JP3846319B2 - 酸素ポンプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素ポンプの通気機能を有する断熱材の実装構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の酸素ポンプとしては、例えば、特開平１１−２３５２５号公報に記載されているようなものがあった。図７は、前記公報に記載された従来の酸素ポンプを示すものである。
【０００３】
図７において、１は筐体、２はアルミナなどの多孔質基板３に形成された第一電極４と酸素イオン導電性の薄膜５と第二電極６とから構成される酸素ポンプ素子、７はアルミナ基板などの絶縁性基板８上に導電性ペーストをスクリーン印刷でパターン形成してなるヒータ線９から構成される加熱手段であり、加熱手段７は、筐体１に内包されておらず大気に解放された状態で配置されている。
【０００４】
この構成において、加熱手段７に電圧を印加して発熱させ、酸素ポンプ素子が酸素ポンプとして作動する温度に加熱し、第一電極３に負電圧、第二電極に正電圧を印加すると、図中矢印で示すように第一電極３に解離吸着された空気中の酸素は酸素ポンプ素子２によって酸素イオンとして第二電極４に運ばれて酸素分子となって大気中に放出される。これによって、筐体１に取付られた容器内の酸素濃度を減少させることができる。
【０００５】
また、その他に類似の酸素ポンプとしては、特開平１０−１６０３２８号公報に開示されているものがある。図８は、前記公報に記載された酸素ポンプを示すものである。
【０００６】
図８において、１０は固体電解質の酸素イオン伝導体１１と両面に形成された電極１２、１３から構成される酸素ポンプ素子、１４は酸素ポンプ素子１１の外周を、隙間を確保して配置されたアルミナ管であり、このアルミナ管１４の一端に酸素の導入口となるアルミナなどの吸気管１５とアルミナ管１４の外周に電熱線などをコイル状に巻いた加熱手段１６が設けられている。酸素ポンプ素子１０の酸素が排出される側は大気に解放され、それ以外の部分は断熱材１７で覆われた構成としている。
【０００７】
この酸素ポンプの作用は、前述の図７の酸素ポンプと同様であり、酸素の流入出は図中矢印で示した通りである。この酸素ポンプでは、空気の導入は吸気管１５から行われるため、断熱材１７を通過しない構成となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−２３５２５号公報の構成では、酸素ポンプ素子２と加熱手段７が大気に解放された状態にあるので、加熱手段７からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子２だけでなく大気中の空気の加熱にも使われ、その結果、熱効率が悪くなり、酸素ポンプ２を動作する温度するのに必要な加熱手段７の消費電力が高くなるという課題を有していた。また、実施例での図面によると、加熱手段７は酸素ポンプ素子２の上部に配置されているので、酸素ポンプ素子２の加熱は輻射熱によるものとなり、加熱された空気の対流熱を利用できないという欠点を有する。
【０００９】
また、特開平１０−１６０３２８号公報の構成では、加熱手段１６は断熱材１７に覆われているが、酸素ポンプ素子１０はアルミナ管１４とアルミナ管１４と酸素ポンプ素子１０との間の空気を介して加熱されるため、熱抵抗が大きくなり、酸素ポンプ素子１０を酸素オン伝導体として作動させる温度に加熱するために大きな電力を必要とする課題を有している。また、酸素を含む空気は吸気管１５から導入されるため、この空気により酸素ポンプ素子１０が冷却され、熱効率がさらに悪くなるという課題を有していた。さらに、酸素ポンプ素子１０は、タンマン管の形状であるので温度分布が大きく、クラックの発生など破損しやすいという課題がある。また、構造が複雑であり、酸素ポンプ全体が大きくなるという課題を有している。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減するとともに、簡素な構成とすることにより、小型でコンパクトなの酸素ポンプを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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一方の表面に形成された第１電極と他の表面に形成された第２電極を有する酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に形成された第１電極側の空間と第２電極側の空間を区画する区画手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する少なくとも一つの加熱手段と、前記酸素ポンプ素子と前記区画手段と前記加熱手段を囲むように微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）粒子の無機酸化物粒子からなる通気機能を有する断熱材を配置された通気機能を有する断熱材とで構成したものである。
【００１２】
この通気機能を有する断熱材によって、酸素ポンプ素子と加熱手段が直接、大気と接触しないので加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができるともに、空気に存在する酸素分子は通気機能を有する断熱材を介して酸素ポンプ素子への流入及び大気への流出を可能とすることができるので酸素ポンプとして十分な性能を実現することができる。また、酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が通気機能を有する断熱材に覆われた簡素な構成であるので酸素ポンプを小型化、コンパクトにすることができる。さらに、酸素ポンプ素子を均一な温度分布とすることができ、温度差が原因で発生する酸素ポンプ素子のクラックなどの破損を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に電極を形成した酸素ポンプ素子と空間を区画する区画手段と酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段を囲むように微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）粒子の無機酸化物粒子からなる通気機能を有する断熱材を配置した構成としたものであり、空気に存在する酸素分子は通気機能を有する断熱材を介して酸素ポンプ素子への流入及び大気への流出を可能とすることができるので酸素ポンプとして十分な性能を実現することができるとともに、酸素ポンプ素子と加熱手段が大気に直接触れないようにしているので加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が防止され、酸素ポンプの耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が通気機能を有する断熱材に覆われた簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化、コンパクト化を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【００１４】
