(57)【要約】  液体製品が、膜接触体を介して小出しされる。接触体は、複数のガス透過性中空繊維を採用する。接触体は、繊維の内側と連通するガスポートと、接触体内の繊維を囲む空間と連通する液体のための入力及び出力ポートとを有する。二酸化炭素又は一酸化二窒素を含むガスが、接触体内の液体内に溶解させられる。制御された圧力におけるガスが、ガスポートに供給される。、液体の供給源と連通する第１の弁入口ポートと、液体のための入口ポートと連通する第１の弁出口ポートとを有する第１の弁を介して、液体の供給源から液体のための入力ポートに、ガスより高い圧力において、液体が供給される。液体のための出口ポートから、小出しコックを介して周囲に、ガスが溶解されている液体が小出しされる。液体を小出しするステップは、小出しが始まる小出し開始ステップと、小出しが停止される小出し停止ステップとを含む。第１の弁は、小出し開始ステップにおいて小出しコックと共に開放され、小出し停止ステップにおいて閉鎖される。第１の弁の閉鎖の後、及び、第１の弁の閉鎖を維持する間、接触体内の繊維を囲む空間と連通する液体内の蓄積された圧力が軽減される。システムのスタンバイ期間の間のガス圧力と液体圧力との間のバランスが、膜を溢水から保護する。
2014530758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体製品を製造又は小出しする方法であって、
ここで、複数のガス透過性中空繊維を採用する膜接触体であって、前記繊維の内側と連通するガスポートと、前記接触体内の前記繊維を囲む空間と連通する液体のための入力及び出力ポートとを有する接触体が、二酸化炭素又は一酸化二窒素を含むガスを液体内に溶解させるために採用され、
前記方法は、
制御された圧力において、前記ガスポートに前記ガスを供給するステップと、
液体の前記供給源と連通する第１の弁入口ポートと、液体のための前記入口ポートと連通する第１の弁出口ポートとを有する第１の弁を介して、液体の供給源から液体のための前記入力ポートに、前記ガスより高い圧力で液体を供給するステップと、
液体のための前記出力ポートから、小出しコックを介して周囲に、前記ガスが溶解されている液体を小出しするステップであって、当該液体を小出しするステップは、小出しが始まる小出し開始ステップと、小出しが停止される小出し停止ステップとを含み、前記第１の弁は、前記小出し開始ステップにおいて、前記小出しコックと共に開放され、前記小出し停止ステップにおいて閉鎖されることを特徴とする、液体を小出しするステップと、
前記第１の弁の閉鎖の後、及び、前記第１の弁の閉鎖を維持する間、前記空間と連通する液体内に蓄積された圧力を軽減するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記蓄積された圧力を軽減するステップは、前記空間と連通する液体の閉鎖されている容積から、液体の少なくとも所定の容積を引き出すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所定の容積は、前記引き出すステップがなければ、小出しを停止させた後で前記空間において液体内への前記ガスの溶解が継続することにより前記空間内で発生するであろう液体の膨張に対応する、特徴的容積を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記特徴的容積は、以下の式（１）：
Δｖ＝Ｋ．ＶＣ．Ｃ．（１−０．５η）  ．．．．．（１）
によって決定され、上式で、
Ｋ＝特定のガスに固有の定数であり、前記ガスが二酸化炭素である場合は、７．２×１０−４
Δｖ＝特徴的容積、ミリリットル単位
ＶＣ＝接触体の液体容積、ミリリットル単位
Ｃ＝前記液体内の前記ガスの飽和レベル、グラム／リットル単位
η＝連続的な流れ状態における接触体の効率
である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記蓄積された圧力を軽減するステップは、前記空間と連通する液体の閉鎖された容積が、膨張ステップにおいて、少なくとも特徴的容積だけ膨張することを許容することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記特徴的容積は、以下の式（１）：
Δｖ＝Ｋ．ＶＣ．Ｃ．（１−０．５η）  ．．．．．（１）
によって決定され、上式で、
Ｋ＝特定のガスに固有の定数であり、前記ガスが二酸化炭素である場合は、７．２×１０−４
Δｖ＝特徴的容積、ミリリットル単位
ＶＣ＝接触体の液体容積、ミリリットル単位
Ｃ＝前記液体内の前記ガスの飽和レベル、グラム／リットル単位
η＝連続的な流れ状態における接触体の効率
である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記引き出すステップは、前記第１の弁の閉鎖の後、少なくとも、前記所定の容積に対応する所定の間隔を置いて、前記小出しコックを閉鎖することによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第２の弁入力ポートと第２の弁出力ポートとを有し、前記第２の弁入力ポートにおいて前記空間から液体を受け取るように結合される第２の弁が、前記第１の弁の開放と前記第１の弁の閉鎖とのうちの１つからの間隔であって、前記第１の弁の開放と前記第１の弁の閉鎖とのうちの１つを含む間隔において開放され、前記第１の弁の閉鎖の後、前記所定の容積に対応する所定の間隔を置いて閉鎖されて、前記第２の弁出力ポートから、永続的に前記空間の圧力より低い圧力にある位置に液体を通過させる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記小出し開始ステップは、前記第１の弁及び前記第２の弁、並びに、前記小出しコックを、同時に開くことを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の弁は、前記第１の弁が閉鎖されたときに開放される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の弁出口ポートは、前記小出しコックの出口と連通する、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記ガスより高い圧力で液体を供給するステップは、吸引側と送出側とを有するポンプによって、前記ガスより高い圧力よりも低い圧力で供給源から液体を送出することを含み、前記吸引側は前記供給源に結合され、前記送出側は液体のための前記入口ポートに結合され、ここで、前記第２の弁出口ポートは、前記吸引側及び前記供給源のうちの１つと連通する、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記膨張ステップは、前記空間と連通する液体と、前記ガスポートにおけるガスとの間に、可撓性ダイアフラムの両側にそれぞれのコンパートメントを有するダイアフラムチャンバを結合することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
前記液体は、実質的に周囲圧力において供給されるバッグインボックス容器内の飲料を含み、前記ガスより高い圧力で液体を供給するステップは、吸引側と送出側とを有するポンプによって前記容器からの液体を送出することを含み、前記吸引側は前記容器に結合され、前記送出側は液体のための前記入口ポートに結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
液体の供給源からの小出しの間に、二酸化炭素又は一酸化二窒素を含むガスを液体に追加する装置であって、
前記装置は、
複数のガス透過性中空繊維が内部に取り付けられた接触体ハウジングであって、前記繊維の内側と連通し制御された圧力における前記ガスを受け取るように適合されたガスポートと、前記接触体ハウジング内の前記繊維を囲む空間と連通する液体のための入力及び出力ポートとを有する、接触体ハウジングを有する膜接触体と、
