IT202100003326A1 - Dispositivo per la formazione di turbolenze in un liquido, particolarmente un filtro per miscele di caffè - Google Patents

Description

Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:

?DISPOSITIVO PER LA FORMAZIONE DI TURBOLENZE IN UN LIQUIDO, PARTICOLARMENTE UN FILTRO PER MISCELE DI CAFF??

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un dispositivo per la formazione di turbolenze in un liquido, a partire da miscele solido/liquido. In particolare l'invenzione concerne un filtro di tipo migliorato per la formazione di schiuma nel caff?.

Nella preparazione del caff? si impiegano dei filtri che realizzano una separazione solido/liquido, con la contemporanea creazione di turbolenze nel liquido che attraversa il mezzo filtrante, cos? da ottenere un filtrato liquido sulla cui superficie ? presente una quantit? desiderata di schiuma. In queste applicazioni la schiuma, che rappresenta uno dei parametri fondamentali per determinare la bont? della bevanda, ? generata dal moto turbolento del liquido all?interno dei fori del filtro utilizzato per trattenere la polvere di caff?.

In questo tipo di macchine l'acqua, solitamente portata ad una pressione di 9 bar e ad una temperatura di 90-95?C, ? fatta passare attraverso un filtro metallico dotato di fori molto piccoli che servono per trattenere la polvere di caff? macinata fine e, al contempo, per formare una emulsione di gas e liquido durante l?erogazione, formando cos? della schiuma. I filtri tradizionali impiegati a tale scopo sono in particolare costituiti da un disco metallico forato di dimensione variabile, provvisto di fori circolari aventi diametro tra i 250 e i 300 micron, disposti regolarmente sulla superficie del disco metallico in modo che l?area aperta (open area), ovvero il totale della superficie forata del disco, abbia un valore compreso tra il 3% e il 5% della superficie complessiva di quest'ultimo. Si ottiene in questo modo una bevanda che, all'uscita dal filtro, presenta uno strato superficiale di schiuma, formatasi per dispersione di gas (aria), durante lo stadio di attraversamento del filtro da parte della fase liquida.

Il principale inconveniente dei filtri sopra descritti ? rappresentato dalla piccola dimensione dei fori, dell'ordine dei micron, necessaria per trattenere la polvere di caff? e tuttavia responsabile di una limitata turbolenza e quindi anche di una formazione di schiuma, sul liquido a valle del filtro, la cui quantit? dipende dalla dimensione dei fori presenti sul disco metallico che costituisce il filtro.

Un ulteriore inconveniente dei citati prodotti della tecnica nota ? rappresentato dalla necessit? di realizzare i filtri in materiale metallico, l'unico capace di conciliare la resistenza meccanica alla pressione del liquido che lo attraversa, con la presenza dei numerosi fori sulla sua superficie, necessari per trattenere la polvere di caff?.

I filtri tradizionali del tipo in esame presentano quindi una struttura che non permette loro di controllare il volume della schiuma formata a valle del filtro, che infatti ? strettamente correlato al numero ed alla dimensione dei fori presenti sulla superficie di quest'ultimo, a loro volta vincolati alle piccole dimensioni della polvere di caff? che deve essere trattenuta dal filtro.

Costituisce pertanto lo scopo principale della presente invenzione quello di fornire un dispositivo per la formazione di turbolenze in un liquido, a partire da miscele solido/liquido, in particolare un filtro di tipo migliorato per la formazione di schiuma nel caff?, che permetta di controllare la formazione delle turbolenze e quindi anche della schiuma sul liquido che attraversa il filtro, in modo indipendente dalla sua funzione di trattenere il materiale in polvere, cos? da ottenere dei volumi di schiuma anche superiori rispetto a quelli raggiungibili con i filtri della tecnica nota.

Un ulteriore scopo dell'invenzione ? quello di sostituire il filtro metallico forato con filtri di materiale diverso, per esempio dei materiali polimerici, meno costosi e pi? facilmente lavorabili dei metalli.

Questo ed altri scopi sono raggiunti con il dispositivo della rivendicazione 1. Dei preferiti modi di realizzare l'invenzione risultano dalle restanti rivendicazioni.

