JP2006137638A - 酸素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】均一加熱と効率的な動作が可能な酸素ポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】酸素イオン導電性基板４の両面に電極膜５ａ、５ｂが形成された酸素ポンプ素子６と、耐熱性基板１１ａ、１１ｂ上に抵抗発熱体１２ａ、１２ｂが形成された加熱手段１０ａ、１０ｂと、前記電極膜５ａ、５ｂと電気的に接続された導電手段８と、前記酸素ポンプ素子６と前記加熱手段１０ａ、１０ｂを電気的に絶縁する通気性絶縁材９ａ、９ｂとで構成し、前記酸素ポンプ素子６の電極膜５ａ、５ｂと前記加熱手段１０ａ、１０ｂの抵抗発熱体１２ａ、１２ｂを相対する構成に配置することにより、抵抗発熱体１２ａ、１２ｂが酸素ポンプ素子６を均一加熱することが可能で、効率的な動作が可能となる。
【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素子は、酸素ポンプ素子を動作するに必要な所定温度に昇温維持するために電熱線などの抵抗発熱体を使った加熱手段を有している（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプを示すものである。図に示すように、酸素イオン導電性基板１には、電圧印加手段２と加熱手段である温度調整手段３が設けられた構成となっている。
特開平７−１７２８０３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、酸素イオン導電性基板１上で温度分布が小さい均一加熱が困難なこと、およびに熱ロスが大きく温度上昇に時間を要するなどエネルギー的に効率的な加熱が得にくい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のもので、均一加熱と効率的な動作が可能な酸素ポンプを提供することを目的としている。

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、酸素イオン導電性基板の両面に正負の電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の正負の電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対するように配置したものである。

これによって、電極膜と相対する加熱手段の抵抗発熱体で酸素イオン導電性基板の均一加熱が可能となり、効率的な動作が可能となる。

また、本発明の酸素ポンプは、加熱手段として、耐熱性基板上に抵抗発熱体と赤外線反射層が形成されたものである。

これによって、酸素イオン導電性基板の均一加熱と効率的な動作が可能となるとともに、赤外線反射層の作用により熱ロスを低減することができる。

本発明の酸素ポンプは、酸素ポンプ素子の均一加熱と効率的な動作が可能となるので、低消費電力の酸素ポンプの提供が可能となる。

第１の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に正負の電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の正負の電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対するように配置した酸素ポンプとすることにより、電極膜と相対する加熱手段の抵抗発熱体で酸素イオン導電性基板の均一加熱が可能となり、効率的な動作が可能となる。したがって、低消費電力の酸素ポンプの提供が可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、抵抗発熱体は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成されることにより、薄膜型の抵抗発熱体を構成し、速熱性の加熱手段とすることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、耐熱性基板は、絶縁性セラミックスで構成されることにより、熱劣化などの熱的影響が少ない加熱手段とすることが可能となる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明において、通気性絶縁材は、絶縁性酸化物の多孔質成型体であることにより、熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。

第５の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明において、通気性絶縁材は、絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構成としたことにより、熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。

第６の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に正負の電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体と赤外線反射層が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の正負の電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対するように配置した酸素ポンプとすることにより、抵抗発熱体が酸素ポンプ素子を均一加熱することが可能となり、かつ赤外線反射層が熱ロスの少ない効率的な加熱を可能とする。

第７の発明は、特に、第６の発明において、抵抗発熱体は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成されることにより、薄膜型の抵抗発熱体を構成し、速熱性の加熱手段とすることが可能となる。

第８の発明は、特に、第６または第７の発明において、赤外線反射層は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成されることにより、薄膜型の赤外線反射層で、輻射による熱ロスを抑制することが可能となる。

第９の発明は、特に、第６〜第８のいずれか１つの発明において、耐熱性基板は、絶縁性セラミックスで構成されることにより、熱劣化などの熱的影響が少ない加熱手段とすることが可能となる。

第１０の発明は、特に、第６〜第９のいずれか１つの発明において、通気性絶縁材は、絶縁性酸化物の多孔質成型体であることにより、熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。

第１１の発明は、特に、第６〜第９のいずれか１つの発明において、通気性絶縁材は、絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構成としたことにより、熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。

