KR20050018965A - 탄산수 제조 장치 및 그것을 이용한 탄산수 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고농도의 탄산수를 효율적으로 얻을 수 있는 탄산수의 제조 장치와 그의 제조 방법으로서, 막 모듈로 된 제1 탄산 가스 용해기 (7)을 거쳐 탄산 가스를 물에 용해시키고, 제1 탄산 가스 용해기 (7)을 통과한 탄산수를 제2 탄산 가스 용해기인 정적 혼합기 (13)에 통과시킴으로써 종래와 비교하면 구조가 간단하고, 현저하게 효율적으로 고농도의 탄산수를 간단히 얻을 수 있다.

Description

탄산수 제조 장치 및 그것을 이용한 탄산수 제조 방법 {Apparatus for Producing Carbonated Water and Method for Producing Carbonated Water Using The Same}

본 발명은 탄산수 제조 장치 및 그것을 이용한 탄산수 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 효율적으로 탄산수를 얻는 탄산수 제조 장치 및 그것을 이용한 탄산수 제조 방법에 관한 것이다.

탄산수는 우수한 보온 작용이 있기 때문에 옛부터 온천을 사용하는 목욕탕 등에서 사용되고 있다. 탄산수의 보온 작용은 기본적으로 함유 탄산 가스의 말초 혈관 확장 작용에 의해 신체 환경이 개선되기 때문이라고 여겨진다. 또한, 탄산 가스의 경피 진입에 의해 모세 혈관상(床)의 증가 및 확장이 발생되고, 피부의 혈행을 개선한다. 따라서, 퇴행성 병변 및 말초 순환 장해의 치료에 효과가 있다고 개시되어 있다.

이러한 탄산수를 인공적으로 얻기 위해 탄산염과 산을 반응시키는 화학적 방법이나 보일러의 연소 가스를 이용하는 방법, 또는 예를 들면 일본 특허 공개 (평)5-238928호 공보에 기재되어 있는 바와 같은 시보리를 갖는 배관 중에 탄산 가스를 직접 취입하는 장치 등이 있다. 최근에는 막을 사용하여 탄산수를 제조하는 방법이 널리 제안되어 있다. 막을 사용함으로써 매우 미세한 상태로 탄산 가스를 공급할 수 있어서, 효율적으로 탄산수를 제조할 수 있기 때문이다. 예를 들면, 일본 특허 제2810694호 공보에서는 양끝이 개구된 중공사막을 복수개 수납하여 이루어지는 중공사막 모듈을 사용하며, 이 중공사막으로서는 다공질의 중공사막을 사용한 방법이 제안되어 있고, 또한 예를 들면 일본 특허 제3048499호 공보, 일본 특허 제3048501호 공보, 일본 특허 공개 제2001-293344호 공보 등에는 중공사막으로서 비다공질의 중공사막을 사용한 방법도 제안되어 있다.

막을 사용하여 탄산수를 제조하는 방법으로서는 막 모듈을 구비한 탄산 가스 용해기에 원수를 1회 통과시킴으로써 탄산수를 제조하는, 이른바 원패스형과, 순환용 펌프에 의해 욕조 중의 온수를 탄산 가스 용해기를 통해 순환시키는 이르바 순환형이 있다.

여기서, 원패스형은 물에 탄산 가스를 한번에 용해시키기 때문에 단시간에 제조할 수 있지만, 순환형에 비하면 용해 효율이 낮아지고, 고농도가 되기 어렵다는 결점이 있어 한층 더 용해 효율의 향상이 요구되었다. 한편, 순환형에서는 탄산 가스를 물에 천천히 용해시키기 때문에 원패스형에 비하면 용해 효율은 높고, 고농도가 되기 쉽지만, 소정의 농도까지 용해시키기에는 시간이 걸려 마찬가지로 한층 용해 효율 향상이 요구되었다.

즉, 본 발명의 목적은 높은 용해 효율, 즉 단시간에 고농도의 탄산수를 쉽게 얻을 수 있는 탄산수의 제조 장치와 동일한 장치를 이용한 탄산수의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 적용하기에 바람직한 원패스형 장치의 개략적인 전체 구성도이다.

도 2는 본 발명에 적용하기에 바람직한 순환형 장치의 개략적인 전체 구성도이다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

이하, 도면에 의해 본 발명의 대표적인 실시 양태를 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 원패스형 장치의 개략적인 전체 구성도의 일례이다. 1은 탄산 가스 실린더, 2는 압력계, 3은 압력 제어 밸브, 4는 탄산 가스 유량계, 5는 탄산 가스 유량 제어 밸브, 6은 탄산 가스 도입구, 7은 제1 탄산 가스 용해기의 구성 부재인 막 모듈, 8은 온수 도입구, 9는 물 유량계, 10은 물 유량 제어 밸브, 11은 흐름 스위치, 12는 증압 펌프, 13은 제2 탄산 가스 용해기인 정적 혼합기, 14는 기액 분리기, 15는 가스 배출구, 16은 탄산수 배출구, 17은 욕조이다.

