CN102272041A - 光学反应器和用于光学反应器的驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种具有限定反应室的反应器罩的光学反应器。在反应室中，在甚高频工作的光源被布置成向待处理的流体辐射光。低电压电极被布置成包围光源。光源由与反应器罩相邻布置的驱动电路赋能。驱动电路具有连接到光源的高电压输入端子的高电压输出端子。驱动电路具有连接到低电压电极的低电压输出端子。

Description

光学反应器和用于光学反应器的驱动电路

技术领域

本发明涉及光学反应器或者光反应器领域，并且更具体地涉及一种通过光来处理流体的系统。流体的光学处理可以是通过光，具体而言但是并非排他地通过紫外线(UV)光对物质进行灭菌、消毒、灭杀或者失活微生物、氧化或者分解等。本发明还涉及用于光学反应器的驱动电路。

背景技术

在常规光学反应器或者光反应器中，光源用来处理在由罩形成的反应室中的流体。光源可以浸入在流体中，而在该光源周围可能有透明套管。替代地，光源可以布置于流体之外，并且光学装置如反射体可以用来将光源产生的光引向和引入流体。光源与罩(至少有光源)的组合(形成为流过式罩或者配合料容器)将称为反应器。

一种已知方式设想如下的伸长光源(产生UV光的放电灯)，该光源在它周围具有由石英玻璃制成的透明套管。圆柱形外壳容纳光源和套管以及驱动电路。驱动电路位于光源一端或者附近(在套管以内或者套管以外，与套管近邻)。制作从驱动电路到光源两端的电连接。待处理的流体在由套管和外壳(之间)限定的反应室中流动。流体对外壳进行冷却并且由此也对驱动电路进行冷却。

该方式的一个弊端在于在光源与驱动器电路之间的电连接具有电阻抗，该电阻抗充当在光源与驱动电路之间的串联电感和并联电容。这一寄生电阻抗阻止在驱动光源时使用高频并且由此阻止使用在这样的高频工作的特定光源。

上述方式的另一弊端在于它的电安全性和电屏蔽性低。必须使电驱动电路、从驱动电路到光源的电连接和光源电接触绝缘。必须采取构造上的措施以保护操作者免受电击、减少电磁辐射和失真的生成并且最小化电磁扰动的产生。

发明内容

期望提供一种将解决常规技术的至少一些缺点的光学反应器，该反应器采用在高频工作的光源。也期望提供一种用于这样的光学反应器的驱动电路。

因而在本发明的第一方面中提供一种光学反应器，该反应器包括：反应器罩，包括具有内表面的反应室；光源，至少部分地布置于反应室内，该光源具有高电压输入端子；低电压电极，布置成至少部分地包围光源；驱动电路，用于向光源赋能，驱动电路与反应器罩相邻布置，其中驱动电路具有连接到光源的高电压输入端子的高电压输出端子和连接到低电压电极的低电压输出端子。低电压电极包括布置成至少部分地包围光源的导电材料，例如作为在灯周围提供的空心圆柱体形状。术语“包围”将理解为指定电极在至少一个横截面中在灯周围形成闭合形状这样的配置。有可能但是并非必需的是电极在灯周围全方位完全闭合。优选地，电极至少在中间位置(进一步优选在灯的多于一半长度之上)围绕灯。最优选地，电极在灯的整个长度之上围绕它。

在多个实施例中，在反应器罩处提供电极。例如，反应器罩可以完全或者部分地由导电材料制成或者包含导电材料以充当低电压电极。可以将导电材料例如提供为在反应器室的内表面上和/或在反应器室的外表面之上的导电层。

根据本发明各种实施例的光学反应器允许使用类型为基于电介质势垒放电的气体放电灯作为光源。对于这样的灯，为了具有高的灯效率，向灯施加优选地具有高斜率(通常在10⁹V/s或者10¹⁰V/s以上)的AC电压。减少杂散阻抗，从而使高电压斜率成为可能。在许多实施例中，在驱动电路与灯之间无线缆连接，并且在工作时待处理的(导电)流体以及优选地布置于反应器壁处的低电压电极是用于驱动灯的电路的一部分。因此，在这些实施例中，存在到光源的单个高电压连接。

