JP2005298849A - Oxygen pumps - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学的に酸素イオンを移動させることにより、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。 The present invention relates to an oxygen pump that exhausts oxygen from one space or enriches oxygen into one space by electrochemically moving oxygen ions.
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、同じ極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)。 Conventionally, this type of oxygen pump, when using a plurality of oxygen ion conductive substrates at the same time, electrically connects the electrode films on the same electrode side with lead wires or the like, and applies a power supply voltage in parallel. (For example, see Patent Document 1).
図1は、特許文献1に記載されている内容と同等な従来の酸素ポンプの平面図である。図1に示すように、電極膜1が形成された16枚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。配線5からはリード線4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)からも同様な構成でリード線4が引き出され、電源のもう一方の極に接続されている。すなわち、16枚の酸素イオン導電性基板は、電気的に並列接続されたものである。
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、各リード線に流れる電流の個数倍の高電流が流れることになる。したがって、リード線やリード線接続部、スイッチ部などの電源回路が発熱し、エネルギー損失の原因となっていた。さらに、例えば家庭での実使用を目的とした場合、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って高コストになるという課題もあった。 However, in the conventional configuration, since a plurality of oxygen ion conductive substrates are connected in parallel, a high current that is several times the current flowing in each lead wire flows through the lead wire in which each lead wire is gathered. It will be. Therefore, power circuits such as lead wires, lead wire connecting portions, and switch portions generate heat, causing energy loss. Furthermore, for the purpose of actual use at home, for example, a current of several tens of amperes than a voltage of several tens of volts has a problem that the configuration of the power supply circuit becomes complicated and the cost becomes high.
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。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a low current type oxygen pump.
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させた複数個の酸素イオン導電性基板を並列に接続したユニットを作り、そのユニットを直列に接続させたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the oxygen pump of the present invention creates a unit in which a plurality of oxygen ion conductive substrates having electrode films formed on both front and back surfaces are connected in parallel, and the units are connected in series. It is a thing.
これによって、平面状に並んだ酸素イオン導電性基板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、電源回路に流れる電流の大きさを小さくすることができる。 As a result, the magnitude of the current flowing through the power supply circuit can be reduced without reducing the amount of oxygen that moves from one side of the oxygen ion conductive substrates arranged in a plane to the other side.
本発明の構成の酸素ポンプによれば、酸素を移動させるために構成された回路の発熱を抑えることができるため、エネルギー損失を減少させることができる。 According to the oxygen pump of the configuration of the present invention, heat generation of a circuit configured to move oxygen can be suppressed, and thus energy loss can be reduced.
第1の発明は、表裏両面に電極膜が形成された複数個の酸素イオン導電性基板と、前記酸素イオン導電性基板が電気的に並列接続された複数個のユニットと、前記ユニットを支持する支持部材とを備え、前記ユニットが電気的に直列接続されたものである。これによって、酸素ポンプに接続された電源回路に流れる電流の大きさを小さくすることができ、発熱を抑え、エネルギー損失を減少させることができる。 The first invention supports a plurality of oxygen ion conductive substrates having electrode films formed on both front and back surfaces, a plurality of units in which the oxygen ion conductive substrates are electrically connected in parallel, and the units. A support member, and the units are electrically connected in series. As a result, the magnitude of the current flowing through the power supply circuit connected to the oxygen pump can be reduced, heat generation can be suppressed, and energy loss can be reduced.
第2の発明は、特に、第1の発明の酸素ポンプの支持部材の一部が導電性を有した導電部であり、ユニットと電気的に接続されたものである。これによって、第1発明の作用と効果が得られるだけでなく、導電部にリード線を代用させることで、リード線が通る孔を無くすことができ、発生させた酸素の逆流を防止することができる。また、導電部の面積をリード線の断面積より大きく取ることができるため、酸素ポンプ内の回路での発熱を減少させることができる。したがって、エネルギー損失を抑えることができる。 In the second invention, in particular, a part of the support member of the oxygen pump of the first invention is a conductive part having conductivity, and is electrically connected to the unit. As a result, not only the operation and effect of the first invention can be obtained, but also the substitution of the lead wire in the conductive portion can eliminate the hole through which the lead wire passes, and the backflow of the generated oxygen can be prevented. it can. Further, since the area of the conductive portion can be made larger than the cross-sectional area of the lead wire, heat generation in the circuit in the oxygen pump can be reduced. Therefore, energy loss can be suppressed.
