JP2019535466A - 濾過システム - Google Patents

Abstract

【解決手段】第１および第２ボイラを含む飲料分配機で用いられる濾過システムが記述される。濾過システムは、当該システムを水源に接続するための入力流体ラインと、入力流体ラインに接続された第１フィルタモジュールと、第１フィルタモジュールに接続され、第１ボイラに流体を導くための第１流体出力ラインと、第２ボイラに流体を導くための第２流体出力ラインとをもつように構成された出力流体導管と、第２流体出力ラインに設置された第２フィルタモジュールとを含み、第２フィルタモジュールは、第１フィルタモジュールによって除去できないイオンを除去することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、飲料分配機用の濾過システムに関する。

２つの主要なシステムが、既存の自動化された豆からカップコーヒーを分配する機械において、湯と蒸気を生産するために使用されている。最初のタイプでは湯と蒸気が一つのボイラで作られる。第２のタイプでは飲料機は異なる機能を有する２つのボイラを含む。一方のボイラ（水ボイラ）はコーヒーを淹れる（またはカップにお湯を分配する）のに必要な湯を作るのに使われ、もう一方のボイラ（水蒸気ボイラ）はミルクを加熱しミルクの泡を作るのに必要な蒸気を作るために使われる。

これら２つのボイラシステムでは、コーヒーメーカは単一の濾過水供給で運転する傾向があり、必要に応じて濾過水を蒸気ボイラと水ボイラとの間で分割する。これらのマシンで使用できるカートリッジフィルタには、主に４つの種類がある。
−活性炭のみ（軟水または前処理水のために使用され、微粒子、有機物、例えば塩化物をろ過する）
−活性炭＋ミネラル添加（軟水または前処理水のために使用され、ユーザが飲料の味のプロファイルまたは導電性の理由でミネラル含有量を増やしたい場合のみ）。
−活性炭＋水素陰イオン交換（より硬い水用であり、ユーザが炭酸イオンの除去によって石灰かすの蓄積を減少させたいと望む場合）
−活性炭＋ナトリウム陽イオン交換（硬水または石膏水用であり、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンをタンク内で石灰／石膏として沈殿しないナトリウムイオンに交換することにより、ユーザが石灰かすまたは石膏の蓄積を減らすことを望む場合）

１リットル当たりの濾過コストは、使用される濾過の種類に強く依存する。カーボンのみのフィルタは１リットルあたりのコストが低く（現在は１リットルあたり０．１６ペンス）、水素フィルタは１リットルあたりのコストがミディアム（現在は１リットルあたり１．５ペンス）、ナトリウムフィルタは１リットルあたりのコストが高い（現在は１リットルあたり２．５ペンス。ミネラルを添加したカーボンフィルタも１リットルあたりのコストが高い。典型的な豆からカップコーヒーを作るマシンは、１日に約２０リットルの水を使用する（１日に５０カップの使用率に基づく）。

飲料分配機のコーヒー製造モジュールに入る水の化学組成は、フィルタに入る水の組成と、フィルタに入る水がコーヒー製造モジュールに入る前に組成が修正される際のフィルタの効果とによって決まる。しかしながら、コーヒーメーカ内の異なる水システムによって必要とされる好ましい水組成は様々である。そのため、単一濾過水システムの使用は、コーヒーを製造するために使用される水の要件とミルクのための蒸気を製造するために使用される水の要件の間の妥協をもたらす可能性がある。

コーヒーの抽出に使用される水は、コーヒーの正しい味と香りを作り出すために比較的高いミネラル含有量を必要とする。この水はシステム全体にわたって液体形態で保持されており、一般に９２℃〜９６℃の温度範囲にある。コーヒーを製造するために使用される水は同じ物理的状態でコーヒーボイラに出入りするので、ボイラ内のミネラルの濃度は大体定常状態にあり、流入水とフィルタの操作によって制御される。

