CN114772555B - 一种超高浓度板式臭氧发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高浓度板式臭氧发生器，包括由地极板围成的壳体，所述壳体上层与下层分别内设相连通的上层冷却通道、下层冷却通道，所述壳体中部包含高压放电组件腔体。本发明采用微流体并联水路散热设计，壳体整体温升小，温度分布均匀，避免了传统的并联、串联水路导致的局部温升过高，导致的臭氧分解过快等缺陷；本发明的气缝通道采用四通道风轮型设计，气缝通道内氧气与臭氧处于高速旋转状态，混合更充分，有助于提高臭氧产生率；本发明的电源模块采用直流电压调幅、PWM移相、频率跟踪三重闭环调节，可进行运行参数自动调整，使壳体状态无论如何变化，一直处于最佳放电状态，提高放电效率，保证臭氧额的产生浓度。

Description

一种超高浓度板式臭氧发生器

技术领域

本发明涉及臭氧发生器的技术领域，具体来说，涉及一种超高浓度板式臭氧发生器。

背景技术

臭氧具有强氧化能力，其氧化能力仅次于氟，可以与许多无机物和有机物发生氧化反应。对细菌、病毒等微生物杀灭率高、速度快，对有机化合物等污染物质去除彻底，不产生二次污染，是“理想的万能绿色强氧化药剂”。研究表明，臭氧浓度的越高对污染的处理效果越明显，特别是半导体加工的硅片清洗、光刻胶去除、原子层沉淀ALD、分子束外延ALE等工艺，医疗高浓度臭氧水等领域，需要的臭氧浓度越高越好，一般要求臭氧浓度需要高于20%wt，臭氧浓度越高，其在水中的溶解率越高，臭氧水的臭氧浓度越高，不仅效果越高，而反应速度更快。目前的臭氧发生器输出浓度通常在7%wt~15%wt，小型臭氧发生器国外有报道最高输出浓度20.85%wt，但稳定性不足，通过运行数据显示，在工作20分钟以后，浓度将逐渐衰减，工作1小时候后，臭氧浓度输出浓度将衰减至15%wt，无法提供臭氧浓度稳定连续的输出，另外该臭氧发生器，结构复杂，价格昂贵，运行条件苛刻，工程应用难度大。

臭氧发生器原理为通过高压放电技术，电离氧气使之产生电化学反应，从而产生臭氧，然而臭氧极其不稳定，标准环境中半衰期约30分钟，随着温度的升高，分解速度加快，温度超过100℃时，臭氧分解非常剧烈，当达到270℃高温时，可立即分解转化为氧气。臭氧发生器的输出臭氧浓度取决于臭氧发生器中臭氧的产生浓度和分解速度，在提高臭氧产生浓度的同时要尽量减低臭氧的分解速度，因此臭氧发生器的散热设计非常重要。提高臭氧发生器的放电效率，使其产生的臭氧浓度更高，同时优化臭氧发生器壳体的散热设计，降低臭氧由于温度导致的分解速率，保证臭氧的输出浓度，是臭氧发生器提高效率设计的重点。

传统的臭氧发生器输出臭氧浓度偏低，主要在于两个方面，一方面臭氧发生器壳体设计——散热设计和放电通道设计无法满足输出高浓度臭氧的需要，另一方面臭氧发生器电源不能动态匹配壳体的最佳工作状态，导致壳体运行时无法锁定最优工作电压及频率点。高浓度臭氧发生器一般采用水冷散热模式，传统的设计方法采用并联模式，优点是结构简单，但缺点是流态均匀性难以保证，导致局部温度过高，造成臭氧分解加速，降低臭氧输出浓度。壳体放电通道的设计是壳体设计的关键，传统臭氧发生器放电通道一般采用串联结构，来确定气隙长度，保证氧气在放电通道的相对停留时间，增加参与电化学反应的概率。但是随着进气流量、压力、温度、臭氧浓度的不同，氧气在放电通道的停留时间会动态变化，不能保证臭氧发生器的臭氧产生浓度。传统臭氧发生器电源，无法检测壳体的工作状态，需要工作于定电压幅值、定频率状态，无法满足壳体最优化运行的动态调整。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供一种超高浓度板式臭氧发生器，能够解决上述问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种超高浓度板式臭氧发生器，包括由地极板围成的壳体，所述壳体上层包含用于冷媒流通的上层冷却通道，所述壳体下层包含用于冷媒流通的下层冷却通道，所述壳体中间层包含高压放电组件腔体，所述上层冷却通道和所述下层冷却通道均包含并联流通支路组，所述并联流通支路组包含均匀排列的多个大小相同的管状流通支路，所述上层冷却通道与所述下层冷却通道通过缓冲贯通室连通；所述高压放电组件腔体包括两块正极板，两块所述正极板通过弹性支撑柱顶压在所述高压放电组件腔体内，该弹性支撑柱可为弹簧，所述正极板与顶压的地极板之间设有陶瓷板，所述陶瓷板与接触的地极板之间设有用于气体流通的四通道风轮型气缝通道；所述正极板通过高压螺柱连接电源模块的正极，所述地极板连接所述电源模块的负极，所述电源模块包含电源控制电路，所述电源控制电路采用直流电压调幅、PWM移相、频率跟踪三重闭环调节。

