JP2005199143A

JP2005199143A - 分別装置

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Publication number: JP2005199143A
Application number: JP2004006555A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Tanimoto; 能文谷本; Ryoichi Hirose; 量一広瀬
Original assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】磁気力によって物質を浮上させる際に、浮力を与えるための媒体を使用せず、空気中あるいは真空中でも浮上が可能な、磁性の程度の異なる物質の分別装置を提供することである。
【解決手段】本発明に係る分別装置は、磁場を発生させて磁性の程度の異なる物質を２種以上含む混合物を、前記磁場内で前記磁性の程度の異なる物質毎に分離して浮上させる磁場発生装置と、前記磁場内で分離された前記磁性の程度の異なる物質毎に前記磁場外へ排出する排出装置とを備えるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気力を利用して磁性の程度の異なる物質の混合物を種類毎に分別する分別装置に関するものである。

従来から、例えば、下記非特許文献１、２のように、磁気力を利用して磁性を有している物質を浮上させることが可能であることは知られている。非特許文献１には、通常の磁石の磁気力を利用したプラスチックの分離方法が提案されている。非特許文献２には、普及型の超電導磁石の磁気力を利用した反・常磁性液体の浮上が記載されている。
木村恒久、間々田祥吾「化学と教育５０巻４号」第２６４〜２６５頁日本化学会２００２年池添泰弘、茂木邦雄、鈴木隆史、廣田憲之、植竹宏住、渋谷正徳、中川準、北沢宏一「日本応用磁気学会誌２３号」第１５５７〜１５６０頁日本応用磁気学会１９９９年

しかし、非特許文献１のものは、通常の磁石を利用しているので、大きな磁気力が得られず、物質を浮上させるために浮力付加媒体として常磁性の液体を必要としている。
非特許文献２のものは、浮力を高めるために、磁化率が負である反磁性液体の場合には、この反磁性体の周囲を常磁性の気体で満たし、常磁性液体の場合には、周囲をその常磁性液体よりも常磁性の大きな気体で満たす必要がある。このような浮上向上用の気体を併用することは、分別作業の効率を低下させるものである。

そこで、本発明の目的は、磁気力によって物質を浮上させる際に、浮力を与えるための媒体を使用せず、空気中あるいは真空中でも浮上させることができる分別装置を提供することである。更には分解能が高い連続運転可能な分別装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の分別装置は、磁場を発生させて磁性の程度の異なる物質を２種以上含む混合物を、前記磁場内で前記磁性の程度の異なる物質毎に分離して浮上させる磁場発生手段と、前記磁場内で分離された前記磁性の程度の異なる物質毎に前記磁場外へ排出する排出手段とを備えるものである。
これにより、磁性の程度の異なる物質に浮力を与えるための媒体を使用せず、空気中あるいは真空中でも浮上させることができ、しかも分離浮上させられた磁性の程度の異なる物質毎に分別して排除できる。

本発明の分別装置は、前記排出手段が、少なくとも一つの圧力発生手段と、前記圧力発生手段により押し出された前記磁性の程度の異なる物質を排除するための前記磁場外部と連通する少なくとも一本の管とを有するものであって、前記磁場発生手段により磁場を変化させて、浮上させられた前記磁性の程度の異なる物質の浮上位置を前記管の一方側の口の位置に一致させた際、浮上させられた前記磁性の程度の異なる物質毎に、前記圧力発生手段により前記管の口を介して前記管内に押し出して排出するものであることが好ましい。
これにより、磁性の程度の異なる物質に浮力を与えるための媒体を使用せず、空気中あるいは真空中でも浮上させることができ、しかも確実に分離浮上させられた磁性の程度の異なる物質毎に分別かつ連続して排除できる。

本発明の分別装置は、前記磁場発生手段により浮上しなかった前記磁性の程度の異なる物質は、下部方向に落下させて排除されるものであることが好ましい。
これにより、分別したい磁性の程度の異なる物質のうち浮上させないものを、簡便な構成で分別できる。

本発明の分別装置は、前記磁場発生手段が超電導電磁石であることが好ましい。
これにより、磁性の程度の異なる物質に浮力を与えるための媒体を使用せず、空気中あるいは真空中でも浮上させることができ、しかも磁性の程度の低い物質を含む混合物においても分離浮上させることができ、磁性の程度の異なる物質毎に分別して排除できる。

