Cada VOLUTE™ es una prensa de tornillo de discos múltiples. No todas las prensas de tornillo de discos múltiples son una VOLUTE™
Todas las prensas de tornillo de discos múltiples que funcionan hoy en día —anillos fijos, anillos móviles y un tornillo de giro lento— se remontan a una solicitud de patente japonesa presentada por AMCON en febrero de 1992. Esta página documenta cómo se desarrolló el mecanismo, por qué era necesario y dónde está registrada la invención original.
Inventor
Masaaki Sasaki, fundador de AMCON
Documento de prioridad
JP H5-228695 (1992)
Concesión europea
EP 0 581 965 B1 (1996)
Fig. 4, EP 0 581 965 B1 — sección transversal del elemento de separación. Anillos fijos (6), anillos móviles (30), tornillo (31), microespacio g, ranura de guía de líquido (34).
Años 70
El problema
Telas filtrantes, agua de lavado y colmatación: el estado de la técnica antes de VOLUTE™
AMCON no empezó como fabricante de maquinaria. Fundada en 1974 como empresa de mantenimiento, prestaba servicio a fosas sépticas y pequeñas plantas de tratamiento de aguas residuales en complejos de apartamentos japoneses. El lodo líquido de estos tanques debía transportarse a plantas de tratamiento centrales, y espesarlo antes del transporte era la forma obvia de reducir volumen y costes, pero los espesadores y prensas de deshidratación de la época eran prohibitivamente caros y difíciles de instalar a esa escala.
El principio de separación dominante era la tela filtrante: el lodo se carga en una banda permeable, el agua se drena y los sólidos permanecen. La debilidad es estructural. Los sólidos finos ciegan progresivamente la tela, por lo que la banda debe limpiarse continuamente con agua pulverizada a alta presión. Las consecuencias son bien conocidas por cualquier operario de esa generación de equipos: gran consumo de agua de lavado, sistemas de boquillas de pulverización, bandas sobredimensionadas para alcanzar la capacidad, sustitución frecuente de la tela y fallo casi total con lodos aceitosos, que ciegan la tela de forma irreversible.
Como el personal de AMCON mantenía estos equipos a diario, la empresa conocía de primera mano estos modos de fallo. En 1982 fabricó su primera máquina propia: un espesador de tela filtrante compacto. Resolvió el problema del tamaño y el precio, pero heredó todas las limitaciones de la propia tela. La lección extraída marcó el camino para todo lo que vino después: eliminar la tela filtrante por completo.
Archivo, AMCON Inc. — gestión de lodos en fosas sépticas de complejos de apartamentos, años 70. El lodo líquido se transportaba fuera de las instalaciones; la reducción de volumen era el cuello de botella económico.
Archivo, AMCON Inc. — la primera máquina propia (1982): un espesador de tela filtrante. Compacto y asequible, pero sujeto a la colmatación de la tela y a la demanda de agua de lavado.
1991 →
Primera VOLUTE™
La prensa de tornillo con cuchillas de peine: una máquina funcional con un problema de desgaste
Archivo, AMCON Inc. — la VOLUTE™ de cuchillas de peine (patente 1990, lanzamiento al mercado en abril de 1991): filtro de anillos en capas con cuchillas de limpieza entrelazadas.
Archivo, AMCON Inc. — el modo de fallo: la carga concentrada en las finas cuchillas de limpieza provocaba roturas tras unas pocas cientos de horas de funcionamiento.
La I+D se reinició en torno al principio de la prensa de tornillo: sin tela, baja velocidad de rotación, mínima demanda de energía. La pregunta abierta era cómo evitar que el elemento filtrante se colmatara sin agua de lavado. La primera respuesta fue el raspado mecánico. Se montó un filtro cilíndrico a partir de anillos apilados con espacios estrechos, y cada paso del tornillo llevaba finas cuchillas de limpieza tipo peine que llegaban a los espacios y empujaban los sólidos intrusos de vuelta al canal del tornillo.
