NO139625B - Osongenerator. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører generelt osonisatorer for produksjon av oson ved hjelp av elektrisk utladning gjennom luft eller andre oksygenholdige gasser, og er mer spesielt rettet mot en ny og forbedret elektrisk drivkrets for osongen-eratorer.

I mange industrielle behandlingsprosesser, f.eks. ved behandling av vann eller vannbårne effluenter, er det kjent å bruke luft som inneholder oson, noe som lett kan frembringes ved hjelp av en høyspenningsutladning gjennom luft. For å oppnå

en stille utladning uten lysbuedannelse og således med minst mulig varmefrembringelse, blir utladningen foretatt gjennom luft som ligger mellom en metallelektrode og et dielektrisk element, vanligvis av glass, idet en annen elektrode er anbrakt på den siden av dielektrikumet som ligger lengst fra luften. Den andre elektroden kan være en ledende væske, vanligvis vann. Dielektrikumet anvendes for å oppnå en stille utladning. Elektrisk ladning blir lagret på dielektrikumets overflate og utladningen opphører derfor så snart potensialet har bygget seg opp over dielektrikumet. Det er således i slike systemer nødvendig å

bruke et alternerende potensial. Væske-elektroden brukes til å oppnå god elektrisk kontakt med dielektrikumet over hele dettes effektive overflate.

Den produserte mengde med oson er proporsjonal med utladningsarealet og effekttettheten i utladningen. Nesten hele den elektriske energien blir omdannet til varme i gassen.

Hvis effekttettheten økes, blir luften opphetet i prosessen og osonet spaltes. Hittil har det derfor vært praksis å anvende utstyr med meget store utladningsarealer. For de store mengder med oson som kreves ved mange industrielle behandlingsanlegg,

fører dette til utstyr som er plasskrevende og kostbart med store

tomte- og anleggskostnader.

Hittil har det i store osonisatorer vært vanlig

å energisere elektrodene ved frekvensen til kraftforsynings-nettet, dvs. 50 Hz.

En osonisator krever høy spenning for å gi

den nødvendige utladning gjennom gassen. Den nødvendige spenning avhenger av dimensjonene, men det anvendes typisk en spenning på 20 kV. Selv om det er mulig å drive en osonisator ved nettfre-kvens, hvilket også fremdeles blir gjort ved noen osonisatorer,

er det velkjent at bedre ytelse blir oppnådd ved å anvende en høyere frekvens. Den konvensjonelle måte å energisere en osonisator på er derfor å ha en omformer som arbeider ved lave spenninger, dvs. en likeretter som likeretter vekselstrømeffekten fra nettet, og en omkoblingsanordning, typisk omfattende tyris-torer, for å bevirke svitsjing med den ønskede frekvens, idet den resulterende utgangsspenning mates til primærviklingen på en opp-transformator slik at denne på sin sekundærside leverer v en høy vekselspenning som generelt sett har sinus-form, hvilken utgangsspenning blir påtrykket elektrodene i osonisatoren..

Dette er i det vesentlige det arrangement som er beskrevet f.eks. i US-patent 3.496.092.

I motsetning til ovenstående går foreliggende oppfinnelse i korthet ut på å anvende et kretsarrangement i hvilket spenningen først blir opptransformert til den nød-vendige høye spenning og derefter blir likerettet for å frembringe en likestrømforsyning ved den høye spenning. Denne blir så svitsjet med den ønskede frekvens, og de resulterende like-spenningspulser blir påtrykt direkte på elektrodene i osonisatoren .

Nærmere angivelser av de nye og særegne trekk ved osonisatordrivkretsen ifølge denne oppfinnelse er opptatt i patentkravene.

For fullt ut å forstå betydningen av den for-skjell som foreliggende oppfinnelse innebærer sammenlignet med tidligere kjente løsninger, er det nødvendig å betrakte mer inngående den virkning som finner sted i osonisatoren. Det dreier seg her om osonisatorer med såkalt stille utladning.

Slike osonisatorer er velkjente og det er åpenbart at de har Ønskelige egenskaper. I en slik osonisator vil det mellom det oksygen eller den oksygen-holdige gass som utladningen skal skje gjennom, og en av elektrodene, foreligge et lag av dielektrisk materiale. Den elektriske utladning må derfor finne sted gjennom dette dielektrikum og gjennom luftgapet. (Det er praktisk her å tale om "luftgap" selv om det kan dreie seg om hvilken som helst oksygen-holdig gass.)

