用于臭氧發(fā)生器的電極結(jié)構(gòu)的制作方法

本申請是申請?zhí)枮?01280006009.2、申請日為2012年01月16日、名稱為“輕量型本質(zhì)安全臭氧電極”的中國發(fā)明專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及一種用于臭氧發(fā)生器的電極結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

臭氧是用于含有若干氧化程度的元素的有機物質(zhì)和無機化合物的強氧化劑。臭氧具有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其中一個應(yīng)用領(lǐng)域是臭氧在水處理中的應(yīng)用。

從技術(shù)上講，臭氧能夠通過對含氧氣體進(jìn)行無聲放電而產(chǎn)生。與火花放電形成對比，無聲放電應(yīng)當(dāng)理解為穩(wěn)定的等離子體放電或電暈放電。分子氧離解成原子氧。隨后，活性氧原子在放熱反應(yīng)中自身結(jié)合至分子氧并且形成三原子分子，即臭氧。臭氧產(chǎn)量尤其取決于電場強度和操作溫度。

此外，已經(jīng)注意到對氣體組成的依賴。對操作溫度的依賴在于下述事實：臭氧在較高的溫度下更迅速地再次分解為分子氧，并且由于在臭氧與分解臭氧之間的平衡所產(chǎn)生的移位，可獲得的臭氧濃度較小。

同樣地導(dǎo)致臭氧產(chǎn)量增加的較高磁場強度能夠特別地通過減小間隙以及通過選擇具有較高的相對介電常數(shù)的電介質(zhì)來實現(xiàn)。摻雜質(zhì)的玻璃或陶瓷材料用于具有較高的相對介電常數(shù)的電介質(zhì)。然而，由陶瓷材料制成的電介質(zhì)具有下述缺點：由陶瓷材料制成的電介質(zhì)是非均質(zhì)的并且在實踐中與均質(zhì)材料相比可以具有較低的介電擊穿強度。此外，呈具有高的尺寸穩(wěn)定性的模制件形式的高檔陶瓷材料是非常昂貴的，并且較薄的電介質(zhì)增加了介電擊穿的風(fēng)險。

由于不可避免的制造公差連同由于操作中的機械應(yīng)力和熱膨脹引起的彎曲和屈曲，已經(jīng)存在針對減小間隙的限制。由于通過減小間隙寬度以及通過使用具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)而引起的磁場強度的增大導(dǎo)致了制造成本顯著增加，此時，已經(jīng)存在財力方面的限制。

從wo93/16001已知上面提到的類型的裝置。導(dǎo)電的、導(dǎo)熱的并透氣的結(jié)構(gòu)由形成一系列的曲面的多個螺旋線圈形成，其中，在該結(jié)構(gòu)與相鄰的電極之間形成有電暈放電。先前已知的裝置基本上是圓柱對稱的。在所有實施方式中，該結(jié)構(gòu)連同擱置在該結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的導(dǎo)體形成內(nèi)電極。所述導(dǎo)體是金屬絲或管并且以機械的方式設(shè)置且定中心在管狀電介質(zhì)上。該結(jié)構(gòu)本身是沒有定中心任務(wù)的填充物。

從jp1-51303已知上面提到的類型的裝置，該類型的裝置同樣是基本上圓柱對稱的。兩個管通過外圍墊片在中心抵靠彼此保持。所述墊片之間的環(huán)形間隙由描述為填充物材料的結(jié)構(gòu)填充。這是以不規(guī)則的方式進(jìn)行設(shè)置的——這不可避免地是具有填充物材料的情況——，并且其不具有以機械的方式將內(nèi)管定中心在外管內(nèi)側(cè)的任務(wù)。

在兩個引用的文獻(xiàn)中，在電極結(jié)構(gòu)的中間設(shè)置有作為用于填充物材料的支承的金屬導(dǎo)體，該金屬導(dǎo)體也用作與填充物材料進(jìn)行電接觸的電接觸件。

在ep0789666b1中公開了最接近的現(xiàn)有技術(shù)。所述文獻(xiàn)描述了具有直接被冷卻的外電極以及桿狀金屬內(nèi)電極的臭氧發(fā)生器，其中，在外電極與內(nèi)電極之間擱置有電介質(zhì)。編織的金屬絲網(wǎng)設(shè)置在電極與電介質(zhì)之間，這首先提高了從原料氣至被冷卻的電極的熱傳遞，并且其次呈現(xiàn)了多個用于無聲放電的空腔。

導(dǎo)電的、導(dǎo)熱的并透氣的結(jié)構(gòu)意味著在電極的強制冷卻期間，由于放電以及由于原子與分子氧的放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量也將在電極與電介質(zhì)之間的間隙中被更好地傳輸，這是由于一方面，在電極與電介質(zhì)之間存在直接的導(dǎo)熱連接，以及另一方面，當(dāng)至間隙內(nèi)側(cè)的所有點的傳熱路徑減少時，與流動通過的氣體熱傳遞的面積大幅增加。由于臭氧具有隨升高的溫度再次分解的傾向使得依賴溫度的平衡自身在臭氧含量與氧含量之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此有效的冷卻能夠減少臭氧的分解并且因此提高產(chǎn)量。