第3の発明は、特に、第1の発明の電極膜間の接続法がリード線接続であり、リード線が電極膜の中央近傍から引き出されたものである。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に対称性よく変化することで、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、界面抵抗の上昇を抑えることができる。以上の構成によって、回路に流れる電流の大きさを小さくすることができ、回路通電部の発熱を抑えることができる。 In the third invention, in particular, the connection method between the electrode films of the first invention is lead wire connection, and the lead wire is drawn from the vicinity of the center of the electrode film. Heat is also conducted from the lead wire to the outside, and the temperature at the joining portion tends to decrease. Since the bonding site is near the center, the heat distribution on the electrode film changes radially from the center with good symmetry, so that the thermal stress can be kept small. Therefore, thermal strain on the oxygen ion conductive substrate can be alleviated, and breakage of the oxygen ion conductive substrate such as cracks and cracks and increase in interface resistance can be suppressed. With the above configuration, the magnitude of the current flowing in the circuit can be reduced, and the heat generation in the circuit energization unit can be suppressed.
第4の発明は、特に、第1の発明の並列接続法が、表裏両面に形成された電極膜の少なくとも一方の周縁に接続された導電性部材によるものである。これによって、複数個の電極膜の並列接続を一度に行うことができ簡便である。また、リード線の断面積より大きくすることができるため、酸素ポンプ内の回路での発熱を減少させることができる。したがって、無駄なエネルギー損失を抑えることができる。 In the fourth invention, in particular, the parallel connection method of the first invention is based on the conductive member connected to at least one peripheral edge of the electrode film formed on both the front and back surfaces. Thereby, a plurality of electrode films can be connected in parallel at a time, which is convenient. Moreover, since it can be made larger than the cross-sectional area of the lead wire, heat generation in the circuit in the oxygen pump can be reduced. Therefore, useless energy loss can be suppressed.
第5の発明は、特に、第4の発明の導電性部材の厚さが5〜50μmであり、材質が単一金属と合金の少なくとも一方であるものである。この厚みによって、導電性部材の面に平行な方向に熱応力が発生したときは、歪みによって応力を吸収できると同時に、実用的な物理的強度も確保することができる。また、単一金属や合金を使用することで、通電部の抵抗を小さくでき、発熱を減少させることができる。 In the fifth invention, in particular, the thickness of the conductive member of the fourth invention is 5 to 50 μm, and the material is at least one of a single metal and an alloy. With this thickness, when a thermal stress is generated in a direction parallel to the surface of the conductive member, the stress can be absorbed by the strain and a practical physical strength can be secured. In addition, by using a single metal or alloy, the resistance of the energizing portion can be reduced, and heat generation can be reduced.
第6の発明は、特に、第1発明の酸素イオン導電性基板の材質がランタンガレートである。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、消費電力を小さく抑えることができる。以上によって、エネルギー損失を抑えることができる。 In the sixth invention, in particular, the material of the oxygen ion conductive substrate of the first invention is lanthanum gallate. Lanthanum gallate is a perovskite metal oxide mainly composed of lanthanum and gallium, and has high oxygen ion conductivity. Therefore, a predetermined performance can be ensured even if the operating temperature of the oxygen pump is set low. That is, since the operating temperature can be set low, power consumption can be kept small. Thus, energy loss can be suppressed.
第7の発明は、特に、第1〜第4の発明の並列接続させるための金属ペーストの主成分が電極膜の主成分と同じ金属であるものである。同じ金属を主成分とすることで、異種金属間に発生する界面抵抗を減少させることができ、発熱を抑えることができる。以上の構成によって、エネルギー損失を小さく抑えることができる。 In the seventh invention, in particular, the main component of the metal paste for parallel connection of the first to fourth inventions is the same metal as the main component of the electrode film. By using the same metal as the main component, it is possible to reduce the interfacial resistance generated between different kinds of metals and to suppress heat generation. With the above configuration, energy loss can be reduced.
