用于密闭腔体的空气干燥装置及控制方法与流程

本发明属于防潮设备技术领域，具体涉及一种用于密封腔体的空气干燥装置及控制方法。

背景技术：

在3d打印行业，塑料耗材熔融前需要先让其处于干燥状态。未经干燥的塑料原料直接用于打印会出现气泡孔，部分塑料甚至会产生分解，导致机械性能下降，严重影响成型的效果。

对于多数塑料材料来说，要确保塑料原料中的含水量在可接受的范围，一般至少需要环境湿度保持700ppm以下，并最好能将湿度控制在100ppm以内（100ppm对应25℃环境温度下相对湿度约为0.41%）。而目前普通防潮箱内的干燥装置均不具备这样的干燥能力。

在3d打印行业，为保证耗材在运输过程中不会受潮，厂商会将耗材干燥后，密封保存，并在其中置入干燥剂。但目前多数打印机均不具备除湿能力，当打印耗材拆封并安装到料架上后，其就一直曝露在潮湿的空气之中，加之3d打印成型时间较长，因此打印耗材会在数小时内就吸湿受潮。为解决耗材在打印过程中易受潮的问题，polymaker公司推出了小型打印耗材干燥存储箱polybox，该存储箱提供一个密封腔体，存放打印耗材，并在密封腔体内置入干燥剂袋。使其保持干燥。这种干燥箱结构简单、成本低，但需要定期手工更换干燥剂，使用麻烦。而且其产品资料介绍仅能将相对湿度控制在15%以下，打印耗材在该湿度下长时间存放同样会受潮。

在工业3d打印机方面，美国stratasys公司推出的fortus系列3d打印机则装备有内设干燥剂的全密封耗材盒以及采用无热再生干燥原理的干燥机向耗材管中持续输送湿度不超过120ppm的干燥气体，以确保打印耗材全程处于干燥状态。其在公告号为cn1216726c的发明专利《丝料盒及装载系统》中公布了详细的技术方案。该方案解决了耗材受潮的问题。但由于其耗材盒中干燥剂为一次性使用，耗材盒无法让其再生，因此其存放时长取决于盒体的密封效果，存在干燥有效期问题，当耗材用尽重新装填耗材后，也需要同时更换干燥剂；同时，无热再生原理的干燥机也必须依赖于压缩气源。而当前多数3d打印机均不配置有压缩机，因此不便于采用该方案。

现有技术中，常规用于密闭腔体的空气干燥装置大致分为两大类，一类是冷冻式除湿机，利用压缩机或者半导体制冷片降低空气温度，使其中的水分冷凝并排出。申请号为cn200620058956.8的实用新型专利《电子防潮箱》就是采用这种方式，冷凝方式除湿一般只能将空气干燥至露点温度0℃左右（对应25℃环境温度下相对湿度约为24%）。

另一类是通过可再生式干燥剂吸湿，后通过加热的方式进行再生。申请号为cn201220293780.x的实用新型专利《可实现快速开关门的防潮箱用除湿主机》即采用这种方式，按该专利文档中的描述，其通过让干燥剂交替工作在吸湿与再生状态，实现将防潮箱内的水分排出箱外。通过具有温度特性的记忆合金来切换干燥剂与防潮箱内部或外部连接。这种方式的缺点在于：首先，记忆合金的动作与温度相关，动作具有较大的滞后性，不能及时打开或关闭，这就导致刚开始再生时会有少量水分排入防潮箱内部，完成再生后干燥剂也会因温度降低吸收少量外界的水分；其次，干燥剂的吸湿过程是间断的，从而造成防潮箱内的湿度波动。

