VOLUTE™-monikiekkoruuvipuristimen alkuperä

Jokainen VOLUTE™ on monikiekkoruuvipuristin. Jokainen monikiekkoruuvipuristin ei ole VOLUTE™.

Jokainen nykyisin käytössä oleva monikiekkoruuvipuristin – kiinteät renkaat, liikkuvat renkaat ja hitaasti pyörivä ruuvi – juontaa juurensa yhteen japanilaiseen patenttihakemukseen, jonka AMCON jätti helmikuussa 1992. Tällä sivulla kerrotaan, miten mekanismi kehitettiin, miksi sitä tarvittiin ja mihin alkuperäinen keksintö on kirjattu.

Keksijä
Masaaki Sasaki, AMCONin perustaja

Etuoikeusasiakirja
JP H5-228695 (1992)

Eurooppapatentti
EP 0 581 965 B1 (1996)

Kuva 4, EP 0 581 965 B1 – kuivaussylinterin poikkileikkaus. Kiinteät renkaat (6), liikkuvat renkaat (30), ruuvi (31), mikrorako g, nesteen ohjausura (34).

1970-luku

Ongelma

Suodatinkankaat, huuhteluvesi ja tukkeutuminen: tekniikan taso ennen VOLUTE™-puristinta

AMCON ei aloittanut koneenrakentajana. Vuonna 1974 huoltoyritykseksi perustettu yhtiö huolsi japanilaisten kerrostaloyhtiöiden saostussäiliöitä ja pieniä jätevedenpuhdistamoita. Näiden kiinteistökohtaisten säiliöiden nestemäinen liete oli kuljetettava säiliöautoilla keskuspuhdistamoille, ja lietteen tiivistys ennen kuljetusta oli ilmeinen keino pienentää tilavuutta ja kustannuksia – mutta tuon ajan lietetiivistimet ja kuivauspuristimet olivat tähän mittakaavaan aivan liian kalliita ja vaikeita asentaa.

Vallitseva erotusperiaate perustui suodatinkankaaseen: liete syötetään vettä läpäisevälle viiralle, vesi valuu läpi ja kiintoaine jää kankaalle. Ratkaisun heikkous on rakenteellinen. Hieno kiintoaine tukkii kankaan vähitellen, joten viiraa on pestävä jatkuvasti korkeapaineisella huuhteluvedellä. Seuraukset ovat tuttuja jokaiselle tuon sukupolven laitteita käyttäneelle: suuri huuhteluveden kulutus, suutinrivistöt, kapasiteetin saavuttamiseksi ylimitoitetut viirat, tiheät kankaanvaihdot – ja lähes täydellinen toimimattomuus, kun kyseessä on rasva- ja öljypitoinen liete, joka tukkii kankaan pysyvästi.

Koska AMCONin henkilöstö huolsi näitä laitteita päivittäin, yrityksellä oli ensi käden tietoa näistä vikaantumistavoista. Vuonna 1982 se rakensi ensimmäisen oman laitteensa – kompaktin suodatinkankaalla varustetun lietetiivistimen. Se ratkaisi koko- ja hintaongelman, mutta peri kaikki itse kankaaseen liittyvät rajoitteet. Siitä saatu oppi määritti suunnan kaikelle tulevalle: suodatinkankaasta oli päästävä kokonaan eroon.

Arkisto, AMCON Inc. – lietteenkäsittelyä kerrostaloyhtiöiden saostussäiliöillä 1970-luvulla. Nestemäinen liete kuljetettiin pois; tilavuuden pienentäminen oli taloudellinen pullonkaula.

Arkisto, AMCON Inc. – ensimmäinen oma kone (1982): suodatinkankaalla varustettu lietetiivistin. Kompakti ja edullinen, mutta altis kankaan tukkeutumiselle ja riippuvainen huuhteluvedestä.

1991 →

Ensimmäinen VOLUTE™

Kampateräinen ruuvipuristin: toimiva kone, jossa oli kulumisongelma

Arkisto, AMCON Inc. – kampateräinen VOLUTE™ (patentti 1990, markkinoilletulo huhtikuussa 1991): kerrostettu rengassuodatin ja lomittaiset puhdistusterät.

