(57)【要約】【課題】省エネルギー、かつ高信頼性運転を実現した酸素富化空気供給装置を提供することを目的とする。【解決手段】ヒータ８が固体電解質膜５を十分加熱しきれていない時は低電力電源３−２を、十分加熱されている時には、高電力電源３−３を電流源切換手段３−４で選択する。そのため、固体電解質５に流れる電流値を電流検出手段１８で検出し、制御電圧発生手段２の出力指示値と常に比較し、パワートランジスタ２２のスイッチングを制御する。制御電圧を徐々に上昇させていくことによって酸素富化空気供給装置のスタートを緩やかに行うことによって電流印加手段３−１のエネルギーロスを低減、温度上昇を抑制して省エネルギーでかつ信頼性の高い運転を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段、およびその電圧印加手段と、前記加熱手段によって酸素イオン導電性を有し、表裏に白金電極を設けた固体電解質膜と、前記固体電解質の電極間に直流電流を印加する複数の異なる電力容量の電流源を持つ直流電流印加手段と、前記加熱手段および前記複数の直流電流源の切換手段および前記直流電流印加手段の出力制御手段とを具備した酸素富化空気発生装置。
【請求項２】
加熱手段の電圧印加は電圧制御素子の導通制御信号の出力タイミングを制御することによって行う請求項１記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項３】
電圧制御素子の導通制御信号の出力タイミングの制御はトライアックの導通制御信号を位相制御で行う請求項２記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項４】
電圧加熱手段の印加電力と印加時間は予め設定された時間で変動させる請求項１〜３いずれか１項記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項５】
直流電流印加手段には電流検出手段と設定電流値の制御電圧発生手段を設け、制御電圧発生手段の電圧値を時間的に制御することによって直流電流の印加量を制御する請求項１記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項６】
直流電流印加手段の設定電流値の制御電圧発生手段はＤ／Ａコンバータからの出力でおこなう請求項５記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項７】
Ｄ／Ａコンバータへの入力はマイクロコンピュータの個別出力端子の５から８ビットの出力である請求項６記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項８】
加熱手段と前記加熱手段の電圧印加手段と、前記加熱手段によって酸素イオン導電性を有し、表裏に白金電極を設けた固体電解質膜と、前記固体電解質の電極間に直流電流を印加する複数の異なる電力容量の電流源を持つ直流電流印加手段と、前記加熱手段および前記複数の電流源の切換手段および直流電流印加手段の制御手段と室温を検出するサーミスタを有する酸素富化空気発生装置。
【請求項９】
サーミスタで室温を検出し、電圧加熱手段の印加電力と印加時間を室温に応じて変動させる請求項８記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項１０】
加熱手段と直流電流印加手段間は電気的に絶縁構成とした請求項１〜８いずれか１項記載の酸素富化空気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸素富化空気発生装置の電源制御構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の酸素負荷空気発生装置は、図８に示すように、酸素富化膜１０１と呼ばれる厚さ０.１マイクロメートル程度のシリコン製膜の両側に１／４気圧程度の気圧差を与える構成としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
