(57)【要約】【課題】大量に酸素を濃縮した場合にも、酸素イオン導電性基板の効率が高い、優れた酸素ポンプを提供することを目的とする。【解決手段】酸素イオン導電性基板１２を有する酸素濃縮部と、前記酸素濃縮部を加熱するヒーター１７と、酸素濃縮部へ空気を供給する空気供給パイプ２１と、酸素濃縮部の低酸素雰囲気ガスを外部に排気する排出パイプ２３とを備えたものである。これにより、空気中から酸素を大量に濃縮した場合にも、酸素濃縮部に発生する低酸素雰囲気ガスを排出パイプ２３で効率よく除去することができ、新鮮な空気を空気供給パイプ２１から酸素濃縮部に効率よく供給することができる。このため、大量の酸素を濃縮しても酸素イオン導電性基板１２の効率が低下することなく動作し、大量の酸素を供給することができる。【選択図】図１
2006138749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部電極と下部電極を設けた酸素イオン導電性基板を有する酸素濃縮部と、前記酸素濃縮部を加熱するヒーターを有する加熱部と、前記酸素濃縮部へ空気を供給する空気供給部と、前記酸素濃縮部の低酸素雰囲気ガスを外部に排気する排気部とを備えた酸素ポンプ。
【請求項２】
排気部は、空気供給部より上部に設け、かつ斜め上方に排気するように配置した請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
空気供給部と排気部は、酸素濃縮部の動作状態に応じて空気の供給量と低酸素雰囲気ガスの排気量とを可変する請求項１または２に記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
酸素濃縮部は、酸素イオン導電性基板を筒状の保持体内に固定し、その上下に複数の断熱板を配置して構成した請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
断熱板は多数個の孔を有し、この断熱板を孔が交互になるよう複数配置してなる請求項４に記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
空気供給部は、その空気を保持体の周囲に沿って供給するようにした請求項４または５に記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
空気供給部からの空気を保持体の周囲に沿ってラセン状に供給するようにした請求項６に記載の酸素ポンプ。
【請求項８】
保持体の上下に熱交換部を設けてなる請求項４〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中含まれる酸素を、酸素イオン導電性基板を利用して移動させる酸素ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板の両面に電極膜を設け、電源電圧を印加、酸素ポンプとして動作させていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプを示す。図に示すように、酸素ポンプ１は、酸素イオン導電性基板２の上面および下面に上、下部電極３、４が形成され、上、下部電極３、４はリ−ド線を介して直流電源５に接続されている。このような構成において、外部電源６に接続された外部ヒ−タ７により、酸素イオン導電性基板２を加熱し、約５００〜６００℃の高温に保持し、酸素ポンプ１として動作させていた。即ち、酸素を含む空気などが、通気性の断熱材８を透過し、下部電極４に衝突すると、含まれる酸素分子がイオン化され酸素イオン導電性基板２内にイオンとして注入される。この注入されたイオンは、直流電源５からの供給電圧により上部電極３に向かって移動する。このイオンが、上部電極３においてイオンから分子に変換され、通気性の断熱材８を透過して酸素ポンプ１の外部へ放出される。このようにして、酸素イオン導電性基板２の下側の空気から酸素を上側に供給する酸素ポンプとして動作させていた。
【０００４】
なお、酸素イオン導電性基板２は空気、酸素などの気体が透過可能な断熱材８内に配置され、断熱材８内を上下に区画板９により区画した状態で酸素イオン導電性基板２を保持している。この区画板９は金属箔などで構成され気体を遮断するものである。そして、全体は保持部材１０により保持されている。
