JP2022519418A

JP2022519418A - コーヒー焙煎機用温度制御式排流れ水フィルター

Info

Publication number: JP2022519418A
Application number: JP2021526751A
Authority: JP
Inventors: トゥバーゲン，レン; クレイスト，ロナルド，ジー．
Original assignee: Vortx Kleanair Systems
Current assignee: Vortx Kleanair Systems
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: WO2020112951A1; US11623174B2; CN113438982A; AU2019386093A1; EP3887056A1; EP3887056A4; CN113438982B; JP7289157B2; US20220032226A1; CA3119591A1

Abstract

【構成】内部スペースの境界を定め、上部に排出入り口および排出出口を備えた煙突を有する垂直配向処理塔と、この排出入り口を介して前記処理塔の前記内部スペースに流体連絡し、前記内部スペースに流入する排出流れ内にサイクロン流体運動を誘導する構成の排出入り口流れ用導管と、冷却水源と、前記処理塔の内壁部周囲に設けられ、前記冷却水源に流体連絡し、冷却水を前記内部スペースに噴霧するとともに、前記内部スペースに導入された排出流れに噴霧して、揮発性の有機化合物および有機酸を冷却、凝縮かつ沈降させ、前記排出流れから粒状物質を同伴および除去する複数のノズルと、を有するサイクロン式冷却/分離装置である。【選択図】図１

Description

本発明は全体として排ガス処理装置、具体的には湿式スクラバー、より具体的にはコーヒー焙煎機を対象としたサイクロン式冷却/分離装置（ｃｙｃｌｏｎｉｃｃｈｉｌｌｅｒ－ｓｅｐａｒａｔｏｒ）としての煤煙、ＶＯＣ凝縮/沈殿、排出用濾過システムに関する。これは粉塵（ダスト）/煤煙回収システムに結合して、ガス状排流れから油分蒸気および固形粒子の両者を分離する油分蒸気回収システムとしても特徴づけることができる。

米国では４０００以上のコーヒーロースター(焙煎機)が出回っており、コーヒー専門店も３０，０００以上あり、その多くは小型のバッチ式焙煎機（ロースター）である。これら小型の焙煎機は例えばバッチ容量当たり２５ポンドのバッチ式焙煎機などの容量の小さい焙煎機を利用するものである。対照的に市販の商業用連続式焙煎機の場合、その容量は４トン/時を超えるものがある。すべての焙煎処理では、大気汚染物質排出が生じる。これら排出物質には（１）主にコーヒーチャフ（Ｃｏｆｆｅｅｃｈａｆｆ）からなる粒状物質、（２）凝縮性の揮発有機化合物（ＶＯＣ）、（３）有機酸、および（４）ＣＯやＣＯ_２などの燃料燃焼副生物などがあり、後者の２種類のガスは、焙煎機が一般にガス燃焼式システムである事実に大きく依存して発生するものである。加えて、コーヒー焙煎時には、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）などの悪臭化合物、およびアクロレイン、アセトアルデヒドやホルムアルデヒドなどの毒性化合物が発生する。コーヒー生産のさいにはいくつかの他の運転操作からも排出物が出るが、焙煎処理が気体汚染の主要源である。焙煎施設の隣人からは煙および臭いについて苦情（無理もないことだが）が出ることが多い。

コーヒーの焙煎から生じる大気汚染排出物の問題は十分意味のあるもので、ＥＰＡ規制における全国レベル（ＥＰＡＡＰ４２、第５版、第１巻、第９章：ＦｏｏｄａｎｄＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、第１３．２章、コーヒー焙煎）や地方自治体規制（焙煎機から発生する煙や臭いに関するカリフォルニア州の多数の大気品質地区における）の両者における排出基準および排出規制の発出に結びついている。多くの基準および規制によれば、すべてのＶＯＣおよび危険な汚染物質の少なくとも９５～９９％を分解する必要がある。また、カリフォルニア州の地区ルールＡＰ－４２によれば、最大容量が１１ポンド（５ｋｇ）以上のコーヒー焙煎機の場合一般に許可を受ける必要がある。コーヒー処理および焙煎を行う際の装置や処理プロセスでは、一日当たり１０ポンド以上の粒状物質（ＰＭ１０）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）を発生する場合、認可を受ける申請を行って利用可能な最善の制御技術（ＢＡＣＴ）を適用する必要がある。きわめて大型の施設を除いて、コーヒーロースターの場合一般的にＢＡＣＴ要件を満足する必要はないが、その必要が出てきた場合には、大気品質管理制御当局が厳格なガイドラインを発出する。