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。

図に示すように、酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板４の両面に電極膜５（正の電極膜５ｂ、負の電極膜５ａ）が形成された酸素ポンプ素子６と、耐熱性基板１１ａ、１１ｂ上に抵抗発熱体１２ａ、１２ｂが形成された加熱手段１０ａ、１０ｂと、前記電極膜５と電気的に接続された導電手段７と、酸素ポンプ素子６と導電手段７を介して接続した電圧印加手段８と、前記酸素ポンプ素子６と前記加熱手段１０ａ、１０ｂを電気的に絶縁する通気性絶縁材９ａ、９ｂとで構成し、前記酸素ポンプ素子６の正負の電極膜５ａ、５ｂと前記加熱手段１０ａ、１０ｂの抵抗発熱体１２ａ、１２ｂを相対するように配置している。また、加熱用電圧印加手段１４ａ、１４ｂは、導電手段１３ａ、１３ｂを介して抵抗発熱体１２ａ、１２ｂと接続されている。

前記酸素イオン導電性基板４は、置換型のランタンガレート（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３）の焼結体を任意の厚さ（例えば、約２００μｍ）の平板状に成型したものであり、その両面に電極膜５ａ、５ｂが形成され、酸素ポンプ素子６を構成している。なお、酸素イオン導電性基板４は、ランタンガレートに限るものではなく、イットリウムドープ型のジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムドープ型のセリア（ＳＤＣ）などであっても良い。

電極膜５には、導電性を有するペロブスカイト型複合酸化物を用いた。例えば、Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３を有機溶剤であるセルロース系ビヒクルと混合したペーストを、スクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥、焼成することにより多孔質な電極膜を形成した。

さらに、電極膜５ａおよび５ｂは、ペロブスカイト型複合酸化物を用いた多孔質な電極膜の表面に、導電性の高い金や白金のような金属の多孔質膜を形成した２層構造であってもよい。形成方法は、上記のような印刷でよい。導電手段７は、ＡｕやＰｔ、Ｎｉなどの金属線でよい。

通気性絶縁材９ａおよび９ｂは、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体あるいは、図示しないが、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体に通気用の貫通孔を設けたものでよい。

酸素ポンプ素子６は、負の電極膜５ａ側から正の電極膜５ｂ側へと酸素を移動させるので、通気性絶縁材９ａ、９ｂには十分な通気性が必要であるが、これに限定するものではなく、酸素ポンプ素子６に要求される特性にあうものを選択すればよい。

耐熱性基板１１ａおよび１１ｂは、アルミナやコーディエライトなど成型可能な熱劣化などの熱的影響が少ない絶縁性セラミックスで構成する。抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの熱ロスを抑制するために、機械的強度が確保される範囲で、できる限り薄板であることが好ましい。

抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂは、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成する。電極膜５ａおよび５ｂと同様の印刷法で、耐熱性基板１１の表面に薄膜型の発熱体を形成することができる。印刷法であれば、抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの厚さは、数μｍ程度にできるので、速熱性の加熱手段１０ａおよび１０ｂを得ることができる。

酸素ポンプ素子６と加熱手段１０ａおよび１０ｂは、通気性絶縁材９ａおよび９ｂを介して、酸素ポンプ素子６の電極膜５ａおよび５ｂと加熱手段１０ａおよび１０ｂの抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂを、それぞれ相対して配置する。

このときの酸素ポンプ素子６と加熱手段１０ａおよび１０ｂとの空間距離は、抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの輻射強度が距離の二乗に反比例することから、可能な限り短い方が好ましい。

以上のように構成された酸素ポンプ素子について、以下その動作、作用を説明する。

抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂは、加熱用電圧印加手段１４ａおよび１４ｂからの通電により温度上昇し、空間近傍に配置された酸素ポンプ素子６を、直接的に輻射加熱する。抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂと酸素ポンプ素子６の空間距離が近いので、酸素ポンプ素子６は、短時間で所定温度に昇温する。

輻射加熱により、所定温度に昇温した酸素ポンプ素子６に、電圧印加手段８によって正、負の電極膜５ａおよび５ｂ間に通電すると、負の電極膜５ａ側から正の電極膜５ｂ側に向かって酸素移動が進行する。このときの酸素は、通気性絶縁材９ａを介して周辺大気から供給される。これによって正の電極膜５ｂ表面には、酸素だけが輸送されることになる。

以上のように、本実施の形態では、抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂと酸素ポンプ素子６が、ほぼ等しい形態で相対しているので、従来の配線による熱ムラが発生しやすい電熱線加熱に比較して、優れた均一加熱が可能となる。これにより、酸素ポンプ素子６の効率的な動作が可能となる。

