ОСУШИТЕЛЬ ДЛЯ ШКАФОВ СУХОГО ХРАНЕНИЯ
DEHUMIDIFIER FOR DRY STORAGE CABINETS

Изобретение относится к оборудованию для эффективного хранения чувствительных к влаге электронных комплектующих, а именно, к устройствам  для снижения уровня влажности воздуха в замкнутом объеме, например, в шкафах сухого хранения (ШСХ).
Из уровня техники известны промышленные осушители, которые отличаются габаритами, производительностью и другими техническими характеристиками. Например, известен осушитель конденсационного типа, состоящий из корпуса, электродвигателя, вентилятора, теплообменника и других компонентов. В таком устройстве специальный рефрижератор обеспечивает сбор и удаление излишней влаги. Промышленные осушители имеют высокопрочный корпус и ролики для удобного перемещения в цехах, они отличаются максимальной мощностью и производительностью, при этом объем извлеченной из воздуха воды может достигать нескольких сотен литров за 24 часа работы. Сухой воздух с оптимальной температурой подается и в помещения. Такой вариант оборудования применяется в банях, саунах, цокольных и подвальных помещениях, а также при проведении ремонтов, когда есть необходимость в создании определенного микроклимата.
Известен шкаф сухого хранения SDB (патент РФ на полезную модель №94104, МПК Н05К 7/20  (2006. 01), опубл. 10.05.2010), содержащий блок осушения на базе влагопоглощающего материла «Цеолит NaA»,  вентилятор, нагревательный элемент, силовой электропривод и внешние заслонки. Устройство оснащено индикатором для отображения сервисной информации, встроенным модулем памяти для хранения статистической информации, интерфейсами для связи с персональным компьютером, а также датчиками открытых дверей, датчиками влажности, датчиками температуры и внешней сигнализацией.
Известен шкаф сухого хранения (патент РФ на полезную модель №154169, МПК Н05К 7/20, публ. 20.08.2015), содержащий внешний блок осушения на базе влагопоглощающего материла «Цеолит», с возможностью размещения вентилятора, нагревательного элемента, силового электропривода, внешних заслонок блока осушения, панели оператора, встроенного модуля памяти, интерфейсов USB, датчика открытых дверей, датчика влажности, датчика температуры и блока внешней индикации. Блок осушения монтируется снаружи шкафа сухого хранения, что повышает громоздкость конструкции.
Известен шкаф сухого хранения серии Auto DryBox (https://www.pribor.ru/npf/t_ob_html/sistemy-hraneniyakomplektacii/kak_rabotaet_shkaf_suhogo_hraneniya/) в воздухонепроницаемом исполнении с автоматическим удалением влаги. Шкафы Auto DryBox сконструированы таким образом, что внутри шкафа всегда поддерживается нормальная температура и низкая влажность заданного диапазона. Влажность удаляется автоматически при помощи модуля сушки, который работает в двух режимах, переключение между которыми происходит автоматически. Этап влагопоглощения - клапаны открыты внутрь и закрыты наружу, чтобы поглотить влажность в шкафу. Этап вытяжки влаги из шкафа - клапаны открыты наружу и закрыты внутрь, чтобы вытянуть влажность из шкафа наружу. Процесс управляется при помощи сплава с эффектом   формы и электронным таймером. Это достигается путём применения сплава с эффектом запоминания формы, то есть в модуле сушки нет электромеханических двигателей. Влагопоглотитель может использоваться многократно, что экономит электроэнергию и не требует расходных материалов в процессе эксплуатации. Серия шкафов сухого хранения Fast Super Dryer обеспечивает относительную влажность <20%RH со временем восстановления <30 минут. Однако описанная конструкция модуля сушки с двумя внешними заслонками и одной общей осью требует герметизации, что значительно усложняет конструктивное исполнение (потому и КПД таких осушителей невысокий).
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при использовании заявленного изобретения - создание эффективного  осушителя, который устанавливается внутри ШСХ и позволяющего снизить уровень относительной влажности внутри рабочего объема ШСХ до ультранизких значений.
Технический результат - повышение эффективности процесса осушения и высокая точность поддержания уровня относительной влажности ±1%RH и ниже внутри рабочего объема ШСХ.
Указанный технический результат достигается за счет конструктивного решения осушителя с эффективной компоновкой устройств и разделением пространства осушителя в области заслонок на изолированные воздушные каналы с помощью разделительной стенки, которая препятствует перетеканию влажного воздуха в ШСХ в режиме регенерации.
