Każda VOLUTE™ jest wielodyskową prasą śrubową. Nie każda wielodyskowa prasa śrubowa jest jednak VOLUTE™.
Każda pracująca dziś wielodyskowa prasa śrubowa — wyposażona w pierścienie stałe, pierścienie ruchome oraz wolnoobrotową śrubę — wywodzi się z jednego japońskiego zgłoszenia patentowego, złożonego przez firmę AMCON w lutym 1992 roku. Poniższa strona pokazuje, w jaki sposób opracowano ten mechanizm, dlaczego był potrzebny i gdzie zarejestrowano pierwotny wynalazek.
Wynalazca
Masaaki Sasaki, założyciel firmy AMCON
Dokument priorytetowy
JP H5-228695 (1992)
Patent europejski
EP 0 581 965 B1 (1996)
Rys. 4, EP 0 581 965 B1 — przekrój elementu separującego. Pierścienie stałe (6), pierścienie ruchome (30), śruba (31), mikroszczelina g, rowek odprowadzający ciecz (34).
Lata 70. XX wieku
Problem
Tkaniny filtracyjne, woda płucząca i zatykanie: stan techniki przed powstaniem VOLUTE™
Firma AMCON nie zaczynała jako producent maszyn. Została założona w 1974 roku jako firma serwisowa, zajmująca się konserwacją osadników gnilnych (szamb) i małych oczyszczalni ścieków w japońskich kompleksach mieszkaniowych. Płynny osad z tych lokalnych zbiorników musiał być wywożony do centralnych oczyszczalni. Zagęszczanie osadu przed transportem było oczywistym sposobem na zmniejszenie objętości i ograniczenie kosztów transportu — jednak ówczesne zagęszczacze i prasy odwadniające były zaporowo drogie i trudne do zainstalowania w tak małej skali.
Dominującą zasadą separacji była tkanina filtracyjna: osad ładowano na przepuszczalną taśmę, woda odpływała, a cząstki stałe zostawały. Słabość tego rozwiązania ma charakter strukturalny. Drobne cząstki stałe stopniowo zatykają tkaninę, dlatego taśma musi być nieprzerwanie czyszczona wodą pod wysokim ciśnieniem. Konsekwencje te są doskonale znane każdemu operatorowi tamtej generacji urządzeń: ogromne zużycie wody płuczącej, skomplikowane systemy dysz natryskowych, przewymiarowane taśmy konieczne do osiągnięcia odpowiedniej wydajności, częsta wymiana tkaniny – i niemal całkowita awaria w przypadku osadów zaolejonych, które nieodwracalnie zaklejają materiał.
Ponieważ pracownicy AMCON na co dzień serwisowali ten sprzęt, znali te problemy z pierwszej ręki. W 1982 r. firma zbudowała swoją pierwszą własną maszynę — kompaktowy zagęszczacz taśmowy. Rozwiązał on problem rozmiaru i ceny, ale odziedziczył wszystkie ograniczenia samej tkaniny. Wyciągnięta z tego lekcja wyznaczyła kierunek dla wszystkiego, co nastąpiło później: całkowicie wyeliminować tkaninę filtracyjną.
Archiwum, AMCON Inc. — gospodarka osadowa w szambach osiedlowych, lata 70. Płynny osad był wywożony; redukcja jego objętości stanowiła wąskie gardło z ekonomicznego punktu widzenia.
Archiwum, AMCON Inc. — pierwsza własna maszyna (1982 r.): zagęszczacz z tkaniną filtracyjną. Kompaktowy i przystępny cenowo, ale podatny na zatykanie się tkaniny i wymagający dużych ilości wody płuczącej.
1991 →
Pierwsza VOLUTE™
Prasa śrubowa z czyszczącymi ostrzami (grzebieniowa): działająca maszyna z problemem zużycia
Archiwum, AMCON Inc. — grzebieniowa prasa VOLUTE™ (patent z 1990 r., premiera rynkowa w kwietniu 1991 r.): warstwowy filtr pierścieniowy z zazębiającymi się ostrzami czyszczącymi.
Archiwum, AMCON Inc. — typowa awaria: obciążenie skoncentrowane na cienkich ostrzach czyszczących powodowało ich pękanie po kilkuset godzinach pracy.
Prace badawczo-rozwojowe wznowiono wokół zasady działania prasy śrubowej: brak tkaniny, niska prędkość obrotowa, minimalne zapotrzebowanie na energię. Otwartym pytaniem pozostało, jak uchronić element filtrujący przed zatykaniem bez użycia wody natryskowej. Pierwszą odpowiedzią było mechaniczne zgarnianie. Cylindryczny filtr zbudowano z ułożonych jeden na drugim pierścieni z wąskimi przerwami, a każdy zwój śruby nosił cienkie, przypominające grzebień ostrza czyszczące, które sięgały w szczeliny i wpychały wciskające się cząstki stałe z powrotem do kanału śruby.