在本发明的另一方面中，提供一种用于本发明的光学反应器的驱动电路。

将更容易理解本发明的这些和其它方面，因为它们通过参照与相似标号表示相似部分的附图结合考虑的下文具体描述而变得更好理解。

附图说明

图1示意地描绘了根据现有技术的光学反应器和驱动电路的部分横截面纵向视图。

图2a至图2e在部分横截面纵向视图中示意地描绘了根据本发明的光学反应器的不同实施例。

图3示意地描绘了图2的光学反应器在具有待处理的流体的容器中的部分横截面纵向视图。

图4图示了本发明的光学反应器的又一实施例的透视图。

图5图示了图4的光学反应器的部分横截面纵向视图。

图6图示了在根据本发明各种实施例的光学反应器的实施例(比如图4的实施例)中的在驱动电路与光源之间的电和机械连接的细节。

图7图示了用于图示根据本发明各种实施例的光源驱动电路中的电优点的网络配置。

图8图示了用于图示根据现有技术的光源驱动电路中的电问题的网络配置。

具体实施方式

图1描绘了现有技术的光学反应器10，该反应器包括伸长光源或者灯16，该光源或者灯在其两端具有电端子(未具体示出)。灯16机械并且电装配于插座17和插座18中。插座17经过线缆13连接到驱动电路11，而插座18经过线缆12连接到驱动电路11。因此可以施加适当具有形状的交变电压并且通过驱动电路11可以向灯16供应具有适当形状的交变电流。驱动电路11从电源如市电(mains)电压或者电池汲取它的输入电力。

灯16由伸长套管15围绕，该套管例如由石英玻璃或者透射由灯在工作时产生的有效光的任何其它材料制成。反应器10还包括罩14。在套管15与罩14之间的空间限定反应室19。罩14具有如图1中的虚线箭头所示的用于向反应室19供应流体(气体或者流体或者其组合)的入口20和用于从反应室19排放流体的出口21。

在工作时，灯16经过套管15向在反应室19中流动的流体辐射光(比如紫外线(UV)光)，由此根据期望来处理流体。

线缆12和线缆13呈现潜在电击危险、产生电磁辐射并且可能产生电磁失真。此外，线缆12和线缆13具有主要可以由充当高频滤波器的串联电感和并联电容(也参见图8和用于讨论该图的对应描述)代表的电阻抗，由此阻止使用如下灯16，该灯需要高频电源或者甚高频电源(通常具有至少10⁹V/s的电压斜率)以用最佳方式工作。

图2a示出了根据本发明一个实施例的光学反应器10a的第一实施例。此处，驱动电路11在罩14a的一端容置于该罩中。灯周围不存在套管。根据该实施例，罩14a由导电材料如金属制成或者包含该导电材料。使罩14a导电提供本质上安全的反应器10，因为驱动电路11被完全围绕并且不能被直接或者间接(例如经由凝结水膜或者经由灰尘和泥土膜)触摸以生成从驱动电路到操作者可能触摸的外表面的潜在漏电路径。因此减少对操作者电击的风险。另外，减少了电磁辐射并且增加了对电磁失真的抗扰性。罩可以连接到地电势。导电罩14a(或者它的导电部分)充当用于灯16的低电压电极。它被布置成不仅在灯16的中间横截面之上并且在灯16的整个长度之上包围灯16。在图2a中所示实施例中，低电压电极14a甚至全方位完全围绕灯16。

反应器10a经过线缆25由市电供应或者电池供电，并且因此可以在这样的电源中的至少一个电源可用的任何地方使用。驱动电路11通过分隔壁22与反应室19分隔。驱动电路11以例如下文参照图6具体描述的方式连接到灯16，从而经由经过分隔壁22到灯16的单个高电压电连接以及通过反应器罩14和在反应室19中待处理的流体到灯16的第二电连接向灯16供电。具有到灯16的单个高电压连接减少不期望的杂散阻抗。由于通过考虑本发明的各种实施例消除了在驱动电路11与灯16之间的线缆连接，所以来自驱动电路11的输出信号与施加到灯的信号相同，并且在驱动电路11与灯16之间未出现电损耗。

通过将驱动电路11包括到罩14a中，驱动电路11的冷却由在反应器10a中待处理的流体实现。反应器10a的总尺寸与具有外部驱动电路的反应器(比如图1中所示反应器)相比相对小。当为驱动电路11与灯16之间的高电压连接选择简单插头和插座连接时，图2的反应器10a的维护相对容易。反应器10a在机械上稳健，并且可以用有力方式耐受由温度变化、振动、撞击其它结构等所致的机械应力。可以相对于外部环境密封反应器10a。

