JPS6044965B2 - 磁気フイルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体中に混入している微粒の常磁性体及び強
磁性体異物例えば鉄酸化物等を磁力によつて分離除去す
る磁気フィルタに係り、フィルタ容器に充てんされる強
磁性体細線からなるフィルタエレメントの平均線径と充
積度の比が均一で、かつ液通過方向フィルタ部有効長と
フィルタ断面積で処理能力と処理性能が調節され、除去
性能と逆”洗再生効果が同時に向上され得る磁気フィル
タに関する。

カオリン、タルクなどの窯業原料あるいは紙のコート
材原料などのスラリー、冷熱間圧延設備用冷却水および
精練排水などの工場排水等に混入含有される鉄分は極め
て微細であるため、これを完全に除去するには強力な磁
場と高い磁場勾配が必要である。

このため最近では所謂磁気フィルタが広く使用されてい
る。 第１図は従来の磁気フィルタの構造を示す縦断面
である。

図において、１は励磁コイルであり、通常は環状に形成
され、中央部にはパーマロイ、ステンレス等の強磁性体
細線（以下フィルタエレメントと呼ぶ）２が充てんされ
て非磁性体容器３内に装備されている。フィルタエレメ
ント２はフィルタエレメント軸方向が磁場方向及び液流
方向に直角に交わるように配置されており、かつ磁場と
液流の方向は平行な配位をとるのが一般的である。励磁
コイル１の外側には磁気エネルギーの損失を最小とする
ために強磁性体からなるリターンフレーム４が配置され
ている。また、フィルタ容器３には流入管５および流出
管６が連通している。これは、不均一磁場内に置かれた
磁性体に働く力（以後磁気力と呼ぶ）は磁場強度と磁場
勾配の積に比例しており、励磁コイル１の如き強磁場発
生装置を使うのは、磁場強度を大きくするためであり、
強磁性体フィルタエレメント２を使うのは磁場勾配を大
きくするためである。

第２図は第１図のフィルタ部の拡大図であり、７は磁力
線を示す。磁気フィルタ内において磁性体粒子に働く力
としては、その他液体の流れに起因する慣性力および液
体と磁性体粒子間の粘性力および磁性体粒子自身の重力
があるが、水媒体中における磁性体微粒子に作用する慣
性力および重力は無視できる。以上の構成において励磁
コイル１に通電するとフィルタ容器３内の液流方向に平
行に磁束が発生し、フィルタエレメント２が磁化され、
所謂磁気フィルタが形成される。

この状態で浄化すべき磁性粒子を含むスラリーを流入管
５を経てフィルタ容器３に供給すれば、スラリー中の磁
性微粒子は磁気力と粘性力の作用を同時にうけ、それら
の力のバランスのずれの結果、スラリー中の磁性粒子は
、フィルタ容器３中に保持され磁化されているフィルタ
エレメント２に吸着捕獲され、磁性粒子が除去され浄化
されたスラリーは、フィルタ容器３の流入管５と逆方向
の部分に連結されている流出管６を経て排出される。一
方、磁気フィルタの磁性微粒子捕獲量には限界があり、
一定時間ごとに逆洗再生の操作がとられる。この逆洗再
生とは、上記説明の磁性粒子除去（捕獲）処理操作とは
逆に、流出管６を経て清浄水又は気体を供給し、フィル
タエレメント２上に捕獲されている磁性粒子を洗い流し
、洗い流された磁性粒子を含んだスラリー水は流入管５
を経て排出され、結果としてフィルタエレメント２は浄
化され、磁気フィルタとしての初期の性能を回復させる
操作である。以上の如き従来の磁気フィルタにおいては
磁性微粒子に働く磁気力及び粘性力の関係に基づいて磁
気フィルタに関する理論が多数提案されているが、フィ
ルタエレメントの充積度（フィルタ容器容積を１とした
ときのフィルタエレメントの全体積のフィルタ容器容積
に占める割合）及びフィルタ部有効長さは経験的、実験
的に選定されている。

