РАЗРЯДНАЯ КАМЕРА ОЗОНАТОРА Российский патент 2002 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к получению озона в электрическом разряде и может быть использовано в медицине (терапия, дерматология, стоматология, хирургия и др.).

Озонаторы на основе электрического разряда широко используются в медицине для производства озонокислородной смеси, так как при импульсном питании позволяют производить озон в широком диапазоне концентраций и обеспечивают возможность осуществления строго дозозависимой индивидуальной озонотерапии.

Известна разрядная камера озонатора, содержащая коаксиальные электроды и диэлектрический барьер, установленный между ними (RU 2063928 С1, 20.07.1996).

В известной разрядной камере диэлектрический барьер расположен с зазором по отношению к внешнему электроду и прилегает к внутреннему электроду, выполненному из листовой латуни. Под действием высоковольтных импульсов напряжения в межэлектродном промежутке возбуждается электрический (барьерный) разряд. При этом в микрозазорах, образованных вследствие неплотного примыкания поверхности листового электрода к диэлектрическому барьеру также зажигается разряд, который вызывает повышение температуры, снижая надежность устройства и производительность по озону. Кроме того, линейная форма разрядного промежутка приводит к неэффективному использованию объема разрядной камеры.

Наиболее близкой к заявляемой является разрядная камера озонатора, содержащая коаксиальные электроды и диэлектрический барьер (RU 2118939 С1, 20.09.1998).

В разрядной камере по прототипу внутренний электрод образован мелкодисперсным металлическим наполнителем, помещенным в диэлектрическую капсулу. Кроме того, дополнительный коаксиальный электрод, примыкающий к внутренней поверхности диэлектрической трубки, разделяет рабочий объем камеры на две части с образованием лабиринтной системы, включающей внешний и внутренний разрядные промежутки. Кислородосодержащий газ последовательно проходит через разрядные промежутки, что повышает коэффициент использования рабочего объема разрядной камеры.

Недостаток разрядной камеры состоит в том, что при формировании самостоятельного барьерного разряда, из-за отсутствия элементов инициирования, увеличивается временная задержка момента зажигания разряда. Это уменьшает переносимый в течение импульса питания разряд и ток разряда. В результате снижается мощность разряда и производительность по озону. Особенно велика задержка и низка стабильность момента зажигания разряда в области низких частот повторения импульсов питания. Например, при частоте следования менее 20 Гц газовый промежуток пробивается во время максимального напряжения на электродах, причем в отдельных импульсах пробой вообще не происходит, что снижает надежность известного устройства при его эксплуатации в озонаторах с динамическим диапазоном более двух порядков.

Кроме того, диэлектрические барьеры находятся в неоднородном тепловом поле, так как между поверхностью, обращенной к разрядному промежутку, и поверхностью, прижатой к электроду, существует градиент температур и механические напряжения, что ведет к снижению прочности барьеров и надежности устройства. Причем на границе между барьерами и электродами, в замкнутых газовых полостях, также горит разряд, что обуславливает перегрев реакторной зоны и, как следствие, ограничение частоты подачи импульсов напряжения, снижение производительности и увеличение линейных разрядов разрядной камеры.

Задачей данного изобретения является создание малогабаритного устройства, обеспечивающего широкий от 10 мкг/л до 12000 мкг/л диапазон концентраций озона на выходе озонатора.

Техническим результатом при решении этой задачи является повышение надежности и производительности по озону при уменьшении габаритов устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что разрядная камера озонатора, содержащая коаксиальные электроды и диэлектрический барьер, дополнительно содержит инициаторы разряда, расположенные в выполненных в электродах кольцевых проточках и прилегающие к диэлектрическому барьеру, расположенному с зазорами по отношению к электродам с образованием разрядных промежутков. Кроме того, инициаторы разряда выполнены в виде, по меньшей мере, одной пары замкнутых в кольцо цилиндрических пружин, при этом первая пружина установлена в кольцевой проточке внутреннего электрода и прилегает к внутренней поверхности диэлектрического барьера, а расположенная над ней вторая пружина установлена в кольцевой проточке внешнего электрода и прилегает к внешней поверхности диэлектрического барьера. Инициаторы разряда могут быть выполнены также в виде замкнутых в кольцо гофрированных полосок фольги или в виде замкнутых в кольцо полосок фольги с игольчатой поверхностью, обращенной в сторону диэлектрического барьера.

