一種臭氧產生方法及其器件的製作方法
2023-06-06 12:33:56
專利名稱：一種臭氧產生方法及其器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及到臭氧產生的方法和器件。
現有的臭氧發生方法或裝置的形式各異。
圖11出示Otto-plate型臭氧產生裝置是摘自日本國電氣學會臭氧發生裝置事業委員會編的臭氧發生裝置手冊，由日冕公司出版。圖中A為正視圖，B為其剖視圖。9為高壓電源，2為高壓放電極單元體，5為接地極單元體，4為玻璃電介質層之間加入的隔片，7、10分別為進氣、出氣口，1、6為進入放電極單元體、接地極單元體中的絕緣液體進口、出口及管道。氧氣或者空氣從周邊7進入放電間隙3，部分氧變成臭氧，通過排氣管10把含有臭氧的氣體輸出。利用絕緣油等絕緣液體冷卻放電極、接地極，抑制放電間隙氣體溫度上升，以利於產生較高濃度臭氧，減少其分解。
原有臭氧發生裝置結構如上所述，為了得到大產生量臭氧裝置，如圖11所示。把臭氧產生的放電極單元、接地極單元多個相互對應疊加起來，臭氧的產生量與疊加數成正比增加。為了滿足水處理、紙漿漂白等工業應用，則臭氧發生裝置需要幾十臺臭氧產生裝置組合構成，而每一個組合又由幾十個放電單元體、接地單元體相互交叉疊加而成，因而造成臭氧發生裝置成本高，體積大，維修量多等一系列缺點。
當然也可以通過增大單個放電單元體、接地單元體的放電面積提高臭氧產生量，但由於受玻璃製造工業水平的制約，要得到高平坦度，精確厚度的大面積玻璃電介質薄板是不可能的。由於玻璃的機械強度差，很難得到高精確厚度的大面積玻璃薄板，因而增大放電面積是有限的，同時也易於破碎。由於放電間隙距離大、電介質板厚，產生臭氧濃度低下，臭氧產生效率不高。注圖11中的序號是原圖固有的，和本發明附圖中的序號無關。
上述臭氧裝置存在以下幾個問題1．體積龐大，運行成本高，維護工作量多，結構複雜化。
2．電介質厚度大，平坦度低下，電介質電容量小，放電間隙電場強度也隨之降低，放電功率也大幅度下降，電損耗大量增加，所以臭氧濃度低下，臭氧產生效率均低下。
3．放電間隙距離寬，其放電電場強度偏低，nd增大，折合電場強度低下，電子獲得平均能量遠低於氧分子的解離能8.4eV，只有很少一部分的氧分子被分解、分解電離成氧原子、氧原子離子和自由基等，不利於臭氧產生，由於臭氧分解能量為2eV，它具有的大多數電子能量均在≥2.0eV～＜8.6eV之間，具有這些能量的電子與臭氧分子碰撞後使其分解，大幅度降低臭氧濃度。
4．由於放電間隙的電場強度＜100Td，臭氧產生裝置難以實現裝置小型化。
本發明的目的正是針對現有技術的不足而提出的一種臭氧產生的方法及其器件。
本發明的目的是這樣實現的一種臭氧產生的方法，其特徵在於，在放電極與接地極之間的放電間隙裡能同時形成高電場強度和低氣體濃度，在放電間隙裡得到強折合電場E/n產生強放電等離子體，用E/N參數控制氧分子的分解、分解電離、分解附著過程產生氧原子、氧原子離子和自由基的濃度，進而控制臭氧產生的濃度，以及實現可以控制臭氧再分解。
所說的高電場強度為200～800Td，所說的低氣體濃度為5×10-3～1×10-2Mpa。
