УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ЖИДКОСТИ КИСЛОРОДОМ

Полезная модель относится к устройствам для насыщения жидкости кислородом и может быть использована для обогащения питьевой воды или любых других напитков и жидкостей кислородом для придания полезных и улучшенных органолептических свойств.
Из уровня техники известно устройство кислородосодержащих капсул с металлическим корпусом для приготовления напитков с возможностью его разгерметизации путем смещения заглушки посредством штыря, в результате чего  кислородсодержащий сжатый газ выходит через отверстие (заявка на патент Германии  № 10030972, F16K1/30; F16K15/18; F17C13/04, опубликована 03.01.2002г.).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является капсула для приготовления кислородного коктейля (патент РФ №2344724, A23L2/54, A61J3/00, опубликовано 10.05.2008г.), содержащая контейнер, наполненный кислородом  с давлением выше атмосферного и устройство, выпускающее кислород из контейнера после помещения её в жидкость.
Недостатками наиболее близкого аналога являются низкий уровень кислорода в жидкости, насыщаемой устройством из-за высокой скорости выхода газа, а так же наличие удерживающего вещества, способного хотя бы частично растворяться в воде, что, в свою очередь, негативно влияет на органолептические и полезные свойства кислородного коктейля.
Технической проблемой, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание портативного устройства, способного насыщать жидкость кислородом путем выпуска в жидкость большого количества пузырьков кислорода, достаточного для достижения высоких показателей уровня кислорода в жидкости, а также насыщать жидкость, не прибегая к использованию материалов, способных полностью или частично растворяться в жидкости и изменять её состав для приготовления свежих напитков с полезными и улученными органолептическими свойствами.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в повышении степени растворения кислорода в жидкости для повышения её полезных и органолептических свойств за счет выхода большого количества пузырьков кислорода из устройства для насыщения жидкости кислородом, достаточной для достижения высоких показателей уровня кислорода в жидкости, а также за счет сохранения части кислорода в емкости над жидкостью, так как  кислород тяжелее воздуха, что повышает его парциальное давление и, соответственно, уровень растворимости.
2
Указанный технический результат достигается в устройстве для насыщения жидкости кислородом, представляющем собой герметичную капсулу со сжатым кислородом и закрепленным защелками на ней с зазором, механизмом разгерметизации в виде колпачка с направленным к капсуле копьем, при этом механизм разгерметизации выполнен с возможностью движения по направлению к капсуле для прокола ее копьем и фиксации в нижнем положении, причем копье выполнено с возможностью образовывать отверстие площадью S, см, определяемой формулой
S =k*V*P,
где k = 0,0009 – 0,0015 – коэффициент процесса выхода газа;
V – объем капсулы, мл;
2
P – давление в капсуле, кг/см.
2
Благодаря выполнению устройства для насыщения жидкости кислородом, представляющего собой герметичную капсулу со сжатым кислородом, исключается выход кислорода из капсулы до её активации, что позволяет обеспечить выход большей части объема кислорода из капсулы непосредственно в жидкости и насытить жидкость кислородом до необходимого высокого уровня для улучшения полезных и органолептических свойств жидкости, закрепленного защелками на ней с зазором механизмом разгерметизации в виде колпачка с направленным к капсуле копьем, при этом механизм разгерметизации выполнен с возможностью движения по направлению к капсуле, для прокола ее копьем и фиксации в нижнем положении обеспечивается зазор между стержнем копья и отверстием в корпусе капсулы, выполненным с помощью вышеупомянутого копья для обеспечения выхода большего количества пузырьков кислорода, содержащегося в капсуле и насыщения жидкости кислородом, необходимого для улучшения полезных и органолептических свойств жидкости, причем копье выполнено с возможностью образовывать отверстие площадью S, см, определяемой формулой
S = k*V*P,
где k = 0,0009 – 0,0015 – коэффициент процесса выхода газа;
3
V – объем капсулы, мл или см;
2
P – давление в капсуле, кг/см,
что обеспечивает выход большего количества пузырьков кислорода, позволяющего насытить жидкость кислородом до высокого уровня для улучшения полезных свойств жидкости и улучшения органолептических свойств жидкости.