市面上采用这两类技术方案的防潮箱能够实现的最低湿度通常在20%rh左右。这两类技术方案均无法达到3d打印耗材存储要求的湿度范围。

现有技术中，还有另一类干燥装置，可以持续向外界提供经充分干燥的空气。这一类干燥装置从再生原理上可分为两大类，一是通过加热再生，二是通过压力差实现再生（通常也叫无热再生）。两种技术均能提供湿度在100ppm至10ppm的干燥空气，实现较为理想的干燥效果。这两类干燥器均通过气泵或鼓风机作为气源，干燥装置能提供的最大气流量与其自身体积成正比，如果需要能快速使腔体空间内充满干燥气体，就需要干燥装置能提供比较大的气流量。这导致干燥装置的体积要数倍甚至数十倍于腔体空间。因此这类结构并不适用于对密闭腔体进行干燥。

从以上分析可以看出，当前3d打印行业亟需一种能够将耗材存储空间中水分控制在极低水平，且便于使用的空气干燥装置。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于密闭腔体的空气干燥装置，通过采用多组干燥组件交替循环对密闭腔体内的空气进行干燥，干燥盒吸湿一定时间后切换到腔外空间加热再生，使腔体内空气中含水量控制在极低水平，从而使得放置于腔体内的物品不会吸水受潮。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提出一种用于密闭腔体的空气干燥装置，包括至少两组干燥组件，并且各组干燥组件之间相互独立。每组所述干燥组件中均包含装有干燥剂的干燥盒，用于加热干燥盒的加热装置，以及可以切换干燥盒连接腔外空间或是腔内空间的切换机构。这里所述的干燥剂是可以通过加热使其再生的干燥剂。通过至少两组干燥组件交替对腔内空间进行干燥，使得密闭腔体内部能够被持续地干燥。

所述切换机构需要能够快速切换干燥盒的连接状态，以防止在切换过程中腔体外部的潮湿空气进入到腔体内部。切换机构的动力源可以为电机、电磁铁或者气压缸、液压缸等，由于气压缸、液压缸需要有气泵、油泵支持才能正常工作，采用电机或电磁铁驱动切换机构为优选方案，而电磁铁动作行程短，因此采用电机特别是具有大扭矩的减速电机或步进电机为最优选择。其次切换机构还需要保证干燥盒与腔内空间或腔外空间断开连接时两者之间密封良好，切换机构中可设有密封条或密封圈之类的密封部件，增强密封效果。

在一些简化应用中，加热装置可以选用具有正温度系数的ptc陶瓷加热片。依靠其自身电阻随温度升高而增加的特性，可以在不依赖于其他反馈元件的条件下，使加热的目标温度维持在大致的温度区间内。不过无反馈加热时能达到的最高温度以及升温所需的时间受外部环境因素变化影响较大，并且后半段加热升温慢，易导致干燥盒内干燥剂再生不充分。此外，没有温度反馈也无法精确判断出冷却过程是否已经结束。因此优选在所述干燥装置中设有可检测干燥盒内部温度的温度传感器，以使得可以精确控制干燥器内部的温度，提高干燥剂的再生效果。

优选地，当需要干燥的空间较小时，可以采用单开口的干燥盒，吸湿时，切换机构将干燥盒与腔内空间连接，干燥盒静置于腔体内，经过一段时间腔内空间中的水分就会被干燥盒吸收。因为干燥盒仅具有单侧开口，切换机构只需要切换一个开口的连接状态，因此干燥组件结构简单。但单侧开口结构无法形成贯穿干燥盒的气流通道，因此干燥效率不高，只适用于较小的腔体空间。

当需要干燥的空间较大，或者需要对腔体内空间进行迅速干燥时，可将干燥盒设计为双侧开口，并在其中一侧开口对应的通道上设置风扇，强制使气流大量并快速地从一侧开口流入并贯穿干燥盒，并从另一侧开口流出，从而使得腔体内整体的干燥速度加快。常见的风扇有轴流式风扇和离心式风扇两种，轴流式风扇结构紧凑，方便安装，但其能产生的风压要明显小于离心式风扇，而要使气流快速贯穿干燥盒，风压则是越大越好，因此本发明中优选采用离心式风扇。

