Opprinnelsen til VOLUTE™ flerskiveskruepresse

Enhver VOLUTE™ er en flerskiveskruepresse. Ikke enhver flerskiveskruepresse er en VOLUTE™

Enhver flerskiveskruepresse i drift i dag – med faste ringer, bevegelige ringer og en langsomtgående skrue – kan spores tilbake til én japansk patentsøknad levert av AMCON i februar 1992. Denne siden dokumenterer hvordan mekanismen ble utviklet, hvorfor den var nødvendig, og hvor den opprinnelige oppfinnelsen er registrert.

Oppfinner
Masaaki Sasaki, grunnlegger av AMCON

Prioritetsdokument
JP H5-228695 (1992)

Europeisk patent
EP 0 581 965 B1 (1996)

Fig. 4, EP 0 581 965 B1 – tverrsnitt av avvanningssylinderen. Faste ringer (6), bevegelige ringer (30), skrue (31), mikrospalte g, væskestyringsspor (34).

1970-tallet

Problemet

Filterduker, spylevann og tilstopping: teknologien før VOLUTE™

AMCON startet ikke som maskinbygger. Selskapet ble grunnlagt i 1974 som et vedlikeholdsfirma som utførte service på septiktanker og små avløpsrenseanlegg ved japanske boligkomplekser. Flytende slam fra disse lokale tankene måtte fraktes med tankbil til sentrale renseanlegg, og slamfortykning før transport var den åpenbare måten å redusere volum og kostnader på – men datidens slamfortykkere og avvanningspresser var uoverkommelig dyre og vanskelige å installere i en slik skala.

Det dominerende separasjonsprinsippet var filterduken: slam legges på et permeabelt bånd, vannet dreneres gjennom, og tørrstoffet blir liggende igjen. Svakheten er strukturell. Fine partikler tetter gradvis duken, slik at båndet kontinuerlig må rengjøres med høytrykks spylevann. Konsekvensene er velkjente for alle som har driftet denne generasjonen utstyr: stort forbruk av spylevann, dysesystemer, overdimensjonerte bånd for å oppnå tilstrekkelig kapasitet, hyppige dukbytter – og nær total svikt ved olje- og fettholdig slam, som tetter en filterduk permanent.

Fordi AMCONs ansatte vedlikeholdt dette utstyret daglig, kjente selskapet disse feilmodusene av egen erfaring. I 1982 bygget de sin første egne maskin – en kompakt slamfortykker med filterduk. Den løste størrelses- og prisproblemet, men arvet alle begrensningene til selve duken. Lærdommen fra dette staket ut kursen for alt som fulgte: eliminer filterduken fullstendig.

Arkiv, AMCON Inc. – slamhåndtering ved septiktanker i boligkomplekser på 1970-tallet. Flytende slam ble fraktet bort; volumreduksjon var den økonomiske flaskehalsen.

Arkiv, AMCON Inc. – den første egenutviklede maskinen (1982): en slamfortykker med filterduk. Kompakt og rimelig, men utsatt for tilstopping av duken og behov for spylevann.

1991 →

Første VOLUTE™

Skruepressen med kamblader: en fungerende maskin med et slitasjeproblem

Arkiv, AMCON Inc. – VOLUTE™ med kamblader (patentert i 1990, lansert i april 1991): lagdelt ringfilter med inngripende renseblader.

Arkiv, AMCON Inc. – feilmodusen: belastning konsentrert på de tynne rensebladene førte til brudd etter noen hundre driftstimer.

Forskning og utvikling startet på nytt rundt prinsippet for en skruepresse: ingen duk, lav rotasjonshastighet, minimalt energibehov. Det åpne spørsmålet var hvordan man kunne hindre avvanningssylinderen i å tette seg uten bruk av spylevann. Det første svaret var mekanisk skraping. Et sylindrisk filter ble satt sammen av stablede ringer med smale spalter, og hver skruevinding hadde tynne, kamlignende renseblader som strakte seg inn i spaltene og presset inntrengende tørrstoff tilbake i skruekanalen.

