JP2005089233A - 酸素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】熱歪を緩和させて酸素イオン導電性基板に割れやクラックが発生しないようにした酸素ポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】支持部材３により、表裏両面に電極膜１を形成した酸素イオン導電性基板２を移動自在に支持したものである。これによって、酸素イオン導電性基板２と支持部材３との熱膨張収縮による熱歪は緩和することができ、酸素イオン導電性基板２に割れやクラックが発生しないようにすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学的に酸素イオンを移動させて、一方の空間から酸素を排気したり、一方の空間へ酸素を富化したりする酸素ポンプに関するものである。

従来、この種の酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板とそれを支持する支持部材とは無機接着剤等で固定されている（例えば、特許文献１参照）。
再公表９６／２８５８９号公報

しかしながら、前記従来の酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板と支持部材とが固定されているため、異種接合面での熱歪を緩和できず、強度が低い酸素イオン導電性基板に割れやクラックが発生するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱歪を緩和させて酸素イオン導電性基板に割れやクラックが発生しないようにした酸素ポンプを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素ポンプは、支持部材により酸素イオン導電性基板を移動自在に支持したものである。

これによって、酸素イオン導電性基板と支持部材との熱膨張収縮による熱歪は緩和することができ、酸素イオン導電性基板に割れやクラックが発生しないようにすることができる。

本発明の酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板と支持部材の熱膨張収縮による熱歪を緩和することができ、酸素イオン導電性基板に割れやクラックが発生しないようにすることができる。

第１の発明は、表裏両面に電極膜を形成した酸素イオン導電性基板と、酸素イオン導電性基板を支持する支持部材とを備え、前記支持部材は前記酸素イオン導電性基板を移動自在に支持した酸素ポンプとすることにより、酸素イオン導電性基板と支持部材の熱膨張収縮による熱歪を緩和することができ、酸素イオン導電性基板に割れやクラックが発生しないようにすることができる。

第２の発明は、特に、第１発明の支持部材が導電性を有した導電性支持部材であり、かつ表裏面のどちらか一方の電極膜と電気的に接続したことにより、支持部材によりリード線を代用させることで、リード接続の手間を軽減できる。また、電極膜との接触面積を大きくできるいため、酸素イオン導電性基板の面上の熱分布を小さく抑えることができる。

第３の発明は、特に、第１発明の支持部材が導電性を有した導電性支持部材であり、導電性支持部材を表裏両面の電極膜と電気的に接続し、かつそれぞれの電極膜に接続された導電性支持部材間が絶縁部材によって絶縁されたことにより、両支持部材によりリード線を代用させることで、リード線接続と引き回しの手間をさらに軽減できる。また、第２の発明と同様、酸素イオン導電性基板の面上の熱分布を小さく抑えることができる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明におけるリード線の接合部位が電極膜の中央近傍であることにより、リード線からは熱も外部へ伝導し、接合部位の温度は低下する傾向がある。また、接合部位が中央近傍にあることによって、電極膜上の熱分布が中央から放射状に変化することで、熱応力を小さく抑えることができる。

第５の発明は、特に、第４の発明の電極膜と、リード線と、電極膜とリード線を接続させるための金属ペーストの主成分が、同じ金属であることにより、熱膨張収縮を同程度にすることができ、酸素イオン導電性基板への熱歪を緩和させることができ、割れやクラック等の酸素イオン導電性基板の破壊を抑えることができる。

第６の発明は、特に、第２または第３の発明における導電性支持部材が鉄クロム合金であることにより、鉄クロム合金は安価であり、加工が容易であり、また酸素ポンプの動作温度でも十分な耐久性がある。したがって、熱による酸素イオン導電性基板の破壊を抑えることができる。

第７の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明における絶縁部材の材質がシリカとアルミナとマイカの少なくとも一つであることにより、シリカ板、アルミナ板、マイカ板は工業的に安価であり、加工が容易であり高い平滑性を得ることができる。また、酸素ポンプの動作温度にも十分な耐久性がある。したがって、熱による酸素イオン導電性基板の破壊を抑えることができる。

