Origine de la presse à vis multidisques VOLUTE™

Chaque VOLUTE™ est une presse à vis multidisques. En revanche, toutes les presses à vis multidisques ne sont pas des VOLUTE™.

Le principe de déshydratation aujourd’hui largement utilisé avec les presses à vis multidisques, reposant sur l’association d’anneaux fixes, d’anneaux mobiles et d’une vis sans fin à rotation lente, trouve son origine dans une demande de brevet déposée par AMCON au Japon en février 1992. Cette invention a marqué une rupture avec les technologies de déshydratation existantes en apportant une solution compacte, économe en énergie et résistante au colmatage.

Cette page retrace l’histoire de ce développement, explique les défis techniques auxquels il répondait et présente les sources brevetaires qui documentent l’invention originale.

Inventeur
Masaaki Sasaki, fondateur d’AMCON

Document de priorité
JP H5-228695 (1992)

Brevet européen
EP 0 581 965 B1 (1996)

Fig. 4, EP 0 581 965 B1 — vue en coupe de l’élément de séparation. Anneaux fixes (6), anneaux mobiles (30), vis (31), micro-interstice g, rainure de guidage de liquide (34).

Années 1970

Le problème

Avant la VOLUTE™ : toiles filtrantes, eau de rinçage et colmatage

AMCON n’a pas commencé comme fabricant de machines. Fondée en 1974 en tant qu’entreprise de maintenance, elle assurait l’entretien de fosses septiques et de petites stations d’épuration dans des complexes d’appartements japonais. Les boues liquides de ces fosses devaient être centralisées vers des stations de traitement plus importantes. L’épaississement avant le transport était le moyen évident de réduire le volume et les coûts — mais les épaississeurs et les presses de déshydratation de l’époque étaient d’un coût prohibitif et difficiles à installer à cette échelle.

Le principe de séparation dominant était la toile filtrante : les boues sont chargées sur une bande perméable, l’eau s’écoule, les matières solides restent. La faiblesse est structurelle. Les matières solides fines colmatent progressivement la toile, de sorte que la bande doit être nettoyée en continu avec de l’eau pulvérisée à haute pression. Les conséquences sont bien connues de tout opérateur de cette génération d’équipements : forte consommation d’eau de rinçage, systèmes de buses de pulvérisation, bandes surdimensionnées pour atteindre la capacité, remplacement fréquent de la toile — et échec quasi total sur les boues huileuses, qui colmatent une toile de manière irréversible.

Grâce à leur implication quotidienne dans la maintenance de ces équipements, les techniciens d’AMCON étaient idéalement placés pour observer directement les modes de défaillance. En 1982, AMCON a construit sa première machine en interne — un épaississeur compact à toile filtrante. Il a résolu le problème de taille et de prix, mais a hérité de toutes les limites de la toile elle-même. La leçon qui en a été tirée a fixé le cap pour tout ce qui a suivi : éliminer complètement la toile filtrante.

Archives, AMCON Inc. — gestion des boues dans les fosses septiques de complexes d’appartements, années 1970. Les boues liquides étaient transportées hors site ; la réduction de volume constituait alors le principal enjeu économique.

Archives, AMCON Inc. — la première machine interne (1982) : un épaississeur à toile filtrante. Compact et abordable, mais sujet au colmatage de la toile et exigeant en eau de lavage.

1991 →

La première VOLUTE™

La presse à vis à lames en peigne : une machine fonctionnelle avec un problème d’usure

Archives, AMCON Inc. — la VOLUTE™ à lames en peigne (brevet 1990, lancement sur le marché en avril 1991) : filtre à anneaux superposés avec lames de nettoyage imbriquées.

Archives, AMCON Inc. — le mode de défaillance : la charge concentrée sur les fines lames de nettoyage provoquait des ruptures après seulement quelques centaines d’heures de fonctionnement.

