JPH07180936A - 低温熱交換システムと凍結乾燥機 - Google Patents

低温熱交換システムと凍結乾燥機

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JPH07180936A
JPH07180936A JP6263895A JP26389594A JPH07180936A JP H07180936 A JPH07180936 A JP H07180936A JP 6263895 A JP6263895 A JP 6263895A JP 26389594 A JP26389594 A JP 26389594A JP H07180936 A JPH07180936 A JP H07180936A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 低温熱交換システムとそれを組み込んだ凍結
乾燥機を提供する。 【構成】 本発明の低温熱交換システムは、低温熱交換
流体を受け取るための少なくとも1つの通路を取り付け
た熱交換器を有する。前記少なくとも1つの通路におい
て低温熱伝達流体の流れ方向を逆転させて、熱交換器に
氷が非対称的に生成するのを防ぎやすくするための逆転
回路16が組み込まれている。さらに、少なくとも1つ
の通路を通過した後に、使用済みの低温熱伝達流体の一
部が再循環される。この再循環時に、使用済みの低温熱
伝達流体が流入クライオジェンと混合されて、低温熱伝
達流体が生成される。こうした低温熱伝達流体が、生成
された後、流れ逆転回路16と熱交換器の1つ以上の通
路に導入される。低温熱伝達流体の残部が排気される。
この再循環により熱交換器における熱伝達の温度が上昇
し、これによって均一な氷の生成が促進される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、熱負荷を冷却するため
に低温熱伝達流体(cryogenic heat transfer fluid)
が熱交換器の1つ以上の通路を介して循環される、とい
う低温熱交換システム(cryogenic heat exchange syst
em)に関する。本発明はさらに、低温熱交換システムを
使用した凍結乾燥機に関するものであって、本凍結乾燥
機においては、低温熱伝達流体が、昇華水蒸気(sublim
ated water vapor)を凝縮するのに使用される凝縮器を
介して循環される。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】低温
熱交換器(cryogenic heat exchanger)は、環境に対し
て悪影響を及ぼす冷媒を使用せず、代わりに低温熱伝達
流体(例えば、液化大気ガス)を使用するという観点か
ら、高い関心を呼んでいる設計構造物である。このよう
な低温熱交換器はさらに、得られる冷却の量においては
るかに高いフレキシビリティを与え、冷媒を使用してい
る従来の熱交換器より低い温度に達することができる。
しかしながら、このような熱交換器をコンパクトな態様
で造り上げるのは難しいことが明らかとなっている。な
ぜなら、低温熱伝達流体が熱交換器中に入るので、熱交
換器における、低温熱伝達流体が熱交換器に入るほうの
側により多くの氷が生成するからである。氷が生成した
熱交換器の部分は、熱交換器の残りの部分に比べて効率
が落ちる。氷自体はいくつかの場合において許容しえな
いものであり(例えば、液体を冷却する)、また熱交換
器を塞ぐこともある。
【0003】さらに他の問題は、熱交換器の温度に対す
る制御が殆どできないという点である。液体窒素を低温
熱伝達流体として使用したとすると、熱交換器への入口
は約77Kの温度にまで冷却される。こうした冷却は特
定の種類の食品に損傷を与えることがあり、またいずれ
にしても、冷却すべき物を水のほぼ凍結点にまで冷却す
るだけでよい場合には非効率となる。
【0004】後述するように、本発明は、低温熱交換シ
ステムに使用されている熱交換器への氷の生成が、低温
熱交換流体を使用する従来技術の熱交換器における氷の
生成に比べてより均一である(そして場合によっては、
氷の生成が完全に防止される)という低温熱交換システ
ムを提供する。本発明はさらに、熱伝達が行われる温度
を制御することができる、という低温熱交換システムを
