JP5932775B2 - 高エネルギー衝突を用いた水への二酸化炭素の可溶化方法 - Google Patents

高エネルギー衝突を用いた水への二酸化炭素の可溶化方法 Download PDF

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Description

発明の分野
本開示は、気体を液体中に溶解させるための、特に人による摂取のための炭酸飲料を作製するための機器、システム、および方法に関する。
発明の背景
水および二酸化炭素は、一般的に、通常の環境条件下、すなわち、室温および大気圧下において非混和性である。二酸化炭素が水に可溶となるような条件を作り出すことによって炭酸水を製造するための機器および方法は公知である。概して、二酸化炭素は、圧力増加および温度低下に伴って、水に対してより可溶性となる。
水を炭酸化するための最も商業化されている装置は、水の容器中に噴霧される二酸化炭素を使用しており、このプロセスによって得られる結果は非常に乏しく、水の炭酸化は弱く、あまり長くは継続しない。それに対して、水分配ユニットにおいて炭酸飲料を製造し分配する装置は、通常、サチュレータと呼ばれる炭酸化タンクと、高圧水ポンプとを用いている。二酸化炭素によってサチュレータタンクを加圧し、当該タンクを冷却された水で満たすことによって炭酸水が製造される。サチュレータタンクは、通常、約70psiの高圧に維持されているため、当該タンクに水を注入するためには、比較的高価な高圧水ポンプが必要である。さらに、サチュレータタンク内の条件下で二酸化炭素が水に溶解して炭酸化の所望のレベルを達成するまでには時間がかかる。したがって、サチュレータは、通常、分配するためにすぐに供給できるだけの炭酸水を保持するのに十分なくらいに大きく、かつ新しい炭酸水をオンデマンドで即座に作製することができない。この供給を維持するため、サチュレータ内の炭酸水のレベルが設定された閾値未満に下がると、高圧ポンプを稼働させて水をサチュレータに注入し、次いで、タンクが適切なレベルまで満たされたときに水の注入を停止するために、2つ以上のセンサーならびに関連する電子制御装置を使用する。
これらの典型的な炭酸化装置は、比較的大きなスペースを占め、高価で複雑な電子的な水圧式制御システムを必要とする。この複雑な構造のために、これらの装置は、騒音が大きく、かなりの量のエネルギーを使用し、ならびに頻繁なメンテナンスを必要とする。
開示する本発明の態様は、水への二酸化炭素の可溶化のための効率的で安価な方法、機器、およびシステムを教示する。
本開示の例示的一態様により、二酸化炭素を水に可溶化する方法を教示する。当該方法は、チャンバーへの水および二酸化炭素の注入によって開始される。これらの二酸化炭素および水は、チャンバー内で混合されて環状分散流を形成する。次いで、この流れは、加速され、方向付けされて、剛体表面に衝突し、その結果、二酸化炭素を水に可溶化するのに十分な圧力が形成される。当該炭酸水は、次いで、分配するために収集される。
本開示の別の例示的態様により、分配のために炭酸水を作製するための、送水管経路に位置することができる機器を開示する。有利には、当該機器は、導入口経路を通して二酸化炭素および水を受け入れる。そこから、二酸化炭素および水の流れは、分散流を作り出すために、導管内に配置された1つまたは複数の分散要素を通過する。当該分散された流れは、次いで、当該導管内の受動的加速器を通過し、その結果、システムの運動エネルギーが大いに増加される。加速された流れは、受動的加速器のすぐ下流の剛体衝突面と衝突するように方向付けされる。この衝突により、かなりの圧力が生じ、それにより、二酸化炭素が水の中へと可溶化される。炭酸水の流れを集めて整流するために、当該機器のアウトプットに滞留網状部が提供される。
当該開示される方法、機器、およびシステムにおける有利な局面を含むさらなる態様について、詳細に開示しながら説明する。本明細書におけるすべての開示は、単なる例示であり、ならびに、開示し権利を主張する発明の趣旨および範囲を変えることなく、当業者によって容易に適合させることができる。
[本発明1001]
チャンバー内へ水および二酸化炭素を注入する工程；
該チャンバー内で環状分散流を作り出すために、該二酸化炭素と水を混合する工程；
二酸化炭素と水の該環状分散流を加速する工程；
二酸化炭素と水の該加速された流れを方向付けして、剛体表面に衝突させ、それによって、該二酸化炭素を該水中へ可溶化するのに十分な圧力を作り出す工程；ならびに
該可溶化された二酸化炭素と水の混合物を収集する工程
を含む、水に二酸化炭素を可溶化する方法。
[本発明1002]
水が、10psiを超える圧力で注入される、本発明1001の方法。
[本発明1003]
混合する工程が、チャンバー内の方向性の混合要素によって達成される、本発明1001の方法。
[本発明1004]
