臭氧发生器的制作方法

专利名称：臭氧发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种臭氧发生器，更具体地说，涉及一种相对小且轻的臭氧发生系统以及能够以很少的电力消耗产生臭氧的方法。
背景技术：
作为氧的三原子形式的臭氧由于其特别不稳定并在常温和常压下趋于还原成氧的二原子分子(O2)而具有非常强的氧化特性。臭氧的一般用途包括水或空气的净化、除臭和漂白。已经提出了各种方法来提高臭氧发生效率。该效率取决于包括反应气体浓度、所施加的电能、温度和气体流速等多种因素。
臭氧发生器通过将较强的能量施加到含有氧气(O2)的空气中而产生臭氧。根据能量如何施加，臭氧发生器大致分为两种类型。第一种类型的臭氧发生器利用紫外线，而第二种类型的臭氧发生器利用强电场，该电场在空气中引发电晕放电。对于紫外线类型，制造小型并紧凑的产生紫外线的紫外线灯是很困难的。另外，这种灯易碎并长时间的可靠性较差。电晕放电类型由于他们能量效率高、稳定并易于控制而可以较好地使用。因此，目前大多数臭氧发生器利用电晕放电。电晕放电臭氧发生器一般具有用于产生高压脉冲的脉冲发生电路，高压脉冲在起始放电中是至关重要的。他们也具有放电室，空气或纯氧供给到该放电室中，而所形成的臭氧从其中排出。
图1示出了传统的臭氧发生系统100。它大致由接地电极110、介电层120、高压电极130、高压脉冲发生器140以及AC电源150构成。空气连续供给到放电室(未示出)内侧的接地电极110和介电层120之间的间隙内。当高压施加到接地电极110和高压电极130之间时，在空气中的氧气氧化而成为臭氧。
在工作过程中，高压脉冲发生器140从AC电源接收AC电能，并在将他们放大到3-20kV量级之前产生正弦波或方波，由此放大的脉冲被施加到各电极之间。设置在两个电极之间的介电层120作用为防止局部电弧并有助于在电极表面上产生均匀的等离子体。高压脉冲发生器140包括具有较大的绕线比的变压器，以便得到产生等离子体所需的高压。在使用较大绕线比变压器中的一个问题是变压器的尺寸增大，并需要进行散热。结果，能量损耗非常大。
作为图1的放电室的替换形式，已经提出了具有玻璃或石英管状介电层的管型臭氧发生器，并广泛用于大功率用途中。但是，产生臭氧的机构与上面所述的臭氧发生器的类似，并且这种替换结构的臭氧发生器的总体尺寸仍然很大。
在臭氧发生器中，输入电能中一个不可忽视的部分被转化为热能，使放电室的温度升高，并从而降低臭氧发生效率。因为在较高的温度下，臭氧还原成氧气更快。为了冷却放电室，使用了空气/水冷却装置，导致尺寸增大且复杂性增高。
传统上已经使用了减湿器，以便将干燥空气供给到放电室内。潮湿空气由于其中的水分与臭氧作用而产生硝酸(HNO3)而导致放电室壁被腐蚀，这就缩短了整个系统的寿命。已经使用了非常昂贵的防腐蚀的不锈钢(例如SUS316)作为放电室壁的材料来抵抗这种腐蚀。但这不是永久性的，并因此需要定期清理或更换放电室。所有这些导致生产成本升高。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种高效并小型的臭氧发生器。
本发明的另一目的是提供一种整体具有较长寿命的臭氧发生器。
本发明的再一目的是提供一种可以以低成本制造的臭氧发生器。
根据本发明的一个方面，臭氧发生器包括用于压缩(compressing)方波信号而产生脉冲的LC电路。脉冲的使用极大地减小了变压器的绕线比，并因此减小了臭氧发生器的总体体积。电能消耗也可以极大地得以减小。
根据本发明的另一方面，臭氧发生器包括与放电室壁平行设置的电极板，和附着到电极上的绝缘板。多个电场在放电室壁和各板之间垂直形成，从而以非常高效的电能产生臭氧。根据本发明的这个方面，放电室设置成平面形式。因此，有可能使发生器极其紧凑，并使空气冷却更容易进行，而不需附加的冷却系统。
根据本发明的再一方面，一层氧化物绝缘材料覆盖放电室壁。氧化物绝缘材料防止放电室壁被腐蚀，并不再需要安装减湿器。


被认为具有新颖性的本发明的特征详细地在所附的权利要求书中陈述。本发明(相对于其构造和工作方式)以及本发明的其他目的和优点可以参照以下描述并联系附图得以更好地理解。图中图1示出了传统臭氧发生器的剖面图；图2是根据本发明的臭氧发生器的示意图；图3A-3D描绘了在电路各节点处测得的信号波形；图4是根据本发明的高压脉冲发生器的详细的电路图；图5是示出用于根据本发明的臭氧发生器的放电室的剖面图；图6是示出用于根据本发明的臭氧发生器的另一放电室的剖面图；以及图7是示出用于根据本发明的臭氧发生器的再一放电室的剖面图。
