JP5329036B2 - 酸素ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、酸素ポンプに関するものである。

従来から、固体電解質を含む電気化学的な酸素ポンプを有する酸素分圧制御装置により、酸素分圧を制御した雰囲気ガスを用いて、単結晶試料等を作成する方法が知られている（特許文献１）。

図３に示す酸素分圧制御装置は、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。

さらにこの装置は、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。なお、通常、不活性ガス中の酸素分圧は１０^-４ａｔｍ程度である。

電気化学的な酸素ポンプ４は、図４に示すように、酸素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、図示しないヒータで６００℃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＋Ｏ_２（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（Ｏ_２）が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（Ｏ_２）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＋Ｏ_２（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（精製ガス）となり、次工程（装置）に給送される。

なお、図４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（Ｏ_２）が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（Ｏ_２）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。
特開２００２−３２６８８７号公報

図４に示す酸素ポンプでは、１本の円形パイプ状の固体電解質筒状体を使用している。すなわち、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。

固体電解質筒状体は酸素イオン伝導を適切な値に保つため５００℃以上に加熱して使用する。固体電解質材料の熱膨張係数は、例えばジルコニアで概略１０×１０^−６程度と一般的なセラミック材料に比して大きい。このため、ガス精製の性能を得るために５００ｍｍ長の固体電解質筒状体を加熱すると、端部は計算上で０．２ｍｍを超える変位が発生することになる。ところが、実際には管端部は分岐管等に対し気密構造で固定されており、熱応力が発生する。このようなストレスが生じれば、固体電解質筒状体の破損を招き、固体電解質筒状体の寿命を短くする。このストレスの大きさは固体電解質筒状体の加熱温度と熱膨張率及び長さの影響を受ける。しかし、加熱温度と熱膨張率は固体電解質筒状体の材質によって決まり、長さは長いほどストレスは大きくなるが、固体電解質筒状体の効率的な利用を考えると長い方が有利であるので通常長い物が使用される。したがって、ストレスを開放するためには固体電解質筒状体を軸方向の自由度を持って保持することが考えられる。

一方で、固体電解質筒状体の軸方向への伸縮を許容すれば、固体電解質の一部や電極の一部がはがれるおそれがある。固体電解質等の一部がはがれれば、その剥がれた一部が精製ガス（処理済みガス）に混入したりして、試料作成室等に供給するガスの品質が低下する。さらに、酸素分圧制御装置の循環経路のガスの流れに支障を来す場合もある。

本発明は、上記課題に鑑みて、固体電解質筒状体に対してストレスを与えず、耐久性に優れた酸素ポンプを提供する。

本発明の酸素ポンプは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質筒状体と、この固体電解質筒状体の内面及び外面に配置される電極と、固体電解質筒状体を加熱する加熱手段を備えた酸素ポンプにおいて、上下方向に沿って鉛直状に配設される複数の固体電解質筒状体を、一鉛直面上に所定ピッチで平行に配設するとともに、各固体電解質筒状体の上下方向位置を維持しつつ軸方向の伸縮を許容するフレキシブル連結体を介して各固体電解質筒状体の両端を固定側にそれぞれ取付け、かつ、フレキシブル連結体を、ループ状のフレキシブル本体を有するフレキシブル管から構成するとともに、前記加熱手段を平面状の一対のヒータにて構成して、この平面状の一対のヒータで、一鉛直面上に配設された複数の固体電解質筒状体をサンドイッチ状に挟み、さらに、各固体電解質筒状体には下方からガスが流入するものである。

本発明の酸素ポンプによれば、固体電解質筒状体の両端をそれぞれフレキシブル連結体を介して固定側に取付けたので、固体電解質筒状体は軸方向の伸縮が許容され、固体電解質筒状体に対して軸心方向のストレスが発生しない。

ところで、固体電解質筒状体の軸方向への伸縮が許容されれば、熱膨張等で、固体電解質の一部や電極の一部がはがれるおそれがある。そこで、固体電解質筒状体に下方からガスが流入するようにすれば、上方から処理済みガスが流出することになるので、固体電解質等の剥がれたものは下方に留まって、処理済みのガス供給側へ流出させない。

本発明では、固体電解質筒状体には軸心方向のストレスが発生しない。このため、主として破損原因となる要因を削除しているので、固体電解質筒状体の寿命は長くなる。

平面状のヒータにて、固体電解質筒状体をサンドイッチ状に挟むことができ、コンパクトな酸素ポンプを構成することができる。特に、サンドイッチ状に挟む場合、複数の固体電解質筒状体を一鉛直面上に所定ピッチで配設するようにすれば、コンパクト化を一層図ることができ、この酸素ポンプを使用する酸素分圧制御装置への組み込み性が向上する。しかも、複数の固体電解質筒状体を備えるので、精製能力の向上を図ることができる。

