JP2007507332A - 電気力学式の分級装置の構造形式 - Google Patents

Abstract

脆くて鉱物質のプロセス材料を破砕、粉砕または懸濁するための電気力学的な分級装置の構造形式が提供される。出力スイッチ／出力火花ギャップと共にエネルギ蓄積部が、かつ給電線と共に電極が、かつ反応容器が、少なくともそれぞれ電位の異なる領域に対してそれぞれ電気的に必要な絶縁距離を維持して、完全に導電性の壁を有する容量、カプセル内に存在する。カプセルの壁厚は、パルス化された電磁界のフーリエスペクトルの最低成分に応じた侵入深さと少なくとも同じである。基準電位に位置する電極は、カプセル壁を介して、エネルギ蓄積部のアース側と接続されている。高電圧の印加される電極は、エネルギ蓄積部における出力スイッチと最短距離で接続されている。

Description

本発明は、脆くて鉱物質のプロセス材料を破砕、粉砕または懸濁するための、電気力学式の分級装置（ＦＲＡＮＫＡ＝Ｆｒａｋｔｉｏｎｉｅｒａｎｌａｇｅ Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ）の構造形式に関する。

破砕、削剥もしくは穿孔、または鉱物質の材料の加工に関する類似の目的のための、比較的高出力の高電圧放電、特に電気力学的な方法によって開発された従来公知の全ての装置は、以下の２つの主要構成要素から成っている。

２つの主要構成要素とは、エネルギ蓄積部、つまりＨＶ−インパルスを発生させるためのユニット、多くの場合高電圧パルス技術から公知のマルクスジェネレータ（Ｍａｒｘ−Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）、ならびにプロセス用の液体で充填された、使用状況固有の反応容器／プロセス容器であり、反応容器／プロセス容器に、エネルギ蓄積部と接続された高電圧電極の、露出した端部領域が完全に浸漬されている。露出した端部領域とは相対して、基準電位の電極、有利な構成では、多くの場合反応容器の、電極として機能する底部が存在する。高電圧電極における高電圧パルスの振幅が十分な高さに達すると、高電圧電極からアース電極に向かって電気的なフラッシュオーバが行われる。幾何学状況および形状、特に高電圧パルスの立ち上がり時間に応じて、電極の間に位置決めされた、破砕しようとする材料を通るフラッシュオーバが行われ、したがって効果的である。プロセス用の液体しか通過しないフラッシュオーバは、場合によってはあまり効果的でない衝撃波を発生させる。

電気回路は、高電圧パルスの間、高電圧電極の接続されたエネルギ蓄積部Ｃ、高電圧電極と反応容器の底部との間の中間室、ならびに容器底部からエネルギ蓄積部へ通じるリターンラインとから成っている。このような電気回路は、容量型、抵抗型、誘導型の構成要素Ｃ，ＲおよびＬを備えており、これらの構成要素は、高電圧インパルスの形態に影響を与え（図６参照）、つまり立ち上がり速度、後続の放電電流の時間的な経過、ひいては負荷に入力結合されるパルス出力、およびその結果として生じる材料破砕に関する放電効果にも影響を与える。一時的に存在する電気回路のオーム抵抗Ｒでは、放電電流パルスの時間の間、電気エネルギ量Ｒｉ^２が熱に変換される。このエネルギ量は、実際の分級のためにはもはや提供されない。

このような電気回路は、導体ループを成しており、導体ループは、極めて短い時間間隔にわたって、約２〜５ｋＡの極めて大きな電流で流れる。そのような構造物は、集中的な電磁放射を発生させ、つまり比較的高い放射出力の無線発信機を成しており、技術的な周囲環境における妨害を回避するために、技術的な手間をかけてシールドされる。総じてそのような装置は、保護装置によって、運転中に通電性の構成要素の接触が不可能であるようにシールドする必要がある。このことによって比較的簡単に実際の有効構造を超える大規模な保護構造体が生じるようになる。

現在までに公知の、電気力学的な方法が用いられる全ての装置は、開いた構造形式を有しており、つまりそのような装置の構造群は、電気的なラインによって互いに接続されている（図６参照）。