液体の前記供給源と連通するように構成された第１の弁入口ポートと、液体のための前記入口ポートと連通する第１の弁出口ポートとを有し、かつ、前記制御されたガス圧力より高い圧力における、液体のための前記入口ポートへの前記液体の供給のために構成された、第１の弁と、
液体のための前記出口ポートに結合され、かつ、液体を周囲に小出しするように適合された、小出しコックと、
前記第１の弁及び前記小出しコックの開放及び閉鎖を監視し、これにより、小出しが始まる小出し開始ステップと、小出しが停止される小出し停止ステップとを制御するための制御システムとを備え、前記制御システムは、前記小出し開始ステップにおいて、前記第１の弁を前記小出しコックと共に開放するように構成され、かつ、前記小出し停止ステップにおいて、前記第１の弁を閉鎖し、前記第１の弁の閉鎖の後、及び、前記第１の弁の閉鎖を維持する間、前記空間と連通する液体内に蓄積された圧力を軽減するように構成される、
装置。
【請求項１６】
前記制御システムは、液体の少なくとも所定の容積が、前記空間と連通する液体の閉鎖されている容積から引き出されることを引き起こすことによって、前記空間と連通する液体内に蓄積された圧力を軽減するように構成される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記所定の容積は、前記所定の容積の前記引き出しがなければ、小出しを停止させた後で前記空間において液体内への前記ガスの溶解が継続することにより前記空間内で発生するであろう液体の膨張に対応する、特徴的容積を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記特徴的容積は、以下の式（１）：
Δｖ＝Ｋ．ＶＣ．Ｃ．（１−０．５η）  ．．．．．（１）
によって決定され、上式で、
Ｋ＝特定のガスに固有の定数であり、前記ガスが二酸化炭素である場合は、７．２×１０−４
Δｖ＝特徴的容積、ミリリットル単位
ＶＣ＝接触体の液体容積、ミリリットル単位
Ｃ＝前記液体内の前記ガスの飽和レベル、グラム／リットル単位
η＝連続的な流れ状態における接触体の効率
である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記制御システムは、前記空間と連通する液体の閉鎖された容積が、少なくとも特徴的容積だけ膨張することを許容することによって、前記空間と連通する液体内に蓄積された圧力を軽減するように構成される、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記特徴的容積は、以下の式（１）：
Δｖ＝Ｋ．ＶＣ．Ｃ．（１−０．５η）  ．．．．．（１）
によって決定され、上式で、
Ｋ＝特定のガスに固有の定数であり、前記ガスが二酸化炭素である場合は、７．２×１０−４
Δｖ＝特徴的容積、ミリリットル単位
ＶＣ＝接触体の液体容積、ミリリットル単位
Ｃ＝前記液体内の前記ガスの飽和レベル、グラム／リットル単位
η＝連続的な流れ状態における接触体の効率
である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記制御システムは、前記第１の弁の閉鎖の後、少なくとも前記所定の容積に対応する所定の間隔を置いて、前記小出しコックを閉鎖するように適合される、請求項１５に記載の装置。
【請求項２２】
前記制御システムは、第２の弁入力ポートと第２の弁出力ポートとを有し、前記第２の弁入力ポートにおいて前記空間から液体を受け取るように結合される第２の弁を含み、前記第２の弁は、前記第１の弁の開放と前記第１の弁の閉鎖とのうちの１つからの間隔であって、前記第１の弁の開放と前記第１の弁の閉鎖とのうちの１つを含む間隔において開放されるように制御され、前記第１の弁の閉鎖の後、前記所定の容積に対応する所定の間隔を置いて閉鎖されるように制御され、前記第２の弁出力ポートは、永続的に前記空間の圧力より低い圧力であるように使用時に構成される位置に結合される、請求項１５に記載の装置。
【請求項２３】
前記制御システムは、前記第１及び第２の弁、並びに、前記小出しコックを同時に開放するように適合される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記制御システムは、前記第１の弁が閉鎖されたときに前記第２の弁を開放するように適合される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記第２の弁出口ポートは、前記小出しコックの出口と連通する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
吸引側と送出側とを有するポンプを更に備え、前記送出側は、前記ガスより高い圧力において液体を送出するために、前記第１の弁入口ポートに結合され、前記吸引側は、前記ガスより高い圧力より低い圧力における前記液体の供給源と連通するように構成され、ここで、前記第２の弁出口ポートは、前記吸引側及び前記供給源のうちの１つと連通する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記液体は、実質的に周囲圧力において供給されるバッグインボックス容器内の飲料を含み、ここで、吸引側と送出側とを有するポンプが、前記容器と前記第１の弁との間に結合され、前記送出側は、前記ガスより高い圧力において液体を送出するために、前記第１の弁入口ポートに結合され、前記吸引側は、前記容器に結合される、請求項１５に記載の装置。
【請求項２８】
可撓性ダイアフラムの両側にそれぞれのコンパートメントを有する、ダイアフラムチャンバを更に備え、一方の前記コンパートメントは、前記空間内の液体と永続的に連通し、他方の前記コンパートメントは、液体の前記閉鎖された容積が膨張することを許容するために、前記ガスポートにおけるガスと連通するように構成される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２９】
前記他方の前記コンパートメントは、３ポート弁の共通ポートに結合され、前記３ポート弁は、２つの更なるポートを有し、当該２つの更なるポートの一方のポートは、前記ガスをそのソースから受け取るように結合され、他方のポートは、前記ガスポートに結合され、かつ、前記共通ポートが前記一方のポートのみと連通する第１の状態と、前記共通ポートが前記他方のポートのみと連通する第２の状態とを有する、請求項２８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液体製品の製造又は小出しに関する。用語「液体」は、本開示では、真の液体と、少なくともいくらかの流れる能力を保持するクリーム、乳濁液及び泡などの半液体との両方を包含するように使用される。
【背景技術】
【０００２】
ドラフト飲料などの一部の液体は、小出しされる飲料における、所望の味及び提示の見栄え効果などの所望の特性を達成するために、あるレベルのガス、特に二酸化炭素が、単独で又は他のガスと一緒に、成分液体のうちの少なくとも１つの中に溶解していることを必要とする。特定の乳製品などの他の液体も同様に、小出し時に所望の泡立てられた成分を達成するために、あるレベルの一酸化二窒素が単独で又は他のガスと一緒に、成分液体のうちの少なくとも１つの中に溶解していることを必要とする。
【０００３】
液体内に溶解されるガスを制御するための、ガス透過性中空繊維を含む気／液接触体モジュールがよく知られている。そのような接触体、及びそれらの動作を制御するための関連する手法の例は、米国特許第５５６５１４９号明細書、及び米国特許第７１０４５３１号明細書に記載されており、これらの両方の開示は、参照によって本明細書中に援用される。そのような接触体の利点は、液体の乱流又は機械的撹拌を引き起こすことなしに、液体内の溶液内への無気泡で効率的なガスの移動を達成する能力である。
【０００４】
