磁場発生装置ならびにそれを用いる水処理システムおよび水処理方法
【課題】配管内の水を超電導磁石で磁化する磁場発生装置において効率良く磁化を行う。
【解決手段】配管３によって形成される閉ループ内を流れる水８を超電導磁石によって磁化する磁場発生装置１において、超電導磁石には、一対のコイル１１，１２が、その軸Ｚ方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石を用い、そのスプリット型の超電導磁石による一対のコイル１１，１２の離間した空間内に配管１３を配置して磁化を行う。したがって、磁力線は管軸Ｙ方向とは垂直なＺ方向から加わることになり、配管３内の水８を超電導磁石によって効率良く磁化することができる。また、既設の配管１３の周囲にスプリット型の超電導磁石の一対のコイル１１，１２を設置する空間があれば、既設の配管１３はそのままで、一対のコイル１１，１２間に配管１３が位置するようにコイル１１，１２を設置するだけで設置を行うことができ、構造を簡略化することもできる。
【解決手段】配管３によって形成される閉ループ内を流れる水８を超電導磁石によって磁化する磁場発生装置１において、超電導磁石には、一対のコイル１１，１２が、その軸Ｚ方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石を用い、そのスプリット型の超電導磁石による一対のコイル１１，１２の離間した空間内に配管１３を配置して磁化を行う。したがって、磁力線は管軸Ｙ方向とは垂直なＺ方向から加わることになり、配管３内の水８を超電導磁石によって効率良く磁化することができる。また、既設の配管１３の周囲にスプリット型の超電導磁石の一対のコイル１１，１２を設置する空間があれば、既設の配管１３はそのままで、一対のコイル１１，１２間に配管１３が位置するようにコイル１１，１２を設置するだけで設置を行うことができ、構造を簡略化することもできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水などの管体を流れる流体を処理するための磁場を発生する装置ならびにそれを用いる水処理システムおよび水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、給水管や給湯管、或いは冷却水管や空調用配管等では、内部を循環する水に、鉄管に生成した錆が剥がれて浮遊し、水と共に配管内を流れることがよくある。水と共に流れるこの浮遊錆は、配管の内壁に付着し、配管閉塞の原因となり、問題である。
【０００３】
そのような配管の内部腐食を防止する方法の内、化学薬品を使わず、環境面で優れている方法として、磁場を用いた処理方法が知られている。それによれば、流水に磁束を印加すると、水物性や水中の溶存酸素濃度が変化し、結果、鉄錆（Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト））の核生成・成長に影響を与えるものと考えられる。詳しくは、Ｆｅ３Ｏ４の核生成密度が向上するとともに、その錆粒子の成長が抑制されるために、Ｆｅ３Ｏ４の微細な結晶から成る皮膜が鉄管の内面に生成して、酸素の拡散を抑制する効果が得られ、それ以上の鉄錆の生成を抑制しようとする働きによるものと思われる。
【０００４】
そこで、たとえば、特許文献１では、図１１で示すように、水が流れる配管１０１の外周面に、複数の棒状の永久磁石１０２を、その分極方向が管軸方向と平行に配置することで、磁束を印加している。こうして磁束を印加された水は、磁気水または磁化水と呼ばれ、上記のように、防錆や配管内のスケール（scale：水の中に溶けているカルシウムなどが管内壁に固着したもの。罐石（かんせき）。湯垢（ゆあか）。）の付着防止に効果を発揮する。
【０００５】
前記の効果は、水に印加する磁束が強い方が高く、また磁束線の方向に対して水が垂直に流れる方が高くなるという考えから、特許文献２では、図１２のように、磁性を有する金属製の板材１１１と、この板材１１１を同一の極を向き合わせて挟む磁石１１２とを積層して成る積層体１１３を、複数隣り合わせに組み合わせると共に、異なる積層体に属する板材同士を積層方向において対向させることで、できるだけ多くの回数、水が磁束線を直角に横切るように構成されている。しかしながら、この装置は構造が複雑であり、同一の極を向き合わせて異なる永久磁石を組合わせるには、大きな抗力に打ち勝つ力で組立てなければならず、組立てが困難である。より基本的な課題としては、永久磁石を用いているために、高い磁束密度を得ることが困難であった。
【０００６】
そこで、超電導磁石を用いて、前記磁束密度を高められる磁場発生装置が、本件出願人による特許文献３などで提案されている。その従来技術は、超電導の漏れ磁束の影響を低減するアクティブシールドに関するものであるが、概略構成は、図１３で示す通りである。すなわち、前記超電導のメインコイル１２１の外周に、逆方向の磁束を発生するシールドコイル１２２を設け、前記メインコイル１２１の内周に中央パイプ１２３を設け、メインコイル１２１とシールドコイル１２２との間に複数の周辺パイプ１２４を設けるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６４−３３９４号公報
【特許文献２】特開２００２−１２６７５２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３２４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の従来技術では、超電導磁石を用いているので、発生する磁束は永久磁石に比べて非常に強いものの、その磁束線は、図１４で示すように管軸方向、すなわち水の流れる方向と平行に発生し、特許文献２の第０００３段落にも示されているように、効率良く磁化を行えないという問題がある。また、管体１１３が鉄管などの磁性体から成る場合、コイル１３１で発生した磁束線１３２の多くは、透磁率の高い管体１１３中に吸い込まれて該管体１１３を通して磁路を形成してしまい、透磁率が低い管体１１３内の水には磁束が効果的に印加されず、これによっても管体１１３内の水を効率的に磁化できないという問題がある。さらにまた、図１３において、パイプ１２３，１２４は、一旦流路から取外して、コイル１２１，１２２のボア内を通さなければならず、構造が複雑になるという問題もある。
【０００９】
本発明の目的は、管体内の流体を超電導磁石によって効率的に磁化することができるとともに、構造の簡単な磁場発生装置ならびにそれを用いる水処理システムおよび水処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の磁場発生装置は、内部を流体が流れる管体と、前記管体内を流れる流体を磁化するための磁束を形成する超電導磁石とを備え、前記超電導磁石は、一対の超電導コイルを備え、それらの超電導コイルが、その軸方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石から成り、前記一対の超電導コイルの軸方向と前記管体の長手方向とが直交する姿勢で、当該管体を挟んで、その両側に前記一対の超電導コイルが配置されることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、管体に水などの流体を流し、その流体を超電導磁石によって磁化するようにした磁場発生装置において、前記超電導磁石には、一対の超電導コイルが、その軸方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石を用い、そのスプリット型の超電導磁石による一対の超電導コイルの離間した空間内に前記管体を配置して磁化を行う。
【００１２】
したがって、磁束線は管軸方向とは垂直な方向から加わることになり、管体内の流体を、超電導磁石によって効率良く磁化することができる。また、管体の材質は、磁性、非磁性を問わないが、管体が鉄管などの磁性体から成る場合、一方のコイルで発生した磁束線の一部が管体内を通して他方のコイルへ磁路を形成するものの、多くの磁束線は、筒状の管体の薄い一方の壁をほぼ垂直に通り抜けて内部の流体を通過し、他方の壁から他方のコイルへ抜けてゆくので、これによっても管体内の流体を効率的に磁化することができる。さらにまた、既設の管体の周囲に、スプリット型の超電導磁石の一対のコイルを設置する空間があれば、既設の管体をそのままの状態にして、前記一対のコイルの離間した空間内に管体が位置するようにコイルを設置するだけで該磁場発生装置の設置を行うことができ、構造を簡略化することもできる。
【００１３】
また、本発明の磁場発生装置では、前記管体は磁性配管であることが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、上述のように磁性配管であっても、コイルで発生した磁束の多くを、該磁性配管内の流体に印加することができる。
