JP5826421B1 - 気体溶解器、及びこれを用いた炭酸水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体溶解の混合流路長が短く、かつ簡略な構造であって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。
【解決手段】気体溶解器２は、筐体３の内部に気密形成した面状の気液混合領域と、気液混合領域の略中央に形成した流入口２１と、気液混合領域を挟んで流入口と対向した位置に気液混合領域と連通させて形成した流出口２２と、から成り、気液混合領域は流入口から導入した気液を面方向に拡散させる流路３１ｂから成る拡散区画３１と、拡散区画の拡散端部から連通して流出口へ向けて集中させる流路３２ｂから成る集中区画３２と、を積層状態で形成している。炭酸水生成装置は上記気体溶解器と、筐体の気液混合域に水と炭酸ガスとを合流させて供給する流入口に連結した流入管と、気体溶解器で生成した炭酸水を外部へ供給する流出口に連結した流出管と、から構成する。
【選択図】図３

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。

昨今、水や温水に炭酸ガスを高濃度に溶解させた炭酸水は、人体や農作物に対して様々な効能があることについて研究がなされており、多数の実証事例が公表されている。

例えば、炭酸成分の人体への効能としては、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・貧血症の改善などが挙げられる。また、農作物への効能としては、水耕栽培用水や土壌洗浄水、農業用水と利用した場合に成長促進があり、鶏舎や牛舎の洗浄水として用いた場合に動物や作業従事者に対しても衛生状態が向上するとの研究発表もある。

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の生成装置に関しては、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装置として特開２００８−２１２４９５号「炭酸泉生成装置」公報（特許文献１）では、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している。

また、他にも、特開平９−１７３８０３号「炭酸溶液の製造方法」公報（特許文献２）では、炭酸ガスと液体との流入口を中心部に備え、流入した気液を多数の開放型小室から成るエレメントを通過させつつ放射方向に拡散させた後、端部から再度同等のエレメントを通過させつつ中央部の流出口に気液を集中させる気体溶解器（文献内では「セル」と説明。）を開示している。

特開２００８−２１２４９５号公報 特開平９−１７３８０３号公報

しかし、特開２００８−２１２４９５号公報（特許文献１）には、管路が長くなって炭酸泉（炭酸水）の生成能力、すなわち気液混合の処理量が低下するだけでなく、内部構造が複雑であるために炭酸ガス溶解部の製造コストが嵩む問題があった。

また、特開平９−１７３８０３号公報（特許文献２）に開示する気体溶解器も、内部の流路が入り組んだ複雑な構成であるため、特許文献１の装置同様に気液混合の流路が長くなってしまう問題があった。このため、気液混合の処理量の低下と炭酸ガスの製造コストが嵩む同様の問題があった。

そこで、本願発明は上記問題点に鑑み為されたものであって、気体溶解を行う混合流路長が短く、かつ簡略な構造でありながら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。

上記の課題を解決するため、本願発明に係る気体溶解器は、以下のように構成している。

すなわち、筐体内に気密に形成した面状の気液混合領域と、該気液混合領域の平面視の略中央付近に気液混合領域と連通させて形成した流入口と、前記気液混合領域を挟んで流入口と略対向した位置に該気液混合領域と連通させて形成した流出口と、から成り、前記気液混合領域は、前記流入口から導入した気液を面方向に異なる流路長をもった複数本の流路をもって拡散させる拡散区画と、該拡散区画の流路端部からそれぞれ連通して前記流出口へ向けて異なる流路長をもった複数本の流路をもって集中させる集中区画と、を積層状態で形成したことを特徴としている。

かかる流路形態としては、筐体内部を区画して容積を限定した複数経路を形成、又は管体を組み合わせて形成しても良い。

この拡散及び集中するための筐体端部までのそれぞれの流路長は、流入口から流出口までに至る間に流れの粒子（流体粒子）が拡散と集中時の流速、乱流状態を呈する粒子の運動挙動、攪拌状況、及び水の粘性抵抗など種々の要因を考慮して設定する。

また、上記気液混合領域は、平面視で矩形状に形成しても良い。この場合、拡散区画と集中区画を積層状態で形成する気液混合領域は直方体状を成し、これを気密に形成してなる筐体も直方体状を成すことになる。

上記の本願発明の構成によれば、流入口から区画された筐体内の気液混合域を流通する気液の流れは、流入後に方向を変えて面方向でかつ放射状に拡散することになる。そして、一旦拡散した後にその拡散位置から面方向の逆向きに流出口に集中する。気液にはこの拡散と集中の過程で乱流状態が形成されることとなり、水への気体の溶解を促進している。

