JP2003194459A

JP2003194459A - 凍結乾燥機

Info

Publication number: JP2003194459A
Application number: JP2001394141A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yoshimura; 省二吉村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】安全性が高く、かつ乾燥速度向上を可能とし
た加熱、冷却システムを備えた凍結乾燥機を提供する。【解決手段】空気を圧縮して昇温する圧縮機１と、こ
の圧縮機１から吐出された高温の空気にて被乾燥物を乾
燥させる輻射式加熱器２と、この輻射式加熱器２から排
出された空気を冷却する第一熱交換器３と、この第一熱
交換器３から排出された空気を更に冷却する第二熱交換
器４と、この第二熱交換器４から排出された空気を膨張
させて更に冷却する膨張機５と、この膨張機５から吐出
された低温の空気にて前記被乾燥物の乾燥により発生し
た水蒸気を凝結させて捕集するコールドトラップ６とを
備え、コールドトラップ６から排出された空気が、第一
熱交換器３から排出された空気により第二熱交換器４に
て加熱されたのち、圧縮機１に循環するように構成され
た凍結乾燥機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薬品、食品等の凍
結乾燥を行う凍結乾燥機の加熱、冷却システムに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の凍結乾燥機の構造を図１０に示
す。凍結乾燥機は大別して以下の４つの部分からなる。

【０００３】被乾燥物を加熱する輻射式加熱器１０２被乾燥物より昇華した水蒸気を捕獲するコールドトラ
ップ１０６被乾燥物、輻射式加熱器１０２、およびコールドトラ
ップ１０６を格納する乾燥チャンバ１１６乾燥チャンバー１１６内を真空にする真空ポンプ１１
７

【０００４】図１０に基づいて凍結乾燥の機構について
説明する。あらかじめ図示しない予備冷凍庫により冷凍
された水分を含む被乾燥物を乾燥チャンバ１１６内の乾
燥棚１１８に搬入する。乾燥チャンバー１１６密閉後、
乾燥チャンバ１１６内を真空ポンプ１１７で吸引して約
０．８Ｔｏｒｒ（約１０７Ｐａ）の真空状態とする。乾
燥チャンバ１１６内に設けられた輻射式加熱器１０２に
より被乾燥物が約−１０℃になるように加熱する。一
方、コールドトラップ１０６を冷凍機１１８により−４
０℃に冷却する。乾燥チャンバ１１６内は真空状態とし
たため、乾燥チャンバ１１６内圧力は乾燥チャンバ内１
１６に存在する氷と水蒸気との平衡圧力により決まる。

【０００５】被乾燥物は約−１０℃であるため、被乾燥
物近傍の平衡蒸気圧は約１．９Ｔｏｒｒ（約２５３Ｐ
ａ）である。一方、コールドトラップ１０６は−４０℃
であるため、コールドトラップ１０６近傍の平衡蒸気圧
は約０．１Ｔｏｒｒ（約１３Ｐａ）である。従って、被
乾燥物近傍の圧力より、コールドトラップ１０６近傍の
圧力が低くなるため、この圧力差によって被乾燥物近傍
の水蒸気がコールドトラップ１０６近傍に移動する。そ
して、コールドトラップ１０６の温度が被乾燥物の温度
より低いため、被乾燥物より昇華した水分（水蒸気）は
コールドトラップ１０６で氷として凝結させて捕集され
る。被乾燥物より水分（水蒸気）が昇華すると、その昇
華熱により被乾燥物温度が下がるため、一定温度になる
よう加熱される。一方、コールドトラップ１０６は、そ
の表面に水分（水蒸気）が凝結したとき温度が上昇する
ため、一定温度になるよう冷却される。

【０００６】被乾燥物を加熱する輻射式加熱器１０２に
は、小型の凍結乾燥機では電気ヒータが使用される。一
方、大型の凍結乾燥機では図示するようにボイラー１１
９にて水蒸気を発生させ、その水蒸気でイソパラフィン
を主成分とした熱媒油を熱交換器１２０により加熱し、
その熱媒油は熱媒ポンプ１２１により送り出され、輻射
式加熱器１０２を加熱している。一方、冷凍機１１８に
はクロロジフルオロメタン（Ｒ２２）やアンモニア等の
冷媒を使用した冷凍機が使われている。これらの冷媒を
冷凍機を構成する図示しない圧縮機にて圧縮し、同じく
冷凍機を構成する図示しない凝縮器にて、高圧の凝縮液
とする。それを膨張弁１０５にて断熱膨張させて降温さ
せ、蒸発器１２１で塩化カルシウム溶液等のブラインと
熱交換させる。熱交換により冷却されたブラインはブラ
インポンプ１２２により送出され、コールドトラップ１
０６を冷却する。コールドトラップ１０６は通常チュー
ブ（冷却管）で構成され、その冷却管内にブラインを流
通させている。