本発明の分別装置は、磁場を発生させて磁性の程度の異なる物質を２種以上含む混合物を、前記磁場内で前記磁性の程度の異なる物質毎に分離して浮上させる磁場発生用電磁石を備え、前記磁場発生用電磁石により発生する磁気力の差により前記磁性の程度の異なる物質毎に磁場外へ落下させて分別するものである。
これにより、磁性の程度の異なる物質に浮力を与えるための媒体を使用せず、空気中あるいは真空中でも浮上させることができ、しかも分離浮上させられた磁性の程度の異なる物質毎に分別して排除できる。

本発明の分別装置は、前記電磁石が超電導電磁石であることが好ましい。
これにより、磁性の程度の異なる物質に浮力を与えるための媒体を使用せず、空気中あるいは真空中でも浮上させることができ、しかも磁性の程度の低い物質を含む混合物においても分離浮上させることができ、磁性の程度の異なる物質毎に分別して排除できる。

本発明の分別装置は、さらに反転磁場発生用磁石を備えるものであることが好ましい。
これにより、磁性の程度が近似している物質間においても分離浮上ができるので、分別が可能となり、分解能の高い分別装置を提供できる。

本発明の分別装置は、前記反転磁場発生用磁石が超電導電磁石であることが好ましい。
これにより、磁性の程度の低い物質を含む混合物においても分離浮上させることができ、より容易に磁性の程度の異なる物質毎に分別して排除できる。

以下に、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る分別装置に用いられる磁場発生装置の一部切欠概略図である。図２は、図１におけるメインコイルと反転コイルとの境界付近に排出装置が配置されている拡大断面図である。なお、図２は分別装置の中空筒２付近上下の途中部分を一部省略して表している。
分別装置は、図１の磁場発生装置１と、磁場発生装置１のメインコイルと反転コイルとの境界付近に配置される排出装置１０とからなる。

磁場発生装置１は、外部と連通するように長さ方向が鉛直に配置される中空筒２と、中空筒２の外周部に沿って設けられ、試料空間に磁場を発生させるメインコイル３と、メインコイル３の上の直近に配置される反転磁場を発生させる反転コイル４と、メインコイル３及び反転コイル４が内部に配置される第１低温容器５と、第１低温容器５が内部に配置される第２低温容器６と、第２低温容器６が内部に配置される外容器７と、外容器７及び第２低温容器６を介して第１低温容器５内部と外部とを連通させる管８と、外容器７を固定支持する土台９と、外容器７を介して第２低温容器６の２重の外筒内部と外部とを連通させる管１１とを備えてなる。なお、磁場発生装置１は、さらに図示しない輻射シールドを第１低温容器５と第２低温容器６との間に備えてなる。

中空筒２の内部空間のメインコイル３と反転コイル４との境界付近に、排出装置１０が配置されるものである。この位置に配置することにより、磁場内に投入された磁性の程度の異なる物質のそれぞれが、磁場の影響を受けやすくなる。

メインコイル３は、強磁場を発生できるように、超電導体からなることが好ましい。例えば、図１に示すように、３つのコイルを用いるなどすれば強磁場を発生できる。
反転コイル４は、メインコイル３で発生させた磁場にさらに磁場を印加し、磁場に勾配をつけるものである。

第１低温容器５は、中心軸線が少なくとも平行となるように配置されている外筒（不図示）と内筒（不図示）からなる２重筒と、これらの外筒と内筒それぞれの両端において、これら外筒と内筒とを固定して密閉空間を形成し、さらに中空筒２を外部と連通させる穴が中心に設けられている蓋部（不図示）とを有している。この第１低温容器５は、詳細には、外筒内周部と内筒外周部と蓋部内壁とで囲まれてなるものであり、液体ヘリウム槽として使用される。なお、第１低温容器５内部には、管８を介して液体ヘリウムが供給される。

第２低温容器６は、中心軸線が少なくとも平行となるように配置されている外筒（不図示）と内筒（不図示）からなる２重筒と、これらの外筒と内筒それぞれの両端において、外筒と内筒とを固定して密閉空間を形成し、さらに中空筒２を外部と連通させる穴が中心に設けられている蓋部（不図示）とを有している。この第２低温容器６は、詳細には、外筒内周部と内筒外周部と蓋部内壁とで囲まれてなるものであり、外筒内周部と内筒外周部との間の空間には、第１低温容器５が配置される。また、第２低温容器６内部には、管１１を介して液体窒素を供給できるようになっている。

