Origine della pressa a coclea multidisco VOLUTE™

Ogni VOLUTE™ è una pressa a coclea multidisco. Non tutte le presse a coclea multidisco sono una VOLUTE™

Ogni pressa a coclea multidisco oggi in funzione — anelli fissi, anelli mobili e una coclea a rotazione lenta — risale a una singola domanda di brevetto giapponese depositata da AMCON nel febbraio 1992. Questa pagina documenta come è stato sviluppato il meccanismo, perché era necessario e dove è registrata l’invenzione originale.

Inventore
Masaaki Sasaki, fondatore di AMCON

Documento di priorità
JP H5-228695 (1992)

Concessione europea
EP 0 581 965 B1 (1996)

Fig. 4, EP 0 581 965 B1 — sezione trasversale dell’elemento di separazione. Anelli fissi (6), anelli mobili (30), coclea (31), micro-gap g, scanalatura di guida del liquido (34).

Anni ’70

Il problema

Tele filtranti, acqua di lavaggio e intasamento: lo stato dell’arte prima di VOLUTE™

AMCON non è nata come costruttore di macchine. Fondata nel 1974 come azienda di manutenzione, si occupava di fosse settiche e piccoli impianti di trattamento delle acque reflue presso complessi residenziali giapponesi. I fanghi liquidi di queste vasche in loco dovevano essere trasportati a impianti di trattamento centralizzati, e addensarli prima del trasporto era il modo ovvio per ridurre volumi e costi — ma gli addensatori e le presse di disidratazione dell’epoca erano proibitivamente costosi e difficili da installare su quella scala.

Il principio di separazione dominante era la tela filtrante: il fango viene caricato su un nastro permeabile, l’acqua drena e i solidi rimangono. Il punto debole è strutturale. I solidi fini accecano progressivamente la tela, quindi il nastro deve essere pulito continuamente con acqua nebulizzata ad alta pressione. Le conseguenze sono ben note a qualsiasi operatore di quella generazione di apparecchiature: elevato consumo di acqua di lavaggio, sistemi di ugelli spruzzatori, nastri sovradimensionati per raggiungere la capacità, frequente sostituzione della tela — e fallimento quasi totale con i fanghi oleosi, che accecano la tela in modo irreversibile.

Poiché il personale di AMCON effettuava la manutenzione di queste apparecchiature quotidianamente, l’azienda conosceva in prima persona queste modalità di guasto. Nel 1982 costruì la sua prima macchina — un addensatore compatto a tela filtrante. Risolveva il problema delle dimensioni e del prezzo, ma ereditava ogni limite della tela stessa. La lezione che ne derivò tracciò la rotta per tutto ciò che seguì: eliminare completamente la tela filtrante.

Archivio, AMCON Inc. — gestione dei fanghi presso fosse settiche di complessi residenziali, anni ’70. Il fango liquido veniva trasportato altrove; la riduzione del volume era il collo di bottiglia economico.

Archivio, AMCON Inc. — la prima macchina prodotta internamente (1982): un addensatore a tela filtrante. Compatto e accessibile, ma soggetto all’intasamento della tela e al fabbisogno di acqua di lavaggio.

1991

La prima VOLUTE™

La pressa a coclea a pettine: una macchina funzionante con un problema di usura

Archivio, AMCON Inc. — la VOLUTE™ a pettine (brevetto 1990, lancio sul mercato aprile 1991): filtro ad anelli stratificati con lame di pulizia intersecanti.

Archivio, AMCON Inc. — la modalità di guasto: il carico concentrato sulle sottili lame di pulizia causava rotture dopo poche centinaia di ore di funzionamento.

La ricerca e sviluppo ripartì dal principio della pressa a coclea: niente tela, bassa velocità di rotazione, minimo fabbisogno energetico. La questione aperta era come evitare che l’elemento filtrante si intasasse senza acqua di lavaggio. La prima risposta fu la raschiatura meccanica. Un filtro cilindrico fu assemblato da anelli impilati con fessure strette, e ogni spira della coclea portava sottili lame di pulizia a forma di pettine che entravano nelle fessure e spingevano i solidi intrusi di nuovo nel canale della coclea.