また、微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）粒子の無機酸化物粒子からなる通気機能を有する断熱材を多数の連通孔を有する多孔質体で構成することにより、空気や酸素分子が十分な通気量を確保することができるとともに、酸素ポンプへ導入する空気は断熱材を通過しながら徐々に加熱されるので酸素ポンプ素子の冷却が抑制され、加熱手段の熱効率をさらに高めることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に電極を形成した酸素ポンプ素子と空間を区画する区画手段と酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段を囲むように通気機能を有する断熱材を連通孔の無い多孔質体に少なくとも一つの貫通孔を設けた断熱材を配置した構成とすることにより、請求項１と同様な作用効果を得ることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に電極を形成した酸素ポンプ素
子と空間を区画する区画手段と酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段を囲むように多数の連通孔を有する多孔質体からなる通気機能を有する断熱材に連通孔よりも大きい少なくとも一つの貫通孔を設けた断熱材を配置した構成とすることにより、酸素濃度が低下し酸素分子の数が減少しても多孔質体のみの場合と比べ、酸素ポンプ素子へ導入できる酸素分子の数を多くすることができるので低酸素雰囲気下での酸素ポンプ性能の低下を抑制することができ、目標の酸素濃度に下げる時間を短縮することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、加熱手段が配置された側の通気機能を有する断熱材と加熱手段の間に少なくとも一つの孔を有する熱線反射手段を設けた構成とすることにより、加熱手段からの放射熱を熱線反射手段によって酸素ポンプ素子の方向に反射することができるので酸素ポンプへの熱効率をなお一層向上させることができ、加熱に必要な電力を低減することができるとともに、空気の酸素ポンプへの流入は熱線反射手段に設けた孔によって行うことができるので酸素ポンプの優れた性能を確保することができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、断熱材が微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）の無機酸化物粒子で構成することにより、微細空隙が空気の対流を抑制し断熱材料の熱伝導を小さくすることができるので優れた断熱性能を実現することができる。
【００１９】
また、通気機能を有する断熱材の材料として主成分がシリカ（ＳｉＯ2）粒子を用いることにより、高い耐熱性を実現することができ、優れた耐久性を確保することができるとともに、微少空隙の構造の破壊を防止することができ、初期の優れた断熱性能を長期にわたり実現することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜７を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における酸素ポンプの断面図である。図１において、２１は酸素ポンプ素子であり、酸素ポンプ素子２１は酸素イオン導電性基板２２の一方の表面に第１電極２３を形成し、他の表面に第２電極２４を形成した構成としており、酸素ポンプ素子２１に直流電圧を印加する酸素ポンプ駆動電源回路２５にリード線２６、２７を介して接続されている。酸素イオン導電性基板２２としては、イットリウムをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）やサマリウムをドープしたセリア（ＳＤＣ）が用いられる。また、第１電極２３や第２電極２４としては、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、サマリウム−ストロンチウム−コバルトから成る複合金属酸化物（ＳＳＣＯ）などの焼成膜、蒸着膜が用いられる。第１電極２３カソ−ド電極として作用するとき、第２電極２４はアノ−ド電極として作用する。
【００２２】
２８は、第１電極２３側の空間と第２電極２４側の空間を区画する区画手段であり、第１電極２３に対向する開口部を有しており、酸素ポンプ素子２１とガラスなどの接着材料によって接着されている。本実施例では、区画手段２８を第１電極２３側に配置しているが、第２電極２４側に配置してもよい。区画手段２８としては、ニッケル、鉄−クロム合金、チタン、金、白金などの金属板もしくは箔、アルミナ、ムライトなどのセラミック板が用いられるが、酸素ポンプ素子２１との熱膨脹差が少なく、熱歪みが小さいことが要求されることから、望ましくは、ニッケル、鉄−クロム合金の金属箔がよい。２９は、酸素ポンプ素子２１の下部に設けられた加熱手段であり、加熱手段２９に電力を印加する加熱用電源３０にリード線３１、３２を介して接続されている。加熱手段２９としては、鉄−クロム合金、ニッケル−クロム合金などの電熱線や箔が用いられる。
【００２３】
３３、３４は、通気機能を有する断熱材であり、多数の連通孔を有する多孔体で構成さ