その原理は、大気中の酸素１０２ならびに窒素分子１０３が酸素富化膜１０１に溶解し、その酸素富化膜１０１の膜内を拡散して、減圧側から再び析出する。ここで、酸素分子の酸素富化膜１０１に溶解するスピードは窒素分子の２．５倍もあるために、減圧側には酸素濃度が高まった空気が得られるというものであった。
【特許文献１】特開昭６２−２８３８０１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、上記のシリコン製膜の酸素富化空気発生装置では、原理上せいぜい３０％程度の酸素濃度の酸素富化空気しか作り出せず、それより高濃度の酸素富化空気が必要とされる医療用などの酸素富化空気供給装置としては使用できなかった。
【０００５】
また、高濃度の酸素を供給できる固体電解質を用いた富化酸素供給装置では、固体電解質の動作条件を考慮した電源制御が必要とされてきた。固体電解質はその動作状態が温度依存性を持っており、必要な温度に達するまではインピーダンスが大きく、その状態で大電流を印加すると、電圧が高くなり過ぎ、電源部品を損傷する恐れがあった。
【０００６】
また、電源容量の大きい電源の出力を絞って使うと、電力ロスが大きくなり、省電力とはなり得なかった。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題を解決したもので、省エネルギーの酸素富化空気発生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】
【０００８】
前記目的達成のため、本発明の酸素富化空気発生装置は、加熱手段、およびその電圧印加手段と、加熱手段によって酸素イオン導電性を有し、表裏に白金電極を設けた固体電解質膜と、固体電解質の電極間に直流電流を印加する複数の異なる電力容量の電流源を持つ直流電流印加手段と、加熱手段および前記複数の直流電流源の切換手段および直流電流印加手段の出力制御手段とを具備し、制御手段により、電流源の切換、加熱電圧値、印加電流値を時間的に制御することによって、固体電解質により高濃度酸素発生を行うものであり、固体電解質の動作条件に最適な電極間の電流印加を行うことができ、酸素富化空気発生装置の省エネルギー、高信頼性運転を実現するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、固体電解質による酸素富化空気発生装置の省エネルギー、高信頼運転を図るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、第１の発明は、加熱手段と加熱手段の電圧印加手段
と、加熱手段によって酸素イオン導電性を有し、表裏に白金電極を設けた固体電解質膜と、固体電解質の電極間に直流電流を印加する複数の異なる電力容量の電流源を持つ直流電流印加手段と、加熱手段および前記複数の直流電流源の切換手段および直流電流印加手段の出力制御手段を有し、制御手段により、電流源の切換、加熱電圧値、印加電流値を時間的に制御することによって、固体電解質により高濃度酸素発生を行うものであり、固体電解質の加熱条件と固体電解質に流れる電流値を最適に制御することによって、酸素富化空気発生装置の省エネルギー、高信頼運転を図るものである。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明の加熱手段の電圧印加は電圧制御素子の導通制御信号の出力タイミングを制御することによって行うもので、制御機器からの信号によって、加熱手段の出力を細かく制御することが可能となる。
【００１２】
第３の発明は、特に第２の発明の電圧制御素子の導通制御信号の出力タイミングの制御はトライアックの導通制御信号を位相制御で行うものであり、トライアックの導通開始のパルスを出力するだけで、加熱手段の電力を制御することが可能になる。
【００１３】
第４の発明は、特に第１から第３のいずれかの発明の電圧加熱手段の印加電力と印加時間は予め設定された時間で変動させるものであり、酸素富化供給装置の安全な運転を図るものである。
【００１４】
第５の発明は、特に第１の発明の直流電流印加手段には電流検出手段と設定電流値の制御電圧発生手段を設け、制御電圧発生手段の電圧値を時間的に制御することによって直流電流の印加量を制御するものであり、酸素富化空気発生装置の安全な運転を図るものである。
