JP2000005525A - 超電導磁気分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】連続的に処理可能な超電導磁気分離装置を得
る。 【解決手段】液体ヘリウムで浸漬した超電導磁石７を縦
置き（中心軸が鉛直）に設置し、円盤型磁気フィルタ
３、１３を前記超電導磁石７両端に配置する。液体ヘリ
ウム槽は上側のみ水平方向に大きく取ることによって液
体ヘリウム保持量を確保し、前記フィルタ３、１３を連
続的に回転させることで 連続的に磁気分離を行う。 【効果】液体ヘリウム槽による被処理水流路の干渉が無
いため、効率よくかつ連続的に分離運転が可能となり、
トータルの処理速度を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排水中の異物の分
離に利用する磁気分離装置であって、超電導磁石を用い
た高勾配磁気フィルタによる超電導磁気分離装置に関す
る。この発明は、産業排水、生活排水、河川、湖沼、海
洋等の水圏における鉄粉、重金属、固形浮遊物、その他
の強磁性体、常磁性体、反磁性体等の分離除去に利用で
きる。

【０００２】

【従来の技術】固液分離等に用いられる磁気分離装置の
例として、超電導磁石を利用した装置の構造が、 例え
ば特開平10-76116号公報に記載されている。本装置は、
製鉄所の排水中の異物を分離除去することを目的とした
装置であり、磁場発生源に超電導磁石を利用している。

【０００３】超電導磁石のボア外の磁界空間に磁性体で
構成したフィルタを設置し、磁化したフィルタが被処理
水中の磁性粒子を吸引することによって、分離を行う。
磁石は横置き（中心軸が水平方向）であり、真空容器内
部へ上方から吊り下げる構造である。フィルタは、磁石
と反対方向（低磁場空間）へヒンジによって移動するこ
とが可能であり、超電導磁石の磁場を切ること無く、フ
ィルタの洗浄が可能である。超電導磁石は、励消磁時の
発熱を抑制するために励消磁時間をある程度確保する必
要があるため、励消磁時間が不要であれば、フィルタの
洗浄時間が短縮できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例では、超電
導磁石が横置き（中心軸が水平）で、被処理水入り口が
超電導磁石の半径方向に位置しているため、被処理水が
フィルタを通過するために、超電導磁石とフィルタとの
間に被処理水が通過する流路を設けている。この流路は
十分確保しないと、流動抵抗が大きいために被処理水の
流れは抵抗の小さなフィルタ端部（被処理水入り口近
傍）のみに集中し、この部分でしか磁性粒子を吸引する
ことができず、フィルタを効率よく使用できない。逆
に、フィルタの設置位置を超電導磁石から遠ざけて被処
理水の流路抵抗が小さくなるようにすると、フィルタ設
置位置における磁場強度が小さくなり、超電導磁石によ
る発生磁場を有効に利用することができない。

【０００５】さらに、従来例ではフィルタを洗浄するた
めにヒンジにより、磁石反対側にフィルタを倒すように
移動し、フィルタに吸着していた磁性粒子を鉛直下向き
に除去する構造を記述している。しかし、磁性体で構成
されたフィルタは、超電導磁石の強い磁場によって、磁
石方向に吸引されるため、磁石反対方向にフィルタを移
動させるには、前記磁気力に勝る大きな力を必要とす
る。しかもフィルタを洗浄する間は前記フィルタへの通
水を停止しなければならず、必ず間欠分離運転となって
連続分離運転は不可能である。

【０００６】本発明の目的は、連続的に処理可能な超電
導磁気分離装置を得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】液体ヘリウム槽内に設置
した超電導磁石を縦置きとし、超電導磁石ボア内に被処
理水流路を設け、ボア外の高磁場空間にフィルタの一部
を設置し、前記フィルタを高磁場空間と低磁場空間との
間に連続的に移動可能な構造とすることにより、上記問
題点を解決することができる。なお、液体ヘリウム槽を
横方向（水平方向）に大きくとることにより、 液体ヘ
リウム槽を確保でき、液体ヘリウム槽の下部は小さくす
ることにより、侵入熱量を低減することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施例を図
１、図２及び図３により説明する。図３は、本発明の第
１実施例である磁気分離装置を上から見た図であり、図
１及び図２はそれぞれ、図３におけるA-A'断面及びB-B'
断面を示している。

