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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Gefriertrocknung und genauer auf
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Genauigkeit
und Leistungsfähigkeit
der Gefriertrocknung unter Verwendung einer verringerten Menge an
Kryogenmittel.
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Hintergrund
der Erfindung
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Kryogenische
Wärmetauscher
sind von demjenigen Standpunkt aus attraktive Entwurfsalternativen,
als dass sie keine umweltschädlichen
Kältemittel,
sondern stattdessen ein kryogenisches Wärmeübertragungsfluid wie z. B.
ein verflüssigtes
atmosphärisches
Gas verwenden.
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Die
vorgängigen
Arbeiten in diesem Gebiet haben die Angelegenheit eines effizienten
Gebrauchs von Kryogenmitteln nicht angegangen. In vielen Fällen stimmen
der Temperatur- und Energiebedarf des Kryogenmittels und/oder anderer
Kühlfluide
und der Wärmeaustausch-
sowie Wärmespeichervorrichtungen
nicht überein,
wodurch Ineffizienzen in dem/der Gefriertrocknungsverfahren bzw. -vorrichtung
entstehen.
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Es
sind Versuche unternommen worden, eine gleiche Wärmeverteilung in dem zu der
Gefriertrocknungskammer führenden
Wasser-Eis-Kondensator sicherzustellen. In US-A-5 456 084, Ron Lee, wird
ein Ansatz für
ein kryogenisches Wärmeaustauschsystem
bereitgestellt, in dem der Wasser-Eis-Aufbau auf einer in dem kryogenischen
Wärmetauschersystem
verwendeten Kondensatorwärmetauscheroberfläche gleichförmiger als
bei den beim Stand der Technik vorliegenden Wärmetauschern ausfällt, die
ein Wärmeaustauschfluid
verwenden. In diesem Sinn erfolgten Ansätze zur Bereitstellung einer
verbesserten Steuerung der Temperatur, bei der sich die Wärmeübertragung
unter Verwendung des kryogenischen Wärmetauschersystems vollzieht.
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In
US-A-5 743 023 mit dem Titel "Method
and Apparatus for Controlling Freeze Drying Process" sind ein Verfahren
und eine Vorrichtung offenbart, die einen einzelnen von einem kryogenischen
Kältemittel gekühlten Wärmetauscher
verwenden, um kaltes Wärmeübertragungsfluid
direkt zu einem Kondensator sowie unabhängig davon zu einem Gefriertrockner
oder einem anderen Kühlsystem
zu führen,
und zwar entweder direkt oder durch einen Heizgerätkreislauf
um den Gefriertrockner zu kühlen
oder zu erwärmen.
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In
FR-A-1 398 067 ist ein Verfahren zum Steuern der Temperatur der
Böden der
Gefriertrocknungskammer und der Kammer in einem Kühlsystem offenbart,
dem eine Kühlmaschine
wirkungsmäßig zugeordnet
ist, wobei im Zuge dieses Verfahrens
- a) ein
Kältemittel
durch die Kühlmaschine
zirkuliert wird; und
- b) ein Wärmeübertragungsfluid
durch die Kammerböden
zirkuliert wird, um die Temperatur darin zu steuern, wobei die Temperatur
dieses Wärmeübertragungsfluids
durch einen Wärmeaustausch mit
dem Kältemittel
geregelt worden ist.
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FR-A-1
398 067 offenbart weiterhin eine Gefriertrocknungsvorrichtung, die
versehen ist mit:
- • einer Gefriertrocknungskammer,
um Substanzen einem Gefriertrockenverfahren zu unterziehen, wobei
die in den Substanzen enthaltene Feuchtigkeit gefroren und zu einem
Dampf sublimiert wird,
- • einer
Reihe von Böden
innerhalb der Kammer,
- • einer
der Gefrierkammer wirkungsmäßig zugeordneten
Kühlmaschine,
- • einem
Wärmetauscher
zum Austauschen von Wärme
zwischen einem durch die Kühlmaschine geleiteten
Kältemittel
und einem Wärmeübertragungsfluid;
einem Wärmeübertragungsfluidkreislauf,
in dem die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids
durch den Wärmetauscher
geregelt wird, und in welchem das Wärmeübertragungsfluid durch die
Gefriertrocknungskammer geleitet wird, um eine Substanz zu gefrieren,
indem mindestens ein Teil der Flüssigkeit
von ihr getrennt wird;
- • einem
Kühlkreislauf,
in dem die Wärme
des Kältemittels
durch den Wärmetauscher
zu dem Wärmeübertragungsfluid übertragen
und das Kältemittel
durch die Kühlmaschine
geleitet wird und in welchem eine Anordnung zur Steuerung des Durchflusses
des Kältemittels
vorgesehen ist.
