Oprindelsen af VOLUTE™-multiskive-skruepressen

Enhver VOLUTE™ er en multiskive-skruepresse. Ikke enhver multiskive-skruepresse er en VOLUTE™

Enhver multiskive-skruepresse i drift i dag — faste ringe, bevægelige ringe og en langsomt roterende snegl — kan spores tilbage til én japansk patentansøgning indleveret af AMCON i februar 1992. Denne side dokumenterer, hvordan mekanismen blev udviklet, hvorfor der var behov for den, og hvor den oprindelige opfindelse er registreret.

Opfinder
Masaaki Sasaki, grundlægger af AMCON

Prioritetsdokument
JP H5-228695 (1992)

Europæisk udstedelse
EP 0 581 965 B1 (1996)

Fig. 4, EP 0 581 965 B1 — tværsnit af afvandingscylinderen. Faste ringe (6), bevægelige ringe (30), snegl (31), mikrospalte g, væskelederille (34).

1970’erne

Problemet

Filterduge, spulevand og tilstopning: det tekniske niveau før VOLUTE™

AMCON begyndte ikke som maskinbygger. Virksomheden blev grundlagt i 1974 som et vedligeholdelsesfirma, der servicerede septiktanke og mindre renseanlæg ved japanske boligkomplekser. Flydende slam fra disse lokale tanke skulle transporteres til centrale renseanlæg, og slamindtykning før transport var den oplagte måde at reducere volumen og omkostninger på — men datidens slamindtykkere og afvandingspresser var uoverkommeligt dyre og vanskelige at installere i den skala.

Det dominerende separationsprincip var filterdugen: Slam fødes ind på et permeabelt bånd, vand dræner igennem, og tørstoffet bliver tilbage. Svagheden er strukturel. Fine partikler blokerer gradvist dugen, så båndet konstant skal renses med højtryks-spulevand. Konsekvenserne er velkendte for enhver operatør af den generation af udstyr: stort forbrug af spulevand, dyserørssystemer, overdimensionerede bånd for at opnå den nødvendige kapacitet, hyppig udskiftning af dugen — og næsten totalt svigt ved fedt- og olieholdigt slam, som blokerer en dug irreversibelt.

Fordi AMCON’s medarbejdere vedligeholdt dette udstyr dagligt, kendte virksomheden disse fejltilstande på første hånd. I 1982 byggede den sin første egne maskine — en kompakt filterdugs-slamindtykker. Den løste størrelses- og prisproblemet, men arvede alle selve dugens begrænsninger. Erfaringen herfra satte retningen for alt, hvad der fulgte: Fjern filterdugen fuldstændigt.

Arkiv, AMCON Inc. — slamhåndtering ved septiktanke i boligkomplekser, 1970’erne. Flydende slam blev kørt væk i tankbiler; volumenreduktion var den økonomiske flaskehals.

Arkiv, AMCON Inc. — den første egenudviklede maskine (1982): en filterdugs-slamindtykker. Kompakt og prisbillig, men plaget af tilstoppede duge og behov for spulevand.

1991 →

Første VOLUTE™

Kamblad-skruepressen: en velfungerende maskine med et slidproblem

Arkiv, AMCON Inc. — kamblads-VOLUTE™ (patent 1990, markedslancering april 1991): lagdelt ringfilter med indgribende renseblade.

Arkiv, AMCON Inc. — fejltilstanden: Belastning koncentreret på de tynde renseblade forårsagede brud efter få hundrede driftstimer.

F&U startede forfra omkring princippet med en skruepresse: ingen dug, lavt omdrejningstal, minimalt energibehov. Det åbne spørgsmål var, hvordan man kunne holde afvandingscylinderen fri for tilstopning uden spulevand. Det første svar var mekanisk afskrabning. En cylindrisk filterenhed blev samlet af stablede ringe med smalle spalter, og hver sneglevinding bar tynde kamlignende renseblade, der rakte ind i spalterne og skubbede indtrængende tørstof tilbage i sneglekanalen.

