JP2005089234A - 酸素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】複数個の酸素イオン導電性基板を用いてものにおいて、低電流型の酸素ポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】表裏両面に電極膜１を形成した複数個の酸素イオン導電性基板２を備え、各電極膜１を直列に接続したものである。これによって、特別太いリード線を用いることなく、回路の通電部の発熱を抑えることができ、低電流型の酸素ポンプが提供できる。
【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、複数枚の酸素イオン導電性基板を同時に使用する場合、同じ面側の電極膜をリード線等で電気的に接続し、電源電圧を並列に印可するものであった（例えば、特許文献１参照）。

これは、図５に示すように、電極膜１が形成された複数の酸素イオン導電性基板２（特許文献１では、２５枚の酸素イオン導電性基板が図示されている）が、支持部材３に固定されている。それぞれの電極膜１の周縁部からリード線４が引き出されて集結し、配線５に同電位の状態で接続されている。そして、配線５からはリード線が引き出され、電源の一方の極に接続されている。また、裏面（図示せず）から同様にして引き出されたリード線は、電源のもう一方の極に接続されている。すなわち、複数の酸素イオン導電性基板２は、電源に対して並列に接続されたものである。
再公表９６／２８５８９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、複数個の酸素イオン導電性基板が並列に接続されているため、各リード線が集結したリード線には大きな電流が流れることになる。したがって、十分太いリード線や電気抵抗の小さな特別なリード線を使う必要があるという課題を有していた。また、接続部やスイッチ部などの抵抗が小さい部分では、発熱することもある。さらに、例えば、家庭での実使用を考慮した場合、数十ボルトの電圧よりも数十アンペアの電流の方が、電源回路の構成が複雑になる（高コスト）という課題もあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低電流型の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、表裏両面に電極膜を形成した複数個の酸素イオン導電性基板を備え、各電極膜を直列に接続したものである。

これによって、特別太いリード線を用いることなく、回路の通電部の発熱を抑えることができ、低電流型の酸素ポンプが提供できる。

本発明の酸素ポンプは、回路の通電部の発熱を抑えることができ、低電流型とすることができる。

第１の発明は、表裏両面に電極膜を形成した複数個の酸素イオン導電性基板と、前記電極膜に接続したリード線と、前記酸素イオン導電性基板を支持する支持部材とを備え、前記各電極膜が直列に接続された酸素ポンプとすることにより、特別太いリード線を用いることなく、回路の通電部の発熱を抑えることができ、低電流型の酸素ポンプが提供できる。

第２の発明は、特に、第１の発明における支持部材の一部が導電性を有した導電部材であり、前記導電部材にリード線の一端が接続されたことにより、導電部材にリード線を代用させることで、リード線が通る孔からのガスリークを抑えることができ、回路に流れる電流の大きさを小さくし、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明における酸素イオン導電性基板が２個であり、かつ支持部材が導電性を有した導電性支持部材であることにより、導電性支持部材に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軽減でき、回路に流れる電流の大きさを小さくし、回路の通電部の発熱をさらに抑えることができる。

第４の発明は、表裏両面に複数組の電極膜を形成した酸素イオン導電性基板と、前記電極膜に接続したリード線と、前記電極膜の組数と同数のヒータとを備え、前記各電極膜が直列に接続されたことにより、リード線は酸素イオン導電性基板に開けられた孔を通ることになる。酸素イオン導電性基板全体をヒータによって加熱するのではなく、個別に加熱するため、リード線が通る孔近辺の温度は低い。温度の低い部分の導電性は小さいため、リード線が短絡することはない。これによって、回路に流れる電流の大きさを小さくし、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４の発明のリード線接続部が電極膜の中央近傍にあることにより、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。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変化することで、熱応力を小さく抑えることができる。したがって、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。これによって、回路に流れる電流の大きさを小さくし、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

第６の発明は、特に、第１〜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金属であることによって、熱膨張収縮を同程度にすることができ、また密着性も良くなる。したがって、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。これによって、回路に流れる電流の大きさを小さくし、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