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In
DE-A-42 33 479 ist ein Verfahren zum Steuern der Temperatur von
Böden der
Gefriertrocknungskammer und einer Kammer in einem Kühlsystem
offenbart, dem ein Kondensator wirkungsmäßig zugeordnet ist, wobei im
Zuge des Verfahrens:
- (a) ein Kryogen durch
den Kondensator zirkuliert wird; und
- (b) das Kryogen durch die Kammerböden zur Steuerung der dort
vorliegenden Temperatur zirkuliert wird.
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Trotz
des oben Gesagten besteht beim Stand der Technik ein Bedarf nach
einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Kühlung der Kammerböden und
eines Wasserkondensators einer Gefriertrocknungskammer, wobei ein
Kryogenmittel verwendet wird, das abgegeben werden kann (hauptsächlich flüssiger Stickstoff),
und wobei ermöglicht
wird, dass das Ausschuss-/Abgas von der Kryogenzufuhr mit der wärmsten Temperatur,
die möglich
ist, aus dem System austreten kann, während zugleich eine minimale
Pumpenergie bewerkstelligt wird, wodurch jeder Gefriertrocknungszyklus
mit minimalen Kühlungskosten
vervollständigt
wird.
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Aufgaben der
Erfindung
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Daher
besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens
zum Steuern der Temperatur von Böden
der Gefriertrocknungskammer und der Kammer sowie einer Gefriertrocknungsvorrichtung,
die auf besonders effektive Weise arbeitet und in der eine effizientere
Ressourcenverwendung als in beim Stand der Technik bestehenden Zyklen
erfolgt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 und durch eine Gefriertrocknungsvorrichtung gemäß Anspruch
10 gelöst.
Wie nachstehend erläutert
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereit, um die Abstimmung der Kondensatorkühlungsbedürfnisse mit den variierenden
Bedürfnissen
des kryogenisch gekühlten
Wärmeübertragungsfluids
im Vergleich zu der beim Stand der Technik bestehenden Abstimmung
zu verbessern. Diese Abstimmung von Kühlungsbedürfnissen während eines programmierten
Gefriertrocknungsvorgangs ermöglicht
einen effizienteren Gebrauch des Kryogenmittels. Das Verfahren des
Gefriertrocknungszyklus beinhaltet typischerweise 1) Temperaturabfall;
2) Temperaturaufrechterhaltung; 3) Vakuuminduktion und 4) Temperaturanstieg.
Dieses Verfahren verfügt über Wärmebelastungen,
die um Faktoren von mindestens 2 : 1 variieren, und mit denen auf ökonomische
Weise dadurch umgegangen werden kann, dass diejenige Pumpen- und
Wärmetauscherkombination
ausgewählt
wird, die am besten zu der Wärmebelastung
passt. Die Gefrierkammer und Böden
müssen
bei einer wärmeren
Temperatur als der Kondensator betrieben werden. Somit wird ein Heizgerät üblicherweise
sogar während
des Abkühlungszyklus
verwendet, um eine Umwälzschleife
für ein
zweites Wärmeübertragungsfluid
auszubilden. Ein derartiges Verfahren erzeugt einen hohen Energieausschuss.
Diese Erfindung vermeidet die Verwendung eines Heizgeräts während des
Abkühlungszyklus,
wodurch die Leistungsfähigkeit
verbessert wird. Dieses Auswahlverfahren vermeidet den Betrieb der
physikalisch größeren Ausrüstung, wenn dies
nicht erforderlich ist, wodurch große statische und dynamische
Wärmeverluste
vermieden werden und es ermöglicht
wird, dass die kleineren Pumpen/Wärmetauscher die kleineren Wärmebelastungen
präziser
und effizienter handhaben.
