CN1155506C - 一种臭氧产生器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体电离放电和等离子体化学等应用领域，尤其是一种臭氧产生方法及其器件。该方法是这样实现的，首先由放电极、接地极、电介质层、冷却支承体及隔片组成放电间隙距离为0.05-0.5mm的放电间隙，然后向放电极上施加频率为400Hz-10000Hz的交变电压，在放电间隙中建立起电场强度为200-400Td的放电电场，利用介质阻挡交变电场发生火花及弧光放电，使放电间隙里形成流光放电，氧气体通过电离区时发生分解反应产生臭氧。实现上述方法的臭氧产生器件，它包括具有冷却放电极、接地极、电介质层、隔片及冷却支承体组成。放电极为金属或者在其表面贴附一层电介质层组成放电极单元体；接地极为金属或者在其表面贴附一层电介质层组成接地极单元体。在接地极和放电极之间是采用隔片将极间分开形成窄放电间隙。电介质层由高介电常数、高电阻率电介质材料加工成，其材料为陶瓷、玻璃、搪瓷；放电极、接地极以及电介质层形状为管形、平板型。为环境时代提供了一种小型化、产生效率高、浓度高、无维护的臭氧产生方法及器件。

Description

一种臭氧产生器件

技术领域：

本发明涉及到臭氧产生器件。

背景技术：

现有的臭氧发生方法或装置的形式各异。图11出示Otto-plate型臭氧产生装置是摘自日本国电气学会臭氧发生装置事业委员会编的臭氧发生装置手册，由日冕公司出版。图中A为正视图，B为其剖视图。9为高压电源，2为高压放电极单元体，5为接地极单元体，4为玻璃电介质层之间加入的隔片，7、10分别为进气、出气口，1、6为进入放电极单元体、接地极单元体中的绝缘液体进口、出口及管道。氧气或者空气从周边7进入放电间隙3，部分氧变成臭氧，通过排气管10把含有臭氧的气体输出。利用绝缘油等绝缘液体冷却放电极、接地极，抑制放电间隙气体温度上升，以利于产生较高浓度臭氧，减少其分解。

原有臭氧发生装置结构如上所述，为了得到大产生量臭氧装置，如图11所示。把臭氧产生的放电极单元、接地极单元多个相互对应叠加起来，臭氧的产生量与叠加数成正比增加。为了满足水处理、纸浆漂白等工业应用，则臭氧发生装置需要几十台臭氧产生装置组合构成，而每一个组合又由几十个放电单元体、接地单元体相互交叉叠加而成，因而造成臭氧发生装置成本高，体积大，维修量多等一系列缺点。

当然也可以通过增大单个放电单元体、接地单元体的放电面积提高臭氧产生量，但由于受玻璃制造工业水平的制约，要得到高平坦度，精确厚度的大面积玻璃电介质薄板是不可能的。由于玻璃的机械强度差，很难得到高精确厚度的大面积玻璃薄板，因而增大放电面积是有限的，同时也易于破碎。由于放电间隙距离大、电介质板厚，产生臭氧浓度低下，臭氧产生效率不高。注：图11中的序号是原图固有的，和本发明附图中的序号无关。

上述臭氧装置存在以下几个问题：

1.体积庞大，运行成本高，维护工作量多，结构复杂化。

2.电介质厚度大，平坦度低下，电介质电容量小，放电间隙电场强度也随之降低，放电功率也大幅度下降，电损耗大量增加，所以臭氧浓度低下，臭氧产生效率均低下。

3.放电间隙距离宽，其放电电场强度偏低，nd增大，折合电场强度低下，电子获得平均能量远低于氧分子的解离能8.4eV，只有很少一部分的氧分子被分解、分解电离成氧原子、氧原子离子和自由基等，不利于臭氧产生，由于臭氧分解能量为2eV，它具有的大多数电子能量均在≥2.0eV～＜8.6eV之间，具有这些能量的电子与臭氧分子碰撞后使其分解，大幅度降低臭氧浓度。

4.由于放电间隙的电场强度＜100Td，臭氧产生装置难以实现装置小型化。

发明内容：

本发明的目的正是针对现有技术的不足而提出的一种臭氧产生的方法及其器件。

本发明的目的是这样实现的：一种臭氧产生的方法，其特征在于，在放电极与接地极之间的放电间隙里能同时形成高电场强度和低气体浓度，在放电间隙里得到强折合电场E/n产生强放电等离子体，用E/N参数控制氧分子的分解、分解电离、分解附着过程产生氧原子、氧原子离子和自由基的浓度，进而控制臭氧产生的浓度，以及实现可以控制臭氧再分解。

