ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОЗОНАТОР Российский патент 1997 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к технике получения озона из обычного воздуха или кислорода путем высоковольтной ионизации в барьерном или искровом разряде, и может быть широко использовано в медицинской технике как дезинфицирующее или дезодорирующее устройство, в бытовых приборах для стерилизации пищевых продуктов и увеличении их срока сохраняемости, а также для уничтожения вредных микроорганизмов в погребах, парниках и т.д.

Известны озонаторы, работающие на барьерном или искровом разряде. В основном это крупногабаритные и энергоемкие приборы и установки, потребляющие десятки и сотни ватт электрической энергии, с большим весом. Основу известных озонаторов составляет высоковольтный электромагнитный трансформатор и электроразрядная камера, на электроды которой подается высоковольтное напряжение в несколько киловольт.

Недостатками известных устройств, является то, что высоковольтные электромагнитные трансформаторы имеют сравнительно низкий выходной импеданс, что плохо согласуются с нагрузкой разрядной камеры, снижает коэффициент полезного действия.

Для получения высоковольтного напряжения приходится создавать многовитковую вторичную обмотку с высокой изоляцией от пробивного напряжения, что затрудняет создавать малогабаритные озонаторы индивидуального пользования. Кроме того, высоковольтная часть таких озонаторов представляет определенную опасность от поражения электрическим током. Использование ограничительных высокоомных резисторов и разделительных конденсаторовне решает в целом проблемы согласования импедансов высоковольтного трансформатора и разрядной камеры, увеличивая при этом габариты и вес устройства.

Известен каскадный озонатор [1] содержащий высоковольтный электромагнитный трансформатор, ограничитель тока в высоковольтной цепи и разрядную камеру с секционированными электродами и ступенчатым их расположением, где вместо омических балластных сопротивлений используются емкостные для ограничения тока в разрядной камере. В такой конструкции, имеющей достаточно большие габариты и вес, решены определенные задачи повышения эффективности создания высокой концентрации озона при больших затратах электроэнергии.

Недостатки данного озонатора являются:
большие габариты и вес, повышенная энергоемкость,
неоптимальное согласование высоковольтного источника с разрядной камерой.

Наиболее близким по техническому решению является озонатор [2] который содержит высоковольтный источник напряжения, соединенный через индуктивные ограничительные сопротивления с генератором озона, выполненным в виде разрядной камеры с первым и вторым электродами разделенными воздушным промежутком и диэлектрическим слоем, где образуется барьерный разряд, а также параллельно включенный коммутирующий искровой разрядник. В этом устройстве частично согласован низкоомный выходной импеданс высоковольтного источника и высокоомный импеданс разрядной камеры или генератора озона с помощью индуктивных ограничительных сопротивлений и искрового разрядника.

Недостатками данного озонатора являются:
большие габариты и вес, повышенная энергоемкость,
неоптимальное согласование высоковольтного источника с разрядной камерой.

Целью изобретения является создание малогабаритного, портативного озонатора с повышенной производительностью генерации озона при снижении потребляемой мощности.

Указанная цель достигается тем, что пьезополупроводниковый озонатор, содержащий высоковольтный источник напряжения, разрядную камеру с первым и вторым электродами, разделенными воздушным промежутком и диэлектрическим слоем, отличающийся тем, что высоковольтный источник напряжения выполнен в виде автогенератора с частотнозадающим входом и высоковольтным пьезотрансформатором, содержащим входную и генераторную секцию с электродами, причем выходной электрод генераторной секции пьезотрансформатора соединен с первым электродом разрядной камеры, а второй электрод разрядной камеры соединен одновременно с частотнозадающим входом автогенератора и через разделительный конденсатор с общей шиной питания.

Предлагаемый пьезополупроводниковый озонатор содержит:
высоковольтный источник переменного тока;
разрядную камеру;
общий корпус, в котором может также располагаться вентилятор.

Устройство пьезополупроводникового озонатора поясняется фиг.1, на фиг.2 представлен внешний вид озонатора.

Высоковольтный источник переменного тока выполнен в виде автогенератора 1 на основе высоковольтного пьезотрансформатора напряжения поперечно-продольного типа 2, содержащего входную секцию возбуждения с электродами 3,4 и генераторную секцию с выходным электродом 5. Для обеспечения режима генерации высоковольтного напряжения на резонансной частоте пьезопластины трансформатора служит электронная схема усилителя на биполярных транзисторах, охваченная положительной обработкой связью по частотнозадающему входу 10.

Разрядная камера 6, в которой происходит синтезирование озона из воздуха представляет собой отрезок тонкостенной т рубки небольшого диаметра. На внешней части трубки вдоль ее оси на расстоянии 1-3 мм от поверхности натянуты нитевидные проводники из высокопрочного и химически стойкого материала (вольфрам, нержавеющая сталь, нихром), которые образуют первый электрод 7. Внутри стеклянной трубки расположен второй электрод 8, изготовленный из мягкого медного провода и выполненный в виде спирали диаметром равным диаметру трубки.

Первый, внешний электрод 7 разрядной камеры соединен электрическим с выходным электродом 5 генераторной секции пьезотрансформатора. Второй электрод 8 камеры соединен с частотнозадающим входом 10 автогенератора и, одновременно через разделительный конденсатор 9 с общей шиной питания озонатора.

Известны пьезополупроводниковые высоковольтные преобразователи напряжения, отличающиеся высоким коэффициентом трансформации, коэффициентом полезного действия, имеющие высокий выходной импеданс, малые габариты и вес [3] Однако, в силу крайне узкого рабочего резонансного промежутка пьезотрансформатора, который составляет полосу в десятки Гц при собственной частоте в десятки кГц и неоднозначности фазо-частотных характеристик, в генератора озона не использовались т.к. работают неустойчиво в известных схемах включения пьезотрансформаторов.

