CN105174223B - 一种自冷型臭氧发生器 - Google Patents

Abstract

本专利涉及商用臭氧制备设备领域，致力于提供臭氧生成效率高，体积小的自冷型臭氧发生器。结构包括：用于制备臭氧的臭氧发生装置；用于冷却气体的冷却装置；用于驱动气体在臭氧发生装置和冷却装置之间循环流动的循环装置；所述臭氧发生装置、冷却装置和循环装置形成一封闭的内循环系统，该内循环系统具有导入工作气源的工作气源进气管和导出臭氧的臭氧气体导出管。其中热交换作用与发生臭氧的作用是分开的，而传统臭氧发生器的发生臭氧作用与热交换作用相互关连，而且是在发生臭氧区域内综合进行。因此热交换器可以采用换热效率更高的通用类型和种类，这样可以达到传统臭氧发生器无法达到的热传递效率。

Description

一种自冷型臭氧发生器

技术领域

本专利涉及商用臭氧制备设备领域，更具体的说是一种自冷型臭氧发生器。

背景技术

臭氧是氧的同素异形体，是自然界最强的氧化剂之一。其氧化电位2.07 V，与单质氟的氧化电位2.87 V相比，氧化性能仅次于氟而位居第二位。

臭氧作为一种高效、广谱、快速的杀虫剂，其杀菌能力是氯气的300～600倍 ，具有消毒、杀菌、清洗、除臭、脱色的作用。此外还可以氧化去除水中或空气中的微污染物质，很少产生副产物，无二次污染，综合效果非常好。

目前，已应用于室内空气净化、工业排放气体净化、半导体制造、化工、食品储藏保鲜、饮用水杀菌、水厂或游泳池水处理及工业污水处理、水产养殖、医疗卫生等领域。

但是，臭氧技术及设备未能广泛应用和迅速发展的主要障碍，源于目前生产的工业臭氧发生器价格昂贵、体积庞大、耗能高、浓度及产量低、维保成本高等。

臭氧技术的研究、设备的研制及工艺的探讨在我国起步较晚。经过30多年的产业化发展，我国的臭氧生成技术有了很大的提高。无论是它的介电体材料、放电单元的结构、供气设备 、冷却系统，还是供电电源、控制、检测等技术都今非昔比，不仅提高了臭氧的产率，而且降低了能耗和改善了运行条件。

目前，臭氧发生器大多采用介质阻挡放电法（无声放电）。这样的介质阻挡放电臭氧生成单元通常设计成长圆管状，它能够按需要进行串联或并联组合，从而满足工业化大规模制备臭氧的需要。其内外两平行且同轴的电极管之间隔以一层介电体管，并保持一定的放电间隙，内外电极常用水或油加以冷却。

另一种臭氧发生器属于所谓板型发生器，其结构特点是具有一系列彼此间隔的平行空心电极板，空心电极板之间安置有介电体板并留有放电间隙，空心电极板内用水加以冷却。

在上述两种传统结构中，以一定速度流经于该放电间隙的氧分子O₂在高频高压电形成的强电场作用下，受高能电子激发而获得能量，并相互碰撞形成臭氧分子O₃。

这些典型的介质阻挡微放电臭氧发生器，在受高能电子激发放电产生臭氧的过程中，电能会在电晕气隙内大量耗散。

理论计算表明，臭氧生成所需能耗仅为0.82 Kw•h/Kg•O₃。

事实上，现在普遍使用的介质阻挡放电臭氧发生器，当用氧气源制造质量分数为21%的臭氧时，实际能耗为7 Kw•h/Kg•O₃左右。也就是说，电晕功率中仅仅只有11.7%的能量用于产生臭氧，其余88.3%的能量则以热量形式损耗掉；

当使用空气源制造质量分数为21%的臭氧时，实际能耗为15.5Kw•h/Kg•O₃，即电晕功率中仅仅只有5.3%的能量用于产生臭氧，近95%的电晕功率以热量等形式损耗掉。

这些气体电离和介电体介质的能量耗散会使放电气隙内气体温度急剧升高。由于生成臭氧的反应是可逆反应，因此已经生成的臭氧会在高温下分解还原，如果工作气隙内温度得不到及时有效控制，会造成臭氧产量、浓度和电能利用率大幅度下降，并可能损坏相关器件。

为了保证臭氧发生管高效稳定工作，提高臭氧产率，防止介电体热击穿，因此大规模工业臭氧发生器中，普遍采用水冷、油冷或者内外电极分别进行水冷和油冷。以便冷却剂带走热量，防止其可逆反应带来的臭氧产率、浓度下降及单位产量能耗增加。