ホットミルクおよびホットミルクフォーム（泡）の製造のための水蒸気を製造するために使用される水は、スチームタンク内での炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウム（石灰かす）および硫酸カルシウム（石膏）の形成を防ぐために、特にＣａ^２＋およびＭｇ^２＋陽イオン、ならびにＣＯ_３ ^２−およびＳＯ_４ ^２−陰イオンの存在に関して最小限のミネラル含有量を必要とする。タンク内の有害なミネラルの飽和レベルは温度の上昇とともに減少するため、スチームボイラが約１３５℃で作動すると、ミネラルが堆積する傾向はコーヒーボイラよりもスチームボイラの方が高くなる。

飲料分配機用の現在の給水システムでは、蒸気ボイラ内のミネラル含有量は、（ボイラ内の水が通常は毎日の清掃で交換される場合）ボイラのブローダウンサイクルの間に分配されるカップ数と共に増加する。これは、液相中の供給水がミネラルを含有しているのに対し、気相中の流出流体はミネラルをほとんど含有していないからである。これは、蒸気がコーヒーのために牛乳を加熱するために使用され、自動機械洗浄が行われるため、蒸気ボイラ中のミネラル含有量の経時的な増加をもたらす。ミネラル含有量が蒸気ボイラ内の閾値レベルを超えると、石灰かす（および石膏）が形成され、蒸気システムの性能を阻害し、システムを調整するために保守作業が必要になる。蒸気タンク内にかすが蓄積すると、蒸気温度プローブの故障、水位プローブの故障、ヒーターエレメントの有効性の低下、蒸気圧の減少に至るタンクの容積の減少、水充填チューブを通ってタンクに入る流量の減少、エネルギーコストの増加および／または飲料の冷却か不足を招く可能性がある。

石灰かすまたは石膏が蒸気タンク内に形成され始めると、通常の運転中にそれを除去することは不可能である。水素フィルタを使用した場合、フィルタを交換するとｐＨが下がり、かすが細かい粒子に分割され、下流のスチームコントロールバルブに留まる可能性がある。修復措置は、通常、高コストで問題の部品を交換するか、またはその場でかす除去プロセスを実行することで行われる。かす除去プロセスは、水性酸を使用してタンク内の石灰かすを溶解することを含む。取り外した部品は、設置から改修ルートを通って化学的にかすを除去することができる。しかしながら、かす除去を繰り返すと、タンク組立体の異なる部品を製造するのに使用される異種金属間の電解腐食のために、最終的にボイラ部品が廃棄されることにつながる。

特に硬水域または適度の硬水域の飲料水分配機で使用される現在の濾過システムは、コーヒーの品質、機械の信頼性、およびコストの間で妥協することになる。単一ナトリウムフィルタは、より悪いコーヒー品質を与えるが、より高いフィルタコストでより高い機械信頼性を与えるであろう。単一水素フィルタは、より良いコーヒー品質を与え、より低いフィルタコストでより低い機械信頼性を与えるであろう。

本発明は、２つのボイラ飲料分配機での使用に適した代替の濾過システムを提供する。

本発明の第１の態様によれば、第１および第２ボイラを含む飲料分配機で用いられる濾過システムが提供される。濾過システムは、当該システムを水源に接続するための入力流体ラインと、前記入力流体ラインに接続された第１フィルタモジュールと、前記第１フィルタモジュールに接続され、前記第１ボイラに流体を導くための第１流体出力ラインと、前記第２ボイラに流体を導くための第２流体出力ラインとをもつように構成された出力流体導管と、前記第２流体出力ラインに設置された第２フィルタモジュールとを含み、前記第２フィルタモジュールは、前記第１フィルタモジュールによって除去できないイオンを除去することができる。

前記第２フィルタモジュールは、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンを除去してもよい。

前記第１フィルタモジュールは、炭酸イオンを除去してもよい。

前記第１フィルタモジュールは、前記水の硬度を約４ＫＨにするように構成されてもよい。

前記第１フィルタモジュールは、活性炭フィルタおよび／または弱酸性陰イオン交換フィルタを含んでもよい。前記第１フィルタモジュールは、好ましくは活性炭および水素陰イオン交換フィルタを含む。前記第２フィルタモジュールは、ナトリウム陽イオン交換フィルタを含んでもよい。好ましくは前記第１フィルタモジュールは活性炭および水素陰イオン交換フィルタを含み、かつ、前記第２フィルタモジュールはナトリウム陽イオン交換フィルタを含む。

