JPS6015866B2 - 真空乾燥装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被乾燥物を真空室内に装入し、冷凍装置によ
り冷却して、その状態から、前記真空室またはそれに蓮
適する別の真空室に設けた蒸気凝結器により、被乾燥物
から発生する蒸気を凝結補集せしめて、真空室内の真空
圧力を所望の値に維持せしめることによって、被乾燥物
を乾燥させる真空乾燥装置における前記蒸気凝結器につ
いての改良に関するものである。

本発明における目的は、上述の真空乾燥装置に、それの
真空室内に設ける棚の冷却のためにその棚に流す熱媒液
体と冷凍装置の袷媒蒸発器との熱交換を行なわせるよう
に装備せしめる熱交換器を、それの装備のために占有空
間が実質的に省略した状態として、該真空乾燥装置に装
備せしめるようにすることにある。

そして、この目的を達成するための本発明による真空乾
燥装置は、従釆の真空乾燥装置にあっては真空室（トラ
ップ室）内に鯨設される蒸気補集のための蒸気凝結器が
、冷煤蒸発器（乾式あるいは滴液式）そのものに蒸気を
凝結させる「袷煤直袷型」か、または真空室外部に設け
た熱交換器で冷媒蒸発器により冷却された熱煤液を、真
空室内の熱媒液管や熱媒循環プレートに循環させて、該
熱媒液や熱媒循環プレートの外周に蒸気を凝結させる「
間接熱媒型」か、の何れかであるのに対し、本発明にあ
っては、真空室（トラツプ室）内に配設される蒸気凝結
器が、袷媒と熱媒液との熱交換を行なう熱交換器本体で
構成してあって、これにより、冷媒と熱媒液との熱交換
を行なうために真空室の外部に設けられる熱交換器の占
有空間をそっくり省略し得るようにしてある点を特長と
しているものである。

以下、図面に従い在来の方式と対比しつつ、本発明の若
干の実施例を説明する。

第１図、第２図、第３図は、いずれも医薬品その他の真
空凍結乾燥装置に用いられる蒸気凝結器（以下単にトラ
ップと記す）を装置全体の基本構成と共に表した概要説
明図で、第１図はもっとも多く用いられる通常型で、ト
ラツプ１０１が冷煤直袷型の袷煤乾式蒸発器になってい
る型のものであり、第２図は一部に用いられる型で、ト
ラツブ１０２が外部熱交換器７で袷煤により既に冷却さ
れた熱煤液を循環させる「間接熱媒型」になっている型
のものである。

そして第３図は本発明の実施例であり、トラツプ１０３
は、冷蝶、熱媒液が共に内部を循環し、冷媒と熱媒液と
の熱交換をけなう熱交換器としての機能と、蒸気を凝結
瓶集する蒸気凝結器としての機能との両者の機能を具備
している。第１図及び第２図ならびに第３図において、
真空室（乾燥室兼凍結室）１、真空室（トラツプ室）２
、これらを連結する主管３ａ、主弁３、真空排気系４等
真空系（真空室の輪郭および機器と配管）は総て「紬線
」で示されている。

冷凍装置（圧縮機、油分離機、凝結器、コ段圧縮の場合
の中間冷却器などの一切を含む、二元冷凍の場合もある
）１ １、副冷凍装置１２、および熱交換器７、副熱交
換器８、本発明のトラップ１０３、袷媒蒸発器７ａ、そ
して冷煤系路７ｂ、冷煤弁１３、冷媒膨張弁１４（三角
形にて託す）など袷猿冷煤循環系は総て「破線」で示さ
れている。

熱板（彼処理物体に乾燥に必要な潜熱を供給、第１図乃
至第３図の例では彼処理物体の予備凍結に必要な冷熱を
供給するプレートを兼ねている）５、熱媒液加熱器６、
前掲の熱交換器７と敵熱交換器８および本発明のトラッ
プ１０３、および熱板用熱媒体ポンプ９とトラツプ用熱
煤ポンプ１０の熱煤液系機器と系路は総て「太線」で示
されている。

また、１５は熱煤液の循環系に設けた仕切弁であるが、
実際の各系の配管系路と各種弁および系路内の機器配列
の順の実際は必ずしも図の通りではなく、図は説明の便
宜のために単純化されたものである。

