(57)【要約】【課題】酸素ポンプ駆動電源装置は、出力が大きいので大型・高価になるという課題があった。【解決手段】酸素ポンプを大きな高周波リップルを有する直流電圧で駆動する事で酸素ポンプ駆動電源装置の簡素化と小型化を図る。【選択図】　図１
2004132822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性基板の一方の表面に形成された第１電極と他の表面に形成された第２電極を備えた酸素ポンプ素子の、前記第１電極と前記第２電極との間に印加するリップルを有する直流電圧を発生する酸素ポンプ駆動電源装置。
【請求項２】
商用電源を整流して得られた非平滑の脈動電圧を電力源とした請求項１記載の酸素ポンプ駆動電源装置。
【請求項３】
高周波出力を整流する整流回路を備え、前記整流回路の非平滑出力電圧を酸素ポンプに印加する構成とした請求項１または２記載の酸素ポンプ駆動電源装置。
【請求項４】
誘導加熱を利用した機器に酸素ポンプを搭載し、前記誘導加熱を行なう誘導加熱装置の一部を利用して構成した請求項１ないし３記載の酸素ポンプ駆動用電源装置。
【請求項５】
複数巻線のトランスを有し、前記トランスの１次巻線は電力源に接続し、２次巻線は酸素ポンプに接続し、３次巻線は誘導加熱装置の構成要素に接続する構成とした請求項４記載の酸素ポンプ駆動用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素ポンプの駆動電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は酸素ポンプの構成を示す断面図である。酸素イオン導電性基板１の一方の表面に第１電極２を形成し、他の表面に第２電極３を形成して酸素ポンプ素子が形成される。酸素イオン導電性基板１として、イットリウムをド−プしたジルコニア（ＹＳＺ）やサマリウムをド−プしたセリア（ＳＤＣ）が用いられる。また、第１電極２や第２電極３として、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、サマリウム−ストロンチウム−コバルトから成る複合金属酸化物（ＳＳＣＯ）などの焼成膜、蒸着膜が用いられる。第１電極２がカソ−ド電極として作用するとき、第２電極はアノ−ド電極として作用する。以下では、この電極構成を用いて説明するが、この逆の電極構成でもよい。
【０００３】
酸素ポンプ素子を作成後、素子シ−ル材６としての導電性シ−ル材６を介して酸素イオン導電性基板１に円環状金属箔７が接着される。このとき、金属箔７に設けられた開口部７ａは第１電極２または第２電極３と対向するように配置される。また、導電性シ−ル材６が金属箔７の開口部７ａの周辺部に位置するように配置される。この後、金属箔７の接着された酸素ポンプ素子は、両端の開いた円筒状外装体８内に配置され、金属箔７の外周囲部と外装体８に実装シ−ル材９が形成されて、本発明の酸素ポンプが完成する。
【０００４】
なお、金属箔７の開口部７ａと対向する第１電極２もしくは第２電極３と導電性シ−ル材６が電気的に接続されることが好ましい。金属箔７がどちらかの電極と電気的に接続されているので、金属箔７がリ−ド線としても作用できるからである。
【０００５】
金属外装体８と金属箔７は、実装シ−ル材９によりシ−ル接続される。素子シ−ルド材６を含む酸素ポンプ素子部は動作時に所定の動作温度に保持される。一方、実装シ−ル材９を含む外装体８の近傍は上記動作温度以下に保持される。
【０００６】
外装体８と金属箔７は溶接、ロウ付け、カシメなど種々の方法でシ−ルできるが、信頼性が高く、シ−ル作業が簡素な点で溶接法が望ましい。また、金属箔７の開口部７ａと対向する第１電極２もしくは第２電極３と導電性シ−ル材６が電気的に接続されている場合、金属外装体８は第１電極２もしくは第２電極３と電気的に接続されるので、金属外装体８が酸素ポンプ素子の外部リ−ド線としても作用できる。
【０００７】
酸素ポンプ素子は、（５００〜８００）℃で動作する。この動作温度を得るために、同図に示すように、酸素ポンプ素子の近傍にヒ−タ１０を配置する。酸素ポンプ素子から約２ｍｍ離れた極近傍にヒ−タ１０を配置するので、ヒ−タ１０は酸素ポンプ素子を効率的に加熱できる。両端の開いた外装体８の内部空間は適切な大きさにできるので、酸素ポンプ素子が動作温度に保持されているとき、外装体８、実装シ−ル材９や金属箔７の外周部の温度を２００℃以下に制御できる。