Når den høye vekselspenning påtrykkes over elektrodene i tidligere kjente osonisator-konstruksjoner, vil - ved betraktning av en periode av denne spenning når potensialet mellom elektrodene bygges opp - til slutt en slik verdi bli nådd at spenningen over luftgapet forårsaker utladning. Ut-ladningsstrømmen bevirker oppbygning av et potensial over det dielektriske materiale fordi ladning blir lagret på overflaten av dette. Når det dielektriske materiale blir oppladet, faller potensialet over luftgapet og utladningen gjennom luft blir således slukket. I den neste halvperiode er polariteten av det påtrykte potensial reversert. Dette medfører en ytterligere utladning idet den lagrede ladning på det dielektriske materiale blir ført bort og det dielektriske materiale i denne halvperiode blir oppladet med motsatt polaritet av den ladning det hadde i den foregående halvperiode. Det er derfor nødvendig å ha et påtrykt potensial med vekslende polaritet. Utladningen kan imidlertid finne sted bare når potensialet over luftgapet overskrider den verdi som kreves for å frembringe gjennomslag i luft.

I tidligere kjente osonisatorer er det siste ledd i kretsen en transformator hvis utgang leverer den vekselspenning som påtrykkes elektrodene i osonisatoren. Det er umiddelbart innlysende at den høye spenning som er nødvendig for utladningen, bare opptrer under en liten brøkdel av hver periode på grunn av sinusbølgeformen. Man kan øke denne brøkdel av perioden og følgelig forbedre osonisatorens effektivitet ved å øke spenningen slik at potensialet ligger over det mini-male potensial i et lengre, intervall. Med en sinusbølgeform må imidlertid toppspenningen være langt høyere enn den minste spenning som er nødvendig for å frembringe utladning for å oppnå en utladning over en større brøkdel av perioden. Disse meget høye spenninger (som, for å øke effektiviteten, er meget større enn det som er nødvendig for å frembringe utladning) representerer problemer med hensyn til isolasjon og sikkerhet. Spenningene blir nødvendigvis så høye at det vil opptre gnister over betydelige luftgap, og det oppstår praktiske problemer med isolasjonen av tilførselskretsene. Det er åpenbart uønsket å måtte bruke toppspenninger som er meget høyere enn det minimum som er nødvendig for å oppnå en utladning. I tidligere kjente osonisatorkretser har imidlertid dette vært den eneste måte til å øke utladningsintervallet under hver halvperiode.

Det vil innsees at disse problemer oppstår i det vesentlige på grunn av anvendelsen av en sinusformet høyspenning for elektrodene i osonisatoren.

I motsetning til den beskrevne, kjente teknikk blir det ifølge foreliggende oppfinnelse ikke brukt et sinusformet potensial, men derimot en svitsjet likespenning, slik som angitt i patentkravene. De to likestrøm-forsyningsledninger blir holdt på de nødvendige positive og negative polariteter i forhold til et referansepotensial (som normalt vil være jordpoten-sial). Ledningene kobles vekselvis til de to elektroder ved å anvende høyspenningsomkoblere, f.eks. tyratroner. Med denne løsning vil såsnart en omkobler er lukket, det fulle potensial bli påtrykket og utladning kan inntre umiddelbart. Utladningen fortsetter inntil potensialet blir reversert eller inntil ladningen på det dielektriske materiale bygges opp til et slikt nivå at potensialet over luftgapet bringes til å falle under det minimum som er nødvendig for å opprettholde utladning. Styring av omkoblingen eller svitsjingen skjer ved hjelp av variabel frekvens og frekvensen kan innstilles på en slik verdi at det blir

