Патент на изобретение №2184076
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) РАЗРЯДНАЯ КАМЕРА ОЗОНАТОРА
(57) Реферат: 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. 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.
Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