【０００８】
第１電極２を負電位、第２電極３を正電位にして、直流電圧がカソ−ド電極とアノ−ド電極間に印加されたとき、カソ−ド側外部空間の酸素分子は、第１電極２から酸素イオンとして酸素イオン導電性基板１に取り込まれて、第２電極３に到達する。第２電極３に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノ−ド側の外部空間に散逸する。カソ−ド側外部空間とアノ−ド側外部空間とは金属箔７で分離されているので、酸素をカソ−ド側外部空間からアノ−ド側外部空間に輸送できる。
【０００９】
図７は従来の酸素ポンプ駆動電源の構成を示した回路図で、第１電極２（負電位）、第２電極３（正電位）に印加する直流電圧を商用電源３５から得るために、トランス１１で電圧を降圧して、整流回路１２で整流した後、平滑回路１３でリップルの極少ない直流電圧に平滑して、さらにレギュレータなどの安定化回路１４で出力電圧を安定化している。このため、リップルがほとんど無い安定した直流電圧が得られている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸素ポンプを駆動するためには、酸素ポンプの第１電極と第２電極との間に印加する直流電圧と、ヒータ用の電源が必要であり、これらに必要な電力は全体で１５Ｗ程度の大きなものとなる。
【００１１】
第１電極２と第２電極３とに加えられる電圧はリップルの無い直流５Ｖの低い電圧としており、電流は約１Ａ流れる。
【００１２】
酸素ポンプを５００〜８００℃にするためのヒータは効率良く酸素ポンプを加熱するために、約２ｍｍ離れた極近傍に設けられる。従って、ヒータと酸素ポンプとの電気的な絶縁能力は低いため、ヒータに加える電圧も５Ｖ程度としており、電流は約２Ａ流れる。
【００１３】
このように、約５Ｖ、３Ａ、１５Ｗの直流を１００Ｖの商用電源から構成すると、大型で高価なものとなるという課題を有している。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、１００Ｖの商用電源から５〜２０Ｖの直流電圧を得るために、商用電源を整流して得られた非平滑の脈動電圧を電力源とし、脈動電圧を高周波交流に変換する高周波スイッチング回路と、高周波交流電圧を降圧するトランスと、トランスの出力を整流する整流回路を用い、酸素ポンプの酸素イオン導電性基板の一方の表面に形成された第１電極と他の状面に形成された第２電極との間に整流回路の出力電圧を印加する構成とする。
【００１５】
上記発明によれば、商用電源を整流して得られた非平滑の脈動電圧を電力源とするので、平滑するために必要な大型なコンデンサやチョークコイルの電気部品を必要とせず、酸素ポンプ駆動電源装置を小型で簡素なものとすることができる。
【００１６】
また、高周波交流の降圧された電圧出力を整流する整流回路を備え、整流回路の非平滑出力電圧すなわち、高周波のリップルを含む直流電圧を酸素ポンプに印加する構成とすることで、高周波のリップルを平滑するために必要な高周波対応可能な仕様の高価で大型なコンデンサやチョークコイルの電気部品を必要とせず、酸素ポンプ駆動電源装置を小型で安価なものとすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１にかかる酸素ポンプ駆動電源装置では、酸素イオン導電性基板の一方の表面に形成された第１電極と他の状面に形成された第２電極を備えた酸素ポンプ素子の、第１電極と第２電極との間にリップルを有する直流電圧を印加して駆動する構成とすることで、回路を小型化することができる。
【００１８】
本発明の請求項２にかかる酸素ポンプ駆動電源装置では、商用電源を整流して得られた非平滑の脈動電圧を電力源とすることで、入力回路部の平滑回路をなくすことができ回路を小型化・簡素化できる。
【００１９】
本発明の請求項３にかかる酸素ポンプ駆動電源装置では、高周波出力を整流する整流回路を備え、前記整流回路の非平滑出力電圧を酸素ポンプに印加する構成とすることで、出力回路部を小型化・簡素化できる。
