(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素水の製造システムであって、
内部空間と外部とを連通又は遮断する開閉バルブ（４１）と溶存酸素計（４３）とを具備し密閉性を備えた第１水タンク(４)と、
前記第１水タンク（４）との間で循環する水に窒素ガスを注入することにより、水の溶存酸素を窒素に置換しさらに窒素飽和溶存水とするための窒素ガス注入手段（２，３）と、
前記第１水タンク(４)から取り出された窒素飽和溶存水を凍結させて窒素溶存氷とする製氷機(５)と、
前記製氷機（５）から取り出された窒素溶存氷を収容し融解させて窒素水とする第２水タンク（６）と、
前記第１水タンク（４）に水が充填された後、前記開閉バルブ（４１）を開状態として前記窒素ガス注入手段（２，３）を稼動させ、前記溶存酸素計（４３）により前記第１水タンク（４）内の水の溶存酸素がほぼ零となったことを検知したとき前記開閉バルブ（４１）を閉じてさらに所定時間だけ前記窒素ガス注入手段（２，３）を稼動させる制御を行う制御手段（７）と、を有することを特徴とする
窒素水製造システム。
【請求項２】
前記窒素ガス注入手段（２，３）が、前記第１水タンク（４）との間で循環する水に対して窒素ガスを注入する窒素ガス注入器（３）と、大気中から窒素ガスを抽出し前記窒素ガス注入器（３）に対して供給する窒素ガス抽出器（２）と、を有することを特徴とする請求項１に記載の窒素水製造システム。
【請求項３】
窒素水の製造方法であって、
内部空間と外部とを連通又は遮断する開閉バルブ（４１）と溶存酸素計（４３）とを具備し密閉性を備えた第１水タンク(４)に水を充填する工程と、
前記開閉バルブ（４１）を開状態としたまま前記第１水タンク（４）内の水に窒素ガスを注入することにより溶存酸素を窒素に置換する工程と、
前記溶存酸素計（４３）により溶存酸素量がほぼ零となったことを検知して前記開閉バルブ（４１）を開状態から閉状態とし、さらに所定時間だけ窒素ガスを注入することにより窒素飽和溶存水とする工程と、
前記第１水タンク(４）から取り出された窒素飽和溶存水を凍結させて窒素溶存氷とする工程と、
前記製氷機（５）から取り出された窒素溶存氷を第２水タンク（６）に収容し融解させて窒素水とする工程と、を有することを特徴とする
窒素水製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶存酸素が窒素に置換された窒素水の製造システム及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、窒素ガスを含む水を凍らせた窒素溶存氷で魚艙の水面を覆い、窒素ガス封入氷が融けることにより魚艙内の水の溶存酸素量を減少させることで、魚の鮮度を維持する技術が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、生鮮食品の加工漬けの漬け汁に窒素ガスを溶解させて製氷機で凍らせて、その氷を漬け汁タンクに戻して水面を覆い、その氷が融けることにより漬け汁タンク内の水の溶存酸素量を減少させることで、生鮮食品の酸化、腐敗の防止効果を向上させる技術が開示されている。
【０００４】
一方、健康増進のために水に各種ガスを溶解させたり微細気泡を含有させた飲料が提案されている。特許文献３では水に水素ガスを溶存させた水素水が、特許文献４では水素ガスの微細気泡を包含させた水素水が提示されている。特許文献５では、酸素水をペットボトルに充填する充填方法が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５５１７２号公報
【特許文献２】特開２００７−２８２５５０号公報
【特許文献３】特表２０１５−５３５９１７号公報
