(57)【要約】【課題】減圧ポンプを使わず、高濃度酸素を効率よく供給する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有する固体電解質から形成された酸素ポンプ素子１と、この酸素ポンプ素子１を加熱する棒状のヒータ５と、このヒータ１の長手方向の中心線を中心とした筒状でかつ酸素ポンプ素子をその壁面に配置した筐体２とにより酸素ポンプセル１１を形成し、この酸素ポンプセル１１を複数集積したものである。これによって、酸素ポンプ素子１はヒータ５により中央から均一に加熱されるので、高濃度酸素を大量に供給することができ、また酸素ポンプセル１１は筒状なので複数集積させることが容易であり、集積した場合、さらに高密度で均一に加熱することができるので、減圧ポンプを用いることなく高濃度酸素を大量に供給することが可能となる。【選択図】図１
2008247624.tif 000002
【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から形成された酸素ポンプ素子と、この酸素ポンプ素子を加熱する棒状のヒータと、このヒータの長手方向の中心線を中心とした筒状でかつ酸素ポンプ素子をその壁面に配置した筐体とにより酸素ポンプセルを形成し、この酸素ポンプセルを複数集積した酸素濃縮装置。
【請求項２】
筐体は角筒状である請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
筐体は円筒状である請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
複数集積された酸素ポンプセルのうち、外側に配列された酸素ポンプセルに備えられたヒータは、内側に配列された酸素ポンプセルに備えられたヒータよりも高出力とした請求項１〜３のいずれか１項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は、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、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、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知られている（例えば、特許文献２参照）。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、前記従来の酸素透過膜を用いた方法では減圧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、前記従来の混合導電体を用いた電気化学的な方法では、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り、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効率的でない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、減圧ポンプを使わず、高濃度酸素を効率よく供給する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。
【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、本発明の酸素濃縮装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質から形成された酸素ポンプ素子と、この酸素ポンプ素子を加熱する棒状のヒータと、このヒータの長手方向の中心線を中心とした筒状でかつ酸素ポンプ素子をその壁面に配置した筐体とにより酸素ポンプセルを形成し、この酸素ポンプセルを複数集積したものである。
【０００６】
これによって、酸素ポンプセルを形成する酸素ポンプ素子はヒータにより中央から均一に加熱されるので、高濃度酸素を大量に供給することができ、また酸素ポンプセルは筒状なので複数集積させることが容易であり、集積した場合、さらに高密度で均一に加熱することができるので、減圧ポンプを用いることなく高濃度酸素を大量に供給することが可能となる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の酸素濃縮装置は、減圧ポンプを使わず、高濃度酸素を効率よく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から形成された酸素ポンプ素子と、この酸素ポンプ素子を加熱する棒状のヒータと、このヒータの長手方向の中心線を中心とした筒状でかつ酸素ポンプ素子をその壁面に配置した筐体とにより酸素ポンプセルを形成し、この酸素ポンプセルを複数集積した酸素濃縮装置とすることにより、酸素ポンプセルを形成する酸素ポンプ素子はヒータにより中央から均一に加熱されるので、高濃度酸素を大量に供給することができる。また酸素ポンプセルは筒状なので複数集積させることが容易であり、集積した場合、さらに高密度で均一に加熱することができるので、減圧ポンプを用いることなく高濃度酸素を大量に供給することが可能となる。
【０００９】
第２の発明は、特に、第１の発明において、筐体は角筒状であることにより、酸素ポンプセルを集積する際、隙間無く積み重ねることが可能であり、熱ロスが少なく、効率的に酸素ポンプ素子を加熱することができ、コンパクトな構成で大量の高濃度酸素を発生することができる。
【００１０】
第３の発明は、特に、第１の発明において、筐体は円筒状であることにより、酸素ポンプセルを集積する際、複数個を均一な間隔で集積させることが容易であり、高密度で均一に加熱することができるので、高濃度酸素を大量に供給することが可能となる。
【００１１】
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、複数集積された酸素ポンプセルのうち、外側に配列された酸素ポンプセルに備えられたヒータは、内側に配列された酸素ポンプセルに備えられたヒータよりも高出力としたことにより、全体が均一に加熱されやすく、熱のロスも少ない酸素濃縮装置を実現できる。
【００１２】
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。
【００１３】
（実施の形態）
図１〜図３は、本発明の実施の形態における酸素濃縮装置を示している。
【００１４】
図１に示すように、酸素ポンプ素子１は、詳しく図示していないが、イオン導電性の固体電解質の両面に電極膜を形成させて構成される。固体電解質は、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などの汎用的な固体電解質でもよいが、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。