Arkisto, AMCON Inc. – vikaantumistapa: ohuisiin puhdistusteriin kohdistunut kuormitus johti terien murtumiseen muutaman sadan käyttötunnin jälkeen.

Tuotekehitys käynnistettiin uudelleen ruuvipuristimen periaatteen pohjalta: ei suodatinkangasta, alhainen pyörimisnopeus, minimaalinen energiankulutus. Avoin kysymys oli, miten kuivaussylinteri pidetään puhtaana ilman huuhteluvettä. Ensimmäinen ratkaisu oli mekaaninen kaavinta. Sylinterimäinen suodatin koottiin päällekkäisistä renkaista, joiden väliin jätettiin kapeat raot, ja ruuvin jokaiseen kierteeseen kiinnitettiin ohuet kampamaiset puhdistusterät, jotka ulottuivat rakoihin ja työnsivät niihin tunkeutuvan kiintoaineen takaisin ruuvikanavaan.

Kone toimi, se patentoitiin vuonna 1990 ja tuotiin markkinoille huhtikuussa 1991 nimellä VOLUTE™ – latinan sanasta voluta, spiraali. Tilauskanta kasvoi. Samalla lisääntyivät myös toistuvat kenttäraportit: terät murtuivat jo muutaman sadan täyden kuorman käyttötunnin jälkeen.

Yrityksen omat patenttihakemukset kertovat syyn suoraan. Teristä oli valmistettava ohuita ja erittäin mittatarkkoja, jotta ne osuivat oikein jokaiseen rengasrakoon, ja sama geometria keskitti kaavintakuorman heikoimpaan kohtaan. Jokainen terä oli lisäksi asennettava akselille äärimmäisen tarkasti, mikä nosti kustannuksia. Kuluminen, murtuminen ja tiheä terien vaihtotarve olivat konseptin sisäänrakennettuja ominaisuuksia eivätkä valmistusvirheitä. Tarvittiin toisenlainen tukkeutumaton itsepuhdistuva mekanismi – sellainen, jossa ei olisi erillistä kuluvaa puhdistusosaa.

1992

Keksintö

Liikkuvat renkaat: tukkeutumaton itsepuhdistuva mekanismi, joka määritti monikiekkoruuvipuristimen

Ratkaiseva oivallus ei syntynyt piirustuspöydän ääressä. Paikallisjunassa matkustaessaan perustaja Masaaki Sasaki katseli vaunun liikkeen mukana heiluvia tukilenkkejä ja pohti, voisivatko liikkuvat renkaat pitää suodattimen puhtaana itsestään – ilman teriä ja ilman huuhteluvettä. Jos sylinterimäinen suodatin rakennettaisiin vuorottelevista kiinteistä renkaista ja väljästi paikalleen lukituista liikkuvista renkaista siten, että itse ruuvi liikuttaisi liikkuvia renkaita, koneen oma käynti puhdistaisi suodatinraot jatkuvasti. Prototyyppi vahvisti periaatteen toimivuuden, ja 21. helmikuuta 1992 AMCON jätti patenttihakemuksen ”kiintoaineen ja nesteen erotuslaitteesta” – monikiekkoruuvipuristimesta. Mekanismi ansaitsee tarkan kuvauksen, sillä sen periaate on säilynyt muuttumattomana jokaisessa sen jälkeen valmistetussa VOLUTE™-laitteessa:

Kiinteät renkaat (6)

Pinottu aksiaalisuunnassa, erotettu toisistaan välirenkailla ja kiristetty sidepulteilla yhdeksi jäykäksi sylinteriksi. Renkaiden välinen raon leveys: G.

Liikkuvat renkaat (30)

Yksi kussakin raossa, paksuus T < G. Erotus muodostaa molemmille puolille mikroraon g – esim. kun G = 6 mm ja T = 5 mm, saadaan g = 0,5 mm. Rengas on lukittu paikalleen, mutta se pääsee liikkumaan vapaasti säteittäissuunnassa ja pyörimään.