需要说明的是，这里理论上也可以采用气泵进行强制换气，同时气泵能够产生的气压也较离心风扇要高出很多，但是由于同等尺寸时气泵能够产生的风量要远小于风扇，并且噪音较大，也不适合长时间连续工作，因此采用气泵强制换气并非优选方案。

本发明中，干燥剂通过加热实现再生，因此在再生状态时，干燥盒的温度会很高，按干燥剂类型的不同，通常加热再生温度会在100℃到300℃之间。这就导致干燥盒的空气流出通道上也会有非常高的温度，如果必须要将风扇安装于该通道上的话，则必须采用耐高温风扇。因此，将风扇安装于空气流入通道之上是更好的选择。

当干燥剂再生完成后，需要在其温度降下来之前就将干燥盒与腔外空间断开连接，以防止干燥剂再次受潮。而如果此时就将干燥盒与腔内空间相连接，会给腔内空间的温度造成一定的扰动，在一些应用中这种温度扰动是不可接受的。优选地，所述切换机构除了可以使干燥盒与腔内或腔外空间相连外，还可以使干燥盒与腔外、腔内空间均断开连接。待干燥盒冷却至一定温度后，再使其与腔内空间相连，进入吸湿状态。

提出一种用于上述密闭空间空气干燥装置的控制方法，每组干燥组件循环工作于吸湿、加热再生、冷却三种状态，并且每一时刻至少有一组干燥组件处于吸湿状态，以确保腔内空间的吸湿过程是不间断的。每一组干燥组件的操作方法均相同，吸湿状态下，控制切换机构使干燥盒与腔内空间连接，对于使用具有双侧开口干燥盒方案的干燥装置，同时开启其通道上的风扇；持续一段时间后转入加热再生阶段，控制切换机构使干燥盒与腔外空间连接，同时开启加热装置对干燥盒进行加热，使干燥盒升温至再生温度，并维持在再生温度直至干燥剂再生完成；此后转入冷却阶段，控制切换机构使干燥盒与腔外空间断开连接，并控制加热装置停止加热，使干燥盒降温冷却；待干燥盒内部温度降至指定温度以下后再次转入吸湿状态。

在干燥剂吸湿后，过快的加热速度易致使干燥剂破裂，缩短干燥剂的使用寿命，因此需在加热时控制加热装置按设定的升温速率对干燥盒进行加热。所述升温速率不超过15℃/分钟，并优选升温速率不超过10℃/分钟。

在干燥装置硬件支持的情况下，优选在冷却状态时，控制切换机构使干燥盒与腔外空间及腔内空间均断开连接，以避免干燥盒冷却过程释放的热量对腔内空间温度造成扰动。

与现有技术相比，本发明所提出的用于密闭腔体的空气干燥装置利用两组或以上干燥组件循环对密闭空间进行持续干燥；同时采用电机、电磁铁等驱动的主动式切换机构，可以快速实现干燥盒连接状态的切换，使得在切换过程中扩散进腔内的水分几乎可以忽略，从而使得本发明可以实现将密闭腔体内的水分控制在极低的水平。采用本发明所提出的干燥装置，可以将腔体内空气的湿度控制在100ppm以下，选择合适的干燥剂以及密封良好的腔体甚至可以实现低于10ppm的深度干燥状态。该方案将目前防潮箱的干燥能力提升了一个数量级以上，满足了诸如3d打印耗材存放等需要严格控制水分的应用需求。

附图说明

图1为采用单侧开口干燥盒的干燥装置实施例内部结构剖视图。

图2为采用双侧开口干燥盒的干燥装置实施例的结构示意图。

图3为采用双侧开口干燥盒的干燥装置实施例内部结构剖视图。

图4为采用双侧开口干燥盒的干燥装置实施例内部结构三维透视图。

图5为采用双侧开口干燥盒的干燥装置实施例中干燥盒的爆炸视图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明用于密闭腔体的空气干燥装置及控制方法做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

