CN1108983C - 一种平行板式水冷臭氧发生器 - Google Patents

Abstract

本发明属于臭氧发生技术设备领域。本发明提出一种新型平行板式水冷臭氧发生器设计，采用高性能的陶瓷介电板(6)，高压放电极(7)和基板(1)(地极)两侧采用直接水冷却，不仅有高效的冷却，还可得到更薄的介电板(0.5mm)，更窄的放电间隙(0.5mm)，因而可获得低的驱动电压，高效的运行频率，可大大地提高电晕功率密度，减小发生器尺寸，降低造价。采用标准模块组装方式，可简单装配各种工业规模用发生器。电晕元件露在外面，则维修方便，冷却换热面裸露，便于清除水垢。

Description

一种平行板式水冷臭氧发生器

本发明涉及采用电晕放电法制造臭氧的发生器，特别是采用平行板式结构，水冷却的臭氧发生器。

臭氧不仅有优异的灭菌消毒作用，还能氧化分解化学污染物。用臭氧处理饮用水，净化处理生活和工业废水，对空气进行消毒净化，具有不产生二次污染的优点，在合成化学工业方向也有着广泛的应用。工业上大量的臭氧是用专门设计的电晕放电法制造。基本电晕元件是由一块介电板分隔两块金属板电极组成，在两电极施以交流高压电，中间的放电室产生电晕放电场，氧气反应生成臭氧。电晕放电要释放出大量热量，但臭氧遇热加速分解，因而臭氧发生器又必须有良好的冷却，水冷却是最有效的方法，但由于高压电的存在，则给臭氧发生器设计制造带来许多困难。目前工业规模水冷臭氧发生器类型有奥托板式水冷发生器，卧管(立管)式水冷发生器，立管式双液冷发生器，其中卧管式水冷发生器在目前工业应用中最普遍。

陶瓷介电体(板)优越于玻璃介电体(板)，但以上类型的发生器却都采用玻璃介电体(板)，这是因为介电体厚度既要薄，又要均匀，为保证放电间隙窄，并且均匀一致，介电体尺寸的精度要求非常高，按以上类型发生器结构，用陶瓷材料制作工业规模的管式(或板式)介电体，目前还无法烧制出来，由于结构强度要求，以及保证尺寸精度，玻璃介电体不能太薄(目前一般为2mm以上)，玻璃介电体的制作精度提高有限，放电间隙的减小也就受到限制(目前为2mm以上)，因而驱动电压的降低就受到限制，玻璃介电体限制了运行频率(即放电频率)的提高。

在冷却方面，卧管(立管)式水冷发生器中，两放电极只有一电极侧被水直接冷却，另一电极侧无法直接冷却，冷却效果不高，也不易进一步提高。立管式双液冷却发生器中，两放电极，一电极侧用水冷却，另一电极侧用不导电的液体冷却，冷却效果得到一定的提高，但发生器结构更复杂，冷却系统也复杂，冷却效果提高也有限。

由于提高运行频率，减小放电间隙和介电体厚度，以及降低驱动电压方面受到限制，还有冷却方面存有的问题，就影响到提高臭氧发生效率(单位耗电产生的臭氧量)，与提高电晕功率密度(单位电极面积电晕功率)，这样使得现工业规模臭氧发生器非常庞大，造价也非常高，发生器应安装在良好的室内环境中。在维修方面，以卧管式发生器为例，电晕元件封装在金属壳体内，一旦损坏失效，就不易修理，水冷传热面结垢不易清除，这样就对冷却水的水质要求高。

本发明的目的是设计提出一种新形结构的平行板式水冷臭氧发生器，实现了在工业规模应用水冷臭氧发生器中，采用高性能的陶瓷材料作介电体，可得到更薄介电体，更窄的电晕间隙，扩大了提高运行频率以及降低驱动电压的范围，更有效的水冷结构设计，降低冷却水的水质要求，大范围内提高了电晕功率密度，促进臭氧发生效率进一步提高，缩小了发生器的尺寸，整个臭氧发生器结构简单紧凑，造价低，易维护修理。