进一步的，所述上层冷却通道还包含冷媒进口、缓冲室一和缓冲室二，所述冷媒依次流过所述冷媒进口、所述缓冲室一、右侧的所述管状流通支路、所述缓冲室二、左侧的所述管状流通支路、所述缓冲贯通室进入所述下层冷却通道，从所述下层冷却通道逆向流出；所述下层冷却通道与所述上层冷却通道垂直对称，因此冷媒也可从所述下层冷却通道进入，通过所述缓冲贯通室进入所述上层冷却通道，依次流过左侧的所述管状流通支路、所述缓冲室二、右侧的所述管状流通支路、所述缓冲室一从所述冷媒进口流出；为了保证整个装置的安全稳定有效运行，可在所述上层冷却通道、所述下层冷却通道内设置温度传感器，用来监测装置冷却温度是否异常，出现异常则报警停止工作进行维护。

进一步的，所述地极板为微弧氧化的铝镁合金材料制成，所述陶瓷板为超薄高纯度Al₂O₃陶瓷，所述气缝通道的间隙小于0.12mm。

进一步的，所述壳体下层设有气体进口，所述气体进口连通所述壳体下层的所述气缝通道的风轮中心；所述壳体上层设有气体出口，所述气体出口连通所述壳体上层的所述气缝通道的风轮中心；所述气缝通道的风轮末端连通气体缓冲室，所述壳体下层的气缝通道和所述壳体上层的气缝通道用于臭氧的反应，因所述壳体下层的气缝通道和所述壳体上层在结构上对称，因此氧气可从所述壳体下层的气缝通道进入，最终从所述壳体上层的气缝通道输出；或者氧气从所述壳体上层的气缝通道进入，最终从所述述壳体下层的气缝通道输出；为了提高装置的安全性，可在壳体外侧设置臭氧检测单元，当臭氧发生泄漏进行报警，且停止工作进行维护。

进一步的，所述正极板和所述地极板的外表面均生成有毫米级的保护膜，该保护膜可为氧化铝陶瓷膜。

进一步的，所述高压螺柱通过陶瓷绝缘支柱固定，所述陶瓷绝缘支柱与所述壳体之间设有密封圈，该密封圈可选择聚四氟O型圈，所述高压螺柱螺纹连接导电支柱。

进一步的，两个所述正极板通过导电支柱连接，所述正极板一端设有绝缘固定支柱。

进一步的，所述电源模块包括直流母线电压、直流母线支撑电容、直流电容吸收电阻、逆变器输出隔直滤波电容、高频电压互感器、运算放大器、ARM中央处理器、霍尔互感器，因电源模块工作热量较大，可通过壳体传导散热，即可将所述电源模块贴装在所述壳体上。

本发明的有益效果：本发明采用微流体并联水路散热设计，壳体整体温升小，温度分布均匀，避免了传统的并联、串联水路导致的局部温升过高，导致的臭氧分解过快等缺陷；本发明的气缝通道采用四通道风轮型设计，气缝通道内氧气与臭氧处于高速旋转状态，混合更充分，有助于提高臭氧产生率；本发明的电源模块采用直流电压调幅、PWM移相、频率跟踪三重闭环调节，可进行运行参数自动调整，使壳体状态无论如何变化，一直处于最佳放电状态，提高放电效率，保证臭氧额的产生浓度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的一种超高浓度板式臭氧发生器的剖面图；