【０００７】

【解決しようとする課題】上記従来の凍結乾燥機におい
て、乾燥速度は、被乾燥物の加熱温度、およびコールド
トラップ１０６の冷却温度により決まる。つまり、被乾
燥物の加熱温度における平衡蒸気圧とコールドトラップ
１０６の冷却温度における平衡蒸気圧の差が大きいほど
水蒸気の移動速度が速くなり、従って乾燥速度が速くな
る。ところで、被乾燥物の加熱温度はあまり高くすると
被乾燥物の変質等の問題が生じるので、加熱温度の上限
は被加熱物の性質によりほぼ決まってしまう。従って、
コールドトラップ１０６の冷却温度が低いほど乾燥速度
が速くなる。しかし、従来のＲ２２やアンモニアの冷媒
では冷却温度限界が−５０℃程度である。また、オゾン
層の破壊、地球温暖化、毒性の問題でこれらの冷媒の取
り扱いが難しい。

【０００８】一方、輻射式加熱器１０２の加熱には熱媒
油などの熱媒およびコールドトラップ１０６の冷却には
ブラインなどの冷媒が使用されている。これらの熱媒や
冷媒は乾燥チャンバー１１６内を循環するが、被乾燥物
が、薬品、食品等の安全性に厳しい商品であるため、腐
食等により乾燥チャンバー１１６内部に洩れると重大な
問題となる。そのため、これらの熱媒や冷媒を用いる凍
結乾燥機で乾燥された被乾燥物については、定期的に薬
物検査が必要とされる場合もある。

【０００９】本発明は上記のような従来の問題を解決す
ることを課題としてなされたもので、安全性が高く、か
つ乾燥速度向上を可能とした加熱、冷却システムを備え
た凍結乾燥機を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、発明者らは流体ヒートポンプの原理を応用した凍結
乾燥器の研究開発に取り組み、以下の発明を完成させる
に至った。

【００１１】第一発明は、流体を圧縮して昇温する圧縮
機と、この圧縮機から吐出された高温の流体にて被乾燥
物を乾燥させる乾燥手段と、この乾燥手段から排出され
た流体を冷却する第一熱交換手段と、この第一熱交換手
段から排出された流体を更に冷却する第二熱交換手段
と、この第二熱交換手段から排出された流体を膨張させ
て更に冷却する膨張機と、この膨張機から吐出された低
温の流体にて前記被乾燥物の乾燥により発生した水蒸気
を凝結させて捕集する水蒸気凝結手段とを備え、前記水
蒸気凝結手段から排出された流体が、前記第一熱交換手
段から排出された流体により前記第二熱交換手段にて加
熱されたのち、前記圧縮機に循環するように構成されて
なるものである。

【００１２】第二発明は、上記第一発明の構成に加え、
前記圧縮機と前記膨張機とが回転手段を介して接続さ
れ、前記水蒸気凝結手段の入口若しくは出口における流
体の温度又は入口と出口における流体の温度を平均した
温度が一定になるように、前記回転手段の回転速度が制
御されるよう構成されてなるものである。

【００１３】第三発明は、上記第一発明又は第二発明の
構成に加え、別途設けられた流体タンクと、前記圧縮機
の入口部及び出口部とがそれぞれバルブを介して接続さ
れ、かつ、前記圧縮機の入口部がバルブを介して略大気
圧の外部の流体と通ずるようになされ、前記圧縮機の入
口部の圧力が一定になるように、各々のバルブの開度が
制御されるよう構成されてなるものである。

【００１４】第四発明は、上記第一発明または第二発明
の構成に加え、別途設けられた流体タンクと、前記圧縮
機の入口部又は出口部とが、前記圧縮機とは別の第二圧
縮機を介する流路で接続され、さらに、この流路に第二
圧縮機をバイパスし、バルブを介するバイパス流路が設
けられ、前記圧縮機の入口部の圧力が一定になるように
前記バルブの開度及び第二圧縮機が制御されるよう構成
されてなるものである。

【００１５】第五発明は、上記第一発明乃至第四発明の
いずれか一発明の構成に加え、前記水蒸気凝結手段を構
成する冷却管がその上流から下流にかけて前記乾燥手段
に近づくように配設されてなるものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、第一発明の実施形態を図面
にしたがって説明する。