Maszyna działała, została opatentowana w 1990 roku i weszła na rynek w kwietniu 1991 roku pod nazwą VOLUTE™ – od łacińskiego voluta (spirala). Zamówienia rosły. Podobnie jak powtarzające się zgłoszenia z terenu: ostrza łamały się zaledwie po kilkuset godzinach pracy pod pełnym obciążeniem.
Własne zgłoszenia patentowe firmy szczerze opisują przyczynę. Ostrza musiały być bardzo cienkie i wykonane z dużą precyzją, aby prawidłowo wchodzić w każdą szczelinę między pierścieniami; ta sama geometria koncentrowała obciążenie ze zgarniania w najsłabszym punkcie. Każde ostrze musiało być również zamontowane na wale z wysoką dokładnością, co podnosiło koszty. Zużycie, pękanie i częsta wymiana łopatek były nieodłączną cechą tej koncepcji, a nie wadą produkcyjną. Potrzebny był zupełnie inny mechanizm samoczyszczący – taki, który nie posiadałby dedykowanej, zużywającej się części czyszczącej.
1992
Wynalazek
Pierścienie ruchome: mechanizm samoczyszczący, który zdefiniował wielodyskową prasę śrubową
Decydujący pomysł nie zrodził się przy desce kreślarskiej. Jadąc pociągiem podmiejskim, założyciel Masaaki Sasaki obserwował rząd rączek kołyszących się wraz z ruchem wagonu i zadał sobie pytanie, czy poruszające się pierścienie mogłyby same utrzymywać filtr w czystości – bez ostrzy, bez natrysku. Gdyby filtr cylindryczny został zbudowany z naprzemiennych pierścieni stałych i luźno osadzonych pierścieni ruchomych, przy czym sama śruba napędzałaby pierścienie ruchome, szczeliny w filtrze byłyby nieprzerwanie przecierane przez samą pracę maszyny.Prototyp potwierdził tę zasadę, a 21 lutego 1992 r. AMCON złożył wniosek patentowy na „urządzenie do separacji ciała stałego od cieczy” – wielodyskową prasę śrubową. Mechanizm ten warto dokładnie opisać, ponieważ co do zasady pozostaje on niezmieniony w każdej wyprodukowanej od tamtej pory maszynie VOLUTE™:
Pierścienie stałe (6)
Ułożone w kierunku osiowym, oddzielone przekładkami dystansowymi i ściśnięte śrubami ściągającymi w jeden sztywny cylinder. Szerokość szczeliny między pierścieniami wynosi G.
Pierścienie ruchome (30)
Po jednym w każdej szczelinie, o grubości T < G. Różnica ta definiuje mikroszczelinę g z każdej strony – np. G = 6 mm, T = 5 mm daje g = 0,5 mm. Pierścień jest uwięziony, ale może swobodnie przesuwać się promieniowo oraz obracać.
Śruba (31)
Obraca się wewnątrz pakietu pierścieni i transportuje osad osiowo. Średnica wewnętrzna ruchomego pierścienia D₅ jest mniejsza niż średnica zewnętrzna śruby D₄, więc każdy pierścień opiera się na zwoju w jednym punkcie styku P.
Samoczyszczenie
Tarcie w punkcie P pociąga każdy ruchomy pierścień w mimośrodowy obrót wokół osi śruby, przesuwając go promieniowo ze skokiem równym D₄ − D₅ na każdy obrót. Względny ruch powierzchni pierścieni nieprzerwanie wypycha cząstki stałe z mikroszczelin.
Ścieżka odpływu filtratu
Woda odpływa grawitacyjnie przez mikroszczeliny; obwodowy rowek prowadzący (34) na każdym ruchomym pierścieniu odprowadza filtrat wydostający się na górze pakietu w dół, zapobiegając jego ponownemu wniknięciu do kanału śruby.
Konsekwencje konstrukcyjne odnotowane już we wniosku z 1992 roku: pierścienie i przekładki mogą być grube (co zapewnia wytrzymałość mechaniczną), podczas gdy g pozostaje małe; realne są średnice pierścieni rzędu 500–1000 mm; komponenty mogą być wykonane z żywicy, metalu lub ceramiki; montaż i demontaż są proste, ponieważ żadna część nie musi zazębiać się z mikrometryczną precyzją, jak miało to miejsce w przypadku ostrzy.
Rys. 6, EP 0 581 965 B1 — jeden obrót śruby, stany (a)–(d).
