JP2011056369A - 磁気分離装置及び磁気分離システム - Google Patents

Abstract

【課題】粒子の捕獲性能を向上させることができる磁気分離装置を提供する。
【解決手段】磁気分離装置１は、流体中の粒子を磁気力によって分離する。磁気分離装置１は、中空部１１ａが形成された内壁部１１、及び、内壁部１１が配置される中空部１２ａが形成された外壁部１２を有し、内壁部１１と外壁部１２との間に流体を流すための流路５が形成された管状部材２と、複数の永久磁石１６、１７を有し、中空部１１ａに設けられた磁場発生部３と、磁場発生部３の外側に配置され、流路５の中央部から外周部に延び、磁性体を含むフィルター部４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体中の粒子を捕獲して分離する磁気分離装置及び磁気分離システムに関する。

磁気力により粒子を捕獲して、分離する磁気分離装置が知られている。このような磁気分離装置は、液体中の固形粒子を分離することに用いられることが多い。

磁気分離の方法には大きく分けて、開放勾配型磁気分離法（Open Gradient Magnetic Separation, OGMS）と高勾配磁気分離法（High Gradient Magnetic Separation, HGMS）とがある。

開放勾配型磁気分離法は、磁石の磁気力を直接使い分離する方法である。開放勾配型磁気分離法は、１ｍｍ以上の鉄粒子などの分離によく使われる。

一方、高勾配磁気分離法は、細い針金などでできた金網を外部磁場によって磁化し、針金の表面に発生した非常に大きな磁気力で物質を引き付ける方法である。高勾配磁気分離法は、ミクロンサイズの粒子の分離によく使われている。

近年、超電導マグネット技術の発展によって、数Ｔ以上の磁場が容易に使えるようになった。このため、高勾配磁気分離法と高磁場を組み合わせた磁気分離装置が開発されている。このような磁気分離装置は、１μｍ以下の強磁性体や常磁性体を分離することが可能になっている。また、高勾配磁気分離法は、針金等を流路に入れる必要があるが、膜等の磁気分離装置と異なり目詰まりを起こして使用不能になることが無いという特徴を有している。つまり、磁場のｏｎ／ｏｆｆによって捕獲性能をｏｎ／ｏｆｆすることが可能である。このため、フィルターに回収物が溜まったら磁場をｏｆｆにして捕獲性能を無くし、捕獲した物質を洗い流すことができる。この機能は、捕獲物を容易に回収できるということで、有価物の回収等にも有効である。

開放勾配型磁気分離法による磁気分離装置では、永久磁石が用いられている。これは、開放勾配型磁気分離法では比較的大きな粒子を対象としているため、大きな磁気力は必要としないため磁場の弱い永久磁石でも使用可能であるためである。また、安価であることと直接磁石と粒子が力を及ぼしあうため丈夫な構造を要求されるという理由もある。

一方、高勾配磁気分離法による磁気分離装置では、電磁石が用いられている。高勾配磁気分離法では金網の洗浄のため磁場のｏｎ／ｏｆｆが必要で、そのために電磁石が使われている。しかしながら、微細な粒子を含んだ水を大量に処理するには大型の高勾配磁気分離法による磁気分離装置が必要であるが、大型の電磁石は、非常に重くまた、大量の電力、冷却のための水を必要とする。近年ではランニングコストの安い超電導マグネットなどを使うようになってきているが、設備が非常に高価になるという問題がある。

そこで、特許文献１には、内側に環状通路が形成された筒状体と、環状通路に配置された永久磁石とを備える凝集装置が開示されている。この凝集装置では、永久磁石により粒子を凝集させて、凝集させた粒子を濾過装置にて除去している。

特許第２７３８５２２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、永久磁石の磁場を流路全体に広げることが困難なため、流路の外周部を流れる粒子を凝集させることができない。このため、永久磁石から離れた領域と流れる粒子を十分に捕獲できないといった課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、粒子の捕獲性能を向上させることができる磁気分離装置及び磁気分離システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、流体中の粒子を磁気力によって分離する磁気分離装置において、第１中空部が形成された内壁部、及び、前記内壁部が配置される第２中空部が形成された外壁部を有し、前記内壁部と前記外壁部との間に流体を流すための流路が形成された管状部材と、複数の永久磁石を有し、前記第１中空部に設けられた磁場発生手段と、前記磁場発生手段の外側に、且つ、前記流路の内周部から外周部にわたって配置され、磁性体を含むフィルター部とを備えるものである。

