臭氧提纯装置和臭氧提纯系统的制作方法

本发明涉及臭氧发生领域，特别是涉及一种臭氧提纯装置和臭氧提纯系统。

背景技术：

传统工业上常使用高压法产生臭氧，由于通过高压等方式获取的臭氧无法达到稳定并且高浓度，该方法常用于工业净水等对于浓度要求较低的场合。另一种是硅胶吸附-解吸臭氧的制氧方法。此方法容易引入杂质，一般臭氧浓度最高80％。硅胶颗粒能够极大地增加吸附臭氧的表面积。但是由于吸附面积大，部分杂质容易混杂在其中，导致产生的臭氧包含除了臭氧和氧气其他的杂质，限制了臭氧纯度的进一步提高。另外需要经常更换硅胶颗粒，维护繁琐且成本高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统方法生产臭氧纯度低的问题，提供一种能够生产高纯度臭氧的臭氧提纯装置和臭氧提纯系统。

一种臭氧提纯装置，包括：

冷媒容纳装置；

臭氧分离装置，设置于所述冷媒容纳装置内部，包括：

冷凝管，为封闭结构，包括第一入口和第一出口；

螺旋管，在所述冷凝管内轴向设置，所述螺旋管包括第二入口和第二出口，所述第一入口与所述第二入口联通，所述第二出口通过所述冷凝管的腔体与所述第一出口联通；

套管，套设于所述冷凝管的外壁，所述套管的内壁与所述冷凝管的外壁间隔设置，所述套管设置有加热单元。

在其中一个实施例中，所述冷凝管的底部设置有储液槽，所述储液槽的直径小于所述冷凝管的直径。

在其中一个实施例中，所述加热单元为加热环，所述加热环设置于所述套管底部，所述加热环与所述套管同轴向设置。

在其中一个实施例中，所述加热环为片状结构，并沿所述储液槽的轴向向所述冷凝管所在方向延伸。

在其中一个实施例中，所述冷凝管和套管之间设置有密封圈。

在其中一个实施例中，还包括设置于所述套管底部的测温单元。

在其中一个实施例中，还包括设置于所述冷凝管外壁的防爆监测装置。

在其中一个实施例中，还包括防爆箱，所述冷媒容纳装置设置于所述防爆箱内部，所述防爆箱设置有气体逃逸通道。

在其中一个实施例中，所述冷媒容纳装置设置有液面监测控制装置。

一种臭氧提纯系统，包括臭氧发生装置，还包括所述的臭氧提纯装置，所述臭氧提纯装置与所述臭氧发生装置连接。

本发明提供的臭氧提纯装置和臭氧提纯系统中，所述臭氧提纯装置的冷媒容纳装置中装有冷媒，可以向所述螺旋管传递低温。所述加热单元可以向所述螺旋管传递高温。所述套管的内壁与所述冷凝管的外壁间隔设置能够减缓热量传递的速度，所述加热单元与所述套管的内壁与所述冷凝管的外壁间隔设置的配合可以降低温度梯度，从而精确控制螺旋管内的温度。可以使热量传递更为均匀高效。臭氧和氧气的混合气体可以通过所述第一入口进入第二入口在所述螺旋管内部通过沸点的差异实现气液分离。所述螺旋管能够增加混合气体在所述螺旋管中停留的时间以增加混合气体的换热时间，从而提高氧气和臭氧的分离效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的臭氧提纯装置结构图；