도시한 예에 의한 원패스형의 탄산수 제조 장치의 경우, 온수는 나타내지 않은 급탕기로부터 온수 도입구 (8)을 거쳐 물 유량 제어 밸브 (10)을 통해 일정 유량이 되어 급탕되고, 증압 펌프 (12)에 의해 소요 압력까지 증압되어 막 모듈 (7)에 급송된다. 한편, 탄산 가스 실린더 (1)로부터는 압력 제어 밸브 (3)으로 감압된 탄산 가스가 탄산 가스 유량 제어 밸브 (5)에 의해 유량이 제어되고, 상기 막 모듈 (7)의 탄산 가스 도입구로부터 동일한 막 모듈 (7)로 도입된다.

상기 막 모듈 (7)에 도입된 온수는 동일한 모듈 (7)에 배치된 나타내지 않은 복수개의 중공사막의 중공부 또는 외부를 통과하도록 되어 있고, 온수가 통과할 때에 중공사막을 통해 온수와 반대측으로 도입된 탄산 가스가 중공사막을 투과하여 물에 용해됨으로써 탄산수가 생성된다. 상기 중공사막은 가스 투과성이 우수한 박막상의 비다공질층의 양면을 다공질층에 삽입한 3층 구조의 복합 중공사막으로 구성되어 있는 것이 바람직하고, 예를 들면 미쯔비시 레이온(주) 제조의 3층 복합 중공사막(MHF)을 들 수 있다.

여기서, 비다공질 가스 투과막이란 기체가 용해, 확산 기구에 의해 투과되는 막이고, 누쎈(Knudsen) 흐름과 같이 기체가 가스상으로 투과할 수 있는 구멍을 실질적으로 포함하지 않는 것이면 어떠한 것이어도 좋다. 비다공질 가스 투과막을 이용함으로써 임의의 압력에서 가스가 기포로서 방출되지 않고, 가스를 공급, 용해할 수 있고, 효율이 좋은 용해를 할 수 있음과 동시에, 임의 농도로 제어성좋게 간편하게 용해할 수 있다. 또한, 막을 통해 물 또는 수용액이 가스 공급측으로 역류하지도 않는다.

막 모듈 (7)에 의해 생성된 탄산수는 이어서 상기 막 모듈 (7)과 마찬가지로 본 발명의 특징부 중 일부를 이루는 제2 탄산 가스 용해기인 정적 혼합기 (13)에 도입된다. 이러한 정적 혼합기 (13)을 사용하면 물과 같은 저점도 유체에서 압력손실이 적은 상태로 탄산 가스를 높은 용해 효율로 용해할 수 있고, 동시에 저렴하게 공급이 가능하다. 본 발명의 제2 탄산 가스 용해기는 제1 탄산 가스 용해기의 배출구 이후에 잔존하는 미용해 탄산 가스를 효과적으로 용해하는 것이다. 따라서, 상기 제2 탄산 가스 용해기에는 기본적으로 새롭게 탄산 가스를 공급할 필요는 없다. 정적 혼합기 (13)을 통한 탄산수는 기액 분리기 (14)에 의해 미용해 탄산 가스가 누설되어 욕조 (17)로 배출된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 순환형 장치의 개략적인 전체 구성도의 일례이다. 1은 탄산 가스 실린더, 2는 압력계, 3은 압력 제어 밸브, 4는 탄산 가스 유량계, 5는 탄산 가스 유량 제어 밸브, 6은 탄산 가스 도입구, 7은 막 모듈, 8은 온수 도입구, 11은 흐름 스위치, 12'는 순환 펌프, 13은 정적 혼합기, 14는 기액 분리기, 15는 가스 배출구, 16은 탄산수 배출구, 17은 욕조, 18은 프리 필터이다. 여기서, 도 1과 실질적으로 동일한 기기 및 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 도 2에 있어서, 도 1과 다른 부호가 붙어 있는 부분은 증압 펌프 (12) 대신에 순환 펌프 (12')와 새롭게 설치된 프리 필터 (18)이다.

상기 순환형의 탄산수 제조 장치로는 욕조 (17)로부터 온수 도입구 (8), 프리 필터 (18)을 거쳐 순환 펌프 (12')에 의해 막 모듈 (7)에 급송된다. 한편, 탄산 가스 실린더 (1)로부터는 압력 제어 밸브 (3)으로 일정압으로 감압된 탄산 가스가 탄산 가스 유량 제어 밸브 (5)에 의해 유량이 제어되고, 상기 막 모듈 (7)의 탄산 가스 도입구로부터 동일한 막 모듈 (7)로 도입되어 온수에 용해되며, 온수는 욕조 (17)로 되돌아온다. 이것을 반복함으로써 서서히 탄산수의 유리 탄산 농도가 상승한다. 또한, 욕조 내의 유리 탄산 농도가 저하된 탄산수에 새로운 탄산 가스를 보충할 목적으로 순환시키는 것에도 사용할 수 있다.

