JP3890070B2

JP3890070B2 - ガスポンプ

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Publication number: JP3890070B2
Application number: JP2005190435A
Authority: JP
Inventors: 隆祐岩▲崎▼; 晴彦松下; 博西村
Original assignee: Canon Machinery Inc
Current assignee: Canon Machinery Inc
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2025-06-29
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Description

本発明は、イオン導電性の固体電解質筒状体を使用した酸素ポンプ、水素ポンプなどの固体電解質型ガスポンプに関する。

イオン導電性固体電解質は、高温でイオンを透過させることができる。この現象を利用し、燃料電池、ガス分析の測定、ガス混合物の分離などに実用化されている。酸素ポンプとして使用する場合は、酸素イオンが酸素などの還元により発生し与えられた電位勾配の元で、陰極側から酸素が生成する陽極へ酸素イオン伝導性電解質を通って移動することを利用している。

上記酸素ポンプを使用した試料育成装置等の設備の概要を図１５に、上記酸素ポンプの概要を図１６に示す。

図１５において、１は酸素分圧制御装置で、バルブ２を通してガスボンベ（図示せず）から不活性ガスが供給される。通常、不活性ガス中の酸素分圧は10^-４ａｔｍ程度である。酸素分圧制御装置１は、バルブ２を通った不活性ガスの流量を設定値に制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３と、このマスフローコントローラ３を通った不活性ガスを目的の酸素分圧に制御可能な電気化学的な酸素ポンプ４と、酸素ポンプ４で制御された不活性ガスの酸素分圧をモニタして試料育成装置などの次工程（装置）に供給する供給ガス用の酸素センサ５を有する。

酸素分圧制御装置１は、所望の酸素分圧値を設定する酸素分圧設定部６と、酸素センサ５によるモニタ値を酸素分圧設定部６による設定値と比較して酸素ポンプ４から送り出される不活性ガスの酸素分圧を所定値に制御する酸素分圧制御部７と、酸素センサ５によるモニタ値を表示する酸素分圧表示部８を備える。

図１６の電気化学的な酸素ポンプ４は、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質筒状体４ａの内外両面に白金よりなる電極４ｂ、４ｃを形成している。固体電解質筒状体４ａは、例えばジルコニア系の固体電解質で、図示しないヒーターで７００℃程度に加熱される。固体電解質筒状体４ａの一方の開口から他方の開口に向けて軸方向に不活性ガスを供給する。不活性ガスは、例えばＡｒ＋Ｏ₂（10^-４ａｔｍ）である。内外両面の電極４ｂ、４ｃ間に直流電源Ｅの直流電圧を印加する。外面の電極４ｃに＋極を印加し、内面の電極４ｂに−極を印加して電流Ｉを流すと、固体電解質筒状体４ａ内を流れる不活性ガス中の酸素分子（Ｏ₂）が固体電解質によって電気的に還元されてイオン（Ｏ^2-）化され、固体電解質を通して再び酸素分子（Ｏ₂）として固体電解質筒状体４ａの外部に放出される。固体電解質筒状体４ａの外部に放出された酸素分子は、空気等の補助ガスと共に排気される。固体電解質筒状体４ａに供給されたＡｒ＋Ｏ₂（10^-４ａｔｍ）の不活性ガスは、酸素分子が低減されて目的の酸素分圧に制御された処理済みガスとなり、次工程（装置）に給送される。

図１６の酸素ポンプ４は、固体電解質筒状体４ａの内外両面の電極４ｂ、４ｃ間に上記と逆極性の直流電圧を印加してポンプ動作を行わせることも可能である。すなわち、外面の電極４ｃに−極を印加し、内面の電極４ｂに＋極を印加すると、固体電解質筒状体４ａの外面に沿って流れる空気などのガス中の酸素分子（Ｏ₂）が固体電解質によって電気的に還元されてイオン（Ｏ^2-）化され、固体電解質を通して再び酸素分子（Ｏ₂）として固体電解質筒状体４ａの内部に放出される。この場合、固体電解質筒状体４ａの内部を流れる不活性ガスの酸素分圧が上昇して、外部に給送される。

このような酸素ポンプにより酸素分圧を制御したガスを供給すれば、結晶育成、合金化、熱処理、半導体製造工程などが酸素分圧を制御した不活性ガスなどの雰囲気下で行うことができる。

イオン導電体の固体電解質筒状体の内部を軸方向に不活性ガスなどのポンプ作用を受ける被処理ガスを流すガスポンプは、図１６の酸素ポンプのように、１本の円形パイプ状の固体電解質筒状体を使用する。この１本の固体電解質筒状体の内部空間に軸方向に被処理ガスを流し、固体電解質筒状体内を流れる間に固体電解質隔壁内外でイオン導電のポンプ作用を行う。このようなガスポンプが処理できるガス流量は、被処理ガスと固体電解質筒状体内外面との接触面積に比例する。従って、ガス流量を増大させるためには、被処理ガスと固体電解質筒状体外面との接触面積を増大させる必要がある。