【００１７】図１は、第一発明に係る凍結乾燥機を示
し、この凍結乾燥機は圧縮機１、回転手段であるモータ
７、膨張機５、第一熱交換手段および第二熱交換手段で
ある熱交換器３、４を備えた空気ヒートポンプで構成さ
れている。

【００１８】本発明の実施形態である凍結乾燥機のフロ
ーは以下の通りである。圧縮機１と膨張機５は、回転手
段であるモータ７を介して連結されている。圧縮機１に
より圧縮された空気Ａ２は乾燥手段である輻射式加熱器
２に導入される。輻射式加熱器２から排出された空気Ａ
３は、第一熱交換手段である熱交換器３、第二熱交換手
段である熱交換器４を通過し膨張機５に導入される。膨
張機５で膨張した空気Ａ６は水蒸気凝結手段であるコー
ルドトラップ６に導入される。コールドトラップ６から
排出された空気Ａ７は、熱交換器４を通過した後、圧縮
機１に循環される。

【００１９】圧縮機１により大気圧力、温度３０℃の空
気Ａ１が吐出圧０．３ＭＰａまで圧縮される。空気Ａ１
は断熱圧縮されるため、温度が１６０℃まで上昇する。
この１６０℃に昇温された空気Ａ２は輻射式加熱器２に
導入される。この１６０℃の高温空気Ａ２により被乾燥
物が−１０℃まで加熱される。逆に、１６０℃の高温空
気Ａ２は１２０℃まで冷却される。この１２０℃に冷却
された空気Ａ３は水冷式の熱交換器３によりさらに４０
℃まで冷却される。この４０℃に冷却された空気Ａ４
は、コールドトラップ６から排出された空気Ａ６で熱交
換器４により−４０℃まで冷却される。この−４０℃に
冷却された空気Ａ５は膨張機５により断熱膨張し、さら
に−９０℃まで冷却される。この−９０℃に冷却された
低温空気Ａ６はコールドトラップ６に導入され、コール
ドトラップ６を冷却する。この冷却により、被乾燥物か
ら昇華した水蒸気がコールドトラップ６表面で凝結す
る。逆に−９０℃の低温空気Ａ６は−５０℃まで加熱さ
れる。この−５０℃に加熱された空気Ａ７は、熱交換器
３を通過して４０℃に冷却された空気Ａ４と熱交換器４
にて熱交換され、３０℃まで温度上昇する。この３０℃
に昇温された空気Ａ１が再び圧縮機１により圧縮され
る。

【００２０】前述したように、被乾燥物の加熱温度は、
あまり高くすると被乾燥物の変質等の問題が生じるの
で、被乾燥物そのものの性質により上限がほぼ決められ
る。輻射式加熱器２による加熱量が一定の場合、乾燥当
初適温であっても、乾燥が進むと水蒸気の昇華量が減少
するため、被乾燥物の温度が上昇してくる。そのため、
加熱量を減少させる必要がある。そこで、例えば図２に
示すように被乾燥物の温度を検知する温度検出器３１
と、空気Ａ２の一部を輻射式加熱器２をバイパスさせる
ためのバルブ３３と、温度検知器３１で検知された温度
によりバルブ３３の開度を調整する温度コントローラ３
２とを設けることが好ましい。すなわち、被加熱物の温
度上昇を温度検出器３１で検知したとき、温度コントロ
ーラ３２によりバルブ３３の開度を大きくして輻射式加
熱器２を通過する空気量Ａ２’を減少させ、バイパスす
る空気量Ａ２’’を増加させる。これにより、輻射加熱
器２７の温度が低下し、加熱量が減少する。

【００２１】さらに、特殊な被乾燥物では温度上昇によ
る氷晶溶融が製品ダメージにつながる場合があり、その
ような場合には被加熱物の温度上昇を迅速に回避するた
め輻射式加熱器２を積極的に冷却する手段を備えること
が好ましい。例えば図３のようにコールドトラップ６か
ら排出された空気Ａ６の一部Ａ６’’を輻射式加熱器２
に導入し、その量を上記と同様の温度検知器３４、バル
ブ３５、温度コントローラ３６を組み合せてコントロー
ルすることにより冷却することも可能である。空気はＲ
２２やアンモニアと異なり、凍結乾燥に利用する温度で
は凝縮しない。Ｒ２２やアンモニアは凝縮するため、冷
却温度は蒸発させる圧力により決まり、蒸発圧力が低く
なるほど冷却温度は低くなる。しかし、圧縮機の吸込側
で蒸発させるため、蒸発圧力を低くしようとすると（吸
込み圧を低くしようとすると）大容量の圧縮機が必要で
あり、限界がある。一方、空気は凝縮しないため、圧縮
機１の出口圧力を上げる（膨張機５出口圧力を一定にし
て）と冷却温度はＲ２２やアンモニアに比べて低くする
ことができる。また、空気により輻射式加熱器２を加
熱、コールドトラップ６を冷却するため、万一乾燥チャ
ンバ１６内に洩れても安全上何の問題も生じない。