【０００９】磁気分離装置の動作は次の通りである。超
電導磁石７に直流電源装置から電流を流し、磁場を発生
させる。超電導磁石７は必要発生磁場が磁石端部外側で
あるから、例えば、8a及び8bのように巻き線部を２つに
分割して間をあけることによって最大経験磁場を低減
し、負荷率を低減することができる。超電導磁石の巻線
8a及び8bは、熱伝導率の良い銅等のボビン６に一体で巻
かれ、巻き線部間の磁気力はボビン６自身で支持する。
超電導磁石７は、液体ヘリウム槽９内の液体ヘリウムに
浸漬することによって冷却される。液体ヘリウム槽９
は、真空容器１１の中に設置されることにより常温であ
る外部と真空断熱を行う。なお、液体ヘリウム槽９と真
空容器１１との間に液体窒素等の冷媒や冷凍機等によっ
て中間温度に冷却された熱シールド１２を設置し、さら
に積層断熱材を挿入することによって、常温からの輻射
熱を低減する。超電導磁石７を冷却するためには、超電
導磁石７が液体ヘリウムに完全に漬かっている必要はな
く、一部が液体ヘリウムに浸漬することによって伝導的
に冷却することができる。したがって、そのために必要
な液体ヘリウムの冷却高さをＨとすると、液体ヘリウム
槽９の下側Ｈの高さまで（10b）は超電導磁石７よりほ
んの少し大きい程度の径を持ち、少ない液体ヘリウムで
超電導磁石７が常に冷却できる構造とし、液体ヘリウム
槽９の上側10aは、下側10bより大きな径とすることによ
り、液体ヘリウムの保持量を確保する。本構造により、
保持する液体ヘリウムのうち不要な量を削減できるた
め、低温部の重量を低減できて低温支持部材を小さくで
きるので、低温部へ支持部材から侵入する熱量を低減す
ることができる。また、本構造により、液体ヘリウム槽
９の表面積が必要最小限となるため、輻射侵入熱も低減
できる。さらに、図に示すように、液体ヘリウム槽９の
形状に合わせて熱シールド１２の形状を凹ませ、その凹
部にＧＭ冷凍機(Gifford-MacMahon型冷凍機）４等の第
１ステージ５等の冷却源を設置して、熱シールド１２と
熱接触することにより、熱シールド１２の冷却を行え
ば、全体寸法を大きくすること無く、冷却器を設置する
ことができる。

【００１０】超電導磁石７のボア内部には被処理水が通
る流路１６が通っている。超電導磁石７両端に円盤状の
磁気フィルタ３、１３が設置されており、これらの磁気
フィルタ３、１３は駆動装置２０及び２１により回転可
能となっている。ここで、駆動装置２０、２１のモータ
は、ギア、ベルト、シャフト等の動力伝達機構を使用す
ることにより、低磁場空間に設置することができる。フ
ィルタ設置位置のさらに外側には、磁性体で構成した磁
性壁２、１４を設置することにより、なるべくフィルタ
３及び１３位置における磁場分布を均一にすることによ
りフィルタ３及び１３に働く超電導磁石７の吸引力を低
減するとともに、この磁性壁より外側に漏れる磁場を低
減する。

【００１１】被処理水入口１から流入した被処理水は、
低速で回転する下側磁気フィルタ３のうち、超電導磁石
７が発生する高磁場空間内で磁化されたフィルタ部を流
れる際、磁性フィルタの細線近傍の高勾配な磁気勾配に
よって磁性粒子のみ吸着される。その後超電導磁石７の
ボア内流路１６を通り、再び上側磁気フィルタ１３に下
側フィルタ３で吸引されなかった磁性粒子が吸着され
る。ここで例えば、下側フィルタ３と上側フィルタ１３
とは細線間隔が異なり、下側フィルタ３の方が粗く設定
されていれば、大形の磁性粒子は下側フィルタ３で分離
され、細かい磁性粒子は上側フィルタ１３で分離される
ため、効率よく、上下フィルタを利用することができ
る。磁気フィルタを通過する際の流路断面積は、超電導
磁石７のボア内部の流路１６の断面積よりも大きく、こ
のために磁気フィルタ３、１３を通過する際の被処理水
流速は遅くなり、これにより磁性粒子は磁気フィルタに
吸引され易くなる。