即ち、コストのかかる微小物質を防止する点からだけでなく、環境の責任のある管理を行う点からも、また近隣の居住者から“良き隣人”であるとの認識を得る点からも、コーヒー焙煎機および家庭用/商業用コーヒー焙煎機の製造者は以下の多くの方法で規制スキームに従っている。即ち、（１）問題を無視し、煩瑣な規制から逃れることを希望することによって、そして（２）ランプなどの電源を使用することによって排出物をクリーンな状態に保持した状態で焙煎を行うシステム（即ちＮＯｘやＣＯ_２は少ないが、煤煙、臭いやＶＯＣはほとんど抑えない）を製造しかつ使用することによって規制スキームに従っている。このより責任のある選択肢の場合、高温空気ではなく赤外線加熱を使用する焙煎機を製造するなどの多数の方法によって実現することができるが、これは比較的最近のことであり、依然としてまれな解決策であり、コストのかかる技術的な解決策である。特に大型の焙煎機についてより一般的な汚染緩和はアフターバーナーによって排出物を燃焼することによって行っている。より大型の焙煎施設では、触媒によるか、あるいは再生的な熱酸化剤を利用することもあり、一例を挙げると、排出ガスを焙煎機に戻し、これを焙煎温度まで再度加熱する。そうはいっても、これらアプローチそれぞれは熱を使用して、排出物を焼却するため、かなりのエネルギー消費量を必要とする。

大気汚染は古くからある厄介な問題であり、大気汚染を抑制する技術は、その重要性はいささかも減じするものではないが、成熟した技術である。長い間、多くの種類の、例えば湿式スクラバーやサイクロン式湿式スクラバーを始めとする排出ガスクリーナーを使用して工業用排気煙突を原因とする大気汚染を緩和することが知られている。以下に、例示的な特許文献を示す。なお、これら特許文献は必ずしも適切な文献とは言えず、また利用できる対応する文献の一部以上の何かを構成するものではない。

Ｓａｎｇａを発明者とする米国特許３，８３５，７９６号には、焼却炉から水平に延在する精製ダクトを有する焼却機用排気ガスクリーナーが開示されている。この精製ダクトは排気煙が流れる方向に水を噴霧する内部噴霧ノズル、および水を上向きにかつ下向きに噴霧する内部噴霧ノズルを備えた垂直ダクトを有する。垂直クリーナーダクトの上部分はバッフル精製装置を備え、垂直精製ダクトの下には排水タンクがある。

Ｆａｔｔｉｎｇｅｒを発明者とする米国特許４，２５１，２３６号には、ガス状や固形状の形で汚染物質を含有する工業用炉の排ガスを精製する処理方法および処理装置が開示されている。これら排ガスは蒸発冷却器で処理されてから、乾式精製装置で処理され、最終的に洗浄液によってスクラバーによって処理される。蒸発冷却器内の排ガスの温度は露点より高く維持され、スクラバー内の洗浄液はスラリー分離装置を介して循環し、そこから汚染物質の懸濁液または溶液がスラッジ分離装置から引き出され、蒸発冷却装置に送られ、冷却装置の混合スペース内で高温の排ガスと混合される。

Ｃｏｘを発明者とする米国特許５，０１７，２０３号には、ジグザグな経路になる湿式スクラバーが開示されている。この経路内で、汚染ガスとスクラビング液との接触がスクラビング液を回転しているプロペラーに射出し、スクラビング液を噴霧することによって生じる。スクラビング液を有する空気をガス流れに対して平行に設けた密接し、可撓性を示す振動シート間に通すことによってスクラビング液を有する空気内に乱流を発生することによって汚染ガスの精製度を高める。

Ｊｏｎｓｓｏｎを発明者とする米国特許５，０７６，８１８号には、排ガス流れから粒状物、窒素および硫黄の酸化物やその他の大気汚染物質を分離除去するシステムが記述されている。このシステムは、順次動作する予冷、スクラビング、中和、クリーニング用のサブシステムを備える。装置は空気精製車輪列を備え、ガス排出点に向かって進む車輪列を介して通過する空気に水が遠心作用によって連続的に流れる。

Ｌｉｕなどを発明者とする米国特許５，１７６，７２３号には、燃焼燃料ガスやディーゼル排出物などのガス流れから粒子を除去するシステムが開示されている。ガス流れを処理して、微細粒子を短い残留時間でガス流れ導管内で凝固させ、例えば水を注入するなどして低温でガス流れを飽和させる。次に、粒子を含有するガスの飽和流れを粒子成長室に送り、ここで上記をガスに注入し、ガス流れ内において粒子を過飽和状態にし、粒子周囲で凝縮する水によって粒子をほぼ１μまで成長させた後、通常の粒状物質除去装置によって除去する。

Ｌｉｊｉａなどを発明者とする米国特許５，１７８，６５３号には、複数のスクラビングタワー内で複数の異なるガス流れを処理する湿式スクラバーが教示されている。スクラビングされたガスがいくつかのシリンダーからなるサイクロン式の均一液滴分離装置内で液滴分離を受ける。