混合する工程が、チャンバー内のらせん状の混合要素によって達成される、本発明1001の方法。
[本発明1005]
加速が、絞り機構によって達成される、本発明1001の方法。
[本発明1006]
絞り機構の断面積に対するチャンバーの断面積の比率が20未満である、本発明1005の方法。
[本発明1007]
加速が、ベンチュリ管または類似物によって達成される、本発明1001の方法。
[本発明1008]
加速が、砂時計形状のノズルによって達成される、本発明1001の方法。
[本発明1009]
可溶化された二酸化炭素と水の混合物の収集が、該混合物を混合要素を有する流路を通過させる工程を含む、本発明1001の方法。
[本発明1010]
二酸化炭素と水の環状分散流が、少なくとも0.05インチ／秒の速度に加速される、本発明1001の方法。
[本発明1011]
二酸化炭素および水の流れと剛体表面との間の衝突が、-40〜5フィート−ポンド／cm 3 のエネルギー密度を生じる、本発明1001の方法。
[本発明1012]
導管；
該導管の近位末端における、流路への導入口；
該導管内に配置された1つまたは複数の分散要素；
該導管内における受動的加速器；
該受動的加速器のすぐ下流の剛体衝撃面；および
該導管の遠位末端に接続されている滞留網状部
を備える、水への二酸化炭素の可溶化のための機器。
[本発明1013]
導入口が、Y字形状導入口の一方の分岐における二酸化炭素供給と、該Y字形状導入口の他方の分岐における水供給とを有するY字型接続部を備える、本発明1012の機器。
[本発明1014]
分散要素が、固定型のらせん状ミキサーを備える、本発明1012の機器。
[本発明1015]
分散要素が、固定型方向性ミキサーを備える、本発明1012の機器。
[本発明1016]
分散要素が、固定型のらせん状ミキサーおよび固定型方向性ミキサーの両方を備える、本発明1012の機器。
[本発明1017]
受動的加速器が、円筒状オリフィスである、本発明1012の機器。
[本発明1018]
受動的加速器が、砂時計形状のノズルである、本発明1012の機器。
[本発明1019]
受動的加速器が、ベンチュリ管である、本発明1012の機器。
[本発明1020]
剛体衝突面が、ナイフ状のブレードである、本発明1012の機器。
[本発明1021]
滞留網状部が、固定型ミキサーを含む、本発明1012の機器。
[本発明1022]
滞留網状部の遠位末端に分配器をさらに備える、本発明1012の機器。
[本発明1023]
受動的加速器が絞り機構である、本発明1012の機器。
[本発明1024]
絞り機構の断面積に対する該絞り機構のすぐ先の導管の一部の断面積の比率が、該導管内の流体流の速度を最高100倍まで加速するような比率である、本発明1023の機器。
[本発明1025]
導管；
二酸化炭素と水を該導管へと方向付けするための導入口；
該導管内の剛体表面；および
該二酸化炭素と水が該剛体表面に衝突したときに水に二酸化炭素を可溶化させるのに十分なエネルギー密度を生じるような十分な速度まで、該二酸化炭素と水を加速するための、該導管内における絞り機構
を備える、水に二酸化炭素を可溶化するための機器。
[本発明1026]
導管；
二酸化炭素と水を該導管へと方向付けするための手段；
該導管内の剛体表面；および
該二酸化炭素と水が該剛体表面に衝突したときに水に二酸化炭素を可溶化させるのに十分なエネルギー密度を生じるような十分な速度まで、該二酸化炭素と水を加速するための手段
を備える、水に二酸化炭素を可溶化するための機器。
添付の図面は、本開示による様々な非限定的で代表的な本発明の局面を示すものである。
開示する方法、システム、および機器の一局面の概念図を示す。 開示する方法、システム、および機器の局面を示す。 開示する方法、システム、および機器の一局面を示す概念図。 開示する方法、システム、および機器の一局面を示す概念図。 開示する方法および機器と共に使用するためのシステムの態様を示す。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。 開示する方法、システム、および機器の一局面を示す概念図。 開示する方法、システム、および機器の一局面を示す概念図。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。 開示するシステムおよび方法と共に使用するための機器の態様。
本発明の詳細な説明
迅速で効率的な、水への二酸化炭素の可溶化のための機器、システム、および方法を本明細書において開示する。特に、運動エネルギーを局所的圧力波へと瞬間的に変換して、水に二酸化炭素を可溶化するのに十分なエネルギー密度の領域を作り出すことにより、炭酸水を生成する。これは、炭酸水の連続流を作り出すために水供給のインラインに設置された機器を使用することによって達成することができる。