В частности, устройство для насыщения жидкости кислородом содержит более одного копья, представляющего собой направленный к капсуле стержень с конусообразным наконечником, закрепленный на колпачке, что позволяет достигать высокого уровня насыщения жидкости кислородом для повышения её полезных и органолептических свойств с большей скоростью.
В частности, устройство для насыщения жидкости кислородом содержит герметичную капсулу, выполненную из нерастворимого в жидкости материала, что позволяет достигать высокого уровня насыщения жидкости кислородом без изменения состава жидкости для повышения её полезных и органолептических свойств.
В частности, устройство для насыщения жидкости кислородом содержит стенки корпуса капсулы,  выполненные меньшей толщины в месте образования отверстия, что позволяет упростить разгерметизацию капсулы со сжатым кислородом внутри для достижения высокого уровня насыщения жидкости кислородом без изменения состава жидкости для повышения её полезных и органолептических свойств.
Далее заявленная полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 – представлен общий вид устройства с механизмом прокола в верхнем положении.
На фиг. 2 – представлен вид устройства с механизмом прокола в нижнем (рабочем) положении.
На фиг.3 – представлен вид устройства снизу.
Согласно заявленной полезной модели корпус 1 капсулы выполнен из пластика, металла и другого материала, разрешенного в пищевой промышленности, и в плане может быть различной формы, например, овальной или прямоугольной. Внутри капсулы под давлением содержится кислород. В средней части корпуса капсулы выполнен удерживающий выступ 2 и удерживающий выступ 3. Перпендикулярно удерживающим выступам с зазором к корпусу капсулы закреплен колпачок 4 с направленным к корпусу капсулы копьем, содержащим стержень 5 и конический наконечник 6. На внутренней стороне зубцов колпачка расположены по меньшей мере две защёлки 7, входящие в зацепление с удерживающими выступами 2 и 3. Выступ 3 находится на таком расстоянии ниже удерживающего выступа 2, чтобы при зацеплении защелок 7 за выступ 2 конический наконечник 6 копья находился внутри капсулы. Стенки капсулы, расположенные в области под копьем выполнены меньшей толщины для упрощения разгерметизации капсулы и исключения соскальзывания и отклонения копья. При этом утонение области капсулы под копьем не влияет на общую прочность капсулы.
Нерастворимый корпус капсулы обеспечивает насыщение жидкости кислородом до высокого уровня без изменения состава и свойств жидкости, таких как запах, цвет, вкус и др., благодаря чему в готовом к употреблению продукте изменяется только уровень растворенного в жидкости кислорода, что позволяет получить жидкости с улучшенными полезными и органолептическими свойствами.
Механизм разгерметизации, выполненный в виде колпачка с направленным к корпусу капсулы копьем, закрепленным с зазором к капсуле, обеспечивает герметичность капсулы с кислородом до момента её использования. В свою очередь герметичность капсулы до активации обеспечивает выход всего объема кислорода из капсулы исключительно после активации - приближения колпачка к капсуле до прокола корпуса капсулы посредством конического наконечника 6 копья. Таким образом, выпуск кислорода из капсулы осуществляется только после активации и только за счет конструкции устройства для насыщения жидкости кислородом, благодаря чему достигается высокий уровень насыщения жидкости кислородом и повышение её полезных и органолептических свойств без изменения таких свойств жидкости, как запах, цвет, вкус и др.
Выполнение колпачка с двумя и более защелками на внутренней поверхности колпачка обеспечивает наличие зазоров между корпусом капсулы и колпачком, что гарантирует беспрепятственный выход маленьких пузырьков кислорода, содержащегося в корпусе капсулы в жидкость, позволяя тем самым повысить уровень растворенного кислорода в жидкости.