La macchina funzionava, fu brevettata nel 1990 ed entrò nel mercato nell’aprile 1991 con il nome VOLUTE™ — dal latino voluta, spirale. Gli ordini crebbero. Così come un ricorrente rapporto dal campo: le lame si rompevano dopo solo poche centinaia di ore di funzionamento a pieno carico.

I depositi di brevetto della stessa azienda sono onesti riguardo alla causa. Le lame dovevano essere prodotte sottili e con alta precisione per entrare correttamente in ogni fessura tra gli anelli; la stessa geometria concentrava il carico di raschiatura sulla parte più debole. Ogni lama doveva anche essere montata sull’albero con estrema accuratezza, facendo lievitare i costi. Usura, rottura e frequente sostituzione delle palette erano intrinseche al concetto, non un difetto di fabbricazione. Era necessario un diverso principio di autopulizia — uno senza parti dedicate alla pulizia soggette a usura.

1992

L’invenzione

Anelli mobili: il meccanismo di autopulizia che ha definito la pressa a coclea multidisco

L’idea decisiva non è arrivata a un tavolo da disegno. Viaggiando su un treno per pendolari, il fondatore Masaaki Sasaki osservò la fila di maniglie che oscillavano con il movimento del vagone e si chiese se degli anelli in movimento potessero mantenere pulito un filtro da soli — senza lame, senza spruzzi. Se il filtro cilindrico fosse stato costruito alternando anelli fissi e anelli mobili prigionieri ma liberi, con la coclea stessa a guidare gli anelli mobili, le fessure del filtro sarebbero state pulite continuamente dal funzionamento stesso della macchina. Un prototipo confermò il principio e il 21 febbraio 1992 AMCON depositò la domanda di brevetto per l'”apparato di separazione solido-liquido” — la pressa a coclea multidisco. Vale la pena descrivere il meccanismo con precisione, perché è rimasto invariato nel principio in ogni macchina VOLUTE™ prodotta da allora:

Anelli fissi (6)

Impilati in direzione assiale, separati da distanziali e serrati da tiranti in un unico cilindro rigido. Larghezza della fessura tra gli anelli: G.

Anelli mobili (30)

Uno in ogni fessura, di spessore T < G. La differenza definisce un micro-gap g su ogni faccia — ad es. G = 6 mm, T = 5 mm dà g = 0,5 mm. L’anello è prigioniero ma libero di spostarsi radialmente e di ruotare.

Coclea (31)

Scorre all’interno del pacco di anelli e trasporta il fango assialmente. Il diametro interno dell’anello mobile D₅ è più piccolo del diametro esterno della coclea D₄, quindi ogni anello poggia sulla spira in un unico punto di contatto P.

Autopulizia

L’attrito in P trascina ogni anello mobile in una rotazione eccentrica attorno all’asse della coclea, scivolando radialmente con una corsa di D₄ − D₅ per giro. Il moto relativo delle facce degli anelli espelle continuamente i solidi dai micro-gap.

Percorso del filtrato

L’acqua drena per gravità attraverso i micro-gap; una scanalatura di guida circonferenziale (34) su ogni anello mobile conduce il filtrato che emerge nella parte superiore del pacco verso il basso, impedendone il rientro nel canale della coclea.

Conseguenze progettuali già annotate nel deposito del 1992: anelli e distanziali possono essere realizzati spessi (resistenza meccanica) mentre g rimane piccolo; sono fattibili diametri degli anelli di 500–1000 mm; i componenti possono essere in resina, metallo o ceramica; il montaggio e lo smontaggio sono semplici perché nessuna parte deve incastrarsi con la precisione di una lama.

Fig. 6, EP 0 581 965 B1 — un giro di coclea, stati (a)–(d).

L’anello mobile (30) ruota attorno al proprio asse X₂ mentre scivola radialmente rispetto all’asse della coclea X₁; il punto di contatto P percorre la circonferenza.