そのためには、固体電解質筒状体を長くすることや、パイプ径を大きくすることが考えられる。酸素イオン導電性固体電解質を有効に利用するためには、酸素ポンプの抵抗値をできる限り低くして、酸素ポンプの酸素透過能力を高くすることが必要である。酸素ポンプの抵抗値には、固体電解質の形状（表面積と厚さ）、電極膜、リード端子などが影響する。この中で固体電解質の形状は表面積が大きく、薄いほど抵抗値は小さくなる。すなわち、筒状体を考えると、その直径と長さが大きく、厚みの薄い形状がよい。しかし、固体電解質筒状体を製造する容易さや、加熱・高温保持状態で使用される固体電解質筒状体の強度を考慮すると、直径と長さと厚みには限界がある。また、パイプ径を大きくするほど、固体電解質筒状体の中心部を流れる被処理ガスのイオン伝導反応が急減して、結果的に中心部を流れる被処理ガスが反応なしで素通りすることになり、酸素分圧などの制御精度が低下する。このようなことから、固体電解質筒状体のパイプ径を単純に大きくするには自ずと限界がある。従って、上記の方法で被処理ガスと固体電解質筒状体との接触面積を増大するには限界がある。そのため、ガスポンプが実質的有効に処理できるガス流量が制限され、酸素分圧を制御したガスを供給する用途が制限されていた。

本発明の目的とするところは、適切な口径の固体電解質筒状体にて実質的有効に処理できるガス流量を増大させたガスポンプを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、同心にして多重に配設された、それぞれが内外両面に電極を有する径の異なる複数の固体電解質筒状体と、この複数の固体電解質筒状体のそれぞれの内外両面の電極に異なる極性となる電圧を印加する直流電源と、複数の固体電解質筒状体の最外側（最大径）の固体電解質筒状体の回りに配置した加熱装置を有する構造を特徴とする。加熱装置は、複数の固体電解質筒状体を均一的に加熱する共通のリング状ヒーターが適用できる。

ここで、固体電解質筒状体は、酸化物イオン導電体であるＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）のジルコニア系や、プロトン導電体の固体電解質が適用できる。前者ジルコニア系固体電解質筒状体を使用したガスポンプは、所謂酸素ポンプである。後者プロトン導電体の固体電解質筒状体を使用したガスポンプは、所謂水素ポンプであり、燃料電池製造装置などに適用できる。また、複数の固体電解質筒状体は内径が大小異なる円形パイプが強度的、品質的に望ましいが、用途によっては楕円パイプや多角形パイプも適用可能である。径が大小異なる複数の固体電解質筒状体の各々の内外両面に、白金などのネット状の電極を形成する。１つの固体電解質筒状体の外面側電極と内面側電極に極性の異なる直流電圧を印加して、イオン導電のポンプ作用を行わせる。また、複数の各固体電解質筒状体を同心にして多重に配設し、同心状に隣接する内側と外側の固体電解質筒状体の間に筒状空間を形成し、この筒状空間に所望のガスを固体電解質筒状体軸方向に流す。ここでのガスは、酸素分圧制御などされるポンプ動作対象の被処理ガスと、被処理ガスの処理に基づく二次ガス（被処理ガスを処理することで生成された酸素分子などを含む排ガス、または、被処理ガスの処理のために被処理ガスに供与される高酸素分圧の大気ガスなど）である。これらのガスが同心かつ多重に配置された複数の固体電解質筒状体の間の空間や、最大径の固体電解質筒状体の外周と加熱装置の間に形成した流路に流れる。

本発明においては、複数の固体電解質筒状体間の筒状空間で、最小径の固体電解質筒状体の内部空間から数えて奇数番目の空間をポンプ動作対象の被処理ガスの処理に基づく二次ガスを固体電解質筒状体軸方向に流す二次流路とし、残りの偶数番目の空間を二次流路と区分けされた一次流路として、この一次流路に被処理ガスを固体電解質筒状体軸方向に流すと共に、一次流路に接する固体電解質筒状体面と二次流路に接する固体電解質筒状体面に異なる極性となる電圧を印加する構造とすることができる。

さらに、本発明においては、複数の固体電解質筒状体間の筒状空間で、最小径の固体電解質筒状体の内部空間から数えて奇数番目の空間をポンプ動作対象の被処理ガスを固体電解質筒状体軸方向に流す一次流路とし、残りの偶数番目の空間を一次流路と区分けされた二次流路として、この二次流路に被処理ガスの処理に基づく二次ガスを流すと共に、一次流路に接する固体電解質筒状体面と二次流路に接する固体電解質筒状体面に異なる極性となる電圧を印加する構造とすることができる。

ここでの一次流路と二次流路は、交互に多重に配設される。ぼほ同一長さで径が異なる複数の固体電解質筒状体を同心にして多重に配設して、各固体電解質筒状体の両端部に中空のキャップを被嵌し、このキャップで一次流路同士を連通させ、二次流路同士を連通させることができる。複数の各固体電解質筒状体をその中心線を水平にして横置き仕様で配設した場合、各固体電解質筒状体の左右両端にキャップが被嵌される。複数の各固体電解質筒状体をその中心線を鉛直にして縦置き仕様で配設した場合、各固体電解質筒状体の上下両端にキャップが被嵌される。これらキャップを使用することで、複数の一次流路を直列に連通させて被処理ガスを各一次流路に連続的に流すことや、複数の一次流路を並列に連通させて各一次流路に被処理ガスを同方向に流すことができる。同様にして、複数の二次流路を直列に連通させることや、並列に連通させることができる。

