JP2006021955A - Oxygen concentrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空気中の酸素を濃縮して高濃度酸素を供給する酸素濃縮装置に関するものである。 The present invention relates to an oxygen concentrating device that concentrates oxygen in air and supplies high-concentration oxygen.
従来、空気から酸素を分離する手段として、酸素透過膜を用いて物理的に振るい分ける方法があった(例えば特許文献1参照)。また、電気化学的に酸素イオンのみを移動させて分離する方法もあり、前記方法ではイオン導電性と電子導電性を併せ持つ混合導電体を用いていた(例えば特許文献2参照)。混合導電体は、外部回路がなくても酸素分圧差を駆動力として酸素を透過させるものである。また、混合導電体の温度を上昇させるために、電極膜間に電圧を印可する方式のものもあった(例えば特許文献3参照)。
しかしながら、酸素透過膜を用いた方法では真空ポンプが必要であり、その騒音と重量、全体の容積が大きくなる点で使い勝手が悪いものであった。さらに分離できる酸素濃度は30〜40%と限界があった。一方、混合導電体を用いた電気化学的な方法では、静音でコンパクトな構成が可能であり、さらに発生する酸素濃度が100%であるという利点はあるものの、装置使用時の高濃度酸素の供給量は少量であるという課題があった。 However, the method using an oxygen permeable membrane requires a vacuum pump, which is inconvenient in terms of noise, weight, and overall volume. Further, the oxygen concentration that can be separated was limited to 30 to 40%. On the other hand, the electrochemical method using a mixed conductor can provide a quiet and compact structure, and has the advantage that the generated oxygen concentration is 100%, but it can supply high concentration oxygen when the apparatus is used. There was a problem that the amount was small.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高濃度酸素の供給量を増加させた酸素濃縮装置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 of the present invention is to provide an oxygen concentrator with an increased supply amount of high-concentration oxygen.
前記従来の課題を解決するために、酸素イオンのみの導電性が高い固体電解質を用いて安定した大電流を流し、発生酸素を外気と混合させる手段を備えたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a solid electrolyte having high conductivity only of oxygen ions is used to supply a stable large current to mix generated oxygen with the outside air.
これによって、大電流に比例した多量の酸素と外気を混合させることにより、大気に比べ濃縮した高濃度酸素を大量に供給することができる。 Thus, a large amount of high-concentration oxygen concentrated compared to the atmosphere can be supplied by mixing a large amount of oxygen proportional to a large current and the outside air.
本発明の酸素濃縮装置は、大気に比べ濃縮した高濃度酸素を大量に供給することができる。 The oxygen concentrator of the present invention can supply a large amount of high-concentration oxygen concentrated compared to the atmosphere.
第1の発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面に電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子を加熱するヒータと、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する電源と、前記ヒータと酸素ポンプとを収納する筐体と、前記筐体の内側に位置し前記酸素ポンプ素子の外側に設けられた断熱材と、前記筐体に設けられた外気を取り込む流入口と、前記酸素ポンプ素子より発生した酸素と前記流入口から取り込んだ外気とを混合させる混合手段を備えたものである。酸素イオン導電性の輸率がほぼ1である固体電解質を加熱し、電圧を常時印可することによって、電流に比例した酸素が発生する。つまり、大電流を流せば多量の酸素を発生させることが可能となる。そして発生した酸素と外気とを混合させることにより、30〜40%の高濃度酸素の供給量を増加させることができる。 The first invention includes an oxygen pump element having electrode films formed on both surfaces of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, a heater for heating the oxygen pump element, a power source for applying a voltage to the oxygen pump element, A housing that houses the heater and the oxygen pump; a heat insulating material that is located inside the housing and provided outside the oxygen pump element; and an inlet that takes in outside air provided in the housing; Mixing means for mixing oxygen generated from the oxygen pump element and the outside air taken in from the inflow port is provided. Oxygen proportional to the current is generated by heating a solid electrolyte having an oxygen ion conductivity number of about 1 and applying a voltage at all times. That is, a large amount of oxygen can be generated when a large current is passed. And the supply amount of 30-40% high concentration oxygen can be increased by mixing the produced | generated oxygen and external air.
第2の発明は、特に、第1の発明の酸素濃縮装置のヒータを酸素ポンプ素子に挟んで配置したものである。これによって加熱ヒータのエネルギー損失を抑えることができる。さらに動作中では、酸素ポンプ素子自体も発熱するため、互いの発熱エネルギーを得ることができ、酸素イオン導電性を高めることができる。つまり、多量の酸素を発生させることが可能となる。そして発生した酸素と外気とを混合させることにより、30〜40%の高濃度酸素の供給量を増加させることができる。 In the second invention, in particular, the heater of the oxygen concentrator according to the first invention is arranged with the oxygen pump element interposed therebetween. Thereby, the energy loss of the heater can be suppressed. Furthermore, during operation, the oxygen pump element itself also generates heat, so that mutual heat generation energy can be obtained and oxygen ion conductivity can be enhanced. That is, a large amount of oxygen can be generated. And the supply amount of 30-40% high concentration oxygen can be increased by mixing the produced | generated oxygen and external air.
