Každé zariadenie VOLUTE™ je viacdiskový závitovkový lis. Nie každý viacdiskový závitovkový lis je však VOLUTE™.
Každý dnes prevádzkovaný viacdiskový závitovkový lis – pevné krúžky, pohyblivé krúžky a pomalobežná závitovka – vychádza z jednej japonskej patentovej prihlášky, ktorú spoločnosť AMCON podala vo februári 1992. Táto stránka dokumentuje, ako tento mechanizmus vznikol, prečo bol potrebný a kde je pôvodný vynález zaznamenaný.
Vynálezca
Masaaki Sasaki, zakladateľ spoločnosti AMCON
Prioritný dokument
JP H5-228695 (1992)
Európsky patent
EP 0 581 965 B1 (1996)
Obr. 4, EP 0 581 965 B1 – priečny rez odvodňovacím valcom. Pevné krúžky (6), pohyblivé krúžky (30), závitovka (31), mikroštrbina g, drážka na odvod kvapaliny (34).
Roky 1970
Problém
Filtračné plachetky, oplachová voda a upchávanie: stav techniky pred príchodom VOLUTE™
AMCON nezačínal ako výrobca strojov. Spoločnosť bola založená v roku 1974 ako servisná firma, ktorá zabezpečovala údržbu septikov a malých čistiarní odpadových vôd v japonských bytových komplexoch. Tekutý kal z týchto lokálnych nádrží bolo potrebné odvážať do centrálnych čistiarní. Jeho zahusťovanie pred prepravou bolo logickým spôsobom, ako znížiť objem a náklady – vtedajšie zahusťovače kalu a odvodňovacie lisy však boli pre takéto meradlo neúmerne drahé a náročné na inštaláciu.
Dominantným princípom separácie bola filtračná plachetka: kal sa privádza na priepustný pás, voda odteká a pevné látky zostávajú. Slabina spočíva v samotnej konštrukcii. Jemné častice postupne upchávajú tkaninu, preto sa pás musí nepretržite čistiť vysokotlakovou oplachovou vodou. Dôsledky dobre pozná každý prevádzkovateľ tejto generácie zariadení: vysoká spotreba oplachovej vody, systémy ostrekovacích dýz, predimenzované pásy na dosiahnutie potrebného výkonu, častá výmena plachetiek – a takmer úplné zlyhanie pri zaolejovanom kale, ktorý plachetku nezvratne zanesie.
Keďže pracovníci spoločnosti AMCON vykonávali údržbu týchto zariadení denne, poznali tieto poruchové stavy z prvej ruky. V roku 1982 spoločnosť zostrojila svoj prvý vlastný stroj – kompaktný zahusťovač kalu s filtračnou plachetkou. Vyriešil síce problém s rozmermi a cenou, no zdedil všetky obmedzenia samotnej plachetky. Ponaučenie z tejto skúsenosti určilo smerovanie všetkého, čo nasledovalo: úplne eliminovať filtračnú plachetku.
Archív, AMCON Inc. – manipulácia s kalom pri septikoch bytových komplexov, roky 1970. Tekutý kal sa odvážal mimo lokality; zníženie objemu kalu bolo kľúčovým ekonomickým faktorom.
Archív, AMCON Inc. – prvý vlastný stroj (1982): zahusťovač kalu s filtračnou plachetkou. Kompaktný a cenovo dostupný, no náchylný na upchávanie plachetky a náročný na spotrebu oplachovej vody.
1991 →
Prvý VOLUTE™
Závitovkový lis s hrebeňovými stierkami: funkčný stroj s problémom opotrebovania
Archív, AMCON Inc. – VOLUTE™ s hrebeňovými stierkami (patent 1990, uvedenie na trh v apríli 1991): vrstvený krúžkový filter so zapadajúcimi čistiacimi stierkami.
Archív, AMCON Inc. – spôsob poruchy: zaťaženie sústredené na tenké čistiace stierky spôsobovalo ich lámanie už po niekoľkých stovkách prevádzkových hodín.
Výskum a vývoj sa opäť sústredil na princíp závitovkového lisu: žiadna plachetka, nízke otáčky, minimálna spotreba energie. Otvorenou otázkou zostávalo, ako zabrániť upchávaniu odvodňovacieho valca bez použitia oplachovej vody. Prvou odpoveďou bolo mechanické stieranie. Valcový filter bol zložený z navrstvených krúžkov s úzkymi štrbinami a každý závit závitovky niesol tenké hrebeňové čistiace stierky, ktoré zasahovali do štrbín a vytláčali prenikajúce pevné látky späť do kanála závitovky.