これらの接触体モジュールは、一般に、加圧ガスソースに接続されるガスポートと、液体ソース及び小出しコックにそれぞれ接続される２つのポートとを有するように構成される。
【０００５】
米国特許第５５６５１４９号明細書、及び米国特許第７１０４５３１号明細書に記載されているタイプの繊維を利用する接触体モジュールの場合、ガスポートは、中空繊維のコアすなわち内腔側と連通し、液体ポートは、繊維の外面すなわちシェル側と連通する。この形式は、液体内への効率的なガス移動をもたらすための、ガスと液体との間の接触のための大きな表面積を、液体が接触体を通して流れる際の低い摩擦損失と共に提供する。加えられるガス圧力及びプロセス温度についての飽和レベルに対する、出力液体内に実際に溶解されるガスの比率として定義される、ガス移動効率は、接触体の詳細な設計に依存する。この効率は、一般に、接触体内の液体の滞留時間の増加と共に増加する。
【０００６】
そのような接触体内で使用される好ましいタイプの繊維は、透過性、非対称外皮（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｓｋｉｎｎｅｄ）、及び疎水性として分類されてもよい。そのような繊維は、飲料へのガスの追加のために好ましく、その理由は、それらが溢水に対する比較的高い耐性を有し、液体と接触するそれらの表面は滑らかであり、従って、生体成長の形成を促進する可能性がある位置をほとんど含まないからである。しかし、実際には、一部の繊維壁内に少数の物理的欠陥が存在する可能性があり、それらの欠陥は、水圧がガス圧力を超える場合、シェル側から内腔側内への液体の通過を許可する可能性がある。そのような欠陥を通した液体浸透の速度は、液体とガスとの間の圧力差に比例して増加する。
【０００７】
飲料小出し適用例は、液体が、小出しコックに流出させられる前に、接触体のシェル側内で静止している、長い期間を含む。中空繊維接触体を使用する実際の小出しシステムは、従って、繊維内腔の溢水を回避するため、及び、更に液体が、接触体及びその出口ポートから小出しコックまで通じる管の両方の中の溶液中にガスを保持することを確実にするために、供給ガス及び液体流れにおける、圧力制御装置を含む。米国特許第５５６５１４９号明細書、及び米国特許第７１０４５３１号明細書では、そのような制御の例が開示されている。
【０００８】
これらの接触体を用いた実際のテストでは、１時間より長い間、シェル側に対して約０．１ＭＰａ（１バール）の過剰な液体圧力を維持した後、モジュールの内腔側内で液体が検出され得る。最終的に、そのような状態にさらすことは、一部の繊維の内腔側容積を溢水させ、ガス移動の効率の減少をもたらす。
【０００９】
液体がガス駆動ポンプから供給される場合に、接触体についての液体圧力及びガス圧力の間のおおよそのバランスを達成するために、標準的な圧力制御装置が使用されてもよい。電動ポンプが使用される場合に、おおよその圧力バランスを達成することも可能である。
【００１０】
電動及びガス駆動飲料ポンプの液体送出圧力が、出力液体流量が減少した場合に増加し、出口流れが停止した場合に最大になるということは、これらのポンプの固有の特性である。
【００１１】
飲料小出し適用例では、この特性が、そのようなポンプを下流の液体圧力に応じて自動的に停止及び始動させるために利用される。飲料に対して使用するためのほとんどの電動ポンプは、液体送出のための出口と連通する圧力スイッチを組み込み、一方、ガス駆動ポンプは、可撓性ダイアフラム及び逆止め弁に依拠する。これらのポンプの始動圧力と停止圧力との間の動作圧力差は、それらの対応する構成要素内の機械的ヒステリシスに起因し、従って、小出しコックが開放された場合、ポンプの出口における液体の圧力は、小出しコックが閉鎖された場合より低い。
【００１２】
膜接触体を使用する飲料小出しシステムにおける従来の制御手法では、接触体内のガス及び液体の圧力は、従って、液体が流れている場合の状態、又は、流れていない場合の状態のいずれについても、妥当な精度でバランスさせられることが可能である。
【００１３】
ドラフト小出しの実施においては、液体は、間欠的にのみ接触体を通して流れさせられるため、液体が流れることが要求されない、はるかにより長い期間の間、ガス及び液体の圧力がバランスさせられるように構成することによって接触体を保護するための制御が、従来は選択される。従って、小出し流れの間、加えられるガス圧力は、通常加えられる液体圧力より大きい。
【００１４】
うまく設計された膜接触体の場合、この制御方法は、小出しの間、炭酸化された液体を過飽和状態にさらし、接触体内での、及び、その出口と小出しコックとの間の配管内での気泡の形成の危険をもたらす。過飽和は、高度に炭酸化された飲料（特に、小出し時に泡を形成する傾向を有するもの）を小出しすることの難しさを増加させる。そのような飲料の例は、ビール、ラガー、ワイン、及び、いくつかの銘柄のウィスキーと水との混合を含む。
【００１５】
米国特許第５５６５１４９号明細書は、図１０及び図１１において、並びに、その文書内の説明において、膜接触体を利用する特定のタイプの小出しシステム内で飲料を炭酸化する場合の、驚くほど高い炭酸化レベルの測定値を初めて開示した。米国特許第５５６５１４９号明細書では、小出しコックの間欠的な操作が、接触体の液体側の圧力及び流れにおける過渡状態を引き起こし、これが、各繊維を囲む液体境界層における著しい変化をもたらし、従って、連続した液体流れにおける操作の下で見出されるものと比較して増加した炭酸化を可能にする、ということが主張された。
【００１６】
この驚くほど増加した炭酸化と同時に、接触体内の液体の圧力は、小出しコックが閉鎖された後で増加し、米国特許第５５６５１４９号明細書では、この圧力増加は、増加した炭酸化の結果であると仮定された。
【００１７】
液体を炭酸化するために膜接触体を使用する飲料小出しシステムの我々のテストにおいて、我々はこのたび、米国特許第５５６５１４９号明細書において与えられた驚くべき測定値についての説明が、不完全であることを発見した。
【００１８】
各小出し事象の終わりにおいて、接触体の液体含有部分が、閉鎖された液体容積と連通し、膜接触体を使用して液体内にガスを溶解させる全ての飲料小出しシステムにおいて、液体圧力の増加が発生する、ということを我々は見出した。
【００１９】
この効果は、そのような接触体を利用するそのようなシステムの制御における、重要な、かつ、追加の意義を有する。
【００２０】
これまで、米国特許第５，５６５，１４９号明細書において一般的に記載された一般的なタイプの膜接触体を利用する小出しシステムの膜を、スタンバイ期間の間に溢水から保護することと、小出し事象の間に過飽和を回避することとの両方が可能な制御システムは、商業的に入手可能ではなかったと我々は現在考えている。いかなるそのような制御システムも、通常の清掃手順を使用して現場で消毒されることが可能な、小出しされる液体と接触する部品を有する必要がある。
【００２１】
従来の制御手法を使用すれば、小出しコックが閉鎖された瞬間に、接触体内の液体の圧力は、予想されるように、使用される特定の飲料ポンプに特徴的な通常のストール時圧力まで増加する。しかし、我々は、この液体圧力がその後一定に留まらず、短時間にわたる更なる増加を開始する、ということを見出した。達成される最終的な圧力は、ポンプのストール時の圧力よりかなり大きく、これはその後、次の小出し事象まで一定に留まる。
【００２２】
我々の測定は、この効果の大きさが、液体容量２００ｍｌを有する膜接触体を使用した摂氏３度の温度における、ビール、ワイン、又は脱気水の炭酸化に非常に類似していることを示した。
【００２３】
我々は、炭酸化される液体として脱気水を使用して、詳細な測定を行った。その結果について以下に記載する。
【００２４】
各２５０ｍｌの液体容積が、毎秒１１ｍｌの流量を使用して、２．５分の等しい間隔で小出しされた。事前の測定から、採用される接触体の効率は、毎秒１１ミリリットルにおける連続的な流れに対して約９３％であることが判定された。小出し事象の間の、２．５分の滞留時間は、接触体の液体内容物が完全飽和に達するほど十分に長いことが知られている。
