專利名稱：臭氧發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種臭氧發(fā)生器，更具體地說，涉及一種相對小且輕的臭氧發(fā)生系統(tǒng)以及能夠以很少的電力消耗產(chǎn)生臭氧的方法。
背景技術(shù)：
作為氧的三原子形式的臭氧由于其特別不穩(wěn)定并在常溫和常壓下趨于還原成氧的二原子分子(O2)而具有非常強(qiáng)的氧化特性。臭氧的一般用途包括水或空氣的凈化、除臭和漂白。已經(jīng)提出了各種方法來提高臭氧發(fā)生效率。該效率取決于包括反應(yīng)氣體濃度、所施加的電能、溫度和氣體流速等多種因素。
臭氧發(fā)生器通過將較強(qiáng)的能量施加到含有氧氣(O2)的空氣中而產(chǎn)生臭氧。根據(jù)能量如何施加，臭氧發(fā)生器大致分為兩種類型。第一種類型的臭氧發(fā)生器利用紫外線，而第二種類型的臭氧發(fā)生器利用強(qiáng)電場，該電場在空氣中引發(fā)電暈放電。對于紫外線類型，制造小型并緊湊的產(chǎn)生紫外線的紫外線燈是很困難的。另外，這種燈易碎并長時(shí)間的可靠性較差。電暈放電類型由于他們能量效率高、穩(wěn)定并易于控制而可以較好地使用。因此，目前大多數(shù)臭氧發(fā)生器利用電暈放電。電暈放電臭氧發(fā)生器一般具有用于產(chǎn)生高壓脈沖的脈沖發(fā)生電路，高壓脈沖在起始放電中是至關(guān)重要的。他們也具有放電室，空氣或純氧供給到該放電室中，而所形成的臭氧從其中排出。
圖1示出了傳統(tǒng)的臭氧發(fā)生系統(tǒng)100。它大致由接地電極110、介電層120、高壓電極130、高壓脈沖發(fā)生器140以及AC電源150構(gòu)成?？諝膺B續(xù)供給到放電室(未示出)內(nèi)側(cè)的接地電極110和介電層120之間的間隙內(nèi)。當(dāng)高壓施加到接地電極110和高壓電極130之間時(shí)，在空氣中的氧氣氧化而成為臭氧。
在工作過程中，高壓脈沖發(fā)生器140從AC電源接收AC電能，并在將他們放大到3-20kV量級之前產(chǎn)生正弦波或方波，由此放大的脈沖被施加到各電極之間。設(shè)置在兩個電極之間的介電層120作用為防止局部電弧并有助于在電極表面上產(chǎn)生均勻的等離子體。高壓脈沖發(fā)生器140包括具有較大的繞線比的變壓器，以便得到產(chǎn)生等離子體所需的高壓。在使用較大繞線比變壓器中的一個問題是變壓器的尺寸增大，并需要進(jìn)行散熱。結(jié)果，能量損耗非常大。
作為圖1的放電室的替換形式，已經(jīng)提出了具有玻璃或石英管狀介電層的管型臭氧發(fā)生器，并廣泛用于大功率用途中。但是，產(chǎn)生臭氧的機(jī)構(gòu)與上面所述的臭氧發(fā)生器的類似，并且這種替換結(jié)構(gòu)的臭氧發(fā)生器的總體尺寸仍然很大。
在臭氧發(fā)生器中，輸入電能中一個不可忽視的部分被轉(zhuǎn)化為熱能，使放電室的溫度升高，并從而降低臭氧發(fā)生效率。因?yàn)樵谳^高的溫度下，臭氧還原成氧氣更快。為了冷卻放電室，使用了空氣/水冷卻裝置，導(dǎo)致尺寸增大且復(fù)雜性增高。
傳統(tǒng)上已經(jīng)使用了減濕器，以便將干燥空氣供給到放電室內(nèi)。潮濕空氣由于其中的水分與臭氧作用而產(chǎn)生硝酸(HNO3)而導(dǎo)致放電室壁被腐蝕，這就縮短了整個系統(tǒng)的壽命。已經(jīng)使用了非常昂貴的防腐蝕的不銹鋼(例如SUS316)作為放電室壁的材料來抵抗這種腐蝕。但這不是永久性的，并因此需要定期清理或更換放電室。所有這些導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種高效并小型的臭氧發(fā)生器。
本發(fā)明的另一目的是提供一種整體具有較長壽命的臭氧發(fā)生器。
本發(fā)明的再一目的是提供一種可以以低成本制造的臭氧發(fā)生器。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，臭氧發(fā)生器包括用于壓縮(compressing)方波信號而產(chǎn)生脈沖的LC電路。脈沖的使用極大地減小了變壓器的繞線比，并因此減小了臭氧發(fā)生器的總體體積。電能消耗也可以極大地得以減小。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，臭氧發(fā)生器包括與放電室壁平行設(shè)置的電極板，和附著到電極上的絕緣板。多個電場在放電室壁和各板之間垂直形成，從而以非常高效的電能產(chǎn)生臭氧。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，放電室設(shè)置成平面形式。因此，有可能使發(fā)生器極其緊湊，并使空氣冷卻更容易進(jìn)行，而不需附加的冷卻系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，一層氧化物絕緣材料覆蓋放電室壁。氧化物絕緣材料防止放電室壁被腐蝕，并不再需要安裝減濕器。