■.' «^pnådd en meget høy nyttetid ("duty cycle") . Den innstillbare frekvens utgjør imidlertid også et meget bekvemt middel til å regulere osonproduksjonen. Reduksjon av frekvensen gjør det mulig å redusere osonproduksjonen efter ønske. Når det imidlertid kreves maksimal produksjon, kan frekvensen innstilles slik at utladningen er kontinuerlig efter hver omkoblingsoperasjon inntil potensialet blir reversert. Dette gjør det mulig å

oppnå meget høy effektivitet i osonproduksjonen fordi utladning gjennom osonisatoren finner sted under en meget høy andel av tiden. Som følge av dette er det nødvendige utladningsareal meget mindre enn med konvensjonelle osonisatorer, hvilket fører til at elektrodesystemet kan være meget mindre. Den større effékt-tetthet i utladningen har direkte og vesentlig betydning fordi ett av hovedproblemene med eksisterende typer av osonisa-

torer er at de er meget omfangsrike. Kretsarrangementet ifølge foreliggende oppfinnelser gjør det mulig å utføre hele osonisatoren meget mindre enn med konvensjonelle systemer.

US-patent 3.496.092 angår i likhet med foreliggende oppfinnelse en osonisator, men foreskriver at spenningen blir opptransformert efter omformertrinnet og er en sinusspenning blir påtrykket på osonisatorelektrodene. Foreliggende oppfinnelse adskiller seg således fra dette patentskrift på samme måte som forklart ovenfor i relasjon til vanlige kjente osonisatorer. Det skal spesielt bemerkes at ifølge US-patent 3.496.092 er utgangs-transformatoren avstemt. Det er anordnet en omkobbelbar kondens-atorgruppe for dette formål. Som allerede nevnt vil imidlertid en slik resonanskrets sørge for en sinusbølgeform.

Efter å ha forklart de grunnliggende forskjeller er. det videre på sin plass å henvise til et ytterligere problem som oppstår med de tidligere kjente osonisatorkretser som anvender en høyspenningsopptransformator for matning av elektrodene. Det er nødvendig å sørge for magnetiseringsstrøm for transformatoren. Dette blir mest hensiktsmessig gjort med en resonanskrets som vist i US-patent 3.496.092. Dette er grunnen til at det brukes en resonanskrets. Imidlertid forhindrer resonanskretsen endring av frekvensen. Hvis magnetiserings-strømmen ikke leveres på denne måte fra en resonanskrets, så

har hele kretsarrangementet meget lav effektfaktor. Dette innebærer ytterligere problemer. Disse blir alle unngått med løsningen ifølge foreliggende oppfinnelse ved hvilken det skjer en enkel svitsjing av likestrømforsyningen for å gi en rektangulær spenningsbølgeform.

Sammenlignet med de tidligere kjente arrange-menter medfører foreliggende løsning en høyere nyttetid ("duty cycle") og tillater derfor anvendelse av en mindre elektrode-konstruksjon. Den gjør det også mulig å bruke et meget større frekvensområde og innebærer forbedret effektfaktor.

Den spesielle fordel ved bruk av en variabel frekvens, slik at mengden av produsert oson kan endres ved å endre frekvensen, innebærer at det fortrinnsvis brukes en regulerbar frekvensgenerator til frembringelse av den nødvendige spenning til elektrodene. Erkjennelsen av kravet om en omkoplbar likespenning, dvs. en spenning so~< omfatter pulser med konstant amplitude av alternerende positiv og negativ polaritet og med variabelt tidsintervall mellom pulsene, fører som nevnt til problemer dersom høyspenningen skal oppnås ved hjelp av en transformator. Skjønt det i en viss utstrekning er mulig å frembringe den nødvendige spenningsamplitude med en passende transformator og å forme bølgeformen ved å bruke passive kompo-nenter, vil disse bare være effektive ved en enkelt arbeidsfrekvens eller over et meget smalt frekvensbånd. Det å forandre frekvensen over et bredt område for å variere osonfremstillingen, kan såLedes forårsake betydelige effekttap.

Det er ikke mulig å regulere osonfremstillingen i vesentlig grad ved å forandre spenningen. Det kreves en mini-mumsspenning for å få istand utlandingen og en maksimumsspenning settes ved den elektriske styrken til dielektrikumet. Det er imidlertid mulig å regulere fremstillingen ved å variere frekvensen. Av de grunner som er antydet ovenfor, har det imidlertid hittil ikke vært mulig å variere frekvensen over et bredt område i store osonisatorer.