石材を破砕するに際して、たとえば国際公開第９６／２６０１０号パンフレットに記載されているように、電気エネルギ蓄積部と火花ギャップとの間に接続ラインが設けられており、接続ラインはＨＶ−パルスの間に通電されるループを形成する。材料を削剥するための装置（ドイツ連邦共和国特許第１９７３６０２７号明細書）、岩盤を穿孔するための装置（米国特許第６１６４３８８号明細書）または不活性化させるための装置（ドイツ連邦共和国特許第１９９０２０１０号明細書）には、それぞれ高電圧電極に通じる簡単な電気ラインが記載されている。

したがって本発明の課題は、ＦＲＡＮＫＡ装置を改良して、高電圧パルスの間、電気回路において、放電電気回路のインダクタンスもオーム抵抗も最小寸法に制限維持し、同時に電磁放射に対するシールドおよび接触防止を確保するための技術的な手間を最小限に制限維持するようなものを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載した構成手段を有する分級装置の構造形式によって解決される。

出力スイッチと共にエネルギ蓄積部（出力スイッチは一般的に多くの場合自己破壊で作動されるか、またはトリガされる火花ギャップ）が、かつ給電部と共に電極が、かつ反応容器が、それぞれ電位の異なる領域に対する電気的な絶縁距離を維持しつつ、完全に、導電性の壁を有する容量、カプセル内に存在する。カプセルと、カプセル内に組み込まれた構造群との間に形成される容量は、最小限に維持されて、これによって装置のインダクタンスは不可避の最小値に制限される。電気生理学的なこのような観点によって、放電パルスのための装置特有の最短の立ち上がり時間が達成される。

壁厚は、一方ではパルス化された電磁界のフーリエスペクトルの最低成分の侵入深さと少なくとも同じであり、要するにこれによってほぼ特定される。他方では機械的な強さによって最小壁厚が要求される。両方の条件の一方または他方に基づく比較的大きな必要壁厚は、組立に際して考慮される。

このような完全なカプセル包囲では、基準電位に位置する電極は、カプセル壁を介して、エネルギ蓄積部のアース側と接続されている。エネルギ蓄積部を介する残りの通電電流および一時的に高電圧電位に位置する構成部材は、カプセルに対してセンタリングされている。

カプセル包囲されたこのような構造形式は、電気生理学的に、かつ条件技術的に有利な構造形式を許容し、その特徴については、従属請求項２〜９に詳しく記載した。

請求項２によれば、運転形式に応じて、カプセル壁部が、一括（バッチ）処理のための取り外し可能な領域、または連続的な装入（請求項３）のためのアプローチを有している。どのみち修理作業のために、カプセルは、部分的に開放できるようになっている。

請求項３によれば、破砕物を連続的に処理するために、カプセル壁に、導電材料から成る、外向きに延びる、装入のための管状の少なくとも１つの管片と、取出のための別の少なくとも１つの管片とが取り付けられている。外向きの電気的なシールドによって、管片は、長さおよび内法で寸法設定されていて、それも高電圧パルスによって発生させられる電磁界のスペクトルで少なくとも高出力の高周波成分が、管片を通過しないか、または管片において、周囲に通じる開口までに、少なくとも法律で定められた程度に低減されるように、寸法設定されている。

エネルギ蓄積部と反応容器とは、カプセル内で空間的に互いに分離されている。請求項４によれば、内側の端壁領域にエネルギ蓄積部が取り付けられており、別の端壁領域に反応容器が取り付けられるか、または別の端壁領域が反応容器によって形成される。

カプセルは、リング状の閉鎖した構造体であり、かつ請求項５によれば、多角形または丸い横断面を有している。この場合カプセルは、縦長であるか、または少なくとも一度折り曲げられた形状であってよい。形状は、構造的に組付設計によって特定される。最も簡単な形状は縦長である。

結果的に、基準電位に位置する電極は、センタリングして反応容器の端壁に取り付けられており、高電圧電極は、センタリングして基準電位に位置する電極に対して間隔を有して位置している（請求項６）。高電圧電極は、直接的にエネルギ蓄積部の出力スイッチに取り付けられている。この出力スイッチは、エネルギ蓄積部としてマルクスジェネレータが使用される場合、出力火花ギャップである。したがってあらゆる構成をしたカプセルで、電気的な観点から有利でかつ絶縁技術的に有利な同軸的な構造形式が得られ、これによって、カプセル包囲の要求、ひいては装置にとって典型的な最小のインダクタンスの要求が満たされる。