前記第１フィルタモジュールは、可変バイパスフィルタであってもよい。前記フィルタは当該システムに取り外し可能に搭載されてもよい。

本発明のさらなる態様は、上述の濾過システムを含む飲料分配機である。

前記飲料分配機は、分配されるべき水を加熱するための第１ボイラと、分配されるべき蒸気を生成するための第２ボイラと、コーヒー抽出器と、分配注ぎ口とを含み、前記濾過システムは、前記第１出力ラインによって前記第１ボイラに、前記第２出力ラインによって前記第２ボイラに接続されてもよい。

前記飲料分配機は、コーヒー挽き器およびミルク供給を保持するための容器をさらに含んでもよい。前記飲料分配機は、水供給のような付加的なモジュールを含んでもよい。

本発明の様々な実施形態を、単なる例として、以下の図面を参照しながら説明する。

２つのボイラシステムに接続された本発明の実施の形態に係る濾過システムのブロック図である。

本発明の濾過システムを使用して飲料分配機を操作することに含まれる工程を示す流れ図を示す。

単一フィルタ構成（黒丸）および分割フィルタ構成（黒菱形）を有する飲料機の蒸気ボイラ内の水伝導率のグラフである。

本発明に係る濾過システム１０は、図１に示されるように２つのボイラシステムに接続されている。水源（図示せず）に接続された水入口流体ライン１２は、主出力流体導管１６に接続されている第１フィルタモジュール１４に結合されている。主出力流体導管１６は、第１フィルタモジュールの出口に接続されており、第１流体出力ライン１８と第２出力流体ライン２０とに分割されている。弁（図示せず）は、主出力流体導管のＴ字形接続部において第１および第２出力流体ラインへの流れを制御する。

第１出力ラインは、第１フィルタモジュールから水ボイラ２２への直接の水流のための流路を提供するために水ボイラ２２に結合される。第２流体出力ライン２０は蒸気ボイラ２４に結合されて、第１フィルタモジュールから第２フィルタモジュール２６を介して蒸気ボイラ２４への水流のための流路を提供する。第２流体出力ライン２０は、フィルタ入力部２８とフィルタ出力部３０とを含む。第２フィルタモジュール２６は、入力部２８と出力部３０との間で、第２出口ライン２０の流路に取り付けられている。フィルタ入力部２８の端部は第２フィルタモジュールの入口に接続され、フィルタ出力部３０の一方の端部は第２フィルタモジュールの出口に接続され、フィルタ出力部の他方の端部は蒸気ボイラに接続される。

動作中、水は水源から水入口ライン１２を通って第１フィルタモジュール１４に流れる。第１フィルタモジュールは、微粒子、有機成分、炭酸イオンなどの成分を水から除去する。第１フィルタモジュールは、約４ＫＨの硬度を有する水流を供給する。第１フィルタモジュール１４を出る水流は、第１出力ライン１８に導かれる第１流れと第２流体出力ライン２０に導かれる第２流れの２つの水流に分割される。第１出力ライン１８に向けられた水は水ボイラ２２に直接流れ込む。第２出力ライン２０に向けられた水は、第２フィルタモジュール２６を通って流れ、次いで蒸気ボイラ２４に流れ込む。第２フィルタモジュールは、水からカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンなどの成分を除去する。

濾過システムへの１回の水の投入で、蒸気ボイラに入る水は、直列の２つの異なるフィルタモジュール、一次および二次フィルタを通過した。一方、水ボイラに入る水は濾過システムの１つのフィルタモジュール、一次フィルタを通過しただけである。これにより、異なるモジュールのそれぞれに入る水の組成をそれらの機能について最適化することが可能になる。

第１フィルタは第２フィルタモジュールとは異なるタイプである。異なる種類のフィルタによって、第２フィルタモジュールが、第１フィルタモジュールによって除去されなかった成分を水から除去することができることを意味する。例えば、第２フィルタモジュールはカルシウムやマグネシウムなどのイオンを除去するように構成され、第１フィルタモジュールはそのようなイオンを水流から実質的に除去しないように構成される。