一種實現上述方法的臭氧產生器件，它包括具有冷卻環節的支承體和冶貼其上的放電極構成的放電極單元體，具有冷卻環節的支承體和冶貼其上的接地極構成的接地極單元體，其特徵在於所說的放電極是由高介電常數、高電阻率雙層電介質且在雙層電介質間塗冶一層極薄的抗氧化金屬層所構成，所說的接地極是在接地極的支承體上均勻、密實地冶貼一層極薄的高電阻率、高介電常數電介質粉體所構成，在接地極和放電極之間是採用數條絕緣材料薄條冶貼而成的隔片將極間分開形成短放電間隙。
所說的短放電間隙為0.05～0.5mm。
所說的高介電常數、高電阻率電介質和所說的絕緣材料均為陶瓷材料。
所說的電介質層或者是絕緣材料薄條的厚度為0.1～1mm。
所說的短放電間隙為0.1mm或者0.2mm。
所說的電介質層或者絕緣材料薄條的厚度為0.1或者0.2mm。
所說的冷卻環節為設置在支承體上的冷卻腔體，所說的支承體是由鋁或者鋁合金或者不鏽鋼加工成長方形體，所說的短放電間隙或者稱氣體通道是與長方形體的支承體的短邊平行設置。
所說的冷卻腔體是採用絕緣液體或者在迴路中加有水電阻的環節的水或者氣體施以冷卻。
所說的放電極的表面積為200～1600cm2，所說的臭氧產生量為0.12～0.15gO3/cm2。
根據工程實際需要的臭氧量可以多個疊加即1～20個臭氧發生器件疊加成臭氧發生組件。
本發明的積極效果1．因為在放電極與接地極之間形成短放電間隙。實現了強電離放電產生高濃度臭氧。即達0.12～0.15O3/cm2。
2．因為在放電間隙裡放置隔片薄條貼冶形成尺寸精確的均勻短放電間隙。很容易實現控制放電間隙距離的準確度，實現放電均勻，有利提高臭氧產生效率。
3．因為用高介電常數、高電阻率的電介質粉體冶貼一層均勻、密實的極薄電介質層。高介電常數、高絕緣電阻的電介質薄層有利實現強電離放電，由於電介質緊貼在電極上，提高了放電效率。
4．因為放電極單元體的支承體相對應接地極的外表面上冶貼雙層高介電常數、高電阻率的電介質層在均勻、密實的極薄雙電介質層中塗冶一層極薄的抗氧化金屬(金、或銀、或鋁、或鎢鉬合金等)作為放電極。有效解決了放電極電損耗及汙染氣體問題及高電壓處問題。
5．因為臭氧產生器件的放電極單元體支承體和接地極單元體支承體是由鋁、或鋁合金、或不鏽鋼加工成長方形單元體，成為放電間隙的支承體和冷卻腔體。實現臭氧產生器件輕型化，有利按裝和運輸。
6．因為放電間隙的氣體通道與放電極單元體和接地極單元體長方形平面的短邊平行。有利加工和模塊組合生產，容易製造大產生量的臭氧裝置。
7．因為採用本發明可實現多個疊加成臭氧產生組件即1～20個，形成多個放電間隙，故可以實現大產生量的臭氧產生裝置。
8．因為接地極單元體支承體、放電極單元體支承體均可採用水通過其冷卻腔體對放電極、接地極進行冷卻，降低了放電間隙溼度，有利臭氧產生仰制了臭氧分解，有利取得高濃度的臭氧產生器件。
9．因為進出放電極單元體的冷卻水需經由水路形成高電阻值水電阻加以高電壓隔斷。可以實現放電極、接地極同時冷卻，有利提高臭氧濃度。
圖1是臭氧與氧分子離解截面積與電子能量關係圖。
圖2是等離子體中電子能量分布圖。
圖3是臭氧產生器件放電間隙電子能量分布圖。
圖4是電子平均能量ε與折合電場強度關係曲線圖。
圖5是臭氧產生器件臭氧產生效率、臭氧濃度關係曲線比較圖。
圖6是本發明正視圖一實施例1的結構。
圖7是實施例1的側視剖面圖。
圖8是實施例1的局部斷面圖即由本發明疊加而成臭氧產生組件的斷面視圖。
圖9是本發明的第2個實施例的結構正視圖。
圖10是本發明第2個實施例的側視剖面圖。
下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