れ、酸素ポンプ素子２１、区画手段２８、加熱手段２９の周囲を覆うように位置されており、通気機能を有する断熱材３３、３４は、大気からの空気と大気への酸素の流出が可能となるように開口部を設けた筐体３５に収納されている。この通気機能を有する断熱材３３、３４としては、主成分が無機酸化物のシリカ粒子の集合体が用いられる。
【００２４】
図２は、前述したシリカ粒子の集合体からなる通気機能を有する断熱材３３、３４の模式図であり、シリカ粒子３６による微細空隙３７を有する構造となっている。この構造を有する断熱材としては日本エアロジル社製のマイクロサーム（商品名）があげられる。
【００２５】
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。
【００２６】
まず、加熱用電源３０によって電力が加熱手段２９に印加されると、加熱手段２９は昇温し、酸素ポンプ素子２１を加熱する。次に酸素ポンプ素子２１に酸素ポンプ駆動電源２５が第１電極２３をカソード、第２電極２４をアノードとして電圧が印加される。この状態で加熱手段２９によって酸素ポンプ素子２１が５００〜８００℃に昇温すると、第１電極２３側の空間に存在する酸素分子が第１電極２３から酸素イオンとして酸素イオン導電性基板２２に取り込まれて第２電極２４に到達する。第２電極２４に到達した酸素イオンは酸素分子となり、第２電極２４側の外部空間に放出される。第１電極２３側の空間と第２電極２４側の空間とは区画手段２８で分離されているので常に第１電極２３側の空間に存在する酸素分子を第２電極側の空間に輸送することができる。第１電極２３側の空間の酸素分子が第２電極２４側の空間に輸送されると、第１電極２３側の酸素濃度が減少し、大気中の酸素分子を含む空気が通気機能を有する断熱材３３の連通孔を拡散し、第１電極２３側の空間に流入する。一方、第２電極２４側の空間からは第２電極２４から放出された酸素分子が通気機能を有する断熱材３４を拡散し、大気中に流出する。酸素ポンプ素子が動作している間、図中矢印で示すように酸素分子が輸送され続ける。このとき、第１電極２３側に密閉となるように容器を取り付けると、容器内の酸素濃度を下げることができる。
【００２７】
以上のように本実施例においては、酸素ポンプ素子２１と空間を区画する区画手段２８と酸素ポンプ素子２１を加熱する加熱手段２９を囲むように通気機能を有する断熱材３３、３４を配置した構成とすることにより、空気に存在する酸素分子は通気機能を有する断熱材３３、３４を介して酸素ポンプ素子２１への流入及び大気への流出を可能とすることができるので酸素ポンプとして十分な性能を実現することができる。また、酸素ポンプ素子２１と加熱手段２９が大気に直接触れないようにしているので加熱手段２９による酸素ポンプ素子２１への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子２１の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子２１全体を均一に加熱することができるので酸素ポンプ素子２１のクラックなどによる破損が防止され、酸素ポンプの耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプ素子２１、区画手段２８、加熱手段２９が通気機能を有する断熱材３３、３４に覆われた簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化、コンパクト化を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【００２８】
また、特に本実施例のように、通気機能を有する断熱材３３、３４を多数の連通孔を有する多孔質体で構成することにより、空気や酸素分子が十分な通気量を確保することができるとともに、酸素ポンプ素子２１へ導入する空気は多孔質体の連通孔を通過しながら徐々に加熱されるので酸素ポンプ素子２１の冷却が抑制され、加熱手段２９の熱効率をさらに高めることができる。
【００２９】
また、通気機能を有する断熱材３３、３４として微細空隙３７を有する無機酸化物であるシリカ粒子３６で構成することにより、微少空隙が空気の対流を抑制し断熱材料の熱伝
導を小さくすることができるので優れた断熱性能を実現することができる。また、シリカ粒子３６を用いることにより、高い耐熱性を実現することができ、優れた耐久性を確保することができるとともに、微少空隙３７の構造の破壊を防止することができ、初期の優れた断熱性能を長期にわたり実現することができる。
【００３０】
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例における酸素ポンプの断面図である。図３において、３８は多数の連通孔を有する多孔体からなる通気機能を有する断熱材で、実施例１の構成と異なるところは通気機能を有する断熱材３８に貫通孔３９を設けた点である。図中、実施例１と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。
【００３１】
空気中に含まれる酸素分子は通気機能を有する断熱材３８として用いる多孔体に存在する多数の連通孔と貫通孔４２を通り酸素ポンプ素子２１へ流入し、酸素ポンプ素子２１から放出された酸素分子は、上部の通気機能を有する断熱材３８として用いる多孔体に存在する多数の連通孔を通り大気中へ流出する。
【００３２】
多数の連通孔を有する多孔質体からなる通気機能を有する断熱材３８に、貫通孔３９を設けることにより、酸素濃度が低下し酸素分子の数が減少しても実施例１の多孔質体からなる通気機能を有する断熱材３３よりも酸素ポンプ素子２１へ導入できる酸素分子の数を多くすることができる。したがって、低酸素濃度雰囲気下においても酸素ポンプの性能の低下を抑制することができ、目標の酸素濃度に下げる時間を短縮することができる。
【００３３】
図４は、本実施例の酸素ポンプと実施例１で述べた酸素ポンプを第１電極２３側に密閉となるように容器を取り付け、酸素ポンプを作動させたときの動作特性を示したものであり、図中、点線が実施例１の酸素ポンプ、実線が本実施例の酸素ポンプの特性を示しており、酸素ポンプの動作時間とともに容器内の酸素濃度が低下している。図で明らかなように、本実施例の酸素ポンプの方が同じ酸素濃度に到達する時間が速いことがわかり、これは本実施例の酸素ポンプは低酸素濃度雰囲気下においても通気機能を有する断熱材３８に貫通孔３９を設けたことにより、酸素ポンプ素子２１に導入される酸素分子の数が多いことに起因している。
