CN112538637A - 臭氧发生装置、控制方法及冰箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了臭氧发生装置、控制方法及冰箱，臭氧发生装置包括：供水装置；第一臭氧发生器，其用以电解水产生包含臭氧和氧气的一次混合气体；臭氧分离器，其用以分离一次混合气体中的臭氧和氧气；第二臭氧发生器，其用以电离臭氧分离器分离出的氧气产生包含臭氧和氧气的二次混合气体。本发明采用第一臭氧发生器电解水制备臭氧，并通过臭氧分离器分离臭氧和氧气，大大提高臭氧浓度，分离的氧气进一步通入第二臭氧发生器电解氧气产生臭氧，实现资源再利用，提高臭氧生产效率。

Description

臭氧发生装置、控制方法及冰箱

技术领域

本发明涉及臭氧制备技术领域，尤其涉及臭氧发生装置、控制方法及冰箱。

背景技术

臭氧发生装置是用于制取臭氧气体的装置，臭氧的氧化能力极强，可以以气体或者溶解于水中的形式发挥其氧化作用。臭氧对大多数有害物质能起到氧化降解的作用，降解产物为二氧化碳、水或无机盐等，并且臭氧自身分解也只会产生氧气，不会对环境造成二次污染。因此臭氧被广泛应用于水处理消毒杀菌、食品果蔬中的杀菌和降解农残等。但是臭氧极不稳定，接触热、光和水等容易分解成氧气。臭氧在室温空气中的半衰期为20-50分钟，因此臭氧不能像其他气体一样装入容器备用，必须现制现用。工业上大多使用高压电晕放电法生产臭氧，该方法制备的臭氧量大，但是浓度低，并且大多直接以空气为原料电解，空气中还含有大量氮气，产生臭氧的同时还会产生有害的氮氧化合物，造成二次污染。

现有技术中已经出现不同类型的臭氧发生装置，例如公开号为CN111252739A公布一种臭氧产生提纯系统，该专利通过电解氧气得到臭氧和氧气混合物，再将混合气体通入臭氧分离器实现臭氧的保留和氧气的排出，从而提高臭氧的纯度。这种臭氧制备方式存在以下不足：1、通过高压放电将氧气电解为臭氧，产率较低，臭氧含量约为5%-10%，增大提纯难度，生产效率较低；2、原料为氧气，需提供供氧装置，增加生产成本，也存在一定安全隐患；3.分离出的氧气直接排出，未加以二次利用，造成资源浪费，也存在一定安全隐患。

因此，如何设计提高臭氧制备效率的臭氧发生装置是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提出臭氧发生装置、控制方法及冰箱，该臭氧发生装置采用第一臭氧发生器电解水制备臭氧，并通过臭氧分离器分离臭氧和氧气，大大提高臭氧浓度，分离的氧气进一步通入第二臭氧发生器电解氧气产生臭氧，实现资源再利用，提高臭氧生产效率。

本发明采用的技术方案是，设计臭氧发生装置，包括：

供水装置；

第一臭氧发生器，其用以电解水产生包含臭氧和氧气的一次混合气体；

臭氧分离器，其用以分离一次混合气体中的臭氧和氧气；

第二臭氧发生器，其用以电离臭氧分离器分离出的氧气产生包含臭氧和氧气的二次混合气体。

第二臭氧发生器的出口连接至臭氧分离器的气体进口，二次混合气体送回臭氧分离器。

优选的，臭氧分离器的气体进口设有输送管道和将输送管道中的气体泵入气体进口的抽气泵，输送管道包括外流道和设于外流道中的内流道，外流道中流通有冷却液，一次混合气体和/或二次混合气体送入内流道。

优选的，内流道的气体进口和/或第二臭氧发生器的气体进口安装有干燥器。

优选的，第一臭氧发生器包括：由隔膜分隔的阴极室和阳极室、设于阴极室的阴极、设于阳极室的阳极，阴极和阳极的外部均环绕有冷却螺旋管，冷却螺旋管中流通有冷却液。

优选的，臭氧分离器包括：箱体、给箱体提供冷量的制冷机、包裹在箱体外壁上的保温套、设于箱体中的换热管道，换热管道中流通有一次混合气体和/或二次混合气体；换热管道设有气体进口、气体出口和液体出口。

