CN108233227A - 一种具有良好除湿效果的电柜除湿器 - Google Patents

一种具有良好除湿效果的电柜除湿器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，包括：壳体、设于壳体内的冷凝组件、加热器、温湿度传感器以及风扇；所述冷凝组件、加热器、温湿度传感器、风扇均与控制模块相连；所述冷凝组件与加热器的散热片相连；所述温湿度传感器包括温度传感器和湿度传感器；其中所述的湿度传感器基于氧化锆复合材料，该湿敏传感器为电阻式，包括硅片衬底，在硅片衬底上设有WO3薄膜，WO3薄膜之上设有插指电极，并且在WO3薄膜之上、插指电极四周设有ZrO2薄膜，在插指电极和ZrO2薄膜之上设有CeO2薄膜。

Description

一种具有良好除湿效果的电柜除湿器
技术领域
本发明涉及变电站电柜除湿领域，尤其涉及一种具有良好除湿效果的电柜除湿器。
背景技术
变电站电柜包括：高压、低压配电柜，是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用。
目前国内电柜使用的除湿装置一般都是加热法除湿，排水型除湿法也有，但是还未得到推广。
加热除湿的主要原理是提高空气温度可以增加空气的吸湿量，提高箱内设备的干燥度。这时降低的是箱内的相对湿度，但不能降低空气的绝对含湿量，在绝对含湿量不变的情况下，如果湿空气被冷却(昼夜温差或加热器退出)，柜内的相对湿度就会上升并达到饱和，温度继续下降，这是就会产生凝露凝结在设备表面，破坏绝缘，发生闪络、短路或击窜现象，影响电网的安全运行。
排水除湿法是通过液化装置，制造一个冷凝面，使空气中的水汽在冷凝面上变成液态水然后，通过特定的结构排出箱外，因而排水除湿法无法解决柜内已经形成的凝露问题。
如何解决电柜内的凝露问题，并预防再次凝露，是本领域所要解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，包括：壳体，还包括：设于壳体内的冷凝组件、加热器、温湿度传感器以及风扇；所述冷凝组件、加热器、温湿度传感器、风扇均与控制模块相连；所述冷凝组件与加热器的散热片相连；所述温湿度传感器包括温度传感器和湿度传感器；其中所述的湿度传感器基于氧化锆复合材料，该湿敏传感器为电阻式，包括硅片衬底，在硅片衬底上设有WO3薄膜，WO3薄膜之上设有插指电极，并且在WO3薄膜之上、插指电极四周设有ZrO2薄膜，在插指电极和ZrO2薄膜之上设有CeO2薄膜。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明所述的电柜除湿器通过加热法和冷凝法相互配合除湿，除湿彻底，而且能够快速解决凝露问题，并通过自动化控制预防再次凝露，有效的保障了电气设备因凝露产生的安全问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明电柜除湿器的结构示意图。
图2是本发明所述的湿度传感器的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的实施例涉及一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，如图1，本实施例的电柜除湿器包括：壳体1，设于壳体1内的冷凝组件2、加热器3、控制模块4、温湿度传感器以及风扇5。
所述冷凝组件2、加热器3、温湿度传感器、风扇5均与控制模块4相连。
所述冷凝组件2与加热器3的散热片相连，以在加热器停止工作，且冷凝组件开始制冷时，便于快速冷却散热片，以利用散热片扩大冷凝面，利于快速冷凝。
上述电柜除湿器的除湿方法，包括如下步骤：
(1)先通过加热器3将电柜内的空气升温至预设温度，以气化电柜中的凝露；
(2)然后停止加热，并开启冷凝组件2将电柜内水汽液化排出。
具体实施时，当控制模块4通过温湿度传感器监测到柜内环境湿度高于设定除湿阀值时，先控制风扇5和加热器3开始工作，风扇5将加热器3上的热量迅速扩散到柜内，使柜内温度上升，气化电柜内的凝露；当达到设定温度(例如：50-60℃)时，控制模块4控制加热器3停止工作，控制冷凝组件2开始工作，并控制风扇5间歇工作或减速旋转，以利于电柜中的气体加速流动，增加水汽与冷凝组件2的接触机会，在提高冷凝效果的同时，防止风流快速使凝露蒸发，使冷凝效果达到最佳；对柜内空气中的水汽在冷凝组件2上进行液化，然后从冷凝组件2一侧底部的排液通道排出柜外；当控制模块4监测到柜内环境湿度低于设定除湿阀值(具体参数可根据实际需要确定)时，冷凝组件2与风扇5就停止工作。
所述风扇5在减速旋转时，其转速是加热器3工作时转速的40-60％。