【特許文献４】特開２００９−２０８０５１号公報
【特許文献５】特許第５８９０５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２に提示された窒素溶存氷は、水の溶存酸素を窒素に置換した窒素水を凍結させたものである。窒素溶存氷は、それ自体が氷温であることにより生鮮品や加工食品の酸化、腐敗を防止する効果があることに加え、窒素溶存氷が融けた場合にもその水の溶存酸素量が低減されているので生鮮品や加工食品の鮮度を保持する効果がある。
特許文献１、２における窒素溶存氷は、複数のタンクを循環させて融解と凍結を繰り返すものであり、融ける前の氷と融けた後の水が共存して生鮮品の鮮度保持に利用されており、融けた後の水が単独で利用されることはない。このことは、窒素溶存氷として製造され出荷される場合も同様である。
【０００７】
本発明の目的は、水の溶存酸素を窒素に置換した窒素水において、大気圧での飽和溶存量を超えてさらに多くの窒素を安定に含む窒素水の製造システム及び製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく、本発明は、以下の構成を有する。なお、括弧内の数字は後述する構成例を示した図面中の符号であり、参考のために付するものである。
【０００９】
本発明の態様は、窒素水の製造システムであって、
内部空間と外部とを連通又は遮断する開閉バルブ（４１）と溶存酸素計（４３）とを具備し密閉性を備えた第１水タンク(４)と、
前記第１水タンク（４）との間で循環する水に窒素ガスを注入することにより、水の溶存酸素を窒素に置換しさらに窒素飽和溶存水とするための窒素ガス注入手段（２，３）と、
前記第１水タンク(４)から取り出された窒素飽和溶存水を凍結させて窒素溶存氷とする製氷機(５)と、
前記製氷機（５）から取り出された窒素溶存氷を収容し融解させて窒素水とする第２水タンク（６）と、
前記第１水タンク（４）に水が充填された後、前記開閉バルブ（４１）を開状態として前記窒素ガス注入手段（２，３）を稼動させ、前記溶存酸素計（４３）により前記第１水タンク（４）内の水の溶存酸素がほぼ零となったことを検知したとき前記開閉バルブ（４１）を閉じてさらに所定時間だけ前記窒素ガス注入手段（２，３）を稼動させる制御を行う制御手段（７）と、を有することを特徴とする。
【００１０】
上記態様において、前記窒素ガス注入手段（２，３）が、前記第１水タンク（４）との間で循環する水に対して窒素ガスを注入する窒素ガス注入器（３）と、大気中から窒素ガスを抽出し前記窒素ガス注入器（３）に対して供給する窒素ガス抽出器（２）と、を有することが好適である。
【００１１】
本発明の別の態様は、窒素水の製造方法であって、
内部空間と外部とを連通又は遮断する開閉バルブ（４１）と溶存酸素計（４３）とを具備し密閉性を備えた第１水タンク(４)に水を充填する工程と、
前記開閉バルブ（４１）を開状態としたまま前記第１水タンク（４）内の水に窒素ガスを注入することにより溶存酸素を窒素に置換する工程と、
前記溶存酸素計（４３）により溶存酸素量がほぼ零となったことを検知して前記開閉バルブ（４１）を開状態から閉状態とし、さらに所定時間だけ窒素ガスを注入することにより窒素飽和溶存水とする工程と、
前記第１水タンク(４）から取り出された窒素飽和溶存水を凍結させて窒素溶存氷とする工程と、
前記製氷機（５）から取り出された窒素溶存氷を第２水タンク（６）に収容し融解させて窒素水とする工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の窒素水製造システム及び製造方法によれば、先ず原料の水に窒素ガスを注入することにより溶存酸素を窒素に置換した窒素水を生成し、さらに大気圧以上の高圧状態の窒素雰囲気下で所定時間だけ窒素ガスをさらに注入することにより窒素飽和溶存水とし、これをそのまま凍結させて窒素溶存氷とした後、窒素溶存氷を融解させて最終的に窒素水を得る。
