CN1199849C - 用于产生高浓度臭氧的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高效产生高浓度臭氧并线性控制臭氧浓度的装置。该装置包括氧气发生器、平板型臭氧发生器、高压变压器、高频逆变器、冷却水供给器、以及控制信号发生器。高频逆变器通过将根据预定开/关时间比产生的高频高压脉冲经由高压变压器施加到平板型臭氧发生器上而线性控制臭氧浓度，该预定的开/关时间比对应于控制信号的电平。平板型臭氧发生器把平板型陶瓷用作电介质，从而优化了臭氧发生的效率以及臭氧发生器的寿命，于是同时使其尺寸减至最小。

Description

用于产生高浓度臭氧的装置
                    技术领域
本发明涉及一种产生臭氧的装置，更具体地，涉及一种以高效率产生高浓度臭氧并控制所产生臭氧的浓度的装置。
                    背景技术
臭氧(O3)由于其强氧化、去色、除臭和杀菌特性而被用于各种用途。然而，由于其趋于还原成氧气(O2)，因而臭氧不能在室温和大气压下保存。从而，为了利用臭氧，必须使用臭氧发生器，该发生器利用氧气或空气作为臭氧原材料。
已经开发了多种用于产生臭氧的方法，如利用紫外线的方法、无声放电方法和电解水的方法等。在这些方法中，利用高压的无声放电方法由于其可以有效地产生高浓度臭氧而已经被用于各种工业用途(见Siemens W.的1857年物理化学年报第102卷第66-122页(Siemens W.1857.Ann.Phy.Chem.102，66-102))。
如现有技术中所公知的那样，无声放电方法利用两个金属电极，该电极中的一个或两个用介电材料绝缘。AC(交流)信号施加到电极上，然后在金属电极之间的空间内进行放电，同时含氧的空气从该空间经过，从而将一些氧转化为臭氧。
利用无声放电方法的臭氧发生器可以利用各种形状和结构实现。最普及的结构为采用一个或多个玻璃管的圆柱形结构。在这个方法中，每个玻璃管安装在金属圆柱体内侧，而金属圆柱体用作接地电极，并且玻璃管内侧涂覆有金属薄膜以提供高压电极。然而，这种类型的圆柱形臭氧发生器对于实际应用来说体积过大，并且由于难于在玻璃管和金属圆柱体之间保持恒定的间隔而无法提供均匀一致的放电。此外，用作电介质的玻璃管被其内产生的臭氧腐蚀，这导致电介质击穿。为了克服传统圆柱形臭氧发生器中的这种限制并提高所产生的臭氧的浓度，美国专利第5,759,497号公开了一种利用平板型陶瓷作为电介质的平板型臭氧发生器，该平板型臭氧发生器有时也称作“奥托(Otto)板型臭氧发生器”。
为了通过利用上述各种类型的臭氧发生器进行无声放电，采用具有通用频率(例如60Hz(赫兹))的高压正弦波信号。然而，难于利用AC信号在这种频率下提高臭氧浓度。因此，最近已经开发出利用产生约1kHz(千赫兹)的中等范围频率信号的逆变器的臭氧发生器。
尽管如此，由于高压信号为一正弦波，所以仍然难于有效地提高臭氧浓度。
存在多种控制臭氧发生装置中臭氧浓度的方法，如改变在臭氧发生中所用的电平或改变高压信号的频率，以及改变脉宽。然而，由于无声放电的特性，通过这些方法很难线性控制臭氧浓度。具体地，当改变施加到臭氧发生装置上的高压信号的电平时，臭氧浓度一般随电平升高而增大，但是，由臭氧发生装置所产生的臭氧浓度与施加到该装置上的电平之间的关系不是线性的，且无声放电仅在该电平等于或大于预定电平时才能进行。因此，通过改变高压信号的电平非常难于线性控制臭氧浓度。
在改变高压脉冲的频率而控制臭氧浓度的情况下，因为臭氧发生器、高频逆变器、以及高压变压器之间的阻抗因频率改变而无法匹配，所以不能获得最佳的臭氧发生效率。另外，在改变高压脉冲的脉宽的情况下，当脉宽增大到超过最佳脉宽时，臭氧浓度不再增加。
                    发明内容
因而，本发明的目的是提供一种用于产生臭氧并线性控制臭氧浓度的装置。这个目的由这样一种方式实现，即，高频逆变器将具有基于控制信号的预定开/关时间比的低频脉冲和用于产生放电的高频脉冲混合，从而改变高频脉冲的开/关时间比，并且将该高频脉冲施加到高压变压器上，且高压变压器将该高频脉冲转变为高频高压脉冲并将其施加到臭氧发生器上。