In rapporto ai tradizionali sistemi per la formazione di schiume in una fase liquida, quello secondo l'invenzione offre il vantaggio di permettere di modulare il volume della schiuma formata a valle del filtro, in particolare senza compromettere la capacit? di quest'ultimo di trattenere in modo efficace il materiale in polvere nelle miscele solido/liquido.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione ? rappresentato dalla possibilit? di realizzare dei filtri per la formazione di un liquido con turbolenze, anche con un materiale diverso dal metallo, per esempio con dei materiali polimerici, meno costosi anche sotto il profilo della loro lavorazione.

Questi ed altri scopi, vantaggi e caratteristiche risultano dalla descrizione che segue di alcune preferite forme di realizzazione del dispositivo dell'invenzione illustrate, a titolo di esempi non limitativi, nelle figure delle allegate tavole di disegni.

In essi:

- la figura 1 illustra in prospettiva un filtro tradizionale utilizzato nelle macchine per il caff? espresso;

- le figure 2 e 3 illustrano, rispettivamente in esploso e in sezione, una prima forma di esecuzione del filtro dell'invenzione;

- le figure 4 e 5 illustrano rispettivamente il disco forato e il tessuto di formazione del filtro delle figure 2 e 3;

- le figure 6 e 7 illustrano, rispettivamente in esploso e in sezione, una variante del filtro delle figure 2 e 3;

- le figure 6A e 7A illustrano, rispettivamente in esploso e in sezione, una ulteriore variante del filtro delle figure 2 e 3;

- le figure 8 e 9 illustrano il filtro dell'invenzione con una diversa combinazione dimensionale delle maglie di tessuto e dei fori del disco;

- la figura 10 illustra l'andamento dell'indice di turbolenza nel dispositivo dell'invenzione, in funzione della sua face velocity;

- la figura 11 illustra l'andamento dell'indice di turbolenza nel dispositivo dell'invenzione, in funzione della mesh opening del tessuto.

Il filtro della tecnica nota illustrato in figura 1 si compone di un disco metallico 2 recante dei fori 3 che, in quanto dedicati alla funzione di trattenere la polvere di caff?, posseggono un diametro molto piccolo, solitamente compreso tra 250 e 300 micron.

A motivo della presenza dei fori 3, l'acqua che attraversa il filtro 1 ? sottoposta a delle turbolenze che, sul flusso F1 a valle di quest'ultimo, generano la formazione di una schiuma sul filtrato liquido. Tuttavia la piccola dimensione dei fori 3, necessaria per trattenere la polvere di caff?, non permette di modulare la quantit? di schiuma formata sulla superficie della fase liquida che attraversa il filtro 1.

Inoltre la stessa presenza di numerosi fori 3 di piccole dimensioni, combinata con la pressione del liquido che lo attraversa, richiede l'impiego di un materiale metallico, l'unico capace di offrire la necessaria resistenza meccanica, ma anche pi? costoso e pi? difficilmente lavorabile dei materiali differenti, come ad esempio i materiali plastici.

Allo scopo di modulare la formazione della schiuma sul filtrato liquido, lasciando tuttavia inalterata la necessaria funzione di trattenere la polvere di caff?, ? realizzato il filtro dell'invenzione illustrato nelle figure da 2 a 5.

Questo filtro, indicato complessivamente con il riferimento 4 nelle figure 2 e 3, ? composto da un supporto 5 di materiale rigido, di preferenza un disco di materiale plastico, recante una pluralit? di fori passanti 6. Secondo l'invenzione, inoltre, su una superficie o faccia del disco 5 ? fissato, ad esempio per costampaggio e simili, un tessuto di monofilo 7, il quale rappresenta la componente del filtro 4 che ha la funzione di trattenere la polvere di caff? e le cui maglie 8 sono dimensionate sulla base delle corrispondenti dimensioni di questa polvere (figura 5). Dal canto suo il disco rigido 5 svolge una funzione di supporto del tessuto 7, abbassando inoltre la open area di quest'ultimo (intesa come percentuale di superficie aperta delle maglie 8 sul totale della superficie del tessuto).

Nella variante del filtro 9 dell'invenzione illustrata nelle figure 6 e 7, il tessuto di monofilo 7 ? fissato, su entrambe le facce, ad un rispettivo supporto rigido 5, analogo a quello descritto per il filtro 4 di figura 2 e la cui funzione ? quella di accrescere la stabilit? del filtro nel suo insieme. In questa forma di realizzazione i supporti 5 sono fissati, sulle facce opposte del tessuto 7, mantenendo l'allineamento tra i rispettivi fori 6 nella direzione trasversale del filtro, necessario al passaggio del filtrato liquido.