【００３４】
貫通孔３９は孔の径が大きい場合や貫通孔の数が多くなると、断熱性能が悪くなり酸素ポンプ素子２１の加熱に必要な電力が大きくなる。したがって、搭載する機器に求められる性能に応じて最適な貫通孔の径と数が設定されるものである。
【００３５】
（実施例３）
図５は、本発明の第３の実施例における酸素ポンプの断面図である。図５において、４０、４１は連通孔のない多孔体で構成される断熱材、４２、４３は連通孔のない多孔体で構成される断熱材４０、４１に設けた貫通孔であり、実施例１の構成と異なるところは通気機能を有する断熱材として、連通孔のない多孔体で構成される断熱材に連通孔を設け、通気機能を有する断熱材とした点である。図中、実施例１と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。
【００３６】
空気中に含まれる酸素分子は貫通孔４２を通り酸素ポンプ素子２１へ流入し、酸素ポンプ素子２１から放出された酸素分子は、上部の貫通孔４３を通り大気中へ流出する。
【００３７】
本実施例の酸素ポンプも実施例１と同様な効果を得ることができるが、貫通孔４２、４３は孔の径が大きい場合や貫通孔の数が多くなると、断熱性能が悪くなり酸素ポンプ素子２１の加熱に必要な電力が大きくなる。したがって、搭載する機器に求められる性能に応じて最適な貫通孔の径と数が設定されるものである。
【００３８】
（実施例４）
図６は、本発明の第４の実施例における酸素ポンプの断面図である。図６において、４４は熱線反射手段、４５は熱線反射手段４４に設けられた孔であり、実施例１の構成と異なるところは加熱手段２９が配置された側の通気機能を有する断熱材３３の表面に、孔４５を設けた熱線反射手段４４を配置した点である。図中、実施例１と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
空気中に含まれる酸素分子は通気機能を有する断熱材３３として用いる多孔体に存在する多数の連通孔と熱線反射手段４４に設けた孔４５を通り酸素ポンプ素子２１へ流入し、酸素ポンプ素子２１から放出された酸素分子は、上部の通気機能を有する断熱材３４して用いる多孔体に存在する多数の連通孔を通り大気中へ流出する。熱線反射手段４４としては、５００〜８００℃レベルの温度で放射される熱を高反射する材料、及び耐熱性を有する材料が望ましく、ステンレス、鉄−クロム合金、チタン、白金、金などの板材、箔が用いられる。
【００４０】
加熱手段２９からの放射熱を熱線反射手段４４によって酸素ポンプ素子２１の方向に反射することができるので酸素ポンプ素子２１への熱効率をなお一層向上させることができ、加熱に必要な電力を低減することができる。また、空気中に含まれる酸素分子の酸素ポンプ素子２１への流入は熱線反射手段４４に設けた孔４５によって行うことができるので酸素ポンプとしての優れた性能を確保することができる。
【００４１】
加熱手段２９が第２電極２４側に配置された場合、熱線反射手段４４は、通気機能を有する断熱材３４と加熱手段２９の間に取り付けられる。また、熱線反射また、この熱線反射手段４４は、実施例２及び実施例３の酸素ポンプにも適用することができる。
【００４２】
なお、本発明の酸素ポンプは、食品保存庫などの低酸素雰囲気を必要とする機器や逆に、大気中よりも高い酸素濃度を必要とする機器に適用される。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、酸素ポンプとして十分な性能を実現するとともに、加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率を向上させることができるので酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が防止され、酸素ポンプの耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプを簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化、コンパクト化を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における酸素ポンプの断面図
【図２】 本発明の実施例１における通気機能を有する断熱材の模式図
【図３】 本発明の実施例２における酸素ポンプの断面図
【図４】 本発明の実施例２における酸素ポンプの動作特性図
【図５】 本発明の実施例３における酸素ポンプの断面図
【図６】 本発明の実施例４における酸素ポンプの断面図
【図７】 従来の酸素ポンプの断面図
【図８】 従来の他の酸素ポンプの断面図
【符号の説明】
２１ 酸素ポンプ素子
２２ 酸素イオン導電性基板
２３ 第１電極
２４ 第２電極
２８ 区画手段
２９ 加熱手段
３３、３４、３８ 通気機能を有する断熱材
３６ シリカ粒子
３７ 微細空隙
３９、４２、４３ 貫通孔
４０、４１ 連通孔のない多孔体
４４ 熱線反射手段
４５ 孔
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素ポンプの通気機能を有する断熱材の実装構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の酸素ポンプとしては、例えば、特開平１１−２３５２５号公報に記載されているようなものがあった。図７は、前記公報に記載された従来の酸素ポンプを示すものである。
【０００３】
図７において、１は筐体、２はアルミナなどの多孔質基板３に形成された第一電極４と酸素イオン導電性の薄膜５と第二電極６とから構成される酸素ポンプ素子、７はアルミナ基板などの絶縁性基板８上に導電性ペーストをスクリーン印刷でパターン形成してなるヒータ線９から構成される加熱手段であり、加熱手段７は、筐体１に内包されておらず大気に解放された状態で配置されている。
【０００４】
この構成において、加熱手段７に電圧を印加して発熱させ、酸素ポンプ素子が酸素ポンプとして作動する温度に加熱し、第一電極３に負電圧、第二電極に正電圧を印加すると、図中矢印で示すように第一電極３に解離吸着された空気中の酸素は酸素ポンプ素子２によって酸素イオンとして第二電極４に運ばれて酸素分子となって大気中に放出される。これによって、筐体１に取付られた容器内の酸素濃度を減少させることができる。
