JP2560511B2 - 超電導形磁気分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は白陶土中の鉄化合物の除去、あるいは製鉄所
廃水中の磁性物質の除去などに用いられる磁気分離装置
で、特に、超電導磁石を利用した磁気分離装置に関す
る。

〔従来の技術〕

磁気分離装置は古くから鉄鉱石の選鉱に用いられてき
たが、1960年代の終わり頃に高勾配磁気分離（HGMS:Hig
h Gradient Megnetic Separetion）が開発され、白陶土
などの磁気原料の精製をはじめその他磁性粒子の選別等
に工業的に用いられるようになった。

磁気分離装置の原理は、よく知られているように、磁
化率x,体積Ｖの磁性粒子が磁場Ｈの中に置かれた時に受
ける力により、磁性粒子を分離するもので、この力Ｆ
は、 Ｆ＝VxHgrad H ……（１） であり、この力は磁場の強さH,磁場の勾配grand Hとに
比例する。磁場の勾配grad Hは磁石をそのまま使用する
だけで大きな値が得られず、高勾配磁気分離（HGMS）で
は磁場中に置かれた強磁性の細い線材のまわりにできる
局所的な高い勾配磁場を利用している。更に、分離能力
を高めるため高磁場の発生可能な超電導磁石を利用する
ことが行われている（例えばAdvances in Cryogenic En
gineering volume 33 page 53〜60;1988年,Plenum Pres
s,New York）。

第５図は従来の超電導磁石を用いた高勾配磁気分離装
置の断面図である。２は超電導コイルで、真空断熱容器
に収納され、液体ヘリウムで冷却される。このコイルは
円筒形のコイルで磁場Ｈを発生する。１は磁性ステンレ
ス鋼の細い線材、例えば、数十μｍの線材を綿状にして
作られたフィルタで磁場Ｈの中に配置され、この細い線
材のまわりに局所的な高い勾配磁場を発生する。超電導
コイル２で発生した磁束はフィルタ１→ポールピース3b
→リターンヨーク４→ポールピース3a→フィルタ１の磁
気回路を通る。ポールピース3a,3b及びリターンヨーク
４を鉄材で作られ、前記の磁束を通すに充分な断面積を
持っている。

運転手順として、例えば、磁性粒子を含むオカリンの
スラリーが被処理流体５として弁V1を経由して磁気分離
装置の下部から流入し、ポールピース3aの中に設けられ
た流通孔6aを経由してフィルタ１の中に入る。被処理流
体５の中に含まれる磁性粒子はフィルタ１を構成する磁
性線材のまわりの局所的な高い勾配磁場によって捕捉さ
れる。磁性粒子が除去された被処理流体５はフィルタ１
を出て、ボールピース3bの中の流通孔6bを経由して磁気
分離装置から出て、弁V2から磁性粒子の除かれた流体７
として取り出される。前述の磁性粒子の捕捉サイクルで
は弁はV1:開,V2:開,V3:閉,V4:閉である。長時間被処理
流体を流通させるとフィルタ１に磁性粒子が蓄積しその
捕捉能力が落ちてくるので、洗浄サイクルに移る。ま
ず、超電導コイル２が消磁され、弁はV1:閉,V2:閉,V3:
開,V4:開に操作される。洗浄用流体８、例えば、水が弁
V3が経由して磁気分離装置に上から供給され、フィルタ
１に捕捉されていた磁性粒子を洗い流しながら磁気分離
装置の下部から弁を通して多量の磁性粒子を含む流体９
として取り出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の磁気分離装置において磁気回路として鉄製のポ
ールピース3a,3b及びリターンヨーク４を設けている。
このため超電導コイル２の発生する磁束を有効に使うこ
とができ、また周囲への漏れ磁場もほとんどない。しか
しながら、この磁気回路の鉄の量は膨大となっている。
例えば、フィルタ１の直径が2m程度の一般的な磁気分離
装置において鉄の重量は150〜200トンにもなる。これに
より鉄の材料コストの他、重量物の組立，輸送，及び設
置場所の基礎工事等コストの高いものになっている。鉄
の量を減らそうとすると周囲への漏れ磁場が大きくな
る。極端に言って鉄を全く用いないで超電導コイルのみ
で磁気分離装置を構成することもできるが、この場合、
周囲への漏れ磁場の影響を避けるため広大な設置面積を
要する。

