JP2005089816A - 酸素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】リード線の引き出し部からのガスリークを抑え、内部空間の気密性を向上させた酸素ポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】リード線４を酸素イオン導電性基板２に対して一方の側のみに引き出し他方を省略したものである。これによって、リード線４の引き出し部が酸素イオン導電性基板２に対して一方の側のみであるから、リード線４の引き出し部からのガスリークを抑えることができる。
【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、複数個の酸素イオン導電性基板からなる酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板の表裏両面に形成された電極膜のそれぞれからリード線が取り出されている（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では、リード線が酸素イオン導電性基板に対して表裏両面側から引き出されて外部電源と接続しているため、リード線の引き出し部からのガスリークがあり、内部空間の気密性が低下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、リード線の引き出し部からのガスリークを抑え、内部空間の気密性を向上させ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、リード線を酸素イオン導電性基板に対して一方の側のみに引き出し引き出し他方を省略したものである。

これによって、リード線の引き出し部が酸素イオン導電性基板に対して一方の側のみであるから、リード線の引き出し部からのガスリークを抑え、内部空間の気密性を向上させることができる。

本発明の酸素ポンプは、リード線の引き出し部からのガスリークを抑え、内部空間の気密性を向上させることができる。

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、前記電極膜の一方に接続したリード線と、前記電極膜の他方と電気的に接続した導電性支持部材と、前記導電性支持部材を支持する基体とを備え、前記リード線を酸素イオン導電性基板に対して一方の側のみに引き出した酸素ポンプとすることにより、リード線の引き出し部が酸素イオン導電性基板に対して一方の側のみであるから、リード線の引き出し部からのガスリークを抑え、内部空間の気密性を向上させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の電極膜から引き出されたリード線を、近接した導電性支持部材と電気的に接続し、回路全体として直列接続としたことにより、低電流化が可能となり、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。

第３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、前記電極膜と電気的に接続した導電性支持部材と、前記導電性支持部材を支持する基体とを備え、隣接した電極膜を前記導電性支持部材によって電気的に接続した酸素ポンプとすることにより、内部から外部へ取り出したリード線近辺からのガスリークを抑えることができ、簡便な構成によって酸素ポンプの内部の気密性を保持することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の酸素イオン導電性基板に対して一方側の電極膜に接続した導電性支持部材を、隣接したもう一方側の電極膜と接続し、回路全体として直列接続としたことにより、低電流化が可能となり、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。

第５の発明は、特に、第１または第２の発明のリード線接続部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、接続部位の温度は低下する傾向がある。接続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、熱歪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の熱による劣化を抑えることができる。

第６の発明は、特に、第１または第２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り、熱膨張収縮を同程度にすることができる。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、酸素イオン導電性基板の劣化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一つであることにより、これらの金属の焼成体は高温酸化雰囲気中で安定であり、酸素ポンプの高い動作温度でも十分な耐久性を得ることができる。

第８の発明は、特に、第１〜第４の発明の導電性支持部材がニッケルと鉄クロム合金の少なくとも一つであることにより、ニッケルや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劣化を容易に抑えることができる。

第９の発明は、特に、第８の発明における導電性支持部材の厚さが、５〜５０μｍであることにより、導電性支持部材の面に平行な方向に歪が発生したとき、導電性支持部材に生じる応力を小さくできると同時に、実用的な物理的強度も確保することができる。

第１０の発明は、特に、第１〜第４の発明における基体の材質が、シリカとアルミナとマイカと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、熱による酸素ポンプの劣化を抑えることができる。

第１１の発明は、特に、第１〜第４の発明の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ため、温度を低くすることができる。これによって、熱による酸素ポンプの劣化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すものである。

図において、電極膜１は複数の酸素イオン導電性基板２の表裏両面にそれぞれ形成されている。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ことができる。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。本実施の形態では、スクリーン印刷によって厚さ１０μｍの金を形成させた。

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、最も良い。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。なお、酸素イオン導電性基板２がランタンガレートであることにより、酸素イオン導電性が高く、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ため、温度を低くすることができる。これによって、熱による酸素ポンプの劣化を抑えることができる。

そして、一方側の電極膜１にはリード線４が金属ペーストの焼結体７によって接続されている。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と金属ペーストの焼結体７の主成分を同じにする点から、金、銀、白金のいずれかが好ましい。これは、これらの金属の焼成体は高温酸化雰囲気中で安定であり、酸素ポンプの高い動作温度でも十分な耐久性を得ることができるからである。

また、リード線４の接続部であるリード線接続部８は、電極膜１の中央近傍がより好ましい。これは、リード線４からは熱も外部へ伝導し、接続部位の温度は低下する傾向がある。接続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、熱歪を小さく抑えることができるからである。本実施の形態では、リード線４として直径０．２ｍｍの金線を４本束ねて使用した。

また、もう一方側の電極膜１には導電性支持部材９が金属ペーストによって接続されている。導電性支持部材９の材質は、鉄や銅など導電性がある部材であればよいが、ニッケルと鉄クロム合金のいずれかが好ましい。ニッケルや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からである。また、導電性支持部材９の厚みは、導電性支持部材９の面に平行な方向に歪が発生したとき、導電性支持部材９に生じる応力を小さくできると同時に、実用的な物理的強度も確保することができる５〜５０μｍが好ましい。本実施の形態では、厚み１０μｍの鉄クロム合金を用いている。

