DE3731168C2

DE3731168C2 - Ozonisator zur Erzeugung von Ozon durch kaltes Plasma für Wechselspannungsanregung im kHz-Bereich und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE3731168C2
Application number: DE19873731168
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich Dr Stiehl; Juergen Dr Schweckendiek; Mehdi Panahpurian
Original assignee: Trailigaz Compagnie Generale de lOzone SA
Current assignee: Astex GmbH
Priority date: 1987-09-14
Filing date: 1987-09-14
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2007-09-15
Also published as: DE3731168A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ozomisator-Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon durch kaltes Plasma für Wechselspannungsanregung im kHz- Bereich nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Ozonerzeugung nach dem Prinzip der stillen elektri schen Entladung ist seit langem bekannt und das tech nisch am weitesten verbreitete Verfahren zur Erzeugung von Ozon. Allgemein wird dabei eine Anordnung von zwei Elektroden verwendet, zwischen denen eine Wechselspan nung angelegt wird. Bei einer hinreichend hohen Span nung tritt eine Entladung im Gasraum auf. Ein Dielek trikum dient dabei der Strombegrenzung. Die Ozonproduk tion pro Dielektrikumsfläche kann als Maß für die Lei stungsfähigkeit eines Ozonerzeugers gewählt werden. Für die am Ozongenerator umgesetzte Leistung gilt:

N_el ∼ C_de × f × U_z × (U - U_z),

wobei N_el die umgesetzte elektrische Leistung, C_de die Kapazität des Dielektrikums, U_z die Zündspannung des Ozongenerators und U der Scheitelwert der aufgeprägten Spannung ist. Die Ozonproduktion ist durch die Energie ausbeute mit der Flächenleistungsdichte verbunden zu:

P/F = (N_el × A)/ F,

wobei P der Ozonproduktion (Masse/Zeit), F der Fläche des Ozonerzeugers und A der Energieausbeute (Masse/Energie) entspricht.

Ziel der technischen Ozonerzeugung ist einerseits eine möglichst günstige Energieausbeute, andererseits eine hohe Produktionsdichte, wodurch kleine Bauformen er zielt werden können.

Herkömmliche Plasmareaktoren zur Erzeugung von Ozon verwenden eine durchgehende Entladungselektrode, eine Gegenelektrode und ein Dielektrikum, wobei in der Regel zwischen Entladungselektrode und Dielektrikum ein Ent ladungsspalt vorgesehen ist, in dem die Gasentladung und Ozonbildung stattfindet. Zugleich erfolgt der Transport des Einsatzgases durch den Gasspalt, und zwar senkrecht zur Entladung. Druck, Gasart und Spaltweite bestimmen im wesentlichen die Zündspannung. Diese An ordnung hat den Nachteil, daß das gebildete Ozon in hohem Maße erneutem Elektronenbeschuß und thermischer Zersetzung in den heißen Entladungskanälen ausgesetzt ist. Zur Überwindung dieser Nachteile wurde die Spalt weite vermindert und teilweise eine Kühlung beider Elektroden vorgesehen. Letzteres ist aufwendig, da ein hochspannungsfester zweiter Kühlkreislauf aufgebaut werden muß. Fertigungstoleranzen begrenzen die weitere Verminderung der Spaltweite, obgleich grundsätzlich die Verkleinerung des Spaltes zu besserer Kühlung des Gases führt. In technischen Ozongeneratoren werden nach dem Stand der Technik Spaltweiten von 1 bis 1,5 mm reali siert, die entsprechenden Zündspannungen liegen bei 4 bis 6 kV Scheitelwert.

Die Leistung wird bei Ozongeneratoren nach dem Stand der Technik im wesentlichen durch die Spannung be stimmt. In letzter Zeit ist man bestrebt, eine Wechsel spannung im Kilohertzbereich (kHz) zu verwenden, da diese Anregung deutliche Vorteile hinsichtlich der Bau größe der elektrischen Versorgung aufweist, denn bei spielsweise wächst die übertragbare Leistung eines Transformators gegebener Größe linear mit der Übertra gungsfrequenz. Um bei den bekannten Ozonerzeugern eine ganzflächige Durchzündung zu erzielen, muß etwa das Eineinhalbfache der Zündspannung vorliegen. Bei gegebe ner hoher Frequenz führt die Leistungsdichte sofort beim gleichmäßigen Durchzünden zu thermischer Überla stung und zu hohen Ozonverlusten aufgrund der thermi schen Zersetzung.