從圖1的臭氧分子與氧分子解離截面積與電子能量關係曲線可知，被電場加速電子垂直激勵離解氧分子，從O2(x3∑g-)基態激勵到O2(C3Δu)、O2(A3∑u+)、O2(C1∑u-)狀態時，所需激勵能量為6.1eV，是禁阻躍遷，從O2(x3∑g-)基態激勵到O2(B3∑u-)狀態時，氧分子垂直激勵能量為8.4eV；臭氧離解的激勵能量為2eV，放電間隙中電子從放電電場取得能量≥8.4eV時，氧分子才能分解、電離成氧原子、離子和自由基等與氧分子碰撞後生成臭氧。具有≥2.0eV～＜8.4eV之間能量的電子對產生臭氧沒有一點用途，這部分能量好像只是為了專門用分解臭氧用。
O2(x3∑g-)+e*→O2(B3∑u-)+e(1)→O(1D)+O(3P)+eO2(x3∑g-)+e*→O2(A3∑u+)+e(2)→O(3p)+O(3P)+eO2(x3∑g-)+e*→O2(A3πu+)+e(3)→O(3p)+O+(1S0)+2eO+O2+M→O3*+M→O3+M(4)從等離子體電子能量分布曲線圖2中可知，目前市場生產臭氧產生裝置的放電間隙裡電子平均能量約為5.0eV，有的更低些。能量大於8.4eV的電子數目僅為17.4％，而佔有≥2.0eV～＜8.4eV電子能量的電子數目高達58.3％，它們成為臭氧離解的能量提供者。當放電間隙裡的電子平均能量達到23eV時，佔有≥8.4eV能量的電子數目增加到80.0％，具有≥2.0eV～＜8.4eV之間能量的電子數目下降到17.1％。圖3表示了現在生產和本發明的臭氧產生裝置的放電間隙裡電子能量分布狀況，佔有≥8.4eV能量的電子數目將比現有生產技術產品成數倍增加；而具有≥2.0eV～＜8.4eV能量的電子數目將成倍降低。所以本發明的臭氧產生裝置的臭氧濃度要比目前生產的臭氧產生裝置大幅度增加。
放電間隙裡的電場強度表達式Eg=Vmεd/(21dεg+lgd)(6)從式5中可見，只有增加外加峰值電壓Vm、電介質的介電常數εd；減小放電間隙距離lg和電介質厚度ld，才有可能得到強大的放電電場強度。
當放電間隙的等離子體非平衡度為1時，電子從電場取得能量幾乎全部傳遞給重粒子。此時等離子體裡的電子能量表示式Te=mne2Eg2/3kmee(ω2+νe2)(7)式7中me、mn分別為電子和重粒子質量；νe為電子碰撞頻率；ω為等離子體振蕩頻率；Eg為氣體放電電場強度；k為玻耳茲曼常數。從式6中可知，電子從電場取得能量大小。通常用折合電場強度E/N(或E/P)來表徵氣體放電強度、電離強度。也將表徵產生臭氧的濃度值多少。圖4表示了折合電場強度與電子取得平均能量值的關係曲線。
根據伯努裡氣體方程可知Δp=C(-Δv)-2，在放電間隙裡的氣體壓力與氣體流速平方成反比。減小氣體放電間隙距離，提高放電間隙裡氣體流速，提高了E/p(E/n)值，放電間隙裡的電子獲得能量就增加了。
本發明由於採用高強度的高介電常數的電介質薄層即陶瓷材料的厚度僅為0.2mm，和極窄的放電間隙即0.1mm或者0.2mm，所以大幅度提高了放電間隙的折合電場強度，放電間隙裡的高能量電子佔有率成倍增加，如圖2所示，進而大幅度提高了臭氧濃度和臭氧產生效率。
根據本發明的臭氧產生裝置實現結果與現有臭氧產生裝置的臭氧濃度與臭氧產生效率等參數做比較，如圖5所示。從圖中可以看出與現有或者正在研究開發的臭氧產生裝置相比校，其臭氧濃度、臭氧產生效率遠優於現有裝置。