具体的実例装置として、０．１ＴＷｔの直径のフィルタ
エレメントを０．０２３の充積度で充てんした装置、又
は平均直径０．１Ｔ＄Ｌのフィルタエレメントを０．１
の充積度で充てんした装置が製作されている。フィルタ
エレメントの充積度とフィルタエレメント平均半径（単
位：Ｗ！ＩＬ）の比は前者に対して０．４６、後者に対
しては２．０となる。前者の場合フィルタ長を長くとつ
ているため、フィルタエレメントの充てんが不均一とな
り、また、充積度を自由に変えることが困難であるなど
の欠点を有する。更に後者の場合は、除去すべき粒子濃
度が５０ｐｐｍ以上のスラリーが処理対象に選定されて
おり、表面フィルタ作用が主体となつていた）め、液流
通方向フィルタ部有効長を２０ｃｍ以下とするのが一般
的であつた。このように従来装置では磁気フィルタ作用
の他に、粒子の磁性の強弱やフィルタに対する印加磁場
の有無にかかわらず粒子を捕獲するいわゆる機械的フィ
ルタ作用を有するので、結果として、十分な除去特性が
得られなかつたり、逆洗効果が十分でないために有効稼
動時間が短かくなり、除去性能あるいは稼動率が低下し
たり、十分な除去特性が得られないという不具合が生じ
ている。

この対策として、逆洗効果を向上させるためにフィルタ
エレメントの残留磁化を消去するための消磁用コイルを
内蔵する装置が考案されている。更に、・各種の逆洗方
法の検討が重ねられた結果、気体（一般的には空気で、
腐食が問題となる場合は、窒素などの不活性気体）と水
の混合フラッシュ流による逆洗が比較的洗浄効果が大き
いことが実験的に確認され実用化されている。以上の如
く、従来の磁気フィルタに関しては除去特性と逆洗性を
同時に満足させる理論設計は不可能て装置規模と除去特
性の規格化が不可能とされていた。

発明者らは５ｐｐｍ以下の低濃度の常磁性体微粒ｊ子（
粒子直径として５μｍ以下）の希薄懸濁水溶液（以後ス
ラリーと呼ぶ）を用いて、磁気フィルタの除去特性及び
逆洗再生特性について詳細な検討を重ねた結果、除去特
性及び逆洗再生特性ともに、フィルタエレメントの充積
度とフイルタエレメント細線半径の比に密接な関係を有
していることを見いだし本発明に致つた。

本発明は、以上の点に鑑みて除去特性と逆洗効果を定量
的に予測する設計理論を確立し、目的に適合した優れた
除去性能と逆洗性能を有し、長期間安定した除去性能を
与える磁気フィルタを提供することを目的とする。

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

常磁性体粒子または強磁性体微粒子が５ｐｐｍ以下の低
濃度の場合、磁気フィルタの捕獲機構は従来の固定床吸
着塔の吸着機構に類似していることが実験的に確認され
た。

第３図は磁気フィルタのフィルタ容器の位置による被捕
獲粒子量分布の実測結果の具体例である。第３図に明ら
かな通り、低濃度の磁性粒子の磁気フィルタによる捕獲
挙動は容積フィルタ作用による。まずはじめに、これま
で述べて来た磁性粒子の除去性能を説明する除去率Ｒを
、ここで明らかに定義しておく。

すなわち、フィルタ容器入口におけるスラリー中の磁性
粒子の濃度をＣｉｌまた出口における磁性粒子濃度をＣ
Ｏとして除去率ＲをＲ…１００（１−ＣＯ／Ｃｉ）
〔％〕 ・・・（１）にて定義する。ＣＯ／Ｃ
ｉはフィルタ内のフィルタエレメントの充積度Ｘとフィ
ルタ容器の液流通方向の長さＬの関数である。こ）にＸ
はフィルタ容器内部の有効体積、つまりフィルタ容器の
内容積に対するフィルタエレメントの全容積の比である
。さて、磁性粒子の捕獲過程から除去率Ｒを求める理論
的経過は省略するが、実用的に重要なＸく１の楊合には
次式（２）が成立する。こ）に、πは円周率、ａはフィ
ルタエレメントの半径で、ξｏは各フィルタエレメント
の半径ａによつて規格化した捕獲半径てある。