第3の発明は、特に、第1の発明の混合手段としてファンを使用したものである。これにより流入管から外気を流入させて発生した酸素と混合させることができ、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。 In particular, the third invention uses a fan as the mixing means of the first invention. Thereby, it can be made to mix with the oxygen which generate | occur | produced by flowing in external air from an inflow pipe, and the supply amount of high concentration oxygen can be increased.
第4の発明は、特に、第3の発明のファンの回転数を変化させることができるものである。ファンの回転数を変化させることで流入する外気の量を調節することができ、これにより、酸素濃度を変化させることができる。そして酸素ポンプ素子の通電量を上げ、ファンの回転数を上げることで、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。 The fourth aspect of the invention is particularly capable of changing the rotational speed of the fan of the third aspect of the invention. The amount of outside air flowing in can be adjusted by changing the rotational speed of the fan, whereby the oxygen concentration can be changed. By increasing the energization amount of the oxygen pump element and increasing the rotational speed of the fan, the supply amount of high concentration oxygen can be increased.
第5の発明は、外気を加熱する加熱手段を備えたものである。これにより、流入する外気によって酸素ポンプ素子が冷却されるのを防ぐことができる。すなわち、酸素ポンプ素子を高温に維持することができるため、安定した酸素発生量を確保でき、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。 5th invention is equipped with the heating means which heats external air. Thereby, it can prevent that an oxygen pump element is cooled with the external air which flows in. That is, since the oxygen pump element can be maintained at a high temperature, a stable oxygen generation amount can be secured and the supply amount of high concentration oxygen can be increased.
第6の発明は、特に、外気を取り込む流入口を形成する流入管は、筐体の外周部に密着して形成されたものである。筐体は高温となっているため、この熱を利用して流入する外気を温めることができ、ヒータ等の装置を必要としない。 In the sixth aspect of the invention, in particular, the inflow pipe that forms the inflow port for taking in outside air is formed in close contact with the outer peripheral portion of the casing. Since the housing is at a high temperature, the outside air flowing in can be warmed using this heat, and a device such as a heater is not required.
第7の発明は、特に、流入管は、発生した酸素を流出させる流出管と接して設けられたものである。これにより、外気の流入空気を流出空気によって加熱することができ、それと同時に流出空気を冷却することができる。 In the seventh aspect of the invention, in particular, the inflow pipe is provided in contact with the outflow pipe through which the generated oxygen flows out. Thereby, the inflow air of outside air can be heated by the outflow air, and at the same time, the outflow air can be cooled.
第8の発明は、固体電解質の材料がランタンガレート系の金属酸化物である。ランタンガレートは輸率がほぼ1.0の高酸素イオン導電体であり、印加電圧の損失が少ないものである。したがって、大電流を流すことで、それに見合った多量な酸素を発生させることができる。そして発生した酸素と外気とを混合させることにより、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。 In the eighth invention, the solid electrolyte material is a lanthanum gallate metal oxide. Lanthanum gallate is a high oxygen ion conductor having a transport number of approximately 1.0 and has little loss of applied voltage. Therefore, by supplying a large current, a large amount of oxygen corresponding to the large current can be generated. By mixing the generated oxygen and the outside air, the supply amount of high concentration oxygen can be increased.
以下、本発明の形態について、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1(a)は本発明の第1の実施の形態における酸素濃縮装置の斜視図であり、図1(b)は図1(a)の断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a perspective view of an oxygen concentrator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of FIG.
