臭氧发生器的结构设计及性能评价

侯凌颖（福建新大陆环保科技有限公司，福建福州350015）

臭氧发生器的结构设计及性能评价

侯凌颖（福建新大陆环保科技有限公司，福建福州350015）

臭氧发生器是一种用于配制获取臭氧的专业设备，臭氧自身属于一种极易分解且无法储存的物质，所以在配制完成后需要立即使用。随着技术的不断发展，在极特殊的情况下，可以采用专业技术对其进行短期保存。正是由于臭氧难以保存的这一特定，所以在需要用到臭氧的地方，就要配有专门的臭氧发生器，且其使用的范围十分广泛，常见的包括污水处理厂、自来水厂、空间灭菌等。臭氧是灭菌效果最好的消毒制剂，臭氧是通过将空气、氧气等物质置于高频高压放电的环境中形成的，且其本身是一种极不稳定的化学物质，也是一种强氧化剂，在一定条件下能够迅速将细菌杀死，且不会出现细菌残留的情况，更不会对环境造成二次污染，所以也是世界公认的最清洁的消毒剂。

臭氧发生器；结构设计；性能评价

臭氧发生器，顾名思义就是制取臭氧的装置，由于臭氧自身具有极不稳定不易保存的特征，所以只要需要用到臭氧的地方，都有臭氧发生器的存在。臭氧发生器所制成的气体可以直接被使用，在具体的灭菌工作中，也可以根据实际需要利用专门的混合装置使其与混合液进行反应之后再进行杀菌作业。本文就臭氧发生器的结构设计进行研究，并对其使用性能进行评价，借此为臭氧发生器的发展与完善提供参考意见。

1 臭氧发生器的结构和控制设计

1.1 臭氧发生器的结构

臭氧发生器一般由四个主要部分构成，分别为：高频电源、风机设备、臭氧管以及控制系统。臭氧管作为整个臭氧发生器的主要构件，其构造对与臭氧质量有很大影响，例如，臭氧管的电极，其间隙的大小就影响了臭氧浓度，即间隙越小，臭氧发生器所产生的臭氧浓度就会越大[1]。以沿面间隙管状电极设计制造的臭氧管为例，通常电极的间隙一般为1～2mm，在高压环境下发生电离作用时，氧原子、氧分子以及高速运行的电子之间通过相互撞击最终形成臭氧，臭氧发生器的具体工作流程见图1。

图1 臭氧管结构和工作原理示意图

臭氧发生器使用220V的交流电源作为外界电源，可以通过降压流变为直电流，供给高频电源的使用，从而对臭氧管产生高频的电压，引起臭氧管的工作，进行氧气与臭氧之间的转换工作。风机的作用在于提供气源给臭氧管工作，进一步加快臭氧管的臭氧气体向外排放，并及时疏散臭氧发生器在电机工作中所产生的热量。控制系统则用来控制风机和高频电源，将臭氧管的运作时间进行合理规划，调节臭氧管的臭氧产量。

1.2 臭氧发生器的控制电路设计

臭氧发生器的控制系统中主要依靠执行元件风机和高频电源进行控制，将两个执行元件进行模块化的设计，通常采用较少的接线点，较好的绝缘材质。所设置的延时开关在一分钟内可以进行调整，并按照所需要的臭氧产量进行设定，操作简单，安全便捷。图2为臭氧发生器控制电路的原理示意图。

图2 臭氧发生器控制电路的原理示意图

2 臭氧浓度及产量

2.1 气源对臭氧产量的影响

臭氧发生器是以氧气作为产生臭氧的原料，所以气体原料中的氧气的含量也直接决定了最终臭氧的产量。臭氧发生器根据其结构不同进行划分，一般可以分为两种类型，一种是间隙放电式臭氧发生器，另一种则是开放式发生器。这两种臭氧发生器有各自的优势，例如，间隙放电式发生器，它的特点是臭氧是在内外两个电极之间的间隙产生的，这种情况下，更有利于将生成的臭氧集中进行收集，相应的收集到的臭氧的浓度也就更高，该种方式获得的臭氧一般被应用于自来水的除菌环节。开放式臭氧发生器，其电极是直接曝露在外界的空气当中的，所以该种方式所产生的臭氧是直接弥散至空气中，所以最终获取的臭氧的浓度相对较低，这种臭氧发生器通常被应用于空间相对狭小或者一些体型较小的物体表面的消毒[2]。由于性能上的优势，间隙式发生器可以被用来替代开放式发生器，但是间隙式发生器的使用成本要显著高于开放式发生器，所以在发生器的选择上，还应结合经济因素进行综合考量。利用空气、通过分子筛备的富氧气体以及氧气为对比材料，以考查气体中所含氧气含量对臭氧产量的影响。表1为气体原料含量对臭氧含量的影响，本次实验结果可以看出，氧气的含量越高，最终获得的臭氧量也就越多。研究还发现，含氧量为百分之九十与含氧量为百分之九十九两种类型的氧气，其最终产生的臭氧量相差不大，所以也可以根据实际需要选择最适宜的气源。