そして、導電性支持部材９は、ヒータ１０を内装している基体３によって支持されており、内部空間１１、１２を形成している。基体３の材質は、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、酸素ポンプの動作温度にも十分な耐久性がある、ガラス等のシリカ、アルミナ、マイカの少なくとも一つが好ましい。

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。

最初に、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１０によって６５０℃以上に加熱される。その後、リード線４と導電性支持部材９を介して外部電源（図示せず）より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と導電性支持部材９、基体３によって区切られた一方の内部空間１１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となり、他方の内部空間１２に移動する。このとき移動した酸素分子に見合う電流が回路に流れることになる。

このような作動を続けると、内部空間１１、１２のいずれか一方の酸素濃度が低下し、もう一方の酸素濃度が増加する（これは正極、負極の取り方によって決まる）。本実施の形態によれば、内部空間１１からはリード線４が取り出されていないので、簡便に内部空間１１を密閉することができ、内部空間１１の酸素濃度を保持できる。つまり、酸素濃度変化の効率の低下を抑えることができる。なお、リード線４の取り出す側を内部空間１１の側にすると内部空間１２に対して上記効果を得ることができる。

なお、上記説明では、酸素イオン導電性基板２が複数の場合を想定しているが、一つの場合であっても何ら問題なく適用することができる。

（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すものである。

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、電極膜１から引き出されたリード線４を隣接した導電性支持部材９と電気的に接続し、回路全体として直列接続となり、導電性支持部材９が隣接した導電性支持部材９と電気的に分かれている点である。

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、さらに、本実施の形態によれば、多数の酸素イオン導電性基板２を回路全体として直列接続としたことにより、低電流化が可能となり、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すものである。

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、それぞれの電極膜１がリード線ではなく、表裏両面において導電性支持部材９で接続し、一方の導電性支持部材９にリード線４が接続されている点である。

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、さらに、本実施の形態によれば、内部から外部へ取り出したリード線近辺からのガスリークを抑えることができ、簡便な構成によって酸素ポンプの内部の気密性を保持することができる。また、リード線４が電極膜１の一部分とではなく導電性支持部材９の外周と接続することによって、放熱によって発生する局部的な温度低下を防ぐことができ、温度斑による熱衝撃を小さくすることができる。また、複数の電極膜１を導電性支持部材９により同時に接続できるため、各電極膜１にリード線４を接続する手間を軽減することができる。なお、二枚の導電性支持部材９の間に絶縁材を挟むと信頼性の点で優れたものとなる。

（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示すものである。

本実施の形態において、実施の形態３と異なっている部分は、電極膜１の接続にリード線を用いず、導電性支持部材９を用いて、実施の形態２のように回路全体として直列接続としている点である。すなわち、酸素イオン導電性基板２に対して一方側の電極膜１に接続した導電性支持部材９を、隣接したもう一方側の電極膜１と接続し、回路全体として直列接続としたものである。

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２と同様であり、さらに、本実施の形態によれば、リード線を使用していないため、簡便な構成によって酸素ポンプの内部空間の気密性をさらに向上させることができる。

なお、各実施の形態１〜４に示した構成は、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、各実施の形態に限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、内部の気密性を保つことによって酸素濃度変化の効率の低下を抑えたものであるので、広範囲に利用できる。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内部構成を示す平面図（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内部構成を示す平面図（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内部構成を示す平面図（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線における断面図 （ａ）本発明の実施の形態４における酸素ポンプの内部構成を示す平面図（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線における断面図

符号の説明

１ 電極膜
２ 酸素イオン導電性基板
３ 基体
４ リード線
８ リード線接続部
９ 導電性支持部材

Claims (11)

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、前記電極膜の一方に接続したリード線と、前記電極膜の他方と電気的に接続した導電性支持部材と、前記導電性支持部材を支持する基体とを備え、前記リード線を酸素イオン導電性基板に対して一方の側のみに引き出した酸素ポンプ。
2. 電極膜から引き出されたリード線を、近接した導電性支持部材と電気的に接続し、回路全体として直列接続とした請求項１に記載の酸素ポンプ。
3. 表裏両面に電極膜を形成した酸素イオン導電性基板と、前記電極膜と電気的に接続した導電性支持部材と、前記導電性支持部材を支持する基体とを備え、隣接した電極膜を前記導電性支持部材によって電気的に接続した酸素ポンプ。
4. 酸素イオン導電性基板に対して一方側の電極膜に接続した導電性支持部材を、隣接したもう一方側の電極膜と接続し、回路全体として直列接続とした請求項３に記載の酸素ポンプ。
5. リード線接続部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。
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または２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一つである請求項６に記載の酸素ポンプ。
8. 導電性支持部材がニッケルと鉄クロム合金の少なくとも一つである請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
9. 導電性支持部材の厚さが、５〜５０μｍである請求項８に記載の酸素ポンプ。
10. 基体の材質が、シリカとアルミナとマイカとの少なくとも一つである請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
11. 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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