【００１５】
したがって、既設の水道管などの管体をそのまま利用することができる。
【００１６】
さらにまた、本発明の磁場発生装置では、前記管体は鉄管または鉄基合金管であり、前記流体は水であり、前記一対のコイル間で発生される最大磁束密度は、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下であることが好ましい。
【００１７】
上記の構成によれば、水を磁気処理する場合に、超電導磁石の発生する最大磁束密度としては、１．６Ｔ以上ないと磁気処理した効果が乏しく、また１８Ｔ以下でないと、超電導磁石のボア内の微小な磁場勾配による磁気力を受けて、配管が動いたり変形したりする。
【００１８】
したがって、超電導磁石の発生する最大磁束密度は、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下が望ましい。
【００１９】
また、本発明の水処理システムでは、前記管体は閉ループを構成するように接続されて、前記流体は閉ループ内で循環され、前記の磁場発生装置の上流側に、鉄錆沈殿用の貯水槽を備えることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、上述の磁場発生装置で磁気処理した水を鉄管による閉ループを循環させる場合、貯水槽のように流れが小さい場所では、浮遊する鉄錆粒子がお互いに凝集する性質を利用して、該貯水槽の底に沈殿させる。
【００２１】
したがって、配管内を流れる鉄錆の量を低減することができる。また、鉄錆を沈殿させるにあたって、磁気処理した水の場合は凝集する働きがより強くなり、処理していない水に比べて、配管内を流れる鉄錆の量の低減効果を高くすることができる。
【００２２】
さらにまた、本発明の水処理方法では、前記流体は閉ループ内で循環され、前記の磁場発生装置で発生する最大磁束密度をＢ［Ｔ］とするとき、該磁場発生装置において磁気処理された水が再び該磁場発生装置で処理されるまでの時間τ［ｍｉｎ］を、τ≦４０√Ｂとすることが好ましい。
【００２３】
上記の構成によれば、上述の磁場発生装置で磁気処理した水を閉ループを循環させる場合、上式を満足する時間以内であれば、磁気処理水の効果をほぼ維持させることができる。たとえば、磁場発生装置で発生する最大磁束密度を９［Ｔ］とするとき、１２０［ｍｉｎ］以内である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の磁場発生装置ならびにそれを用いる水処理システムおよび方法は、以上のように、管体に水などの流体を流し、その流体を超電導磁石によって磁化するようにした磁場発生装置において、前記超電導磁石には、一対の超電導コイルが、その軸方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石を用い、そのスプリット型の超電導磁石による一対の超電導コイルの離間した空間内に前記管体を配置して磁化を行う。
【００２５】
それゆえ、磁束線は管軸方向とは垂直な方向から加わることになり、管体内の流体を、超電導磁石によって効率良く磁化することができる。また、管体の材質は、磁性、非磁性を問わないが、管体が鉄管などの磁性体から成る場合、一方のコイルで発生した磁束の一部が管体内を通して他方のコイルへ磁路を形成するものの、多くの磁束線は、筒状の管体の薄い一方の壁をほぼ垂直に通り抜けて内部の流体を通過し、他方の壁から他方のコイルへ抜けてゆくので、これによっても管体内の流体を効率的に磁化することができる。さらにまた、既設の管体の周囲に、スプリット型の超電導磁石の一対のコイルを設置する空間があれば、既設の管体をそのままの状態にして、前記一対のコイルの離間した空間内に該管体が位置するようにコイルを設置するだけで該磁場発生装置の設置を行うことができ、構造を簡略化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る磁場発生装置を用いる水処理システムのブロック図である。
【図２】比較用の磁場発生装置を用いる水処理システムのブロック図である。
【図３】配管に鉄管を用いた場合における前記磁場発生装置の発生磁束線の伝搬経路図である。
【図４】本件発明者による第１の実験結果を示すグラフであり、時間経過に対する錆の発生量を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実験の方法を説明するためのブロック図である。
【図６】本件発明者の第２の実験結果を示すグラフであり、時間経過に対する配管への錆やスケール等の付着量を示すグラフである。
【図７】本発明の第３の実験の方法を説明するためのブロック図である。
【図８】本件発明者の第３の実験結果を示すグラフであり、時間経過に伴う流路途中でのサンプル板への錆の付着量変化を示すグラフである。
【図９】本件発明者の第４の実験結果を示すグラフであり、時間経過に伴う貯水タンクの底でのサンプル板への錆の付着量変化を示すグラフである。
【図１０】本件発明者の第５の実験結果を示すグラフであり、循環時間の変化に対する磁化の効果の変化を示すグラフである。
【図１１】典型的な従来技術の水を磁化する装置の側面図である。
【図１２】他の従来技術の水を磁化する装置の斜視図である。
【図１３】さらに他の従来技術の水を磁化する装置の断面図である。
【図１４】図１３の装置における磁束線の伝搬経路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は本発明の実施の一形態に係る磁場発生装置１を用いる水処理システム２のブロック図であり、図２は比較用の磁場発生装置１’を用いる水処理システム２’のブロック図である。これらの水処理システム２，２’は、管体としての冷却水管や空調用配管等の配管３内を、流体としての水が、閉ループで循環されるシステムを模したもので、所定長の前記閉ループ状の配管３内に、循環用のポンプ４およびそのポンプ４の上流側には、錆沈殿用の貯水タンク５を備えて構成される。また、これらの水処理システム２，２’は、磁場発生装置１，１’の効果を検証するためのものであり、前記磁場発生装置１，１’が貯水タンク５の上流側に設けられるとともに、水の温度変化を生じさせるチラー６がその磁場発生装置１，１’の上流側に設けられ、また錆の発生源７がポンプ４の下流に設けられている。矢印は循環水の流れる方向を示す。
【００２８】
注目すべきは、本発明では、前記磁場発生装置１は、配管１３と、超電導磁石とを備えて構成され、前記超電導磁石には、一対のソレノイド巻きの超電導コイル１１，１２が、その軸（鉛直）Ｚ方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石が用いられることである。そして、その一対のコイル１１，１２の軸Ｚ方向と、前記配管１３の長手方向（管軸方向Ｙ）とが直交する姿勢で、当該配管１３を挟んで、その両側に前記一対の超電導コイル１１，１２が配置される。すなわち、一対のコイル１１，１２の離間した空間内に、前記配管１３が配置される。各コイル１１，１２のボアＷの直径は６０ｍｍ、上下のコイル１１，１２間の距離Ｌは８０ｍｍ、最大磁場は１３Ｔである。コイル１１，１２の素線には、上述の磁場を発生できれば、円柱状の線材、角柱状の線材、或いは帯状の線材の何れが使用されてもよいが、単位体積当りの電流密度や放熱性、さらには比較的平行な磁場を形成できる点で、帯状線材が好ましい。
【００２９】
一方、比較用の磁場発生装置１’の超電導磁石には、ソレノイド巻きのコイルを内包する超電導磁石が単体で用いられる。同様に、ボアＷの直径は６０ｍｍ、最大磁場は１３Ｔである。
【００３０】
なお、上述の説明および特許請求の範囲においても、超電導コイル１１，１２の軸（鉛直）Ｚ方向と、配管１３の長手方向（管軸方向Ｙ）とが直交すると説明しているが、厳密に直交である必要はなく、多少の較差を有していてもよい。具体的には、管軸Ｙを含む鉛直平面上での振れ（ピッチ）および水平面上でのコイル軸線Ｚを中心とした回転（ヨー）で、共に、最大で±１０°程度である。すなわち、ボア内の配管１３に対して、後述の最大磁束密度を印加できる傾きであれば、許容することができる。
【００３１】
前記配管１３を含む配管３は、錆の発生しない塩化ビニール管から成り、内径は２０ｍｍ、外径は２４ｍｍ、配管３部分の長さは、合計で２０ｍである。ここで、比較例の磁場発生装置１’では、配管１３の軸Ｙ方向とほぼ平行に磁場が印加される。したがって、配管３，１３が磁性配管であり、このように超電導ボア内に高い透磁率を有する磁性配管材料が存在すると、この配管材料の飽和磁束密度までは、前述の図１４で示すように、コイル１３１で発生した磁束線１３２は透磁率の高い管体１１３中に吸い込まれて該管体１１３を通して磁路を形成してしまい、透磁率が低い管体１１３内の水には僅かの磁束しか通らないことになる。配管１３が前記塩化ビニール管のように非磁性の管である場合は、水内を通過する磁束も増加するが、大半の磁束は管壁近くを通過し、管中央部の磁束は少ない。