如前所述，气体电离和介电体介质的能量耗散会使放电气隙内气体温度升高，臭氧会在高温下分解,从而直接影响臭氧的产量、浓度和能耗。因此快速地将这些热量排出臭氧发生单元之外，也就成为保证已经生成的臭氧分子不被分解、臭氧发生器高效稳定工作，提高臭氧产率及浓度，降低能耗，防止介电体热击穿的关键问题。现在的臭氧发生器中，就其结构特点而言，无论是管式还是板式，它们都存在如下亟待解决完善的问题：

其一：如果采用自来水非循环冷却方式，按照发生10Kg/h臭氧所需冷却水量计算。当工作气源为氧气源时，每天需要480立方米的冷却水量。当工作气源为空气源时，每天需要960立方米的冷却水量。可见资源的浪费严重，运行成本高，而且空排水存在对环境的二次污染。

若采用自来水循环冷却方式，则需要增加一系列热交换等设备，势必造成设备占空比增大，设备投资加大。

重要的是，自来水温度取决于环境温度，波动很大，这对于臭氧发生器所要求的最佳冷却水进水温度来说，无疑是非常不利的。

其二：如果采用地下水冷却，需要打一口深井，其申报难度可想而知。就其设备来看，要增加水过滤器、深井潜水泵、储水罐等一系列设备，导致设备占空比增大，投资加大。再加上地下水一般都具有硬度高，矿物质含量高，杂质多，易结垢等特点。这会造成臭氧发生器放电管的热量无法快速排出，臭氧产量、浓度会大幅下降，能耗增加。严重时会损坏放电管，造成系统无法正常运行。频繁的修理还会影响整个臭氧消毒系统运营效率、维保费用增加、运行成本加大等等。

其三：如果采用油来冷却电极，它是用油泵加压使油经过有高压电的电极并将此电极的热量带走，然后经过换热设备冷却油温后再回到油箱形成循环。因为油的粘度大，必需要有足够的功率把油压加大到很高的压力才能循环运转，且需使用复杂昂贵的设备进行热交换，从而导致投资增大。否则油温得不到控制，这对于臭氧发生器所需的最佳冷却油进油温度要求来说，同样是非常不利的。臭氧的产量、浓度和单位产量的能耗也都会受到很大影响。

其四：理论计算表明，其他相应条件不变的情况下，提高电源的工作频率能大幅度提高每个臭氧发生单元的臭氧产量和浓度。

例如，一个臭氧发生器用50Hz交流电产生臭氧1g，若采用10000Hz交流电则能产生臭氧43g。但是每个臭氧发生单元放电空间里释放的热量也将会增加43倍。此时特别需要迅速地将此热量排出。

现有电源工作频率一般设计为3000Hz左右，臭氧能耗、产量、浓度都难以达到较高的水平。

其五：实验结果表明，工作气体的进气温度、露点对臭氧的产量、浓度有很大影响。尤其是工作气体为空气源时，温度随着环境、季节的不同而变化，若进入臭氧发生管的气源温度上升，会使放电气隙内的工作气体温度升高。如果得不到有效控制，会导致臭氧浓度、产量明显下降，单位产量能耗增加。

此外，为了控制好气源的温度、露点，还需要对气源进行预处理，这样又增加了设备的投资。

其六：理论计算表明，提高工作电源的电压，由目前普遍采用的中低压提升为中高压，能使产生臭氧的电离放电折合电场强度达到350Td的左右，相应的等离子体中电子平均能量可达到9ev。这时的电子所具有的能量最适于O₂的离解反应，臭氧浓度将提高到350mg/L或更高。可见电离电场强度电子平均具有能量是臭氧发生技术的关键参量。