【００２２】なお、ここでは凍結乾燥器の系内を循環す
る流体として空気を利用したものを示したが、本発明は
これに限るものではなく、例えば、窒素等を利用したも
のであってもよい。

【００２３】次に、第二発明の実施形態を図面にしたが
って説明する。図４は、第二発明に係る凍結乾燥機を示
している。凍結乾燥において、乾燥初めは被乾燥物に氷
が多量に含まれるため、昇華量が多く、従って、コール
ドトラップ６にて凝結する氷の量も多いが、乾燥終了時
はその量が１/１０程度になる。コールドトラップ６出
入口の空気Ａ６、Ａ７の温度差はコールドトラップ６に
て凝結する氷の量によって決まる。例えば図４におい
て、乾燥初めにおけるコールドトラップ６出入口の空気
Ａ６、Ａ７の温度をそれぞれ−９０℃、−５０℃（温度
差４０℃）とする。しかし、終了時は凝結する氷の量が
１/１０程度になるため、この温度差が約４℃に減少
し、コールドトラップ６出口の空気Ａ７の温度が−８６
℃程度に低下してしまう。これに連動して膨張機５にて
膨張した空気Ａ６の温度は−１３６℃程度に低下する。
すると、コールドトラップ６出口の空気Ａ７の温度はさ
らに低下し、空気ヒートポンプにより無駄な仕事をして
いることになる。

【００２４】そこで、コールドトラップ６出口の空気Ａ
７の温度（Ｔ７）が一定になるようにモータ７の回転速
度を制御する。空気Ａ６によりコールドトラップ６を冷
却する場合、入口空気Ａ６の温度（Ｔ６）が−９０℃、
出口空気Ａ７の温度（Ｔ７）が−５０℃であるが、乾燥
速度は、出口空気温度Ｔ７が一定であれば乾燥速度は一
定であると考えて差し支えない。そこで、コールドトラ
ップ６出口の空気温度Ｔ７を温度検出器４１により検出
する。そして、その温度Ｔ７が−５０℃になるように温
度コントローラ４２にてモータ７を駆動するインバータ
４３の周波数を変える。つまり、乾燥当初はコールドト
ラップ６入口の空気温度Ｔ６が−９０℃、出口空気温度
Ｔ７が−５０℃であったものが、乾燥が進むとコールド
トラップ６出入口両方の温度Ｔ６、Ｔ７が下がってく
る。

【００２５】そのため、コールドトラップ６出口の空気
温度Ｔ７を検出し、この温度Ｔ７が一定になるように、
圧縮機１と膨張機５をモータ７を介して接続した構造に
おいて、モータ７の回転速度を低下させる。膨張機５に
は通常、タービンが用いられ、タービン５を流れる空気
（Ａ５、Ａ６）量はタービン５入口と出口の圧力比によ
って決まり、タービン５の回転速度には依存しない。し
かし、圧縮機１を通過する空気（Ａ１、Ａ２）の流量は
圧縮機１の回転速度に比例して低下するため、圧縮機１
の出口圧力すなわちタービン５入口圧力が下がってく
る。そのため、タービン５入口と出口の圧力比が小さく
なり、空気Ａ６の温度が上がる。そして、乾燥終了時は
コールドトラップ６の入口空気温度Ｔ６が−５４℃、出
口空気温度Ｔ７が−５０℃となる。このように、圧縮機
１出口圧力が下がるため、圧縮動力が低下し、省エネル
ギーとなる。なお、コールドトラップ６の出口空気温度
Ｔ７を一定にするかわりに、入口空気温度Ｔ６を一定に
するようモータ７の回転速度を制御してもよい。ただ
し、この場合には、出口温度Ｔ７を一定に制御する場合
に比べ圧縮機１出口圧力が高くなるため圧縮動力の低下
の効果は減少する。また、入口空気温度Ｔ６と出口空気
温度Ｔ７の平均温度（Ｔ６＋Ｔ７）／２を一定にするよ
うにモータ７の回転速度を制御してもよい。