第７の発明は、特に、第６の発明の金属が、金と、銀と、白金との少なくとも１つであることによって、これらの金属の焼成体は高温酸化雰囲気中で安定である。したがって、酸素ポンプの高い動作温度でも十分な耐久性がある。これによって、回路に流れる電流の大きさを小さくし、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

第８の発明は、特に、第１、２または４のいずれか１つの発明における支持部材の材質が、シリカと、アルミナと、マイカとの少なくとも１つであることにより、シリカ板とアルミナ板、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。これによって、回路に流れる電流の大きさを小さくし、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

第９の発明は、特に、第１〜第４の発明のいずれか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る。すなわち、動作温度を低く設定することができるため、電源の入り切りによる熱衝撃を小さく抑えることができる。これによって、回路に流れる電流の大きさを小さくし、回路の通電部の発熱を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している。

図において、電極膜１は複数個の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。これらの金属の焼成体は高温酸化雰囲気中で安定である。したがって、酸素ポンプの高い動作温度でも十分な耐久性がある。そして、これらの電極膜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酸化物は輸率が高いため、最も有用である。すなわち、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、動作温度を低く設定することができるため、電源の入り切りによる熱衝撃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ている。

そして、酸素イオン導電性基板２は周縁が支持部材３で挟まれ支持されている。支持部材３には、絶縁性の材質が適当であるが、高温で使用することを考慮すると、ガラス等のシリカ板、アルミナ板やマイカ板が好ましい。シリカ板とアルミナ板、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。

また、各電極膜１はリード線４により直列に接続されている。１つの電極膜１に接合したリード線４は、酸素イオン導電性基板２に対して反対側の別の電極膜１に接合され、順次、各電極膜１とも接合されている。この場合、リード線４が通るための孔７が、酸素イオン導電性基板２に開けられている。リード線４の材質には、ニッケル線等を使用することができるが、電極膜１と接合用の金属ペーストの主成分を同じにする点から、金と銀、白金のいずれかが好ましい。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金属であることによって、熱膨張収縮を同程度にすることができ、また密着性も良くなる。したがって、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２の破壊を抑えることができる。なお、金、銀、白金の焼成体は高温酸化雰囲気中で安定である。このため、これらの金属を用いることで、酸素ポンプの高い動作温度でも十分な耐久性がある。

また、リード線４の接続部であるリード線接続部６は、電極膜１の中央近傍がより好ましい。リード線接続部６が電極膜１の中央近傍にあることにより、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。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変化することで、熱応力を小さく抑えることができる。したがって、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２の破壊を抑えることができる。

以上のように構成された複数の酸素イオン導電性基板２を有する酸素ポンプは、電源（図示せず）に対して直列接続である。

次に、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℃以上に加熱される。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、酸素イオン導電性基板２の一方の電極膜１側における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、リード線４の接続は隣の電極膜１と交互であるため、酸素分子が取り込まれる側、酸素分子が発生する側は酸素イオン導電性基板２によって分離されることになり、従来例の並列接続の場合と同等の能力を有することになる。一方、電流の大きさは、（表１）に示すように、並列接続の個数分の１だけ小さくなる。

したがって、太いリード線や特別に電気抵抗の小さいリード線を用いることなく、回路に流れる電流の大きさを小さくすることができ、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

（実施の形態２）
図２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と異なる部分は、支持部材３の一部が導電性を有した導電部材８であり、リード線４が導電部材８を介して接続されている点である。導電部材８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。

このとき、リード線４の接続は隣の電極膜１と交互であるため、酸素分子が取り込まれる側、酸素分子が発生する側は酸素イオン導電性基板２によって分離されることになり、従来例の並列接続の場合と同等の能力を有する。一方、電流の大きさは、実施の形態１と同様、並列接続の個数分の１だけ小さくなる。