また、上述にように気液混合領域を流路形態としたため、流入口からの流入直後に気液が筐体内の複数流路に沿って放射方向に分散し、この時の方向転換と速度変化により気体粒子と液体粒子どうしの摩擦や衝突がより活発化して粒子分裂が誘発され、液体への気体の溶け込みがより促進される。この結果、気液の混合性と攪拌性がより高まり、気体が高濃度に溶解した溶解液の生成が可能となる。

上記構成の気体溶解器を利用する炭酸水生成装置は、上記した各構成から成る気体溶解器と、該気体溶解器の筐体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流入管と、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、簡単な構造であって外部から加圧や電気などのエネルギーを付加することもなく、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。なお、この炭酸水生成装置は、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。

また、別形態の炭酸水生成装置としては、上記構成の気体溶解器の複数個を、接続管を介して重畳（積層方向）させた形態としても良い。この形態の炭酸水生成装置は、気液の流れの始端側に位置する気体溶解器の流入口と水と炭酸ガスとをそれぞれ別個に又は合流させてから供給する流入管を連結し、終端側に位置する気体溶解器の流出口と各気体溶解器で生成した炭酸水を外部へ供給するための流出管を連結する構成となる。

この形態の炭酸水生成装置は、混合させる気体及び液体が複数の気体溶解器を連続的に通過することになるため、気液の溶解度を向上させる場合に採用される形態である。

さらに、上記積層形態とは異なり、並列配置した上記構成の気体溶解器と、水と炭酸ガスとをそれぞれ別個に又は合流させてから供給するため流入管と、該流入管と連結した各気体溶解器の流入口数に対応した分岐手段と、該分岐手段から分岐して上記の各気体溶解器の流入口と連結する分岐管と、上記の各気体溶解器の流出口と連結する集約管と、該集約管と連結して各気体溶解器で生成した炭酸水の集約手段と、該集約手段と連結した流出管と、から構成しても良い。

この形態の炭酸水生成装置は、混合させる気体及び液体が複数の気体溶解器を同時に通過することになるため、気液混合の処理量を増加させる場合に採用される形態である。

上記各構成の本願発明によれば、気体と溶解させる媒体（水）とが混合した気液は、流入口から流入した後に放射方向へ面状に拡散した後、筐体端部から再度面状に集中して流出口へ至るため、筐体内で急激な流速と流れ方向の変化が同時発生して乱流状態となる。この結果、筐体内での流路長が短いにも関わらず、粒子が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、気体溶解器の気液混合領域は筐体内に拡散区画とこれと連通すると共に同一構成の集中区画を言わば積層状態で配置した簡略な構成であるため、板体の溶接や接着若しくは削り出し加工、又は金型成形、並びに管体の連結でも容易に構築でき、製造コストを抑制することができる。

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、「炭酸ガスボンベ」）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。

そして、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。この結果、簡易かつ容易でありながら継続的に、さらには制御し易い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も低くすることができる。

さらに、上記の気体溶解器は一種のモジュール化された構成であるため、複数の気体溶解器を重畳（積層）させて配置することによって溶解度能力を倍増させた炭酸水生成装置が容易に構築できるだけでなく、気体溶解器を並列配置することによって溶解液の生成処理量を倍増させた炭酸水生成装置も容易に構築できる。これによって、設置場所や使用目的に応じて柔軟に溶解度や生成処理量を調整した炭酸水生成装置を提供できる。

本願発明に係る炭酸水生成装置の実施例を示す概略図である。 本願発明に係る炭酸水生成装置の具体的使用例の構成を示す概略図である。 本願発明に係る気体溶解器を一部切り欠いて示す斜視図である。 本願発明に係る気体溶解器の縦断面図（Ａ）と、そのＡＡ線断面図（Ｂ）である。 本願発明に係る炭酸水生成装置の別形態を示す説明図（Ａ）、（Ｂ）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。なお、以下説明では、便宜上、図面上の上側部分を「上部」と下側部分を「下部」と称して用いる。

図１及び図２は、本実施例の炭酸水生成装置１の構成、及びその具体的な使用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に水道水、又は給湯器から水又は温水を供給する流入管４及び注水管４ａを連結すると共に、流出口２２には外部機器類６、例えば、浴槽６ａ、シャワーヘッド６ｂ、又は蛇口６ｃ、等へ配管した流出管５を連結している。