【特許文献１】特開２００３−２１５０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、空気中に含まれる多数個の酸素イオンを濃縮し、供給すると、供給側の空気中の酸素濃度が大幅に低下して酸素イオン導電性基板２の効率が低下し、限界電流領域を形成し、酸素を充分に供給できなくなり、酸素ポンプ１として動作しなくなるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、大量に酸素を濃縮した場合にも、酸素イオン導電性基板の効率が高い、優れた酸素ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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を有する酸素濃縮部と、前記酸素濃縮部を加熱するヒーターを有する加熱部と、前記酸素濃縮部へ空気を供給する空気供給部と、前記酸素濃縮部の低酸素雰囲気ガスを外部に排気する排気部とを備えたものである。
【０００８】
これにより、空気中から酸素を大量に濃縮した場合にも、酸素濃縮部に発生する低酸素雰囲気ガスを排気部で効率よく除去することができ、新鮮な空気を空気供給部から酸素濃縮部に効率よく供給することができるようになる。このため、大量の酸素を濃縮しても酸素イオン導電性基板の効率が低下することなく動作し、大量の酸素を供給することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の酸素ポンプは、空気から大量の酸素を濃縮した場合にも、低酸素雰囲気ガスを効率よく排気するとともに、新鮮な空気を酸素濃縮部に供給できるので、酸素イオン導電性基板の効率が低下することなく、大量の酸素を濃縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、上部電極と下部電極を設けた酸素イオン導電性基板を有する酸素濃縮部と、前記酸素濃縮部を加熱するヒーターを有する加熱部と、前記酸素濃縮部へ空気を供給する空気供給部と、前記酸素濃縮部の低酸素雰囲気ガスを外部に排気する排気部とを備えた酸素ポンプとすることにより、空気中から酸素を大量に濃縮した場合にも、酸素濃縮部に発生する低酸素雰囲気ガスを排気部で効率よく除去することができ、新鮮な空気を空気供給部から酸素濃縮部に効率よく供給することができるようになる。このため、大量の酸素を濃縮しても酸素イオン導電性基板の効率が低下することなく動作し、大量の酸素を供給することができる。
【００１１】
第２の発明は、特に、第１の発明において、排気部は、空気供給部より上部に設け、かつ斜め上方に排気するように配置したことにより、酸素濃縮部で暖められた低酸素雰囲気ガスを、自然対流を利用して効率よく排気することができる。このため、新鮮な空気を酸素濃縮部に効率よく供給することができ、大量に酸素を濃縮した場合にも、イオン導電性基板の効率が低下することなくなる。
【００１２】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、空気供給部と排気部は、酸素濃縮部の動作状態に応じて空気の供給量と低酸素雰囲気ガスの排気量とを可変することにより、酸素濃縮部の動作状態が著しいときは、酸素供給量および低酸素雰囲気ガスの排出量を大きくすることができる。このため、酸素イオン導電性基板の効率を低下させずに大量の酸素を濃縮することができる。
【００１３】
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、酸素濃縮部は、酸素イオン導電性基板を筒状の保持体内に固定し、その上下に複数の断熱板を配置して構成したことにより、通気性に優れた断熱構成とすることができ、効率よく酸素を濃縮することができる。
【００１４】
第５の発明は、特に、第４の発明において、断熱板は多数個の孔を有し、この断熱板を孔が交互になるよう複数配置してなることにより、通気性に優れ、また熱絶縁性にも優れた構成とすることができ、効率よく酸素を濃縮することができる。
【００１５】
第６の発明は、特に、第４または第５の発明において、空気供給部は、その空気を保持体の周囲に沿って供給するようにしたことにより、酸素濃縮部に新たに供給される空気を予め暖めることができ、酸素濃縮部を冷却することなしに空気を供給することができ、効率の良い酸素濃縮部を構成することができる。
【００１６】
第７の発明は、特に、第６の発明において、空気供給部からの空気を保持体の周囲に沿ってラセン状に供給するようにしたことにより、酸素濃縮部に新たに供給される空気を充分に熱交換することができ、酸素濃縮部を冷却することなしに新たな空気を供給することができ、効率の良い酸素濃縮部を構成することができる。
【００１７】
