(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子混合物の異なる成分を分離室において静電的に分離する方法であって、粒子混合物は第１及び第２の成分を包含し、
対向面をもつプラス及びマイナス電極を有する分離室中に混合物を入れる工程と；
交互に配列された導電性要素と誘電体要素を包含し、任意の２つの導電性要素の間の最大電位差を制限するように各導電性要素が電圧降下回路の各ノードに接続している少なくとも１個の電圧勾配アセンブリで、前記プラス及びマイナス電極を結合することによって、前記プラス及びマイナス電極間の電位差を制御する工程と；
プラス及びマイナス電極の対向面の間に電界を印加する工程と；
混合物の第１及び第２の成分を第１及び第２の成分の各々の電荷の符号に応じて各々分離する工程と；及び
互いに逆電荷の正味電荷をもつ成分から少なくとも２つの流れを形成し、それぞれ同一の正味電荷を有する流れを前記電界を横切るように、かつ、互いに接近させて機械的に移動させる工程であって、前記少なくとも２つの流れが電界に対して平行に関係づけられており、その結果、前記流れが前記電界を横切って進行するに伴い、前記成分の少なくとも一方の成分の一部を前記各流れの一方の流れから他方の流れに前記電界の連続作用によって移す工程と
を含む方法。
【請求項２】
分離室がさらに分離室の両端部のローラーによって担持されるメッシュベルトを包含し、分離室及びメッシュベルトの長軸方向側面が少なくとも１つの電圧勾配アセンブリと境界を接している請求項１記載の方法。
【請求項３】
電圧降下回路が複数個のバリスタを包含する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
電圧降下回路が複数個のレジスタ（抵抗）を包含する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
電圧降下回路が複数個の非線形電圧−電流要素を包含する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
分離すべき成分の混合物が炭素含有フライアッシュ及び微粉状石炭のリストから選択される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
誘電体要素がアルミナを包含する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
各電圧勾配アセンブリが、プラスチックの導電性領域と非導電性領域とを含有する押出成形プラスチック複合体ピースを包含する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
各電圧勾配アセンブリが、導電性領域間に配置されたアルミナを包含する複数個の誘電体ピースをさらに包含する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
各電圧勾配アセンブリが、電圧降下回路を収容する少なくとも１個の回路板をさらに包含する、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
任意の２つの導電性要素の間の最大電圧電位差が約１，０００ｖｏｌｔ未満に制限される、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの電圧勾配アセンブリが複数の電圧勾配アセンブリを包含し、複数の電圧勾配アセンブリの各々が分離室及びメッシュベルトの長軸方向の側面と境界を接している、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
分離室の両端部も複数個の電圧勾配アセンブリと境界を接している、請求項２記載の方法。
【請求項１４】
粒子混合物を摩擦電気によって静電分離する装置であって、
第１及び第２の電極と；
逆電荷の正味電荷の少なくとも２つの流れにおける、第１及び第２の電極間の粒子混合物を同時に撹拌及び輸送するための少なくとも２つのサポート間で担持された少なくとも１つの輸送ベルトと；
交互に配列された導電性要素と誘電体要素とを包含する電圧勾配アセンブリであって、電圧勾配アセンブリは少なくとも１個の第１及び第２の電極と結合し、各導電性要素が、任意の２つの導電性要素間の最大電位差を制限する電圧分割回路のノードに電気的に接続している電圧勾配アセンブリと
を含む装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの輸送ベルトがメッシュベルトであって、分離室及びメッシュベルトの長軸方向側面が電圧勾配アセンブリと境界を接している請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
電圧勾配アセンブリが、プラスチックの導電性領域及び非導電性領域と、非導電性誘電体要素とから成る押出成形プラスチック複合体を包含する、請求項１４記載の装置。