請求項７によれば、装置を縦置きにした場合に配置構造は制限されない。電気的なエネルギ蓄積部は出力スイッチと共に、カプセル内で、反応容器に関して、空間的に上方に、または同じ高さ位置に、または空間的に下方に取り付けられている。

破砕しようとする材料の種類に応じて、請求項８によれば、基準電位に位置する電極は、多くの場合アース電極、端壁のセンタリングされた部分、フィルタ底部またはリング形電極もしくは棒形電極である。

請求項９によれば、エネルギ蓄積部は、保護壁によって、反応容器から分離されているので、反応室は、エネルギ蓄積部の領域から液密に分離されている。

高電圧電極と反応容器の底部との間の高電圧パルス、もしくは一方の電極から他方の電極に向かう電流は、導入された電気エネルギを、別の形式の様々なエネルギ成分に変換し、特に簡単な形式では機械エネルギ、最終的には機械的な波／衝撃波に変換する。高電圧電極は、外套領域で、端部領域の手前まで、電気的に絶縁して被覆されていて、かつ端部領域で、プロセス用の液体に完全に侵入する。

共通の導電性のケーシング内における、エネルギ蓄積部もしくはパルス発生器およびプロセス反応器の、外向きに完全にシールドされた構造形式は、従来の開いた構造形式に対して多くの利点を有している。

放電回路のインダクタンスは、不可避の最小値に低減されるか、もしくは低減することができる。

高電圧パルス電気回路における抵抗損失もまた、不可避の最小値に制限維持される。

パルス電気回路の最小インダクタンスおよび最小オーム抵抗によって、負荷における効果的な放電、つまり負荷に対する比較的大きなエネルギ供給が生じる。電磁放射ならびに接触保護に関して、装置のある程度閉鎖した構造形式は極めて有利である。ＨＶパルスの全体時間の間、放電電流は、専ら装置の内部領域で流れる。このことは導電性のカプセルのシールド機能に基づいて、エネルギ蓄積部を備えたパルス発生器から、高電圧電極、負荷および分級材料を含有する反応液を介して、反応容器の底部に向かって流れる前進電流に関して明らかである。

反応容器の底部からエネルギ蓄積部に向かう後退電流は、中空円筒形のカプセルの内壁に沿って流れる。なぜならば短期的に装置内を流れる放電電流によって形成される磁界が、導体ループによって形成される面を最小化する性質を有しているからである。短期的に装置壁の内面に沿って流れる後退電流は、表皮効果に基づいて、比較的小さな深さ、つまり周波数依存性の侵入深さでしか、壁材料に侵入しない。侵入深さは、公知の形式では、壁材料の導電性ならびに放電電流内に生じる周波数スペクトルに依存する。約５００ｎｓの高電圧パルスの一般的な立ち上がり時間、約０．５μｓの放電回路の特徴的な固有振動時間、また装置壁用の構造用鋼のような簡単な鋼の使用では、内壁に対する侵入深さは、１ｍｍより小さい。カプセルの壁厚は、一方では必然的に生じる、侵入深さ（表皮効果）による放電に基づくフーリエスペクトルの最低周波数について考慮され、また装置の形状維持による必要な機械強度について考慮される。壁厚の比較的高い最小要求は、両方の理由の一方から規定される。したがってカプセルの外側表面に沿って電圧が生じることはなく、これによって接触防止手段が不要になるか、もしくはこの構造形式で最小限に制限維持することができる。さらにまた外向きの電磁放射が生じることはない。

同軸的に形成された装置は、コンパクトで、取り扱いやすく、かつ測定および制御技術的にみて有利である。エネルギ蓄積部のための充電器は、特別な形式で追加的にシールドする必要はない。充電器の給電線は、引込線によって問題なくケーシングの内側上位でエネルギ蓄積部にガイドすることができ、場合によっては同軸ケーブルによって、外部導電体がケーシングに接触する。