Ｒｅｎｅｇａｒなどを発明者とする米国特許５，２１６，８９８号には、加熱された冷却室内に空気噴霧用スプレーノズルを備え、各スプレーノズルを冷却水源に接続した噴霧用水ノズル装置が記述されている。外側導管内の内側導管がスプレーノズルと圧縮空気源とを相互に接続する。外側導管に流れる水がこれと内側導管の両者を冷却する。スプレーノズルが発生する円錐形のスプレーパターンが冷却室内に円形の配列を構成する。

Ｋｉｍ名で出願された米国特許出願公開公報Ｎｏ．２０１６/０２４３４８７には、コーヒー焙煎機から排出された排ガスからダストを分離するサイクロン式ダスト回収装置が開示されている。このダスト回収装置は水スプレーを使用し、ダスト回収装置の本体内の他のスプレーノズルに水を噴霧するようにノズルを配列することによってノズルが詰まることを防止している。水は、下向きに傾斜し、ガスがダスト回収装置の本体内に流入できる入り口内の側部にそって流れる。

以上の特許文献から、湿式サイクロン式スクラバーが公知であることが認められる。さらに、コーヒー焙煎時に発生するＰＭおよびＶＯＣを抑制するために使用する湿式サイクロン式スクラバーも、Ｋｉｍの‘４８７などから公知である。なお、Ｋｉｍ‘４８７やその他の特許文献は本発明者が認識している現状技術を反映しているが、いずれも排ガスからＶＯＣを沈降分離した状態で、排ガス温度を注意深く制御し、これをエネルギー効率の高いウィンドー内に維持し、ＰＭを最適に吸収する噴霧用サイクロン式冷却/分離装置を教示するものではない。即ち、これら特許文献を参照して議論を展開した意図は、本発明特許請求の範囲に適切と考えられる情報を開示する本出願人の認識している誠実な義務を遂行する際に役立つものにすることにある。以上の特許文献はいずれも単独で考慮した場合にも、あるいは複数組み合わせて考慮した場合でも、ここに開示する本発明を開示、教示、示唆、呈示あるいは自明にするものではない。

本発明は、コーヒー焙煎処理からの排出物を抑制および/または除去する際に使用するのが特に好適であるが、より一般的には本発明システムはレストラン、醸造所/蒸留所、食品処理プラント、肥料処理業者/製造業者、養鶏処理業者、肉化製場、ゴミ焼却プラント、プラスチック工業、コンピュータ製造プラント、畜産産業、化学工業や粒状副生物および悪臭副生物を発生するその他の産業や製造産業から出る排出物を処理するために使用できる。

本発明のサイクロン式冷却/分離装置はガス状廃棄物流れから有害な煤煙およびＶＯＣを凝縮しかつ沈降させる手段を提供するものである。これは、高温のガス状排出流れの温度降下（低下）を厳格に制御することによって実現できる。

本発明システムはサイクロンのエネルギーに加えて噴霧水の力を利用して、排出空気から粒状物質および凝縮性有機化合物を凝縮、沈降させ、かつ除去し、これによって脱臭を行い、目に見える煤煙を８０％まで減じる。原則的に、処理塔内の上部室に水を導入し、排出空気が最初に流入した時点での蒸発および冷却を最大化する。

本発明の目的および作用効果は、水を再循環させ、日々の保守を最小減に抑えることである。

本発明の別な目的および作用効果は、本発明システムが入来する焙煎空気を１５０°Ｆ未満の温度まで冷却することで焙煎火のリスクを大幅に低下し、この結果として排気管およびサイクロンを清浄状態に保ち、かつ潜在的に燃焼しやすい堆積付着物のない状態に保つことである。

本発明のさらに別な目的および作用効果は、運転員が負傷する恐れを抑えることである。運転時に本発明システムに導入される噴霧化水粒子によって冷却状態を保つため、排気管およびサイクロンに触れても単に温く感じるだけである。

本発明システムのさらに別な目的および作用効果は、サイクロン周囲に断熱複壁Ａ級の煙突管や、あるいは安全装置（ｇｕａｒｄ）を設置する必要がないことである。

本発明システムのさらに別な目的および作用効果は、任意のコーヒー焙煎機に使用でき、かつ既に存在しているサイクロンの後に設置できることである。

本発明のさらに別な（最後ではない）目的および作用効果は、排気管およびサイクロンを清浄な状態に保ち、焙煎機の空気流を部分的に、あるいは完全にブロックする可能性のある堆積付着物のない状態を保つことができるため、焙煎機の最適な空気流れを維持できることでコーヒー焙煎プロセスの制御を改善でき、他の方法によって発生する背圧の問題を抑制できることである。

以上の説明から、本発明システムはコーヒー焙煎時の排出流れを冷却し、この排出流れからＶＯＣを沈降させるだけでなく、ＰＭを取り込むことができる方法を包摂することを理解できるはずである。