提供する。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は低温熱交換シス
テムを提供する。本発明の低温熱交換システムは、低温
熱交換流体を受け取るための少なくとも1つの通路を有
する熱交換器を含む。逆転回路が前記の少なくとも1つ
の通路に接続されており、低温熱交換流体を受け取るた
めの入口を有する。逆転回路にはさらに、低温熱交換流
体が、ある流れ方向にて、次いで反対流れ方向にて前記
少なくとも1つの通路を流れるよう、低温熱伝達流体を
前記少なくとも1つの通路に導入し、そして低温熱伝達
流体の流れ方向を逆転させるための手段が組み込まれて
いる。使用済みの低温熱交換流体として通過したあと
に、前記少なくとも1つの通路から低温熱伝達流体の一
部を受け取るための出口が設けられている。前記逆転回
路の出口に、使用済みの低温熱交換流体を受け取るため
の再循環手段が接続されている。再循環手段は、使用済
みの低温熱伝達流体とクライオジェンとをミキシングし
て低温熱交換流体を形成させ、これによって低温熱伝達
流体のエンタルピーをクライオジェンのエンタルピーを
越えて増大させるためのミキシングチャンバーを有す
る。本明細書で使用している“クライオジェン”とは、
周囲大気条件において通常みられる温度よりかなり下の
温度で液体または固体として存在する物質を意味してい
る。クライオジェンの例としては、液化大気ガス(例え
ば、窒素、酸素、アルゴン、および二酸化炭素など)が
挙げられる。低温熱伝達流体を逆転回路に導入するため
の、逆転回路への入口と連通しているミキシングチャン
バー出口が設けられている。低温熱伝達流体を熱交換器
の前記少なくとも1つの通路を介して逆転回路に循環さ
せ、そして使用済みの低温熱交換流体として前記ミキシ
ングチャンバーに戻すための手段が組み込まれている。
前記熱交換器の前記少なくとも1つの通路を通過した後
に、低温熱伝達流体の残部を排気するための排気手段が
組み込まれている。
【0006】低温熱伝達流体の流れ方向を逆転させる
と、熱交換器の少なくとも端部に対して氷が均一な量に
て堆積する。熱交換器の端部間の中間箇所に、熱交換器
の端部より多くの氷が生成する場合がある。熱交換器の
端部間での氷の生成を最小限に抑えるために、使用済み
の低温熱伝達流体の一部を再循環し、そしてこれを流入
する低温液体とミキシングして熱伝達が行われる平均温
度を上昇させることによって、流入する低温熱伝達流体
のエンタルピーを増大させる。本発明の適切な用途にお
いて、逆転流れをエンタルピー増大と組み合わせると、
いかなる量の氷生成も許容しえない場合には、自己除氷
機能として使用することができる。ここで、“氷の生
成”または“氷結”についての熱交換器の説明は、本発
明の使用分野を水が凍結する場合に限定することを意味
しているわけではない、ということに留意しなければな
らない。他の用途(例えば、食品の冷却または冷凍)に
おける氷または霜は、二酸化炭素だけでなく、本発明の
特定の用途に関連した他の氷または霜形成物質でもよ
い。
【0007】他の態様においては、本発明は、物質中に
含まれている水分が凍結され、そして蒸気に昇華され
る、という凍結乾燥プロセスに前記物質を付すための凍
結乾燥チャンバーを含んだ凍結乾燥機を提供する。生成
した蒸気を凍結させるための、そして凍結した蒸気を氷
として堆積させるための、前記凍結チャンバーと連通し
ている凝縮器が組み込まれている。凝縮器は、低温熱交
換流体を受け取るための少なくとも1つの通路を有す
る。逆転回路が前記凝縮器に接続されており、低温熱交
換流体を受け取るための入口を有する。逆転回路にはさ
らに、低温熱伝達流体が、少なくとも1つの通路をある
流れ方向に、次いで反対流れ方向に流れるよう、低温熱
伝達流体を前記凝縮器の少なくとも1つの通路に導入す
るための、そして低温熱伝達流体の流れ方向を逆転させ
るための手段が組み込まれている。流れの逆転は、凝縮
器への氷の均一な堆積を促進する。凝縮器から、低温熱
伝達流体の一部を使用済みの低温熱交換流体として受け
取るための出口が設けられている。使用済みの低温熱交
換流体を受け取るための再循環手段が、逆転回路の出口
に接続されている。再循環手段は、使用済みの低温熱伝
達流体とクライオジェンとをミキシングして低温熱交換
流体を形成させ、これによって低温熱伝達流体のエンタ
