DE3507886A1 - Circuit arrangement for operating an RF ozone generator - Google Patents

Abstract

The invention relates to a circuit arrangement for operating radio frequency ozone generators for generating ozone from air or oxygen by means of a silent discharge. In this case, the high-voltage transformer which supplies the discharge voltage is driven in a pulsed manner, while the output voltage is sinusoidal. Maximum ozone formation is achieved in that the inductance of the secondary coil of the transformer and the capacitance of the discharge path are matched such that the tuned circuit which is thus formed oscillates at natural resonance at the control frequency which is applied.

Description

Schaltungsanordnung zum Betreiben eines HF-Ozonisators Circuit arrangement for operating an HF ozonizer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Hochfrequenz-Ozonisators zur Ozonisierung von Luft oder Sauerstoff mittels stiller Entladung.The invention relates to a circuit arrangement for operation a high-frequency ozonizer for ozonizing air or oxygen by means of silent discharge.

Ozonisatoren, insbesondere der ,FSiemenssche Ozonisator" sind schon sehr lange bekannt. Hierbei nutzt man die Entladung zwischen zwei mit Dielektrikum abgedeckten Elektroden aus, die bei angelegtem hochgespanntem Wechselstrom entsteht. Die Elektroden können hierbei plattenförmig oder rohrförmig sein.Ozonizers, in particular the "FSiemenssche ozonizer", are already known for a long time. Here one uses the discharge between two with dielectric covered electrodes, which arise when high-voltage alternating current is applied. The electrodes can be plate-shaped or tubular.

Im Laufe der Jahre sind eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden, um einerseits den Energieverbrauch günstiger und die Ozonausbeute wirtschaftlicher zu machen. Als vorteilhaft haben sich Ozonisatoren erwiesen, die von einem Hochspannungs-Impulsgenerator angesteuert werden, und die aus einem Gasentladungsrohr mit zwei rohrförmigen, koaxial angeordenten Elektroden, deren eine mit Masse und deren andere mit der Hochspannung verbunden ist, bestehen (vgl.Over the years a multitude of suggestions have been made On the one hand, the energy consumption is cheaper and the ozone yield more economical close. Ozonizers which are operated by a high-voltage pulse generator have proven to be advantageous are controlled, and from a gas discharge tube with two tubular, coaxial arranged electrodes, one with ground and the other with the high voltage connected, exist (cf.

z.B. EP-OS 89 973).e.g. EP-OS 89 973).

Es ist nun bekannt, daß die Ozonausbeute mit der angelegten Frequenz steigt; es ist aber auch bekannt, daß die Wärmeverluste ebenfalls mit der Frequenz ansteigen. Bei der Erzeugung von Ozon mittels stiller Entladung kommt es nämlich zu starker Erhitzung der Luft bzw. des Sauerstoffs in der Entladungsstrecke. Mit zunehmender Erhitzung der Entladungsstrecke nimmt die Ozonerzeugung auch bei steigender Energiezufuhr ab. Daraus ergibt sich, daß der Kosten-Nutzen-Effekt bei der Ozonerzeugung hauptsächlich durch Verminderung des Wärmeproblems beeinflußt werden kann.It is now known that the ozone yield increases with the applied frequency increases; but it is also known that the heat losses also increase with frequency increase. It happens when ozone is generated by means of silent discharge Excessive heating of the air or the oxygen in the discharge path. With As the discharge path is heated, the ozone generation also increases as it increases Energy supply from. It follows that the cost-benefit effect in ozone production can be influenced mainly by reducing the heat problem.

Die üblichen, mit 50 Hz Sinusspannung betriebenen Ozongeneratoren benötigen andererseits zu einer zufriedenstellenden Ozonausbeute eine sehr hohe Betriebsspannung (15-30 KV) und große Gefäße mit einer der niedrigen Frequenz angepaßten großen Kapazität. Derartige Ozonisatoren sind daher auch nicht geeignet für den Einsatz zum Reinigen von z.B. Wasser eines Schwimmbades, da sie zu aufwending und zu teuer sind.The usual ozone generators operated with 50 Hz sinusoidal voltage on the other hand, require a very high ozone yield for a satisfactory ozone yield Operating voltage (15-30 KV) and large tubes with a low frequency adapted large capacity. Such ozonizers are therefore not suitable for the Use for cleaning e.g. water of a swimming pool, as it is too expensive and are too expensive.

Die impulsförmig betriebenen Ozonisatoren haben aber den Nachteil, daß wegen der Flankensteilheit die Entladung zwischen den beiden Elektroden punktförmig oder linienförmig, d.h. nicht am gesamten Umfang der zylinderförmigen Elektroden gleichmäßig verteilt erfolgt. Dieses bringt dann die Gefahr mit sich, daß an den Elektroden Einbrennlöcher entstehen können, die dann das einwandfreie Funktionieren gefährden.However, pulsed ozonizers have the disadvantage that because of the steepness of the edge, the discharge between the two electrodes is punctiform or linear, i.e. not over the entire circumference of the cylindrical electrodes evenly distributed. This then brings with it the risk that the Electrode burn-in holes can occur, which then ensure proper functioning endanger.