したがって、太いリード線や特別に電気抵抗の小さいリード線を用いることなく、回路の通電部の発熱を抑えることができる。平面状に並んだ酸素イオン導電性基板２の片側からもう片側へ移動する酸素の移動量を減少させることなく、回路に流れる電流の大きさを小さくすることができる。

（実施の形態３）
図３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。

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、酸素イオン導電性基板２が２個であり、支持部材が導電性を有した導電性支持部材９である点である。導電性支持部材９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。

このとき、リード線４の接続は隣の電極膜１と交互であるため、酸素分子が取り込まれる側、酸素分子が発生する側は酸素イオン導電性基板２によって分離されることになり、従来例の並列接続の場合と同等の能力を有する。一方、電流の大きさは、２分の１だけ小さくなる。したがって、太いリード線や特別に電気抵抗の小さいリード線を用いることなく、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

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

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、１個の酸素イオン導電性基板２に電極膜１が複数個形成され、それぞれの電極膜１に対応して断熱材１０に埋め込まれたヒータ１１がそれぞれ配置されている点である。リード線４は酸素イオン導電性基板２に開けられた孔７を通って、回路が直列になるように接続されている。

以上のように構成された酸素ポンプについては、個別のヒータ１１によって酸素イオン導電性基板２が６５０℃以上に加熱される。しかし、リード線４が酸素イオン導電性基板２を通る孔７は十分に加熱されない。そして、電圧も直接に印可されないため、導電性は小さいものである。

本実施の形態では、酸素イオン導電性基板２としてランタンガレートを用いているため輸率がほぼ１となって、さらに導電性は小さくなる。したがって、リード線４と酸素イオン導電性基板２との短絡を考慮しなくても良くなる。

このとき、リード線４の接続は隣の電極膜１と交互であるため、酸素分子が取り込まれる側、酸素分子が発生する側は酸素イオン導電性基板２によって分離されることになり、従来例の並列接続の場合と同等の能力を有する。一方、電流の大きさは、実施の形態１と同様、並列接続の個数分の１だけ小さくなる。

したがって、太いリード線や特別に電気抵抗の小さいリード線を用いることなく、回路に流れる電流の大きさを小さくすることができ、回路の通電部の発熱を抑えることができる。

なお、上記各実施の形態１〜４における構成は、必要に応じて適宜組み合わせることができるものであり、各実施の形態そのものに限られるものではない。

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、回路の低電流化が可能となるので、家庭用の電化製品として利用できる。このような電化製品として、例えば酸素富化器や酸素吸引器、またはそれらが機能の一部として組み込まれた製品があげられる。

（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 （ａ）本発明の実施の形態２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 （ａ）本発明の実施の形態３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４における酸素ポンプの断面図 従来例における酸素ポンプの平面図

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 リード線
６ リード線接続部
８ 導電部材
９ 導電性支持部材
１１ ヒータ

Claims (9)

1. 表裏両面に電極膜を形成した複数個の酸素イオン導電性基板と、前記電極膜に接続したリード線と、前記酸素イオン導電性基板を支持する支持部材とを備え、前記各電極膜が直列に接続された酸素ポンプ。
2. 支持部材の一部が導電性を有した導電部材であり、前記導電部材にリード線の一端が接続された請求項１に記載の酸素ポンプ。
3. 酸素イオン導電性基板が２個であり、かつ支持部材が導電性を有した導電性支持部材である請求項１に記載の酸素ポンプ。
4. 表裏両面に複数組の電極膜を形成した酸素イオン導電性基板と、前記電極膜に接続したリード線と、前記電極膜の組数と同数のヒータとを備え、前記各電極膜が直列に接続された酸素ポンプ。
5. リード線接続部が電極膜の中央近傍にある請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
6. 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金属である請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
7. 金属が、金と、銀と、白金との少なくとも１つである請求項６に記載の酸素ポンプ。
8. 支持部材の材質が、シリカと、アルミナと、マイカとの少なくとも１つである請求項１、２または４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
9. 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１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。

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