图2是图1中A的放大图；

图3是本发明实施例所述的气缝通道的结构简图；

图4是本发明实施例所述的上层冷却通道的结构简图；

图5是本发明实施例所述的壳体冷却水路截面示意图；

图6是本发明实施例所述的铝合金正极板连接结构示意图；

图7是本发明实施例所述的电源控制电路的功能原理图。

图中：1、缓冲贯通室；2、正极板；3、弹性支撑柱；4、陶瓷板；5、气缝通道；6、高压螺柱；7、冷媒进口；8、缓冲室一；9、缓冲室二；10、管状流通支路；11、气体进口；12、气体出口；13、气体缓冲室；14、陶瓷绝缘支柱；15、密封圈；16、导电支柱；17、绝缘固定支柱；18、安装孔；19、缓冲室三；20、中心通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-7所示，根据本发明实施例所述的一种超高浓度板式臭氧发生器，包括由地极板围成的壳体，所述壳体上层与下层分别内设相连通的上层冷却通道、下层冷却通道，所述壳体中部包含高压放电组件腔体；所述上层冷却通道和所述下层冷却通道均包含并联流通支路组，所述并联流通支路组包含均匀排列的多个大小相同的管状流通支路10；所述高压放电组件腔体包括两块正极板2，两块所述正极板2通过弹性支撑柱3顶压在所述高压放电组件腔体内，两块所述正极板2分别与所述壳体上下层之间设有陶瓷板4，所述陶瓷板4与所述壳体的接触面之间设有四通道风轮型气缝通道5；所述正极板2通过高压螺柱6连接电源模块的正极，所述地极板连接所述电源模块的负极，所述电源模块包含电源控制电路，所述电源控制电路采用直流电压调幅、PWM移相、频率跟踪三重闭环调节。

本发明中的一个实施例中，通过上层冷却通道和下层冷却通道组成整个的冷却循环系统，上层冷却通道和下层冷却通道在结构上垂直对称，冷媒（乙醇水）从冷媒进口7进入流入壳体内，依次流过缓冲室一8、右侧的管状流通支路10、缓冲室二9、左侧的管状流通支路10，经缓冲贯通室1进入下层冷却通道，冷媒在下层冷却通道中通过与上层冷却通道相同的结构逆向流通，最后流入缓冲室三19并从冷媒出口流出壳体，完成整个冷却循环（因为结构对称，该循环可逆）。通过微流体并联水路散热设计，将发生器产生量热与冷却水高效交换，确保臭氧发生器放电通道的热量与冷媒迅速完成热交换，将热量快速带走，保证放电气隙界面的温升小于1.9℃，抑制臭氧的分解速度，进而保证臭氧的输出浓度。克服了壳体的传统串联水路设计，传统串联水路设计虽然支路阻力相同，流量不同，但是管路过长，导致管路末端水温较高，温升相对较高，同样会增加了臭氧分解速度，降低臭氧输出浓度。本发明通过设计特定冷媒压力、流速，配合各个支路的等效截面积，缓冲体积，保证并联支路的冷媒阻力、压损约束处于同一水平，保证热交换效率均衡。本设计优化了壳体的传统并联水路设计，传统并联水路由于各支路阻力不同，导致各支路中的水损不同、流量不同，壳体散热不均匀，局部温度相对较高，增加了臭氧分解速度，而导致臭氧输出浓度的降低。本发明设计的特点在于并联的管状流通支路10数量，管状流通支路10通道流量截面面积，管状流通支路10通道长度的严格配合，在设定冷却水进水压力(0.35MPa~0.45MPa)、流量范围（6L/h*g）内，保证壳体的温差极大值小于2.2°C，温差期望值为1.4°C。进口冷媒温度不高于16°C情况下，壳体运行于额定功率状态，放电气隙界面的温升小于1.9℃。

本发明中的一个实施例中，壳体中部的腔体内设有两块正极板2，即铝合金正极板，两块铝合金正极板在竖直方向上通过四个弹性支撑柱3即四个弹簧3顶压（铝合金正极板上设有安装孔18用于安装弹簧），铝合金正极板通过陶瓷板4和顶压的地极板分隔开，陶瓷板4与接触的地极板之间设有四通道风轮型气缝通道5，氧气从气体进口11中进入，从中心通道20进入壳体下层的气缝通道5，接受放电场中高速电子轰击发生反应生产臭氧，然后流入气体缓冲室13，反应后的气体在气体缓冲室13中缓冲混合后进入壳体上层的气缝通道5进一步进行电子轰击反应，最后从气体出口12中流出，通过双片上下联装，形成完整微气隙气体通路，气隙通道5的间隙小于0.12mm。气缝通道5（放电通道）设计采用四通道风轮型设计，通道内氧气与臭氧处于高速旋转状态，混合更充分，有助于提高臭氧产生率。该结构另一优势是方便调整气缝通道5的相对长度，不同产量的臭氧发生器壳体的放电面积不同，特定产量壳体的气缝通道5的绝对长度虽然确定，但可通过调整气缝通道5截面的长和宽，改变气缝通道5的截面积，达到改变气缝通道5的相对长度的目的。

