臭氧发生器和由氧气生产臭氧的方法与流程

1.本发明涉及一种臭氧发生器和一种由氧气生产臭氧的方法。

背景技术：

2.臭氧发生器是一种由氧气生产臭氧的设备。例如，臭氧在饮用水净化中用作消毒剂。臭氧不稳定，因此只有有限的保质期。这导致臭氧通常必须在预期使用的地点直接生产。
3.例如，可以在电场中产生臭氧。臭氧发生器用于该目的，其包含第一和第二电极，其间设置有第一电介质。第一电介质与第一电极之间设置有气体通道，含氧气体可以通过其输送。气体(可以是环境空气)通过气体通道并因此通过由两个电极产生的电场输送。臭氧在电场中形成。
4.使用这些臭氧发生器，通常只有不到五分之一的电能被整合到臭氧的化学键中。能量中有80％以上以热量形式产生。
5.这导致通过气体通道输送的气体温度显著升高。不幸的是，臭氧的稳定性高度依赖于温度，臭氧的温度越高，臭氧分解回氧气的速度越快。因此，为了增加臭氧发生器的臭氧产量，需要冷却臭氧发生器。
6.提供第一冷却流体通道已经很普遍，其壁至少部分地由第一电介质或第二电极形成。将用作热载体的冷却流体(例如水)通过冷却流体通道输送，使得冷却流体冷却第一电介质的表面或第二电极的表面。因为冷却流体通道和气体通道至少通过电介质彼此分开，所以热量必须通过电介质消散。
7.已知的臭氧发生器通常是圆柱形的，即电极和电介质以及气体和流体通道是空心圆柱形且彼此同轴设置。但是，平面设置也是已知的。
8.在已知的臭氧发生器中，冷却剂流速在1.3-2l/g o3的范围内。这使冷却剂的雷诺数(reynolds numbers)远低于临界值，因此至少在冷却流体通道内的待冷却表面处，流动类型始终为层流。在层流中，流体在平行层中移动。因此，层之间的热传递仅通过热传导进行。因此，对于层流而言，只能实现低热传递。此外，在冷却剂与电介质直接接触的已知臭氧发生器的情况下，热载体必须具有一定的导电性，这限制了热载体的选择。对于在电介质和冷却水之间插入电极的臭氧发生器而言，电极由高合金不锈钢制成。但是，不锈钢具有低导热性，因此这种臭氧发生器的情况甚至更糟。
9.使用已知的臭氧发生器，不可能显著增加雷诺数而使流动变成湍流。此外，这将导致不可接受的水消耗。此外，常用的液态热载体(如水)本身的导热性较差，这限制了臭氧发生器的整体臭氧产量。

