JP2002537096A - フェロハイドロスタティック分離法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、１つの観点では、強磁性流体を使用して異なる密度の物質を分離するフェロハイドロスタティック分離法に関する。この方法では、強磁性流体の見かけの密度はＣ−双極子、開放双極子（Ｏ−双極子）あるいはスプリットペア電磁石または永久磁石により発生する垂直方向の磁場により制御される。この発明の他の観点は、この方法において使用する装置、及びこの方法を用いて異なる密度の物質を分離するためのプロセスを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） この発明は、フェロハイドロスタティック（ｆｅｒｒｏｈｙｄｒｏｓｔａｔｉ
ｃ）分離（ＦＨＳ）法及び装置に関する。

【０００２】 （背景技術） 米国特許第３，４８３，９６９号の明細書において規定されているように、強
磁性流体（フェロフルーイド：ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ）は、適した液体キャリヤ
中の強磁性材料の永久的な安定した懸濁液を含む。普通の強磁性流体は、液体中
において磁鉄鉱の典型的には１０−８Ｍ以下（サイズ）の微小粒子を含む。この
場合、非常に細かい粒子は沈んだり、凝集することなく、無期限に懸濁状態のま
まである。

【０００３】 異なる密度の物質を分離するのに強磁性流体を使用することは、当分野ではフ
ェロハイドロスタティック分離（ＦＨＳ）と呼ばれるが、例えば米国特許第３，
４８３，９６９号の明細書において説明されている。分離される物質は、強磁性
流体のキャリヤ液とは混和しない固体粒状物質または液体とすることができる。
本質において、分離プロセスは、強磁性体の見かけの密度を限られた範囲内で制
御するために、特定のパターンの磁場を強磁性流体に適用する工程を含む。その
後、分離する物質を強磁性流体中に入れると、強磁性流体の制御された見かけの
密度を超える密度を有する物質は強磁性流体中で沈み、強磁性流体の密度よりも
低い密度を有する物質は強磁性流体中で浮く。その後、沈んだ及び浮いた画分を
別個に回収することができる。

【０００４】 強磁性流体、及び鉄ヨークを備えた電磁石または永久磁石を使用する全ての周
知の従来のＦＨＳセパレータでは、磁石のポールの先端の間に配置された強磁性
流体により、特定のパターンの磁場が水平方向に発生する。この配列では、適当
に大きな体積にわたる磁場を達成し、大きな物質処理量に対しＦＨＳ技術を使用
することを可能とするためには、磁石のポールの先端間のギャップを増大させる
必要があるという大きな欠点がある。このため、磁石を構成するのに必要とされ
る銅及び鉄の体積が非常に増大し、一般に分離装置の全体のサイズ及び質量も増
大し、不経済である。さらに、この配列は、大量の物質の処理をするために規模
を拡大するのに向いていない。

【０００５】 水平方向の磁場を有するこれらの従来の鉄ヨークを基本とする設計の制限を克
服するために、南アフリカ特許ＺＡ９７／９５９８の明細書では、特定のパター
ンを有する磁場がソレノイドにより、典型的にはｎｃｎ〜均一巻き線により垂直
方向に発生する配列が提案されている。ソレノイドを使用すると、鉄ヨーク電磁
石または永久磁石を使用する場合に比べ多くの利点があり、これらの利点につい
ては前記特許明細書において述べられている。例えば、ソレノイドを使用する場
合、エアギャップの軸長を一定に保ったまま、単にソレノイドの関連する横向き
の寸法を増大させると処理量（スループット）を増大させることができる。

【０００６】 前記特許明細書中で説明されているソレノイドを基本とする計画ではＦＨＳ技
術をスケールアップして大量の物質を処理することができるが、巻き線の設計及
び鋼のクラッディングがかなり複雑であると共に、所望の磁場パターンを達成す
るにはかなり高い磁場を発生させる必要があり、これらが本質的な欠点である。
しかしながら、ＦＨＳ技術では適度な強度の磁場が一般に必要とされるので、こ
れらの欠点は鋼の高い飽和磁化を考慮すると打ち消すことができる。

【０００７】 従来の鉄ヨークＦＨＳシステムの他の欠点は、磁場の勾配が磁場強度に比例す
るという事実である。見かけの密度が低い強磁性流体を達成するためには、例え
ば石炭などの低密度物質を分離するためには、低い磁場勾配及び磁場強度が必要
とされる。しかしながら、その磁場は強磁性流体を分離ギャップ中に保持させる
ことができず、強磁性流体がギャップから流れ出て行くのを防ぐために複雑な機
械的手段が必要となる。