開示する方法の特に有利な一局面は、剛体表面への二酸化炭素／水ストリームの衝突による水への二酸化炭素の可溶化である。図1Aは、本発明による例示的衝突において生じる相互作用の概念図を示している。
図1Aに示されるように、二酸化炭素／水ストリーム2は、剛体表面、例えば壁1へと方向付けされる。壁との衝突において、ストリーム2の運動量は急にゼロとなり、高エネルギー密度で非常に大きな局所的圧力のゾーン3を生じる。衝突によって作り出された大きな圧力により、結果として、水への二酸化炭素の可溶化が生じる。
圧力ゾーン3では、二酸化炭素／水混合物と剛体表面と；入ってくるストリームと剛体表面で弾けた二酸化炭素および水の小滴（すなわち、散乱混合物）と；当該散乱混合物とストリームを輸送する導管の側壁との間において、可溶化を作り出す大量の瞬間的衝突が生じる。
二酸化炭素／水ストリームが剛体表面に衝突した際に生じる運動量の変化により、結果として、当該ストリームに加わる力が生じる。すべての運動量の変化と同様に、当該変化を作り出すために適用された力は、それが生じている期間の関数である。運動量は、二酸化炭素／水ストリームが剛体壁に衝突するとほぼ瞬時に変化するので、当該力は非常に短い時間において働き、結果として、非常に大きい力となる。
圧力ゾーンにおいて発生する最適な力、または効率的な可溶化のためにその領域において得られるべき圧力エネルギー密度は、-40〜5フィート−ポンド／cm3の範囲である。図1Bは、二酸化炭素／水ストリームの速度に対する圧力エネルギー密度の変化を示すグラフである。二酸化炭素／水ストリームの速度が増加するに従い、運動エネルギー密度における増加を相殺するように圧力エネルギー密度が減少する。次いで、圧力エネルギー密度におけるこの減少は、剛体壁1および圧力ゾーン3での気体／液体界面においての衝突力の増加へと変換される。
混合二酸化炭素／水ストリームが剛体壁と衝突する際、発生する衝突力は、瞬間的に生じている（時間＝0において）。時間が連続的に進むに従い（時間＝t1....tn）、入ってくる二酸化炭素および水の分子と、異なる方向の速度を有する既に可溶化された二酸化炭素および水の分子との間で、さらなる衝突力が発生する。累積連鎖効果により、連続する瞬間的な運動量移動の結果として、当該力が、所定の時間量において当該ストリームの各セグメントに作用して、2つの相がお互いにさらに統合され、その結果、二酸化炭素が徹底的にかつ完全に可溶化された炭酸水が生成される。
水／二酸化炭素ストリームを構造化することにより、さらに、衝突部位での二酸化炭素の可溶化を高めることができる。構造化しなければ、水／二酸化炭素ストリームは、図2Aに示されるように、水の層4および二酸化炭素の層7による実質的に分離した層において二酸化炭素および水が流れる層状の配置を取る傾向にあるであろう。これらの層では、二酸化炭素と水との接触の表面積が限られてしまうため、最適な可溶化が妨げられる。このように接触の表面積が限定されることで、水へ二酸化炭素を可溶化する機会が減少する。水／二酸化炭素ストリームを構造化して実質的に層流を防ぐことにより、この問題は解消される。
構造化の基本的な目的は、2つの物質の間の接触の総表面積を増加させるために、水滴が二酸化炭素流と均一に混合された分散流を作り出すことである。実際には、流れのパターンは、完全には分散されず、図2Bに概念的に示されているように、水4と分散水と二酸化炭素8との環状分散パターンが生じる。図示されているように、結果として生じる流れは、典型的には、チャンネルの壁に沿って水の比較的薄い層で囲まれた分散した水滴を含有する二酸化炭素コアを有する。
環状分散流を作り出すための当技術分野における任意の公知のメカニズムは、開示された方法に適合させることができるであろう。例えば、このタイプの流れは、流路における定置型混合要素、例えば、導管壁から突き出たフィンまたは流路に軸方向に配置されたらせん状の構造体などによって作り出すことができる。
水への二酸化炭素の可溶化は、さらに、剛体壁との衝突の前に二酸化炭素／水流を加速することによっても高めることができる。好ましくは、当該加速は、強制的にストリームを加速器に通すことによって達成される。当技術分野において周知のように、流体流を絞り機構に通すことにより、質量保存の原理のため、結果として、加速された流れが生じる。これは、単純なオリフィスまたはより複雑な工学的構造体、例えばベンチュリ管などを介して、構造的に達成することができる。
加速器は、衝突の前に二酸化炭素／水ストリームの運動エネルギーを容易に増加させるために使用される。したがって、所定の導入口速度および圧力に対して、高価なポンプ流送装置を必要としなくても二酸化炭素／水流のエネルギーが増加される。この増加された運動エネルギーは、圧力ゾーンにおいて実現される圧力を増加させ、結果として、より大きな運動エネルギーが消失するために、衝突部位での可溶化が向上する。