注水管４ａには流入口２１の近傍に炭酸ガスボンベ７からの炭酸ガスを供給するため、Ｔ型継手４ｃ（通称、「チーズ」）及び調整弁４ｄを介して流入管４に連結するガス供給管４ｂを連結している。

かかる構成により、炭酸ガスボンベ７から供給された炭酸ガスと、注水管４ａを流通してきた水又は温水とが、Ｔ型継手４ｃで合流して気体溶解器２の内部に導入される。そして、後述の筐体３の気液混合域を構成する拡散区画３１と集中区画３２での作用によって、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５を通って外部機器類６の浴槽６ａやシャワーヘッド６ｂ、さらには消毒水または洗浄用水として蛇口６ｃへ供給される。

本実施例の炭酸水生成装置１では、水の流入管４及び注水管４ａ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７からのガス圧は調整弁４ｄにより０．１５〜０．４Ｍｐａの範囲内で適宜に調整している。

また、本実施例の炭酸水生成装置１は、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、炭酸ガスボンベ７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、炭酸水生成の主要な要素である気体溶解器２について、図３〜図４を用いて説明する。気体溶解器２は、後述の拡散区画３１と集中区画３２から成る気液混合領域を気密封止して成る直方体状の筐体３と、この筐体３の上部の幅広面中央に形成した流入口２１と、流入口２１とは反対面である下部の幅広面中央に形成した流出口２２と、から主に構成している。

筐体３は、金属材又は硬質樹脂材から上述したように直方体状の外観を呈し、筐体内部は区画して気液混合領域を形成している。この気液混合領域は、筐体内の上部の拡散区画３１と下部の集中区画３２とによって筐体内部を上下２分割した積層状態にて構成している。

まず、拡散区画３１は上記流入口２１と連通した筐体上部中央の流入スペース３１ａと、流入スペース３１ａと連通すると共に筐体端部に向かって放射直線状に延びる８本の流路３１ｂと、から構成している。

集中区画３２は上記流出口２２と連通した筐体下部中央の流出スペース３２ａと、流出スペース３２ａと連通すると共に筐体端部に向かって放射直線状に延びる８本の流路３２ｂと、から構成している。

ここで、拡散区画３１と集中区画３２のそれぞれの流路３１ｂ、３２ｂは、上部と下部を階層としたほぼ重畳する位置に形成している。また、各流路３１ｂ、３２ｂは筐体端部では連通路３３を介してつながっている。連通路３３の断面積はそれぞれの流路３１ｂ、３２ｂとほぼ同じとしている。なお、流路３１ｂ、３２ｂは図示する直線だけでなく一部を曲線やクランク状に形成して距離を延長させたり、途中の断面積を縮小若しくは拡張させても良い。

上記の気液混合領域の構成により、気液の筐体内での流れは、流入口２１、流入スペース３１ａ、拡散区画３１、連通路３３、集中区画３２、流出スペース３２ａ、流出口２２、の順番で流れることなる。詳述すると、流入口２１から入った気液は流れ方向を変化させて一気に放射状の面方向に分岐して筐体端部に向かって拡散した後、筐体端部において再度流れ方向を逆転させた後に筐体端部である周囲から流出口２２に向かって集中することになる。

筐体内に流入した気液の流れは、上記の拡散と集中と筐体端部での方向転換において乱流状態となり、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。この過程においては、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。そして、このように拡散と集中による速度変化、流れ方向の急激な変化によって流れの粒子に複数回の圧縮力と膨張力とが付加され、粒子どうしの摩擦や粒子の分裂が誘発される。この結果、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。

流出口２２及び流入口２１は、筐体３から外部に突出させ環状を呈し、流入管４及び流出管５、他にも適宜の継手（例えば、エルボー、スイベル、ニップル等）との連結を容易にするネジ部２３を内周側に刻設している。なお、ネジ部２３は環状部の外周側に刻設することも可能である。
［実証データ］

次に、本実施例の気体溶解器２を用いて炭酸水の生成状態を試験した実証データを以下に示す。表１は、一般家庭や集合住宅等での使用頻度が高い３種類のパイプ（口径１５Ａ、２０Ａ、２５Ａ）を利用した場合において、その口径や形状における流入水量を変化させると共に、流入水の温度と炭酸ガス圧を一定とした時の溶解度と炭酸ガス濃度を示したものある。

［他の実施例］

このように、上記構成の気体溶解器２は単体でも十分な溶解度と炭酸ガス濃度の炭酸水の生成能力があり、炭酸水生成装置１を構築する場合は１個の気体溶解器２によって十分に所望仕様を満足できる。