【００２６】次に、第三発明の実施形態を図面にしたが
って説明する。

【００２７】図５は、第三発明に係る凍結乾燥機を示し
ている。凍結乾燥機に通常用いられる圧縮機の構造上、
圧縮機１入口圧力は停止中、運転中を問わずほぼ大気圧
である。圧縮機１停止中は、圧縮機１の入口、出口とも
大気圧である。一方、圧縮機１の定常運転時には、圧縮
機１の入口圧力を大気圧、出口圧力を約０．３ＭＰａと
する必要がある。したがって停止中から定常運転までの
間に、外部から空気ヒートポンプの系内に空気を導入す
る必要がある。また、第二発明のようにモータ７の回転
速度を低下させた場合、圧縮機１出口圧力が下がる。し
かし、圧縮機１入口圧力は大気圧に維持されるため、余
分な空気を系外に放出する必要がある。この問題は圧縮
機１上流部の一部を大気解放すれば解決できる。

【００２８】ところが、本凍結乾燥機は空気を−９０℃
まで冷却する。外気には水分が含まれるため、外気を系
内に導入して−９０℃に冷却すると、水分が氷結して、
コールドトラップ６、熱交換器４等の内部を閉塞し運転
継続ができなくなる。したがって、初回の立ち上げ運転
の際には外気を導入せざるを得ないため、図示しない除
湿装置により除湿を行う。しかし、次回以降の立ち上げ
運転では、乾燥している系内の空気を利用してできるだ
け系外からの湿った空気（外気）の導入を回避すること
により、スムーズな機械の立ち上げが可能となる。

【００２９】すなわち例えば図５に示すように、別途設
けた空気タンク５１と圧縮機１の下流部（膨張機５の上
流部）をバルブ５２を介してつなぐ。また、空気タンク
５１と圧縮機１の上流部をバルブ５３を介してつなぐ。
一方、圧縮機１の上流部をバルブ５４を介して外気と通
ずるように構成する。そして、圧縮機１の上流部の圧力
を圧力検出器５５により検出する。この圧力が一定にな
るように圧力コントローラ５６により各バルブ５２、５
３、５４の開閉あるいは開度をコントロールする。圧力
が設定圧力より高い場合には、バルブ５３、５４を閉と
し、バルブ５２の開度をコントロールすることにより空
気タンク５１に空気を導入して、圧力を下げる。一方、
圧力が設定圧力より低い場合には、バルブ５２、５４を
閉とし、バルブ５３の開度をコントロールすることによ
り空気タンクから系内に空気を導入して、圧力を上げ
る。バルブ５３が全開になっても、圧力が上がらない場
合はバルブ５４の開度をコントロールして外気を導入す
る。この操作により、まず空気タンク５１内の乾燥空気
により系内の圧力バランスが保たれ、それでも保てない
場合に初めて外気が導入されるため、外気による水分持
ち込み量を最小限に抑えることができる。なお、圧縮機
１の上流部とは、膨張機５出口から圧縮機１入口までの
間の流路（配管）を意味するものとする。したがって、
空気タンク５１と接続する配管は図５に示した熱交換器
４と圧縮機１との間の配管に限られず、膨張機５とコー
ルドトラップ６との間の配管やコールドトラップ６と熱
交換器４との間の配管であってもよい。また、圧縮機１
の下流部とは、圧縮機１出口から膨張機５入口までの間
の流路（配管）を意味するものとする。したがって、空
気タンク５１と接続する配管は図５に示した熱交換器４
と膨張機５との間の配管に限られず、圧縮機１と輻射式
加熱器２との間の配管や輻射式加熱器２と熱交換器３と
の間の配管や熱交換器３と熱交換器４との間の配管であ
ってもよい。

【００３０】圧縮機１の上流部容積をＶ１、下流部容積
をＶ２、空気タンク５１の容積をＶ３とする。また、圧
縮機１入口圧力をＰＳ（大気圧）、圧縮機１出口圧力を
ＰＤとする。圧縮機１起動前の系内の空気量（標準状態
における容積）はＧ１＝α（Ｖ１＋Ｖ２）・ＰＳであ
る。ここにα（α＞１）は定数である。運転中の系内の
空気量はＧ２＝α（Ｖ１・ＰＳ＋Ｖ２・ＰＤ）である。
初回の立ち上げ時には、この空気量Ｇ２全量を除湿した
外気を導入して充填する必要がある。定常運転の状態か
ら運転停止のためにモータ２２の回転速度を低下させる
と、バルブ５２、５３、５４は閉の状態のまま圧縮機１
出口圧力が低下するため、系内の空気量Ｇ２は一定に維
持されることから圧縮機１入口圧力が上がる。すると圧
縮機１入口圧力を一定に保とうとして、バルブ５３が開
き、系内から空気タンク５１に空気が流入する。系内圧
力とタンク５１内圧力との差圧により空気タンク５１に
空気が流入するが、系内圧力とタンク５１内圧力が等し
くなると（すなわち差圧が０になると）もはや流入しな
くなる。その圧力をＰとすると、Ｐ＝（Ｖ２・ＰＤ＋Ｖ
３・ＰＳ）／（Ｖ２＋Ｖ３）となり、Ｐ＞ＰＳすなわち
大気圧より高い圧力でバランスする。この空気は系内を
循環していた乾燥空気である。したがって、次回からの
起動時には、圧縮機１入口圧力は大気圧ＰＳで運転され
るため、逆に空気タンク５１から系内に乾燥空気が流入
することになる。その結果、系内に新たに導入される外
気の量は、Ｖ２²×（ＰＤ−ＰＳ）／（Ｖ２＋Ｖ３）と
なる。この新たに導入される外気は除湿の必要がある
が、空気タンク５１を設けず全量外気を導入する場合に
比べて大幅に導入量が減少できるため、除湿の負荷が格
段に小さくなる効果がある。

