CN113475166A - 低频臭氧发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种操作臭氧发生器的方法、一种变压器组件和一种臭氧发生器装置，该臭氧发生器装置被配置为在25至40kHz之间(诸如在30至40kHz之间)的操作频率范围下操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种臭氧发生器装置，该臭氧发生器装置被配置为在25至40kHz之间的操作频率范围下操作。
本发明还涉及一种在25至40kHz之间的频率下操作臭氧发生器装置的方法。
本发明还涉及一种变压器组件，诸如被配置用于提供或适于在25至40kHz的频率范围内提供功率的高功率变压器。
背景技术
成功的臭氧水处理安装件依赖于始终确保水中所需臭氧水平的能力。
从受污染的地下水中正确去除重金属、在水产养殖系统中适当去除胶体固体、所溶解的有机化合物以及将亚硝酸盐转化为硝酸盐、以及城市臭氧水处理问题的有效解决方案取决于始终确保水中所需臭氧水平的能力。
臭氧生成装置优选地在高于人类可听范围(即在15至25kHz之间的频率范围内)的频率下操作，如例如WO 2008/074767所公开的那样。
在高频下操作也是期望的，因为与低频操作相比，对于给定的输入功率具有需要更低的操作电压的优点，例如如Kogelschatz在Plasma Chemistry and Plasmaprocessing,Vol 23,(1):(1-46)中所公开那样。
然而，在高频下操作的臭氧发生器并不总是确保释放所需臭氧水平。例如，臭氧的实际释放(即所释放的臭氧的浓度)在某些情况下可能低于设定值或低于可接受的限值。
因此，改进的臭氧发生器将是有利的，并且特别地能够始终确保待处理的水中的所需臭氧水平的更有效和可靠的臭氧发生器装置将是有利的。
发明目的
本发明的目的是提供一种能够始终确保待处理的水中的所需臭氧水平的臭氧发生器装置。
本发明的目的是提供一种操作能够始终确保待处理的水中的所需臭氧水平的臭氧发生器装置的方法。
本申请的再另外的目的是提供一种用于给能够始终确保待处理的水中的所需臭氧水平的臭氧发生器装置供电的变压器组件。
本发明的目的也可以被看作提供现有技术的替代性方案。
特别地，可以被看作本发明的另外的目的是提供一种臭氧发生器装置、一种为臭氧发生器装置供电的变压器组件以及一种操作臭氧发生器装置的方法，该臭氧发生器装置通过被配置为在25至40kHz之间的操作频率范围下操作来解决现有技术的上述问题。
发明内容
因此，旨在在本发明的第一方面中通过提供一种臭氧发生器装置来实现上述目的和几个其他目的，该臭氧发生器装置包括：臭氧发生器单元，该臭氧发生器单元包括高压电极单元、第一和第二介电元件以及第一和第二接地电极。
发生器单元被配置或适于在25至40kHz的操作频率范围下操作。
例如，操作频率可以在30和40kHz之间，诸如在31和37kHz之间。
在寻求臭氧生成领域中的优化中，发明人注意到操作频率的减少提高了臭氧发生器的生产率。
一般而言，在低频下操作是不期望的，因为对于给定的输入功率在高频下操作臭氧发生器具有较低的操作电压的优点。
另外，操作频率的减少增加了由臭氧发生器单元产生的可听噪声。实际上，臭氧生成装置优选地在高于人类可听范围的频率下操作。
发明人在寻求臭氧生成领域中的优化中研究了与操作期间产生的不期望的背景噪声相关的以及与最优臭氧释放有关的操作频率范围。
因此，发明人标识了这样的频率范围，在该频率范围内，臭氧释放的设定值和实际值之间的对应关系针对最小可听操作干扰被优化。
根据本发明第一方面的臭氧发生器装置还可以包括低频高压AC电源(诸如高功率变压器或变压器组件)，该低频高压AC电源被配置或适于在25至40kHz之间的频率下向臭氧发生器单元提供50至800瓦的功率。
例如，高压AC电源可以被配置或适用于在30至40kHz之间(诸如优选地在31至37kHz之间)的频率下提供50至800瓦之间的功率。
被配置或适于提供50至800瓦的功率的高压AC电源的存在实现了臭氧发生器单元的在25至40kHz之间的操作频率。