フィルタモジュールは、必要に応じてフィルタ媒体を交換することができるように、濾過システムの流体ラインに取り外し可能に接続されるようにそれぞれの流路に取り付けられる。フィルタモジュールは、典型的には、フィルタ媒体を含む取外し可能フィルタカートリッジに接続された水入口ポートおよび出口ポートを含むフィルタヘッドを含む。フィルタモジュールの入口ポートは濾過システムの入力流体ラインに接続し、フィルタモジュールの出口ポートは出力流体導管に接続する。

当該システムで使用される一次フィルタの種類は、流入水の組成によって異なる。使用することができるフィルタには、活性炭および水素陰イオン交換フィルタを含む活性炭フィルタが含まれる。一次フィルタは、カルシウムやマグネシウムなどのイオンを除去するように構成されていないフィルタである。

低炭酸塩硬度のメイン供給源から水が供給されているため、または、水がその場所の水処理システムを通して処理されているために、流入水が軟水である（３ＫＨ炭酸塩硬度以下）場合、イオン交換のない活性炭フィルタを使用することができる。

流入水が硬水である（すなわち４〜３０ＫＨの間）が、一時的硬度が永久硬度より大きい場合、活性炭および水素陰イオン交換フィルタのような弱陰イオン交換フィルタを使用することができる。

使用することができる典型的な活性炭フィルタには、Ｂｒｉｔａ、ＢＷＴおよびＥｖｅｒｐｕｒｅ／Ｐｅｎｔａｉｒから一般に入手可能な炭酸イオンフィルタ、すなわちＢｒｉｔａ Ｐｕｒｉｔｙ、Ｂｒｉｔａ Ｑｕｅｌｌ、ＢＷＴ ＢｅｓｔｍａｘおよびＥｖｅｒｐｕｒｅ Ｃｌａｒｉｓの範囲のフィルタが含まれる。

第２出口ラインに設けられた二次フィルタは、ナトリウム陽イオン交換フィルタのようなカルシウムおよびマグネシウムのようなイオンを除去するフィルタである。ナトリウム陽イオン交換フィルタは、水中のカルシウムとマグネシウムをナトリウムイオンで置き換える。ナトリウムイオンは石灰石または石膏として沈殿せず、蒸気ボイラ内に石灰石および石膏が蓄積するのを防止する。ナトリウム陽イオン交換用の濾材を含むのと同様に、二次フィルタは活性炭濾材も含むことができる。そのようなフィルタは、Ｂｒｉｔａから入手することができ、例えばＢｒｉｔａ Ｐｕｒｉｔｙ Ｆｉｎｅｓｔの範囲のものである。

本発明のある実施の形態では、第１フィルタモジュールは可変バイパスフィルタである。第１フィルタモジュールは、流入水の硬度と蒸気ボイラが水垢を形成する傾向との間のバランスに応じて流入水の濾過度を調整する可変バイパス機能を含む。バイパス設定は、硬度が低い水の方が高く、フィルタの寿命が長くなる。固定バイパスヘッドを備えたフィルタモジュールもまた使用可能である。このようなバイパスフィルタは、Ｂｒｉｔａ、ＢＷＴ、およびＥｖｅｒｐｕｒｅ／Ｐｅｎｔａｉｒによって供給される。

可変バイパスフィルタが使用される場合、入力ラインからの全ての水がフィルタモジュールに入り、水流の一部が第１フィルタモジュールによって濾過される。入力水流の第１の部分が処理されるために濾材を通過し、水流の残りの部分がフィルタモジュール内の濾材を迂回し、フィルタモジュールを未処理のまま通過することにより、処理済みの水の流れと未処理の水の流れが供給される。処理済みの水の流れと未処理の水の流れは、フィルタモジュールを出る前に合流して主出口ラインに入る。

第２ナトリウムフィルタを通して蒸気ボイラ用の水を濾過することにより、蒸気ボイラシステムがより高い炭酸塩濃度に対してより耐性があるため、第１フィルタをバイパスを増加させて運転することが可能になる。これは一次フィルタの寿命を延ばすのに役立つ。

濾過システムは、例えばＷＯ２０１４／０７５８３３に記載されているように、自動飲料機、例えば、コーヒー、紅茶、チョコレートおよび他の飲料を含む、ホットおよびコールド飲料用の自動販売機のタイプと共に使用するためのものである。

