Každý VOLUTE™ je kroužkový šnekolis. Ne každý kroužkový šnekolis je VOLUTE™.
Každý dnes fungující kroužkový šnekový lis – pevné kroužky, pohyblivé kroužky a pomaloběžný šnek – má svůj původ v jedné japonské patentové přihlášce, kterou podala společnost AMCON v únoru 1992. Tato stránka dokumentuje, jak byl tento mechanismus vyvinut, proč byl potřeba a kde je původní vynález zaznamenán.
Vynálezce
Masaaki Sasaki, zakladatel společnosti AMCON
Prioritní dokument
JP H5-228695 (1992)
Evropský patent
EP 0 581 965 B1 (1996)
Obr. 4, EP 0 581 965 B1 – průřez separačním prvkem. Pevné kroužky (6), pohyblivé kroužky (30), šnek (31), mikromezera g, drážka pro odvod filtrátu (34).
70. léta
Problém
Pásové zahušťovače, oplachová voda a ucpávání: stav techniky před vznikem VOLUTE™
Společnost AMCON nezačínala jako výrobce strojů. Byla založena v roce 1974 jako servisní společnost, která prováděla údržbu septiků a malých čistíren odpadních vod v japonských bytových komplexech. Tekutý kal z těchto lokálních nádrží se musel odvážet do centrálních čistíren. Zahuštění kalu před transportem byl logický způsob, jak snížit objem i náklady – avšak tehdejší zahušťovače a odvodňovací lisy byly neúnosně drahé a složité na provoz v takto malém měřítku.
Dominantním principem separace byla filtrační tkanina: kal se načerpá na propustný pás, voda proteče, nerozpustné látky zůstanou. Slabinou tohoto řešení je samotná konstrukce. Jemné pevné částice postupně ucpávají (zanášejí) tkaninu, takže pás musí být nepřetržitě čištěn tlakovou vodou. Důsledky zná každý operátor této generace zařízení: obrovská spotřeba mycí vody, systémy ostřikovacích trysek, předimenzované pásy pro dosažení kapacity, častá výměna tkaniny – a téměř naprosté selhání u olejnatých kalů, které tkaninu bezpečně zalepí.
Protože zaměstnanci AMCONu tato zařízení denně udržovali, společnost tyto poruchy znala z první ruky. V roce 1982 postavila svůj první vlastní stroj – kompaktní pásový zahušťovač. Vyřešil problém velikosti a ceny, ale zdědil veškerá omezení. Ponaučení z tohoto stroje určilo směr pro vše, co následovalo: zcela eliminovat filtrační pás.
Nakládání s kalem v septicích bytových komplexů, 70. léta. Tekutý kal se odvážel; snižování jeho objemu bylo zásadní pro ekonomiku celého procesu nakládání s kaly.
První vlastní stroj (1982): pásový zahušťovač s filtrační tkaninou. Kompaktní a cenově dostupný, ale náchylný k ucpávání a náročný na spotřebu oplachové vody.
1991 →
První VOLUTE™
Hřebenový šnekový lis: funkční stroj s problémem opotřebení
Hřebenový lis VOLUTE™ (patent 1990, uvedení na trh v dubnu 1991): vrstvený kroužkový filtr s čisticími čepelemi zasahujícími do mezer.
Zátěž koncentrovaná na tenké čisticí čepele způsobovala jejich lámání.
Výzkum a vývoj se znovu rozběhl kolem principu šnekového lisu: žádný pás, nízké otáčky, minimální spotřeba energie. Otevřenou otázkou bylo, jak zabránit ucpávání filtračního prvku bez použití tlakové vody. První odpovědí bylo mechanické stírání. Válcový filtr byl sestaven z poskládaných kroužků s úzkými mezerami a každý závit šneku nesl tenké čisticí čepele (připomínající hřeben), které zasahovaly do mezer a zatlačovaly pronikající pevné částice zpět do šnekového kanálu.