Maskinen fungerte, ble patentert i 1990 og kom på markedet i april 1991 under navnet VOLUTE™ – fra det latinske voluta, en spiral. Ordreinngangen økte. Det gjorde også en gjentakende tilbakemelding fra felten: bladene knakk etter bare noen hundre timer med full belastning.

Selskapets egne patentsøknader er ærlige om årsaken. Bladene måtte produseres tynne og med høy presisjon for å treffe hver ringspalte riktig; den samme geometrien konsentrerte skrapebelastningen på det svakeste punktet. Hvert blad måtte også monteres på akselen med høy nøyaktighet, noe som drev opp kostnadene. Slitasje, brudd og hyppig utskifting av blader lå i selve konseptet, ikke i en produksjonsfeil. Det var behov for en annen tilstoppingsfri selvrensende mekanisme – en uten dedikerte slitedeler for rengjøring.

1992

Oppfinnelsen

Bevegelige ringer: den tilstoppingsfrie selvrensende mekanismen som definerte flerskiveskruepressen

Den avgjørende ideen kom ikke ved tegnebrettet. På et pendler-tog så grunnlegger Masaaki Sasaki rekken av håndtak som svingte i takt med vognens bevegelser, og spurte seg om ringer som beveger seg, kunne holde et filter rent av seg selv – uten blader og uten spylevann. Hvis det sylindriske filteret ble bygget opp av vekselvis faste ringer og løst opphengte bevegelige ringer, der selve skruen driver de bevegelige ringene, ville filterspaltene renses kontinuerlig av maskinens egen bevegelse. En prototype bekreftet prinsippet, og 21. februar 1992 leverte AMCON patentsøknaden for «apparatet for faststoff-væske-separasjon» – altså flerskiveskruepressen. Mekanismen er verdt å beskrive nøyaktig, fordi prinsippet er uendret i hver eneste VOLUTE™-maskin som er produsert siden:

Faste ringer (6)

Stablet i aksial retning, adskilt av avstandsskiver og spent sammen med strekkbolter til én stiv sylinder. Spaltebredde mellom ringene: G.

Bevegelige ringer (30)

Én i hver spalte, med tykkelse T < G. Differansen definerer en mikrospalte g på hver side – f.eks. gir G = 6 mm og T = 5 mm at g = 0,5 mm. Ringen holdes på plass, men kan bevege seg fritt radialt og rotere.

Skrue (31)

Går inne i ringpakken og transporterer slammet aksialt. Den bevegelige ringens indre diameter D₅ er mindre enn skruens ytre diameter D₄, slik at hver ring hviler på skruebladet i ett enkelt kontaktpunkt P.

Selvrensing

Friksjon i punkt P drar hver bevegelig ring inn i en eksentrisk rotasjon rundt skrueaksen, der den glir radialt med en slaglengde på D₄ − D₅ per omdreining. Den relative bevegelsen mellom ringflatene presser kontinuerlig tørrstoff ut av mikrospaltene.

Filtratbane

Vann dreneres ved hjelp av tyngdekraften gjennom mikrospaltene; et omløpende styrespor (34) på hver bevegelig ring leder filtrat som kommer ut på toppen av ringpakken, nedover og hindrer at det renner tilbake i skruekanalen.

Konstruksjonsmessige fordeler som ble påpekt allerede i søknaden fra 1992: ringer og avstandsskiver kan lages tykke (mekanisk styrke) mens g forblir liten; ringdiametere på 500–1000 mm er mulige; komponentene kan lages av plast, metall eller keramikk; montering og demontering er enkelt fordi ingen deler må gripe inn i hverandre med bladpresisjon.

Fig. 6, EP 0 581 965 B1 – én skrueomdreining, tilstand (a)–(d).

Den bevegelige ringen (30) roterer rundt sin egen akse X₂ samtidig som den glir radialt i forhold til skrueaksen X₁; kontaktpunktet P vandrer rundt omkretsen.