여기서, 탄산 가스 유량 제어 밸브 (5)를 배제하더라도 탄산수를 제조할 수는 있지만, 탄산수의 유리 탄산 농도를 정밀하게 제어하기 위해서는 탄산 가스 유량 제어 밸브 (5)를 설치하는 것이 바람직하다. 탄산 가스 유량 제어 밸브 (5)로서는 여러가지의 니들 밸브나 전자식으로 사용되고 있는 피에조 또는 솔레노이드 작동기 등을 들 수 있고, 특별히 한정되는 것은 아니지만 니들 밸브가 저렴하기 때문에 바람직하다. 또한, 시보리를 갖는 오리피스를 사용할 수도 있다.

이들 탄산 가스 유량 제어 펄프 (5)에 의해 항상 일정한 유량을 제어할 수 있지만, 추가로 탄산 가스 유량계 (4)를 구비함으로써 유량을 육안으로 확인할 수 있으며, 어떤 문제가 생길 때에도 순간적으로 판단할 수 있기 때문에 바람직하다. 탄산 가스 유량계 (4)로서는 부유식, 전자식 등을 들 수 있다. 탄산 가스 유량계 (4)는 탄산 가스 실린더 (1)과 막 모듈 (7)의 사이에 설치할 수 있지만, 막 모듈 (7)에서의 압력 손실은 항상 일정한 것이 아니기 때문에, 부유식의 경우 가스 유량계 (4)의 입구와 출구 사이의 차압이 안정적인 탄산 가스 실린더 (1)과 탄산 가스 유량 제어 밸브 (5)의 사이에 설치하는 것이 바람직하다.

온수는 도 1과 같은 원패스형의 경우 급탕기로부터 공급되고, 도 2와 같은 순환식의 경우 욕조에 저장된 것을 순환시킨다. 물 유량 제어 밸브 (10)이 없더라도 탄산수를 제조할 수는 있지만, 탄산수의 유리 탄산 농도를 정밀하게 제어하기 위해서는 물 유량 제어 밸브 (10)을 설치하는 것이 바람직하다. 상술한 탄산 가스 유량 제어 밸브 (5)와 병용하면 탄산수의 유리 탄산 농도를 보다 정밀하게 제어할 수 있다. 물 유량 제어 밸브 (10)의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 밸브 전후의 압력에 영향을 미치지 않는 팬코일용의 제어 밸브 등이 바람직하다. 또한, 탄산 가스 유량 제어 밸브 (5)와 동일한 이유로 물 유량계 (9)를 구비하는 것이 바람직하다.

도 1과 같은 원패스형의 경우, 증압 펌프 (12)를 구비하는 것은 공급 수단의 수압이 낮을 때 탄산 가스 용해기의 압력 손실의 영향으로 때에 따라 필요 유량을 충족시킬 수 없게 되는 것을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 이들 펌프 (12, 12')의 공운전 방지를 위해, 물 또는 탄산수가 유통되는 라인 중에 흐름 스위치 (11)를 구비하는 것이 바람직하다.

제1 탄산 가스 용해기에는 에어 스톤, 소결 금속, 막 모듈을 사용할 수 있고, 이들을 사용함으로써 기본적으로 효율적으로 탄산 가스를 물에 용해할 수 있게 된다. 그 중에서도 보다 효율적으로 탄산 가스를 물에 용해하기 위해서는 막 모듈 (7)을 사용하는 것이 바람직하다. 제1 탄산 가스 용해기로서 정적 혼합기를 사용하는 것도 생각할 수 있지만, 효율적으로 탄산 가스를 물에 용해하기 위해서는 정적 혼합기의 부재의 개수가 다수 필요하게 되고, 막 모듈에 비해 압력 손실이 높아지기 때문에, 본 발명에서는 제1 탄산 가스 용해기로서 막 모듈을 사용하는 것이 바람직하다.

막의 종류에는 평막, 관형막, 중공사막, 나선형막 등을 들 수 있지만, 장치의 소형화, 취급의 용이함으로부터 보면 중공사막이 가장 바람직하다.

막은 가스 투과성이 우수한 것이면 각종의 것을 사용할 수 있으며, 다공질 중공사막일 수도, 비다공질 중공사막일 수도 있다. 다공질 중공사막을 사용하는 경우에는 그 표면의 개구 공경이 0.01 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다.

가장 바람직한 중공사막은 이미 상술한 박막상의 비다공질 가스 투과층의 양면을 다공질층에 삽입한 3층 구조의 복합 중공사막이고, 비다공질 가스 투과층(막)은 기체가 막기질에의 용해·확산 기구에 의해 투과하는 막이며, 누쎈 흐름과 같이 기체가 가스상으로 투과할 수 있는 구멍을 실질적으로 포함하지 않는 것이면 어떠한 것이어도 좋다. 이와 같이 비다공질을 사용함으로써 탄산 가스를 탄산수 중에 기포로서 방출하지 않고 가스를 공급, 용해할 수 있으며, 효율적으로 용해를 할 수 있음과 동시에 임의 농도로 제어성좋게 간편하게 용해할 수 있다. 또한, 다공질막의 경우 드물게 생기는 역류, 즉 온수가 세공을 거쳐 가스 공급측으로 역류하는 경우도 없다. 3층 구조의 복합 중공사막은 비다공질층이 가스 투과성이 우수한 극히 박막상으로 형성되고, 이것이 다공질에 의해 보호되어 있기 때문에 손상되기 어려워 바람직하다.

