(57)【要約】【課題】固体電解質膜を備えた酸素富化空気供給装置の安全運転を実現することを目的とするものである。【解決手段】ヒータ８が５十分加熱しきれていない時には固体電解質膜５への直流電流印加を少なくし、時間経過に応じて電流印加量を多くしていく。そのため、固体電解質５に流れる電流値を電流検出手段で検出し、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が緩やかに行われ、これによって、固体電解質膜５への熱衝撃を緩和し、安全な運転を実現することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段の加熱作用によって酸素イオン導電性を発揮する固体電解質膜と、前記固体電解質に直流電流を印加する直流電流印加手段と、前記加熱手段および直流電流印加手段の制御手段とを具備し、始動時、直流電流印加手段による直流電流を徐々に所定値まで高めるとともに、加熱手段による加熱量を徐々に低下させるようにした酸素富化空気発生装置。
【請求項２】
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り加熱手段への印加電圧を変化させるようにした請求項１記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項３】
トライアックの導通制御信号を位相制御することで電圧制御素子の導通制御信号の出力タイミングの制御を行うようにした請求項２記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項４】
加熱手段へ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ようにした請求項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ようにした請求項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ようにした請求項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、および直流電流印加手段の制御手段に室温検知センサの出力を連係させた請求項１記載の酸素富化空気発生装置。
【請求項９】
加熱手段の印加電力と印加時間を室温検知センサの出力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、電源制御構成に改良を加えた酸素富化空気供給供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の酸素供給装置は、図８に示すように、厚さ０.１マイクロメートル程度のシリコン製膜からなる酸素富化膜１０１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、大気中の酸素分子１０２ならびに窒素分子１０３は酸素富化膜１０１に溶解し、この酸素富化膜１０１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、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からなる酸素富化膜を用いた酸素富化装置では、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も見受けられるが、この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。
【０００６】
本発明はこのような従来装置の課題を解決したものであって、固体電解質による酸素富化供給装置の安全な運転を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的達成のため、本発明の酸素富化空気供給装置は、加熱手段の加熱作用によって酸素イオン導電性を発揮する固体電解質膜と、前記固体電解質に直流電流を印加する直流電流印加手段と、前記加熱手段および直流電流印加手段の制御手段とを具備し、始動時、直流電流印加手段による直流電流を徐々に所定値まで高めるとともに、加熱手段による加熱量を徐々に低下させるようにしたものであり、不適切な動作条件下で電圧が印加されて、固体電解質を破壊させることなく、安全に酸素富化空気供給装置を運転することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、固体電解質の最適動作条件を制御しながら、電極間の電流印加を行うことで、固体電解質を破壊させることなく、安全に酸素富化空気供給装置を運転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、加熱手段の加熱作用によって酸素イオン導電性を発揮する固体電解質膜と、前記固体電解質に直流電流を印加する直流電流印加手段と、前記加熱手段および直流電流印加手段の制御手段とを具備し、始動時、直流電流印加手段による直流電流を徐々に所定値まで高めるとともに、加熱手段による加熱量を徐々に低下させるようにした
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。
【００１０】
第２の発明は、特に第１の発明の加熱手段の電圧印加の変化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。
【００１１】
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の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。
【００１２】
第４の発明は、特に第１から第３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。
【００１３】
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、酸素富化供給装置の安全な運転を図るものである。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
第８の発明は、加熱手段および直流電流印加手段の制御手段に室温検知センサを連係させたものであり、最適な過熱条件を設定するものである。
【００１７】
第９の発明は、特に第８の発明の室温検知センサで加熱手段の印加電力と印加時間を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。
【００１８】
第１０の発明は、特に第１から第８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。
【００１９】
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。
【００２０】
（実施の形態１）
図１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に送られるようにしてある。そして、前記制御電圧発生手段２からの出力電圧は直流電流印加手段である直流電流源３へ入力され、また、この直流電流源３からの電流（可変電流）は酸素発生手段４に供給される。
【００２１】
酸素発生手段４は図２に示すように、固体電解質膜５の表裏に白金電極６、７を蒸着、または印刷によって設け、これら両電極６、７間に前記直流電流源３からの直流電圧を印加するようにしたものである。
【００２２】
さらに、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
めの加熱手段であるヒータ８が設置されている。ヒータ８にはＡＣ１００Ｖが印加されている。
【００２３】
前記ヒータ８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。
【００２４】
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。
【００２５】
また、固体電解質膜５とヒータ８の間には多孔質の絶縁層１２が介在され、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。
【００２６】
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には入口１５から通常大気が送り込まれる。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り固体電解質膜５の中に入っていく。即ち
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
の反応が起きる。
【００２７】
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。
【００２８】
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こととなる。そして、高濃度酸素は出口１６から外部へ供給される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
（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。  
【００３６】
（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。
【００３７】
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で固体電解質膜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。
【００３８】
一方固体電解質膜５に供給される直流電流源３の具体構成を図５に示す。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１７の電圧降下として検出されて電圧比較器１８の＋端子に入力される。
【００３９】
また、制御電圧発生手段２の出力は電圧比較器１８の―端子に入力される。電圧比較器１８の出力はトランジスタスイッチング制御回路１９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２０を制御する。電圧源２１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。
【００４０】
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、出力を決める電流源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。
【００４１】
次に図６に制御電圧発生手段２を示す。マイコン１の出力端子群２２（Ｐ１からＰ５）の出力を入力にしてＲ−２Ｒラダー抵抗２３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。
【００４２】
この構成ではＲ−２Ｒラダー抵抗２３の出力点Ｏｕｔ２４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。出力端子群２２の端子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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、上記では出力端子群２２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ものである。
【００４５】
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、室温検知センサであるサーミスタなどの室温検知センサ２５（図１に示す）で酸素発生手段４が置かれている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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、固体電解質膜５を破壊させることなく、安全に酸素富化空気供給装置を運転することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明にかかる富化酸素酸素供給装置の考えは、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】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１における富化酸素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】同直流電流源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】同直流電流源の構成図
【図６】同制御電圧発生手段の構成図
【図７】同直流電流源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】従来の酸素供給装置の原理図
【符号の説明】
【００５０】
１  制御手段（マイコン）
２  制御電圧発生手段
３  直流電流源
４  酸素発生手段
５  固体電解質膜
８  加熱手段（ヒータ）
９  電圧制御素子（トライアック）
１０  ゼロクロス検出回路
１２  絶縁層
１３  電圧印加手段（直流電源）
１８  電流検出手段（電流検出抵抗）
２０  パワートランジスタ
２５  室温センサ
【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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