本发明中的一个实施例中，通过旋转高压螺柱6，使得密封圈15压紧（密封圈15可选择聚四氟O型圈防止臭氧泄露），并且使正极板2产生水平拉力，顶向绝缘固定支柱17，使得正极板2在水平方向得以固定。正极板2通过高压螺柱6连接电源模块的正极，壳体的地极板连接电源模块的负极，直接与大地相接，保证设备的可靠接地。地极板与正极板2均采用特殊铝合金材料，通过氧化技术，使表面形成毫米级的氧化铝陶瓷膜，保护电极板免受臭氧腐蚀。

本发明中的一个实施例中，电源模块采用直流电压调幅、PWM移相、频率跟踪三重闭环调节。功能原理如图7所示，其中DC为APFC输出的直流母线电压，CL为直流母线支撑电容，RD为直流电容吸收电阻，CS为逆变器输出隔直滤波电容，T为变压器。R0、C0为壳体等效模型电阻、电容参数，电容参数会随着工作状态的变化而不断变化。PT为设计的高频电压互感器，将壳体电压经过高压分压转换为比例电流信号，同时完成信号隔离，隔离后的小电流信号通过采样电阻转换为电压信号，经过ESD保护，信号限幅，经运算放大器进入ARM中央处理器。采用霍尔互感器（CT）对臭氧发生器变压器原边电流进行采样，经过ESD保护，信号限幅，经运算放大器进入ARM中央处理器。ARM处理器进行电压、电流信号处理，完成功率、相位、有效值运算，判定壳体工作状态。进而控制电源的直流电平幅值、PWM移相占空比，以及谐振频率。当壳体工作状态变化导致等效模型参数变化时，通过ARM运算获得电压幅值、功率、电压电流相位差，判定放电的放电电压、运行功率以及工作频率相对于谐振的位置，进而进行运行参数调整，使壳体状态无论如何变化，一直处于最佳放电状态，提高放电效率，保证臭氧额的产生浓度。本申请的电源模块的电源工作频率高于30kHz，远大于传统臭氧发生器的6~8kHz工作频率，工作频率越高，臭氧发生器的臭氧产生浓度越高，但是电源MOSFET、IGBT等开关器件的损耗越高，发热越大，控制难度越大。大功率开关器件长时间工作高温状态会影响器件寿命，增减器件的故障率。本申请利用壳体作为电源的散热器，将电源模块固定在壳体的地极板上，即将APFC的硅桥、MOSFET，逆变器的IGBT固定于壳体地极板上，通过壳体的水冷系统迅速将开关器件的热量带走，保证开关器件的温度处于安全运行区间，保证电源模块工作的稳定可靠。同时电源模块贴装在壳体上，可以缩短变压器的引线长度，降低电磁辐射及发热，提高线缆的工作频率。总而言之，本申请采用特制的高压高频电压互感器和霍尔电流互感器，对壳体电压、变压器输入电流进行采样，经信号处理进入ARM处理器，进行壳体运行状态解析。通过APFC调整逆变直流电平，进而改变电源输出电压峰值，调整壳体的放电电压。ARM处理器根据臭氧产量设定，确定电源输出功率，并通过PWM移相控制，调整壳体的运行功率，改变臭氧产量。ARM处理器根据解析的运行参数，判断壳体的运行状态是否最优，通过调整逆变器的输出功率信号频率，调整壳体的谐振状态，保证其工作在最佳频率点，提高运行效率，增加臭氧产生浓度。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，将本申请的臭氧壳体专用电源模块的功率开关器件，固定于放电地极板上，电源输出穿过霍尔电流互感器，接至变压器输入端，变压器通过支架固定于壳体地极板上。变压器输出端（高压极及地极）电缆引入电气接驳盒内。在接驳盒内，变压器输出端高压极与壳体正极、专用高频高压互感器正极，通过接线端子可靠连接。变压器输出端地极与壳体地极、专用高频高压互感器负极，通过接线端子可靠连接。壳体的冷却系统冷媒进出口分别与制冷机的输入、输出管路连接，壳体的气体进口11与制氧机或氧气储罐的液氧输出相连接。将壳体的气体出口12通过不锈钢管或者聚四氟管与臭氧接收器连接。