【請求項１７】
電圧勾配アセンブリが、電圧分割回路を収容する少なくとも１つの回路板をさらに包含する、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
非導電性誘電体要素がアルミナ、サファイア、キン青石、ムライト、磁器、ガラス、超高分子量ポリエチレン、ＰＴＦＥ、ポリエステルのリストから選択される、請求項１６記載の装置。
【請求項１９】
電圧分割回路が複数個のバリスタを包含する、請求項１４記載の装置。
【請求項２０】
電圧分割回路が複数個のレジスタ（抵抗）を包含する、請求項１４記載の装置。
【請求項２１】
電圧分割回路が複数個の非線形電圧−電流要素を包含する、請求項１４記載の装置。
【請求項２２】
分離すべき成分の混合物が炭素含有フライアッシュ及び微粉状石炭のリストから選択される、請求項１４記載の装置。
【請求項２３】
任意の２つの導電性要素の間の最大電圧電位差が約１，０００ｖｏｌｔ未満に制限される、請求項１４記載の装置。
【請求項２４】
分離室の両端部も複数個の電圧勾配アセンブリと境界を接している、請求項１５記載の装置。
【請求項２５】
粒子を分離するための装置であって
長軸方向の縁及び端部を有する第１の電極と；
長軸方向の縁及び端部を有する第２の電極と；
装置の第１の端部に配置される第１のローラーと；
装置の第２の端部に配置される第２のローラーと；
第１及び第２の電極の間に配置されるメッシュ輸送ベルトであって、第１及び第２のローラーによって担持されるメッシュ輸送ベルトと；
交互に配列された導電性要素と誘電体要素で形成される電圧勾配アセンブリであって、少なくとも一部が第１及び第２の電極の長軸方向の縁に沿って配置される電圧勾配アセンブリと；
を含む装置。
【請求項２６】
導電性要素が電圧降下回路の各ノードに接続される、請求項２５記載の装置。
【請求項２７】
電圧勾配アセンブリが第１の電極の長軸方向の縁及び端部に沿って配置される、請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
電圧勾配アセンブリが第２の電極の長軸方向の縁及び端部に沿って配置される、請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
電圧勾配アセンブリが第１の電極の長軸方向の縁及び端部に沿って配置される、請求項２５記載の装置。
【請求項３０】
電圧勾配アセンブリが第２の電極の縁及び端部に沿って配置される、請求項２９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は、向流ベルト型静電分離方法と装置に関する。特に、本発明は静電セパレータに用いられる電圧勾配アセンブリに関する。
関連技術分野の考察
石炭燃焼に由来するフライアッシュはしばしば、ボイラー燃焼帯を通過中に燃焼しなかった炭素粒子から成る未燃焼炭素残渣(unburned carbon residue)を含有する。最近、ＮＯｘ放出を減ずるために遂行されたボイラー操作への変化によって、未燃焼炭素残渣は非常に悪化している。このようなフライアッシュの可能な用途の１つはコンクリートへのポゾラン添加剤としての用途である。コンクリート中のフライアッシュは遊離の石灰と反応して、セメント状生成物を形成し、これは硬化コンクリートに負荷的な強度を生じる。改良される他のコンクリート性質は水分含量の減少、水和熱の低下、コスト低下、容易な流動性、及び浸透性(permeability)の低下を包含する。しかし、石炭燃焼に由来するフライアッシュ中の未燃焼炭素残渣は、このようなコンクリート用途へのフライアッシュの再使用のために好ましくない。フライアッシュ中の未燃焼炭素はコンクリート中へのフライアッシュの有益な使用を非常に限定する。
石炭はかなり良好な絶縁体であるが、石炭の熱分解に由来する炭素は１ｏｈｍ／ｃｍよりかなり低い抵抗率を有する良好な導体である。フライアッシュ中の炭素粒子は、熱分解され、不完全燃焼された石炭の粒子に由来する。この熱分解と不完全燃焼中に、揮発物が石炭から発生するので、残留炭素粒子は非常に低い嵩密度を有し、非常に多孔質である。フライアッシュの典型的な炭素含量は７〜１２％範囲内であり、１５％を越える炭素含量も多くある。コンクリート用途へのポゾランとしてのフライアッシュのＡＳＴＭ  Ｃ−６１８規格は６％未満の強熱減量（ＬＯＩ）を要求する。この規格は、炭素が７５０℃での強熱中に燃焼除去される(burned off)ので、炭素含量の尺度である。多くの工業プロジェクトはＡＳＴＭ規格よりも一層厳しい、フライアッシュに関する規格を有する、例えば、Ｂｏｓｔｏｎで進行中の大きい民間の工業プロジェクト、Ｂｏｓｔｏｎ  Ｈａｒｂｏｒ  Ｃｅｎｔｒａｌ  Ａｒｔｅｒｙ  Ｐｒｏｊｅｃｔは３％ＬＯＩ未満を必要とする。