图2为本发明实施例提供的臭氧分离装置正视图；

图3为本发明实施例提供的臭氧分离装置爆炸图；

图4为本发明实施例提供的臭氧分离装置剖面图；

图5为本发明实施例提供的臭氧提纯系统结构图；

图6为本发明实施例提供的臭氧提纯系统防爆箱爆炸图。

主要元件符号说明

臭氧提纯装置10、臭氧分离装置20、冷凝管100、第一入口110、第一出口120、储液槽130、测量口140、套管200、密封圈210、胶木固定夹220、螺旋管300、第二入口310、第二出口320、加热单元330、测温单元340、防爆监测装置350、臭氧提纯装置20、冷媒容纳装置400、液面监测控制装置410、高液面监测装置411、低液面监测装置412、卡箍420、盖子430、加热接头440、防爆箱500、气体逃逸通道510、前盖板521、防爆玻璃522、压板523、主体密封圈524、液氮入口接口525、臭氧入口接口526、臭氧出口接口527、压力计接口528、液面监测接口529、冷凝器电极接口530、led灯接口531、防盗箱固定件532、报警指示灯533、液氮入口540、控制单元550、臭氧提纯系统30、臭氧发生装置600。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明实施例提供一种臭氧提纯装置10。所述臭氧提纯装置10包括冷媒容纳装置400和臭氧分离装置20。所述臭氧分离装置20设置于所述冷媒容纳装置400内部。所述臭氧提纯装置10可以将氧气和臭氧的混合气体分离以达到提纯臭氧的目的。臭氧的沸点为-111℃，氧气是沸点为-183℃。利用臭氧和氧气沸点的不同，通过所述臭氧提纯装置10分离所述臭氧和氧气。

请参见图2-4，所述臭氧分离装置20包括冷凝管100、套管200、螺旋管300、以及加热单元330。所述套管200套设于所述冷凝管100的外壁。所述套管200的内壁与所述冷凝管100的外壁间隔设置。所述螺旋管300在所述冷凝管100内轴向设置。所述冷凝管100包括第一入口110和第一出口120。所述螺旋管300包括第二入口310和第二出口320。所述第一入口110与所述第二入口310联通。所述第二出口320通过所述冷凝管100的腔体与所述第一出口120联通。所述加热单元330设置于所述套管200底部。

所述冷凝管100为封闭结构。所述冷凝管100可以为空心圆柱形结构，也可以为空心立方体结构。所述冷凝管100的一端可以为盲端。所述第一入口110和所述第一出口120可以设置于所述冷凝管100的另一端。所述第一入口110可以用于通入氧气和臭氧混合气体。所述第一出口120用于输出氧气或臭氧气体。所述冷凝管100的另一端还可以设置测量口140。测量器具可以通过所述测量口140进入所述冷凝管100内部，用于测量所述冷凝管100内部的工作参数，也可以作为防爆监测装置350的入口。可以理解，所述测量口140也可以作为加热单元330的入口。所述冷凝管100可以由石英玻璃、硬质有机材料、或者金属材料制成。在一个实施例中，所述冷凝管100为石英玻璃管。

所述螺旋管300用以使进入所述螺旋管300中的氧气和臭氧分离。所述冷媒容纳装置400可以将低温传递给所述螺旋管300。所述螺旋管300也可以在所述加热单元330的加热下提高到可以分离氧气和臭氧的温度以分离臭氧和氧气。所述螺旋管300可以增加混合气体在所述螺旋管300中停留的时间以增加混合气体的换热时间，提高氧气和臭氧的分离效率。所述螺旋管300可以具有较小的螺距以增加换热面积。所述螺旋管200可以由石英玻璃制成。优选地，所述螺旋管200靠近所述储液槽130的侧壁可以设置有棱角结构。臭氧液化后的液滴在流动到所述棱角结构的位置后表面会发生应力突变，能够加速臭氧液滴进入所述储液槽130。所述螺旋管200可以与所述冷凝管100同轴向设置。所述螺旋管200的外壁在所述冷凝管100的内部与所述冷凝管100的内壁具有间隔距离。所述间隔距离可以为15mm-20mm。在间隔距离为15mm-20mm时，从所述冷凝管100向所述螺旋管200均匀传递热量，并且不会有剧烈的温度变化，安全高效。

在其中一个实施例中，所述冷凝管100的底部可以设置有储液槽130。所述储液槽130可以与所述冷凝管100的主体一体成型，也可以作为单独的零件与所述冷凝管100组装成型。所述储液槽130可以由石英玻璃制成，也可以为陶瓷材料制成。所述储液槽130的一端与所述冷凝管100连通，所述储液槽130的另一端为盲端。所述储液槽130可以为空心圆柱体结构，也可以为空心立方体结构。优选地，所述储液槽130为空心圆台结构。所述空心圆台结构包括平行的上底面和下底面，上底面的面积大于下底面的面积。所述上底面与所述冷凝管100的腔体连通。空心圆台结构可以便于位于所述空心圆台结构中的液态臭氧向上挥发，提高输出臭氧的效率。所述储液槽130的直径可以小于所述冷凝管100的直径。臭氧在所述螺旋管300中换热冷凝后，经过所述螺旋管300滴入所述储液槽130。所述储液槽130的直径小于所述冷凝管100的直径可以方便所述加热单元300套设在所述储液槽130的外侧，从而提高加热效率。同时所述储液槽130的直径小于所述冷凝管100的直径还可以使氧气不易进入所述储液槽130与所述臭氧混合，便于臭氧和氧气的分离。

