2019 Fiscal Year Research-status Report
Material separation utilizing magneto-Archimedes levitation under a high magnetic field gradient.
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19K12403
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
三浦 大介 首都大学東京, システムデザイン研究科, 教授 (50281241)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小方 聡 首都大学東京, システムデザイン研究科, 准教授 (50315751)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁気アルキメデス浮上 / 有価物質分離回収 / 強磁性体配列 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では比較的低磁場において高密度、低磁化率の物質の分離・回収のため、磁場中に強磁性体を最適配列することで磁気アルキメデス浮上力の大幅な向上と水平方向の均一性を実現させ、実用化を目指した低磁場での分離方法としてレーストラック型マグネットを用いた連続的な分離・回収方法についての検討を行っている。初年度は超伝導磁石の中心に強磁性体配列を配置した際の磁場分布シミュレーションにはFEMベースのソフトウェアを用い，強磁性体の形状および配列を変化させ解析を行った。最適形状の強磁性体円柱を磁場中に配置することで強磁性体の1mm直上で超伝導磁石単体での最高磁場勾配に比べ約7倍もの磁気力向上がみられた。さらに、強磁性体円柱を三角格子状に最適配列することで磁気力ファクターを水平方向にも均一に拡大させることに成功した。さらに購入した３軸の精密ホールセンサーをスキャンすることで、磁場の水平方向の均一性を確認した。また実験では超伝導電磁石の中心に安定浮上させた強磁性体円柱配列をセットし、塩化マンガン水溶液中で銅、銀、金及び白金の浮上分離実験を行った。超伝導電磁石単体では浮上の確認できなかった白金においては6Tでの浮上が確認でき、7T以上では各金属の分解能は7mm以上になっていることが判明した。また、浮上開始磁場と10T時の浮上位置に関して、シミュレーションから算出した理論値と実験値はほぼ一致することを認めた。さらに銅及びアルミニウム粉末浮上実験の結果、強磁性体配列による水平方向への磁場均一性による均一浮上の有効性が確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度の計画として予定した以下の結果を得ている。①超伝導電磁石磁場中心に配置する強磁性体円柱の材質、形状の最適化を実施した。直径１０～５ｍｍの純鉄やFe-Mn合金ロッドをアクリルコア材に三角格子配列し、有限要素法による磁場解析を行ない、鉛直方向BgradB増大、水平方向の均一性の向上、及び分離分解能の最適化を図った。②購入した3軸ホール素子を用いて実際の磁場及び磁場勾配測定を行い、解析結果との一致をみた。③10T超伝導電磁石の磁場中心にセッティングし、自己安定浮上させた上部に設置した常磁性塩化マンガンベッセル内部にて各種金属の磁気浮上実験で浮上位置の理論値との検証を行なった。さらに金属粉末において水平方向の均一浮上を確認している。以上の結果からおおむね順調に研究が進んでいると評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画通りに実施することを考えているが、追加として浮上分離回収の動的なシミュレーション実験も実施する予定である。①磁場中強磁性体配列の最適化における物質の浮上分離実験の継続。特に複数の物質が存在する場合の分離実験を実施する。②磁気力場におけるミクロンサイズ物質の流動制御としてシミュレーションおよび実験により、磁気力場において流れ場を利用した効率的な物質移動手法を明らかにする。媒質に旋回成分を与えることで重い物質を遠心力により円筒容器の外周部に連続的に移動させ、密度を高めた状態で効率良く物質を回収する手法を提案する。物質の移動の様子はハイスピードカメラで観察し、シミュレーション結果との検証を行う。さらに回収に関して円筒容器外周部に孔を空け、旋回成分の力のみで物質を回収することが可能かどうかを明らかにし、必要であればポンプなどを併用して効率を高める。③強磁性体配列を用いたNbTiレーストラック超伝導電磁石の設計として、よりオープンな空間に高磁場・高磁場勾配を発生可能な伝導冷却型NbTiレーストラック超伝導電磁石を市販の設計基準に基づき有限要素法ソフトウエアCOMSOLを用いて設計する。④物質の選択分離回収システムの検討として以上に基づき設計された高勾配磁場空間で連続分離回収システムを検討する。粉砕混合物を電磁石上部の媒質ベッセルに入れ浮上分離させる。被分離物質の水平方向の駆動力は流体制御で行い、物質の分別回収後、媒質はベッセルに再循環させる。
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