さらに、未燃焼炭素は燃料価値を有し、最初にアッシュを発生するボイラー中で生産的に燃焼されることができる。この炭素の燃料としての効果的な使用は、静電沈降器の過度負荷及び対流管の侵食を避けるために、炭素ができるかぎり濃縮されることを必要とする。
フライアッシュ中の炭素は非導電性物質中の導電性粒状物質の１例である。このような複合体の導電率は導電性相の結合性に依存する。図１を参照すると、パーコレーション理論から、複合体系の抵抗率（導電率の逆数）は導電性粒子の相互の配位によって低下し、この配位が或る一定の値を越えると、複合体の抵抗率は導電性物質の小さい体積増加によって劇的に低下する。これは約３７体積％の導電性物質において生ずる。このレベル未満では、１つの表面から他の表面に連続的な架橋を形成する粒子間の結合が不充分になる。このレベルを越えると、１つの表面から他の表面に連続的な架橋を形成するために充分な隣接粒子が存在する。抵抗率（導電率）のこのパーコレーション域値は、Ｊ．ＧｉｒｌａｎｄによってＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｍｅｔａｌｌｕｇｉｃａｌ  ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  ＡＩＭＥ，２３６巻、６４２〜６４６頁（１９６６年，５月）に充分に記録され、述べられている。高導電性物質の３７体積％というパーコレーション域値は、純粋な幾何学的な考察に基づくものであるという点で、多くの系の典型的な値である。
石炭由来フライアッシュでは、炭素は無機アッシュ物質よりも非常に低い比重を有する。この低い嵩密度は高い比体積ということになるので、フライアッシュ中の３７体積％炭素はフライアッシュ中約１０重量％炭素において生じる。１０重量％炭素というパーコレーション域値はフライアッシュからの炭素の分離においてかなりの困難さを表す。ベルト型静電セパレータについての今までの記載は導電性粒子を分離する可能性を挙げているが、これらの記載は特定の導電性物質を特に採り上げている訳ではない。米国特許第４，８３９，０３２号と第４，８７４，５０７号は導電性粒子を包含する粒子の多様な混合物の摩擦電気／静電気分離に適用可能であるセパレータを開示する。原則として、この種類のセパレータは、導体を包含する、摩擦電気接触帯電性を有する本質的に全ての物質を分離することができる。この種類の静電向流ベルト型セパレータは実験室において多様な粒子混合物を分離することができることを実証されている。
発明の概要
原則として、導電性粒子は分離されることができ、導電性粒子の分離は実験室において実証されているが、導電性粒子を含有する混合物に対する、米国特許第４，８３２，０３２号と第４，８７４，５０７号に開示されるような、向流ベルト型セパレータの長期間の商業的な使用はセパレータ内の異なる電位の領域間の導電性沈着物の堆積によって問題がある。
図２は、米国特許第４，８３９，０３２号と第４，８７４，５０７号に開示されるような、向流ベルト型セパレータ１００の１実施態様を説明する、これは摩擦電気帯電粒子を強電界を用いて１つの移動流から、反対方向に移動する隣接流へ移す。２つの平行な電極９と１０によって電界が形成され、これを通ってベルト区分８Ａと８Ｂ及び粒子流が移動する。粒子を含有し、電極を維持するために、２つの電極の間にそれらの長軸方向縁に沿って、電極９、１０及びベルト区分８Ａと８Ｂに対して垂直に機械的結合を与えることが必要である。導電性炭素が集まることができ、電極９、１０の間の導電性架橋を生じて、電極を短絡するのは、この領域である。電極９、１０のこの短絡は電界を低下させ、セパレータ１００と分離プロセスとを劣化させる。
原則として、より強力な高電圧源を簡単に用いることができ、高い電流容量がこの局所的短絡効果をによる電界劣化を相殺することができる。例えば、１ｍｍ平方の断面積を有する炭素層は約１００ｏｈｍ／ｃｍの抵抗を有する。電極９、１０間の１ｃｍギャップ５と、１０ｋＶ印加電圧とによって、１ｍｍ平方炭素が１００アンペアを伝導し、メガワットの電力を損失する可能性がある。これは容認することができない。
上記問題を緩和するための１つのアプローチは、電極９、１０の一部を限定して、ベルトによって清潔に一掃されることができる非導電性物質の領域と置換することである。このアプローチは導電性経路を形成しなければならない経路長さを増大し、導電性経路の形成の可能性を減ずる。しかし、電極を誘電体によって置換する領域では、分離のための電界が存在しないので、セパレータの分離効率は低下する。さらに、このようなアプローチによる問題は、セパレータの縁に沿って、分離電界が存在せず、分離されない物質を運搬するベルトを生じることである。この分離されない物質は２種類の分離済み生成物を汚染し、セパレータの効率を減ずる。また、導電性経路を形成しなければならない経路長さが増大するとしても、導電性粒子による汚染はさらに導電性層の堆積を生じて、結局はギャップの破壊をもたらし、時間の経過するうちに誘電体表面のトラッキングと腐蝕を生じる。