第４図及び第５図は、第３図に示す本発明装置の真空室
（トラップ室）２と該真空室２に設けたトラップ１０３
の１つの例であり、第４図が縦断面（第５図のＡ−Ａ′
断面）、第５図が横断面（第４図のＣ−Ｃ′断面）の概
略説明図である。

第４図においてトラップ１０３内部の「細かい破線」が
冷媒Ｒの流離〔第６図の符号２６で示す冷煤管に当る〕
で、「荒い破線」はトラップ１０３内の熱媒液の流路の
境界〔第６図で符号２７に示す仕切壁に当る〕で、この
トラップ１０３の横断面の一例を示す図が第６図である
。この実施例において、トラップ１０３内に配管されて
いる袷媒管２６は、第６図に示している如く、トラップ
１０３の蒸気凝結面を構成するよう中空の平盤状に形成
されている該トラツプ１０３の外周壁たる凝結プレート
１０３ａに対し、熔接・圧着等の手段で密接状態として
、前記凝結プレート１０３ａが、冷煤Ｒの伝熱フィンの
役割を果すようにしてあって、これにより、冷煤管２６
内の冷媒Ｒとトラップ１０３内に前記仕切壁２７によっ
て形成される流路ｂ内の熱煤液Ｂとの熱交換、及び、前
記流路ｂ内の熱煤液Ｂとトラップ１０３外周の蒸気Ｖと
の熱交換、ならびに、前記冷０煤管２６内の冷煤Ｒとト
ラップ１０３外周の蒸気Ｖとの熱交換が、このフィンプ
レートたる凝結プレート１０３ａを効果的に利用して行
なわれるようになっている。

なお、第４図及び第５図において、２３は真空タ室（ト
ラップ室）２の、真空室（乾燥室）と通ずる蒸気入口、
２２は真空ポンプ４と通ずる真空引口、２４は水抜き弁
、２５は真空室（トラツプ室）２の底部に設けた熱媒液
・温水・スチーム等によるジャケットヒーター、２１は
真空引口２２に蒸気が直接引かれるのを防ぐように設け
た遮断板である。

第１図に示すトラップ１０１が「冷煤直袷型」になって
いる真空乾燥装置の場合は、周知の通り大中な負荷変動
に対して、袷媒循環サイクルを常に最適条件に維持する
ことは困難である。

まして変動する負荷に対してトラップ温度を正確に制御
することはできない。一６０ｑ０程度の低温が高負荷時
に要求される凍結乾燥では、その後期に過度の冷却によ
る冷凍機油の固化、液圧縮、過度の圧縮化による冷凍機
油の炭化などの不具合、事故を生じ易く、０℃程度のト
ラツプが求められる真空冷却では、初期の過負荷、後期
の過度の冷却による野菜などの凍結事故をまねき易し、
。圧縮過程、高圧高温ガス流路、凝縮過程、高圧中温液
流路、断熱蝿彰張過程、低圧低温の気液浪合流、低圧ガ
ス流離と大中な圧力温度の変動と相変換、加えて温度に
より著しく粘度が変化する冷凍機油の循環をともなう複
雑なサイクルを大中な負荷変動に適合させることは当然
困難である。これに対し、第２図のトラツプ１０２が「
間接熱煤型」となっている真空乾燥装置の場合は、熱煤
循環系の中に過度の低負荷を緩和する負荷を加えること
により、負荷変動を緩和でき、さらにトラツプ１０２温
度も所望の値に制御することができ「冷媒直袷型」の欠
点は解決できる。

加えて、低温トラップのために用いる冷煤と熱媒液との
熱交換器７を、トラツプ１０２の冷却工程中、あるいは
その前後工程における、トラツプ以外の部分の温度の冷
熱制御に用いうる、という利点を生じる。

しかし、「間接熱媒型」トラップ１０２は、０℃近辺の
温度の場合はかなり用いられても、一５０〜６０００の
場合には僅かしか用いられていない。

次の２つの冷熱損失のために、過大な冷凍設備と過大な
エネルギー消費を強いられ経済的不利を招くからである
。第一の冷熱損失は、冷媒蒸発器（管またはプレ−ト）
面と熱媒液、熱媒液と熱煤トラツプ（管またはプレート
）面の２回の境膜伝熱を経るための温度損失である。