固体電解質筒状体に下方からガスを供給することによって、剥がれたものはこの下方に留まって、処理済みのガス供給側へ流出させない。このため、純粋な精製ガスを供給することができ、ガス供給側の試料作成室等での作業が安定する。

以下本発明の実施の形態を図１と図２に基づいて説明する。本発明に係る酸素ポンプは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質筒状体３０と、この固体電解質筒状体３０の内面及び外面に配置される電極（図示省略）と、固体電解質筒状体３０を加熱する加熱手段３１を備える。この場合、固体電解質筒状体３０の内面及び外面に白金めっき等を施して、電極を構成する。この酸素ポンプは、複数本（図例では５本）の固体電解質筒状体３０を有し、各固体電解質筒状体３０は断熱構造体３５に包囲されている。なお、各固体電解質筒状体３０と断熱構造体３５とは図示省略のケーシング内に収容されている。

断熱構造体３５は、断熱材からなる半割体３７、３７を備え、半割体３７、３７の合わせ面３７ａ、３７ａ間に所定寸の隙間４０が形成される。すなわち、この隙間４０を、固体電解質筒状体３０の外径寸法よりも僅かに大きく設定し、隙間４０に固体電解質筒状体３０を半割体３７に接触しないように配置する。

ここで、断熱材とは、熱エネルギーの移動を遮断する材料であり、無機質のものと有機質のものがある。一般に温度の高い場合には無機質材料が，温度の低い場合には有機質材料が使用される。無機質断熱材としては，セラミック繊維・ガラス繊維・アスベストなどを用いる繊維質断熱材，ケイ酸カルシウム・炭酸マグネシウムなどを用いる粉末質断熱材，パーライト・泡ガラスなどによる多孔質断熱材がある。このため、固体電解質筒状体３０は６００℃程度に加熱手段３１にて加熱されるので、この温度に対応できるものから選択できる。

また、各合わせ面３７ａ、３７ａに、矩形状の凹所４１，４１が設けられ、凹所４１，４１にて形成される空間４２に、加熱手段３１を構成する一対のヒータ４３、４３が配置されている。なお、凹所４１、４１にはカバー材３９が装着される。このように、本酸素ポンプは、複数の固体電解質筒状体３０を一鉛直面上に所定ピッチで配設するとともに、加熱手段３１を構成する平面状のヒータ４３，４３にて、複数の固体電解質筒状体３０にて構成された筒状体群２９をサンドイッチ状に挟むことになる。

各々のヒータ４３は、図示省略の温度検出器（例えば熱電温度計）が付設され、ヒータ４３の温度が監視される。ここで、熱電温度計とは熱電対を使った温度計である。すなわち、測温接点をヒータ側（ヒータ自体又はヒータを支持している図示省略の支持体）に接続し、この測温接点と基準接点との間の起電力を測ることになる。

各固体電解質筒状体３０は、その上端側及び下端側がフレキシブル連結体５５，５６を介して前記図示省略のケーシングに取付けられている。すなわち、ケーシングには、その上部と下部に空間部が設けられ、この空間部に突出した固体電解質筒状体３０の上下端にはそれぞれ連結用管継手５９、６０が付設されている。また、上方の空間部にはガス合流管６１が配置され、下方の空間部にはガス分岐管６２が配置され、このガス合流管６１及びガス分岐管６２に、フレキシブル連結体５５，５６を介して連結用管継手５９、６０が連結される。

フレキシブル連結体５５，５６はフレキシブル管であって、フレキシブル本体５５ａ、５６ａと、連結用管継手５９、６０に接続される接続部５５ｂ、５６ｂと、ガス合流管６１又はガス分岐管６２に接続される接続部５５ｃ、５６ｃとからなる。また、図２に示すように、フレキシブル本体５５ａ、５６ａはループ状に形成される。

ガス合流管６１及びガス分岐管６２は、それぞれ、その長手方向に延びる軸心孔６６と、この軸心孔６６に連通される複数（この場合、固体電解質筒状体３０に対応して５個）の連結部６７とが形成されている。なお、連結部６７は軸心孔６６に沿って所定ピッチ（一定ピッチ）に配置される。そして、各連結部６７にフレキシブル連結体５５，５６が接続される。