La máquina funcionó, se patentó en 1990 y entró en el mercado en abril de 1991 bajo el nombre VOLUTE™ —del latín voluta, espiral. Los pedidos crecieron. También lo hizo un informe de campo recurrente: las cuchillas se rompían tras solo unas pocas cientos de horas de funcionamiento a plena carga.
Las propias solicitudes de patente de la empresa son sinceras sobre la causa. Las cuchillas debían fabricarse finas y con gran precisión para entrar correctamente en cada hueco del anillo; esa misma geometría concentraba la carga de raspado en la parte más débil. Además, cada cuchilla debía montarse en el eje con gran exactitud, lo que encarecía el coste. El desgaste, la rotura y la sustitución frecuente de las paletas eran inherentes al concepto, no un defecto de fabricación. Se necesitaba un principio de autolimpieza diferente, uno sin piezas de limpieza específicas que se desgastaran.
1992
La invención
Anillos móviles: el mecanismo de autolimpieza que definió la prensa de tornillo de discos múltiples
La idea decisiva no surgió ante un tablero de dibujo. Viajando en un tren de cercanías, el fundador Masaaki Sasaki observó la hilera de correas de mano balanceándose con el movimiento del vagón y se preguntó si unos anillos que se movieran podrían mantener limpio un filtro por sí solos, sin cuchillas ni pulverización. Si el filtro cilíndrico se construyera con anillos fijos alternos y anillos móviles cautivos, con el propio tornillo impulsando los anillos móviles, los huecos del filtro se limpiarían continuamente por el propio funcionamiento de la máquina. Un prototipo confirmó el principio, y el 21 de febrero de 1992 AMCON presentó la solicitud de patente para el «aparato de separación sólido-líquido»: la prensa de tornillo de discos múltiples. Merece la pena describir el mecanismo con precisión, porque su principio no ha cambiado en ninguna máquina VOLUTE™ fabricada desde entonces:
Anillos fijos (6)
Apilados en dirección axial, separados por espaciadores y sujetos por pernos de unión en un cilindro rígido. Anchura del espacio entre anillos: G.
Anillos móviles (30)
Uno en cada hueco, de espesor T < G. La diferencia define un microespacio g en cada cara; por ejemplo, G = 6 mm, T = 5 mm da g = 0,5 mm. El anillo está cautivo pero puede desplazarse radialmente y girar.
Tornillo (31)
Funciona dentro del paquete de anillos y transporta el lodo axialmente. El diámetro interior del anillo móvil D₅ es menor que el diámetro exterior del tornillo D₄, por lo que cada anillo se apoya en la hélice en un único punto de contacto P.
Autolimpieza
La fricción en P arrastra a cada anillo móvil a una rotación excéntrica alrededor del eje del tornillo, deslizándose radialmente con una carrera de D₄ − D₅ por revolución. El movimiento relativo de las caras de los anillos expulsa continuamente los sólidos de los microespacios.
Trayectoria del filtrado
El agua se drena por gravedad a través de los microespacios; una ranura de guía circunferencial (34) en cada anillo móvil conduce el filtrado que emerge en la parte superior del paquete hacia abajo, evitando que vuelva a entrar en el canal del tornillo.
Consecuencias del diseño ya señaladas en la solicitud de 1992: los anillos y espaciadores pueden fabricarse gruesos (resistencia mecánica) mientras g se mantiene pequeño; son factibles diámetros de anillo de 500–1.000 mm; los componentes pueden ser de resina, metal o cerámica; el montaje y desmontaje son sencillos porque ninguna pieza debe encajar con la precisión de una cuchilla.
Fig. 6, EP 0 581 965 B1 — una revolución del tornillo, estados (a)–(d).
El anillo móvil (30) gira sobre su propio eje X₂ mientras se desliza radialmente respecto al eje del tornillo X₁; el punto de contacto P recorre la circunferencia.