第８の発明は、特に、第４〜第７のいずれか１つの発明において、保持体の上下に熱交換部を設けてなることにより、空気の流入側では、充分な熱交換、即ち、新たに供給する空気を予め暖め、また、流出側では、暖められた酸素から熱を回収し、熱損失を抑えることができ、効率のよい酸素濃縮を行うことができる。
【００１８】
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。
【００１９】
（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の実施の形態１における酸素ポンプを示す。
【００２０】
図１に示すように、酸素ポンプ１１は、上部電極１３と下部電極１４を設けた酸素イオン導電性基板１２を有する酸素濃縮部と、前記酸素濃縮部を加熱するヒーター１７を有する加熱部と、前記酸素濃縮部へ空気を供給する空気供給パイプ２１および送風器２２を有する空気供給部と、前記酸素濃縮部の低酸素雰囲気ガスを外部に排気する排出パイプ２３および排出器２４を有する排気部と、酸素供給用の酸素供給パイプ２５を有する酸素供給部を備えたものである。
【００２１】
前記酸素イオン導電性基板１２はランタンガレ−ドなどのイオン導電性基板を用い、上部電極１３と下部電極１４は、酸素イオン導電性基板１２の上下面に設けており、サマリウム・ストロンチウム・コバルト酸化物（ＳＳＣＯ）系などからなる。酸素イオン導電性基板１２（酸素濃縮部）は、酸素ポンプの外郭を構成する筒状の保持体２０内の中央に断熱材１８で囲まれ区画板１９で保持されて固定されている。区画板１９は金属箔などで構成され気体を遮断するものであり、酸素イオン導電性基板１２の上、下面側を区画する。
【００２２】
また、上部電極１３と下部電極１４は、電源１５と接続されており、電流モニタ−２６により酸素イオン導電性基板１２を流れる酸素イオン電流をモニタ−されている。また、ヒーター１７は、ヒーター電源１６と接続されている。
【００２３】
そして、保持体２０で保持された断熱材１８内には、酸素イオン導電性基板１２を有する酸素濃縮部と、この酸素濃縮部を加熱するヒーター１７を有する加熱部が配置され、酸素イオン導電性基板１２の下部電極１４側の空間に空気供給パイプ２１および排出パイプ２３が位置し、酸素イオン導電性基板１２の上部電極１３側の空間に酸素供給パイプ２５が接続されている。
【００２４】
次に、上記した酸素ポンプの動作について説明する。
【００２５】
まず、ヒ−タ−電源１６からの電力をヒ−タ−１７に通電し、酸素イオン導電性基板１２を約５００〜６００℃の高温に加熱する。この状態で、上部電極１３と下部電極１４に外部の電源１５から電圧を印加すると、下部電極１４に衝突する空気中の酸素分子は、下部電極１４でイオン化され、酸素イオン導電性基板１２の中に注入され、注入された酸素イオンは上部電極１３へと拡散してゆく。上部電極１３に到達した酸素イオンは、上部電極１３において酸素イオンから酸素分子へと変換され、酸素分子として上部電極１３の上面の空間へ放出される。このようにして、空気中の酸素を下から上へと移動させる酸素ポンプとして動作する。この場合、イオン動作電流密度をＩｉ［Ａ／cm2］、イオン動作電圧をＶｉ［Ｖ］とすると、Ｉｉ＝１〜２［Ａ／cm2］、Ｖｉ＝１〜２［Ｖ］となる。全イオン動作電流Ｉｉｏｎ［Ａ］は、電流モニタ−２６によりモニタ−される。
【００２６】
この時、電源１５の電圧と、電流モニタ−２６の電流値とから酸素イオン導電性基板１２の動作温度を知ることができる。酸素供給を増加させていくと、即ち、全イオン電流を大きくすると、酸素イオン導電性基板１２の下部の雰囲気ガスは、酸素濃度が低下する一方となる。従って、新鮮な空気を酸素イオン導電性基板１２に供給するとともに、低酸素濃度の雰囲気ガスを排出する必要がある。
【００２７】
図２に、空気供給用パイプ２５からの空気供給量とイオン動作電流Ｉｉｏｎとの関係を示す。横軸にイオン動作電圧Ｖｉ［Ｖ］を、縦軸にイオン動作電流Ｉｉｏｎ［Ａ］を示す。図中の実線２７は新鮮な空気を充分に供給し、低酸素濃度の雰囲気ガスを程度に排出した場合の、イオン動作電圧とイオン動作電流との関係を示す。２８は新鮮な空気を供給しないで、また低酸素雰囲気ガスを排出しなかった場合の結果を、また、２９は新鮮な空気を微量供給し、低酸素雰囲気ガスを微量排出した場合の結果を示す。新鮮な空気の供給の無い場合や、新鮮な空気の供給量が少ない場合には、即ち、低酸素雰囲気ガスの排出が不十分である場合には、イオン動作電流が飽和するという限界電流特性が観側され、酸素イオン導電性基板１２の動作効率が大幅に低下していることがわかる。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態の酸素ポンプは、酸素供給量多くしても、適度に新鮮な空気を供給することができ、適度に低酸素雰囲気ガスを排出することができるので、酸素イオン導電性基板１２の効率が低下することなく、大量の酸素を濃縮供給することができる。