【０００８】 （発明の開示） 本発明によれば、ＦＨＳ技術において使用される強磁性流体の見かけの密度は
、Ｃ−双極子、開放（オープン：ｏｐｅｎ）双極子（Ｏ−双極子）またはスプリ
ットペア（ｓｐｌｉｔ ｐａｉｒ）電磁石または永久磁石により発生する垂直方
向の磁場により制御される。

【０００９】 Ｃ−双極子電磁石の場合、例えば定磁場勾配を含む垂直方向の必要とされる磁
場パターンは、Ｃ−双極子の上脚及び下脚上の磁化コイルの適した設計により、
及び／またはこれらのコイルを流れる電流の相対的な極性を制御することにより
、及び／またはＣ−双極子の先端の適した形状により、達成することができる。

【００１０】 スプリットペア電磁石の場合、例えば定磁場勾配を含む垂直方向の必要とされ
る磁場パターンはスプリットペアの上部部材及び下部部材上の磁化コイルの適し
た設計により、及び／またはこれらのコイルを流れる電流の相対特性を制御する
ことにより、及び／または上部部材及び下部部材の先端の適した形状により、達
成することができる。

【００１１】 Ｏ−双極子電磁石の場合、例えば定磁場勾配を含む垂直方向の必要とされる磁
場パターンは、磁石の鋼コアの適した形状により、及び／または磁化コイルの適
した設計により、達成することができる。

【００１２】 本発明の他の観点によれば、強磁性流体中に物質を導入する工程と、Ｃ−双極
子、Ｏ−双極子またはスプリットペア磁石を使用して磁場を発生させ強磁性流体
の見かけの密度を物質の密度間の値に制御する工程と、強磁性流体中で沈んだ物
質及び浮いた物質を別個に回収する工程と、を含む異なる密度の物質を分離する
方法が提供される。

【００１３】 さらに、本発明によれば、物質を導入することができる強磁性流体を収容する
ための分離チャンバと、その分離チャンバに隣接すると共に、磁場を発生させ、
前記強磁性流体の見かけの密度を制御するＣ−双極子、Ｏ−双極子またはスプリ
ットペア磁石と、を備える異なる密度の物質を分離するためのフェロハイドロス
タティック分離装置が提供される。

【００１４】 Ｃ−双極子、Ｏ−双極子またはスプリットペア磁石を使用すると、従来の鉄ヨ
ーク電磁石または永久磁石を使用する場合に比べ、以下のような幾つかの利点が
ある。

【００１５】 １．以上で説明したように、従来のシステムにおける処理量では、ポールの先端
間のギャップを増大させることが要求される。しかしながら、この発明により提
案されているようにＣ−双極子、Ｏ−双極子またはスプリットペア磁石システム
を用いると、ポールの先端間のエアギャップは一定のまま磁石の長さを増大させ
るだけで、処理量を増大させることができる。所定の磁場を発生させるのに必要
とされるアンペア回数の数はエアギャップに依存し、Ｃ−双極子、Ｏ−双極子及
びスプリットペア構造においてはそのエアギャップは一定であるので、アンペア
回数の数を一定に保ったまま、Ｃ−双極子、Ｏ−双極子及びスプリットペア磁石
をどのような実際のサイズにもスケールアップすることができる。

【００１６】 ２．Ｃ−双極子、Ｏ−双極子及びスプリットペア磁石の長手方向の磁場は均一で
ある。このように、同じ磁場パターンと見かけの強磁性流体密度は磁石の全長に
沿って維持することができ、その全長を分離目的に使用することができ、全体と
して、セパレータがより小型なものとなる。

【００１７】 ３．軟鋼を磁気的に飽和するのに必要とされる起磁力はかなり低く、軟鋼の飽和
磁化は高いので、Ｃ−双極子、Ｏ−双極子及びスプリットペア磁石のポールの先
端の磁力は、従来のＦＨＳシステムにおいて使用される鉄ヨーク磁石の作用ギャ
ップに比べかなり大きくすることができる。したがって、密度及び磁化がより低
いより希薄な強磁性流体を使用することができる。これにより、強磁性体コスト
が減少し、より希薄な強磁性流体の粘度が減少することにより分離プロセスの効
率が向上すると考えられる。