【００１２】磁性粒子が吸着した磁気フィルタ３、１３
は駆動装置２０、２１により低速で回転し、高磁場空間
の外に出る。ここで、液体ヘリウム槽９に沿って、磁性
体による磁気シールド１９を設置することにより、洗浄
部における磁場強度を低減する。 磁気フィルタ３、１
３が駆動装置２０、２１により回転する際、被除去物を
吸着した磁気フィルタ部が磁場空間から外へ出ていくと
ともに、新たな磁気フィルタ部が強磁場空間に連続的に
入ってくるため一体で構成された磁気フィルタ３、１３
を通過する磁束密度分布は超電導磁石の中心軸に対して
ほとんど対称であり、磁気フィルタ３、１３に働く磁気
力の総和はほとんど無く、容易に回転させることが可能
である。強磁場空間外に出た磁気フィルタは、磁化が小
さくなるため吸着していた磁性粒子ははがれ落ち、ちょ
うど被処理水流路１６側と反対側の位置２２、２３に達
したときに逆洗水あるいは洗浄用空気を注入することに
より一気に磁気フィルタの洗浄を行う。

【００１３】本実施例によると、磁気フィルタ３、１３
と超電導磁石７の真空容器１１とをできるだけ近接して
も被処理水の流路に干渉しないため、超電導磁石７の磁
場と磁気フィルタ３、１３を効率良く利用することがで
きる。なお、この時、超電導磁石７あるいは液体ヘリウ
ム槽９の支持は、鉛直方向の中央付近からカーボンＦＲ
Ｐのワイヤー等で熱シールド１２まで引っ張ることによ
って、短い距離で伝導侵入熱を最小限に抑えた構造とす
ることができる。また、熱シールド１２も同様に真空容
器１１との間に支持構造を設置することによって、超電
導磁石７を真空容器１１に固定することができる。超電
導磁石７は真空容器１１内にスペーサを介して固定して
もよいし、真空容器１１とボビン６とを溶接することに
よって、無駄な空間を無くしてしまうことができる。

【００１４】本実施例のように磁気フィルタ３、１３を
円盤状に構成すれば、磁気フィルタ３、１３の移動方向
は一定で良いため制御が楽であり、さらに常に磁性粒子
を吸着した磁気フィルタは定まった方向に出てくるため
フィルタ洗浄部をフィルタ１個あたり１カ所だけ設けれ
ば良いので構造が簡素である。

【００１５】本実施例では、２つの円盤形磁気フィルタ
を設置する例を示したが、どちらか一方に設置した場合
でも効果は同様である。この場合、２個の磁気フィルタ
を設置した場合と比較して吸着できる磁性粒子の量は低
減するが、構造は簡素になる。

【００１６】また、磁気フィルタの形状において、実施
例中では金網状の細線を示したが、ウール状や、球や粉
体といった塊を充填したものとした場合でも、本発明の
効果は同様である。