被認(rèn)為具有新穎性的本發(fā)明的特征詳細(xì)地在所附的權(quán)利要求書中陳述。本發(fā)明(相對于其構(gòu)造和工作方式)以及本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)可以參照以下描述并聯(lián)系附圖得以更好地理解。圖中圖1示出了傳統(tǒng)臭氧發(fā)生器的剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生器的示意圖；圖3A-3D描繪了在電路各節(jié)點(diǎn)處測得的信號波形；圖4是根據(jù)本發(fā)明的高壓脈沖發(fā)生器的詳細(xì)的電路圖；圖5是示出用于根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生器的放電室的剖面圖；圖6是示出用于根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生器的另一放電室的剖面圖；以及圖7是示出用于根據(jù)本發(fā)明的臭氧發(fā)生器的再一放電室的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將參照附圖詳細(xì)描述。圖2示意性示出了本發(fā)明的實(shí)施例。其主要由電路200和放電室300構(gòu)成。電路200接收來自外部電源260的電能，并產(chǎn)生施加到放電室中的高壓脈沖。高壓脈沖在被供給到放電室中的空氣或氧氣中誘發(fā)等離子體，并將氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞酢?br> 更具體地說，電路200由方波發(fā)生器210和高壓脈沖發(fā)生器220構(gòu)成。從方波發(fā)生器210輸出的方波信號被脈沖發(fā)生器220壓縮而成為高壓脈沖。一種示例性的方波發(fā)生器在圖2中示為由整流器230、波形控制器240以及連接到功率開關(guān)晶體管(Tsw)上的柵極驅(qū)動器250?？梢允褂萌魏喂姆讲òl(fā)生器。
圖3A-3C分別表示在圖2中由“A”、“B”、“C”標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)處的信號波形。在工作中，來自外部電源260的AC電壓由整流器230整流成DC電壓，如圖3A所示。利用該DC電壓，方波波形控制器240產(chǎn)生方波，如圖3B所示，所產(chǎn)生的方波信號施加到柵極驅(qū)動器250。當(dāng)被柵極驅(qū)動器250驅(qū)動時(shí)，晶體管Tsw成為導(dǎo)通，并在其漏極產(chǎn)生高壓方波，如圖3C所示。方波的周期和寬度由波形控制器240決定，其可以是一種MOSFET IC。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性的高壓脈沖發(fā)生器220的電路圖。高壓脈沖發(fā)生器響應(yīng)從晶體管Tsw接收到的方波而產(chǎn)生高壓脈沖信號。其利用LC電路執(zhí)行功率壓縮功能，LC電路一般用于高頻諧振電路。傳統(tǒng)上公知的是LC諧振電路的阻抗不會響應(yīng)于電場而變化，但會根據(jù)輸入信號的頻率變化。然而，在本發(fā)明使用的壓縮電路中，LC電路的電感和電容相對于電場變化。在圖4的LC電路(C1、Ls1)中，由于電荷在電容C1上累積，電容器上的電壓增大，導(dǎo)致電感Ls1的阻抗減小。
詳細(xì)地說，電感器的阻抗(ZL)由方程ZL＝j(luò)wL表示，其中L正比于鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率μ和線圈繞組的數(shù)量。公知的是磁導(dǎo)率由于其正比于磁通量密度(B)和磁場強(qiáng)度(H)的B-H環(huán)的斜率而受磁場影響。當(dāng)鐵氧體的磁場強(qiáng)度(H)低時(shí)，μ較大，即，在數(shù)千的范圍內(nèi)。但是，如果磁場強(qiáng)度增大到達(dá)到B-H環(huán)的飽和范圍時(shí)，μ快速減小到接近于1。在飽和范圍內(nèi)的電感器的電感和其阻抗一起快速減小，使較大電流瞬時(shí)流向下一個電感器。