次に図面につき、完全に金属によって包囲された破砕装置を詳しく説明する。

図１には、同軸的に形成されたＦＲＡＮＫＡ装置を軸方向断面図で示した。ここでは連続運転形式であるであるかまたは非連続運転形式であるかについては考慮されておらず、電気的な構造に着眼している。電気的なエネルギ蓄積部３を充電するための充電器は図示していない。同軸的な構造形式は電気的な観点から最も有利である。同軸的な構造形式からの偏差は、構造的な必然性から行われるに過ぎない。

高電圧パルス発生器は、直列で、コンデンサとして存在する電気的な蓄積部ＣとインダクタンスＬとオーム抵抗Ｒとから成っている。高電圧電極５が続いている。高電圧電極５は、抵抗Ｒにおける電気接続部から端部領域まで、絶縁性の被覆体によって周囲に向かって電気的に絶縁されている。高電圧電極５は露出した端部領域４で、稲妻形をした記号で示唆したプロセス容量／反応容量に通じていて、そこでプロセス容器／反応容器３の底部に対して調節可能な所定の間隔を有しており、プロセス容器／反応容器３は、同軸的で中空円筒形のケーシング６の下部を形成する。

中空円筒形のケーシング６の軸線に沿って構成要素内で行われる高電圧放電中の電流は、プロセス容量における少なくとも１つの放電通路内を反応容器３の底部に向かって流れて、次いでケーシング壁６に沿ってエネルギ蓄積部／コンデンサ１に戻るように流れる。ケーシング６は、基準電位「アース」に接続されている。

インダクタンスＬおよび抵抗Ｒは、装置インダクタンスおよび装置抵抗を表しており、Ｃは、電気容量、ひいては充電電圧を介して提供される蓄積エネルギ、１／２Ｃ（ｎＵ）^２を示しており、これはプロセス容量においてできるだけ多くの部分で変換するのが望ましい。ＨＶ−パルス発生器としてマルクスジェネレータが用いられる場合、その少なくとも２段ステップ（ｎ＝２）、単個容量Ｃ、ステップ充電電圧Ｕ、およびステップ数ｎが、蓄積エネルギにとって重要である。

図６には、従来の構造形式のＦＲＡＮＫＡ装置が、多くの実験室作業にとってどのような形式で簡単に構成されているか、または構成されるのかを示した。

図２〜図５には、ＦＲＡＮＫＡ装置の同軸的な実施例を概略的に示した。

図２には、どのようにしてエネルギ蓄積部１が高電圧電極５の領域で仕切壁によって反応領域３から分離されているのかを示した。これは特に放電過程により噴霧液の生じる場合に組み付けられる。

図３には、カプセル（外側容器）６に設けられた２つの開口を示しており、１開口は、反応容器３に装入するために外套領域に設けられており、別の１開口は、反応容器３から突出してたとえば底部を通って設けられている。このような構造手段によって、装入過程および取出過程を有する連続的な運転を行うことができる。

図４には、Ｕ字形のカプセル３を示している。このような構造形式は、重量および取り扱いに基づいて、比較的大きな装置で有利である。

図５には、逆さまに位置する構造形式を示しており、反応容器３はエネルギ蓄積部１の上方に設置されている。ガス状または極めて軽くて巻き上げられるプロセス物質の場合に、そのような構造形式を提供することができる。

図６には、完全な機能性を有する装置として、追加的に遮蔽するため、かつ接触に対する保護手段としての壁部によってカプセル化（包囲）された、従来慣用のＦＲＡＮＫＡ装置の構造を示した。比較的大きな電気的なループは最小化されていない。電気的なループは、パスルの場合、強い送信アンテナとして作用する。産業目的で使用する場合、このような理由からシールドは法律的に定められている。

同軸的に形成されたＦＲＡＮＫＡ装置を示す図である。 仕切壁を備えたＦＲＡＮＫＡ装置を示す概略図である。 連続的な運転のためのＦＲＡＮＫＡ装置を示す概略図である。 ｕ字形の容器を備えたＦＲＡＮＫＡ装置を示す概略図である。 上方に反応容器を備えたＦＲＡＮＫＡ装置を示す概略図である。 従来のＦＲＡＮＫＡ装置を示す図である。