用于密闭腔体的空气干燥装置实施例：

图1展示的是采用单侧开口干燥盒的干燥装置的实施例结构示意图。如图1所示，所述空气干燥装置中包含两个干燥盒，分别是第一干燥盒21以及第二干燥盒22。第一干燥盒21与其内部的加热棒211、温度传感器212、填充的干燥剂213以及对应的切换机构（图中未示出）构成第一干燥组件。同样的，第二干燥盒22与其内部的加热棒221、温度传感器222、填充的干燥剂223以及对应的切换机构构成第二干燥组件。本实施例中采用的干燥剂是分子筛与活性氧化铝的混合体。

由于第一干燥组件与第二干燥组件具有相同的结构，这里以第一干燥组件为例，说明其工作原理。第一干燥盒21的一侧为多孔结构，另一侧为封闭结构，在第一干燥盒21的内部安装有加热棒211以及温度传感器212。通过加热棒211以及温度传感器212，可以精确地对第一干燥盒21进行加热。受热后，干燥剂213中吸收的水分会逐步排出，实现干燥剂再生。

干燥盒21安装于固定块13上，干燥盒21与固定块13之间设有密封圈131。由于干燥盒再生时温度较高，这里选用耐高温的氟橡胶密封圈。干燥盒21连接有切换机构。在切换机构的驱动下干燥盒21可绕自身中轴线转动。本实施例中切换机构为减速电机。

当干燥盒21工作于吸湿状态时，切换机构驱动干燥盒21转动，使其多孔结构一侧完全置入腔内空间12之中。由于腔体内部空气分子的扩散运动，腔体内部的水分会逐渐被吸入干燥剂内，从而实现对腔体内空气的干燥。

在干燥剂吸湿一段时间后，需要使其再生，以防止干燥剂饱和失去干燥作用。此时切换机构转动干燥盒21，使其多孔结构一侧完全置入腔外空间11之中。之后控制加热棒211对其进行加热。使干燥盒升温至再生温度，并维持一段时间，使其中的水分充分排空。

完成再生后，切换机构再次转动干燥盒，使其多孔结构一侧完全置入腔内空间12中，同时停止加热，使其在腔内空间12中冷却。温度降低后，干燥剂213逐渐恢复吸湿能力，并再次转入吸湿状态。

如图1所示，其中第一干燥盒21的多孔结构一侧置于腔内空间中，第一干燥组件处于吸湿状态，第二干燥盒22的多孔结构一侧置于腔外空间11中，第二干燥组件处于再生状态。

上述实施例中包含两组干燥组件，控制两组干燥组件交替再生，每一时刻至少有一个干燥盒处于吸湿状态，以保证腔体内的干燥过程是连续的。本实施例结构简单，实现成本低，但吸湿过程完全依靠空气分子的扩散运动，干燥速度较慢，因此比较适合于小尺寸腔体结构。

为了提高干燥盒的吸湿速度，可以将干燥盒设计为双开口结构，并通过风扇使腔内的空气循环通过干燥盒。图2展示的是采用双侧开口干燥盒的干燥装置的其中一组干燥组件的结构示意图，图3展示的是该干燥组件的剖视图。从图中可以看出，干燥盒31可以通过腔外入风阀门34以及腔外出风阀门32与腔外空间11连接；同时还可以通过腔内入风阀门35以及腔内出风阀门33与腔内空间12连接。上述4个阀门共同构成了该干燥组件的切换机构。

腔外入风阀门34与腔外出风阀门32为腔外连接阀门，腔内入风阀门35与腔内出风阀门33为腔内连接阀门。为了保证腔外空间11不与腔内空间12直接连通，腔外连接阀门与腔内连接阀门不可以同时打开。

离心风扇36设置于干燥盒31下方，用于强制使入风阀门吸入的空气贯穿干燥盒31，并从出风阀门排出。由于干燥盒31再生时会加热，且温度很高，因此将离心风扇36设置于干燥盒31的入风通道上，以避免高温对风扇的影响。