【００２５】
０．２５ＭＰａのガス圧力に接続されたガス駆動ポンプによって液体が接触体に供給され、これは、０．２２ＭＰａの流れ圧力と、０．２５ＭＰａのストール時圧力とをもたらした。これらの測定において、接触体に加えられる二酸化炭素の圧力は、０．２２ＭＰａにおいて一定に維持された。
【００２６】
小出し流れが停止されるたびに、接触体内の観察される液体圧力は、直ちに、０．２２ＭＰａから、０．２５ＭＰａのストール時圧力まで増加し、次に、２５秒の期間にわたる更なる増加を開始し、０．３３〜０．３５ＭＰａの最終的な値に到達した。この圧力はその後、次の小出し事象まで一定に留まった。
【００２７】
飲料ポンプのストール時の圧力を超える、液体圧力におけるかなりの増加を引き起こすこの効果は、膜接触体を利用する、以前に提案されたドラフト炭酸化小出しシステムが、液体圧力とガス圧力との間の必要な制御されたバランスを達成することができず、その結果、膜接触体の効率が経時的に減少していた、ということを意味している。
【００２８】
同じプロセス条件を使用してシステムに対して行われた更なるテストにおいて、小出しコックの各閉鎖の後、追加の量の液体が、接触体の下流に慎重に引き出された。これらの量は、ガス駆動液体ポンプが再始動することを防止するのに十分なほど少なかった。この動作によって、接触体内の液体圧力は、最初に減少し、次に、以前に観察されたものと同じレートで、同じ期間にわたって増加したが、以前のテストにおいて観察されたものより低い最終的な値まで増加した。
【００２９】
我々は、最終的な液体圧力が、引き出された追加の液体の容積によって決定されることを見出した（そのような容積が０．９ｍｌ未満であるという前提で）。０．９ｍｌ以上の追加容積が引き出された場合、達成される最終的な液体圧力は、加えられるガス圧力と等しかった。
【００３０】
更なるテストにおいて、単一の接触体が、直列に接続された同じタイプの２つの接触体によって置き換えられた。プロセス温度及び圧力条件は変更されず、しかし、小出し容積及び流量は、それぞれ、５００ｍｌ及び毎秒２２ｍｌに増加させられた。我々は、小出しの後で引き出される液体の量が１．８ｍｌまで増加させられた場合、最終的な圧力バランスが達成され得ることを見出した。
【００３１】
水の炭酸化は、発熱プロセスであることが知られており、このレベルにおいて、液体温度における約摂氏２度の増加を引き起こす。しかし、これは、我々のテストで使用された単一の接触体内で、液体の０．０８ｍｌの熱膨張をもたらすにすぎない。我々は、従って、観察された圧力増加の効果は、液体の熱膨張によって引き起こされたものではないと結論付けた。
【００３２】
小出しコックが閉鎖され、液体流れが停止した瞬間において、局所的炭酸化における勾配が接触体内に必然的に存在し、入口端においては実質的に炭酸化はなく、出口端においては９３％の飽和における高い炭酸化がある。
【００３３】
小出し弁の閉鎖に続く短い期間で達成される、接触体内の液体の最終的な炭酸化レベルは、加えられるガスの圧力及び液体の温度の両方によって決定される。
【００３４】
我々は、液体の正味の膨張が、接触体内で起きる追加の炭酸化のプロセスによって引き起こされ、小出し流れが停止した瞬間に始まり、その含まれる液体の全てが飽和炭酸化に到達するまで続くと結論付けた。閉じ込められた液体の水圧は、膜繊維、及び回路内の可撓性配管による封じ込めに対抗して液体が膨張するにつれて増加する。
【００３５】
我々は、これらの見解において、膜接触体を利用した小出しの間に飲料を炭酸化することとは何の関係もない、全く異なる分野、すなわち海洋研究の分野において公開された実験研究によって支持される。Ｙｏｎｇｃｈｅｎ  Ｓｏｎｇ（ヨンチェン・ソン）らは、炭酸水と普通の水の密度の比率、及び、これらの密度の差が、炭酸化のレベルと共に直線的に増加すること、並びに、これらの効果が、圧力及び温度とは無関係であることを示した。（Ｙｏｎｇｃｈｅｎ  Ｓｏｎｇ（ヨンチェン・ソン）ら著、「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  ＣＯ２  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ（マッハツェンダー干渉法によるＣＯ２溶液の密度の測定）」、Ａｎｎａｌｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ  ９７２（２００２年）、２０６〜２１２ページ）。
【００３６】
我々が上述の独自のテストにおいて見出した容積増加の大きさは、Ｙｏｎｇｃｈｅｎ  Ｓｏｎｇ（ヨンチェン・ソン）らの公開されたデータからの計算と完全に一致した。
【００３７】
我々は、膜接触体を使用する炭酸化小出しにおいて、この液体膨張の量は、接触体の液体含有容積に比例するとともに、炭酸化の最終的な飽和レベルにも比例することを見出した。
【００３８】
炭酸化の場合、膨張の大きさは、以下の式（１）によって、十分な精度まで簡単に表される。
Δｖ＝Ｋ．ＶＣ．Ｃ．（１−０．５η）  ．．．．．（１）
上式で、
Ｋ＝定数、約７．２×１０−４
Δｖ＝接触体についての特徴的液体膨張量、ミリリットル単位
ＶＣ＝接触体の液体容積、ミリリットル単位
Ｃ＝炭酸化の飽和レベル、グラム／リットル単位
η＝連続的な流れ状態における接触体の効率
である。
【００３９】
多くの炭酸化小出し適用例では、比較的大きな流量（例えば、毎秒０．０４５リットル以上）、及び、比較的高い炭酸化レベル（例えば、１リットル当たり１０グラム以上の溶解される二酸化炭素）を必要とする。そのような炭酸化性能を達成するために、接触体は、０．５リットル程度の液体容積を有する。従って、小出しコックの閉鎖に続く液体膨張の量は２ｍｌより大きい。この膨張は、特に、ビールために採用されるポリピン（ｐｏｌｙｐｉｎ）容器などの、バッグインボックス（ｂａｇ−ｉｎ−ｂｏｘ）容器からの飲料の小出しにおいて採用されるタイプの、小型炭酸化システムの場合、液体圧力の非常に大きな増加を引き起こし、結果として膜接触体の損傷が発生する。
【００４０】
同様の関係が、二酸化炭素以外のガスについて当てはまる（但し、定数Ｋの異なる特定値を用いて）。
【００４１】
二酸化炭素と同様に、飲料の成分を形成する液体内への高い溶解度を有する、一酸化二窒素などの他のガスを使用する場合、かなりの膨張効果がもたらされる。
【００４２】
従って、小出しの時点において液体に高可溶性ガスを追加する、他の液体又は半液体のための小出しシステムであって、例えば、泡立てられたミルク又はクリームの小出しにおけるように、膜接触体が採用され、小出しにおいて追加されるガスが一酸化二窒素である小出しシステムにおいて、上述の問題に類似した問題が発生する。追加されるガスが、窒素、酸素、又は、それらの混合（圧縮空気など）である場合、これらのガスの水性液体内への溶解度は、二酸化炭素又は一酸化二窒素の溶解度よりはるかに小さいため、問題は重大ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
本開示は、膜接触体を利用した小出しの間の、液体への二酸化炭素又は一酸化二窒素の追加に関する、以前のシステムに固有の問題を克服しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
本開示の第１の態様によれば、液体製品を製造又は小出しする方法が提供され、ここで、複数のガス透過性中空繊維を採用する膜接触体であって、繊維の内側と連通するガスポートと、接触体内の繊維を囲む空間と連通する液体のための入力及び出力ポートと、を有する接触体が、二酸化炭素又は一酸化二窒素を含むガスを液体内に溶解させるために採用され、この方法は、
制御された圧力において、前記ガスをガスポートに供給するステップと、
液体の供給源と連通する第１の弁入口ポートと、液体のための入口ポートと連通する第１の弁出口ポートとを有する第１の弁を介して、液体の供給源から、液体のための入力ポートに、前記ガスより高い圧力で液体を供給するステップと、
