成のための変向板（図示省略）などを設けていない場合は、気液混合域７の可能な限り最遠の対向距離を持って形成するのが好ましい。なお、気液混合域７内にＵ字状の迂回流路を形成している場合は、流入口２１と流出口２２とは隣接した位置関係となる。

また、気体溶融域７を区画する区画板２３の表面には、凹凸部２３ａを形成している。この凹凸部２３ａは、連続した尾根状（又は峰状）と溝状が一定の間隔で平行に繰り返して形成している。いわゆる縞模様（又は波板状）の外観を呈している。かつ、この連続した尾根や溝の延長方向（形成方向）は、流入口２１と流出口２２とを結ぶ線分と斜めに交差するように形成している。この交差角は適宜である。これにより、流れは凹凸部２３ａによって邪魔されて乱流状態となると共に、流入口２１から入った流れの粒子（水粒子と炭酸ガス気泡）は掻き乱されて攪拌混合が促進されて、流出口２２へ至ることとなる。またこの流れの邪魔は、それだけ気液混合域７内への滞留を長くして攪拌時間を長くして、炭酸ガスの水への溶解を促進する効果を有する。この過程において、炭酸ガスは水に溶解して、不安定な状態ではあるが、炭酸水素イオンＨＣＯ３−や水素イオンＨ＋が水中に生成されることとなる。これらイオンの存在割合によって、飲用水として又は浴用水として利用した場合には、種々の効能や効果が期待できると言われている。

さらに、図示する本実施例は、請求項４で特定するように気液混合域７を多層に重畳形成している。すなわち、上記２枚の区画板２３、２３を離隔配置して形成した複数個の気液混合域７を重ね合わせて多層構造としたものである。この多層構造とした場合、流入口２１と流出口２２とは、各層を貫通するように形成しており、かつ流入させた流れの粒子（水粒子と炭酸ガス気泡）が各層を均等に流れるように考慮した構成を取っている。図示は省略するが、例えば、貫通した流入口２１の開口径を流入管３の接続部から離れるにしたがって径を大きくしたり、又は流入口２１内に変流板や部分的遮蔽板などを設けるようにしても良い。

所定の間隔（当間隔、又は異なる間隔）をもって重ね合せるようにして多層配置した各区画板２３、２３、・・・には、上記したように一定の間隔で繰り返し形成（反復形成）してなる外観上、いわゆる縞模様又は波模様に形成している。さらに、かかる模様状に反復形成した各区画板２３、２３、・・・は、それぞれを同周期又は異周期で形成しても良く、またその対面配置は、凹凸部２３ａの周期を一致させて行っても良く、又はずらした状態で配置しても良い。図３で示した実施例では、凹凸部２３ａを同周期で形成した区画板２３を、半周期のずれを持って対面配置させたものである。別言すると、凸部２３ａｘどうし、凹部２３ａｙどうしを対向させた状態での配置である。このように配置することにより、気液混合域７の空間内には周期的に繰り返す拡張空間７ａと狭小空間７ｂとが形成される。

このように拡張と狭小を繰り返すことにより、流れの粒子に圧縮力と膨張力とが周期的に付加され、これによって粒子どうしの摩擦や粒子の分裂が誘発される。これにより、気体（炭酸ガス）の液体（水又は温水）への溶け込みが促進されて高濃度の炭酸ガス溶解液（炭酸水）を得ることができる。

次に、区画板２３は、上記構成に限定されるものではなく、図４に示すように、種々の凹凸形状に形成してもよい。例えば、（Ａ）に示すように、２種（又はそれ以上）の天面を平坦にした突起状凹凸部２３ｂに形成して、行列状に又はランダムに適宜の仕様で形成しても良い。また（Ｂ）に示すように、尾根又は溝の連続を中断させた線分状凹凸部２３ｃとしても良い。これにより流れを促進させても良い。特に、区画板２３の離隔距離を狭くした場合は、所定の流量を確保する場合は効果的である。さらに、（Ｃ）に示すように、尾根状又は溝状の凹凸部の平行反復形成を、流れ方向に対して斜めに交差させて配置した場合、区画板２３の長手中央部（又は複数の長手方向線部）で向きを変更させて形成してもよい。外観上、いわゆる矢羽根状の模様に形成しても良い。

なお、区画板２３の多層時の組合せは、上記した凹凸部２３の形態、及び各層における離隔距離は、各区画板の面積、流入体の圧力、温度、又は必要とする溶解度を考慮して適宜に選択されるものである。

［実証データ］
次に、上記本実施例装置を用いて炭酸水の生成性状態を試験した実証データを以下に示す。表１〜表３は、流入水量と水圧、及び炭酸ガス流量とガス圧とを３種のパターンをもって、流入水の温度を変化させた時の溶解度と炭酸ガス濃度を示したものであり、表４は、流入水の水量と温度を一定として、一定ガス圧で炭酸ガスの流量を変化させた時の溶解度と炭酸ガス濃度を示したものある。

１ 炭酸水生成装置
２ 気体溶解器
２１ 流入口
２２ 流出口
２３ 区画板
２３ａ 凹凸部
２４ 縁部
３ 流入管
４ 流出管
５ 外部機器類
６ 炭酸ガスボンベ
７ 気液混合域

Claims (4)

1. 面上に溝状の凹部（２３ａｘ）又は尾根状の凸部（２３ａｙ）を平行かつ等間隔で反復形成した平板状の区画板（２３）と、
   該区画板（２３）を上記凹部又は凸部が対面するように所定の離隔距離をもって配置すると共に、該区画板（２３）の周囲を気密に封止して区画空間を形成してなる気液混合域（７）と、
   該気液混合域（７）の複数個を重ね合わせて多層構造にすると共に、これら各層の気液混合域（７）のそれぞれと連通すると共に前記各区画板（２３）を貫通し、かつ該気液混合域（７）を挟むようにして離隔形成した流体の流入口（２１）及び流出口（２２）と、から成り、
   上記凹部（２３ａｘ）又は凸部（２３ａｙ）は、流入口（２１）と流出口（２２）を結ぶ線分を堺として線対称に形成すると共に凹部（２３ａｘ）の溝延長線又は凸部（２３ａｙ）の尾根延長線が上記線分にそれぞれ鋭角に当接するように形成したことを特徴とする気体溶解器。
2. 前記の凹部（２３ａｘ）又は凸部（２３ａｙ）が、
   該凹凸部（２３ａ）の反復周期が同一又は異なる周期であることを特徴とする請求項１記載の気体溶解器。
3. 同一周期で凹凸部（２３ａ）を形成した区画板（２３）の対面配置が、
   周期を一致させた位置であること、又は半周期ずれた位置であることを特徴とする請求項２記載の気体溶解器。
4. 請求項１から３のいずれか記載の気体溶解器（２）と、
   該気体溶解器（２）の気液混合域（７）に水と炭酸ガス（ＣＯ２）とをそれぞれ別個に、又は合流させてから供給するために流入口（２１）に連結した流入管（３）と、
   前記気体溶解器（２）で生成した炭酸水を外部へ供給するために流出口（２２）に連結した流出管（４）と、
   から成ることを特徴とする炭酸水生成装置。
   

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