但是，通过提高电源工作电压建立强场强放电气隙场，会使臭氧发生单元内的温度上升，这就更要求能快速将这部分热量带离放电区域。

事实上，因为不能及时有效地排出这些热量，即使采用综合性能更好的材料作为介电体，也很难增大工作电源电压。臭氧的浓度、产量仍然得不到大的提高。

其七：现有的工业臭氧发生器普遍体积庞大，金属材料消耗量大，材料及制造成本过高。对于臭氧用户而言，设备投资相对昂贵，如果用作流动性设备，又过度笨重。

发明内容

针对以上所述臭氧发生器存在的问题，本发明致力于提供臭氧生成效率高，体积小的自冷型臭氧发生器。

基于上述目的，本发明通过以下方案来解决所述技术问题。

本专利公开一种自冷型臭氧发生器，其特征在于包括：

用于制备臭氧的臭氧发生装置；

用于冷却气体的冷却装置；

用于驱动气体在臭氧发生装置和冷却装置之间循环流动的循环装置；

所述臭氧发生装置、冷却装置和循环装置形成一封闭的内循环系统，该内循环系统具有导入工作气源的工作气源进气管和导出臭氧的臭氧气体导出管。

不同于现有技术采用外界冷源对臭氧发生装置进行冷却的方式，本专利利用放电生成臭氧的工作气体来对臭氧发生装置进行自冷却。通过冷却装置降低工作气体的温度，工作气体流经臭氧发生装置的同时，能够将其热量带离臭氧发生区域，使其温度下降，保证臭氧发生装置的正常高效工作。采用该方法，无需在臭氧发生装置内增加额外的冷却装置，可以大大缩小设备的体积，提高其稳定性。而且较低的温度也有利于臭氧的生成，避免在高温下臭氧还原为氧气，保证所生成的臭氧浓度和稳定，可以在短时间内合成浓度高于现有设备的臭氧产品，特别适用于商用制备高浓度臭氧。另外，本专利是一个将工作气源封闭在一个循环系统内进行多次反应的原理结构，工作气源循环的时间越长，次数越多，则所生成的臭氧浓度越高，这就有利于商用设备对产品臭氧浓度的调节。

具体的结构是，所述臭氧发生装置为一个具有气体出口和气体进口的密闭箱体构成的臭氧发生源，所述臭氧发生源内部包括多个并排的介电体、地电极板和高压电极板，所述介电体、地电极板和高压电极板之间形成气体放电通道。该结构有别于现有采用空心电极板的板形臭氧发生器，并在空心电极板内用水加以冷却的结构。本专利由于直接采用工作气体对地电极板和高压电极板进行冷却，则所述电极板无需采用空心结构。实心结构的电极板厚度可以大大下降，从而使得整个臭氧发生装置体积缩小。介电体、地电极板和高压电极板相间分布，其间自然形成气体放电通道，可以提高工作气体流动带走热量的效率。

本专利的介电体采用非刚性材料，只要具有高的介电强度，优良的物理化学性能及机械性能，能够平直张紧，均可以作为用于本发明所述臭氧发生器的介电体。介电体优选柔性聚合材料，所述地电极板和高压电极板优选不锈钢薄板，所述臭氧发生源上设有用于张紧介电体、地电极板和高压电极板的张紧机构。该机构可将介电体、电极板张紧拉直，并保证各个介电体、电极板平直，且相互平行，间隙均匀。从而保证工作气体能够在间隙内高速流动。当气流高速通过平直张紧的介电体一侧时，介电体会有微小震动，这种震动不仅不会对生成臭氧产生负作用，介电体表面还会因微震形成一定程度的湍流，这种湍流恰恰有助于破坏介电体表面影响热传递效率的气流层，增强介电体的热传递效率。

所述介电体为Mylar柔性聚酯材料、Kapton聚酰亚胺或Lexan聚碳酸酯材料中的一种。这些材料都具有优良的机械性能、电气性能、热稳定性、抗臭氧氧化腐蚀性。介电强度是玻璃的十多倍甚至更高。因为不需要像传统的臭氧发生器那样，承受冷却水的静压力，所述介电体的厚度一般选在0.05～0.20mm之间 ，这远远低于以往常用玻璃介电体的厚度。

所述电极板材料的选择原则是在臭氧中不易被氧化、腐蚀，例如不锈钢或经过阳极化处理的铝材之类的薄板。厚度在0.3~0.7mm之间,优选一般在0.50mm左右，这又大大小于传统的板式臭氧发生器空心电极或管状臭氧发生器钢管电极的厚度。

放电间隙对放电形态和放电空间的温度均有很大影响。减小放电间隙，可以提高放电空间的冷却效果，抑制臭氧的分解反应，提高臭氧生成效率，降低单位产量的能耗，所以，拟采用小间隙结构。所述介电体、地电极板与高压电极板之间形成的放电间隙选在0.5~0.75mm之间。

由于采用聚合物介电体替代玻璃介电体，其介电强度是玻璃的十多倍甚至更高，所述地电极板和高压电极板之间的工作电压在5KV~12KV内可调，频率为5KHz~12KHz可调。在放电间隙一定的条件下，可以使放电间隙的电离折合电场强度达到很大。放电电场中的电子平均能量可以维持在很高的电子伏特水平，这种电子所具有的电子平均能量最适合于氧分子O₂的离解反应，并且极大地抑制了低能电子的产生。这种条件下臭氧的生成可以在短时间内制备完成，臭氧浓度和产量可大幅度提高。