圖6是本發明第一個實施例的正視圖，圖7為圖6的M-M剖視圖。圖8是本實施例中臭氧產生器件疊加而成的臭氧產生組件的斷面圖即圖6的A-A斷面圖。在上述圖中，臭氧專用高頻高壓電源9經高壓電纜8.2與放電極的金屬層相連，高壓電纜通過高壓絕緣套圈固定在面板11.1上。由本發明疊加而成的臭氧產生組件固定在支架10.3a、10.3b上。接地極單元體的冷卻媒體即水經入口管1.2a、出口管路1.2b進出，放電極單元體的冷卻媒體即水經入口管路3.3a、出口管路3.3b進出。匯集管路7.2a、7.2b為向兩個或多個放電極單元體供給冷卻水的進出道路，冷卻水入口、出口的主管路7.1a、7.1b通過內外環組件6.1、6.2固定在入、出口支承架10.3a、10.3b上和前後面板11.1、11.2上。
冷卻水的入口、出口管道1.2a、1.2b是通過固定套環12分別與冷卻水的入口管道13.3a、出口管13.3b連接；放電極單元體的冷卻水的入口管道3.3a、出口管道3.3b是通過固定套環12分別與冷卻水的入口管道7.3a、出口管道7.3b相連接。冷卻水經支承體上冷卻水的流動方向如箭頭7.4a、7.4b所示。
原料氣體的入口管路10.1a和出口管路10.1b是焊接在支承架10.3a和10.3b上，通過外組件6.1、6.2固定在前面板11.1和後面板11.2上。在支架內設有均風板10.2a、10.2b。原料氣體從入口管路10.1a進入反應腔體內，通過均風板10.2a進行均速後送入電間隙2.2(圖8)，通過高壓電纜6.2把高頻電壓加到電介質中間的金屬層3.2(如圖8所示)上，在放電間隙裡發生介質阻擋放電，原料氣體通過放電間隙2.2等離子體區域後產生臭氧體並通過管路10.1輸出。
本實例中放電極單元體3和接地極單元體1是通過隔片4相冶貼而成，根據產生量的需要可實現多個放電極單元體和接地極單元體相互交叉疊加成臭氧產生組件。
本實例中，為增大放電面積得到高臭氧產生量，通過放電極單元體和接地極單元體相互交叉疊加面成大產生量的臭氧產生組件，有效解決大面積電介質的矯曲度、厚度及其尺寸精度、高介電常數和高絕緣等一系列難題。進而得到十分平、高精確度、大面積極薄的電介質層。實現了其大產生量、高濃度成為現實，臭氧產生裝置實現小型化。
把產生臭氧的放電單元2當作一個部件，使其易於疊加優點。在放電極3.2上施加頻率50Hz～幾十KHz、數千伏高頻電壓，在其放電間隙2.2裡產生介質阻擋強電離放電。各個放電極配線極短，解決了高壓絕緣處理以及寄生電容不利影響因素，大大提高安全性和可靠性。把冷卻媒體分別通過7.1a、13.1a進入7.2a、13.2a匯集管路，再送入放電極單元體、接地極單元體的支承體冷卻腔體進行冷卻放電極、接地極。再通7.2b、13.2b匯集管路及7.1b、13.1b出口管路輸出。為避免冷卻媒體與放電極、接地極接觸面的腐蝕，故對該接觸面進行玻璃、陶瓷塗敷等耐腐蝕處理，防止電腐蝕。
同時，對放電極單元體3的支承體3.1，接地極單元體1的支承體1.1的外露出表面以及支承架罩10的支承架10.3、均速板10.2進行表面抗氧化處理，在其表面上塗敷玻璃、陶瓷等耐腐蝕薄層。
圖9是本發明實例2的結構正視圖，圖10為圖9的M-M剖視圖，同時圖9是圖10的N-N剖視圖。實施例2與實施例1的不同之處在於放電極單元體3的支承體3.1和接地極單元體1的支承體1.1的冷卻媒體為絕緣液體即油，故接地極單元的冷卻管路體系也成為放電極單元體冷卻媒體管路體系。冷卻媒體從13.1a進入到13.2a匯集管路，再通過13.3a冷卻媒體進入放電極、接地極的支承體3.1、1.1，冷卻其放電極、接地極。與實施1相比，省去了放電極單元體冷卻媒體管路體系及水電阻。
