JP2008247624A - Apparatus for concentrating oxygen - 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は、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、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、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知られている(例えば、特許文献2参照)。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、前記従来の酸素透過膜を用いた方法では減圧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、前記従来の混合導電体を用いた電気化学的な方法では、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り、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効率的でないという課題があった。 However, the conventional method using an oxygen permeable membrane requires a decompression pump, which is inconvenient in terms of noise, weight and overall volume. Further, the oxygen concentration that can be separated has a limit of 30 to 40%. On the other hand, in the conventional electrochemical method using a mixed conductor, the mixed conductor allows oxygen to permeate using the oxygen partial pressure difference as a driving force even without an external circuit, and a quiet and compact configuration is possible. Although there is an advantage that the generated oxygen concentration is 100%, there is a problem that the supply amount of high concentration oxygen when using the apparatus is small and is not efficient.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、減圧ポンプを使わず、高濃度酸素を効率よく供給することのできる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 thereof is to provide an oxygen concentrator capable of efficiently supplying high-concentration oxygen without using a decompression pump.
前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素濃縮装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質から形成された酸素ポンプ素子と、この酸素ポンプ素子を加熱する棒状のヒータと、このヒータの長手方向の中心線を中心とした筒状でかつ酸素ポンプ素子をその壁面に配置した筐体とにより酸素ポンプセルを形成し、この酸素ポンプセルを複数集積したものである。 In order to solve the above-described conventional problems, an oxygen concentrator of the present invention includes an oxygen pump element formed from a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, a rod-shaped heater that heats the oxygen pump element, An oxygen pump cell is formed by a cylindrical shape centering on the center line in the longitudinal direction, and an oxygen pump element arranged on the wall surface, and a plurality of oxygen pump cells are integrated.
これによって、酸素ポンプセルを形成する酸素ポンプ素子はヒータにより中央から均一に加熱されるので、高濃度酸素を大量に供給することができ、また酸素ポンプセルは筒状なので複数集積させることが容易であり、集積した場合、さらに高密度で均一に加熱することができるので、減圧ポンプを用いることなく高濃度酸素を大量に供給することが可能となる。 As a result, the oxygen pump element forming the oxygen pump cell is uniformly heated from the center by the heater, so that a large amount of high-concentration oxygen can be supplied, and since the oxygen pump cell is cylindrical, it is easy to integrate a plurality of oxygen pump cells. When accumulated, since it can be heated evenly at a higher density, a large amount of high-concentration oxygen can be supplied without using a vacuum pump.
本発明の酸素濃縮装置は、減圧ポンプを使わず、高濃度酸素を効率よく供給することができる。 The oxygen concentrator of the present invention can efficiently supply high concentration oxygen without using a vacuum pump.
第1の発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質から形成された酸素ポンプ素子と、この酸素ポンプ素子を加熱する棒状のヒータと、このヒータの長手方向の中心線を中心とした筒状でかつ酸素ポンプ素子をその壁面に配置した筐体とにより酸素ポンプセルを形成し、この酸素ポンプセルを複数集積した酸素濃縮装置とすることにより、酸素ポンプセルを形成する酸素ポンプ素子はヒータにより中央から均一に加熱されるので、高濃度酸素を大量に供給することができる。また酸素ポンプセルは筒状なので複数集積させることが容易であり、集積した場合、さらに高密度で均一に加熱することができるので、減圧ポンプを用いることなく高濃度酸素を大量に供給することが可能となる。 The first invention is an oxygen pump element formed from a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, a rod-shaped heater for heating the oxygen pump element, and a cylindrical shape centering on the longitudinal center line of the heater. In addition, an oxygen pump cell is formed by a housing in which an oxygen pump element is arranged on the wall surface, and an oxygen concentrating device in which a plurality of oxygen pump cells are integrated is formed so that the oxygen pump element forming the oxygen pump cell is uniformly formed from the center by a heater. Since it is heated, a large amount of high-concentration oxygen can be supplied. In addition, since the oxygen pump cell has a cylindrical shape, it is easy to accumulate a plurality of oxygen pump cells. When accumulated, the oxygen pump cells can be heated evenly at a higher density, so that a large amount of high-concentration oxygen can be supplied without using a vacuum pump. It becomes.