「冷媒直袷型」と同じトラツプ温度を、「間接熱煤型」
でうるためには、この温度損失分だけ低い蒸発温度を要
する。第二の損失は、熱煤液を熱交換器からトラップへ
循環させるための循環ポンプによる熱媒液への入熱損失
である。

袷煤蒸発器での冷熱は蒸発潜熱でありｋ９当り大きい冷
熱がえられるが、熱媒液での冷熱は顕熱であり、均温的
でなければならないトラップの場合は大きい流量を要し
、従って入熱損失は大きい。この二つの冷熱損失をカバ
ーするには、過大な設備と過大なエネルギー消費を要す
るのである。

この負担のために、「間接熱煤型」は「冷煤直冷型」の
欠点を解消しながら、これに代る方法になりえない。と
ころで本発明による第３図の真空乾燥装置の場合には、
第一にトラップ１０３における負荷変動を、熱媒液流路
ｂにおける負荷調整によって容易に緩和でき、トラップ
１０３温度を正確に制御できる点では第２図の場合と同
様であり、第二に、第２図の「間接熱煤型」における二
つの冷熱損失がなく、「袷煤直冷型」の場合と殆んど同
じ冷凍設備とエネルギー消費で等しいトラッブ温度を実
現できる。

また、蒸気凝結負荷が加わると同じ位置に冷煤蒸発器が
あるので、熱媒液循環を充分小さくしても、トラツプ熱
媒液の出入口の温度差の心配はない。

冷媒直冷型（特に乾式蒸発器）の場合には、入口では充
分湿った冷嬢であっても、出口におし、ては、殆んど全
冷蝶が蒸発して高い乾き度になっていなければ、圧縮機
への液バックを生じる。このため、出入口で袷蝶温度差
はなくても、乾き度による玲煤とトラップ面との熱伝達
の差により、トラップ面温度は異ってしまう。しかし、
本発明のトラップ１０３は、冷蝶が乾き状態になる出口
附近を冷却された熱媒液が冷却するので、出入口の温度
差の心配はない。また、熱煤液の流量は「冷煤直冷型」
で避けられるトラップ温度の不均一を緩和する程度で充
分であり、循環ポンプによる入熱損失も僅かである。ま
た、本発明によるトラップ１０３は、当然にトラツプ１
０３冷却中にも、また、その前後工程にも、袋贋の他の
部分の冷熱制御に、冷媒・熱煤液間の熱交換器として機
能させることができ、かつ、この点でも、第２図に示す
通常の間接熱媒トラツプの場合より優れる。

この点について真空蒸気凝結器の代表的用途である真空
凍結乾燥装置の場合を例に説明する。

医薬品用その他、特に厳密を要する凍結乾燥の場合、装
置は通常第１図の構成であり、第一工程の予備凍結にお
いては、冷凍装置１１の冷煤は熱交換器７に循環し、熱
煤液は、冷却されて、循環ポンプ９により熱板５に循環
し、熱板５および、熱板上の被乾燥物は室温から−４６
０なし、し−５０℃に冷却され物体は凍結する。この第
一工程は、第２図、第３図の場合も同様であるが、本発
明の場合（第３図）は、熱交換器７の機能はトラップ１
０３によってはたされる。トラップ１０３の蒸気凝結プ
レート１０３ａは、冷媒・熱媒液間熱交換器として機能
する第一工程では、冷媒・熱煤液間の良熱フィンとして
働き、真空室（トラッブ室）２を真空状態にできるので
、外部からの入熱損失は通常型熱交換器７より小さい。
したがって通常型の熱交換器７に少しも劣らない。第二
の工程の真空凍結乾燥への切換えの際、通常型（第１図
）においては、冷凍装置１１の袷蝶は突然にトラップ１
川こ切替えねばならず、冷凍装置と冷煤系の負荷は−４
５ｑ０〜一５０ｏｏ温度から一挙に常温のトラツプ１０
１冷却の大きい負荷に急変する。しかも、既に冷却され
なくなった熱板の温度が外部からの入熱で上昇しない短
時間、ふつう２０分程度の中にトラツプは−５０ｏｏ〜
一５９０に冷却されねばならず、第一〜第二工程の切替
時の負荷と袷媒流路の切替えは、通常型の不具合や事故
の一つの要因である。第２図の場合は、熱交換器７はト
ラップ冷却に引継がれるので、袷煤流路の急変はなく、
熱嬢流路の切換えのみである。しかし切換え後のトラッ
プ１０２と熱交換器７の温度は両方の混合温度（一２５
ｏ０なし、し一３０℃）であり、冷凍装置の負荷と蒸発
温度の急変動が起きる。そしてトラップ１０２と熱交換
器７の両方の熱容量が大きいから、これを−５ぴＣ〜−
５ｙｏまで２０分程度で冷却するのは困難である。この
困難は、第２図において、熱交換器７とトラツプ用循環
ポンプ１０の位置を入れ替え、予備凍結時に熱板５、熱
交換器７と共にトラップが冷却されていけば解決する。
しかし、予備凍結時の冷却速度はトラツプ１０２が加わ
るため遅延する。これを防ぐには冷凍装置が過大になっ
てしまう。ところが本発明の場合は、第一工程から第二
工程（熱板５冷却からトラップ１０３冷却）への切換え
には、冷煤流路が不変なだけでなく、熱媒液流路を切替
えても負荷温度も不変である。