コーヒーを販売するための自動飲料機は、濾過システム、２つのボイラによる水加熱システム、コーヒーを淹れるための抽出器、分配注ぎ口、コーヒー挽き器、およびミルクの供給を保持するための容器を含む、複数のモジュールを有する本体を含む。飲料機が飲料を製造するための水源用の内部給水を含んでもよく、あるいは濾過システムが外部水源、例えば水道水に接続することができる。２つのボイラシステムは、コーヒーを淹れるかカップ内に湯として分配するのに必要な湯を生成するためのボイラ、およびミルクを加熱してミルクフォーム（泡）を形成するのに必要な蒸気を発生するためのボイラを含む。

図２は、一杯のコーヒーを製造するための濾過システムを含む飲料機の操作に含まれる基本的な工程を示す。運転中、冷水は水源から入口流体ラインを通り、第１フィルタモジュールを通って流れ、約４ＫＨの硬度を有する水流を提供する。水は第１フィルタモジュールを出て、次に第１流体出力ラインと第２流体出力ラインの両方にそれらのそれぞれのボイラに向けて導かれる。

第１出力ラインに向けられた水は水ボイラに直接流れ込み、そこで水はコーヒーを淹れるため、または湯としてカップに分配するために加熱される。水ボイラでは、水は一般に９２℃から９６℃の温度範囲に維持される。水は、水ボイラからコーヒー抽出器モジュールに分配され、その後、ミルクと混合され、分配注ぎ口を介してカップに分配されてもよい。

第２出力ラインに向けられた水は、蒸気ボイラに流入する前に、水からカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンを除去するために、第２フィルタモジュールを通って流れる。蒸気ボイラはおよそ１２５℃〜１４５℃の温度に保たれる。蒸気は、蒸気供給導管を介して蒸気ボイラから分配されてミルクを加熱し、ミルクフォーム（泡）を生成する。その後、牛乳をコーヒーと混ぜ合わせてカップに入れることができる。

飲料分配機の濾過システムは分割（スプリット）フィルタ配置を使用する。これにより、２つのボイラ、すなわち飲料用の湯を製造するためのボイラシステムと水蒸気を製造するためのボイラシステムには、２つのフィルタ配置の使用を通して、それぞれの水加熱システムに対して個別に最適化された水が供給される。この分割濾過システムは同時にコーヒーの品質を向上させ、機械の信頼性を向上させ、濾過コストを削減する。

分割濾過配置によって、湯を供給してコーヒーを淹れるために使用される水ボイラシステムのボイラタンク用の炭酸塩フィルタまたは炭素フィルタを使用することが可能になるため、コーヒーの品質が向上する。さらに源水中のカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンをナトリウムイオンで置換した水を蒸気ボイラシステムの蒸気タンクが受け取ることができるため、機械の信頼性が向上する。

飲料分配機は、真鍮、ニッケルメッキ真鍮およびステンレス鋼などの金属およびそれらの合金から形成される構成要素を含んでもよい。

石灰かすおよび石膏の堆積が減少することにより、機械の部品の腐食につながる可能性がある水垢除去プロセスをその場で実行する必要性が減少する。これにより、本発明の濾過システムは、水が流れる金属部品がステンレス鋼のような単一の材料から製造されるのではなく、様々な異なる金属から製造される飲料分配機において特に有用となる。これにより、様々な材料を使用して、水が通過する機械の様々な金属構成要素を形成することが可能になる。

蒸気を発生させるまたは蒸気ボイラを洗浄するために使用されるシステムに入る水だけがより高価なナトリウム濾過を受けるため、濾過コストが低減される。飲料分配機用の典型的な濾過システムでは、濾過システムに入る水の２０％が時間の経過と共に蒸気ボイラに向けられ、濾過システムに入る水の約８０％が水ボイラに向けられる。ナトリウムフィルタの１リットル当たりのコストは１リットル当たり約２．５ペンスであり、水素フィルタは１リットル当たり約１．５ペンスであり、完全にナトリウムがフィルタされた濾過水の１リットル当たりのコストは、バイパスのない配置での分割フィルタ配置に対して約２０％低下し、１リットル当たり２ペンスになるだろう（１リットルあたり１．５ペンスで１００％、それにプラスして１リットルあたり２．５ペンスで２０％）。これはナトリウム交換フィルタのみを使用するシステムと比較して１リットル当たり０．５ペンスの節約をもたらす。