Stroj fungoval, byl patentován v roce 1990 a vstoupil na trh v dubnu 1991 pod názvem VOLUTE™ – z latinského voluta (spirála). Objednávky rostly. S nimi však rostlo i opakující se hlášení z provozu: čepele se lámaly po pouhých několika stech hodinách provozu při plném zatížení.
Vlastní patentové přihlášky společnosti jsou ohledně příčiny velmi upřímné. Čepele musely být vyrobeny tenké a s vysokou přesností, aby správně zapadly do mezery každého kroužku; stejná geometrie koncentrovala zátěž ze stírání na nejslabší místo. Každá čepel musela být navíc na hřídel namontována s vysokou přesností, což zvyšovalo náklady. Opotřebení, lámání a časté výměna lamel byly nedílnou součástí tohoto konceptu, nikoliv jen výrobní vadou. Byl zapotřebí jiný princip samočištění – takový, který nebude mít žádnou specifickou čisticí součástku podléhající opotřebení.
1992
Vynález
Pohyblivé kroužky: samočisticí mechanismus, který definoval kroužkový lis jak ho známe dnes
Rozhodující myšlenka nevznikla u rýsovacího prkna. Při jízdě příměstským vlakem sledoval Masaaki Sasaki řadu madel kymácejících se podle pohybu vozu a položil si otázku, zda by samotné pohyblivé kroužky mohly udržet filtr čistý – žádné čepele, žádný ostřik. Pokud by byl válcový filtr postaven ze střídajících se pevných kroužků a volně uchycených pohyblivých kroužků, přičemž samotný šnek by jimi pohyboval, mezery ve filtru by se nepřetržitě čistily samotným chodem stroje.Prototyp tento princip potvrdil a 21. února 1992 podal AMCON patentovou přihlášku na „zařízení pro separaci pevných látek a kapalin“ – kroužkový šnekový lis. Mechanismus stojí za přesný popis, protože zůstává v principu nezměněn v každém vyrobeném stroji VOLUTE™ dodnes:
Pevné kroužky (6)
Skládané v axiálním směru, oddělené přesnými podložkami a stažené stahovacími šrouby do jednoho pevného válce. Šířka mezery mezi kroužky: G.
Pohyblivé kroužky (30)
Umístěné po jednom v každé mezeře, o tloušťce T < G. Rozdíl definuje mikromezeru g na každé straně – např. G = 6 mm, T = 5 mm dává g = 0,5 mm. Kroužek je uchycen, ale může se volně radiálně pohybovat a rotovat.
Šnek (31)
Běží uvnitř sady kroužků a axiálně posouvá kal. Vnitřní průměr pohyblivého kroužku D₅ je menší než vnější průměr šneku D₄, takže každý kroužek sedí na závitu šneku v jednom kontaktním bodě P.
Samočištění
Tření v bodě P vtahuje každý pohyblivý kroužek do excentrické rotace kolem osy šneku, přičemž kroužek radiálně klouže se zdvihem D₄ − D₅ na jednu otáčku. Relativní pohyb ploch kroužků nepřetržitě vytlačuje pevné látky z mikromezer.
Cesta filtrátu
Voda odtéká gravitací přes mikromezery; obvodová vodicí drážka (34) na každém pohyblivém kroužku svádí filtrát vytékající v horní části válce směrem dolů, čímž zabraňuje jeho zpětnému vniknutí do šnekového kanálu.
Konstrukční důsledky zaznamenané již v přihlášce z roku 1992: kroužky a rozpěrky mohou být silné (zajištění mechanické pevnosti), zatímco mezera g zůstává malá. Průměry kroužků 500–1000 mm jsou reálné; komponenty mohou být z polymerního materiálu (plastu), kovu nebo keramiky; montáž a demontáž je jednoduchá, protože žádný díl do sebe nezapadá s mikrometrickou přesností.
Obr. 6, EP 0 581 965 B1 – jedna otáčka šneku, stavy (a)–(d).
