Origine della pressa a coclea multidisco VOLUTE™

Ogni VOLUTE™ è una pressa a coclea multidisco. Non ogni pressa a coclea multidisco è una VOLUTE™

Ogni pressa a coclea multidisco oggi in funzione — anelli fissi, anelli mobili e una coclea a rotazione lenta — risale a un’unica domanda di brevetto giapponese depositata da AMCON nel febbraio 1992. Questa pagina documenta come è stato sviluppato il meccanismo, perché si è reso 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 del cilindro di disidratazione. Anelli fissi (6), anelli mobili (30), coclea (31), micro-interstizio g, scanalatura di guida del liquido (34).

Anni 1970

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, gestiva fosse settiche e piccoli impianti di depurazione presso complessi residenziali giapponesi. Il fango liquido proveniente da queste vasche in loco doveva essere trasportato agli impianti di depurazione centralizzati e l’ispessimento dei fanghi prima del trasporto era il modo più ovvio per ridurre volumi e costi; tuttavia, gli ispessitori di fanghi e le presse di disidratazione dell’epoca erano proibitivamente costosi e difficili da installare su tale scala.

Il principio di separazione dominante era la tela filtrante: il fango viene caricato su un nastro permeabile, l’acqua drena attraverso di esso e i solidi vengono trattenuti. Il punto debole è strutturale. I solidi fini ostruiscono progressivamente la tela, per cui il nastro deve essere pulito in continuo con acqua di lavaggio 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 richiesta, frequente sostituzione delle tele e il quasi totale fallimento con il fango oleoso, che ostruisce la tela in modo irreversibile.

Poiché il personale di AMCON eseguiva quotidianamente la manutenzione di queste apparecchiature, l’azienda conosceva in prima persona queste modalità di guasto. Nel 1982 costruì la sua prima macchina in proprio: un ispessitore di fanghi compatto a tela filtrante. Risolveva il problema delle dimensioni e del prezzo, ma ereditava tutti i limiti della tela stessa. La lezione tratta da quell’esperienza tracciò la rotta per tutto ciò che seguì: eliminare completamente la tela filtrante.

Archivio, AMCON Inc. — gestione dei fanghi presso le fosse settiche di complessi residenziali, anni 1970. Il fango liquido veniva trasportato fuori sede; la riduzione del volume era il collo di bottiglia economico.

Archivio, AMCON Inc. — la prima macchina prodotta internamente (1982): un ispessitore di fanghi a tela filtrante. Compatto ed economico, ma soggetto a intasamento della tela e a un’elevata richiesta di acqua di lavaggio.

1991 →

Prima VOLUTE™

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

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

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

La R&S ripartì dal principio della pressa a coclea: nessuna tela, bassa velocità di rotazione, minimo fabbisogno energetico. La questione aperta era come evitare che il cilindro di disidratazione si intasasse senza ricorrere all’acqua di lavaggio. La prima risposta fu il raschiamento meccanico. Un filtro cilindrico veniva assemblato impilando anelli con fessure strette, e ogni spira della coclea portava sottili lame di pulizia a pettine che si inserivano nelle fessure e respingevano i solidi penetrati all’interno del canale della coclea.

La macchina funzionava, fu brevettata nel 1990 ed entrò sul mercato nell’aprile 1991 con il nome VOLUTE™ — dal latino voluta, spirale. Gli ordini aumentarono. Ma aumentò anche una segnalazione ricorrente dal campo: le lame si rompevano dopo sole poche centinaia di ore di funzionamento a pieno carico.

Gli stessi depositi brevettuali dell’azienda sono schietti riguardo alla causa. Le lame dovevano essere prodotte sottili e con elevata precisione per inserirsi correttamente nella fessura di ciascun anello; quella stessa geometria concentrava il carico di raschiamento sulla parte più debole. Inoltre, ogni lama doveva essere montata sull’albero con estrema precisione, facendo lievitare i costi. L’usura, le rotture e la frequente sostituzione delle palette erano intrinseche al concetto, non un difetto di fabbricazione. Serviva un diverso meccanismo autopulente anti-intasamento, privo di componenti di pulizia dedicati soggetti a usura.

1992

L’invenzione

Anelli mobili: il meccanismo autopulente anti-intasamento che ha definito la pressa a coclea multidisco

L’idea decisiva non nacque al tavolo da disegno. Viaggiando su un treno di pendolari, il fondatore Masaaki Sasaki osservò la fila di maniglie di sostegno oscillare 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 trattenuti con gioco, con la coclea stessa ad azionare gli anelli mobili, le fessure del filtro sarebbero state pulite in continuo dal funzionamento stesso della macchina. Un prototipo confermò il principio e il 21 febbraio 1992 AMCON depositò la domanda di brevetto per l’«apparecchio di separazione solido-liquido» — la pressa a coclea multidisco. Vale la pena descrivere il meccanismo con precisione, poiché in linea di principio è rimasto invariato in ogni macchina VOLUTE™ prodotta da allora:

Anelli fissi (6)

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

Anelli mobili (30)

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

Coclea (31)

Ruota all’interno del pacco di anelli e trasporta il fango in direzione assiale. Il diametro interno D₅ dell’anello mobile è inferiore al diametro esterno D₄ della coclea, per cui ciascun anello poggia sulla spira in un singolo punto di contatto P.