打开氧气通道，对本申请的气体管道吹扫15分钟左右，彻底排除壳体内水分、异物。吹扫完成后，设定臭氧发生器的氧气进气量。打开制冷机，使冷却水进入壳体，充分排空壳体冷却通道内的空气。设定臭氧发生器电源的启动频率和输出功率，启动臭氧发生器电源模块。臭氧发生器电源模块将根据设定的频率和功率进行软启动，逐步达到壳体的放电状态，并根据采样参数，对运行频率及功率动态调整，使壳体工作于最佳状态。利用臭氧发生器输出管道的臭氧浓度检测仪，检测臭氧输出浓度，并根据实际气体流量计算臭氧产量。

根际本方案分别设计30g/h和80g/h臭氧壳体样机。测定30g/h臭氧发生器的最高输出臭氧浓度为27.1%wt，在10%wt浓度的输出产量为34g/h。测定80g/h臭氧发生器的最高臭氧输出浓度为26.3%wt，在10%wt浓度的输出产量为96kg/h。指标均由于目前同类臭氧发生器指标：最高输出浓度提高约30%（同类发生器的最高浓度约20.85%wt），10%wt浓度下的输出产量提高约140%（同类发生器的10%wt下的产量约14 g）。表明本设计的壳体在臭氧输出浓度，标准浓度下的额定产量都有明显提高。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超高浓度板式臭氧发生器，其特征在于：包括由地极板围成的壳体，所述壳体上层与下层分别内设相连通的上层冷却通道、下层冷却通道，所述壳体中部包含高压放电组件腔体；所述上层冷却通道和所述下层冷却通道均包含并联流通支路组，所述并联流通支路组包含均匀排列的多个大小相同的管状流通支路，所述并联流通支路组的进出端均连通缓冲空间；所述高压放电组件腔体包括两块正极板，两块所述正极板通过弹性支撑柱顶压在所述高压放电组件腔体内，两块所述正极板分别与所述壳体上下层之间设有陶瓷板，所述陶瓷板与所述壳体的接触面之间设有四通道风轮型气缝通道；所述正极板通过高压螺柱连接电源模块的正极，所述地极板连接所述电源模块的负极，所述电源模块包含电源控制电路，所述电源控制电路采用直流电压调幅、PWM移相、频率跟踪三重闭环调节，所述上层冷却通道还包含冷媒进口、缓冲室一和缓冲室二，所述下层冷却通道与所述上层冷却通道垂直对称，所述下层冷却通道通过缓冲贯通室与所述上层冷却通道连通。

2.根据权利要求1所述的一种超高浓度板式臭氧发生器，其特征在于：所述地极板为微弧氧化的铝镁合金材料制成，所述陶瓷板为超薄高纯度Al₂O₃陶瓷，所述气缝通道的间隙小于0.12mm。

3.根据权利要求1所述的一种超高浓度板式臭氧发生器，其特征在于：所述壳体上层和下层分别设有气体进口、气体出口，所述气体进口和所述气体出口分别连通所述壳体上下层的所述气缝通道的风轮中心，所述壳体上下层的所述气缝通道的风轮末端连通气体缓冲室。

4.根据权利要求1所述的一种超高浓度板式臭氧发生器，其特征在于：所述正极板和所述地极板的外表面均设有毫米级的保护膜。

5.根据权利要求1所述的一种超高浓度板式臭氧发生器，其特征在于：所述高压螺柱通过陶瓷绝缘支柱固定，所述陶瓷绝缘支柱与所述壳体之间设有密封圈，所述高压螺柱螺纹连接导电支柱。

6.根据权利要求5所述的一种超高浓度板式臭氧发生器，其特征在于：两个所述正极板通过导电支柱连接，所述正极板一端设有绝缘固定支柱。

7.根据权利要求1所述的一种超高浓度板式臭氧发生器，其特征在于：所述电源模块包括直流母线电压、直流母线支撑电容、直流电容吸收电阻、逆变器输出隔直滤波电容、高频电压互感器、运算放大器、ARM中央处理器、霍尔互感器。

8.根据权利要求7所述的一种超高浓度板式臭氧发生器，其特征在于：所述电源模块通过壳体传导散热。

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