外容器７は、筒（不図示）と、この筒の両端に中空筒２を外部と連通させる穴を中心に有する蓋部（不図示）とを有しているものである。外容器７の外部の熱を断熱するために、内部は真空引きされている。

上記のように構成することで、強磁場で、勾配磁場を十分に付加できる磁場発生装置１を提供できる。
なお、磁場発生装置１は上記構成に限定されるものではなく、例えば、液体ヘリウム及び液体窒素で冷却する代わりに冷凍機を用いて冷却する構成の超電導磁石装置でもよい。

排出装置１０は、勾配磁場が発生している領域に配置されている。この排出装置１０は、中空筒２の長さ方向と平行で、中空筒２の中心に配置されている管１６と、一方側で管１６の途中で管１６の垂直方向に配置されて管１６内部と連通し、その反対側で２種以上の磁性の程度の異なる物質を含む混合物が投入され、磁場発生装置１の上部外側付近に設けられる投入口１５を有する管１７と、管１６内の空間１２、１３、１４からそれぞれ管１６の垂直方向に配置されて管１６内部と連通し、途中で垂直に折れ曲がっている管１８、１９、２０と、管１６内の空間１２から管１６の垂直方向に配置されて管１６内部と連通し、途中で垂直に折れ曲がっている管２１と、管１６内の空間１３から管１６の垂直方向に配置されて一方で管１６内部と連通し、他方で管２１と連通している管２２と、管１６内の空間１４から管１６の垂直方向に配置されて一方で管１６内部と連通し、他方で管２１と連通している管２２と、管２１の途中で管２２との連通位置と空間１２との連通位置との間に設けられているバルブ２４と、管２２途中に設けられているバルブ２５と、管２３途中に設けられているバルブ２６と、管２１の空間１２側と反対側において管２１と連通し、磁場発生装置１の下部外側に設けられるエアーポンプ２７とからなる。さらに、排出装置１０は、空間１２、１３、１４の位置に設けられ、磁性の程度の異なる物質の存在を感知するセンサー（不図示）と、このセンサーからの信号を受け取って、バルブ２４、２５、２６及びエアーポンプ２７を制御して圧縮空気を送り出させ、磁性の程度の異なる物質を空間１２、１３、１４の位置から管１８、１９、２０の位置へと押し出させる制御部（不図示）とを備える。なお、管１６、１８、１９、２０の下部には収集容器（不図示）がそれぞれ独立して設けられている。

次に、本発明の実施形態に係る分別装置の動作について説明する。
勾配磁場を発生させるために、メインコイル３及び反転コイル４に液体ヘリウム温度において電流を通し、強磁場と勾配の大きい勾配磁場を発生させる。その後、投入口１５から磁性の程度の異なる物質を例えば４種類含む混合物をゆっくり投入し、浮上させる。混合物のうちの一つの磁性の程度の異なる物質は浮上せずにそのまま管１６に沿って落下するものでよい。その際、落下してきた磁性の程度の異なる物質は、管１６下部に設けられている収集容器に収集される。
次に、分離して浮上している磁性の程度の異なる物質のうち一つが、空間１２、１３、１４のいずれかの位置に浮上するように勾配磁場を調整する。例えば、空間１２の位置で１種類の磁性の程度の異なる物質が浮上するように調整した場合、センサー（不図示）がこれを感知し、センサーから送られてきた信号を受け取った制御部（不図示）の命令によって、エアーポンプ２７から圧縮空気が管２１に押し出され、バルブ２４が閉から開とされて、圧縮空気が空間１２で浮上している１種類の磁性の程度の異なる物質を管１８に押し出して排除する。その後、押し出された１種類の磁性の程度の異なる物質は、管１８下部に設けられている図示しない収集容器に収集されることとなる。他の２種類の磁性の程度の異なる物質も同様の手順（管２２、２３及びバルブ２５、２６などを使用）で空間１３、１４のいずれかの位置で排除して、管１９、２０下部で図示しない収集容器に収集される。