ガス合流管６１はケーシングの上壁に固着されるとともに、その軸心孔６６に連通される連結管６８が接続される。この場合、合流管６１の軸心孔６６はケーシングの一方の側壁側（図１における右側）に開口し、この開口部がケーシングの一方の側壁に固定される前記連結管６８に連結される。

ガス分岐管６２はケーシングの下壁に固着されるとともに、その軸心孔６６に連通される連結管６９が接続される。この場合、分岐管６２の軸心孔６６はケーシングの他方の側壁側（図１における左側）に開口し、この開口部がケーシングの一方の側壁に固定される前記連結管６９に連結される。このため、連結管６９は、分岐管６２から他方の側壁側へ突出した後、一方の側壁側へＵターンすることになる。

この場合、下方の連結管６９から分岐管６２及びフレキシブル連結体５６を介して、下方から固体電解質筒状体３０にガスが流入し、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（精製ガス）となり、この処理済みガスがこの固体電解質筒状体３０の上方から、フレキシブル連結体５５及び合流管６１を介して上方の連結管６８へ流出する。

ところで、本発明の酸素ポンプは、一方の側壁側の固体電解質筒状体３０Ａへ流入するガスは、他方の側壁側の開口部から分岐管６２に入って、この分岐管６２の軸心孔６６を一方の側壁側へ流れた後、流入することになる。そして、この固体電解質筒状体３０Ａを流れた精製されたガスは、フレキシブル連結体５５を介して合流管６１の軸心孔６６の開口側へ流入して、連結管６８を介して酸素センサ側に流出する。また、他方の側壁側の固体電解質筒状体３０Ｅへ流入するガスは、他方の側壁側の開口部から分岐管６２に入って、他方の側壁側の連結部６７からフレキシブル連結体５６を介して流入し、この固体電解質筒状体３０Ｅで精製されたガスが合流管６１の軸心孔６６の他方の側壁側の連結部６７に流入して、この軸心孔６６を開口側へ流れ、連結管６８を介して酸素センサ側に流出する。

このように、各固体電解質筒状体３０の上下動は許容しているが、上下のフレキシブル連結体５５、５６にて上下位置を所定の高さ位置に対応させている。すなわち、フレキシブル連結体５５、５６はヒータ４３に対応する位置に保持でき、しかも固体電解質筒状体３０の上下動を許容する剛性を具備する必要がある。なお、断熱構造体３５に固体電解質筒状体３０の水平方向の移動を規制する規制部材を配置するのも好ましい。

本発明によれば、固体電解質筒状体３０の上端及び下端をそれぞれフレキシブル連結体５５、５６を介して固定側に取付けているので、固体電解質筒状体３０は軸方向の伸縮が許容され、固体電解質筒状体３０に対して軸心方向のストレスが発生しない。このため、主として破損原因となる要因を削除しているので、固体電解質筒状体の寿命は長くなる。

ところで、固体電解質筒状体３０の軸方向への伸縮が許容されれば、熱膨張等で、固体電解質の一部や電極の一部がはがれるおそれがある。しかしながら、このような場合でも、本発明では、固体電解質筒状体３０に下方からガスが流入するので、上方から処理済みガスが流出することになって、固体電解質等の剥がれたものはこの下方に留まって、処理済みのガス供給側へ流出させない。このため、純粋な精製ガスを供給することができ、ガス供給側の試料作成室等での作業が安定する。

さらに、複数の固体電解質筒状体３０を一鉛直面上に所定ピッチで配設するとともに、加熱手段３１を構成する平面状のヒータ４３にて、固体電解質筒状体３０をサンドイッチ状に挟む。これによって、コンパクトな酸素ポンプを構成することができ、この酸素ポンプを使用する酸素分圧制御装置への組み込み性が向上する。しかも、複数本の固体電解質筒状体３０を備えるので、精製能力の向上を図ることができる。

なお、この実施形態の酸素ポンプでは、ガス分岐管６２から各固体電解質筒状体３０にガスを供給する分フレキシブル連結体５６と、ガス流入用管６９が接続されるガス分岐管６２と、ガス流出用管６８が接続されるガス合流管６１と、各固体電解質筒状体３０からガス合流管６１に供給するフレキシブル連結体５５とを備えた流量制御機構が構成される。この流量制御機構によって、ガス流入用管６９から固体電解質筒状体３０までの上流側流路と、固体電解質筒状体３０からガス流出用管６８までの下流側流路とにおいて、流路長さを相違させるとともに、固体電解質筒状体毎の上流側流路と下流側流路との合計長さを一定にした。