液体のための出力ポートから、小出しコックを介して周囲に、前記ガスが溶解されている液体を小出しするステップであって、当該液体を小出しするステップは、小出しが始まる小出し開始ステップと、小出しが停止される小出し停止ステップとを含み、第１の弁は、前記小出し開始ステップにおいて、前記小出しコックと共に開放され、前記小出し停止ステップにおいて閉鎖されることを特徴とする、液体を小出しするステップと、
第１の弁の閉鎖の後、及び、第１の弁の閉鎖を維持する間、前記空間と連通する液体内に蓄積された圧力を軽減するステップとを含む。
【００４５】
この方法の好ましい実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含む。前記蓄積された圧力は、前記空間と連通する液体の閉鎖されている容積から液体の少なくとも所定の容積を引き出すことによって軽減される。所定の容積は、前記引き出すステップがなければ、小出しを停止させた後の前記空間内の液体内へのガスの継続的な溶解に起因して前記空間内で発生する、液体の膨張に対応する、特徴的容積を含んでもよい。あるいは、前記蓄積された圧力は、前記空間と連通する液体の閉鎖された容積が、少なくとも特徴的容積だけ膨張することを可能にすることによって軽減される。そのようないずれの場合も、特徴的容積は、上記の式（１）によって決定されてもよい。
【００４６】
前記空間と連通する前記液体から、液体の少なくとも所定の容積を引き出すことを含む方法の実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。引き出すステップは、第１の弁の閉鎖の後、少なくとも前記所定の容積に対応する所定の間隔を置いて、小出しコックを閉じることによって実行される。第２の弁入力ポートと第２の弁出力ポートとを有する第２の弁が、前記第２の弁入力ポートにおいて前記空間から液体を受け取るように結合され、第１の弁の開放と第１の弁の閉鎖とのうちの１つからの間隔であって、第１の弁の開放と第１の弁の閉鎖とのうちの１つを含む間隔において開放され、第１の弁の閉鎖の後、前記所定の容積に対応する所定の間隔を置いて閉鎖されて、前記第２の弁出力ポートから永続的に前記空間の圧力より低い圧力にある位置に液体を通過させる。小出し開始ステップは、第１の弁及び第２の弁、並びに、小出しコックを同時に開くことを含む。第２の弁は、第１の弁が閉鎖されたときに開放される。第２の弁出口ポートは、小出しコックの出口と連通する。ガスより高い圧力において液体を供給するステップは、前記供給源に結合される吸引側と液体のための入口ポートに結合される送出側とを有するポンプによって、前記ガスより高い圧力より低い圧力において、供給源から液体を送出することを含み、ここで、第２の弁出口ポートは、前記吸引側及び前記供給源のうちの１つと連通する。
【００４７】
前記空間と連通する液体の閉鎖された容積が、特徴的容積だけ膨張することを可能にすることを含む方法の実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。
【００４８】
好ましい構成では、液体は、バッグインボックス容器内の実質的に周囲圧力において供給される飲料を含み、ガスより高い圧力において液体を供給するステップは、前記容器に結合される吸引側と液体のための入口ポートに結合される送出側とを有するポンプによって前記容器からの液体を送出することを含む。
【００４９】
この開示の第２の代替の態様では、本発明は、液体の供給源からのその小出しの間に、二酸化炭素又は一酸化二窒素を含むガスを液体に追加する装置を提供し、この装置は、
複数のガス透過性中空繊維が内部に取り付けられた接触体ハウジングであって、繊維の内側と連通する、かつ、制御された圧力における前記ガスを受け取るように適合されたガスポートと、接触体ハウジング内の繊維を囲む空間と連通する液体のための入力及び出力ポートとを有する接触体ハウジングを有する膜接触体と、
液体の供給源と連通するように構成された第１の弁入口ポートと、液体のための入口ポートと連通する第１の弁出口ポートとを有する、かつ、前記制御されたガス圧力より高い圧力における、液体のための入口ポートへの前記液体の供給のために構成された、第１の弁と、
液体のための出口ポートに結合された、かつ、液体を周囲に小出しするように適合された、小出しコックと、
第１の弁、及び小出しコックの、開放及び閉鎖を監視し、これにより、小出しが始まる小出し開始ステップと、小出しが停止される小出し停止ステップとを制御するための制御システムとを含み、制御システムは、前記小出し開始ステップにおいて、第１の弁を前記小出しコックと共に開放するように構成される、かつ、前記小出し停止ステップにおいて、前記第１の弁を閉鎖するように、かつ、第１の弁の閉鎖の後、及び、第１の弁の閉鎖を維持する間、前記空間と連通する液体内に蓄積された圧力を軽減するように構成される。
【００５０】
装置の好ましい実施形態では、制御システムは、液体の少なくとも所定の容積、好ましくは、式（１）によって規定される特徴的容積が、前記空間と連通する液体の、さもなければ閉鎖されている容積から、引き出されることを引き起こすように構成される。装置の他の好ましい実施形態では、制御システムは、前記空間と連通する液体の、閉鎖された容積が、少なくとも特徴的容積だけ、好ましくは、式（１）によって規定される特徴的容積だけ、膨張することを可能にするように構成される。制御システムはダイアフラムチャンバであって、その一方の側が前記空間と連通する液体に結合され、その他方の側が前記小出し停止ステップにおいて、ガスポートにおけるガスと結合される、ダイアフラムチャンバを含んでもよい。
【００５１】
当業者は、上記の教示が、炭酸化小出しにおける中空膜接触体の使用を可能にし、同時に、液体ポンプの固有の圧力特性と、追加の液体膨張効果の結果とから生じる欠点を実質的に回避する、ということを容易に理解するであろう。このようにして、液体が流れることへの要求がないときにおける、繊維の溢水に対する実質的な保護が提供される。液体が小出しされる短い時間の間、加えられるガス圧力より高い液体圧力が採用される。これは、膜に対する長期的な影響は有さず、かつ、これにより、接触体と小出しコックとの間の配管内で、炭酸化された液体を過飽和状態にさらすことが回避される。これは、高い炭酸化レベルを有する、及び、泡立つ傾向がある液体を小出しする場合に有利である。
【００５２】
その上、小出しコックが開放された場合、液体回路のどの部分も停滞した液体を含まず、従って、構成要素の除去を必要としない、標準業務に従った、小出しシステムの清掃を可能にする。
【００５３】
ここで、この開示の教示を利用した複数の実施形態を開示する添付の図面と関連付けて、以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】膜接触体の、ある程度概略的な断面図である。
【図２】図１に示す接触体を採用する小出しシステムの概略回路図である。
【図３】図２の実施形態についての、膜繊維内のガス圧力、繊維を囲む液体圧力、ガス流れ、及び液体小出し流れを、各場合において、時間に対して連続した線で示すグラフである。
【図４】図１の接触体を採用する小出しシステムの代替の実施形態を、図２に類似した図で示す。
【図５】軽減弁を通した液体流れを追加の線で示す、図４の実施形態についての図３に類似したグラフである。
【図６】図１の接触体を採用する小出しシステムの第２の代替の実施形態を、図２に類似した図で示す。
【図７】図１に示す接触体を採用する小出しシステムの更なる実施形態の概略回路図である。
【図８】ダイアフラムチャンバの概略断面図である。
【図９】図１の接触体を採用する小出しシステムの代替の実施形態を、図７に類似した図で示す。
【図１０】図１の接触体を採用する小出しシステムの第２の代替の実施形態を、図７に類似した図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下の説明において、ガスという用語は、炭酸化システム内の二酸化炭素ガス、又は、一酸化二窒素発泡システム内の一酸化二窒素を表すために使用される。