本発明システムの場合、温度制御を行って、空気流を阻害することなく十分な冷却を行い、従って圧力降下を最小限に抑制することができる。

本発明システムは、システムの各端部（入力端部および出力端部）に送風機（ｂｌｏｗｅｒ）を備えることができ、空気流れ全体の圧力降下を確実に最小限に抑えることができる。

運転時、本発明はサイクロン式冷却/分離装置における煤煙と水との接触効率を改善できるため、渦巻き出口から出てくる汚染物質をより効率よく取りこむことができる。試験が示すように、本システムによれば煤煙、悪臭を抑えることができ、ほぼすべてのチャフ、粉塵(ダスト)、油分を除去できる。化石燃料を消費しないため、温室効果ガスを発生することもなく、また化石燃料に付随するＮＯｘまたはＶＯＣを発生することもない。これは、一般のコーヒー焙煎施設のスペース要件内に収まるコンパクトなデザインで実現できる。

上記の要約は、本発明のより重要な特徴を広く記述するもので、以下に続く詳細な説明の理解を容易にするものであり、本発明が寄与するものをより良く理解できるはずである。本発明の付随する特徴については、本願の特許請求の範囲に記載する要旨を構成する本発明の好ましい実施態様の詳細な説明に記載する。

なお、本開示の好ましい実施態様を詳細に説明する前に、本開示は以下の記載において記述する構成など、あるいは添付図面に図示する構成などに制限を受けるものではないことを指摘しておく。ここに開示する本発明装置は、他の実施態様でも、あるいは各種の方法でも実施可能である。

米国特許３，８３５，７９６号米国特許４，２５１，２３６号米国特許５，０１７，２０３号米国特許５，０７６，８１８号米国特許５，１７６，７２３号米国特許５，１７８，６５３号米国特許５，２１６，８９８号米国特許出願公開公報Ｎｏ．２０１６/０２４３４８７

以下の詳細な説明を参照すれば、本発明の上記以外の目的などが明らかになるはずである。以下、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の温度制御型サイクロン式水冷却/分離装置を示す上部斜視図である。図２は、本発明装置の正面の立面図である。図３は、図４の断面線３－３にそって作図した正面横断面の立面図である。図４は、フィルターバケットを取り外した状態にある本発明装置の上部平面図である。

同じ参照符号は同じ構成成分を示す図１～図４を参照して説明すると、参照符号１０はコーヒー焙煎システムからの排ガス流れ用の新規かつ改良型の洗浄装置（ｃｌｅａｎｅｒ）を示す。

構造的特徴
図１～図４に本発明に係る排ガス流れの温度制御式サイクロン式の水冷却/分離装置（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｅｘｈａｕｓｔｓｔｒｅａｍｃｙｃｌｏｎｉｃｗａｔｅｒｃｈｉｌｌｅｒ－ｓｅｐａｒａｔｏｒ）１０の一実施態様を示す。この装置は垂直に配向した処理室即ち処理塔１２を備え、この処理室即ち処理塔は上部の円筒形部分１４、下部の円筒形部分１８で終端する中位または中間の円錐形部分１６、上部円筒形部分の上にある蓋２０、およびこの蓋内に設けられる煙突２２、かつ送風機（ｆａｎａｎｄｂｌｏｗｅｒ）２４（図示されていないが理解できる）を備えることができる。この送風機２４はその出口２６に動作時に連結されているか、あるいは内部に組み込まれている。また、送風機２４は短い煙突に対して適度な自然通気効果または自然煙突効果を補強し、処理塔から排ガス流れを上向きに引き出し、煙道ガスを直接大気中に吐き出す。入力送風機が空気を焙煎機から押し出すか、あるいは引き出し、次にこの空気をサイクロンに押し込むため、一定の陽圧によって空気を移動させる。一つの実施態様では、送風機（ｆａｎ）はサイクロン上の任意の場所に設けることができ、焙煎機を介して空気をサイクロン式冷却/分離装置内に一定の状態で引き込むことができる。

処理塔の内部スペース３０に流体連絡する排ガス流れ導管２８は、送風機（ｂｌｏｗｅｒ）３２と流体連絡し、この送風機がコーヒー焙煎機からの排ガス流れを処理塔内に押し進める。排ガス流れ導管２８は処理塔１２には対して下向きに約５°の角度を付けてあるため、凝縮した水が処理塔に戻ることになる。処理塔それ自体は、ブレース（ｂｒａｃｅ）３６を用いて処理塔に結合した垂直支持体３４に直立位置において固定する。以下のいずれかの構成を採用する。一基の送風機２４を２つの送風機２４、３２を用いてシステムの（排出）端部に設け、後者をシステムの前端部（排ガス入力端部）に設ける。これら送風機（ｂｌｏｗｅｒ/ｆａｎｓ）については、圧力低下がほとんど生じないように構成してあるため、排気塔の端部にある一基の送風機（ｂｌｏｗｅｒ）を使用して、焙煎処理プロセス全体に空気を送り込む場合に限り、焙煎処理プロセスに対する潜在的な悪影響を最小限に抑えるか、あるいは完全に排除することができる。システムについては、排ガス入り口２８からサイクロンを介して最後の排ガス出口２６に至るまでクリーンな状態にあるため、送風機（ｂｌｏｗｅｒ）は屋根か壁部にある焙煎室の外側に設置でき、騒音が少なく、また空気路全体にそって陰圧を維持できる。なお、熱送風機（ｔｈｅｒｍａｌｂｌｏｗｅｒ/ｆａｎ）は焙煎機の内部に常に存在する送風機（ｂｌｏｗｅｒ/ｆａｎ）に対して選択的に使用する部材であり、あるいは焙煎排気の移動の単独源としての部材である。要約すると、焙煎機は単独の入り口送風機（ｆａｎ）３２を備え、これによって空気をサイクロンに押し進めるか、あるいは焙煎機は出口側煙突の排ガス出口２６に単独の出口送風機（ｆａｎ）２４を備えて空気の流れの単独源となることができる。