一方、漏れ磁場の小さいコイル形式が特開昭51−0062
40号公報により知られており、磁気共鳴画像診断装置の
超電導磁石にも用いられ、アクティブシールド方式と呼
ばれている。このコイル形式は円筒形の主コイルとこれ
と同軸で外側に置かれた円筒形のシールドコイルとから
なり、これら両コイルの磁気双極子モーメントの絶対値
が等しく極性を逆にしたものである。このコイル形式を
用いた超電導磁石は漏れ磁場は小さいが、シールドコイ
ルの作る磁場が主コイルが作る磁場を部分的に打ち消す
ため、主コイルのアンペアターンを増す必要があり、シ
ールドコイルにもコストがかかる。超電導磁石は現在、
非常に高価であり、このままこのコイル形式の超電導磁
石を磁気分離装置に適用したのでは大幅なコスト増とな
る。

本発明の課題は、前述の問題点を解決して、磁気回路
として鉄材を用いることなく、かつ、漏れ磁場が小さく
し、しかも超電導コイルのコストが適度な超電導形磁気
分離装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前述の課題を解決するために、本発明の超電導磁石と
この磁石の発生する磁場の中におかれた強磁性体の線材
からなるフィルタを備え、磁性粒子を含む被処理流体
が、このフィルタを通過する際、線材のまわりに生じる
局所的な高勾配磁場により、前記磁性粒子をフィルタに
吸引して前記被処理流体より除去する超導電形磁気分離
装置においては、超電導磁石は円筒形の内側超電導コイ
ルとこれと同軸で逆極性の円筒形の外側超導電コイルと
からなり、フィルタはこの内側超電導コイルの内部に配
置される内側フィルタとこの外側超電導コイルと内側超
電導コイルの中間部に配置される外側フィルタとからな
り、前記超電導磁石は内側超電導コイルの磁気双極子モ
ーメントと外側超電導コイルの双極子モーメントの絶対
値がほぼ等しくかつ逆極性とし、被処理流体を内側フィ
ルタと外側フィルタとの相方に流通させるようにする。

〔作用〕

本発明では円筒形の内側超電導コイルとこれと同軸で
逆磁極の磁場を発生する円筒形の外側超電導コイルとを
備え、それぞれの磁気双極子モーメントをほぼ等しく、
かつ、逆極性にしたので周囲に対する磁場はこの両コイ
ルの磁場が打消しあって漏れ磁場は非常に低くなる。勿
論磁気回路に鉄材を用いる必要なく、磁気回路の膨大な
鉄の量は削減できる。また、内側超電導コイルの内部
と、外側超電導コイルと内側超電導コイルとの中部に、
磁性粒子捕捉用のフィルタを設け、この相方に被処理流
体を流通せしめるようにしたので超電導コイルの発生す
る磁場を有効に活用でき、分離装置の能力に対する超電
導コイルのコストは適度に抑えられる。

〔実施例〕

第１図は本発明の超電導形磁気分離装置の一実施例の
断面図を示す。15は円筒形の内側超電導コイルであり、
16はこれと同軸で逆極性の磁場を発生する円筒形の外側
超電導コイルで、超電導磁石はこの両コイルから構成さ
れている。この両コイルはそれぞれ内側真空断熱容器13
と外側真空断熱容器14に収められ、液体ヘリウムで冷却
される。円柱形の内側フィルタ11が内側超電導コイル15
の内部に、円筒形の外側フィルタ12が、外側超電導コイ
ル16と内側超電導コイル15との中間部に配置される。そ
して、内側フィルタ11は内側真空断熱容器13と端板17か
らなる容器内に、外側フィルタ12は外側真空断熱容器14
及び内側真空断熱容器13と端板18からなる容器内に収め
られる。これらのフィルタは、すでに述べたように、磁
性ステンレス鋼の細い線材、例えば、数十μｍの線材を
綿状にして作られる。端板17及び18にはその上綿と下綿
に被処理流体５及び洗浄用流体８用の配管が取り付けら
れる。

内側超電導コイル15の磁気双極子モーメントNI・Ａ
〔但しNIはアンペアターン、Ａはコイル径をＤとしてＡ
＝（π/4）・D²〕と外側超電導コイル16の磁気双極子モ
ーメントNI・Ａとは絶対値がほぼ等しく極性が逆になっ
ている。このようにすれば、周囲への漏れ磁場は距離の
５乗で急速に減衰する。第３図はこの超電導磁石の磁場
分布を示し、縦軸は磁場Ｈ、横軸は超電導コイルの中心
からの距離ｒであり、11,15,12,16はそれぞれ内側フィ
ルタ11,内側超電導コイル15,外側フィルタ12,外側超電
導コイル16の位置関係を示している。内側フィルタ11と
外側フィルタ16には高磁場、例えば、実線23で示す2T
（テスラ）が印加されており、しかも外側超電導コイル
16より外の磁場は前述の原理により非常に小さい。内側
超電導コイルのアンペアターンNIは外側超電導コイルの
アンペアターンNIの約２倍である。内側超電導コイルは
それ単独で鎖線21で示す約4Tの磁場を発生し、外側超電
導コイルはそれ単独で破線22で示す約2Tの磁場を発生す
る。これにより前述のように内側フィルタにかかる磁場
は約2Tで、外側フィルタにかかる磁場も約2Tになる。従
って内側及び外側の両フィルタともほぼ等しい磁性粒子
の捕捉能力を持っている。被処理流体５はこの両フィル
タへ並列に流通させる。

