JP2006218362A - Oxygen pump - 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酸素ポンプに関するものである。 The present invention relates to an oxygen pump that moves oxygen ions electrochemically.
従来、この種の酸素ポンプは、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)。 Conventionally, this type of oxygen pump has a heating means using a resistance heating element such as a heating wire in order to maintain the temperature at a predetermined temperature required for operating the oxygen pump element (for example, Patent Document 1). reference).
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3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。
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上で均一加熱が困難なこと、なら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。 However, the conventional configuration has problems that uniform heating is difficult on the oxygen ion conductive substrate, and that energy efficient heating is difficult to obtain such as a large heat loss and time required for temperature rise. It was.
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、均一かつ高効率な加熱が可能で、さらに熱ロスの少ない酸素ポンプを提供することを目的としている。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an oxygen pump that can perform uniform and high-efficiency heating and that further reduces heat loss.
前記従来の課題を解決するために、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に赤外線輻射層が積層された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を有し、前記加熱手段により前記酸素イオン導電性基板を加熱する酸素ポンプとするものである。 In order to solve the above-described conventional problems, an oxygen pump element in which positive and negative electrode films are formed on both surfaces of an oxygen ion conductive substrate, and a heating in which a resistance heating element in which an infrared radiation layer is laminated on a heat resistant substrate are formed. Means, electrically conductive means electrically connected to the electrode film, and a breathable insulating material that electrically insulates the oxygen pump element and the heating means, and the oxygen ion conductive substrate is formed by the heating means. Is an oxygen pump for heating.
これによって、酸素イオン導電性基板の均一かつ高効率な加熱が可能となる。 As a result, the oxygen ion conductive substrate can be heated uniformly and efficiently.
また、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に赤外線輻射層が積層された抵抗発熱体と赤外線反射層で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を有し、前記加熱手段により前記酸素イオン導電性基板を加熱する酸素ポンプとするものである。 Further, an oxygen pump element in which positive and negative electrode films are formed on both surfaces of an oxygen ion conductive substrate, a resistance heating element in which an infrared radiation layer is laminated on a heat resistant substrate, and a heating means formed by an infrared reflection layer, Oxygen having electrically conductive means electrically connected to the electrode film, and a breathable insulating material that electrically insulates the oxygen pump element and the heating means, and heats the oxygen ion conductive substrate by the heating means It is a pump.
これによって、酸素イオン導電性基板の均一かつ高効率な加熱が可能となり、赤外線反射層により熱ロスが低減される。 As a result, the oxygen ion conductive substrate can be heated uniformly and efficiently, and heat loss is reduced by the infrared reflective layer.
本発明の酸素ポンプは、酸素ポンプ素子の均一かつ高効率な加熱が可能で、さらに熱ロスが低減できるので、消費電力の少ない酸素ポンプ素子の提供が可能となる。 In the oxygen pump of the present invention, the oxygen pump element can be heated uniformly and efficiently, and further, heat loss can be reduced, so that an oxygen pump element with low power consumption can be provided.
第1の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に赤外線輻射層が積層された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を有し、前記酸素ポンプ素子の正負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置することにより、抵抗発熱体が酸素ポンプ素子の均一加熱を可能とし、赤外線輻射層は抵抗発熱体からの熱輻射量を増大させ、高効率加熱を可能とする。 The first invention includes an oxygen pump element in which positive and negative electrode films are formed on both surfaces of an oxygen ion conductive substrate, a heating unit in which a resistance heating element in which an infrared radiation layer is laminated on a heat resistant substrate, Conductive means electrically connected to the electrode film, and a breathable insulating material that electrically insulates the oxygen pump element and the heating means, and positive and negative electrode films of the oxygen pump element and resistance of the heating means By disposing the heating elements in the opposite configuration, the resistance heating element can uniformly heat the oxygen pump element, and the infrared radiation layer increases the amount of heat radiation from the resistance heating element, thereby enabling high-efficiency heating.
第2の発明は、特に、抵抗発熱体を白金、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。 According to the second invention, in particular, the resistance heating element is composed of at least one of platinum, gold, silver, palladium, and rhodium, so that a thin film type resistance heating element is configured as a rapid heating means. Can do.
第3の発明は、特に、赤外線輻射層を金属酸化物および耐熱性結合剤で構成することにより、赤外線輻射率が高い輻射層が得られ、高効率の輻射加熱が可能な加熱手段とすることができる。 According to a third aspect of the present invention, in particular, the infrared radiation layer is made of a metal oxide and a heat-resistant binder, whereby a radiation layer having a high infrared radiation rate is obtained, and a heating means capable of highly efficient radiation heating is provided. Can do.