La R&D a redémarré autour du principe de la presse à vis : pas de toile, faible vitesse de rotation, demande énergétique minimale. La question en suspens était de savoir comment empêcher l’élément filtrant de se colmater sans eau de pulvérisation. La première réponse a été le raclage mécanique. Un filtre cylindrique a été assemblé à partir d’anneaux empilés avec des interstices étroits, et chaque filet de la vis portait de fines lames de nettoyage en forme de peigne qui pénétraient dans les interstices et repoussaient les matières solides intrusives dans le canal de la vis.

La machine fonctionnait, a été brevetée en 1990 et est entrée sur le marché en avril 1991 sous le nom de VOLUTE™ — du latin voluta, spirale. Les commandes ont augmenté. Mais un retour terrain récurrent a également fait son apparition : les lames se cassaient après seulement quelques centaines d’heures de fonctionnement à pleine charge.

Les propres dépôts de brevets de l’entreprise sont très francs quant à la cause. Les lames devaient être fabriquées fines et avec une grande précision pour entrer correctement dans chaque interstice d’anneau ; cette même géométrie concentrait la charge de raclage sur la partie la plus faible. Chaque lame devait également être montée sur l’arbre avec une grande précision, ce qui augmentait les coûts. L’usure, la casse et le remplacement fréquent des ailettes étaient inhérents au concept, et non un défaut de fabrication. Un principe d’auto-nettoyage complètement différent était nécessaire — un principe sans pièce de nettoyage dédiée susceptible de s’user.

1992

L’invention

Anneaux mobiles : le mécanisme d’auto-nettoyage qui a défini la presse à vis multidisques

L’idée décisive n’est pas venue devant une planche à dessin. Lors d’un trajet dans un train de banlieue, le fondateur Masaaki Sasaki a regardé la rangée de poignées se balancer avec le mouvement de la voiture et s’est demandé si des anneaux mobiles pourraient garder un filtre propre par eux-mêmes — pas de lames, pas d’aspersion. Si le filtre cylindrique était construit à partir d’une alternance d’anneaux fixes et d’anneaux mobiles lâchement captifs, la vis elle-même entraînant les anneaux mobiles, les interstices du filtre seraient continuellement récurés par le propre fonctionnement de la machine. Un prototype a confirmé le principe, et le 21 février 1992, AMCON a déposé la demande de brevet pour « l’appareil de séparation solide-liquide » — la presse à vis multidisques. Le mécanisme mérite d’être décrit avec précision, car il est resté inchangé dans son principe dans chaque VOLUTE™ produite depuis :

Anneaux fixes (6)

Empilés dans le sens axial, séparés par des espaceurs et serrés par des tirants en un seul cylindre rigide. Largeur de l’interstice entre les anneaux : G.

Anneaux mobiles (30)

Un dans chaque interstice, d’une épaisseur T < G. La différence définit un micro-interstice g sur chaque face — par ex. G = 6 mm, T = 5 mm donne g = 0,5 mm. L’anneau est captif mais libre de se déplacer radialement et de tourner.

Vis (31)

Tourne à l’intérieur de l’empilement d’anneaux et transporte les boues axialement. Le diamètre intérieur de l’anneau mobile D₅ est inférieur au diamètre extérieur de la vis D₄, de sorte que chaque anneau repose sur le filet en un seul point de contact P.

Auto-nettoyage

Le frottement au point P entraîne chaque anneau mobile dans une rotation excentrique autour de l’axe de la vis, avec un glissement radial d’une course de D₄ − D₅ par tour. Le mouvement relatif des faces des anneaux expulse continuellement les matières solides des micro-interstices.

Chemin du filtrat

L’eau s’écoule par gravité à travers les micro-interstices ; une rainure de guidage circonférentielle (34) sur chaque anneau mobile dirige vers le bas le filtrat émergeant en haut de l’empilement, empêchant sa rentrée dans le canal de la vis.

Conséquences de conception notées dès le dépôt de 1992 : les anneaux et les espaceurs peuvent être épais (résistance mécanique) tandis que g reste petit ; des diamètres d’anneaux de 500 à 1000 mm sont réalisables ; les composants peuvent être en résine, en métal ou en céramique ; le montage et le démontage sont simples car aucune pièce ne doit s’emboîter avec la précision d’une lame.

Fig. 6, EP 0 581 965 B1 — une révolution de la vis, états (a)–(d).