所述地电极板和高压电极板分别上下交错连接有地电极接线端子和高压电极接线端子，且使多个地电极接线端子设置在一端，而多个高压电极接线端子设置在另一端。将接地端和高压端子分设于不同的端面，有利于简化接线结构，缩小设备体积。另外在商业化臭氧生成设备中，所述地电极板和高压电极板经过一段时间的使用之后，会产生一定的氧化损耗，这就需要对地电极板或高压电极板进行更换。上述这种接线结构十分方便设备的维护和维修。

在使用过程中，当电源系统工作时，连接于高压电极接线端子的高频高压交变电通过介电体的耦合极化作用，在臭氧发生源的放电间隙中建立起气体放电电场，同时发生数目众多的微放电。

所述冷却装置可以采用通用的制冷设备，一般包括安装有蒸发器的热交换器、压缩蒸发气体的压缩机、以及冷凝器和膨胀阀构成的制冷循环系统，所述热交换器与臭氧发生装置、循环装置形成内循环系统。由于工作气源的温度初始值对臭氧的生成十分重要，并同时考虑到要在高速的流动下能够带走热量，降低臭氧发生源的温度，控制臭氧生成区域的环境，本专利所述热交换器冷却气体的温度控制在8~12℃之间。最佳的方案是将进入臭氧发生源之前的工作气流温度控制在10℃甚至更低，便可以控制臭氧发生源放电区域的工作气体温度在比较理想的范围，这种温度环境更适合氧分子O₂的离解反应。

为了提高热交换效率，所述蒸发器包括多个蒸发单元，所述冷却装置还包括将制冷剂均匀分配至每个蒸发单元的制冷剂分配室。制冷剂分配室中安装有制冷剂分液器及分液管，保证将液态制冷剂均匀分配给制冷剂蒸发管束。由于液态制冷剂流经膨胀阀降压后，呈气液两相状态，如处理不当，将会导致各通路的制冷液分配不均。为了解决此问题，除在膨胀阀后设置分液器增强气液混合以外，还设置等长度的分液管，增加各通路阻力，保证各通路分液均匀。

进一步的设计还包括所述热交换器内分布有多片折流板，所述蒸发器为由多根管构成的制冷剂蒸发管束，制冷剂蒸发管束沿热交换器相距分布，通过所述管板及折流板支撑。热交换器内横跨蒸发管束安装的若干块折流板，能增加液体横掠管束的流速和扰动，其扰动作用还有助于在蒸发管束外表面形成湍流，破坏管束表面影响热交换效率的气流薄层。

从上述分析可见，本专利为一种自冷型板式臭氧发生器，其包括自冷型板式臭氧发生源、循环风机、热交换器以及制冷剂循环冷却系统。

这种设计方案，除开能够在高频高压工作电源所建立的强电场作用下，通过平板介质阻挡放电形式生成臭氧以外，还在循环风机的强迫输运下，高速臭氧气流自身能快速、及时、有效、循环的将放电所产生的热量带离臭氧发生强放电区域。

本专利中热交换作用与发生臭氧的作用是分开的，而传统臭氧发生器的发生臭氧作用与和热交换作用相互关连，而且是在发生臭氧区域内综合进行。因此热交换器可以采用换热效率更高的通用类型和种类，这样可以达到传统臭氧发生器无法达到的热传递效率，从而实现臭氧浓度和产量的大幅提高。

本专利所述自冷型板式臭氧发生器，能够通过工作气体的导入率（工作气源的导入量与工作气体循环量的比值），控制臭氧气体的循环时间和次数，从而控制输出臭氧的浓度和产量。

通过控制蒸发管束内制冷剂的蒸发温度及压力，控制臭氧发生源导入气体的工作温度，进而使臭氧发生源放电工作区域的温度控制在最佳温度点上。从而使臭氧的产量、浓度、能耗达到最佳值。

由于采用了柔性薄形介电体和超薄电极，并且省去了传统臭氧发生器水冷结构所占据的空间和材料，使得本发明所述臭氧发生器体积只有原来的五分之一甚至更小。大大节约了设备制造成本，使得价格低廉、性能优良的工业臭氧发生器走向市场成为可能。

由于本发明所选用的介电体具有很高的介电强度，工作电源电压可以提高到万伏以上。工作电源频率可以提高到一万赫芝左右，这种高频高压电源在放电间隙一定的情况下，会建立起一个超强的放电电场，使放电间隙的电离折合电场达到很高的强度，放电电场中的电子平均能量达到氧分子离解能级，这种能级电子所具有的电子平均能量最适合于氧分子O₂的离解反应，且极大地减少了低能电子的生成比例。臭氧浓度和产量将大幅提高。