所述的温湿度传感器包括温度传感器和湿度传感器；其中所述的湿度传感器基于氧化锆复合材料，其结构如图2所示，该湿敏传感器为电阻式，包括硅片衬底11，在硅片衬底11上设有WO3薄膜12，WO3薄膜12之上设有插指电极13，该插指电极13是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的，并且在WO3薄膜12之上、插指电极13四周设有ZrO2薄膜14，在插指电极13和ZrO2薄膜14之上设有CeO2薄膜15，即，在WO3薄膜12和CeO2薄膜15之间设有插指电极13和ZrO2薄膜14；这样使得该插指电极13能够同时接触WO3薄膜12、CeO2薄膜15和ZrO2薄膜14。
本发明技术方案中，创造性的在插指电极四周设有ZrO2薄膜，然后在插指电极和ZrO2薄膜上、下设有WO3薄膜和CeO2薄膜，然后经过烧结，上述各物质能够同时作用于插指电极并反馈湿度信息，取得了意料不到的技术效果，使得该湿敏传感器的响应恢复速度大大提高，并提高了重复使用的稳定性。
氧化锆是一种弱酸性氧化物，其化学性质比较稳定，对碱溶液以及许多酸溶液都具有足够的稳定性，经煅烧后的氧化锆由其稳定。ZrO2与其它物质复合会在不同条件下对电、声、光、气、温度和水汽等展开敏感特性，因此，复合的ZrO2被广泛用于电子陶瓷和功能陶瓷等领域中，主要有电压元件、滤波器、超声波振荡器、蜂鸣器及气体传感器、温度传感器等敏感元件，但是其在湿度传感器方面应用较少。目前基于ZrO2薄膜的湿度传感器已经被开发，如在ZrO2湿敏压片中掺入8mol％Y2O3作稳定剂，同时在压片同一平面上印刷三个Pt电极，将ZrO2湿敏压片在1500℃下煅烧后形成湿敏传感器。然而，现有技术中，如上述的基于ZrO2薄膜的湿敏传感器存在着响应恢复速度较慢、稳定性较差等缺点。
具体的，本发明湿度传感器通过上述结构，使得本发明所述湿度传感器具有较快的响应恢复速度及稳定性，能够适应电柜中快速响应的要求。
该湿度传感器中，硅片衬底经过了热氧化，氧化炉内的温度为1200℃，氧化时间为3h，氧化后，氧化膜厚度为2μm。
该湿度传感器中，所述的WO3薄膜为采用磁控溅射法制备，将热氧化后的硅片放入磁控溅射设备中，抽真空至一定压强，然后采用W靶为溅射源，这样W与设备中残留的氧气反应，生成WO3薄膜，控制该WO3薄膜的厚度为5μm。
优选地，在WO3薄膜中掺杂有Sn，掺杂量为4wt.％。掺杂有Sn的WO3薄膜的存在取得了意料不到的技术效果，WO3薄膜的作用一是提供应力支持，防止高温煅烧后插指电极和ZrO2薄膜出现严重的龟裂现象，此外，重要的是，该WO3薄膜作为一种敏感材料，经过与ZrO2薄膜煅烧结合，能够表现为对水汽的快速响应，提高湿敏传感器的响应速度。
该湿度传感器中，所述的插指电极通过IC工艺流程中lift-off技术实现：
1)将上述制备有WO3薄膜的硅片清洗；
清洗的目的是去除硅片表面所有污染物，包括磁控溅射后的金属离子、固体颗粒及有机杂质等，将硅片先后放入丙酮、乙醇、去例子水溶液中，分别超声清洗20min，然后放入由体积比1:1:3的氨水、双氧水、去离子水构成的清洗液中，煮沸15min后，再用去离子水冲洗5min，用氮气吹干；
2)光刻与显影
涂胶，将清洗后的硅片用氮气吹干，用匀胶机在硅片表面旋涂光刻胶；
前烘，将旋涂有光刻胶的硅片放在热板上在110℃下烘干5min；
曝光，用叉指电极的掩模版覆盖在硅片上，将硅片放在曝光机上使得光刻胶曝光；
显影，将硅片在显影液中放置一段时间，使得硅片上的光刻胶呈现插指电极掩模版的图形；
后烘，后烘温度为90℃，烘干时间为3min；
3)溅射
采用磁控溅射插指电极，本发明技术方案中，该插指电极采用Pt电极，插指电极厚度为1μm；
4)剥离
溅射完成后，由于未曝光区域还有一层光刻胶，将硅片放置在丙酮溶液中，随着光刻胶的脱落，其上覆盖的金属液脱落，最后剩下插指电极图案，然后用丙酮、乙醇冲洗干净。
插指电极的制作采用IC工艺流程，所用到的设备如下表1：
表1所用到的设备
仪器名称 型号规格 厂家 国别 功能
氧化扩散炉 BGJ-3 13所 中国 氧化硅片
匀胶机 Suss Delta 80T SUSS 德国 旋涂光刻胶
光刻机 MA6 SUSS 德国 光刻
磁控溅射台 LAB-18 Kurt J.Lesker 美国 磁控溅射
该湿度传感器中，所述的ZrO2薄膜中掺杂有Fe，掺杂量为7wt.％，其采用溶胶-凝胶法制备：将5g的ZrOCl2·8H2O放入30ml乙醇中，然后加入适量的FeCl3，在50℃水浴中强烈搅拌80h后，得到掺杂有Fe的ZrO2溶胶，然后利用匀胶机将该ZrO2溶胶旋涂在硅片上，旋涂结束后，将该硅片放在70℃热板上，烘8min，如此反复几次，使得该ZrO2溶胶厚度为1μm，即该ZrO2溶胶被设置在插值电极四周。通过在ZrO2薄膜中掺杂Fe元素，产生了意料不到的技术效果，使得该ZrO2薄膜的湿敏灵敏度大大提高，同时响应恢复速度大大提高。