また、請求項２に記載の発明は、前記複数の永久磁石は、第１永久磁石と、前記第１永久磁石と磁極が向かい合うように配列された第２永久磁石とを有し、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に配列された磁性体部材を備えるものである。

また、請求項３に記載の発明は、前記複数の永久磁石は、第１永久磁石と、前記第１永久磁石と磁極が向かい合うように配列された第２永久磁石とを有し、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に配列され、配列方向と交差する方向に磁化された補助永久磁石を備えるものである。

また、請求項４に記載の発明は、前記フィルター部は、強磁性体を含む金網を有する。

また、請求項５に記載の発明は、前記フィルター部は、積層された強磁性体を含む複数の金網を備え、前記金網の面が流体の流れと交差するように、前記金網が取り付けられている。

また、請求項６に記載の発明は、前記磁場発生手段または前記フィルター部が、取り外し可能である。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の磁気分離装置と、前記フィルター部が捕獲した粒子を洗浄する洗浄液を前記流路に供給する洗浄機構とを備えるものである。

本発明によれば、永久磁石から延びる磁場が、磁性体を含むフィルター部によって流路の外周部へと広げられる。これにより、流路の外周部においても、粒子を捕獲することができるので、粒子の捕獲性能を向上させることができる。

第１実施形態による磁気分離システムの全体概略図である。 第１実施形態による磁気分離装置の全体斜視図である。 磁気分離装置の内部構成図である。 磁場の方向を説明する図である。 第１実施例の捕獲率と比較例の捕獲率とを比較したグラフである。 洗浄して繰り返し使用した金網による捕獲率のグラフである。 第２実施形態による磁場発生部の図４相当図である。 第２実施形態による磁力発生部の補助永久磁石の平面図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明による第１実施形態の磁気分離装置及び磁気分離システムについて説明する。図１は、第１実施形態による磁気分離システムの全体概略図である。図２は、第１実施形態による磁気分離装置の全体斜視図である。図３は、磁気分離装置の内部構成図である。図４は、磁場の方向を説明する図である。尚、以下の説明において、図２の矢印で示す上下を上下方向とする。上下方向に垂直な方向を水平方向とする。

図１に示すように、第１実施形態による磁気分離システムは、磁気分離装置１と、洗浄機構６とを備えている。

第１実施形態による磁気分離装置１は、流体中の磁性粒子を磁気力によって分離するものである。図２〜図４に示すように、磁気分離装置１は、管状部材２と、磁場発生部３と、フィルター部４とを備えている。

管状部材２は、内壁部１１と、外壁部１２とを備えている。内壁部１１は、円筒形状に形成されている。内壁部１１の内側には、磁場発生部３が挿入される中空部１１ａが形成されている。外壁部１２は、円筒形状に形成されている。外壁部１２の内側には、内壁部１１を配置するための中空部１２ａが形成されている。外壁部１２の内径は、内壁部１１の外径よりも大きい。そして、外壁部１２の中心と内壁部１１の中心は、略同じ位置に配置されている。これにより、外壁部１２の内面と内壁部１１の外面との間には、流体を流すため流路５が形成される。

磁場発生部３は、磁場を発生させるものである。磁場発生部３は、管状部材２の内壁部１１の中空部１１ａに取り外し可能に設けられている。図３に示すように、磁場発生部３は、筐体１５と、複数の永久磁石１６、１７と、複数の強磁性体部材１８ とを備えている。

筐体１５は、管状部材２の内壁部１１の中空部１１ａに挿入される。筐体１５は、円筒形状に形成されている。筐体１５の内側には、永久磁石１６、１７と強磁性体部材１８とが挿入される中空部１５ａが形成されている。