【００５６】
図１を参照すると、米国特許第５５６５１４９号明細書でより詳細に説明されている種類の気／液接触体１の一般的な構成が、概略的な手法で示されている。接触体のガスポート２は、複数のガス透過性中空繊維２２の内腔容積と連通し、当該複数のガス透過性中空繊維２２の開放端は、１のシェル側容積をポート２から分離する封止２０を通して貫通する。２から遠い繊維の端は、封止２１内で閉鎖される。接触体１の液体入口ポートは、３とラベル付けされており、その液体出口ポートは、４とラベル付けされている。ポート３及び４は、液体を含むシェル側容積と連通する。
【００５７】
図２は、電気押しボタンの手動操作によって液体の小出しがもたらされるシステム内で、図１の接触体１がどのように接続されてもよいかを示す。使用時に、接触体１は、その液体出口ポート４を最下にしてほぼ鉛直に、好適に配置される。
【００５８】
ガスソース８からのガスは、圧力調整器７を介してポート２に供給される。液体入口ポート３は、冷却コイル６１を介して加圧液体ソース９と連通する。液体出口ポート４は、冷却流制限要素５１を介して小出し弁５と連通する。ソース９からの液体流れを小出しする間に供給される液体の圧力は、ポート２に加えられるガス圧力より高いように構成される。弁５、及び、液体ソース９と冷却コイル６１との中間に介在する第２の弁６は、以下に説明する手法で、リモートアクチュエータ１１及び制御ユニット１０の動作によって開放及び閉鎖される。
【００５９】
液体を小出しする際にポート４と弁５との間を流れる際の液体内の、５より前の気泡の形成を抑制する状態を達成するために、通常は制限器５１が含まれる。
【００６０】
加圧液体ソース９は、弁６が閉鎖された場合に自動的に停止するように構成された、ポンプと関連付けられる。ポンプからのストール時の液体圧力は、液体がシステムから小出しされている場合の、その流れ圧力よりかなり高い。
【００６１】
弁５から液体を小出しするために、小出しアクチュエータ１１が動作され、制御ユニット１０が、弁５及び６の実質的に同時の開放を引き起こす。ソース９からの液体は、次に、接触体１を通して流れ、最初に、これまで接触体１内に保持されていた液体を移動させ、そして、追加のガスが、調整器７によって調整された圧力において、接触体１内の中空繊維の内腔側からそれらのシェル側まで透過し、そこで、入ってくる液体内に溶解することを可能にする。
【００６２】
液体の十分な容積が小出しされたとき、アクチュエータ１１は解放される。制御ユニット１０は、次に、弁６を直ちに閉鎖し、所定の遅延の後に弁５を閉鎖する。弁６の閉鎖と弁５の閉鎖との間の遅延の期間は、この間隔内に小出しされる液体の量が、式（１）によって計算される液体膨張の量とほぼ同じであるように選択される。例えば、１リットル当たり１０グラムまで水を炭酸化し、毎秒０．０４５リットルで小出しするシステムについては、この間隔は、一般に、０．０５秒に設定される。
【００６３】
図３を参照して次に説明する形で、制御動作のこのシーケンスは、接触体１のシェル側における液体圧力の挙動を決定する。
【００６４】
図３は、この第１の実施形態を、縮尺を含意しない概略的な手法で図示し、小出し中に液体が流れる期間と、液体が流れていない期間とを含むシーケンスを通しての、繊維内のガス圧力Ｐ２及び繊維の外側の液体圧力Ｐ４の時間応答を示す。図３は、また、同じシーケンスを通しての、ポート２を通過するガス流量Ｆ２、及び、ポート４を通過する液体流量Ｆ４の、対応する時間応答も示す。
【００６５】
接触体内への小出し液体流れＦ４は、両方の弁５及び６が同時に開放される時刻Ｔ０において開始され、弁６が閉鎖される時刻Ｔ１において停止される。
【００６６】
繊維１に加えられるガス圧力は、常にＰ２に保たれる。この圧力は、液体内に溶解されることが可能なガスの最大量を決定する。以下で説明するように、各小出しの開始の前において、圧力Ｐ２及びＰ４は等しい。従って、そのようなときにおいて、１内に含まれている液体は、通常、溶解されたガスで飽和している。
【００６７】
Ｔ０からＴ１までの間隔において、ソース９によって送出され、接触体１に加えられる液体の圧力Ｐ４は、有利には、Ｐ２より大きいように構成され、これにより、各小出しの間、１内の以前は飽和していた液体は、ポート４を介して流出する際に、亜飽和状態にさらされる。これは、接触体１内で形成される気泡の可能性をなくし、レストリクタ５１の動作と共に、ポート４と小出し出口弁５との間で泡が形成される傾向を減少させる。
【００６８】
前に説明したように、各小出しの開始の前には、接触体１内に含まれている全ての液体は、溶解されたガスによって既に飽和している。Ｆ２によって示される、ポート２内へのガスの流れは、やはり、Ｔ０においてのみ開始され、その流量は、以前に接触体１内に保持されていた全ての飽和した液体がポート４を介して外に移動させられたとき、最大値に到達する。
【００６９】
小出しの間、液体が接触体１の中を通って流れるとき、液体内の溶解ガス濃度は、液体が入口３から出口４まで移動するにつれて増加する。所与のプロセス条件に対して、出口４における溶解濃度は、接触体１の内部構造と、液体がこれを通過するために要する時間とによって決定される。うまく設計された接触体は、実際に、プロセス温度と、加えられるガス圧力Ｐ２とについて計算された飽和レベルの少なくとも９０％を達成する。
【００７０】
弁６は、時刻Ｔ１において閉鎖され、弁５は、Ｔ１の後、予め設定された間隔を置いた時刻Ｔ２において閉鎖される。Ｔ１の後、液体ソース９は、接触体１ともはや連通せず、従って、時刻Ｔ１において、液体圧力Ｐ４はＰ２未満まで、急速に減衰する。
【００７１】
液体圧力は、最初に減少した後、Ｔ２の後で増加し、液体混合の炭酸化が小さな膨張を引き起こすという我々が以前に発見した効果に従って、接触体１内の全ての液体が溶解されたガスで飽和するまで増加する。
【００７２】
最適な間隔Ｔ２−Ｔ１が使用される場合、この間隔内で解放される液体の容積は、接触体についての特徴的膨張容積に等しく、時刻Ｔ２の後で接触体１内に生じる最終的な液体圧力は、接触体１に加えられる一定のガス圧力に等しい。２００ｍｌの液体を含み、１リットル当たり１０グラムまで炭酸化し、１１ｍｌ／秒の流量において小出しする、効率的な接触体を有するシステムの場合、最適な間隔は０．０７秒である。同じ炭酸化レベル及び接触体効率について、最適な間隔Ｔ２−Ｔ１は、接触体の液体容量に比例し、小出し流量に逆比例する。
【００７３】
制御ユニット１０によって決定される間隔Ｔ２−Ｔ１は、しかし、これが最適値以上に設定されるならば、正確に設定される必要はない。
【００７４】
間隔Ｔ２−Ｔ１が最適未満である場合、Ｔ２の後の最終的な液体圧力は、ガス圧力より高くなり、この状態は、各小出しに続く、長い、かつ、繰り返されるスタンバイ期間の間、接触体１内の繊維を溢水から保護しない。
【００７５】
設定される間隔Ｔ２−Ｔ１が最適より大きい場合、接触体１の液体側内への繊維を通したガス透過により、最終的な液体圧力は、加えられるガス圧力より低くなることはない。従って、繊維の液体側及びガス側の圧力は、急速に等しくなる。
【００７６】
間隔Ｔ２−Ｔ１が最適よりはるかに長いとしても、ガス透過は、Ｔ２の後のより長い時間にわたって続き、接触体１の液体側内にガスボイドを形成する。次の小出しの間、新鮮な、炭酸化されていない液体が、より高い圧力Ｐ４において鉛直接触体１に流入する場合、そのようなボイド内のガスは完全に溶解され、接触体からの出口液体は、小出しの間に泡がないままになる。
【００７７】
上述の制御動作は有利には、小出し事象の間のみ、接触体１がガス圧力Ｐ２より高い液体圧力Ｐ４で動作させられることを可能にする。それぞれのそのような事象の期間は、通常、１０〜３０秒程度である。米国特許第５，５６５，１４９号明細書に記載されているような接触体内で、０．０５ＭＰａの過剰な液体圧力が、そのような短い時間にわたって、安全に使用されることが可能であることが、以前に明らかにされている。
