CN201347356Y - 一种接地极风冷平板式臭氧产生单元 - Google Patents

Abstract

一种接地极风冷平板式臭氧产生单元，属于气体电离放电、等离子体化学和环境工程等应用技术领域。其特征在于接地极、放电极均为长方形平板式，接地极与背面的散热片是用同一块合钢铝、不锈钢、钛等金属制成；在放电极与风冷却接地极之间的窄间隙里形成强电离放电电场，电场强度达到100～400kV/cm；并采用电场参数调控氧分子离解、离解电离反应产生氧原子、氧原子离子和自由基浓度，进而控制臭氧产生量和浓度，实现可控制臭氧再分解，进而臭氧浓度达到80～160mg/L。本实用新型的效果和益处是风冷却代替了水冷却或油冷却，平板式臭氧发生单元代替管式臭氧发生单元，实现了风冷却平板式小型化的臭氧产生单元，并高效率产生高浓度和大产成量臭氧。

Description

一种接地极风冷平板式臭氧产生单元

技术领域

本实用新型属于气体放电物理和大气压等离子体物理等领域，涉及一种接地极风冷平板式臭氧产生单元。

背景技术

当代现有的臭氧发生方法或装置多种多样，多数是用水冷却接地极，而日本平板式Otto～plate型臭氧产生装置，是利用绝缘油冷却放电极、接地极，抑制放电间隙气体温度上升，以求产生高浓度臭氧，减少其分解。

但由于受玻璃制造工业水平的制约，要得到高平坦度，高精确厚度的玻璃电介质薄板是困难的。由于玻璃的机械强度差，易于破碎。存在更大的问题是由于玻璃电介质的频率特性差介电常数低，随着频率的增加，电介质层温度升高，进而电介质的击穿电压降低，易击穿。由于放电间隙距离大、电介质板厚，产生臭氧浓度低，臭氧产生效率不高。

目前臭氧产生装置存在问题是体积庞大，运行成本高，维护工作量多，结构复杂化；采用绝缘油同时冷却放电极、接地极，易漏油，同时又存在复杂和庞大的冷却附属设置；玻璃电介质层厚度大，平坦度低，电介质电容量和介电常数均小，玻璃电介质频率特性差，导致高频供电时介质温度升高，易击穿，促使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、臭氧产生效率均较低；放电间隙距离较大，其放电电场强度偏低，由于nd增大，则折合电场强度下将，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原子被分解、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，现有臭氧发生装置的放电电场强度在40～60kV/cm，其电子具有的电子平均能量在2.0～8.6eV之间，其中低于8.4eV的电子与臭氧分子碰撞后使其分解，臭氧浓度降低了；由于放电间隙的电场强度＜60kV/cm，臭氧产生装置难以实现产生高浓度臭氧和装置的小型化。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足之处而提出的一种接地极风冷平板式臭氧产生单元。本实用新型“一种接地极风冷平板式臭氧产生单元”是由放电极、接地极、隔片和均气的储气槽等构成。接地极风冷方式是指接地极背面加工成散热片，接地极和散热片是一体金属材料加工成。放电极是由不锈钢、铝合金或钛薄板或贴附金、银、钨或铝等金属薄膜及贴附在其表面上的电介质层所构成。由于用高介电常数、高电阻率的电介质形成的电介质薄层，将在窄放电间隙中建立强电离放电电场。接地极是由具有风冷却散热片的抗氧化金属和贴附其上电介质层构成。在接地极和放电极之间放置数条用绝缘材料制成的薄条隔片，并贴附其上，构成了放电间隙。进而使放电间隙尺寸精确，进而保证了均匀的强电离放电的形成，提高了臭氧浓度和产生效率。

本实用新型解决其技术所采用技术方案是：

本实用新型是采用风冷却来代替目前常用的水冷却接地极或油冷却放电极、接地极，省去复杂的冷却设备，由于采用平板电极与散热片一体化和窄间隙等技术，解决了电离区域的散热难题；同时又采用高介电常数(≥10)，高绝缘电阻率≥10¹⁴Ω·cm的Al₂O₃薄膜(0.2～0.6mm)电介质；在放电间隙距离为0.01～0.6mm，氧气(或空气)将以2～20m/s通过间隙，由于在放电极与接地极之间的放电间隙里能同时形成强电场和高流场，进而形成了强电离放电电场，在放电间隙中电离放电电场强度达到100～400kV/cm；电子平均温度9.7×10⁴～14×10⁵K；并用电场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等浓度，进而控制产生的臭氧浓度，并实现可控制臭氧再分解。因此，在风冷却条件下，实现了臭氧浓度达到80～160g/Nm³。

本实用新型的效果和益处是在风冷却条件下，臭氧浓度就可达到80～160g/Nm³；本实用新型的臭氧产生单元的外形是长方形平板式，采用风冷却，其散热片与接地极是一体加工成的，实现了风冷却的臭氧产生单元的小型化。