図２に関連して、セパレータ１００の１実施態様によると、セパレータ１００の操作時に、移動ベルト区分８Ａ、８Ｂは流動状態の粒状物質を運搬する。任意の流体と同時に、粒状物質は移動して、利用可能である空隙を充填する。セパレータの縁に沿って（例えば、電極９と１０の長軸方向側面、供給点３、排出点４、７）、動きのない表面が存在する。操作される流体力学的状況(regime)に依存して、幾らかの厚さの停滞した境界層が存在する。導電性粒子がこの境界層中に集積する場合の表面伝導とトラッキングとは導電性粒子による操作の不可避な結果である。
低下した処理量で操作することによって、効果の一部が部分的に軽減される可能性がある。これは、物質が実際には２つの固体相（この１つは導電性である）と、良好な絶縁体である空気とによる３相系であることを認識させることになる。したがって、空気の濃度が上昇すると、即ち、セパレータ内に存在する固体物質の体積分率が減少すると、導体の体積が減少する。残念ながら、これは導電性粒子の問題を解消せず、セパレータの容量を減少させる。他の粒子は導電性層が形成されるまで非移動表面上にまだ堆積する可能性がある。この挙動は、例えばフライアッシュ中の炭素の場合であるように、濃縮される種の１つがそれ自体導電性である場合に、最も顕著である。
米国特許第４，８３９，０３２号と第４，８７５，５０７号は移動ベルト区分８Ａと８Ｂとの間の誘電体バリヤー６の使用を開示する。このバリヤーは電界と、１つの流れから反対の流れへの粒子の移動とを遮断することによって、或る程度、分離をも妨害する。さらに、このようなバリヤーシートの長期間安定性を確保することも困難である。
さらに、バリヤー６として実際に用いられる物質はベルト８Ａと８Ｂとの不規則な振動と移動とに破断せずに耐えるために可撓性であるべきである。可撓性というこの必要条件は硬質セラミック物質の使用を除外し、例えばポリマー物質のような、低モジュラス誘電体物質を必要とする。しかし、ポリマー物質に付随する問題は、これらの物質が軟質であり、そのようなものとして、導電性粒子を埋め込まれて、導電性になることである。さらに、スパークが生ずるときに、ポリマー物質は比較的低い温度にのみ耐え、このようなものとして、セラミック物質ほど良好にスパークからの腐蝕に耐えない。米国特許第４，８３９，０３２号と第４，８７５，５０７号に開示されているように、バリヤーがセパレータ１００を横切って対立電極９、１０の間に課せられる場合に、電界が誘電体を横切って発生するまで電荷が移動する。したがって、誘電体がスパークを発する場合には、かなりの電荷が存在し、誘電体バリヤーの反対側の電荷中に貯蔵されたエネルギーがスパーク中に消散して、ポリマー物質の腐蝕とトラッキングを生じる。
図２のセパレータ１００に付随するさらに他の問題は、平均的電界が破壊よりはるかに低いとしても、増大した経路が直流電界に起因するスパークによる破壊を排除しない。電気的スパークが生じる場合には、スパークチャンネルは非常にイオン化され、非常に導電性になる。非常に導電性な物質として、スパークは等電位面になる。スパークが１つの電極において開始して、外方に伝播するならば、スパーキング中に、スパークチャンネルは電極と同じ電位になる。次に、スパーク先端の電界は電極と、スパーク先端を越えてすぐの局所領域との間の電位勾配になる。強い電界とスパーク先端の電界勾配とは粒子を整列させ、さらなるスパーキングとトラッキングとを生じる。スパークが生じると、スパークは高エネルギープラズマの局所領域を発生するが、これはポリマー物質を腐食し、分解することができ、炭素形成及びトラッキングを生じる。この炭素は非常に導電性であり、さらなる破壊を招来する可能性がある。
したがって、導電性粒子に対するベルト型セパレータの作用は問題であり、導電性物質の分離を可能にするために用いられる方法は限定され、工業的プロセスの長期間操作のために完全に満足できるものではない。
したがって、非常に効果的に導電性粒子に作用する向流ベルト型セパレータを提供することが、本発明の目的である。
また、耐久時間の長い、メンテナンスを殆ど必要としない受動的系を提供することが、本発明の目的である。
高濃度の導電性物質の分離を可能にする方法と装置を提供することが、本発明の目的である。
パーコレーション域値を越えた導電性物質の分離を可能にする方法と装置を提供することが、本発明の目的である。
さらに、粒子の導電率のための性能低下なしに高容量での導電性物質の分離を可能にする方法と装置を提供することが、本発明の目的である。
本発明によると、分離室において導電性粒子を包含する粒子の混合物の異なる成分を静電的に分離する方法は、導電性要素が電圧降下回路の各ノード(node)に結合して２つの隣接する導電性要素の間の最大電位差を限定するように、交互の導電性要素と誘電体要素を包含する、電圧勾配アセンブリによって結合した電極からなる、対立した面を有する分離室を用意することを包含する。さらに、この方法は物質を分離室に入れ、対立する面の間に電界を印加し、電界中で異なる成分をそれらの電荷の符号に応じて分離して、同じ正味電荷の成分を、相互に接近した、異なる正味電荷の２つの流れとして機械的に、電界を横断して移動させることを包含する。さらに、この方法は粒子混合物の分離した成分を分離室から取り出すことを包含する。