【００１５】
また、図示していない両面の電極膜には、白金や銀などの貴金属、サマリウムとコバルトからな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。
【００１６】
そして、この酸素ポンプ素子１を６００℃以上に加熱し、両電極膜間に直流電圧を印加するとカソード側の空気から酸素分子が酸素イオンとして固体電解質に取り込まれ、アノード側の電極膜へ移動する。アノード側の電極膜に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノード電極側の内部空間に排出され、酸素分子が濃縮されるしくみである。
【００１７】
酸素ポンプ素子１は、図では略正六角筒状をした酸素濃縮用の筐体２の六つの壁面に配置され、図示していない両電極膜のカソード側を筐体２の外側、アノード側を筐体２の内側として直流電圧を印加すると、上述の説明ように外側の空気、つまり外側空気室３から酸素だけが矢印Ａのように内部、つまり内側空気室４へ移動して酸素濃縮が行われる（矢印Ａは図１に六つのうち一つだけについて記載したが、それぞれの６側面に配置された酸素ポンプ素子１すべてに関して、酸素が移動する）。
【００１８】
酸素ポンプ素子１を加熱するのがヒータ５であり、図示していない電源より電力供給用リード線６を通って電力が供給され、酸素ポンプ素子１を加熱する。
【００１９】
図２に示すように、ヒータ５は棒状をしており、略正六角筒状の筐体２の略中心に位置し、電力供給用リード線６は筐体２の下部より外部に出ている構成である。つまり筐体２はヒータ５の長手方向の中心線を中心とした略正六角筒状をしている。筐体２上部には酸素排出口７があり、ここより濃縮された酸素が矢印Ｂのように排気される。
【００２０】
また筐体２の外側を取り囲む略正六角筒状の外殻筐体８には下部に空気取り入れ口９、上部に空気排出口１０があり、常に酸素ポンプ素子１表面に新鮮な空気が巡る構成となっている。
【００２１】
以上の酸素ポンプ素子１、筐体２、ヒータ５および外殻筐体８により酸素ポンプセル１１を形成している。次に、その動作、作用を説明する。
【００２２】
まず、図示していない電源によってヒータ５に電力を供給することにより、酸素ポンプ素子１を６００℃以上に加熱する。また図示していない直流電源によって、酸素ポンプ素子１表面の電極膜（図示せず）に、カソード側を筐体２の外側、アノード側を筐体２の内側として直流電圧を印加する。するとカソード電極側の外部空間、つまり筐体２と外殻筐体８間の外側空気室３の酸素分子は、カソード電極膜から酸素イオンとして固体電解質に取り込まれて、アノード電極膜まで移動する。アノード電極に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノード電極側の内部空間、つまり筐体２内の内側空気室４の内側に矢印Ａのように移動する。この動作が続くと、筐体２内部の酸素は酸素排出口７より矢印Ｂのように排気されて行く。
【００２３】
本実施の形態のように、酸素ポンプ素子１が略六角筒状の筐体２の６つの壁面に配置され、その中心にヒータ５があることによって、ヒータ５の熱が効率的に酸素ポンプ素子１に伝えられるので、小さなスペースでも酸素ポンプ素子１を６００℃以上に、かつ均一に加熱することが可能となる。特に、均一に加熱することは重要であり、厚み０．２ｍｍの固体電解質からなる酸素ポンプ素子１に熱膨張ストレスを最小限にすることができるのである。
【００２４】
なお、筐体２の形状は、略六角筒状に限らず、略正三角筒状、略正四角筒状などの角筒状としてもよい。また、筐体２の形状は円筒状としてもよい。円筒状であると、中心のヒータ５から酸素ポンプ素子１までの距離が常に一定であるので、均一に加熱することがさらに容易になるからである。
【００２５】
また、筐体２と外殻筐体８の間の外側空気室３には断熱効果がある一方で、そこから新鮮な空気を酸素ポンプ素子１に供給することができる。また外殻筐体８の下部と上部にそれぞれ空気取り入れ口９と空気排出口１０があり、対流効果によって自然に空気が空気取り入れ口９から空気排出口１０へ、つまり矢印Ｃから矢印Ｄのように流れることになる。
【００２６】
以上が酸素ポンプセル１１の一個についての説明である。次に、この酸素ポンプセル１１を複数個集積させたものについて図３を用いて説明する。
【００２７】
図３は酸素ポンプセル１１を１４個集積してなる酸素濃縮装置の例であるが、特に個数を特定するものではない。
【００２８】
図３の酸素濃縮装置のなかで、外側に配列された酸素ポンプセル１１を外側酸素ポンプセル１１ａ、内側に配列された酸素ポンプセル１１を内側酸素ポンプセル１１ｂとして区別して説明する。
【００２９】
図では各酸素ポンプセルが略正六角筒状の形状であることによって、隙間なく集積させることができる。つまりは、単位堆積あたりにより多くの酸素ポンプ素子１を詰め込むことが可能であるので、高密度に酸素を供給することができると同時に、熱のロスも少なくエネルギー効率も大きい。この酸素ポンプセル１１は角筒状であれば、隙間なく集積させることが可能である。
【００３０】
また、外側酸素ポンプセル１１ａの中のヒータ５出力を、内側酸素ポンプセル１１ｂの中のヒータ５出力に比べ高く設定すると、全体が均一に加熱されやすく、熱のロスも少ない酸素濃縮装置を実現できる。外側酸素ポンプセル１１ａは外気などに熱を奪われやすいが、内側酸素ポンプセル１１ｂは周囲も発熱体なので熱が奪われにくいからである。
【００３１】
以上のように、酸素ポンプセル１１を集積させ、それぞれの酸素排出口７をつなげれば、多量の酸素を得ることができる。また、このように酸素ポンプセル１１を集積させる形をとっているので、欲しい酸素の量に対し、一つの酸素ポンプセルを一単位として、その数を個数分増やすだけでよく、量に応じた大きな酸素濃縮装置を作る必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように、本発明にかかる酸素濃縮装置は、減圧ポンプを使わず、高濃度酸素を効率よく供給することができるので、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】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態における酸素濃縮装置の酸素ポンプセルの横断面図
【図２】同酸素濃縮装置の酸素ポンプセルの縦断面図
【図３】同酸素濃縮装置の横断面図
【符号の説明】
【００３４】
１  酸素ポンプ素子
２  筐体
５  ヒータ
７  酸素排出口
１１  酸素ポンプセル
【図１】
2008247624.tif 000003
【図２】
2008247624.tif 000004
【図３】
2008247624.tif 000005