［例１］
二重ボイラ配置を含む飲料機を単一フィルタ配置および分割フィルタ配置で試験した。単一フィルタ配置は、Ｂｒｉｔａからの標準活性炭水素交換フィルタを３０％バイパスで使用した。分割フィルタ配置はさらにＢｒｉｔａからのナトリウム陽イオン交換フィルタを０％バイパスで使用した。流入水の硬度は１３ＫＨであった。

蒸気タンクの状態は、１日当たり１００カップのレビュラー１２オンス（３５４ｍｌ）カフェラテで２０日後に検査された。

誘導コイルヒータおよび飲料機の他の構成要素上の石灰かすの堆積は、単一フィルタ配置を有する飲料機上ではっきりと見えた。２０日間の使用後に蒸気タンクの質量の８ｇの増加が測定された。

分割コイル配置を有する飲料機では、誘導機コイルヒータおよび飲料機の他の構成要素上に石灰かすの蓄積は見られなかった。２０日間の使用後に蒸気タンクの質量の増加は観察されなかった。

［例２］
単一フィルタ構成および分割フィルタ構成を有する飲料機によって分配されたカフェラテの多数のカップ数にわたって蒸気ボイラ内の水の電気伝導率を測定した。その結果を図３のグラフに示す。

単一フィルタ配置を有する飲料機では、蒸気ボイラへの濾過水の添加によりボイラ中のミネラル含有量が増加するにつれて伝導率が増加した。その後、ボイラ内のミネラル含有量が安定した状態を維持するにつれて伝導率は安定した。さらなるミネラルが水垢の形成によって溶液から除去される。

分割フィルタ配置を使用する飲料機械では、ボイラ蒸気タンク内の水の伝導率は、分配されるカップ数にわたって一定のままであった。

Claims (12)

1. 第１および第２ボイラを含む飲料分配機で用いられる濾過システムであって、
   当該システムを水源に接続するための入力流体ラインと、
   前記入力流体ラインに接続された第１フィルタモジュールと、
   前記第１フィルタモジュールに接続され、前記第１ボイラに流体を導くための第１流体出力ラインと、前記第２ボイラに流体を導くための第２流体出力ラインとをもつように構成された出力流体導管と、
   前記第２流体出力ラインに設置された第２フィルタモジュールとを含み、
   前記第２フィルタモジュールは、前記第１フィルタモジュールによって除去できないイオンを除去することができる、濾過システム。
2. 前記第２フィルタモジュールは、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンを除去することができる、請求項１に記載の濾過システム。
3. 前記第１フィルタモジュールは、炭酸イオンを除去することができる、請求項１または２に記載の濾過システム。
4. 前記第１フィルタモジュールは、前記水の硬度を約４ＫＨにするように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の濾過システム。
5. 前記第１フィルタモジュールは、活性炭フィルタおよび／または弱酸性陰イオン交換フィルタを含む、請求項１から４のいずれかに記載の濾過システム。
6. 前記第１フィルタモジュールは、活性炭および水素陰イオン交換フィルタを含む、請求項１から５のいずれかに記載の濾過システム。
7. 前記第２フィルタモジュールは、ナトリウム陽イオン交換フィルタを含む、請求項１から６のいずれかに記載の濾過システム。
8. 前記第１フィルタモジュールは、可変バイパスフィルタである、請求項１から７のいずれかに記載の濾過システム。
9. 前記フィルタは当該システムに取り外し可能に搭載される、請求項１から８のいずれかに記載の濾過システム。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の濾過システムを含む飲料分配機。
11. 分配されるべき水を加熱するための第１ボイラと、分配されるべき蒸気を生成するための第２ボイラと、コーヒー抽出器と、分配注ぎ口とを含み、前記濾過システムは、前記第１出力ラインによって前記第１ボイラに、前記第２出力ラインによって前記第２ボイラに接続される、請求項１０に記載の飲料分配機。
12. コーヒー挽き器およびミルク供給を保持するための容器をさらに含む、請求項１０または１１に記載の飲料分配機。