Pohyblivý kroužek (30) rotuje kolem vlastní osy X₂ a současně radiálně klouže vzhledem k ose šneku X₁; kontaktní bod P se pohybuje po obvodu.
Obr. 1–12
Z přihlášky
Co přihláška z roku 1992 již obsahovala
Původní přihláška je pozoruhodně komplexní. Nepopisuje jen jeden stroj, ale celý mechanismus, který AMCON a později jeho imitátoři obsadili na další tři desetiletí:
Obr. 1, EP 0 581 965 B1 – podélný řez kompletním odvodňovacím válcem: přítok (2), separační prvek (5), výstup filtrátu (4), výstup pevných látek (3), převodový motor (17).
特開平5-228695, str. 8 – posloupnost pohybu kroužku, nakloněná uspořádání (obr. 7–8), šnek ze segmentových lamel (obr. 9–10) a dvouválcový stroj (obr. 12) v původní japonské publikaci.
Režim zahušťování
Horizontální uspořádání: flokulovaný kal o vlhkosti 99–98,5 % na vstupu, zahuštěný kal 97–95 % na výstupu – gravitační odvodňování přes mikromezery, dostatečně šetrné k zachování vloček (přítok přepadem, ne volným pádem).
Režim odvodňování
Stejný prvek nakloněný o 45–90°: kalový sloupec vyplní šnekový kanál, vnitřní tlak stoupá směrem k výtlačnému konci a voda je vytlačována skrz mezery – vlhkost kalového koláče klesne pod 85 % z jednoho stroje, čímž odpadá nutnost dřívějšího dvoufázového uspořádání zahušťovač + lis.
Režim česlí
Skloněné uspořádání pro jednoduché odstraňování hrubých nečistot z neflokulovaných odpadních vod (zpracování potravin, masa, hotelové kuchyně).
Šnek ze segmentových lamel
Šnek sestavený z jednotlivých lamelových dílů na spirálovém jádru, posunutých o 1–5°, vytvářejících stupňovité mikrovýstupky, které zvyšují tření vůči pevným látkám; snižování úhlu přesazení směrem k výstupu zvyšuje vnitřní tlak a sušinu koláče.
Vícehřídelové (válcové) stroje
Několik separačních prvků v jednom tělese s jedním pohonem – koncept škálování kapacity dodnes používaný ve velkých jednotkách VOLUTE™; dnes má však každý válec svůj vlastní pohon.
Aplikace
Kromě komunálního čistírenského kalu byl – a je – mechanismus aplikovatelný na téměř jakýkoli typ průmyslového kalu.
Záznam
Primární zdroje
Dokumenty: Kde je vynález zaznamenán
Originální kroužkový šnekový lis VOLUTE™ se opírá o japonskou patentovou přihlášku z 21. února 1992, která byla mezinárodně rozšířena prostřednictvím smlouvy PCT a v Evropě byl patent udělen v roce 1996. Oba dokumenty uvádějí jako přihlašovatele společnost AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio) a jako vynálezce zakladatele této společnosti.
Publikace
特開平5-228695 (JP H5-228695 A)
Přihláška
特願平4-69996 · podáno 21.02.1992
Zveřejněno
07.09.1993
Přihlašovatel
アムコン株式会社 (AMCON INC.), Meguro-ku, Tokyo
Vynálezce
佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)
Mezinárodní patentové třídění
B30B 9/14 · B01D 29/17, 29/25, 29/37 · C02F 11/12
Podáno
18.02.1993 · PCT/JP93/00199 (WO 93/16867)
Priorita
21.02.1992 · JP 69996/92
Uděleno
28.08.1996 · Věstník 1996/35
Státy
DE · FR · GB
Majitel patentu
Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo
Patentový nárok 1
Stacionární kroužky + rotační šnek, vyznačující se plovoucími kroužky v mezerách s vnitřním průměrem menším, než je vnější průměr šneku
Charakterizující část nároku 1 – pohyblivé kroužky s D₅ < D₄ – je právní definicí kroužkového principu. Každý novější kroužkový lis, bez ohledu na to, jakou značku nese na krytu, implementuje mechanismus, který zde byl poprvé zveřejněn.