本发明所述自冷型板式臭氧发生器还采用了制冷剂循环冷却系统，用于同来自臭氧发生源的高速气流进行热交换。使用专用制冷剂的蒸发、压缩、冷凝、节流、再蒸发的循环冷却方式，快速、及时、有效的对高速气流进行冷却，使其运行在最佳工作温度点上。从而实现臭氧大浓度、高产量、低能耗的最终目的。

综上所述，本专利具有以下优点及技术效果：

工作气源在循环风机的驱动下，形成高速气流，并且循环的经过臭氧发生装置。在高频高压工作电源所建立的强电场作用下，使得进入该发生源的氧分子受高能电子激发电离放电而生成臭氧。

工作气源高速气流在高频高压电场中通过介质阻挡放电生成臭氧的同时，该气流自身将气体电离和介电体介质能量耗散中释放的大量热能带离臭氧发生装置，并在热交换器中与制冷剂循环冷却装置进行热交换。

传统的臭氧发生器中，电极、介电体的冷却与介质阻挡放电单元在结构上需要做成一体，冷却水要直接到达并通过电极或介电体一侧，方能达到冷却电极、介电体的目的。这就要求电极与介电体必须具有足够的刚性和强度承受冷却水压力，而且同样需要热交换设备。此外水冷腔体占据了大量空间，消耗大量金属材料，若干支臭氧发生管并联连接，相邻管间还必须留有足够的空间以供安装及冷却，这些都将造成臭氧发生单元及设备体积庞大，金属材料消耗量增大，设备制造成本居高不下。

传统臭氧发生器中，由高低压电极板、介电体及放电间隙构成的单元，厚度至少在10mm以上，其体积约占整体体积的20%～30%，而本专利中的高低压电极板、介电体及放电间隙构成的放电单元厚度只有2～2.2mm，且各单元之间不用设计冷却空间，其体积约占整体体积的4%～6%。例如本发明的臭氧发生器电极厚度只需要0.50 mm左右，介电体厚度只需0.05～0.20mm，（传统型臭氧发生器介电体厚度至少需要1.80～2.2mm，电极厚度至少需要2.5～3.5）。电极和介电体的体积减小，相应增加了工作气流空间，从而使臭氧发生装置单位体积的臭氧产量大幅度提高。传统型臭氧发生器采用内外水冷却时，还需考虑到冷却水腔，这样体积更大，同样浓度和产量下，体积是本发明臭氧发生器的数倍。由此而知，本专利臭氧发生装置省去了传统水冷却所需的空间和金属材料，体积小，材料消耗小，成本低廉。

本专利中热交换作用与产生臭氧的作用是分开的，而传统臭氧发生器的产生臭氧作用与和热交换作用相互关连，而且是在发生臭氧区域内综合进行的。由此，本专利的热交换不需要设计成满足介质阻挡放电的结构形式，而可以采用换热效率更高的通用类型和种类的设备，可以达到传统臭氧发生器未能实现的热传递效率，从而实现臭氧浓度和产量的大幅提高。

由于采用聚合物介电体替代玻璃介电体，介电强度是玻璃的十多倍甚至更高，工作电源的电压能提高到万伏以上，频率能提高到10KHz左右。在放电间隙一定的条件下，可以使放电间隙的电离折合电场达到很高强度，放电电场中的电子平均能量能达到离解能级，这种电子所具有的电子平均能量最适合于氧分子O₂的离解反应。

另一个重要优点是，臭氧浓度和产量大小可根据需要调节。通过调节工作气源进气管中工作气体的导入率和工作气体循环，便可以对臭氧气体导出管的输出臭氧量及浓度进行控制。

将进入臭氧发生装置之前的工作气流温度控制在10℃左右甚至更低，便可以控制臭氧发生源放电区域的工作气体温度在比较理想的范围。这种温度更适合氧分子O₂的离解反应。

此外，适当增加部分仪表、传感器，即可以对臭氧的输出浓度、产量、工作气体的导入流量、压力、温度等进行自动调节，实现全自动或远程控制。

整个板式臭氧发生单元可以采用模块化设计、制造，能按照产量大小及浓度需要进行任意组合搭配。以适合不同用户，不同规模的市场需求。

附图说明

图1为本专利实施例系统示意图。

图2为图1中臭氧发生装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本专利的结构和工作原理做进一步的阐述。

本实施例涉及一种自冷型臭氧发生器，叙述了在气态氧、富氧空气或空气的气流中用板式介质阻挡放电（无声放电）形式产生臭氧的方法和设备，特别适用于生产商用浓度和产量的臭氧。