【００１７】本発明の第２実施例を図４、図５及び図６
に示す。図６は図３同様上から見た図であり、図４及び
図５は、図６におけるA-A'断面及びB-B'断面である。図
１、図２、図3に示した例と異なる点は、超電導磁石７
の上側巻き線部8aと下側巻き線部8bとの間に液体ヘリウ
ム槽９を貫通するように常温空間が設置され、該常温空
間に水平方向に往復動可能な磁気フィルタ３０及びフィ
ルタ枠２９が設置されている点である。磁気フィルタ３
０は駆動装置３７からの駆動力を駆動力伝達棒３６を介
して伝え、水平方向に往復移動できる。磁気フィルタ枠
２９の低磁場空間には、フィルタ洗浄部３２、３３があ
り、洗浄水あるいは洗浄用圧縮空気によって吸引された
磁性粒子を配管３４、３５から除去することができる。
フィルタ３０を水平方向に移動する際、磁気フィルタ３
０に作用する磁気力を小さくするため、分離には使用し
ないダミー磁気フィルタ部３１をフィルタ３０両端に設
置している。本実施例によると、往復動磁気フィルタの
分離部を高磁場強度として、円盤型磁気フィルタ３、１
３の分離部を往復動磁気フィルタ分離部よりは少し低い
磁場強度に設定することにより、細かい磁性粒子は往復
動磁気フィルタで分離する構造として、外部へ漏れる磁
場を低減することが可能である。上下巻き線部8a、8bを
一つの液体ヘリウム槽９に挿入している。上下巻き線部
8a、8bを一体ボビン６に巻いているため、巻き線部間の
磁気力はボビンで支持することが可能であり、さらに、
ボビン６の熱伝導率は大きいため、液体ヘリウム槽下側
10bにのみ液体ヘリウムが溜まっている場合でも、上側
巻き線部8aまで、冷却できる。なお、本実施例は、上下
に回転型フィルタ３、１３、中央に往復動フィルタ３０
を設置する例を示したが、往復動フィルタのみ３０で
も、往復動フィルタ３０と回転型フィルタ1個の組み合
わせでも、あるいは往復動フィルタと回転型フィルタの
任意数の組み合わせであっても本発明の効果は同様であ
る。

【００１８】本発明の第３実施例を図７及び図８に示
す。本実施例は超電導磁石を2個並列にならべ、被処理
水の流路を２経路並列に設置している。前記被処理水流
路にあたる位置は、回転型フィルタ３、１３の中心軸に
対して対称の位置であり、これと９０度ずれた位置にフ
ィルタの洗浄除去部を設置している。本構造により、被
処理水流路が２経路設置できるため、処理量が２倍にな
る。また、２つの超電導磁石の電流方向を逆に設定する
ことにより、フィルタ分離部における磁場強度を大きく
するとともにフィルタの洗浄部における磁場強度はキャ
ンセルされて小さくすることができる。前記２個の超電
導磁石を同一液体ヘリウム槽９に挿入することにより、
構造を簡素にするとともに、液体ヘリウム保持量を確保
することができる。なお、液体ヘリウム保持量の割に液
体ヘリウム槽９の表面積が小さくできるので、液体ヘリ
ウム槽９に侵入する輻射熱は小さい。

【００１９】本発明の第４実施例を図９に示す。図１に
示した実施例とほとんど同構造であり、液体ヘリウム槽
９の上方に、液体ヘリウムタンク３１を設置する。本構
造により、小さな液体ヘリウム槽９で大容量の液体ヘリ
ウム保持が可能であり、大型磁石や長時間のメンテナン
ス期間に対応することができる。なお、４ＫGifford-Ma
cMahon型冷凍機や、Gifford-MacMahon+Joule-Thomson冷
凍機等を用いたヘリウム再凝縮用冷凍機を設置すること
によって、液体ヘリウムの補充なしにシステムを構築す
ることができる。

【００２０】以上の実施例において、液体ヘリウム槽の
保持量、特に上側液体ヘリウム槽の液体ヘリウム保持量
により、メンテナンス期間が決定する。すなわち、必要
なメンテナンス期間、液体ヘリウムが持つように液体ヘ
リウム槽の大きさを設計するべきである。例えば、本発
明における磁気分離装置をアオコや赤潮等のプランクト
ン除去装置として利用する場合、プランクトン類が大量
に発生する夏場より前の春頃に装置を動かし始め、プラ
ンクトン類が少なくなる冬前に装置を停止するサイクル
を考え、この間の液体ヘリウム消費量から考えた液体ヘ
リウム保持量を確保できる液体ヘリウム槽の大きさ及び
形状とすれば良い。このようにすることにより、プラン
クトン類の少ない冬場にメンテナンスをすることが可能
である。

【００２１】本発明のさらに他の実施例を図９に示す。
本実施例は、液体ヘリウム槽９の上方に液体ヘリウム再
凝縮槽があり、液体ヘリウム槽９中等で蒸発したヘリウ
ムガスを、４ＫGifford-MacMahon冷凍機等の極低温冷凍
機を用いて、再凝縮することにより、液体ヘリウムを補
充する必要の無いシステムとすることができる。