Come illustrato nelle figure 3 e 7, i fori 6 del supporto rigido 5 a monte del tessuto 7 orientano il flusso F2 della miscela liquido/solido verso quest'ultimo, generando delle turbolenze che, a loro volta, determinano la formazione di una schiuma sul filtrato scaricato a valle del tessuto 7.

Nella variante del filtro 9A dell'invenzione, come illustrata nelle figure 6A e 7A, il tessuto di monofilo 7 ? fissato su entrambe le facce di uno stesso supporto rigido 5.

Esempi preferiti di tessuti monofilo adatti per l'invenzione sono i tessuti di poliestere o di poliammide, del tipo 20.200 (n.

20 fili/cm con diametro 200 ?m), 24.160, 29.145, con valore di apertura di maglia (mesh opening, ovvero la distanza tra fili contigui di trama e di ordito) compresa tra 10 micron e 400 micron, formando in questo modo una open area compresa tra il 10 e il 50%. Sono in particolare adatti per l'invenzione i tessuti in monofilo con da 10 a 250 fili/cm, diametro dei fili da 19 a 200 micron ed una mesh opening da 10 a 400 micron.

Esempi di materiali adatti per la realizzazione del disco 5 sono le resine poliammidiche, eventualmente caricate con vetro, Triton?, Ultem?, Peek? polisulfone o polieteresulfone, con fori 6 aventi diametro compreso tra 0,5 e 6 mm.

Dalla descritta composizione di disco 5 e di tessuto 7, il filtro dell'invenzione possiede dei valori di open area totale compresi tra 0,2 e 10%, adatti per la formazione di schiuma sul filtrato liquido in uscita dal filtro dell'invenzione.

Come rappresentato nelle figure 8 e 9, uno stesso valore di open area totale pu? essere raggiunto:

- o con un supporto 5a provvisto di fori 6a di grande diametro, per esempio compreso tra 2 e 4,5 mm, in combinazione con un tessuto 7a con maglie 8a con mesh opening ridotta, per esempio compresa tra 35 e 45 micron, cos? da avere un filtro con open area totale compresa tra 0,2 e 10% (figura 8);

- oppure con un supporto 5b provvisto di fori 6b di piccolo diametro, per esempio compreso tra 1 e 3 mm, in combinazione con un tessuto 7b con maglie 8b aventi una mesh opening elevata, per esempio compresa tra 200 e 300 micron, cos? da formare un filtro con open area totale compresa tra 0,2 e 10% (figura 9).

In questo modo si rende possibile modulare la velocit? di attraversamento della singola maglia del tessuto e, conseguentemente, anche la turbolenza del flusso di liquido in uscita dal filtro. Infatti, una volta fissata l?open area totale del filtro dell'invenzione, intesa come la percentuale dell'area disponibile al passaggio del liquido attraverso i fori 6 del supporto rigido 5 e le maglie 8 del tessuto 7, la turbolenza sul filtrato liquido sar? data dalla velocit? di attraversamento della singola maglia 8 e dalla dimensione dell?apertura del tessuto 7.

Nella figura 10 ? rappresentato l'andamento dell'indice di turbolenza del filtrato liquido, calcolato come la velocit? di attraversamento del filtro 4,9,9A (face velocity) moltiplicata per la mesh opening del tessuto, in funzione della face velocity di tessuti 90.64, 29.145, 24.160 e 20.200, calcolata per un'Open Area (OA) rispettivamente dell'8%, 4%, 2%, 1% e 0,5%.

Dall'esame di questa figura si osserva che pi? alta ? la face velocity, maggiore ? l'indice di turbolenza. Inoltre la crescita di questo indice aumenta con il crescere del valore della mesh opening del tessuto.

Nella figura 11 ? rappresentato l'andamento dell'indice di turbolenza in funzione della mesh opening. Da questa figura si osserva l'incremento dell'indice di turbolenza con la mesh opening del tessuto e con l'Open Area del filtro.

Con il filtro dell'invenzione possono essere trattate miscele solido/liquido, come per esempio le miscele per la preparazione del caff?, caratterizzate dalla necessit? di creare delle turbolenze.

L'invenzione sar? ora descritta con riferimento agli esempi che seguono.

Esempio di confronto

Filtro con open area del 4% (tecnica nota)

Si prepara una miscela solido/liquido, costituita da polvere di caff? in acqua.