【００３２】
これに対して、本発明の磁場発生装置１でも、磁性配管の場合、図３（ａ）で示すように、一方のコイル、たとえば１１で発生した磁束線の一部が、参照符号Ｍ１で示すように配管１３の内部１３ａを通して他方のコイル１２へ磁路を形成するものの、多くの磁束線は、参照符号Ｍ２および図３（ｂ）で示すように、筒状の配管１３の薄い一方の壁１３ｂをほぼ垂直に通り抜けて内部の水８を通過し、他方の壁１３ｃから他方のコイル１２へ抜けてゆく。勿論、配管１３が非磁性の管である場合は、参照符号Ｍ１で示す配管１３の内部１３ａを通る磁束が減少し、ボア（内径）Ｗ内の磁束をより有効に使用することができる。図３（ｂ）は図１４と同様に超電導磁石付近の管軸Ｙ方向の断面図であり、図３（ａ）は管軸とは直交方向の断面図である。
【００３３】
一方、錆の発生しない配管３に対して、錆を加速的に発生させ、かつその発生した錆の量を正確に測定できるように、前記発生源７を設置している。前記発生源７は、ＳＰＣＣ板（普通鋼板）を収容するボックスから成り、前記配管３に直列、すなわち該水処理システム２内を循環する総ての水が、この発生源７内を通過するように配置されている。前記ＳＰＣＣ板は、長さ１０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ２ｍｍの大きさで、２枚が前記ボックスに設置され、ボックスは錆を発生しないように、ステンレス鋼製である。
【００３４】
また、循環水としては、錆の生成速度を高めるために、通常の水道水にＮａＣｌを加えて、ＮａＣｌ濃度を１００ｐｐｍとしている。そして、ポンプ４は、貯水タンク５内の水を汲み上げて、経路内を２０Ｌ／ｍｉｎの速度で循環させる。この時、貯水タンク５内で沈殿せず、浮遊している比較的小さい錆粒子は、フィルタ除去などを行わず、循環水の中に浮遊したまま、配管３内を流れた。
【００３５】
（実験１）
第１の実験の方法としては、ポンプ４を稼動させて水８を循環させ、所定の時間が経過した後にＳＰＣＣ板を取り出し、ＳＰＣＣ板の腐食による重量減少量を測定した後、ＳＰＣＣ板を戻して処理を継続し、再度所定の時間が経過した後に重量減少量を測定するということを所定日数繰返すというものである。ＳＰＣＣ板の重量減少量の測定については、予め処理前のＳＰＣＣ板の重量を測定しておき、前記所定の時間処理したＳＰＣＣ板を鉄連法により洗浄して鉄錆等を除去し、その洗浄後の重量を処理前の重量から差し引くことによって前記重量減少量とした。そして、もう１例の比較用として、図１および図２の水処理システム２，２’から、磁場発生装置１，１’だけを設けていない図示しない構成を用いて、同様の実験を行った。
【００３６】
図４は、本件発明者による第１の実験結果を示すグラフであり、横軸は累積の処理日数であり、縦軸はＳＰＣＣ板の重量減少量、すなわち錆の発生量である。実験は、先ずチラー６を用いて水温を１４℃に保持して、１４５日に亘って行った後、水８およびＳＰＣＣサンプルを入れ替え、水温を２７℃に上げて、同様にして１４５日に亘って行った。図４では、丸印が磁場発生装置１を用いる本願発明の測定結果を表し、三角印が磁場発生装置１’を用いる比較例１の測定結果を表し、四角印が磁場無しの比較例２の測定結果である。図４の結果から、温度が高い方が、重量減少量が大きく、すなわち錆易くなるものの、同一の処理時間で比較すると、必ず磁場有りの方が、磁場無しよりも、重量減少量、すなわち錆が少ないことが理解される。しかしながら、同じ磁場有りでも、前述のように水８中に殆ど磁束が通らない磁場発生装置１’を用いる比較例１は、磁場無しの比較例２に近い測定結果となっていることも理解される。
【００３７】
また、水温１４℃で５８日の間処理を行ったＳＰＣＣ板から錆を取り出し、Ｃｕターゲットに加速電圧４５ｋＶの電子線を照射し、そこから発生する特性Ｘ線のＫα線を用いた単色のＸ線回折（θ−２θ法）を行った。このθ−２θ法では、回折ピークの出現する２θの値は、格子面間隔を表し、ピーク値の半分の高さの位置での幅（一般に半価幅）は、結晶サイズに依存する量として知られている。その解析の結果は、Ｆｅ３Ｏ４（２２０）面からの回折ピーク（２θ＝１３．１ｄｅｇ）の半価幅は、本願発明の磁場発生装置１を用いた場合は、０．１２６ｄｅｇであり、０．１２０ｄｅｇよりも大きく、Ｘ線回折に寄与する回折面に平行な方向の格子面の数（結晶厚さに関係）が比較的少なく（結晶厚さが薄い）、これに対して磁場発生装置１’を用いる比較例１では、前記半価幅は、０．１１８ｄｅｇであり、０．１２０ｄｅｇよりも小さい値であった。このように本願発明の方が、比較例１に比べて、細かく緻密なＦｅ３Ｏ４結晶が生じていることが判明した。
【００３８】
前記θ−２θ法によるＦｅ３Ｏ４（２２０）面からの回折ピーク（場合によってはγ−Ｆｅ００Ｈ（０１１）面からの回折ピークも含む）の半価幅は、メンテナンスの指標として用いることができる。具体的には、上述のような磁化処理によっても、前記Ｆｅ３Ｏ４（２２０）面からの回折ピークの半価幅が前記０．１２０ｄｅｇよりも小さくなると、錆の粒子が大きくなったと判定し、水を交換する等である。
【００３９】
一方、貯水タンク５内（内部の流量は１Ｌ／ｍｉｎ程度以下）の底部に沈殿している鉄錆を採取し、それを乾燥したものを電子顕微鏡で観察したところ、本願発明の磁場発生装置１を用いた場合は、直径０．１μｍ程度以下の一次粒子が凝集して、直径２．５〜３．２ｍｍのサイズになっていた。これに対して、磁場発生装置１’を用いた比較例１でも、一次粒子の直径は０．１μｍ程度以下でほぼ等しいけれども、最終の粒子の直径は、１．２〜２．０ｍｍ程度であった。これにより、比較例１に比べて、本願発明では、貯水タンク５内で一次粒子の凝集が進み、タンク５内に沈降し易いことが判明した。
【００４０】
また、貯水タンク５内の上部の水を採取し、鉄総量をＪＩＳ Ｋ０１０２ ５７．１に準拠して測定したところ、磁気水では２．７ｍｇ／Ｌであり、比較例１，２の３．７〜３．８ｍｇ／Ｌに比べて約２７％少なくなっていることが判明した。
【００４１】
（実験２）
図５は、第２の実験の方法を説明するためのブロック図である。この実験では、図１の構成において、ポンプ４と錆の発生源７との間に、一対のバルブ９１，９２を設けて、それらのバルブ９１，９２間の配管３を分断できるようにしておき、配管内監視装置２０を介在することである。前記配管内監視装置２０は、同種の３本の配管２１〜２３と、照明光源２５と、カメラ２６と、図示しないパーソナルコンピュータとを備えて構成される。
【００４２】
配管２１〜２３は、外径３２ｍｍ×内径２６ｍｍ×長さ３００ｍｍの透明な塩化ビニールパイプから成り、水平に３本配置される。その内の１本の配管２１が前記バルブ９１，９２間に介在されて、閉ループ内の水が通過する。したがって、残余の配管３との径の関係で、配管２１，２２内の流速は若干低下する。これに対して、もう１本の配管２２は、磁場発生装置１を設けていない同様の閉ループにおけるバルブ９１，９２間に接続され、残りの１本の配管２３は、その両端が栓２３１，２３２で閉塞され、参照用のために循環水は流さないようにした。
【００４３】
前記照明光源２５は、３本の配管２１〜２３を均等に照射できるように、下方に配置された、たとえば縦２５０ｍｍ×横１８０ｍｍの発光部を有する蛍光灯光源から成る。この照明光源２５から光を照射して、ポンプ４の稼動後、所定の時間が経過する毎に、上方から、すなわち配管２１〜２３を透過する光を、カメラ２６で撮像して、デジタル化したデータを、解析用の図示しないパソコンに取り込んだ。
【００４４】
図６は、本件発明者の第２の実験結果を示すグラフであり、横軸はポンプ４の稼動時間であり、縦軸は前記カメラ２６で撮影した画像から、３本の配管２１〜２３における２０ｍｍ×２０ｍｍの領域の透過光の積分強度を求め、規格化したものである。四角印が配管２１による磁場有りの磁気水、菱形印が配管２２による磁場無しの通常水、三角印は配管２３による参照用の空気通過を示している。この図５から明らかなように、配管２１，２２の内壁への錆の付着および循環水の濁りのために、共に透過光の強度は時間経過と共に低下するが、同一時間で比較すると、磁気水の方が透過光強度が高くなっている。これは、磁気水の方が通常水に比べて配管２１の内壁への錆の付着および循環水の濁りが少ないことを意味している。
【００４５】
（実験３）
図７は、第３の実験の方法を説明するためのブロック図である。この実験では、図１の構成において、錆の発生源７とチラー６との間に、錆の吸着手段３１を設けて、循環水中に浮遊する錆を吸着できるようにしたものである。具体的には、前記吸着手段３１は、前記ＳＰＣＣ板と同様の、長さ１０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ２ｍｍの大きさであるが、錆びないステンレス鋼製のサンプル板を前記ステンレス鋼製のボックス内に設置したものから成る。