Maskinen fungerede, blev patenteret i 1990 og kom på markedet i april 1991 under navnet VOLUTE™ — fra det latinske voluta, en spiral. Ordreindgangen voksede. Det samme gjorde en tilbagevendende tilbagemelding fra driften: Bladene knækkede efter blot få hundrede timers drift ved fuld belastning.

Virksomhedens egne patentansøgninger er ærlige omkring årsagen. Bladene måtte fremstilles tynde og med høj præcision for at gå korrekt ind i hver ringspalte; den samme geometri koncentrerede skrabebelastningen på det svageste punkt. Hvert blad skulle desuden monteres på akslen med høj nøjagtighed, hvilket drev omkostningerne i vejret. Slid, brud og hyppig udskiftning af bladene var en iboende del af konceptet, ikke en fabrikationsfejl. Der var brug for en anden tilstopningsfri selvrensende mekanisme — en uden dedikerede rensedele, der kunne slides op.

1992

Opfindelsen

Bevægelige ringe: den tilstopningsfrie selvrensende mekanisme, der definerede multiskive-skruepressen

Den afgørende idé opstod ikke ved tegnebrættet. På vej i et pendler-tog betragtede grundlægger Masaaki Sasaki rækken af håndstropper, der svingede i takt med vognens bevægelser, og spurgte sig selv, om ringe, der bevæger sig, kunne holde et filter rent af sig selv — uden blade, uden spuling. Hvis det cylindriske filter blev opbygget af skiftevis faste ringe og løst indlejrede bevægelige ringe, hvor selve sneglen drev de bevægelige ringe, ville filterspalterne blive renset kontinuerligt af maskinens egen drift. En prototype bekræftede princippet, og den 21. februar 1992 indleverede AMCON patentansøgningen for “apparatet til faststof-væske-separation” — multiskive-skruepressen. Mekanismen er værd at beskrive præcist, fordi den i princippet er uændret i enhver VOLUTE™-maskine fremstillet siden da:

Faste ringe (6)

Stablet i aksial retning, adskilt af afstandsskiver og spændt sammen med trækstænger til én stiv afvandingscylinder. Spaltebredde mellem ringe: G.

Bevægelige ringe (30)

Én i hver spalte, med tykkelsen T < G. Forskellen definerer en mikrospalte g på hver sideflade — f.eks. giver G = 6 mm, T = 5 mm et g = 0,5 mm. Ringen er indlejret, men kan frit forskydes radialt og rotere.

Snegl (31)

Løber inde i ringpakken og transporterer slammet aksialt. Den bevægelige rings indvendige diameter D₅ er mindre end sneglens udvendige diameter D₄, så hver ring hviler på sneglevindingen i ét enkelt kontaktpunkt P.

Tilstopningsfri selvrensende mekanisme

Friktionen i P trækker hver bevægelig ring ind i en excentrisk rotation omkring snegleakslen, idet den glider radialt med en vandring på D₄ − D₅ pr. omdrejning. Den relative bevægelse mellem ringenes sideflader presser kontinuerligt tørstof ud af mikrospalterne.

Filtratvej

Vand dræner ved tyngdekraften gennem mikrospalterne; en omløbende lederille (34) på hver bevægelig ring leder filtrat, der trænger ud øverst i ringpakken, nedad og forhindrer, at det løber tilbage i sneglekanalen.

Konstruktionsmæssige fordele, der allerede blev fremhævet i ansøgningen fra 1992: Ringe og afstandsskiver kan laves tykke (mekanisk styrke), mens g forbliver lille; ringdiametre på 500–1.000 mm er mulige; komponenter kan være af plast, metal eller keramik; montering og demontering er enkel, fordi ingen dele skal gribe ind i hinanden med bladpræcision.

Fig. 6, EP 0 581 965 B1 — én snegleomdrejning, tilstand (a)–(d).

Den bevægelige ring (30) roterer om sin egen akse X₂, mens den glider radialt i forhold til snegleakslen X₁; kontaktpunktet P vandrer rundt langs omkredsen.