所说的高电场强度为200～800Td，所说的低气体浓度为5×10^-3～1×10^-2Mpa。

一种实现上述方法的臭氧产生器件，它包括具有冷却环节的支承体和冶贴其上的放电极构成的放电极单元体，具有冷却环节的支承体和冶贴其上的接地极构成的接地极单元体，其特征在于所说的放电极是由高介电常数、高电阻率双层电介质且在双层电介质间涂冶一层极薄的抗氧化金属层所构成，所说的接地极是在接地极的支承体上均匀、密实地冶贴一层极薄的高电阻率、高介电常数电介质粉体所构成，在接地极和放电极之间是采用数条绝缘材料薄条冶贴而成的隔片将极间分开形成短放电间隙。

所说的短放电间隙为0.05～0.5mm。

所说的高介电常数、高电阻率电介质和所说的绝缘材料均为陶瓷材料。

所说的电介质层或者是绝缘材料薄条的厚度为0.1～1mm。

所说的短放电间隙为0.1mm或者0.2mm。

所说的电介质层或者绝缘材料薄条的厚度为0.1或者0.2mm。

所说的冷却环节为设置在支承体上的冷却腔体，所说的支承体是由铝或者铝合金或者不锈钢加工成长方形体，所说的短放电间隙或者称气体通道是与长方形体的支承体的短边平行设置。

所说的冷却腔体是采用绝缘液体或者在回路中加有水电阻的环节的水或者气体施以冷却。

所说的放电极的表面积为200～1600cm²，所说的臭氧产生量为0.12～0.15gO₃/cm²。

根据工程实际需要的臭氧量可以多个叠加即1～20个臭氧发生器件叠加成臭氧发生组件。

本发明的积极效果：

1.因为在放电极与接地极之间形成短放电间隙。实现了强电离放电产生高浓度臭氧。即达0.12～0.15O₃/cm²。

2.因为在放电间隙里放置隔片薄条贴冶形成尺寸精确的均匀短放电间隙。很容易实现控制放电间隙距离的准确度，实现放电均匀，有利提高臭氧产生效率。

3.因为用高介电常数、高电阻率的电介质粉体冶贴一层均匀、密实的极薄电介质层。高介电常数、高绝缘电阻的电介质薄层有利实现强电离放电，由于电介质紧贴在电极上，提高了放电效率。

4.因为放电极单元体的支承体相对应接地极的外表面上冶贴双层高介电常数、高电阻率的电介质层在均匀、密实的极薄双电介质层中涂冶一层极薄的抗氧化金属(金、或银、或铝、或钨钼合金等)作为放电极。有效解决了放电极电损耗及污染气体问题及高电压处问题。

5.因为臭氧产生器件的放电极单元体支承体和接地极单元体支承体是由铝、或铝合金、或不锈钢加工成长方形单元体，成为放电间隙的支承体和冷却腔体。实现臭氧产生器件轻型化，有利按装和运输。

6.因为放电间隙的气体通道与放电极单元体和接地极单元体长方形平面的短边平行。有利加工和模块组合生产，容易制造大产生量的臭氧装置。

7.因为采用本发明可实现多个叠加成臭氧产生组件即1～20个，形成多个放电间隙，故可以实现大产生量的臭氧产生装置。

8.因为接地极单元体支承体、放电极单元体支承体均可采用水通过其冷却腔体对放电极、接地极进行冷却，降低了放电间隙湿度，有利臭氧产生仰制了臭氧分解，有利取得高浓度的臭氧产生器件。

9.因为进出放电极单元体的冷却水需经由水路形成高电阻值水电阻加以高电压隔断。可以实现放电极、接地极同时冷却，有利提高臭氧浓度。

附图说明：

图1是臭氧与氧分子离解截面积与电子能量关系图。

图2是等离子体中电子能量分布图。

图3是臭氧产生器件放电间隙电子能量分布图。

图4是电子平均能量ε与折合电场强度关系曲线图。

图5是臭氧产生器件臭氧产生效率、臭氧浓度关系曲线比较图。

图6是本发明正视图—实施例1的结构。

图7是实施例1的侧视剖面图。

图8是实施例1的局部断面图即由本发明叠加而成臭氧产生组件的断面视图。

图9是本发明的第2个实施例的结构正视图。

图10是本发明第2个实施例的侧视剖面图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

从图1的臭氧分子与氧分子解离截面积与电子能量关系曲线可知，被电场加速电子垂直激励离解氧分子，从O₂(x³∑g^-)基态激励到O₂(C³Δu)、O₂(A³∑u⁺)、O₂(C¹∑u^-)状态时，所需激励能量为6.1eV，是禁阻跃迁，从O₂(x³∑g^-)基态激励到O₂(B³∑u^-)状态时，氧分子垂直激励能量为8.4eV；臭氧离解的激励能量为2eV，放电间隙中电子从放电电场取得能量≥8.4eV时，氧分子才能分解、电离成氧原子、离子和自由基等与氧分子碰撞后生成臭氧。具有≥2.0eV～＜8.4eV之间能量的电子对产生臭氧没有一点用途，这部分能量好像只是为了专门用分解臭氧用。

