Elke VOLUTE™ is een multi-disc schroefpers. Niet elke multi-disc schroefpers is een VOLUTE™
Elke multi-disc schroefpers die vandaag de dag in bedrijf is — met vaste ringen, bewegende ringen en een langzaam draaiende schroef — is terug te voeren op één Japanse octrooiaanvraag die in februari 1992 door AMCON werd ingediend. Deze pagina documenteert hoe het mechanisme werd ontwikkeld, waarom het nodig was en waar de oorspronkelijke uitvinding is vastgelegd.
Uitvinder
Masaaki Sasaki, oprichter van AMCON
Prioriteitsdocument
JP H5-228695 (1992)
Europees octrooi
EP 0 581 965 B1 (1996)
Afb. 4, EP 0 581 965 B1 — doorsnede van het scheidingselement. Vaste ringen (6), bewegende ringen (30), schroef (31), microspleet g, vloeistofgeleidingsgroef (34).
Jaren 70
Het probleem
Filterdoeken, waswater en verstopping: de stand van de techniek vóór VOLUTE™
AMCON begon niet als machinebouwer. Opgericht in 1974 als onderhoudsbedrijf, verzorgde het het onderhoud van septische putten en kleine afvalwaterzuiveringsinstallaties bij Japanse appartementencomplexen. Vloeibaar slib uit deze lokale tanks moest naar centrale zuiveringsinstallaties worden vervoerd. Het indikken van het slib vóór transport was de voor de hand liggende manier om volume en kosten te verlagen — maar de toenmalige indikkers en ontwateringspersen waren onbetaalbaar en moeilijk op die kleine schaal te realiseren.
Het dominante scheidingsprincipe was het filterdoek: slib wordt op een doorlatende band gestort, het water stroomt erdoorheen en de vaste stoffen blijven achter. De zwakte is structureel van aard. Fijne vaste stoffen verstoppen (verblinden) het doek geleidelijk, waardoor de band continu moet worden gereinigd met hogedruk spuitwater. De gevolgen zijn bekend bij elke operator van die generatie apparatuur: een enorm waswaterverbruik, complexe sproeikopsystemen, overgedimensioneerde banden om de gewenste capaciteit te halen, frequente vervanging van het doek — en vrijwel volledige uitval bij olieachtig slib, dat een doek onomkeerbaar verstopt.
Omdat het personeel van AMCON deze apparatuur dagelijks onderhield, kende het bedrijf deze storingspatronen uit de eerste hand. In 1982 bouwde het zijn eerste eigen machine — een compacte filterdoek-indikker. Het loste het omvangs- en prijsprobleem op, maar erfde alle beperkingen van het doek zelf. De les die hieruit werd getrokken, bepaalde de richting voor alles wat daarna kwam: elimineer het filterdoek volledig.
Archief, AMCON Inc. — slibverwerking bij septische putten van appartementencomplexen, jaren 70. Vloeibaar slib werd afgevoerd; volumevermindering was de economische kans.
Archief, AMCON Inc. — de eerste eigen machine (1982): een filterdoek-indikker. Compact en betaalbaar, maar onderhevig aan doekverstopping en afhankelijk van veel waswater.
1991 →
De eerste VOLUTE™
De kam-blad schroefpers: een werkende machine met een slijtageprobleem
Archief, AMCON Inc. — de kam-blad VOLUTE™ (patent 1990, marktintroductie april 1991): gelaagd ringfilter met in elkaar grijpende reinigingsbladen.
Archief, AMCON Inc. — de storingsmodus: belasting die geconcentreerd was op de dunne reinigingsbladen veroorzaakte breuk na een paar honderd bedrijfsuren.
Onderzoek en ontwikkeling werden herstart rondom het schroefpersprincipe: geen doek, een lage draaisnelheid en minimale energiebehoefte. De open vraag was hoe men kon voorkomen dat het filterelement verstopt zou raken, zonder sproeiwater te gebruiken. Het eerste antwoord was mechanisch schrapen. Een cilindrisch filter werd opgebouwd uit gestapelde ringen met smalle spleten, en elke winding van de schroef was voorzien van dunne, kam-achtige reinigingsbladen die tot in de spleten reikten en binnendringende vaste stoffen terug in het schroefkanaal duwden.