L’anneau mobile (30) tourne autour de son propre axe X₂ tout en glissant radialement par rapport à l’axe de la vis X₁ ; le point de contact P se déplace autour de la circonférence.

Fig. 1–12

Le dépôt du brevet

Ce que contenait déjà la demande de 1992

Le dépôt original est remarquablement complet. Il ne décrit pas une seule machine, mais l’ensemble de l’espace de conception qu’AMCON et, plus tard, ses imitateurs occuperaient pendant les trois décennies suivantes :

Fig. 1, EP 0 581 965 B1 — coupe longitudinale du séparateur complet : flux entrant (2), élément de séparation (5), orifice de filtrat (4), évacuation des solides (3), motoréducteur (17).

特開平 5-228695, p. 8 — séquence de mouvement des anneaux, dispositions inclinées (Fig. 7–8), vis à segments d’aubes (Fig. 9–10) et machine à double arbre (Fig. 12) dans la publication japonaise originale.

Mode d’épaississement

Disposition horizontale : boues floculées à 99–98,5 % d’humidité en entrée, solides épaissis à 97–95 % en sortie — drainage gravitaire à travers les micro-interstices, suffisamment doux pour préserver les flocs (entrée par débordement, pas en chute libre).

Mode de déshydratation

Le même élément incliné de 45 à 90° : la colonne de boue remplit le canal de la vis, la pression interne augmente vers l’extrémité de décharge, et l’eau est pressée à travers les interstices — un gâteau à moins de 85 % d’humidité obtenu à partir d’une seule machine, remplaçant la précédente disposition en deux étapes (épaississeur + presse).

Mode de tamisage

Disposition déclinée pour l’élimination simple des impuretés grossières des eaux usées non floculées (transformation des aliments, transformation de la viande, cuisines d’hôtels).

Vis à segments d’aubes

Une vis assemblée à partir de pièces d’aubes individuelles sur une crête en spirale, décalées de 1 à 5° chacune, formant des micro-saillies en gradins qui augmentent le frottement contre les solides ; diminuer l’angle de décalage vers la décharge augmente la pression interne et la siccité du gâteau.

Machines à arbres (cylindres) multiples

Plusieurs éléments de séparation dans un seul carter, couplés à un seul entraînement — le concept de mise à l’échelle de la capacité toujours utilisé dans les grandes unités VOLUTE™ ; cependant, aujourd’hui, chacun des cylindres de déshydratation possède son propre entraînement.

Applications

Au-delà des boues d’épuration municipales, le mécanisme était — et reste — applicable à presque tous les types de boues industrielles.

Enregistrement

Sources primaires

Les documents : où l’invention est enregistrée

La priorité pour la presse à vis multidisques repose sur la demande japonaise du 21 février 1992, étendue internationalement par le PCT et accordée en Europe en 1996. Les deux documents nomment AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo) comme déposant et le fondateur de l’entreprise comme inventeur.

固液分離装置 — Appareil de séparation solide-liquide

Publication

特開平 5-228695 (JP H5-228695 A)

Demande

特願平 4-69996 · déposée le 21.02.1992

Publié le

07.09.1993

Déposant

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

Inventeur

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 — Appareil de séparation solide-liquide

Déposé

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

Priorité

21.02.1992 · JP 69996/92

Accordé

28.08.1996 · Bulletin 1996/35

États

DE · FR · GB

Propriétaire

Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo

Revendication 1

Anneaux fixes + vis rotative, caractérisés par des anneaux flottants dans les interstices avec un diamètre intérieur inférieur au diamètre extérieur de la vis.

La clause de caractérisation de la revendication 1 — anneaux flottants avec D₅ < D₄ — est la définition légale du principe multidisque. Toute presse multidisque ultérieure, quelle que soit la marque sur le carter, met en œuvre le mécanisme divulgué ici en premier.