图4为具有两组干燥组件的干燥装置内部结构的三维透视图。两组干燥组件交替进行再生，每一时刻均有干燥组件处于吸湿状态，使得腔内空间的吸湿过程是不间断的，以避免造成湿度波动。

本实施例的阀门采用的是蝶阀结构，该结构具有良好的密封效果以及大通量小体积的特点。以腔内出风阀门33为例，阀门的阀杆通过连轴器连接于减速电机331上，减速电机331驱动腔内出风阀门33实现开启和关闭。

图5展示的是干燥盒31的内部结构。干燥盒31由两片侧壳314以及上下各一片多孔盖板315组成。两片多孔盖板315上的多孔结构让气流可以穿过干燥盒。在干燥盒内部设有加热块313，加热块313采用金属材质，具有很好的导热性。为了使干燥盒内部能够被均匀地加热，在加热块313上设置有多片散热鳍片。加热块313内设有加热棒311以及温度传感器312。加热棒311通过加热块313上的鳍片结构均匀地加热干燥盒内的干燥剂。

用于密闭腔体空气干燥装置的控制方法实施例：

本实施例以采用双侧开口干燥盒的干燥装置为例，说明其控制方法。该干燥装置具有两组结构完全相同的干燥组件，下面以其中一组干燥组件为例说明其工作过程。每组干燥组件的工作过程均分为3个状态，分别是吸湿状态、加热再生状态以及冷却状态。

初始时，干燥盒中的干燥剂处于干燥状态，控制关闭该干燥组件中的腔外入风阀门34与腔外出风阀门32，并打开腔内入风阀门35与腔内出风阀门33，使干燥盒与腔内空间连接。同时，打开离心风扇36，强制腔体内的空气贯穿流过干燥盒31。干燥剂吸收腔内空气中的水分，处于吸湿状态。

一段时间之后，干燥剂吸入了一定水分并趋于饱和，需要对干燥剂进行加热再生，控制关闭腔内入风阀门35与腔内出风阀门33，并打开腔外入风阀门34与腔外出风阀门32。同时控制加热装置对干燥盒31进行加热，使干燥盒31进入加热再生状态。加热时通过干燥盒中温度传感器的反馈，控制干燥盒的升温速率，使其匀速升温且升温速率控制在8℃/分钟。本实施例中采用活性氧化铝和分子筛两种干燥剂的混合体作干燥剂，再生温度设置为220℃。当干燥盒温度达到再生温度后，控制使其温度维持在再生温度2小时，以使其充分再生。

完成再生后，干燥组件转入冷却阶段。在转入冷却阶段时首先需要将腔外入风阀门34以及腔外出风阀门35完全关闭，以避免在降温过程中，干燥剂再次从外界吸入水分。为了防止干燥盒31内的热空气进入到腔体内部对腔体内的温度造成扰动，在整个冷却阶段也同时关闭入风阀门35与腔内出风阀门33。

当干燥盒31内的温度降低至50℃以下时，冷却状态结束。干燥组件再次转到吸湿状态，并开始新一轮循环。

干燥装置中的两组干燥组件交替工作，当第一干燥组件处于吸湿状态时，第二干燥组件完成加热再生与冷却。第二干燥组件完成冷却并再次转入到吸湿状态后，第一干燥组件进行加热再生与冷却。两组干燥组件轮流交替处于吸湿状态，便可使密闭腔体内的吸湿过程持续不断。

以上是具有两组干燥组件的干燥装置的控制方法，当干燥组件数量为三组或更多时，只需要控制好各干燥组件之间的状态交替顺序，使得每一时刻均至少有一组干燥组件处于吸湿状态。例如，当干燥组件数量为三组时，可以采用一组吸湿、一组再生，还有一组冷却的状态交替顺序，或者两组吸湿，一组加热再生及冷却的顺序。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。