所述套管200用于隔离所述冷媒容纳装置400中的冷媒和所述冷凝管100。所述套管200的形状可以与所述冷凝管100的形状相对应以便于所述套管200套设在所述冷凝管100的外侧。在其中一个实施例中，所述套管200可以由石英玻璃制成。

所述套管200的内壁与所述冷凝管100的外壁间隔设置可以减缓热量传递的速度，从而可以精确控制螺旋管300内的温度。优选地，所述套管200的内壁与所述冷凝管100外壁之间的距离可以为5mm-10mm。在所述套管200的内壁与所述冷凝管100外壁之间的距离为5mm-10mm时，能够减缓所述套管200与所述冷凝管100之间温度的变化梯度，从而降低所述冷凝管100表面温度骤变的风险。臭氧和氧气的混合气体可以通过所述第一入口110进入第二入口310。混合气体可以在所述螺旋管300内部通过不同气体沸点的差异实现气液分离。所述加热单元330设置在所述套管200的底部。当通过所述加热单元330加热时，可以从最低端开始加热，从而可以缓慢地升高所述冷凝管100的温度。通过这样的特殊设置，使得加热过程中热量缓慢地通过所述套管200的内壁与所述冷凝管100外壁之间的空隙向所述套管200远离所述底部的一端传递，从而可以缓慢加热位于所述螺旋管200中的混合气体。在其中一个实施例中，所述套管200的内壁与所述冷凝管100外壁之间的空隙可以设置有栅格，所述栅格可以将空隙空间分割为若干小的热通道，从而可以使热量传递更为均匀高效。所述加热单元330的位置设置与所述套管200与所述冷凝管100之间的间隙相互配合，从而可以使得本发明的臭氧分离装置20缓慢、稳定地对温度进行调控，从而实现臭氧与氧气的分离，便于对臭氧和氧气混合气体的精确控制。另外，所述加热单元330通过所述套管200与所述冷凝管100之间的空隙与与所述冷媒容纳装置400中的冷媒隔离可以避免加热单元330与冷媒过大的温差使所述套管200爆裂造成危险。

并且，混合气体是沿着所述螺旋管200的内壁向所述套管200的底部运动，与所述加热单元330的传热方向相逆，因此可以提高热能的利用效率，可以节省能源。

在其中一个实施例中，所述加热单元330为加热环。所述加热环与所述套管200同轴向设置。所述加热环可以用以加热所述螺旋管300。需要分离臭氧和氧气时，可以通过所述加热环将所述螺旋管300的温度调节到高于氧气的沸点低于臭氧沸点的温度。所述加热环的环状结构使所述加热环对所述冷凝管100中的螺旋管300加热更为均匀，利于热量从所述套管200的底部向上传递。

在其中一个实施例中，所述加热环为片状结构，并沿所述储液槽130的轴向向所述冷凝管100所在方向延伸。片状结构的加热环可以增加换热面积，提高温度传递的效率。所述加热环向所述冷凝管100所在方向延伸后可以包围所述储液槽130。所述加热环对所述储液槽130加热后所述储液槽130中的温度升高。氧气在高温下更容易向远离所述储液槽130的方向运动，因此可以加快分离的速率。

在其中一个实施例中，所述臭氧提纯装置20还包括设置于所述套管200底部的测温单元340。所述测温单元340可以即时监测所述冷凝管100中的温度，并根据温度回馈调节加热单元330的加热功率，以实现精确调节分离温度。在其中一个实施例中，所述测温单元340可以通过所述测量口140进入所述套管200底部。进一步地，所述测温单元340可以设置于所述加热单元300所围绕的所述储液槽130的侧壁。将所述测温单元340设置在上述位置可以精确测量所述储液槽130的温度，从而可以根据所述储液槽130的温度调节所述加热单元330的加热功率。当需要臭氧气体时，可以精确提高液态臭氧的温度，从而使得液态臭氧变为气态臭氧。

在其中一个实施例中，所述臭氧提纯装置20还包括设置于所述冷凝管100外壁的防爆监测装置350。当系统发生爆炸时，所述防爆监测装置350可以通过安全互锁装置，使连接外用仪器的气动阀自动关闭，从而保护腔体和相关泵组。