また、本発明においては、複数の固体電解質筒状体間の筒状空間に、この空間を内側空間と外側空間に区分けする流路仕切筒体を固体電解質筒状体と同心に配設して、区分けされた内側空間と外側空間の一方をポンプ動作対象の被処理ガスを固体電解質筒状体軸方向に流す一次流路とし、他方を被処理ガスの処理に基づく二次ガスを流す二次流路とすると共に、一次流路に接する固体電解質筒状体面と二次流路に接する固体電解質筒状体面に異なる極性となる電圧を印加する構造とすることができる。

ここでの流路仕切筒体は、固体電解質筒状体と異質（非電解質）の耐熱筒である。例えば、径が大小異なる２本の固体電解質筒状体を使用した場合、この２本一対の固体電解質筒状体の中間に１本の流路仕切筒体を配置する。また、径が大中小と異なる３本の固体電解質筒状体を使用した場合、小径と中径の固体電解質筒状体の中間に１本の流路仕切筒体を配置し、中径と大径の固体電解質筒状体の中間にも別の１本の流路仕切筒体を配置する。隣接する固体電解質筒状体の間の空間を流路仕切筒体で内側空間と外側空間に二分して、外側空間を被処理ガスを流す一次流路とし、内側空間を二次ガスを流す二次流路とすることができる。非電解質の流路仕切筒体は固体電解質筒状体に比べ硬質な材料を選択すれば、複数の固体電解質筒状体を補強することもできる。

上記本発明においては、筒状一次流路と二次流路を交互に多重に配設して、径方向で隣接する一次流路を直列に連通させて、この隣接する一次流路の一方からの流出する被処理ガスを１８０°反対方向にリターンさせて他方に流入させることができる。また、筒状一次流路と二次流路を交互に多重に配設して、径方向で隣接する一次流路を並列に連通させて、両一次流路に処理ガスを同方向に流すことができる。

また、同心にして多重に配設された複数の固体電解質筒状体からなる固体電解質筒状体ユニットを、各々の中心線が略鉛直となる縦置き仕様で同心円上に等間隔で複数配設し、この複数の固体電解質筒状体ユニットを囲むリング状の加熱装置で各固体電解質筒状体ユニットを加熱する。この場合、複数の固体電解質筒状体ユニットで囲まれる空間に加熱装置で加熱されて蓄熱する蓄熱部材を配置する。

このように同心円上に配置された複数の固体電解質筒状体ユニットのそれぞれの内部に被処理ガスを流すことで、被処理ガスと固体電解質筒状体との接触面積が増大し、ポンプ処理するガス量が増大する。また、複数の固体電解質筒状体ユニットに対して等距離にあるリング状加熱装置が各個体電解質筒状体ユニットを均一的に加熱して、ユニット間での温度差が少なくなり、この温度差によって生じる固体電解質筒状体ユニットの酸素透過能力差が解消される。さらに、中心線が略鉛直に配置された各個体電解質筒状体ユニットを外側からは加熱装置で加熱し、内側からは蓄熱部材で加熱することで、各ユニットの固体電解質筒状体を周方向に温度差少なくして均一的に加熱することができ、各ユニット内部を流れる被処理ガスの制御精度を高めることができる。これにより、複数の固体電解質筒状体ユニットで個体差なく同質な被処理ガスの処理が行われて、酸素分圧などの制御精度の向上が図れる。

また、本発明においては、複数の各固体電解質筒状体を酸化物イオン導電体で構成することができる。この酸化物イオン導電体の固体電解質筒状体は、所定温度で加熱された条件下で被処理ガス中の酸素分子を二次ガスに移動させるポンプ動作、あるいは、二次ガス中の酸素分子を被処理ガスに移動させる逆のポンプ動作をして、安定した動作をする酸素ポンプを構成する。

本発明のガスポンプによれば、同心で多重に配置された複数の固体電解質筒状体の間に被処理ガスを流して固体電解質筒状体の隔壁でイオン伝導させるので、被処理ガスは１つの流路（一次流路）で接近した二面からイオン透過が行われて、被処理ガスと固体電解質筒状体との接触面積を増大させることができ、ポンプ処理するガス量の増大が図れるという優れた効果を奏し得る。また、ガスポンプが処理できるガス量の増大で、極低酸素分圧ガスを使用する材料生成装置や高酸素分圧ガスを使用する熱処理装置などの製造設備に処理量の大きな高能力大型設備を適用できる有利さがある。