In der Veröffentlichung "Spezielle Konstruktionen von Ozonisatoren" von J.V. Habernickel, Elektrowärme inter national 28 (1970), S.704-710, wird in Fig. 3 auf die starke Abhängigkeit der Ozonausbeute von der Temperatur hingewiesen. Als Ozonisatoren werden Röhren- und Plat tenozonisatoren offenbart, wobei ein Röhrenozonisator nach den dortigen Ausführungen zwar ein größeres Ge samtvolumen beansprucht, er aber als echter Rohr-Wärme tauscher ausgebildet werden kann und dadurch eine opti male Kühlung und Gasführung erlaubt. Bei einem be schriebenen Rohrozonisator ist eine rohrförmige, am un teren Ende geschlossene Metallelektrode in einem gleichfalls rohrförmigen, unten jedoch offenen Dielek trikum angeordnet, wobei beide am oberen Ende einge spannt sind und in einem äußeren unten geschlossenen Metallrohr aufgenommen sind. Mehrere solcher Einheiten sind zusammengefaßt und in einem Kühlmittelbehälter angeordnet.

Eine Entladungsanordnung für Ozonerzeuger ist in der DE-OS 19 53 418 offenbart, die ein außenliegendes, an einem Ende geschlossenes Rohr aus dielektrischem Mate rial und eine in dieses eingelegte leitfähige Schicht aus Drahtgewebe aufweist. Das Drahtgewebe kann durch eine schraubenförmige zylindrische Feder gegen das Rohr gedrückt werden, die gleichzeitig als Zuleitung der Hochspannung dient.

In der nachveröffentlichten Offenlegungsschrift DE 36 23 225 A1 wird bereits eine vereinfachte Bauweise von Ozonisatoren vorgeschlagen, wobei die wendelförmige Entladungselektrode in ein Quarzrohr eingesetzt wird.

Aus der EP 0 160 964 A2 ein Ozonisator mit einem zy lindrischen Dielektrikum aus Keramik bekannt, bei dem auf der Innenfläche lineare Entladungselektroden vor gesehen und in der Schicht des zylindrischen Dielektri kums zweidimensionale Induktionselektroden angeordnet sind, wobei an die Elektroden eine Hochspannungsquelle angeschlossen wird. Dadurch entsteht längs der inneren Oberfläche des zylindrischen Dielektrikums eine Korona entladung. Außen am Dielektrikum wird ein Flüssiggas als Kühlmittel, nämlich flüssiger Stickstoff, entlang geführt. Ein solcher Ozonisator ist in der Herstellung äußerst aufwendig und teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ozonisator zur Erzeugung von Ozon durch kaltes Plasma für Wechselspannungsanregung im kHz-Bereich gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, die eine einfache Herstellung gestattet und die eine gute Küh lung ermöglicht, wodurch die Erhöhung der Konzentration und des Wirkungsgrades gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß eine als diskretes Bauelement ausgebildete Entladungselektrode vorgesehen ist, die derart geformt ist, daß sie eng am Umfang des Dielektrikums anliegt, die Entladungselektrode als Drahtwendel einfach ausge bildet ist, und zur Erzielung eines engen Kontaktes mit dem Dielektrikum der Außendurchmesser der Spirale grö ßer als der Innendurchmesser des Dielektrikums bzw. als der Außendurchmesser des Rohres ist, und wobei das Die lektrikum als langgestrecktes handelsübliches Rohr aus gebildet ist, dessen Länge sehr viel größer ist als sein Radius, wird einerseits ein sehr einfacher Aufbau des Ozonisators möglich und andererseits ist die ge kühlte Fläche bezogen auf das umschlossene Volumen sehr groß, so daß eine sehr gute Kühlung erzielt wird. Als Kühlmittel kann Wasser verwendet werden, wobei die Tem peratur des Kühlwassers um die 15°C betragen kann. Aufgrund der niedrigen benötigten Zündspannung kann ein breiteres Spektrum von Zündspannungen verwendet werden, wodurch weitere Entladungsbereiche erreicht werden kön nen. Da die Vorrichtung druckunabhängig ist, kann auf besondere Dichtungsmaßnahmen verzichtet werden. Im übrigen ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrich tung sehr variabel, so daß sie an unterschiedliche Ge gebenheiten ohne Schwierigkeiten anpaßbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Ozonisator wird eine hohe Ozonkonzen tration erzielt, die einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Teil ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er findung,