絞り器による加速は、分散流を加速する場合に特に有利である。分散流を絞り機構に通すことで、二酸化炭素および水が一様に加速されるのを確実にするための役に立ち、その結果、剛体表面との衝突における可溶化が高められる。
剛体表面との衝突の後、分配する前に整流するために剛体壁と分配器の導出口との間において滞留網状部を採用することで、二酸化炭素可溶化のレベルはさらに増加され得る。滞留網状部は、炭酸水を、分配にとって許容可能な圧力、例えば、10psi〜40psiに安定させる。当該滞留網状部により、剛体表面を通過する高圧のカオス流が、分配のための整えられた連続流へと収集される。
分配のための好適な流れを作り出すことに加えて、滞留網状部は、炭酸化プロセスも向上させる。当該滞留網状部を流体で満たすことは、衝突エリアの導出口での圧力を維持することに役立つ。これは、結果として圧力ゾーン内においてより高い圧力を生じる。対照的に、衝突エリアの導出口での圧力が比較的低い場合、例えば大気圧などでは、衝突エリアの導出口を通って圧力ゾーンによって高められた圧力が、容易に解放されてしまうだろう。
滞留網状部は、比較的高い圧力を衝突エリアの導出口において維持することを可能にし、当該圧力は、飲料を分配するのに適切な圧力、例えば10psi、まで徐々に減じることができる。
滞留網状部による圧力低下は、当該滞留網状部の長さ、幅、および構造に応じて変わる。例えば、直径が一定の場合、滞留網状部の長さを増加させると、当該滞留網状部による圧力低下は増加するであろう。滞留網状部の直径を3／16インチ（0.1875インチ）に維持した場合、約160psiの圧力で開始すると仮定して、約10インチ長の滞留網状部では、約120psiの圧力低下を生じるであろう。
上記において説明した高エネルギー壁衝突の説明される方法は、単独でも、炭酸飲料を製造するのに十分であり、（i）流れ構造化分散、（ii）加速器、および（iii）衝突後の滞留網状部、の併用は、一緒に連続して設置されている場合、それぞれ、相乗効果に対して有利に働く。換言すれば、各工程を追加することで、当該方法およびアウトプット製造物の性能がさらに向上する。これらの追加の工程の1つまたは複数を、好ましくはそれらすべてを組み合わせて使用することで、水の中に二酸化炭素が十分に可溶化された混合物が製造される。
開示される炭酸水の製造方法は、水の温度を下げるために、冷却装置、例えば冷蔵庫などを導入することによりさらに増強される。当該冷却装置は、好ましくは、水が、流れ発達部、衝突壁、および滞留網状部によるシステムに入る前に水を冷却するために機能するであろうが、当該冷却装置は、冷却がこれらの任意の位置またはすべての位置において生じるように機能させることもできるであろう。
開示する方法は、例えば、流路においてポンプを用いることにより、または高い位置の水供給から重力によって送ることにより、当該システム中の水の流圧を高めることによって、さらに増強することもできるであろう。ポンプまたは他の圧力増強装置は、好ましくは、流れ発達部によって水が二酸化炭素と混合されるより前の位置に、設置されるであろう。特に都市用送水管からの水圧は場所によって変わり得るので、ポンプは、任意の場所に設置されることが意図される商業的態様において、特に有用である。この問題は、ポンプによりシステムに一定の圧力を供給することで解消することができる。ポンプは、任意で使用してもよいが、本明細書において開示される方法は、ポンプを用いずに達成することができる。
開示する方法を実施するための例示的システムを、図3に概念的に示す。二酸化炭素供給10および水供給20は、インラインの可溶化部50に同時に提供される。当該インラインの可溶化部50の後には、滞留網状部60が続き、その後に分配器70が続く。
二酸化炭素供給10は、気体を供給するための任意の公知の方法により、実施することができる。市販されているCO2キャニスタが、好ましく使用される。当該二酸化炭素供給は、典型的には、レギュレータ15を介して接続されており、これは、インラインの可溶化部50に対して、制御された供給圧を提供する。
当該システムはさらに、水供給20によって供給される。この供給は、単なる市営の給水または井戸水の給水から成り得る。二酸化炭素は水が冷たいほど水の中に容易に可溶化するので、好ましくは、当該水供給20は、水を冷却するために冷却装置を備える。
水供給システム20は、任意で、安定した水圧を提供するためにポンプを備えていてもよい。上記において説明したように、典型的な家庭用または商業的な水道栓における圧力は、場所によって、または時間によって変わり得る。ポンプは、その地域の供給圧に関係なく、当該機器に確実に安定した圧力を提供するであろう。安定した供給圧を提供するというこの目的は、本開示の範囲から逸脱することなく、他の公知の技術によっても達成することができる。例えば、高い位置の貯水槽により、重力と適切なサイズの水道管とを用いて、安定した水供給圧を提供することができるであろう。