以下、各種の実施の形態の概要を図１（Ａ）〜（Ｃ）と図２（Ａ）（Ｂ）を参照し、各種の具体例を図３〜図１４を参照して説明する。

図１（Ａ）は、ほぼ同一長さで直径が大小異なる２本の円形の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂを、それぞれの中心線を略水平にして同心に組み付けて、横置き仕様の二重筒構造体を構成する。最外側である大径の固体電解質筒状体１０ｂの回りに加熱装置であるリング状ヒーター４０を同心に配設する。内外２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂは、それぞれに内外両面に白金よりなるネット状の電極（図示せず）を有する。この内外両面の電極には、直流電源Ｅから異なる極性の直流電圧が印加される。内外２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの間の筒状空間が被処理ガスＧ１の流れる一次流路Ｍａであり、小径の内側固体電解質筒状体１０ａの内部空間と大径の外側固体電解質筒状体１０ｂの外部空間が二次ガスＧ２が流れる二次空間Ｎａ、Ｎｂである。被処理ガスＧ１と二次ガスＧ２は、図１（Ａ）の実線矢印と破線矢印で示すように、固体電解質筒状体軸方向に流れる。図１（Ａ）のガスポンプを酸素ポンプに適用した具体例を図３及び図４に示し、詳細は後述する。

図１（Ｂ）は、ほぼ同一長さで直径が異なる４本の円形の固体電解質筒状体１０ａ〜１０ｄを同心に組み付けて、横置き仕様の四重筒構造体を構成している。最大径の固体電解質筒状体１０ｄの回りにリング状ヒーター４０を同心に配設する。４本の各固体電解質筒状体１０ａ〜１０ｄはそれぞれの内外両面に電極（図示せず）を有する。最小径の固体電解質筒状体１０ａの内部空間と、最小径から２番目と３番目に小さい径の固体電解質筒状体１０ｂ、１０ｃの間の筒状空間と、最大径の固体電解質筒状体１０ｄの外部空間が、二次ガスＧ２の流れる二次流路Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃである。隣接する固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの間の筒状空間と、隣接する固体電解質筒状体１０ｃ、１０ｄの間の筒状空間が、被処理ガスＧ１の流れる一次流路Ｍａ、Ｍｂである。この二つの一次流路Ｍａ、Ｍｂは、図１（Ｂ）で右端の開口が直列に連通されて、内側の一次流路Ｍａを図１（Ｂ）で右方に流れた被処理ガスＧ１は１８０°リターンして外側一次流路Ｍｂに入り、図１（Ｂ）で左方に流れる。図１（Ｂ）のガスポンプを酸素ポンプに適用した具体例が、図５及び図６に示される。

図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）と同様な４本の円形の固体電解質筒状体１０ａ〜１０ｄで四重筒を構成し、図１（Ｂ）と同様な一次流路Ｍａ、Ｍｂと二次空間Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃを備える。最大径の固体電解質筒状体１０ｄの回りにリング状ヒーター４０を同心に配設する。図１（Ｃ）のガスポンプの場合は、二つの一次流路Ｍａ、Ｍｂが図１（Ｃ）で左端の開口が並列に連通されて、被処理ガスＧ１は各一次流路Ｍａ、Ｍｂに同時に流入して同方向に流れる。

図２（Ａ）は、ほぼ同一長さで直径が大中小と異なる３本の円形の固体電解質筒状体１０ａ〜１０ｃを同心に組み付けて、横置き仕様の三重筒構造体を構成している。最大径の固体電解質筒状体１０ｃの回りにリング状ヒーター４０を同心に配設する。３本の各固体電解質筒状体１０ａ〜１０ｃはそれぞれの内外両面に電極を有する。最小径の固体電解質筒状体１０ａの内部空間と、中径と最大径の固体電解質筒状体１０ｂ、１０ｃの筒状空間が被処理ガスＧ１の流れる一次流路Ｍａ、Ｍｂである。最小径と中径の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの間の筒状空間と、最大径の固体電解質筒状体１０ｃの外部空間が二次ガスＧ２の流れる二次流路Ｎａ、Ｎｂである。二つの一次流路Ｍａ、Ｍｂは、図２（Ａ）で右端の開口が直列に連通されて、内側の一次流路Ｍａを図２（Ａ）で右方に流れた被処理ガスＧ１は１８０°リターンして外側一次流路Ｍｂに入り、図２（Ａ）で左方に流れる。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の中径の固体電解質筒状体１０ｂの代わりに同様な寸法形状の流路仕切構体２０ａを配置して、横置き仕様の三重筒構造体を構成している。流路仕切筒体２０ａは非固体電解質の円筒で、内外２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの間の空間を円筒状の内側空間と外側空間に二分する。この場合、小径の固体電解質筒状体１０ａの内部空間と、流路仕切構体２０ａと大径の固体電解質筒状体１０ｂの間の筒状空間が被処理ガスＧ１が流れる一次流路Ｍａ、Ｍｂである。小径の固体電解質筒状体１０ａと流路仕切構体２０ａの間の筒状空間と、大径の固体電解質筒状体１０ｂの外部空間が二次ガスＧ２の流れる二次流路Ｎａ、Ｎｂである。二つの一次流路Ｍａ、Ｍｂは、図２（Ｂ）で右端の開口が直列に連通されて、内側の一次流路Ｍａを図２（Ｂ）で右方に流れた被処理ガスＧ１は１８０°リターンして外側一次流路Ｍｂに入り、図２（Ｂ）で左方に流れる。図２（Ｂ）のガスポンプを酸素ポンプに適用した具体例が、図７〜図１０に示される。また、図２（Ｂ）の応用例が図１１及び図１２に示される。これらの具体例は後述する。