图2b示出了根据本发明另一实施例的光学反应器10b。根据该实施例的光学反应器10b大体上类似于根据上文结合图2a讨论的实施例的光学反应器10a，而相似部分由相似标号表示。下文将仅说明实施例之间的不同。

与第一实施例中不同，根据第二实施例的光学反应器10b并非完全由导电材料制成。替代地，光学反应器10b包括由不导电材料制成(例如由塑料制成)的伸长罩14a。在内侧上，罩14b包括由导电材料制成的层26b。层26b因此形成包围灯16的低电压电极。低电压电极26b在工作时可以用电容方式或者经过传导流体用传导方式或者用这两种方式耦合到灯16。导电层26b可以是插入塑料套管14b中的例如由金属制成的单独制造的主体。替代地，导电层26b可以是在塑料套管14b的内侧上的薄金属涂层。

根据第二实施例的光学反应器10b提供与根据第一实施例的光学反应器10a相同的优点和性质。此外，可以廉价和以多种形状制造具有导电层26b的由塑料材料制成的罩14b。

图2c示出了根据本发明第三实施例的光学反应器10c。与结合第二实施例那样，相似部分由相似标号表示，并且将仅讨论相对于上述说明的实施例的不同。

与在上文结合图2b讨论的第二实施例中那样，也在第三实施例中提供具有导电层26c的、由不导电材料制成的罩14c。然而，导电层26c提供在罩14c的外侧上。层26c因此形成包围灯16和驱动电路11的电极。因此尽管导电层26c经过在罩14c中提供的电接触直接电连接到驱动电路11，但是它未与反应室19的内部直接电接触。

在工作时，灯16由高频电压驱动。不导电罩14c在该情况下充当电介质，电力可以经过该电介质以电容方式耦合到在反应室19内容纳的导电介质，或者在不导电流体如气体的情况下，功率直接以电容方式耦合到灯16。

图2d示出了根据本发明第四实施例的光学反应器10d。同上，与先前实施例相同的部分由相似标号表示，并且将仅描述不同。

根据第四实施例的光学反应器10d包括由不导电材料如塑料制成的罩14d。在光学反应器10d中，在反应室19内将连接到驱动电路11的低电压电极提供为由导电材料如金属制成的单独电极。将电极27提供为布置于灯16周围并且与反应室19电接触的空心圆柱体形状的线网。经过分隔壁22提供用于将线网电极27电连接到驱动电路11的通孔。以包围灯16的形状在罩14d处提供电极27。

在光学反应器14d工作时，来自驱动电路11的电力在反应室19中容纳电绝缘流体如气体的情况下经过纯电容耦合或者在导电流体如水的情况下也通过经过流体的直接导电从电极27耦合到灯16。

图2e示出了根据本发明第五实施例的光学反应器10e。同上，与上述实施例相同的部分由相似标号表示，并且将仅说明不同。

根据第五实施例的光学反应器10e可以包括导电或者替代地不导电罩14e。以包围灯16的方式与灯16相邻布置低电压电极28。电极28在该情况下对由灯16生成的UV辐射而言光学上透明。优选地，将电极28提供为紧密包围灯16的空心圆柱体形状的线网以提供电容耦合并且在反应室19中容纳导电流体的情况下也提供附加传导耦合。

尽管已经讨论了根据本发明第一至第五实施例的上述光学反应器10a-10e，但是下文将说明关于根据本发明的光学反应器的构造和操作的更多细节。在下文描述中，将采用如在本发明的第一实施例(图2a)中那样的包括导电罩14a的光学反应器10。然而应当理解这仅为举例并且替代地，可以使用任何上述实施例来代替。

如图3中所示，反应器10可以浸入到容器30中保持的待处理流体中或者将与主要流体31一起处理的辅助流体32或者其在反应器10内产生的成分中。

例如，将在反应器中处理的主要流体31为氧气或者包含氧气的气体混合物。主要流体31通过入口20从容器30之外供应到反应器。在反应器10中，来自灯16的光在主要流体31中产生臭氧。富含臭氧的主要流体31从出口21与辅助流体32(例如包含生物污染物的水)混合。臭氧分解或者失活生物污染物。

图4图示了反应器10的透视图，该反应器10具有罩14(具有入口20和出口21)、市电输入线缆40和具有零插入力(ZIF)连接器或者其他适当类型的连接器的线缆41。线缆41适于向/从容置于反应器10的驱动电路部分42中的驱动电路发送和/或接收感测和控制信号。在反应器10的灯部分43中容置一个或者多个光源。驱动电路部分42和灯部分43可以具有单独的罩。

