(57)【要約】【課題】減圧ポンプを使わずに、濃縮酸素の供給量を増やすことのできる酸素濃縮装置を提供することを目的とする。【解決手段】酸素イオン導電性を持つ固体電解質１に大電流を流して発生させた酸素と、混合手段８によって取り入れた外気とを混合させることにより、濃縮酸素の供給量を増加させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面に電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子を加熱するヒータと、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する電源と、前記ヒータと酸素ポンプとを収納する筐体と、前記筐体の内側に位置し前記酸素ポンプ素子の外側に設けられた断熱材と、前記筐体に設けられた外気を取り込む流入口と、前記酸素ポンプ素子より発生した酸素と前記流入口から取り込んだ外気とを混合させる混合手段を備えた酸素濃縮装置。
【請求項２】
ヒータを挟んで酸素ポンプ素子を配置したことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
混合手段としてファンを使用した請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
ファンの回転数が変化することを特徴とした請求項３に記載の酸素濃縮装置。
【請求項５】
外気を加熱する加熱手段を備えた請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項６】
外気を取り込む流入口を形成する流入管は、筐体の外周部に密着して形成された請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項７】
流入管は、発生した酸素を流出させる流出管と接して設けられた請求項６に記載の酸素濃縮装置。
【請求項８】
固体電解質がランタンガレート系の金属酸化物である請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の酸素を濃縮して高濃度酸素を供給する酸素濃縮装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気から酸素を分離する手段として、酸素透過膜を用いて物理的に振るい分ける方法があった（例えば特許文献１参照）。また、電気化学的に酸素イオンのみを移動させて分離する方法もあり、前記方法ではイオン導電性と電子導電性を併せ持つ混合導電体を用いていた（例えば特許文献２参照）。混合導電体は、外部回路がなくても酸素分圧差を駆動力として酸素を透過させるものである。また、混合導電体の温度を上昇させるために、電極膜間に電圧を印可する方式のものもあった（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平２−１３６６３１号公報
【特許文献２】特許第２８１３５９６号公報
【特許文献３】特許第３２９５３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、酸素透過膜を用いた方法では真空ポンプが必要であり、その騒音と重量、全体の容積が大きくなる点で使い勝手が悪いものであった。さらに分離できる酸素濃度は３０〜４０％と限界があった。一方、混合導電体を用いた電気化学的な方法では、静音でコンパクトな構成が可能であり、さらに発生する酸素濃度が１００％であるという利点はあるものの、装置使用時の高濃度酸素の供給量は少量であるという課題があった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高濃度酸素の供給量を増加させた酸素濃縮装置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】
【０００５】
前記従来の課題を解決するために、酸素イオンのみの導電性が高い固体電解質を用いて安定した大電流を流し、発生酸素を外気と混合させる手段を備えたものである。
【０００６】
これによって、大電流に比例した多量の酸素と外気を混合させることにより、大気に比べ濃縮した高濃度酸素を大量に供給することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の酸素濃縮装置は、大気に比べ濃縮した高濃度酸素を大量に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面に電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子を加熱するヒータと、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する電源と、前記ヒータと酸素ポンプとを収納する筐体と、前記筐体の内側に位置し前記酸素ポンプ素子の外側に設けられた断熱材と、前記筐体に設けられた外気を取り込む流入口と、前記酸素ポンプ素子より発生した酸素と前記流入口から取り込んだ外気とを混合させる混合手段を備えたものである。酸素イオン導電性の輸率がほぼ１である固体電解質を加熱し、電圧を常時印可することによって、電流に比例した酸素が発生する。つまり、大電流を流せば多量の酸素を発生させることが可能となる。そして発生した酸素と外気とを混合させることにより、３０〜４０％の高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【０００９】
第２の発明は、特に、第１の発明の酸素濃縮装置のヒータを酸素ポンプ素子に挟んで配置したものである。これによって加熱ヒータのエネルギー損失を抑えることができる。さらに動作中では、酸素ポンプ素子自体も発熱するため、互いの発熱エネルギーを得ることができ、酸素イオン導電性を高めることができる。つまり、多量の酸素を発生させることが可能となる。そして発生した酸素と外気とを混合させることにより、３０〜４０％の高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【００１０】
第３の発明は、特に、第１の発明の混合手段としてファンを使用したものである。これにより流入管から外気を流入させて発生した酸素と混合させることができ、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【００１１】
第４の発明は、特に、第３の発明のファンの回転数を変化させることができるものである。ファンの回転数を変化させることで流入する外気の量を調節することができ、これにより、酸素濃度を変化させることができる。そして酸素ポンプ素子の通電量を上げ、ファンの回転数を上げることで、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【００１２】
第５の発明は、外気を加熱する加熱手段を備えたものである。これにより、流入する外気によって酸素ポンプ素子が冷却されるのを防ぐことができる。すなわち、酸素ポンプ素子を高温に維持することができるため、安定した酸素発生量を確保でき、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【００１３】