本发明的高压AC电源在本文中可以称为高功率变压器、称为变压器或称为变压器组件。
关于臭氧发生器单元的结构，诸如高压电极单元、第一和第二介电元件以及第一和第二接地电极，它指的是WO 02/20398(其通过引用结合于此)中公开的结构和元件。
第一和第二介电元件可以是聚合物层，诸如聚合物材料薄层，例如聚四氟乙烯(PTFE)片材。
在一些实施例中，高压电极单元位于第一和第二介电元件之间。
第一和第二介电元件可以位于距高压电极单元的在0.01至0.5毫米之间(诸如在0.01至0.4毫米之间、例如在0.01至0.3毫米之间、诸如在0.01至0.1之间)的范围内的距离处。
在一些另外的实施例中，第一和第二介电元件可以通过一个或多个间隔件元件与高压电极单元隔开一部分。
第一和第二介电元件可以通过0.01和0.5毫米内(诸如0.01至0.4毫米之间、例如0.01至0.3毫米之间、诸如0.01至0.1之间)的一个或多个间隔件元件与高压电极单元隔开一部分。
第一和第二电介质可以布置在高压电极的两侧上。
在一些实施例中，第一和第二接地电极与第一和第二电介质一起界定第一和第二反应室。
第一和第二反应室可以各自包括用于供应氧气或含氧气体的入口和用于释放臭氧气体的出口。
第一和第二反应室的外表面可以包括冷却元件，诸如冷却翅片。
在一些实施例中，空气冷却可以单独使用或者与水冷却结合使用，从而提高臭氧发生器单元的效率。
在一些其他实施例中，水冷却可以单独用于冷却臭氧发生器单元。
高压电极可以布置为第一和/或第二电介质上的金属涂层。
在一些其他实施例中，高压电极是金属箔或金属片材。
在一些另外的实施例中，第一和第二介电元件可以与第一和第二反应室的内表面接触。
以上提及的特定配置具有这样的优点，即，由于作为第一和第二反应室的一部分的经冷却的接地电极和与第一和第二反应室的内表面接触的第一和第二电介质之间的热交换更有效，所以在臭氧产生期间产生的热量可以更有效地消散。
在第二方面，本发明涉及一种操作根据本发明第一方面的臭氧发生器装置的方法，该方法包括：在25至40kHz之间(诸如30至40kHz之间)的频率下操作臭氧发生器装置。
在一些实施例中，根据本发明的第二方面，根据本发明的第一方面的臭氧发生器装置的操作包括：向臭氧发生器单元供应含氧气体的流体的流量；控制含氧气体的流体的流量；控制在25至40kHz之间(诸如30至40kHz之间)的频率下从电源装置供应给臭氧发生器的功率。
在第三方面，本发明涉及一种操作臭氧发生器装置的方法，该方法包括在25至40kHz之间(诸如30至40kHz之间)的频率下操作所述臭氧发生器装置。
在根据本发明第三方面的操作臭氧发生器装置的方法的一些实施例中，操作臭氧发生器包括：向臭氧发生器单元供应含氧气体的流体的流量；控制含氧气体的流体的流量；控制在25至40kHz之间(诸如30至40kHz之间)的频率下从电源装置供应给臭氧发生器的功率。
在本发明的第一、第二或第三方面的一些另外的实施例中，操作频率是31至40kHz之间的频率，诸如32至35kHz之间的频率。
在第四方面，本发明涉及一种变压器组件或变压器，诸如被配置成或适于在25至40kHz之间(诸如30至40kHz之间)的频率范围内提供电功率的高功率变压器。
根据第四方面的变压器组件可以包括围绕初级绕组和次级绕组的铁氧体壳型芯体。
初级绕组可以具有少于14匝，以及次级绕组可以多于107匝。铁氧体壳型芯体可以具有小于2.0mm的气隙。
在一些实施例中，铁氧体壳型芯体包括通过小于2.0mm的气隙彼此分离的至少两个部分。
考虑到臭氧发生器单元的操作频率取决于电抗器上的电容和高压变压器上的次级侧上的电感，发明人设计了高功率变压器。高压变压器上的初级侧上的电感和串联电感也对臭氧发生器单元的操作频率具有一定影响。
为了改变操作频率，本发明使用具有增加的电感的变压器组件。
电感的近似值可以通过以下公式计算：
μ0是物理常数，并且不能修改。变压器组件的机械尺寸受到臭氧发生器单元的大小限制。此外，变压器组件中的铁氧体芯体也具有不能被改变的预定义尺寸。
实际上，根据上述公式意味着对∑(l/Ae)(芯体的几何常数)和Ae(芯体的面积)的修改是不可能的。μe是所使用的材料(是最先进的铁氧体)的常数。