Wie vorstehend gesagt, benötigen niederfrequente Sinus-Ozongeneratoren eine hohe Betriebsspannung, um den aus den beiden Entladungselektroden gebildeten Kondensator zu laden; bei der sinusförmigen Spannung kann nämlich nur ein schmaler Bereich des Sinusbogens ausgenutzt werden, und zwar nur ein schmaler Bereich um das Maximum der Amplitude.As stated above, low frequency sine wave ozone generators require a high operating voltage, around the voltage formed by the two discharge electrodes Charge capacitor; in the case of sinusoidal voltage, only a narrow one can be used Area of the sinus curve can be used, and only a narrow area around the maximum of the amplitude.

Man muß also nun nach einem Mittelweg suchen, dessen Lösung sowohl hinsichtlich des Energiebedarfs, der Betriebsspannung und der Ozonausbeute optimal ist. Diese Lösung ist gemäß der Lehre des Anspruchs 1 gefunden. Sie besteht darin, die Primärseite des die Entladungsstrecke versorgenden Hochspannungstransformators impulsförmig anzusteuern, was schaltungstechnisch und energiemäßig am günstigsten ist. Durch die lose Kopplung der beiden Transformatorenspulen erhält man sekundärseitig eine hochfrequente (10 - 100 KHz) sinusförmige Spannung, die im allgemeinen ausreicht, um den Entladungsstrecken-Kondensator hinreichend schnell aufzuladen.So one must now look for a middle way, the solution of which is both optimal in terms of energy requirements, operating voltage and ozone yield is. This solution is found according to the teaching of claim 1. It consists in the primary side of the high-voltage transformer supplying the discharge path to control impulsively, which is the most favorable in terms of circuitry and energy is. The loose coupling of the two transformer coils gives the secondary side a high frequency (10-100 KHz) sinusoidal voltage that is generally sufficient in order to charge the discharge gap capacitor sufficiently quickly.

Die Ozonausbeute kann noch - bei gleicher Energiebilanz -erhöht werden, wenn man den Transformator im Gegentakt ansteuert, da dann praktisch keine Pausen zwischen den Impulsen bzw. den Sinushalbwellen auftreten.The ozone yield can still be increased with the same energy balance, if you control the transformer in push-pull mode, there are practically no breaks occur between the pulses or the sine half waves.

Durch geeignete Auswahl der Bauelemente kann man den Wirkungsgrad noch verbessern.By suitable selection of the components one can increase the efficiency still improve.

Die Figur zeigt beispielsweise eine Schaltung gemäß der Erfindung. Die Energie wird hierbei aus dem Netz entnommen und mittels des Netztransformators 1 und den beiden Schottky-Dioden 2 und 3 in Mittelpunktschaltung in eine niedrige Gleichspannung von 12 oder 24 Volt umgewandelt. Die Gleichspannung dient zur Ansteuerung des Rechteckgenerators 4, der an seinen beiden Ausgängen um 1800 versetzte Impulse liefert. Die beiden Impulszüge des Impulsgenerators 4 gelangen zu den beiden Feldeffekt-Transistoren 5 und 6, die gleich aufgebaut sind und damit abwechselnd leitend werden und somit im Gegentakt arbeiten. Die Ausgangsimpulse der Transistoren 5 und 6 gelangen zu der Primärspule 8 des Hochspannungstransformators 7 und erzeugen in der Sekundärspule 9 abwechselnd Sinushalbwellen, da die Kopplung zwischen den beiden Spulen 8 und 9 sehr lose ist; die lose Kopplung kann noch verbessert werden, wenn das Joch der Sekundärspule einen Luftspalt aufweist.The figure shows, for example, a circuit according to the invention. The energy is taken from the network and by means of the network transformer 1 and the two Schottky diodes 2 and 3 in a mid-point connection to a low one Converted to DC voltage of 12 or 24 volts. The direct voltage is used for control of the square wave generator 4, the pulses offset by 1800 at its two outputs supplies. The two pulse trains from the pulse generator 4 reach the two field effect transistors 5 and 6, which have the same structure and thus alternately become conductive and thus work in push-pull. The output pulses of transistors 5 and 6 arrive at the primary coil 8 of the high-voltage transformer 7 and generate in the secondary coil 9 alternating sine half waves, since the coupling between the two coils 8 and 9 is very loose; the loose coupling can be improved if the yoke of the Secondary coil has an air gap.

Mit 10 ist die Entladungsstrecke des Onozisators schematisch als Kondensator dargestellt.With 10, the discharge path of the Onozisators is schematically as a capacitor shown.