次に、図３及び図４で図１（Ａ）のガスポンプを酸素ポンプに応用した具体例を説明する。この酸素ポンプは、二重筒構造体の両端部に中空の耐熱性キャップ３１、３２を被嵌している。内側固体電解質筒状体１０ａの内部空間と、外側固体電解質筒状体１０ｂとヒーター４０の間の空間が、軸方向に二次ガスＧ２を流す二次流路Ｎａ、Ｎｂであり、内外で隣接する各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの間の空間が軸方向に被処理ガスＧ１を流す一次流路Ｍａである。図３で左側のキャップ３１に一次流路Ｍａに外部から被処理ガスＧ１を給送するガス入口流路３５が形成され、図３で右側のキャップ３２に一次流路Ｍａから処理済みガスを排気するガス出口流路３５’が形成される。また、左右の各キャップ３１、３２の中央部には、二次流路Ｎａから二次ガスＧ２を排気する排気口３６が形成される。

内外２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂは、それぞれに内外両面に白金よりなるネット状の電極（図面の＋記号、−記号）を形成している。この電極には、図示しない直流電源から直流電圧が印加される。図３においては、内側固体電解質筒状体１０ａの外面の電極にマイナス電圧が印加され、内面の電極にプラス電圧が印加され、外側固体電解質筒状体１０ｂの外面の電極にプラス電圧が印加され、内面の電極にマイナス電圧が印加される。この内外両面の電極を、図３において＋記号と−記号で表示する。このような電極の＋、−の表示は、図５以降の他の実施の形態においても同様である。被処理ガスＧ１は、図１６のＡｒ＋Ｏ₂（10^-４ａｔｍ）の被処理ガス（一次ガス）である。また、二次ガスＧ２は、図１６で説明した不活性ガスの処理に基づくガスである。つまり、不活性ガス中の酸素分子（Ｏ₂）が固体電解質によって電気的に還元されてイオン（Ｏ^2-）化され、固体電解質を通して再び酸素分子（Ｏ₂）として固体電解質の外部に放出された酸素分子（Ｏ₂）と、キャリアガスとしての空気との混合ガスである。

図３の酸素ポンプの動作を説明する。ヒーター４０に通電して内外の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂを共に７００℃程度に加熱し、加熱温度を維持する。各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの内外両面の電極に直流電圧を印加して、キャップ３１を介して一次流路Ｍａに被処理ガスＧ１を流す。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍａを流れる間に内側固体電解質筒状体１０ａの外面と外側固体電解質筒状体１０ｂの内面に沿って流れるガス中の酸素分子（Ｏ₂）の一部が固体電解質によって電気的に還元されてイオン（Ｏ^2-）化され、固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂをイオン伝導して二次流路Ｎａ、Ｎｂに放出される。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍａを通過する間に酸素分圧が目的値まで下がり、処理済みガスとして一次流路Ｍａからキャップ３２を介して排気される。

図３の酸素ポンプの場合、一次流路Ｍａを流れる被処理ガスＧ１は、内側固体電解質筒状体１０ａの外面と外側固体電解質筒状体１０ｂの内面に共に接触して、この外面と内面の両方で酸素分子のイオン化反応によるポンプ動作が同時に行われる。一次流路Ｍａは円筒状で、半径方向の幅が小さいため、内側固体電解質筒状体１０ａの外面および外側固体電解質筒状体１０ｂの内面の近くを被処理ガスＧ１が流れることになり、酸素分子のイオン化反応が効率よく行われる。

図３の酸素ポンプは、被処理ガスＧ１が極低酸素分圧の場合に、この酸素分圧を上げるポンプ動作を次のように行う。内外で隣接する各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの内面両面の電極に印加される直流電圧の極性を逆にして、被処理ガスＧ１を前述と同様にして流す。処理ガスＧ１が一次流路Ｍａを流れる間に、二次流路Ｎａ、Ｎｂのガス中の酸素分子（Ｏ₂）がイオン（Ｏ^2-）化され、各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂをイオン伝導して一次流路Ｍａに酸素分子（Ｏ₂）が放出され、一次流路Ｍａを流れる被処理ガスＧ１の酸素分圧が上がる。一次流路Ｍａで酸素分圧制御された処理済みガスがガス出口３５’から排気される。このような酸素分圧を上げるポンプ動作は、図５以降の他の酸素ポンプにおいても同様にして行われる。