针对以上所述臭氧发生器存在的问题，本实施例致力于提供一套能够快速自循环冷却、换热设备分离、臭氧浓度可调、能耗低、设备体积小、价格低廉、高效环保的自冷型板式臭氧发生器，如图1和图2所示。

本实施例的基本思路为：以一定流速流经臭氧发生装置100的空气、富氧空气或气态氧在高频高压电形成的强电场作用下，受高能电子激发获得能量，并相互碰撞生成臭氧。如此同时，由这些富含氧分子O₂和臭氧分子O₃的气流会将介电体28、地电极板25和高压电极板30以及放电气隙27中的热量带离放电区域，然后与臭氧发生装置100以外的热交换器14等组成的制冷剂循环冷却装置200进行热交换，实现既生成臭氧又冷却自身的目的。

本实施例所采用的方法为，通过高速气流自身将大量热量带离臭氧发生装置100放电区域外。然后在热交换器14的热交换室12中，用管束15中的制冷剂取代传统方法中的冷却水或油对气流进行传导、蒸发、冷却，如二氟一氯甲烷（R22）、氨（NH₃）、以及其他制冷剂等等。

如图1所示，系统组成包括：用于制备臭氧的臭氧发生装置100；用于冷却气体的冷却装置200；用于驱动气体在臭氧发生装置100和冷却装置200之间循环流动的循环装置300；所述臭氧发生装置100、冷却装置200和循环装置300形成一封闭的内循环系统，该内循环系统具有导入工作气源的工作气源进气管17和导出臭氧的臭氧气体导出管9。所述臭氧发生装置100为一个具有气体出口3和气体进口5的密闭箱体构成的臭氧发生源4。如图2所示，所述臭氧发生源4内部包括多个并排的介电体28、地电极板25和高压电极板30，所述介电体28、地电极板25和高压电极板30之间形成气体放电通道（放电间隙）。

上述设备依次以管路、管件进行耦合连接。臭氧发生源4在高频高压电所建立的强电场作用下，通过介质阻挡放电生成臭氧分子。循环风机1强迫工作气流高速循环流经放电间隙27、热交换器14。发生源气体进口5及发生源气体出口3分别将高速气体从臭氧发生源4导入和导出。左管板18和右管板7用来固定制冷剂蒸发管束15。为了强化管内沸腾，增强传热效果，蒸发管采用内螺纹高传热性能的金属管，实现管内湍流的形成。管束外表面安装有连续整体铝片，以增大热传导面积。

热交换器14一端安装有制冷剂分配室8，另一端安装蒸发气体储气室21。制冷剂分液器及分液管（图中未示出）安装在制冷剂分配室8中，该结构是保证将液态制冷剂均匀分配给制冷剂蒸发管束15各通路的主要部件。由于液态制冷剂流经膨胀阀降压后，呈气液两相状态，如处理不当，将会导致各通路的制冷液分配不均。为了解决此问题，除在膨胀阀11后设置分液器增强气液混合以外，还设置等长度的分液管用以增加各通路阻力，保证各通路分液均匀。制冷剂进液管10与膨胀阀11连接，导入节流后的低压制冷剂。制冷剂蒸发气体出气管20与制冷系统压缩机19相连，将通过制冷剂蒸发管束15蒸发后的蒸汽导出至压缩机19进行压缩。热交换器14内横跨蒸发管束安装有若干块折流板13，以增加气体横掠管束的流速和扰动，其扰动作用还有助于在制冷剂蒸发管束15外表面形成湍流，破坏制冷剂蒸发管束15表面影响热交换效率的气流薄层。经过处理的空气、富氧空气或气态氧经由工作气源进气管17导入，通过一定比例的导入量，控制臭氧气体导出管9输出臭氧的浓度和产量。

臭氧发生源4是本发明的核心设备，它的作用是在高频高压工作电源所建立的强电场作用下，使得进入臭氧发生源的空气、富氧空气或气态氧中的氧分子受高能电子激发电离放电而生成臭氧。