第2の発明は、特に、第1の発明において、筐体は角筒状であることにより、酸素ポンプセルを集積する際、隙間無く積み重ねることが可能であり、熱ロスが少なく、効率的に酸素ポンプ素子を加熱することができ、コンパクトな構成で大量の高濃度酸素を発生することができる。 In the second invention, in particular, in the first invention, since the casing is in the shape of a rectangular tube, when accumulating oxygen pump cells, it is possible to stack without any gap, and there is little heat loss and oxygen is efficiently The pump element can be heated, and a large amount of high-concentration oxygen can be generated with a compact configuration.
第3の発明は、特に、第1の発明において、筐体は円筒状であることにより、酸素ポンプセルを集積する際、複数個を均一な間隔で集積させることが容易であり、高密度で均一に加熱することができるので、高濃度酸素を大量に供給することが可能となる。 In the third invention, in particular, in the first invention, since the casing is cylindrical, it is easy to stack a plurality of oxygen pump cells at a uniform interval when stacking oxygen pump cells. Therefore, a large amount of high concentration oxygen can be supplied.
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、複数集積された酸素ポンプセルのうち、外側に配列された酸素ポンプセルに備えられたヒータは、内側に配列された酸素ポンプセルに備えられたヒータよりも高出力としたことにより、全体が均一に加熱されやすく、熱のロスも少ない酸素濃縮装置を実現できる。 According to a fourth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to third aspects of the invention, the heater provided in the oxygen pump cell arranged on the outside of the plurality of oxygen pump cells integrated is oxygen arranged on the inside. By making the output higher than that of the heater provided in the pump cell, it is possible to realize an oxygen concentrator that is easy to be heated uniformly and has little heat loss.
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)
図1〜図3は、本発明の実施の形態における酸素濃縮装置を示している。
(Embodiment)
1 to 3 show an oxygen concentrator in an embodiment of the present invention.
図1に示すように、酸素ポンプ素子1は、詳しく図示していないが、イオン導電性の固体電解質の両面に電極膜を形成させて構成される。固体電解質は、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などの汎用的な固体電解質でもよいが、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。
As shown in FIG. 1, although not shown in detail, the
また、図示していない両面の電極膜には、白金や銀などの貴金属、サマリウムとコバルトからな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。 Further, a noble metal such as platinum or silver, a metal oxide composed of samarium and cobalt, or the like is used for the electrode films on both sides (not shown). These electrode films are formed by application by screen printing, vapor deposition, or sputtering.
そして、この酸素ポンプ素子1を600℃以上に加熱し、両電極膜間に直流電圧を印加するとカソード側の空気から酸素分子が酸素イオンとして固体電解質に取り込まれ、アノード側の電極膜へ移動する。アノード側の電極膜に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノード電極側の内部空間に排出され、酸素分子が濃縮されるしくみである。
When the
酸素ポンプ素子1は、図では略正六角筒状をした酸素濃縮用の筐体2の六つの壁面に配置され、図示していない両電極膜のカソード側を筐体2の外側、アノード側を筐体2の内側として直流電圧を印加すると、上述の説明ように外側の空気、つまり外側空気室3から酸素だけが矢印Aのように内部、つまり内側空気室4へ移動して酸素濃縮が行われる(矢印Aは図1に六つのうち一つだけについて記載したが、それぞれの6側面に配置された酸素ポンプ素子1すべてに関して、酸素が移動する)。
The
酸素ポンプ素子1を加熱するのがヒータ5であり、図示していない電源より電力供給用リード線6を通って電力が供給され、酸素ポンプ素子1を加熱する。
The
図2に示すように、ヒータ5は棒状をしており、略正六角筒状の筐体2の略中心に位置し、電力供給用リード線6は筐体2の下部より外部に出ている構成である。つまり筐体2はヒータ5の長手方向の中心線を中心とした略正六角筒状をしている。筐体2上部には酸素排出口7があり、ここより濃縮された酸素が矢印Bのように排気される。
As shown in FIG. 2, the