Stroj fungoval, v roku 1990 bol patentovaný a v apríli 1991 vstúpil na trh pod názvom VOLUTE™ – z latinského voluta, špirála. Objednávky rástli. Spolu s nimi však pribúdali aj opakujúce sa hlásenia z prevádzky: stierky sa lámali už po niekoľkých stovkách hodín prevádzky pri plnom zaťažení.
Samotné patentové prihlášky spoločnosti príčinu otvorene pomenúvajú. Stierky museli byť vyrobené ako tenké a vysoko presné dielce, aby správne zapadali do každej štrbiny medzi krúžkami; rovnaká geometria však sústreďovala stieracie zaťaženie na najslabšiu časť. Každá stierka musela byť na hriadeľ namontovaná s vysokou presnosťou, čo zvyšovalo náklady. Opotrebovanie, lámanie a častá výmena stierok boli vlastnosťou samotnej koncepcie, nie výrobnou chybou. Bol potrebný iný samočistiaci mechanizmus odolný voči upchávaniu – taký, ktorý by neobsahoval žiadny samostatný čistiaci diel podliehajúci opotrebovaniu.
1992
Vynález
Pohyblivé krúžky: samočistiaci mechanizmus odolný voči upchávaniu, ktorý definoval viacdiskový závitovkový lis
Rozhodujúca myšlienka sa nezrodila pri rysovacej doske. Počas jazdy prímestským vlakom zakladateľ Masaaki Sasaki sledoval rad závesných držadiel, ktoré sa kývali v rytme pohybu vozňa, a položil si otázku, či by krúžky, ktoré sa pohybujú, nedokázali udržať filter čistý samy osebe – bez stierok a bez ostrekovania. Ak by bol valcový filter zostavený zo striedajúcich sa pevných krúžkov a voľne osadených pohyblivých krúžkov, pričom samotná závitovka by poháňala pohyblivé krúžky, filtračné štrbiny by sa nepretržite čistili samotným chodom stroja. Prototyp tento princíp potvrdil a 21. februára 1992 spoločnosť AMCON podala patentovú prihlášku na „zariadenie na separáciu pevných látok od kvapaliny“ – viacdiskový závitovkový lis. Tento mechanizmus stojí za presný opis, pretože v každom stroji VOLUTE™ vyrobenom od tej doby zostáva v princípe nezmenený:
Pevné krúžky (6)
Uložené za sebou v axiálnom smere, oddelené dištančnými podložkami a stiahnuté svorníkmi do jedného tuhého valca. Šírka štrbiny medzi krúžkami: G.
Pohyblivé krúžky (30)
Po jednom v každej štrbine, s hrúbkou T < G. Rozdiel vymedzuje mikroštrbinu g na každej čelnej ploche – napr. pri G = 6 mm a T = 5 mm je g = 0,5 mm. Krúžok je zachytený v štrbine, no môže sa voľne radiálne posúvať a otáčať.
Závitovka (31)
Prechádza vnútrom sústavy krúžkov a axiálne dopravuje kal. Vnútorný priemer pohyblivého krúžku D₅ je menší ako vonkajší priemer závitovky D₄, takže každý krúžok dosadá na list závitovky v jedinom kontaktnom bode P.
Samočistiaci mechanizmus odolný voči upchávaniu
Trenie v bode P uvádza každý pohyblivý krúžok do excentrického otáčania okolo osi závitovky, pričom krúžok sa pri každej otáčke radiálne posúva so zdvihom D₄ − D₅. Relatívny pohyb čelných plôch krúžkov nepretržite vytláča pevné látky z mikroštrbín.
Odvod filtrátu
Voda odteká samospádom cez mikroštrbiny; obvodová vodiaca drážka (34) na každom pohyblivom krúžku odvádza filtrát vystupujúci v hornej časti sústavy smerom nadol, čím zabraňuje jeho spätnému vniknutiu do kanála závitovky.
Konštrukčné dôsledky uvedené už v prihláške z roku 1992: krúžky a dištančné podložky môžu byť hrubé (mechanická pevnosť), zatiaľ čo mikroštrbina g zostáva malá; sú realizovateľné priemery krúžkov 500 – 1 000 mm; komponenty môžu byť zo živice, kovu alebo keramiky; montáž a demontáž sú jednoduché, pretože žiadny diel nemusí zapadať s presnosťou stierok.
Obr. 6, EP 0 581 965 B1 – jedna otáčka závitovky, stavy (a) – (d).
Pohyblivý krúžok (30) sa otáča okolo vlastnej osi X₂ a súčasne sa radiálne posúva voči osi závitovky X₁; kontaktný bod P putuje po obvode.