表1 气体源料对于臭氧产量的影响

2.2 气体流量对臭氧浓度和产量的影响

臭氧本身属于混合气体，其浓度可以用质量比或者是体积比来表示，质量比就是在单位体积内，混合气体中含有的臭氧质量的比重，质量比表示臭氧浓度所使用的单位为mg/L或g/m3等。体积比则是在单位体积内，混合气体中的臭氧的体积占比多少。卫生行业里，通常使用ppm来表示臭氧的浓度，每立方米的混合气体中，臭氧所占体积的百万分之一即为1ppm，在对臭氧发生器的使用性能进行评测时，臭氧浓度是作为评价标准的重要指标。

臭氧发生器的重要参数是由气体流量来显示的，气体流量的多少将作用于臭氧所产生的浓度和产量。通过试验发现，当气体流量增加时，臭氧的浓度将会降低，而产量则会得到增加；当气体流量增加到一定数值时，臭氧的浓度和产量都没有较大的变化。所以根据臭氧发生器的具体实际的使用需求，可以利用增加气体流量来增加臭氧的产量，以及降低臭氧的浓度，抑制臭氧的分解，更加准确的确定气体流量的需求，能够有效降低电能的浪费和损耗。

3 臭氧发生器在使用中的稳定性

臭氧发生器在投入使用中，为产出臭氧将会释放大量的热量，如果臭氧发生器本身的散热系统以及制冷系统的工作效能较低，或者在功能上还有待完善，那么在生成臭氧的过程中，相关设备会由于工作时产生的摩擦出现发热的情况，而臭氧本身极不稳定，在遇热时，分解的速度也会加快，一旦出现这种情况，臭氧的产量将会收到较大影响，此外，发热情况严重，还会对臭氧发生器本身带来一定的安全隐患。以空气为气体源料，并将气体流量调节到3L/min，对两台臭氧发生器进行稳定性试验，

试验表明，当臭氧发生器在长时间的工作中，制冷散热效果差的臭氧发生器所产生的臭氧浓度有明显的下降，且所产的臭氧量较低，而另一台臭氧发生器的制冷散热效果较好，在浓度和产量上没有较大的区别。随着技术的革新，现在所使用的臭氧发生器的性能以及工作效率都获得了显著的提升，但是在臭氧发生器工作的过程中，始终有越百分之九十的电能无法用于生成臭氧，而是直接转化为热能，这部分热能在设备工作过程中，无法及时发散到外界，所以在工作过程中，臭氧发生器的的温度会持续升高，直至超过设备原本的设计的运行温度，在这种高温状态下工作，会加快臭氧的分解，进而导致臭氧含量下降，因此其经济效益也会受到影响[3]。

采用高压电离的方式，能够使空气当中的氧气进行分解、聚合最终形成臭氧，通过这种方式获得的臭氧属于氧元素的同素异形转变，采用电解水的方式也能获得同样的效果。由于臭氧本身的稳定性极差，一般的仓储方式都很难用来保存臭氧，所以在使用过程中，尽量随产随用。

结束语：通过对臭氧发生器在结构和控制设计、臭氧浓度的影响因素以及使用中的稳定性进行分析和探讨，可以发现臭氧是一种氧化性极强的不稳定气体，臭氧输出浓度受多种因素的影响，其中选择气体源料和制冷散热效果是两个重要的影响因素。原料气中的水分含量、碳氢化合物含量，对于形成臭氧的含量存在直接联系。为了保证臭氧发生器能够最大限度的发挥其实际效用，在使用中，避免在狭小、潮湿的环境中工作，特别是臭氧发生器在工作过程中，要保证周围环境的通风，确保空气干燥，若自然环境无法满足该要求，可以视情况增设排风扇，且臭氧发生器最好放置于地面以上1.2m以上。

[1]朱孟府,王海燕,宿红波等.臭氧发生器的结构设计及性能评价[J].中国医学装备,2008,5(1):18-20.

[2]黄玉水,吕宏,王立乔等.臭氧发生器电源中容性控制的研究[J].高电压技术,2002,28(10):41-42,53.

[3]张芝涛,白敏冬,赵艳辉等.高浓度臭氧发生器放电特性实验研究[J].高电压技术,2003,29(5):33-35,57.