Fig. 1–12

Fra patentsøknaden

Hva søknaden fra 1992 allerede inneholdt

Den opprinnelige søknaden er bemerkelsesverdig komplett. Den beskriver ikke bare én enkelt maskin, men hele det konstruksjonsrommet som AMCON – og senere selskapets etterlignere – skulle benytte de neste tre tiårene:

Fig. 1, EP 0 581 965 B1 – lengdesnitt av hele separatoren: innløp (2), avvanningssylinder (5), filtratutløp (4), slamkakeutløp (3), girmotor (17).

特開平5-228695, s. 8 – ringenes bevegelsessekvens, skråstilte utførelser (Fig. 7–8), skrue med bladsegmenter (Fig. 9–10) og maskinen med to aksler (Fig. 12) i den opprinnelige japanske publikasjonen.

Fortykningsmodus

Horisontal utførelse: flokkulert slam med 99–98,5 % vanninnhold inn, fortykket slam med 97–95 % ut – gravitasjonsdrenering gjennom mikrospaltene, skånsomt nok til å bevare flokkene (innløp via overløp, ikke fritt fall).

Avvanningsmodus

Den samme avvanningssylinderen skråstilt 45–90°: slamsøylen fyller skruekanalen, det indre trykket øker mot slamkakeutløpet, og vannet presses ut gjennom spaltene – slamkake med under 85 % vanninnhold fra én enkelt maskin, som erstatter den tidligere totrinnsløsningen med slamfortykker + presse.

Silemodus

Nedoverhellende utførelse for enkel fjerning av grove urenheter fra uflokkulert avløpsvann (næringsmiddelindustri, kjøttforedling, storkjøkken).

Skrue med bladsegmenter

En skrue satt sammen av individuelle bladsegmenter på en spiralkam, forskjøvet 1–5° hver, som danner trinnvise mikrofremspring som øker friksjonen mot tørrstoffet; ved å redusere forskyvningsvinkelen mot slamkakeutløpet økes det indre trykket og tørrstoffinnholdet i slamkaken.

Maskiner med flere aksler (avvanningssylindere)

Flere avvanningssylindere i ett kabinett, koblet til én enkelt drivenhet – konseptet for oppskalering av kapasitet som fortsatt brukes i store VOLUTE™-enheter, men i dag har hver av avvanningssylinderne sin egen drivenhet.

Bruksområder

Utover kommunalt blandet råslam var – og er – mekanismen anvendelig på nesten enhver type industrielt slam.

Dokumentasjon

Primærkilder

Dokumentene: hvor oppfinnelsen er registrert

Prioriteten for flerskiveskruepressen hviler på den japanske søknaden av 21. februar 1992, som ble utvidet internasjonalt gjennom PCT og innvilget i Europa i 1996. Begge dokumentene oppgir AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo) som søker og selskapets grunnlegger som oppfinner.

固液分離装置 — Apparat for faststoff-væske-separasjon

Publikasjon

特開平5-228695 (JP H5-228695 A)

Søknad

特願平4-69996 · innlevert 21.02.1992

Publisert

07.09.1993

Søker

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

Oppfinner

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 — Apparat for faststoff-væske-separasjon

Innlevert

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

Prioritet

21.02.1992 · JP 69996/92

Innvilget

28.08.1996 · Bulletin 1996/35

Stater

DE · FR · GB

Innehaver

Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo

Krav 1

Faste ringer + roterbar skrue, kjennetegnet ved bevegelige ringer i spaltene med indre diameter mindre enn skruens ytre diameter

Den karakteriserende delen av krav 1 – bevegelige ringer med D₅ < D₄ – er den juridiske definisjonen av flerskiveprinsippet. Enhver senere flerskiveskruepresse, uansett hvilket merke som står på kabinettet, benytter mekanismen som først ble beskrevet her.

1991→

Kontinuitet

Tre tiår med det samme prinsippet, kontinuerlig videreutviklet av oppfinneren

Flerskivemekanismen fjernet den siste forbruksvaren fra skruepressen: ingen duk som tetter seg, ingen blader som knekker, ingen dyserør som krever vann. Den gjorde ubemannet drift praktisk gjennomførbart og åpnet for slamtyper – som olje- og fettholdig slam og slam fra næringsmiddelindustrien – som dukbaserte maskiner ikke kunne håndtere. AMCON har produsert mekanismen uavbrutt siden den gang som originalprodusent (OEM), og har kontinuerlig videreutviklet den.