중공사막의 막 두께는 10 ㎛ 내지 150 ㎛의 것이 바람직하다. 10 ㎛ 미만이면 막의 강도가 불충분해지기 쉽고, 150 ㎛를 초과하면 탄산 가스의 투과 속도가 저하되어 용해 효율이 저하되기 쉽다. 3층 구조의 복합 중공사막의 경우, 비다공질막의 두께는 0.3 내지 2 ㎛가 바람직하다. 0.3 미만이면 막의 열화가 생기기 쉬우며, 막이 열화되면 누설이 발생하기 쉬워진다. 또한, 2 ㎛를 초과하면 탄산 가스의 투과 속도가 떨어지며, 용해 효율이 저하되기 쉽다.

중공사막의 막 소재로서는 실리콘계, 폴리올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리이미드계, 폴리술폰계, 셀룰로오스계, 폴리우레탄계 등을 바람직한 것으로서 들 수 있다. 3층 구조 복합 중공사막에서의 비다공질막의 재질로서는 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리4-메틸펜텐-1, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸셀룰로오스, 폴리페닐렌옥시드 등을 바람직한 것으로서 들 수 있고, 특히 폴리우레탄은 막 형성성이 양호하고, 용출물이 적기 때문에 바람직하다.

중공사막의 내경은 50 내지 1000 ㎛가 바람직하다. 50 ㎛ 미만이면 중공사막 내를 흐르는 탄산 가스 또는 온수의 유로 저항이 커지며, 탄산 가스 또는 온수의 공급이 곤란해진다. 또한, 1000 ㎛를 초과하면 용해기의 크기가 커지며, 소형화되지 않는다.

본 발명에서는 제1 탄산 가스 용해기에 물 및 탄산 가스를 공급하고, 얻어진 탄산수를 제2 탄산 가스 용해기에 공급하는 것이 중요하다.

본 발명에서는 제1 탄산 가스 용해기로 탄산 가스를 물에 용해시키지만, 제1 탄산 가스 용해기의 출구에 가까울수록 미용해 탄산 가스가 증대되어 용해 효율이 저하되는 경향이 있고, 제2 탄산 가스 용해기는 이러한 미용해 탄산 가스를 용해하여 용해 효율의 저하를 억지하는 기능을 갖는다. 유리 탄산 농도가 800 mg/L 이상, 특히 1000 mg/L 이상인 고농도의 탄산수를 제조하는 경우에는 미용해 탄산 가스량의 증대가 현저하며, 이러한 고농도 탄산수를 제조하는 경우에는 본 발명이 특히 유효하다. 또한, 경우에 따라서는 제3 이후의 추가로 다수의 탄산 가스 용해기를 연결하여도 상관없다.

제1 탄산 가스 용해기에 사용하는 막 모듈 (7)은 특히 원패스형의 경우 막 면적을 늘림으로써 용해 효율을 더 높일 수 있지만, 본 발명에서는 작은 막 면적의 막 모듈을 제1 탄산 가스 용해기에 사용하더라도 막 모듈로 제조한 탄산수를 제2 탄산 가스 용해기에 통과시킴으로써, 제1 탄산 가스 용해기로 미용해 탄산 가스를 용해시킬 수 있으며, 쉽게 용해 효율을 향상시킬 수 있다.

순환형의 경우, 순환 펌프 (12')의 유량/탄산 가스의 유량비를 높일수록 용해 효율이 높아지지만, 그 비율을 높일수록 순환 펌프의 유량이 많아지거나, 탄산 가스의 유량이 적어지기 때문에 소비 전력이 증가하거나, 또는 제조 시간이 길어지는 결점이 발생한다. 그러나, 제2 탄산 가스 용해기가 없는 경우에 비해서 본 발명의 제2 탄산 가스 용해기를 사용함으로써, 순환 펌프의 유량/탄산 가스의 유량비가 동일하더라도 용해 효율이 향상되기 때문에, 동일한 용해 효율로 하고 싶으면 순환 펌프의 유량/탄산 가스의 유량비를 내릴 수 있고, 소비 전력을 감소시키거나, 제조 시간을 단축시킬 수 있다.

탄산수의 수온은 30 ℃ 내지 45 ℃의 범위가 바람직하며, 이 범위이면 가장 보온 효과가 높고, 쾌적한 입욕을 할 수 있기 때문에 보다 바람직하다.