Per la separazione delle particelle solide dalla fase liquida si utilizza un filtro costituito da un disco metallico avente un'area di 615 mm<2 >e n. 50 fori/cm<2 >con diametro di 300 micron, corrispondenti ad una Open Area (OA) del filtro pari al 4%. Posta una face velocity di 0,00325 m/s, intesa come la velocit? dell'acqua di attraversamento del filtro, calcolata sull'erogazione di un volume di 30 ml di filtrato liquido in 15 s di tempo (face velocity = volume di liquido/superficie del filtro x tempo), si avr? una velocit? di attraversamento dei singoli fori del disco metallico pari a 0,081 m/s (face velocity/OA) e l?indice di turbolenza (dato da questa velocit? di attraversamento moltiplicata per il diametro dei fori del filtro) risulta uguale a 20,31 (0,081 m/s x 300?m). Si ottiene cos? un filtrato liquido contenente circa il 16% di schiuma sul volume totale.

Esempio 1

Filtro con open area totale del 4%

La miscela solido/liquido dell'esempio precedente ? filtrata attraverso il filtro dell'invenzione, comprendente un tessuto 7 in monofilo, avente 24 fili/cm di diametro 160 micron, una mesh opening pari a 250 micron ed una open area del 37%. Il tessuto 7 ? fissato per costampaggio (ovvero stampando ad iniezione un disco di materiale plastico forato, che reca inglobato nel suo spessore un disco di tessuto di monofilo, preferibilmente disposto vicino ad una delle sue facce) ad un supporto 5 di poliammide caricata vetro, avente forma discoidale con area di 615 mm<2 >e n. 24 fori con diametro 1,88 mm.

Complessivamente l'Open Area totale del filtro dell'invenzione possiede un valore del 4%. Posta una face velocity di 0,00325 m/s, intesa come la velocit? di attraversamento del filtro da parte di un volume di 30 ml di filtrato liquido in 15 s di tempo, secondo la modalit? di calcolo indicata nel precedente esempio di confronto, si avr? una velocit? di attraversamento della singola maglia 8 del tessuto 7 pari a 0,081 m/s (calcolata come da esempio di confronto) e l?indice di turbolenza (dato da questa velocit? di attraversamento moltiplicata per il valore di mesh opening del tessuto) risulta uguale a 20,31 (calcolato come da esempio di confronto). Si ottiene cos? un filtrato liquido contenente circa il 16% di schiuma sul volume totale. Il filtro dell'invenzione permette quindi di raggiungere il desiderato indice di turbolenza, con un numero di fori sul disco di supporto considerevolmente inferiore rispetto a quello che ? invece necessario prevedere sul disco metallico della tecnica nota.

Esempio 2

Filtro con open area totale del 4%

La miscela solido/liquido dell'esempio di confronto ? filtrata con il filtro dell'invenzione preparato con un tessuto 7 in monofilo, recante 20 fili/cm di diametro 200 micron, avente una mesh opening pari a 300 micron ed una open area del 35%. Il tessuto 7 ? fissato per costampaggio sulla superficie del supporto 5 dell'esempio 1, con forma discoidale di area di 615 mm<2 >e n. 24 fori con diametro 1,93 mm. Complessivamente l'open area totale del filtro dell'invenzione presenta un valore del 4%. Posta una face velocity di 0,00325 m/s, come calcolata secondo l'esempio 1, si avr? ancora una velocit? di attraversamento della singola maglia 8 del tessuto 7 pari a 0,081 m/s, ma questa volta con un indice di turbolenza del valore di 24,37. Pertanto a parit? di dimensioni del disco 5 e di open area totale, il filtro dell'esempio 2 produce una maggiore turbolenza e quindi una maggiore quantit? di schiuma (18% circa) rispetto al filtro dell'esempio 1.

Esempio 3

Filtro con open area totale del 2%

La miscela solido/liquido dell'esempio di confronto ? trattata nel filtro dell'invenzione preparato a partire da un tessuto 7 in monofilo secondo l'esempio 1, fissato per costampaggio sulla superficie di un supporto 5 avente forma discoidale con area di 615 mm<2 >e n. 24 fori con diametro 1,33 mm. Complessivamente l'open area totale del filtro dell'invenzione presenta un valore del 2%. Posta una face velocity di 0,00325 m/s, come calcolata secondo l'esempio 1, si avr? una velocit? di attraversamento della singola maglia 8 del tessuto 7 pari a 0,162 m/s, producendo cos? un indice di turbolenza del valore di 40,62 ed una schiuma in misura del 20% volume circa. La maggiore turbolenza sul filtrato liquido in uscita dal filtro secondo questo esempio, rispetto all'esempio 1, ? stata raggiunta quindi attraverso una riduzione dell'open area dal 4% al 2%, a sua volta ottenuta con l'impiego di un disco 5 provvisto di fori pi? piccoli.