【０００５】
また、その他に類似の酸素ポンプとしては、特開平１０−１６０３２８号公報に開示されているものがある。図８は、前記公報に記載された酸素ポンプを示すものである。
【０００６】
図８において、１０は固体電解質の酸素イオン伝導体１１と両面に形成された電極１２、１３から構成される酸素ポンプ素子、１４は酸素ポンプ素子１１の外周を、隙間を確保して配置されたアルミナ管であり、このアルミナ管１４の一端に酸素の導入口となるアルミナなどの吸気管１５とアルミナ管１４の外周に電熱線などをコイル状に巻いた加熱手段１６が設けられている。酸素ポンプ素子１０の酸素が排出される側は大気に解放され、それ以外の部分は断熱材１７で覆われた構成としている。
【０００７】
この酸素ポンプの作用は、前述の図７の酸素ポンプと同様であり、酸素の流入出は図中矢印で示した通りである。この酸素ポンプでは、空気の導入は吸気管１５から行われるため、断熱材１７を通過しない構成となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−２３５２５号公報の構成では、酸素ポンプ素子２と加熱手段７が大気に解放された状態にあるので、加熱手段７からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子２だけでなく大気中の空気の加熱にも使われ、その結果、熱効率が悪くなり、酸素ポンプ２を動作する温度するのに必要な加熱手段７の消費電力が高くなるという課題を有していた。また、実施例での図面によると、加熱手段７は酸素ポンプ素子２の上部に配置されているので、酸素ポンプ素子２の加熱は輻射熱によるものとなり、加熱された空気の対流熱を利用できないという欠点を有する。
【０００９】
また、特開平１０−１６０３２８号公報の構成では、加熱手段１６は断熱材１７に覆われているが、酸素ポンプ素子１０はアルミナ管１４とアルミナ管１４と酸素ポンプ素子１０との間の空気を介して加熱されるため、熱抵抗が大きくなり、酸素ポンプ素子１０を酸素オン伝導体として作動させる温度に加熱するために大きな電力を必要とする課題を有している。また、酸素を含む空気は吸気管１５から導入されるため、この空気により酸素ポンプ素子１０が冷却され、熱効率がさらに悪くなるという課題を有していた。さらに、酸素ポンプ素子１０は、タンマン管の形状であるので温度分布が大きく、クラックの発生など破損しやすいという課題がある。また、構造が複雑であり、酸素ポンプ全体が大きくなるという課題を有している。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減するとともに、簡素な構成とすることにより、小型でコンパクトなの酸素ポンプを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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一方の表面に形成された第１電極と他の表面に形成された第２電極を有する酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に形成された第１電極側の空間と第２電極側の空間を区画する区画手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する少なくとも一つの加熱手段と、前記酸素ポンプ素子と前記区画手段と前記加熱手段を囲むように微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）粒子の無機酸化物粒子からなる通気機能を有する断熱材を配置された通気機能を有する断熱材とで構成したものである。
【００１２】
この通気機能を有する断熱材によって、酸素ポンプ素子と加熱手段が直接、大気と接触しないので加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができるともに、空気に存在する酸素分子は通気機能を有する断熱材を介して酸素ポンプ素子への流入及び大気への流出を可能とすることができるので酸素ポンプとして十分な性能を実現することができる。また、酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が通気機能を有する断熱材に覆われた簡素な構成であるので酸素ポンプを小型化、コンパクトにすることができる。さらに、酸素ポンプ素子を均一な温度分布とすることができ、温度差が原因で発生する酸素ポンプ素子のクラックなどの破損を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に電極を形成した酸素ポンプ素子と空間を区画する区画手段と酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段を囲むように微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）粒子の無機酸化物粒子からなる通気機能を有する断熱材を配置した構成としたものであり、空気に存在する酸素分子は通気機能を有する断熱材を介して酸素ポンプ素子への流入及び大気への流出を可能とすることができるので酸素ポンプとして十分な性能を実現することができるとともに、酸素ポンプ素子と加熱手段が大気に直接触れないようにしているので加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が防止され、酸素ポンプの耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が通気機能を有する断熱材に覆われた簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化、コンパクト化を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【００１４】