本发明的解决方案是改变N(初级绕组的匝数)和G(芯体的气隙)。
然而，发生器单元的机械尺寸的限制意味着，在不减少初级绕组上的匝数的情况下，没有增加变压器中的次级绕组上的匝数的空间。本发明的解决方案是修改初级绕组上的匝数，例如通过将其减少一定的数量，诸如将其从当前在具有≈45kHz的操作频率的变压器组件中使用的值(例如这种情况为大约14匝)减少1、2、3、4或5匝。这留下了足够的空间来修改次级绕组的匝数，例如通过将其增加一定的数量，诸如将其从当前在具有≈45kHz的操作频率的变压器组件中使用的值(例如这种情况为大约107匝)减少1、2、3、4或5匝。
减小变压器中的间隙增加芯体中的磁通量。减小频率增加磁通量，从而导致芯体中的损耗的增加。在另一方面，减小频率降低磁通量的方向方面的变化的数量。相反，这降低了损耗。以这样的方式，间隙被修改，诸如从当前在具有≈45kHz的操作频率的变压器组件中使用的值(例如这种情况为大约2.1至2.2mm)降低0.25、0.5、0.75、1、1.1、1.2mm。
因此在一些实施例中，本发明涉及一种变压器组件，该变压器组件包括围绕初级绕组和次级绕组的铁氧体壳型芯体，其中初级绕组具有低于14的匝数，并且次级绕组具有高于107的匝数，并且铁氧体壳型芯体具有小于2mm的气隙。
通过减小间隙和增加次级绕组上的匝数以及减少初级绕组上的匝数，操作频率从≈45kHz减小到≈30kHz。
这种修改可能会略微增加操作温度。然而，操作温度的增加可以通过改进的冷却解决方案来降低。
本发明的第一、第二、第三和其他方面和实施例可以各自与其他方面和实施例中的任何一个相结合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并被阐明。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述根据本发明的臭氧发生器、操作臭氧发生器的方法和变压器组件。附图示出了实施本发明的一种方式，并且不应被解释为限制于落入所附权利要求组范围内的其他可能的实施例。
图1示出了根据本发明的一些实施例的臭氧发生器单元的横截面。
图2示出了根据本发明一些其他实施例的臭氧发生器单元的横截面。
图3示出了操作频率对加权可听噪声以及臭氧产生的设定值和实际值之间的比率的曲线图。
图4是根据本发明的一些实施例的变压器组件的分解图。
图5是根据本发明的一些实施例的变压器组件的透视图。
图6是根据本发明的一些实施例的操作臭氧发生器的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了臭氧发生器单元27，其包括围绕高压电极16的第一PTFE片材23和第二PTFE片材24。
其中生成臭氧的第一和第二反应室分别由第一PTFE片材23和第二PTFE片材24界定在外壳或接地电极14和15的内表面的一个侧部上。
氧气经由入口19和20进入臭氧发生器单元27、在第一和第二反应室中暴露于电晕放电，从而导致分别通过臭氧出口21和22释放的臭氧气体的形成。
外壳或接地电极14和15通过在水冷却室11和13中流动的水冷却来冷却。水冷却室11和13由覆盖件10和12覆盖的接地电极14和15的外表面上的凹部限定。
不锈钢网或片材25和26位于接地电极14和15的内表面与第一PTFE片材23和第二PTFE片材24之间。不锈钢网或片材25和26是促进电极间放电的电晕效应促进结构。
支撑PTFE环17和18布置在接地电极14和15之间。
支撑PTFE环可以具有间隔件的功能，从而确保在接地电极和高压电极之间形成反应室。
图2示出了臭氧发生器单元45，其包括围绕高压电极36的第一PTFE片材43和第二PTFE片材44。
其中生成臭氧的第一和第二反应室分别由第一PTFE片材43和第二PTFE片材44界定在外壳或接地电极34和35的内表面的一个侧部上。
氧气经由入口39和40进入臭氧发生器单元45、在第一和第二反应室中暴露于电晕放电，从而导致分别通过臭氧出口41和42释放的臭氧气体的形成。