トラップ１０３内の熱媒液に混合する常温の熱煤液はト
ラツプ用循環ポンプ１０と弁だけで、新たな配管部分は
充分短かくでき、トラツプ１０３の熱容量に比べトラッ
フ。用循環ポンプ１０その他の熱容量は充分に小さい。
第一工程末の負荷温度−４５℃〜−５０午０を引継ぎ、
これを−５０）Ｃ〜−５５℃に追加冷却するだけであり
、しかもトラップ冷却系の熱容量は、第２図に示す在来
の「間接熱煤型」の場合の熱交換器７とトラップ１０２
との合計より小さく、熱交換器７と同程度のトラップ１
０３だけである。したがって、第２図の「間接熱煤型」
の場合に比べ、熱板５の予備凍結冷却と共にトラップ１
０３の冷却を行なっても熱板５の冷却速度を劣化させず
、また、予備凍結後のトラツプ１０３の追加冷却も容易
である。第二工程の真空凍結乾燥過程に入って後は、第
１図に示している通常型の真空乾燥装置においては、熱
板５温度を冷熱制御（０℃ないし一３ぴ０程度）するた
めに、通常は副冷凍機１２と劉熱交換器８が必要である
。

しかし、第２図および第３図の真空乾燥装置の場合は、
トラップ循環系と熱板循環系の間で熱煤系弁の調節によ
り、適度の混合を生ぜしめることによって副冷凍装置１
２と副熱交換器８は不用である。より高い熱板５温度に
よるより大きい蒸気凝結負荷に備えてある冷凍装置１１
の能力は、熱板５を冷熱制御する際は当然にトラツプ冷
却には過剰であり、混合によって冷凍装置の能力不足は
生じない。凍結乾燥後期におけるトラップの過度の冷却
は、同じく適度の混合によって達成され、混合による熱
板５の所望値からの温度降下は加熱器６によりカバーさ
れる。以上説明したように、本発明による真空乾燥装置
は、第１図及び第２図に示す在来のものとの対比におい
て、トラップ１０３が、在来のものの冷蝶と熱煤液との
熱交換器を行なう熱交換器７を兼ねているのだから、そ
の熱交換器７を装備せしめるための占有スペースがそっ
くり省略できることになって、それだけ、設備費・据付
面積を少なくできる利益が得られ、しかも、トラツプ冷
却のための冷凍装置の運転の安定性と、トラップ温度の
正確な制御による真空圧力の正確な制御の達成が、過大
な設備・過大な冷凍装置のエネルギー消費ないこ達成し
得る利益が得られる。また、本発明におけるトラツプ１
０３は、トラツプ１０３に蒸気を氷結せしめて橘集する
場合には、その氷結する氷の除去にも効果的である。