【００１５】
第６の発明は、特に第５の発明の直流電流印加手段の設定電流値の制御電圧発生手段はＤ／Ａコンバータからの出力でおこなうものであり、制御機器からのデジタル信号で電流値を制御することが可能となる。
【００１６】
第７の発明は、特に第６の発明の直流電流印加手段の設定電流値の制御電圧発生手段はＤ／Ａコンバータからの出力でおこなうものであり、制御機器からのデジタル信号で電流値を制御することが可能となる。
【００１７】
第８の発明は、加熱手段と加熱手段の電圧印加手段と、加熱手段によって酸素イオン導電性を有し、表裏に白金電極を設けた固体電解質膜と、固体電解質の電極間に直流電流を印加する複数の異なる電力容量の電流源を持つ直流電流印加手段と、加熱手段および複数の電流源の切換手段および直流電流印加手段の制御手段と室温を検出するサーミスタを有するものであり、サーミスタにより周囲温度の変動を検知し、最適な過熱条件を設定するものである。
【００１８】
第９の発明は、特に第８の発明のサーミスタで室温を検出し、電圧加熱手段の印加電力と印加時間を室温に応じて変動させるものであり、室温に応じて加熱時間の延長、短縮を行うものである。
【００１９】
第１０の発明は、特に第１〜第８のいずれかの発明の加熱手段と直流電流印加手段間は電気的に絶縁構成としたものであり、ＡＣ電圧とＤＣ電圧接触による機器の破壊を防ぐものである。
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１，２において、装置全体の制御手段であるマイコン1から５ビットの並列信号がＤ／Ａコンバータである制御電圧発生手段２に送られ、この制御電圧発生手段２からの出力電圧は直流電流印加手段３−１へ入力される。
【００２２】
直流電流印加手段３−1からの電流（可変電流）は酸素発生手段４に供給される。直流電流印加手段３−１には負荷に供給できる電力が小さく設計された低電力電流源３−２と低電力電流源３−２よりも負荷への供給電力が大きく設計された高電力電流源３−３が設けられ、電流源切換手段３−４へのマイコン１からの出力信号によって切換られる構成となっている。電流減切換手段３−４についてはリレーの接点、アナログスイッチなど半導体デバイスでの切換が考えられる。
【００２３】
このように直流電流印加手段３−１に２種類の直流電流源が設置されているのは、以下の理由による。
【００２４】
すなわち、酸素発生手段４における固体電解質膜５のインピーダンスは周囲温度に依存しているので、この固体電解質膜５への供給電流は周囲温度の上昇に伴うインピーダンスの低下を考慮しつつ、制御電圧発生手段２によって供給電流を徐々に高めるように供給されている。
【００２５】
しかし、出力電流を制限しても、電流源の供給電力が大きければ、電流源の内部での電力損失が大きくなり、省エネルギー性能が低下する。また電流源内部での温度上昇も大きくなり、機器の信頼性にも影響を与える。
【００２６】
従って、固体電解質膜５の周囲の温度が低くインピーダンスが大きな状態では、低電力電流源３−２を選択して電流源内部の電力損失も少ない状態で電流制御をかける。
【００２７】
温度が十分に上昇し、インピーダンスが低くなった時には高電力電流源３−３を選択して必要な電力を供給しつつ電流制御を行うようにしている。
【００２８】
このように出力電流を制御しつつも、電力容量の異なった電流源を選択的に使用することによって、酸素発生手段４として信頼性が高く、かつ効率の良い電源構成の実現が可能となる。
【００２９】
ここで、酸素発生手段４は、固体電解質膜５の表裏に蒸着又は印刷によって白金電極６、７を設け、これら白金電極６、７間に直流電流源３から直流電圧が印加され、直流電流が流れる。また、固体電解質膜５が酸素イオン導電性を有するよう温度を４００℃程度に保つためのヒータ８が設置されている。
【００３０】
ヒータ８にはＡＣ１００Ｖが印加され、その電力の制御は、電圧制御素子であるトライアック９をＡＣ１００Ｖが０Ｖになることを検出するゼロクロス検出回路１０の信号を基準にした位相制御で行っている。
【００３１】
すなわち、ゼロクロス検出回路１０の出力をマイコン１が取り込み、ドライバー１１へ出力するパルスの出力タイミングを変化させることでヒータ８に印加される電力を制御する。