取代采用圆柱形玻璃管的臭氧发生器，本发明使用平板型臭氧发生器，该发生器把平板型陶瓷用作电介质，从而优化了臭氧发生效率和臭氧发生器的寿命，同时使平板型臭氧发生器的尺寸减至最小。
由于本发明利用高频高压脉冲获得要被施加到臭氧发生器上的高压波形，而不是具有通用频率(例如60Hz(赫兹))或中等频率的正弦波，所以可以发生适于产生高浓度臭氧的无声放电。这是通过使电极能发射出大量具有高能量水平的电子而实现的，该高能量水平的电子对于在使用高频高压脉冲的情况下产生臭氧是非常有益的。
本发明中的臭氧浓度根据输入到高频逆变器中的控制信号以这样一种方式得以线性控制，即，高频高压脉冲的开/关时间比通过将为无声放电优化的高频脉冲和具有基于所述控制信号的预定开/关时间比的低频脉冲加以混合而控制。
根据本发明，提供了一种产生臭氧，并线性控制所产生的臭氧的浓度的装置，该装置包括：氧气发生器；用于通过对氧气发生器所提供的氧气进行放电而产生臭氧的臭氧发生器；用于提供具有调整过的开/关时间比的高频脉冲的高频逆变器；以及用于提供被变换成预定信号电平的高频高压脉冲的高压变压器，其中，该高频逆变器响应该控制信号而产生具有基于该控制信号的开/关时间比的低频脉冲和用于放电的优化高频脉冲，并将该低频脉冲和该优化高频脉冲混合，从而产生具有该调节过的开/关时间比的该高频脉冲；该低频脉冲具有比该优化高频脉冲相对更低的频率，且具有该调节过的开/关时间比的该高频脉冲和该优化高频脉冲中的每一个都具有相同的频率；以及该高频逆变器包括用于产生该低频脉冲的第一振荡装置和用于产生该优化高频脉冲的第二振荡装置。
根据本发明的一实施例，该臭氧发生器包括：彼此相对的至少一个上电极和至少一个下电极，用于产生电压放电；在上电极和下电极的彼此面对的两个侧面中的至少一个侧面上设置的呈平面型的绝缘材料；以及邻近上电极和下电极的彼此背对的侧面设置的冷却装置，其中，上电极电连接到该高压变压器上，该高频高压脉冲施加到该上电极上，而下电极接地。
                    附图说明
本发明的上述目的和其它特征将从以下参照附图所给出的优选实施例的描述而变得清晰，图中：
图1是根据本发明的用于产生高浓度臭氧的装置的框图；
图2示出根据本发明的臭氧发生装置中所用的平板型臭氧发生器；
图3A和3B描绘了为了线性控制根据本发明的臭氧发生装置中的臭氧浓度而具有调整过的开/关时间比的高频高压脉冲；以及
图4是示出根据本发明的按臭氧产生速率的臭氧浓度对控制信号的曲线图。
                    具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明。
图1示出根据本发明的用于产生高浓度臭氧的装置的框图。如图1所示，臭氧发生装置100包括氧气发生器102、平板型臭氧发生器104、高压变压器106、高频逆变器108、冷却水供给器110、以及控制信号发生器114。
为了产生高浓度臭氧112，由高频逆变器108和高压变压器106产生的高频高压脉冲施加到平板型臭氧发生器104上。由氧气发生器102产生的氧气被用作臭氧的原材料。冷却水供给器110提供冷却水，以防止平板型臭氧发生器104的温度升高，其中，温度升高由无声放电造成。在高频逆变器108中具有两个信号振荡装置，其中的一个为产生低频脉冲的信号振荡装置，该低频脉冲具有基于从控制信号发生器114输入的控制信号的开/关时间比，而另一个用于产生将被施加到平板型臭氧发生器104上以产生无声放电的高频脉冲。
具体地说，高频逆变器108将具有基于控制信号的开/关时间比的低频脉冲和将要施加到平板型臭氧发生器104上的高频脉冲混合，从而产生具有与低频脉冲相同的调整过的开/关时间比的高频高压脉冲。换句话说，臭氧发生装置100的高频逆变器108利用两个不同的频率，即，低频的倍频和高频，它们用于控制高频高压脉冲的开/关时间比，从而线性控制高浓度臭氧的发生。图3B示出具有调整过的开/关时间比的高频高压脉冲。与其相关的更详细描述将在随后给出。
