TWI548588B

TWI548588B - 臭氧產生裝置

Info

Publication number: TWI548588B
Application number: TW104109160A
Authority: TW
Inventors: 徐銘鍇; 魏碧玉; 陳俊沐
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-09-11
Also published as: TW201634382A

Description

臭氧產生裝置

本揭露係關於一種臭氧產生裝置，尤係關於紫外光反應式之臭氧產生裝置。

臭氧具有強氧化力，可分解環境中對人體健康有害的物質，是公認的高效殺菌物質。目前，臭氧產生機已廣泛地運用在空氣淨化、水質消毒(如飲用、醫用、食用、農用)等技術領域。

利用臭氧產生機產生臭氧的方式主要區分為電暈放電式及紫外光(UV)反應式。電暈放電式的原理近似於自然界的放電現象，其係將氣體通入兩個電極板之間，施加電場使電子在該兩電極板之間移動，移動的電子提供能量游離氣體中的氧分子，以產生臭氧。UV反應式係以燈源照射空氣，波長小於242nm之紫外光可令空氣中的氧分子游離，以形成臭氧。

然而，當通入一般空氣至電暈放電式的臭氧產生機，除了生成臭氧之外，還易產生具有毒性的氮氧化物(如NOx等)。習知UV反應式的臭氧產生機所使用的低壓汞燈，其放射光譜中能有效產生臭氧之紫外光(如波長185nm)所佔比例通常僅約全部光譜能量的7至15%，從而臭氧生成濃度較低，因此，使用一般低壓汞燈式的臭氧產生機的臭氧產生效率偏低。

另一種UV反應式之臭氧產生裝置係採用介電質屏障放電燈做為紫外光光源。第1圖為使用介電質屏障放電燈之臭氧產生裝置之側視圖。

如第1圖所示，臭氧產生裝置1包括介電質屏障放電燈11及反應室12。介電質屏障放電燈11包括燈管111、外電極112、內電極113、惰性氣體114、高壓端燈座115及低壓端燈座116。反應室12具有進氣口121、開口122、中空腔體123及出氣口124。

燈管111分別夾置於高壓端燈座115與低壓端燈座116之筒部1151、1161間。外電極112係網格狀且設置於燈管111之外壁上，高壓端燈座115之筒部1151與低壓端燈座116之筒部1161分別接置位於燈管111之相對兩端之外電極112上，以使外電極112經由中空腔體123連接至電源之低壓端(未圖示)。內電極113設置於燈管111內，其連接至電源之高壓端(未圖示)。惰性氣體114(如氙氣)填充於燈管111內。高壓端燈座115與低壓端燈座116之柄部1152、1162相對連接至反應室12之兩側，高壓端燈座115之柄部1152通過反應室12之開口122凸出於反應室12外。高壓端燈座115之柄部1152與筒部1151係以導電材料製作，柄部1152與筒部1151之間復設有以絕緣材料製作之絕緣部1153，用以隔離筒部1151與柄部1152，避免電源之高壓端與低壓端發生短路。

當電源施加電場至內電極113與外電極112，燈管111內之惰性氣體114輻射紫外光，氣體(例如：氧氣或空氣)自進氣口121進入中空腔體123，氧分子受到紫外光的激發產生臭氧，含臭氧的氣體經由出氣口124釋放，以供利用。

使用介電質屏障放電燈之臭氧產生裝置可產生較高的臭氧濃度，然而，因燈管、網格狀之外電極、多層構造之高壓端燈座與低壓端燈座等構件之製造及組裝過程繁複，以致存有製造成本居高不下之問題；再者，該外電極之形狀與布局關係到燈管的散熱面積與紫外光的遮蔽率，一旦外電極的設計不良，除了產生燈管不易散熱之缺失之外，還可能影響臭氧產生之濃度及效率。

因此，如何解決上述習知臭氧產生技術之種種問題，提供具有低成本且高效能之臭氧產生裝置，即為發展本揭露之目的。

本揭露提供一種臭氧產生裝置，其包括反應室、至少一第一電極、介電質屏障放電燈以及第二電極，其中，該反應室具有相對之第一端部與第二端部、及連接該第一端部與該第二端部之中空腔體，其中，該中空腔體具有容置空間；該第一電極係設置於該中空腔體之內壁上；該介電質屏障放電燈具有接合至該第一電極之燈管；該第二電極設置於該燈管內。