도 2와 같은 순환형의 경우, 순환 펌프 (12')가 필요하다. 펌프로서는 자흡(自吸) 성능을 갖는 용적식 정량 펌프가 바람직하다. 이것을 사용함으로써 안정된 순환과 항상 일정한 순환 수량을 실현할 수 있다. 또한, 탄산수가 고농도가 되면 기포가 발생하기 쉬워 기포가 풍부한 상태가 되지만, 이러한 경우에도 초기의 운전시에 마중물을 하지 않더라도 기동할 수 있는 자흡 성능을 갖는 펌프를 사용하면 안정적으로 송수(送水)할 수 있다.

제2 탄산 가스 용해기로서는 정적 혼합기 (13)이 바람직하다. 정적 혼합기 (13)은 유체를 기계적으로 분리하여 탄산 가스를 분산시키는 것이고, 상세하게는 예를 들면 문헌[하기하라 신고 감수, 정지형 혼합기 기초와 응용, 닛깐 고교 신문사 발행(1981년 9월 30일 초판 제1쇄 발행)]의 제1장에 상세하게 설명되어 있다.

여기서 사용하는 정적 혼합기 (13)은 특히 스테이터형 및(또는) 케닉스형을 사용하는 것이 바람직하다. 스테이터형이란 미국 특허 제4093188호 공보 등에 개시되어 있는 정적 혼합기이고, 그 구조는 각 스테이지가 3개의 반타원형의 배플로 이루어져 있으며, 이들 배플은 센터축을 따라 2개의 교차하는 배플과 반대측에도 1개의 배플을 조합한 것이다. 한편 케닉스형은 관 중에 우측 방향으로 비틀어진 나선상 부재와 좌측 방향으로 비틀어진 나선상 부재가 교대로 배치된 구조로 이루어지는 것이며, 나선형 형태라고 하는 경우도 있다.

이들은 본 발명에서 사용하는 정적 혼합기에 적합하고, 압력 손실이 적은 상태로 탄산 가스를 물에 높은 용해 효율로 용해할 수 있으며, 저렴하게 공급할 수 있다.

정적 혼합기 (13)에 동일한 유량으로 물을 흘리는 경우, 1개의 유로에 존재하는 부재의 개수가 많을수록 혼합되기 쉬워지고, 생성되는 탄산수의 유리 탄산 농도가 높아지는 경향이 있다.

그러나, 부재의 개수가 100보다 많으면 생성되는 탄산수의 유리 탄산 농도는 한계점에 도달하는 한편, 통수(通水)를 행할 때에 생기는 압력 손실이 매우 커져 통수가 곤란해진다.

한편, 부재의 개수가 5보다도 적으면 정적 혼합기에 의한 용해 효율 향상 효과가 없어지기 때문에, 정적 혼합기 (13)의 부재의 개수의 하한은 5 이상이 바람직하고, 10 이상이 보다 바람직하다. 또한, 부재의 개수의 상한은 100 이하가 바람직하고, 50 이하가 보다 바람직하다.

또한, 정적 혼합기 (13)은 1개의 상태로 사용하더라도 상관없지만, 복수개를 직렬로 연결하여 사용할 수도 있다. 직렬로 연결한 경우의 부재의 개수란 1개의 유로 중에 존재하는 부재의 개수를 말하는 것이고, 예를 들면 1개당 부재의 개수가 7인 정적 혼합기를 5개 직렬로 연결한 경우, 1개의 유로에 존재하는 부재의 개수는 35가 된다.

정적 혼합기 (13)은 복수개를 병렬로 연결하여 사용할 수도 있다. 병렬로 연결하여 사용하면 압력 손실을 낮은 상태로 유지하면서 한번에 생성할 수 있는 탄산수량을 증가시킬 수 있기 때문에 바람직하다.

병렬로 연결하는 경우, 예를 들면 1개당 부재의 개수가 20인 정적 혼합기를 5개 병렬로 연결한 경우에도 하나의 유로에 존재하는 부재의 개수는 20이 된다.

정적 혼합기 (13)의 부재 직경은 너무 가늘면 압력 손실이 높아지고, 많은 유량에서의 통수가 가능하기 때문에 내경의 하한은 5 mm 이상이 바람직하고, 10 mm 이상이 보다 바람직하다.

정적 혼합기 (13)의 부재 직경을 굵게 하면 공급하는 물의 유량을 높이더라도 통수시의 압력 손실은 저하되는 경향이 있다.

그러나, 공급할 필요가 있는 물의 유량이 너무 많으면 탄산수 제조 장치가 대규모인 것으로 되기 때문에, 내경의 상한으로서는 100 mm 이하인 것이 바람직하고, 50 mm 이하인 것이 보다 바람직하다.

제1 및 제2 탄산 가스 용해기를 통과함으로써 매우 효율적으로 물에 탄산 가스를 용해시킬 수 있지만, 아무리 효율이 높더라도 일부 미반응 탄산 가스가 존재한다. 대량으로 탄산수를 제조하는 경우, 인체에 위해를 가하는 가능성을 완전히 없애기 위해 제2 탄산 가스 용해기의 후에 기액 분리기 (14)를 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 기액 분리기 (14)는 가스 배출구 (15)에 연통하고 있다.