衝突チャンバーの例示的態様を図4に示す。二酸化炭素および水は、一方の導入口は二酸化炭素供給用でありもう一方は水供給用である2つの導入口を有するY字型の導入口多岐管400を介して接続されている。この態様において、当該2つの導入口は、同一であり、交換可能である。二酸化炭素および水を衝突チャンバーに導入するために使用される多岐管は、他の任意の好適な配置のもの、例えば、T字型またはF字型などであってもよい。さらなる実施例として、当該供給は、管構造の中の同軸管によっても提供することができるであろう。Y字型多岐管または必要に応じた他の形状の多岐管は、一方のストリームが他方の供給の導入口に行くのを防ぐための初期分配器を具備していてもよいであろう。さらに、導入口または導入口の上流において、標準的な逆流防止装置を使用することも可能である。さらに、水および二酸化炭素の流れは、多岐管の入口部において、バルブまたはレギュレータによって制御することもできる。
入ってくる水の圧力は、当該システムの残りの部分を通る流れおよび圧力に影響を及ぼす。10psiの最低圧は、満足できる流量および炭酸化を達成するのに十分である。0.1gpm〜1.5gpmの範囲の流量が特に有利であるが、より高い流量も許容可能であることが分かっている。
二酸化炭素は、45psi〜125psiの圧力において提供される。好ましくは、Y字型導入口多岐管において提供される二酸化炭素圧は、Y字型導入口多岐管において提供される水圧に近い圧力に維持される。
図4の態様では、導入口多岐管の後の流路内に、流れ発達部420が備えられている。当該流れ発達部は、二酸化炭素／水の流れが層状化または層流化するのを防ぐために使用される。代わりに、流れ発達部は、実質的に分散された流れ、典型的には環状分散流を作り出す。図4の態様は、らせん形状の要素520で構成される受動的流れ発達部を使用しており、これは、図5Aにおいて複数の図面により詳細に示されている。二酸化炭素および水の流れを分散することができる他の受動的方向性ミキサー、例えば、導管壁からの突起なども好適であろう。あるいは、能動的ミキサー、例えば、回転式ブレードなども使用することができる。図4に示されているように、流れ発達要素420は、所望のレベルの分散を達成するために連続して配置することができる。流れ発達要素は、同様に、受動的要素と能動的要素の混合など、異なるタイプを組み合わせて使用することもできる。
二酸化炭素／水の分散ストリームは、次いで、強制的に絞り器／加速器430を通すことによって加速される。当技術分野において周知であるように、流体の流れを絞り機構に通すことにより、結果として、質量保存の原理ために、加速された流れが生じるであろう。絞り器／加速器を使用することで、衝突の前に二酸化炭素／水ストリームの運動エネルギーを容易に増加させることができる。したがって、所定の導入口速度および圧力に対して、高価なポンプ流送機器を必要とすることなく、絞り器／加速器を出て行く二酸化炭素／水の流れのエネルギーは、増加されられるであろう。
この増加した運動エネルギーは、結果として、衝突面450との衝突の際に、より大きな運動量の変化を生じ、その結果、圧力ゾーンにおいて達成される圧力が増加し、その結果、衝突部位での可溶化が向上する。絞り器／加速器430は、単純なオリフィスである。しかしながら、より複雑な工学的構造体、例えば、ベンチュリ管なども用いることができる。
導管の断面積A1および絞り機構の断面積A2を有する構造体の場合、総運動量、エネルギー、および質量は、保存され、二酸化炭素／水ストリームに対する保存式は、以下のように記述できる。
質量：
Figure 0005932775
運動量：
Figure 0005932775
エネルギー：
Figure 0005932775
入ってくる二酸化炭素／水ストリームの速度が小さい通路によって元の速度の1〜100倍まで加速されるように当該小さい絞り器／加速器が設計されている場合に、良好な炭酸化レベルが達成されることが確認されている。
円形幾何学構造での平均速度は、この機器の場合でも同様に、以下のように導き出すことができる。
Figure 0005932775
上記の式において：
mtot＝二酸化炭素／水混合物の総質量
Ptot＝二酸化炭素／水混合物の総運動量
Ktot＝二酸化炭素／水混合物の総運動エネルギー
Ztot＝二酸化炭素／水混合物の総ポテンシャルエネルギー
Htot＝二酸化炭素／水混合物の総ヘルムホルツ（自由エネルギー）
p＝密度
A＝断面積
R＝半径
-F＝混合物に働く固体表面からの正味の力および衝突力を表すベクトル
p＝圧力
G＝ギブズ自由エネルギー
W＝システムが達成する機械的仕事の割合
Ev＝エネルギー損失。
二酸化炭素／水ストリームが、絞り機構、例えば、オリフィスなどを通って流れる場合、ある特定の量のエネルギー損失（Ev）が生じる。準定常流を仮定する場合、以下のようにエネルギー損失を導き出すことができる。