次に、図５の断面図と図６の分解斜視図で、図１（Ｂ）のガスポンプを酸素ポンプに応用した具体例を説明する。この酸素ポンプは、直径が異なる４本の円形固体電解質筒状体１０ａ〜１０ｄを同心に組み付けた四重筒構造体を備え、両端部にキャップ３１、３２が被嵌される。最大径の固体電解質筒状体１０ｄの回りにリング状ヒーター４０が設置される。隣接する固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの間の筒状空間と、別の隣接する固体電解質筒状体１０ｃ、１０ｄの間の筒状空間が一次流路Ｍａ、Ｍｂである。この両流路Ｍａ、Ｍｂは、図５で右端開口がリターン流路Ｍｇで一連に連接されて、直列に連通する。また、最小径の固体電解質筒状体１０ａの内部空間と、隣接する固体電解質筒状体１０ｂ、１０ｃの間の筒状空間、最大径の固体電解質筒状体１０ｄの外部空間が二次流路Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃである。

図５の酸素ポンプは、被処理ガスＧ１が一次流路Ｍａを流れて両固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂで酸素分子のイオン化反応が行われる。さらに、リターン流路Ｍｇを通過して別の一次流路Ｍｂに流れ、両固体電解質筒状体１０ｃ、１０ｄで酸素分子のイオン化反応が行われ、最終的に目的値の酸素分圧となって排気される。この図５の酸素ポンプは、図３の酸素ポンプに比べガスと固体電解質との接触面積が増大し、その分、処理できるガス量が増大する。

図７〜図１０で、図２（Ｂ）のガスポンプを酸素ポンプに適用した具体例を説明する。

内外２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂは、１本の流路仕切筒体２０ａを介し隣接する。内外で隣接する２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの間の空間が、１本の流路仕切筒体２０ａで円筒状の内側空間と外側空間に二分される。２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂと１本の円形の流路仕切筒体２０ａは長さが同一で、これらを同心にして三重に組み付けた三重筒構造体の両開口端部に耐熱性キャップ３１、３２が被嵌される。左右のキャップ３１、３２は、各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂと流路仕切筒体２０ａを同心に組み付けて固定する。最大径の外側固体電解質筒状体１０ｂの回りに共通のリング状ヒーター４０が設置される。ヒーター４０と外側固体電解質筒状体１０ｂの間に、ガス流路となる円筒状の空間が形成される。

最小径の内側固体電解質筒状体１０ａの内部空間と、流路仕切筒体２０ａと外側固体電解質筒状体１０ｂの間の空間が一次流路Ｍａ、Ｍｂである。図７で右側のキャップ３２の内部に形成したリターン流路Ｍｇで、内外の一次流路Ｍａ、Ｍｂが直列に連接されて一連に連通する。図７で左側のキャップ３１の中央部に形成したガス入口３３から被処理ガスＧ１が内側固体電解質筒状体１０ａの内部の一次流路Ｍａに給送され、図１で右方の軸方向に流れる。この被処理ガスＧ１は右側キャップ３２の内面中央部に形成したガス出口からリターン流路Ｍｇに流出し、リターン流路Ｍｇを上下左右放射状に流れて外側固体電解質筒状体１０ｂと流路仕切筒体２０ａの間の一次流路Ｍｂに流入する。一次流路Ｍｂに流入した被処理ガスＧ１は、図７で左方の軸方向に流れ、左側キャップ３１の周辺部に形成したガス出口３４から処理済みガスとして排気される。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍａ、ｂを流れる間に、酸素イオン還元によるイオン伝導が行われる。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍａを流れる方向（図７で右方向）と、一次流路Ｍｃを流れる方向（図７で左方向）が１８０度逆であり、中間のリターン流路Ｍｇでガス流を最短距離で１８０度リターンさせている。このリターンするガス流路はイオン伝導が行われない部所であるが、この部所を最短距離にすることで、酸素ポンプ全体としてのイオン伝導の効率低下が抑制される。

内側固体電解質筒状体１０ａと流路仕切筒体２０ａの間の筒状空間と、外側固体電解質筒状体１０ｂとヒーター４０との間の外部空間が、二次ガスＧ２を排気する二次流路Ｎａ、Ｎｂである。左右のキャップ３１、３２には、二次流路Ｎａに連通するガス出入口３５、３６が形成される。二次流路Ｎｂの両端は開口されて、それぞれに対応するガス出入口３５、３６に連通させてある。

図７の酸素ポンプの動作は、図３や図５の酸素ポンプと同様にして行われる。ヒーター４０に通電して各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂを共に７００℃程度に加熱し、加熱温度を維持する。各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの内外両面の電極に直流電圧を印加して、一次流路Ｍａに被処理ガスＧ１を流し、リターン流路Ｍｇでリターンさせて一次流路Ｍｂに流す。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍａを流れる間にガス中の酸素分子（Ｏ₂）の一部が固体電解質によって電気的に還元されてイオン（Ｏ^2-）化され、固体電解質筒状体１０ａをイオン伝導して二次流路Ｎａに放出される。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍａを通過する間に酸素分圧が下がり、一次流路Ｍａから次の一次流路Ｍｂにリターンして流入する。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍｂを流れる間にさらにイオン化反応が行われて外側固体電解質筒状体１０ｂから二次流路Ｎｂに放出される。このようにして二段階式に被処理ガスＧ１の酸素分圧制御が行われて、最終的にの処理済みガスとして一次流路Ｍｂから排気される。