永久磁石１６、１７は、筐体１５の中空部１５ａに配置される。永久磁石１６と永久磁石１７は、交互に配置されている。永久磁石１６と永久磁石１７は、同じ円柱形状の永久磁石からなる。しかしながら、図３に示すように、永久磁石１６と永久磁石１７は、同じ磁極が向き合うように、逆向きに配列されている。具体的には、永久磁石１６は、Ｎ極が上になるように配置されている。一方、永久磁石１７は、Ｓ極が上になるように配置されている。

強磁性体部材１８は、円柱状の強磁性体からなる。強磁性体部材１８は、筐体１５の中空部１５ａに配置される。強磁性体部材１８は、永久磁石１６と永久磁石１７との間に配列される。これにより、図４に示すように、上下方向に延びる永久磁石１６、１７の磁場２０が、強磁性体部材１８によって水平方向へと曲げられ、且つ、強磁性体部材１８の外周で集中させられる。この結果、磁場２０が、強磁性体部材１８によって流路５へと向けられる。

フィルター部４は、磁場発生部３から水平方向へ延びる磁場２０を遠方へ届かせるものである。フィルター部４は、複数（例えば、２００枚）の金網２１が積層された構造を有する。

金網２１は、平面形状のリング状に形成されている。金網２１の内径は、管状部材２の内壁部１１の外径と略同じである。金網２１の外径は、管状部材２の外壁部１２の内径と略同じである。金網２１は、磁場２０を広げる磁気回路として機能する。金網２１は、磁場発生部３の外側に配置されている。金網２１は、流路５の内周部から外周部にわたって配置されている。金網２１の面が流路５内の流体の流れる方向に対して略直交するように、金網２１は取り付けられている。金網２１は、網目の数が１０メッシュ〜１００メッシュになるように編まれた針金からなる。金網２１を構成する針金は、ステンレス製（例えば、ＳＵＳ４３０）であって、１ｍｍ〜１００μｍの直径を有する。

洗浄機構６は、フィルター部４の金網２１が捕獲した磁性粒子を洗浄するための洗浄水を流路５に供給するものである。洗浄機構６は、バルブ２２を介して、流路５に接続されている。バルブ２２は、捕獲対象の磁性粒子を含む流体が流れる経路と、洗浄機構６と接続された経路とを切り替える。

次に、上述した磁気分離装置１の動作を説明する。

まず、磁場発生部３の永久磁石１６、１７から上下方向に延びる磁場２０は、図４に示すように互いに反発して、曲げられる。更に、曲げられた磁場２０は、強磁性体部材１８によって、略水平方向へと曲げられ、且つ、強磁性体部材１８の外側に集中されて、筐体１５及び内壁部１１の外側へと放出される。これにより、磁場２０は、内壁部１１の外側の流路５へと延びる。更に、磁場２０は、フィルター部４の金網２１により外壁部１２まで広げられる。これにより、磁場２０は、流路５の水平面全体に広げられて、大きい磁場勾配が発生する。更に、金網２１の外周部においては、金網２１を構成する針金の端部から磁場２０が漏れ出すので、大きな磁場勾配が発生する。この結果、大きな磁気力が、金網２１が疎になり、圧力損失が中央部に比べて低くなる流路５の外周部に発生する。

この状態で、磁性粒子を含む流体が、管状部材２の流路５に流されると、磁気力によって、金網２１に磁性粒子が捕獲される。ここで、上述したように、磁気力は磁場発生部３の近傍である流路５の中央部のみならず流路５の外周部においても、磁気力が大きいので、外周部であっても、磁性粒子が金網２１によって捕獲される。

この後、所定量の磁性粒子が金網２１によって捕獲されて、金網２１の捕獲性能が低下すると、磁場発生部３を中空部１１ａから取り出して、金網２１の磁場を消失させる。この状態で、バルブ２２によって経路を切り替える。これにより、洗浄機構６により洗浄水が流路５に流されて、磁性粒子が金網２１から離脱される。金網２１が十分に洗浄されると、再度、磁場発生部３が、中空部１１ａに取り付けられる。次に、磁性粒子を含む流体を流路５に流すと、洗浄された金網２１による磁性粒子の捕獲が行われる。この後、この捕獲処理が繰り返される。