第8の発明は、特に、第6発明の金属が、金と銀、白金、パラジウムの少なくとも一つであるものである。これらの金属の焼成体は高い導電性を有しているだけでなく、高温雰囲気中で安定であるため、酸化による抵抗の上昇を抑えることができる。したがって、抵抗によって発生する発熱を小さくすることができ、エネルギー損失を抑えることができる。 In the eighth invention, in particular, the metal of the sixth invention is at least one of gold, silver, platinum, and palladium. These metal fired bodies not only have high conductivity, but are stable in a high-temperature atmosphere, so that an increase in resistance due to oxidation can be suppressed. Therefore, the heat generated by the resistance can be reduced and energy loss can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態について、図2〜5を参照しながら説明する。なお、この実施の形態では、4個の酸素イオン導電性基板によって1組のユニットが構成され、4組のユニットによって酸素ポンプが構成されているが、本発明はこれらの数に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a set of units is constituted by four oxygen ion conductive substrates, and an oxygen pump is constituted by the four sets of units. However, the present invention is limited to these numbers. is not.
(実施の形態1)
図2は、本発明の第1の実施の形態における酸素ポンプの平面図である。図2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の周縁部を2mm残す形で形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a plan view of the oxygen pump according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, the
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(SSCO)等の金属酸化物を用いる。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。本実施の形態での電極膜は、スクリーン印刷によって厚み5〜15μmとなるように金の薄膜が形成されている。
For the
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(LSGMO)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。本実施の形態では、直径30mm、厚み0.2mmのLSGMOを用いている。
A metal oxide such as zirconia or ceria is used for the oxygen ion
そして、酸素イオン導電性基板2は周縁を挟まれる形でユニット支持部材6に支持されている。ユニット支持部材6には、絶縁性の材質として、500℃以上の高温状態で使用するため、シリカやアルミナ等のセラミックスやマイカ等の珪酸塩鉱物がよい。本実施の形態では、電極形状とほぼ等しい孔を4箇所開けた汎用のシリカ−アルミナ板を使用する。
The oxygen ion
以上の基本部材を用いて、ユニット7が構成される。酸素イオン導電性基板2は、ユニット支持部材6により、スペーサ(図示せず)などを用いて挟まれ、固定されている。各電極膜は直径0.3mmの金のリード線4によって並列に接続されている。ここでリード線と電極膜を接着させる金属ペーストは、主成分が電極膜と同じ金属である金ペーストを用いる。
The
以上によって、等電位の配線5が裏と表に2箇所でき、その配線5から他のユニットまたは電源回路にリード線が2本引き出されることになる。そして、4組のユニット7が直列に接続されている。そのため、配線5から引き出されたリード線4は、支持部材8に対して反対側の別の配線5に接合されている。この場合、リード線4が通るための孔が必要であるが、本実施の形態では、孔を設けず、支持部材3を貫通した導電部8にリード線4が接続されている。
As described above, two
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。本実施の形態では、直径0.3mmの金線を使用した。
A nickel wire or the like can be used as the material of the
以上のように構成された酸素ポンプの動作、作用を説明する。まず、断熱材(図示せず)に覆われた4組のユニット7が、断熱材に埋め込まれたヒータ(図示せず)によって650℃以上に加熱される。その後、各ユニット7を直列に繋いだリード線4に電圧を印加すると、支持部材3の一方側の酸素が電極膜1でイオン化する。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る。このとき、配線5から引き出されたリード線4は隣のユニットと導電部8を介して交互に接続されているため、酸素分子が取り込まれる側、酸素分子が発生する側は支持部材3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、電源回路を流れる電流の大きさは(表1)に示すように従来例の4分の1となり、ユニットの組数が増えるに従って反比例して小さくなる。
The operation and action of the oxygen pump configured as described above will be described. First, four sets of
本実施の形態では、6.4Vの電圧を印加し、6.0Aの通電量で約90ccの酸素を得ることができた。同量の酸素を従来例によって得るためには、24.0Aが必要であり、電源回路部の抵抗が100℃近くまで上昇した。 In this embodiment, a voltage of 6.4 V was applied, and about 90 cc of oxygen could be obtained with a current supply of 6.0 A. In order to obtain the same amount of oxygen by the conventional example, 24.0 A was required, and the resistance of the power supply circuit portion increased to nearly 100 ° C.
以上、本実施例により、酸素発生量を減少させることなく、電源回路部の発熱を抑えることができ、エネルギー損失を抑えることができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress the heat generation of the power supply circuit unit and reduce the energy loss without reducing the oxygen generation amount.