1991→

Continuité

Trois décennies du même principe, développé en continu par son inventeur

Le mécanisme multidisque a retiré le dernier consommable de la presse à vis : pas de toile à colmater, pas de lame à casser, pas de rampe d’aspersion à alimenter. Il a rendu le fonctionnement sans surveillance pratique et a ouvert la voie à des types de boues — huileuses, graisseuses, de l’industrie alimentaire — que les machines à base de toile ne pouvaient pas traiter. AMCON a fabriqué ce mécanisme sans interruption depuis lors, en tant que fabricant d’équipement d’origine, et n’a cessé de le développer.

Un bond évolutif s’est produit en 2021 lorsqu’AMCON a lancé la VOLUTE DUO, un type de presse complètement nouveau qui, grâce à sa conception sans contact, a porté la valeur d’usage des presses de déshydratation à un tout autre niveau, en particulier en matière de coûts de maintenance.

Pratique

Un seul principe, de nombreuses boues

Adapter chaque presse à la boue, sans changer le principe

Une presse multidisque n’est pas un objet fixe mais un équipement configurable. Le mécanisme — anneaux fixes, anneaux mobiles, une vis à rotation lente — est invariable, mais la boue n’est pas un matériau unique : la teneur en matières sèches, la teneur en fibres, les huiles et les graisses, la taille des particules et la résistance des flocs varient considérablement selon la source. La presse à vis classique VOLUTE™ (à la différence de la VOLUTE DUO™ ultérieure) est donc construite pour être adaptée au produit entrant plutôt que vendue comme une unité universelle. Plusieurs paramètres sont définis par application, sans modifier le principe sous-jacent :

Géométrie de la vis

Le pas de la vis, l’angle de décalage des segments d’aube et la conicité définissent la vitesse de transport et l’accumulation de pression interne le long du cylindre. Le dépôt de 1992 décrit déjà la diminution de l’angle de décalage vers la décharge pour augmenter la siccité du gâteau — le même levier utilisé aujourd’hui pour régler une presse sur une boue donnée.

Dimensionnement des interstices

Le micro-interstice g est choisi en fonction de l’épaisseur des anneaux et des espaceurs, et il est fréquemment réglé différemment entre la zone d’épaississement (entrée) et la zone de déshydratation (décharge) du même cylindre, équilibrant ainsi le débit de filtrat par rapport à la siccité du gâteau sur la longueur de la machine.

Sélection de l’entraînement

La puissance du moteur et du réducteur ainsi que la vitesse de rotation définissent le débit et le temps de séjour ; une vitesse inférieure augmente la concentration, tandis qu’une vitesse supérieure augmente la capacité. L’entraînement est spécifié en fonction de la tâche à accomplir plutôt que d’être fixe.

Parce qu’ils sont réglés par application, une seule presse physique peut être ajustée pour une large gamme de types de boues sans reconcevoir le mécanisme. Ce qui rend ce réglage fiable n’est pas seulement la géométrie, mais la cartographie empirique des caractéristiques de l’alimentation par rapport à la configuration — quelle vis, quels interstices, quel entraînement pour quelle boue. En tant que fabricant d’origine, AMCON a accumulé ce savoir-faire sur plusieurs décennies et dans de nombreuses industries, et l’applique lors de la spécification de chaque unité.

C’est la distinction pratique entre le créateur et les copies ultérieures du mécanisme. Les fabricants de copies proposent généralement une configuration unique et fixe, et la déploient largement, indépendamment de la boue à traiter. Lorsque la boue s’écarte des caractéristiques auxquelles cette configuration unique convient, le résultat est une déshydratation insuffisante ou un échec pur et simple des performances — souvent au niveau de prix inférieur qui avait rendu la copie attrayante en premier lieu.

Un effet secondaire bien documenté s’ensuit : lorsqu’une unité inadaptée sous-performe, les opérateurs peuvent attribuer ce déficit de résultat au principe multidisque lui-même plutôt qu’à la configuration spécifique. L’imitation sur le marché affecte ainsi la perception de l’ensemble de la catégorie technologique — une externalité de réputation commune aux fabricants d’origine pour de nombreux produits d’ingénierie, qui n’est pas propre à la déshydratation des boues.

Chaque VOLUTE™ est une presse à vis multidisques. Toutes les presses à vis multidisques ne sont pas des VOLUTE™ — seul AMCON fabrique l’original.