Копье, закрепленное на колпачке, представляет собой элемент, состоящий из стержня 5 с конусообразным наконечником 6 и выполненный из твердого материала, например, металла. Остриё конусообразного наконечника 6 позволяет выполнить отверстие в корпусе капсулы и опустить копьё внутрь капсулы до уровня стрежня, то есть отверстие образуется в корпусе капсулы между стенками стержня копья и образованным конусообразным наконечником 6 отверстием для выпуска кислорода.
Удерживающие выступы 2 и 3 располагают на таком уровне, что при зацеплении краев колпачка механизма разгерметизации за выступ 2, направленное к капсуле копье не касается корпуса капсулы, а при зацеплении краев колпачка механизма разгерметизации за выступ 3, направленное к капсуле копье образовало отверстие и опущено в образованное отверстие до уровня стержня копья.
Размеры конусообразного наконечника и стержня копья подобраны таким образом, чтобы образовывать отверстие рассчитанного по вышеприведенной формуле размера для выпуска из отверстия большего количества пузырьков кислорода.
Устройство работает следующим образом.
Перед использованием устройства для насыщения жидкости кислородом, содержащего капсулу со сжатым внутри герметичного корпуса 1 кислородом, механизм разгерметизации в виде колпачка 4 и с направленным к корпусу капсулы копьём находится в верхнем положении и зафиксирован на удерживающем элементе 2 при помощи защелок 7. При таком положении механизма разгерметизации копье находится на некотором расстоянии от поверхности капсулы и не нарушает целостность корпуса капсулы. Для выпуска кислорода из капсулы осуществляют её разгерметизацию путем выполнения отверстия в корпусе капсулы при помощи копья. Механизм разгерметизации в виде колпачка 4 с направленным к корпусу капсулы копьём нажатием опускают вниз и осуществляют прокол корпуса капсулы посредством конического наконечника 6 копья. Далее колпачок с направленным к корпусу капсулы элементом разгерметизации переходит в зацепление с удерживающим выступом 3 при помощи защелок 7, и тем самым фиксируется в положении, при котором выполненное посредством наконечника 6 отверстие остается открытым для выпуска пузырьков кислорода из капсулы. Подобранные с учетом количества насыщаемой жидкости размеры отверстия позволяют выпускать кислород из капсулы не менее 60 секунд.
Параметры по времени и размерам отверстий капсулы подбирались исходя из следующих данных. В среде чистого кислорода,  в соответствии с увеличением парциального давления, растворимость кислорода пропорционально увеличивается до значений выше 40 мг/л. При этом, однако,  ухудшаются вкусовые качества питьевой воды.
Содержание кислорода в воздухе около 20 процентов. Растворимость его в чистой прохладной воде около 9 мг/л. Это значение характерно для чистой природной необработанной воды, которая имеет высокие вкусовые качества. Для получения жидкости, максимально приближенной по содержанию кислорода к чистой природной необработанной воде, было разработано портативное устройство для обогащения бутилированной воды (в которой содержание кислорода находится на уровне до 4 мг/л) с целью повышения ее полезных и органолептических свойств.
Сделан расчет требуемого объема кислорода в капсулах для обработки бутилированной воды для некоторых распространенных объемов тары.
Объем воды, л
Кол-во кислорода
Параметры капсулы
Параметры капсул приведены с учетом технологической целесообразности изготовления, некоторых потерь при активации и остатка газа в капсуле.
мг
мл
Объем, мл
Давление, кг/см<sup>2</sup>
0,5
10
7
2
4,5
1
20
14
5
4
5
100
70
12
7
20
400
280
25
12
Скорость растворения кислорода в воде зависит от многих факторов, однако установлено, что если время выхода кислорода из капсулы составляет около 60 секунд, то происходит достаточное насыщение жидкости кислородом. Кроме того, поскольку кислород тяжелее воздуха, не растворившийся кислород скапливается в сосуде у поверхности жидкости, повышается его парциальное давление, и он продолжает растворяться в воде. Таким образом, практически весь кислород капсулы в итоге растворяется в соответствующем объеме воды.