この配置によって、表面伝導と、セパレータの停滞領域に集積する導電性粒子によるトラッキングとの影響は減少するので、向流ベルト型セパレータを高い処理量で高効率で操作することができ、これを用いて混合物から高濃度の導電性物質を分離することができる。
本発明によると、導電性粒子を含有する粒子混合物の静電分離装置は、少なくとも１対の電極と、１対の電極の間で少なくとも２つの流れの粒子混合物を同時に撹拌し輸送するために１対のサポートの間に配置された少なくとも１つの輸送ベルトと、セパレータの長軸方向縁に沿って配置された交互の導電性要素と誘電体要素とを包含する電圧勾配アセンブリとを有する分離室を包含する。電圧勾配アセンブリの導電性要素は、２つの隣接する導電性要素の間の最大電位差を限定する電圧分割回路の各ノードに結合包含する。
この配置によって、表面伝導と、セパレータの停滞領域に集積する導電性粒子によるトラッキングとの影響は減少するので、向流ベルト型セパレータを高い処理量で高効率で操作することができ、これを用いて混合物から高濃度の導電性物質を分離することができる。
本発明の１実施態様では、電圧勾配アセンブリをプラスチックの導電性領域と非導電性領域の両方を含有し、非導電性誘電体要素をも含有する押出プラスチック複合体をから形成される。この押出プラスチック複合体は、電圧分割回路を収容する少なくとも１つの印刷回路板に結合する。
この配置によって、向流ベルト型セパレータは殆どメインテナンスを必要とせず、移動するベルトとの不断の相互作用からの摩擦に耐性である。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記その他の目的と利点は下記詳細な説明を図面に関連づけて参照するならば明らかになるであろう。図面において、
図１は、関連技術分野で公知である、特定物質の複合体の抵抗率対体積％のグラフであり；
図２は、関連技術分野による粒子分離装置の概略図であり；
図３は、本発明による電圧勾配アセンブリの横断面図であり；
図４は、本発明による電圧降下回路の１実施態様の概略図であり；
図５は、本発明による電圧降下回路の他の実施態様の概略図であり；
図６は、図５に示した電圧分割実施態様に用いられる非線形バリスタの電流−電圧曲線のグラフである。
図７Ａと７Ｂは、本発明の１実施態様による同時押出電圧勾配アセンブリを説明し、図７Ａは平面図であり、図７Ｂは端面図である。
図８は、図４と５のいずれかの電圧降下回路を収容し、図７Ａと７Ｂの同時押出電圧勾配アセンブリの裏側に結合するためのコネクタを有する印刷回路板の断面図である。
詳細な説明
大気中での高電圧直流（ＤＣ）装置の操作には、スパーク形成に関する２つの基準が存在する。この意味でのスパークは電子なだれとして定義され、この場合には、電界が電子に充分なエネルギーを与え、分子のさらなる衝撃イオン化を促進し、これは電流、熱的加熱及び結局は熱的イオン化を指数関数的に増加させ、典型的に可視及び可聴スパークチャンネルを指数関数的に増加させる。
第１基準は電界である、即ち、電子がさらなるイオン化を惹起することができるようなレベルにエネルギーを増加させることができるように、電圧勾配は電子がガスに対してエネルギーを失うよりも大きい速度で遊離電子にエネルギーを与えるほど充分でなければならない。第２基準は、高電位と低電位との電位差が或る一定の基準値を越えなければならないことである。この基準値はガス組成の関数であり、或る程度は、電極の関数、特に電極の二次電子放出特性、作用機能及び電界放出特性の関数である。液体及び固体の破壊特性はガスの破壊電界よりも典型的に非常に大きい、この理由は主として、液体又は固体中の電子の自由行程が非常に短いので、固体又は液体中の電子がさらなるイオン化のために必要なエネルギーを得るためには電界が高速度でエネルギーを供給しなければならないからである。
図２のセパレータ１００に関して、導体９、１０の間のギャップ５が大きい場合には、破壊の制限基準は、電界が或る一定の基準を越えなければならないということである。これは空気の破壊強度として３０ｋＶ／ｃｍの値を生じる。ギャップ５が非常に小さい場合には、制限基準は、電位差がガスのスパーク電位を越えなければならないということである。この最小スパーキング電位挙動(minimum sparking potential behavior)はＰａｓｃｈｅｎによって発見され、Ｐａｓｃｈｅｎの法則と呼ばれている。空気に関して、最小スパーキング電位は３２７ｖｏｌｔであり、１気圧における約７．５ミクロンのギャップにおいて生じた。これは４４０ｋＶ／ｃｍの電界を生じた。