Fig. 1–12
De la solicitud
Lo que ya contenía la solicitud de 1992
La solicitud original es notablemente completa. No describe una sola máquina, sino todo el espacio de diseño que AMCON y, más tarde, sus imitadores ocuparían durante las tres décadas siguientes:
Fig. 1, EP 0 581 965 B1 — sección longitudinal del separador completo: entrada (2), elemento separador (5), puerto de filtrado (4), descarga de sólidos (3), motorreductor (17).
特開平5-228695, p. 8 — secuencia de movimiento de los anillos, disposiciones inclinadas (Fig. 7–8), tornillo de paletas (Fig. 9–10) y la máquina de doble eje (Fig. 12) en la publicación original japonesa.
Modo de espesamiento
Disposición horizontal: entrada de lodo floculado con 99–98,5 % de humedad, salida de sólidos espesados con 97–95 %; drenaje por gravedad a través de los microespacios, lo suficientemente suave como para preservar los flóculos (entrada por rebosamiento, no por caída libre).
Modo de deshidratación
El mismo elemento inclinado 45–90°: la columna de lodo llena el canal del tornillo, la presión interna aumenta hacia el extremo de descarga y el agua es expulsada a través de los huecos; torta por debajo del 85 % de humedad con una sola máquina, sustituyendo la anterior disposición de espesador + prensa en dos etapas.
Modo de cribado
Disposición inclinada hacia abajo para la eliminación sencilla de impurezas gruesas de aguas residuales no floculadas (procesamiento de alimentos, procesamiento de carne, cocinas de hoteles).
Tornillo de paletas
Un tornillo montado a partir de paletas individuales sobre una cresta espiral, desplazadas entre 1 y 5° cada una, formando microprotuberancias escalonadas que aumentan la fricción contra los sólidos; al disminuir el ángulo de desplazamiento hacia la descarga, aumenta la presión interna y la sequedad de la torta.
Máquinas multieje (cilindro)
Varios elementos separadores en una sola carcasa, conectados a un único accionamiento; el concepto de escalado de capacidad que todavía se utiliza en las unidades VOLUTE™ grandes; sin embargo, hoy en día, cada uno de los cilindros de deshidratación tiene su propio accionamiento.
Aplicaciones
Más allá de los lodos de depuradora municipales, el mecanismo era —y sigue siendo— aplicable a casi cualquier tipo de lodo industrial.
Registro
Fuentes primarias
Los documentos: donde se registra la invención
La prioridad de la prensa de tornillo de discos múltiples recae en la solicitud japonesa del 21 de febrero de 1992, extendida internacionalmente a través del PCT y concedida en Europa en 1996. Ambos documentos nombran a AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio) como solicitante y al fundador de la empresa como inventor.
Publicación
特開平5-228695 (JP H5-228695 A)
Solicitud
特願平4-69996 · presentada el 21.02.1992
Publicado
07.09.1993
Solicitante
アムコン株式会社 (AMCON INC.), Meguro-ku, Tokio
Inventor
佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)
Clasif. Int.
B30B 9/14 · B01D 29/17, 29/25, 29/37 · C02F 11/12
Presentada
18.02.1993 · PCT/JP93/00199 (WO 93/16867)
Prioridad
21.02.1992 · JP 69996/92
Concedida
28.08.1996 · Boletín 1996/35
Estados
DE · FR · GB
Propietario
Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio
Reivindicación 1
Anillos estacionarios + tornillo giratorio, caracterizados por anillos flotantes en los huecos con un diámetro interior menor que el diámetro exterior del tornillo
La cláusula de caracterización de la reivindicación 1 —anillos flotantes con D₅ < D₄— es la definición legal del principio de discos múltiples. Todas las prensas de discos múltiples posteriores, sea cual sea la marca de la carcasa, implementan el mecanismo divulgado aquí por primera vez.