(実施の形態2)
図3(a)は、本発明第2の実施の形態における酸素ポンプのユニット部の平面図であり、図3(b)は、図3(a)のA−A線における断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 3A is a plan view of a unit portion of the oxygen pump according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
実施の形態1と異なっている部分は、電極膜1とリード線4との接点であるリード線接続部9が、電極膜の中央近傍から引き出されている点である。酸素イオン導電性基板2が四角形であることも異なる点であるが、円形や多角形などの形状でもよい。
The difference from the first embodiment is that a lead
酸素ポンプの動作や作用は、実施の形態1と同様である。しかし、リード線接続部9が電極膜1の中央付近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対称性よく変化することで、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、リード接続部9との密着性を保持することができる。密着性が低下すると接触抵抗が大きくなり、無駄な発熱の原因となる。
The operation and action of the oxygen pump are the same as in the first embodiment. However, since the lead
以上、本実施例により、酸素発生量を減少させることなく、電源回路部の発熱、酸素ポンプの酸素イオン導電特性向上に直接影響しない発熱を抑えることができ、エネルギー損失を抑えることができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress the heat generation that does not directly affect the heat generation of the power supply circuit unit and the oxygen ion conductive characteristics of the oxygen pump without reducing the oxygen generation amount, and the energy loss can be suppressed.
(実施の形態3)
図4(a)は、本発明の第3の実施の形態における酸素ポンプのユニット部の平面図であり、図4(b)は、図4(a)のA−A線における断面図である。図4のユニットは並列接続されている。また、図5は、図4のユニットが4組直列に接続された酸素ポンプの平面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 4A is a plan view of a unit portion of an oxygen pump according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. . The units of FIG. 4 are connected in parallel. FIG. 5 is a plan view of an oxygen pump in which four units of FIG. 4 are connected in series.
実施の形態1と異なっている部分は、導電性を有したユニット支持部材6を使用することで、電極膜間の接続に使用していたリード線を無くし、工程を簡便にした点にある。
導電性のユニット支持部材6の材質としては、単一金属であるニッケル、チタン、金、白金等、合金である鉄クロム合金があるが、安価であり加工が容易である点で鉄クロム合金が好ましい。
The difference from the first embodiment is that by using the
The material of the conductive
また、導電性のユニット支持部材6の厚みは、5〜50μmである。この範囲の厚みは、熱応力が発生したとき、歪みによって応力を吸収できると同時に、実用的な物理的強度も確保することができる。また、通電部の抵抗を小さくでき、発熱を減少させることができる。本実施の形態では、厚さ10μmの鉄クロム合金を用いる。
Moreover, the thickness of the electroconductive
このようなユニットが、図5に示すように直列に接続されている。各ユニットを繋ぐリード線4は、導電部8と接続する必要はなく、一方の面上で直列に接続されている。
Such units are connected in series as shown in FIG. The
以上のように構成された酸素ポンプの動作や作用は、実施の形態1と同様である。しかし、導電性のユニット支持部材6によって各電極を接続している点、一方の面側でリード線4によって各ユニットを接続している点で、酸素ポンプの作製工程が簡便になる。また面積の広いユニット支持部材6を使用しているため、抵抗が小さく、発熱を抑えることができる。
The operation and action of the oxygen pump configured as described above are the same as those in the first embodiment. However, the manufacturing process of the oxygen pump is simplified in that each electrode is connected by the conductive
以上、本実施例により、酸素発生量を減少させることなく、電源回路部の発熱、酸素ポンプの酸素イオン導電特性向上に直接影響しない発熱を抑えることができ、エネルギー損失を抑えることができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to suppress heat generation that does not directly affect the heat generation of the power supply circuit unit and the oxygen ion conductive characteristics of the oxygen pump without reducing the oxygen generation amount, and energy loss can be suppressed.
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。 As described above, the oxygen pump according to the present invention can reduce the circuit current, and thus can be used as a household electric appliance. Examples of such an electric appliance include an oxygen enricher and an oxygen aspirator, or a product in which they are incorporated as a part of a function.
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 ユニット支持部材
7 ユニット
8 導電部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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JP2004112958A JP2005298849A (en) | 2004-04-07 | 2004-04-07 | Oxygen pumps |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2004112958A JP2005298849A (en) | 2004-04-07 | 2004-04-07 | Oxygen pumps |
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JP2004112958A Pending JP2005298849A (en) | 2004-04-07 | 2004-04-07 | Oxygen pumps |
Country Status (1)
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2004
- 2004-04-07 JP JP2004112958A patent/JP2005298849A/en active Pending
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