优选的，换热管道的外形呈U形，且换热管道采用弯曲盘绕的螺旋管。

优选的，箱体内设有用于容纳换热管道且可传递冷量的保护套管。

优选的，液体出口连接起泡器，起泡器的外部包覆有冷却管道，冷却管道中流通有冷却液。

优选的，换热管道的底部连接有出液管，出液管设有储液腔和位于储液腔下方的出液阀，液体出口位于出液管的底端。

优选的，臭氧分离器还包括：用以检测储液腔的实际液面高度的液面监测器，出液阀仅在储液腔的实际液面高度达到或超过目标高度时被打开。

本发明还提供了上述臭氧发生装置的控制方法，包括：

步骤S1、将所述臭氧分离器的温度降至设定温度T1；

步骤S2、向第一臭氧发生器中注水，使第一臭氧发生器中液面高度达到设定高度；

步骤S3、开启第一臭氧发生器和第二臭氧发生器，将第一臭氧发生器产生的一次混合气体送入臭氧分离器。

优选的，控制方法还包括：

步骤S4、检测储液腔的实际液面高度；

步骤S5、实时判断实际液面高度是否大于或等于目标高度，若是则开启出液阀，否则关闭出液阀。

本发明还提出了具有上述臭氧发生装置的冰箱。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过电解水制备臭氧，提高生产效率，减轻提纯难度；

2、生产原料为纯水，安全无污染，降低生产成本；

3、将臭氧分离器分离出的氧气再通入第二臭氧发生器，通过电解氧气的原理进一步转换成臭氧，实现资源再利用，无需外界补充氧气；

4、第二臭氧发生器产生的二次混合气体送回臭氧分离器进行循环，臭氧生产效率显著提升。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明中臭氧发生装置的结构示意图；

图2是本发明中第二臭氧发生器的横截面示意图；

图3是本发明中第二臭氧发生器的纵截面示意图；

图4是本发明中控制方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的臭氧发生装置可用在冰箱等电器中，也可以用在冷藏车等需要使用臭氧的设备或器具中。臭氧发生装置包括供水装置100、第一臭氧发生器200、臭氧分离器300以及第二臭氧发生器400，以下详细介绍各个装置的具体结构。

供水装置100包括储水箱和抽水泵110，储水箱中存储有蒸馏水，抽水泵110安装在储水箱和第一臭氧发生器200之间，其作用是将储水箱中的蒸馏水抽至第一臭氧发生器200中。

第一臭氧发生器200采用电解水法制备臭氧，该方法以蒸馏水为原料，容易获取且成本较低，产生的臭氧浓度高，生成的其他副产物为氧气和氢气，不会对环境造成污染。第一臭氧发生200包括阴极室211和阳极室217，阴极室211设有阴极212，阴极室211的上部设有阴极室电解液高位槽221，阴极室211设有氢气排气口219，氢气排气口219位于阴极室电解液高位槽221的上方，阳极室217设有阳极216，阳极室217的上部设有阳极室电解液高位槽222，阳极室217设有一次混合气体排气口223，一次混合气体排气口223位于阳极室电解液高位槽222的上方。

通过电解水在阳极216析出臭氧，同时发生副反应生成氧气，阴极212析出氢气。阳极室217和阴极室211中间设有隔膜，能阻隔气体通过，但水分子及离子可以通过，从而使阳极216产生的臭氧和氧气与阴极212产生的氢气分开排除，降低臭氧分离难度。阳极216和阴极212四周均设有冷却螺旋管214，冷却螺旋管214位于电解槽底部且伸入电解液高位槽中，用以对通电工作中产热的阳极216和阴极212进行冷却，保持产生的臭氧的稳定性，避免其分解成氧气。

电解液高位槽用以储备和补充电解液，由于电解液高位槽中设置有液体，阴极212或者阳极216析出气体经过电解液高位槽时，气体中的水分子融入电解液中，该电解液高位槽起到气液分离器的作用。阴极室电解液高位槽221将阴极产生氢气分离排除，通过氢气排气口219导入氢气收集装置218。阳极室电解液高位槽222将阳极216产生的包含臭氧和氧气的一次混合气分离排除，通过一次混合气体排气口223导入臭氧分离器300。

臭氧分离器300的气体进口设有输送管道226和抽气泵324，输送管道226包括外流道和设于外流道中的内流道，内流道的一端通过抽气泵324连接臭氧分离器300的气体进口、另一端连接一次混合气体排气口223，外流道中流通有冷却液，通过外流道冷却内流道中的混合气体，避免臭氧分解。抽气泵324将内流道中的混合气体泵入臭氧分离器300，引导内流道中的混合气体有序流动，避免混合气体在第一臭氧发生器200和第二臭氧发生器400之间随意扩散流动。