【００２２】以上の実施例では、すべて連続的に磁気フ
ィルタが移動を行う場合について示してきたが、断続的
に移動を行う場合でも効果は同様である。

【００２３】上記実施例では、液体ヘリウムを使用する
場合を示したが、高温超電導材等で超電導磁石を構成
し、冷媒に液体窒素等を使用した場合でも効果は同様で
ある。

【００２４】

【発明の効果】本発明では、連続磁気分離運転が可能で
あるため、平常運転中励磁及び消磁を行う必要がないの
で、超電導電磁石に永久電流スイッチを設け、永久電流
モードで超電導電磁石を運転することが可能である。こ
れにより、運転時の磁石に流す消費電力をさらに低減す
ることができる上、電流供給リードのジュール発熱も防
げるため、冷媒消費量を低減できる。また、電流供給リ
ードは脱着式として、運転中、電流供給リードを外して
おくことにより、電流供給リードからの伝導伝熱を低減
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超電導磁気分離装置
の横断面図で（図３）のA-A'線断面に相当する図。

【図２】本発明の第１実施例を示す超電導磁気分離装置
の縦断面図で（図３）のB-B'線断面に相当する図。

【図３】本発明の第１実施例を示す超電導磁気分離装置
の平面図。

【図４】本発明の第２実施例を示す超電導磁気分離装置
の横断面図で（図６）のA-A'線断面に相当する図。

【図５】本発明の第２実施例を示す超電導磁気分離装置
の縦断面図で（図６）のB-B'線断面に相当する図。

【図６】本発明の第２実施例を示す超電導磁気分離装置
の平面図。

【図７】本発明の第３実施例を示す超電導磁気分離装置
の縦断面図で（図８）のB-B'線断面に相当する図。

【図８】本発明の第３実施例を示す超電導磁気分離装置
の平面図。

【図９】本発明の第４実施例を示す超電導磁気分離装置
の横断面図。

【符号の説明】

１…被処理水入口、 ２，１４…鉄壁、 ３，１３…磁
気フィルタ、 ７…超電導磁石、 8a，8b…巻き線部、
９，10a，10b…液体ヘリウム槽、 １１…真空容器、
１２…熱シールド、 １５…被処理水出口、 １６…被
処理水流路、１９…磁気シールド、 ２０，２１…駆動
装置、 ２２…往復動磁気フィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 穣 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 佐野 理志 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 4D061 AA08 AA09 AB02 AB03 AB15 AC07 AC08 AC13 BA18 BC01 BC11 BC13 BD20

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導磁石が発生する磁場空間に設置した
   磁性体のフィルターにより磁性体あるいは反磁性体を分
   離あるいは選別する超電導磁気分離装置において、前記
   超電導磁石を冷媒槽内に冷媒に浸漬して縦置き（中心軸
   を鉛直）に設置し、前記超電導磁石の端部外側に前記フ
   ィルターを設置し、このフィルターを、所定の大きさ以
   上の高磁場空間と所定の大きさ以下の低磁場空間との間
   を移動可能に構成したことを特徴とする超電導磁気分離
   装置。
2. 【請求項２】前記冷媒槽における地面に水平な平面の断
   面積が、前記冷媒槽上部の方が冷媒槽下部の方の断面積
   よりも大きい請求項１記載の超電導磁気分離装置。
3. 【請求項３】前記冷媒槽の下部側面に、熱シールド用冷
   凍機を設置したことを特徴とする請求項２記載の超電導
   磁気分離装置。
4. 【請求項４】前記フィルターに対し前記超電導磁石とは
   反対側に磁性体の壁を設けた請求項１記載の超電導磁気
   分離装置。
5. 【請求項５】前記超電導磁石を2個並列に設置し、該２
   個の超電導磁石を１つの冷媒槽の中に設置した請求項１
   記載の超電導磁気分離装置。
6. 【請求項６】前記冷媒槽より上方に前記冷媒槽と連通し
   た冷媒保持タンクを設置してなる請求項１記載の超電導
   磁気分離装置。
7. 【請求項７】前記冷媒槽に、冷媒を再凝縮する冷凍機を
   備えた請求項１記載の超電導磁気分離装置。