したがって、流量制御機構によって、酸素ポンプでは、並設される固体電解質筒状体３０毎に、上流側と下流側とで流路の長さを相違させ、この酸素ポンプ内を流れ込んで、分岐した後、合流するガスの流路の長さを一致させている。このため、各固体電解質筒状体３０を流れるガスの流量が同一となって、各固体電解質筒状体３０の処理能力が同一となっている。

参考例ではあるが、加熱手段３１として、平面状のヒータ４３を使用せずに、固体電解質筒状体３０を包囲状とする電熱線（ヒータ）にて構成できる。この場合、複数のリング状の電熱線を軸方向に沿って所定のピッチで配置したものであっても、１本の電熱線を固体電解質筒状体３０の周り螺旋状（コイル状）に巻設したものであってもよい。このように、包囲状とする電熱線を用いれば、固体電解質筒状体３０を全周方向から加熱することができ、効率のよい加熱が可能となる。

また、他の参考例として、複数の固体電解質筒状体３０にて柱状の固体電解質筒状体束を構成してもよい。この場合、複数の固体電解質筒状体３０を円周方向に沿って配設したり、複数本を束ねるように配設したりすることができる。また、円周方向に沿って配設する場合、複数の同心円上に配設したものであってもよい。

複数の固体電解質筒状体３０にて柱状の固体電解質筒状体束を構成すれば、加熱手段３１としてこの固体電解質筒状体束の外周側に配置されて外周を包囲状とする電熱線（ヒータ）、内周側に配置されて内周を包囲状とする電熱線（ヒータ）、又は外周側と内周側の両者を包囲状とする電熱線（ヒータ）を使用することができる。このため、固体電解質筒状体束の各固体電解質筒状体３０をより効率よく加熱することができ、しかも、複数の固体電解質筒状体を備えるので、精製能力の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、固体電解質筒状体３０の上端と下端とのいずれか一方をフレキシブル連結体にて連結するようなものでもよい。また、固体電解質筒状体３０の数の増減は任意であり、少なくとも１本あればよい。鉛直面上に配設する場合でも、定ピッチでなく、不等ピッチでもよい。さらには、各固体電解質筒状体３０を上下方向に沿って配設することなく、水平方向等に沿って配設してもよい。

実施形態では、下方の分岐管６２に接続される連結管６９側を長くしているが、上方の合流管６１に接続される連結管６８側を長くしてもよい。さらに実施形態では、ガスが下方の連結管６９から流入して各固体電解質筒状体３０にて処理された後、上方の連結管６８から流出するものであるが、逆に、ガスが上方の連結管６８から流入して各固体電解質筒状体３０にて処理された後、下方の連結管６９から流出するものであってもよい。

加熱手段３１のヒータ４３として、前記実施形態では固体電解質筒状体３０をサンドイッチ状に挟んだものであったが、前面側と後面側とのいずれか一方に配置するものであってもよい。また、複数の固体電解質筒状体３０にて柱状の固体電解質筒状体束を構成したものに対する加熱手段３１に、平面状のヒータ４３を使用してもよく、この場合であっても、２枚の平面状のヒータ４３でサンドイッチ状に挟んでも、一枚の平面状のヒータ４３を前面側と後面側とのいずれか一方に配置するものであってもよく、さらには、４枚の平面状のヒータ４３で、固体電解質筒状体束を前後左右の４方向を包囲するように配置してもよい。

本発明の実施形態を示す酸素ポンプの内部の要部正面図である。 前記酸素ポンプの断面側面図である。 。 従来の酸素分圧制御装置の簡略図である。 酸素ポンプの原理の説明図である。

符号の説明

３０ 固体電解質筒状体
３１ 加熱手段
４３ ヒータ
５５ フレキシブル連結体
５６ フレキシブル連結体

Claims (1)

1. 酸素イオン伝導性を有する固体電解質筒状体と、この固体電解質筒状体の内面及び外面に配置される電極と、固体電解質筒状体を加熱する加熱手段を備えた酸素ポンプにおいて、
   上下方向に沿って鉛直状に配設される複数の固体電解質筒状体を、一鉛直面上に所定ピッチで平行に配設するとともに、各固体電解質筒状体の上下方向位置を維持しつつ軸方向の伸縮を許容するフレキシブル連結体を介して各固体電解質筒状体の両端を固定側にそれぞれ取付け、かつ、フレキシブル連結体を、ループ状のフレキシブル本体を有するフレキシブル管から構成するとともに、前記加熱手段を平面状の一対のヒータにて構成して、この平面状の一対のヒータで、一鉛直面上に配設された複数の固体電解質筒状体をサンドイッチ状に挟み、さらに、各固体電解質筒状体には下方からガスが流入することを特徴とする酸素ポンプ。

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