ルピーをクライオジェンのエンタルピーを越えて増大さ
せるためのミキシングチャンバーを有する。低温熱伝達
流体を逆転回路に導入するための、逆転回路の入口と連
通しているミキシングチャンバー出口が設けられてい
る。低温熱伝達流体を凝縮器の少なくとも1つの通路を
介して逆転回路に再循環させ、そして使用済みの低温熱
交換流体として前記ミキシングチャンバーに戻すための
手段が組み込まれている。凝縮器の少なくとも1つ通路
を通過した後に、低温熱伝達流体の残部を排気するため
の排気手段が組み込まれている。
【0008】図面を参照すると、図1に、物質が凍結乾
燥プロセスに付される凍結乾燥チャンバー10、および
低温熱伝達システムの一部を形成する凝縮器12を使用
している形の凍結乾燥機が示されている。凍結乾燥プロ
セスにおいては、凍結乾燥チャンバー10内に物質が配
置される。凍結乾燥プロセスにおいては、棚中に設けら
れた通路を介して冷媒を循環させることによって、物質
が棚上で凍結される。次いで、凍結した水分が昇華して
蒸気になるまで、凍結乾燥機中の圧力を十分に低下させ
る。蒸気が凝縮器12に抜き取られ、そこで凍結され
る。
【0009】凝縮器12には1つの通路14が設けられ
ており、この通路に低温熱伝達流体が流れる。当技術者
には周知のことであるが、凝縮器12、または本発明に
関連して使用される他の熱交換器は、2つ以上の通路を
組み込むこともできる。凍結乾燥機1においては、低温
熱伝達流体は窒素蒸気である。
【0010】低温熱伝達システムの逆転回路16を使用
することによって、窒素蒸気が凝縮器12に導入され
る。逆転回路16は、入口18と出口20を有する。第
1、第2、第3、および第4のソレノイド作動弁22,
24,26,および28が設けられている。第1と第2
の弁22,24が開放していると、窒素蒸気が入口18
に流入し、第1の弁22を通り、通路14を通り、そし
て第2の弁24を通って出口20から外に出る。第1と
第2の弁22,24が閉止していて、第3と第4の弁2
6,28が開放していると、窒素蒸気が、入口18、第
3の弁26、および凝縮器12の通路14を反対流れ方
向にて流れ、そして第4の弁28を通って出口20から
外に出る。三方弁のような弁集成体も使用できることに
留意しなければならない。
【0011】窒素蒸気の一部を再循環するとともに、窒
素蒸気の残部を、調節可能な圧力調整弁30を介して排
気するのが好ましい。上昇した圧力を低温熱交換システ
ム内に保持するために、そしてこれによって熱交換器内
の圧力降下と流速を最小限に抑えるために、圧力調整弁
30が調節される。圧力を保持することによって、排出
窒素蒸気を充分に高い供給圧力にて供給することがで
き、したがって本発明による凍結乾燥機1もしくは低温
熱交換システムを使用しているどこの設備でも使用する
ことができる。当技術者には周知のことであるが、調整
弁もしくは圧力スイッチ/弁の組み合わせ物などの他の
弁操作によって排気を制御することも可能である。
【0012】低温熱交換システムにはさらに、低温熱伝
達流体として作用する窒素蒸気の循環を起こさせるため
のエジェクター32が組み込まれている。エジェクター
32は、高圧入口34と低圧入口36を有する。エジェ
クター32にはさらに、圧力回復のためのディフューザ
ー部分37が取り付けられている。ディフューザー部分
37は、低温熱伝達流体を排出するための出口38で終
結している。低温流体の再循環部分は、エジェクター3
2中に生成される低圧区域によってエジェクター32の
低圧入口36中に引き込まれる。図示されていないが、
このような低圧区域は、高圧入口34を介してエジェク
ター32に流入するクライオジェンの流れによるベンチ
ュリ効果によってつくりだされる。高圧入口、低圧入
口、ミキシングのための低圧区域、および高圧出口を有
する他のベンチュリ型装置(必ずしも“エジェクター”
と称する必要はない)も、エジェクター32と同じ目的
を果たすことができる。図示の実施態様においては、流
入するクライオジェンは、約1035キロパスカルのゲ
ージ圧力および約−185℃の温度にて供給される液体
窒素である。高圧入口34、低圧入口36、およびディ
フューザー部分37はいずれも、参照番号40によって
示されている低圧区域と連通している。低圧区域40は