【００１８】 （発明を実施するための最良の形態） 図１はポールの先端１８を有する鉄ヨーク１６の肢部１４の周りに配列された
巻き線１２を含む電磁石１０を示したものである。作用空間２０はポールの先端
１８間で規定される。矢印で示したように、水平方向の磁場がポールの先端１８
間で発生し、同時に、垂直方向の磁場勾配が発生する。

【００１９】 この型の磁石１０を使用する従来のＦＨＳ分離システムでは、典型的には適し
た液体中における安定した懸濁状態の微細磁鉄鉱粒子の懸濁液である強磁性流体
がポールの先端間の作用空間２０内に配置される。強磁性流体の見かけの密度は
、確実に、磁場勾配を少なくとも大体一定に維持することにより所望の値に制御
される。ポールの先端の表面２２は注意深く設計され、磁場勾配が可能な限り一
定になるように確保しなければならない。

【００２０】 それぞれ、強磁性流体の制御された見かけの密度より大きい及び小さい異なる
密度の画分に分離される材料は強磁性流体中に導入され、より密度の高い粒子は
沈み、より密度の低い粒子は浮かぶ。

【００２１】 上述しように、大量の処理量の物質を処理するために、ポールの先端間のギャ
ップを増大させなければならず、そのため、磁石を作製するのに必要とされる鉄
及び銅の量が増大し、磁場を発生させるために必要とされるエネルギーが増大し
、セパレータの全体のサイズ及び質量が増大することになる。このような増大に
より、セパレータの実際のスケールアップが制限され、この従来の磁石設計に基
づくセパレータを使用する場合、中程度の処理量が処理できるのみである。

【００２２】 図２から６について説明する。これらの図では本発明の実施の形態が示されて
おり、従来の鉄ヨーク磁石は軟鋼コアを備えるＣ−双極子、Ｏ−双極子（開放双
極子）あるいはスプリットペア磁石により置換されており、高い処理量速度で物
質を分離することができる。図２及び３は本発明にかかるＣ−双極子磁石２４を
、図４及び５はＯ−双極子磁石２６を、図６はスプリットペア磁石を示している
。

【００２３】 それぞれの場合において、磁石は垂直方向の磁場を発生させる。この磁場は自
然勾配を有する。というのは、磁場強度はポールの先端２８の表面で最も大きい
からである。図２及び３及び図６、及び図４及び５の３４の巻き線３０及び３２
の賢明な設計により、及びコイル内を流れる電流の相対的な極性の適した調整に
より、垂直方向の磁場勾配を調整して、分離チャンバ３８内に収容されている強
磁性流体の体積３６内では一定になるように調整することができる。

【００２４】 それぞれの場合におけるポールの先端の幅４０は、分離チャンバ３８の幅によ
り決定される。分離チャンバ３８の幅は分離すべき物質の強磁性流体中において
必要とされる滞留時間により決定される。図２及び３、及び図６においては、ポ
ールの先端２８間の垂直距離４２は主にチャンバ３８の垂直寸法により決定され
る。これらの実施の形態では、磁石の全長４４がセパレータの処理量を決定し、
実際に必要とされる処理量与えることができるような大きさにすることができる
。寸法４０及び４２、及び起磁力は、寸法４４に関係無く、したがってセパレー
タの処理量に関係無く、同じである。典型的な実施例では、寸法４０、４２、４
４はそれぞれ、４００ｍｍ、３００ｍｍ及び１ｍ（以上）である。

【００２５】 供給物質４６は、磁石２４、２６の全長４４に沿って、典型的には振動フィー
ダーにより、チャンバ３８内に導入される。図２及び３の実施の形態においては
、供給材料は、図３に示されるように外部から、あるいは磁石構造の壁４８の開
口（図示せず）を通して、強磁性流体中に供給される。図６では、チャンバ３８
は特に概略形態で示されているが、他の図において示されるのと同様な形態をと
ることができることは理解されるであろう。

【００２６】 従来のＦＨＳ技術のように、磁場により制御された強磁性流体の見かけの密度
より小さな密度を有する供給物質中の粒子は強磁性流体中で浮かび、上方の出口
５０に向かう。強磁性流体の見かけの密度より大きな密度を有する粒子は強磁性
流体中で沈み、下方の落し口５２を通って取り出される。浮かんだ画分も沈んだ
画分もどちらも連続して取り出される。