控制信号发生器114产生将被输入到高频逆变器108中的控制信号，以调整高频高压脉冲的开/关时间比。图1示出仅包括一个臭氧发生器104的臭氧发生装置100，但是本发明并不局限于此。应指出的是，多个臭氧发生器可以串联或并联连接，以获得实用的更高密度的臭氧。
图2示出用于臭氧发生装置100的平板型臭氧发生器104，其具有平板结构，在该结构中，上电极204和下电极210彼此相对。这些电极204和210中至少一个必须绝缘。它们由高纯度氧化铝制成。对应于这些电极，形成了上绝缘体202和下绝缘体208，且在每个绝缘体的一侧上涂覆金属导电薄膜。虽然本发明采用高纯度氧化铝作为制造上和下绝缘体202和208的材料，但是也可以使用其它能够提供所需绝缘效果的绝缘材料。
为了防止无声放电时上绝缘体202中温度升高，由金属制成的冷却水护套206设置在上电极204上。冷却水护套212为了相同的目的而设置在下电极210上。这些冷却水护套206和212的金属是具有高可加工性和高热传导效率的铝。然而，也可以使用具有相同特性的其它材料。在冷却水护套206和212中循环的冷却水214由图1中的冷却水供给器110提供。
为了形成等离子体放电引发无声放电的放电空间220，在上和下绝缘体202和208之间提供了一微小并均匀的间隙D。由图1所示的氧气发生器102从放电空间220两侧产生的氧气218穿过放电空间220，并通过无声放电而转换为臭氧。臭氧通过臭氧释放孔222而释放到平板型臭氧发生器104的外侧，而臭氧释放孔222穿过下绝缘体208、下电极210和冷却水护套212的中心设置。此处，放电空间220的间隙D例如为0.6mm～2mm，这可以使臭氧最有效地发生。
对于适合无声放电的高压脉冲频率，使用已知的优化高频来通过高频逆变器108和高压变压器106向臭氧发生器104提供最有效的能量传输。如上所述，高频逆变器108接收来自控制信号发生器114的DC信号的控制信号。此后，其产生具有基于对应控制信号的电平的开/关时间比的低频脉冲。此外，高频逆变器108产生为产生臭氧而优化的高频脉冲。然后，高频逆变器108将低频脉冲和优化的高频脉冲混合，由此产生具有调整过的开/关时间比的高频脉冲，并将其施加到高压变压器106上。此后，高压变压器106将所施加的高频脉冲转换为高频高压脉冲，并将其施加到臭氧发生器104上，其中高频高压脉冲具有已经在上面的步骤中加以调节的开/关时间比。关于此的详细描述将在下面参照图3A和4给出。
为了在本发明中产生无声放电，利用了具有例如1到50kHz的频率、3到15kV的电平，和1到10μs的脉宽的高频高压脉冲。为了产生这种高频高压脉冲，高压变压器106是必须的。臭氧发生的效率通过使高频高压脉冲的脉冲上升时间缩减至最短而得以优化。
为了使施加到上电极204的脉冲上升时间缩至最短，本发明利用了金属玻璃(metglass)作为高压变压器106的芯部(未示出)，并且还利用了由特氟隆(Teflon)制成的变压器线圈架以对高压绝缘。然而，这种材料并不限制本发明的实施例。
高压变压器106产生具有调节过的开/关时间比的高频高压脉冲，并且它将高频高压脉冲施加到臭氧发生器104的上电极204上，从而在放电空间220内产生无声放电。相应地，穿过放电空间220的氧气218通过无声放电而转变为臭氧。为了平板型臭氧发生器104工作期间的安全，下电极210电连接到地线216上。
图3A和3B示出了具有用于线性控制臭氧浓度的调节过的开/关时间比的高频高压脉冲。图3A示出用于通过图1所示的臭氧发生装置100获得最大臭氧浓度的高频高压脉冲。根据图3A，高频高压脉冲的导通状态为100％，而其关闭状态为0％，从而总是将高频高压脉冲施加到上电极204上，因而可以获得最大的臭氧浓度，即，最大的臭氧产生速率。图3B示出产生最大臭氧浓度的约40％的情形下的高频高压脉冲。如图3B所示，当高频逆变器108根据控制信号将所产生的低频脉冲的导通和关闭状态分别设定为40％和60％时，如此调节的高频高压脉冲B通过高压变压器106施加到上电极204上，导致无声放电仅发生整个放电时间的40％的时间，这使得能将臭氧浓度控制在最大臭氧浓度的40％以内。