運転手順は、すでに述べた第５図の装置と同様であ
る。

第２図は本発明の超電導形磁気分離装置の異なる実施
例の断面図を示す。本実施例では第１図に示した実施例
に比べて内側超電導コイル15の径はより小さく、アンペ
アターンはより多くなっている。同時に、内側超電導コ
イル15の磁気双極子モーメントNI・Ａと外側超電導コイ
ルの磁気双極子モーメントNI・Ａはほぼ等しく、かつ、
逆極性に定めてある。第４図はこの超電導磁石の磁場分
布を示し、図中のH,r,11,15,12,16は第３図のそれと同
じである。内側超電導コイルは、例えば、それ単独で鎖
線21で示す約6Tの磁場を発生し、外側超電導コイルはそ
れ単独で破線22で示す約2Tの磁場を発生する。これによ
り、実線22で示すように内側フィルタにかかる磁場は約
4Tで、外側フィルタにかかる磁場は約2Tとなる。内側及
び外側超電導コイルの磁気双極子モーメントMI・Ａはほ
ぼ等しく逆極性であるので、外側超電導コイルより外の
漏れ磁場は非常に小さく抑えられていることは第１図の
実施例と同じである。

被処理流体５は第２図に示すように、まず、磁場の低
い外側フィルタ12に流通させ、次に連絡配管31を経て内
側フィルタ11に流通させる。磁場の低い外側フィルタで
は磁化率ｘの比較的大きい粒子が捕捉され、次に磁場の
高い内側フィルタでは磁化率の比較的小さい粒子が捕捉
される。洗浄時には、内側フィルタの洗浄廃水9aと外側
フィルタの洗浄廃水9bを別々に排出管32と33から取り出
すことにより、被処理流体中の磁性粒子を２種類の物質
に分別して回収できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、内側超電導コイルとこれと同軸で逆
極性の外側超電導コイルを備え、両コイルの磁気双極子
モーメントの絶対値を等しく極性を逆にすることによ
り、大量の鉄材の磁気回路を用いることなく周囲への漏
れ磁場は非常に低くし得たことは勿論であるが、磁性粒
子を捕捉するフィルタを内側超電導コイルの内部のみで
なく、外側超電導コイルと内側超電導コイルとの中間部
にも設けるようにしたので、第５図に示す従来の超電導
形磁気分離装置に比して、同程度の外径でフィルタの容
積は約３倍に増加し、その分処理能力も増大した。ま
た、処理能力の増大により、処理能力当たりの超電導コ
イルのコストが適度に抑えられるようになった。

更にまた、内側フィルタと外側フィルタの磁場の大き
さを異なるようにして、被処理流体を、まず、低磁場の
フィルタに流通させ、次に高磁場のフィルタに流通させ
るようにして、捕捉する磁性粒子を２種類の物質に分別
して回収できるようにしたので、回収磁性粒子のより有
効な利用ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超電導形磁気分離装置の断
面図、第２図は本発明の異なる実施例の超電導形磁気分
離装置の断面図、第３図は第１図の超電導形磁気分離装
置の超電導磁石の磁場分布を示す説明図、第４図は第２
図の超電導形磁気分離装置の超電導磁石の磁場分布を示
す説明図、第５図は従来の一例の超電導形磁気分離装置
の断面図である。 5:被処理流体、11:内側フィルタ、12:外側フィルタ、1
5:内側超電導コイル（超電導磁石）、16:外側超電導コ
イル（超電導磁石）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導磁石とこの磁石の発生する磁場の中
   におかれた強磁性体の線材からなるフィルタを備え、磁
   性粒子を含む被処理流体が、このフィルタを通過する
   際、線材のまわりに生じる局所的な高勾配磁場により、
   前記磁性粒子をフィルタに吸引して前記被処理流体より
   除去する超導電形磁気分離装置において 超電導磁石は円筒形の内側超電導コイルとこれと同軸で
   逆極性の円筒形の外側超導電コイルとからなり、フィル
   タはこの内側超電導コイルの内部に配置される内側フィ
   ルタとこの外側超電導コイルと内側超電導コイルの中間
   部に配置される外側フィルタとからなり、前記超電導磁
   石は内側超電導コイルの磁気双極子モーメントと外側超
   電導コイルの双極子モーメントの絶対値がほぼ等しくか
   つ逆極性とし、被処理流体を内側フィルタと外側フィル
   タとの相方に流通させることを特徴とする超電導形磁気
   分離装置。