処理塔の下部円筒形部分１８の開放端部３８の直下には、溜めます（ｃａｔｃｈｂａｓｉｎ）４０を設け、ここに処理塔からの水および溶液形態の汚染物質を回収し、排水シュート４２（堰および放水路）を介してこれらを水用びん４４に排出する。この溜めますは溜めます用支持体４０´を使用する垂直支持体上に支持する。

水用びん（フィルターバスケット）４４は２つのフィルター、即ち排水から微小な粒子をこし取って、ノズルの目詰まりを防止する第１微細フィルターおよびチャフをこし取って、システム運転員が断続的にこれを処理するための第２のより粗いフィルターを備える。これについては図示していないが、公知である。

水用びん（フィルターバスケット）４４は大きな粒子状のチャフを取り込み、回収する多孔性の小さいメッシュスクリーンおよび膜フィルターだけでなく、処理水からＶＯＣを除去する吸着フィルター（活性炭など）を備える。これらについては図示しないが、公知である。下部円筒形部分が溜めますとして作用し、堰４９を備え、この堰は流水ＣＷまたはＣＣＷを放水路の方に方向を変更する構成のパネルである。換言すると、サイクロンが誘導する流れ方向に配向する。即ち、サイクロンおよび溜めますにおける流体流れの方向は同じである。別な実施態様では、サイクロンおよび溜めます内の流体流れは反対方向にある。即ち、上から見た場合、サイクロン内の流体流れはＣＣＷであり、溜めますの流体流れはＣＷであり、逆も成立する。

次に、処理塔について説明すると、水が噴出する複数の進入路を有し、噴霧水を処理塔内部に導入するようにノズルを配設する。離間している水噴射ノズル４６については、まず処理塔の上部円筒形部分１４の周囲に設ける。これらノズルは流体ライン４８を介して水源に流体連絡する。次に、複数の等間隔の噴射ノズル５０は流体ライン５２が構成する蓋２０の下にこれを貫通して設けるため、排ガス入り口２８から処理塔に最初に流入してくる排ガス流れを湿潤化する。水については再循環流体ライン５４から流体ラインを介して最初に導入する。この流体ラインは好ましくは溜めます４０の真下にあるポンプ５６を介して、また流体ライン５２を介して湿潤化システムに処理水を戻す。別な噴射ノズルを処理塔内の多数の位置のいずれかに設けることができる。例えば下部円筒形部分１８内のノズル５５に設けることができる。このノズルは異なる種類のノズルであり、異なる目的で使用するノズルである。即ち、溜めます４０内の一つかそれ以上のノズルを使用して、溜めます内に円形の水流（例えば渦流）を生成し、これを維持することができる。この渦流は水およびチャフを排出シュートの方向に押し出すため、チャフを溜めますから取り出し、フィルターバケットに取り込むことが容易になる。ノズル４６および５０については同じ型式のノズルであることが好ましいが、ノズル５５には異なる型式のノズルを使用している。水の噴霧化が目的ではなく、噴出水を強制的に推進して、渦流を誘導するのが目的であるからである。この時点における渦流を発生する別な目的もあり、粒状物質が溜めますの底部に沈降することを防ぐ目的である。

広範囲に行った試験から、水を噴出するノズルの場合、自己洗浄のために相互に向ける必要はないことが判った。むしろ、ノズル開口は、排ガス流れから油分を直ちに除去できるため、目詰まりは起こりがたい。ノズル開口および水出力については、水の高度な噴霧化に特化している。このため、廃空気流れの混入油分の気化点未満への冷却が速く生じる。