기액 분리기 (15)는 예를 들면 배기 밸브를 연결시킨 치즈 배관을 사용할 수 있다.

이와 같이, 기액 분리기 (14)를 설치함으로써 욕조 (17)에 미반응 탄산 가스가 유출되지 않지만, 가스 배출구가 막혔을 때 등 어떤 문제에 의해 기액 분리기 (14)가 기능하지 않게 된 경우를 상정하여 기액 분리기 (14)의 하류측의 도관에 기포 센서 (18)을 설치하는 것이 바람직하다. 기포 센서 (18)을 설치함으로써 도관 내에 기포가 혼입한 경우에 검지하여 장치를 정지시킬 수 있다. 기포 센서 (18)은 초음파식이 바람직하고, 도관을 삽입하여 배치한 초음파 발신자 및 초음파 수신자를 이용하여 도관 내를 투과시킨 초음파의 감쇠율로부터 기포를 감지할 수 있다.

또한, 장치의 어떤 문제에 의해 탄산 가스가 누설될 가능성을 고려하여 장치에 탄산 가스 농도 센서 및(또는) 산소 농도 센서를 설치하는 것이 바람직하다. 탄산 가스 농도 센서로서는 적외선식, 고체 전해질식 등을 들 수 있고, 산소 농도 센서로서는 자기풍 방식, 지르코니아 방식, 갈바니 전지 방식 등을 들 수 있다.

이러한 목적은 본 발명의 제1 주요한 구성인, 탄산 가스 공급 수단, 물 공급 수단 및(또는) 물 순환 수단, 상기 탄산 가스 공급 수단과 상기 물 공급 수단 및(또는) 물 순환 수단에 연결된 제1 탄산 가스 용해기, 및 이 탄산 가스 용해기로부터의 탄산수 배출측에 연결된 제2 탄산 가스 용해기를 구비하여 이루어지는 탄산수 제조 장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제1 탄산 가스 용해기가 막 모듈로부터 구성되는 경우에는 가장 용해 효율을 올릴 수 있다. 이 경우, 상기 막 모듈이 중공사막, 특히 상기 중공사막이 박막상의 비다공질 가스 투과층의 양면을 다공질층에 삽입한 3층 구조의 복합 중공사막인 것이 바람직하다.

상기 제2 탄산 가스 용해기로서는 정적 혼합기(static mixer)를 사용할 수 있다. 유리 탄산 농도가 800 mg/L 이상, 특히 1000 mg/L 이상인 고농도의 탄산수를 제조하는 경우, 제1 탄산 가스 용해기의 출구에 가까울수록 미용해 탄산 가스가 증대되고, 용해 효율이 저하되는 경향이 있어, 제2 탄산 가스 용해기는 이러한 미용해 탄산 가스를 용해시켜 용해 효율의 저하를 억지하는 기능을 갖는다. 여기서, 상기 정적 혼합기가 스테이터형 및(또는) 케닉스형이면 본 발명에서 사용하는 물과 같은 저점도 유체에서는 압력 손실이 적은 상태에서 탄산 가스를 높은 용해 효율로 용해할 수 있으며, 동시에 저렴하게 공급이 가능하다. 본 발명의 제2 탄산 가스 용해기는 제1 탄산 가스 용해기의 배출구 이후에서 미용해 탄산 가스를 용해하는 것이고, 제2 탄산 가스 용해기에는 기본적으로 탄산 가스 공급 수단은 연결되어 있지 않다.

상기 탄산 가스 공급 수단과 제1 탄산 가스 용해기의 사이에 탄산 가스의 유량을 일정하게 유지하는 유량 제어 밸브, 및 상기 물 공급 수단 및(또는) 물 순환 수단과 상기 제1 탄산 가스 용해기의 사이에 물의 유량을 일정하게 유지하는 유량 제어 밸브를 구비하면, 탄산수의 유리 탄산 농도를 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 상기 제1 탄산 가스 용해기를 물 공급 수단에 연결하는 경우에는 증압 펌프를 구비하는 것이 바람직하다. 공급 수단의 수압이 낮을 때에 탄산 가스 용해기의 압력 손실의 영향으로 경우에 따라 필요 유량이 충족되지 않는 것을 억제할 수 있다.

또한, 상기 탄산수 제조 장치의 물 또는 탄산수가 유통되는 라인 중에 적어도 상기 증압 펌프의 작동을 기동시키거나 정지시키기 위한 기동/정지 흐름 스위치(flow switch)를 구비하면, 펌프의 공운전을 방지할 수 있기 때문에 바람직하다.