【００１３】
高圧状態の窒素雰囲気下で生成した窒素飽和溶存水を凍結させ融解させた窒素水は、凍結させない場合よりも溶存した窒素が安定化する。
【００１４】
窒素水は、酸素を含む通常の水に比べて酸化防止、化学反応抑制等の効果がある。本発明による窒素水は、飲用、調理用の水として有効である。また、洗顔用の水や化粧水など美容関連の水にも有効である。さらに、生鮮食品の洗浄用及び噴霧用の水にも有効である。またさらに、工業用水としての活用、土壌へ撒布する農業用水としての活用も可能である。またさらに、放射性廃棄物の処理及び土壌改良において利用される水としての活用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明による窒素水製造システムの概略構成の一例を模式的に示した図である。
【図２】図２は、本発明による窒素水製造システムの別の構成例を模式的に示した図である。
【図３】図３は、本発明による窒素水製造方法の一例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、一例を示した図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
本明細書中において、水の「窒素置換」とは、大気圧下において温度により決まる水の酸素溶存量をほぼ零とし、溶存酸素を窒素に置換し窒素を溶存させることを意味する。「水の酸素溶存量をほぼ零」とした状態とは、温度に関係なく酸素溶存量０．３ｍｇ／Ｌ以下を意味する。
「窒素飽和溶存水」とは、水の溶存酸素が窒素置換され、さらに窒素がその温度及び圧力における飽和溶存量まで溶解した水を意味する。
「窒素水」とは、少なくとも溶存酸素が窒素置換された水、窒素飽和溶存水、又はこれらの中間の溶存窒素を含む水のいずれも含む（凍結させた後に融解させたものも含む）上位概念である。
「窒素溶存氷」とは窒素水を凍結させた氷を意味する。
【００１７】
図１は、本発明による窒素水製造システムの概略構成の一例を模式的に示した図である。図中の白矢印はガスの流れを示し、黒矢印は液体の流れ又は移送を示す。白抜き矢印は固体（氷）の移送を示す。
【００１８】
窒素水製造システムは、第１水タンク４と、製氷機５と、第２水タンク６とを有し、第１水タンク４に充填された水を循環させて窒素ガスを注入する窒素ガス注入手段を有する。さらに、システムを制御する制御部７を有する。
【００１９】
窒素ガス注入手段は、本構成例では、エアコンプレッサ１と、窒素ガス抽出器２と、窒素ガス注入器３とから構成されている。エアコンプレッサ１は、大気を圧縮して窒素ガス抽出器２に送る。例えば、供給エア圧力が０．５から０．９ＭＰａのものを用いる。
【００２０】
窒素ガス抽出器２は、ポリイミド中空糸膜からなる窒素分離膜を設けた圧力容器の一端に圧縮空気を取り込み、横の口から酸素をパージし、圧力容器の多端から窒素ガスを取出すものである。気体の種類により膜の透過速度が異なることを利用したものである。
【００２１】
窒素ガス注入器３は、１時間あたり２ｔ（２ｍ３）の水を通過させて窒素ガス注入を行い、酸素溶存量をほぼ零とするまで酸素を追い出す能力を有する。窒素ガス注入器３は、窒素ガスを噴出する注入ノズル（図示せず）を有し、例えば最大０．８ＭＰａの高圧の窒素ガスが水中に注入される。窒素ガス注入器３の注入ノズルは、窒素置換を効率的に行うために、注入する窒素ガスの気泡をできるだけ細かくする構造を具備するものが好適である。例えば、脱気装置「リプレル」（登録商標：（株）片山化学工業研究所製）のように、窒素ガス抽出器２と窒素ガス注入器３を一体に構成した装置がある。