参照图5，反应器10的驱动电路部分42包含若干电部件51、出于冷却的目的热连接到驱动电路部分42的罩53的功率半导体52、以及高电压变压器54(具有一个或者多个端子55连接到灯部分43的罩56而一个端子57连接到装配于插座18中的灯16)。

驱动电路部分42的罩53有利地由导电材料制成或者包含导电材料或者至少在其内侧或者外侧上至少部分地由导电材料包覆。灯部分43的罩56由导电材料制成或者包含导电材料或者至少在其内侧上至少部分地由导电材料包覆。

灯部分43包括灯16，该灯具有外(例如玻璃)管16a、内(例如玻璃)杆或者管16b以及在内管16b与外管16a之间的放电间隙。在一个实际实施例中，内管16b在其与外管16a面对的一侧具有导电涂层或者传导粉末，其中有到灯16的高电压端子的电连接。放电间隙是直径通常为2…4mm的毛细管。外(例如石英)管16a具有通常为10…20mm的直径。

提供检测器58以通过测量辐射(具体为在特定波长范围中的辐射)量来检测灯16的工作状态(比如亮、灭、产生的光的量)。检测器58可以例如适于在灯16产生UV-C辐射时检测这样的光。

灯部分还包括导流元件59、60和扩散板61以确保将在反应器中处理的流体的最佳流动以求最有效处理。

图6图示了驱动电路11的高电压变压器54，该变压器包括变压器芯64和变压器绕组65。变压器54装配于在灯部分43的罩56上提供的支撑件66上。支撑件66可以由低导磁率(＜3)的电绝缘材料制成。变压器54(的次级绕组)的端子57被成形为电插座以接收灯16的管脚67(高电压端子)或者它的插座18。变压器54(的次级绕组)的一个或者多个端子55经过支撑件66与灯部分43的罩56电接触(例如通过熔接或者焊接到罩56，或者通过与导热罩56或者其导电部分相抵按压或者以别的方式与其连接)。

如果反应室中的流体具有低传导率(例如在50μS/cm以下、即在200Ωm以上的电阻率)，则灯16的外管16a具有例如在外管16a与反应室19面对的一侧上提供的导电线网这一形式的外电极16c。灯的外电极电连接到变压器54的端子55。

插座18具有如下肩部68，与罩56的杯形部分互作用的该肩部压缩密封环69以避免灯部分43中的流体到达驱动电路部分42。

图7图示了反应器10的电路。变压器54具有连接到其余驱动电路11的初级绕组71和如下次级绕组72，该次级绕组的高电压输出端子连接(优选地直接)到高电压灯端子73，并且另一端子连接到罩14、56。在电学术语中，灯16(具体为电介质势垒放电(DBD)型灯)可以表示为代表内管的第一电容器74，该第一电容器与代表放电间隙的第二电容器75和可变电阻器76的并联布置串联连接并且还与代表外管的第三电容器77串联连接。低电压灯端子78与第四电容器79和电阻器80的并联布置代表的、在反应器中的流体电接触，该流体继而与罩14、56电接触。箭头图示了流体流动。

低电压灯端子可以简单地是与灯16的外(例如玻璃)管接触的、在反应室19中的导电流体。低电压灯端子也可以是在外管16a的外侧上提供并且电连接到驱动电路(的低电压输出端子)的外电极。

图8图示了现有技术的反应器的电路，该反应器具有到灯两端的线缆连接。当与图7的网络方案比较时可见，由于使用线缆连接，所以在变压器54的次级绕组72的两端引入了线缆电感81和杂散电容82的并联布置。这些寄生元件由于流向地面的寄生电流和沿着线缆的电压降而减少在次级绕组72中生成的AC电压的斜率。如图7中可见，消除寄生元件(即电感81和电容82)允许使用如为了让例如DBD灯型灯以最佳方式工作而需要的甚高频电源(例如产生斜率至少为10⁹V/s或者至少10¹⁰V/s的交变电压)。

概括而言，根据本发明各种实施例的光学反应器包括限定反应室的反应器罩。在反应室中，在甚高频工作的光源被布置成向待处理的流体辐射光。光源由与反应器罩相邻布置的驱动电路赋能。低电压电极被布置成包围光源16。驱动电路具有连接到光源的高电压输入端子(例如直接)的高电压输出端子。驱动电路具有连接到低电压电极的低电压输出端子。