第4の発明は、特に、耐熱性基板を絶縁性セラミックスで構成し、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。 According to the fourth aspect of the invention, in particular, the heat-resistant substrate is made of insulating ceramics, and it is possible to provide a heating means that has little thermal influence such as thermal deterioration.
第5の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体とす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。 In the fifth aspect of the invention, in particular, a breathable insulating material with less thermal influence such as thermal deterioration can be obtained by using a porous molded body of an insulating oxide such as silica or alumina as the breathable insulating material.
第6の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの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造とす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。 In particular, the sixth invention is a molded body made of an insulating oxide such as silica or alumina as the breathable insulating material, and has a structure having a through hole for ventilation in the molded body. A gas-permeable insulating material with a small amount can be obtained.
第7の発明は、特に、酸素イオン導電性基板の両面に正負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を有し、前記酸素ポンプ素子の正負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置することにより、抵抗発熱体が酸素ポンプ素子を均一かつ高効率に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。 The seventh invention particularly relates to an oxygen pump element in which positive and negative electrode films are formed on both surfaces of an oxygen ion conductive substrate, a heating means in which a resistance heating element and an infrared reflective layer are formed on a heat resistant substrate, and the electrode Conductive means electrically connected to the membrane, and a breathable insulating material that electrically insulates the oxygen pump element and the heating means, and the resistance heat generation of the positive and negative electrode films of the oxygen pump element and the heating means By disposing the bodies in opposition, the resistance heating element can heat the oxygen pump element uniformly and with high efficiency, and the infrared reflection layer enables efficient heating with little heat loss.
第8の発明は、特に、抵抗発熱体を白金、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。 In the eighth invention, in particular, the resistance heating element is composed of at least one of platinum, gold, silver, palladium, and rhodium, so that a thin film type resistance heating element is configured as a rapid heating means. Is possible.
第9の発明は、特に、赤外線輻射層を金属酸化物および耐熱性結合剤で構成することにより、赤外線輻射率が高い輻射層が得られ、高効率の輻射加熱が可能な加熱手段とすることができる。 The ninth aspect of the present invention is a heating means capable of obtaining a radiation layer with a high infrared radiation rate and capable of high-efficiency radiation heating, in particular, by configuring the infrared radiation layer with a metal oxide and a heat-resistant binder. Can do.
第10の発明は、特に、赤外線反射層を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも1種以上で構成することにより、薄膜型の赤外線反射層を構成し、輻射による熱ロスを抑制することが可能となる。 In the tenth aspect of the invention, in particular, the infrared reflective layer is made of at least one of platinum, gold, silver, palladium, and rhodium, thereby forming a thin-film infrared reflective layer and suppressing heat loss due to radiation. Is possible.
第11の発明は、特に、耐熱性基板を絶縁性セラミックスで構成し、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。 In the eleventh aspect of the invention, in particular, the heat-resistant substrate is made of insulating ceramics, and it becomes possible to provide a heating means with little thermal influence such as thermal deterioration.
第12の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体とす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。 In the twelfth aspect of the invention, in particular, a breathable insulating material with less thermal influence such as thermal deterioration can be obtained by using a porous molded body of an insulating oxide such as silica or alumina as the breathable insulating material.
第13の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの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造とす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。 In the thirteenth invention, in particular, the breathable insulating material is a molded body of an insulating oxide such as silica or alumina, and the molded body has a structure having a through-hole for ventilation. A gas-permeable insulating material with a small amount can be obtained.
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。 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は、本発明の第1の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an oxygen pump according to the first embodiment of the present invention.
図1において、酸素イオン導電性基板4は置換型のランタンガレート(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)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および5bが形成され、酸素ポンプ素子6を構成している。
In FIG. 1, an oxygen ion
酸素ポンプ素子6は、導電手段7を介して、電圧印加手段8と接続されている。酸素ポンプ素子6には、通気性絶縁材9aおよび9bと加熱手段10aおよび10bが積層されている。加熱手段10aおよび10bは、耐熱性基板11aおよび11bと抵抗発熱体12aおよび12bとで構成されている。抵抗発熱体12aおよび12bは、導電手段13aおよび13bを介して、加熱用電圧印加手段14aおよび14bと接続されている。
The
抵抗発熱体12aおよび12bの表面には、それぞれ赤外線輻射層16aおよび16bが積層されている。
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。
The oxygen ion
電極膜には、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、Sm0.5Sr0.5CoO3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。 A perovskite complex oxide having conductivity was used for the electrode film. For example, a paste obtained by mixing Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 with a cellulosic vehicle that is an organic solvent was used to form a printed film by screen printing, followed by drying and baking to form a porous electrode film.