與包含氧氣的氣體和所產(chǎn)生的臭氧以幾乎層流的方式流動通過的正常間隙形成對比，由于導(dǎo)電的、導(dǎo)熱的并透氣的結(jié)構(gòu)，湍流被推入間隙中，結(jié)果，氣體分子一次又一次地到達(dá)能夠直接被冷卻的電極的表面并且因而更好地進(jìn)行散熱。

由于在有效的臭氧發(fā)生器中所使用的材料和大量的電極結(jié)構(gòu)，這種臭氧發(fā)生器非常重，這增加了材料成本和運輸成本。同樣，在外電極與內(nèi)電極或因而以導(dǎo)電方式連接的網(wǎng)之間發(fā)生火花放電的情況下的特性是不理想的。由于電介質(zhì)中的穿孔引起的故障通常導(dǎo)致電極桿與用作外電極的熱交換管之間的短路，這導(dǎo)致整個臭氧發(fā)生器的關(guān)斷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

從該現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的根本問題是改進(jìn)上面提到的類型的裝置，使得該裝置的整體重量降低并且使得該裝置在發(fā)生故障的情況下的特性得到改善。

該問題通過根據(jù)本發(fā)明的一種用于臭氧發(fā)生器的電極結(jié)構(gòu)來解決。

由于下述方面，整個電極結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成比現(xiàn)有技術(shù)中的電極結(jié)構(gòu)輕：在用于臭氧發(fā)生器的具有管狀外電極的電極結(jié)構(gòu)——該管狀外電極以距管狀電介質(zhì)一定距離的方式同中心地包封該管狀電介質(zhì)——中，其中，電介質(zhì)以距桿一定距離的方式同中心地包封該桿，并且其中，在外電極與電介質(zhì)之間的空隙中以及在電介質(zhì)與桿之間的空隙中設(shè)置有填充物材料，桿是絕緣體。特別地，在發(fā)生由電介質(zhì)中的穿孔引起的故障的情況下，該電極結(jié)構(gòu)能夠展現(xiàn)出本質(zhì)上安全的電氣特性，這是由于在故障期間，完全地由填充物材料組成的基本上較輕的內(nèi)電極能夠在不損壞基本上較大質(zhì)量的外電極的情況下進(jìn)行蒸發(fā)。盡管發(fā)生了故障，該臭氧發(fā)生器通常仍能夠保持運轉(zhuǎn)。

如果桿是實心的，則生產(chǎn)是特別容易的。桿也可以是中空的，這進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)的重量。

如果桿是圓形的，則能夠生產(chǎn)出特別結(jié)實的結(jié)構(gòu)。然而，方形桿能夠簡化生產(chǎn)。

該桿優(yōu)選地由技術(shù)玻璃制造，例如由杜蘭或高硼硅玻璃制造。

填充物材料特別地由金屬絲網(wǎng)制成，優(yōu)選地由不銹鋼制成。然而，在簡單的應(yīng)用中能夠使用網(wǎng)或機織織物、網(wǎng)狀織物或非結(jié)構(gòu)化的線材。

如果位于電介質(zhì)與桿之間的空隙中的填充物材料(5)設(shè)置有至供電電源的直接連接，則特別地能夠?qū)崿F(xiàn)特別緊湊的設(shè)計。

提供了一種用于臭氧發(fā)生器的電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)包括：桿，該桿被配置為是絕緣體；管狀電介質(zhì)，該管狀電介質(zhì)同中心地包封該桿；內(nèi)電極，該內(nèi)電極包括第一填充物，該第一填充物有空隙地設(shè)置在該電介質(zhì)與該桿之間；管狀外電極，該管狀外電極同中心地包封該管狀電介質(zhì)；以及第二填充物，該第二填充物有空隙地設(shè)置在該外電極與該電介質(zhì)之間。

附圖說明

下面通過使用附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行描述。

圖1示出了用于臭氧發(fā)生器的電極結(jié)構(gòu)的縱向截面圖；以及

圖2示出了圖1中的電極結(jié)構(gòu)的立體圖。

附圖標(biāo)記說明

1.外電極

2.電介質(zhì)

3.桿

4.編織的金屬絲網(wǎng)

5.編織的金屬絲網(wǎng)

6.流動方向

10.供電電源

具體實施方式

圖1示出了用于臭氧發(fā)生器的電極結(jié)構(gòu)的縱向斷面圖，該電極結(jié)構(gòu)具有管狀外電極1、同樣為管狀的電介質(zhì)2和內(nèi)部桿3。該結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性。外電極1、電介質(zhì)2和桿3相對于彼此同中心地設(shè)置。