酸素イオン導電性の固体電解質1の両面に電極膜2a、2bを形成させて酸素ポンプ素子が構成される。固体電解質1は、酸素イオン導電性を有する金属酸化物であり、イットリア安定化ジルコニア等の汎用的な固体電解質でも良いが、ランタンとガリウムを組成に持つランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物がより好ましい。特に輸率がほぼ1.0となるよう他の金属を添加したものが好ましい。本実施の形態ではストロンチウムとマグネシウムを添加して焼結させたランタンガレートを、直径30mm、厚み0.2mmに加工して用いる。
電極膜2a、2bには、白金や銀などの貴金属、サマリウムとコバルトから成る金属酸化物などを用いる。これら電極膜は、スクリーン印刷による塗布や蒸着、スパッタリングによって形成する。本実施の形態では、サマリウムとコバルトを組成とした電極膜を、スクリーン印刷によって10〜20μmの厚みで成形した。
For the
そして、ステンレス線をマイカ枠に巻いたヒータ3を挟むように、酸素ポンプ素子が2個配置されている。また、酸素ポンプ素子の周りには、断熱材4によって覆われている。ここで断熱材4は、シリカの粉末を充填して形成された多孔体で、通気性と断熱性を併せ持つものである。断熱材の厚みは100〜120mmとした。
Two oxygen pump elements are arranged so as to sandwich the
また、酸素ポンプ素子とヒータ3、断熱材4を収納したステンレス製の筐体Aには、外気を取り込む流入管5と高濃度酸素を排出する流出管6が設けられ、流出管6にはファン7を備えた混合手段8が接続されている。本実施の形態では混合手段7は流出管6に接続されているが、流入管5と接続していても良い。またファン7は、静圧力の高い遠心ファンあるいはブロアータイプのファンが好ましいが、小型ポンプでも良い。また、筐体Aには複数の外気を取り込む流入管5(或いは流入口)を設けても良い。
A stainless steel housing A containing the oxygen pump element, the
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用を説明する。まず、ヒータ3に通電することにより、酸素ポンプ素子を600℃以上に加熱する。そして、電極膜2aをアノード電極、電極膜2bをカソード電極として、電源B1,B2によって直流電圧を印加すると、カソ−ド電極側の外部空間の酸素分子は、カソ−ド電極から酸素イオンとして固体電解質1に取り込まれて、アノ−ド電極まで移動する。アノ−ド電極に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノ−ド電極側の内部空間に排出される。次に、ファンを動作させることによって流入管5より酸素濃度20%の外気が流入し、装置内部で酸素濃度100%と混合することによって、酸素濃度30〜40%の高濃度酸素を数100ml得ることができる。
The operation and action of the oxygen concentrator configured as described above will be described. First, the oxygen pump element is heated to 600 ° C. or higher by energizing the
以上のような構成で、電極膜の平方センチ当たりの電流量を0.8アンペアとすることができ、毎分当たりの酸素濃度30%の混合空気を250ml供給することができる。これは、酸素濃度100%の発生量30mlの8倍以上の供給量である。 With the configuration as described above, the amount of current per square centimeter of the electrode film can be 0.8 amperes, and 250 ml of mixed air with an oxygen concentration of 30% per minute can be supplied. This is a supply amount that is 8 times or more the generation amount of 30 ml with an oxygen concentration of 100%.
(実施の形態2)
図2(a)は本発明の第2の実施の形態における酸素濃縮装置の斜視図であり、図2(b)は図2(a)の加熱手段9の断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 2A is a perspective view of an oxygen concentrator according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the heating means 9 of FIG.
本実施の形態では、特に、流入管5に加熱手段9が接続され、内部に断熱材10に埋め込まれたヒータ11を備えている。
In this embodiment, in particular, a heating means 9 is connected to the
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用は実施の形態1と同様であるが、以上のような構成で、電極膜の平方センチ当たりの電流量を1.2アンペアとすることができ、毎分当たりの酸素濃度30%の混合空気を350ml以上供給することができる。 The operation and action of the oxygen concentrator configured as described above are the same as those in the first embodiment, but with the above configuration, the amount of current per square centimeter of the electrode film can be 1.2 amperes. It is possible to supply 350 ml or more of mixed air having an oxygen concentration of 30% per minute.
(実施の形態3)
図3(a)は本発明の第3の実施の形態における酸素濃縮装置の斜視図であり、図3(b)は図3(a)の酸素濃縮装置の筐体の断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 3A is a perspective view of an oxygen concentrator according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view of a casing of the oxygen concentrator in FIG.
本実施の形態では、特に、外気を取り込む流入口を形成する流入管5は、筐体Aの外周部に密着して形成されている。さらに、流入管5が筐体Aと流出管6に接した構成となっている。流入管5内に流入した外気が筐体Aから発生する熱により暖められるため、電極膜の平方センチ当たりの電流量を0.8アンペアとするための消費電力を約5%減少させることができ、毎分当たりの酸素濃度30%の混合空気を250ml以上供給することができる。なお、以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用は実施の形態1と同様である。
In the present embodiment, in particular, the
以上のように、本発明にかかる酸素濃縮装置は、大流量の高濃度酸素を供給することができるため、吸入用高濃度酸素の応用製品として利用できる。このような電化製品として、例えばエアコン、空器清浄器、送風機、酸素吸入器、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 concentrator according to the present invention can supply high-concentration oxygen at a large flow rate, and therefore can be used as an application product of high-concentration oxygen for inhalation. Examples of such an electric appliance include an air conditioner, an air cleaner, a blower, an oxygen inhaler, or a product in which they are incorporated as a part of a function.
1 固体電解質
2a、2b 電極膜
3 ヒータ
4 断熱材
7 ファン
8 混合手段
9 加熱手段
A 筺体
B1、B2 電源
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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