【００２９】
なお、上記説明において、低酸素雰囲気ガスの排出パイプ２３に排出器２４を設けたが、適当な径の排出パイプが設けられているだけでも良い。例えば、排出パイプ２３が斜め上方に配置されているだけでよい。即ち、この場合には排出パイプ２３が煙突の役目を果たし、内部の低酸素雰囲気の高温ガスが自然対流により強制的に排出される結果となり、排出効果は十分に期待できる。この時、排出パイプ２３を有する排気部を、酸素供給パイプ２５を有する空気供給部よりも上部に設けることにより、より一層、自然対流効果が増長される。自然対流で低酸素雰囲気ガスが排気部より排出される結果、新鮮な空気は送風器２２が無くても十分に吸入、供給されることなる。また、内部が高温であるため、自然対流の結果、新鮮な外部の空気が排出パイプ２３を介して、直接、酸素イオン導電性基板１２に流入することはない。これは送風器２２が無くても、自然に新鮮な空気が供給されることを意味し、低酸素雰囲気ガスが、自然対流により外部に放出されることをも意味している。
【００３０】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における酸素ポンプについて説明する。酸素ポンプの構成は実施の形態１と同じであるので、説明を省略する。
【００３１】
本実施の形態においては、新鮮な空気の供給量と、イオン動作電流、酸素供給量、低酸素雰囲気ガスの排出量との関係を配慮したものである。
【００３２】
例えば、酸素供給用パイプ２５からの酸素放出量を２００［ｃｃ／ｍｉｎ］とすると、これは酸素イオンが酸素イオン導電性基板１２を通過した結果であるから、イオン電流に換算すると全イオン電流は約５７［Ａ］相当となる。この時、空気供給パイプ２１から酸素イオン導電性基板１２に供給する送風器２２が供給する空気の量は約１０００［ｃｃ／ｍｉｎ］となる。このため、排出パイプ２３から排出される低酸素雰囲気ガスは８００［ｃｃ／ｍｉｎ］となる。
【００３３】
このように、電流モニタ−２６により、イオン動作電流をモニタ−することにより、酸素濃縮部の動作状態を把握することができ、酸素供給量を検知していることになる。その結果にあわせて、酸素イオン導電性基板１２に必要な新鮮な空気量を計算でき、送風器２２を制御することにより、過不足なく新鮮な空気を供給することができ、常に酸素イオン導電性基板１２を効率よく動作させることができる。また、排出器２４を有する排気部においても同様である。
【００３４】
従って、空気供給部と排気部は、酸素濃縮部の動作状態に応じて空気の供給量と低酸素雰囲気ガスの排気量とを可変することにより、酸素濃縮部の動作状態が著しいときは、酸素供給量および低酸素雰囲気ガスの排出量を大きくすることができる。このため、酸素イオン導電性基板１２の効率を低下させずに大量の酸素を濃縮することができる。
【００３５】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における酸素ポンプを示す。実施の形態１と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
本実施の形態における酸素ポンプ２９は、酸素濃縮部を保持固定する金属箔などで構成される筒状の保持体３０を、熱絶縁体で構成される円環状の区画板３１で支持し、断熱材よりなる筐体３２に装備して構成している。保持体３０は、その上下にメッシュあるいは発泡金属で構成された熱交換部３３ａおよび３３ｂを設けている。また、保持体３０の内部には、熱を反射断熱する断熱板３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを酸素イオン導電性基板１２の上下に分けてそれぞれ配置している。なお、保持体３０および断熱板３４ａ〜３４ｄの表面は金属光沢のある状態とし、反射能および断熱性を向上させた状態にしている。
【００３７】
この構成において、ヒ−タ−１７に通電し、酸素イオン導電性基板１２と上、下部電極１３、１４とからなる酸素濃縮部を約５００〜６００℃の高温に加熱し、酸素濃縮部として動作させる。この時、ヒ−タ−１７からの熱は、断熱板３４および保持体３０の内面で反射され酸素イオン導電性基板１２を効率よく加熱する。
【００３８】