Ruuvi (31)

Pyörii rengaspakan sisällä ja kuljettaa lietettä aksiaalisuunnassa. Liikkuvan renkaan sisähalkaisija D₅ on pienempi kuin ruuvin ulkohalkaisija D₄, joten kukin rengas lepää ruuvin kierteen varassa yhdessä kosketuspisteessä P.

Itsepuhdistuvuus

Kosketuspisteen P kitka vetää jokaisen liikkuvan renkaan epäkeskiseen pyörimisliikkeeseen ruuvin akselin ympäri, jolloin rengas liukuu säteittäisesti iskunpituuden D₄ − D₅ verran kierrosta kohti. Renkaiden pintojen keskinäinen liike työntää kiintoaineen jatkuvasti ulos mikroraoista.

Rejektiveden kulkureitti

Vesi poistuu painovoimaisesti mikrorakojen kautta; kunkin liikkuvan renkaan kehällä oleva ohjausura (34) ohjaa pakan yläosasta purkautuvan rejektiveden alaspäin ja estää sen pääsyn takaisin ruuvikanavaan.

Jo vuoden 1992 hakemuksessa todetut suunnitteluedut: renkaista ja välirenkaista voidaan tehdä paksuja (mekaaninen lujuus) mikroraon g pysyessä pienenä; 500–1 000 mm:n rengashalkaisijat ovat toteutettavissa; osat voidaan valmistaa muovista, metallista tai keraamista; kokoaminen ja purkaminen on yksinkertaista, koska minkään osan ei tarvitse lomittua teriltä vaadittavalla tarkkuudella.

Kuva 6, EP 0 581 965 B1 – yksi ruuvin kierros, vaiheet (a)–(d).

Liikkuva rengas (30) pyörii oman akselinsa X₂ ympäri ja liukuu samalla säteittäisesti suhteessa ruuvin akseliin X₁; kosketuspiste P kiertää kehän ympäri.

Kuvat 1–12

Patenttihakemuksesta

Mitä vuoden 1992 hakemus jo sisälsi

Alkuperäinen hakemus on poikkeuksellisen kattava. Se ei kuvaa vain yhtä konetta, vaan koko sen suunnitteluavaruuden, jota AMCON ja myöhemmin sen jäljittelijät ovat hyödyntäneet seuraavien kolmen vuosikymmenen ajan:

Kuva 1, EP 0 581 965 B1 – koko erotuslaitteen pituusleikkaus: syöttö (2), kuivaussylinteri (5), rejektiveden poistoyhde (4), kuivatun lietteen poistoaukko (3), vaihdemoottori (17).

特開平5-228695, s. 8 – renkaan liikesarja, kallistetut kokoonpanot (kuvat 7–8), palasiipiruuvi (kuvat 9–10) ja kaksiakselinen laite (kuva 12) alkuperäisessä japanilaisessa julkaisussa.

Tiivistystila

Vaakasuora asennus: sisään flokkuloitu liete kosteuspitoisuudella 99–98,5 %, ulos tiivistetty kiintoaine kosteuspitoisuudella 97–95 % – painovoimainen vedenpoisto mikrorakojen kautta on riittävän hellävaraista säilyttämään flokit ehjinä (syöttö ylivuotona, ei vapaalla pudotuksella).

Kuivaustila

Sama kuivaussylinteri 45–90°:n kulmaan kallistettuna: lietepatsas täyttää ruuvikanavan, sisäinen paine kasvaa kuivatun lietteen poistoaukkoa kohti ja vesi puristuu ulos rakojen kautta – tuloksena on kosteudeltaan alle 85-prosenttinen kuivattu liete yhdellä koneella, mikä korvaa aiemman kaksivaiheisen lietetiivistimen ja puristimen yhdistelmän.

Välppäystila

Alaviistoon suunnattu asennus karkean kiintoaineen yksinkertaiseen erotukseen flokkuloimattomasta jätevedestä (elintarviketeollisuus, lihanjalostus, suurtalouskeittiöt).