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是臭氧产生单元的放电间隙中电子能量分布图。

图4是电子平均能量ε与折合电场强度关系曲线图。

图5是本实用新型实施例1的正视剖面图。

图6是本实用新型实施例1的侧视剖面图。

图7是本实用新型实施例2的剖视图。

图8是本实用新型实施例3的剖视图。

其中1、5.散热片；2、3.接地极；4.电介质；6.放电间隙；7.金属放电极；8.隔片；9.储气槽；10.O₂(或空气)；11.进气管；12.气体缓冲槽；13.出气管；14.含有O₃的O₂(或空气)气体；15.高频高压电源；16.高压电缆；17.绝缘套管。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的实施方式。

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(A³Δu⁺)状态时，所需垂直激励能量为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；然而臭氧离解的激励能量却为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、离子和自由基等并与氧分子碰撞后生成臭氧，可见具有2.0～8.4eV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来分解臭氧之用。氧分子离解、电离及臭氧生成的等离子体反应式是：

O₂(x³∑g^-)+e^*→O₂(A³∑u⁺)+e→O(³P)+O(³P)+e            (1)

O₂(x³∑g^-)+e^*→O₂(B³∑u^-)+e→O(¹D)+O(³P)+e            (2)

O₂(x³∑g^-)+e^*→O ₂(A³πu⁺)+e →O(³P)+O+(¹S⁰)+2e       (3)

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均为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2.0～8.4eV电子能量的电子数目高达58.3％，它们成为离解臭氧能量的专业提供者。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2.0～8.4eV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实用新型的臭氧产生装置的放电间隙里电子能量分布状况，本实用新型的占有≥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2.0～8.4eV能量的电子数目将成倍降低。所以本实用新型的风冷臭氧产生单元的臭氧浓度要比目前生产的风冷臭氧产生装置有着大幅度地增加。

放电间隙里的电场强度表达式：

Eg＝V_mε_d/(2l_dε_g+lg ε_d)                             (5)

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，才有可能得到强电离放电的电场强度。

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。从图4曲线可知，在电离放电电场中的电子具有平均能量大小取决于电离放电电场强度，只有强电离放电过程中电子具有能量方可使大量O₂气体分子离解成单原子、单原子离子等活性粒子，并为合成O₃提供了大量活性粒子等基础材料。

根据伯努利气体方程可知：Δp＝C(-ΔV)^-2，在放电间隙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。

本实用新型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0.2～0.5mm，放电间隙极窄，仅为0.01～1.0mm，所以大幅度提高了放电间隙的折合电场强度，则放电间隙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。

图5是本实用新型实施例1的正剖视图，图6为图5的N～N剖视图。在上述图中，15为高频高压电源，经高压电缆16与金属放电极7相连，高压电缆16经绝缘套管17固定在接地极2上。在对应金属放电极7的对面接地极2、3平面上贴冶一层Al₂O₃电介质4薄层。金属放电极7与接地极2、3上的电介质4之间放置数个隔片8，形成2个放电间隙6，在放电间隙6里建立了均匀强电离放电电场，形成了密集的流光放电，分解大量的O₂并生成O₃。在接地极2、3的外侧加工成多个散热片1、5，把放电过程产生热量传导出去。O₂(或空气)10经进气管11进入储气槽9匀速后，再通过放电间隙6后生成含有O₃的O₂(或空气)气体14，再经过气体缓冲槽12和出气管13输出含有高浓度O₃的气体。

图7是本实用新型实例2的剖视图，实施例2与实施例1的不同之处在于金属放电极7外表贴冶一层Al₂O₃电介质层。

图8是本实用新型实例3的剖视图，实施例3与实施例2的不同之处在于放电极7对应接地极2、3的表面不贴冶一层电介质。

Claims (3)

1.一种接地极风冷平板式臭氧产生单元，是由放电极、接地极、电介质层、隔片及散热片、储气罐、进出气管接头及高压接头等组成的矩形臭氧产生单元，其特征是：

a.接地极、放电极和电介质层均为长方形平板式，接地极背面贴附在散热片上或接地极与其背面的散热片是用一整块合钢铝、不锈钢或钛材料制成；

b.电介质为Al₂O₃压制成的薄片，其厚度为0.2～0.6mm；

c.放电极是由不锈钢、铝合金或钛薄板，或贴附在电介质层表面上的金、银、钨或铝等金属薄膜构成；

d.电介质层贴附在放电极两面，在一个放电极两侧与接地极之间形成2个放电间隙；

e.放电间隙距离为0.01～0.6mm。

2.根据权利要求1所述的一种接地极风冷平板式臭氧产生单元，其特征是：

a：通道中电离电场强度为100～400kV/cm；

b：电子平均温度达到9.7×10⁴～14×10⁵K；

c：氧气或空气以2～20m/s通过放电间隙电离电场；

d：臭氧产生单元产生臭氧浓度达到80～160g/Nm³。

3.根据权利要求1所述的一种接地极风冷平板式臭氧产生单元，其特征是臭氧产生单元的电离电场有效长度仅为80～160cm。

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