Fig. 1–12

Fra ansøgningen

Hvad ansøgningen fra 1992 allerede indeholdt

Den oprindelige ansøgning er bemærkelsesværdigt komplet. Den beskriver ikke blot én enkelt maskine, men hele det designrum, som AMCON og senere virksomhedens efterlignere skulle udfylde i de næste tre årtier:

Fig. 1, EP 0 581 965 B1 — længdesnit af den komplette separator: indløb (2), afvandingscylinder (5), filtratudløb (4), slamudløb (3), gearmotor (17).

特開平5-228695, s. 8 — sekvens for ringbevægelse, skråtstillede opstillinger (Fig. 7–8), snegl med vingesegmenter (Fig. 9–10) og den dobbeltakslede maskine (Fig. 12) i den oprindelige japanske offentliggørelse.

Slamindtykning

Horisontal opstilling: flokkuleret slam med et vandindhold på 99–98,5 % ind, indtykket slam med 97–95 % ud — gravimetrisk dræning gennem mikrospalterne, skånsom nok til at bevare flokkene (indløb via overløb, ikke frit fald).

Slamafvanding

Den samme afvandingscylinder skråtstillet 45–90°: Slamsøjlen fylder sneglekanalen, det indre tryk stiger mod slamudløbet, og vandet presses ud gennem spalterne — slamkage med under 85 % vandindhold fra én enkelt maskine, som erstatter det tidligere totrins-anlæg med slamindtykker + presse.

Si-funktion

Nedadskrånende opstilling til simpel udskillelse af grove urenheder fra uflokkuleret spildevand (fødevareforarbejdning, kødindustri, storkøkkener).

Snegl med vingesegmenter

En snegl samlet af individuelle vingesegmenter på en spiralkam, forskudt 1–5° i forhold til hinanden, hvilket danner trinvise mikrofremspring, der øger friktionen mod tørstoffet; en reduktion af forskydningsvinklen frem mod slamudløbet øger det indre tryk og tørstofindholdet i slamkagen.

Flerakslede (flercylindrede) maskiner

Flere afvandingscylindre i ét kabinet, koblet via gear til ét enkelt drev — konceptet for kapacitetsskalering, der stadig anvendes i store VOLUTE™-enheder; i dag har hver af afvandingscylindrene dog sit eget drev.

Anvendelsesområder

Ud over kommunalt blandet slam var — og er — mekanismen anvendelig til næsten enhver type industrielt slam.

Dokumentation

Primærkilder

Dokumenterne: hvor opfindelsen er registreret

Prioriteten for multiskive-skruepressen hviler på den japanske ansøgning af 21. februar 1992, videreført internationalt via PCT og udstedt i Europa i 1996. Begge dokumenter angiver AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo) som ansøger og virksomhedens grundlægger som opfinder.

固液分離装置 — Apparat til faststof-væske-separation

Offentliggørelse

特開平5-228695 (JP H5-228695 A)

Ansøgning

特願平4-69996 · indleveret 21.02.1992

Offentliggjort

07.09.1993

Ansøger

アムコン株式会社 (AMCON INC.), Meguro-ku, Tokyo

Opfinder

佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)

Int. Cl.

B30B 9/14 · B01D 29/17, 29/25, 29/37 · C02F 11/12

EP 0 581 965 B1 — Apparat til faststof-væske-separation

Indleveret

18.02.1993 · PCT/JP93/00199 (WO 93/16867)

Prioritet

21.02.1992 · JP 69996/92

Udstedt

28.08.1996 · Bulletin 1996/35

Lande

DE · FR · GB

Patenthaver

Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo

Krav 1

Faste ringe + roterbar snegl, kendetegnet ved bevægelige ringe i spalterne med en indvendig diameter, der er mindre end sneglens udvendige diameter

Den kendetegnende del af krav 1 — bevægelige ringe med D₅ < D₄ — er den juridiske definition af multiskive-princippet. Enhver senere multiskive-skruepresse, uanset hvilket varemærke der står på kabinettet, anvender den mekanisme, der første gang blev beskrevet her.