ベルト型セパレータの電極、例えば図１の電極９，１０がスパークし、短絡する傾向は、特に導電性粒子が堆積して、導電性経路を生じる場合には、セパレータ内に固体表面に沿って存在する最大電位差及び最大電界を制御することによって緩和することができる。本発明によると、異なる領域間の電位差、それ故、最大電界は、電極９、１０の間に非導電性要素間に交互に配置される導電性要素と基準電位とを与え、導電性要素を電圧分割アセンブリに、隣接導電性要素間の最大電位差を制御するように電気的に接続させることによって、制御される。
図３に関しては、セパレータ１００の電極９、１０の間に制御された最大電位差を与えるための、本発明の実施態様による電圧勾配アセンブリの略図を説明する。図示した具体例(illustrative implementation)が導体と誘導体要素の数、それらを配置する形式、それらを担持する形式、それらの形状及びサイズ等に関して単なる例示であること、並びに多くの変更形(modification)が使用可能であり、本発明によって包括されるように意図されることを理解すべきである。
電圧勾配アセンブリ３００は、誘電体要素２０〜２８と導体要素１１〜１８とによって形成される対立面３０２を有する。対立面３０２は移動ベルト８Ａ、８Ｂに面して、高電位の面９１と、１実施態様ではアースに結合する低電位の面９０との間に配置される。
導電性要素９０、１１〜１８及び９１はそれぞれ接続３０〜３９によって電圧分割回路に接続する。誘電体要素２０〜２８は絶縁性機械的サポート４０とポリマー埋込み用接着剤１９とによって担持され、接着剤１９はアセンブリを一緒に結合させ、電圧勾配アセンブリ３００の裏面３０４を他の機械的サポート（図示せず）との接触から電気的にシールする。導体要素１１〜１８は接続３０〜３９によって、例えば図４と５に図示するような電圧降下回路に接続する。特に、図４と５のように、接続３０はノード１３０に結合し、接続３１はノード１３１に結合し、接続３２はノード１３２に結合し、接続３３はノード１３３に結合する。
次に図４を参照すると、図４は複数のレジスタ（抵抗）５０〜５８を包含する電圧降下回路４００の実施態様の概略図である。レジスタ（抵抗）５０〜５８は、回路にノード１３９において結合する高電位面９１と、回路にノード１３０において結合する基準電位面９０との間に示すように、直列に接続する。レジスタ（抵抗）要素５０〜５８は面９１から面９０まで連続的な電圧低下を生じる。電圧分割回路４００の好ましい実施態様では、レジスタ（抵抗）５０〜５８は等しい値であるので、面９１の高電位はレジスタ（抵抗）５０〜５８の各々に等しく分割される。電圧勾配アセンブリ３００の導電性要素３１〜３８にそれぞれ結合したノード１３１〜１３８の連続的電圧低下は表面９１から表面９０までの電圧の勾配変化を生じて、導電性要素間のスパーキング傾向を軽減する。
この種類の制御された電圧低下は、最大電界を制限し、異なる高電圧成分間のスパークを減ずるために、例えばＶａｎ  ｄｅ  Ｇｒａａｆ発電機におけるような、他の高電圧用途に用いられている。このような電圧勾配デバイスは典型的にレジスタ（抵抗）を用いて、制御された電圧低下を生じ、高電圧を幾つかの小電圧ステップに分割している。さらに、交流の高電圧伝動系では、セラミック絶縁体がしばしば用いられる。これらの絶縁体は典型的に波形表面を有し、典型的に電圧を高電圧からアースまで容量型電圧降下機構によって分割する。しかし、容量型電圧降下機構はＤＣ電圧によって無効である。したがって、ＤＣ電圧を分割するための好ましいデバイスは、標準操作条件下で、高インピーダンスであり、標準操作条件を越える電圧に対しては低インピーダンスである。この非線形電圧電流特徴は、この非線形電圧電流特徴は、例えばバリスタ又はツエナーダイオードのような非線形成分を用いて、得ることができる。
図５は、複数のバリスタを用いる、本発明の他の実施態様による電圧降下回路５００の概略図である。バリスタ７１〜７９と１７１〜１７９は非線形電流−電圧曲線を有し、電流は特徴的な“ターン−オン(turn-on)”電圧を越えて指数関数的に上昇する。図５では、バリスタ要素７１〜７９の第１チェーンはそれぞれレジスタ（抵抗）要素６１〜６９と直列に挿入される。さらに、バリスタ要素１７１〜１７９の第２チェーンはそれぞれレジスタ（抵抗）要素１６１〜１６９と直列に挿入される。さらに、第２チェーンは第１チェーンと並列に配列される。レジスタ（抵抗）６１〜６９及び１６１〜１６９は、バリスタがノード１３０と１３９との間の回路を流れる電流を分割することを保証する。
バリスタ要素は指数関数的な電圧−電流関係を有するので、バリスタ中の電流はバリスタ要素を横切る電圧に敏感である。さらに、バリスタの温度が上昇すると、一定電圧における電流も増加する。したがって、電圧分割回路５００のこの実施態様の故障の可能な形式は、１つのバリスタが他のバリスタよりも多くの電流を運搬して、バリスタの温度上昇を生じて、このバリスタがさらに多くの電流を運搬して、ついにはバリスタデバイスの熱暴走(thermal runaway)が生じ、結局はデバイス破損が生じる。したがって、任意の特定バリスタ７１〜７９及び１７１〜１７９のこの熱暴走を防止するために、レジスタ（抵抗）６１〜６９と１６１〜１６９を用いて、バリスタ−レジスタ（抵抗）組合せの作用点を同様な作用領域に導入する。