Сущность изобретения состоит в том, что пьезокерамический трансформатор используется в схеме автогенератора как основное колебательное звено, согласованное с высокоомной нагрузкой разрядной камеры, а положительная обратная связь осуществляется по току в разрядной камере, что определяет амплитудно-фазовые соотношения строго на частоте механического резонанса пьезотрансформатора и высокую устойчивость автогенерации. Такое включение пьезокерамических трансформаторов в схемах пьезополупроводниковых преобразователей ранее не использовалось.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый пьезополупроводниковый озонатор соответствует критерию "новизна".

Сравнительный анализ заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими аналогами показывает, что предлагаемое решение по включению пьезокерамического трансформатора в схеме автогенератора с частотнозадающим входом, соединенным с выходным электродом разрядной камеры, что определяет амплитудно-фазовые соотношения строго на частоте механического резонанса пьезотрансформатора при хорошем согласовании его эквивалентной индуктивной составляющей, образующей с емкостью разрядной камеры единый колебательный контур, чем и определяется оптимальное их согласование и высокая устойчивость режима. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Следует отметить, что конструктивно электроды в разрядной камере выполняются так, чтобы их взаимная электрическая емкость была не более электрической емкости выходной генераторной секции пьезотрансформатора. Это обеспечивает согласованный режим работы с максимальной эффективностью синтеза озона относительно потребляемой электрической энергии.

Озонатор работает следующим образом. При включении напряжения питания, автогенератор на частоте несколько ниже резонансной частоты пьезотрансформатора 2. При этом на выходе пьезотрансформатора, точнее на электродах выходной генераторной секции, возникает небольшое напряжение синусоидальной формы, часть которого после емкостного делителя, образованного электродами разрядной камеры 6 и ограничительного конденсатора 9 поступает на частотнозадающий вход 10 автогенератора 1.

Так осуществляется положительная обратная связь и происходит "затягивание" частоты автогенерации на частоту собственного механического резонанса пьезотрансформатора. Номинал разделительного конденсатора 9 выбирается на два порядка выше выходной емкости пьезотрансформатора. Поскольку выходное сопротивление пьезотрансформатора составляет десятки МОм, а электрическая изоляция генераторной секции надежно высока, пьезополупроводниковый озонатор, удовлетворяет самым жестким требованиям электробезопасности.

В установившемся режиме автогенерации пьезополупроводниковый генератор устойчиво генерирует на электродный разрядной камеры переменное напряжение от 2000 В до 8000 В, которое можно при необходимости регулировать.

При подаче высокого напряжения на электродах разрядной камеры, между которыми, находится диэлектрический слой, возникаетскользящий барьерный разряд, сопровождающийся сильной ионизацией воздушного промежутка вокруг электродов. Сильная ионизация молекул кислорода воздуха способствует разложению O₂ на молекулы озона O₃ и молекулы O₁. Озон является сильным окислителем, производит бактерицидное действие. Повышенная концентрация озона O₃ способствует десорбции токсичных веществ, лаже таких как ртуть, фенол, сероводорода и т.д.

Реализация устройства пьезополупроводникового озонатора дала следующие результаты и технические характеристики:
входное постоянное напряжение, В в 220/50 Гц
потребляемая мощность, Вт 1-1,5
рабочее напряжение на первом электроде разрядной камеры, В 3000-5000
рабочая частота преобразователя кГц 42±2
время выхода на режим, сек, не более 0,5
производительность синтезирования озона, мГ/час 12-15
габаритные размеры устройства без вентилятора, мм масса не более 100 г - 100 х 50 х 30
с вентиляторам масса, не более 200 г 200 х ⊘ 50
Таким образом, энергоемкость или эффективность устройства составляет порядка 10 мГ/Вт•час.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 17633357, кл. С 01 В 13/11, 1990.

2. Авт. св. СССР N 1763358, кл. С 01 В 13/11, 1990.

3. Ерофеев А.А. Данов Г.А. Фролов В.Н. Пьезокерамические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике. М. Радио и связь, 1988, с. 130.

Использование: в медицинской технике как дезинфицирующее или дезодорирующее устройство, в бытовых приборах для стерилизации пищевых продуктов и увеличения их срока сохраняемости, а также для уничтожения вредных микроорганизмов в погребах, парниках и т.д. Сущность изобретения: пьезополупроводниковый озонатор содержит высоковольтный источник напряжения, разрядную камеру с первым и вторым электродами, разделенными воздушным промежутком и диэлектрическим слоем, высоковольтный источник напряжения выполнен в виде автогенератора с частотнозадающим входом и высоковольтным пьезотрансформатором, содержащим входную и генераторную секции с электродами, выходной электрод генераторной секции пьезотрансформатора соединен с первым электродом разрядной камеры, а второй электрод разрядной камеры соединен одновременно с частотнозадающим входом автогенератора и через разделительный конденсатор с общей шиной питания. 2 ил.

1 Пьезополупроводниковый озонатор, содержащий высоковольтный источник напряжения, разрядную камеру с первым и вторым электродами, разделенными воздушным промежутком и диэлектрическим слоем, отличающийся тем, что высоковольтный источник напряжения выполнен в виде автогенератора с частотно-задающим входом и высоковольтным пьезотрансформатором, содержащим входную и генераторную секции с электродами, причем выходной электрод генераторной секции пьезотрансформатора соединен с первым электродом разрядной камеры, а второй электрод разрядной камеры соединен одновременно с частотно-задающим входом автогенератора и через разделительный конденсатор с общей шиной питания.