【００２０】
本発明の請求項４にかかる酸素ポンプ駆動電源装置では、誘導加熱を利用した機器に酸素ポンプを搭載し、前記誘導加熱を行なう誘導加熱装置の一部を利用して構成することで、酸素ポンプ駆動電源装置を簡素化ができる。
【００２１】
本発明の請求項５にかかる酸素ポンプ駆動電源装置では、複数巻線のトランスを有し、前記トランスの１次巻線は電力源側に接続し、２次巻線は酸素ポンプ側に接続し、３次巻線は誘導加熱装置の構成要素に接続する構成とすることで、２次巻線の出力電圧のフイードバック行なわずに、酸素ポンプの故障に対応でき酸素ポンプ駆動電源装置の回路を簡素化することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２３】
図１は本発明の酸素ポンプ駆動電源装置の回路構成を示すブロック図である。３４の酸素ポンプ駆動電源装置は整流回路３６、フィルタ回路３７、高周波スイッチング回路３８、トランス回路３９、整流回路４０、制御回路４１から構成される。制御回路４１により高周波スイッチング回路３８が制御される。酸素ポンプ駆動電源装置３４の直流出力は、酸素ポンプ３３の第１電極３１と第２電極３２に加えらる。これにより、酸素イオン導電性基板３０内に酸素が移動してポンプ動作が行なわれる。
【００２４】
酸素ポンプ駆動電源装置３４は商用電源３５を電力源としている。１００Ｖ、６０Ｈｚの商用電源３５の電圧波形は同図（ａ）で示される正弦波波形である。整流回路３６は商用電源電圧を全波整流して、同図（ｂ）のような波形の電圧を出力する。フィルタ回路３７はノイズ除去用なので、約８ｍｓｅｃ周期のエンベロープを持つ電圧を平滑してリップルをなくすほどの大きなコンデンサやチョークコイルではない。従って、後につながる高周波スイッチング回路３８には、同図（ｂ）の電圧波形が入力される。高周波スイッチング回路３８はこの入力を３０ｋＨｚの高周波に変換する。この高周波はトランス回路３９で降圧され、同図（ｃ）のような低電圧交流を出力する。この低電圧交流は整流回路４０に入力され、全波整流されて出力される。この出力電圧波形は同図（ｄ）に示されるように約８ｍｓｅｃ周期のエンベロープのなかで、３０ｋＨｚに相当する周期で変化する電圧波形となる。制御回路４０の出力電圧の大きさは制御回路４１にフィードバックして、その電圧を規定値に保つように高周波スイッチング回路３８を制御する。
【００２５】
このように、酸素ポンプ駆動電源は非平滑の電圧波形で動作させるので、平滑用の大容量コンデンサが必要でなく、小型で低コストなものとすることが出きる。
【００２６】
図２は動作波形をしめした波形図で、同図（ａ）は商用電源波形、同図（ｂ）は酸素ポンプの電極の電圧波形、同図（ｃ）は同電流波形で、（ａ）から（ｃ）は時間軸を合わせて記載している。同図（ｂ）、（ｃ）は８ｍｓｅｃのエンベロープの中で、３０ｋＨｚの周波数で変化する状態が示されている。同図（ｂ）の電圧ピーク付近の時間軸を拡大して表した波形が同図（ｄ）である。酸素ポンプは幾分かのコンデンサ容量を有しているので、これにより電圧波形は僅かに平滑されるようになるので、電圧がゼロボルトまで降下しない波形となっている。同図（ｄ）は同様に電流波形を表したものである。電流波形は８ｍｓｅｃのエンベロープに追随して、かつ、３０ｋＨｚの周波数においても流れていることが確認され、酸素イオン導電性基板に電流が流れ酸素イオンの移動が行われている事が確認できる。また、酸素が取りこまれる空間の酸素濃度の時間変化を測定しても、リップルの無い直流電圧で動作させた場合と比べて変化は無い。これは電流波形にリップルがあり酸素イオンの輸送能力が時間的に変化しても、また、瞬間的には電流ゼロになることがあっても、酸素イオン導電性基板内での移動スピードは速く、電圧変化に追随していることを示している。
【００２７】
図３は酸素ポンプを炊飯器に実装した構成を示した断面図である。炊飯器４５はステンレスの内釜４８を誘導加熱するための約３０ｋＨｚの高周波磁界を発生する誘導加熱用巻線４７と、誘導加熱用の電源装置４６および酸素ポンプ駆動電源装置４９を有する。酸素ポンプは上面のフタに取付けられ、炊飯器内の酸素を外部空間に輸送する。第１の電極３１は外部空間につながり、第２の電極３２は炊飯器内の空間につながる。