なお、最初からどの物質の混合物を分離するかが判明していれば、ある一定の磁場と勾配磁場とにおけるこれらの物質の浮上状態を予め設定できる。このとき、その浮上位置に合わせて各管の口の向きなどを設置しておけば、混合物を投入するだけで勾配磁場の調整をせずとも分別することができる。
また、上記分別装置では、分離して浮上している磁性の程度の異なる物質のそれぞれが、各管の口の位置の手前の空間で浮上するように勾配磁場を調整するものとしたが、この代わりに各管の位置（排出装置）自体を上下に移動して、分別したい磁性の程度の異なる物質の浮上位置に各管の口の位置を一致させることとしてもよい。

上記構成により、磁性の程度の異なる物質を４種類含む混合物を容易に分別することができる。
なお、当然ではあるが、磁性の程度の異なる物質を２種以上含む混合物であれば、上記で説明したのと同様に分別装置を混合物の分別に適用できる。
また、勾配磁場を十分に付加できるため、磁性の程度が近似している物質間においても距離を離して浮上させることができるので、分別が可能となり、分解能の高い分別装置を提供できる。

また、勾配磁場の調節は、メインコイル及び反転コイルの形状、大きさ、長さ及び巻き数を適切に選択して行うことが可能である。これらの調節で磁気力の空間分解能をあげることが可能である。導入するプラスチック片は、導入する速度を低くすることで分離能を高めることができる。上記実施形態では、プラスチック導入部（図１における管１６と管１７との結合部）の途中に横方向の通路となる管１７を設けることで片の磁場への導入速度を小さくしている。
さらに、垂直方向の速度をゼロかそれに近くすることにより、下方に余分な力をかけることなく磁気浮上させることができる。磁気浮上の位置付近での速度がゼロになるように磁石の下部の方からプラスチック片を導入するのもよい。

また、図示しないが、反転コイル４を用いずに、メインコイルのみを用いる分別装置であっても、磁力を変化させれば、上記と同様の分別が可能である。つまり、磁性の程度の異なる物質を複数含む混合物を磁場内に投入し、磁性の程度の異なる物質毎に浮上させた後、電磁石であるメインコイルにより発生する磁場を変化させる。例えば、徐々に磁場を低下させることにより、磁場による影響を小さくし、最下で浮上している磁性の程度の異なる物質の一つを落下させて収集容器で収集し、その後に残った磁性の程度の異なる物質のうち最下にあるものについて、さらに磁場を低下させ、落下させて別の収集容器で収集する。これを繰り返して、磁性の程度の異なる物質がなくなるまで行う。
このようにしても、磁性の程度の異なる物質を複数含む混合物を分別することができる。
なお、反転コイルも用いて上記と同様に、一種類ずつ落下させて排除収集することも可能である。この場合、勾配磁場を十分に付加できるので、磁性の程度が近似している物質間においても、距離を離して浮上させることができ、幅広い分別が可能となる。

また、上記実施態様では、排出方法として圧縮空気を使用しているが、機械的に金属板で押し出してもよい。上記の態様ではセンサーを用いて浮上を確認し、それに合わせて制御部によりエアーポンプやバルブを作動させたが、混合物の投入とエアーポンプやバルブの作動との作動タイミングを予め合わせた手順にしたがってコンピューター制御することもできる。

図１と同様の構成を有する磁場発生装置及び図２と同様の構成を有する排除装置を備える分別装置について検証を行った。磁性の程度の異なる物質の混合物として、ポリエチレン（日本ポリケム（株）製、比重０．９５ｇ／ｃｍ³）、ポリプロピレン（出光石油化学（株）製、比重０．９１ｇ／ｃｍ³）、ポリスチレン（エーアンドエムスチレン（株）製、比重１．０５ｇ／ｃｍ³）、ポリカーボネート（出光石油化学（株）製、比重１．２ｇ／ｃｍ³）およびポリエチレンテレフタレート（三菱レーヨン（株）製、比重１．３４ｇ／ｃｍ³）のプラスチックの混合物を用いた。各プラスチックの大きさは３ｍｍ×４ｍｍ×５ｍｍである。
まず、勾配磁場を発生させるために、１つのＮｂ₃Ｓｎ（図１における３ａ）と２つのＮｂＴｉ（図１における３ｂ、３ｃ）からなるメインコイルを設け、この上の直近にＮｂ₃Ｓｎからなる反転コイル（図１における４）を設け、これらを液体ヘリウム温度において電流を通し、１５Ｔの磁場及び１５００Ｔ²／ｍの勾配磁場を発生させた。