Заявленный осушитель содержит две регулируемые внешние и две регулируемые внутренние заслонки, блок вентиляторов, электромагниты,  блок картриджей с абсорбентом, причем внутри каждого из картриджей между панелями с абсорбентом установлен позисторный нагреватель, а электромагниты, блок вентиляторов и позисторные нагреватели связаны электрически с платой коммутации ШСХ, при этом в качестве абсорбента в осушителе используется Цеолит NaX с повышенной скоростью влагопоглощения.
Заявленное изобретение поясняется иллюстрирующими графическими материалами, на которых представлены:
Фиг.1 - условная блок-схема осушителя;
Фиг.2 - конструкция осушителя  (со снятой крышкой);
Фиг.3 - конструкция блока картриджей осушителя;
Фиг.4 - вид на электромагниты и  муфту
Фиг.5 - блок-схема циркуляции воздуха в режиме осушения;
Фиг.6 - блок-схема циркуляции воздуха в режиме циркуляции.
Конструктивные элементы и блоки заявленного осушителя с указанием позиций:
1 - корпус осушителя;
2 - элементы для крепления осушителя внутри ШСХ;
3 - внешние заслонки;
4 - внутренние заслонки;
5 - электромагниты для внешних заслонок;
6 - электромагниты для внутренних заслонок;
7 - разделяющая стенка-перегородка;
8 - блок картриджей;
9 - блок вентиляторов;
10 - подшипники заслонок;
11 - звено;
12 - тяга электромагнита;
13 - верхняя панель картриджа;
14 - нижняя панель картриджа;
15 - медная пластина блока картриджей;
16 - позисторный нагреватель;
17 - кронштейн модуля вентиляторов;
18 - муфта на корпусе.
Заявленный осушитель представляет собой конструкцию, заключенную в металлический корпус (1) с элементами (2) для крепления внутри ШСХ, с четырьмя автономными заслонками - две внешние заслонки (3) и две внутренние заслонки (4), установленные с разных сторон осушителя и изолированные друг от друга, при этом заслонки управляются каждая своим электромагнитом (5) - для внешних заслонок и (6) - для внутренних заслонок. Между внешними и внутренними заслонками в конструкции осушителя предусмотрена разделяющая стенка-перегородка (7), которая не допускает перетекания влажного воздуха через осушитель в ШСХ. Также заявленный осушитель содержит  блок картриджей (8) с абсорбентом «Цеолит NaX» и блок вентиляторов (9). Каждая из двух внешних (3) и двух внутренних заслонок (4) управляется своим электромагнитом (5) и (6) соответственно и работает независимо друг от друга. Как правило, заслонки работают следующим образом - когда пара внешних заслонок  (3) открыта – пара внутренних заслонок (4) закрыта, либо наоборот. Также все заслонки, как внутренние, так и внешние, могут быть закрыты в зависимости от режима работы осушителя. Заслонки (3), которые открывают осушитель для сообщения со внешней средой, находится в герметичном объеме относительно заслонок (4), которые открывает осушитель (при этом обычно заслонки «внешней среды» закрыты) для осушения «внутреннего пространства шкафа».
Корпус заявленного осушителя представляет собой прямоугольный металлический короб из листового металла с отверстиями на боковине и крышке. Конструкция всех четырех заслонок одинакова и состоит из непосредственно самой заслонки, изготовленной из гнутой листовой стали, приваренной к валу диаметром порядка 10 мм. Вал каждой заслонки через подшипники (10) крепится к каркасу (1) осушителя, причем каждая заслонка имеет возможность поворачиваться относительно корпуса осушителя и перекрывать отверстия, расположенные на поверхности корпуса осушителя, через которые в пространство «шкаф-внешняя среда» поступает влажный воздух. Вал каждой заслонки связан со звеном (11), которое через тягу (12) крепится к якорю одного из электромагнитов (4) или (5). Обратный ход якоря электромагнита обеспечивает возвратная пружина, установленная на якоре электромагнита, при этом для обеспечения срабатывания электромагнита подается электрический сигнал на электромагнит (от платы коммутации ШСХ).  Электромагниты установлены под углом друг к другу. Эта конструктивная особенность выполнена для того, чтобы тяга электромагнита (12) максимально двигалась прямолинейно, при этом электромагнит меньше изнашивается в месте движения якоря и усилие на нем всегда выше. В начале работы все заслонки настроены таким образом, что обе внутренние заслонки (4) открыты, а электромагниты (6) по сигналу от платы коммутации закрывают их, а обе внешние заслонки (3) по умолчанию закрыты, а электромагнит (5) по сигналу от платы коммутации открывает их.
