(57)【要約】【課題】耐熱性基板上に抵抗発熱体あるいは赤外線反射層を構成することで、酸素ポンプ素子の均一加熱と熱ロスを低減した効率的な動作を可能にすること。【解決手段】酸素イオン導電性基板４の両面に正負電極膜５が形成された酸素ポンプ素子６と、耐熱性基板１１上に抵抗発熱体１２が形成された加熱手段１０と、電極膜５と電気的に接続された導電手段８と、酸素ポンプ素子６と加熱手段１０を電気的に絶縁する通気性絶縁材９とで構成し、酸素ポンプ素子６の負電極膜と加熱手段１０の抵抗発熱体１２を相対する構成に配置することにより、抵抗発熱体１２が酸素ポンプ素子６を均一加熱することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性基板の両面に電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とを有し、前記酸素ポンプ素子の負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置した酸素ポンプ。
【請求項２】
抵抗発熱体は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムのうち少なくとも１つを含む請求項１に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項３】
耐熱性基板は、絶縁性セラミックスで構成される請求１または２に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項４】
通気性絶縁材は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体である請求項１〜３いずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項５】
通気性絶縁材は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構造とした請求項１〜３いずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項６】
酸素イオン導電性基板の両面に電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体と赤外線反射層が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とを有し、前記酸素ポンプ素子の負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置した酸素ポンプ。
【請求項７】
抵抗発熱体は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムのうち少なくとも１つを含む請求項６に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項８】
赤外線反射層は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムのうち少なくとも１つを含む請求項６または７に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項９】
耐熱性基板は、絶縁性セラミックスで構成される請求６〜８いずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１０】
通気性絶縁材は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体である請求項６〜９いずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１１】
通気性絶縁材は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構造とした請求項６〜９いずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的に酸素イオンを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、酸素ポンプ素子を動作するに必要な所定温度に昇温維持するために電熱線などの抵抗発熱体を使った加熱手段を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプを示すものである。図３に示すように、酸素イオン導電性基板１には、電圧印加手段２と加熱手段である温度調整手段３が設けられた構成となっている。
【特許文献１】特開平７−１７２８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、酸素イオン導電性基板上で温度分布が小さい均一加熱が困難なこと、ならびに熱ロスが大きく温度上昇に時間を要するなどエネルギー的に効率的な加熱が得にくいという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、均一加熱と効率的な動作が可能な酸素ポンプを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために本発明は、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置するものである。
【０００７】
これによって、酸素イオン導電性基板の均一加熱が可能となる。
【０００８】
また、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体と赤外線反射層が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置するものである。
【０００９】
これによって、酸素イオン導電性基板の均一加熱が可能となり、かつ熱ロスを低減した効率的な動作が可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の酸素ポンプは、酸素ポンプ素子の均一加熱と効率的な動作が可能となるので、低消費電力の酸素ポンプ素子の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置することにより、抵抗発熱体が酸素ポンプ素子を均一加熱することが可能となる。
【００１２】
第２の発明は、特に、抵抗発熱体を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成することにより、薄膜型の抵抗発熱体を構成し、速熱性の加熱手段とすることができる。
【００１３】
第３の発明は、特に、耐熱性基板を絶縁性セラミックスで構成し、熱劣化などの熱的影響が少ない加熱手段とすることが可能となる。
【００１４】
第４の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体とすることにより熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。
【００１５】
第５の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構造とすることにより熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。
【００１６】
第６の発明は、特に、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体と赤外線反射層が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とで構成し、前記酸素ポンプ素子の負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置することにより、抵抗発熱体が酸素ポンプ素子を均一加熱することが可能となり、かつ赤外線反射層が熱ロスの少ない効率的な加熱を可能とする。
【００１７】
第７の発明は、特に、抵抗発熱体を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成することにより、薄膜型の抵抗発熱体を構成し、速熱性の加熱手段とすることが可能となる。
【００１８】
第８の発明は、特に、赤外線反射層を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成することにより、薄膜型の赤外線反射層を構成し、輻射による熱ロスを抑制することが可能となる。
【００１９】
第９の発明は、特に、耐熱性基板を絶縁性セラミックスで構成し、熱劣化などの熱的影響が少ない加熱手段とすることが可能となる。
【００２０】
第１０の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体とすることにより熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。