第６の発明は、特に、外気を取り込む流入口を形成する流入管は、筐体の外周部に密着して形成されたものである。筐体は高温となっているため、この熱を利用して流入する外気を温めることができ、ヒータ等の装置を必要としない。
【００１４】
第７の発明は、特に、流入管は、発生した酸素を流出させる流出管と接して設けられたものである。これにより、外気の流入空気を流出空気によって加熱することができ、それと同時に流出空気を冷却することができる。
【００１５】
第８の発明は、固体電解質の材料がランタンガレート系の金属酸化物である。ランタンガレートは輸率がほぼ１．０の高酸素イオン導電体であり、印加電圧の損失が少ないものである。したがって、大電流を流すことで、それに見合った多量な酸素を発生させることができる。そして発生した酸素と外気とを混合させることにより、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【００１６】
以下、本発明の形態について、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。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態における酸素濃縮装置の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面図である。
【００１８】
酸素イオン導電性の固体電解質１の両面に電極膜２ａ、２ｂを形成させて酸素ポンプ素子が構成される。固体電解質１は、酸素イオン導電性を有する金属酸化物であり、イットリア安定化ジルコニア等の汎用的な固体電解質でも良いが、ランタンとガリウムを組成に持つランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物がより好ましい。特に輸率がほぼ１．０となるよう他の金属を添加したものが好ましい。本実施の形態ではストロンチウムとマグネシウムを添加して焼結させたランタンガレートを、直径３０ｍｍ、厚み０．２ｍｍに加工して用いる。
【００１９】
電極膜２ａ、２ｂには、白金や銀などの貴金属、サマリウムとコバルトから成る金属酸化物などを用いる。これら電極膜は、スクリーン印刷による塗布や蒸着、スパッタリングによって形成する。本実施の形態では、サマリウムとコバルトを組成とした電極膜を、スクリーン印刷によって１０〜２０μｍの厚みで成形した。
【００２０】
そして、ステンレス線をマイカ枠に巻いたヒータ３を挟むように、酸素ポンプ素子が２個配置されている。また、酸素ポンプ素子の周りには、断熱材４によって覆われている。ここで断熱材４は、シリカの粉末を充填して形成された多孔体で、通気性と断熱性を併せ持つものである。断熱材の厚みは１００〜１２０ｍｍとした。
【００２１】
また、酸素ポンプ素子とヒータ３、断熱材４を収納したステンレス製の筐体Ａには、外気を取り込む流入管５と高濃度酸素を排出する流出管６が設けられ、流出管６にはファン７を備えた混合手段８が接続されている。本実施の形態では混合手段７は流出管６に接続されているが、流入管５と接続していても良い。またファン７は、静圧力の高い遠心ファンあるいはブロアータイプのファンが好ましいが、小型ポンプでも良い。また、筐体Ａには複数の外気を取り込む流入管５（或いは流入口）を設けても良い。
【００２２】
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用を説明する。まず、ヒータ３に通電することにより、酸素ポンプ素子を６００℃以上に加熱する。そして、電極膜２ａをアノード電極、電極膜２ｂをカソード電極として、電源Ｂ１，Ｂ２によって直流電圧を印加すると、カソ−ド電極側の外部空間の酸素分子は、カソ−ド電極から酸素イオンとして固体電解質１に取り込まれて、アノ−ド電極まで移動する。アノ−ド電極に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノ−ド電極側の内部空間に排出される。次に、ファンを動作させることによって流入管５より酸素濃度２０％の外気が流入し、装置内部で酸素濃度１００％と混合することによって、酸素濃度３０〜４０％の高濃度酸素を数１００ｍｌ得ることができる。
【００２３】
以上のような構成で、電極膜の平方センチ当たりの電流量を０．８アンペアとすることができ、毎分当たりの酸素濃度３０％の混合空気を２５０ｍｌ供給することができる。これは、酸素濃度１００％の発生量３０ｍｌの８倍以上の供給量である。
【００２４】
（実施の形態２）
図２（ａ）は本発明の第２の実施の形態における酸素濃縮装置の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の加熱手段９の断面図である。
【００２５】
本実施の形態では、特に、流入管５に加熱手段９が接続され、内部に断熱材１０に埋め込まれたヒータ１１を備えている。
【００２６】
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用は実施の形態１と同様であるが、以上のような構成で、電極膜の平方センチ当たりの電流量を１．２アンペアとすることができ、毎分当たりの酸素濃度３０％の混合空気を３５０ｍｌ以上供給することができる。
【００２７】
（実施の形態３）
図３（ａ）は本発明の第３の実施の形態における酸素濃縮装置の斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の酸素濃縮装置の筐体の断面図である。
【００２８】
本実施の形態では、特に、外気を取り込む流入口を形成する流入管５は、筐体Ａの外周部に密着して形成されている。さらに、流入管５が筐体Ａと流出管６に接した構成となっている。流入管５内に流入した外気が筐体Ａから発生する熱により暖められるため、電極膜の平方センチ当たりの電流量を０．８アンペアとするための消費電力を約５％減少させることができ、毎分当たりの酸素濃度３０％の混合空気を２５０ｍｌ以上供給することができる。なお、以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用は実施の形態１と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明にかかる酸素濃縮装置は、大流量の高濃度酸素を供給することができるため、吸入用高濃度酸素の応用製品として利用できる。このような電化製品として、例えばエアコン、空器清浄器、送風機、酸素吸入器、またはそれらが機能の一部として組み込まれた製品があげられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）は発明の実施の形態１における酸素濃縮装置の斜視図（ｂ）は（ａ）の断面図
【図２】（ａ）は本発明の実施の形態２における酸素濃縮装置の斜視図（ｂ）は加熱手段の断面図
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態３における酸素濃縮装置の斜視図（ｂ）は（ａ）の断面図
【符号の説明】
【００３１】
１  固体電解質
２ａ、２ｂ  電極膜
３  ヒータ
４  断熱材
７  ファン
８  混合手段
９  加熱手段
Ａ  筺体
Ｂ１、Ｂ２  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006021955.tif 000005