本发明是这样实现，采用平行板结构、介电体为平面薄板，此称为介电板，其基本组成包括有：基板、垫片、介电板、高压放电极、绝缘体。绝缘体的一侧为平面，介电板紧贴在绝缘体的平面侧面上、高压放电极夹在介电板和绝缘体的中间，高压放电极的周圈，被介电板与绝缘体能够直接接触的合缝包围，整圈合缝进行了绝缘密封处理。高压极引线或高压极引线头穿过绝缘体引出来，即除高压极引线或高压极引线头外，整个高压电极被密封绝缘在介电板和绝缘体内。放电室在基板与介电板之间，基板被设置为放电地极，夹在介电板和基板之间的垫片，将放电室包围，并可将放电室与外界密封隔开。

在基板内至少开设有两并排的通气孔，分别为原料气的进入管道，和产品气的排出管道。在基板上，放电室的两端，开设有气口，它们或与基板内的通气孔相通，或与相邻放电室的气口相通，原料气体通过通气孔，再经气口流进放电室，电晕放电生成的含臭氧气体(产品气)从另外气口，进入另外通气孔流出。气口采用了长缝形或由数多孔组成的排孔形结构，气口是沿着通气孔的轴向开设，气口采用这样结构，能保证气流在放电室流动分布均匀，无回流死区，有利于获得高水平的臭氧发生效率。

在冷却方面，本发明有两种结构形式，一是外冷式，另一是内冷式。外冷式是在基板和绝缘体上设置有扩展换热面形散热器，冷却水浇淋在散热器上，或直接将散热器浸在冷却水中，进行冷却，此时高压极引线与绝缘体之间必须采取密封绝缘措施。内冷式是在基板内开设有水冷道，在绝缘体上设置有带水冷道的散热器，或直接在绝缘体内开设水冷道，冷却水封闭在水冷道内流动。可以看出，无论是外冷式还是内冷式，绝缘体不仅起着绝缘密封隔离高压电的作用，还有导热散热作用，因而绝缘体不仅要绝缘强度高还要热导率高。陶瓷材料不仅绝缘强度高，热导率也非常高，高热导瓷能达到相当于金属铝，采用陶瓷材料作绝缘体最理想。

按本发明设计，利用目前的常规精细陶瓷烧成技术，能非常容易地制造出，面积足够满足需要，厚度又薄(0.5mm以下)，又均匀的高性能陶瓷介电板。烧制出来的薄片陶瓷板有曲翘，介电板的高要求平面度可通过以下措施得以保证，绝缘体上的平面，通过再加工方法，比如机械研磨，能将其加工非常高水平的平面度，介电板采用加压紧贴在绝缘体上，通过粘结或焊接固定，可将介电板矫平，达到高水平的平面度。基板上的放电地极面的平面度是很容易加工保证得到，这样只要垫片保证又薄又均匀，就能保证得到又窄又均匀的放电间隙，要得到0.5mm的放电间隙不是非常难的。

本发明中，放电地极侧(基板)和高压放电极侧(绝缘体)，双侧都同时得到直接水冷却，冷却效果就比单侧要显著提高，又加上外冷式，通过扩展换热面强化提高冷却效果，内冷式可以通过增加水冷道数量或内径换热面，强化提高冷却效果。

有了厚度又薄性能又高的陶瓷介电板，能制作出更窄的放电间隙，又有高效的冷却保证，就能够显著降低驱动电压，提高运行频率，得到更高的电晕功率密度，这不仅大大地缩小发生器的尺寸体积，重量，降低成本造价，而且还有助于提高臭氧发生效率。