【００４６】
図８は、本件発明者の第３の実験結果を示すグラフであり、横軸はポンプ４の稼動時間であり、縦軸は錆の付着による前記サンプル板の重量増加を示すものである。四角印が磁場発生装置１有りの磁気水、菱形印が磁場発生装置１無しの磁場無しの通常水を示している。図７の結果から、磁場有りの磁気水を用いた場合に、磁場無しの通常水を用いる場合に比べて、サンプル板への錆の付着量を低減できていることが理解される。これは、磁気水を用いた場合、水８中に溶出している錆の量が元々少ないためと思われる。
【００４７】
（実験４）
図９は、本件発明者の第４の実験結果を示すグラフである。この実験は、前記吸着手段２１におけるサンプル板と同様の、長さ１０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ２ｍｍのステンレス鋼製のサンプル板を貯水タンク５の底部に設置し、所定の時間ポンプを稼動して該サンプル板の重量を測定し、付着する錆の重量変化を調べたものである。横軸はポンプ４の稼動時間であり、縦軸は錆の付着による前記サンプル板の重量増加を示すものである。四角印が磁場発生装置１有りの磁気水、菱形印が磁場発生装置１無しの磁場無しの通常水を示している。
【００４８】
図８の結果とは逆に、貯水タンク５のような流れの緩い箇所では、磁場有りの磁気水を用いた場合は、磁場無しの通常水を用いる場合に比べて、サンプル板への錆の付着量が増大することが理解される。これは、磁気水の方が、元々の錆の量が少なくても、貯水タンク５内の錆粒子の沈殿が、通常水よりも促進されるためと思われる。
【００４９】
（実験５）
図１０は、本件発明者の第５の実験結果を示すグラフである。この実験は、配管３の全長を１００ｍとし、水量と最大磁束密度との組合わせを変えて、水温１４℃で５８日の処理を行う間に、適宜ＳＰＣＣ板を取り出し、Ｘ線回折を行ったものである。最大磁束密度は、前記磁場発生装置１を大型のものに取替えて、２Ｔと、１０Ｔと、１８Ｔとで行った。横軸は水量変化、すなわち延長された配管３の閉ループを水が循環する時間τであり、縦軸は前記Ｘ線回折θ−２θ法によるＦｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅を示すものである。三角印が２Ｔ、四角印が１０Ｔ、菱形印が１８Ｔの結果を示している。
【００５０】
図１０の結果、最大磁束密度Ｂが２Ｔの場合、循環時間τが５６ｍｉｎ（４０√Ｂ＝５６．５７）以下の場合に、Ｆｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が前記０．１２０ｄｅｇ以上となった。また、最大磁束密度が１０Ｔの場合、循環時間τが１２５ｍｉｎ（４０√Ｂ＝１２６．４９）以下の場合に、Ｆｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が前記０．１２０ｄｅｇ以上となった。さらにまた、最大磁束密度が１８Ｔの場合、循環時間τが１６８ｍｉｎ（４０√Ｂ＝１６９．７１）以下の場合に、Ｆｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が前記０．１２０ｄｅｇ以上となった。
【００５１】
これらのことから、τ≦４０√Ｂの条件を満足する場合に、Ｆｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が０．１２０ｄｅｇ以上となることが判明した。したがって、上述の磁場発生装置１で磁気処理した水を閉ループに循環させる場合、上式を満足する時間以内であれば、磁気処理水の効果をほぼ維持させることができ、好適である。たとえば、磁場発生装置１で発生する最大磁束密度を９［Ｔ］とするとき、１２０［ｍｉｎ］以内である。
【００５２】
以上のように、本発明の磁場発生装置１は、管体としての配管１３内に、流体としての水８を流し、その水８を超電導磁石によって磁化するようにした磁場発生装置において、前記超電導磁石には、一対のコイル１１，１２が、その軸Ｚ方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石を用い、そのスプリット型の超電導磁石による一対のコイル１１，１２の離間した空間内に前記配管１３を配置して磁化を行う。
【００５３】
したがって、磁力線は管軸Ｙ方向とは垂直なＺ方向から加わることになり、配管１３内の水８を、超電導磁石によって効率良く磁化することができる。これによって、図４で示すように、錆の発生を抑えることができる、すなわち鉄系材料に防錆効果が生じ、配管３内の水８と共に流れる鉄総量（鉄系材料から腐食溶出して生じた鉄イオンと鉄の腐食生成物との総和）を低下することができるとともに、図６で示すように、配管３の内壁へのスケール付着防止効果を得ることもできる。
【００５４】
また、配管１３の材質は、磁性、非磁性を問わないが、スプリット型の超電導磁石を用いることで、前述の図３（ａ）で説明したように、磁性の管であっても、該配管１３内の水８を効率的に磁化することができ、既設の水道管などの配管をそのまま利用することができる（配管１３の外側から設置することが可能である。）。さらにまた、既設の配管１３の周囲に、スプリット型の超電導磁石の一対のコイル１１，１２を設置する空間があれば、既設の配管をそのままの状態にして、前記一対のコイル１１，１２の離間した空間内に該配管１３が位置するようにコイル１１，１２を設置するだけで該磁場発生装置１の設置を行うことができ、構造を簡略化することもできる。
【００５５】
また、配管１３が鉄管または鉄基合金管であり、前記流体が水８である場合には、前記一対のコイル１１，１２間で発生される最大磁束密度を、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下とする。これは、水を磁気処理する場合に、超電導磁石の発生する最大磁束密度としては、図１０における２Ｔのデータから、循環時間τを短くしても、Ｘ線回折θ−２θ法によるＦｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が０．１２０ｄｅｇを得られる、すなわち磁気処理した効果が得られるのは１．６Ｔ程度と想定されるためで、また前記半価幅が０．１２０ｄｅｇを得られる循環時間τとして、１８Ｔのデータでは、実用上充分と思われる１５０分以上得られるためで、逆にこれ以上の磁束では、超電導磁石のボア内の微小な磁場勾配による磁気力を受けて、配管３が動いたり変形したりするためである。したがって、コイル１１，１２の発生する最大磁束密度は、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下が望ましい。
【００５６】
その中でも、さらに好ましいのは、５．０Ｔ以上、１２Ｔ以下である。これは、磁束密度が高い方が防錆効果は増加するけれど、磁束密度を高くするためにマグネットサイズも増大し、コストもアップするためで、防錆効果とコストパフォーマンスとの双方を考慮した結果である。
【００５７】
さらにまた、このように水８を鉄管による閉ループを循環させる場合に、ポンプ４の上流側に貯水タンク５を設けることで、該貯水タンク５のように流れが小さい場所では、浮遊する鉄錆粒子がお互いに凝集する性質を利用して、該貯水タンク５の底に効率良く沈殿させる、すなわち配管３内を流れる鉄錆の量を低減することができる。その場合に、磁場発生装置１で水８を磁気処理することで、図９で示すように、処理していない水に比べて、配管３内を流れる鉄錆の量の低減効果を高くすることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 磁場発生装置
１１，１２ 超電導コイル
１３ 配管
２ 水処理システム
３ 配管
３ａ 内部
３ｂ，３ｃ 壁
４ ポンプ
５ 貯水タンク
６ チラー
７ 錆の発生源
８ 水
２０ 配管内監視装置
２１〜２３ 配管
２５ 照明光源
２６ カメラ
３１ 錆の吸着手段
９１，９２ バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水などの管体を流れる流体を処理するための磁場を発生する装置ならびにそれを用いる水処理システムおよび水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、給水管や給湯管、或いは冷却水管や空調用配管等では、内部を循環する水に、鉄管に生成した錆が剥がれて浮遊し、水と共に配管内を流れることがよくある。水と共に流れるこの浮遊錆は、配管の内壁に付着し、配管閉塞の原因となり、問題である。
【０００３】