ミキシングチャンバーとして機能し、このミキシングチ
ャンバーにおいて、流入クライオジェン(実際上、蒸気
の形態でもよい)が使用済みの低温熱伝達流体(すなわ
ち、凝縮器12を通過したあとの窒素蒸気)の一部と混
ざり合い、これによって低温熱伝達流体が形成される。
低温熱伝達流体の圧力は、ディフューザー部分37にお
いてある程度回復され、次いで、ミキシングチャンバー
の出口として作用する高圧出口38に排出される。高圧
出口38は、逆転回路16の入口18に接続されてい
る。
【0013】周知のように、このようなミキシングはさ
らに、循環すべき低温熱伝達流体のエンタルピーを、流
入液体窒素のエンタルピーを越えて増大させる。前述し
たように、エンタルピーの増大が流れの逆転と組み合わ
さると、凝縮器12における均一な氷形成が促進され
る。本発明の適切な応用においては、同じ原理を使用し
て、低温熱交換器に自己除氷機能をもたせることができ
る。
【0014】エジェクター32が好ましい。なぜなら、
エジェクター32は可動部品をもたず、流入クライオジ
ェンと低温熱伝達流体との間の熱伝達が効率的に行われ
るからである。当技術者には周知のことであるが、セパ
レートポンプやミキシングチャンバー等の、エジェクタ
ー32と同等の機能を有する装置に置き換えることもで
きる。しかしながら、本発明の他のこうした可能な実施
態様は、図示の実施態様に比べて複雑さの程度が増大す
るだけでなく、運転コストも増大することとなる。
【0015】できるだけ大きな循環能力を得るために、
低温熱交換システムにさらに再循環熱交換器42を組み
込んで、再循環される低温熱伝達流体の一部との熱交換
によって流入液体クライオジェンを加熱することもでき
る。熱はシステムの外側には伝達されないので、クライ
オジェンのトータルの冷却容量は保持される。再循環熱
交換器42は、第1の通路44と第2の通路46を有す
る。第1の通路44は高圧入口34に接続されており、
第2の通路46は低圧入口36と逆転回路16の出口2
0との間で連通している。図示の実施態様においては、
第1の通路44と第2の通路46が同じ方向に延びてい
るが、再循環された低温熱伝達流体の一部と流入液体窒
素からできるだけ多くの熱を伝達させるために向流関係
にてセットするのが好ましい。この熱伝達により液体窒
素のエンタルピーが増大し、このことがその起動能力
(motive capacity)の増大をもたらし、これによって
低温熱交換システム中での再循環流れの速度が増大す
る。比例弁(proportional valve)48によって、循環
の程度が、したがって低温熱伝達流体の温度のさらなる
制御が可能となる。
【0016】言うまでもないが、凝縮器12、逆転回路
16、エジェクター32、およびこれらに付きものの配
管などはいずれも、本発明による低温熱交換システムに
関して一般的に説明したものである。本発明のいかなる
低温熱交換システムも、上記エレメントと同じ配置構成
をもちつつ、凍結乾燥以外の用途に使用することができ
る。例えば、1つ以上の通路を有する熱交換器を逆転回
路16およびエジェクター32のようなエジェクターに
接続して、1つ以上の冷却ダクトを通る食品を冷却する
ことができる。必要に応じて、圧力調整弁30と再循環
熱交換器42を組み込むことができる。
【0017】好ましい実施態様を挙げて本発明を説明し
てきたが、当技術者にとっては、本発明の精神と範囲を
逸脱することなく種々の変形や改良形が可能であること
は言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の低温熱交換システムの概略図であり、
凝縮セクション内に本発明による凍結乾燥機が使用され
ている。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)低温熱交換流体を受け取るための
    少なくとも1つの通路を有する熱交換器; (b)i)前記低温熱交換流体を受け取るための入口; ii)前記低温熱交換流体が、ある流れ方向にて、次いで
    反対流れ方向にて前記少なくとも1つの通路を流れるよ
    う、低温熱伝達流体を前記少なくとも1つの通路に導入
    し、そして前記低温熱伝達流体の流れ方向を逆転させる
    ための手段;および iii)使用済みの低温熱交換流体として通過したあと