權利要求
1．一種臭氧產生方法，其特徵在於在放電極與接地極之間的放電間隙裡能同時形成高電場強度與低氣體濃度，在放電間隙裡得到強折合電場強度E/n產生強放電等離子體，用E/n參數控制氧分子的分解、分解電離、分解附著過程產生氧原子、氧原子離子和自由基的濃度，進而控制臭氧產生的濃度，以及實現可以控制臭氧再分解。
2．按照權利要求1所述的臭氧產生方法，其特徵在於所說的高電場強度為200～800Td，所說的低氣體濃度為5×10-3～1×10-2Mpa。
3．一種實現權利要求1所述的臭氧產生方法的臭氧產生器件，它包括具有冷卻環節的支承體和冶貼其上的放電極構成的放電極單元體、具有冷卻環節的支承體和冶貼其上的接地極構成的接地極單元體，其特徵在於所說的放電極是由高介電常數、高電阻率的雙層電介質且在雙層電介質間塗冶一層極薄的抗氧化金屬層所構成，所說的接地極是在接地極的支承體上均勻、密實地冶貼一層極薄的高電阻率、高介電常數的電介質所構成，在接地極與放電極之間是採用數條絕緣材料薄條冶貼而成的隔片將極間分開形成短放電間隙。
4．按照權利要求3所述的臭氧產生器件，其特徵在於所說的短放電間隙為0.05～0.5mm。
5．按照權利要求3所述的臭氧產生器件，其特徵在於所說的高介電常數、高電阻率的電介質和所說的絕緣材料均為陶瓷材料。
6．按照權利要求3所述的臭氧產生器件，其特徵在於所說的電介質層或者是絕緣材料薄條的厚度均為0.1～1mm。
7．按照權利要求4所說的臭氧產生器件，其特徵在於所說的短放電間隙為0.1mm或者0.2mm。
8．按照權利要求6所述的臭氧產生器件，其特徵在於所說的電介質層或者絕緣材料薄條的厚度為0.1mm或者0.2mm。
9．按照權利要求2所述的臭氧產生器件，其特徵在於所說的冷卻環節為設置在支承體上的冷卻腔體，所說的支承體是由鋁或者鋁合金或者不鏽鋼加工成長方形體，所說的短放電間隙或者稱氣體通道是與長方形體的支承體的短邊平行設置。
10．按照權利要求9所述的臭氧產生器件，其特徵在於所說的冷卻腔體是採用絕緣液體或者在通路中加有能隔斷高電壓的水電阻環節的水或者氣體施以冷卻。
11．按照權利要求1所述的臭氧產生器件，其特徵在於所說的放電極其面積為200～1600cm2，所產生的臭氧量為0.12～0.15gO3/cm2。
12．按照權利要求3所述的臭氧發生器件，其特徵在於根據工程實際需要的臭氧量可以多個疊加即1～20個臭氧發生器件疊加成臭氧發生組件。
全文摘要
一種臭氧產生方法及其器件,其特徵在於在放電極與接地極之間的放電間隙裡能同時形成高電場強度與低氣體濃度,在放電間隙裡得到強折合電場強度E/n產生強放電等離子體,用E/n參數控制氧分子的分解、分解電離、分解附著過程產生氧原子、氧原子離子和自由基的濃度,進而控制臭氧產生的濃度,以及實現可以控制臭氧再分解。本發明的積極效果:因為在放電極與接地極之間形成短放電間隙。實現了強電離放電產生高濃度臭氧。
文檔編號C01B13/11GK1318510SQ0010587
公開日2001年10月24日 申請日期2000年4月17日 優先權日2000年4月17日
發明者白希堯, 白敏菂, 張芝濤, 白敏冬 申請人:大連海事大學