Et stort utviklingssprang skjedde i 2021 da AMCON lanserte VOLUTE DUO, en helt ny type presse som – takket være sitt friksjonsfrie design – løftet nytteverdien ved slamavvanning til et helt nytt nivå, spesielt når det gjelder vedlikeholdskostnader.

Praksis

Ett prinsipp, mange slamtyper

Tre tiår med det samme prinsippet, kontinuerlig videreutviklet av oppfinneren

En flerskiveskruepresse er ikke en låst konstruksjon, men en konfigurerbar maskin. Mekanismen – faste ringer, bevegelige ringer og en langsomtgående skrue – ligger fast, men slam er ikke ett enkelt materiale: tørrstoffinnhold, fiberinnhold, olje og fett, partikkelstørrelse og flokkstyrke varierer sterkt etter opphav. Den klassiske VOLUTE™ skruepressen (til forskjell fra den senere VOLUTE DUO™) bygges derfor for å tilpasses innløpsslammet fremfor å selges som én universell enhet. Flere parametere tilpasses hvert enkelt bruksområde, uten å endre det grunnleggende prinsippet:

Skruegeometri

Stigning, forskyvningsvinkel på bladsegmentene og konisitet bestemmer transporthastigheten og oppbyggingen av det indre trykket langs avvanningssylinderen. Allerede søknaden fra 1992 beskriver hvordan en redusert forskyvningsvinkel mot slamkakeutløpet øker tørrstoffinnholdet i slamkaken – det samme grepet som brukes i dag for å optimalisere en presse for et gitt slam.

Dimensjonering av ringspalter

Mikrospalten g bestemmes av tykkelsen på ringene og avstandsskivene, og velges ofte ulikt mellom fortykningssonen (innløpet) og avvanningssonen (slamkakeutløpet) i samme avvanningssylinder, for å balansere filtratmengde mot tørrstoffinnhold i slamkake langs maskinens lengde.

Valg av drivenhet

Dimensjonering og turtall for motor og girkasse bestemmer kapasitet og oppholdstid; lavere hastighet gir høyere konsentrasjon, mens høyere hastighet øker kapasiteten. Drivverket spesifiseres etter driftsoppgaven fremfor å være låst til én utførelse.

Fordi disse parametrene tilpasses hvert enkelt bruksområde, kan én og samme fysiske presse finjusteres for et bredt spekter av slamtyper uten å måtte konstruere mekanismen på nytt. Det som gjør denne tilpasningen driftssikker, er ikke geometrien alene, men det empiriske kunnskapsgrunnlaget som kobler innløpsslammets egenskaper til riktig konfigurasjon – hvilken skrue, hvilke spalteåpninger og hvilket drivverk som passer til hvilket slam. Som opprinnelig produsent har AMCON bygget opp denne erfaringsbasen gjennom flere tiår og på tvers av mange bransjer, og bruker den ved spesifisering av hver enkelt enhet.

Dette er den praktiske forskjellen mellom opphavsprodusenten og senere kopier av mekanismen. Kopiprodusenter tilbyr som regel én fast standardkonfigurasjon som leveres bredt, uavhengig av hva som mates inn. Når slammet avviker fra det denne ene konfigurasjonen er egnet for, blir resultatet for dårlig slamavvanning eller fullstendig driftssvikt – ofte til den lavere prisen som gjorde kopien attraktiv i utgangspunktet.

En velkjent bieffekt følger: Når en feiltilpasset enhet presterer dårlig, kan driftspersonell tilskrive svikten selve flerskiveprinsippet fremfor den konkrete konfigurasjonen. Kopier i markedet påvirker dermed oppfatningen av hele teknologikategorien – en omdømmemessig følgevirkning som rammer originalprodusenter av mange tekniske produkter, og som ikke er unik for slamavvanning.

Hver VOLUTE™ er en flerskiveskruepresse. Men ikke enhver flerskiveskruepresse er en VOLUTE™ – kun AMCON bygger originalen.