具体实施例方式
本发明将参照附图详细描述。图2示意性示出了本发明的实施例。其主要由电路200和放电室300构成。电路200接收来自外部电源260的电能，并产生施加到放电室中的高压脉冲。高压脉冲在被供给到放电室中的空气或氧气中诱发等离子体，并将氧气转变为臭氧。
更具体地说，电路200由方波发生器210和高压脉冲发生器220构成。从方波发生器210输出的方波信号被脉冲发生器220压缩而成为高压脉冲。一种示例性的方波发生器在图2中示为由整流器230、波形控制器240以及连接到功率开关晶体管(Tsw)上的栅极驱动器250。可以使用任何公知的方波发生器。
图3A-3C分别表示在图2中由“A”、“B”、“C”标记的节点处的信号波形。在工作中，来自外部电源260的AC电压由整流器230整流成DC电压，如图3A所示。利用该DC电压，方波波形控制器240产生方波，如图3B所示，所产生的方波信号施加到栅极驱动器250。当被栅极驱动器250驱动时，晶体管Tsw成为导通，并在其漏极产生高压方波，如图3C所示。方波的周期和宽度由波形控制器240决定，其可以是一种MOSFET IC。
图4是根据本发明的示例性的高压脉冲发生器220的电路图。高压脉冲发生器响应从晶体管Tsw接收到的方波而产生高压脉冲信号。其利用LC电路执行功率压缩功能，LC电路一般用于高频谐振电路。传统上公知的是LC谐振电路的阻抗不会响应于电场而变化，但会根据输入信号的频率变化。然而，在本发明使用的压缩电路中，LC电路的电感和电容相对于电场变化。在图4的LC电路(C1、Ls1)中，由于电荷在电容C1上累积，电容器上的电压增大，导致电感Ls1的阻抗减小。
详细地说，电感器的阻抗(ZL)由方程ZL＝jwL表示，其中L正比于铁氧体磁芯的磁导率μ和线圈绕组的数量。公知的是磁导率由于其正比于磁通量密度(B)和磁场强度(H)的B-H环的斜率而受磁场影响。当铁氧体的磁场强度(H)低时，μ较大，即，在数千的范围内。但是，如果磁场强度增大到达到B-H环的饱和范围时，μ快速减小到接近于1。在饱和范围内的电感器的电感和其阻抗一起快速减小，使较大电流瞬时流向下一个电感器。
当方波被供给到高压脉冲发生器220上时，如图3C所示，每个脉冲信号首先给电容器C0充电，然后经由限流电感器L0给电容器C1充电。由于电容器C1处的电荷增加，电容器C1的电压升高。假设电感被设定成Ls1的铁氧体磁芯在电容器C1的电压升高到峰值时将达到饱和范围，在电压达到其峰值的瞬间，Ls1的阻抗迅速下降到其先前值的1/10～1/1000。电流然后通过电感器Ls1流动并快速充电电容器C2，由此将C2的电压增大到若干倍高，并极大地减小方波的脉冲宽度，而产生脉冲。如果Ls2的电感也被设定成Ls2的铁氧体磁芯在电容器C2的电压升高到峰值时将达到饱和范围，则C3的电压更快速地升高，而脉冲宽度更急剧地减小。C3和Ls3并联，而他们的电容和电感被设定成用于电路200和放电室300之间阻抗匹配的适当值。在通过高压变压器(THV)之后，脉冲具有高压，如图3D所示。
利用上面的步骤，方波通过极大地减小脉冲宽度并增大脉冲振幅而得以压缩。最后，可以产生具有非常高电压的脉冲，而不需较大绕线比的变压器，结果，整个系统变得更加紧凑。
传导到放电室的脉冲的实际峰值电压可以取决于高压脉冲发生器220中所使用的电感、电容和其他参数。
图5示出了根据本发明的放电室的实施例。放电室为扁平盒状，封闭一对电极板310，该对电极板310设置在相同平面上，并彼此间隔开预定间隙。一对绝缘板320气密地附着到电极板上，一个在电极310的顶面上，而另一个在电极310的底面上。放电室具有入口340和出口350，空气通过该入口进入放电室，而所产生的臭氧通过该出口从放电室中排出。覆盖有一层氧化物绝缘材料370的放电室壁330接地。高压电极板连接到高压变压器(THV)的输出端子360上，如图4所示。
通过入口进入放电室的含氧气体在绝缘板和放电室壁之间的放电空间内流动。当高压脉冲施加到各电极上时，空气中的一些氧气被转化成臭氧，臭氧从出口排出。图中的箭头表示放电室内侧的流动方向。
为了通过等效电路表示放电室，放电室可以被认为是物理上巨大的“电容器”，这是因为高压电极和放电室壁功能为电容器的正、负电极，而空气和绝缘板320起到电容器的电介质层的作用。
