(57)【要約】【課題】本発明は、粒子体積Ｖを制御することにより、磁場を切ることなしに磁性粒子の回収を行うことが可能な磁性粒子の脱着・回収方法およびその装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明による磁性粒子の脱着・回収方法は、外部磁場が印加された容器内において多成分流体を超臨界状態に設定し、その後、該容器内の圧力あるいは温度を制御して容器内の多成分流体を超臨界状態から遠ざけることにより多成分流体を構成するそれぞれの流体の粒子の径をコントロールしてそれぞれの粒子に働く磁気力を制御し、粒子を磁場から脱着・回収することを特徴とする。【選択図】　　　　　図１
2004136161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場が印加された容器内において多成分流体を超臨界状態に設定し、その後、該容器内の圧力あるいは温度を制御して容器内の多成分流体を超臨界状態から遠ざけることにより多成分流体を構成するそれぞれの流体の粒子の径をコントロールしてそれぞれの粒子に働く磁気力を制御し、粒子を磁場から脱着・回収することを特徴とする磁性粒子の脱着・回収方法。
【請求項２】
高圧の多成分流体を導入して冷熱により熱交換を行わせ、導入された多成分流体を超臨界状態に設定する温度調節器を設け、該温度調節器の下流側に開閉弁付き管路を介して分離セルを設け、該分離セルは磁気分離フィルタおよび圧力調整手段あるいは温度調節手段を備えるとともに磁気分離フィルタに磁場を印加する手段を設けたことを特徴とする磁性粒子の脱着・回収装置。
【請求項３】
温度調節器の下流側に流路切換え弁付き管路を介して複数の分離セルを並列して設けたことを特徴とする請求項２記載の磁性粒子の脱着・回収装置。
【請求項４】
分離セルは圧力調整手段あるいは温度調節手段を備えるとともに該分離セル内に磁場を印加する手段を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３記載の磁性粒子の脱着・回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー機器、産業機器に利用できる磁性粒子の脱着・回収方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に真空中に置かれた磁性粒子に働く磁気力は以下のように表される。
【数１】
2004136161.tif 000003
2004136161.tif 000004
なお、粒子の全体積にわたり積分はとられる。この表記は分散媒中における粒子について拡張することができる。説明の簡単にするため、例えばｘ方向の磁場勾配、ｄＢ／ｄｘにより、磁性粒子に働くｘ方向の磁気力、Ｆｘを考えると以下の式で表すことができる。
【数２】
2004136161.tif 000005
ここで、Ｖは粒子の体積、χＰとχｍは粒子と分散媒の磁化率を表す。式（２）から分かるように磁気分離における３大要素は、粒子の体積、粒子と分散媒の磁性差、磁場勾配の大きさであることが分かる。
【０００３】
通常、分離を行うため粒子を磁石に引きつけるときは、大きな磁場勾配を用いて、大きな磁気力Ｆｘを発生させることにより粒子を磁石に固定させる。そして固定した粒子を回収するときは磁場を切り、磁場勾配を弱める（残留磁場は少し残るため）ことによりＦｘを小さくし、粒子を磁石から分離する。ここで、χＰとχｍは物質固有の値なので基本的には制御はできない。また、一般的には粒子体積も物質によりほぼ決まった大きさを持つため、結局、磁場の制御によりＦｘを強めたり、弱めたりして分離・回収を行う方式が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、高圧空気を液化天然ガス等の冷熱を利用して冷却し、冷却した高圧空気に対して磁界を作用させることで、酸素と窒素の磁化率の違いを利用して酸素と窒素とを分離する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２９６３０３号公報
【特許文献２】
特開２００２−３９６７４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者は、物質によっては粒子体積Ｖを制御することにより、磁気力Ｆｘを制御することが可能となるという新たな知見を得た。
本発明は、粒子体積Ｖを制御することにより、磁場を切ることなしに磁性粒子の回収を行うことが可能な磁性粒子の脱着・回収方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の磁性粒子の脱着・回収方法は、外部磁場が印加された容器内において多成分流体を超臨界状態に設定し、その後、該容器内の圧力あるいは温度を制御して容器内の多成分流体を超臨界状態から遠ざけることにより多成分流体を構成するそれぞれの流体の粒子の径をコントロールしてそれぞれの粒子に働く磁気力を制御し、粒子を磁場から脱着・回収することを特徴とする。