上述したように、第１実施形態による磁気分離装置１では、流路５の内側から外側にわたって、強磁性体を含む金網２１が設けられている。これにより、磁場発生部３の永久磁石１６、１７から発生した磁場が流路５の外周部へと広げることができるので、流路５の外周部に磁気力を発生させることができる。この結果、磁気分離装置１は、圧力損失が低く、流体が流れ易い、流路５の外周においても、流体中の磁性粒子を捕獲できるので、流路５の水平面内での磁性粒子の捕獲の均一化を向上させることができる。

また、磁気分離装置１では、磁場の方向が逆向きになるように、永久磁石１６と永久磁石１７とを磁場の向きが互いに逆向きになるように配置するとともに、永久磁石１６と永久磁石１７との間に強磁性体部材１８を配置している。これにより、これにより、永久磁石１６、１７から発生する磁場を水平方向へと向けることができるので、より流路５の遠方へと磁場を広げることができる。この結果、流路５の外周部でも更に強い磁気力を生じさせることができるので、磁性粒子の捕獲性能を向上させることができる。

更に、磁気分離装置１では、磁場発生部３を取り外し可能に構成している。これにより、磁場発生部３を取り外して、流路５へと延びる磁場を消失させることができる。この状態で、洗浄機構６が流路５に洗浄水を流すことにより、所定量の磁性粒子を捕獲して、捕獲性能が低下した金網２１から磁性粒子を離脱させて、洗浄することができる。この結果、フィルター部４の金網２１の捕獲性能を回復させることができる。

（第１実験）
次に、上述した磁性粒子の捕獲性能を実証するために行った第１実験について、図面を参照して説明する。図５は、第１実施例の捕獲率と比較例の捕獲率とを比較したグラフである。

第１実施例は、上述した第１実施形態と同じ構成を有する。尚、第１実施例の各設定値及び条件は以下の通りである。
磁場発生部３の直径：約２ｃｍ
磁場発生部３の高さ：約２０ｃｍ
磁場発生部３の表面での磁場強度：約１．４Ｔ
金網２１のメッシュ数：１４メッシュ
フィルター部４の金網２１の積層枚数：２００枚
流路５を流れる流体の流量：約７．６Ｌ／ｍｉｎ（線流速：約３０ｃｍ／ｓ）
流路５の幅：約１．２ｃｍ
流体に含まれる磁性粒子の粒径：１μｍ〜１０μｍ
流路中の磁性粒子：マグネタイト粒子
尚、比較例は、第１実施例から金網を取り外した以外は、同じ構成、同じ条件である。

上述した設定値及び条件で第１実施例及び比較例の捕獲率を測定した。ここでいう捕獲率は、
捕獲率＝１−（フィルター部通過後の磁性粒子濃度／フィルター部流入前の磁性粒子濃度）
である。

図５に示すように、比較例では、流体の流し始めから捕獲率が低いことがわかる。これは、比較例が金網２１を設けていないため、磁場発生部３の近傍（即ち、流路５の内周部）では、磁気力が強いため磁性粒子を捕獲できるが、磁場発生部３の遠方（即ち、流路５の外周部）では、磁気力が弱く、磁性粒子の捕獲が困難になるためと考えられる。更に、比較例では、捕獲率の低下が速いことがわかる。これは、表面積の小さい内壁部１１の外面によって、磁性粒子を捕獲するため、磁性粒子の堆積による内壁部１１の外面の占有率が高くなりやすく、内壁部１１が速く飽和状態になるためと考えられる。

一方、図５に示すように、本願による第１実施例では、流体の流し始めから捕獲率が高く、略「１」となっていることがわかる。これは、第１実施例が流路５に金網２１を設けているので、磁場発生部３の近傍のみならず、遠方でも磁気力が強いためである。これにより、金網２１の外周部（即ち、流路５の外周）においても、磁性粒子を捕獲することができるので、第１実施例は、高い捕獲率を実現できると考えられる。

更に、第１実施例は、捕獲率の低下が遅いことがわかる。これは、第１実施例では、表面積の大きい金網２１によって磁性粒子を捕獲するので、磁性粒子の堆積による金網２１の表面の占有率が高くなりにくく、金網２１が飽和状態になるまで時間を要するためと考えられる。