【００３１】次に、第四発明の実施形態を図面にしたが
って説明する。図６は、第四発明に係る凍結乾燥機を示
している。第三発明では少量であるが、圧縮機２１再運
転時に外気が導入されるため、この外気は除湿が必要で
ある。本発明は、この外気の導入を不要とするものであ
る。図６において、空気タンク５１と圧縮機１上流部と
は圧縮機（第二圧縮機）６１と逆止弁６２を備えた配管
（流路）６３で接続され、この配管６３をバイパスす
る、バルブ６４を備えたバイパス配管（バイパス流路）
６５を設けている。そして、圧縮機１上流部の圧力を圧
力検出器６６により検出する。この圧力が一定になるよ
うに圧縮機１とバルブ６４を圧力コントローラ６７によ
りコントロールする。圧力が設定圧力より高い場合は圧
縮機６１を運転し、系内から空気タンク５１に空気を導
入する。逆に圧力が設定圧力より低い場合はバルブ６４
の開度をコントロールして空気タンク５１から系内に空
気を導入する。圧縮機６１の発停が過剰に頻繁となる場
合には、圧縮機６１を連続運転しておき、バルブ６４の
開度のみによりコントロールしてもよい。本発明によれ
ば、定常運転中のみでなく、定常運転から停止する際に
おいても系内の乾燥空気は全く外部に放出する必要がな
く、全量空気タンク５１に保持される。したがって、再
起動時には、空気タンク５１内の乾燥空気を系内に導入
するだけで所要の系内圧力が得られるので、外気の導入
は不要となる。この凍結乾燥機の製造過程にその系内に
湿気を含んだ外気が混入してしまうため、最初の起動前
には系内の流体を放出し乾燥空気や窒素等を導入して除
湿する必要はあるが、その後はそのような除湿の必要性
はなくなる。また、何らかの原因で系内の空気が外部に
漏れる可能性もあるが、その場合にも空気タンク５１内
の乾燥空気を系内に導入することでその漏れに対応でき
る。

【００３２】次に、第五発明の実施形態を図面にしたが
って説明する。

【００３３】図７は、第五発明に係る凍結乾燥機を示し
ている。コールドトラップ６は、従来と同様、チューブ
を折り曲げた冷却管７１で構成され、この冷却管７１内
に冷媒として低温空気を通過させている。一方、従来の
凍結乾燥機では冷媒としてブラインを用いている。ブラ
インは熱容量が大きいため、冷却管７１の入口温度Ｔ６
と出口温度Ｔ７の差はほとんどない。ところが、冷媒と
して空気を用いる本発明の場合、空気の熱容量が小さい
ため、冷却管７１の入口温度Ｔ６と出口温度Ｔ７は−９
０℃、−５０℃のように大きく異なり、従って冷却管７
１の長手方向に温度勾配ができる。被乾燥物から除去さ
れた水蒸気は、圧力差により乾燥チャンバ１６内をコー
ルドトラップ６側へ移動するため、冷却管７１には通
常、被乾燥物に近い側から氷が付着する。ここで、仮に
冷却管７１を、従来と同様にその低温（−９０℃）側
（入口側）を被乾燥物に近い側になるように配置した場
合、その低温側（入口側）に氷が集中して付着して、被
乾燥物から離れた温度の高い（−５０℃）部分（出口
側）には氷が付着しない。その結果水蒸気の流れが悪く
なる。そこで本実施の形態では、冷却管７１を、従来と
は逆にその高温（―５０℃）側（出口側）を被乾燥物に
近い側に配置する。すなわち、冷却管７１をその上流か
ら下流にかけて乾燥手段である輻射式加熱器２に近づく
ように配設する。これにより、冷却管７１の高温側（出
口側）には−５０℃の水蒸気圧になるまでの量の氷が付
着するのみである。この付着量はある程度制限されるた
め、水蒸気の流れが阻害されることがなく、被乾燥物か
ら離れた温度の低い（−９０℃）部分（入口側）に残り
の水蒸気が凝結する。そのため、冷却管７１の一部分に
集中して氷が付着することがなく、冷却管７１すなわち
コールドトラップ６全体が有効に活用される。