상기 제1 및 제2 탄산 가스 용해기를 통과함으로써 매우 효율적으로 물에 탄산 가스를 용해할 수 있지만, 일부 미반응 탄산 가스가 존재하기 때문에 제2 탄산 가스 용해기의 후에 기액 분리기를 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 어떤 문제에 의해 기액 분리기가 기능하지 않는 경우를 상정하여 상기 기액 분리기 후의 도관에 기포 센서를 설치하는 것이 바람직하다. 기포 센서에는 초음파식이 바람직하다. 또한, 장치의 어떤 문제에 의해 탄산 가스가 누설된 것을 상정하여 장치에 탄산 가스 농도 센서 및(또는) 산소 농도 센서를 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적은 본 발명의 제2 기본적인 구성인, 제1 탄산 가스 용해기에 물 및 탄산 가스를 공급하고, 얻어진 탄산수를 제2 탄산 가스 용해기에 공급하는 탄산수 제조 방법에 의해 달성된다. 나아가, 상기 장치의 여러가지 바람직한 양태를 이용함으로써 이미 상술한 바와 같은 본 발명에 특유의 작용 효과를 발휘할 수 있다.

여기서, 상기 탄산수의 온도를 30 내지 45 ℃의 범위로 하고, 상기 탄산수의 유리 탄산 농도를 800 내지 1500 g/L의 범위로 함으로써 탄산수의 보온 작용을 효과적으로 발현시킬 수 있다.

또한, 탄산 가스를 물에 용해시키면 CO², HCO₃ ^-, CO₃ ^2- 의 존재 형태를 취하고, 물의 pH에 따라 각각의 존재 비율이 변화한다. 본 발명의 탄산수의 유리 탄산 농도란 이들 모든 존재 형태를 합친 농도를 말한다.

이어서, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 또한, 표 중의 용해 효율은 이하의 식에서 구하였다.

용해 효율(%) = 탄산수 중의 유리 탄산량/사용한 탄산 가스량×100

<실시예 1>

도 1에 나타낸 원패스형의 탄산수 제조 장치에 의해 탄산수를 제조하였다. 제1 탄산 가스 용해기에는 막 면적이 0.6 ㎡인 미쯔비시 레이온(주) 제조의 3층 복합 중공사막으로 만들어진 중공사 모듈을 사용하고, 탄산 가스를 4 L/분으로(20 ℃ 환산), 40 ℃의 온수를 5 L/분으로 탄산 가스 용해기에 공급하였다. 제1 탄산 가스 용해기의 후부에는 제2 탄산 가스 용해기로서 TAH 인더스트리즈(주) 제조의 스테이터형 정적 혼합기(형식 050-032F, 부재 직경 10.97 ㎜, 부재의 개수 14)를 연결하였다. 하기 표 1에 결과를 나타낸다.

<실시예 2>

탄산 가스를 3 L/분(20 ℃ 환산)으로 가스 용해기에 공급한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작을 행하였다. 표 1에 결과를 나타낸다.

<실시예 3>

정적 혼합기에 노리따께 컴퍼니 리미티드(주) 제조의 케닉스형 정적 혼합기(DSP형, 부재 직경 10 mm, 부재의 개수 12)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작을 행하였다. 표 1에 결과를 나타낸다.

<비교예 1>

정적 혼합기를 연결하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작을 행하였다. 표 1에 결과를 나타낸다. 실시예 1과 비교하여 용해 효율이 저하되었다.

<실시예 4>

도 2에 나타낸 순환형 장치로 탄산수를 제조하였다. 제1 탄산 가스 용해기에는 막 면적이 0.6 ㎡인 미쯔비시 레이온(주) 제조의 3층 복합 중공사막으로 만들어진 중공사 모듈을 사용하고, 탄산 가스를 2 L/분으로(20 ℃ 환산) 탄산 가스 용해기에 공급하였다. 제1 탄산 가스 용해기의 후부에는 제2 탄산 가스 용해기로서 TAH 인더스트리즈(주) 제조의 스테이터형 정적 혼합기(형식 050-032F, 부재 직경 10.97 mm, 부재의 개수 14)를 연결하였다. 수조에 수온 40 ℃의 온수를 10 L 넣고, 순환 펌프로 매분 5 L의 온수를 수조로 되돌렸다. 순환 5 분 후의 결과를 하기 표 2에 나타낸다.

<실시예 5>

정적 혼합기에 노리따께 컴퍼니 리미티드(주) 제조의 케닉스형 정적 혼합기(DSP형, 부재 직경 10 mm, 부재의 개수 12)를 사용한 것 이외에는, 실시예 4와 동일한 조작을 행하였다. 표 2에 결과를 나타낸다.

<비교예 2>

정적 혼합기를 연결하지 않은 것 이외에는, 실시예 4와 동일한 조작을 행하였다. 순환 5 분 후의 결과를 표 2에 나타낸다. 실시예 4에 비해 유리 탄산 농도, 용해 효율 모두 저하되었다.

<비교예 3>

정적 혼합기를 연결하지 않고, 탄산 가스를 1 L/분으로(20 ℃ 환산) 탄산 가스 용해기에 공급한 것 이외에는, 실시예 4와 동일한 조작을 행하였다. 순환 10 분 후의 결과를 표 2에 나타낸다. 실시예 4와 동일한 유리 탄산 농도 및 용해 효율이었지만, 제조 시간은 2 배 소요되었다.