De machine werkte, werd gepatenteerd in 1990 en kwam in april 1991 op de markt onder de naam VOLUTE™ — afgeleid van het Latijnse voluta, een spiraal. Het aantal bestellingen groeide. Daarmee groeide echter ook een terugkerende melding uit het veld: de bladen braken al na een paar honderd bedrijfsuren.
De eigen octrooiaanvragen van het bedrijf zijn openhartig over de oorzaak hiervan. De bladen moesten zeer dun en met hoge precisie worden vervaardigd om correct in elke ringspleet te passen; precies deze geometrie concentreerde de schraapbelasting op het zwakste punt. Elk blad moest bovendien met hoge nauwkeurigheid op de as worden gemonteerd, wat de kosten opdreef. Slijtage, breuk en het regelmatig moeten vervangen van de schoepen waren inherent aan het concept, geen fabricagefout. Er was een ander zelfreinigend principe nodig — een principe zonder specifieke reinigingsonderdelen die konden slijten.
1992
De uitvinding
Bewegende ringen: het zelfreinigende mechanisme dat de multi-disc schroefpers definieerde
Het beslissende idee ontstond niet aan de tekentafel. Tijdens een rit in een forensentrein keek oprichter Masaaki Sasaki naar de rij handgrepen die meebewogen met de beweging van de trein, en vroeg zich af of bewegende ringen zelf een filter schoon zouden kunnen houden — zonder bladen, zonder sproeiers. Als het cilindrische filter zou worden opgebouwd uit afwisselend vaste ringen en losjes opgesloten bewegende ringen, waarbij de schroef zelf de bewegende ringen aandrijft, zouden de filterspleten continu worden schoongeschuurd door de werking van de machine zelf.Een prototype bevestigde het principe, en op 21 februari 1992 diende AMCON de octrooiaanvraag in voor de “inrichting voor de scheiding van vaste stof en vloeistof” — de multi-disc schroefpers. Het is de moeite waard om dit mechanisme nauwkeurig te beschrijven, omdat het in principe ongewijzigd is gebleven in elke VOLUTE™ machine die sindsdien is geproduceerd:
Vaste ringen (6)
Axiaal gestapeld, gescheiden door afstandshouders en door trekbouten vastgeklemd tot één stijve cilinder. Spleetbreedte tussen de ringen: G.
Bewegende ringen (30)
Eén in elke spleet, met dikte T < G. Het verschil definieert een microspleet g aan beide kanten — bijv. G = 6 mm, T = 5 mm geeft g = 0,5 mm. De ring zit opgesloten, maar kan vrij radiaal verschuiven en roteren.
Schroef (31)
Draait in het ringenpakket en transporteert het slib in axiale richting. De binnendiameter van de bewegende ring D₅ is kleiner dan de buitendiameter van de schroef D₄, zodat elke ring op een enkel contactpunt P op de schroef rust.
Zelfreiniging
Wrijving in punt P trekt elke bewegende ring in een excentrische rotatie rond de as van de schroef, waarbij deze radiaal glijdt met een slag van D₄ − D₅ per omwenteling. De relatieve beweging van de ringoppervlakken perst continu vaste stoffen uit de microspleten.
Filtraatweg
Het water stroomt door de zwaartekracht via de microspleten naar buiten; een geleidingsgroef (34) op de omtrek van elke bewegende ring leidt het filtraat dat aan de bovenkant van het pakket naar buiten komt naar beneden, om te voorkomen dat het opnieuw in het schroefkanaal stroomt.
Ontwerpgevolgen die al in de aanvraag van 1992 werden opgemerkt: ringen en afstandshouders kunnen dik worden gemaakt (voor mechanische sterkte) terwijl g klein blijft; ringdiameters van 500–1000 mm zijn haalbaar; componenten kunnen van hars, metaal of keramiek zijn; montage en demontage zijn eenvoudig omdat geen enkel onderdeel met de precisie van een mesblad in elkaar hoeft te grijpen.
Afb. 6, EP 0 581 965 B1 — één schroefomwenteling, fasen (a)–(d).
De bewegende ring (30) draait om zijn eigen as X₂ terwijl deze radiaal glijdt ten opzichte van de schroefas X₁; contactpunt P verplaatst zich langs de omtrek.