Palasiipiruuvi

Spiraaliharjanteelle kiinnitetyistä yksittäisistä siipipaloista koottu ruuvi, jossa palat on porrastettu 1–5°:n kulmaan toisiinsa nähden. Ne muodostavat porrasmaisia mikroulokkeita, jotka lisäävät kitkaa kiintoainetta vasten; porrastuskulman pienentäminen kuivatun lietteen poistoaukkoa kohti kasvattaa sisäistä painetta ja kuiva-ainepitoisuutta.

Moniakseliset (monisylinteriset) koneet

Useita kuivaussylintereitä samassa rungossa, kytkettyinä vaihteistolla yhteen käyttölaitteeseen – kapasiteetin skaalauskonsepti, jota käytetään edelleen suurissa VOLUTE™-yksiköissä; nykyään jokaisella kuivaussylinterillä on kuitenkin oma käyttölaitteensa.

Käyttökohteet

Kunnallisen sekaraakalietteen lisäksi mekanismi soveltui – ja soveltuu edelleen – lähes kaikentyyppisille teollisuuslietteille.

Asiakirjat

Alkuperäislähteet

Asiakirjat: mihin keksintö on kirjattu

Monikiekkoruuvipuristimen etuoikeus perustuu 21. helmikuuta 1992 jätettyyn japanilaiseen patenttihakemukseen, joka laajennettiin kansainväliseksi PCT-järjestelmän kautta ja myönnettiin Euroopassa vuonna 1996. Molemmissa asiakirjoissa hakijaksi on nimetty AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio) ja keksijäksi yrityksen perustaja.

固液分離装置 — Kiintoaineen ja nesteen erotuslaite

Julkaisunumero

特開平5-228695 (JP H5-228695 A)

Hakemusnumero

特願平4-69996 · jätetty 21.02.1992

Julkaistu

07.09.1993

Hakija

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

Keksijä

佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)

Kansainvälinen patenttiluokitus

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

EP 0 581 965 B1 — Kiintoaineen ja nesteen erotuslaite

Jätetty

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

Etuoikeus

21.02.1992 · JP 69996/92

Myönnetty

28.08.1996 · Bulletin 1996/35

Valtiot

DE · FR · GB

Haltija

Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio

Vaatimus 1

Kiinteät renkaat + pyörivä ruuvi, tunnettu siitä, että raoissa on liikkuvat renkaat, joiden sisähalkaisija on pienempi kuin ruuvin ulkohalkaisija

Patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosa – liikkuvat renkaat, joissa D₅ < D₄ – on monikiekkoperiaatteen oikeudellinen määritelmä. Jokainen myöhempi monikiekkoruuvipuristin, kyljessä olevasta tuotemerkistä riippumatta, toteuttaa tässä ensimmäistä kertaa esitettyä mekanismia.

1991→

Jatkuvuus

Kolme vuosikymmentä samaa periaatetta, alkuperäisen keksijän jatkuvasti kehittämänä

Monikiekkomekanismi poisti ruuvipuristimesta viimeisenkin kulutusosan: ei tukkeutuvaa suodatinkangasta, ei murtuvia teriä eikä vettä kuluttavia suutinputkia. Se teki miehittämättömästä ajosta käytännössä mahdollista ja avasi käyttöön lietelaadut – rasva- ja öljypitoiset lietteet sekä elintarviketeollisuuden lietteet – joihin suodatinkankaisiin perustuvat koneet eivät pystyneet. AMCON on valmistanut mekanismia keskeytyksettä siitä lähtien alkuperäisenä laitevalmistajana ja kehittänyt sitä jatkuvasti eteenpäin.

Valtava kehitysharppaus tapahtui vuonna 2021, kun AMCON toi markkinoille VOLUTE DUO -mallin. Tämä täysin uudentyyppinen puristin nosti kitkattoman rakenteensa ansiosta kuivauspuristimien käyttöarvon aivan uudelle tasolle erityisesti kunnossapitokustannusten osalta.