外壳或接地电极34和35通过在水冷却室31和33中流动的水冷却来冷却。水冷却室31和33由覆盖件30和32覆盖的接地电极34和35的外表面上的凹部限定。
支撑PTFE环37和38布置在接地电极34和35之间。
臭氧发生器单元45具有与第一和第二反应室的内表面接触(即与接地电极34和35的内表面接触)的第一和第二PTFE片材43和44。
由于与外部水冷却的接地电极的内表面接触，这种构型允许对PTFE片材的改进和有效的冷却。
图3示出了操作频率对加权可听噪声以及臭氧的产生的产生的实际值和设定值之间的比率的曲线图。
X轴表示根据本发明的第一方面的臭氧发生器的操作频率(单位为Hz)。
Y1轴是以dBa为单位的可听噪声的降低的加权值。
线1表示在不同频率下操作的臭氧发生器相对于噪音降低的数据集合。
可以注意到的是，在10kHz和30kHz之间的频率的增加产生显著的噪声降低，即高达–32.5dBa。进一步增加到40kHz可以提供进一步降低高达-37.5Dba。操作频率方面的额外增加不会显著降低由臭氧发生器产生的、人类可听的噪声。
Y2轴是在200gr O3/Nm3臭氧浓度、2巴、100％臭氧释放能力下，臭氧产生的实际值和臭氧产生的设定值之间的比率Oav/Osv。
轴Y2上的值100表示当设定值对应于实际值时的状况，因此对于200gr O3/Nm3的设定值，所释放的臭氧的实际值是200gr O3/Nm3。低于100的值对应于其中设定值高于实际臭氧释放的状况，即与设定值相比，释放更少的臭氧。
高于100的值对应于其中设定值低于实际臭氧释放的状况，即与设定值相比，释放更多的臭氧。
线2示出了取决于操作频率的设定值和实际值之间的对应关系。
可以注意到，操作频率越高，所释放的臭氧的设定值和实际值之间的对应性越差。
实际上，在高频下，例如在60kHz下，对应的值90意味着对于200gr O3/Nm3的设定值，仅释放180gr O3/Nm3。
降低操作频率改善了所释放的臭氧的设定值和实际值之间的对应关系。
例如，对于30kHz的操作频率，对应的值102意味着对于200gr O3/Nm3的设定值，释放204gr O3/Nm3。
在设定值和实际值之间的可接受偏差限值(即100+/-2)内，令人惊讶地发现30和40kHz之间的操作频率为提供最低可听噪声(即以dBa为单位的最高降低，即在–32.5Dba和–37.5Dba之间)的频率。
因此，发明人将臭氧发生器配置成以便以30至40kHz之间的频率操作。
在图4中，根据本发明的一些实施例的变压器组件5包括铁氧体芯体，该铁氧体芯体具有由间隙垫7分离的两个部分3和6以及初级和次级绕组4和8。
图5是图4中的分解图中示出的变压器组件5的透视图。
图6是操作臭氧发生器9(根据本发明的第一方面的臭氧发生器装置)的方法的流程图，该方法包括：在25至40kHz之间(诸如30至40kHz之间)的频率下操作臭氧发生器装置。
臭氧发生器的操作包括：
-S1，向臭氧发生器供应包含氧气的流体的流量；
-S2，控制含氧气体的流体的流量；
-S3，控制在25至40kHz之间(诸如30至40kHz之间)的频率下从电源装置供应给臭氧发生器的功率。
尽管已经结合特定实施例描述了本发明，但是本发明不应被解释为以任何方式局限于所呈现的示例。本发明的范围由所附权利要求组来阐述。在权利要求的上下文中，术语“包括(comprising或comprises)”不排除其他可能的元件或步骤。而且，提及诸如“一”或“一个”等的参考不应被解释为排除复数。权利要求中关于图中指示的元件的附图标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。另外，在不同权利要求中提及的各个特征可以可能地被有利地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征不排除特征的组合是不可能的和有利的。
Claims (17)
1.一种臭氧发生器装置，包括：
-臭氧发生器单元(27，45)，包括：
○高压电极单元(16，36)；
○第一介电元件(23，43)和第二介电元件(24，44)；
○第一接地电极(14，34)和第二接地电极(15，35)；