电解水法生产臭氧能大大提高臭氧浓度，但混合气体中仍然含有大量氧气，对制备高纯度臭氧仍有局限，将混合气体送入臭氧分离器可以有效分离臭氧和氧气，实现氧气的再利用。臭氧分离装置300包括：箱体312、制冷机319、保温套311和换热管道320等，箱体312用以提供低温环境；制冷机319用以为箱体312提供冷量，保温套311包裹在箱体312的外壁上，用以阻隔箱体312和外界环境的传热，达到保温目的。换热管道320用以通入包含臭氧和氧气的混合气体，换热管道320设有气体进口、气体出口和液体出口，液体出口的位置低于气体进口和气体出口，换热管道320的外形呈U形，且换热管道320采用弯曲盘绕的螺旋管，采用螺旋管可增加混合气体在管内的停留时间，增加混合气体的换热时间，提高臭氧的氧气分离效率，U形设计可增加混合气体通过低温箱体的路径，增加换热时间、提高分离效率。

为了保护换热管道320，防止换热管道320破裂时混合气体泄露到箱体312中，箱体312内设有用于容纳换热管道320且可传递冷量的保护套管318。进一步的，U形顶部的一端为气体进口、另一端为气体出口，U形底部设有液体出口，液体出口连接起泡器313，起泡器313的外部包覆有冷却管道314，冷却管道314中流通有冷却液，保持起泡器313中臭氧的稳定性，避免其分解成氧气。

再进一步的，换热管道320的底部连接有出液管，出液管设有储液腔和位于储液腔下方的出液阀，液体出口位于出液管的底端。储液腔316的一侧安装有用以检测储液腔316的实际液面高度的液面监测器317，出液阀315仅在储液腔316的实际液面高度达到或超过目标高度时被打开，避免氧气充入起泡器313中。需要说明的是，由于储液腔316中积聚有液态臭氧，有效避免氧气混入，储液腔316起到气液分离器的作用。

如图2、3所示，第二臭氧发生器400采用管式电晕放电法，其具有结构小巧方便，可直接将氧气通入放电管中产生臭氧，且增加氧气与放电电极接触面积等优点。第二臭氧发生器400具有外套层411，外套层411中设有高压电极413、地电极412、介电体415、冷却液管道414和气体放电间隙416。高压电极413外层有一层介电体415，介电体415可以降低起晕电压提高击穿电压，利于产生放电又可防止放电管被击穿，有效提高臭氧生产效率和放电管使用寿命。介电体415外层与地电极412之间是气体放电间隙416，氧气流过气体放电间隙416时，高压电极413放电产生的高能量电子和氧气碰撞电离生成氧原子，然后氧原子和氧气分子经碰撞形成臭氧，同时氧原子和电子也会和臭氧发生反应形成氧气。高压电极413在高频电压作用下放电并伴随大量能量释放，为了保证电极的工作温度在正常的范围，需要设置冷却液管道414，可及时的带走电极工作产生的热量，由于高压电极和地电极呈环形，在高压电极和地电极之间设置冷却液流道414起到制冷效果，外套层411设置在第二臭氧发生器400的最外侧，外套层411采用隔热材料制作，阻隔冷却液与外界环境传热，起到保温效果。

在优选实施例中，第二臭氧发生器400的出口连接至输送管道226上，第二臭氧发生器400电解氧气产生的包含臭氧和氧气的二次混合气体送回臭氧分离器300实现臭氧和氧气分离，实现二次混合气体的循环利用，提高臭氧浓度及生产效率。

较优的，内流道的气体进口安装有第一干燥器225，一次混合气体从第一臭氧发生装置200排出后经过第一干燥器225干燥后再通入臭氧分离器300，避免水分进入臭氧分离器300的低温环境造成结冰冻结。第二臭氧发生器400的气体进口安装有第二干燥器323，臭氧分离器300排出的氧气也需经过第二干燥器323干燥后再通入第二臭氧发生器400，避免通入不干燥的氧气后导致臭氧产生效率降低。

为了提高臭氧发生装置的可靠性，抽水泵110的出口安装有第一电动阀门120，一次混合气体排气口223安装有第二电动阀门224，臭氧分离器300的出口安装有第三电动阀门322，第二臭氧发生器400的出口安装有第四电动阀门420，抽水泵110、抽气泵324、第一臭氧发生器200、第二臭氧发生器400、液面监测器316及所有电动阀门的工作状态均由控制器控制。