そのような配管の内部腐食を防止する方法の内、化学薬品を使わず、環境面で優れている方法として、磁場を用いた処理方法が知られている。それによれば、流水に磁束を印加すると、水物性や水中の溶存酸素濃度が変化し、結果、鉄錆（Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト））の核生成・成長に影響を与えるものと考えられる。詳しくは、Ｆｅ３Ｏ４の核生成密度が向上するとともに、その錆粒子の成長が抑制されるために、Ｆｅ３Ｏ４の微細な結晶から成る皮膜が鉄管の内面に生成して、酸素の拡散を抑制する効果が得られ、それ以上の鉄錆の生成を抑制しようとする働きによるものと思われる。
【０００４】
そこで、たとえば、特許文献１では、図１１で示すように、水が流れる配管１０１の外周面に、複数の棒状の永久磁石１０２を、その分極方向が管軸方向と平行に配置することで、磁束を印加している。こうして磁束を印加された水は、磁気水または磁化水と呼ばれ、上記のように、防錆や配管内のスケール（scale：水の中に溶けているカルシウムなどが管内壁に固着したもの。罐石（かんせき）。湯垢（ゆあか）。）の付着防止に効果を発揮する。
【０００５】
前記の効果は、水に印加する磁束が強い方が高く、また磁束線の方向に対して水が垂直に流れる方が高くなるという考えから、特許文献２では、図１２のように、磁性を有する金属製の板材１１１と、この板材１１１を同一の極を向き合わせて挟む磁石１１２とを積層して成る積層体１１３を、複数隣り合わせに組み合わせると共に、異なる積層体に属する板材同士を積層方向において対向させることで、できるだけ多くの回数、水が磁束線を直角に横切るように構成されている。しかしながら、この装置は構造が複雑であり、同一の極を向き合わせて異なる永久磁石を組合わせるには、大きな抗力に打ち勝つ力で組立てなければならず、組立てが困難である。より基本的な課題としては、永久磁石を用いているために、高い磁束密度を得ることが困難であった。
【０００６】
そこで、超電導磁石を用いて、前記磁束密度を高められる磁場発生装置が、本件出願人による特許文献３などで提案されている。その従来技術は、超電導の漏れ磁束の影響を低減するアクティブシールドに関するものであるが、概略構成は、図１３で示す通りである。すなわち、前記超電導のメインコイル１２１の外周に、逆方向の磁束を発生するシールドコイル１２２を設け、前記メインコイル１２１の内周に中央パイプ１２３を設け、メインコイル１２１とシールドコイル１２２との間に複数の周辺パイプ１２４を設けるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６４−３３９４号公報
【特許文献２】特開２００２−１２６７５２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３２４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の従来技術では、超電導磁石を用いているので、発生する磁束は永久磁石に比べて非常に強いものの、その磁束線は、図１４で示すように管軸方向、すなわち水の流れる方向と平行に発生し、特許文献２の第０００３段落にも示されているように、効率良く磁化を行えないという問題がある。また、管体１１３が鉄管などの磁性体から成る場合、コイル１３１で発生した磁束線１３２の多くは、透磁率の高い管体１１３中に吸い込まれて該管体１１３を通して磁路を形成してしまい、透磁率が低い管体１１３内の水には磁束が効果的に印加されず、これによっても管体１１３内の水を効率的に磁化できないという問題がある。さらにまた、図１３において、パイプ１２３，１２４は、一旦流路から取外して、コイル１２１，１２２のボア内を通さなければならず、構造が複雑になるという問題もある。
【０００９】
本発明の目的は、管体内の流体を超電導磁石によって効率的に磁化することができるとともに、構造の簡単な磁場発生装置ならびにそれを用いる水処理システムおよび水処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の磁場発生装置は、内部を流体が流れる管体と、前記管体内を流れる流体を磁化するための磁束を形成する超電導磁石とを備え、前記超電導磁石は、一対の超電導コイルを備え、それらの超電導コイルが、その軸方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石から成り、前記一対の超電導コイルの軸方向と前記管体の長手方向とが直交する姿勢で、当該管体を挟んで、その両側に前記一対の超電導コイルが配置されることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、管体に水などの流体を流し、その流体を超電導磁石によって磁化するようにした磁場発生装置において、前記超電導磁石には、一対の超電導コイルが、その軸方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石を用い、そのスプリット型の超電導磁石による一対の超電導コイルの離間した空間内に前記管体を配置して磁化を行う。
【００１２】
したがって、磁束線は管軸方向とは垂直な方向から加わることになり、管体内の流体を、超電導磁石によって効率良く磁化することができる。また、管体の材質は、磁性、非磁性を問わないが、管体が鉄管などの磁性体から成る場合、一方のコイルで発生した磁束線の一部が管体内を通して他方のコイルへ磁路を形成するものの、多くの磁束線は、筒状の管体の薄い一方の壁をほぼ垂直に通り抜けて内部の流体を通過し、他方の壁から他方のコイルへ抜けてゆくので、これによっても管体内の流体を効率的に磁化することができる。さらにまた、既設の管体の周囲に、スプリット型の超電導磁石の一対のコイルを設置する空間があれば、既設の管体をそのままの状態にして、前記一対のコイルの離間した空間内に管体が位置するようにコイルを設置するだけで該磁場発生装置の設置を行うことができ、構造を簡略化することもできる。
【００１３】
また、本発明の磁場発生装置では、前記管体は磁性配管であることが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、上述のように磁性配管であっても、コイルで発生した磁束の多くを、該磁性配管内の流体に印加することができる。
【００１５】
したがって、既設の水道管などの管体をそのまま利用することができる。
【００１６】
さらにまた、本発明の磁場発生装置では、前記管体は鉄管または鉄基合金管であり、前記流体は水であり、前記一対のコイル間で発生される最大磁束密度は、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下であることが好ましい。
【００１７】
上記の構成によれば、水を磁気処理する場合に、超電導磁石の発生する最大磁束密度としては、１．６Ｔ以上ないと磁気処理した効果が乏しく、また１８Ｔ以下でないと、超電導磁石のボア内の微小な磁場勾配による磁気力を受けて、配管が動いたり変形したりする。
【００１８】
したがって、超電導磁石の発生する最大磁束密度は、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下が望ましい。
【００１９】
また、本発明の水処理システムでは、前記管体は閉ループを構成するように接続されて、前記流体は閉ループ内で循環され、前記の磁場発生装置の上流側に、鉄錆沈殿用の貯水槽を備えることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、上述の磁場発生装置で磁気処理した水を鉄管による閉ループを循環させる場合、貯水槽のように流れが小さい場所では、浮遊する鉄錆粒子がお互いに凝集する性質を利用して、該貯水槽の底に沈殿させる。
【００２１】
したがって、配管内を流れる鉄錆の量を低減することができる。また、鉄錆を沈殿させるにあたって、磁気処理した水の場合は凝集する働きがより強くなり、処理していない水に比べて、配管内を流れる鉄錆の量の低減効果を高くすることができる。
【００２２】
さらにまた、本発明の水処理方法では、前記流体は閉ループ内で循環され、前記の磁場発生装置で発生する最大磁束密度をＢ［Ｔ］とするとき、該磁場発生装置において磁気処理された水が再び該磁場発生装置で処理されるまでの時間τ［ｍｉｎ］を、τ≦４０√Ｂとすることが好ましい。
【００２３】
上記の構成によれば、上述の磁場発生装置で磁気処理した水を閉ループを循環させる場合、上式を満足する時間以内であれば、磁気処理水の効果をほぼ維持させることができる。たとえば、磁場発生装置で発生する最大磁束密度を９［Ｔ］とするとき、１２０［ｍｉｎ］以内である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の磁場発生装置ならびにそれを用いる水処理システムおよび方法は、以上のように、管体に水などの流体を流し、その流体を超電導磁石によって磁化するようにした磁場発生装置において、前記超電導磁石には、一対の超電導コイルが、その軸方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石を用い、そのスプリット型の超電導磁石による一対の超電導コイルの離間した空間内に前記管体を配置して磁化を行う。