Pierścień ruchomy (30) obraca się wokół własnej osi X₂, przesuwając się promieniowo względem osi śruby X₁; punkt styku P przemieszcza się po obwodzie.
Rys. 1–12
Ze zgłoszenia
Co już zawierało zgłoszenie z 1992 roku
Oryginalne zgłoszenie jest niezwykle kompletne. Nie opisuje tylko jednej maszyny, ale całą przestrzeń projektową, którą AMCON, a później jego naśladowcy, zajęli na kolejne trzy dekady:
Rys. 1, EP 0 581 965 B1 — przekrój podłużny kompletnego separatora: dopływ (2), element separujący (5), króciec filtratu (4), wyrzut części stałych (3), motoreduktor (17).
特開平 5-228695, s. 8 — sekwencja ruchu pierścieni, układy pochyłe (rys. 7–8), śruba segmentowa (rys. 9–10) oraz maszyna dwuwalcowa (rys. 12) w oryginalnej publikacji japońskiej.
Tryb zagęszczania
Układ poziomy: osad poddany flokulacji o wilgotności 99–98,5% na wejściu, zagęszczony osad o wilgotności 97–95% na wyjściu — grawitacyjne odwadnianie przez mikroszczeliny, wystarczająco delikatne, aby zachować strukturę kłaczków (dopływ przelewowy, a nie ze swobodnym spadkiem).
Tryb odwadniania
Ten sam element odchylony o 45–90°: kolumna osadu wypełnia kanał śruby, ciśnienie wewnętrzne rośnie w kierunku końca wylotowego, a woda jest wyciskana przez szczeliny — z pojedynczej maszyny uzyskuje się placek osadowy poniżej 85% wilgotności, co eliminuje poprzedni układ dwustopniowy (zagęszczacz + prasa).
Tryb separacji (sita)
Układ pochyły do prostego usuwania grubszych zanieczyszczeń z niesflokulowanych ścieków (przetwórstwo spożywcze, zakłady mięsne, kuchnie hotelowe).
Śruba segmentowa (Vane-piece screw)
Śruba złożona z pojedynczych łopatek osadzonych na spiralnym rdzeniu, przesuniętych względem siebie o 1–5°, tworzących schodkowe mikrowystępy, które zwiększają tarcie o osad; zmniejszenie kąta przesunięcia w kierunku wyrzutu zwiększa ciśnienie wewnętrzne i suchość placka.
Maszyny wielowałowe (wielocylindrowe)
Kilka elementów separujących w jednej obudowie, podłączonych do jednego napędu — koncepcja skalowania wydajności, która do dziś jest stosowana w dużych jednostkach VOLUTE™ (choć obecnie każdy cylinder odwadniający ma już własny napęd).
Zastosowania
Poza komunalnymi osadami ściekowymi, mechanizm był – i pozostaje – odpowiedni do odwadniania niemal każdego rodzaju osadu przemysłowego.
Dokumentacja
Źródła pierwotne
Dokumenty: gdzie zarejestrowano wynalazek
Prawo pierwszeństwa dla wielodyskowej prasy śrubowej opiera się na japońskim wniosku patentowym z 21 lutego 1992 r., który został rozszerzony międzynarodowo poprzez traktat PCT, a w Europie patent przyznano w 1996 r. Oba dokumenty jako zgłaszającego wymieniają firmę AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio), a jako wynalazcę – jej założyciela.
Publikacja
特開平5-228695 (JP H5-228695 A)
Zgłoszenie
特願平4-69996 · złożone 21.02.1992
Opublikowano
07.09.1993
Zgłaszający
アムコン株式会社 (AMCON INC.), Meguro-ku, Tokio
Wynalazca
佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)
Klasyfikacja (Int. Cl.)
B30B 9/14 · B01D 29/17, 29/25, 29/37 · C02F 11/12
Złożono
18.02.1993 · PCT/JP93/00199 (WO 93/16867)
Priorytet
21.02.1992 · JP 69996/92
Przyznano
28.08.1996 · Biuletyn 1996/35
Kraje wyznaczone
DE · FR · GB
Właściciel patentu
Amukon Kabushiki Kaisha, Tokyo
Zastrzeżenie 1 (Claim 1)
Nieruchome pierścienie + obracająca się śruba, charakteryzujące się pływającymi pierścieniami w szczelinach o średnicy wewnętrznej mniejszej niż średnica zewnętrzna śruby
Część znamienna zastrzeżenia 1 — pływające pierścienie, gdzie D₅ < D₄ — jest prawną definicją zasady wielodyskowej. Każda późniejsza prasa wielodyskowa, niezależnie od tego, jaką markę nosi na obudowie, implementuje mechanizm, który został po raz pierwszy ujawniony w tych dokumentach.