また、本発明の磁性粒子の脱着・回収装置は、高圧の多成分流体を導入して冷熱により熱交換を行わせ、導入された多成分流体を超臨界状態に設定する温度調節器を設け、該温度調節器の下流側に開閉弁付き管路を介して分離セルを設け、該分離セルは磁気分離フィルタおよび圧力調整手段あるいは温度調節手段を備えるとともに磁気分離フィルタに磁場を印加する手段を設けたことを特徴とする。また、本発明の磁性粒子の脱着・回収装置は、温度調節器の下流側に流路切換え弁付き管路を介して複数の分離セルを並列して設けたことを特徴とする。
また、該分離セルは圧力調整手段あるいは温度調節手段を備えるとともに分離セル内に磁場勾配を発生させるための磁場を印加する手段を設けたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
例えば、空気のＭａｘｃｏｎｄｅｎｔｈｅｒｍ（ＭＣ）ｐｏｉｎｔ（多成分流体において、気相と液相が共存しうる最高の温度とそこでの圧力を示す相図上の点。以下、本明細書においては「臨界点」と呼び、臨界点にある状態を超臨界状態という。なお、厳密には、ＭＣ　ｐｏｉｎｔにおける圧力、温度と臨界点の圧力、温度は若干相違する。）近傍では臨界淡白光現象が観察できる。　そこでは、空気の構成分子が各々重合、クラスター化し、その大きさが光の波長程度（１００ｎｍオーダー）の大きさまで成長している。空気から酸素の磁気分離を行う際、臨界点近傍に温度・圧力を設定することによりクラスター化した酸素分子には大きな磁気力が働き、磁石に引き寄せられる。なお、ここでは磁化率の高い常磁性体の酸素が粒子に相当し、磁化率の低い反磁性体の窒素、およびその他のガスが分散媒にあたる。酸素の回収を行うときは、臨界点から圧力、または温度を逸脱させる。例えば、最も簡単な方法は減圧であるが、これを行うことにより、クラスター化した分子はバラバラになり、本来の分子の大きさ（０．１ｎｍオーダー）となる。すると、磁気力Ｆｘ　は急激に弱まり、拡散力が磁気力に勝るようになることから、磁石、または磁化した材料（磁性体）から切り離しが可能になる。
【０００８】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づき説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、高勾配磁気分離（ＨＧＭＳ）法を用い、空気から酸素の磁気分離に応用した例を示したものである。
まず、高圧空気１を温度調節器２に導入する。導入した高圧空気１を、ＬＮＧ冷熱、冷凍機等により発生させた冷熱源３の冷熱と熱交換器４を介して熱交換を行い、臨界点の温度に調節する。温度調節は温度調節器２に設置した温度計５と温度コントローラ６により行う。
【０００９】
熱交換を終えた高圧空気１はバルブ７を介して分離セル８内へと導かれる。分離セル８内には磁気分離フィルタ９が詰められており、マグネット１０から外部磁場が印加されている。この磁場によって、磁気分離フィルタ９の磁性細線充填物を磁化する。分離セル８内の磁場は、磁化された磁性細線充填物のために乱れを生じ、局所的に磁束の疎密ができ、高磁場勾配となる部分が多数発生する。また、分離セル８内の空気の圧力は圧力計１１、圧力コントローラ１２と圧力調整バルブ１３により、臨界点圧力に設定される。つまり分離セル８内の空気は臨界点近傍の超臨界状態に設定される。磁気分離フィルタ９近傍には上記した磁場勾配が存在するため、常磁性のクラスター化した酸素はそこでトラップされる。
【００１０】
一方、圧力調整バルブ１３は圧力調整のため少し開いており、窒素リッチの空気は圧力調整バルブ１３から外部に放出される。この状態で磁気分離フィルタ９が破過するまでの一定時間、空気を流し続ける。その後、バルブ７を閉じ、圧力調整バルブ１３を全開することにより急激に減圧を行い臨界点から、空気の状態を遠ざける。すると、クラスター化した分子は小さくバラバラになり、磁気力が急激に弱まることから磁気分離フィルタ９から離れ、濃縮された酸素リッチの空気が全開の圧力調整バルブ１３から放出される。これにより、マグネット１０の発生させる外部磁場を切ることなしに酸素、すなわち磁性粒子の回収を行うことができる。
【００１１】
〔第２の実施の形態〕
図２は、図１で説明した一連のプロセスを連続的に行うシステムの一例を示したものである。上記した一連のプロセスは複数の分離セルを配置することにより実現することができるが、ここでは最も単純な２つの分離セルを使用した例を示す。高圧空気１と冷熱との熱交換により臨界点温度温度に調節するプロセスは図１に示した例と同じである。熱交換器４で熱交換を終えた高圧空気１は三方バルブ１４により下側の分離セル１５に導かれる。分離セル１５の圧力は、圧力計１７、圧力コントローラ１８、圧力調整バルブ１９により臨界点圧力に調整される。マグネット１６からの磁場により、下側の分離セル１５の磁気分離フィルタ９に酸素がトラップされていく。磁気分離フィルタ９が破過すると三方バルブ１４を操作し空気を上の分離セル２０に導く。その間、下側の圧力調整バルブ１９を全開にし、分離セル１５内の酸素が濃縮された空気を回収する。