本発明による電圧分割回路の１実施態様では、Ｓｉｍｅｎｓ社によって製造されたバリスタＳＫ２０６８０を要素７１〜７９及び１７１〜１７９として用いた。これらのバリスタは、１ミリアンペアの電流において約１，０００ｖｏｌｔの電圧に相当する１ｗａｔｔを消散させると評価された。したがって、レジスタ（抵抗）６１〜６９を１ミリアンペアの電流において１００，０００ｏｈｍの抵抗を有するように選択するならば、各レジスタ（抵抗）を横切って１００ｖｏｌｔの電圧低下が生ずる。各レジスタ（抵抗）の付加的な抵抗は回路５００の作用点を安定化するので、バリスタ要素の複数のチェーンが並列に接続して、回路５００の総電流輸送容量を安定な操作を維持しながら高めることができる。
図５の電圧降下回路によると、バリスタの作用点においてバリスタ７１〜７９と１７１〜１７９によって電圧を固定する(clamped)。一方向性であるツエナーダイオードに比べて、バリスタは二方向性であるので、バリスタ型電圧固定回路がツエナーダイオード系に比べて好ましい。したがって、バリスタ７１〜７９及び１７１〜１７９はいずれかの極性における任意の２つの導体１１〜１８（図３）間の電位差を限定する。また、バリスタは高電力操作において典型的に安価な、より頑強な(rugged)デバイスであり、電圧分割回路中に用いるために便利である電圧範囲を有する。
例えばバリスタのような非線形受動的要素の使用は幾つかの付加的利点を与える。例えば、バリスタを横切っての電圧降下が固定電圧未満である場合には、電流は非常に少ない。図６は公称ａｃ操作電圧６８０Ｖｒｍｓを有するＳ２０Ｋ６８０金属酸化物バリスタの典型的なＶ−Ｉ特徴を示す。図５の電圧分割回路の１つの利点は、電圧降下要素の数が多く、電圧降下チェーンの内部に高い電位が蓄積しうるという危険性がない。したがって、チェーン全体を横切る電圧は供給電圧に限定され、隣接導電性要素１１〜１８の任意の対（図３）を横切る最大電圧はバリスタ固定電圧に限定される。隣接導体１１〜１８の任意の対を横切る実際の電圧は直列経路における他の要素の導電率に依存する動的な値(dynamic value)である。したがって、１対の隣接導体を横切って部分的導電性層が数ミクロアンペアの電流の伝導を可能にするならば、導電性層を通る電流が直列の他のバリスタによって限定される電流に等しくなるまで、この導体対を横切る電圧は低下する。
本発明によると、隣接導電性要素の間の最大電位差を電圧勾配アセンブリによって限定することは幾つかの利点を与える。例えば、セパレータの導電性経路の端部（例えば、セパレータの長軸方向端部）における電界勾配の制限は、電解勾配が粒子に課する、粒子に対するジエレクトロフォレティック（誘電泳動）(dielectrophoretic)力を減ずる。これらの力は粒子を集合させて、パールチェーン(pearl chain)を形成させる傾向がある。パールチェーンは、粒子が導電性であり、吸引力が粒子を一緒にさせて、導電性チェーンを形成させるときに生ずる。導電性になるためには、チェーン内のあらゆるギャップが少なくとも空気に対するスパーキング電位の電位低下又は７．５ミクロンのギャップに対する３２７ｖｏｌｔの電位低下を有さなければならない。したがって、強い電界は粒子を移動させて、このギャップを架橋させることができる。同様に、強い電界は隣接粒子間の接触面積を増大させて、接触抵抗を低下させることができる。
例えば、本発明の１実施態様では、フライアッシュからの炭素の分離のために、電圧勾配アセンブリの導電性要素間の最大電圧を約７００ｖｏｌｔに制限することが電極間の電界の短絡効果を抑制するために充分であることが判明している。スパークを開始させるために必要な最低電圧は、ギャップが７．５ミクロンであるときに３２７ｖｏｌｔである。したがって、最大電圧を７００ｖｏｌｔに制限することによって、２つのこのようなギャップは２導体間の伝導の可能性を除去する。
したがって、図４、５に示す電圧降下回路を電圧勾配アセンブリ３００と組み合わせて用いて、静電セパレータ１００（図２）の対立面９、１０間のエアギャップ中の電位差、それ故、電界及び電界勾配を限定する。セパレータ１００の長軸方向縁領域では、電界は縁の面に対して接線方向である。エアギャップ内の電界をさらに制限し、パールチェーン化(pearl chaining)効果を減ずるために、高い誘電率を有する物質を用いて、エアギャップ内の電界をさらにいっそう低下させることが望ましい。したがって、ある一定の誘電率の誘電体によって囲まれた、一定電位の導体の配置は周囲電界にかなりの影響を及ぼすことができる導体と誘電体との分布を生じる。