【００３４】なお、本実施の形態では、輻射式加熱器２
とコールドトラップ６とは、単一の容器である乾燥チャ
ンバー１６内に一緒に収納されている例を示したが、必
ずしもこれに限られるものではない。例えば輻射式加熱
器２とコールドトラップ６とをそれぞれ別の容器に収容
し、これら２つの容器を例えばダクトで連通した構造と
してもよい。この場合には、コールドトラップ６を構成
する冷却管７１をその上流から下流にかけてダクトとの
連結部に近づくように配設すればよい。

【００３５】なお、本発明に係る凍結乾燥器を構成する
空気ヒートポンプは閉サイクルであるため、一度系内が
乾燥空気で充填されると定常運転中には外気を導入する
必要はない。しかし、一旦運転を停止したのち再度立ち
上げる際には、第四発明を除いて、停止状態から定常運
転になるまでに外気を導入する必要がある。前述した通
り、外気は湿分を含有しているため除湿をする必要があ
るため、通常は系内への導入前に予め系外で除湿され
る。あるいは、系外で除湿することに代えて、外気をそ
のまま系内へ導入した後、系内で除湿を行ってもよい。
例えば図８に示す実施の形態では、膨張機５出口〜熱交
換器４入口の間の配管（主配管）８１にバルブ８２を設
け、この主配管８１をバイパスするバイパス配管８３を
設け、このバイパス配管８３にバルブ８４と除湿器８５
を接続する。そして、定常運転になるまでは、バルブ８
２を閉、バルブ８４を開にして除湿する。そして、定常
運転に到達したときバルブ８２を開、バルブ８４を閉に
する。このとき、除湿器８５内には空気から除去された
水分が凍った状態で保持されている。定常運転中は、除
湿器８５は使用しないため、この間に除湿器８５を乾燥
させる。その方法として、例えば除湿器８５前後を図示
しないバルブで仕切り、図示しないシロッコファンで除
湿器８５内をブローする。乾燥時間を短縮するため、シ
ロッコファンの空気や除湿器８５容器を、圧縮機１出口
空気Ａ２の一部を抜出してこれを用いて加熱してもよ
い。

【００３６】なお、以下で述べるように、通常は圧縮機
１から系外へ少量の空気の漏れが存在するため、定常運
転時においても、少量ではあるが、系内への外気の導入
が必要である。定常運転時には、上述の系内に設けた除
湿器８５を使用することができないので、この外気は系
外で除湿する必要がある。そこで、この系外での除湿を
も不要とする実施の形態を提案する。図９はその一例を
示すものである。ここでは圧縮機２として、通常使用さ
れるスクリュー圧縮機を用いた例を示す。定常運転時に
おいて、圧縮機２吸込圧（上流部圧力）は大気圧、吐出
圧（下流部の圧力）は０．３ＭＰａである。吐出端面９
１の圧力は、ほぼ吸込圧と吐出圧の中間の値となる。

【００３７】吐出側軸９２に設けられた軸受９３には潤
滑のため給油されているが、この部分は大気圧雰囲気で
ある。そのため、吐出端面９１と軸受９３との間の圧力
差により、吐出端面９１から軸受９３に空気が吹き込ま
れて潤滑油が飛散することがないように軸封部９４が設
けられている。軸封部９４はラビリンスにより構成され
ており、吐出端面９１からの空気の洩れ量を減少させる
ためと、軸受９３に空気が流れ込まないようにするた
め、軸封部９４に穴９５を設けて、この軸封部穴９５か
ら外に空気を逃がしている。通常この軸封部穴９５は大
気開放されている。そのため、通常の圧縮機の使用方法
によれば、定常運転中においても、この軸封部穴９５か
ら少量の空気が系外へ漏れることになり、これを補填す
るため少量の外気を系内に導入することが必要となる。