O₂(x³∑g^-)+e^*→O₂(B³∑u^-)+e    (1)

             →O(¹D)+O(³P)+e

O₂(x³∑g^-)+e^*→O₂(A³∑u⁺)+e    (2)

             →O(³P)+O(³P)+e

O₂(x³∑g^-)+e^*→O₂(A³πu⁺)+e    (3)

             →O(³p)+O⁺(¹S⁰)+2e

O+O₂+M→O₃ ^*+M→O₃+M                (4)

从等离子体电子能量分布曲线图2中可知，目前市场生产臭氧产生装置的放电间隙里电子平均能量约为5.0eV，有的更低些。能量大于8.4eV的电子数目仅为17.4％，而占有≥2.0eV～＜8.4eV电子能量的电子数目高达58.3％，它们成为臭氧离解的能量提供者。当放电间隙里的电子平均能量达到23eV时，占有≥8.4eV能量的电子数目增加到80.0％，具有≥2.0eV～＜8.4eV之间能量的电子数目下降到17.1％。图3表示了现在生产和本发明的臭氧产生装置的放电间隙里电子能量分布状况，占有≥8.4eV能量的电子数目将比现有生产技术产品成数倍增加；而具有≥2.0eV～＜8.4eV能量的电子数目将成倍降低。所以本发明的臭氧产生装置的臭氧浓度要比目前生产的臭氧产生装置大幅度增加。

放电间隙里的电场强度表达式：

Eg＝Vmε_d/(2l_dε_g+lgε_d)         (6)

从式5中可见，只有增加外加峰值电压V_m、电介质的介电常数ε_d；减小放电间隙距离l_g和电介质厚度l_d，才有可能得到强大的放电电场强度。

当放电间隙的等离子体非平衡度为1时，电子从电场取得能量几乎全部传递给重粒子。此时等离子体里的电子能量表示式：

Te＝m_ne²E_g ²/3kme^e(ω²+v_e ²)      (7)

式7中m_e、m_n分别为电子和重粒子质量；v_e为电子碰撞频率；ω为等离子体振荡频率；E_g为气体放电电场强度；k为玻耳兹曼常数。从式6中可知，电子从电场取得能量大小。通常用折合电场强度E/N(或E/P)来表征气体放电强度、电离强度。也将表征产生臭氧的浓度值多少。图4表示了折合电场强度与电子取得平均能量值的关系曲线。

根据伯努里气体方程可知：Δp＝C(-Δv)^-2，在放电间隙里的气体压力与气体流速平方成反比。减小气体放电间隙距离，提高放电间隙里气体流速，提高了E/p(E/n)值，放电间隙里的电子获得能量就增加了。

本发明由于采用高强度的高介电常数的电介质薄层即陶瓷材料的厚度仅为0.2mm，和极窄的放电间隙即0.1mm或者0.2mm，所以大幅度提高了放电间隙的折合电场强度，放电间隙里的高能量电子占有率成倍增加，如图2所示，进而大幅度提高了臭氧浓度和臭氧产生效率。

根据本发明的臭氧产生装置实现结果与现有臭氧产生装置的臭氧浓度与臭氧产生效率等参数做比较，如图5所示。从图中可以看出与现有或者正在研究开发的臭氧产生装置相比校，其臭氧浓度、臭氧产生效率远优于现有装置。

图6是本发明第一个实施例的正视图，图7为图6的M-M剖视图。图8是本实施例中臭氧产生器件叠加而成的臭氧产生组件的断面图即图6的A-A断面图。在上述图中，臭氧专用高频高压电源9经高压电缆8.2与放电极的金属层相连，高压电缆通过高压绝缘套圈固定在面板11.1上。由本发明叠加而成的臭氧产生组件固定在支架10.3a、10.3b上。接地极单元体的冷却媒体即水经入口管1.2a、出口管路1.2b进出，放电极单元体的冷却媒体即水经入口管路3.3a、出口管路3.3b进出。汇集管路7.2a、7.2b为向两个或多个放电极单元体供给冷却水的进出道路，冷却水入口、出口的主管路7.1a、7.1b通过内外环组件6.1、6.2固定在入、出口支承架10.3a、10.3b上和前后面板11.1、11.2上。

冷却水的入口、出口管道1.2a、1.2b是通过固定套环12分别与冷却水的入口管道13.3a、出口管13.3b连接；放电极单元体的冷却水的入口管道3.3a、出口管道3.3b是通过固定套环12分别与冷却水的入口管道7.3a、出口管道7.3b相连接。冷却水经支承体上冷却水的流动方向如箭头7.4a、7.4b所示。