システム制御は手動制御でよく、単にオン/オフ操作を行えばよい。ただし、システムはＰＬＣ、好ましくはユーザーインターフェースか、あるいはシステム内の複数のセンサーに電子的に連絡するＰＩＤ制御装置６０を備える。これらセンサーは（１）排ガス入り口２８における温度センサー６２、（２）処理塔の下部円筒形部分１８における温度センサー６４、および（３）煙突２４内の温度センサー６６である。ＰＩＤ制御装置は専用の独立型制御装置でもよく、あるいはサーバーに接続し、ＩｏＴ機能を与えるオンサイトやオフサイトのネットワークに有線または無線連絡６８していればよい。これ以上の説明は、運転効率、自動化や処理、製造、生産における保守を最適化するためにＩｏＴ産業界では常識である以上記述する必要はないと考えられる。

以下により詳しく説明するように、制御システムはシステム内のいくつかの点で排気温度をモニターし、ノズルにおける水出力を調節し、排気入り口の高い出力温度から排気温度をほぼ１２０°Ｆまでに急速に下げるために十分な水滴の有効なクラウド７０を形成する。より小さな液滴を蒸発する場合、空気および混入粒状物質を放出することなく、これらを急冷するためには、水の容量と水滴の大きさとの間に有効な関係を維持することが重要である。

運転機能
運転時、本発明はいくつかの点で従来技術よりもすぐれた作用効果をもつ。本システムは水が噴出した状態のサイクロン渦流を利用するが、この第１目的は粒状物質を結合し、油分を凝縮させ、遠心力によって空気からこれらを分離することである。この場合、システムの性能は水滴の大きさの結果であり、また排空気に含まれる粒状物質とどのように相互作用するかの結果である。粒状物質が気化して水粒子に結合した状態で、サイクロンの渦度（ｃｙｃｌｏｎｅｖｏｒｔｉｃｉｔｙ）によって排ガス粒状物質が付着した水/油分粒子を別な焙煎処理副生物であるチャフとともに分離する。

システムの同期は、排空気温度を確実に有効に下げることを目的としている。これは、十分に大きな容量の水を水の蒸発が迅速な冷却を引き起こす速度でかつスペース内に導入することによって実現できる。一つの実施態様では、これはきわめて微細な噴霧を行うノズルを使用すると実現できる。水粒子が小さくなる程、表面/スペース比によって加熱が容易になり、蒸発が迅速化する。ノズルの噴霧パターンは処理塔のスペースに合わせることができるため、蒸発効果および洗浄効果が強化されることになる。

一つの実施態様では、本発明システムは入力端部および出力端部に送風機を備える。このように、コーヒー焙煎機からの排ガスは、焙煎機の出力煙道ガス、処理済み煤煙および臭いがシステムの煙突の出力端部から“押し出される”時に、あるいはその直後に、送風機（ｂｌｏｗｅｒ）を介して処理ステムの入り口に“押し込まれる”。この結果、焙煎機を出る空気流が強くなり、システムの排気塔の終端にある送風機に流れる処理済み空気の速度が加速する。この運転スキームでは、コーヒー焙煎機に外部チャフサイクロンを設ける必要が潜在的になくなる。本発明の処理システムが焙煎プロセルから出る副生物チャフの回収領域になるからである。

他の実施態様では、出口用送風機（ｂｌｏｗｅｒ）のみを使用して、空気をシステムに押し込み、送風機（ｆａｎ）を比較的清潔な空気流れのみに押し付け、これによって送風機（ｆａｎ）を高温で汚い入力空気流れ内に挿入することによって生じる保守の需要を抑制できる。

本発明のサイクロン式冷却/分離装置は粒状物質の密度差を利用することによって動作する。排蒸気については、排ガス流れから融合する点まで冷却する結果、密度が高くなる。次に、排気に対する有機化合物密度を高くし、サイクロンが誘導する遠心運動によって有機化合物を分離する。

当分野に知識をもつ当業者ならば理解できるように、焙煎処理から出る排ガスの成分構成はきわめて複雑であり、少なくとも４０種類の異なる有機化合物が煤煙を構成する。たとえそうであっても、化合物の気化比熱は臨界的ではない。これら化合物は少量ではあるが排気を含有し、排気の全容積をシステムが冷却するからである。このように、排気流れの冷却は噴霧ノズルから出てくる噴霧化水粒子の量および質に依拠するものである。キーとなるファクターは高温の排気に接触する水粒子の表面積である。水滴が小さくなるほど、水の量に対する表面積が広くなり、必要な水量が減少する。水滴が大きい場合には、より多くの水が必要になる。つまり、精巧な噴霧化は有利である。なお、液滴サイズを測定することは重要ではない。唯一のバランスは、１２０°Ｆまで冷却するために必要な、この液滴サイズでの十分な水量である。即ち、必要な冷却を実施するために空気温度をモニターし、かつ水出力を制御することが、基本的なフィードバックループであり、冷却については、有機化合物がサイクロンによって分離可能な液体に融合することを十分担保する冷却であることが必要である。他のファクター（水容量、液滴サイズ、水温など）も制御することができるが、いずれも基本的な空気温度ファクターの二次的な要素に過ぎない。これら他のファクターはいずれも目的の温度を実現するために変更できる。