如图4所示，本发明还提供了上述臭氧发生装置的控制方法，包括：

步骤S1、开启制冷机319，向箱体312提供冷量，使箱体312的温度降至设定温度T1，T1的取值范围为-120℃≤T1≤-160℃，T1的优选取值范围为-130℃≤T1≤-150℃，臭氧和氧气的分离效果最好。氧气沸点为-183℃，臭氧沸点为-111℃，设置适宜的低温温度，使臭氧液化，氧气仍然为气体，利用臭氧和氧气沸点不同达到分离提纯臭氧的效果；分别向冷却螺旋管214、输送管道226、冷却管道314和冷却液流道414中通入冷却液，避免较高温度影响臭氧稳定性，使其发生分解损失，冷却液可以是冷却水或其他冷却物质；

步骤S2、开启第一电动阀门120并启动抽水泵110，向第一臭氧发生器200中注水，使第一臭氧发生器200中液面高度达到设定高度；

步骤S3、开启第二电动阀门224、第三电动阀门322和第四电动阀门420，并启动抽气泵324、第一臭氧发生器200和第二臭氧发生器400，将第一臭氧发生器200产生的一次混合气体送入臭氧分离器300，抽气泵324的最佳气体流速v应满足1 L/min≤v≤1.5 L/min，抽气泵324稳定工作在最佳气体流速；

步骤S4、检测储液腔316的实际液面高度H；

步骤S5、实时判断实际液面高度H是否大于或等于目标高度h，若是则开启出液阀315，否则关闭出液阀315。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.臭氧发生装置，其特征在于，包括：

供水装置；

第一臭氧发生器，其用以电解水产生包含臭氧和氧气的一次混合气体；

臭氧分离器，其用以分离所述一次混合气体中的臭氧和氧气；

第二臭氧发生器，其用以电离所述臭氧分离器分离出的氧气产生包含臭氧和氧气的二次混合气体。

2.根据权利要求1所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述第二臭氧发生器的出口连接至所述臭氧分离器的气体进口，所述二次混合气体送回所述臭氧分离器。

3.根据权利要求1所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述臭氧分离器的气体进口设有输送管道和将所述输送管道中的气体泵入所述气体进口的抽气泵，所述输送管道包括外流道和设于所述外流道中的内流道，所述外流道中流通有冷却液，所述一次混合气体和/或所述二次混合气体送入所述内流道。

4.根据权利要求3所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述内流道的气体进口和/或所述第二臭氧发生器的气体进口安装有干燥器。

5.根据权利要求1所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述第一臭氧发生器包括：由隔膜分隔的阴极室和阳极室、设于所述阴极室的阴极、设于所述阳极室的阳极，所述阴极和所述阳极的外部均环绕有冷却螺旋管，所述冷却螺旋管中流通有冷却液。

6.根据权利要求1至5任一项所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述臭氧分离器包括：箱体、给箱体提供冷量的制冷机、包裹在所述箱体外壁上的保温套、设于所述箱体中的换热管道，所述换热管道中流通有所述一次混合气体和/或所述二次混合气体；所述换热管道设有气体进口、气体出口和液体出口。

7.根据权利要求6所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述换热管道的外形呈U形，且所述换热管道采用弯曲盘绕的螺旋管。

8.根据权利要求6所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述箱体内设有用于容纳所述换热管道且可传递冷量的保护套管。

9.根据权利要求6所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述液体出口连接起泡器，所述起泡器的外部包覆有冷却管道，所述冷却管道中流通有冷却液。

10.根据权利要求6所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述换热管道的底部连接有出液管，所述出液管设有储液腔和位于所述储液腔下方的出液阀，所述液体出口位于所述出液管的底端。

11.根据权利要求10所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述臭氧分离器还包括：用以检测所述储液腔的实际液面高度的液面监测器，所述出液阀仅在所述储液腔的实际液面高度达到或超过目标高度时被打开。

12.臭氧发生装置的控制方法，所述臭氧发生装置采用权利要求1至11任一项所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述控制方法包括：

步骤S1、将所述臭氧分离器的温度降至设定温度T1；

步骤S2、向所述第一臭氧发生器中注水，使所述第一臭氧发生器中液面高度达到设定高度；

步骤S3、开启所述第一臭氧发生器和所述第二臭氧发生器，将所述第一臭氧发生器产生的一次混合气体送入所述臭氧分离器。

13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述臭氧分离器设有用于流通所述一次混合气体和/或所述二次混合气体的换热管道，所述换热管道的底部连接有出液管，所述出液管设有储液腔和位于所述储液腔下方的出液阀，所述出液管的底端设有液体出口；

所述控制方法还包括：

步骤S4、检测所述储液腔的实际液面高度；

步骤S5、实时判断所述实际液面高度是否大于或等于目标高度，若是则开启所述出液阀，否则关闭所述出液阀。

14.冰箱，其特征在于，所述冰箱具有权利要求1至11任一项所述的臭氧发生装置。

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