Figure 0005932775
上記の式において、evは、レイノルズ数の関数である損失係数であり、制限された流れエリアへの上流からの流れの滑らかな移行に対する導入口の効率に関係している。様々な幾何学的な検討事項に対して損失係数を見積もるために、当業者には、多くの表形式データが利用可能である。急激に縮小または収束する絞り機構の場合、損失係数は、以下のように算出することができる。
ev＝0.45（1−β）
ならびに、鋭利な端部のオリフィスの場合：
Figure 0005932775
である。
この場合、βは、絞られた面積と絞り機構の前の面積の比率である。
本開示による許容可能な可溶化は、突然の急激な縮小または収束する絞り機構が、0.1〜0.44、好ましくは約0.41、の損失係数を有するように設計されている場合に、それらによって達成されるということが確認されている。鋭利な端部を有するオリフィス、例えば、図4における絞り器／加速器430などの場合、許容可能な可溶化は、10より大きい、好ましくは60の損失係数によって生じる。
さらに、絞り機構のサイズは、高品質の炭酸水を達成するように変えることができる。導入口の半径と縮小したエリアの半径との比率は、1（絞り機構無し）〜20（最大絞り機構）の範囲となるように、最適に設計される。
絞り機構を通過する水によって囲まれた二酸化炭素の移動している流線のすぐ隣において、各ストリームは、ある特定の量の運動量および関連する運動エネルギーを獲得する。一方、これらの流線はその運動量のいくらかを、隣接する溶液の層に与え、それにより、それは動き続け、流れ方向にさらに加速する。運動量フラックスは、この場合、負の速度勾配の方向にある。換言すれば、運動量は、速度が減少する方向へと移動する傾向があり、したがって、速度勾配は、運動量移行のための原動力と見なすことができる。
二酸化炭素／水混合物が、狭い経路（例えば：オリフィスなど）を通って表面に対して平行に流れている場合、流れ方向における当該混合物の速度は、表面に近いほど減少する。二酸化炭素および水の隣接する層との間のこの速度差により、結果として、速度勾配が生じる。分子のより速く動いている層とより遅い隣接する層との間に生じる分子のランダム拡散により、当該狭い経路内において、運動量は、より速い層からより遅い層へと横断的方向に移行する。
絞り器／加速器430を過ぎた後、はるかに高い運動エネルギーに達している二酸化炭素および水混合物による加速されたストリームは、固定された固体壁450に衝突する。当該固体壁450は、任意の形状または構造であってもよく、好ましくは、当該壁は、二酸化炭素／水ストリームに対して垂直に位置されている。当該壁は、壁450に達する前に、断片的力によって、達成された運動エネルギーの増加が実質的に失われないように、絞り器／加速器の十分近くに位置されているべきである。固体壁450が、絞り器／加速器からおよそ0.1インチ〜2.0インチ、好ましくは0.5インチに位置されている場合、許容可能な結果が達成されるということがわかっている。
-40フィート−ポンド／cm3〜5フィート−ポンド／cm3の範囲の、壁との衝突によって発生した正味の力、すなわち、圧力ゾーンにおける圧力エネルギー密度（「PED」）が、許容可能な可溶化を生じるということが分かっている。これらの力は、絞り器／加速器の幾何学的配置、導管、達成される混合物のレベル、および導入口での二酸化炭素および水ストリームの開始圧力における相対的な関係を調整することにより生み出すことができる。
図4に示されているような、0.5gpmの流量、0.365インチの導入口半径、0.04インチのオリフィス面積（8.63の縮小率）の、5.15インチ／秒の導入口速度が74倍の382.97インチ／秒まで加速される態様において、導入口での水／CO2圧力の関数として、対応するPED値を以下の表に示す。
Figure 0005932775
さらに、当該PEDは、最適な導入口圧力を一定の100psiに維持しながら上記の実施例において縮小率を2倍にすることにより、二酸化炭素／水ストリームの流量に対して、下記の表に示されているように変わり得る。表からわかるように、PEDは、流量に対して強い関係性がある。
Figure 0005932775
壁450はさらに、さらなる流れが当該システムを通過することを可能にする導出口経路455を有している。図4に示されているように、これはさらに、滞留網状部460の導入口につながっている。当該滞留網状部は、単に、扁平な導管であってもよい。図4の滞留網状部460は、固定型のらせん状ミキサー465で構成される。他のタイプの充填材料、例えばラシヒリングなども使用することができるであろう。さらに、水へのCO2の接触および可溶化をさらに高めるために、分散流を生じるために好適であると説明した固定型または能動的混合要素のいずれかを当該滞留網状部において使用することもできるであろう。