【００２２】
第１水タンク４と窒素ガス注入器３の間には、水を往復循環させるための送水パイプからなる循環経路が形成される。循環経路上には循環ポンプ３１が設けられる。循環する水に対して窒素ガスが注入されることにより、水の溶存酸素が追い出され窒素置換される。
【００２３】
第１水タンク４は、天井に開閉バルブ４１を設けている。開閉バルブ４１は、第１水タンク４の内部空間（水の表面と天井の間の空間）と外部とを連通又は遮断する。開閉バルブ４１を除いて、窒素ガス注入器３と第１水タンク４と循環経路とは、水及び気体に対して密閉性を有する構造となっている。さらに第１水タンク４は、水温を計測するための温度計４２と、水の溶存酸素量を計測するための溶存酸素計４３とを具備する。好適には、これらの計測器はセンサであり、計測値を電気信号として出力可能である。第１水タンク４の容量は、例えば数ｔ〜１０ｔ程度である。
【００２４】
制御部７は、窒素ガス注入手段におけるエアコンプレッサ１及び循環ポンプ３１の稼動と停止を制御する。また制御部７は、開閉バルブ４１の開閉を制御する。さらに制御部７は、温度計４２及び溶存酸素計４３の計測値を入力される。制御部７は、溶存酸素計４３の計測値に基づいて窒素ガス注入手段の稼動と停止及び開閉バルブ４１の開閉を制御する。これらの制御は、マイコン等を用いて電気信号により行われる。
【００２５】
第１水タンク４に例えば１０ｔの水を充填した場合、窒素ガス注入手段を約５時間稼動させると、窒素置換を完了することができる。制御部７は、溶存酸素計４３の計測値をモニタリングすることにより窒素置換の完了を検知する。窒素置換を行う間、制御部７は、開閉バルブ４１を開状態としておく。これにより、水から追い出された酸素が開閉バルブ４１を通って外部に放出される。開閉バルブ４１が開状態であるので、窒素置換を行う間の第１水タンク４の内部空間は大気圧である。なお、開閉バルブ４１は、開状態においては外部への放出のみを可能とする逆止弁としての機能も有する。窒素置換が完了した時点では、水の溶存酸素が窒素に置換された窒素水が得られる。また、この時点では、第１水タンク４の内部空間は大気圧の窒素雰囲気となっている。
【００２６】
図示しないが、第１水タンク４に冷却設備を付設することにより、水温を低下させて窒素置換を行ってもよい。窒素溶存量は低温になるほど大きくなるので、低温とすることが好ましい。水温は例えば５℃程度に保持する。制御部７が、温度計４２の計測値に基づいて冷却設備を制御してもよい。
【００２７】
窒素置換が完了した後、制御部７は開閉バルブ４１を閉状態とし、第１水タンク４を完全に密閉状態とする。その後さらに、例えば５分〜１０分程度の所定時間だけ窒素ガス注入手段の稼動を継続する。第１水タンク４が完全に密閉状態であるので、第１水タンク４の内部空間は、水中に注入された窒素ガスの気泡が上昇して内部空間に放出され、大気圧より高い高圧状態の窒素雰囲気となる。なお、第１水タンク４及び送水パイプ等の設備はこの高圧状態に耐え得るものとする。
【００２８】
高圧状態の窒素雰囲気下にある第１水タンク４において、窒素水中に継続して注入された窒素ガスは、その温度及び圧力における窒素飽和溶存量まで水に溶解する。このときの窒素飽和溶存量は大気圧の空気雰囲気下におけるよりも多い。所定時間の後、窒素ガス注入手段を停止させる。この時点で、第１水タンク４の窒素水は、高圧状態における窒素飽和溶存水となっている。窒素飽和溶存水は、送水パイプを介してそのまま製氷機５に移送される。このとき、第１水タンク４は高圧状態である一方、製氷機５の内部は大気圧であるので、移送の間に窒素飽和溶存水に加わる圧力は大気圧に低下するが、移送過程では窒素飽和溶存水が空気に触れないようにし、できるだけ速やかに移送を行い直ちに製氷を開始する。