【００１２】
一方、上側の分離セル２０に導かれた空気も圧力計２２、圧力コントローラ２３、圧力調整バルブ２４及びマグネット２１の外部磁場により磁気分離フィルタ９に酸素が濃縮されていく。これが破過すると三方バルブ１４を再び操作し、下側の分離セル１５に空気を導く。このように、三方バルブを操作し、上下の分離セルへと空気を交互に導くことにより連続運転が可能になる。
【００１３】
〔第３の実施の形態〕
図３は開放勾配型磁気分離（オープングラディエント方式）を用い、空気からの酸素の磁気分離に応用した例を示したものである。電磁石や永久磁石の発生する磁界の空間勾配を利用する方式がオープングラディエント方式である。図１で示した装置において分離セル８から磁気フィルタ９を取り除いた形の装置となり、強力なマグネット２５が分離セル２６内に作り出す磁場勾配を利用し、クラスター化した酸素分子を分離セル２６内に捕獲するものである。なお、分離セル２６内に有効な磁場勾配を作るため、複数のマグネットを使用する場合もある。回収の際は圧力調整バルブ１３を開き行う。
なお、これをオープングラディエント方式で連続的に分離を行う装置は図２に示した装置から磁気フィルタ９を取り除いた形が基本となる。
【００１４】
上記した図１、図２および図３の場合、圧力を調整して行うものであるが、同様に温度を調節して行うこともできる。
酸素の場合、圧力あるいは温度を制御することにより、１０９程度の粒子の体積のコントロールが可能となり、それにより粒子に働く磁気力の制御を行うことができるため、磁場を切らずに粒子の切り離しが可能になる。なお、多成分流体の臨界点近傍では臨界淡白光現象は発現すると考えられるため、先に示した圧力、温度による粒子径制御は空気に限らず、常磁性体の分子を含む全ての多成分流体に対して応用可能である。このように本発明は、粒子径の制御により磁気力を制御するものであれば良く、高勾配磁気分離（ＨＧＭＳ）、オープングラディエント方式など、磁気分離の方式を問わず適用可能である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明は、物質によっては粒子体積を制御することにより、磁気力を制御することが可能になるという従来考えられていなかった新たな知見に基づきなされたものであり、磁場を切ることなく磁性粒子を回収することが可能となるという画期的な効果を奏するものである。
これにより、磁気分離フィルタを分離セルから取り出し磁性粒子を回収するプロセスが不要となり効率の良い回収を行うことが可能となる。また、超伝導マグネットにおいては永久電流モードで磁場を発生していることから、磁場を切るプロセスがなくなると超伝導機器が本来持つメリットを生かすことができ、エネルギー効率が飛躍的に向上する。
常伝導の電磁石を用いる場合においても、磁場を切ることなしに使用できれば、分離に要する時間が短くなり、作業効率の向上につながる。
更に、永久磁石の使用も可能になるという利点も生じ、システム機器において大幅なコストダウンを達成できる。
本発明により、酸素と窒素との磁気分離または酸素富化空気製造を実現することが可能となり、超臨界状態の空気からの全く新しい酸素・窒素の分離技術の発展に寄与することができる。また、磁性を持つ流体から構成される多成分流体から、目的の物質を連続的に分離、回収する分離技術の発展に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る装置を示す正面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る装置を示す正面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る装置を示す正面図である。
【符号の説明】
１　高圧空気
２　温度調節器
３　冷熱源
４　熱交換器
５　温度計
６　温度コントローラ
７　バルブ
８　分離セル
９　磁気分離フィルタ
１０　マグネット
１１　圧力計
１２　圧力コントローラ
１３　圧力調整バルブ
１４　三方バルブ
１５　分離セル
１６　マグネット
１７　圧力計
１８　圧力コントローラ
１９　圧力調整バルブ
２０　分離セル
２１　マグネット
２２　圧力計
２３　圧力コントローラ
２４　圧力調整バルブ
２５　マグネット
２６　分離セル
【図１】
2004136161.tif 000006
【図２】
2004136161.tif 000007
【図３】
2004136161.tif 000008