【００７８】
その他の全ての時刻において、接触体内の液体及びガスの圧力は、等しく保たれる。利点は、接触体の繊維が動作中に溢水させられることがないということ、及び、更に、ポート４と弁５との間で形成され得る気泡がより少ないため、小出しされる液体がより高い炭酸化を保持するということである。
【００７９】
図２に示す概略構成は、入口弁６及び出口弁５の閉鎖の間で必要とされる遅延を達成するための一構成にすぎない。これらの弁は、実際には、電気、空気圧、又は水圧手段によって作動されてもよい。
【００８０】
代替の実施形態が、図４に概略的に示されており、ここで、図２の実施形態における同様の部品について、同じ参照番号が使用されている。この実施形態では、小出しコック５３が、手動アクチュエータ５４を使用して開放される。加圧液体ソース９は、液体の供給源９１に結合されたポンプ９２を含む。ポンプ９２は、弁６及び５３が開放された場合に動作して、必要とされる流量の液体を、接触体１を介して送出するように選択される。そのような流れの間、ポート３における液体圧力は、有利には、接触体のポート２に加えられる二酸化炭素の圧力より高いように構成される。
【００８１】
弁６が閉鎖された場合、ポンプ９２は自動的に停止し、接触体における液体圧力は、液体がシステムから小出しされているときより高くなる。
【００８２】
流れ制限器５１と手動で動作させられる小出しコック５３との間に、圧力スイッチ５２が水圧的に結合され、制御ユニット９３と電気的に通信する。スイッチ５２は、コック５３が開放されている場合、スイッチ５２がその低圧力電気状態にあり、弁５３が閉鎖されている場合、スイッチ５２がその高圧力電気状態にあるように調節される。
【００８３】
小出しを始めるために弁５３が開放された場合、スイッチ５２の電気状態は、その低圧力状態に変化し、制御ユニット９３の動作は、弁６を直ちに開放し、必要に応じて、弁５も開放する。この構成では、液体は、コック５３を通って流れるとともに、コック５３をバイパスする弁５を通って流れる。しかし、ポート４と弁５との間に接続された流れレストリクタ５５は、弁５を通した流れを、コック５３を通した流れと比較してそれが非常に小さいように、減少させる。ポンプ９２が自動的に始動し、接触体１のポート３内への液体の流れを、ポート２に加えられるガスの圧力より大きな圧力において維持する。
【００８４】
コック５３が閉鎖された場合、スイッチ５２における液体の圧力は増加し、スイッチ５２の電気状態を変化させる。制御ユニット９３の動作は、次に、同じ瞬間において弁６を閉鎖すること、及び、接触体についての特徴的液体膨張容積の解放を可能にするのに十分な、更なる所定の時間にわたって、弁５を開放し続けることである。
【００８５】
この構成の第２のバージョンでは、システムは、弁５が弁６と同時には開放されず、代わりに、弁６が閉鎖された後で開放されるように設計され、弁５が開放される期間は、ポンプ９２が再始動することを引き起こすことなしに、接触体についての特徴的液体膨張容積が、システムの液体回路から、コック５３の下流に解放されるように、制御ユニット９３によって決定される。結果として、弁５が閉鎖されるとき、接触体１内の液体の圧力は一定量だけ減少しており、従って、後続の膨張効果の完了時に、すでに説明したように、接触体１内での液体及びガスの圧力は等しくなる。
【００８６】
図４では、接触体１の膜の液体側上液体との弁５の接続点は、出口ポート４において示されているが、接触体の液体側の液体とのその接続点は、弁６の出口と、レストリクタ５１の入口との間の任意の場所であってもよいということは明らかであろう。
【００８７】
図５は、図４に示す実施形態の第２のバージョンについて、縮尺を含意しない概略的な手法で図示し、、小出し中に接触体のポート４を通って液体が流れる間のＴ０からＴ１までの期間と、弁５によって液体の小さな追加の容積が引き出される間のＴ１からＴ２までの期間と、液体が流れていない間のＴ２から次の小出しまでとを含む、シーケンスを通しての繊維内のガス圧力Ｐ２の時間応答、及び、接触体の繊維を囲む液体圧力Ｐ４の時間応答を示す。この図はまた、ポート２を通過するガス流量Ｆ２、ポート４を通過する液体流量Ｆ４、及び、弁５を通過する液体流量Ｆ５の、同じシーケンスを通しての対応する時間応答も示す。
【００８８】
図６は、第３の実施形態を示し、ここで、図４の実施形態における同様の部品に関して、同じ参照番号が採用されている。この実施形態では、弁５、及び流れレストリクタ５５が、今や、弁６の閉鎖の後、接触体についての特徴的液体膨張容積がポンプ９２の吸引側内に解放されるように配置されるということを除き、全ての部品及び構成要素の、動作及び制御の、機能及び手段は、第２の実施形態について上述したものと同じである。この実施形態では、弁６の閉鎖の後で解放される特徴的液体膨張容積は、追加されたガスを含まない液体であり、従って、弁５への接続点は、接触体１の上流でなければならない、ということに留意されたい。
【００８９】
小出し流れに対応して、及び、スイッチ５２と制御ユニット９３とを介した弁５及び６の動作に対応して、結果として生じる圧力変化は、第２の実施形態の第２のバージョンについて以前に説明したものと同じであり、図５に示される。
【００９０】
図４に示す構成は、弁５を介した流れを出口に受け入れるように修正された手動小出しコック５３を必要とするということ、及び、この構成は、小さな容積が過剰に小出しされる、又は浪費されることをもたらすということが理解されるであろう。従って第３の実施形態は、小出しコック５３が修正されない環境において、及び、弁６の閉鎖の後で弁５によって解放される少量の液体の浪費を許可することが望ましくない環境において、好ましい。
【００９１】
ここで、図７〜図１０の実施形態を参照すると、わかりやすくするために、及び、詳細は本開示に関連しないため、液体の温度制御に関する特徴及び構成要素は、回路図から省略されている。
【００９２】
接触体１のガスポート２は、ガスソース１０１に、軽減調整器（ｒｅｌｉｅｖｉｎｇ  ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）として一般に知られているタイプの圧力調整器１０２（これは、その制御圧力を維持するために、必要ならば、過剰なガスをその出力側から逃がすことを示す）を介して接続される。液体入口ポート３は、液体ソース１０３に、ソレノイド動作弁（ｓｏｌｅｎｏｉｄ−ｏｐｅｒａｔｅｄ  ｖａｌｖｅ）１０４と、圧力調整器１０５とを介して接続される。液体出口ポート４は、液体を小出しするためのコックとしてここでは動作するソレノイド弁１０６に接続される。
【００９３】
ガスソース１０１の圧力は、調整器１０５の出口圧力より大きいように構成される。調整器１０５の出口圧力は、有利には、調整器１０２の出口圧力より少なくとも０．０３ＭＰａ大きいように構成され、しかし、米国特許第５，５６５，１４９号明細書、及び米国特許第７，１０４，５３１号明細書に記載されている繊維のタイプについては、これは、最大０．１ＭＰａだけ、より大きくてもよい。
【００９４】
ソレノイド弁１０４及び１０６は、２／２弁として一般に説明されるタイプのものであり、これらは、ノーマルクローズである。通電された場合、これらの弁は、これらを通した流れを許可するために開放させられる。
【００９５】
圧力等化ダイアフラムチャンバ１０７は、図７に示すように接触体１への液体及びガス供給源の間に接続され、図８を参照して以下で説明される。  
【００９６】