【００３８】一方、本実施の形態によれば、図９に示す
ように、この軸封部穴９５に吸込配管９６へつながる戻
し配管９７（熱交換器４出口と圧縮機１入口との間の配
管；図１参照）を設けたことにより乾燥空気が外部に漏
出しないため、外気を導入する必要がなくなることか
ら、定常運転中に系外で除湿する必要がなくなる。な
お、圧縮機２としてターボ圧縮機を用いた場合にも上記
と同様の手段により同様の作用・効果が奏される。

【００３９】なお、上記の実施の形態では、回転手段７
としてモータを使用する例のみを説明したが、これに限
られず、エンジンや蒸気タービンなど回転駆動するもの
であればいずれを用いてもよい。

【００４０】また、上記の実施の形態では、第一発明〜
第五発明それぞれを単独で実施した例のみについて説明
したが、かならずしもこれに限られず、各発明を適宜重
畳して実施することも可能である。

【００４１】

【発明の効果】本発明により、安全性が高く、かつ乾燥
速度向上を可能とした加熱、冷却システムを備えた凍結
乾燥機が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一発明の実施に係る凍結乾燥機の一形態を示
すフロー図である。

【図２】第一発明の実施に係る凍結乾燥機の別の形態を
示すフロー図である。

【図３】第一発明の実施に係る凍結乾燥機の別の形態を
示すフロー図である。

【図４】第二発明の実施に係る凍結乾燥機の一形態を示
すフロー図である。

【図５】第三発明の実施に係る凍結乾燥機の一形態を示
すフロー図である。

【図６】第四発明の実施に係る凍結乾燥機の一形態を示
すフロー図である。

【図７】第五発明の実施に係る凍結乾燥機の一形態を示
すフロー図である。

【図８】本発明の実施に係る凍結乾燥機の別形態（系内
に除湿器を設けた例）を示すフロー図である。

【図９】本発明の実施に係る凍結乾燥機の別形態（圧縮
機の軸封部穴に戻し配管を設けた例）を示すフロー図で
ある。

【図１０】従来の凍結乾燥機を説明するフロー図であ
る。

【符号の説明】

１…圧縮機２…乾燥手段（輻射式加熱器）３…第一熱交換手段（熱交換器）４…第二熱交換手段（熱交換器）５…膨張機６…水蒸気凝結手段（コールドトラップ）７…回転手段（モータ）５１…流体タンク（空気タンク）５２、５３、５４…バルブ６１…第二圧縮機（圧縮機）６３…流路（配管）６４…バルブ６５…バイパス流路７１…冷却管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体を圧縮して昇温する圧縮機と、この
圧縮機から吐出された高温の流体にて被乾燥物を乾燥さ
せる乾燥手段と、この乾燥手段から排出された流体を冷
却する第一熱交換手段と、この第一熱交換手段から排出
された流体を更に冷却する第二熱交換手段と、この第二
熱交換手段から排出された流体を膨張させて更に冷却す
る膨張機と、この膨張機から吐出された低温の流体にて
前記被乾燥物の乾燥により発生した水蒸気を凝結させて
捕集する水蒸気凝結手段とを備え、前記水蒸気凝結手段
から排出された流体が、前記第一熱交換手段から排出さ
れた流体により前記第二熱交換手段にて加熱されたの
ち、前記圧縮機に循環するように構成されてなることを
特徴とする凍結乾燥機。
【請求項２】前記圧縮機と前記膨張機とが回転手段を
介して接続され、前記水蒸気凝結手段の入口若しくは出
口における流体の温度又は入口と出口における流体の温
度を平均した温度が一定になるように、前記回転手段の
回転速度が制御されるよう構成されてなることを特徴と
する請求項１に記載の凍結乾燥機。
【請求項３】別途設けられた流体タンクと、前記圧縮
機の上流部及び下流部とがそれぞれバルブを介して接続
され、かつ、前記圧縮機の上流部がバルブを介して略大
気圧の外部の流体と通ずるようになされ、前記圧縮機の
上流部の圧力が一定になるように、各々のバルブの開度
が制御されるよう構成されてなることを特徴とする請求
項１又は２に記載の凍結乾燥器。
【請求項４】別途設けられた流体タンクと、前記圧縮
機の上流部又は下流部とが、前記圧縮機とは別の第二圧
縮機を介する流路と、この流路をバイパスし、バルブを
介するバイパス流路とで接続され、前記圧縮機の入口部
の圧力が一定になるように前記バルブの開度及び第二圧
縮機が制御されるよう構成されてなることを特徴とする
請求項１又は２に記載の凍結乾燥器。
【請求項５】前記水蒸気凝結手段を構成する冷却管が
その上流から下流にかけて前記乾燥手段に近づくように
配設されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
か一項に記載の凍結乾燥器。