Obr. 1 – 12
Z patentovej prihlášky
Čo už obsahovala prihláška z roku 1992
Pôvodná prihláška je pozoruhodne komplexná. Neopisuje len jeden stroj, ale celý konštrukčný priestor, v ktorom sa spoločnosť AMCON a neskôr aj jej napodobňovatelia pohybovali nasledujúce tri desaťročia:
Obr. 1, EP 0 581 965 B1 – pozdĺžny rez kompletným separátorom: prítok (2), odvodňovací valec (5), odtok filtrátu (4), výpad kalového koláča (3), prevodový motor (17).
特開平5-228695, s. 8 – postupnosť pohybu krúžkov, šikmé usporiadania (obr. 7 – 8), závitovka zo segmentových lopatiek (obr. 9 – 10) a dvojhriadeľový stroj (obr. 12) v pôvodnej japonskej publikácii.
Režim zahusťovania kalu
Horizontálne usporiadanie: vyvločkovaný kal s vlhkosťou 99 – 98,5 % na vstupe, zahustené pevné látky s vlhkosťou 97 – 95 % na výstupe – gravitačné odvodnenie cez mikroštrbiny, dostatočne šetrné na zachovanie vločiek (vstup prepadom, nie voľným pádom).
Režim odvodňovania kalu
Ten istý odvodňovací valec pod sklonom 45 – 90°: stĺpec kalu vypĺňa kanál závitovky, vnútorný tlak smerom k výpadu kalového koláča narastá a voda sa vytláča cez štrbiny – kalový koláč s vlhkosťou pod 85 % z jediného stroja, ktorý nahrádza predchádzajúce dvojstupňové usporiadanie zahusťovač kalu + lis.
Režim cedenia
Zostupné usporiadanie na jednoduché odstraňovanie hrubých nečistôt z nevyvločkovanej odpadovej vody (potravinársky priemysel, spracovanie mäsa, hotelové kuchyne).
Závitovka zo segmentových lopatiek
Závitovka zložená z jednotlivých segmentových lopatiek na špirálovom hrebeni, z ktorých každá je pootočená o 1 – 5°, čím vytvárajú stupňovité mikrovýstupky zvyšujúce trenie voči pevným látkam; zmenšovanie uhla pootočenia smerom k výpadu kalového koláča zvyšuje vnútorný tlak a sušinu kalového koláča.
Viachriadeľové (viacvalcové) stroje
Niekoľko odvodňovacích valcov v jednej skrini, spriahnutých do spoločného pohonu – koncepcia škálovania výkonu, ktorá sa dodnes používa vo veľkých jednotkách VOLUTE™; v súčasnosti má však už každý odvodňovací valec vlastný pohon.
Oblasti použitia
Okrem komunálneho zmesného surového kalu bol – a naďalej zostáva – tento mechanizmus použiteľný pre takmer každý typ priemyselného kalu.
Záznam
Primárne pramene
Dokumenty: kde je vynález zaznamenaný
Priorita pre viacdiskový závitovkový lis spočíva v japonskej prihláške z 21. februára 1992, ktorá bola medzinárodne rozšírená prostredníctvom zmluvy PCT a v Európe udelená v roku 1996. Oba dokumenty uvádzajú ako prihlasovateľa spoločnosť AMCON (Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio) a ako vynálezcu zakladateľa spoločnosti.
Zverejnenie
特開平5-228695 (JP H5-228695 A)
Prihláška
特願平4-69996 · podaná 21.02.1992
Zverejnené
07.09.1993
Prihlasovateľ
アムコン株式会社 (AMCON INC.), Meguro-ku, Tokio
Vynálezca
佐々木 正昌 (Masaaki Sasaki)
Medzinár. triedenie
B30B 9/14 · B01D 29/17, 29/25, 29/37 · C02F 11/12
Podané
18.02.1993 · PCT/JP93/00199 (WO 93/16867)
Priorita
21.02.1992 · JP 69996/92
Udelené
28.08.1996 · Vestník 1996/35
Štáty
DE · FR · GB
Majiteľ
Amukon Kabushiki Kaisha, Tokio
Nárok 1
Pevné krúžky + otočná závitovka, vyznačujúce sa pohyblivými krúžkami v štrbinách s vnútorným priemerom menším ako vonkajší priemer závitovky
Charakterizačná časť nároku 1 – pohyblivé krúžky s D₅ < D₄ – je právnou definíciou viacdiskového princípu. Každý neskorší viacdiskový závitovkový lis, bez ohľadu na značku na plášti, využíva mechanizmus, ktorý bol po prvýkrát zverejnený práve tu.