炭酸水を様々なレベルの可溶化において分配するため、滞留網状部の長さおよび構成ならびに当該滞留網状部内の充填材料のサイズを変えることにより、様々なレベルの縮小を得ることができる。概して、好ましくは最高10インチまでにおいて、滞留網状部が長いほど、流体ストリームにおける二酸化炭素と水の間の混合接触の時間が長くなり、それによって、炭酸化のレベルが上がる。滞留網状部が長くなるほど、衝突チャンバー455の導出口通路における圧力も増加し、それにより、衝突チャンバー内の圧力が高くなり、全体の流量も安定する。
好ましくは飲料分配タップに接続されている滞留網状部の導出口において所望の圧力を得るために、滞留網状部の長さおよび構成も使用することができる。らせん状の固定型ミキサーを含む滞留網状部では、以下のようにして圧力低下を算出することができる。
Figure 0005932775
式中、
k'OLおよびkOLは、レイノルズ数（Re）に依存する定数であり、一般的に、それぞれ0.02〜0.1および3〜12の範囲であり、特定の値は、レイノルズ数に対して、予め表にされたチャートにおいて容易に利用可能である。
L＝らせん状ミキサーの長さ
D＝直径
Re＝レイノルズ数
上記の式からわかるように、滞留網状部によって達成される圧力低下は、長さと直径の比率（「L／D」）に正比例する。したがって、滞留網状部の長さまたは直径のどちらかあるいはその両方を変えることによって、同様の圧力低下、流れ特性、およびミキシング特性を実現することができる。充填材料も、得られる圧力低下に影響する。概して、充填材料のサイズが小さいほど、および滞留網状部が長いほど、圧力低下は増加する。
図6は、導入口多岐管600が、一方が二酸化炭素供給用でもう一方が水供給である2つの導入口を有し、導入口チャンバーが、好ましくは345のサイズを有する（提供される値は、様々な構成要素の相対的サイズを与えるものであり、したがって、単位を持たない）、代替の態様を示している。方向性ミキサー620の2つの段階は、環状分散流を作り出すための流れ発達部としての役割を果たし、当該流れ発達部525の代替図は、図5Bに示されている。絞り器／加速器630は、4のサイズを有する簡単なオリフィスである。当該絞り器／加速器の出口は、250の長さを有する衝突チャンバー635につながっている。衝突チャンバーの背面壁は、衝突面650であり、導出口655を有する。当該導出口655は、らせん状の固定型ミキサー665が収容されている滞留網状部660の開始部につながっている。
図7は、一方が二酸化炭素供給用でもう一方が水供給用の2つの導入口を有する導入口多岐管700を備える別の態様を示している。流れ発達部および加速は、砂時計形状の絞り器／加速器735および736の2つの段階を介して達成される。図示されているように、絞り器／加速器735は、2つの砂時計形状のノズルを使用している。他の態様において、これに類似するさらなるノズルを用いることもでき、空間に余裕があれば、さらに多くのノズルを使用することもできるであろう。735のノズルから出てくるストリームは、ノズル736の入口部に隣接する剛体表面へと方向付けされる。したがって、この構造は、第一レベルの衝突に基づく可溶化を生じる。ノズル736によってさらに加速されたストリームは、導出口755を有する衝突面750に衝突する。この態様において行われるような、多段式の複数の加速および衝突は、他の態様にも適用することができるであろう。衝突面750は、導出口755を有する。
図8は、一方が二酸化炭素供給用でもう一方が水供給用の2つの導入口を有する導入口多岐管800を備える代替の態様を示している。流れ発達および加速は、流れを発達させる絞り器／加速器835および836の2つの段階を介して達成される。図示されているように、流れを発達させる絞り器／加速器835の前面壁は、側部通路を有しており、これらは、それぞれが砂時計形状の加速ノズルにつながっている。これらのノズルからの導出口ストリームは、同じ形状でありかつ同様に2つの壁を有する、流れを発達させる絞り器／加速器836の前面壁に衝突する。これらのノズルを出てくる流れは、ノズル837の入口部に隣接する剛体表面へと方向付けされ、当該ノズルは、導出口855を有する衝突面850との衝突のために当該流れを再び加速する。
図9は、一方が二酸化炭素供給用でもう一方が水供給用の2つの導入口を有する導入口多岐管900を備える代替の態様を示している。らせん状の固定型ミキサー920の2つの段階は、流れ発達部としての役割を果たす。絞り器／加速器930は、単純なオリフィスである。絞り器／加速器の出口部は、衝突チャンバー935へとつながっており、ここで、ストリームは、ナイフ状のブレード950と衝突する。当該ナイフ状のブレード950は、ブレードからはじき出されたストリームの衝突を生み出し、それが渦流およびキャビテーションを生じ、それによって、可溶化に適した高圧力ゾーンが作り出される。当該ブレードは固くてもよく、好ましくは、衝突と共振するように柔軟に設計され得、それによって、共振の焦点において圧力の非常に高い場所が作り出される。