當(dāng)方波被供給到高壓脈沖發(fā)生器220上時(shí)，如圖3C所示，每個脈沖信號首先給電容器C0充電，然后經(jīng)由限流電感器L0給電容器C1充電。由于電容器C1處的電荷增加，電容器C1的電壓升高。假設(shè)電感被設(shè)定成Ls1的鐵氧體磁芯在電容器C1的電壓升高到峰值時(shí)將達(dá)到飽和范圍，在電壓達(dá)到其峰值的瞬間，Ls1的阻抗迅速下降到其先前值的1/10～1/1000。電流然后通過電感器Ls1流動并快速充電電容器C2，由此將C2的電壓增大到若干倍高，并極大地減小方波的脈沖寬度，而產(chǎn)生脈沖。如果Ls2的電感也被設(shè)定成Ls2的鐵氧體磁芯在電容器C2的電壓升高到峰值時(shí)將達(dá)到飽和范圍，則C3的電壓更快速地升高，而脈沖寬度更急劇地減小。C3和Ls3并聯(lián)，而他們的電容和電感被設(shè)定成用于電路200和放電室300之間阻抗匹配的適當(dāng)值。在通過高壓變壓器(THV)之后，脈沖具有高壓，如圖3D所示。
利用上面的步驟，方波通過極大地減小脈沖寬度并增大脈沖振幅而得以壓縮。最后，可以產(chǎn)生具有非常高電壓的脈沖，而不需較大繞線比的變壓器，結(jié)果，整個系統(tǒng)變得更加緊湊。
傳導(dǎo)到放電室的脈沖的實(shí)際峰值電壓可以取決于高壓脈沖發(fā)生器220中所使用的電感、電容和其他參數(shù)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的放電室的實(shí)施例。放電室為扁平盒狀，封閉一對電極板310，該對電極板310設(shè)置在相同平面上，并彼此間隔開預(yù)定間隙。一對絕緣板320氣密地附著到電極板上，一個在電極310的頂面上，而另一個在電極310的底面上。放電室具有入口340和出口350，空氣通過該入口進(jìn)入放電室，而所產(chǎn)生的臭氧通過該出口從放電室中排出。覆蓋有一層氧化物絕緣材料370的放電室壁330接地。高壓電極板連接到高壓變壓器(THV)的輸出端子360上，如圖4所示。
通過入口進(jìn)入放電室的含氧氣體在絕緣板和放電室壁之間的放電空間內(nèi)流動。當(dāng)高壓脈沖施加到各電極上時(shí)，空氣中的一些氧氣被轉(zhuǎn)化成臭氧，臭氧從出口排出。圖中的箭頭表示放電室內(nèi)側(cè)的流動方向。
為了通過等效電路表示放電室，放電室可以被認(rèn)為是物理上巨大的“電容器”，這是因?yàn)楦邏弘姌O和放電室壁功能為電容器的正、負(fù)電極，而空氣和絕緣板320起到電容器的電介質(zhì)層的作用。
在這方面，在放電之前放電室的總電容被表示如下1/Cc＝1/Ca+1/Cd(1)其中，Cc表示放電室的總電容，Ca為空氣間隙的電容，而Cd為絕緣板的電容。
一旦開始放電，絕緣板和放電室壁之間的空氣間隙處于等離子體狀態(tài)，由于離子增多而導(dǎo)致空氣電導(dǎo)通。因此，在放電后，放電室的總電容被表示如下1/Cc≌1/Cd (2)方程(2)表示維持放電所需的電場小于開始放電的初始電場。在放電開始后，將同樣高的初始電壓持續(xù)施加到放電室上會將比需要更多的電能輸送到放電室，導(dǎo)致電能的局部損失，并伴隨有發(fā)熱增大。因此，施加占空比最小的脈沖信號，而不是正弦或方波信號，有助于以更高效的電能產(chǎn)生臭氧。
為了精心設(shè)計(jì)放電室的工作，當(dāng)脈沖施加到一對電極板310之間時(shí)，電場在電極和上/下放電室壁之間垂直形成，誘發(fā)等離子體。此時(shí)，電流從正電極流向接地的放電室壁，再流向負(fù)電極。從而，如上所述，封閉一對電極的放電室可以由包括多個電容器的等效電路來表示。
氣密地附著到電極上的絕緣板320作用為放電勢壘，以有助于放電在遍及放電室內(nèi)的空間中均勻地形成。絕緣板和電極優(yōu)選地固定成二者之間沒有間隙。否則，將橫向發(fā)生不希望的放電，在兩個電極之間產(chǎn)生泄漏電流，從而有可能損壞電極和絕緣板。在電極和絕緣板之間即使局部的間隙也會在該間隙中導(dǎo)致放電，這不僅不利于產(chǎn)生臭氧，而且增加熱量。