原料气体的入口管路10.1a和出口管路10.1b是焊接在支承架10.3a和10.3b上，通过外组件6.1、6.2固定在前面板11.1和后面板11.2上。在支架内设有均风板10.2a、10.2b。原料气体从入口管路10.1a进入反应腔体内，通过均风板10.2a进行均速后送入电间隙2.2(图8)，通过高压电缆6.2把高频电压加到电介质中间的金属层3.2(如图8所示)上，在放电间隙里发生介质阻挡放电，原料气体通过放电间隙2.2等离子体区域后产生臭氧体并通过管路10.1输出。

本实例中放电极单元体3和接地极单元体1是通过隔片4相冶贴而成，根据产生量的需要可实现多个放电极单元体和接地极单元体相互交叉叠加成臭氧产生组件。

本实例中，为增大放电面积得到高臭氧产生量，通过放电极单元体和接地极单元体相互交叉叠加面成大产生量的臭氧产生组件，有效解决大面积电介质的矫曲度、厚度及其尺寸精度、高介电常数和高绝缘等一系列难题。进而得到十分平、高精确度、大面积极薄的电介质层。实现了其大产生量、高浓度成为现实，臭氧产生装置实现小型化。

把产生臭氧的放电单元2当作一个部件，使其易于叠加优点。在放电极3.2上施加频率50Hz～几十KHz、数千伏高频电压，在其放电间隙2.2里产生介质阻挡强电离放电。各个放电极配线极短，解决了高压绝缘处理以及寄生电容不利影响因素，大大提高安全性和可靠性。把冷却媒体分别通过7.1a、13.1a进入7.2a、13.2a汇集管路，再送入放电极单元体、接地极单元体的支承体冷却腔体进行冷却放电极、接地极。再通7.2b、13.2b汇集管路及7.1b、13.1b出口管路输出。为避免冷却媒体与放电极、接地极接触面的腐蚀，故对该接触面进行玻璃、陶瓷涂敷等耐腐蚀处理，防止电腐蚀。

同时，对放电极单元体3的支承体3.1，接地极单元体1的支承体1.1的外露出表面以及支承架罩10的支承架10.3、均速板10.2进行表面抗氧化处理，在其表面上涂敷玻璃、陶瓷等耐腐蚀薄层。

图9是本发明实例2的结构正视图，图10为图9的M-M剖视图，同时图9是图10的N-N剖视图。实施例2与实施例1的不同之处在于放电极单元体3的支承体3.1和接地极单元体1的支承体1.1的冷却媒体为绝缘液体即油，故接地极单元的冷却管路体系也成为放电极单元体冷却媒体管路体系。冷却媒体从13.1a进入到13.2a汇集管路，再通过13.3a冷却媒体进入放电极、接地极的支承体3.1、1.1，冷却其放电极、接地极。与实施1相比，省去了放电极单元体冷却媒体管路体系及水电阻。

Claims (8)

1、一种臭氧产生器件，它包括具有冷却环节的支承体和冶贴其上的放电极构成的放电极单元体、具有冷却环节的支承体和冶贴其上的接地极构成的接地极单元体，其特征在于所说的放电极是由双层电介质且在双层电介质间涂冶一层抗氧化金属层所构成，所说的接地极是在接地极的支承体上均匀、密实地冶贴一层电介质所构成，在接地极与放电极之间是采用绝缘材料条冶贴而成的隔片将极间分开形成0.05-0.5mm宽度的放电间隙。

2、按权利要求1所述的一种臭氧产生器件，其特征在于所述的电介质层或者是绝缘材料条的厚度均为0.1-1mm。

3、按权利要求1所述的一种臭氧产生器件，其特征在于放电间隙为0.1mm或0.2mm。

4、按权利要求1所述的一种臭氧产生器件，其特征在于所说的电介质层或者是绝缘材料条的厚度为0.1mm或者0.2mm。

5、按权利要求1所述的臭氧产生器件，其特征在于所说的冷却环节为设置在支承体上的冷却腔体，所说的冷却支承体是由铝或者铝合金或者不锈钢加工成长方形体，所说的放电间隙或者称气体通道是与长方形体的支承体的短边平行设置。

6、按权利要求5所述的臭氧产生器件，其特征在于所说的冷却腔体是采用绝缘液或者在通路中加有能隔断高电压的水电阻环节的水或者气体施以冷却。

7、按权利要求1所述的臭氧产生器件，其特征在于所说的放电极其面积为200～1600cm²，所产生的臭氧量为0.12～0.15gO₃/cm²。

8、按照权利要求1所述的臭氧产生器件，其特征在于根据工程实际需要的臭氧量可以多个叠加即1～20个臭氧发生器件叠加成臭氧产生组件。

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