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。
Furthermore, the
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、負電極膜側から正電極膜側へと酸素を移動させるので、通気性絶縁材には十分な通気性が必要であるが、どちらか一方に限定するものではない。酸素ポンプに要求される特性にあうものを選択すればよい。
The conductive means 7 may be a metal wire such as Au, Pt, or Ni. The breathable
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。
The heat-
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。
The
赤外線輻射層16aおよび16bは、輻射層の前駆体を使って塗布後加熱焼結などの任意の被膜形成手段により得られる被膜である。被膜は、例えば耐熱性結合剤としてのボロシロキサン重合体と、金属酸化物としての鉄、マンガン、銅の3種の複合酸化物およびジルコニア、アルミナ、溶剤を混合した前駆体の加熱焼結によって得られる。
The
このようにして得られる赤外線輻射層16aおよび16bは、任意の厚さに形成することが可能で、高い赤外線輻射率が得られる。例えば、上記組成で熱平衡型放射率計によれば、厚さ約5μmで、輻射率約0.8となる。抵抗発熱体12aおよび12bの輻射率は、その表面状態にもよるが、おおよそ0.1から0.3程度であり、赤外線輻射層16aおよび16bは明らかに輻射加熱に適している。
The
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。すなわち、耐熱性基板11a、11b上に形成された抵抗発熱体12a、12bは、耐熱性基板11a、11bに空間をおいて挟まれて設けられた酸素イオン導電性基板4上に設けられた電極膜5a、5bと対向して設けられている。
The
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、可能な限り短いほうが好ましい。
At this time, the spatial distance between the
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。 About the oxygen pump comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
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、赤外線輻射層16aおよび16bが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、酸素ポンプは、短時間で所定温度に昇温する。
The
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によって正負電極間に通電すると、負電極側から正電極側に向かって、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。これによって正電極膜5b表面には、酸素だけが輸送されることになる。
When the
以上のように、本実施の形態では、赤外線輻射層16aおよび16bが積層された抵抗発熱体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、均一かつ高効率の輻射加熱が可能となる。これにより、酸素ポンプの効率的な動作が可能となる。
As described above, in the present embodiment, the
(実施の形態2)
図2は、本発明の第2の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an oxygen pump according to the second embodiment of the present invention.
図2において、酸素イオン導電性基板4は置換型のランタンガレート(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)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および5bが形成され、酸素ポンプ素子6を構成している。
In FIG. 2, the oxygen ion
酸素ポンプ素子6は、導電手段7を介して、電圧印加手段8と接続されている。酸素ポンプ素子6には、通気性絶縁材9aおよび9bと加熱手段10aおよび10bが積層されている。加熱手段10aおよび10bは、耐熱性基板11aおよび11bと抵抗発熱体12aおよび12bと赤外線反射層15aおよび15bで構成されている。抵抗発熱体12aおよび12bは、導電手段13aおよび13bを介して、加熱用電圧印加手段14aおよび14bと接続されている。
The
以下、実施の形態1と同様の構成については、記載しないこととする。 Hereinafter, the same configuration as that of the first embodiment will not be described.
赤外線反射層15aおよび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および5bと同様の印刷法で、耐熱性基板11aおよび11bの表面に薄膜型の赤外線反射層15aおよび15bを形成することができる。
The infrared reflecting
印刷法であれば、赤外線反射層15aおよび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。
In the case of a printing method, the thickness of the infrared reflecting
赤外線反射層15aおよび15bは、耐熱性基板11aおよび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および10bからの輻射による熱ロスを、抑制できる。材料としては、上記のうち金が最も好ましい。
The infrared
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。 About the oxygen pump comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
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、赤外線輻射層16aおよび16bが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、酸素ポンプは、短時間で所定温度に昇温する。
The
この時、抵抗発熱体12aおよび12bと反対側に配置された赤外線反射層15aおよび15bは、赤外線輻射率が低いので、抵抗発熱体12aおよび12bの発熱により昇温した耐熱性基板11aおよび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。
At this time, the infrared reflecting
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によって正負電極間に通電すると、負電極側から正電極側に向かって、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。これによって正電極膜5b表面には、酸素だけが輸送されることになる。
When the
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、酸素ポンプの熱的な効率動作を可能となる。 As described above, in the present embodiment, since the infrared reflection layers 15a and 15b suppress heat loss, it is possible to perform a thermal efficient operation of the oxygen pump.
以上のように、酸素ポンプ素子の均一かつ高効率加熱を実現し、熱ロス低減による効率動作が可能な低消費電力の酸素ポンプ素子の提供によって、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、健康増進機器など広範な用途に適用できる。 As described above, by providing oxygen pump elements with low power consumption that can achieve uniform and high-efficiency heating of oxygen pump elements and reduce heat loss, air cleaners and air conditioners that use oxygen or health Applicable to a wide range of applications such as promotion equipment and health promotion equipment.
4 酸素イオン導電性基板
5a、5b 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
16a、16b 赤外線輻射層
4 Oxygen ion
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