一層氧化物絕緣材料覆蓋放電室壁。由于氧化物絕緣材料由氧化物制成，故不會被臭氧氧化，并且抗強(qiáng)酸，如在空氣中的水分與臭氧反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的硝酸(HNO3)。從而，該層氧化物絕緣材料防止放電室壁腐蝕。云母可以被用作氧化物絕緣材料。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的放電室的另一實(shí)施例。在這個實(shí)施例中，電極不設(shè)置在相同平面上，而是彼此高出。每個電極氣密地夾在一對絕緣板420之間。在上電極組件和下電極組件之間的空間設(shè)置一與電極平行、與放電室壁短路的接地板440。氧化物絕緣材料板450覆蓋放電室壁，象第一實(shí)施例那樣。這個放電室的電容與圖5中的放電室相同。在此，電場在放電室壁、接地板440和電極之間垂直形成。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的放電室的再一實(shí)施例。與上述兩個實(shí)施例相反，只使用了一個電極。單獨(dú)一個高壓電極板粘著地設(shè)置到放電室的底壁520上。放電室的頂壁530接地。在這種情況下，底壁520由非導(dǎo)電材料(例如，絕緣的特氟綸層)制成以便與剩余的放電室壁電去耦。氧化物絕緣材料板540覆蓋包括電極的放電室壁。在工作中，高壓脈沖施加到頂壁530和電極板510之間以產(chǎn)生放電。由于在放電室內(nèi)僅需要一個電極板，這種類型的放電室可以做得比傳統(tǒng)放電室更小。同樣，可以降低所需的電壓值，進(jìn)一步使電能消耗降低。在這個實(shí)施例中，高壓電極510可以以狹窄間隙的形式緊密地設(shè)置到底壁520上，以便不使絕緣材料損壞。
本發(fā)明將通過以下實(shí)際減小的示例來說明。雖然這些事例說明了本發(fā)明，但它們不用于限制本發(fā)明的范圍。
示例1在第一實(shí)施例的臭氧發(fā)生器的情況下，本發(fā)明的發(fā)明者測量了所產(chǎn)生的臭氧量相對于所使用的電能。220V的交變電流(AC)被橋式整流器整流成300V的直流(DC)。DC通過波形控制器240和15V齊納擊穿二極管轉(zhuǎn)變成方波并施加到用于功率晶體管(Tsw)的柵極驅(qū)動器250的輸入端上。在此，方波具有2微秒的脈沖寬度和0.2毫秒的周期。響應(yīng)方波而從功率晶體管的漏極輸出的脈沖具有500～600V的峰值電壓。C0、L0、C1、Ls1、C2、Ls2分別設(shè)定為0.1～0.2μF、0.5mH、17nF、2～4mH、13nF和0.1～0.2mH。C3和Ls3設(shè)定為脈沖發(fā)生器的阻抗與放電室的阻抗相匹配。變壓器THV的繞線比為7～13。結(jié)果，10kV的峰值電壓及0.25～0.5微秒的FWHM(半最大值全波)的脈沖輸送到放電室。附著到電極上的絕緣板的介電常數(shù)和厚度分別為8.0和0.1～0.2mm。每個電極的面積為80mm×40mm。放電室壁和絕緣板之間的間隙為0.5mm～1mm。放電室的尺寸為150mm×150mm×15mm，而整個臭氧發(fā)生器的尺寸為220mm×250mm×125mm。其消耗80W的電能。從這個臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的臭氧量用UV探測法測量。在25℃的溫度且干燥空氣以20升/分鐘的速率注入放電室的情況下，以3.5～4.5g/hr的速率產(chǎn)生臭氧。另外當(dāng)純氧在相同的條件下供給到放電室時(shí)，臭氧以8～12g/hr的速率產(chǎn)生。這個實(shí)驗(yàn)表明對于相同的臭氧量，本發(fā)明的臭氧發(fā)生器所消耗的電能為傳統(tǒng)臭氧發(fā)生器所需電能的十分之一那么低，除此之外，本發(fā)明的裝置更小。
示例2本發(fā)明的發(fā)明者也測試了如圖6所示的第二實(shí)施例。工作條件與第一示例中的相同。其產(chǎn)生近乎相同的臭氧量。
根據(jù)本發(fā)明，提出了極大地減少臭氧發(fā)生所用的電能消耗的新穎方式。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將輕易理解到本發(fā)明不局限于將脈沖施加到放電室，而是也可以應(yīng)用于提供開始放電所需的具有最小脈沖持續(xù)時(shí)間的高壓信號。另外，為了產(chǎn)生脈沖，本發(fā)明不局限于使用LC電路，而也可以使用其他電路。