在这方面，在放电之前放电室的总电容被表示如下1/Cc＝1/Ca+1/Cd(1)其中，Cc表示放电室的总电容，Ca为空气间隙的电容，而Cd为绝缘板的电容。
一旦开始放电，绝缘板和放电室壁之间的空气间隙处于等离子体状态，由于离子增多而导致空气电导通。因此，在放电后，放电室的总电容被表示如下1/Cc≌1/Cd (2)方程(2)表示维持放电所需的电场小于开始放电的初始电场。在放电开始后，将同样高的初始电压持续施加到放电室上会将比需要更多的电能输送到放电室，导致电能的局部损失，并伴随有发热增大。因此，施加占空比最小的脉冲信号，而不是正弦或方波信号，有助于以更高效的电能产生臭氧。
为了精心设计放电室的工作，当脉冲施加到一对电极板310之间时，电场在电极和上/下放电室壁之间垂直形成，诱发等离子体。此时，电流从正电极流向接地的放电室壁，再流向负电极。从而，如上所述，封闭一对电极的放电室可以由包括多个电容器的等效电路来表示。
气密地附着到电极上的绝缘板320作用为放电势垒，以有助于放电在遍及放电室内的空间中均匀地形成。绝缘板和电极优选地固定成二者之间没有间隙。否则，将横向发生不希望的放电，在两个电极之间产生泄漏电流，从而有可能损坏电极和绝缘板。在电极和绝缘板之间即使局部的间隙也会在该间隙中导致放电，这不仅不利于产生臭氧，而且增加热量。
一层氧化物绝缘材料覆盖放电室壁。由于氧化物绝缘材料由氧化物制成，故不会被臭氧氧化，并且抗强酸，如在空气中的水分与臭氧反应时产生的硝酸(HNO3)。从而，该层氧化物绝缘材料防止放电室壁腐蚀。云母可以被用作氧化物绝缘材料。
图6是根据本发明的放电室的另一实施例。在这个实施例中，电极不设置在相同平面上，而是彼此高出。每个电极气密地夹在一对绝缘板420之间。在上电极组件和下电极组件之间的空间设置一与电极平行、与放电室壁短路的接地板440。氧化物绝缘材料板450覆盖放电室壁，象第一实施例那样。这个放电室的电容与图5中的放电室相同。在此，电场在放电室壁、接地板440和电极之间垂直形成。
图7是根据本发明的放电室的再一实施例。与上述两个实施例相反，只使用了一个电极。单独一个高压电极板粘着地设置到放电室的底壁520上。放电室的顶壁530接地。在这种情况下，底壁520由非导电材料(例如，绝缘的特氟纶层)制成以便与剩余的放电室壁电去耦。氧化物绝缘材料板540覆盖包括电极的放电室壁。在工作中，高压脉冲施加到顶壁530和电极板510之间以产生放电。由于在放电室内仅需要一个电极板，这种类型的放电室可以做得比传统放电室更小。同样，可以降低所需的电压值，进一步使电能消耗降低。在这个实施例中，高压电极510可以以狭窄间隙的形式紧密地设置到底壁520上，以便不使绝缘材料损坏。
本发明将通过以下实际减小的示例来说明。虽然这些事例说明了本发明，但它们不用于限制本发明的范围。
示例1在第一实施例的臭氧发生器的情况下，本发明的发明者测量了所产生的臭氧量相对于所使用的电能。220V的交变电流(AC)被桥式整流器整流成300V的直流(DC)。DC通过波形控制器240和15V齐纳击穿二极管转变成方波并施加到用于功率晶体管(Tsw)的栅极驱动器250的输入端上。在此，方波具有2微秒的脉冲宽度和0.2毫秒的周期。响应方波而从功率晶体管的漏极输出的脉冲具有500～600V的峰值电压。C0、L0、C1、Ls1、C2、Ls2分别设定为0.1～0.2μF、0.5mH、17nF、2～4mH、13nF和0.1～0.2mH。C3和Ls3设定为脉冲发生器的阻抗与放电室的阻抗相匹配。变压器THV的绕线比为7～13。结果，10kV的峰值电压及0.25～0.5微秒的FWHM(半最大值全波)的脉冲输送到放电室。附着到电极上的绝缘板的介电常数和厚度分别为8.0和0.1～0.2mm。每个电极的面积为80mm×40mm。放电室壁和绝缘板之间的间隙为0.5mm～1mm。放电室的尺寸为150mm×150mm×15mm，而整个臭氧发生器的尺寸为220mm×250mm×125mm。其消耗80W的电能。从这个臭氧发生器所产生的臭氧量用UV探测法测量。在25℃的温度且干燥空气以20升/分钟的速率注入放电室的情况下，以3.5～4.5g/hr的速率产生臭氧。另外当纯氧在相同的条件下供给到放电室时，臭氧以8～12g/hr的速率产生。这个实验表明对于相同的臭氧量，本发明的臭氧发生器所消耗的电能为传统臭氧发生器所需电能的十分之一那么低，除此之外，本发明的装置更小。