導体と絶縁体との形状が重要であることも理解すべきである。セパレータの平行面形態(parallel plane geometry)は、高電圧電極と固定機械的サポート構造体との全ての界面がスパークオーバー（放電）(spark over)と破壊とから保護されることを必要とする。したがって、図２に関して、この要件は例えば電極９、１０の長軸方向縁、排出点４、７に隣接する電極９、１０の端部、供給物が電極のスロットから導入される供給点３、及び電極９、１２における任意の間隔を置いた充電(charge)、放電(discharge)ポートにおいて必要である。
また、電極表面の異なる縁では破壊傾向も異なり、この傾向は分離されるべき物質とセパレータ内で発生する濃度とにも依存することを理解すべきである。フライアッシュの場合には、低炭素端部は典型的に３％未満炭素であるので、スパーキング及び短絡の傾向は小さい。高炭素端部では、炭素含量は５０％炭素を越える可能性があるので、短絡傾向は非常に大きい。セパレータ１００の縁に沿って、低い値から高い値まで連続的に変化する。したがって、一定の用途に予定される作用(service)に依存して、あまり高レベルの保護が要求されない部分におけるセパレータ構成を簡単化するために、セパレータの異なる縁が異なる形状を有することができることも理解すべきである。
本発明は、導電性粒子を含有する多くの混合物の分離に有用である。このような物質の例は、炭素の導電性粒子を含むフライアッシュ、金属粒子を含有する金属仕上げ操作からの研磨かす、乾式冶金操作からの金属含有スラグとドロス、黒鉛鉱石、金属硫化物鉱石、ケイ素含有スラグ、チャコール及び金属硫化物の粒子を含有する可能性がある石炭、それ自体導電性でありうる無煙炭、炭素含有廃棄物、鉱物砂及び炭化ケイ素を包含する。
構成材料の選択が重要であることも理解すべきである。絶縁材料は高い誘電率と、良好な電気トラッキング抵抗と、耐摩耗性とを有するべきであり、セパレータ内で寸法安定性であるべきである。良好に作用する材料の１例は高純度高密度の焼結多結晶アルミナである。この物質は非常に硬質、非常に耐摩耗性であり、高温までの非常に良好な絶縁体であり、容易に入手可能である。しかし、例えばムライト(mullite)、スピネル、石英、サファイア、磁器、ガラス、又は他の高誘電率材料（例えば、チタン酸バリウム）のような、他のセラミック材料も使用可能である。ある用途には、スパーキングが抑制され、スパーク腐蝕が無いポリマー物質が使用可能である。さらに、例えば、摩耗がそれほど重度でない場合には、例えば超高分子量ポリエチレン、ウレタン又はＰＴＦＥのような耐摩耗性ポリマー材料も使用可能である。
さらに、導体材料の選択の方がより広範囲であることを理解すべきである。電流運搬容量の必要性は非常に低いので、材料が良好な導体である必要はない。さらに、例えば硬質アルミナのような絶縁材料によって囲まれる場合に、導電性材料導電性物質の腐蝕はあまり問題にならない。導体は金属又は導電性プラスチックから選択されることができる。両方の種類の系が用いられており、両方が良好に作用する。
図７Ａと７Ｂに関しては、本発明による電圧勾配アセンブリの１実施態様２７６は導電性プラスチック材料２７２を包含し、これは絶縁性プラスチック材料２７４と同時押出成形されて、複合体ピース２７６を生じる。複合体ピース２７６は低コストで押出成形されることができ、例えば、絶縁性アルミナピース２７８は隣接導電性プラスチック２７２間の適所に接合することによって電気トラッキングを防止するために耐久性前面２９０を形成することができる。
次に図８に関しては、複数のコネクター８２を有する電圧分割回路を収容する印刷回路板８０を説明する。電圧分割回路板８０はコネクター８２によって押出ピース７６の裏面９２に結合させることができ、全アセンブリは、セパレータ内の汚れた環境から成分を保護するための適当な誘電体カプスレート(capsulate)（図示せず）と共にはめ込まれる。
電圧勾配アセンブリは、フライアッシュからの炭素の分離において完全サイズベルト型セパレータの操作中のスパーキング及びトラッキング電圧破壊の防止に非常に有効であることが実験によって判明している。これらの成分を組み込むセパレータは５０重量％炭素を越える高炭素流を生成しながら、長期間操作を実証されている。これは非常に高い体積分率の導電性物質を表し、これらの電圧勾配アセンブリピース７６の不存在下ではこの濃度のセパレータは非常に迅速に短絡することになる。
本発明の幾つかの特定の実施態様を説明したが、種々の変更、修正及び改良が当業者に容易に思いつかれるであろう。このような変更、修正及び改良は本発明の開示の一部であると意図され、本発明の要旨及び範囲内であると意図される。したがって、上記説明は例示にすぎず、下記請求の範囲内で定義されるように及びその同等物としてのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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