以下结合附图以及实施例对本发明作进一步详细说明。

附图1为外冷式臭氧发生器特征结构示意图。

附图2为附图1中A-A处的剖面特征结构示意图。

附图3为外冷式臭氧发生器特征结构示意图。

附图4为附图3中B-B处的剖面特征结构示意图。

附图5、6、7、9为外冷式臭氧发生器特征结构示意图。

附图8为附图7中C-C处的剖面特征结构示意图。

附图10、11、12为内冷式臭氧发生器特征结构示意图。

附图1、2所示的臭氧发生器，绝缘体8是一块厚平板，采用陶瓷材料烧制，会有曲翘变形，与介电板6相配的面就必须再加工，比如采用机械磨加工，使其达到高要求的平面度。高压放电极7可采用在介电板6上应用表面金属化制得，比如采用烧渗法，可以在介电板6上烧制出10μm厚的高压放电极7，在介电板6的周边，围着高压放电极7，留有一定宽度的空白边缘，这样介电板6与绝缘体8有一周圈能够直接接触的合缝5，整圈合缝必须密封绝缘。为保证介电板6的平面度，介电板6应加压紧贴，并固定在绝缘体8上，可采用，A.胶粘剂，边缘合缝5处必须采用绝缘密封胶，为提高热传导，中部最好能采用导热胶，B.焊料，将介电板6与绝缘体8焊成一体，边缘的合缝5处必须采用绝缘密封焊料；比如采用真空技术与电子技术中常用密封焊接的玻璃釉焊料，在中部的高压放电极7部分最好能选用导热性好的焊料。

高压极引线9穿过绝缘体8从中部引出来，高压极引线9与绝缘体8的结合处10应采用绝缘密封胶将其填充胶住，高压极引线9外裸露部分应该具有耐高压的绝缘外层。因而整个高压电部分被密封绝缘隔离，冷却水又可以直接浇在绝缘体上进行冷却。为强化冷却效果，在绝缘体8上设有扩展换热面形散热器11，本发明中所谓的扩展换热面是指，在换热面上设置类似肋片或肋柱样的结构，以增加换热面积，由附图2看出，绝缘体8上的散热器11采用的是肋片形结构扩展换热面，基板1上所带的扩展换热面形散热器11，采用了与绝缘体8上同样形结构的扩展换热面，并与基板为一体结构，但也可根据具体情况，采用类似于绝缘体8上的散热器11那样，分成两部件。

基板1作为放电地极的平面，平面度要求非常高，以保证放电间隙均匀。垫片4的作用不仅是保证放电室12的放电间隙，还使其与外界密封隔开。垫片4可以分成两部分，一部分是保证放电间隙精度的垫片，另一部分是保证密封的垫片，比如硅橡胶垫片；也可以采用单一的硅橡胶垫片，此时硅橡胶垫片的厚度精度要求非常高，垫片也可以制成与基板为一体。在放电室的两端的气口3，直通基板1内的两并排的通气孔2，从附图2可以看出气口3采用的是长缝形结构。

附图3、4所示臭氧发生器与附图1、2类同。不同之处有：(1)放电室12的气口3采用的是由数多孔组成的排孔形结构；(2)绝缘体8上的扩展换热面形散热器11与绝缘体8为一体式结构；(3)高压极引线9采用了可拆卸式结构，高压放电极7的引出由高压极引线头13通过高压引线插头14引出，高压极引线插头14与绝缘体8之间必须采取密封绝缘措施，附图3所示密封绝缘为：高压极引线插头14的外圆与绝缘体8密封性配合，可采用紧配合，再加密封绝缘胶或油脂。

附图5所示的发生器中，基板1内有3个并排的通气孔2，放电室12也有与其对应的三个气口，此时，或中间的气口为进气，两端的为出气；或中间的气口为出气，两端为进气。高压极引线9与绝缘体8之间结合处的密封绝缘，是靠高压极引线插头14的内圆与绝缘体8密封配合，再加绝缘密封胶或油脂保证。附图6示出另一种高压极引线9与绝缘体8之间的密封绝缘结构，高压极引线插头14与绝缘体8的接触面通过螺钉或(螺栓)15压紧密封，加入绝缘密封胶或油脂，保证得到可靠的绝缘密封。

附图7、8所示的臭氧发生器，基板1内只有两并排的通气孔2，但横着通气孔方面，排有三个放电室，相对应的有三组独立的介电板6、高压放电极7、绝缘体8，三个放电室通过气口3和通气槽16串联起来，增大臭氧发生器的放电极面积，以增大臭氧产量。附图9中，基板1内有三个通气孔2，但中间的通气孔2，所起的作用是将左右两放电室串联起来。