捕獲半径ξｏは、スラリー流速υｏ、磁気速度υｍの関
数である。磁気速度Ｖｍは（３）式で表わされる。（３
）（３）式でｋ（５ｄは磁性粒子の磁化率と半径、ＢＯ
は磁場強度、δＨＯ／δＸは磁場勾配、ηは磁性粒子に
対する流体の粘性係数てある。

更に磁場勾配δＨＯ／δＸはフィルタエレメント半径ａ
と飽和磁化Ｍｓ及び磁性粒子半径ｄの関数である。実用
的な高流速条件（３００ｒｒＬ／ｈ以上）において、装
置条件により定まる定数、すなわち正確にはフィルタエ
レメント半径ａと飽和磁化Ｍｓと磁性粒子半径ｄと磁場
強度氏により定まる定数Ｋを導入すると理論式（４）及
び（５）が成り立つ。但し、実用的なフィルタエレメン
ト半径ａ（５〜１００μ７Ｔｔ，）、磁場強度ＢＯ（３
〜１０キロガウス）の範囲においてはａおよびＢＯの値
によらずＫはほＳ゛一定である。第４図は〔充積度、Ｘ
〕／〔フィルタエレメント半径、ａ〕と除去率Ｒの関係
の理論曲線Ｐと実験値の比較説明図であり両者はよく一
致している。

図中Δはエレメント平均半径０．０５７ｒ０ｎ．．０は
同０．０２Ｔｍｎ１口は同０．００６７ｒ０ｎである。
フィルタ長さＬ１流速ＶＯの逆数および磁場強度田と除
去率Ｒの関係も同様の傾向が確認されている。すなわち
、理論式（４）又は（５）は実験結果とよい一致を示す
。一方、逆洗再生特性と直接関係のある機械的フィルタ
作用はフィルタ長さＬ１粘度η、流速ＶＯおよび〔充積
度、ｘ〕／〔フィルタエレメント半径ａ〕の関数であり
、実験値と理論曲線Ｑの比較説明図は第５図の通りであ
る。

図中の記号は第４図に同じである。従来の改善された洗
浄方法すなわち、水と空気の混合フラッシュ流による逆
洗方法では機械的フィルタ作用による除去率が５０％以
下のときは十分な洗浄が確認されたが、除去率が５０％
以上になると逆洗は不十分となり、残留捕獲粒子がだん
だん増大することを確めた。フィルタ長さＬも逆洗効果
に影響を与えるが実用的な長さ２０〜１００ｃｍの範囲
ではその影響は逆洗時間または・逆洗回数を長さに比例
して増すことて捕獲粒子の残留蓄積は防止てきる。以上
説明したとおり〔充積度Ｘ〕／〔フィルタエレメント半
径ａ〕の値を０．５から１．４の範囲、望ましくは０．
６〜０．９の範囲に選定すると磁気フイル夕の除去特性
及び逆洗効果を同時に十分大きくすることが可能となる
。

本発明について、更に具体的に説明する。

磁気フィルタの心臓部であるフィルタエレメントの製造
方法、充てん方法は第６図及び第７図の如き固定板８，
９及び固定棒１０からなるフィルタエレメント充てん単
位体を規格化することによつて設計標準をつくることが
可能となる。図において、固定板８，９は液の流れを妨
害しないように多数の穴があけてあり、かつ固定板８，
９はまた液を均一にする配流板の役を果す構造となつて
いる。固定板８，９は耐食性金属板又は合成樹脂板から
なり、厚さは１０Ｔｆ＄ｔ以下が望ましく、更に強磁性
体からできている方が磁場の均一化が向上するため望ま
しい。２枚の固定板８および９は複数個の非磁性体固定
棒１０で一定の間隔、望ましくは１０〜２０ｃＴｎの間
隔で平行に固定されている。