De to bryterne som anvendes i osonisatordrivkretsen ifølge oppfinnelsen kan være mekaniske brytere eller vakuumbrytere. Imidlertid er de fortrinnsvis gitterstyrte gassutladningsinnretninger, hensiktsmessig tyratroner som blir tent alternativt ved hjelp av pulser på deres styregitre. Fortrinnsvis er det koplet to lagringskondensatorer mellom de to forsyningslinjene og det nevnte referanspotensialpunktet.

Når en tennpuls i denne konstruksjonen tilføres styregitteret i en av gassutladningsinnretningene, blir den innretningen ledende og potensialet på den høyspennings-forsyningslinjen som den innretningen er tilkoplet blir tilført den andre elektroden i osonisatoren. En utladning vil begynne i osonisatoren gjennom den oksygenholdige gassen, men denne vil slukke av seg selv når potensialet bygges opp over dielektrikumet på grunn av ladning som lagres på dielektrikumets overflate. Når utladningen slukkes, vil det ikke lenger flyte noen strøm gjennom gassutladningsinnretningen, og denne innretningen vil derfor bli sperret. Ved tilførsel av den neste tennpulsen til den andre gassutladningsinnretningen, blir et potensial med motsatt polaritet koplet til den andre elektroden i osonisatoren og en utladning i motsatt retning vil finne sted mellom elektrodene i osonisatoren, slik at ladningen på dielektrikumet blir reversert i polaritet. Denne utladningen vil slukke seg selv på samme måte som før og dermed vil den andre gassutladningsinnretningen bli sperret. Arbeidsmåten fortsetter syklisk på denne måten. Den maksimale arbeidsfrekvens vil avhenge av tids-perioden før utladningen i osonisatoren slukker seg selv. Tennpulsene må være kortere enn halve perioden ved denne maksimale frekvensen. I praksis kan det lett oppnås frekvenser på opp til 20 kHz. Man vil se at dette arrangementet frembringer en omkoplbar likespenning til osonisatoren. Arbeidsspenningen kan holdes like over den spenning som er nødvendig for å innlede utladningen, og derved reduseres risikoen for ødeleggelse av det dielektriske materialet med buedannelse i punkter med høy elektrisk feltstyrke. Frekvensen kan lett styres over et bredt område, f.eks. fra 50 Hz til 20 kHz, ved å regulere tennpuls-frekvensen. Av de forannevnte grunner forblir osonisatorens effektivitet i det vesentlige konstant over hele frekvensom-rådet. Tennpulsene er forholdsvis lavspente pulser, og (det er forholdsvis enkelt å frembringe kortvarige, lavspente pulser med regulerbar frekvens over et bredt frekvensområde.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningsfiguren som skjematisk illustrerer en kretsanordning for tilførsel av et omkoplbart likespenningspotensial til osonisatorelektroder.

Osonisatoren er på figuren vist å omfatte en osongenerator, skjematisk vist ved rektangelet 110 sammen med en tilhørende elektriske drivkrets. Osongeneratoren er vist med to elektroder 111, 112 med et lag dielektrisk materiale 113 mellom elektrodene.

En av elektrodene, f.eks. elektroden Utpå tegningen, er koplet til jord som vist ved 114. Den andre elektroden 112 i osonisatoren er koplet til både katoden 115 i tyratronen 116 og til anoden 117 i en tyratron 118. Anoden 119 i tyratronen 116 er forbundet med et positivt likespenningspotensial på forsyningslinjen 120 som typisk ligger 20 kV over jordpotensialet. Katoden 121 på tyratronen 118 er forbundet med en forsyningslinje 122 med negativt potensial som typisk ligger på -20 kV med hensyn til jord. Lagringskondensatorer 123, 124 er koplet mellom henholdsvis linjene 120, 122 og jord.

Forsyningslinjene 120, 122 blir holdt på sine respektive potensialer ved energisering fra en vekselstrøms-forsyningskilde 125 via opp-transformatoren 126 og likeretter-anordningen 127 som frembringer likespenningspotensialer i forhold til jord. Skjønt det på tegningen er vist en enfase-transformator, ville det i en stor osonisator bli brukt en trefaseforsyning som tilkoples ved hjelp av en stjerne/stjerne-transformator til et trefase likerettersystem. Slike likeretter-systemer er imidlertid velkjente og vil ikke bli ytterligere beskrevet her.