於本揭露之臭氧產生裝置中，因該第一電極係設置於該中空腔體之內壁上，介電質屏障放電燈可便利地接置於中空腔體內壁之第一電極上，其構造簡單不僅易於製造及組裝，且大幅減少燈管電極之遮光率與臭氧產生裝置之製造成本，並能提升介電質屏障放電燈之散熱效率與臭氧產生裝置之效能。

1、2、3‧‧‧臭氧產生裝置

11、23、33‧‧‧介電質屏障放電燈

12、21、31‧‧‧反應室

111、231、331‧‧‧燈管

22、32‧‧‧第一電極

24、34‧‧‧第二電極

35‧‧‧電源

112‧‧‧外電極

113‧‧‧內電極

114、234、334‧‧‧惰性氣體

115、232‧‧‧高壓端燈座

116‧‧‧低壓端燈座

121、211b‧‧‧進氣口

122、211a‧‧‧開口

123、213、313‧‧‧中空腔體

124、212b‧‧‧出氣口

211、311‧‧‧第一端部

212、312‧‧‧第二端部

212a‧‧‧卡扣件

213a,213b‧‧‧開口

2130‧‧‧容置空間

214‧‧‧氣體通道

215‧‧‧反射層

233‧‧‧固定端燈座

331a‧‧‧石英外管

331b‧‧‧石英內管

351‧‧‧高壓端導線

352‧‧‧低壓端導線

1151,1161‧‧‧筒部

1152,1162‧‧‧柄部

1153‧‧‧絕緣部

d‧‧‧寬度

I-I’‧‧‧線段

L1,L2,L3,L4‧‧‧曲線

第1圖為習知使用介電質屏障放電燈之臭氧產生裝置之側視圖；第2圖為本揭露之臭氧產生裝置之第一實施例之分解側視圖；第3A圖為第2圖中I-I’線段截面之剖視圖；第3B及3C圖係不同實施態樣之第一電極之剖視圖；第4圖為本揭露之具有不同圓弧長度之第一電極的臭氧產生裝置，各該介電質屏障放電燈之輸入電壓與光照度關係圖；第5圖為本揭露之具有不同圓弧長度之第一電極的臭氧產生裝置，各該臭氧產生裝置之臭氧生成濃度與時間之關係圖；第6圖為本揭露之臭氧產生裝置之第二實施例之側視圖；第7圖為本揭露之臭氧產生裝置與具有網格狀外電極之臭氧產生裝置，其臭氧生成濃度與時間之關係圖；以及第8圖為本揭露之臭氧產生裝置與具有網格狀外電極之臭氧產生裝置，運作時，其介電質屏障放電燈的表面溫度與時間之關係圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本揭露之其他優點與功效。本揭露也可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本揭露之精神下進行各種修飾與變更。

除非文中另有說明，說明書及所附申請專利範圍中所使用之單數形式「一」及「該」包括複數個體。

第2圖係本揭露之臭氧產生裝置之第一實施例之分解側視圖。如第2圖所示，臭氧產生裝置2包括反應室21、至少一第一電極22、介電質屏障放電燈23以及第二電極24。反應室21具有相對之第一端部211與第二端部212、及連接第一端部211與第二端部212之中空腔體213，其中，該中空腔體213具有相對之二個開口213a,213b，俾與該中空腔體213之內壁構成容置空間2130。第一電極22係設置於該中空腔體213之內壁上，例如，沿中空腔體213連接第一端部211與第二端部212之方向設置於中空腔體213之內壁上。

介電質屏障放電燈23具有接合至該第一電極22之燈管231，更具體而言，燈管231係可拆卸地接合至該第一電極22。第二電極24設置於燈管231內，惰性氣體234 填充於第二電極24與燈管231之管壁之間。