編織的金屬絲網(wǎng)4擱置在外電極1與電介質(zhì)2之間以填充空隙。編織的金屬絲網(wǎng)5相應(yīng)地設(shè)置在電介質(zhì)2與桿3之間，該編織的金屬絲網(wǎng)5同樣填充了電介質(zhì)2與桿3之間的空隙。外電極1以已知的方式形成為不銹鋼管，并且在操作期間從外部被冷卻。機械構(gòu)型設(shè)計成使得外電極1成為管束式熱交換器的一部分，該管束式熱交換器具有多個根據(jù)圖1的電極結(jié)構(gòu)，冷卻用水圍繞該管束式熱交換器的外側(cè)循環(huán)。

同樣地，以已知的方式，電介質(zhì)2是玻璃管。編織的金屬絲網(wǎng)4和編織的金屬絲網(wǎng)5優(yōu)選地是由不銹鋼金屬絲網(wǎng)制成所謂的圓形空心繩索。這些部件從通用的現(xiàn)有技術(shù)已知。

設(shè)置在電極結(jié)構(gòu)的中央的桿3為根據(jù)本發(fā)明的由例如玻璃或與氧和臭氧兼容的其他材料制成的絕緣體。如圖1所示，桿3可以是實心的。

在操作期間，電極結(jié)構(gòu)以已知的方式暴露至含有氧氣的原料氣，該原料氣沿箭頭6的方向穿過編織的金屬絲網(wǎng)4和編織的金屬絲網(wǎng)5。

圖2以示意性立體圖示出了圖1的電極結(jié)構(gòu)，其中，各個部件示出為在軸向方向上剖開。如圖2所示，桿3也可以構(gòu)造為管，例如玻璃管。

供電電源10被示意性地暗示，該供電電源10首先與外電極1接觸，其次與網(wǎng)5接觸。由供電電源10提供的工作電壓在網(wǎng)4和網(wǎng)5的空腔中產(chǎn)生無聲放電，這從沿箭頭6的方向穿過網(wǎng)4和網(wǎng)5的氧氣產(chǎn)生臭氧。

在圖1和圖2中示出的構(gòu)型中，內(nèi)電極僅由網(wǎng)5形成，而桿3作為絕緣體執(zhí)行支承作用，從而保證電介質(zhì)的內(nèi)部由編織的金屬絲網(wǎng)5均勻填充。桿3也能夠有利于編織金屬絲網(wǎng)5在電介質(zhì)2中進(jìn)行組裝。

由此看來，構(gòu)造為絕緣體的桿3與從現(xiàn)有技術(shù)已知的導(dǎo)電性不銹鋼中心電極相比具有多個優(yōu)點，而對電性能并且特別是對電極結(jié)構(gòu)在臭氧產(chǎn)生方面的有效性水平不具有消極影響。構(gòu)造為絕緣體的桿3的優(yōu)點首先在于較輕的重量。通常使用的不銹鋼具有約7,900km/m³的密度，而能夠用于桿3的技術(shù)玻璃的密度被指定為2,230km/m³。由于在高效率的臭氧發(fā)生器中的大量電極，因此減輕了整體重量。

為用于臭氧產(chǎn)生的阻擋放電所需的導(dǎo)電表面能夠減少至所需的最小尺寸。

重要方面在于外電極1與用作反電極5的編織的金屬絲網(wǎng)之間的質(zhì)量比。外電極由每米重約350g的不銹鋼管制成，而反電極由具有約0.2mm的金屬絲直徑并且每米僅重約12g的不銹鋼金屬絲制成。因此，編織的金屬絲網(wǎng)5明顯比外電極1輕。用于外電極1和用于編織的金屬絲網(wǎng)5的材料的熱容量、熔化溫度以及熔化能量或多或少是相同的。桿3在發(fā)生故障的情況下不涉及電處理并且在這方面能夠忽略不計。

這意味著，在發(fā)生絕緣誤差——該絕緣錯誤可能由于因機械應(yīng)力在電介質(zhì)2中產(chǎn)生的穿孔而引起——的情況下，電極結(jié)構(gòu)將展示本質(zhì)上安全的特性。如果在外電極1與編織的金屬絲網(wǎng)5之間存在短路，則編織的金屬絲網(wǎng)5由于上述質(zhì)量比將通過火花放電被蒸發(fā)，直到在編織的金屬絲網(wǎng)5與外電極1之間重新建立足夠大的距離為止。外電極1由于其相當(dāng)大的質(zhì)量將不會被損壞或?qū)μ幚碓斐刹焕赜绊?。因此，已損壞的電極能夠保留在臭氧發(fā)生器中，并且不需要立即替換。如果金屬導(dǎo)體用作中央桿3并且因而在電極結(jié)構(gòu)的中央用作反電極，則不能夠?qū)崿F(xiàn)該本質(zhì)上安全的特性。

技術(shù)玻璃為用于桿3的主要材料，桿3能夠構(gòu)造為實心圓桿、實心正方形桿或構(gòu)造為管。電極結(jié)構(gòu)的其他部件與上述通用的現(xiàn)有技術(shù)相對應(yīng)，其中，供電電源10直接接觸網(wǎng)，而在現(xiàn)有技術(shù)中，可以在中央電極處實現(xiàn)接觸。