本出願全体（表紙、発明の名称、見出し、技術分野、背景技術、発明の概要、図面の簡単な説明、発明の詳細な説明、特許請求の範囲、要約、図面等を含む）は、例証として、権利を主張する発明を実施することができる様々な態様を示している。本開示の利点および特徴は、態様の代表的な例に過ぎず、包括的および／または排他的ではない。これらは、権利を主張する原理の理解および教示の助けとするために提示しているに過ぎない。それらが、権利を主張する発明のすべてを代表するものではないことは理解されたい。そのため、本開示のある特定の局面については、本明細書において説明していない。本発明の特定の部分に対して代替の態様が提示されていない場合があること、または説明されていないさらなる代替の態様が、ある部分に対して利用可能な場合があることは、これらの代替の態様に対する権利放棄とみなされるべきではない。
これら説明されていない態様の多くは、本発明の同じ原理を包含しており、その他も同等であることは理解されるであろう。したがって、他の態様は利用可能であり得、ならびに本開示の範囲および／または趣旨から逸脱することなく、機能的、論理的、組織的、構造的変更を行うことができるということは理解されたい。そのため、全ての実施例および／または態様は、本開示全体を通じて非限定的であるとみなされる。さらに、紙面および反復を減らす目的から説明されていない場合以外で本明細書において説明していない態様に関して、本明細書において説明されている態様に関連して推論を導き出すべきではない。
さらに、本開示には、ここで権利を主張していない他の発明が含まれる。本願の出願人は、ここで権利を主張していないこれらの発明について、そのような発明の権利の主張、追加の出願、継続、部分的な継続、分割出願などを行う権利を含む全ての権利を保留するものとする。そのため、本開示の利点、態様、実施例、機能的特徴、および／または他の局面は、特許請求の範囲によって定義されるような開示に対する限定または特許請求の範囲の同等物に対する限定とみなされるべきではない。

Claims (13)

  1. 流路を画定する導管；
    水を受けるための第一の分岐および二酸化炭素を受けるための第二の分岐を有する、該導管の近位末端における導入口多岐管；
    該導管内に配置された1つまたは複数の分散要素；
    該導管内における受動的加速器；
    該受動的加速器の下流に配置された剛体衝突面；および
    該導管の遠位末端に連結されている滞留網状部
    を備える、水への二酸化炭素の可溶化のための機器であって、
    約0.1〜約3.7ガロン／分で該導管を通過する流れの衝突が、約-40フィート−ポンド／cm3〜約5フィート−ポンド／cm3の該剛体衝突面における圧力エネルギー密度を生じるように、該導管、該受動的加速器、および該剛体衝突面が、互いに対して構成されている、機器。
  2. 導入口多岐管が、Y字形状導入口の一方の分岐における二酸化炭素供給と、該Y字形状導入口の他方の分岐における水供給とを有するY字型接続部を備える、請求項1記載の機器。
  3. 分散要素が、固定型のらせん状ミキサーおよび固定型方向性ミキサーの少なくとも1つを備える、請求項1記載の機器。
  4. 受動的加速器が、円筒状オリフィスを備える、請求項1記載の機器。
  5. 受動的加速器が、砂時計形状のノズルを備える、請求項1記載の機器。
  6. 滞留網状部が、固定型ミキサーを含む、請求項1記載の機器。
  7. 受動的加速器内の絞り機構の断面積に対する受動的加速器のすぐ先の導管の一部の断面積の比率が、該導管内の流体流の速度を最高100倍まで加速するような比率である、請求項1記載の機器。
  8. 剛体衝突面が、受動的加速器の導出口で導管を通る流路に対して実質的に垂直に方向付けされ、かつ受動的加速器の流出口が、導管の長手方向軸に沿う流出口の各点からの直線的な射出が剛体衝突面と交差するように構成される、請求項1記載の機器。
  9. 剛体衝突面が、受動的加速器から約0.1〜約2.0インチ下流に位置される、請求項1記載の機器。
  10. 受動的加速器が、約0.1〜約0.44の範囲のエネルギー損失係数を有する、縮小または収束する絞り機構を備える、請求項1記載の機器。
  11. 分散要素、導管、および受動的加速器が、実質的に長手方向中心軸に沿って整列する、請求項1記載の機器。
  12. 剛体衝突面が、長手方向中心軸から長手方向中心軸に対して横方向への少なくとも1つの周辺流路の分流を画定する、請求項11記載の機器。
  13. 滞留網状部が、長手方向軸に整列した第2のらせん状分散要素を含む、請求項11記載の機器。
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