技术实现要素：

10.在所描述的现有技术基础上，本发明的目的是提供一种臭氧发生器，其与已知装置相比可以实现增加的臭氧产量。
11.根据本发明，该目的通过用多孔材料填充冷却流体通道的方式来实现。多孔材料提供多个通道，冷却流体(例如水)可以通过其输送，从而确保了不是只有冷却流体中与层流中的电介质直接接触的部分参与热传递，而是几乎全部冷却流体参与热传递。多孔结构本身也参与热传递。
12.在一个优选的实施方式中，冷却流体通道用于冷却液体、尤其是冷却水的流动。若冷却流体不含气态氧，则是有利的。
13.优选地，多孔材料是多孔体。多孔体可以起到支撑作用并且可以与电介质和第二电极两者接触，以保持电介质与第二电极之间距离恒定。这在气体通道中气体压力高的情况下特别有利。
14.在一个优选实施方式中，多孔材料具有导电性。为了增加气体通道中的电场，若热载体也具有导电性，则是有利的。但是，若设置在冷却流体通道中的多孔材料具有导电性，则这不是必需的。例如，本文可以使用多孔金属。
15.在另一个优选实施方式中，多孔材料的热导率大于10w/mk、优选大于30w/mk。由于比大多数液体热载体的热导率更高的热导率，热量从电介质或第二电极消散得更快、更高效。这也确保了全部冷却流体参与热传输，因为在相对远离电介质的位置处流过多孔材料的冷却流体组分也撞击温度升高的多孔材料。在另一个优选实施方式中，多孔材料的热导率为30-50w/mk。
16.特别优选地，多孔材料是开孔材料，使得冷却流体通道中的流体可以通过许多相互连接的路径流过多孔材料。在一个优选实施方式中，多孔材料的体积孔隙率大于25％，优选大于50％，特别优选在55-65％的范围内。这确保了臭氧发生器中热载体的压力损失不会变得太大。此外，若孔的尺寸为0.5-5mm，则是有利的。
17.在一个优选实施方式中，冷却流体通道具有入口和出口，其中，入口和出口以及多孔材料以流体可以从入口通过多孔材料输送到出口的方式设计，其中，入口和出口以及多孔材料优选以液体可以从入口通过多孔材料输送到出口的方式设计。
18.此外，有利的是，臭氧发生器具有基本平面的夹层结构，其中，电介质设置在第一电极和第二电极之间。
19.原则上，若夹层结构是完全平面的，则是有利的，即使微小的偏差或小台阶也不会改变本发明的成功。例如，两个电极可以是板状的，电介质设置在板之间，使得气体通道形成在电介质的一侧，而冷却流体通道形成在另一侧。多孔材料同样可以是板状或立方体并且例如以与第二电极和电介质两者都接触的方式设置在电介质与第二电极之间。
20.为了进一步提高臭氧发生器的产量，在另一个实施方式中，提供第三电极、第二电介质、可以通过其输送含氧气体的第二气体通道、以及其壁至少部分地由第二电介质或第三电极形成的第二冷却流体通道，其中，第一电极设置在第二和第三电极之间。本质上，该臭氧发生器现在包含两个气体通道和两个流体通道，其中，第一电极相对于第二电极以及相对于第三电极形成单独的臭氧发生器。在此，第二冷却流体通道也优选设计为冷却液体通道。
21.若电介质具有高导热性，则特别优选。为此，该第一和/或第二电介质最好是陶瓷电介质，优选al2o3或aln陶瓷。
22.关于该方法，上述任务通过一种由氧气生产臭氧的方法来实现，其包括以下步骤：
23.a)提供上述臭氧发生器，
24.b)在第一和第二电极之间施加电场，
25.c)通过气体通道输送含氧气体，和
26.d)通过冷却通道输送冷却流体，优选冷却水。
27.进一步的优点、特征和可能的应用从优选实施方式的以下描述和相关联的描述中变得显而易见。其显示：
附图说明
28.图1所示为本发明的臭氧发生器的一个实施方式的示意性剖视图。
具体实施方式
29.图1所示为本发明的臭氧发生器1的一个实施方式的示意性剖视图。
30.臭氧发生器1构造为夹层结构并且包括多个平面或板状元件。电极2显示在中间。可以在该第一电极2和第二电极3之间施加高电压。第一电介质5设置在第一电极2和第二电极3之间，并将电极2和第二电极3之间剩余的空间划分成气体通道7和冷却流体通道9。含氧气体通过气体通道7输送。由于施加在第一电极2和第二电极3之间的电压，气体通道7内形成电场，使得氧气分子可以转化为臭氧分子。但是，这会产生热量，从而使第一电介质5变热。后者由具有高导热性的材料制成，即，在所示示例中，由陶瓷、特别是al2o3或aln陶瓷制成。
31.在与气体通道7相对的第一电介质的一侧，设置第一冷却流体通道9。诸如水等冷却流体通过其输送。冷却流体通道9内设置多孔材料11，即所示示例中的多孔金属。多孔金属11提供第一电介质5和第二电极3之间的电耦合。此外，多孔金属11提供机械稳定性。
32.之后，诸如水等冷却流体可以以其通过多孔金属11的孔输送的方式通过冷却流体通道9输送，藉此，热量可以从多孔金属中高效地消散。
33.臭氧发生器具有基本镜像对称的结构，即，其具有第三电极4以及第二电介质6。第二电介质6的设置方式为，其把第一电极2和下方的第三电极4之间的距离划分为第二气体通道8和第二冷却流体通道10，其中，第二多孔材料12(即多孔金属)设置在第二冷却流体通道10中。若现在在一方面的第一电极2与另一方面的第二和第三电极3、4之间施加电压，并且通过两个气体通道7和8输送含氧气体，则其中形成臭氧。所产生的相应热量通过两个电介质5、6传递到多孔材料11和12，相应的冷却流体流经多孔材料11和12，以消散热量。
34.多孔金属可以很容易地制造。例如，可以使用具有限定孔结构的铝合金。
35.通过本发明，从排放区(即两个气体通道)到冷却介质(即通过多孔材料的孔输送的冷却液体)的热传递显著改善。因此，需要的冷却流体更少，同时臭氧发生器的效率显著提高。
36.金属结构的导电性增加了电介质表面与通常接地的第二或第三电极之间的电接触。因此，可以避免对热载体的最小电导率的要求。
37.多孔金属结构同时与电介质形成正锁定连接，从而稳定通常薄而脆的电介质。这还允许气体通道中的气体在较高压力下输送通过臭氧发生器，而不会产生因高压而损坏电介质的风险。
38.附图标记列表
39.1 臭氧发生器
40.2 第一电极
41.3 第二电极
42.4 第三电极
43.5 电介质
44.6 第二电介质
45.7 气体通道
46.8 第二气体通道
47.9 冷却流体通道
48.10 第二冷却流体通道
49.11 多孔材料
50.12 第二多孔材料