また筐体2の外側を取り囲む略正六角筒状の外殻筐体8には下部に空気取り入れ口9、上部に空気排出口10があり、常に酸素ポンプ素子1表面に新鮮な空気が巡る構成となっている。
In addition, the substantially regular hexagonal cylindrical
以上の酸素ポンプ素子1、筐体2、ヒータ5および外殻筐体8により酸素ポンプセル11を形成している。次に、その動作、作用を説明する。
The
まず、図示していない電源によってヒータ5に電力を供給することにより、酸素ポンプ素子1を600℃以上に加熱する。また図示していない直流電源によって、酸素ポンプ素子1表面の電極膜(図示せず)に、カソード側を筐体2の外側、アノード側を筐体2の内側として直流電圧を印加する。するとカソード電極側の外部空間、つまり筐体2と外殻筐体8間の外側空気室3の酸素分子は、カソード電極膜から酸素イオンとして固体電解質に取り込まれて、アノード電極膜まで移動する。アノード電極に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノード電極側の内部空間、つまり筐体2内の内側空気室4の内側に矢印Aのように移動する。この動作が続くと、筐体2内部の酸素は酸素排出口7より矢印Bのように排気されて行く。
First, the
本実施の形態のように、酸素ポンプ素子1が略六角筒状の筐体2の6つの壁面に配置され、その中心にヒータ5があることによって、ヒータ5の熱が効率的に酸素ポンプ素子1に伝えられるので、小さなスペースでも酸素ポンプ素子1を600℃以上に、かつ均一に加熱することが可能となる。特に、均一に加熱することは重要であり、厚み0.2mmの固体電解質からなる酸素ポンプ素子1に熱膨張ストレスを最小限にすることができるのである。
As in the present embodiment, the
なお、筐体2の形状は、略六角筒状に限らず、略正三角筒状、略正四角筒状などの角筒状としてもよい。また、筐体2の形状は円筒状としてもよい。円筒状であると、中心のヒータ5から酸素ポンプ素子1までの距離が常に一定であるので、均一に加熱することがさらに容易になるからである。
Note that the shape of the
また、筐体2と外殻筐体8の間の外側空気室3には断熱効果がある一方で、そこから新鮮な空気を酸素ポンプ素子1に供給することができる。また外殻筐体8の下部と上部にそれぞれ空気取り入れ口9と空気排出口10があり、対流効果によって自然に空気が空気取り入れ口9から空気排出口10へ、つまり矢印Cから矢印Dのように流れることになる。
Further, while the
以上が酸素ポンプセル11の一個についての説明である。次に、この酸素ポンプセル11を複数個集積させたものについて図3を用いて説明する。
The above is the description of one
図3は酸素ポンプセル11を14個集積してなる酸素濃縮装置の例であるが、特に個数を特定するものではない。
FIG. 3 shows an example of an oxygen concentrator in which 14
図3の酸素濃縮装置のなかで、外側に配列された酸素ポンプセル11を外側酸素ポンプセル11a、内側に配列された酸素ポンプセル11を内側酸素ポンプセル11bとして区別して説明する。
In the oxygen concentrator in FIG. 3, the
図では各酸素ポンプセルが略正六角筒状の形状であることによって、隙間なく集積させることができる。つまりは、単位堆積あたりにより多くの酸素ポンプ素子1を詰め込むことが可能であるので、高密度に酸素を供給することができると同時に、熱のロスも少なくエネルギー効率も大きい。この酸素ポンプセル11は角筒状であれば、隙間なく集積させることが可能である。
In the figure, since each oxygen pump cell has a substantially regular hexagonal cylindrical shape, it can be integrated without a gap. In other words, since more
また、外側酸素ポンプセル11aの中のヒータ5出力を、内側酸素ポンプセル11bの中のヒータ5出力に比べ高く設定すると、全体が均一に加熱されやすく、熱のロスも少ない酸素濃縮装置を実現できる。外側酸素ポンプセル11aは外気などに熱を奪われやすいが、内側酸素ポンプセル11bは周囲も発熱体なので熱が奪われにくいからである。
Further, when the
以上のように、酸素ポンプセル11を集積させ、それぞれの酸素排出口7をつなげれば、多量の酸素を得ることができる。また、このように酸素ポンプセル11を集積させる形をとっているので、欲しい酸素の量に対し、一つの酸素ポンプセルを一単位として、その数を個数分増やすだけでよく、量に応じた大きな酸素濃縮装置を作る必要はない。
As described above, a large amount of oxygen can be obtained by accumulating the
以上のように、本発明にかかる酸素濃縮装置は、減圧ポンプを使わず、高濃度酸素を効率よく供給することができるので、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 efficiently supply high-concentration oxygen without using a decompression pump, and thus 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 酸素ポンプ素子
2 筐体
5 ヒータ
7 酸素排出口
11 酸素ポンプセル
DESCRIPTION OF
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007087413A JP2008247624A (en) | 2007-03-29 | 2007-03-29 | Apparatus for concentrating oxygen |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2007087413A Pending JP2008247624A (en) | 2007-03-29 | 2007-03-29 | Apparatus for concentrating oxygen |
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2007
- 2007-03-29 JP JP2007087413A patent/JP2008247624A/en active Pending
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