【００２５】
それゆえ、磁束線は管軸方向とは垂直な方向から加わることになり、管体内の流体を、超電導磁石によって効率良く磁化することができる。また、管体の材質は、磁性、非磁性を問わないが、管体が鉄管などの磁性体から成る場合、一方のコイルで発生した磁束の一部が管体内を通して他方のコイルへ磁路を形成するものの、多くの磁束線は、筒状の管体の薄い一方の壁をほぼ垂直に通り抜けて内部の流体を通過し、他方の壁から他方のコイルへ抜けてゆくので、これによっても管体内の流体を効率的に磁化することができる。さらにまた、既設の管体の周囲に、スプリット型の超電導磁石の一対のコイルを設置する空間があれば、既設の管体をそのままの状態にして、前記一対のコイルの離間した空間内に該管体が位置するようにコイルを設置するだけで該磁場発生装置の設置を行うことができ、構造を簡略化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る磁場発生装置を用いる水処理システムのブロック図である。
【図２】比較用の磁場発生装置を用いる水処理システムのブロック図である。
【図３】配管に鉄管を用いた場合における前記磁場発生装置の発生磁束線の伝搬経路図である。
【図４】本件発明者による第１の実験結果を示すグラフであり、時間経過に対する錆の発生量を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実験の方法を説明するためのブロック図である。
【図６】本件発明者の第２の実験結果を示すグラフであり、時間経過に対する配管への錆やスケール等の付着量を示すグラフである。
【図７】本発明の第３の実験の方法を説明するためのブロック図である。
【図８】本件発明者の第３の実験結果を示すグラフであり、時間経過に伴う流路途中でのサンプル板への錆の付着量変化を示すグラフである。
【図９】本件発明者の第４の実験結果を示すグラフであり、時間経過に伴う貯水タンクの底でのサンプル板への錆の付着量変化を示すグラフである。
【図１０】本件発明者の第５の実験結果を示すグラフであり、循環時間の変化に対する磁化の効果の変化を示すグラフである。
【図１１】典型的な従来技術の水を磁化する装置の側面図である。
【図１２】他の従来技術の水を磁化する装置の斜視図である。
【図１３】さらに他の従来技術の水を磁化する装置の断面図である。
【図１４】図１３の装置における磁束線の伝搬経路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は本発明の実施の一形態に係る磁場発生装置１を用いる水処理システム２のブロック図であり、図２は比較用の磁場発生装置１’を用いる水処理システム２’のブロック図である。これらの水処理システム２，２’は、管体としての冷却水管や空調用配管等の配管３内を、流体としての水が、閉ループで循環されるシステムを模したもので、所定長の前記閉ループ状の配管３内に、循環用のポンプ４およびそのポンプ４の上流側には、錆沈殿用の貯水タンク５を備えて構成される。また、これらの水処理システム２，２’は、磁場発生装置１，１’の効果を検証するためのものであり、前記磁場発生装置１，１’が貯水タンク５の上流側に設けられるとともに、水の温度変化を生じさせるチラー６がその磁場発生装置１，１’の上流側に設けられ、また錆の発生源７がポンプ４の下流に設けられている。矢印は循環水の流れる方向を示す。
【００２８】
注目すべきは、本発明では、前記磁場発生装置１は、配管１３と、超電導磁石とを備えて構成され、前記超電導磁石には、一対のソレノイド巻きの超電導コイル１１，１２が、その軸（鉛直）Ｚ方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石が用いられることである。そして、その一対のコイル１１，１２の軸Ｚ方向と、前記配管１３の長手方向（管軸方向Ｙ）とが直交する姿勢で、当該配管１３を挟んで、その両側に前記一対の超電導コイル１１，１２が配置される。すなわち、一対のコイル１１，１２の離間した空間内に、前記配管１３が配置される。各コイル１１，１２のボアＷの直径は６０ｍｍ、上下のコイル１１，１２間の距離Ｌは８０ｍｍ、最大磁場は１３Ｔである。コイル１１，１２の素線には、上述の磁場を発生できれば、円柱状の線材、角柱状の線材、或いは帯状の線材の何れが使用されてもよいが、単位体積当りの電流密度や放熱性、さらには比較的平行な磁場を形成できる点で、帯状線材が好ましい。
【００２９】
一方、比較用の磁場発生装置１’の超電導磁石には、ソレノイド巻きのコイルを内包する超電導磁石が単体で用いられる。同様に、ボアＷの直径は６０ｍｍ、最大磁場は１３Ｔである。
【００３０】
なお、上述の説明および特許請求の範囲においても、超電導コイル１１，１２の軸（鉛直）Ｚ方向と、配管１３の長手方向（管軸方向Ｙ）とが直交すると説明しているが、厳密に直交である必要はなく、多少の較差を有していてもよい。具体的には、管軸Ｙを含む鉛直平面上での振れ（ピッチ）および水平面上でのコイル軸線Ｚを中心とした回転（ヨー）で、共に、最大で±１０°程度である。すなわち、ボア内の配管１３に対して、後述の最大磁束密度を印加できる傾きであれば、許容することができる。
【００３１】
前記配管１３を含む配管３は、錆の発生しない塩化ビニール管から成り、内径は２０ｍｍ、外径は２４ｍｍ、配管３部分の長さは、合計で２０ｍである。ここで、比較例の磁場発生装置１’では、配管１３の軸Ｙ方向とほぼ平行に磁場が印加される。したがって、配管３，１３が磁性配管であり、このように超電導ボア内に高い透磁率を有する磁性配管材料が存在すると、この配管材料の飽和磁束密度までは、前述の図１４で示すように、コイル１３１で発生した磁束線１３２は透磁率の高い管体１１３中に吸い込まれて該管体１１３を通して磁路を形成してしまい、透磁率が低い管体１１３内の水には僅かの磁束しか通らないことになる。配管１３が前記塩化ビニール管のように非磁性の管である場合は、水内を通過する磁束も増加するが、大半の磁束は管壁近くを通過し、管中央部の磁束は少ない。
【００３２】
これに対して、本発明の磁場発生装置１でも、磁性配管の場合、図３（ａ）で示すように、一方のコイル、たとえば１１で発生した磁束線の一部が、参照符号Ｍ１で示すように配管１３の内部１３ａを通して他方のコイル１２へ磁路を形成するものの、多くの磁束線は、参照符号Ｍ２および図３（ｂ）で示すように、筒状の配管１３の薄い一方の壁１３ｂをほぼ垂直に通り抜けて内部の水８を通過し、他方の壁１３ｃから他方のコイル１２へ抜けてゆく。勿論、配管１３が非磁性の管である場合は、参照符号Ｍ１で示す配管１３の内部１３ａを通る磁束が減少し、ボア（内径）Ｗ内の磁束をより有効に使用することができる。図３（ｂ）は図１４と同様に超電導磁石付近の管軸Ｙ方向の断面図であり、図３（ａ）は管軸とは直交方向の断面図である。
【００３３】
一方、錆の発生しない配管３に対して、錆を加速的に発生させ、かつその発生した錆の量を正確に測定できるように、前記発生源７を設置している。前記発生源７は、ＳＰＣＣ板（普通鋼板）を収容するボックスから成り、前記配管３に直列、すなわち該水処理システム２内を循環する総ての水が、この発生源７内を通過するように配置されている。前記ＳＰＣＣ板は、長さ１０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ２ｍｍの大きさで、２枚が前記ボックスに設置され、ボックスは錆を発生しないように、ステンレス鋼製である。
【００３４】
また、循環水としては、錆の生成速度を高めるために、通常の水道水にＮａＣｌを加えて、ＮａＣｌ濃度を１００ｐｐｍとしている。そして、ポンプ４は、貯水タンク５内の水を汲み上げて、経路内を２０Ｌ／ｍｉｎの速度で循環させる。この時、貯水タンク５内で沈殿せず、浮遊している比較的小さい錆粒子は、フィルタ除去などを行わず、循環水の中に浮遊したまま、配管３内を流れた。
【００３５】
（実験１）
第１の実験の方法としては、ポンプ４を稼動させて水８を循環させ、所定の時間が経過した後にＳＰＣＣ板を取り出し、ＳＰＣＣ板の腐食による重量減少量を測定した後、ＳＰＣＣ板を戻して処理を継続し、再度所定の時間が経過した後に重量減少量を測定するということを所定日数繰返すというものである。ＳＰＣＣ板の重量減少量の測定については、予め処理前のＳＰＣＣ板の重量を測定しておき、前記所定の時間処理したＳＰＣＣ板を鉄連法により洗浄して鉄錆等を除去し、その洗浄後の重量を処理前の重量から差し引くことによって前記重量減少量とした。そして、もう１例の比較用として、図１および図２の水処理システム２，２’から、磁場発生装置１，１’だけを設けていない図示しない構成を用いて、同様の実験を行った。
【００３６】