Fig. 4 eine Zusammenschaltung von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen zu einer Einheit,

Fig. 5 ein Diagramm der Ozonkonzentration über die Flächenproduktions dichte, kennzeichnend für die Vorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 6 eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung weist ein Dielektrikum 1 auf, das als lang gestrecktes Rohr ausgebildet ist. Da das Di elektrikum 1 gleichzeitig als Wärmeaustausch fläche dient und hohen elektrischen Belastungen bei der Verwendung inhomogener Felder ausge setzt ist, muß das Material elektrisch und thermisch belastbar sein. Zugleich sollte die relative Dielektrizitätskonstante möglichst hoch sein, da damit die elektrische Leistungsdichte erhöht wird und das verwendete Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute chemische Beständigkeit aufweisen. Hierzu eignen sich keramische Materialien, insbesondere Al₂O₃. Das langgestreckte Rohr weist einen Innenradius von 10 mm, vorzugsweise 3 mm oder weniger auf, wobei eine Wandstärke von 1 mm oder weniger angestrebt wird. Das Radius/Längenverhältnis liegt zwischen 1 : 50 und 1 : 400. Derartige Rohre sind ohne Spezialfertigung im Handel erhältlich. Auf die Außenfläche des Rohres 1 wird eine Gegenelektrode 2 durch ein Verfahren unabhängig vom Herstellungs prozeß des Dielektrikums 1 bei Temperaturen unter 500°C beispielsweise durch Metalldampf abscheidung oder chemische Metallisierung auf gebracht und gegebenenfalls elektrolytisch ver stärkt. Als Entladungselektrode 3 wird ein Draht verwendet, der einen Durchmesser von etwa 2 mm oder weniger, vorzugsweise 0,5 mm, aufweist und der zu einer Spirale oder Wendel gewickelt ist. Der Außendurchmesser der Spirale oder der Wendel ist größer als der Innendurch messer des als Rohr ausgebildeten Dielektrikums 1, so daß die Entladungselektrode 3, d. h. die Spirale oder Wendel, unter Spannung in das Innere des Rohres 1 eingesetzt wird. Dadurch liegt der Draht der Entladungselektrode 3 eng an der inneren Wand des Rohres 1 an und es wird ein guter Wärmeübergang ermöglicht. Der Draht der Entladungselektrode 3 ist vorzugsweise ver nickelt oder mit einer Chromnickelschicht ver sehen, damit seine Oberflächenbeschaffenheit verbessert wird. Die Steigung der Spirale bzw. Wendel liegt vorzugsweise zwischen 10 mm und der 2,5fachen Drahtstärke, beispielsweise werden bei einer Wasserkühlung Steigungen von etwa 2 bis 2,5 mm und bei einer Luftkühlung von etwa 4 bis 6 mm gewählt.

Die Bauform der Drahtwendel ist unabhängig von der vorgefertigten Bauform der übrigen Bestandteile der Vorrichtung in Drahtstärke, Steigung, Material und Oberflächenveredelung angepaßt an den Plasmaprozeß veränderbar.

Das Dielektrikum mit der Gegenelektrode 2 werden von einem Außenrohr 4 umgriffen, wobei zwischen dem Raum zwischen Gegenelektrode 2 und Außenrohr 4 ein Kühlmedium 5 hindurchge leitet wird.

Die Entladungselektrode 3 und die Gegenelektrode 2 werden mit einer Hochspannungsversorgung verbunden, wobei die Zündspannung in der Größenordnung von 0,8 kV liegen kann. Der Reaktionsraum, durch den das Anregungsgas geführt wird, liegt im Inneren des rohrförmigen Dielektrikums 1 und wird somit in seinem Quer schnitt voll von der Kühlung umschlossen. Da der Radius sehr klein ist im Verhältnis zur Länge des Rohres, wird eine maximale Kühlfläche pro umschlossenes Volumen zur Verfügung gestellt.