附图10所示的臭氧发生器为内冷式，在基板1内开设有水冷道17，并且与通气孔2并排，在绝缘体8上设有带水冷道17的散热器18。附图11中，基板的两面都设有放电室，绝缘体8内直接开设有水冷道17，这样使臭氧发生器结构紧凑，整个设备尺寸大大地减小。附图12所示的臭氧发生器中，沿着通气孔2轴向，排着数多放电室12，冷却方式为内冷式，在绝缘体8上同一线上的水冷道，通过管接头19将它们串联起来。

单个放电室的电晕功率及臭氧产量有限，要增大臭氧产量，则应采取增加放电室数量方式，通过串联或并联方式将数多放电室联起来。附图7、9所示臭氧发生器为串联式。图11、12所示的臭氧发生器为并联式，原料气体从进气的通气孔同时分别进入各放电室，各放电室经通气孔并联在一起，实际应用中可以采用串联与并联相结合的方式。在工业规模化中，可将介电板、高压放电极、绝缘体、再加上散热器和垫片设计制作成标准基本元件，进行标准化生产，由数个基本元件，运用放电室的串并联方式，在一标准基板上装配组成一标准发生器模块，根据所需要臭氧产量，选用模块数量。这样各种不同臭氧产量的工业规模的臭氧发生器，就可非常方便组配出来。采用数多模块组配，臭氧发生器在运行中，小数量模块出现故障，完全可以在不中断整机运行的情况下进行修理，因而，设备的运行可靠性高。

Claims (7)

1.一种水冷平行板式臭氧发生器，包括有：基板(1)、垫片(4)、介电板(6)、高压放电极(7)、绝缘体(8)，其特征在于：

a、介电板(6)为采用了陶瓷材料制成的平面薄板；绝缘体(8)采用了陶瓷材料制成，绝缘体(8)的一侧面为平面；介电板(6)紧贴在绝缘体(8)的平面侧面上；高压放电极(7)夹在介电板(6)和绝缘体(8)的中间，高压放电极(7)的周圈，被介电板(6)与绝缘体(8)能直接接触的合缝(5)包围、整圈合缝(5)进行了绝缘密封处理，高压极引线(9)或高压极引线头(13)穿过绝缘体(8)引出；

b、放电室(12)在基板(1)与介电板(6)之间，基板(1)设置为放电地极，夹在介电板(6)与基板(1)之间的垫片(4)，将放电室(12)包围；基板(1)内至少有两并排的通气孔(2)；在基板(1)上放电室(12)的两端，开设有气口(3)，它们或与基板(1)内的通气孔(2)相通，或与相邻放电室(12)的气口(3)相通；气口(3)采用了长缝形或由数多孔组成的排孔形结构，气口(3)是沿着通气孔(2)的轴向开设。

2.根据权利要求1所述的臭氧发生器，其特征在于：高压极引线(9)被固定在绝缘体(8)上，高压极引线(9)与绝缘体(8)之间的结合处采用了绝缘密封胶。

3.根据权利要求1所述的臭氧发生器，其特征在于：高压极引线(9)采用了可拆卸式结构，高压极引线插头(14)与绝缘体(8)之间采用了密封绝缘结构。

4.根据权利要求1、2或3所述的臭氧发生器，其特征在于：基板(1)和绝缘体(8)上设有扩展换热面形散热器(11)，绝缘体(8)和其上的散热器(11)为一整体结构。

5.根据权利要求1、2或3所述的臭氧发生器，其特征在于：基板(1)和绝缘体(8)上设有扩展换热面形散热器(11)，绝缘体(8)和其上的散热器(11)为两可分的部件。

6.根据权利要求1所述的臭氧发生器，其特征在于：基板(1)和绝缘体(8)内设有水冷道(17)。

7.根据权利要求1所述的臭氧发生器，其特征在于：基板(1)内设有水冷道(17)，绝缘体(8)上带有内设有水冷道(17)的散热器。

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