Meccanismo autopulente anti-intasamento

L’attrito nel punto P trascina ciascun anello mobile in una rotazione eccentrica attorno all’asse della coclea, facendolo scorrere radialmente con una corsa pari a D₄ − D₅ ad ogni giro. Il moto relativo delle facce degli anelli espelle continuamente i solidi dai micro-interstizi.

Percorso del filtrato

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

Conseguenze progettuali già evidenziate nel deposito del 1992: anelli e distanziali possono essere realizzati con spessori elevati (resistenza meccanica) pur mantenendo piccolo il valore g; sono realizzabili diametri degli anelli di 500–1 000 mm; i componenti possono essere in resina, metallo o ceramica; il montaggio e lo smontaggio risultano semplici poiché nessun componente deve compenetrarsi con la precisione richiesta dalle lame.

Fig. 6, EP 0 581 965 B1 — una rivoluzione della coclea, stati (a)–(d).

L’anello mobile (30) ruota attorno al proprio asse X₂ scorrendo al contempo radialmente rispetto all’asse X₁ della coclea; il punto di contatto P si sposta lungo la circonferenza.

Fig. 1–12

Dal deposito brevettuale

Cosa conteneva già la domanda del 1992

Il deposito originale è straordinariamente completo. Non descrive una singola macchina, bensì l’intero spazio progettuale che AMCON e, più tardi, i suoi imitatori avrebbero occupato nei tre decenni successivi:

Fig. 1, EP 0 581 965 B1 — sezione longitudinale del separatore completo: ingresso (2), cilindro di disidratazione (5), uscita del filtrato (4), scarico del panello (3), motoriduttore (17).

特開平5-228695, p. 8 — sequenza di movimento degli anelli, configurazioni inclinate (Fig. 7–8), coclea a segmenti di paletta (Fig. 9–10) e macchina bialbero (Fig. 12) nella pubblicazione originale giapponese.

Modalità di ispessimento dei fanghi

Disposizione orizzontale: fango flocculato con il 99–98,5 % di umidità in ingresso, solidi ispessiti al 97–95 % in uscita — drenaggio per gravità attraverso i micro-interstizi, sufficientemente delicato da preservare i fiocchi (alimentazione a sfioro, non a caduta libera).

Modalità di disidratazione dei fanghi

Lo stesso elemento inclinato di 45–90°: la colonna di fango riempie il canale della coclea, la pressione interna aumenta verso lo scarico del panello e l’acqua viene espulsa per compressione attraverso le fessure — panello di fango con umidità inferiore all’85 % da un’unica macchina, in sostituzione della precedente configurazione a due stadi con ispessitore di fanghi + pressa.

Modalità di grigliatura

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

Coclea a segmenti di paletta

Una coclea assemblata con singoli segmenti di paletta montati su una nervatura a spirale, sfalsati di 1–5° ciascuno, che formano micro-sporgenze a gradini in grado di aumentare l’attrito contro i solidi; riducendo l’angolo di sfalsamento verso lo scarico aumentano la pressione interna e il grado di secco del panello.

Macchine multialbero (multicilindro)

Più cilindri di disidratazione in un unico telaio, collegati tramite ingranaggi a un solo azionamento: il concetto di scalabilità della capacità di trattamento tuttora impiegato nelle grandi unità VOLUTE™; oggi, tuttavia, ciascuno dei cilindri di disidratazione è dotato di un proprio azionamento.

Applicazioni

Oltre al fango misto urbano, il meccanismo era — e rimane — applicabile a quasi ogni tipo di fango industriale.

Documentazione

Fonti primarie

I documenti: dove è registrata l’invenzione

La priorità per la pressa a coclea multidisco poggia sulla domanda giapponese del 21 febbraio 1992, estesa a livello internazionale tramite il trattato 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 — Apparecchio per la 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 — Apparecchio per la separazione solido-liquido

Depositato

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

Priorità

21.02.1992 · JP 69996/92

Concesso

28.08.1996 · Bollettino 1996/35

Stati

DE · FR · GB

Titolare

Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo

Rivendicazione 1

Anelli stazionari + coclea girevole, caratterizzati da anelli mobili nelle fessure con diametro interno inferiore al diametro esterno della coclea

La clausola caratterizzante della rivendicazione 1 — anelli mobili con D₅ < D₄ — costituisce la definizione giuridica del principio multidisco. Ogni pressa a coclea multidisco successiva, qualunque sia il marchio riportato sulla carpenteria, attua il meccanismo divulgato qui per la prima volta.