    に、前記少なくとも1つの通路から前記低温熱伝達流体
    の一部を受け取るための出口;を有する、前記少なくと
    も1つの通路に接続された逆転回路; (c)i)使用済みの低温熱伝達流体とクライオジェン
    とをミキシングして低温熱交換流体を形成させ、これに
    よって低温熱伝達流体のエンタルピーをクライオジェン
    のエンタルピーを越えて増大させるためのミキシングチ
    ャンバー; ii)前記低温熱伝達流体を前記逆転回路に導入するため
    の、前記逆転回路への入口と連通しているミキシングチ
    ャンバー出口;および iii)前記低温熱伝達流体を前記少なくとも1つの通路
    を介して前記逆転回路に循環させ、そして使用済みの低
    温熱交換流体として前記ミキシングチャンバーに戻すた
    めの手段;を有し、使用済みの低温熱伝達流体を受け取
    るための、前記逆転回路の出口に接続された再循環手
    段;および (d)前記熱交換器の前記少なくとも1つの通路を通過
    した後に、前記低温熱伝達流体の残部を排気するための
    排気手段;を含む低温熱交換システム。
  2. 【請求項2】 前記再循環手段が、 (a)低温液体を受け取るための高圧入口; (b)使用済みの低温熱伝達流体を抜き取るための、前
    記逆転回路の出口に接続された低圧入口; (c)ミキシングチャンバーとして作用し、前記高圧入
    口および前記低圧入口と連通している低圧区域;ならび
    に (d)高圧出口;を有するベンチュリ型装置を含み、こ
    のとき前記高圧出口が前記ミキシングチャンバーの出口
    として機能し、低温熱伝達流体を前記逆転回路中に排出
    するために前記逆転回路の入口に接続されている、請求
    項1記載の低温熱交換システム。
  3. 【請求項3】 前記逆転回路が、(a)第1と第2の弁
    が開放ポジションにセットされているときに、前記低温
    熱伝達流体が前記少なくとも1つの通路を前記のある流
    れ方向にて流れるよう、前記少なくとも1つの通路を前
    記再循環手段の入口と出口との間で接続している一対の
    第1と第2の弁;および(b)前記第1と第2の弁が閉
    止ポジションにセットされていて、第3と第4の弁が開
    放ポジションにセットされているときに、前記低温熱伝
    達流体が前記少なくとも1つの通路を前記の反対流れ方
    向にて流れるよう、前記少なくとも1つの通路を前記再
    循環手段の入口と出口との間でさらに接続している一対
    の第3と第4の弁;を含む、請求項1記載の低温熱交換
    システム。
  4. 【請求項4】 前記再循環手段が、 (a)低温液体を受け取るための高圧入口; (b)使用済みの低温熱伝達流体を抜き取るための、前
    記逆転回路の出口に接続された低圧入口; (c)ミキシングチャンバーとして作用し、前記高圧入
    口および前記低圧入口と連通している低圧区域;ならび
    に (d)高圧出口;を有するベンチュリ型装置を含み、こ
    のとき前記高圧出口が前記ミキシングチャンバーの出口
    として機能し、低温熱伝達流体を前記逆転回路中に排出
    するために前記逆転回路の入口に接続されている、請求
    項3記載の低温熱交換システム。
  5. 【請求項5】 エジェクターの高圧入口に接続された第
    1の通路と、前記逆転回路の出口と前記エジェクターの
    低圧入口との間を連通している第2の通路とを有し、前
    記エジェクターの前にてクライオジェンと使用済み低温
    熱伝達流体との間で熱を交換させて前記エジェクターの
    エンタルピーを増大させるための再循環熱交換器をさら
    に含む、請求項4記載の低温熱交換システム。
  6. 【請求項6】 (a)物質を凍結乾燥プロセスに付すた
    めの凍結チャンバー、このとき前記凍結乾燥プロセスで
    は、前記物質中に含まれている水分が凍結され、そして
    昇華されて蒸気となる; (b)蒸気を凍結させるための、そして前記蒸気を氷と
    して堆積させるための、前記凍結チャンバーと連通して
    いる凝縮器、このとき前記凝縮器は、前記蒸気を凍結さ
    せるための低温熱伝達流体を受け取るための少なくとも