【００２７】 図２及び３では、例えば画分はＣ−双極子磁石２４の腕の間で規定される空間
５４内を移動する個々のコンベヤベルトまたは他の輸送システム上で取り出すこ
とができる。供給物質が壁４８の開口を通して導入されるためにこれが不可能な
場合は、適した輸送システムが分離チャンバ３８の反対側で動作することができ
る。

【００２８】 図４及び５のＯ−双極子構造及び図６のスプリットペア構造では、磁石構造の
幾何学的形状により、供給導入システム及び分離された画分の引き出しシステム
の位置決めに関する制限が減少する。

【００２９】 以上、石炭などの低密度物質を取り扱う場合に、従来の鉄ヨークＦＨＳシステ
ムが直面する不都合について述べた。しかしながら、本発明により提案されたＣ
−双極子、Ｏ−双極子、及びスプリットペア配列では、磁場は、分離を達成する
のに必要とされる低磁場勾配においてさえ、低密度の適用に適した磁気的に希薄
な強磁性流体を保持することができる。

【００３０】 従来の鉄ヨークＦＨＳシステムでは、磁気回路及びポール先端形状の所定の設
計により達成することができる見かけの密度の範囲がかなり制限される。しかし
ながら、本発明により提案されたＣ−双極子及びスプリットペア構造では、磁場
勾配、及び強磁性流体の見かけの密度は、上部及び低部巻き線３０及び３２を通
って流れる電流及びその極性を調整することにより広く変化させることができる
。単一のＣ−双極子またはスプリットペアセパレータを用いると、２５ｇｃｍ^{− １} もの高い見かけの密度を達成することができると考えられる。

【００３１】 Ｃ−双極子、Ｏ−双極子またはスプリットペア電磁石の使用について特に説明
してきたが、Ｃ−双極子、Ｏ−双極子またはスプリットペア永久磁石の使用は本
発明の精神内である。これらの場合、強磁性流体の見かけの密度の変動は、磁石
のコア及び／またはポール先端の形状を適当に設計することにより達成される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ−双極子、開放双極子（Ｏ−双極子）あるいはスプリット
   ペア電磁石または永久磁石により発生する垂直方向磁場により強磁性流体の見か
   けの密度を制御する工程を含む、強磁性流体を使用して異なる密度の物質を分離
   するフェロハイドロスタティック分離法。
2. 【請求項２】 Ｃ−双極子電磁石の場合、垂直方向の必要とされる磁場パタ
   ーンは、Ｃ−双極子の上脚及び下脚上の磁化コイルの適した設計により、及び／
   またはこれらのコイルを流れる電流の相対的な極性を制御することにより、及び
   ／またはＣ−双極子の先端の適した形状により、達成する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 スプリットペア電磁石の場合、垂直方向の必要とされる磁場
   パターンは、スプリットペアの上部部材及び下部部材上の磁化コイルの適した設
   計により、及び／またはこれらのコイルを流れる電流の相対的な極性を制御する
   ことにより、及び／または上部部材及び下部部材の先端の適した形状により、達
   成する請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 Ｏ−双極子電磁石の場合、垂直方向の必要とされる磁場パタ
   ーンは、磁石の鋼コアの適した形状により、及び／または磁化コイルの適した設
   計により、達成する請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 必要とされる磁場パターンは定磁場勾配の提供を含む請求項
   ２乃至４のいずれか１つに記載の方法。
6. 【請求項６】 強磁性流体中に物質を導入する工程と、 Ｃ−双極子、Ｏ−双極子またはスプリットペア磁石を使用して磁場を発生させ
   強磁性流体の見かけの密度を前記物質の密度間の値に制御する工程と、 強磁性流体中で沈んだ物質及び浮いた物質を別個に回収する工程と、 を含む異なる密度の物質を分離する方法。
7. 【請求項７】 物質を導入することができる強磁性流体を収容するための分
   離チャンバと、 前記分離チャンバに隣接すると共に、磁場を発生させ、前記強磁性流体の見か
   けの密度を制御するＣ−双極子、Ｏ−双極子またはスプリットペア磁石と、 を備える異なる密度の物質を分離するためのフェロハイドロスタティック分離
   装置。