また、微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）粒子の無機酸化物粒子からなる通気機能を有する断熱材を多数の連通孔を有する多孔質体で構成することにより、空気や酸素分子が十分な通気量を確保することができるとともに、酸素ポンプへ導入する空気は断熱材を通過しながら徐々に加熱されるので酸素ポンプ素子の冷却が抑制され、加熱手段の熱効率をさらに高めることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に電極を形成した酸素ポンプ素子と空間を区画する区画手段と酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段を囲むように通気機能を有する断熱材を連通孔の無い多孔質体に少なくとも一つの貫通孔を設けた断熱材を配置した構成とすることにより、請求項１と同様な作用効果を得ることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に電極を形成した酸素ポンプ素
子と空間を区画する区画手段と酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段を囲むように多数の連通孔を有する多孔質体からなる通気機能を有する断熱材に連通孔よりも大きい少なくとも一つの貫通孔を設けた断熱材を配置した構成とすることにより、酸素濃度が低下し酸素分子の数が減少しても多孔質体のみの場合と比べ、酸素ポンプ素子へ導入できる酸素分子の数を多くすることができるので低酸素雰囲気下での酸素ポンプ性能の低下を抑制することができ、目標の酸素濃度に下げる時間を短縮することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、加熱手段が配置された側の通気機能を有する断熱材と加熱手段の間に少なくとも一つの孔を有する熱線反射手段を設けた構成とすることにより、加熱手段からの放射熱を熱線反射手段によって酸素ポンプ素子の方向に反射することができるので酸素ポンプへの熱効率をなお一層向上させることができ、加熱に必要な電力を低減することができるとともに、空気の酸素ポンプへの流入は熱線反射手段に設けた孔によって行うことができるので酸素ポンプの優れた性能を確保することができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、断熱材が微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）の無機酸化物粒子で構成することにより、微細空隙が空気の対流を抑制し断熱材料の熱伝導を小さくすることができるので優れた断熱性能を実現することができる。
【００１９】
また、通気機能を有する断熱材の材料として主成分がシリカ（ＳｉＯ2）粒子を用いることにより、高い耐熱性を実現することができ、優れた耐久性を確保することができるとともに、微少空隙の構造の破壊を防止することができ、初期の優れた断熱性能を長期にわたり実現することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜７を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における酸素ポンプの断面図である。図１において、２１は酸素ポンプ素子であり、酸素ポンプ素子２１は酸素イオン導電性基板２２の一方の表面に第１電極２３を形成し、他の表面に第２電極２４を形成した構成としており、酸素ポンプ素子２１に直流電圧を印加する酸素ポンプ駆動電源回路２５にリード線２６、２７を介して接続されている。酸素イオン導電性基板２２としては、イットリウムをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）やサマリウムをドープしたセリア（ＳＤＣ）が用いられる。また、第１電極２３や第２電極２４としては、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、サマリウム−ストロンチウム−コバルトから成る複合金属酸化物（ＳＳＣＯ）などの焼成膜、蒸着膜が用いられる。第１電極２３カソ−ド電極として作用するとき、第２電極２４はアノ−ド電極として作用する。
【００２２】
２８は、第１電極２３側の空間と第２電極２４側の空間を区画する区画手段であり、第１電極２３に対向する開口部を有しており、酸素ポンプ素子２１とガラスなどの接着材料によって接着されている。本実施例では、区画手段２８を第１電極２３側に配置しているが、第２電極２４側に配置してもよい。区画手段２８としては、ニッケル、鉄−クロム合金、チタン、金、白金などの金属板もしくは箔、アルミナ、ムライトなどのセラミック板が用いられるが、酸素ポンプ素子２１との熱膨脹差が少なく、熱歪みが小さいことが要求されることから、望ましくは、ニッケル、鉄−クロム合金の金属箔がよい。２９は、酸素ポンプ素子２１の下部に設けられた加熱手段であり、加熱手段２９に電力を印加する加熱用電源３０にリード線３１、３２を介して接続されている。加熱手段２９としては、鉄−クロム合金、ニッケル−クロム合金などの電熱線や箔が用いられる。
【００２３】
３３、３４は、通気機能を有する断熱材であり、多数の連通孔を有する多孔体で構成さ
れ、酸素ポンプ素子２１、区画手段２８、加熱手段２９の周囲を覆うように位置されており、通気機能を有する断熱材３３、３４は、大気からの空気と大気への酸素の流出が可能となるように開口部を設けた筐体３５に収納されている。この通気機能を有する断熱材３３、３４としては、主成分が無機酸化物のシリカ粒子の集合体が用いられる。
【００２４】
図２は、前述したシリカ粒子の集合体からなる通気機能を有する断熱材３３、３４の模式図であり、シリカ粒子３６による微細空隙３７を有する構造となっている。この構造を有する断熱材としては日本エアロジル社製のマイクロサーム（商品名）があげられる。
【００２５】
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。
【００２６】