所述冷媒容纳装置400中的冷媒可以为液氮。所述冷媒容纳装置400可以包括盖子430。所述盖子430用以密封所述冷媒容纳装置400。所述冷媒容纳装置400可以包括卡箍420，所述卡箍420用于固定所述臭氧分离装置20。所述套管200的内壁与所述冷凝管100的外壁间隔设置可以减缓所述套管200与所述冷凝管100之间传热的速率，提高温控的精度。可以理解，所述套管200的内壁与所述冷凝管100的外壁之间可以具有空间。所述空间中可以填充热的不良导体。

在其中一个实施例中，当所述密封圈210密封所述套管200和所述冷凝管100后，所述套管200和所述冷凝管100之间可以密封有干燥空气。干燥空气成本低，导热性差，能够减缓热量在所述套管200和所述冷凝管100之间的传递，从而可以精确控制所述冷凝管100的温度。所述密封圈210夹设在所述套管200和所述冷凝管100之间后，可以通过胶木固定夹220固定连接所述套管200和所述冷凝管100。所述胶木固定夹220可以通过紧固螺丝和螺母固定。所述胶木固定夹220具有一定的弹性，不易对所述套管200和所述冷凝管100造成伤害。所述冷媒容纳装置400可以包括两条条形观察窗以观察所述冷媒容纳装置400内部的情况。所述加热单元330可以通过加热真空接头与控制系统连接。所述加热真空接头可以为kf16接头，能够达到高真空的密封的目的。控制系统也可以通过所述加热真空接头与防爆监控装置连接。

所述臭氧分离装置20和所述冷媒容纳装置400之间可以设置有可调高度垫片。所述可调高度垫片可以为u型的聚四氟乙烯垫片。若干个1mm、2mm、5mm、10mm垫片一块使用即可以达到调节所述臭氧分离装置20高度的作用，也可以起到缓冲所述臭氧分离装置20的作用，同时也减小了所述臭氧分离装置20和所述冷媒容纳装置400之间的应力。

在其中一个实施例中，所述冷媒容纳装置400设置有液面监测控制装置410。所述液面监测控制装置410还可以包括高液面监测装置411和低液面监测装置412。所述高液面监测装置411可以包括一端密闭的细管和用于测温的热偶。所述热偶放置在细管中。当液氮液面没过所述热偶时，热偶的温度达到液氮温度。所述高液面监测装置411通过温控监测表设置温度下限，在达到温度下限时温控表发出下限报警信号，并自动开启液氮灌注系统。所述液氮灌注系统收到这一信号时，停止液氮的灌入。所述低液面监测装置412可以用于控制液氮的自动灌入。所述低液面监测装置412也可以包括一端密闭的细管和用于测温的热偶。所述热偶放置在细管中。预设温度上限，当液氮液面低于热偶时，所述热偶的温度将高于液氮温度。当所述热偶感测的温度到达温度上限时发出上限报警信号，并开启自动液氮灌注系统，开始液氮的灌入。自动液氮灌注系统通过所述高液面监测装置411和所述低液面监测装置412和控制程序可以自动控制液氮的灌注。维持液氮液面在低液面和高液面之间以保证系统液氮液面一直运行在安全范围内。

请参见图5-6，在其中一个实施例中，所述臭氧提纯装置10还包括防爆箱500。所述冷媒容纳装置400设置于所述防爆箱500内部。所述防爆箱500可以防止在所述冷媒容纳装置400爆炸后向环境飞溅对外界造成伤害。所述防爆箱500设置有气体逃逸通道510。所述气体逃逸通道510直接连接到尾气排出管道。尾气排出管道可以与所述防爆箱500内部连通。因此所述气体逃逸通道510可以避免外部水蒸气和空气进入防爆箱500内部造成水汽凝结，同时可以维持内外大气压的均衡。

所述防爆箱500正面还可以包括依次设置的前盖板521、防爆玻璃522、压板523、主体密封圈524。所述前盖板521还可以包括用以控制所述臭氧提纯装置20工作的控制单元550，用以报警的报警指示灯533。所述防爆箱500的侧壁可以包括液氮入口接口525、臭氧入口接口526、臭氧出口接口527、压力计接口528、液面监测接口529、冷凝器电极接口530、led灯接口531、液氮入口540。所述防爆箱500的底部还设置有用以固定所述防爆箱500的防盗箱固定件532。