Эксперименты подтверждают, что для насыщения жидкости кислородом до высокого уровня необходимо обеспечить выход большего количества пузырьков кислорода из капсулы. Добиться этого можно выполнив отверстие такого размера, которое позволяет выпускать кислород в течение длительного времени составляющего не менее 60 секунд. Поскольку с момента разгерметизации капсулы до погружения капсулы в жидкость проходит некоторое время, параметры объема и давления в капсуле подобраны с учетом потерь при активации устройства для насыщения жидкости кислородом.
2
Площадь отверстия S, мм, через которое выходит кислород из капсулы, является разницей площадей наконечника и стержня копья и в общем виде соответствует формуле
S =k*V*P,
где k = 0,0009 – 0,0015 – коэффициент процесса выхода газа;
3
V – объем капсулы, мл/см;
2
P – давление в капсуле, кг/см,
обеспечивает выход кислорода из капсулы в течение заданного времени. При этом изготовление устройства для насыщения жидкости кислородом с возможностью выполнения в капсуле отверстия меньшей площадью не целесообразно, поскольку не обеспечивает оптимальную скорость выхода кислорода из капсулы. Изготовление устройства для насыщения жидкости кислородом с возможностью выполнения в капсуле отверстия большей площадью не обеспечивает выход кислорода из капсулы в течение 60 и более секунд, то есть кислород из капсулы выходит слишком быстро и насыщение жидкости кислородом до высокого уровня путем выпуска большого количества пузырьков кислорода не осуществляется. Таким образом, выполнение отверстия площадью, выходящей за пределы указанной формулы, не обеспечивает высокую степень растворения кислорода в жидкости и повышения её полезных и органолептических свойств за счет выхода большого количества пузырьков кислорода из капсулы.
Для подтверждения заявленного технического результата устройства для насыщения жидкости кислородом изготавливались в различных вариантах.
Пример 1 .
2
Изготовлено устройство для насыщения жидкости кислородом, рассчитанное на объем воды 0,5 л - капсула объемом V = 2 мл, с давлением P = 4,5 кг/см, содержащая кислород. Начальный уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра, составил 3,25 мг/л.
2
2
2
Капсулу с содержащимся в ней кислородом разгерметизировали нажатием на колпачок с направленным к корпусу капсулы элементом разгерметизации, закрепили при помощи защелок и удерживающих выступов в нижнем положении для обеспечения выхода газа из капсулы и сразу погрузили в жидкость объемом 0,5 л. Выход кислорода из капсулы осуществлялся при размере отверстия S1 = 0,0081 мм, S2 = 0,009 ммиS3 = 0,0135 ммв течение 73, 70 и 67 секунд соответственно.
2
S1 = k*V*P = 0,0009 * 2 * 4,5 = 0,0081 мм
2
S2 = k*V*P= 0,001 * 2 * 4,5 = 0,009 мм
2
S3 = k*V*P = 0,0015 * 2 * 4,5 = 0,0135 мм
При размере отверстия S1 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 9,09 мг/л.
При размере отверстия S2 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,75 мг/л.
При размере отверстия S3 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,31 мг/л.
Фокус-группа, состоящая из восьми человек, получила образцы воды до насыщения её кислородом с помощью вышеупомянутого устройства и после насыщения воды кислородом. Все участники отметили улучшенные вкусовые свойства образцов воды после насыщения кислородом.
Пример 2.
2
Изготовлено устройство для насыщения жидкости кислородом, рассчитанное на объем воды 1 л - капсула объемом V = 5 мл, с давлением P = 4 кг/см, содержащая кислород. Начальный уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра, составил 3,30 мг/л.
2
2
2
Капсулу с содержащимся в ней кислородом разгерметизировали нажатием на колпачок с направленным к корпусу капсулы элементом разгерметизации, закрепили при помощи защелок и удерживающих выступов в нижнем положении для обеспечения выхода газа из капсулы и сразу погрузили в жидкость объемом 0,5 л. Выход кислорода из капсулы осуществлялся при размере отверстия S1 = 0,18 мм,S2 = 0,02 мми S3 = 0,03 ммв течение 70, 66 и 63 секунд соответственно.