该湿度传感器中，所述的CeO2薄膜的厚度为1μm，该CeO2薄膜中掺杂有Cu，掺杂量为16wt.％，制备过程为：称取适量的硝酸铈、氯化铜，将其混合均匀，在研钵中研磨半小时，然后将混合物放置在石英舟中，放入管式炉中，在650℃下加热20h，自然冷却至室温，得到掺有Cu的CeO2粉末，然后再将其与适量乙醇混合，研磨3h，得到浆料，将该浆料涂覆在硅片的插指电极和ZrO2溶胶上。
进而，将湿度传感器进行热处理，过程为：将该硅片放入管式炉中，设置升温速度为6℃/min，在760℃下煅烧10h，连接引线后得到所述的湿敏传感器。
上述的烧结过程，能够使得ZrO2薄膜、CeO2薄膜形成晶体，此外，该烧结过程还使得ZrO2薄膜、CeO2薄膜具有多孔结构，有利于水汽的进入，增大了水汽与敏感材料的接触面积；同时，由于ZrO2薄膜与CeO2薄膜和WO3薄膜接触，经过煅烧处理后，产生了意料不到的技术效果，使得上述物质的结合处相互渗透、进而产生一种复杂的晶相，能够对湿度表现快速的响应速度，并且该结合处由于受到薄膜的保护，使得所述湿敏传感器表现良好的稳定性。
将本发明所述的湿敏传感器在湿敏元件测试系统中测量：
经过760℃下煅烧处理后，本发明所述湿度传感器灵敏度为1597kΩ·(％RH)-1；响应恢复时间分别为3s、50s，重复测量1000次后的灵敏度变化量小于2％。
通过上述结构，本发明所述的湿度传感器取得了意料不到的技术效果，具有良好的响应恢复参数，并且稳定性良好，适应电柜中技术要求。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，包括：壳体，其特征在于，还包括：设于壳体内的冷凝组件、加热器、温湿度传感器以及风扇；所述冷凝组件、加热器、温湿度传感器、风扇均与控制模块相连；所述冷凝组件与加热器的散热片相连；所述温湿度传感器包括温度传感器和湿度传感器；其中所述的湿度传感器基于氧化锆复合材料，该湿敏传感器为电阻式，包括硅片衬底，在硅片衬底上设有WO3薄膜，WO3薄膜之上设有插指电极，并且在WO3薄膜之上、插指电极四周设有ZrO2薄膜，在插指电极和ZrO2薄膜之上设有CeO2薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，其特征在于，所述电柜除湿器使用时，当控制模块通过温湿度传感器监测到柜内环境湿度高于设定除湿阀值时，先控制风扇和加热器开始工作，将电柜内的空气升温至预设温度，以气化电柜中的凝露；然后停止加热，并开启冷凝组件制冷，将电柜内水汽液化排出。
3.根据权利要求1所述的一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，其特征在于，该湿度传感器中，所述的硅片衬底经过了热氧化，氧化炉内的温度为1200℃，氧化时间为3h，氧化后，氧化膜厚度为2μm。
4.根据权利要求1所述的一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，其特征在于，该湿度传感器中，所述的WO3薄膜为采用磁控溅射法制备，该WO3薄膜的厚度为5μm。
5.根据权利要求4所述的一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，其特征在于，所述WO3薄膜中掺杂有Sn，掺杂量为4wt.％。
6.根据权利要求1所述的一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，其特征在于，所述的ZrO2薄膜中掺杂有Fe，掺杂量为7wt.％。
7.根据权利要求1所述的一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，其特征在于，所述的CeO2薄膜的厚度为1μm，该CeO2薄膜中掺杂有Cu，掺杂量为16wt.％。
8.根据权利要求1所述的一种具有良好除湿效果的电柜除湿器，其特征在于，所述湿敏传感器的制备过程为：
S1、热氧化硅片；
S2、磁控溅射法制备WO3薄膜；
S3、lift-off技术制备插指电极；
S4、溶胶-凝胶法制备ZrO2薄膜；
S5、制备CeO2薄膜；
S6、将硅片放入管式炉中，设置升温速度为6℃/min，在760℃下煅烧10h，连接引线后得到所述的湿敏传感器。
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