なお、断熱板３４はパンチ孔などの多数個の孔を有している。図に示す断熱板３４の破線部分は孔を示し、実線部分は孔のない部分を示す。断熱板３４ａおよび断熱板３４ｄの孔は断熱板の中央部に設け、断熱板３４ｂおよび断熱板３４ｃの孔は断熱板の周辺部に設けた。即ち、断熱板３４を孔が交互になるよう複数配置してヒ−タ−１７からの放射される熱線が直接外部に漏れでないような構成とし、熱線の反射効率が高くなるようにした。また、このために外部から供給される新鮮な空気が直進できずに充分に熱交換される結果ともなる。
【００３９】
酸素濃縮部の動作状態に応じて空気供給用の空気供給パイプ２１からは新鮮な空気が酸素濃縮部に供給される。このとき、供給される空気は保持体３０の外周囲に沿って供給されるようになっており、下部の熱交換部３３ｂを通過し、充分に熱交換された後、断熱板３４ｂ、３４ｃとも熱交換しながら、さらにはヒ−タ−１７を通過し、酸素イオン導電性基板１２を有する酸素濃縮部へ到達する。このように、新鮮な空気は充分に熱交換された後、酸素イオン導電性基板１２に到達するので、酸素イオン導電性基板１２を急冷することがない。このため、イオン導電性基板１２が破壊されることも無く高温で、効率よく動作することができる。また、イオン導電性基板１２の下部に滞留する低酸素雰囲気ガスは排出パイプ２３を介して外部に放出される。
【００４０】
なお、排出パイプ２３はステンレス（ＳＵＳ）などの熱伝導の悪い材料で薄肉のパイプとし、内部の熱が伝導で失われるのを極力抑制するようにした。また、濃縮された酸素は、断熱板３４ｂ、３４ａと熱交換し、さらには保持体３０の上部に設けられた熱交換部３３ａと熱交換し、酸素供給用の酸素供給パイプ２５を介して、低い温度の酸素として外部へ供給されるようにした。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態における酸素ポンプによれば、酸素濃縮の動作状態に応じて新鮮な空気を、充分に熱交換させることにより、酸素イオン導電性基板１２を急冷させることもなく適量を供給することができる。また、低酸素雰囲気ガスを適度に排出することができるので、常に効率よく酸素を外部に供給することができる。
【００４２】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における酸素ポンプの断面を示す。実施の形態１、２と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
本実施の形態における酸素ポンプ２９は、空気供給パイプ２１から供給される新鮮な空気が保持体３０の周囲に沿ってラセン状に供給されるように保持体３０の外周部および筐体３２の内面にラセン状にフィン３５ａおよび３５ｂを設けたものである。
【００４４】
この構成により、外部から供給された新鮮な空気は筐体３２の内側と保持体３０の外周との間をラセン状に熱交換しながら保持体３０の下部の熱交換部３３ｂを通って、酸素イオン導電性基板１２に供給される。
【００４５】
このように、外部から供給される新鮮な空気はラセン状の長い距離にわたって熱交換されるので、充分な高温状態となって、酸素イオン導電性基板１２の到達することができ、酸素イオン導電性基板１２を冷却することもない。このため、効率が低下することもなく酸素濃縮部が動作させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、空気から大量の酸素を濃縮した場合にも、低酸素雰囲気ガスを効率よく排気するとともに、新鮮な空気を酸素濃縮部に供給できるので、酸素イオン導電性基板の効率が低下することなく、大量の酸素を濃縮することができるので、酸素供給機器、脱酸素機器、あるいは医療機器などへの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１、２における酸素ポンプの断面図
【図２】同酸素ポンプの特性図
【図３】本発明の実施の形態３における酸素ポンプの断面図
【図４】本発明の実施の形態４における酸素ポンプの断面図
【図５】従来の酸素ポンプを示す断面図
【符号の説明】
【００４８】
１１、２９  酸素ポンプ
１２  酸素イオン導電性基板（酸素濃縮部）
１３  上部電極
１４  下部電極
１７  ヒ−タ−
２１  空気供給パイプ（空気供給部）
２３  排出パイプ（排気部）
２５  酸素供給パイプ
３３ａ、３３ｂ  熱交換部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ  断熱板
３５ａ、３５ｂ  フィン
【図１】
2006138749.tif 000003
【図２】
2006138749.tif 000004
【図３】
2006138749.tif 000005
【図４】
2006138749.tif 000006
【図５】
2006138749.tif 000007