Fig. 1–12
Uit de aanvraag
Wat de aanvraag van 1992 al bevatte
De oorspronkelijke indiening is opmerkelijk compleet. Het beschrijft niet slechts één enkele machine, maar het hele ontwerpgebied dat AMCON en later haar navolgers de komende drie decennia zouden bestrijken:
Afb. 1, EP 0 581 965 B1 — doorsnede in de lengterichting van de volledige afscheider: instroom (2), scheidingselement (5), filtraatpoort (4), afvoer vaste stoffen (3), motorreductor (17).
特開平5-228695, p. 8 — bewegingsvolgorde van de ringen, gekantelde opstellingen (Afb. 7–8), schroef met schoepensegmenten (Afb. 9–10) en de dubbelassige machine (Afb. 12) in de oorspronkelijke Japanse publicatie.
Indikkingsmodus
Horizontale opstelling: geflocculeerd slib met 99–98,5 % vocht erin, ingedikt slib met 97–95 % vocht eruit — zwaartekrachtdrainage door de microspleten, zacht genoeg om vlokken intact te houden (inlaat via overloop, niet via vrije val).
Ontwateringsmodus
Hetzelfde element in een hoek van 45–90° gekanteld: de slibkolom vult het schroefkanaal, de interne druk stijgt naar het uitwerpeinde en het water wordt door de spleten naar buiten geperst — een slibkoek met minder dan 85 % vocht uit een enkele machine, ter vervanging van de eerdere tweetraps opstelling (indikker + pers).
Zeefmodus
Naar beneden hellende opstelling voor het eenvoudig verwijderen van grove onzuiverheden uit ongeflocculeerd afvalwater (voedselverwerking, vleesverwerking, hotelkeukens).
Schroef met schoepensegmenten
Een schroef samengesteld uit individuele schoepsegmenten op een spiraalvormige rand, elk 1–5° verschoven, die getrapte micro-uitsteeksels vormen die de wrijving creëren om de vaste stof te verplaatsen; het verkleinen van de verschuivingshoek richting de uitwerpzijde verhoogt de interne druk en de droogheid van de slibkoek.
Meeras- (cilinder) machines
Meerdere scheidingselementen in één behuizing, gekoppeld aan één enkele aandrijving — het capaciteits-opschalingsconcept dat nog steeds in grote VOLUTE™ eenheden wordt gebruikt; tegenwoordig heeft echter elk van de ontwateringscilinders zijn eigen aandrijving.
Toepassingen
Naast gemeentelijk zuiveringsslib was — en blijft — het mechanisme toepasbaar op vrijwel elk type industrieel slib.
Verslag
Primaire bronnen
De documenten: waar de uitvinding is vastgelegd
De prioriteit voor de multi-disc schroefpers berust op de Japanse octrooiaanvraag van 21 februari 1992, die internationaal via het PCT werd uitgebreid en in 1996 als Europees octrooi werd verleend. Zowel de Japanse aanvraag als het Europese octrooi noemen AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio) als aanvrager en de oprichter van het bedrijf als uitvinder.
Publicatie
特開平5-228695 (JP H5-228695 A)
Aanvraag
特願平4-69996 · ingediend op 21.02.1992
Gepubliceerd
07.09.1993
Aanvrager
アムコン株式会社 (AMCON INC.), Meguro-ku, Tokyo
Uitvinder
佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)
Int. Cl.
B30B 9/14 · B01D 29/17, 29/25, 29/37 · C02F 11/12
Ingediend
18.02.1993 · PCT/JP93/00199 (WO 93/16867)
Prioriteit
21.02.1992 · JP 69996/92
Verleend
28.08.1996 · Bulletin 1996/35
Staten
DE · FR · GB
Houder van het octrooi
Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo
Octrooiconclusie 1
Stationaire ringen + roteerbare schroef, gekenmerkt door zwevende ringen in de spleten met een binnendiameter die kleiner is dan de buitendiameter van de schroef
De kenmerkende clausule van conclusie 1 — zwevende ringen met D₅ < D₄ — is de juridische definitie van het multi-disc principe. Elke latere multi-disc pers, ongeacht welk merk op de behuizing staat, implementeert het mechanisme dat hier als eerste openbaar is gemaakt.