Esempio 4

Filtro con open area totale del 2%

La miscela solido/liquido dell'esempio di confronto ? filtrata sul filtro dell'invenzione preparato con un tessuto 7 in monofilo recante 20 fili/cm di diametro 200 micron, avente una mesh opening pari a 300 micron ed una open area del 35%, fissato per costampaggio sulla superficie di un supporto 5 avente forma discoidale con area di 615 mm<2 >e n. 24 fori con diametro 1,37 mm. Complessivamente l'open area totale del filtro dell'invenzione presenta un valore del 2%. Posta una face velocity di 0,00325 m/s, come calcolata secondo l'esempio 1, si avr? una velocit? di attraversamento della singola maglia 8 del tessuto 7 pari a 0,162 m/s, producendo cos? un indice di turbolenza del valore di 48,75 ed una schiuma in misura del 25% volume circa. Il filtro secondo questo esempio permette quindi di ottenere un indice di turbolenza maggiore rispetto a quello dell'esempio 3, pur a valore uguale di open area totale.

I risultati degli esempi precedenti sono raccolti nella tabella che segue:

All'invenzione, come sopra descritta ed illustrata nelle figure delle allegate tavole di disegni, ? possibile apportare delle modifiche per realizzare delle varianti, tuttavia comprese nell'ambito delle rivendicazioni che seguono.

Cos?, per esempio, il materiale di formazione del disco forato potrebbe essere un materiale plastico diverso da quelli sopra indicati, oppure anche un materiale metallico. Inoltre il numero di fori presenti sul disco potrebbe essere diminuito, allo scopo di diminuire in modo corrispondente il valore dell'Open Area del dispositivo. Il filtro dell'esempio 4 potrebbe inoltre essere modificato, diminuendo da 24 a 6 il numero dei fori sul disco e portando l'Open Area del filtro dal 2% allo 0,5%, con un incremento dell'indice di turbolenza da 48,75 a 195.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo per la formazione di turbolenze in un liquido da miscele solido/liquido, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un tessuto (7) disposto su almeno una faccia di almeno un supporto (5) di materiale rigido provvisto di fori passanti (6).

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere dei supporti rigidi (5) fissati su entrambe le facce del detto tessuto (7) con i loro fori (6) disposti reciprocamente allineati nella direzione trasversale del filtro.

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere il citato tessuto (7) disposto su entrambe le facce del detto supporto (5).

4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il citato almeno un tessuto (7) ? un tessuto monofilo con valore di mesh opening compreso tra 10 e 400 micron e con open area compresa tra 10 e 50%.

5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il citato almeno un tessuto (7) ? un tessuto di monofilo con da 10 a 250 fili/cm, diametro dei fili da 19 a 200 micron ed una mesh opening da 10 a 400 micron.

6. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il citato almeno un supporto (5) ? costituito da un disco di materiale rigido, recante dei fori passanti (6) aventi diametro compreso tra 0,5 e 6 mm.

7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di presentare una open area totale compresa tra 0,2 e 10%.

8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere un filtro per miscele solido/liquido avente una open area totale compresa tra 0,2 e 10%, formato da almeno un supporto (5a) recante dei fori (6a) aventi diametro compreso tra 0,5 e 6 mm, in combinazione con un tessuto (7a) avente delle maglie (8a) con mesh opening compresa tra 10 e 400 micron.

9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere un filtro avente una open area totale compresa tra 0,2 e 10%, formato da almeno un supporto (5b) recante dei fori (6b) aventi diametro compreso tra 0,5 e 6 mm, in combinazione con un tessuto (7b) avente delle maglie (8b) con mesh opening compresa tra 10 e 400 micron.

10. Dispositivo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere un filtro per miscele per la preparazione del caff? con formazione di schiuma sul filtrato, in cui il citato almeno un tessuto (7) presenta delle maglie (8) di trattenimento della fase solida contenuta nelle dette miscele.