本発明の排気処理システムは、従来のサイクロンと比較した場合、水を加えて素早く粒状物を湿潤化し、加重することによって、粒状物質をサイクロンの側部に投げつけ、サンプ（ｓｕｍｐ、水だめ）に流し落とす際のサイクロン効果を強め、これによって排気からより効率的に粒状物質（チャフ、ちり、灰）を押し出すことができる。さらに、本システムは、サイクロン内部において遠心力が（ＶＯＣなどの）油分を側部に押し出す時期よりもかなり早く空気を１２０°Ｆ未満に迅速に冷却することによって油分を蒸気状態から液体状態に変化させ、これによって排気から油分を押し出す。システムから出る煤煙を抑制するために、空気温度を１２０°Ｆ未満に抑える必要があり、こうするとＶＯｘ蒸気が融合し、密度が増し、渦流のサイクロン作用によって分離できる。流れ内の複数の離散的な点から温度データを獲得し、かつこれに応答する制御装置を使用して制御する。いくつかの実施態様では、ＰＩＤ制御装置を使用することができる。また、単純なアラームを使用しても、排ガス温度が予め設定された閾値、例えば１２０°Ｆを超えたことを示す必要なアラートを発することができる。いくつかの実施態様では、排システムの近くに設けたＶＯＣセンサーを利用して、焙煎機や地元当局が利用するデータを集めてもよい。

第１測定点で、温度センサー６２がシステムに対する入り口空気を測定するため、システムに対する入力排空気をモニターできる。第１位置のデータポイントを得ると、焙煎プロセスの他の段階における温度に関する評価値が改善する。入力排ガス温度がほぼ３５０°Ｆを超えることは珍しいことではない。

センサー６４によって第２ポイントの温度を測定する。この第２ポイントでは、入力温度のいかんに関係なく、排気温度を１２０°Ｆまで下げる必要があり、液体および固体がシステムから分離する時間を稼ぐ。なお、本システムを試験したところ、サイクロン上部で取った測定値は決まって１００°Ｆ未満であった。再循環水が壁部を空気の温度より低く冷却し、排気温度の不正確な測定値を与えることを考慮するならば、温度は自由な空気流れ内で測定すべきで、システムの壁部で測定してはならない。

第３の温度測定値については、センサーまたはプローブ６６を使用して、第３の点で取ることができる。この第３測定値が、第２点における測定値が正しいことを証明し、冷却全体に関する要約になる。この点における温度も１２０°Ｆ未満でなければならない。

温度データについては、温度センサーに接続した、あるいは無線連絡するかのいずれかである制御システムに送る。この制御システムは水循環システムおよび/または水再循環システムからの水出力を制御する。この制御は２つの異なる方法で実施できる。第１の実施態様では、容量過大のポンプをサーボモーターによって制御する可変弁（ゲート弁か、あるいはボール弁のいずれか）によって調節する。温度が高くなった場合には、弁を開け、そして弁全体の圧力低下を抑制することによって水を追加する。第２の実施態様では、制御ループが、測定された温度に依拠してポンプ出力を調節する可変出力ポンプにデータを供給する。温度が高くなると、ポンプ出力が高くなり、温度低下を適切に維持する。いずれの制御システムも、焙煎プロセスがどのように変化しているかの、またこの情報を如何に使用して水制御システムにバイアスをかけるかの指標として入来する空気を使用する。

以上の説明および図面に示した図示例から本発明の好ましい実施態様を十分かつ完全に理解できるはずであるが、これら実施態様は本発明を図示しかつ説明してきた正確な構成、寸法関係および運転操作に制限するものではない。当業者ならば、各種の応用、代替可能な構成、変更や等価構成などが本発明の真の精神および範囲から逸脱せずに適宜実施できるはずである。このような応用などは代替可能な構成部材、構造的配列、サイズ、形状、形態、機能、運転操作上の特徴などを包含する。従って、上記の説明および図示例は本発明の範囲を制限するものではない。

１０水冷却／分離装置
１２処理室／処理塔
１４上部の円筒形部分
１６中間の円錐形部分
１８下部の円筒形部分
２０蓋
２２煙突
２４送風機
２６出口
２８排ガス流れ導管
３０内部スペース
３２送風機
３４垂直支持体
３６ブレース
３８開放端部
４０溜めます
４０´ 溜めます用支持体
４２排水シュート
４４水用びん
４６水噴射ノズル
４８流体ライン
４９堰
５０ノズル
５２流体ライン
５４再循環流体ライン
５５ノズル
５６ポンプ
６０ＰＩＤ制御装置
６２温度センサー
６４温度センサー
６６温度センサー
６８無線連絡
７０クラウド