（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。実施の形態１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。

図に示すように、本実施の形態においては、加熱手段１０ａ、１０ｂは、耐熱性基板１１ａ、１１ｂと、抵抗発熱体１２ａ、１２ｂと、赤外線反射層１５ａ、１５ｂとで構成されている。赤外線反射層１５ａ、１５ｂは、それぞれ抵抗発熱体１２ａ、１２ｂとは反対側の耐熱性基板１１ａ、１１ｂ面に設けている。

赤外線反射層１５ａ、１５ｂは、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成する。電極膜５ａ、５ｂと同様の印刷法で、耐熱性基板１１ａ、１１ｂの表面に薄膜型の赤外線反射層１５ａ、１５ｂを形成することができる。印刷法であれば、赤外線反射層１５ａ、１５ｂの厚さは、数μｍ程度にできる。また、印刷法以外に、蒸着などの薄膜形成手段も適用可能である。

また、赤外線反射層１５ａ、１５ｂは、耐熱性基板１１ａ、１１ｂよりも赤外線反射率が高いことが必要である。換言すると、赤外線輻射率が低いことが必要である。これによって、加熱手段１０ａ、１０ｂからの輻射による熱ロスを抑制することができる。材料としては、上記のうち金が最も好ましい。

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。

抵抗発熱体１２ａ、１２ｂは、加熱用電圧印加手段１４ａ、１４ｂからの通電により温度上昇し、空間近傍に配置された酸素ポンプ素子６を直接的に輻射加熱する。抵抗発熱体１２ａ、１２ｂと酸素ポンプ素子６の空間距離が近いので、酸素ポンプ素子６は、短時間で所定温度に昇温する。

この時、抵抗発熱体１２ａ、１２ｂと反対側に配置された赤外線反射層１５ａ、１５ｂは、赤外線輻射率が低いので、抵抗発熱体１２ａ、１２ｂの発熱により昇温した耐熱性基板１１ａ、１１ｂの熱輻射による熱ロスを抑制し、酸素ポンプ素子６の加熱に有効に作用する。

輻射加熱により、所定温度に昇温した酸素ポンプ素子６に、電圧印加手段８によって正負の電極膜５ａ、５ｂ間に通電すると、負の電極膜５ａ側から正の電極膜５ｂ側に向かって酸素移動が進行する。このときの酸素は、通気性絶縁材９ａを介して、周辺大気から供給される。これによって正の電極膜５ｂ表面には、酸素だけが輸送されることになる。

以上のように、本実施の形態では、赤外線反射層１５ａおよび１５ｂが、熱ロスを抑制するので、酸素ポンプ素子６の熱的な効率動作を可能となる。

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、酸素ポンプ素子の均一加熱と効率的な動作が可能となるので、低消費電力の酸素ポンプの提供が可能となり、酸素を利用する空気清浄機や空調機器あるいは健康促進機器、健康増進機器、医療機器など広範な用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における酸素ポンプの概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態２における酸素ポンプの概略構成を示す断面図 従来の酸素ポンプを示す断面図

符号の説明

４ 酸素イオン導電性基板
５ 電極膜
６ 酸素ポンプ素子
７ 導電手段
９ａ、９ｂ 通気性絶縁材
１０ａ、１０ｂ 加熱手段
１１ａ、１１ｂ 耐熱性基板
１２ａ、１２ｂ 抵抗発熱体
１５ａ、１５ｂ 赤外線反射層

Claims (11)

1. 酸素イオン導電性基板の両面に正負の電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の正負の電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対するように配置した酸素ポンプ。
2. 抵抗発熱体は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成される請求項１に記載の酸素ポンプ。
3. 耐熱性基板は、絶縁性セラミックスで構成される請求項１または２に記載の酸素ポンプ。
4. 通気性絶縁材は、絶縁性酸化物の多孔質成型体である請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
5. 通気性絶縁材は、絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構成とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
6. 酸素イオン導電性基板の両面に正負の電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体と赤外線反射層が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の正負の電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対するように配置した酸素ポンプ。
7. 抵抗発熱体は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成される請求項６に記載の酸素ポンプ。
8. 赤外線反射層は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成される請求項６または７に記載の酸素ポンプ。
9. 耐熱性基板は、絶縁性セラミックスで構成される請求６〜８のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
10. 通気性絶縁材は、絶縁性酸化物の多孔質成型体である請求項６〜９のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
11. 通気性絶縁材は、絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構成とした請求項６〜９のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。

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