図７の酸素ポンプの場合も、最小径の内側固体電解質筒状体１０ａ内に軸方向に設けた一次流路Ｍａは、小径の円形穴であり、この穴中心部と固体電解質筒状体１０ａ内面との距離は短くて、酸素分子のイオン化反応が効率よく行われる。また、最大径の外側固体電解質筒状体１０ｂ内に軸方向に設けた一次流路Ｍｂは、大径の円形穴であるが、この穴の中心部は流路仕切筒体２０ａが占めている。そのため、一次流路Ｍｂを流れる被処理ガスＧ１と固体電解質筒状体１０ｂの内面との最大距離は十分に短く、一次流路Ｍｂにおいても酸素分子のイオン化反応が効率よく行われる。内外で隣接する各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの長さを図１６の場合と同一とすると、被処理ガスＧ１は内側固体電解質筒状体１０ａの外面に接触し、さらに、外側固体電解質筒状体１０ｂの内面に接触するため、ガスと固体電解質との接触面積が図１６と比較して増大する。その結果、被処理ガスＧ１の流速を上げて、酸素ポンプで処理されるガス流量を増大させることができる。

図７の酸素ポンプは、被処理ガスＧ１を内側の一次流路Ｍａからリターン流路Ｍｇでリターンさせて外側の一次流路Ｍｃに流しているが、逆方向に流すことも可能である。すなわち、被処理ガスＧ１を外側の一次流路Ｍｂに給送して軸方向に流し、リターン流路Ｍｇで一次流路Ｍａにリターンさせて排気することも可能である。

図７の酸素ポンプを応用した他の実施の形態を、図１１と図１２を参照して説明する。図１１の酸素ポンプは、図７の酸素ポンプの固体電解質筒状体と流路仕切筒体を１本ずつ追加したものに相当する。図１１の酸素ポンプは、図１２に示すような直径が大中小の３段階で異なる３本の円形固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、直径が大小２段階で異なる２本の流路仕切筒体２０ａ、２０ｂを軸方向水平にして同心に組み付けた五重筒構造体を備える。この場合、最小径の固体電解質筒状体１０ａと中径の固体電解質筒状体１０ｂの中間に１本の流路仕切筒体２０ａが設置され、中径の固体電解質筒状体１０ｂと最大径の固体電解質筒状体１０ｃの中間に１本の流路仕切筒体２０ｂが設置される。

最小径の固体電解質筒状体１０ａの内部空間が、被処理ガスＧ１を軸方向に流す一次流路Ｍａとなる。中径の固体電解質筒状体１０ｂと流路仕切筒体２０ａの間の空間が、一次流路Ｍａとリターン流路Ｍｇで直列に連通された一次流路Ｍｂとなる。中径の固体電解質筒状体１０ｂと流路仕切筒体２０ｂの間の空間が、一次流路Ｍｂとリターン流路Ｍｈで直列に連通された一次流路Ｍｃとなる。最小径の固体電解質筒状体１０ａと流路仕切筒体２０ａの間の空間が、二次ガスＧ２を軸方向に流して排気する二次流路Ｎａとなる。中径の固体電解質筒状体１０ｂと流路仕切筒体２０ｂの間の空間と、最大径の固体電解質筒状体１０ｃの外部空間が、二次ガスＧ２を軸方向に流して排気する二次流路Ｎｂ、Ｎｃとなる。

図１１の酸素ポンプの酸素分圧制御のためのポンプ動作は、図７の酸素ポンプと同様に行われることから詳細説明は省略する。図１１の酸素ポンプの場合、被処理ガスＧ１が３本の固体電解質筒状体１０ａ〜１０ｃの内外面に沿って流れるため、ガスと固体電解質との有効接触面積が尚一層に増大し、その分、処理できるガス量が増大する。

以上の各実施の形態は、固体電解質筒状体の中心線を水平にした横置き仕様の酸素ポンプである。次に、固体電解質筒状体の中心線を略鉛直にした縦置き仕様の酸素ポンプの具体例を図１３及び図１４を参照して説明する。

図１３及び図１４に示す酸素ポンプは、図３の酸素ポンプを縦置き仕様にしたものに相当する。つまり、直径が大小異なる２本の円形固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂを同心に組み合わせ、各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの中心線を略鉛直に配置する。鉛直に縦配置された２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの下端部が中空の下部キャップ１２に連結され、各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの上端部が中空の上部キャップ１３に連結される。大径の固体電解質筒状体１０ｂの回りにリング状ヒーター４０が設置される。