Käytäntö

Yksi periaate, monta lietelaatua

Kolme vuosikymmentä samaa periaatetta, alkuperäisen keksijän jatkuvasti kehittämänä

Monikiekkoruuvipuristin ei ole muuttumaton vakiolaite, vaan konfiguroitava kokonaisuus. Mekanismi – kiinteät renkaat, liikkuvat renkaat ja hitaasti pyörivä ruuvi – pysyy samana, mutta liete ei ole yhtenäinen materiaali: kuiva-ainepitoisuus, kuitupitoisuus, rasva ja öljy, partikkelikoko sekä flokin lujuus vaihtelevat suuresti kohteen mukaan. Perinteinen VOLUTE™-ruuvipuristin (erotuksena myöhemmästä VOLUTE DUO™ -mallista) rakennetaankin syötettävän lietteen mukaan sen sijaan, että sitä myytäisiin yhtenä yleismallina. Useita parametreja määritetään käyttökohteen mukaan perusperiaatetta muuttamatta:

Ruuvin geometria

Nousu, siipipalojen porrastuskulma ja kartiokkuus määrittävät kuljetusnopeuden ja sisäisen paineen nousun sylinterin pituudella. Jo vuoden 1992 hakemuksessa kuvataan porrastuskulman pienentäminen kuivatun lietteen poistoaukkoa kohti kuiva-ainepitoisuuden nostamiseksi – täsmälleen sama keino, jolla puristin viritetään tietylle lietteelle tänäkin päivänä.

Rengasraon mitoitus

Mikrorako g valitaan renkaiden ja välirenkaiden paksuuksien avulla, ja se asetetaan usein erisuuruiseksi saman sylinterin tiivistysvyöhykkeellä (syöttöpää) ja kuivausvyöhykkeellä (poistopää), jolloin rejektiveden erottumisnopeus ja kuiva-ainepitoisuus saadaan optimoitua koneen pituudella.

Käyttölaitteen valinta

Moottorin ja vaihteiston mitoitus sekä pyörimisnopeus määrittävät käsittelykapasiteetin ja viipymäajan: hitaampi pyörimisnopeus kasvattaa pitoisuutta ja suurempi nopeus lisää kapasiteettia. Käyttöyksikkö ei ole vakio, vaan se mitoitetaan käyttökohteen vaatimusten mukaan.

Koska nämä parametrit määritetään sovelluskohtaisesti, yksi ja sama fyysinen puristin voidaan säätää hyvin erilaisille lietelaaduille ilman, että sen mekanismia tarvitsee suunnitella uudelleen. Säädön luotettavuus ei perustu pelkkään geometriaan, vaan kokemusperäiseen tietoon siitä, miten syötettävän lietteen ominaisuudet vastaavat laitteen kokoonpanoa – mikä ruuvi, mitkä raot ja mikä käyttöyksikkö sopivat millekin lietteelle. Alkuperäisenä valmistajana AMCON on kerryttänyt tätä osaamista vuosikymmenten ajan lukuisilta eri teollisuudenaloilta ja hyödyntää sitä jokaisen laiteyksikön mitoituksessa.

Tässä piilee käytännön ero alkuperäisen kehittäjän ja mekanismin myöhempien kopioijien välillä. Kopioiden valmistajat tarjoavat tyypillisesti yhtä kiinteää kokoonpanoa, jota sovelletaan laajasti syötettävästä lietteestä riippumatta. Kun liete poikkeaa siitä, mille tämä yksi kokoonpano soveltuu, seurauksena on riittämätön lietteen kuivaus tai täydellinen toimintakyvyttömyys – usein juuri siinä alhaisemmassa hintaluokassa, joka alun perin teki kopiosta houkuttelevan.

Tästä seuraa hyvin tunnettu sivuvaikutus: kun väärin mitoitettu laite alisuoriutuu, käyttäjät saattavat pitää syynä itse monikiekkoperiaatetta eivätkä kyseistä kokoonpanoa. Markkinoilla olevat jäljitelmät vaikuttavat siten koko teknologiakategorian maineeseen – tämä on alkuperäisille laitevalmistajille tuttu mainehaitta monissa teknisissä tuotteissa, ei pelkästään lietteen kuivauksessa.

Jokainen VOLUTE™ on monikiekkoruuvipuristin. Jokainen monikiekkoruuvipuristin ei kuitenkaan ole VOLUTE™ – vain AMCON valmistaa alkuperäistä.