【００２８】
炊飯器４５内の酸素濃度は２時間程度で約２％程度まで下がり、この結果、保温中のご飯の変色や細菌の繁殖が抑制され、炊き立ての食味が長時間維持できる。
【００２９】
図４は炊飯器の誘導加熱用電源装置４６と酸素ポンプ駆動電源装置４９の構成を示す回路図である。誘導加熱用電源装置４６は商用電源３５を電力源とし、ノイズフィルタ５０、整流回路３６、高周波交流をつくるための半導体スイッチング素子５３、半導体スイッチング素子５３の制御と炊飯器全体の動作の制御とを行ない表示機能も有する制御回路５４、高周波磁界をつくるための誘導加熱用巻線４７から構成される。
【００３０】
酸素ポンプ駆動用電源装置４９は、誘導加熱用巻線４７の近傍に設けた酸素ポンプ駆動用巻線５１と、その出力電圧を整流する整流回路５２からなる。このような構成にすることで誘導加熱用巻線４７から酸素ポンプ駆動に必要な電力を得る。整流回路５２の出力電圧は酸素ポンプの第１電極３１と第２電極３２に印加している。この印加される電圧は約３０ｋＨｚのリップルのある電圧波形で平均値は１０Ｖ程度である。前述したように酸素ポンプはこのような電圧でも機能することができる。また、この構成であれば、酸素ポンプに印加される電圧は商用電源３５から、誘導加熱用巻線４７と酸素ポンプ駆動用巻線５１により電気的に絶縁されているので感電の心配が無く安全である。
【００３１】
図５は炊飯器に実装された酸素ポンプ駆動用電源装置の他の構成を示した回路図である。酸素ポンプ駆動用電源装置５５はトランス５６を有し、誘導加熱用電源装置４６の一部から電力を得る構成としている。トランス５６は複数の巻線を有する。１次巻線５７は高周波スイッチング回路３８に接続される。２次巻線５８は低電圧の高周波交流電圧を出力し、その電圧は整流回路５９を通して酸素ポンプの第１電極３１、第２電極３２に高周波リップルを含む直流電圧として印加される。４次巻線６１はヒータ６０に接続され、酸素ポンプを５００℃以上に加熱する。
【００３２】
酸素ポンプは大きな電圧リップルでも動作可能であるので、短時間の電圧変動があっても、動作には問題がない。このため、２次巻線５８の平均出力を精度良く制御する必要が無いので、２次巻線５８の出力の大きさを、１次巻線５７に接続されている高周波スイッチング回路３８にフィードバックしていない。このために、酸素ポンプ駆動用電源装置５５の簡素化ができる。但し、酸素ポンプの故障で過大電圧が１次巻線５７や２次巻線５８に発生しないように、電圧を検知する３次巻線５９を設けている。この巻線の出力電圧がある値以上になれば故障とみなす。３次巻線６１は制御回路５４に接続されているので、制御回路５４から高周波スイッチング回路３８の動作が停止される。制御回路５４は表示機能を有するので、酸素ポンプの故障を報知することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の酸素ポンプ駆動電源はリップルの大きい電圧で酸素ポンプを駆動するので、酸素ポンプ駆動電源の回路構成が簡素化され、かつ、酸素ポンプの十分な輸送能力が確保できているという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における酸素ポンプ駆動電源の構成を示す回路ブロック図
【図２】本発明の酸素ポンプ駆動電源の動作を説明するための波形図
【図３】酸素ポンプと酸素ポンプ駆動電源を炊飯器に実装した状態を示す断面図
【図４】本発明の酸素ポンプ駆動電源の構成を示す回路図
【図５】本発明の他の酸素ポンプ駆動電源の構成を示す回路図
【図６】酸素ポンプの構成を示す断面図
【図７】従来の酸素ポンプ駆動電源の構成を示す回路ブロック図
【符号の説明】
３０　酸素イオン導電性基板
３１　第１電極
３２　第２電極
３４、４９、５５　酸素ポンプ駆動電源装置
３５　商用電源
４０　整流回路
４５　炊飯器（誘導加熱を利用した機器）
５６　トランス
５７　１次巻線
５８　２次巻線
５９　３次巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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