ヒーター４０で各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂを７００℃程度に加熱した状態で、下部キャップ１２の中の流路穴１４に被処理ガスＧ１を給送する。下部キャップ１２の流路穴１４と各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの間の筒状空間である一次流路Ｍａが連通させてあり、流路穴１４に外部から給送された被処理ガスＧ１は、一次通路Ｍａに流入して上昇する。被処理ガスＧ１が鉛直な一次流路Ｍａを上昇する間に、酸素分子のイオン化反応が行われて、処理済みガスが中空の上部キャップ１３に入り、最終的に排気される。また、固体電解質筒状体１０ａの内部空間である二次流路Ｎａと、固体電解質筒状体１０ｂの外部空間である二次流路Ｎｂに放出された酸素分子が周囲のキャリアガス（空気）と共に排気される。図１３の酸素ポンプも図３の酸素ポンプと同様に、ガスと固体電解質の接触面積が増大して、処理されるガス量が増大する。図１３の酸素ポンプの場合、被処理ガスＧ１が上昇する筒状一次流路Ｍａは周方向に温度差がなく、周方向での酸素透過能力差が解消されて、被処理ガスＧ１が一次流路Ｍａの全周で均一的に酸素分圧制御される。その結果、酸素分圧の制御精度を向上させることができる。

なお、本発明のガスポンプは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

（Ａ）〜（Ｃ）はガスポンプ（酸素ポンプ）の各種の実施の形態を説明するための断面図である。（Ａ）（Ｂ）は他の実施の形態を説明するための断面図である。図１（Ａ）のガスポンプの具体例を示す断面図である。図３のＴ１−Ｔ１線に沿う断面図である。他の実施の形態を示すガスポンプの概要を示す断面図である。図５のガスポンプの要部の分解斜視図である。他の実施の形態を示すガスポンプの概要を示す断面図である。図７のＴ２−Ｔ２線に沿う断面図である。図７のガスポンプの要部の左側面図である。図７のＴ３−Ｔ３線に沿う断面図である。他の実施の形態を示すガスポンプの概要を示す断面図である。図１１のガスポンプの要部の分解斜視図である。他の実施の形態を示すガスポンプの概要を示す部分断面を含む側面図である。図１３のＴ４−Ｔ４線に沿う断面図である。酸素ポンプを使用した設備のブロック図である。酸素ポンプの概要を示す断面図である。

符号の説明

１０ａ〜１０ｄ固体電解質筒状体
１１固体電解質筒状体
１２下部キャップ
１３上部キャップ
２０ａ、２０ｂ流路仕切筒体
３１キャップ
３２キャップ
４０加熱装置、リング状ヒーター
Ｇ１被処理ガス
Ｇ２二次ガス
Ｅ直流電源
＋、− 電極
Ｍ一次流路
Ｎ二次流路

Claims

同心にして多重に配設された、それぞれが内外両面に電極を有する、径の異なる複数の固体電解質筒状体と、
前記複数の固体電解質筒状体のそれぞれの前記内外両面の電極に、異なる極性となる電圧を印加する直流電源と、
最外側の前記固体電解質筒状体の回りに配置した加熱装置と、
を有することを特徴とするガスポンプ。
前記複数の固体電解質筒状体間の筒状空間で、最小径の固体電解質筒状体の内部空間から数えて奇数番目の空間をポンプ動作対象の被処理ガスの処理に基づく二次ガスを固体電解質筒状体軸方向に流す二次流路とし、残りの偶数番目の空間を前記二次流路と区分けされた一次流路として、この一次流路に前記被処理ガスを固体電解質筒状体軸方向に流すと共に、前記一次流路に接する固体電解質筒状体面と前記二次流路に接する固体電解質筒状体面に異なる極性となる電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載のガスポンプ。
前記複数の固体電解質筒状体間の筒状空間で、最小径の固体電解質筒状体の内部空間から数えて奇数番目の空間をポンプ動作対象の被処理ガスを固体電解質筒状体軸方向に流す一次流路とし、残りの偶数番目の空間を前記一次流路と区分けされた二次流路として、この二次流路に前記被処理ガスの処理に基づく二次ガスを流すと共に、前記一次流路に接する固体電解質筒状体面と前記二次流路に接する固体電解質筒状体面に異なる極性となる電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載のガスポンプ。
前記複数の固体電解質筒状体間の筒状空間に、この空間を内側空間と外側空間に区分けする流路仕切筒体を、前記固体電解質筒状体と同心に配設して、前記区分けされた内側空間と外側空間の一方をポンプ動作対象の被処理ガスを固体電解質筒状体軸方向に流す一次流路とし、他方を前記被処理ガスの処理に基づく二次ガスを流す二次流路とすると共に、前記一次流路に接する固体電解質筒状体面と前記二次流路に接する固体電解質筒状体面に異なる極性となる電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載のガスポンプ。
前記一次流路と二次流路を交互に多重に配設し、径方向で隣接する一次流路を直列に連通させて、この隣接する一次流路の一方から流出する前記被処理ガスを反対方向にリターンさせて他方に流入させるようにしたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のガスポンプ。
前記一次流路と二次流路を交互に多重に配設して、径方向で隣接する一次流路を並列に連通させて、この隣接する一次流路に前記処理ガスを同方向に流すようにしたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のガスポンプ。
前記複数の固体電解質筒状体を、各々の中心線が略鉛直な縦置き仕様で多重に配設したことを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のガスポンプ。
前記複数の固体電解質筒状体の下端部に前記一次流路に連通する流路穴を有する中空の
キャップを被嵌したことを特徴とする請求項７に記載のガスポンプ。
前記固体電解質筒状体が酸化物イオン導電体であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のガスポンプ。