如图2所示，臭氧发生源4包括一个由发生源左侧板31、发生源右侧板37、发生源盖板33、发生源底板38、气体导出面板23以及气体导入面板35组成的密闭箱体。高速流动的工作气源由气体导入面板35及气体导出面板23导入或导出，其余板封合成为一个臭氧发生源4的腔体，以防止周围空气进入发生臭氧的空间，并防止臭氧从腔体内部外漏。介电体28、地电极板25以及高压电极板30分别夹紧在若干个上垫片29和下垫片26之间，这些构件依靠粘合剂紧密粘合，然后通过连接杆39与上端紧定调节螺钉34、下端紧定调节螺钉36固紧于臭氧发生源左右侧板上。每块电极板均有一端伸出垫片之外，伸出端交替的上下重复延伸，并连接有地电极接线端子24、高压电极接线端子32。 所选介电体28为非刚性体，地电极板25和高压电极板30属于可弯曲的薄钢板，连接杆39与上端紧定调节螺钉34、下端紧定调节螺钉36构成张紧机构。通过适当结构形式调节上端紧定调节螺钉34、下端紧定调节螺钉36，可将介电体28、地电极板25以及高压电极板30张紧拉直，并保证各个介电体28、地电极板25以及高压电极板30平直且相互平行，间隙均匀。其中所形成的放电间隙27提供强电离电场放电空间。

优选的介电体28是一种柔性薄形聚合材料，诸如Mylar聚酯、Kapton聚酰亚胺或Lexan聚碳酸酯等。这些材料都具有优异的机械性能、电气性能、热稳定性、抗臭氧氧化能力，介电强度是玻璃的十多倍甚至更高。因为不需要像传统的臭氧发生器那样，承受冷却水的静压力，所以介电体28的厚度一般选在0.05～0.20mm，这大大低于以往常用玻璃介电体的厚度。当气流高速通过平直张紧的介电体28一侧时，介电体会产生微小震动，这种震动不仅不会对生成臭氧产生负作用，介电体表面还会因微震形成一定程度的湍流，这种湍流恰恰有助于破坏介电体表面影响热传递效率的气流层，增强介电体的热传递效率。

电极板材料的选择原则是在臭氧中不易被氧化、腐蚀。例如不锈钢或经过阳极化处理的铝材之类的薄板。厚度的选择一般在0.50mm左右，这又大大低于传统的板式电极或管式钢管电极的厚度。

放电间隙对放电形态和放电空间的温度均有很大影响。减小放电间隙，可以提高放电空间的冷却效果，抑制臭氧的分解反应，提高臭氧生成效率，降低单位产量的能耗，所以，本发明拟采用小间隙结构，即放电间隙设计为0.5～0.75mm。

当电源系统工作时，连接于高压电极接线端子32的高频高压交变电通过介电体28的耦合极化作用，在臭氧发生源4的放电间隙27中建立起气体放电电场，同时发生数目众多的微放电。

一定压力、流量、露点的空气、富氧空气或气态氧由热交换器的c口进入。在风机马达2带动的循环风机1的高速输送下，该工作气体经由热交换器折流板13、循环输送管6、发生源气体进口5、气体导入面板35等强迫进入臭氧发生源4的放电间隙27。其中的氧分子在强放电电场作用下，受高能电子的激励而获得能量，并且相互碰撞发生氧气离解反应，从而形成臭氧分子。

在受高能电子激发放电产生臭氧过程中，电能在电晕气隙内大量耗散，大量热能也随这些富含氧分子和臭氧分子的气流被带离，使得臭氧发生源4内的介电体28、地电极板25、高压电极板30和放电空间被冷却并维持在适当温度。

携带大量热能的臭氧气体经由循环风机1强迫流动，从循环风机输出管22输运到臭氧发生源4以外的制冷剂循环冷却装置200中进行热交换。此过程中高速气流在折流板13的引导下通过热交换器14中的制冷剂蒸发管束15，以一定流速从制冷剂蒸发管束15外肋片间掠过，将大量热量通过这些肋片、管壁传递给管内流动的制冷剂，此时制冷剂快速蒸发，蒸发气体由压缩机19吸入压缩、冷凝器16冷凝、膨胀阀11节流减压后进入下一个冷却循环。

被快速冷却的富含臭氧高速气体，在进入臭氧发生源4之前的工作气流温度控制在10℃左右甚至更低。在高速风机强迫输运下，来自臭氧发生源4出口的臭氧气体，绝大部分同不断由c口进入热交换器14的工作源气体混合，再次冷却后被输运到臭氧发生源4，进入到下一个介质阻挡放电生成臭氧的循环，随着这种循环的不断进行，工作气体的臭氧浓度达到一定的数值，一定浓度和数量的臭氧由臭氧气体导出管9输出至用户端。

在该实施例中，依靠循环风机1，控制一定压力、流量的工作气体强迫进入臭氧发生源4的放电间隙27参与离解反应。

由这些富含氧分子和臭氧分子的气流将介电体28、地电极板25、高压电极板30、放电气隙27中的热量带离放电区域，然后与臭氧发生源4以外的热交换器14等组成的制冷剂循环冷却系统进行热交换，实现富含臭氧的工作气体快速冷却。