Fig. 1–12

Dal deposito

Cosa conteneva già la domanda del 1992

Il deposito originale è straordinariamente completo. Descrive non una singola macchina ma l’intero spazio progettuale che AMCON e, più tardi, i suoi imitatori avrebbero occupato per i tre decenni successivi:

Fig. 1, EP 0 581 965 B1 — sezione longitudinale del separatore completo: afflusso (2), elemento di separazione (5), porta del filtrato (4), scarico solidi (3), motoriduttore (17).

特開平5-228695, p. 8 — sequenza di movimento degli anelli, disposizioni inclinate (Fig. 7–8), coclea a palette (Fig. 9–10) e la macchina a doppio albero (Fig. 12) nella pubblicazione originale giapponese.

Modalità addensamento

Disposizione orizzontale: fango flocculato al 99–98,5% di umidità in ingresso, solidi addensati al 97–95% in uscita — drenaggio a gravità attraverso i micro-gap, abbastanza delicato da preservare i flocculi (ingresso per sfioro, non per caduta libera).

Modalità disidratazione

Lo stesso elemento inclinato di 45–90°: la colonna di fango riempie il canale della coclea, la pressione interna sale verso l’estremità di scarico e l’acqua viene spremuta attraverso le fessure — fango disidratato sotto l’85% di umidità da una singola macchina, sostituendo la precedente disposizione addensatore + pressa a due stadi.

Modalità vagliatura

Disposizione inclinata verso il basso per la semplice rimozione di impurità grossolane da acque reflue non flocculate (industria alimentare, lavorazione della carne, cucine di hotel).

Coclea a palette

Una coclea assemblata da singole palette su una cresta a spirale, sfalsate di 1–5° ciascuna, che formano micro-sporgenze a gradini che aumentano l’attrito contro i solidi; diminuendo l’angolo di sfalsamento verso lo scarico si aumenta la pressione interna e la secchezza del fango.

Macchine multi-albero (cilindro)

Diversi elementi di separazione in un unico alloggiamento, collegati a un unico azionamento — il concetto di scalabilità della capacità ancora utilizzato nelle grandi unità VOLUTE™; tuttavia, oggi, ciascuno dei cilindri di disidratazione ha il proprio azionamento.

Applicazioni

Oltre ai fanghi di depurazione municipali, il meccanismo era — e rimane — applicabile a quasi ogni tipo di fango industriale.

Record

Fonti primarie

I documenti: dove è registrata l’invenzione

La priorità per la pressa a coclea multidisco si basa sulla domanda giapponese del 21 febbraio 1992, estesa a livello internazionale tramite il PCT e concessa in Europa nel 1996. Entrambi i documenti indicano AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo) come richiedente e il fondatore dell’azienda come inventore.

固液分離装置 — Apparato di separazione solido-liquido

Pubblicazione

特開平5-228695 (JP H5-228695 A)

Domanda

特願平4-69996 · depositata il 21.02.1992

Pubblicato

07.09.1993

Richiedente

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

Inventore

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 — Apparato di separazione solido-liquido

Depositata

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

Priorità

21.02.1992 · JP 69996/92

Concessa

28.08.1996 · Bollettino 1996/35

Stati

DE · FR · GB

Proprietario

Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo

Rivendicazione 1

Anelli fissi + coclea rotante, caratterizzati da anelli flottanti nelle fessure con diametro interno inferiore al diametro esterno della coclea

La clausola caratterizzante della rivendicazione 1 — anelli flottanti con D₅ < D₄ — è la definizione legale del principio multidisco. Ogni successiva pressa multidisco, qualunque sia il marchio sulla carcassa, implementa il meccanismo divulgato qui per la prima volta.

1991

Continuità

Tre decenni dello stesso principio, sviluppato continuamente dal suo inventore

Il meccanismo multidisco ha rimosso l’ultimo materiale di consumo dalla pressa a coclea: nessuna tela da accecare, nessuna lama da rompere, nessuna barra di spruzzatura da alimentare. Ha reso pratico il funzionamento non presidiato e ha aperto la strada a tipi di fanghi — oleosi, grassi, dell’industria alimentare — che le macchine a tela non potevano trattare. AMCON produce il meccanismo senza interruzioni da allora, come produttore di apparecchiature originali, e ha continuato a perfezionarlo.