符号の説明

１ エネルギ蓄積部、 ２ 出力スイッチ／火花ギャップ、 ３ 反応容器、 ４ 高電圧電極の端部、 ５ 絶縁体を備えた高電圧電極、 ６ カプセル、 ７ プロセス容器−カプセル容器−ライン、 ８ 充電器−カプセル−ライン、 ９ 装入管片、 １０ 取出管片

Claims (9)

1. 脆いプロセス材料を破砕、粉砕または懸濁するための電気力学的な分級装置の構造形式であって、
   充電可能な電気的なエネルギ蓄積部（１）が設けられており、該エネルギ蓄積部（１）の出力に２つの電極が接続されており、一方の電極が、基準電位に位置しており、他方の電極が、エネルギ蓄積部における出力スイッチ（２）を介してパルス状に高電圧で印加可能になっており、
   反応容器（３）が設けられており、該反応容器（３）が、プロセス用の液体で充填されており、プロセス用の液体にプロセス材料が浸漬されており、プロセス用の液体内で、露出した両方の電極が、調節可能な相互間隔で反応区域を成して相対して位置しており、高電圧で印加可能な電極（４）が、絶縁性の外套部（５）によって、露出した端部領域まで包囲されており、絶縁性の外套部が、端部領域で、電極（４）と共にプロセス用の液体に浸漬されている形式のものにおいて、
   出力スイッチと共にエネルギ蓄積部が、かつ給電線と共に電極が、かつ反応容器が、導電性の壁であるカプセル（６）の有する容量内に完全に存在しており、カプセルによって包囲された容量が、最小化されており、
   カプセルの壁厚が、パルス化された電磁界のフーリエスペクトルの最低成分に応じた侵入深さと少なくとも同じであり、かつ少なくとも機械的な強さにとって必要な厚さを有しており、
   基準電位（４）に位置する電極が、カプセル壁部を介して、エネルギ蓄積部のアース側（８）と接続されており、
   高電圧で印加される電極が、最短距離で、エネルギ蓄積部における出力スイッチと接続されていることを特徴とする、脆いプロセス物質を破砕、粉砕または懸濁するための電気力学的な分級装置の構造形式。
2. 破砕材料をバッチ処理するために、カプセル壁部が、部分的に取り外し可能であるか、またはカプセル壁部に少なくとも１つのアプローチ部が設けられている、請求項１記載の構造形式。
3. 破砕物を連続的に処理するために、カプセル壁に、導電材料から成る、外向きに延びる、装入のための少なくとも１つの管状の管片（９）と、取出のための少なくとも１つの別の管片（１０）とが取り付けられており、これらの管片の長さおよび内法が寸法設定されていて、それも高電圧パルスによって発生させられる電磁界のスペクトルで少なくとも高出力の高周波成分が、管片を通過しないか、または管片において、周囲に通じる開口までに、少なくとも法律で定められた程度に低減されるように、寸法設定されている、請求項１記載の構造形式。
4. カプセル壁が中空体であり、該中空体の一方の内側端壁領域に、エネルギ蓄積部が取り付けられていて、かつ他方の端壁領域が反応容器を形成するようになっている、請求項２または３記載の構造形式。
5. カプセルが、多角形または丸い横断面を有していて、かつ縦長の形状または少なくとも一度折り曲げられた形状を有している、請求項４記載の構造形式。
6. 基準電位に位置する電極が、反応容器の端壁にセンタリングして取り付けられており、高電圧電極が、前記基準電位に位置する電極に対してセンタリングして対向しており、高電圧電極が、カプセルに対して同軸的な経路で、エネルギ蓄積部の出力スイッチと接続されている、請求項５記載の構造形式。
7. 出力スイッチと共に電気的なエネルギ蓄積部が、反応容器に対してカプセル内で空間的に上方に、または同じ高さ位置に、または空間的に下方に取り付けられている、請求項６記載の構造形式。
8. 基準電位に位置する電極が、端壁の中央部分として、またはフィルタ底部として、またはリング形電極もしくは棒形電極として形成されている、請求項７記載の構造形式。
9. エネルギ蓄積部が、保護壁によって、反応容器から分離されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の構造形式。

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