1991→
Continuidad
Tres décadas del mismo principio, desarrollado continuamente por su inventor
El mecanismo de discos múltiples eliminó el último consumible de la prensa de tornillo: sin tela que se ciegue, sin cuchilla que se rompa, sin barra de pulverización que alimentar. Hizo práctico el funcionamiento sin supervisión y abrió tipos de lodos —aceitosos, grasientos, de la industria alimentaria— que las máquinas basadas en telas no podían tocar. AMCON ha fabricado el mecanismo sin interrupción desde entonces, como fabricante de equipos originales, y ha seguido ampliándolo.
Un gran salto evolutivo se produjo en 2021 cuando AMCON lanzó la VOLUTE DUO, un tipo de prensa completamente nuevo que, gracias a su diseño sin contacto, llevó el valor de utilidad de las prensas deshidratadoras a un nivel totalmente nuevo, especialmente en términos de costes de mantenimiento.
Práctica
Un principio, muchos lodos
Tres décadas del mismo principio, desarrollado continuamente por su inventor
Una prensa de discos múltiples no es un objeto fijo, sino configurable. El mecanismo —anillos fijos, anillos móviles, un tornillo de giro lento— es invariable, pero el lodo no es un material único: el contenido de sólidos secos, el contenido de fibra, el aceite y la grasa, el tamaño de las partículas y la resistencia de los flóculos varían enormemente según la fuente. Por lo tanto, la prensa de tornillo VOLUTE™ clásica (a diferencia de la posterior VOLUTE DUO™) se fabrica para adaptarse a la alimentación en lugar de venderse como una unidad universal. Se ajustan varios parámetros por aplicación, sin alterar el principio subyacente:
Geometría del tornillo
El paso de la hélice, el ángulo de desplazamiento de las paletas y la conicidad establecen la velocidad de transporte y el aumento de la presión interna a lo largo del cilindro. La solicitud de 1992 ya describe la disminución del ángulo de desplazamiento hacia la descarga para aumentar la sequedad de la torta, la misma palanca que se utiliza hoy para ajustar una prensa a un lodo determinado.
Dimensionamiento del espacio entre anillos
El microespacio g se elige a partir de los espesores de los anillos y espaciadores, y con frecuencia se ajusta de forma diferente entre la zona de espesamiento (entrada) y la zona de deshidratación (descarga) del mismo cilindro, equilibrando la velocidad del filtrado frente a la sequedad de la torta a lo largo de la máquina.
Selección del accionamiento
La potencia del motor y la caja de cambios y la velocidad de rotación establecen el rendimiento y el tiempo de residencia; una velocidad menor aumenta la concentración, una velocidad mayor aumenta la capacidad. El accionamiento se especifica para el trabajo en lugar de ser fijo.
Como estos parámetros se ajustan por aplicación, una sola prensa física puede sintonizarse para una amplia gama de tipos de lodos sin rediseñar el mecanismo. Lo que hace que ese ajuste sea fiable no es solo la geometría, sino el mapeo empírico de las características de la alimentación a la configuración: qué tornillo, qué huecos, qué accionamiento para qué lodo. Como fabricante original, AMCON ha acumulado ese mapeo durante varias décadas y en muchas industrias, y lo aplica al especificar cada unidad.
Esta es la distinción práctica entre el creador y las copias posteriores del mecanismo. Los fabricantes de copias suelen ofrecer una única configuración fija y la despliegan de forma generalizada, independientemente de la alimentación. Cuando el lodo difiere de lo que conviene a esa configuración única, el resultado es una deshidratación insuficiente o un fallo total en el rendimiento, a menudo con el precio más bajo que hizo atractiva la copia en primer lugar.
Cada VOLUTE™ es una prensa de tornillo de discos múltiples. No todas las prensas de tornillo de discos múltiples son una VOLUTE™; solo AMCON fabrica la original.