【００２９】
製氷機５は、窒素飽和溶存水を凍結させて窒素溶存氷を生成する。製氷機５は、できるだけ短時間で製氷可能なものが好適である。窒素飽和溶存水の窒素溶存量をできるだけ保持したまま凍結させるためである。
【００３０】
製氷機５としては、例えば次のようなものを用いる。鉛直に立てた金属プレートに冷却装置とヒータとの双方を仕込んだものを用い、その金属プレートを−２５℃以下に冷却した状態で、窒素飽和溶存水を上から垂らす。垂らす速度を調整して、下端に到達するまでにすべて凍結するようにする。２０分程度この操作を続けると適度な厚さの板上の窒素溶存氷ができる。次に、ヒータを作動させると、板状の窒素溶存氷が金属プレートからはがれて落下する。落下の衝撃で窒素溶存氷は適宜の大きさに砕ける。任意であるが、砕氷機を用いて窒素溶存氷をさらに小さく砕いてもよい。
【００３１】
製氷機５により得られた窒素溶存氷は、凍結状態を保持して第２水タンク６に移送される。第２水タンク６は、窒素溶存氷を融解して再び窒素水に戻すためのタンクである。自然解凍が好適である。ヒーターを用いる場合、０℃で融解したならば、なるべくそれ以上に温度上昇させないことが好適である。
【００３２】
窒素溶存氷が融解すると、窒素水に戻る。窒素溶存氷が融解した窒素水では、凍結前の窒素水に比べて溶存窒素の安定性が向上していることが確認された（後述する実施例で示す）。これを適宜の容器に充填し密閉し、窒素水として出荷する。充填及び密閉の作業工程は、できるだけ温度上昇させず低温で行うことが好適である。さらに好適には、第１水タンク４で窒素飽和溶存水を生成した際の水温（例えば５℃）より上昇させないようにする。これは、窒素水の窒素溶存量をできるだけ保持するためである。
【００３３】
図２は、本発明による窒素水製造システムの別の構成例を模式的に示した図である。図１のシステムの構成と異なる点についてのみ説明する。
【００３４】
図２のシステムでは、窒素ガス抽出器２の窒素ガス送出口に切換バルブ２１が設けられている。切換バルブ２１は、窒素ガス抽出器２を、窒素ガス注入器３と第２水タンク６のいずれかに接続するように切り換える。また、第２水タンク６内には、窒素ガス抽出器２と接続されたノズル６１が設置されている。ノズル６１は、多数の噴射孔が穿設された長尺ノズルである。
【００３５】
先ず、切換バルブ２１により窒素ガス抽出器２を窒素ガス注入器３に接続した状態で、図１のシステムの構成と同じ処理を行い、第２水タンク６で窒素溶存氷を融解させて窒素水を得る。その後、切換バルブ２１を切り換えることにより、窒素ガス抽出器２と第２水タンク６を接続する。それにより、窒素ガス抽出器２から窒素ガスが第２水タンク６に送られ、ノズル６１から噴射されることで、窒素溶存氷が融けた窒素水の窒素溶存量をさらに高め安定化することができる。
【００３６】
図３は、図１のシステムを用いた窒素水製造方法の一例を示すフロー図である。説明においては、図１の符号を参照する。
【００３７】
先ず、第１水タンク４に水を充填する（ステップＳ０１）。
次に、開閉バルブ４１を開状態とし、コンプレッサ１と循環ポンプ３１を稼動させる。これにより第１タンク４内の水が窒素ガス注入器３との間で循環し、窒素ガスが注入される。これにより水の溶存酸素が追い出され窒素に置換される。この間、溶存酸素計４３により溶存酸素量をモニタリングする（ステップＳ０２）。
溶存酸素計４３のモニタリングにより、溶存酸素量が０．３ｍｇ／Ｌ以下となったことを検知すると、開閉バルブ４１を閉状態とする（ステップＳ０３）。