    1つの通路を有する; (c)i)前記低温熱交換流体を受け取るための入口; ii)前記低温熱伝達流体が、ある流れ方向に、次いで反
    対流れ方向に流れて、これによって前記凝縮器への氷の
    均一な堆積を促進するよう、前記低温熱伝達流体を前記
    凝縮器の少なくとも1つの通路に導入するための、そし
    て前記低温熱伝達流体の流れ方向を逆転させるための手
    段;および iii)前記凝縮器から、前記低温熱伝達流体の一部を使
    用済みの低温熱交換流体として受け取るための出口;を
    有する、前記凝縮器に接続された逆転回路; (d)i)使用済みの低温熱伝達流体とクライオジェン
    とをミキシングして低温熱交換流体を形成させ、これに
    よって低温熱伝達流体のエンタルピーをクライオジェン
    のエンタルピーを越えて増大させるためのミキシングチ
    ャンバー; ii)前記低温熱伝達流体を前記逆転回路に導入するため
    の、前記逆転回路への入口と連通しているミキシングチ
    ャンバー出口;および iii)前記低温熱伝達流体を前記凝縮器の少なくとも1
    つの通路を介して前記逆転回路に循環させ、そして使用
    済みの低温熱交換流体として前記ミキシングチャンバー
    に戻すための手段;を有し、使用済みの低温熱伝達流体
    を受け取るための、前記逆転回路の出口に接続された再
    循環手段;ならびに (e)前記凝縮器の少なくとも1つの通路を通過した後
    に、前記低温熱伝達流体の残部を排気するための排気手
    段;を含む凍結乾燥機。
  7. 【請求項7】 前記再循環手段が、 (a)低温液体を受け取るための高圧入口; (b)使用済みの低温熱伝達流体を抜き取るための、前
    記逆転回路の出口に接続された低圧入口; (c)ミキシングチャンバーとして作用し、前記高圧入
    口および前記低圧入口と連通している低圧区域;および (d)前記低圧区域と連通していて、高圧出口にて終結
    しているディフューザー部分;を有するエジェクターを
    含み、このとき前記高圧出口が、前記ミキシングチャン
    バーの出口として機能し、前記低温熱伝達流体を前記逆
    転回路中に排出するために前記逆転回路の入口に接続さ
    れている、請求項6記載の凍結乾燥機。
  8. 【請求項8】 前記逆転回路が、(a)第1と第2の弁
    が開放ポジションにセットされているときに、前記低温
    熱伝達流体が前記少なくとも1つの通路を前記のある流
    れ方向にて流れるよう、前記少なくとも1つの通路を前
    記再循環手段の入口と出口との間で接続している一対の
    第1と第2の弁;および(b)前記第1と第2の弁が閉
    止ポジションにセットされていて、第3と第4の弁が開
    放ポジションにセットされているときに、前記低温熱伝
    達流体が前記少なくとも1つの通路を前記の反対流れ方
    向にて流れるよう、前記少なくとも1つの通路を前記再
    循環手段の入口と出口との間で接続している一対の第3
    と第4の弁;を含む、請求項6記載の凍結乾燥機。
  9. 【請求項9】 前記再循環手段が、 (a)低温液体を受け取るための高圧入口; (b)使用済みの低温熱伝達流体を抜き取るための、前
    記逆転回路の出口に接続された低圧入口; (c)ミキシングチャンバーとして作用し、前記高圧入
    口および前記低圧入口と連通している低圧区域;ならび
    に (d)高圧出口;を有するベンチュリ型装置を含み、こ
    のとき前記高圧出口が前記ミキシングチャンバーの出口
    として機能し、低温熱伝達流体を前記逆転回路中に排出
    するために前記逆転回路の入口に接続されている、請求
    項8記載の凍結乾燥機。
  10. 【請求項10】 エジェクターの高圧入口に接続された
    第1の通路と、前記逆転回路の出口と前記エジェクター
    の低圧入口との間を連通している第2の通路とを有し、
    前記エジェクターの前にてクライオジェンと使用済み低
    温熱伝達流体との間で熱を交換させて前記エジェクター
    のエンタルピーを増大させるための再循環熱交換器をさ
    らに含む、請求項9記載の凍結乾燥機。
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