まず、加熱用電源３０によって電力が加熱手段２９に印加されると、加熱手段２９は昇温し、酸素ポンプ素子２１を加熱する。次に酸素ポンプ素子２１に酸素ポンプ駆動電源２５が第１電極２３をカソード、第２電極２４をアノードとして電圧が印加される。この状態で加熱手段２９によって酸素ポンプ素子２１が５００〜８００℃に昇温すると、第１電極２３側の空間に存在する酸素分子が第１電極２３から酸素イオンとして酸素イオン導電性基板２２に取り込まれて第２電極２４に到達する。第２電極２４に到達した酸素イオンは酸素分子となり、第２電極２４側の外部空間に放出される。第１電極２３側の空間と第２電極２４側の空間とは区画手段２８で分離されているので常に第１電極２３側の空間に存在する酸素分子を第２電極側の空間に輸送することができる。第１電極２３側の空間の酸素分子が第２電極２４側の空間に輸送されると、第１電極２３側の酸素濃度が減少し、大気中の酸素分子を含む空気が通気機能を有する断熱材３３の連通孔を拡散し、第１電極２３側の空間に流入する。一方、第２電極２４側の空間からは第２電極２４から放出された酸素分子が通気機能を有する断熱材３４を拡散し、大気中に流出する。酸素ポンプ素子が動作している間、図中矢印で示すように酸素分子が輸送され続ける。このとき、第１電極２３側に密閉となるように容器を取り付けると、容器内の酸素濃度を下げることができる。
【００２７】
以上のように本実施例においては、酸素ポンプ素子２１と空間を区画する区画手段２８と酸素ポンプ素子２１を加熱する加熱手段２９を囲むように通気機能を有する断熱材３３、３４を配置した構成とすることにより、空気に存在する酸素分子は通気機能を有する断熱材３３、３４を介して酸素ポンプ素子２１への流入及び大気への流出を可能とすることができるので酸素ポンプとして十分な性能を実現することができる。また、酸素ポンプ素子２１と加熱手段２９が大気に直接触れないようにしているので加熱手段２９による酸素ポンプ素子２１への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子２１の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子２１全体を均一に加熱することができるので酸素ポンプ素子２１のクラックなどによる破損が防止され、酸素ポンプの耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプ素子２１、区画手段２８、加熱手段２９が通気機能を有する断熱材３３、３４に覆われた簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化、コンパクト化を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【００２８】
また、特に本実施例のように、通気機能を有する断熱材３３、３４を多数の連通孔を有する多孔質体で構成することにより、空気や酸素分子が十分な通気量を確保することができるとともに、酸素ポンプ素子２１へ導入する空気は多孔質体の連通孔を通過しながら徐々に加熱されるので酸素ポンプ素子２１の冷却が抑制され、加熱手段２９の熱効率をさらに高めることができる。
【００２９】
また、通気機能を有する断熱材３３、３４として微細空隙３７を有する無機酸化物であるシリカ粒子３６で構成することにより、微少空隙が空気の対流を抑制し断熱材料の熱伝
導を小さくすることができるので優れた断熱性能を実現することができる。また、シリカ粒子３６を用いることにより、高い耐熱性を実現することができ、優れた耐久性を確保することができるとともに、微少空隙３７の構造の破壊を防止することができ、初期の優れた断熱性能を長期にわたり実現することができる。
【００３０】
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例における酸素ポンプの断面図である。図３において、３８は多数の連通孔を有する多孔体からなる通気機能を有する断熱材で、実施例１の構成と異なるところは通気機能を有する断熱材３８に貫通孔３９を設けた点である。図中、実施例１と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。
【００３１】
空気中に含まれる酸素分子は通気機能を有する断熱材３８として用いる多孔体に存在する多数の連通孔と貫通孔４２を通り酸素ポンプ素子２１へ流入し、酸素ポンプ素子２１から放出された酸素分子は、上部の通気機能を有する断熱材３８として用いる多孔体に存在する多数の連通孔を通り大気中へ流出する。
【００３２】
多数の連通孔を有する多孔質体からなる通気機能を有する断熱材３８に、貫通孔３９を設けることにより、酸素濃度が低下し酸素分子の数が減少しても実施例１の多孔質体からなる通気機能を有する断熱材３３よりも酸素ポンプ素子２１へ導入できる酸素分子の数を多くすることができる。したがって、低酸素濃度雰囲気下においても酸素ポンプの性能の低下を抑制することができ、目標の酸素濃度に下げる時間を短縮することができる。
【００３３】
図４は、本実施例の酸素ポンプと実施例１で述べた酸素ポンプを第１電極２３側に密閉となるように容器を取り付け、酸素ポンプを作動させたときの動作特性を示したものであり、図中、点線が実施例１の酸素ポンプ、実線が本実施例の酸素ポンプの特性を示しており、酸素ポンプの動作時間とともに容器内の酸素濃度が低下している。図で明らかなように、本実施例の酸素ポンプの方が同じ酸素濃度に到達する時間が速いことがわかり、これは本実施例の酸素ポンプは低酸素濃度雰囲気下においても通気機能を有する断熱材３８に貫通孔３９を設けたことにより、酸素ポンプ素子２１に導入される酸素分子の数が多いことに起因している。
【００３４】
貫通孔３９は孔の径が大きい場合や貫通孔の数が多くなると、断熱性能が悪くなり酸素ポンプ素子２１の加熱に必要な電力が大きくなる。したがって、搭載する機器に求められる性能に応じて最適な貫通孔の径と数が設定されるものである。
【００３５】
（実施例３）
図５は、本発明の第３の実施例における酸素ポンプの断面図である。図５において、４０、４１は連通孔のない多孔体で構成される断熱材、４２、４３は連通孔のない多孔体で構成される断熱材４０、４１に設けた貫通孔であり、実施例１の構成と異なるところは通気機能を有する断熱材として、連通孔のない多孔体で構成される断熱材に連通孔を設け、通気機能を有する断熱材とした点である。図中、実施例１と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。
【００３６】
空気中に含まれる酸素分子は貫通孔４２を通り酸素ポンプ素子２１へ流入し、酸素ポンプ素子２１から放出された酸素分子は、上部の貫通孔４３を通り大気中へ流出する。
【００３７】
本実施例の酸素ポンプも実施例１と同様な効果を得ることができるが、貫通孔４２、４３は孔の径が大きい場合や貫通孔の数が多くなると、断熱性能が悪くなり酸素ポンプ素子２１の加熱に必要な電力が大きくなる。したがって、搭載する機器に求められる性能に応じて最適な貫通孔の径と数が設定されるものである。