図１の勾配磁場が発生している領域に図２の排除装置を設け、上部の投入口（図１における１５）から上記のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネートおよびポリエチレンテレフタレートの破片からなるプラスチック混合物をゆっくり投入した。その結果、ポリエチレンテレフタレートは浮上せずに収集容器（図１において図示していないが、管１６下部に設けられている）に落下した。ポリエチレン、ポリプロピレンの破片は、空間１２中心付近において浮上するように磁場を調整した。また、ポリカーボネートは空間１２中心から約１．５ｃｍ下に設けられた空間１３中心付近において停止した。ポリスチレンは空間１２と空間１３の中間点付近で浮上した。以下の表１に磁場が１５Ｔ、勾配磁場が１５００Ｔ²／ｍのときの各プラスチックの浮上する位置の磁気力を示す。

ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネートの浮上物は、空間１２、１３付近に設けられたセンサーで確認されると各空間に対応する２４、２５のいずれかのバルブが開いてエアーポンプ２７から噴出してくる圧縮空気で管１８、１９に押し出されて排出され、収集容器に収集された。こうして、ポリエチレン、ポリプロピレンは管１８下部の収集容器（不図示）に、ポリカーボネートは管１９下部の収集容器（不図示）に、ポリエチレンテレフタレートの破片は管１６下部の収集容器（不図示）にそれぞれ分別された状態で収集された。

ポリスチレンと他の浮上物との分別は、上記の条件では浮上点が比較的近いため、分別できなかったが、勾配磁場の強さを調節して再度本実施例の処理を施せば、分別可能であった。さらにポリエチレンとポリプロピレンの分別も同様に、勾配磁場の強さを調節して再度本実施例の処理を施せば、分別可能であった。

したがって、上記実施例１によれば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネートおよびポリエチレンテレフタレートの混合物の分別が可能であることが確認された。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。

磁性の程度の異なる物質、例えば、各種プラスチック（塩化ビニル、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレンなど）の混合物を磁気力を利用して液体の溶媒を使わない、ドライの状態で個々のプラスチックに分離でき、リサイクルに適用できる。また、米や小麦の浮上状態を調べることによって、出来具合を検査することもできる。さらに、植物の種の分別にも適用できる。

本発明の実施形態に係る分別装置に用いられる磁場発生装置の一部切欠概略図である。図１におけるメインコイルと反転コイルとの境界付近に排出装置が配置されている拡大断面図である。

符号の説明

１磁場発生装置
２中空筒
３メインコイル
４反転コイル
５第１低温容器
６第２低温容器
７外容器
８、１１、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３管
９土台
１０排出装置
１２、１３、１４空間
１５投入口
２４、２５、２６バルブ
２７エアーポンプ

Claims

磁場を発生させて磁性の程度の異なる物質を２種以上含む混合物を、前記磁場内で前記磁性の程度の異なる物質毎に分離して浮上させる磁場発生手段と、
前記磁場内で分離された前記磁性の程度の異なる物質毎に前記磁場外へ排出する排出手段とを備える分別装置。
前記排出手段が、少なくとも一つの圧力発生手段と、前記圧力発生手段により押し出された前記磁性の程度の異なる物質を排除するための前記磁場外部と連通する少なくとも一本の管とを有するものであって、
前記磁場発生手段により磁場を変化させて浮上させた前記磁性の程度の異なる物質の浮上位置を前記管の一方側の口の位置に一致させた際、浮上させた前記磁性の程度の異なる物質毎に、前記圧力発生手段により前記管の口を介して前記管内に押し出して排出するものである請求項１記載の分別装置。
前記磁場発生手段により浮上しなかった前記磁性の程度の異なる物質は、下部方向に落下させて排除される請求項２記載の分別装置。
前記磁場発生手段が超電導電磁石である請求項１〜３のいずれかに記載の分別装置。
磁場を発生させて磁性の程度の異なる物質を２種以上含む混合物を、前記磁場内で前記磁性の程度の異なる物質毎に分離して浮上させる磁場発生用電磁石を備え、前記磁場発生用電磁石により発生する磁気力の差により前記磁性の程度の異なる物質毎に磁場外へ落下させて分別する分別装置。
前記電磁石が超電導電磁石である請求項５記載の分別装置。
さらに反転磁場発生用磁石を備える請求項１〜６のいずれかに記載の分別装置。
前記反転磁場発生用磁石が超電導電磁石である請求項７記載の分別装置。