技术特征：

1.一种臭氧发生器，其包含第一和第二电极，其间设置有第一电介质，其中，在第一电介质和第一电极之间设置有气体通道，含氧气体可以通过其输送，其中，提供第一冷却流体通道，其壁至少部分地由第一电介质或第二电极形成，其特征在于，冷却流体通道填充有多孔材料。2.如权利要求1所述的臭氧发生器，其特征在于，多孔材料具有导电性，其中，多孔材料优选为多孔金属。3.如权利要求1或2所述的臭氧发生器，其特征在于，多孔材料的热导率大于10w/mk，优选大于30w/mk，最好为30-50w/mk。4.如权利要求1-3中任一项所述的臭氧发生器，其特征在于，多孔材料是开孔材料。5.如权利要求1-4中任一项所述的臭氧发生器，其特征在于，冷却流体通道具有入口和出口，其中，入口和出口以及多孔材料以流体可以从入口通过多孔材料输送至出口的方式设计。6.如权利要求1-5中任一项所述的臭氧发生器，其特征在于，臭氧发生器具有基本平面的夹层结构，其中，电介质设置在第一和第二电极之间，其中，多孔材料优选基本为立方体并且设置于电介质和第二电极之间并与之接触。7.如权利要求6所述的臭氧发生器，其特征在于，提供第三电极、第二电介质、可以通过其输送含氧气体的第二气体通道、以及其壁至少部分地由第二电介质或第三电极形成的第二冷却流体通道，其中，第一电极设置在第二和第三电极之间。8.如权利要求1-7中任一项所述的臭氧发生器，其特征在于，第一和/或第二电介质是陶瓷电介质，优选al2o3或aln陶瓷。9.如权利要求1-8中任一项所述的臭氧发生器，其特征在于，多孔材料的体积孔隙率大于25％，优选大于50％，特别优选在55％-65％的范围内。10.如前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器，其特征在于，冷却流体通道被设计为冷却液体通道。11.如前述权利要求中任一项所述的臭氧发生器，其特征在于，多孔材料形成为多孔体，其中，多孔体优选用作支撑体并且界定电介质和第二电极之间的距离。12.一种由氧气生产臭氧的方法，包括以下步骤：a)提供前述权利要求任一项所述的臭氧发生器，b)在第一和第二电极之间施加电场，c)通过气体通道输送含氧气体，和d)通过冷却通道输送冷却流体，优选冷却水。

技术总结

本发明涉及一种臭氧发生器，其包含第一和第二电极，其间设置有第一电介质，其中，在第一电介质和第一电极之间设置有气体通道，含氧气体可以通过其输送，其中，提供第一冷却流体通道，其壁至少部分地由第一电介质或第二电极形成。为了提供与已知装置相比可以实现增加的臭氧产量的臭氧发生器，本发明提出，冷却流体通道填充有多孔材料。道填充有多孔材料。道填充有多孔材料。