第８の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明における酸素イオン導電性基板がランタンガレートであることにより、ランタンガレートはランタンとガリウムを主成分としたペロブスカイト型の金属酸化物で、酸素イオン導電性が高い。したがって、酸素ポンプの動作温度を低く設定しても所定の性能を確保でき、温度を低くすることで、熱による酸素イオン導電性基板の破壊を小さく抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における酸素ポンプを示すものである。

図において、電極膜１は酸素イオン導電性基板２の表裏両面に、酸素イオン導電性基板２の周縁を残す形で形成されている。

電極膜１には、白金や銀、金等の貴金属、サマリウム−ストロンチウム−コバルト等の金属酸化物を用いる。また、電極膜１は、スクリーン印刷や電着、蒸着、スパッタリングによって形成するが、スクリーン印刷がコスト面で優れている。電極膜１の厚みは、５〜２０μｍが好ましい。

酸素イオン導電性基板２には、ジルコニアやセリア等の金属酸化物が用いられるが、ランタンガレートが特に好ましい。その中でも、ランタン−ストロンチウム−ガリウム−マグネシウムを組成に持つペロブスカイト型の金属酸化物は輸率が高いため、最も有用である。したがって、酸素ポンプの動作温度を低く設定しても所定の性能を確保でき、温度を低くすることで、熱による酸素イオン導電性基板２の破壊を小さく抑えることができる。

本実施の形態では、直径３０ｍｍ、厚み０．２ｍｍのランタンガレートを用いる。

そして、酸素イオン導電性基板２は周縁を挟まれる形で支持部材３により支持されている。ここで、酸素イオン導電性基板２と支持部材３とは接着固定されておらず、酸素イオン導電性基板２は自由に滑って移動自在なものである。また、支持部材３に設けた穴は直径２４ｍｍであり、支持部材３から酸素イオン導電性基板２が外れることはない。

本実施の形態では、支持部材３の導電性の有無は想定されていないが、リード線との接触を考慮すると絶縁性の方が良い。

リード線４は電極膜１との接合部位が電極膜１の中央近傍である。これにより、リード線４からは熱も外部へ伝導し、接合部位の温度は低下する傾向がある。また、接合部位が中央近傍にあることによって、電極膜１上の熱分布が中央から放射状に変化することで、熱応力を小さく抑えることができる。さらに、電極膜１と、リード線４と、電極膜１とリード線４を接続させるための金属ペーストの主成分が、同じ金属であることにより、熱膨張収縮を同程度にすることができ、酸素イオン導電性基板２への熱歪を緩和させることができ、割れやクラック等の酸素イオン導電性基板の破壊を抑えることができる。なお、それぞれの側のリード線４は一点に接合されて電源（図示せず）に並列接続されている。また、固定部材５によって上下２枚の支持部材３は固定されている。

以上のように構成された酸素ポンプについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、断熱材（図示せず）に覆われた電極膜１と酸素イオン導電性基板２とがヒータ（図示せず）によって６５０℃に加熱される。その後、電極膜１を介して酸素イオン導電性基板２に電圧を印加すると、一方の電極膜１側の酸素がイオン化する。そして電界によって酸素イオンが酸素イオン導電性基板２の中を移動し、反対側の電極膜１に到達する。その後、電子を放出して再び酸素分子になる。このとき発生酸素分子に見合う電流が流れることになる。

このような作動を続けると、電流によって自己加熱が生じ、酸素イオン導電性基板２の温度がさらに１００℃以上上昇する。そのとき酸素イオン導電性基板２は支持部材３と接着固定されていないため、熱応力はそれぞれの材料の滑りによって緩和されることになる。したがって、酸素イオン導電性基板２の熱による割れやクラック等の破壊を抑えることができる。

（実施の形態２）
図２、図３は、本発明の実施の形態２における酸素ポンプを示している。

本実施の形態において、実施の形態１と異なっている部分は、支持部材の少なくとも一方が導電性を有した導電性支持部材６であり、かつ表裏面のどちらか一方の電極膜１と電気的に接続されている点である。そして導電性支部部材６からはリード線７が引き出されている。

図２の例は、支持部材の両方が導電性を有した導電性支持部材６であり、図３の例は、支持部材の一方が絶縁性の支持部材３であり、他方が導電性を有した導電性支持部材６である。