1991→
Ciągłość
Trzy dekady tej samej zasady, nieustannie rozwijanej przez wynalazcę
Mechanizm wielodyskowy usunął z prasy śrubowej ostatni element ulegający bezpośredniemu zużyciu (tzw. materiał eksploatacyjny): brak tkaniny do zatykania, brak ostrza do łamania, brak dysz płuczących wymagających zasilania. Uczynił on bezobsługową pracę wykonalną w praktyce i otworzył drogę dla rodzajów osadów — zaolejonych, tłustych, z przemysłu spożywczego — z którymi maszyny bazujące na tkaninach nie mogły sobie poradzić. Od tego czasu firma AMCON, jako producent oryginalnego wyposażenia (OEM), wytwarza ten mechanizm bez przerw i stale go udoskonala.
Ogromny skok ewolucyjny miał miejsce w 2021 r., kiedy firma AMCON wprowadziła na rynek VOLUTE DUO, całkowicie nowy typ prasy, który – dzięki bezdotykowej konstrukcji – wyniósł wartość użytkową pras odwadniających na zupełnie nowy poziom, zwłaszcza w zakresie kosztów konserwacji.
Praktyka
Jedna zasada, wiele osadów
Trzy dekady tej samej zasady, nieustannie rozwijanej przez wynalazcę
Prasa wielodyskowa nie jest urządzeniem o z góry określonych parametrach, ale w pełni konfigurowalnym. Podstawowy mechanizm — pierścienie stałe, pierścienie ruchome, wolnoobrotowa śruba — jest niezmienny, ale osad nie jest jednorodnym materiałem: zawartość suchej masy, włókien, olejów i tłuszczów, wielkość cząstek oraz wytrzymałość kłaczków różnią się znacznie w zależności od źródła. Klasyczna prasa śrubowa VOLUTE™ (w odróżnieniu od nowszej VOLUTE DUO™) jest zatem konstruowana tak, aby dopasować ją do materiału wejściowego, a nie sprzedawana jako jedna uniwersalna jednostka. Kilka parametrów dobiera się indywidualnie do każdej aplikacji, bez zmiany podstawowej zasady działania:
Geometria śruby
Skok, kąt przesunięcia łopatek i zwężenie określają prędkość transportu i wzrost ciśnienia wewnętrznego wzdłuż cylindra. Wniosek z 1992 roku już opisuje zmniejszenie kąta przesunięcia w kierunku wyrzutu w celu zwiększenia suchości osadu — jest to ten sam mechanizm, który stosuje się dzisiaj do strojenia prasy pod dany rodzaj osadu.
Wymiarowanie szczelin
Mikroszczelina g jest dobierana na podstawie grubości pierścieni oraz przekładek dystansowych i często jest ustawiana inaczej w strefie zagęszczania (wlot) i w strefie odwadniania (wylot) tego samego cylindra, co pozwala równoważyć przepływ filtratu z suchością placka na całej długości maszyny.
Dobór napędu
Moc silnika, parametry przekładni oraz prędkość obrotowa określają przepustowość i czas retencji; niższa prędkość zwiększa koncentrację (suchą masę), a wyższa prędkość zwiększa przepustowość (wydajność). Napęd dobierany jest do konkretnego zadania, a nie jest stałym elementem maszyny.
Ponieważ parametry te są ustawiane pod daną aplikację, jedną fizyczną prasę można nastroić do szerokiej gamy osadów bez konieczności przeprojektowywania mechanizmu. To, co czyni to strojenie niezawodnym, to nie tylko sama geometria, ale empiryczne mapowanie właściwości nadawy do odpowiedniej konfiguracji — jaka śruba, jakie szczeliny, jaki napęd do jakiego osadu. Jako oryginalny producent, AMCON gromadził to know-how przez kilkadziesiąt lat i w wielu branżach, stosując je podczas specyfikacji każdego dostarczanego urządzenia.
W tym właśnie miejscu leży praktyczna różnica między twórcą, a późniejszymi kopiami tego mechanizmu. Producenci kopii zazwyczaj oferują jedną, stałą konfigurację sprzętu i wdrażają ją szeroko, bez względu na rodzaj osadu wejściowego. Tam, gdzie osad odbiega od właściwości obsługiwanych przez tę jedną konfigurację, wynikiem jest niedostateczne odwodnienie lub całkowita awaria procesu — często przy niższej cenie zakupu, która początkowo czyniła kopię atrakcyjną.
Każda VOLUTE™ jest wielodyskową prasą śrubową. Nie każda wielodyskowa prasa śrubowa jest jednak VOLUTE™ — tylko AMCON buduje oryginał.