Die Gegenelektrode ist nach Fig. 1 und 2 als aufgedampfte Metallschicht ausgebildet. Sie kann aber auch bei der beschriebenen Konfiguration durch das Kühlmedium 5, beispielsweise Wasser, gebildet werden, wobei allerdings Voraus setzung ist, daß das Kühlmedium leitfähig ist. Die Leitfähigkeit kann zusätzlich durch An bringen eines metallischen Leiters erhöht werden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel darge stellt, bei dem eine Luftkühlung verwendet wird. Die Entladungselektrode 3 ist rechts im nicht eingebauten Zustand angedeutet. Auf der metallisierten Gegenelektrode 2 sitzen in diesem Ausführungsbeispiel Kühlkörper 6, wie sie in der Elektrotechnik bekannt sind, beispielsweise sternförmige Kühlkörper für Transistoren oder geschlitzte Aluminiumbänder. Diese Kühlkörper 6 sind über die gesamte Länge des rohrförmigen Dielektrikums 1 mit Abstand zueinander verteilt.

Vorteilhafterweise ist in den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Entladungselektrode 3 im Innenraum des rohrförmigen Dielektrikums 1 angeordnet. Es ist aber auch denkbar (Fig. 6), daß die Gegenelektrode 2 auf den Innenumfang des rohrförmigen Dielektrikums 1 aufgebracht wird, während die Entladungselektrode 3 außen unter Spannung aufgesetzt wird, wobei die Spannung dadurch erreicht wird, daß der Innen durchmesser der Entladungselektrode 3 kleiner ist als der Außendurchmesser des rohrförmigen Dielektrikums 1 oder die gesamte Anordnung mit aufgesetzter Entladungselektrode thermisch nachbehandelt wird. Mit etwas erhöhtem Aufwand als die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis 3 kann diese Ausführungsform innen und außen gekühlt werden.

In der Fig. 4 ist eine Zusammenschaltung mehrerer Module gemäß Fig. 1 bis 3 zu einer Einheit höherer Leistung gezeigt. Die langgestreckten rohrförmigen Module 7 liegen parallel zueinander und werden an den Enden durch Halterungen 8 in dichtem Abschluß gegen außen gehalten, wobei in den Halterungen die Module 7 miteinander verbunden sind. Die Halterungen 8 nehmen gleich zeitig die Hochspannungsversorgung auf und weisen Anschlüsse 9 für die Zu- bzw. Abfuhr des Anregungsgases auf. Weiterhin sind Anschluß elemente 10 für das Kühlmedium vorgesehen, d. h. die Außenrohre 4 sind über die Anschlußelemente, die nahe an den Enden der Module liegen, mit einander verbunden. Die Anschlußelemente sind mit jeweils einem Stutzen 11 für den Einlaß bzw. Auslaß des Kühlmediums versehen. Bei Ver wendung von Rohren gemäß der Erfindung mit den angegebenen Durchmesser/Längenverhältnissen läßt sich eine besonders günstige Kühlung durch hohe Wandgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem schmalen Ringspalt bei geringem Kühlmittel bedarf realisieren.

Fig. 5 zeigt ein charakteristisches Leistungs diagramm für eine Anordnung gemäß den Fig. 1 bis 3, wobei die Ozonkonzentration in g/m³ über die Flächenproduktionsdichte P/F in g/(m²·h) aufgetragen ist. Daraus ist zu erkennen, daß eine sehr hohe Ozonkonzentration allerdings bei einer etwas geringeren Flächenproduktions dichte erzielt wird.

In dem Ausführungsbeispiel ist das Dielektrikum als Rohr mit rundem Querschnitt ausgebildet. Selbstverständlich sind auch andere Querschnitte denkbar. So kann das Rohr einen viereckigen, dreieckigen oder vieleckigen Querschnitt haben. Ein anderes Ausführungsbeispiel liegt darin, daß das Dielektrikum auf der der Entladungs elektrode zugewandten Seite eine in Längsrichtung rippenartige Struktur aufweist, so daß die Entladungselektrode an mindestens drei Stellen am Umfang aufliegt. Dabei sind die Abstände an den Stellen, an denen die Elektrode nicht aufliegt, sehr viel geringer als der Innen durchmesser des Rohres.