1991→
Kontinuita
Tři desetiletí stejného principu, neustále vyvíjeného jeho vynálezcem
Kroužkový mechanismus odstranil ze šnekového lisu poslední spotřební materiál: žádná tkanina, která by se mohla ucpat, žádná čepel, která by mohla prasknout, žádná ostřikovací lišta, kterou je nutné napájet. Umožnil bezobslužný provoz a otevřel dveře typům kalů (olejnaté, mastné, z potravinářského průmyslu), se kterými si pásové stroje s filtrační tkaninou nedokázaly poradit. Společnost AMCON tento mechanismus jako původní výrobce (OEM) od té doby bez přerušení vyrábí a neustále vylepšuje.
Obrovský evoluční skok nastal v roce 2021, kdy AMCON uvedl na trh VOLUTE DUO, zcela nový typ lisu, který díky svému bezkontaktnímu designu posunul užitnou hodnotu odvodňovacích lisů na zcela novou úroveň, zejména z hlediska nákladů na údržbu.
Praxe
Jeden princip, mnoho druhů kalů
Praxe: Jeden princip, mnoho druhů kalů
Kroužkový lis není fixní, ale konfigurovatelné zařízení. Mechanismus – pevné kroužky, pohyblivé kroužky, pomaloběžný šnek – je neměnný, ale samotný kal není jednotný materiál: obsah sušiny, obsah vláken, olejů a tuků, velikost částic a pevnost vloček se u různých zdrojů výrazně liší. Klasický šnekový lis VOLUTE™ (na rozdíl od pozdějšího VOLUTE DUO™) je proto konstruován tak, aby se přizpůsobil vstupnímu materiálu, a neprodává se jako jedna univerzální jednotka. Pro každou aplikaci se nastavuje několik parametrů, aniž by se měnil základní princip:
Geometrie šneku
Stoupání závitu, úhel přesazení segmentů a profil šneku nastavují rychlost posuvu a nárůst vnitřního tlaku ve válci.
Dimenzování mezer mezi kroužky
Nastavují se mikromezery mezi kroužky v jednotlivých sekcích odvodňovacího válce. Často se nastavuje odlišně pro zahušťovací zónu (vstup) a odvodňovací zónu (výstup) u stejného válce, čímž se po délce stroje vyvažuje rychlost filtrace vůči požadované sušině koláče.
Výběr pohonu
Výkon motoru, převodovka a rychlost otáčení určují propustnost (kapacitu) a dobu zdržení kalu v lisu. Nižší otáčky zvyšují koncentraci (sušinu), vyšší otáčky zvyšují kapacitu lisu.
Protože se tyto parametry nastavují na míru aplikaci, může být jeden fyzický lis vyladěn pro širokou škálu typů kalů bez nutnosti předělávat celý mechanismus stroje. Spolehlivost tohoto ladění nevyplývá jen z pouhé geometrie, ale z empirického mapování charakteristik kalu na správnou konfiguraci – jaký šnek, jaké mezery, jaký pohon pro daný kal. AMCON jako původní výrobce toto know-how shromažďoval několik desetiletí napříč mnoha odvětvími a aplikuje je při specifikaci každé jednotky.
Zde leží praktický rozdíl mezi původním tvůrcem a pozdějšími kopiemi mechanismu. Výrobci kopií obvykle nabízejí jednu fixní konfiguraci a nasazují ji plošně, bez ohledu na druh kalu. Tam, kde se kal odchyluje od podmínek, pro které je tato jediná konfigurace vhodná, je výsledkem nedostatečné odvodnění kalu nebo úplné selhání stroje – často za nižší pořizovací cenu, která činila kopii zpočátku atraktivní.
Každý VOLUTE™ je kroužkový šnekolis. Ne každý kroužkový šnekolis je ovšem VOLUTE™ – originál vyrábí pouze AMCON.