Claims

内部スペースの境界を定め、上部に排出入り口および排出出口を備えた煙突を有する垂直配向処理塔と、
この排出入り口を介して前記処理塔の前記内部スペースと流体連絡し、前記内部スペースに流入する排出流れ内にサイクロン流体運動を誘導する構成の排出入り口流れ用導管と、
冷却水源と、
前記処理塔の内壁部周囲に設けられ、前記冷却水源に流体連絡し、冷却水を前記内部スペースに噴霧するとともに、前記内部スペースに導入された排出流れに噴霧して、揮発性の有機化合物および有機酸を冷却、凝縮かつ沈降させ、前記排出流れから粒状物質を除去する複数のノズルと、
を有することを特徴とするサイクロン式冷却/分離装置。
前記垂直配向処理塔が上部円筒形部分、およびこの上部円筒形部分の下に位置し、これと一体化した円錐形部分を有する請求項１に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記複数のノズルが水噴霧器を有する請求項２に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記円錐部分の下にあり、かつ開放した下端部を有する下部円筒形部分を有し、この円筒形部分を前記上部円筒形部分と前記下部円筒形部分との間に設け、この円筒形部分が中位の円錐形部分を有する請求項１に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記処理塔の前記下部円筒形部分の前記の開放した下端部直下にあって、水および取り込まれた溶液状の凝縮汚染物質を回収し、放出シュートを介してこれらを水用びんに放出する溜めますを有する請求項４に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記放出シュートが堰および放水路を有する請求項５に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記上部円筒形部分の下に設けた水墳流装置を有し、排出流れのサイクロン運動を促進し、かつ持続させる請求項５に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記水墳流装置を前記下部円筒形部分内に設けるとともに、前記溜めます内の水の円形流れを誘導するように構成した請求項７に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
さらに、前記水用びん内にフィルターを有するとともに、放出水を前記処理塔内に循環してこれに戻す水再循環システムを有する請求項７に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記処理塔がさらに前記上部円筒形部分の上に設けた蓋部材を有するとともに、この蓋部材内に通した煙突を有する請求項４に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記排出流れ導管が前記円筒形上部の前記内部スペースに流体連絡する請求項１０に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
さらに、前記入り口導管を介して加熱システムから排出流れを引き出し、この排出流れを前記処理塔に押し込む送風機（ｂｌｏｗｅｒ）を有する請求項１１に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
さらに、前記入り口導管を介して加熱システムから排出流れを引き出し、この排出流れを前記処理塔に押し込む送風機（ｂｌｏｗｅｒ）を有する請求項１のサイクロン式冷却/分離装置。
前記排出入り口流れ導管が前記処理塔に対して下向き角度を有する請求項１に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記排出入り口流れ導管の前記下向き角度をほぼ５度に設定し、凝縮水を前記処理塔内の前記排出流れ導管に戻す請求項１４に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
排出空気の移動を少なくとも一つの送風機（ｂｌｏｗｅｒ）によって加速する請求項１に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記の少なくとも一つの送風機が前記排出流れ導管に設けた単独の送風機である請求項１６に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記の少なくとも一つの送風機が前記処理塔の排出端部に設けた単独の送風機である請求項１７に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記の少なくとも一つの送風機が２つの送風機であり、第１送風機を前記処理塔の排出煙突に設けるとともに、第２送風機を前記処理塔の排出入り口に設け、この第１送風機が前記排出入り口端部から前記排出煙突に前記排出流れの空気路の全体にそって陰圧を発生する請求項１８に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記第１送風機および第２送風機が圧力低下を最小限に抑制し、前記処理塔前の加熱プロセスに悪影響を与えないように構成した請求項１９に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記排出煙筒上の前記単独の送風機が工業用加熱システムからの空気に流体連絡し、このシステムが前記処理塔内に排出空気を放出し、これによって前記処理塔および前記加熱システムに空気を押し出す請求項２０に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
さらに前記処理塔の前記下部円筒形部分の前記の開放下部端部の直下に設けた溜めますを有し、これによって水および取り込まれて凝縮された溶液状の汚染物質を回収するとともに、放出シュートを介して水用びんにこれらを放出する請求項１に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
さらにシステム制御装置に電子的に連絡する前記処理塔に設けたシステム制御装置および複数のセンサーを有し、これらセンサーが前記排出入り口における温度センサー、前記処理塔の前記下部円筒形部分における温度センサー、および前記煙突における温度センサーを有する請求項２２に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記制御装置がオンサイトまたはオフサイトネットワーク接続サーバーに電子的に連絡し、ＩｏＴ機能を与えるＰＩＤ制御装置である請求項２３に記載のサイクロン式冷却/分離装置。
前記システム制御装置が前記冷却/分離装置内のいくつかの点で排出空気温度をモニターし、前記ノズルにおける水出力を調節し、前記排出空気入り口における高い入力温度から排出空気温度をほぼ１２０°Ｆまで急速に下げるために十分な水滴の有効なクラウドを発生する請求項２３に記載のサイクロン式冷却/分離装置。