A többtárcsás VOLUTE™ csigás prés eredete

Minden VOLUTE™ többtárcsás csigás prés. De nem minden többtárcsás csigás prés VOLUTE™

Minden ma működő többtárcsás csigás prés – amely álló gyűrűkből, mozgó gyűrűkből és egy lassan forgó csigából áll – egyetlen, az AMCON által 1992 februárjában benyújtott japán szabadalmi bejelentésre vezethető vissza. Ez az oldal dokumentálja, hogyan fejlesztették ki a mechanizmust, miért volt rá szükség, és hol van bejegyezve az eredeti találmány.

Feltaláló
Masaaki Sasaki, az AMCON alapítója

Elsőbbségi irat
JP H5-228695 (1992)

Európai szabadalom
EP 0 581 965 B1 (1996)

4. ábra, EP 0 581 965 B1 – a víztelenítő henger keresztmetszete. Álló gyűrűk (6), mozgó gyűrűk (30), csiga (31), g mikrorés, folyadékelvezető horony (34).

1970-es évek

A probléma

Szűrővásznak, öblítővíz és eltömődés: a technika állása a VOLUTE™ előtt

Az AMCON nem gépgyártóként indult. Az 1974-ben karbantartó vállalatként alapított cég japán lakótelepek oldómedencéit és kis szennyvíztisztító telepeit szervizelte. A helyszíni tartályokból származó folyékony iszapot központi tisztítótelepekre kellett szállítani, és a szállítás előtti iszapsűrítés nyilvánvaló módszer volt a térfogat és a költségek csökkentésére – a korabeli iszapsűrítők és víztelenítő prések azonban megfizethetetlenül drágák és nehezen telepíthetők voltak ebben a mérettartományban.

Az uralkodó fázisszétválasztási elv a szűrővászon volt: az iszapot egy vízáteresztő szalagra terítik, a víz átfolyik rajta, a szilárd anyag pedig visszamarad. A gyenge pont magában a szerkezetben rejlik. A finom szilárd részecskék fokozatosan eltömítik a szövetet, ezért a szalagot folyamatosan nagynyomású öblítővízzel kell tisztítani. A következményeket jól ismeri mindenki, aki üzemeltetett ilyen generációjú berendezést: hatalmas öblítővíz-fogyasztás, fúvókarendszerek, a kapacitás eléréséhez túlméretezett szalagok, gyakori vászoncsere – és szinte teljes kudarc az olajos-zsíros iszapoknál, amelyek visszafordíthatatlanul eltömítik a szűrővásznat.

Mivel az AMCON munkatársai nap mint nap ilyen berendezéseket tartottak karban, a vállalat első kézből ismerte ezeket a meghibásodási módokat. 1982-ben megépítette első saját gépét – egy kompakt, szűrővásznas iszapsűrítőt. Ez megoldotta a méret- és árproblémát, de örökölte magának a vászonnak minden korlátját. Az ebből levont tanulság kijelölte az irányt minden további fejlesztéshez: a szűrővásznat teljesen ki kell iktatni.

Archívum, AMCON Inc. – iszapkezelés lakótelepi oldómedencéknél, 1970-es évek. A folyékony iszapot elszállították; a térfogatcsökkentés volt a gazdasági szűk keresztmetszet.

Archívum, AMCON Inc. – az első saját fejlesztésű gép (1982): szűrővásznas iszapsűrítő. Kompakt és megfizethető, de ki van téve a vászon eltömődésének és az öblítő-víz-igénynek.

1991 →

Az első VOLUTE™

A fésűs pengéjű csigás prés: működőképes gép kopási problémával

Archívum, AMCON Inc. – a fésűs pengéjű VOLUTE™ (szabadalom: 1990, piaci bevezetés: 1991. április): rétegelt gyűrűs szűrő egymásba nyúló tisztítópengékkel.

Archívum, AMCON Inc. – a meghibásodás módja: a vékony tisztítópengékre koncentrálódó terhelés néhány száz üzemóra után törést okozott.

A K+F a csigás prés elve körül indult újra: nincs szűrővászon, alacsony fordulatszám, minimális energiaigény. A nyitott kérdés az volt, hogyan lehet megakadályozni a víztelenítő henger eltömődését öblítővíz nélkül. Az első válasz a mechanikus lehúzás volt. A hengeres szűrőt egymásra rétegzett, keskeny résekkel elválasztott gyűrűkből állították össze, és a csiga minden menetére vékony, fésűszerű tisztítópengéket szereltek, amelyek benyúltak a résekbe, és a behatoló szilárd anyagokat visszatolták a csigajáratba.