その後、コンプレッサ１及び循環ポンプ３１の所定時間だけ稼動させ、第１水タンク４内を高圧状態として窒素ガス注入を継続する（ステップＳ０４）。これにより窒素飽和溶存水が得られる。
続いて窒素飽和溶存水を製氷機５に移送し、凍結させて窒素溶存氷とする（ステップＳ０５）。
最後に、窒素溶存氷を第２水タンク６に移送し、窒素溶存氷を融解させて窒素水を得る（ステップＳ０６）。
【実施例】
【００３８】
上記の窒素水製造システム及び窒素水製造方法による効果を確認するために試験を行った。
＜試料＞
・実施例の試料：図１の製造システムにより、第１水タンクの水を５℃にして窒素飽和溶存水とし、製氷機で窒素溶存氷とし、第２水タンク内で融解させて窒素水（実施例窒素水）を得た。
・比較例の試料：図１の製造システムにより、第１水タンクの水を５℃にして窒素飽和溶存水（比較例窒素水）を得た。
【００３９】
＜試験方法＞
実施例窒素水及び比較例窒素水を、それぞれ生成した時点で同じ条件の容器に密閉し、同じ条件下で同じ時間が経過した後にＪＩＳ−Ｋ−０１０１（工業用水試験方法）に準拠して、１３℃における双方の窒素水中の全窒素濃度を計測した。
【００４０】
＜試験結果＞
１３℃における窒素水中の全窒素濃度は、次の通りであった。
実施例窒素水：１８ｍｇ／Ｌ
比較例窒素水：１６ｍｇ／Ｌ
【００４１】
比較例窒素水の全窒素濃度は、１３℃の大気圧の空気下における窒素飽和溶存量の値にほぼ一致した。従って、比較例窒素水では、高圧状態の窒素雰囲気下としたことによる窒素溶存量の増加分は失われたと考えられる。一方、実施例窒素水では、１３℃の大気圧の空気下における窒素飽和溶存量を上回る窒素が含有されていた。実施例窒素水では、高圧状態の窒素雰囲気下での窒素溶存量の増加分がある程度保持されていたと考えられる。従って、窒素飽和溶存水は、生成後に一旦凍結させて融解させた方が溶存窒素が安定化すると言える。
【００４２】
本発明により、高濃度に窒素を含有する窒素水が得られ、飲用水や調理用水等に広く利用することができる。例えば、洗顔用の水や化粧水など美容関連の水にも有効である。さらに、生鮮食品の洗浄用及び噴霧用の水にも有効である。またさらに、工業用水としての活用、土壌へ撒布する農業用水としての活用も可能である。またさらに、放射性廃棄物の処理及び土壌改良において利用される水としての活用も可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  エアコンプレッサ
２  窒素ガス抽出器
２１  切換バルブ
３  窒素ガス注入器
３１  循環ポンプ
４  第１水タンク
４１  開閉バルブ
４２  温度計
４３  溶存酸素計
５  製氷機
６  第２水タンク
６１  ノズル
７  制御部
【要約】
【課題】水の溶存酸素を窒素に置換して窒素を飽和溶存量まで溶解させた窒素飽和溶存水よりも、さらに多くの窒素を安定に含む窒素水の製造システム及び製造方法を提供する。
【解決手段】内部空間と外部とを連通又は遮断する開閉バルブ４１と溶存酸素計４３とを具備し密閉性を備えた第１水タンク４に水を充填する工程と、開閉バルブ４１を開状態としたまま第１水タンク４内の水に窒素ガスを注入することにより溶存酸素を窒素に置換する工程と、溶存酸素計４３により溶存酸素量がほぼ零となったことを検知して開閉バルブ４１を開状態から閉状態とし、さらに所定時間だけ窒素ガスを注入することにより窒素飽和溶存水とする工程と、第１水タンク４から取り出された窒素飽和溶存水を凍結させて窒素溶存氷とする工程と、製氷機５から取り出された窒素溶存氷を第２水タンク６に収容し融解させて窒素水とする工程と、を有する。
【選択図】図１【図１】
0006024060.tif 000002
【図２】
0006024060.tif 000003
【図３】
0006024060.tif 000004