【００３２】
また、固体電解質膜５とヒータ８の間は、多孔質の絶縁層１２が設置され、電気的に絶縁されている。ヒータ８で加熱された固体電解質膜５は酸素イオン導電性を示し、固体中
を酸素イオンが移動していく。
【００３３】
ここで、酸素発生手段４内は、正の電圧が印加されたアノード側隔室１３と反対側のカソード側隔室１４に隔てられている。カソード側隔室１４では、入口１６から通常大気が送り込まれる。
【００３４】
固体電解質膜５と電極６の境界面では、酸素分子が電子をもらって酸素イオンとなって固体電解質膜５の中に入っていく。即ち、
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
の反応が起きる。
【００３５】
一方、アノード側隔室１３の固体電解質膜５と電極７の境界面では、固体電解質膜５を通ってきた酸素イオンが電子を放出し再び酸素分子となって、大気中に出てくる。即ち、
Ｏ２−→１／２Ｏ２＋２ｅ−
の反応が起きる。
【００３６】
ここで、窒素分子は固体電解質膜５内部を通過できないので、アノード側隔室１３は酸素分子が多い高濃度酸素状態になる。カソード側隔室１４とアノード側隔室１３の間の密閉度を向上させると、原理的にはアノード側隔室１３は酸素濃度１００％の状態を実現できる。高濃度酸素は、出口１７から外部へ供給される。
【００３７】
しかし、上記酸素発生は、固体電解質膜５が４００℃程度に熱せられた時に達成される現象であり、通電開始時のように、まだ固体電解質５の温度が低い状態ではインピーダンスが大きく、その状態で大きな電流を無理に流そうとすると、局部発熱による熱応力の発生により固体電解質膜５にクラックが生じ、装置が破壊される恐れがある。また固体電解質膜５内部での自己発熱も考慮して電力制御を行う必要がある。
【００３８】
図３は直流電流源３の出力電流値とヒータ８の印加電力のタイムチャートである。ヒータ８に電力（３００Ｗ）が印加された直後には電流値を０Ａ近くに抑制し、５分後には最終電流値の２/３程度に立ち上げている。また５分後には、固体電解質膜５の内部発熱も大きくなるので、ヒータ８の電力は１５０Ｗに低下させている。そして電流値が定常値３Ａに達した１０分後には、電力を立ち上がり時の１/５程度に抑制している。ヒータ８の電力の制御は位相制御によって行われている。
【００３９】
図４は位相制御時の電圧波形およびマイコン1からドライバー１１に出力される信号波形である。（a）はヒータ８の出力電力が３００Ｗの時である。ＡＣ１００Ｖのゼロクロス時点で信号電圧が出力される。トライアック９は一旦導通すると、次のＡＣ１００Ｖのゼロクロス時点まで導通する。したがって、ゼロクロス時点で信号電圧を出力し続けることにより、最大電力がヒータ８に印加されることになる。（ｂ）はヒータ８の出力電力が１５０Ｗの時である。信号電力が位相角９０°（電圧が最大になる時点）で出力されることから、電力は３００Ｗの１/２の１５０Ｗになる。（ｃ）はヒータ８の出力電力が５０Ｗの時である。信号電力が位相角約１２０°で出力されることから、電力は３００Ｗの１/６の５０Ｗになる。
【００４０】
図４に示すように位相制御によってヒータ８に印加される電力を制御することによって固体電解質膜５に最適な電力を供給し、効率的な酸素発生を行うことができる。
【００４１】
一方固体電解質膜５に供給される低電力電流源３−２の構成図を図５に示す。
【００４２】
固体電解質膜５を流れる電流は電流検出手段である電流検出抵抗１８の電圧降下として
検出されて電圧比較器１９の＋端子に入力される。また制御電圧発生手段２の出力は電圧比較器１９の―端子に入力される。
【００４３】
電圧比較器１９の出力はトランジスタスイッチング制御回路２０に入力され、設定電圧値に応じた電流を流すようにパワートランジスタ２１を制御する。電圧源２２は固体電解質膜５に流れる電流、および固体電解質膜５に印加される電圧を供給しうる容量を持っていることは当然のことである。
【００４４】
このように固体電解質膜５に流れる電流を検出しつつ、外部からの制御電圧と比較し、出力を決め、低電力電流源３−２、高電力電流源３−３を切換える直流電流印加手段を構成することによって、ヒータ８による固体電解質膜５への加熱が不十分なときには電流値を抑制し、加熱条件が整うと徐々に電流値を上昇させ一定に電流を制御する電流可変機能を持った電流源が実現できる。