A gép működött, 1990-ben szabadalmaztatták, és 1991 áprilisában VOLUTE™ néven – a latin voluta (spirál) szóból – piacra került. A megrendelések száma nőtt. És vele együtt egy visszatérő helyszíni hibajelentés is: a pengék mindössze néhány száz óra teljes terhelésű üzem után eltörtek.

A vállalat saját szabadalmi bejelentései nyíltan írnak az okokról. A pengéket vékonynak és nagy pontosságúnak kellett gyártani, hogy megfelelően illeszkedjenek az egyes gyűrűrésekbe; ugyanez a geometria a lehúzási terhelést a leggyengébb pontra koncentrálta. Emellett minden egyes pengét nagy pontossággal kellett a tengelyre szerelni, ami növelte a költségeket. A kopás, a törés és a lapátok gyakori cseréje a koncepció velejárója volt, nem pedig gyártási hiba. Másfajta eltömődésmentes öntisztító mechanizmusra volt szükség – olyanra, amelyben nincs külön elkopó tisztítóelem.

1992

A találmány

Mozgó gyűrűk: az eltömődésmentes öntisztító mechanizmus, amely meghatározta a többtárcsás csigás prést

A döntő ötlet nem a tervezőasztalnál született. Egy elővárosi vonaton utazva az alapító, Masaaki Sasaki figyelte a szerelvény mozgásával együtt lengő kapaszkodószíjak sorát, és felmerült benne a kérdés, hogy a mozgó gyűrűk képesek lennének-e önmaguktól tisztán tartani a szűrőt – pengék és öblítővíz nélkül. Ha a hengeres szűrőt váltakozó álló gyűrűkből és lazán rögzített mozgó gyűrűkből építenék fel, ahol maga a csiga mozgatja a mozgó gyűrűket, a szűrőréseket a gép saját működése folyamatosan tisztítaná. Egy prototípus igazolta az elvet, és 1992. február 21-én az AMCON benyújtotta szabadalmi bejelentését a „fázisszétválasztó berendezésre” – a többtárcsás csigás présre. A mechanizmust érdemes pontosan leírni, mivel elvileg változatlan formában működik minden azóta gyártott VOLUTE™ gépben:

Álló gyűrűk (6)

Tengelyirányban egymásra helyezve, távtartókkal elválasztva és összehúzó csavarokkal egyetlen merev hengerré rögzítve. A gyűrűk közötti résszélesség: G.

Mozgó gyűrűk (30)

Minden résben egy-egy darab, T < G vastagsággal. A különbség mindkét oldalon meghatároz egy g mikrorést – pl. G = 6 mm és T = 5 mm esetén g = 0,5 mm. A gyűrű meg van vezetve, de sugárirányban szabadon elmozdulhat és elfordulhat.

Csiga (31)

A gyűrűköteg belsejében forog, és tengelyirányban továbbítja az iszapot. A mozgó gyűrű D₅ belső átmérője kisebb, mint a csiga D₄ külső átmérője, így minden gyűrű egyetlen P érintkezési ponton fekszik fel a csigamenetre.

Öntisztítás

A P pontban fellépő súrlódás minden mozgó gyűrűt excentrikus forgásba visz a csiga tengelye körül, miközben fordulatonként D₄ − D₅ lökettel sugárirányban elcsúszik. A gyűrűfelületek relatív elmozdulása folyamatosan kiszorítja a szilárd anyagokat a mikrorésekből.

Szűrlet útja

A víz a gravitáció hatására távozik a mikroréseken keresztül; a mozgó gyűrűkön kialakított kerületi vezetőhorony (34) a köteg tetején kilépő szűrletet lefelé vezeti, megakadályozva annak visszajutását a csigajáratba.

A már az 1992-es bejelentésben rögzített konstrukciós előnyök: a gyűrűk és a távtartók vastagra készíthetők (mechanikai szilárdság), miközben a g mikrorés kicsi marad; 500–1000 mm-es gyűrűátmérők is megvalósíthatók; az alkatrészek készülhetnek műgyantából, fémből vagy kerámiából; az összeszerelés és a szétszerelés egyszerű, mivel egyetlen alkatrésznek sem kell pengepontossággal egymásba illeszkednie.

6. ábra, EP 0 581 965 B1 – a csiga egy fordulata, (a)–(d) állapotok.

A mozgó gyűrű (30) saját X₂ tengelye körül forog, miközben a csiga X₁ tengelyéhez képest sugárirányban elcsúszik; a P érintkezési pont körbejár a kerület mentén.

1–12. ábra

A szabadalmi bejelentésből

Mit tartalmazott már az 1992-es bejelentés

Az eredeti bejelentés figyelemre méltóan átfogó. Nem csupán egyetlen gépet ír le, hanem azt a teljes konstrukciós teret, amelyet az AMCON és később a másolói a következő három évtizedben betöltöttek:

1. ábra, EP 0 581 965 B1 – a teljes berendezés hosszmetszete: beömlés (2), víztelenítő henger (5), szűrletelvezető csonk (4), iszaplepény-kihordó nyílás (3), hajtóműves motor (17).