具體而言，第一端部211及/或第二端部212可選用導電或絕緣材料(如鋁合金或塑膠等)，配合中空腔體213之兩端之開口大小及腔體厚度，以螺鎖、卡扣、嵌合等方式可拆卸地連接至中空腔體213之二個開口213a,213b，或者更具體地，係連接至中空腔體213之內壁面或外壁上。介電質屏障放電燈23復具有高壓端燈座232及固定端燈座233，其中，高壓端燈座232之一端可藉由螺鎖件(如止付螺絲)固定於第一端部211之開口211a中而凸出反應室21之外，用以鎖付電源之高壓端導線(未圖示)；固定端燈座233之一端可拆卸地固定於第二端部212之卡扣件212a(如彈簧)；高壓端燈座232與固定端燈座233之另一端分別夾置燈管231之兩端，從而將介電質屏障放電燈23可拆卸地裝設於反應室21中。

於本揭露之其他實施例，該中空腔體可製作成具有單邊開口之結構，該第一端部可拆卸地連接至該中空腔體之開口，該第二端部係相對於該第一端部而與該中空腔體之另一端一體成形。

本揭露之臭氧產生裝置2復可包括電源(未圖示)，該電源之高壓端導線通過高壓端燈座232連接至第二電極24，該電源之低壓端導線(未圖示)通過中空腔體213連接至第一電極22。當該電源施加電場至第二電極24與第一電極22，介電質屏障放電燈23輻射出紫外光激發中空腔體213內之氧分子反應產生臭氧。

本揭露之臭氧產生裝置可選擇氣體流動模式(平行或垂直於燈管之方向)，而將反應室之進氣口及出氣口設置於反應室之第一端部及第二端部、或中空腔體。於本實施例，第一端部211與第二端部212分別具有進氣口211b及出氣口212b，以將含氧氣體自進氣口211b導入中空腔體213內。又，氣體通道214形成於燈管231與中空腔體213之間，氧分子通過氣體通道214時經紫外光激發反應產生臭氧，含臭氧氣體由出氣口212b排出中空腔體213外，氣體通道214垂直於氣體流動方向(如箭頭符號所示)之截面寬度d介於2至10毫米(mm)。中空腔體213之內壁表面復可使用如螢光粉之材料以塗布或鍍附等方式形成反射層215，藉由反射層215增加氣體受紫外光照射機率，可進一步提高臭氧之產生率。

於其他實施例，進氣口及出氣口可設置於中空腔體之相對兩側，氣體自該進氣口導入該中空腔體之氣體通道內反應，而經反應之氣體由該出氣口排出該中空腔體外。

第3A圖為第2圖中I-I’段截面之剖視圖。如第3A圖所示，中空腔體213係以導電材料(如鋁合金)所製成具有各種截面形狀之中空柱體，例如圓柱體、正方體、長方體等。於本實施例中，中空腔體213係圓柱體，第一電極22可選擇以相同或不同於中空腔體213之導電材料(如鋁合金、銅合金等)，配合中空腔體213之構形，製成具有弧形截面之條狀體，亦即第一電極22係沿中空腔體213連接第一端部211與第二端部212之方向設置，而形成條狀體。此外，第一電極22亦可為螺旋條狀體。

若選擇以不同的導電材料來製造第一電極22與中空腔體213，可進一步利用導電膠黏合或焊接等方式，將第一電極22設置於中空腔體213之內壁上。若選擇相同的導電材料來製造第一電極22與中空腔體213，可利用車削或壓鑄等加工方式使第一電極22與中空腔體213之內壁一體成形，且第一電極22凸出於中空腔體213之內壁表面。第一電極22之弧形截面與燈管231表面係緊密貼合，該弧形截面之圓弧長度占燈管231外管圓周長度的比例介於1/6至1/2之間。

於其他實施例，本揭露之臭氧產生裝置可包括複數個第一電極。第3B及3C圖係可對應第2圖中I-I’段截面之剖視圖。如第3B及3C圖所示，臭氧產生裝置2可包括2個、3個或更多個第一電極22，各第一電極22分別沿中空腔體213連接第一端部211與第二端部212之方向設置於該中空腔體之內壁上(如第2圖)，燈管231與該複數個第一電極22表面緊密貼合。該複數個第一電極22之弧形截面的總圓弧長度占燈管231外管圓周長度的比例介於1/6至1/2之間。