Styregitrene 130, 131 til tyratronene 116, 118

er koplet til en tennpulskilde 132. Denne triggerpulskilden 132 er en pulsgenerator med variabel frekvens som frembringer kortvarige utgangspulser vekselvis på ledningene 133, 134 som henholdsvis er koplet til de to styregitrene 130, 131. Varigheten til disse utgangspulsene er mindre en halve perioden til den maksimale arbeidsfrekvensen. Frekvensen blir styrt ved hjelp av frekvensstyremidler 135. Disse kan være manuelle styreanordninger, men mer generelt vil de være automatiske styreanordninger for styring av frekvensen i samsvar med en eller annen målt perameter som kan være avhengig av den bruk som gjøres av osonet. Det ville f.eks. være mulig å styre osonutgangen ved hjelp av en tilkoplet osondetektor i utgangsledningen fra osonisatoren, hvorved osonkonsentrasjonen i utgangsledningen kan opprett-holdes på en ønsket verdi. Hvis imidlertid osonet blir brukt i et behandlingsanlegg, f.eks. til behandling av vann eller vannbårne effluenter, så vil styringen mer generelt kunne ut-føres i samsvar med målinger foretatt på det behandlete materialet fra anlegget for å frembringe en tilbakekoplings-styring.

Den elektriske drivkretsanordning som er beskrevet ovenfor, tillater tilførsel av i det vesentlige konstante spenningspulser av motsatt polaritet til elektrodene i osonisatoren samtidig som arbeidsfrekvensen kan styres over et meget bredt frekvensområde.

Claims (6)

1. Osongenerator med i det minste et par elektroder, en oksygenholdig gass og et dielektrisk materiale i mellomrommet mellom elektrodene, og en anordning for mellom elektrodene å påtrykke et potensial som vekselvis har motsatt polaritet, hvilken anordning omfatter en opp-transformator, en likeretterenhet og en bryterinnretning, karakterisert ved at det er anordnet to høyspennings-forsyningslinjer (120, 122) som holdes på henholdsvis en positiv og en negativ polaritet i forhold til et referansepotensial, ved likeretning av utgangen av opp-transformatoren (126) og at bryterinnretningen omfatter en første og en annen bryter (116 og 118) som hver har en første og en annen klemme mellom hvilke det dannes forbindelse ved påtrykning av en elektrisk arbeidspuls på bryteren, hvor den ene elektrode (111) i paret er koblet til referansepotensialet og den annen elektrode (112) i paret er koblet både til den annen klemme på den første bryter (116) og til den første klemme på den annen bryter (118), mens den første klemme på den første bryter og den annen klemme på den annen bryter er koblet henholdsvis til den positive og den negative forsyningslinje (120, 122) samt at en pulsgenerator (132, 135) med styrbar frekvens er innrettet til å påtrykke arbeidspulser vekselvis og med styrbar frekvens på de to brytere (116, 118) hvorved disse blir vekselvis ledende og leverer positive henholdsvis negative likestrømspulser til elektrodene.

2. Osonisator ifølge krav 1, karakterisert ved at bryterne omfatter en første og en annen gitterstyrt gassutladningsinnretning, og den annen elektrode i det nevnte par er forbundet med katoden (115) i en første gitterstyrt gassutladningsinnretning (116) og med anoden (117) i en annen gassutladningsinnretning (118), mens anoden (119) i den første gassutladningsinnretning (116) og katoden (121) i den annen gassutladningsinnretning (118) er forbundet henholdsvis med den positive og den negative forsyningslinje (120, 122) og at pulsgeneratoren (132, 135) er innrettet til å påtrykke triggerpulser vekselvis og med styrbar frekvens på styregitterne (130, 131) i de to gassutladningsinnretninger (116, 118), hvorved disse tennes vekselvis.

3. Osonisator ifølge krav 2, karakterisert ved at de gitterstyrte gassutladningsinnretninger er tyratroner (116, 118).

4. Osonisator ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det nevnte referansepotensial er jord (114).

5. Osonisator ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at to lagringskondensatorer (123, 124) er koblet mellom de respektive to forsyningslinjer (120, 122) og referansepotensialpunktet (114).

6. Osonisator ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at pulsgeneratoren er innrettet til å frembringe to styrepulser for de to brytere ved en styrbar frekvens som ligger mellom 50 Hz og 20 kHz.