特開平5-228695, 8. o. – a gyűrűmozgás fázisai, ferde elrendezések (7–8. ábra), szegmensekből álló csiga (9–10. ábra) és a kéttengelyes gép (12. ábra) az eredeti japán közzétételi iratban.

Iszapsűrítési üzemmód

Vízszintes elrendezés: belépő flokkulált iszap 99–98,5% nedvességtartalommal, kilépő sűrített iszap 97–95% nedvességtartalommal – gravitációs vízelvezetés a mikroréseken keresztül, amely elég kíméletes ahhoz, hogy megőrizze az iszappelyheket (betáplálás túlfolyással, nem szabadeséssel).

Iszapvíztelenítési üzemmód

Ugyanez az egység 45–90°-ban megdöntve: az iszaposzlop kitölti a csigajáratot, a belső nyomás az iszaplepény-kihordó nyílás felé növekszik, és a víz kipréselődik a réseken – 85% alatti nedvességtartalmú iszaplepény egyetlen gépből, kiváltva a korábbi kétlépcsős iszapsűrítő + prés elrendezést.

Szűrési üzemmód

Lejtős elrendezés a durva szennyeződések egyszerű eltávolítására flokkulálatlan szennyvízből (élelmiszeripar, húsipar, szállodai konyhák).

Szegmensekből álló csiga

Spirális gerincre rögzített, egyenként 1–5°-kal eltolt lapátszegmensekből összeállított csiga, amely lépcsőzetes mikrokiállásokat képezve növeli a szilárd anyagokkal szembeni súrlódást; az eltolási szög csökkentése az iszaplepény-kihordó nyílás felé növeli a belső nyomást és az iszaplepény szárazanyag-tartalmát.

Többtengelyes (többhengeres) gépek

Több víztelenítő henger egyetlen gépházban, közös hajtásra kapcsolva – ez a kapacitásnövelési koncepció a mai napig használatos a nagy VOLUTE™ berendezésekben, azzal a különbséggel, hogy ma már minden víztelenítő henger saját hajtással rendelkezik.

Alkalmazási területek

A kommunális vegyes nyersiszapon túl a mechanizmus szinte minden ipari iszaptípusra alkalmazható volt – és az ma is.

Dokumentáció

Elsődleges források

A dokumentumok: hol van bejegyezve a találmány

A többtárcsás csigás prés elsőbbsége az 1992. február 21-i japán bejelentésen alapul, amelyet a PCT-eljáráson keresztül nemzetközileg kiterjesztettek, és Európában 1996-ban adtak meg. Mindkét dokumentum az AMCON-t (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokió) nevezi meg bejelentőként, és a vállalat alapítóját feltalálóként.

固液分離装置 — Fázisszétválasztó berendezés

Közzétételi szám

特開平5-228695 (JP H5-228695 A)

Ügyszám

特願平4-69996 · bejelentve: 21.02.1992

Közzétéve

07.09.1993

Bejelentő

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

Feltaláló

佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)

Nemzetközi osztályjelzet

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

EP 0 581 965 B1 — Fázisszétválasztó berendezés

Bejelentve

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

Elsőbbség

21.02.1992 · JP 69996/92

Megadva

28.08.1996 · Szabadalmi Közlöny: 1996/35

Megjelölt államok

DE · FR · GB

Szabadalom jogosultja

Amukon Kabushiki Kaisha, Tokió

1. igénypont

Álló gyűrűk + forgatható csiga, azzal jellemezve, hogy a résekben a csiga külső átmérőjénél kisebb belső átmérőjű mozgó gyűrűk helyezkednek el

Az 1. igénypont jellemző része – a D₅ < D₄ méretű mozgó gyűrűk – a többtárcsás elv jogi definíciója. Minden későbbi többtárcsás csigás prés, bármilyen márkanév is szerepeljen a burkolatán, az itt elsőként közzétett mechanizmust valósítja meg.

1991→

Folytonosság

Három évtized ugyanazon elv mentén, a feltaláló által folyamatosan továbbfejlesztve

A többtárcsás mechanizmus eltávolította az utolsó kopó-fogyó alkatrészt is a csigás présből: nincs eltömődő szűrővászon, nincs eltörő penge, nincs vízigényes fúvókasor. Ez a gyakorlatban is megvalósíthatóvá tette a felügyelet nélküli üzemet, és utat nyitott az olyan – olajos-zsíros, élelmiszeripari – iszaptípusok kezeléséhez, amelyekkel a szűrővásznas gépek nem tudtak megbirkózni. Az AMCON eredeti berendezésgyártóként (OEM) azóta is megszakítás nélkül gyártja és folyamatosan fejleszti ezt a mechanizmust.