适合于本发明的光学反应器的光源为电介质势垒放电(DBD)灯，具体地为电介质势垒耦合受激准分子放电灯，并且更具体地为磷光体转换的氙受激准分子放电灯。DBD型灯具有在UV-C波长范围中的输出光谱。

根据需要，此处公开了本发明的具体实施例；然而将理解，所公开的实施例仅举例说明可以用各种形式实施的本发明。因此，此处公开的具体结构和功能细节将不解释为限制的，而是仅解释为用于权利要求的基础和用于教导本领域技术人员以实质上任何适当具体结构以各种方式运用本发明的基础。另外，此处所使用的术语和短语并非旨在于限制，而实际上提供对本发明的可理解的描述。

尽管此处已经描述和图示了若干发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易设想用于执行此处描述的功能和/或获得此处描述的结果和/或一个或者多个优点的多种其它手段和/或结构，并且这样的各变化和/或修改视为在此处描述的发明实施例的范围内。一般而言，本领域技术人员将容易理解，此处描述的所有参数、尺度、材料和配置是为了举例，并且实际参数、尺度、材料和/或配置将依赖于本发明的教导的使用所针对的一个或者多个具体应用。本领域技术人员将认识到或者能够仅使用例行实验来断定此处描述的具体发明实施例的许多等效实施例。因此，将理解仅通过例子呈现前述实施例，并且在所附权利要求及其等效含义的范围内可以与如具体描述和要求保护的方式不同地实现发明实施例。本公开内容的发明实施例涉及此处描述的各个别特征、系统、产品、材料、工具和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、产品、材料、工具和/或方法并非互不一致，则在本公开内容的发明范围内包括两个或者更多这样的特征、系统、产品、材料、工具和/或方法的任何组合。

如此处所使用的术语“一个/一种”被定义为一个/一种或者多个/多种。如此处所使用的复数术语被定义为两个/两种或者多于两个/两种。如此处所使用的术语另一个/另一种被定义为至少第二个/第二种。如此处所使用的术语包括和/或具有被定义为包括(即开放式语言，未排除其它元件或者步骤)。在权利要求中的任何标号不应理解为限制权利要求或者发明的范围。

在互不相同的从属权利要求中记载某些特征这仅有的事实并未表明不能有利地利用这些措施的组合。

如此处所使用的术语“耦合”被定义为未必直接也未必机械地连接。

Claims (11)

1.一种光学反应器，包括：

反应器罩，包括具有内表面的反应室；

光源，至少部分地布置于所述反应室内，所述光源具有高电压输入端子；

低电压电极，布置成至少部分地包围所述光源，

驱动电路，用于向所述光源赋能，所述驱动电路与所述反应器罩相邻布置，

其中所述驱动电路具有电连接到所述光源的所述高电压端子的高电压输出端子和电连接到所述低电压电极的低电压输出端子。

2.根据权利要求1所述的光学反应器，其中在所述反应器罩处提供所述低电压电极。

3.根据权利要求2所述的光学反应器，其中所述低电压电极包括布置于所述反应器室的内表面之上的导电层。

4.根据权利要求2所述的光学反应器，其中所述低电压电极包括布置于所述反应器罩的外表面之上的导电层。

5.根据权利要求2所述的光学反应器，其中所述反应器罩包括导电材料并且充当所述低电压电极。

6.根据任一上述权利要求所述的光学反应器，其中所述光源为电介质势垒放电型(DBD)灯。

7.根据权利要求6所述的光学反应器，其中所述DBD型灯在它的外表面上具有电极，并且所述驱动电路的所述低电压输出端子电连接到所述电极。

8.根据权利要求7所述的光学反应器，其中所述电极包括导电材料线网。

9.根据任一上述权利要求所述的光学反应器，其中所述驱动电路适于用电压斜率至少为10⁹V/s，具体至少为10¹⁰V/s的交变电压向所述光源赋能。

10.根据任一上述权利要求所述的光学反应器，其中所述反应器罩具有基本上圆柱体形状。

11.一种用于向光学反应器的反应室中的光源赋能的驱动电路，其中所述驱动电路具有：高电压输出端子，适于连接到所述光源的高电压输入端子；以及低电压输出端子，适于连接到在所述反应器的所述反应器室处提供以用来至少部分地包围所述光源的低电压电极。

Images