【００２１】
第１１の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構造とすることにより熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。
【００２２】
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。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図である。図１において、酸素イオン導電性基板４は置換型のランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）の焼結体を任意の厚さ（例えば、約２００μｍ）の平板状に成型したものであり、その両面に電極膜５が形成され、酸素ポンプ素子６を構成している。
【００２４】
酸素ポンプ素子６は、導電手段７を介して、電圧印加手段８と接続されている。酸素ポンプ素子６には、通気性絶縁材９と加熱手段１０が積層されている。加熱手段１０は、耐熱性基板１１と抵抗発熱体１２とで構成されている。抵抗発熱体１２は、導電手段１３を介して、加熱用電圧印加手段１４と接続されている。
【００２５】
酸素イオン導電性基板４は、ランタンガレートに限るものではなく、イットリウムドープ型のジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムドープ型のセリア（ＳＤＣ）などであっても良い。
【００２６】
電極膜には、導電性を有するペロブスカイト型複合酸化物を用いた。例えば、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３を有機溶剤であるセルロース系ビヒクルと混合したペーストを、スクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥、焼成することにより多孔質な電極膜を形成した。
【００２７】
さらに、電極膜５は、ペロブスカイト型複合酸化物を用いた多孔質な電極膜の表面に、導電性の高い金や白金のような金属の多孔質膜を形成した２層構造であってもよい。形成方法は、上記のような印刷でよい。
【００２８】
導電手段７は、ＡｕやＰｔ、Ｎｉなどの金属線でよい。通気性絶縁材９は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体あるいは、図示しないがシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体に通気用の貫通孔を設けたものでよい。酸素ポンプ素子６は、負電極膜側から正電極膜側へと酸素を移動させるので、通気性絶縁材には十分な通気性が必要であるが、どちらか一方に限定するものではない。酸素ポンプに要求される特性にあうものを選択すればよい。
【００２９】
耐熱性基板１１は、アルミナやコーディエライトなど成型可能な熱劣化などの熱的影響が少ない絶縁性セラミックスで構成する。抵抗発熱体１２の熱ロスを抑制するために、機械的強度が確保される範囲で、できる限り薄板であることが好ましい。
【００３０】
抵抗発熱体１２は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成する。電極膜５と同様の印刷法で、耐熱性基板１１の表面に薄膜型の発熱体を形成することができる。印刷法であれば、抵抗発熱体１２の厚さは、数μｍ程度にできるので、速熱性の加熱手段１０を得ることができる。
【００３１】
酸素ポンプ素子６と加熱手段１０は、通気性絶縁材９を介して、酸素ポンプ素子６の負電極膜と加熱手段１０の抵抗発熱体１２を相対して配置する。
【００３２】
このときの、酸素ポンプ素子６と加熱手段１０との空間距離は、抵抗発熱体１２の輻射強度が距離の二乗に反比例することから、可能な限り短いほうが好ましい。
【００３３】
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。抵抗発熱体１２は、加熱用電圧印加手段１４からの通電により、温度上昇し、空間近傍に配置された酸素ポンプ素子６を、直接的に輻射加熱する。抵抗発熱体１２と酸素ポンプ素子６の空間距離が近いので、酸素ポンプは、短時間で所定温度に昇温する。
【００３４】
輻射加熱により、所定温度に昇温した酸素ポンプ素子６に、電圧印加手段８によって正負電極間に通電すると、負電極側から正電極側に向かって、酸素移動が進行する。このときの酸素は、通気性絶縁材９を介して、周辺大気から供給される。これによって正電極膜表面には、酸素だけが輸送されることになる。
【００３５】
以上のように、本実施の形態では、抵抗発熱体１２と酸素ポンプ素子６が、ほぼ等しい形態で相対しているので、従来の配線による熱ムラが発生しやすい電熱線加熱に比較して、優れた均一加熱が可能となる。これにより、酸素ポンプの効率的な動作が可能となる。
【００３６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図である。図２において、酸素イオン導電性基板４は置換型のランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）の焼結体を任意の厚さ（例えば、約２００μｍ）の平板状に成型したものであり、その両面に電極膜５が形成され、酸素ポンプ素子６を構成している。
【００３７】
酸素ポンプ素子６は、導電手段７を介して、電圧印加手段８と接続されている。酸素ポンプ素子６には、通気性絶縁材９と加熱手段１０が積層されている。加熱手段１０は、耐熱性基板１１と抵抗発熱体１２と赤外線反射層１５で構成されている。抵抗発熱体１２は、導電手段１３を介して、加熱用電圧印加手段１４と接続されている。
【００３８】
以下、実施の形態１と同様の構成については、記載しないこととする。赤外線反射層１５は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成する。電極膜５と同様の印刷法で、耐熱性基板１１の表面に薄膜型の赤外線反射層１５を形成することができる。印刷法であれば、赤外線反射層１５の厚さは、数μｍ程度にできる。また、印刷法以外に、蒸着などの薄膜形成手段も適用可能である。
【００３９】
赤外線反射層１５は、耐熱性基板１１よりも赤外線反射率が高いことが必要である。換言すると赤外線輻射率が低いことが必要である。これによって、加熱手段１０からの輻射による熱ロスを、抑制できる。材料としては、上記のうち金が最も好ましい。
【００４０】
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。
【００４１】
抵抗発熱体１２は、加熱用電圧印加手段１４からの通電により、温度上昇し、空間近傍に配置された酸素ポンプ素子６を、直接的に輻射加熱する。抵抗発熱体１２と酸素ポンプ素子６の空間距離が近いので、酸素ポンプは、短時間で所定温度に昇温する。
【００４２】
この時、抵抗発熱体１２と反対側に配置された赤外線反射層１５は、赤外線輻射率が低いので、抵抗発熱体１２の発熱により昇温した耐熱性基板１１の熱輻射による熱ロスを抑制し、酸素ポンプ素子６の加熱に有効に作用する。
【００４３】
輻射加熱により、所定温度に昇温した酸素ポンプ素子６に、電圧印加手段８によって正負電極間に通電すると、負電極側から正電極側に向かって、酸素移動が進行する。このときの酸素は、通気性絶縁材９を介して、周辺大気から供給される。これによって正電極膜表面には、酸素だけが輸送されることになる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態では、赤外線反射層１５が、熱ロスを抑制するので、酸素ポンプの熱的な効率動作を可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、酸素ポンプ素子の均一加熱が可能となり、かつ熱ロスを低減した効率的な動作が可能な低消費電力の酸素ポンプ素子の提供によって、酸素を利用する空気清浄機や空調機器あるいは健康促進機器、健康増進機器など広範な用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図
【図３】従来の酸素ポンプを示す全体構成図
【符号の説明】
【００４７】
４  酸素イオン導電性基板
５  電極膜
６  酸素ポンプ素子
７  導電手段
９  通気性絶縁材
１０  加熱手段
１１  耐熱性基板
１２  抵抗発熱体
１５  赤外線反射層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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