平行に固定された２枚の固定板８，９の間にはフィルタ
エレメント２が均一に充てんされている。このときフィ
ルタエレメントの充積度Ｘとフィルタエレメント半径ａ
（単位：Ｔ！ｒ！ｎ）の比の値は０．５から１．４の範
囲であり、望ましくは０．７〜０．９となるように均一
に調整される。フィルタエレメント充てん単位体を三段
に充てんした磁気フィルタの構成概念図を第８図に示す
。かくして、フィルタ部有効長が大きくなつてもフィル
タエレメントは容易に均一充てんされ得る。

ボイラー用水、火力及び原子力用水などの高純度水の腐
食生成物は一般に１ｐｐｍ以下の低濃度であり、かつそ
れらの腐食生成物は５μｍ以下の．常磁性体又は強磁性
体の微粒子となつており、従来の磁気フィルタが有効と
されており、本発明は、その従来の磁気フィルタの性能
の飛躍的向上を可能とする。フィルタエレメント線半径
が１５μｍ以下のように、液流によつてまたは逆洗時に
変形し、充積度が変化する怖れがある場合、更に太い３
０μｍ以上の半径のフィルタエレメントと混合して充て
んすることもできる。

以上説明した通り、本発明の磁気フィルタは上述した理
由により次のような利点を有する。

１除去性能、逆洗性能とも満足できる磁気フィルタが容
易に設計製作できる。

２ フィルタエレメント充てん単位体の厚さを単位とし
て任意のフィルタ部有効長を選定することができ、かつ
有効長を大きくとることによつて、除去性能を向上させ
ることが可能である。

３ フィルタエレメント充てん単位体を取扱うため充て
ん作業が簡易化し、かつフィルタ部有効長によらず、フ
ィルタエレメントの均一充てんは容易に達成できる。

４ フィルタ部有効長およびフィルタ部断面積と流速を
変えることによつて目的に合つた処理能力の装置設計が
可能となる。

５長期間安定した性能が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁気フィルタの構成を説明する縦断面図
、第２図は第１図のフィルタエレメント部の拡大図、第
３図は測定結果の具体例の説明図、第４図乃至第５図は
理論と実験値の比較例説明図である。 第６図乃至第８図は本発明に係る磁気フィルタの説明図
である。１・・・・・・励磁コイル、２・・・・・フィ
ルタエレメント、３・・・・・フィルタ容器、４・・・
・・・リターンフレーム、８，９・・・・・・固定板、
１０・・・・・・固定棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体の通路に設けられた強磁場中に強磁性体細線よ
   りなるフィルタエレメントを配置し、液体中に混入して
   いる磁性微粒子を上記フィルタエレメントによつて捕獲
   する磁気フィルタにおいて、上記フィルタエレメントの
   充積度（無次元数）とフィルタエレメント線半径（単位
   ：ｍｍ）の比を０．５から１．４の範囲にとどめること
   を特徴とする磁気フィルタ。 ２ 液体通過方向のフィルタ長さが１０〜２０ｃｍであ
   るフィルタエレメント充てん単位体を複数個充てんする
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁気フィ
   ルタ。 ３ フィルタ有効全長が２０ｃｍ以上であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項または第２項のいずれかに
   記載の磁気フィルタ。 ４ フィルタエレメントの平均半径が１５〜１００μｍ
   の範囲であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃
   至第３項のいずれか一項に記載の磁気フィルタ。 ５ フィルタエレメントとして線半径が５〜３０μｍの
   ものと３０〜７５μｍの範囲にある２種類の強磁性体細
   線を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第４項のいずれか一項に記載の磁気フィルタ。 ６ フィルタエレメントの充積度とフィルタエレメント
   線半径の比が０．６〜０．９の範囲であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の磁気フィルタ。