Под действием высоковольтных импульсов напряжения, приложенных к коаксиальным электродам, в разрядных промежутках происходит нарастание напряженности электрического поля. При этом в области инициаторов, находящихся напротив друг друга по разные стороны диэлектрического барьера, имеет место локальное увеличение напряженности электрического поля и появление здесь первых микроразрядов. Производимое ими ультрафиолетовое излучение облучает рабочий объем газа и поверхность электродов, инициируя развитие барьерного разряда во всем межэлектродном промежутке. Наибольшее усилие напряженности электрического поля наблюдается в областях, близких к местах соприкосновения инициаторов с диэлектрическим барьером. Опережающее развитие разрядов в областях с максимальной напряженностью поля обусловливает снижение напряжения зажигания разряда и обеспечивает формирование барьерного разряда в момент максимальной скорости нарастания напряжения на газовом промежутке. В результате увеличивается перенесенный заряд в течение импульса и средний активный ток в единицу времени, что повышает интенсивность плазмохимических процессов и производительность.

Выполнение инициирующих элементов с касанием диэлектрического барьера обеспечивает возможность оптимальной, с точки зрения эффективной генерации озона, временной привязки момента зажигания разряда в каждом импульсе напряжения при изменении частоты от долей Гц до единиц кГц, что повышает надежность работы разрядной камеры в широкодиапазонных озонаторах.

Малая площадь рабочих участков инициаторов разряда позволяет перенести через них лишь малую часть общего заряда, что повышает долговечность инициаторов и надежность устройства.

Кольцевые проточки обеспечивают расположение инициаторов на заданном минимальном расстоянии друг относительно друга, а также плотный контакт инициаторов с поверхностью электродов, повышая надежность конструкции при механических воздействиях, возникающих при транспортировке и эксплуатации.

Расположение диэлектрического барьера с зазором между обоими электродами повышает эффективность охлаждения наиболее нагруженных во время работы частей электродной системы, каковыми являются внутренний электрод и области примыкания инициаторов разряда к диэлектрическому барьеру, что снижает температуру в реакторной зоне, уменьшая часть мощности разряда, расходуемую на разложение озона, и повышая производительность при меньших габаритах по сравнению с прототипом.

Кроме того, газовый поток обтекает внутреннюю и внешнюю поверхность диэлектрического барьера в противоположных направлениях. В результате уменьшаются градиенты теплового поля и механические напряжения в диэлектрическом барьере, что повышает надежность заявляемого устройства.

На фиг.1 изображена заявляемая разрядная камера. На фиг.2 изображено сечение А-А с инициаторами разряда, выполненными в виде замкнутых в кольцо цилиндрических пружин. На фиг.3 представлено сечение А-А в случае инициаторов разряда, выполненных в виде замкнутых в кольцо гофрированных полосок фольги. На фиг. 4 приведено сечение А-А в варианте исполнения инициаторов в виде замкнутых в кольцо полосок фольги с игольчатой поверхностью, обращенной в сторону диэлектрического барьера.

На приведенных фигурах использованы следующие обозначения:
O₂ - кислород, О₃ - озон. Стрелки указывают направление газового потока.

Разрядная камера озонатора содержит коаксиальные электроды 1,2 и диэлектрический барьер 3, размещенный с зазором относительно электродов 1,2 с образованием разрядных промежутков (фиг.1). Кроме того, устройство включает, по меньшей мере, одну пару инициаторов разряда 4,5, которые могут быть выполнены в нескольких вариантах: в виде замкнутых в кольцо цилиндрических пружин (фиг.2), или гофрированных полосок фольги (фиг.3), или полосок фольги с игольчатой поверхностью (фиг.4), обращенной в сторону диэлектрического барьера 3. При этом инициатор 4 установлен в кольцевой проточке внутреннего электрода 1 и прилегает к внутренней поверхности диэлектрического барьера 3, а расположенный над ним инициатор 5 установлен в кольцевой проточке внешнего электрода 2 и прилегает к внешней поверхности диэлектрического барьера 3.

В примере реализации предлагаемого устройства внутренний электрод 1 был снабжен отверстиями 6 для равномерного распределения кислородного потока в разрядном промежутке и отверстиями 7 для вывода озонокислородной смеси (фиг. 1). С целью повышения эффективности охлаждения внешняя поверхность электрода 2 была выполнена ребристой. Разрядная камера также включала опорный изолятор 8, выполненный в виде газораспределителя с подводящим кислородный поток патрубком 9, проходной изолятор 10 и высоковольтный изолятор 11. В опорном изоляторе 8 были установлены левые части электродов 1,2 и диэлектрического барьера 3, в проходном изоляторе 10 была закреплена правая часть электрического барьера 3, в высоковольтном изоляторе 11 крепились правые части электродов 1,2.

Коаксиальные электроды 1,2 были выполнены из дюралюминия, диэлектрический барьер 3 - из кварцевой трубки, инициаторы разряда 4,5 - из никелевого сплава, опорный 8, проходной 10 и высоковольтный 11 изоляторы - из фторопласта.