一方で、本実施例の気体溶解器２は上記構成によって一種のモジュール化された形態である。このため、装置の利用目的に適合させて溶解度や炭酸水生成の処理量を適宜に向上させることが可能である。

すなわち、図５（Ａ）に示すように、複数の気体溶解器２を重畳（積層）方向に配置し、混合した気液を最初に流入させる気体溶解器２の流入口２１に水と炭酸ガスとを供給する流入管４を連結し、炭酸水を流出させる気体溶解器２の流出口２２には外部供給用の流出管５を連結し、重畳方向に隣接する各気体溶解器２の流出口２２と流入口２１とを接続管８１（例えば、ニップル）を介して連結することによって炭酸水生成装置８を構成する。この炭酸水生成装置８は水と炭酸ガスが複数の気体溶解器２を連続的に通過するため、炭酸水の溶解度や炭酸ガス濃度が向上している。

また、図５（Ｂ）に示すように、複数の気体溶解器２を並列配置し、水と炭酸ガスとを供給する流入管４を並列配置した気体溶解器２の数に対応した分岐数を備えた分岐手段９１（例えば、ヘッダー）に連結し、この分岐手段９１から分岐して上記の各気体溶解器２の流入口２１に分岐管９１ａを連結し、さらに各気体溶解器２の流出口２２とは集約管９２ａを連結し、そして、各集約管９２ａと集約手段９２を連結し、この集約手段９２と流出管５を連結することによって炭酸水生成装置９を構成する。この炭酸水生成装置９は水と炭酸ガスが複数の気体溶解器２を同時に通過するため、炭酸水の生成処理量が向上している。なお、並列配置する気体溶解器２の数は、水道圧又は給湯圧とガス供給圧を考慮して設定する必要がある。

１ 炭酸水生成装置
２ 気体溶解器
２１ 流入口
２２ 流出口
２３ ネジ部
３ 筐体
３１ 拡散区画
３１ａ 流入スペース
３１ｂ 流路
３２ 集中区画
３２ａ 流出スペース
３２ｂ 流路
３３ 連通路
４ 流入管
４ａ 注水管
４ｂ ガス供給管
４ｃ Ｔ型継手
４ｄ 調整弁
５ 流出管
６ 外部機器類
６ａ 浴槽
６ｂ シャワーヘッド
６ｃ 蛇口
７ 炭酸ガスボンベ
８ 炭酸水生成装置（積層型）
８１ 接続管
９ 炭酸水生成装置（並列型）
９１ 分岐手段
９１ａ 分岐管
９２ 集約手段
９２ａ 集約管

Claims (5)

1. 筐体内に気密に形成した面状の気液混合領域と、
   該気液混合領域の平面視の略中央付近に気液混合領域と連通させて形成した流入口と、
   前記気液混合領域を挟んで流入口と略対向した位置に該気液混合領域と連通させて形成した流出口と、
   から成り、
   前記気液混合領域は、前記流入口から導入した気液を面方向に異なる流路長をもった複数本の流路をもって拡散させる拡散区画と、該拡散区画の流路端部からそれぞれ連通して前記流出口へ向けて異なる流路長をもった複数本の流路をもって集中させる集中区画と、を積層状態で形成したことを特徴とする気体溶解器。
2. 気液混合領域が、
   平面視で矩形状であることを特徴とする請求項１記載の気体溶解器。
3. 請求項１、又は２記載の気体溶解器と、
   該気体溶解器の筐体の気液混合領域に水と炭酸ガス（ＣＯ２）とを供給するための流入口に連結した流入管と、
   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の流出口に連結した流出管と、
   から成ることを特徴とする炭酸水生成装置。
4. 請求項１、又は２記載の気体溶解器の複数個を、
   接続管を介して重畳させたことを特徴とする請求項３記載の炭酸水生成装置。
5. 並列配置した複数の請求項１、又は２記載の気体溶解器と、
   水と炭酸ガスとをそれぞれ別個に又は合流させてから供給するための流入管と、
   該流入管と連結した各気体溶解器の流入口数に対応した分岐手段と、
   該分岐手段から分岐して上記の各気体溶解器の流入口と連結する分岐管と、
   上記の各気体溶解器の流出口と連結する集約管と、
   該集約管と連結して各気体溶解器で生成した炭酸水の集約手段と、
   該集約手段と連結した流出管と、
   から成ることを特徴とする炭酸水生成装置。

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