이상의 설명에서도 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 탄산수의 제조 방법에 의하면 막 모듈을 구성 요소로 하는 탄산 가스 용해기를 제1 탄산 가스 용해기로 하여, 탄산 가스를 물에 용해시키고, 제1 탄산 가스 용해기를 통과한 탄산수를 제2 탄산 가스 용해기인 정적 혼합기에 통과시킴으로써, 종래와 비교하면 구조가 간단하고, 현저하게 효율적으로 고농도의 탄산수를 간단히 얻을 수 있다.

Claims (34)

1. 탄산 가스 공급 수단, 물 공급 수단 및(또는) 물 순환 수단, 상기 탄산 가스 공급 수단과 상기 물 공급 수단 및(또는) 물 순환 수단과 연결된 제1 탄산 가스 용해기, 및 이 탄산 가스 용해기로부터의 탄산수 배출측에 연결된 제2 탄산 가스 용해기를 구비하여 이루어지는 탄산수 제조 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄산 가스 공급 수단이 상기 제1 탄산 가스 용해기에만 연결되어 있는 탄산수 제조 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기가 막 모듈을 구비하여 이루어지는 탄산수 제조 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 막 모듈이 중공사막을 포함하여 이루어지는 탄산수 제조 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 중공사막이 박막상의 비다공질 가스 투과층의 양면을 다공질층에 삽입한 3층 구조의 복합 중공사막인 탄산수 제조 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 탄산 가스 용해기가 정적 혼합기를 포함하여 이루어지는 탄산수 제조 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 정적 혼합기가 스테이터형 및(또는) 케닉스형인 탄산수 제조 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 정적 혼합기의 부재의 개수가 5 내지 100인 탄산수 제조 장치.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기의 부재 직경이 5 내지 100 mm인 탄산수 제조 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄산 가스 공급 수단의 하류에 있고 상기 제1 탄산 가스 용해기의 상류에 탄산 가스의 유량 제어 수단이 배치되어 이루어지는 탄산수 제조 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기의 상류에 물의 유량 제어 수단이 배치되어 이루어지는 탄산수 제조 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기의 상류에 증압 펌프를 갖는 탄산수 제조 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 탄산수 제조 장치의 물 또는 탄산수가 유통되는 라인중에 상기 증압 펌프의 기동/정지용 흐름 스위치가 배치되어 이루어지는 탄산수 제조 장치.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 탄산 가스 용해기의 하류에 탄산수와 미용해 탄산 가스를 분리하는 기액 분리기가 배치되어 이루어지는 탄산수 제조 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 기액 분리기의 하류에 기포 센서가 배치되어 이루어지는 탄산수 제조 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 기포 센서가 초음파식인 탄산수 제조 장치.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 탄산 가스 농도 센서 및(또는) 산소 농도 센서를 갖는 탄산수 제조 장치.
18. 제1 탄산 가스 용해기에 물 및 탄산 가스를 공급하고, 얻어진 탄산수를 제2 탄산 가스 용해기에 공급하는 탄산수 제조 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기에 물을 원패스로 통과시키는 탄산수 제조 방법.
20. 제18항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기를 통해 물을 순환시키는 탄산수 제조 방법.
21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기에만 탄산 가스를 공급하는 탄산수 제조 방법.
22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기가 막 모듈을 구비하여 이루어지는 탄산수 제조 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 막 모듈이 중공사막을 포함하여 이루어지는 탄산수 제조 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 중공사막이 박막상의 비다공질 가스 투과층의 양면을 다공질층에 삽입한 3층 구조의 복합 중공사막인 탄산수 제조 방법.
25. 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 탄산 가스 용해기가 정적 혼합기를 포함하는 탄산수 제조 방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 정적 혼합기가 스테이터형 및(또는) 케닉스형인 탄산수 제조 방법.
27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 정적 혼합기의 부재의 개수가 5 내지 100인 탄산수 제조 방법.
28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 혼합기의 부재 직경이 5 내지 100 mm인 탄산수 제조 방법.
29. 제18항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기에 탄산 가스를 정유량(定流量)으로 공급하는 탄산수 제조 방법.
30. 제18항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기에 물을 정유량으로 공급하는 탄산수 제조 방법.
31. 제18항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 탄산 가스 용해기의 상류에 증압 펌프를 배치하고, 증압 펌프로 증압된 물을 상기 제1 탄산 가스 용해기에 공급하는 탄산수 제조 방법.
32. 제31항에 있어서, 물 또는 탄산수가 유통되는 라인 중에 흐름 스위치를 배치하고, 라인 중에 물 또는 탄산수가 존재할 때만 상기 증압 펌프를 구동시키는 탄산수 제조 방법.
33. 제18항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 생성되는 탄산수의 온도가 30 내지 45 ℃의 범위내인 탄산수 제조 방법.
34. 제18항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 생성되는 탄산수의 유리 탄산 농도가 800 내지 1500 mg/L의 범위내인 탄산수 제조 방법.