Hatalmas evolúciós ugrás történt 2021-ben, amikor az AMCON piacra dobta a VOLUTE DUO berendezést, egy teljesen új típusú prést, amely súrlódásmentes kialakításának köszönhetően egészen új szintre emelte a víztelenítő prések használati értékét, különösen a karbantartási költségek tekintetében.

Gyakorlat

Egy elv, számtalan iszaptípus

Három évtized ugyanazon elv mentén, a feltaláló által folyamatosan továbbfejlesztve

A többtárcsás csigás prés nem egy merev, hanem egy konfigurálható berendezés. A mechanizmus – álló gyűrűk, mozgó gyűrűk, lassan forgó csiga – állandó, az iszap azonban nem egyetlen homogén anyag: a szárazanyag-tartalom, a rosttartalom, az olaj- és zsírtartalom, a szemcseméret és az iszappelyhek szilárdsága a forrástól függően széles határok között változik. A klasszikus VOLUTE™ csigás prést (megkülönböztetve a későbbi VOLUTE DUO™ típustól) ezért úgy építik meg, hogy a betáplált iszaphoz igazítható legyen, nem pedig egyetlen univerzális egységként értékesítik. Az alapelv megváltoztatása nélkül több paraméter is az adott alkalmazáshoz állítható:

Csigageometria

A menetemelkedés, a lapátszegmensek eltolási szöge és a kúposság határozza meg a szállítási sebességet és a belső nyomás felépülését a víztelenítő henger mentén. Már az 1992-es szabadalmi bejelentés is leírja az eltolási szög csökkentését az iszaplepény-kihordó nyílás felé az iszaplepény szárazanyag-tartalmának növelése érdekében – ugyanezt a megoldást alkalmazzuk ma is a prés adott iszaphoz történő finomhangolására.

Gyűrűrések méretezése

A g mikrorés méretét a gyűrűk és a távtartók vastagsága határozza meg, és gyakran eltérőre választják meg ugyanazon víztelenítő henger sűrítési zónája (betáplálás) és víztelenítési zónája (kihordás) között, optimalizálva a szűrletelvezetés sebességét és az iszaplepény szárazanyag-tartalmát a gép hossza mentén.

Hajtás kiválasztása

A motor és a hajtómű névleges teljesítménye, valamint a fordulatszám határozza meg az áteresztőképességet és a tartózkodási időt: az alacsonyabb fordulatszám növeli a koncentrációt, a magasabb fordulatszám pedig a kapacitást. A hajtás nem rögzített, hanem mindig az adott üzemi feladathoz kerül méretezésre.

Mivel ezeket a paramétereket alkalmazásonként állítjuk be, egyetlen fizikai présgép a mechanizmus áttervezése nélkül is az iszaptípusok széles skálájához hangolható. Ezt a hangolást nem pusztán a geometria teszi megbízhatóvá, hanem a betáplált közeg jellemzői és a konfiguráció közötti tapasztalati összerendelés – azaz hogy melyik iszaphoz melyik csiga, milyen résméret és milyen hajtás illik. Eredeti gyártóként az AMCON több évtized és számos iparág tapasztalata alapján építette fel ezt a tudásbázist, és minden egyes berendezés specifikálásakor ezt alkalmazza.

Ez a gyakorlati különbség a mechanizmus megalkotója és a későbbi másolatok között. A másolatokat gyártók jellemzően egyetlen rögzített konfigurációt kínálnak, és a betáplált iszaptól függetlenül azt alkalmazzák mindenhol. Ahol az iszap eltér attól, amire ez az egyetlen konfiguráció alkalmas, ott az eredmény elégtelen víztelenítés vagy teljes működésképtelenség lesz – gyakran azon az alacsonyabb árszinten, amely a másolatot eredetileg vonzóvá tette.

Ennek egy jól dokumentált mellékhatása is van: amikor egy nem megfelelően illesztett berendezés alulteljesít, az üzemeltetők a hiányosságot gyakran magának a többtárcsás elvnek tulajdonítják, nem pedig az adott konfigurációnak. A piacon megjelenő utánzatok így az egész technológiai kategória megítélését rontják – ez a jó hírnevet érintő externália számos mérnöki termék esetében sújtja az eredeti gyártókat, nem csupán az iszapvíztelenítés területén.

Minden VOLUTE™ többtárcsás csigás prés. De nem minden többtárcsás csigás prés VOLUTE™ – az eredetit kizárólag az AMCON gyártja.