Claims

1. Ozonisator zur Erzeugung von Ozon durch kaltes Plasma für Wechselspannungsanregung im kHz-Bereich mit einem rohrförmig ausgebildeten Dielektrikum aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Al₂O₃, und mit mindestens einer eng an einer Rohr wandfläche des Dielektrikums angeordneten Entla dungselektrode, die keine geschlossene Fläche bil det, und einer eng an der anderen Rohrwandfläche angeordneten Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet daß die Entladungselektrode (3) ein diskretes, wendelförmiges Bauelement ist, und daß die Länge des röhrförmigen Dielektrikums (1) sehr viel grö ßer als dessen Innenradius ist, wobei der Innen radius des rohrförmigen Dielektrikums 10 mm, vor zugsweise 3 mm oder weniger beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Wandstärke des rohrförmigen Dielek trikum (1) 1 mm oder weniger beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verhältnis Innenradius zur Länge des langgestreckten rohrförmigen Dielektri kums zwischen 1 : 50 und 1 : 400 liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Draht der Entladungselektrode (3) einen Durchmesser von 2 mm oder weniger, vorzugs weise 0,5 mm aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Bauform der Draht wendel unabhängig von der vorgefertigten Bauform der übrigen Bestandteile der Vorrichtung in Draht stärke, Steigung, Material und Oberflächenverede lung angepaßt an den Plasmaprozeß veränderbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Steigung der Drahtwendel zwischen 10 mm und der 2,5fachen Drahtstärke liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Entladungselektrode (3) am Innenumfang des rohrförmigen Dielektrikums (1) angeordnet ist und im nicht eingebauten Zu stand einen Außendurchmesser aufweist, der größer als der Innendurchmesser des rohrförmigen Dielek trikums ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Entladungselektrode (3) auf dem Außenumfang des rohrförmigen Dielek trikums (1) sitzt und im nicht eingebauten Zustand einen Innendurchmesser besitzt, der kleiner als der Außendurchmesser des rohrförmigen Dielektri kums (1) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (2) unabhängig vom Herstellungsprozeß des Dielektri kums (1) auf der der Anlagefläche der Entladungs elektrode (3) entgegengesetzten Umfangsfläche des rohrförmigen Dielektrikums (1) als durchgehende Metallschicht ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Dielek trikum (1) an der der Anlagefläche der Entladungs elektrode (3) entgegengesetzten Umfangsfläche durch ein Kühlmedium direkt gekühlt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß das Kühlmedium elektrisch leitend ist und die Gegenelektrode bildet, wobei durch Vorsehen eines metallischen Leiters im Kühlmedium oder an der Grenzfläche zwischen Kühlmedium und Dielektri kum die Leitfähigkeit erhöhbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß das Kühlmedium Luft ist und daß auf der Oberfläche der die Gegenelektrode (2) bildenden Metallschicht Kühlkörper (6) angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Entladungselektrode (3) aus Edelstahl, Nickel oder Kupfer besteht und die Oberfläche angepaßt an den Plasmaprozeß ver edelbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß mehrere langgestreckte rohrförmige Dielektrika (1) mit Entladungselektro de (3) und Gegenelektrode (2) parallel zueinander in einer Halterung (8) miteinander verbunden an geordnet sind, wobei die Halterung (8) die Hoch spannungsversorgung und Anschlüsse (9) zur Zu- bzw. Abführung des Anregungsgases aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß die rohrförmigen Dielektrika (1) mit ei nem Außenrohr (4) versehen sind, wobei zwischen rohrförmigem Dielektrikum (1) und Gegenelektrode (2) und Außenrohr (4) ein Kühlmedium aufgenommen ist und daß die Enden der Außenrohre (4) jeweils in einem Anschlußelement (10) aufgenommen und mit einander verbunden sind, durch das das Kühlmedium zu- bzw. abgeführt wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum auf der der Entladungselektrode zugewandten Seite in Längsrichtung eine rippenartige Struktur derart aufweist, daß die Entladungselektrode an mindestens drei Stellen am Umfang aufliegt und die Abstände an den Stellen, an denen die Entladungs elektrode nicht aufliegt, sehr viel geringer sind als der Innendurchmesser des Rohres.

17. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein lang gestrecktes Rohr aus dielektrischem Material, vor zugsweise ein gezogenes Rohr aus Keramik, durch ein Verfahren unabhängig vom Herstellungsprozeß des Dielektrikums bei vergleichsweise geringen Temperaturen von kleiner als 500°C innen oder außen metallisiert und gegebenenfalls elektroly tisch verstärkt wird und daß eine vorgefertigte wendelförmige Entladungselektrode (3) eng anlie gend in oder auf das Rohr gesetzt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß das die Gegenelektrode mittels physikali scher Dampfabscheidung oder chemischer Metallisie rung auf das Dielektrikum aufgebracht wird.