導電性支持部材６の材質としては、鉄クロム合金やニッケル、チタン、金、白金等があるが、鉄クロム合金が好ましい。これは、鉄クロム合金は安価であり、加工が容易であり、また酸素ポンプの動作温度でも十分な耐久性がある。したがって、熱による酸素イオン導電性基板の破壊を抑えることができるからである。

そして、それぞれのリード線４、７は電源（図示せず）に並列接続されている。また、固定部材５によって二つの導電性支持部材６、あるいは支持部材３と導電性支持部材６とが固定されている。

以上のように構成された酸素ポンプの動作、作用は、実施の形態１と同様であり、酸素イオン導電性基板２や支持部材３、導電性支持部材６の熱膨張収縮による熱歪は材料接合面の滑りによって緩和されることになる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における酸素ポンプを示している。

図において、電極膜１は酸素イオン導電性基板２の両面に形成されている。そして、酸素イオン導電性基板２の周縁は導電性支持部材６によって挟まれる形で支持されている。ここで、酸素イオン導電性基板２と導電性支持部材６とは接着固定されておらず、酸素イオン導電性基板２は自由に滑って移動自在なものである。導電性支持部材６は電極膜１と電気的に接触し、リード線７が引き出されている。

また、２枚の導電性支持部材６は絶縁部材８によって絶縁されて、固定部材５によって２枚の導電性支持部材６と酸素イオン導電性基板２の３枚の部材が固定されている。絶縁部材８としては、セラミックスが適当であり、特に、ガラス等のシリカ板、アルミナ板やマイカ板が好ましい。これは、シリカ板、アルミナ板、マイカ板は工業的に安価であり、加工が容易であり高い平滑性を得ることができ、また、酸素ポンプの動作温度にも十分な耐久性があり、熱による酸素イオン導電性基板２の破壊を抑えることができるからである。

以上のように構成された酸素ポンプの動作、作用は、実施の形態１と同様であり、酸素イオン導電性基板２や導電性支持部材６、絶縁部材８の熱膨張収縮による熱歪は材料接合面の滑りによって緩和されることになる。

なお、上記した各実施の形態１〜３においては、酸素イオン導電性基板２が複数の場合について説明したが、これに限られるものではない。また、各実施の形態における構成は、必要に応じて適宜組み合わせて用いることができるものである。

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、その中心部材である酸素イオン導電性基板の耐熱衝撃性の向上が可能となるので、電源の入り切りを頻繁に行う機器に有効である。そのような機器として、例えば、酸素富化機器や酸素吸引機器、またはそれらが機能の一部として組み込まれた家庭用の電化製品がある。

（ａ）本発明の実施の形態１における酸素ポンプの平面図（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線における断面図 本発明の実施の形態２における酸素ポンプの断面図 同酸素ポンプの他の例を示す断面図 本発明の実施の形態３における酸素ポンプの断面図

符号の説明

１ 電極膜
２ 酸素イオン導電性基板
３ 支持部材
４、７ リード線
６ 導電性支持部材
８ 絶縁部材

Claims (8)

1. 表裏両面に電極膜を形成した酸素イオン導電性基板と、酸素イオン導電性基板を支持する支持部材とを備え、前記支持部材は前記酸素イオン導電性基板を移動自在に支持した酸素ポンプ。
2. 支持部材が導電性を有した導電性支持部材であり、かつ表裏面のどちらか一方の電極膜と電気的に接続した請求項１に記載の酸素ポンプ。
3. 支持部材が導電性を有した導電性支持部材であり、導電性支持部材を表裏両面の電極膜と電気的に接続し、かつそれぞれの電極膜に接続された導電性支持部材間が絶縁部材によって絶縁された請求項１に記載の酸素ポンプ。
4. リード線の接合部位が電極膜の中央近傍である請求項１または２に記載の酸素ポンプ。
5. 電極膜と、リード線と、電極膜とリード線を接続させるための金属ペーストの主成分が、同じ金属である請求項４に記載の酸素ポンプ。
6. 導電性支持部材が鉄クロム合金である請求項２または３に記載の酸素ポンプ。
7. 絶縁部材の材質がシリカとアルミナとマイカの少なくとも一つである請求項３に記載の酸素ポンプ。
8. 酸素イオン導電性基板がランタンガレートである請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。

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