全行程終了後、再び熱板５とトラツプ１０３を含む流路
に熱煤が循環するように切換えると（熱量が不足の場合
には加熱器６を用いる）、トラップ１０３内の冷煤は冷
凍装置１１に回収され、それと共にトラップ１０３は０
度Ｃ以上に昇温し、氷は凝結プレート１０３ａの外面か
ら滑り落ち、あるいは剥離して真空室２の底部に落ちる
ようになる。そこで、底部に熱媒液・溢水・スチームな
どのジャケットヒーター２５を設けておけば、氷結した
氷を外部からの注水やスチーム吹込ないこも速みやかに
藤氷除去でき、水抜き弁２４から排出できるようになる
。なお、本発明におけるトラツプ１０３の構成は、第４
図乃至第６図に示した実施例に限るものではない。

例えば、第６図に示している例における冷煤管２６を、
熱媒液Ｂの流路ｂの中心部に配位して、稀路ｂと二重管
を形成するようにしたり、さらに、第７図及び第８図に
示している如く、トラツプ１０３をそれの外蓬が、真空
室２を形成している円筒状の外壁２８の内径に対応する
筒状の二重管に形成して、そのトラッブ１０３の内周面
が真空室２の実質的な内周壁を構成するように、真空室
２の内腔に隊装し、その二重管で形成してあるトラップ
１０３の内腔に、冷媒管２６を蛇管状に装入してそれに
袷媒Ｒを流し、かつ、該冷煤管２６で蛇管状に区画され
るトラップ１０３の内控を熱媒液の流路ｂに形成して、
そこに熱嬢液Ｂを循環させることにより、真空室２の内
周壁となるトラップ１０３の内周面が凝結プレート１０
３ａとなるようにするなど、適宜に構成してよいもので
ある。また、装置の能力バランスの要求が特殊であると
かの場合には、トラップ１０３に組込まれる熱交換器に
、従前手段における熱交換器７および劉熱交換器８の容
量の全てを代位させず、熱交換の容量の一部を別の外部
熱交換器でまかなうようにするとか、冷凍装置１１の他
に別個の冷凍装置を設けることもあり得る。また、トラ
ップ１０３を設ける真空室（トラツプ室）２は、主弁３
により真空室（乾燥室）１と分離した真空室２の場合に
限らず、真空室（乾燥室）１である場合もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の概要説明図、第２図は別の従来装置
の概要説明図、第３図は本発明装置の概要説明図、第４
図は本発明装置の真空室（トラップ室）及びトラップの
縦断した概要説明図、第５図は同上の横断した概要説明
図、第６図は本発明装置のトラップの部分の横断面図、
第７図及び第８図は本発明装置のトラップ室及びトラッ
プの別の実施例を示し、第７図は縦断側面図、第８図は
縦断正面図である。 図面符号の説明、１・・・・・・真空室（乾燥室）、２
・・…・真空室（トラップ室）、３・・・・・・主弁、
３ａ・・・…主管、４・・・…真空排気系（真空ポンプ
）、５…・・・プレート（熱板）、６・・・・・・熱媒
液加熱器、７・・・・・・熱交換器、８・・・・・・副
熱交換器、９・・・・・・循環ポンプ、１０・・・・・
・トラツブ用循環ポンプ、１１・・・・・・冷凍装置、
１２・・・・・・副冷凍装置、１３・・・…冷嬢弁、１
４・…・・冷媒膨張弁、１５・・…・仕切弁、２１・・
・・・・遮断板、２２１・・・・・引口、２３・・・・
・・蒸気入口、２４…・・・水抜き弁、２５・・・・・
・ヒーター、２６・・・・・・冷煤管、２７・・・・・
・仕切壁、２８・・…・真空室２の外壁、１１０１，１
０２，１０３・・・・・・蒸気凝結器（トラップ）、Ｂ
・…・・熱媒液、Ｒ・・・・・・冷媒。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第了図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 冷凍装置の冷媒蒸発器と真空室に設ける棚の冷却の
   ためにその棚に流す熱媒液体との熱交換を行なわすよう
   、真空乾燥装置に装備せしめる熱交換器を、それの外表
   面の全部または一部が蒸気の凝結捕集面となるよう形成
   して、蒸気を捕集する真空室内に装置したことを特長と
   する真空乾燥装置。