1991→
Continuïteit
Drie decennia van hetzelfde principe, continu doorontwikkeld door de uitvinder ervan
Het multi-disc mechanisme verwijderde het laatste verbruiksartikel uit de schroefpers: geen doek dat kan verstoppen, geen mesblad dat kan breken, geen sproeibalk die moet worden gevoed. Het maakte onbeheerde werking praktisch mogelijk en opende deuren voor slibsoorten — olieachtig, vettig, uit de voedingsindustrie — waar machines op basis van doeken geen raad mee wisten. AMCON heeft het mechanisme sindsdien ononderbroken vervaardigd als Original Equipment Manufacturer (OEM) en is het blijven doorontwikkelen.
De lancering van de VOLUTE DUO in 2021 betekende een grote sprong voorwaarts: een compleet nieuw type pers waarvan het contactloze ontwerp de onderhoudskosten sterk verlaagt en de gebruikswaarde van ontwateringspersen naar een hoger niveau tilt.
Praktijk
Eén principe, vele slibsoorten
Eén principe, vele slibsoorten
Een multi-disc pers is geen vast object, maar een configureerbaar apparaat. Het mechanisme — vaste ringen, bewegende ringen, een langzaam draaiende schroef — is onveranderlijk, maar slib is niet één eenduidig materiaal: het gehalte aan droge stof, vezelgehalte, olie en vet, deeltjesgrootte en vloksterkte variëren sterk per bron. De klassieke VOLUTE™ schroefpers (en de latere VOLUTE DUO™) wordt daarom zo gebouwd dat deze wordt afgestemd op het inkomende materiaal (de voeding), in plaats van verkocht te worden als één universele configuratie. Verschillende parameters worden per toepassing ingesteld, zonder het onderliggende principe te wijzigen:
Schroefgeometrie
Spoed, de verschuivingshoek van de schoepsegmenten en de conische as bepalen de transportsnelheid en de opbouw van interne druk langs de cilinder. De aanvraag uit 1992 beschrijft al het verkleinen van de verschuivingshoek naar het uitwerpeinde toe om de droogheid van de koek te verhogen — dezelfde methode die vandaag de dag nog wordt gebruikt om een pers af te stemmen op een bepaald slib.
Dimensionering ringspleet
De microspleet g wordt gekozen op basis van de diktes van ringen en afstandshouders, en wordt vaak verschillend ingesteld tussen de indikkingszone (inlaat) en de ontwateringszone (uitworp) van dezelfde cilinder, waarbij de filtraatsnelheid wordt afgewogen tegen de droogheid van de slibkoek over de lengte van de machine.
Aandrijfselectie
Het vermogen van de motor en versnellingskast en de draaisnelheid bepalen de doorvoercapaciteit en de verblijftijd; een lagere snelheid verhoogt de concentratie (drogere slibkoek), een hogere snelheid verhoogt de capaciteit. De aandrijving wordt gespecificeerd voor de specifieke taak in plaats van dat deze vaststaat.
Omdat deze instellingen per toepassing worden bepaald, kan één en dezelfde pers geschikt worden gemaakt voor uiteenlopende slibsoorten, zonder dat het mechanisme opnieuw ontworpen hoeft te worden. Dat dit zo betrouwbaar werkt, komt niet alleen door de geometrie, maar vooral doordat we uit ervaring weten welke eigenschappen van het slib om welke configuratie vragen: welke schroef, welke spleetafstanden en welke aandrijving passen bij welk slib. Als oorspronkelijke fabrikant heeft AMCON die kennis in de loop van tientallen jaren en in talloze branches opgebouwd, en we passen haar toe bij het specificeren van elke machine.
Hier ligt het praktische verschil tussen de ontwerper en latere kopieën van het mechanisme. Fabrikanten van kopieën bieden doorgaans één enkele, vaste configuratie aan en zetten deze breed in, ongeacht de slibsoort. Wanneer het slib afwijkt van de eigenschappen waar die ene configuratie bij past, is het resultaat onvoldoende ontwatering of zelfs het volledig uitblijven van prestaties — vaak voor een lagere aanschafprijs die de kopie in eerste instantie zo aantrekkelijk maakte.
Elke VOLUTE™ is een multi-disc schroefpers. Niet elke multi-disc schroefpers is een VOLUTE™ — alleen AMCON bouwt het origineel.