An der Entladungsstrecke ist in unmittelbarem Kontakt der Temperaturfühler 11 vorgesehen, der über den Temperaturregler 12 die Ansteuerung des Ozonisators abschaltet, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Wert überschreitet, und die Ansteuerung automatisch wieder einschaltet, wenn die kritische Temperatur unterschritten wird.The temperature sensor is in direct contact with the discharge path 11 is provided, which controls the ozonizer via the temperature controller 12 switches off, if the temperature exceeds a specified value, and the control automatically switches on again when the critical temperature is fallen below.

Der Induktionswert der Sekundärspule 9 und der kapazitive Wert der Entladungsstrecke 10 sind nun so aufeinander abgestimmt, daß der so gebildete Resonanzkreis bei der angelegten Steuerfrequenz in Eigenfrequenz von etwa 20 KHz schwingt und somit eine maximale Ozonausbeute gegeben ist.The induction value of the secondary coil 9 and the capacitive value of the Discharge path 10 are now coordinated so that the resonance circuit thus formed at the applied control frequency oscillates at a natural frequency of about 20 KHz and thus a maximum ozone yield is given.

Es kann nun Fälle geben, wo man nicht die maximale Ozonmenge benötigt. Derartige Fälle liegen beispielsweise bei der Ozonisierung von Schwimmbadwasser vor. Uberlicherweise wird nämlich hierbei das Wasser in ein Zwischenbecken gegeben, in das die ozonisierte Luft eingeleitet wird und dort so lange verweilt, bis es mit dem Wasser reagiert hat. Das gereinigte Wasser wird dann in das Bekken zurückgeleitet. Die Verweilzeit dauert etwa 2 bis 3 Minuten. Wenn nun die maximal erzeugte Ozonmenge beigemischt wird, kann es vorkommen, daß nicht alles Ozon in der Verweilzeit reagieren kann und somit mit dem Wasser aus dem Zwischenbecken austritt. Dies würde einerseits eine Ozonverschwendung bedeuten und könnte andererseits zu Geruchsbelästigungen führen.There can now be cases where the maximum amount of ozone is not required. Such cases are, for example, the ozonation of swimming pool water before. Usually the water is poured into an intermediate basin, in which the ozonated air is introduced and remains there until it reacted with the water. The purified water is then returned to the pool. The dwell time is about 2 to 3 minutes. If now the maximum amount of ozone generated is added, it can happen that not all of the ozone reacts in the dwell time can and thus emerges with the water from the intermediate basin. This would on the one hand mean a waste of ozone and could, on the other hand, cause unpleasant odors to lead.

Durch Verändern der Steuerfrequenz mittels des Stellgliedes 13 kann man nun die Ozonausbeute regeln, und zwar wird die Ausbeute bei Erhöhung der Frequenz niedriger, da der Resonanzkreis nicht mehr in Eigenfrequenz schwingt.By changing the control frequency by means of the actuator 13 can you can now regulate the ozone yield, namely the yield when the frequency is increased lower because the resonance circuit no longer oscillates at its natural frequency.

Dies hat auch noch den Nebeneffekt, daß man bei niedrigerem Ozonbedarf auch weniger Energie zuführen muß.This also has the side effect of reducing the need for ozone also has to supply less energy.

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Claims (2)

Patentansprüche 1) Schaltungsanordnung zum energiesparenden Betreiben von Hochfrequenz-Ozonisatoren, bestehend aus einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Rechteckimpulsen zum Ansteuern eines Hochspannungstransformators, dessen Sekundärseite mit der Entladungsstrecke des Ozonisators verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Primärwicklung (8) und die Sekundärwicklung (9) des Hochspannungstransformators (7) so angeordnet sind, daß sich eine Lose magnetische Kopplung zwischen beiden Wicklungen ergibt, und daß der Widerstand der Sekundärwicklung (9) und die Kapazität der Entladungsstrecke (Kondensator 10) so bemessen sind, daß der aus (9 und 10) bestehende Schwingkreis bei der angelegten Steuerfrequenz in Eigenresonanz schwingt. Claims 1) Circuit arrangement for energy-saving operation of high-frequency ozonizers, consisting of a circuit arrangement for generating of square-wave pulses to control a high-voltage transformer, its secondary side is connected to the discharge path of the ozonizer, which is not possible n z e i c h n e t that the primary winding (8) and the secondary winding (9) of the High-voltage transformer (7) are arranged so that there is a slack magnetic Coupling between the two windings results and that the resistance of the secondary winding (9) and the capacity of the discharge path (capacitor 10) are dimensioned so that the oscillating circuit consisting of (9 and 10) at the applied control frequency in Self-resonance vibrates. 2) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ansteuerung des Hochspannungstransformators (7) im Gegentakt erfolgt.2) Circuit arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the control of the high voltage transformer (7) is push-pull he follows.