其中所述高压电极单元位于所述第一介电元件和所述第二介电元件之间，
-其中所述发生器单元被配置为在30至40kHz之间的操作频率范围下操作；
-低频高压AC电源，诸如变压器组件，被配置为在30至40kHz之间的频率下向臭氧发生器单元提供50至800瓦之间的功率。
2.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述第一介电元件和所述第二介电元件位于距所述高压电极单元在0.01至0.1毫米之间、诸如0.01至0.075毫米之间的范围内的距离处。
3.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述第一介电元件和所述第二介电元件通过一个或多个间隔件元件与所述高压电极单元隔开一部分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述第一电介质和所述第二电介质布置在所述高压电极的两侧上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述第一接地电极和所述第二接地电极与所述第一电介质和所述第二电介质一起界定第一反应室和第二反应室。
6.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述高压电极被布置为所述第一电介质和所述第二电介质上的金属涂层。
7.根据前述权利要求1至5中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述高压电极是金属箔或金属片材。
8.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述第一反应室和所述第二反应室各自包括用于供应氧气或含氧气体的至少一个入口(19，20，39，40)和用于释放臭氧气体的至少一个出口(21，22，41，42)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述第一室和第二室的外表面包括冷却元件，诸如冷却翅片。
10.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述第一介电元件和所述第二介电元件与所述第一反应室和所述第二反应室的内表面接触。
11.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述变压器组件是高功率变压器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器装置，其中所述变压器组件是高功率变压器，所述高功率变压器包括围绕初级绕组和次级绕组的铁氧体壳型芯体，其中所述初级绕组具有低于14的匝数，并且所述次级绕组具有高于107的匝数，并且所述铁氧体壳型芯体具有小于2mm的气隙。
13.一种操作臭氧发生器装置的方法，所述臭氧发生器装置根据前述权利要求1至12中的任一项，所述方法包括：
-在25至40kHz之间、诸如30至40kHz之间的频率下操作所述臭氧发生器装置。
14.根据权利要求13所述的操作臭氧发生器装置的方法，
其中所述操作包括：
-向所述臭氧发生器装置供应含氧气体的流体的流量；
-控制含氧气体的流体的所述流量；
-控制在30至40kHz之间的频率下从电源装置供应给所述臭氧发生器的功率。
15.根据前述权利要求13至15中任一项所述的操作臭氧发生器装置的方法，其中所述频率是在31至40kHz之间的频率，诸如在32至35kHz之间的频率。
16.一种变压器组件，诸如被配置成在30至40kHz之间、优选地31至37kHz之间的频率范围内提供电功率的高功率变压器。
17.根据权利要求16所述的变压器组件，包括围绕初级绕组和次级绕组的铁氧体壳型芯体，其中所述初级绕组具有低于14的匝数，并且所述次级绕组具有高于107的匝数，并且所述铁氧体壳型芯体具有小于2mm的气隙。
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