示例2本发明的发明者也测试了如图6所示的第二实施例。工作条件与第一示例中的相同。其产生近乎相同的臭氧量。
根据本发明，提出了极大地减少臭氧发生所用的电能消耗的新颖方式。然而，本领域技术人员将轻易理解到本发明不局限于将脉冲施加到放电室，而是也可以应用于提供开始放电所需的具有最小脉冲持续时间的高压信号。另外，为了产生脉冲，本发明不局限于使用LC电路，而也可以使用其他电路。
虽然本发明的特定实施例已经图示并加以描述，本领域技术人员将明白可以在不背离本发明的前提下在其更广泛的方面作出修改和变动，因此，所附的权利要求书的目的是覆盖所有这些变动和修改，由于他们落于本发明的范围内。
权利要求
1.一种产生臭氧的装置，包括用于产生高压脉冲的脉冲发生装置；以及用于响应所述高压脉冲诱发放电的放电室，该放电室封闭至少一个电极板和至少一个绝缘板，其中，所述放电室具有入口和出口，含氧空气和所产生的臭氧分别通过入口和出口供入或排出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个电极板由一对电极板构成，所述这对电极板设置在与所述放电室的顶壁和底壁平行的平面上。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个电极板由一对电极板构成，所述一对电极板中的一个高出另一个、并与所述放电室的顶壁和底壁平行地设置，而接地板设置在所述一对电极板之间。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个电极板由一个附着到所述放电室的底壁上的电极板构成。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲发生装置包括方波发生器，用于从由外部电源施加的电压产生方波，其中，所述高压脉冲通过压缩所述方波而形成。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放电室的各壁覆盖有氧化物层。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个绝缘板附着到所述至少一个电极中每一个的顶面和底面上。
8.如权利要去2所述的装置，其特征在于，所述放电室的壁接地，而所述高压脉冲施加到所述一对电极板之间，由此，所述放电在所述对电极板和所述各壁之间发生。
9.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述至少一个绝缘板附着到所述至少一个电极中每一个的顶面和底面上。
10.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述放电室的各壁接地，而所述高压脉冲施加到所述一对电极板之间，由此，所述放电在所述一对电极板的每一个与所述各壁之一之间以及所述一对电极板的每一个与所述接地板之间发生。
11.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述放电室的上壁接地，而所述高压脉冲施加到所述电极板和所述上壁之间，由此，所述放电在所述电极板和所述上壁之间发生。
12.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述脉冲发生装置还包括LC电路，该电路具有多个并联的电感器对/电容器对，其中，所述电感器的电感设定成在所述电容器的电压升高到峰值时所述电感器将达到饱和范围。
13.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述氧化物层由云母制成。
全文摘要
本发明提供了一种能够以较少的电能消耗产生臭氧的小且轻的臭氧发生装置。本发明包括用于产生高压脉冲的脉冲发生器和用于响应高压脉冲而诱发放电的放电室。脉冲发生器包括用于压缩方波信号而产生脉冲的LC电路。脉冲的使用极大地减小了电能消耗和臭氧发生装置的体积。放电在电极板和接地的放电室壁之间发生。一层氧化物绝缘材料覆盖放电室壁，以防止放电室壁腐蚀。
文档编号C01B13/11GK1392861SQ01802836
公开日2003年1月22日 申请日期2001年9月19日 优先权日2000年9月29日
发明者卡萨诺夫·L·奥莱格, 李在沈, 朴宰奭, 卢卡宁·A·亚历山大, 金光浩, 李弘熙, 李永德 申请人:斯马图尔托姆斯株式会社, 卡萨诺夫·L·奥莱格