Конструкция блока картриджей (8) представляет собой две согнутые металлические панели - верхнюю (13) и нижнюю (14) с «окнами» для контакта воздушного потока с абсорбентом (Фиг.3). Две металлические панели (13) и  (14) входят друг в друга, образуя каркас картриджа, а для исключения выпадения абсорбента через окна в панелях, к панелям прикреплена защитная сетка. Кроме того, по краям панели имеют дополнительную перфорацию - для лучшего контакта воздушного потока с абсорбентом. Между панелями картриджа находится медная пластина (15), выполняющая роль радиатора с установленным на ней позисторным нагревателем (16). Таким образом, абсорбент внутри каждого картриджа в режиме регенерации равномерно нагревается.
Конструкция модуля вентиляторов (9) представляет собой кронштейн (17) с установленными на нем вентиляторами. Целесообразно использовать по меньшей мере, два вентилятора, чтобы обеспечить максимально эффективный поток воздуха через картриджи.
Из осушителя через специальную муфту (18) на корпусе выведены провода питания вентиляторов и провода питания позисторных нагревателей, которые подключаются к соответствующим разъемам на плате коммутации (Фиг.4). Провода для управления каждым электромагнитом идут напрямую к плате коммутации.
Все детали блока осушителя имеют антистатическое исполнение, поскольку при хранении электронных комплектующих важной характеристикой является наличие системы антистатики.
Управление блоком осушителя, установленным в ШСХ, осуществляет модуль управления и индикации ШСХ через плату коммутации. Специальное программное обеспечение в составе модуля индикации и управления, постоянно опрашивает датчик температуры и влажности ШСХ, вычисляя момент, когда абсорбент блока осушителя находится в насыщенном состоянии и автоматически переключает заслонки из режима осушения в режим регенерации, либо при достижении установленного уровня влажности, переводит заслонки блока осушителя в режим хранения.
Возможны 3 режима работы блока осушителя (осушение, регенерация и хранение):
1. Осушение. В режиме осушения (Фиг.5) через блок картриджей из осушаемого объема ШСХ в пространство «шкаф-осушитель» поступает влажный воздух, который осушается и поступает обратно в осушаемый объем ШСХ, при этом внешние заслонки (3) закрыты, а внутренние заслонки (4) открыты и осушитель пропускает через себя воздух внутри осушаемого объема за счет работы блока вентиляторов (9). В этом режиме влажный воздух контактирует с абсорбентом внутри картриджа (8), осушается и попадает обратно в осушаемый объем. Влага накапливается внутри картриджей (8) с абсорбентом, при этом абсорбция влаги происходит за счет циркуляции потока влажного воздуха через картриджи с абсорбентом.
2. Регенерация. В режиме регенерации (Фиг.6) внешние заслонки (3) открываются, а внутренние заслонки (4) закрываются, при этом позисторный нагреватель (16), который находится внутри каждого картриджа (8), нагревает абсорбент до температуры, при котором начинается процесс обратный абсорбции – выделение впитанной ранее влаги, накопленной абсорбентом в окружающую среду через открытые внешние заслонки (3).
3. Хранение. В режиме хранения уровень влажности, установленный на панели управления ШСХ, достигнут, поэтому и внутренние (4), и внешние (3) заслонки закрыты, а вентиляторы (9) и нагреватели (16) отключены.
Осушитель в составе ШСХ работает следующим образом:
Установка требуемого уровня относительной влажности осуществляется пользователем через меню модуля индикации и управления. После того, как уровень влажности был задан, микроконтроллер в модуле индикации и управления непрерывно опрашивает датчик температуры и влажности и осуществляет управление основными электронными устройствами (вентиляторами, электромагнитами, нагревателями) в блоке осушителя.