第4圖為本揭露具有不同圓弧長度之第一電極的臭氧產生裝置，各該臭氧產生裝置的輸入電壓(單位：伏特V)與光照度(單位：毫瓦/平方公分mW/cm²)的關係圖。

本實施例中發現：當第一電極截面圓弧長度占燈管外管圓周長度的比例太小時(例如小於1/6)，電源功率P(P=IV I：電流，V：輸入電壓)並無法有效作用於燈管，介電質屏障放電燈無法發揮其最佳性能(亦即，輸入燈管之電壓會較低，燈管之光照度也會偏低)。第4圖中，4條曲線分別表示介電質屏障放電燈之燈管接置於具有不同圓弧長度之第一電極，第一電極之截面圓弧長度占燈管外管壁圓周長度比例分別為1/6、1/4、1/3及1/2時，各比例之燈管的輸入電壓與光照度關係。如第4圖所示，當第一電極截面圓弧長度占燈管外管壁圓周長度比例為1/6時，輸入燈管之電壓只能達到25V，光照度較低(約8.2mW/cm²)；而當截面圓弧長度占燈管外管壁圓周長度之比例為1/2時，輸入燈管之電壓可達約31V，燈管可獲得最大之光照度(約達13mW/cm²)。以UV反應式臭氧產生裝置而言，燈管光照度之增加有利於臭氧之生成。

第5圖為本揭露具有不同圓弧長度之第一電極的臭氧產生裝置，各該臭氧產生裝置隨著時間(單位：秒s)其臭氧生成濃度(單位：百萬分之一ppm)的關係圖。

於第5圖中，4條曲線分別表示介電質屏障放電燈之燈管接置於具有不同圓弧長度之第一電極，第一電極之截面圓弧長度占燈管之外管圓周長度比例分別為1/6、1/4、1/3及1/2。如第5圖所示，當比例為1/6時，臭氧產生裝置產生最高之臭氧濃度(約700ppm)；而當比例為1/2時，臭氧產生裝置生成較低之臭氧濃度(約320ppm)。

第6圖為本揭露之臭氧產生裝置之第二實施例之側視圖。如第6圖所示，臭氧產生裝置3包括反應室31、至少一第一電極32、介電質屏障放電燈33、第二電極34以及電源35。反應室31具有相對之第一端部311與第二端部312、及連接第一端部311與第二端部312之中空腔體313。第一電極32沿中空腔體313連接第一端部311與第二端部312之方向設置於中空腔體313之內壁上。介電質屏障放電燈33為雙層管結構，其具有接置於第一電極32上之燈管331，燈管331包含石英外管331a及石英內管331b。環狀的第二電極34對應燈管331之形狀同軸配置於石英內管331b之內管壁上。惰性氣體334分別填充於石英外管331a與石英內管331b之間。電源35之高壓端導線351通過第一端部311連接至第二電極34，電源35之低壓端導線352通過中空腔體313連接至第一電極32。當電源35施加電場至第二電極34與第一電極32，介電質屏障放電燈33輻射紫外光激發中空腔體313內之氧分子反應產生臭氧。

第二實施例之臭氧產生裝置3與第一實施例之臭氧產生裝置2大致相同，其中相同功能之構件於此不再贅述。第二實施例與第一實施例之差異主要在於第一實施例之第二電極24為棒狀，第二實施例之第二電極34為環狀。於第二實施例，藉由環狀的第二電極34及一個或複數個第一電極32增加惰性氣體之紫外光輻射量，可進一步提高臭氧之產生率。

第7圖為本揭露之臭氧產生裝置與上述具有網格狀外電極之臭氧產生裝置(如第1圖所示之臭氧產生裝置1)，隨著時間(單位：秒s)其臭氧生成濃度(單位：ppm)之關係圖。

如第7圖所示，曲線L1係本揭露之臭氧產生裝置隨著時間其臭氧生成濃度之關係圖，曲線L2係上述具有網格狀外電極之臭氧產生裝置隨著時間其臭氧生成濃度之關係圖。由第7圖可知，於相同運作時間內，本揭露之臭氧產生裝置產生之臭氧濃度(約700ppm)遠高於上述具有網格狀外電極之臭氧產生裝置產生之臭氧濃度(約180ppm)。