（第２実験）
次に、上述した第１実施例の捕獲性能の回復力を実証するために行った第２実験について、図面を参照して説明する。図６は、洗浄して繰り返し使用した金網による捕獲率のグラフである。

第２実験では、金網２１の洗浄を３回行い、各回の捕獲率を測定した。尚、ここでいう洗浄とは、上述したように磁場発生部３を内壁部１１の中空部１１ａから取り外し、洗浄水を流路５に流すことによって行った。

図６に示すように、第１実施例では、１回目の洗浄後の捕獲率、２回目の洗浄後の捕獲率、３回目の洗浄後の捕獲率が、略変化していないことがわかる。これにより、磁場発生部３を取り外して行われる洗浄が、捕獲率の回復に有効であることがわかる。

（第２実施形態）
次に、上述した実施形態の一部を変更した第２実施形態について、図面を参照して説明する。図７は、第２実施形態による磁場発生部の図４相当図である。図８は、第２実施形態による磁力発生部の補助永久磁石の平面図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付与して説明を省略する。

図７に示すように、第２実施形態による磁場発生部３Ａは、永久磁石１６と永久磁石１７との間に補助永久磁石２５を設けている。ここで、補助永久磁石２５の磁場の方向は、図８に示すように、径方向に構成されている。尚、補助永久磁石２５の磁場の向き、即ち、中心から外周、または、外周から中心のいずれかは、補助永久磁石２５の両側に配置される永久磁石１６、１７の磁場の向きにより設定される。これにより、補助永久磁石２５の外周部に磁場を集中させて、磁場強度をより向上させることができる。

第２実施形態は、第１実施形態の強磁性体部材１８を補助永久磁石２５に変更した以外は同様の構成を有するので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、上述した実施形態の構成、形状、数値、材料等は、適宜変更可能である。

また、上述した実施形態では、金網によってフィルター部を構成したが、針金を束ねたものによってフィルター部を構成してもよい。

上述した実施形態では、磁場発生部を取り外し可能に構成したが、フィルター部を取り外し可能に構成してもよい。

１ 磁気分離装置
２ 管状部材
３、３Ａ 磁場発生部
４ フィルター部
５ 流路
６ 洗浄機構
１０ 磁気分離システム
１１ 内壁部
１１ａ 中空部
１２ 外壁部
１２ａ 中空部
１５ 筐体
１５ａ 中空部
１６、１７ 永久磁石
１８ 強磁性体部材
２０ 磁場
２１ 金網
２５ 補助永久磁石

Claims (7)

1. 流体中の粒子を磁気力によって分離する磁気分離装置において、
   第１中空部が形成された内壁部、及び、前記内壁部が配置される第２中空部が形成された外壁部を有し、前記内壁部と前記外壁部との間に流体を流すための流路が形成された管状部材と、
   複数の永久磁石を有し、前記第１中空部に設けられた磁場発生手段と、
   前記磁場発生手段の外側に、且つ、前記流路の内周部から外周部にわたって配置され、磁性体を含むフィルター部とを備えることを特徴とする磁気分離装置。
2. 前記複数の永久磁石は、
   第１永久磁石と、
   前記第１永久磁石と磁極が向かい合うように配列された第２永久磁石とを有し、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に配列された磁性体部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気分離装置。
3. 前記複数の永久磁石は、
   第１永久磁石と、
   前記第１永久磁石と磁極が向かい合うように配列された第２永久磁石とを有し、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に配列され、配列方向と交差する方向に磁化された補助永久磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気分離装置。
4. 前記フィルター部は、
   強磁性体を含む金網を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の磁気分離装置。
5. 前記フィルター部は、
   積層された強磁性体を含む複数の金網を備え、
   前記金網の面が流体の流れと交差するように、前記金網が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の磁気分離装置。
6. 前記磁場発生手段または前記フィルター部が、取り外し可能であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の磁気分離装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の磁気分離装置と、
   前記フィルター部が捕獲した粒子を洗浄する洗浄液を前記流路に供給する洗浄機構とを備えることを特徴とする磁気分離システム。