1991→
Kontinuita
Tri desaťročia rovnakého princípu, nepretržite zdokonaľovaného jeho vynálezcom
Viacdiskový mechanizmus odstránil zo závitovkového lisu posledný spotrebný diel: žiadna plachetka, ktorá by sa upchávala, žiadna stierka, ktorá by sa lámala, žiadna ostrekovacia rampa, ktorú by bolo treba napájať. Umožnil praktickú bezobslužnú prevádzku a sprístupnil spracovanie typov kalov – zaolejovaných kalov, tukových a potravinárskych kalov –, s ktorými si stroje s filtračnými plachetkami nedokázali poradiť. Spoločnosť AMCON vyrába tento mechanizmus nepretržite od jeho vzniku ako pôvodný výrobca zariadenia (OEM) a neustále ho rozširuje.
Obrovský evolučný skok nastal v roku 2021, keď spoločnosť AMCON uviedla na trh VOLUTE DUO, úplne nový typ lisu, ktorý vďaka svojej bezdotykovej konštrukcii posunul úžitkovú hodnotu odvodňovacích lisov na celkom novú úroveň, najmä z hľadiska nákladov na údržbu.
Prax
Jeden princíp, mnoho druhov kalu
Tri desaťročia rovnakého princípu, nepretržite zdokonaľovaného jeho vynálezcom
Viacdiskový závitovkový lis nie je nemenný výrobok, ale konfigurovateľné zariadenie. Samotný mechanizmus – pevné krúžky, pohyblivé krúžky a pomalobežná závitovka – zostáva rovnaký, no kal nie je len jeden materiál: obsah sušiny, obsah vlákien, podiel olejov a tukov, veľkosť častíc aj pevnosť vločiek sa výrazne líšia podľa zdroja. Klasický závitovkový lis VOLUTE™ (na rozdiel od neskoršieho modelu VOLUTE DUO™) sa preto stavia tak, aby zodpovedal konkrétnemu vstupnému kalu, a nepredáva sa ako jedna univerzálna jednotka. Pre každú aplikáciu sa nastavuje niekoľko parametrov bez toho, aby sa menil základný princíp:
Geometria závitovky
Stúpanie závitu, uhol pootočenia segmentových lopatiek a kužeľovitosť určujú rýchlosť dopravy a nárast vnútorného tlaku pozdĺž odvodňovacieho valca. Už prihláška z roku 1992 opisuje zmenšovanie uhla pootočenia smerom k výpadu kalového koláča s cieľom zvýšiť sušinu kalového koláča – teda ten istý nástroj, ktorý sa používa dodnes na vyladenie lisu pre konkrétny kal.
Dimenzovanie štrbín medzi krúžkami
Mikroštrbina g sa volí na základe hrúbky krúžkov a dištančných podložiek a v rámci toho istého odvodňovacieho valca sa často nastavuje odlišne pre zahusťovaciu zónu (vstup) a odvodňovaciu zónu (výpad kalového koláča), čím sa po dĺžke stroja vyvažuje prietok filtrátu a výsledná sušina kalového koláča.
Voľba pohonu
Parametre motora s prevodovkou a otáčky určujú výkon a dobu zdržania; nižšie otáčky zvyšujú zahustenie, vyššie otáčky zvyšujú kapacitu. Pohon sa nevolí unifikovane, ale dimenzuje sa podľa konkrétneho nasadenia.
Keďže sa tieto parametre volia pre každú aplikáciu zvlášť, jeden typ lisu možno prispôsobiť širokému spektru kalov bez zmeny konštrukcie samotného mechanizmu. Spoľahlivosť takéhoto odladenia nespočíva len v samotnej geometrii, ale v empirickom priradení konfigurácie k vlastnostiam vstupného kalu – teda v tom, aká závitovka, aké štrbiny a aký pohon sú vhodné pre daný kal. Spoločnosť AMCON ako pôvodný výrobca tieto poznatky zhromažďovala počas niekoľkých desaťročí v mnohých priemyselných odvetviach a uplatňuje ich pri návrhu každého jedného zariadenia.
Práve v tom spočíva praktický rozdiel medzi pôvodným tvorcom a neskoršími kópiami tohto mechanizmu. Výrobcovia kópií zvyčajne ponúkajú jedinú pevnú konfiguráciu, ktorú nasadzujú plošne bez ohľadu na vstupný kal. Ak sa vlastnosti kalu odchýlia od parametrov, pre ktoré je táto jediná konfigurácia vhodná, výsledkom je nedostatočné odvodňovanie kalu alebo úplné zlyhanie technológie – často pri tej nižšej obstarávacej cene, pre ktorú bola kópia na začiatku atraktívna.
Každý VOLUTE™ je viacdiskový závitovkový lis. Nie každý viacdiskový závitovkový lis je však VOLUTE™ — originál vyrába iba AMCON.