【００４５】
ここで、高電力電流源３−３も低電力電流源３−２と同じ構造をしている。違いは電圧源２２の電力容量（電圧、電流仕様）が低電力電流源３−２よりも大きいことである。
【００４６】
次に、図６に制御電圧発生手段２の構成図を示す。マイコン１の出力端子群２３（Ｐ１からＰ５）の出力を入力にしてＲ−２Ｒラダー抵抗２４がつながっている。Ｒは一定の抵抗値を、２Ｒはその２倍の抵抗値を示している。
【００４７】
この構成ではＲ−２Ｒラダー抵抗２４の出力点Ｏｕｔ２５での出力はＰ１からＰ５端子出力をそれぞれ１／３２、２／３２、４／３２、８／３２、１６／３２の重みを持って重ねあわせたものである。（Ｐ1，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５）の出力が（５Ｖ，０Ｖ，５Ｖ，０Ｖ，５Ｖ）の時には５×（１６／３２＋４／３２＋１／３２）＝３．２８Ｖの出力が得られる。したがって出力電圧に応じた３２段階の電流値が得られることになり、固体電解質膜５の加熱状況に応じて電圧値を大きくしていくことで、電流値の時間経過に対してゆっくりとした立ち上がり曲線を得ることが可能となる。
【００４８】
また、上記では、出力端子群２４は５端子としたが、この端子数を６端子にすると、６４段階の電流値が、７端子にすると１２８段階の電流値が、８端子にすると２５６段階の電流値が得られ、端子数を多くするにしたがって、立ち上がり時の電流値のより細かい制御が可能となり、固体電解質膜５や加熱状況に応じて適当な分解能を選択することができる。
【００４９】
図７は直流電流源３の出力電流値とヒータ８の印加電力のタイムチャートであり、サーミスタ２６（図１に示す）が酸素発生手段４を設置した環境の温度を検知し、マイコン１へフィードバックすることで、低温時には図７のヒータ８の３００Ｗは印加される期間を（ａ）だけ延長する。
【００５０】
このことで、周囲温度が低い場合も電流の立ち上がり時間を同程度に制御することができる。また周囲が高温の時にはヒータ８の３００Ｗは印加される期間は短縮される。以上のような構成で、固体電解質膜５のイオン伝導動作が最適に行われるように制御することが可能となり、酸素発生手段４へ電流を供給する直流電流印加手段の省エネルギー、高信頼性運転を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように、本発明にかかる酸素富化空気発生装置の考えは、負荷のインピーダンスに応じて電源を制御する必要のあるランプヒータなどの制御機器にも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１における酸素富化空気発生装置の構成図
【図２】同同酸素発生手段の断面図
【図３】同直流電流印加手段の出力電流値とヒータの印加電力のタイムチャート
【図４】同位相制御時の電圧波形およびマイコンの出力信号波形図
【図５】同低電力電流源の構成図
【図６】同制御電圧発生手段の構成図
【図７】同直流電流印加手段の出力電流値とヒータの印加電力のタイムチャート
【図８】従来の酸素富化空気発生装置の原理図
【符号の説明】
【００５３】
１  マイコン（制御手段）
２  制御電圧発生手段（Ｄ／Ａコンバータ）
３−１  直流電流印加手段
３−２  低電力電流源
３−３  高電力電流源
３−４  電流源切換手段
４  酸素発生手段
５  固体電解質膜
６，７  白金電極
８  加熱体
９  トライアック（電圧制御素子）
１０  ゼロクロス検出回路
１２  絶縁層
１３  直流電源（電圧印加手段）
１８  電流検出抵抗（電流検出手段）
２２  パワートランジスタ
２７  サーミスタ
【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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【図８】
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