本发明实施例还提供一种臭氧提纯系统30。所述臭氧提纯系统30包括臭氧发生装置600、以及所述的臭氧提纯装置10。所述臭氧分离装置20与所述臭氧发生装置600连接。所述臭氧发生装置600产生的臭氧和氧气的混合气体可以通过所述第一入口110和和所述第二入口310进入所述螺旋管300。所述臭氧和氧气的混合物在所述螺旋管300中分离后，液化臭氧收集在所述储液槽130中，氧气通过所述第二出口320进入所述冷凝管100的腔体中，并向远离所述冷凝管100的方向运动，然后通过所述第一出口120排出所述冷凝管100。

所述臭氧发生装置600可以采用的是vcr密封的工业用臭氧发生器。所述臭氧发生器能够达到超高真空的密封，可以保障臭氧纯度。臭氧系统电子控制单元550可以以plc为核心，主要由精密直流源、真空规、气动阀及安全防护电路组成。智能控制程式能够读取温度、压力等参量，根据使用者在触控式萤幕上设置的控制模式与参数运行。所述臭氧发生器加入了诸多安全机制，确保系统的安全和稳定。

所述臭氧提纯系统30还可以包括臭氧系统气路。所述臭氧系统气路包含管路、机械泵、阀门等。所述臭氧提纯系统30可以提供对于氧气、氮气、臭氧等的气路控制和安全保护的功能。

本发明实施例还提供一种利用所述臭氧提纯系统30提纯臭氧的方法，包括以下步骤：

s110，将所述臭氧分离装置20浸泡于盛有液氮的所述冷媒容纳装置400；

s120，通过所述加热单元330对所述冷凝管100加热，使所述冷凝管100升温至氧气沸点与所述臭氧沸点中间的温度；

s130，将臭氧和氧气的混合气体通入所述冷凝管100进行分离。

将所述臭氧分离装置20浸泡于盛有液氮的所述冷媒容纳装置400可以使所述臭氧分离装置20的温度达液氮的温度。需要分离所述臭氧和氧气的混合气体时，可以通过所述加热单元330对所述冷凝管100加热，使得使所述冷凝管100升温至氧气沸点与所述臭氧沸点中间的温度，在上述温度区间，气态的臭氧可以冷凝为液态臭氧。氧气的沸点低于臭氧的沸点，氧气仍然保持气态。因此将臭氧和氧气的混合气体通入所述冷凝管100进行分离，可以将臭氧留在所述臭氧分离装置20中，氧气从所述臭氧分离装置20中排出。达到高效提纯臭氧的目的。

在步骤120中，可以调节所述冷凝管100的温度在-111℃、-183℃之间。优选地，所述冷凝管100的温度控制在-140℃至-150℃时，臭氧和氧气的分离效果最好。

在步骤s130中，臭氧液化后收集在所述储液槽130中。所述氧气从所述第二出口320输出并通过所述冷凝管100的腔体从所述第一出口120排出。在其中一个实施例中，所述第一出口120可以与抽气泵连接。进一步地，所述混合气体可以通过所述臭氧发生装置600高压放电获得。

将臭氧和氧气的混合气体通入所述冷凝管进行分离的过程中，所述测温单元340可以实时监测所述套管内部的温度以反馈控制所述加热单元330的加热温度。

所述防爆监测装置350可以与臭氧发生装置600连接并互锁。若所述套管200内部发生故障，所述防爆监测装置350向所述臭氧发生装置600发出信号使所述臭氧发生装置600停止工作。

在步骤s130中，所述液面监测控制装置410可以实时监测所述冷媒容纳装置400中的冷媒量：

所述臭氧提纯系统还包括温控监测表。通过所述温控监测表设置温度上限值和温度下限值；

当所述高液面监测装置411监测到的温度为温度下限值时，发出信号停止冷媒灌注系统向所述冷媒容纳装置400注入冷媒；

当所述低液面监测装置412监测到的温度为温度上限值时，发出信号开启自动冷媒灌注系统，开始向所述冷媒容纳装置400注入冷媒。

所述臭氧和氧气的混合气体分离后，停止所述加热单元330加热，将所述冷凝管100的温度重新调回冷媒的温度以安全储存冷媒。

使用提纯后的臭氧时，通过所述加热单元330加热，使所述冷凝管100的温度到臭氧沸点以上，液态臭氧变为气态臭氧，通过所述第一出口120向外界设备输出。在使用所述臭氧之前，可以通过设置于所述臭氧提纯装置20的条形观察框直观地观察收集臭氧的量。优选地，可以通过控制控制温度的高低以及阀门可以精确稳定地控制臭氧的供应量。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。