【００３８】
（実施例４）
図６は、本発明の第４の実施例における酸素ポンプの断面図である。図６において、４４は熱線反射手段、４５は熱線反射手段４４に設けられた孔であり、実施例１の構成と異なるところは加熱手段２９が配置された側の通気機能を有する断熱材３３の表面に、孔４５を設けた熱線反射手段４４を配置した点である。図中、実施例１と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
空気中に含まれる酸素分子は通気機能を有する断熱材３３として用いる多孔体に存在する多数の連通孔と熱線反射手段４４に設けた孔４５を通り酸素ポンプ素子２１へ流入し、酸素ポンプ素子２１から放出された酸素分子は、上部の通気機能を有する断熱材３４して用いる多孔体に存在する多数の連通孔を通り大気中へ流出する。熱線反射手段４４としては、５００〜８００℃レベルの温度で放射される熱を高反射する材料、及び耐熱性を有する材料が望ましく、ステンレス、鉄−クロム合金、チタン、白金、金などの板材、箔が用いられる。
【００４０】
加熱手段２９からの放射熱を熱線反射手段４４によって酸素ポンプ素子２１の方向に反射することができるので酸素ポンプ素子２１への熱効率をなお一層向上させることができ、加熱に必要な電力を低減することができる。また、空気中に含まれる酸素分子の酸素ポンプ素子２１への流入は熱線反射手段４４に設けた孔４５によって行うことができるので酸素ポンプとしての優れた性能を確保することができる。
【００４１】
加熱手段２９が第２電極２４側に配置された場合、熱線反射手段４４は、通気機能を有する断熱材３４と加熱手段２９の間に取り付けられる。また、熱線反射また、この熱線反射手段４４は、実施例２及び実施例３の酸素ポンプにも適用することができる。
【００４２】
なお、本発明の酸素ポンプは、食品保存庫などの低酸素雰囲気を必要とする機器や逆に、大気中よりも高い酸素濃度を必要とする機器に適用される。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、酸素ポンプとして十分な性能を実現するとともに、加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率を向上させることができるので酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が防止され、酸素ポンプの耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプを簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化、コンパクト化を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における酸素ポンプの断面図
【図２】 本発明の実施例１における通気機能を有する断熱材の模式図
【図３】 本発明の実施例２における酸素ポンプの断面図
【図４】 本発明の実施例２における酸素ポンプの動作特性図
【図５】 本発明の実施例３における酸素ポンプの断面図
【図６】 本発明の実施例４における酸素ポンプの断面図
【図７】 従来の酸素ポンプの断面図
【図８】 従来の他の酸素ポンプの断面図
【符号の説明】
２１ 酸素ポンプ素子
２２ 酸素イオン導電性基板
２３ 第１電極
２４ 第２電極
２８ 区画手段
２９ 加熱手段
３３、３４、３８ 通気機能を有する断熱材
３６ シリカ粒子
３７ 微細空隙
３９、４２、４３ 貫通孔
４０、４１ 連通孔のない多孔体
４４ 熱線反射手段
４５ 孔
Claims (5)
- 酸素イオン導電性基板の一方の表面に形成された第１電極と他の表面に形成された第２電極を有する酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に形成された第１電極側の空間と第２電極側の空間を区画する区画手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する少なくとも一つの加熱手段と、前記酸素ポンプ素子と前記区画手段と前記加熱手段を囲むように配置された微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）の無機酸化物粒子からなる通気機能を有する断熱材とで構成される酸素ポンプ。
- 酸素イオン導電性基板の一方の表面に形成された第１電極と他の表面に形成された第２電極を有する酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に形成された第１電極側の空間と第２電極側の空間を区画する区画手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する少なくとも一つの加熱手段と、前記酸素ポンプ素子と前記区画手段と前記加熱手段を囲むように配置された連通孔の無い多孔質体に少なくとも一つの貫通孔を設けた断熱材とで構成される酸素ポンプ。
- 酸素イオン導電性基板の一方の表面に形成された第１電極と他の表面に形成された第２電極を有する酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に形成された第１電極側の空間と第２電極側の空間を区画する区画手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する少なくとも一つの加熱手段と、前記酸素ポンプ素子と前記区画手段と前記加熱手段を囲むように配置された多数の連通孔を有する多孔質体からなり、前記連通孔をよりも大きな少なくとも一つの貫通孔を設けた断熱材とで構成される酸素ポンプ。
- 加熱手段が配置された側の通気機能を有する断熱材と前記加熱手段の間に少なくとも一つの孔を有する熱線反射手段を設けて構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
- 断熱材は、微細空隙を有し、主成分がシリカ（ＳｉＯ 2 ）の無機酸化物粒子からなる請求項２乃至４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
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