1991→

Kontinuitet

Tre årtier med samme princip, løbende videreudviklet af dets opfinder

Multiskive-mekanismen fjernede den sidste sliddel fra skruepressen: ingen dug, der stopper til, intet blad, der knækker, intet dyserør, der skal forsynes med vand. Det gjorde ubemandet drift praktisk mulig og åbnede for slamtyper — fedt- og olieholdigt slam samt slam fra fødevareindustrien — som dugbaserede maskiner slet ikke kunne håndtere. AMCON har som originalproducent (OEM) fremstillet mekanismen uafbrudt lige siden og har løbende videreudviklet den.

Et enormt udviklingsspring fandt sted i 2021, da AMCON lancerede VOLUTE DUO, en helt ny type presse, som — takket være sit friktionsfrie design — løftede brugsværdien af afvandingspresser til et helt nyt niveau, især hvad angår vedligeholdelsesomkostninger.

Praksis

Ét princip, mange slamtyper

Tre årtier med samme princip, løbende videreudviklet af dets opfinder

En multiskive-skruepresse er ikke en fastlåst enhed, men en konfigurerbar løsning. Mekanismen — faste ringe, bevægelige ringe, en langsomt roterende snegl — er uforandret, men slam er ikke ét ensartet materiale: tørstofindhold, fiberindhold, olie og fedt, partikelstørrelse og flokstyrke varierer alt sammen kraftigt alt efter oprindelse. Den klassiske VOLUTE™-skruepresse (til forskel fra den senere VOLUTE DUO™) bygges derfor til at passe til det konkrete indløbsslam frem for at blive solgt som én universel standardenhed. En række parametre tilpasses den enkelte applikation uden at ændre på det grundlæggende princip:

Sneglegeometri

Stigning på sneglevindingen, forskydningsvinkel på vingesegmenterne samt konicitet bestemmer transporthastigheden og opbygningen af det indre tryk gennem afvandingscylinderen. Allerede ansøgningen fra 1992 beskriver en reduktion af forskydningsvinklen frem mod slamudløbet for at øge tørstofindholdet i slamkagen — det samme greb, som bruges i dag til at finjustere en presse til en given slamtype.

Dimensionering af ringspalter

Mikrospalten g vælges ud fra tykkelsen på ringe og afstandsskiver og indstilles ofte forskelligt i henholdsvis indtykningszonen (indløb) og afvandingszonen (slamudløb) i den samme afvandingscylinder, så filtratflowet afvejes mod tørstofindholdet i slamkagen hen over maskinens længde.

Valg af drev

Motor- og gearkassedimensionering samt omdrejningshastighed bestemmer kapacitet og opholdstid; lavere hastighed øger koncentrationen, mens højere hastighed øger kapaciteten. Drevet specificeres til driftsopgaven i stedet for at være fast.

Fordi disse indstilles til den enkelte applikation, kan én og samme fysiske presse tilpasses et bredt spektrum af slamtyper uden at ændre selve mekanismen. Det, der gør denne tilpasning pålidelig, er ikke geometrien alene, men den empiriske kortlægning fra indløbskarakteristika til konfiguration — hvilken snegl, hvilke spaltebredder og hvilket drev til hvilket slam. Som den oprindelige producent har AMCON opbygget denne viden gennem flere årtier og på tværs af mange brancher og anvender den ved specificeringen af hvert enkelt anlæg.

Dette er den praktiske forskel mellem den oprindelige udvikler og senere kopier af mekanismen. Kopiproducenter tilbyder typisk én fast konfiguration og anvender den bredt, uanset slamtype. Hvor slammet afviger fra det, som den ene konfiguration er egnet til, er resultatet utilstrækkelig slamafvanding eller egentligt driftssvigt — ofte til den lavere pris, der gjorde kopien attraktiv i første omgang.

En veldokumenteret følgevirkning er, at når et forkert tilpasset anlæg underpræsterer, kan driftsfolk tilskrive den manglende ydelse selve multiskiveprincippet frem for den specifikke konfiguration. Kopier på markedet påvirker således opfattelsen af hele teknologikategorien — en omdømmemæssig følgevirkning, som er velkendt for originalproducenter af mange tekniske produkter, og som ikke er unik for slamafvanding.

Hver VOLUTE™ er en multiskive-skruepresse. Ikke enhver multiskive-skruepresse er en VOLUTE™ — kun AMCON bygger originalen.