図８は、圧力等化チャンバ１０７を、概略断面図で示し、ここで、可撓性ダイアフラム部材１０８が、チャンバ１０７内の第１のコンパートメント１０９と第２のコンパートメント１１０との間の隔壁として働く。図８は、第２のコンパートメント１１０の容積がその最大である場合の、かつ、コンパートメント１０９及び１１０内の圧力が実質的に等しい場合の位置における、可撓性ダイアフラム部材１０８を示す。チャンバ１０７は、可撓性ダイアフラム部材１０８の移動が、第２のコンパートメント１１０の容積を、少なくとも、式（１）によって規定される前述の特徴的容積だけ変化させるように構成される。可撓性ダイアフラム部材１０８の移動を補助するために、第２のコンパートメント１１０内にバネ１１１が、必要に応じて含まれる。チャンバ１０７は、その２つのコンパートメント内に接続するそれぞれのポート１１２及び１１３を備える。
【００９７】
図７に示すように、コンパートメント１０９は、そのポート１１２を介して、ソレノイド動作３ポート弁１１５のポート１１４と連通する。コンパートメント１１０は、そのポート１１３を介して、接触体１の液体入口ポート３と連通する。
【００９８】
弁１１５の第２のポート１１６は、接触体１のガス入口ポート２と連通し、弁１１５の第３のポート１１７は、圧力調整器１０２の高圧側、すなわち、入口ポート側と連通する。
【００９９】
弁１１５は、３／２弁として一般に知られているタイプのものである。ポート１１４は、弁１１５が通電されていない場合にポート１１６のみと内部で連通する、共通ポートである。弁１１５が通電された場合、ポート１１４は、ポート１１７のみと内部で連通させられる。
【０１００】
弁１０４、１０６、及び１１５が通電されていない場合、ポート２において加えられる圧力は、チャンバ１０７のコンパートメント１０９内の圧力と等しい。この状態では、可撓性ダイアフラム部材１０８の動作は、接触体１が、その中空繊維の内側のガスに関して、及び、その中空繊維の外側の液体に関して、等しい圧力を受けることを確実にする。
【０１０１】
炭酸化された液体を小出しすることが必要とされる場合、制御スイッチ１１８が手動でアクティブにされ、弁１０４、１０６、及び１１５が通電される。ポート３及びコンパートメント１１０は、今や、圧力調整器１０５の出口と連通して、液体が接触体１に流入、及び、弁１０６から流出し始めることを可能にする。同時に、弁１１５のポート１１４が、ソース１０１からのガスをコンパートメント１０９内に入れ、可撓性部材１０８が移動して、コンパートメント１０９の容積を増加させ、コンパートメント１１０の容積を減少させる。
【０１０２】
従って、小出しの間、調整器１０５は、接触体１内の液体の圧力、及び、ポート４と弁１０６との間の配管内の液体の圧力を、ポート２に加えられるガス圧力より上に維持する。この状態は、冷却手段（図示せず）と共に、出口弁１０６まで、液体が、溶解される二酸化炭素に関して飽和未満に保たれ得る、という利点を有する。
【０１０３】
炭酸化された液体の、必要とされる容積が小出しされた場合、スイッチ１１８が手動で非アクティブにされる。この瞬間に、弁１０４及び１０６が閉鎖され、それらの間の液体容積が隔離される。同じ瞬間に、弁１１５は、ポート１１４がポート１１６に内部で連通することを可能にする。圧力調整器１０２は軽減調整器であるため、コンパートメント１０９内のガス圧力は、調整器１０２の出口圧力設定値まで減衰する。
【０１０４】
可撓性ダイアフラム部材１０８は、コンパートメント１０９及び１１０内の圧力を等しく維持するように働き、従って、以前に説明した、小出しに続く液体の膨張が、一定の圧力（これは、更に、接触体１に加えられるガス圧力に等しい）において完了することを可能にする。
【０１０５】
従って、小出しの間のスタンバイ期間の間、接触体内の液体及びガスの両方の圧力は、バランスのとれた状態に維持され、繊維の溢水の危険はない。
【０１０６】
図９は、図７の実施形態の変形を示す。２つの図中で、同様の部品及び構成要素は、同じ参照番号によって識別される。ソース１０１の圧力が比較的高い場合に好ましい、この実施形態では、更なるガス調整器１１９が、弁１１５のポート１１７に加えられる圧力を設定するために使用される。全てのその他の部品の動作及び機能は、図８を参照して説明したものと同じである。
【０１０７】
図１０は、更なる変形を示し、ここで、同様の部品及び構成要素は、図８及び図１０におけるものと同じ参照番号によって識別される。この実施形態では、小出し弁１０６は、手動で開放及び閉鎖され、制御システムに結合されていない。代わりに、流れ検出ユニット１２０が、液体がシステム内を流れている場合を検出するために、弁１０４の出口と、弁１０６の入口との間のある点において接続される。図示されている構成では、検出器１２０は、調整器１０５（ここでは、弁１０４の出口側にある）とポート３との間に接続されている。あるいは、検出器１２０は、ポート４と出口弁１０６との間に取り付けられてもよい。
【０１０８】
検出器１２０は、小出し弁１０６が開放された瞬間において、制御スイッチ１１８への電気的入力を提供し、弁１０６が開放されたままである間は、その電気的入力を維持し、小出しの最後において弁１０６が閉鎖された場合、その入力を除去する。図１０において、検出器１２０を制御スイッチ１１８に接続する線は、スイッチ１１８が検出器１２０からの電気的入力に応答し、一方、スイッチ１１８からの出力が弁１０４及び１１５の状態を制御することを示すために、異なるように描かれている。
【０１０９】
この実施形態における全てのその他の部品の動作及び機能は、図７の実施形態についてのものと同じである。
【０１１０】
小出しの時点における炭酸化のために、本質的に非加圧のバッグインボックス又はポリピン形式で飲料を供給することが、特にビール醸造業界において、長い間所望されてきた。これまでは、採用される炭酸化システムにおける欠点が、従来の大樽又は小樽形式に対するこの明らかに有利な代替の、広く行き渡る商業的採用を妨げてきた。
【０１１１】
米国特許第５５６５１４９号明細書で開示された種類の膜炭酸化器は、非加圧の、又は、前もってガス抜きされたビール内へのガス状二酸化炭素の直接注入に、あるいは、大きな接触表面積を有するバルク粒状石英材料（ｂｕｌｋ  ｇｒａｎｕｌａｔｅ  ｑｕａｒｔｓ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を通した、ビール及びガスの両方の一緒の通過に依拠する、いくつかの競合する構成とは異なり、信頼性が高く、かつ、所望の炭酸化を提供することが可能であることが知られていたが、個々の小出しの間の間隔における、液体の溢水による経時的な膜炭酸化器の劣化の傾向が、広く行き渡る商業化をこれまで妨げてきた。本開示は、膜炭酸化器のこの欠点がどのようにして実質的に克服され得るかを示す。本明細書の記載に従って、システムのスタンバイ期間の間、ガス圧力と液体圧力とをバランスさせることで、膜を溢水から実質的に保護することが可能である。
【０１１２】
本教示によるシステムの実施形態の、主要な適用例は、バッグインボックス飲料小出しシステム内への組み込みである。膜炭酸化器と、関連する制御装置とは、各バッグインボックスユニット内に組み込まれてもよく、又は、小出しの地点において、リフィルバッグインボックス飲料供給源への結合のために提供されてもよい、ということが容易に理解されるであろう。
【０１１３】
この開示の教示は、ビール、ソーダ水、及びワインを含む様々な飲料に適用されてもよい、ということも理解されるであろう。ワインの場合、本教示によるシステムの実施形態は、小出しの時点において、無発泡性ワインから、スパークリングワインの無難な代用品を提供するために採用されてもよく、例えば、バルクの無発泡性シャルドネワインから、ブラン・ド・ブランの無難な代用品をグラスで提供してもよい。
【０１１４】
二酸化炭素の代わりに、一酸化二窒素を使用することによって、小出しの時点において泡立てられた乳製品又は乳製品代用品ベースの製品が、この開示の教示によるシステムの実施形態を使用して製造され得る。式（１）を使用して計算される特徴的液体膨張容積は、この場合、二酸化炭素の飽和レベルの代わりに、一酸化二窒素の飽和レベルを採用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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