通过控制循环风机1的转速以及由c口导入的工作源气体进气压力、流量、导入率，可以控制工作气体通过臭氧发生源的再循环次数及流动状态，进而控制臭氧气体输出的商用浓度和产量。

通过控制热交换器14中蒸发管束15的蒸发温度、压力，就能将介质阻挡放电生成臭氧过程中高速气流的温度冷却到合适工作点，进而控制臭氧发生源4工作区域气体的工作温度。

在其他优选的实施例中，所述介电体不仅适用柔性薄形聚合物材料，也适用其他非刚性材料，只要具有更高的介电强度，优良的物理化学性能及机械性能，能够平直张紧，均可以作为用于本发明所述臭氧发生器的介电体。

除开本实施例所描述的热交换系统以外，还适用于其他诸如直接蒸发式空气冷却器、干式壳管蒸发器等各种热交换器。

本实施例中制冷剂循环冷却系统不仅适用于现在常用的制冷剂，如二氟一氯甲烷（R22）、氨（NH₃）等，也适合其他能用于本方案循环冷却的制冷剂。

本实施例中用来与臭氧气体进行热交换的是制冷剂循环冷却系统，其冷却剂主要是R22等能用于本方案循环冷却的制冷剂。但是也可以采用其他常用热交换设备，如水、油、气体冷却热交换系统等等。

本实施例中所涉及的制冷剂循环冷却系统，除用于本方案描述的自冷型板式臭氧发生器以外，还适合在其他中小型工业臭氧发生器系统中使用。包括任何立式、卧式、管式、板式臭氧发生装置。

显然，本专利的上述实施例仅仅是为清楚地说明本专利所作的举例，而并非是对本专利的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自冷型臭氧发生器，其特征在于包括：

用于制备臭氧的臭氧发生装置（100）；

用于冷却气体的冷却装置（200）；

用于驱动气体在臭氧发生装置（100）和冷却装置（200）之间循环流动的循环装置（300）；

所述臭氧发生装置（100）、冷却装置（200）和循环装置（300）形成一封闭的内循环系统，该内循环系统具有导入工作气源的工作气源进气管（17）和导出臭氧的臭氧气体导出管（9）。

2.根据权利要求1所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述臭氧发生装置（100）为一个具有气体出口（3）和气体进口（5）的密闭箱体构成的臭氧发生源（4），所述臭氧发生源（4）内部包括多个并排的介电体（28）、地电极板（25）和高压电极板（30），所述介电体（28）、地电极板（25）和高压电极板（30）之间形成气体放电通道。

3.根据权利要求2所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述介电体（28）为柔性薄形聚合材料，所述地电极板（25）和高压电极板（30）为不锈钢薄板，所述臭氧发生源（4）上设有用于张紧介电体（28）、地电极板（25）和高压电极板（30）的张紧机构。

4.根据权利要求3所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述介电体（28）的厚度在0.05～0.20mm之间，所述地电极板（25）和高压电极板（30）的厚度在0.3~0.7mm之间，介电体（28）、地电极板（25）和高压电极板（30）之间形成的放电间隙（27）的宽度在0.5～0.75mm之间。

5.根据权利要求3所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述地电极板（25）和高压电极板（30）之间的工作电压在5KV～12KV内可调，频率在5KHz～12KHz内可调。

6.根据权利要求3所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述介电体（28）为Mylar柔性聚合材料及Kapton聚酰亚胺或Lexan聚碳酸酯材料中的一种。

7.根据权利要求2所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述地电极板（25）和高压电极板（30）分别上下交错连接有地电极接线端子（24）和高压电极接线端子（32），且使多个地电极接线端子（24）设置在一端，而多个高压电极接线端子（32）设置在另一端。

8.根据权利要求1至7任一项所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述冷却装置（200）包括安装有蒸发器的热交换器（14），压缩制冷剂蒸发气体的压缩机（19），冷凝器（16）和膨胀阀（11）构成的制冷循环系统，所述热交换器（14）与臭氧发生装置（100）和循环装置（300）形成所述内循环系统，热交换器（14）冷却气体的温度在8～12℃。

9.根据权利要求8所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述蒸发器包括多个蒸发单元，所述冷却装置（200）还包括将制冷剂均匀分配至每个蒸发单元的制冷剂分配室（8）。

10.根据权利要求8所述的自冷型臭氧发生器，其特征在于所述热交换器（14）内分布有多片折流板（13），所述蒸发器为由多根管构成的制冷剂蒸发管束（15），制冷剂蒸发管束（15）沿热交换器（14）相距分布，通过所述折流板（13）支撑。