雖然本發(fā)明的特定實(shí)施例已經(jīng)圖示并加以描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白可以在不背離本發(fā)明的前提下在其更廣泛的方面作出修改和變動，因此，所附的權(quán)利要求書的目的是覆蓋所有這些變動和修改，由于他們落于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生臭氧的裝置，包括用于產(chǎn)生高壓脈沖的脈沖發(fā)生裝置；以及用于響應(yīng)所述高壓脈沖誘發(fā)放電的放電室，該放電室封閉至少一個電極板和至少一個絕緣板，其中，所述放電室具有入口和出口，含氧空氣和所產(chǎn)生的臭氧分別通過入口和出口供入或排出。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個電極板由一對電極板構(gòu)成，所述這對電極板設(shè)置在與所述放電室的頂壁和底壁平行的平面上。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個電極板由一對電極板構(gòu)成，所述一對電極板中的一個高出另一個、并與所述放電室的頂壁和底壁平行地設(shè)置，而接地板設(shè)置在所述一對電極板之間。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個電極板由一個附著到所述放電室的底壁上的電極板構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述脈沖發(fā)生裝置包括方波發(fā)生器，用于從由外部電源施加的電壓產(chǎn)生方波，其中，所述高壓脈沖通過壓縮所述方波而形成。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述放電室的各壁覆蓋有氧化物層。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述至少一個絕緣板附著到所述至少一個電極中每一個的頂面和底面上。
8.如權(quán)利要去2所述的裝置，其特征在于，所述放電室的壁接地，而所述高壓脈沖施加到所述一對電極板之間，由此，所述放電在所述對電極板和所述各壁之間發(fā)生。
9.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述至少一個絕緣板附著到所述至少一個電極中每一個的頂面和底面上。
10.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述放電室的各壁接地，而所述高壓脈沖施加到所述一對電極板之間，由此，所述放電在所述一對電極板的每一個與所述各壁之一之間以及所述一對電極板的每一個與所述接地板之間發(fā)生。
11.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述放電室的上壁接地，而所述高壓脈沖施加到所述電極板和所述上壁之間，由此，所述放電在所述電極板和所述上壁之間發(fā)生。
12.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述脈沖發(fā)生裝置還包括LC電路，該電路具有多個并聯(lián)的電感器對/電容器對，其中，所述電感器的電感設(shè)定成在所述電容器的電壓升高到峰值時(shí)所述電感器將達(dá)到飽和范圍。
13.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述氧化物層由云母制成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠以較少的電能消耗產(chǎn)生臭氧的小且輕的臭氧發(fā)生裝置。本發(fā)明包括用于產(chǎn)生高壓脈沖的脈沖發(fā)生器和用于響應(yīng)高壓脈沖而誘發(fā)放電的放電室。脈沖發(fā)生器包括用于壓縮方波信號而產(chǎn)生脈沖的LC電路。脈沖的使用極大地減小了電能消耗和臭氧發(fā)生裝置的體積。放電在電極板和接地的放電室壁之間發(fā)生。一層氧化物絕緣材料覆蓋放電室壁，以防止放電室壁腐蝕。
文檔編號C01B13/11GK1392861SQ01802836
公開日2003年1月22日 申請日期2001年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者卡薩諾夫·L·奧萊格, 李在沈, 樸宰奭, 盧卡寧·A·亞歷山大, 金光浩, 李弘熙, 李永德 申請人:斯馬圖爾托姆斯株式會社, 卡薩諾夫·L·奧萊格