2
S1 = k*V*P = 0,0009 * 5 * 4 = 0,018 мм
2
S2 = k*V*P = 0,001 * 5 * 4 = 0,02 мм
2
S3 = k*V*P = 0,0015 * 5 * 4 = 0,03 мм
При размере отверстия S1 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,77 мг/л.
При размере отверстия S2 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,24 мг/л.
При размере отверстия S3 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,03 мг/л.
Фокус-группа, состоящая из восьми человек, получила образцы воды до насыщения её кислородом с помощью вышеупомянутого устройства и после насыщения воды кислородом. Все участники отметили улучшенные вкусовые свойства образцов воды после насыщения кислородом.
Пример 3.
2
Изготовлено устройство для насыщения жидкости кислородом, рассчитанное на объем воды 5 л - капсула объемом V = 12 мл, с давлением P = 7 кг/см, содержащая кислород. Начальный уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра, составил 4,13 мг/л.
2
2
2
Капсулу с содержащимся в ней кислородом разгерметизировали нажатием на колпачок с направленным к корпусу капсулы элементом разгерметизации, закрепили при помощи защелок и удерживающих выступов в нижнем положении для обеспечения выхода газа из капсулы и сразу погрузили в жидкость объемом 5 л. Выход кислорода из капсулы осуществлялся при размере отверстия S1 = 0,0756 мм, S2 = 0,084 мми S3 = 0,084 ммв течение 71, 68 и 65 секунд соответственно.
2
S1 = k*V*P = 0,0009 * 12 * 7 = 0,0756 мм
2
S2 = k*V*P = 0,001 * 12 * 7 = 0,084 мм
2
S3 = k*V*P = 0,0015 * 12 * 7 = 0,126 мм
При размере отверстия S1 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,89 мг/л.
При размере отверстия S2 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,49 мг/л.
При размере отверстия S3 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,15 мг/л.
Фокус-группа, состоящая из восьми человек, получила образцы воды до насыщения её кислородом с помощью вышеупомянутого устройства и после насыщения воды кислородом. Все участники отметили улучшенные вкусовые свойства первого образца воды после насыщения кислородом.
Пример 4.
2
Изготовлено устройство для насыщения жидкости кислородом, рассчитанное на объем воды 20 л - капсула объемом V = 25 мл, с давлением P = 12 кг/см, содержащая кислород. Начальный уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра, составил 3,18 мг/л.
2
2
2
Капсулу с содержащимся в ней кислородом разгерметизировали нажатием на колпачок с направленным к корпусу капсулы элементом разгерметизации, закрепили при помощи защелок и удерживающих выступов в нижнем положении для обеспечения выхода газа из капсулы и сразу погрузили в жидкость объемом 20 л. Выход кислорода из капсулы осуществлялся при размере отверстия S1 = 0,225 мм, S2 = 0,3 мми S3 = 0,45 ммв течение 69, 65 и 60 секунд соответственно.
2
S1 = k*V*P = 0,0009 * 25 * 12 = 0,27 мм
2
S2 = k*V*P = 0,001 * 25 * 12 = 0,3 мм
2
S3 = k*V*P = 0,0015 * 25 * 12 = 0,45 мм
При размере отверстия S1 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,61 мг/л.
При размере отверстия S2 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 8,15 мг/л.
При размере отверстия S3 уровень кислорода, измеренный при помощи оксиметра после насыщения жидкости вышеупомянутой капсулой, составил 7,94 мг/л.
Фокус-группа, состоящая из восьми человек, получила образцы воды до насыщения её кислородом с помощью вышеупомянутого устройства и после насыщения воды кислородом. Все участники отметили улучшенные вкусовые свойства первого образца воды после насыщения кислородом.
Таким образом, в заявленной полезной модели обеспечивалось повышение степени насыщения жидкости кислородом для повышения её полезных и органолептических свойств за счет выхода большого количества пузырьков кислорода из устройства для насыщения жидкости кислородом, достаточной для достижения высоких показателей уровня кислорода в жидкости.