1991→

Continuità

Tre decenni dello stesso principio, costantemente sviluppato dal suo inventore

Il meccanismo multidisco ha eliminato l’ultimo materiale di consumo dalla pressa a coclea: nessuna tela che si intasa, nessuna lama che si spezza, nessuna barra di spruzzatura da alimentare. Ha reso concretamente realizzabile il funzionamento non presidiato e ha aperto la strada a tipologie di fango — fanghi oleosi, grassi, dell’industria alimentare — che le macchine a tela non potevano trattare. Da allora AMCON produce il meccanismo senza interruzioni in qualità di costruttore originale (OEM) e continua a perfezionarlo.

Un enorme salto evolutivo si è verificato nel 2021 quando AMCON ha lanciato la VOLUTE DUO, una tipologia di pressa completamente nuova che, grazie al suo design senza contatto, ha portato il valore pratico delle presse per la disidratazione dei fanghi a un livello del tutto nuovo, in particolare in termini di costi di manutenzione.

Pratica operativa

Un unico principio, molti fanghi

Tre decenni dello stesso principio, costantemente sviluppato dal suo inventore

Una pressa a coclea multidisco non è un oggetto fisso, bensì configurabile. Il meccanismo — anelli fissi, anelli mobili, una coclea a rotazione lenta — è invariante, ma il fango non è un materiale uniforme: concentrazione di sostanza secca, contenuto di fibre, oli e grassi, granulometria e resistenza del fiocco variano ampiamente a seconda dell’origine. La classica pressa a coclea VOLUTE™ (distinta dalla successiva VOLUTE DUO™) è pertanto costruita per essere adattata al fango in ingresso anziché venduta come un’unica unità universale. Diversi parametri vengono impostati per ciascuna applicazione, senza alterare il principio di base:

Geometria della coclea

Il passo della spira, l’angolo di sfalsamento dei segmenti di paletta e la conicità dell’albero determinano la velocità di trasporto e l’aumento della pressione interna lungo il cilindro di disidratazione. Già il deposito del 1992 descrive la riduzione dell’angolo di sfalsamento verso lo scarico per aumentare il grado di secco del panello — la stessa leva utilizzata ancora oggi per calibrare una pressa su uno specifico fango.

Dimensionamento delle fessure tra gli anelli

Il micro-interstizio g viene scelto in base agli spessori degli anelli e dei distanziali, e viene spesso impostato su valori diversi tra la zona di ispessimento (ingresso) e la zona di disidratazione (scarico) dello stesso cilindro di disidratazione, bilanciando la portata di filtrato e il grado di secco del panello lungo lo sviluppo della macchina.

Selezione dell’azionamento

La potenza nominale e la velocità di rotazione del motoriduttore determinano la capacità di trattamento e il tempo di ritenzione; una velocità inferiore aumenta la concentrazione, mentre una velocità superiore incrementa la portata. L’azionamento viene dimensionato in base alle specifiche di esercizio, anziché essere fisso.

Poiché questi parametri vengono definiti per ogni singola applicazione, una stessa pressa può essere calibrata per un’ampia gamma di tipologie di fango senza dover riprogettare il meccanismo. Ciò che rende affidabile tale messa a punto non è solo la geometria, ma la correlazione empirica tra le caratteristiche del fango in ingresso e la configurazione ottimale: quale coclea, quali fessure e quale azionamento adottare per uno specifico fango. In qualità di costruttore originale, AMCON ha maturato questo know-how nel corso di diversi decenni e in molteplici settori industriali, applicandolo nel dimensionamento di ogni singola unità.

Questa è la differenza sostanziale tra l’ideatore della tecnologia e le successive imitazioni del meccanismo. I produttori di copie offrono solitamente un’unica configurazione standard e la impiegano indistintamente, a prescindere dal fango in ingresso. Quando le caratteristiche del fango si discostano da quelle idonee a tale configurazione fissa, il risultato è una disidratazione dei fanghi insufficiente o il completo mancato funzionamento, spesso a fronte di quel prezzo inferiore che aveva reso l’imitazione allettante in partenza.

Ne consegue un effetto collaterale ben documentato: quando un’unità non correttamente configurata offre prestazioni scarse, gli operatori tendono ad attribuire il problema al principio multidisco in sé piuttosto che alla specifica configurazione. La presenza di imitazioni sul mercato penalizza così la percezione dell’intera categoria tecnologica: un danno reputazionale indiretto comune ai costruttori originali di molti prodotti ingegneristici, non esclusivo 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.