図４は、本件発明者による第１の実験結果を示すグラフであり、横軸は累積の処理日数であり、縦軸はＳＰＣＣ板の重量減少量、すなわち錆の発生量である。実験は、先ずチラー６を用いて水温を１４℃に保持して、１４５日に亘って行った後、水８およびＳＰＣＣサンプルを入れ替え、水温を２７℃に上げて、同様にして１４５日に亘って行った。図４では、丸印が磁場発生装置１を用いる本願発明の測定結果を表し、三角印が磁場発生装置１’を用いる比較例１の測定結果を表し、四角印が磁場無しの比較例２の測定結果である。図４の結果から、温度が高い方が、重量減少量が大きく、すなわち錆易くなるものの、同一の処理時間で比較すると、必ず磁場有りの方が、磁場無しよりも、重量減少量、すなわち錆が少ないことが理解される。しかしながら、同じ磁場有りでも、前述のように水８中に殆ど磁束が通らない磁場発生装置１’を用いる比較例１は、磁場無しの比較例２に近い測定結果となっていることも理解される。
【００３７】
また、水温１４℃で５８日の間処理を行ったＳＰＣＣ板から錆を取り出し、Ｃｕターゲットに加速電圧４５ｋＶの電子線を照射し、そこから発生する特性Ｘ線のＫα線を用いた単色のＸ線回折（θ−２θ法）を行った。このθ−２θ法では、回折ピークの出現する２θの値は、格子面間隔を表し、ピーク値の半分の高さの位置での幅（一般に半価幅）は、結晶サイズに依存する量として知られている。その解析の結果は、Ｆｅ３Ｏ４（２２０）面からの回折ピーク（２θ＝１３．１ｄｅｇ）の半価幅は、本願発明の磁場発生装置１を用いた場合は、０．１２６ｄｅｇであり、０．１２０ｄｅｇよりも大きく、Ｘ線回折に寄与する回折面に平行な方向の格子面の数（結晶厚さに関係）が比較的少なく（結晶厚さが薄い）、これに対して磁場発生装置１’を用いる比較例１では、前記半価幅は、０．１１８ｄｅｇであり、０．１２０ｄｅｇよりも小さい値であった。このように本願発明の方が、比較例１に比べて、細かく緻密なＦｅ３Ｏ４結晶が生じていることが判明した。
【００３８】
前記θ−２θ法によるＦｅ３Ｏ４（２２０）面からの回折ピーク（場合によってはγ−Ｆｅ００Ｈ（０１１）面からの回折ピークも含む）の半価幅は、メンテナンスの指標として用いることができる。具体的には、上述のような磁化処理によっても、前記Ｆｅ３Ｏ４（２２０）面からの回折ピークの半価幅が前記０．１２０ｄｅｇよりも小さくなると、錆の粒子が大きくなったと判定し、水を交換する等である。
【００３９】
一方、貯水タンク５内（内部の流量は１Ｌ／ｍｉｎ程度以下）の底部に沈殿している鉄錆を採取し、それを乾燥したものを電子顕微鏡で観察したところ、本願発明の磁場発生装置１を用いた場合は、直径０．１μｍ程度以下の一次粒子が凝集して、直径２．５〜３．２ｍｍのサイズになっていた。これに対して、磁場発生装置１’を用いた比較例１でも、一次粒子の直径は０．１μｍ程度以下でほぼ等しいけれども、最終の粒子の直径は、１．２〜２．０ｍｍ程度であった。これにより、比較例１に比べて、本願発明では、貯水タンク５内で一次粒子の凝集が進み、タンク５内に沈降し易いことが判明した。
【００４０】
また、貯水タンク５内の上部の水を採取し、鉄総量をＪＩＳ Ｋ０１０２ ５７．１に準拠して測定したところ、磁気水では２．７ｍｇ／Ｌであり、比較例１，２の３．７〜３．８ｍｇ／Ｌに比べて約２７％少なくなっていることが判明した。
【００４１】
（実験２）
図５は、第２の実験の方法を説明するためのブロック図である。この実験では、図１の構成において、ポンプ４と錆の発生源７との間に、一対のバルブ９１，９２を設けて、それらのバルブ９１，９２間の配管３を分断できるようにしておき、配管内監視装置２０を介在することである。前記配管内監視装置２０は、同種の３本の配管２１〜２３と、照明光源２５と、カメラ２６と、図示しないパーソナルコンピュータとを備えて構成される。
【００４２】
配管２１〜２３は、外径３２ｍｍ×内径２６ｍｍ×長さ３００ｍｍの透明な塩化ビニールパイプから成り、水平に３本配置される。その内の１本の配管２１が前記バルブ９１，９２間に介在されて、閉ループ内の水が通過する。したがって、残余の配管３との径の関係で、配管２１，２２内の流速は若干低下する。これに対して、もう１本の配管２２は、磁場発生装置１を設けていない同様の閉ループにおけるバルブ９１，９２間に接続され、残りの１本の配管２３は、その両端が栓２３１，２３２で閉塞され、参照用のために循環水は流さないようにした。
【００４３】
前記照明光源２５は、３本の配管２１〜２３を均等に照射できるように、下方に配置された、たとえば縦２５０ｍｍ×横１８０ｍｍの発光部を有する蛍光灯光源から成る。この照明光源２５から光を照射して、ポンプ４の稼動後、所定の時間が経過する毎に、上方から、すなわち配管２１〜２３を透過する光を、カメラ２６で撮像して、デジタル化したデータを、解析用の図示しないパソコンに取り込んだ。
【００４４】
図６は、本件発明者の第２の実験結果を示すグラフであり、横軸はポンプ４の稼動時間であり、縦軸は前記カメラ２６で撮影した画像から、３本の配管２１〜２３における２０ｍｍ×２０ｍｍの領域の透過光の積分強度を求め、規格化したものである。四角印が配管２１による磁場有りの磁気水、菱形印が配管２２による磁場無しの通常水、三角印は配管２３による参照用の空気通過を示している。この図５から明らかなように、配管２１，２２の内壁への錆の付着および循環水の濁りのために、共に透過光の強度は時間経過と共に低下するが、同一時間で比較すると、磁気水の方が透過光強度が高くなっている。これは、磁気水の方が通常水に比べて配管２１の内壁への錆の付着および循環水の濁りが少ないことを意味している。
【００４５】
（実験３）
図７は、第３の実験の方法を説明するためのブロック図である。この実験では、図１の構成において、錆の発生源７とチラー６との間に、錆の吸着手段３１を設けて、循環水中に浮遊する錆を吸着できるようにしたものである。具体的には、前記吸着手段３１は、前記ＳＰＣＣ板と同様の、長さ１０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ２ｍｍの大きさであるが、錆びないステンレス鋼製のサンプル板を前記ステンレス鋼製のボックス内に設置したものから成る。
【００４６】
図８は、本件発明者の第３の実験結果を示すグラフであり、横軸はポンプ４の稼動時間であり、縦軸は錆の付着による前記サンプル板の重量増加を示すものである。四角印が磁場発生装置１有りの磁気水、菱形印が磁場発生装置１無しの磁場無しの通常水を示している。図７の結果から、磁場有りの磁気水を用いた場合に、磁場無しの通常水を用いる場合に比べて、サンプル板への錆の付着量を低減できていることが理解される。これは、磁気水を用いた場合、水８中に溶出している錆の量が元々少ないためと思われる。
【００４７】
（実験４）
図９は、本件発明者の第４の実験結果を示すグラフである。この実験は、前記吸着手段２１におけるサンプル板と同様の、長さ１０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ２ｍｍのステンレス鋼製のサンプル板を貯水タンク５の底部に設置し、所定の時間ポンプを稼動して該サンプル板の重量を測定し、付着する錆の重量変化を調べたものである。横軸はポンプ４の稼動時間であり、縦軸は錆の付着による前記サンプル板の重量増加を示すものである。四角印が磁場発生装置１有りの磁気水、菱形印が磁場発生装置１無しの磁場無しの通常水を示している。
【００４８】
図８の結果とは逆に、貯水タンク５のような流れの緩い箇所では、磁場有りの磁気水を用いた場合は、磁場無しの通常水を用いる場合に比べて、サンプル板への錆の付着量が増大することが理解される。これは、磁気水の方が、元々の錆の量が少なくても、貯水タンク５内の錆粒子の沈殿が、通常水よりも促進されるためと思われる。
【００４９】
（実験５）
図１０は、本件発明者の第５の実験結果を示すグラフである。この実験は、配管３の全長を１００ｍとし、水量と最大磁束密度との組合わせを変えて、水温１４℃で５８日の処理を行う間に、適宜ＳＰＣＣ板を取り出し、Ｘ線回折を行ったものである。最大磁束密度は、前記磁場発生装置１を大型のものに取替えて、２Ｔと、１０Ｔと、１８Ｔとで行った。横軸は水量変化、すなわち延長された配管３の閉ループを水が循環する時間τであり、縦軸は前記Ｘ線回折θ−２θ法によるＦｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅を示すものである。三角印が２Ｔ、四角印が１０Ｔ、菱形印が１８Ｔの結果を示している。
【００５０】
図１０の結果、最大磁束密度Ｂが２Ｔの場合、循環時間τが５６ｍｉｎ（４０√Ｂ＝５６．５７）以下の場合に、Ｆｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が前記０．１２０ｄｅｇ以上となった。また、最大磁束密度が１０Ｔの場合、循環時間τが１２５ｍｉｎ（４０√Ｂ＝１２６．４９）以下の場合に、Ｆｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が前記０．１２０ｄｅｇ以上となった。さらにまた、最大磁束密度が１８Ｔの場合、循環時間τが１６８ｍｉｎ（４０√Ｂ＝１６９．７１）以下の場合に、Ｆｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が前記０．１２０ｄｅｇ以上となった。