第8圖為本揭露之臭氧產生裝置與第一圖具有網格狀外電極之臭氧產生裝置1隨著時間(單位：s)其介電質屏障放電燈之表面溫度(單位：℃)的比較圖。

如第8圖所示，曲線L3係本揭露之臭氧產生裝置隨著時間其燈管表面溫度的變化，曲線L4係上述具有網格狀外電極之臭氧產生裝置隨著時間其燈管表面溫度的變化。由第8圖可知，於相同運作時間內，本揭露之臭氧產生裝置的燈管表面溫度，遠低於上述具有網格狀外電極之臭氧產生裝置的燈管表面溫度。

綜上所述，於本揭露之臭氧產生裝置中，因該第一電極沿該中空腔體連接該第一端部與第二端部之方向設置於該中空腔體之內壁上，介電質屏障放電燈可便利地接置於中空腔體內壁之第一電極上，其構造簡單不僅易於製造及組裝，且大幅減少燈管之遮光率與臭氧產生裝置之製造成本，並能提升介電質屏障放電燈之散熱效率與臭氧產生裝置之效能。

上述實施例僅例示性說明，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如本案所附之申請專利範圍所載。

2‧‧‧臭氧產生裝置

23‧‧‧介電質屏障放電燈

21‧‧‧反應室

22‧‧‧第一電極

24‧‧‧第二電極

211‧‧‧第一端部

211a‧‧‧開口

211b‧‧‧進氣口

212‧‧‧第二端部

212a‧‧‧卡扣件

212b‧‧‧出氣口

213‧‧‧中空腔體

213a,213b‧‧‧開口

2130‧‧‧容置空間

214‧‧‧氣體通道

215‧‧‧反射層

231‧‧‧燈管

232‧‧‧高壓端燈座

233‧‧‧固定端燈座

234‧‧‧惰性氣體

d‧‧‧寬度

I-I’‧‧‧線段

Claims

一種臭氧產生裝置，包含：反應室，具有相對之第一端部與第二端部、及連接該第一端部與該第二端部之中空腔體，其中，該中空腔體具有容置空間，其中，該第一端部與該第二端部分別具有進氣口及出氣口；至少一第一電極，係設置於該中空腔體之內壁上；介電質屏障放電燈，具有接合至該第一電極之燈管；以及第二電極，設置於該燈管內。
如申請專利範圍第1項所述之臭氧產生裝置，其中，該燈管係可拆卸地接合至該第一電極上。
如申請專利範圍第1項所述之臭氧產生裝置，其中，該中空腔體具有相對之二個開口，該第一端部及/或該第二端部係可拆卸地連接至該中空腔體之二個開口。
如申請專利範圍第1項所述之臭氧產生裝置，其中，該中空腔體係圓柱體，且該第一電極係具有弧形截面。
如申請專利範圍第4項所述之臭氧產生裝置，其中，該燈管接觸該第一電極之該弧型截面的圓弧長度占該燈管之外管圓周長度之比例係介於1/6至1/2之間。
如申請專利範圍第1項所述之臭氧產生裝置，其中，該第一電極係沿該中空腔體連接該第一端部與該第二端部之方向設置。
如申請專利範圍第6項所述之臭氧產生裝置，其中，該第一電極係條狀體。
如申請專利範圍第6項所述之臭氧產生裝置，其中，該第一電極係螺旋條狀體。
如申請專利範圍第1項所述之臭氧產生裝置，其中，該第一電極與該中空腔體之內壁係一體成形。
如申請專利範圍第1項所述之臭氧產生裝置，其中，該燈管與該中空腔體間形成氣體通道，該氣體通道垂直於氣體流動方向之截面寬度係介於2至10毫米。
如申請專利範圍第1項所述之臭氧產生裝置，復包括電源，該電源之高壓端連接至第二電極，該電源之低壓端連接至該第一電極。