Un enorme salto evolutivo è avvenuto nel 2021 quando AMCON ha lanciato la VOLUTE DUO, un tipo di pressa completamente nuovo che, grazie al suo design senza contatto, ha portato il valore d’uso delle presse di disidratazione a un livello completamente nuovo, in particolare in termini di costi di manutenzione.

Pratica

Un principio, molti fanghi

Tre decenni dello stesso principio, sviluppato continuamente dal suo inventore

Una pressa multidisco non è un oggetto fisso ma configurabile. Il meccanismo — anelli fissi, anelli mobili, una coclea a rotazione lenta — è invariante, ma il fango non è un materiale unico: il contenuto di solidi secchi, il contenuto di fibre, l’olio e il grasso, la dimensione delle particelle e la forza dei flocculi variano ampiamente a seconda della fonte. La classica pressa a coclea VOLUTE™ (diversa dalla successiva VOLUTE DUO™) è quindi costruita per essere adattata all’alimentazione piuttosto che venduta come un’unità universale. Diversi parametri vengono impostati per applicazione, senza alterare il principio di base:

Geometria della coclea

Il passo della spira, l’angolo di sfalsamento delle palette e la conicità determinano la velocità di trasporto e l’accumulo di pressione interna lungo il cilindro. Il deposito del 1992 descrive già la diminuzione dell’angolo di sfalsamento verso lo scarico per aumentare la secchezza del fango — la stessa leva usata oggi per sintonizzare una pressa su un dato fango.

Dimensionamento del gap tra gli anelli

Il micro-gap g viene scelto in base agli spessori degli anelli e dei distanziali, e viene spesso impostato in modo diverso tra la zona di addensamento (ingresso) e la zona di disidratazione (scarico) dello stesso cilindro, bilanciando la velocità del filtrato rispetto alla secchezza del fango lungo la lunghezza della macchina.

Selezione dell’azionamento

La potenza del motore e del riduttore e la velocità di rotazione determinano la produttività e il tempo di permanenza; una velocità inferiore aumenta la concentrazione, una velocità superiore aumenta la capacità. L’azionamento è specificato in base al servizio piuttosto che fisso.

Poiché questi parametri sono impostati per applicazione, una singola pressa fisica può essere sintonizzata su un’ampia gamma di tipi di fanghi senza riprogettare il meccanismo. Ciò che rende affidabile tale sintonizzazione non è solo la geometria, ma la mappatura empirica dalle caratteristiche dell’alimentazione alla configurazione — quale coclea, quali gap, quale azionamento per quale fango. Come produttore originale, AMCON ha accumulato questa mappatura nel corso di diversi decenni e in molti settori, e la applica nella specifica di ogni unità.

Questa è la distinzione pratica tra l’originatore e le successive copie del meccanismo. I produttori di copie offrono tipicamente una singola configurazione fissa e la distribuiscono ampiamente, indipendentemente dall’alimentazione. Dove il fango si discosta da ciò che quella singola configurazione può gestire, il risultato è una disidratazione insufficiente o un fallimento totale delle prestazioni — spesso al prezzo più basso che aveva reso attraente la copia in primo luogo.

Ne consegue un effetto collaterale ben documentato: quando un’unità non adatta fornisce prestazioni insufficienti, gli operatori possono attribuire la carenza al principio multidisco stesso piuttosto che alla configurazione specifica. L’imitazione sul mercato influisce così sulla percezione dell’intera categoria tecnologica — un’esternalità reputazionale comune ai produttori originali in molti prodotti ingegnerizzati, non esclusiva della disidratazione dei fanghi.

Ogni VOLUTE™ è una pressa a coclea multidisco. Non tutte le presse a coclea multidisco sono una VOLUTE™ — solo AMCON costruisce l’originale.