В режиме осушения, когда текущий уровень относительной влажности внутри шкафа превышает уровень влажности, заданный пользователем, в модуле индикации и управления формируется электрический сигнал в виде логической единицы, который через плату коммутации активирует работу вентиляторов. При этом внутренние заслонки (4) открыты, внешние закрыты (3), таким образом электрических сигналов на управление электромагнитами в модуле индикации и управления не формируется. После того, как уровень относительной влажности внутри ШСХ был снижен до требуемого уровня (микроконтроллер получил соответствующий цифровой код от датчика температуры и влажности и сравнил его с заданным значением), модуль индикации и управления формирует сигнал логического нуля для прекращения работы вентиляторов и дополнительно формирует сигнал логической единицы для подачи управляющего напряжения с платы коммутации на электромагниты, отвечающие за закрытия внутренних заслонок (4) осушителя. В результате устанавливается режим хранения, когда все заслонки закрыты. В этом режиме микроконтроллер продолжает опрашивать датчик температуры и влажности и сравнивать его показания со  значением, заданным пользователем. В случае, если уровень влажности превышает заданное значение более чем на 0,2%, происходит переход в режим осушения и повторяется процедура, описанная выше.
В случае, если микроконтроллер в модуле индикации и управления ШСХ зафиксировал с помощью показаний от датчика температуры и влажности, снижение скорости осушения менее 0,1% за 25 минут, то активируется режим регенерации. В этом режиме модуль индикации и управления формирует сигналы логической единицы для включения (с помощью платы коммутации) нагревателей, а также активации двух электромагнитов, отвечающих за внутренние заслонки. Таким образом, две внутренние заслонки закрываются, а две внешние заслонки остаются закрытыми.
После перехода в режим регенерации в микроконтроллере запускается таймер. По истечении 50 минут модуль индикации и управления формирует управляющий сигнал в виде логического нуля, с помощью которого, через плату коммутации, происходит отключения нагревателей, а также формируются управляющие сигналы в виде логической единицы для включения вентиляторов и активации двух электромагнитов, отвечающих за внешние заслонки.
Таким образом, две внешние заслонки открываются и весь влажный воздух, аккумулирующийся в блоке, выбрасывается наружу. По истечении ещё 25 минут режим регенерации завершается, а модуль индикации и управления (в зависимости от показаний датчика температуры и влажности) переводит осушитель в режим осушения или в режим хранения.
Преимущества заявленной конструкции осушителя следующие:
- Блок осушителя может быть установлен внутри ШСХ таким образом, что блок осушителя не выступает за габариты шкафа;
- Наличие четырех независимо работающих заслонок обеспечивают оперативное переключение режимов работы осушителя и позволяют герметично разделить пространство между ШСХ и внешней средой, поскольку каждая заслонка работает в своем герметичном объёме.
- Конструкция картриджа с эффективным абсорбентом обеспечивает возможность многократной регенерации.
-  Высокая точность поддержания уровня относительной влажности ±1%.
- Отслеживание состояния влагопоглащающего материала и его регенерация именно при насыщении, то есть алгоритмически, а не по таймеру или интервально.
Основные комплектующие, используемые в конструкции осушителя:
- Нагреватель позисторный ENA-150-240 ф. Silart - обеспечивает пожаробезопасность и делает нагрев абсорбента экономичным;
- Вентилятор EC6025H12BP ф. Evercool - позволяет экономить электроэнергию, обеспечивает пылезащиту, высокую надежность и скорость вращения.
- Влагопоглощающий материл «Цеолит NaX» черенок 1 кг d 3.2 мм - адсорбирует большинство компонентов промышленных газов и обеспечивает в рабочем объеме ультранизкие значения относительной влажности - до 1 RH% (±1%) в рабочем диапазоне 1-50 RH% и повышенную скорость влагопоглощения.
- Электромагнит ОМ1578 В-12-100% ф. Магнитек — низковольтный и легкий, имеет возвратную пружину, обеспечивающую возврат якоря в исходное положение.
Заявленное решение раскрыто в отношении предпочтительных вариантов его осуществления, однако возможны и аналогичные варианты его осуществления, не выходящие за пределы объема правовой охраны настоящего изобретения.
Типовое применение оборудования – оснащение лабораторий, межоперационное хранение компонентов, печатных плат и смонтированных модулей, а также складское хранение.
Использование заявленного изобретения позволяет повысить КПД и надежность работы ШСХ, а также обеспечить высокую точность автоматического поддержания уровня относительной влажности внутри рабочего объема ШСХ, что позволит осуществлять эффективное хранение чувствительных к влаге электронных комплектующих, полупроводников и радиоэлементов.