控制臭氧浓度并从控制信号发生器114输出到高频逆变器108的控制信号为低压的DC(直流)电压信号，此电压具有从0到10V的绝对值范围。具有基于控制信号的开/关时间比的低频脉冲具有低于施加到上电极204上以产生无声放电的高频高压脉冲的频率，例如，它在从几赫兹到几千赫兹的范围内变化。例如，如果在0V到5V之间变化的DC信号被用作控制信号，则调节过的信号具有如下的开/关时间比：当控制信号为0V时，导通状态的时间为0％，而关闭状态的时间为100％；当控制信号为1V时，导通状态的时间为20％，而关闭状态的时间为80％；当控制信号为3V时，导通状态的时间为60％，而关闭状态的时间为40％；当控制信号为4V时，导通状态的时间为80％，而关闭状态的时间为20％；而当控制信号为5V时，导通状态的时间为100％，而关闭状态的时间为0％。由于开/关时间比呈现如上状态，所以高频逆变器108对应于控制信号的电平产生低频脉冲A。接着，为产生臭氧而优化的高频脉冲与低频脉冲混合，然后被调整为低频脉冲的开/关时间比的高频高压脉冲B被施加到臭氧发生器104上。
图4是示出根据本发明的按臭氧产生速率形式的臭氧浓度对控制信号的曲线图。如图4所示，由于具有根据来自控制信号发生器114的控制信号通过高频逆变器108和高压变压器106得以调节的开/关时间比的高频高压脉冲被施加到平板型臭氧发生器104上，所以臭氧产生速率被改变，因而臭氧浓度得以线性控制。
虽然本发明已经参照其优选实施例加以描述，但是本领域技术人员应理解，在不背离本发明的广泛原理和宗旨的前提下可以对其进行变形和改进，而该原理和宗旨并不应当仅限于所附权利要求的范围。

Claims (5)

1.一种用于产生臭氧并线性控制所产生的臭氧浓度的装置，包括：
用于提供含氧气的空气的氧气发生器；
用于通过将放电施加到该氧气发生器所提供的空气上而产生臭氧的臭氧发生器；
用于提供高频脉冲的高频逆变器，该高频脉冲用于放电并具有调节过的开/关时间比；
用于将来自该高频逆变器的具有调节过的开/关时间比的该高频脉冲转换为具有预定的信号电平的高频高压脉冲的高压变压器，其中，该高压变压器电连接到臭氧发生器和高频逆变器上；以及
用于产生控制信号以控制该高频脉冲的开/关时间比，并电连接到该高频逆变器上的控制信号发生器，
其中，该高频逆变器响应该控制信号而产生具有基于该控制信号的开/关时间比的低频脉冲和用于放电的优化高频脉冲，并将该低频脉冲和该优化高频脉冲混合，从而产生具有该调节过的开/关时间比的该高频脉冲，
该低频脉冲具有比该优化高频脉冲相对更低的频率，且具有该调节过的开/关时间比的该高频脉冲和该优化高频脉冲中的每一个都具有相同的频率，以及
该高频逆变器包括用于产生该低频脉冲的第一振荡装置和用于产生该优化高频脉冲的第二振荡装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该臭氧发生器包括：
彼此相对的至少一个上电极和至少一个下电极，用于产生电压放电；
在上电极和下电极的彼此面对的两个侧面中的至少一个侧面上设置的呈平面型的绝缘材料；以及
邻近上电极和下电极的彼此背对的侧面设置的冷却装置，
其中，上电极电连接到该高压变压器上，该高频高压脉冲施加到该上电极上，而下电极接地。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，为了形成放电空间，在上和下电极之间设置了在0.6mm到2mm范围内变化的间隙。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，臭氧在放电空间内产生。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该高压变压器包括金属玻璃芯部。
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