【００５１】
これらのことから、τ≦４０√Ｂの条件を満足する場合に、Ｆｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が０．１２０ｄｅｇ以上となることが判明した。したがって、上述の磁場発生装置１で磁気処理した水を閉ループに循環させる場合、上式を満足する時間以内であれば、磁気処理水の効果をほぼ維持させることができ、好適である。たとえば、磁場発生装置１で発生する最大磁束密度を９［Ｔ］とするとき、１２０［ｍｉｎ］以内である。
【００５２】
以上のように、本発明の磁場発生装置１は、管体としての配管１３内に、流体としての水８を流し、その水８を超電導磁石によって磁化するようにした磁場発生装置において、前記超電導磁石には、一対のコイル１１，１２が、その軸Ｚ方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石を用い、そのスプリット型の超電導磁石による一対のコイル１１，１２の離間した空間内に前記配管１３を配置して磁化を行う。
【００５３】
したがって、磁力線は管軸Ｙ方向とは垂直なＺ方向から加わることになり、配管１３内の水８を、超電導磁石によって効率良く磁化することができる。これによって、図４で示すように、錆の発生を抑えることができる、すなわち鉄系材料に防錆効果が生じ、配管３内の水８と共に流れる鉄総量（鉄系材料から腐食溶出して生じた鉄イオンと鉄の腐食生成物との総和）を低下することができるとともに、図６で示すように、配管３の内壁へのスケール付着防止効果を得ることもできる。
【００５４】
また、配管１３の材質は、磁性、非磁性を問わないが、スプリット型の超電導磁石を用いることで、前述の図３（ａ）で説明したように、磁性の管であっても、該配管１３内の水８を効率的に磁化することができ、既設の水道管などの配管をそのまま利用することができる（配管１３の外側から設置することが可能である。）。さらにまた、既設の配管１３の周囲に、スプリット型の超電導磁石の一対のコイル１１，１２を設置する空間があれば、既設の配管をそのままの状態にして、前記一対のコイル１１，１２の離間した空間内に該配管１３が位置するようにコイル１１，１２を設置するだけで該磁場発生装置１の設置を行うことができ、構造を簡略化することもできる。
【００５５】
また、配管１３が鉄管または鉄基合金管であり、前記流体が水８である場合には、前記一対のコイル１１，１２間で発生される最大磁束密度を、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下とする。これは、水を磁気処理する場合に、超電導磁石の発生する最大磁束密度としては、図１０における２Ｔのデータから、循環時間τを短くしても、Ｘ線回折θ−２θ法によるＦｅ３Ｏ４の（２２０）面からの回折ピークの半価幅が０．１２０ｄｅｇを得られる、すなわち磁気処理した効果が得られるのは１．６Ｔ程度と想定されるためで、また前記半価幅が０．１２０ｄｅｇを得られる循環時間τとして、１８Ｔのデータでは、実用上充分と思われる１５０分以上得られるためで、逆にこれ以上の磁束では、超電導磁石のボア内の微小な磁場勾配による磁気力を受けて、配管３が動いたり変形したりするためである。したがって、コイル１１，１２の発生する最大磁束密度は、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下が望ましい。
【００５６】
その中でも、さらに好ましいのは、５．０Ｔ以上、１２Ｔ以下である。これは、磁束密度が高い方が防錆効果は増加するけれど、磁束密度を高くするためにマグネットサイズも増大し、コストもアップするためで、防錆効果とコストパフォーマンスとの双方を考慮した結果である。
【００５７】
さらにまた、このように水８を鉄管による閉ループを循環させる場合に、ポンプ４の上流側に貯水タンク５を設けることで、該貯水タンク５のように流れが小さい場所では、浮遊する鉄錆粒子がお互いに凝集する性質を利用して、該貯水タンク５の底に効率良く沈殿させる、すなわち配管３内を流れる鉄錆の量を低減することができる。その場合に、磁場発生装置１で水８を磁気処理することで、図９で示すように、処理していない水に比べて、配管３内を流れる鉄錆の量の低減効果を高くすることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 磁場発生装置
１１，１２ 超電導コイル
１３ 配管
２ 水処理システム
３ 配管
３ａ 内部
３ｂ，３ｃ 壁
４ ポンプ
５ 貯水タンク
６ チラー
７ 錆の発生源
８ 水
２０ 配管内監視装置
２１〜２３ 配管
２５ 照明光源
２６ カメラ
３１ 錆の吸着手段
９１，９２ バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流体が流れる管体と、前記管体内を流れる流体を磁化するための磁束を形成する超電導磁石とを備え、
前記超電導磁石は、一対の超電導コイルを備え、それらの超電導コイルが、その軸方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石から成り、
前記一対の超電導コイルの軸方向と前記管体の長手方向とが直交する姿勢で、当該管体を挟んで、その両側に前記一対の超電導コイルが配置されることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
前記管体は、磁性配管であることを特徴とする請求項１記載の磁場発生装置。
【請求項３】
前記管体は、鉄管または鉄基合金管であり、前記流体は水であり、前記一対のコイル間で発生される最大磁束密度は、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下であることを特徴とする請求項２記載の磁場発生装置。
【請求項４】
前記管体は閉ループを構成するように接続されて、前記流体は前記閉ループ内で循環され、前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁場発生装置の上流側に、鉄錆沈殿用の貯水槽を備えることを特徴とする水処理システム。
【請求項５】
前記流体は閉ループ内で循環され、前記請求項４記載の磁場発生装置で発生する最大磁束密度をＢ［Ｔ］とするとき、該磁場発生装置において磁気処理された水が再び該磁場発生装置で処理されるまでの時間τ［ｍｉｎ］を、
τ≦４０√Ｂ
とすることを特徴とする水処理方法。
【請求項１】
内部を流体が流れる管体と、前記管体内を流れる流体を磁化するための磁束を形成する超電導磁石とを備え、
前記超電導磁石は、一対の超電導コイルを備え、それらの超電導コイルが、その軸方向に離間して配置されるスプリット型の超電導磁石から成り、
前記一対の超電導コイルの軸方向と前記管体の長手方向とが直交する姿勢で、当該管体を挟んで、その両側に前記一対の超電導コイルが配置されることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
前記管体は、磁性配管であることを特徴とする請求項１記載の磁場発生装置。
【請求項３】
前記管体は、鉄管または鉄基合金管であり、前記流体は水であり、前記一対のコイル間で発生される最大磁束密度は、１．６Ｔ以上、１８Ｔ以下であることを特徴とする請求項２記載の磁場発生装置。
【請求項４】
前記管体は閉ループを構成するように接続されて、前記流体は前記閉ループ内で循環され、前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁場発生装置の上流側に、鉄錆沈殿用の貯水槽を備えることを特徴とする水処理システム。
【請求項５】
前記流体は閉ループ内で循環され、前記請求項４記載の磁場発生装置で発生する最大磁束密度をＢ［Ｔ］とするとき、該磁場発生装置において磁気処理された水が再び該磁場発生装置で処理されるまでの時間τ［ｍｉｎ］を、
τ≦４０√Ｂ
とすることを特徴とする水処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１１５７５２（Ｐ２０１２−１１５７５２Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６６８６１（Ｐ２０１０−２６６８６１）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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