Работает устройство следующим образом.

Электроды 1,2 разрядной камеры подключаются к генератору высоковольтных импульсов чередующейся полярности. Входное и выходное отверстия камеры подключаются к соответствующим газовым магистралям и устанавливается требуемый поток газа. Включается источник питания и устанавливается требуемая мощность (частота генератора). Полученная озонокислородная смесь поступает к потребителям.

В процессе работы во внутреннюю полость электрода 1 через патрубок 9 подается исходный поток кислорода, который выходит через радиально расположенные в нем отверстия 6 во внутренний разрядный промежуток, растекается в сторону опорного изолятора 8, через радиально выполненные в нем каналы поступает во внешний разрядный промежуток и далее к выходным отверстиям 7 в верхней части электрода 1 (фиг.1). Под действием высоковольтных импульсов в области инициаторов разряда 4,5, находящихся напротив друг друга по разные стороны диэлектрического барьера 3, происходит значительное, по отношению к окружающему пространству, усиление напряженности электрического поля. Возникающие здесь микроразряды производят плазму и ультрафиолетовое излучение, которое инициируют формирование барьерного разряда на фронте каждого импульса напряжения, обеспечивая тем самым возможность эффективной и стабильной наработки озона в широком диапазоне частот. Кольцевые проточки обеспечивают заданное расположение инициаторов, а также их электрический и тепловой контакт с электродами. Проходящий через разрядные промежутки поток газа обтекает обе поверхности внутреннего электрода, диэлектрического барьера, способствуя эффективному охлаждению реакторной зоны, что позволяет увеличить мощность разряда и производительность при меньших габаритах разрядной камеры.

Заявляемая разрядная камера, содержащая две пары инициаторов разряда (фиг. 1), была испытана в составе медицинского озонатора. Источник питания обеспечивал на электродах квазисинусоидальные импульсы напряжения с амплитудой 12 кВ и частотой от 1 Гц до 1400 Гц. Испытания показали, что инициирование обеспечило формирование разряда в каждом импульсе как при высоких, так и (что особенно важно) при низких частотах, повышая надежность работы озонатора. Пробой газовых промежутков происходил на фронте импульса напряжения. Момент пробоя достаточно жестко фиксирован, его временной разброс равнялся ±200 наносекнуд, величина пробойного напряжения изменялась в пределах 4-6 кВ. При этом выходная концентрация озона составила 10-12000 мкг/л с точностью ±10% при расходе 1 л/мин.

В таблице приведены характеристики озонаторов с предлагаемой и известной разрядной камерой в режиме максимальной потребляемой мощности.

Из их сравнения следует, что повышение выходной концентрации озона почти в три раза достигается за счет увеличения производительности разрядной камеры.

Таким образом, изобретение позволяет решить задачу получения выходных концентраций озона в пределах от 10 мкг/л до 12000 мкг/л при уменьшении габаритов разрядной камеры путем повышения надежности и производительности за счет обеспечения эффективного инициирования барьерного разряда и расположение диэлектрического барьера с зазором относительно электродов.

Камера относится к получению озона в электрическом разряде и может быть использована в медицине. Разрядная камера озонатора содержит коаксиальные электроды и диэлектрический барьер, инициаторы разряда, расположенные в выполненных в электродах кольцевых проточках и прилегающие к диэлектрическому барьеру, расположенному с зазорами по отношению к электродам с образованием разрядных промежутков. Камера обеспечивает широкий диапазон концентраций озона на выходе озонатора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Разрядная камера озонатора, содержащая коаксиальные электроды и диэлектрический барьер, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит инициаторы разряда, расположенные в выполненных в электродах кольцевых проточках и прилегающие к диэлектрическому барьеру, расположенному с зазорами по отношению к электродам с образованием разрядных промежутков. 2. Разрядная камера озонатора по п. 1, отличающаяся тем, что инициаторы разряда выполнены в виде, по меньшей мере, одной пары замкнутых в кольцо цилиндрических пружин, при этом первая пружина установлена в кольцевой проточке внутреннего электрода и прилегает к внутренней поверхности диэлектрического барьера, а расположенная над ней вторая пружина установлена в кольцевой проточке внешнего электрода и прилегает к внешней поверхности диэлектрического барьера. 3. Разрядная камера озонатора по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что инициаторы разряда выполнены в виде замкнутых в кольцо гофрированных полосок фольги. 4. Разрядная камера озонатора по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что инициаторы разряда выполнены в виде замкнутых в кольцо полосок фольги с игольчатой поверхностью, обращенной в сторону диэлектрического барьера.