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Die
Temperatur des kryogenisch gekühlten Wärmeübertragungsfluids
kann durch den Wärmeaustausch
mit dem Kryogenmittel durch eine Mehrzahl von Wärmetauschern und weiterhin
durch eine Heizeinheit geregelt werden. Die Umwälzung des kryogenisch gekühlten Wärmeübertragungsfluids kann
durch die Verwendung einer Mehrzahl von Pumpen und Ventilen bewerkstelligt
werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids teilweise
dadurch geregelt, dass das Wärmeübertragungsfluid
durch ein Vorkühlmittel
geführt
wird. Eine Kältewiedergewinnungseinheit
kann zur Aufrechterhaltung der Temperatur und zur Umwälzung des
kryogenisch gekühlten Wärmeübertragungsfluids
verwendet werden. Ebenfalls kann ein flüssiges Kältemittel durch den Kondensator
geleitet werden.
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Für die Zwecke
dieser Erfindung bezeichnet wie hier und in den Ansprüchen verwendet
der Begriff "Kryogenmittel" eine Substanz, die
als eine Flüssigkeit
oder ein Feststoff bei denjenigen Temperaturen vorliegt, die unter
den normalerweise in Umgebungsatmosphärenbedingungen auftretenden
Temperaturen liegen. Beispiele für
Kryogenmittel sind verflüssigte
atmosphärische
Gase, z. B. Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium, Kohlendioxid
usw.
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Der
Begriff "Kältemittel
mit niedrigem Siedepunkt (LBP-Kältemittel)" bezeichnet eine
Substanz, die als ein Gas oder Dampf mit einem Siedepunkt vorliegt,
der unter dem normalerweise in Umgebungsatmosphärenbedingungen auftretenden
Siedepunkt liegt. Allerdings kann das LBP-Kältemittel bei einem Wärmeaustausch
mit einem Kryogenmittel leicht zu einer Flüssigkeit kondensiert werden.
Für die
Zwecke dieser Erfindung wird das LBP-Kältemittel derart ausgewählt, dass
der Siedepunkt gleich wie die Betriebstemperatur des Kondensators
ist. Beispiele von in dieser Erfindung verwendeten LBP-Kältemitteln
beinhalten Chloroform (Siedepunkt –63,5°C), Ethan (Siedepunkt –88,6°C), Dichlorfluorid (Siedepunkt –78,4°C), Monochlortrifluormethan
(Siedepunkt –114,6°C) und andere
Fluide, die durch einen Wärmeaustausch
mit einem Kryogenmittel ohne Verdichtung leicht kondensieren, jedoch
zu einem Gas oder Dampf auskochen, wenn sie ihre Kältewerte
verlieren. Ein Beispiel des in dieser Erfindung verwendeten flüssigen Kältemittels
ist Monochlortriflurmethan.
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Der
Begriff "kryogenisch
gekühltes
Wärmeübertragungsfluid" ist ein Material,
das Wärme
zu und/oder von einer anderen Quelle mit unterschiedlicher Temperatur übertragen
kann. Dieses Fluid kann unter der Marke D'Limonene (verfügbar von Florida Chemical Co.)
oder Lexsol (verfügbar
von Santa Barbara Chemical Co.) kommerziell erhältlich sein, oder es kann ein
Siliconöl,
ein Derivat von jedem der oben angeführten Fluide, oder ein anderes
gleich gut geeignetes Fluid sein, das dem Fachmann bekannt ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile ergeben sich für
den Fachmann anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
und den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
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1 ein
schematisches Fließdiagramm
ist, das das Verfahren und die Vorrichtung illustriert, das/die
die Merkmale dieser Erfindung realisiert; und
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2 ein
schematisches Fließdiagramm
ist, das das Verfahren und die Vorrichtung aus 1 mit der
alternativen Ausführungsform
einer zusätzlichen Kühleinheit
und des optionalen Einschlusses eines Stroms illustriert, in welchem
ein flüssiges
Kältemittel durch
den Kondensator geleitet wird.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Diese
Erfindung kann durch ein Verfahren und eine Vorrichtung bewerkstelligt
werden das/die in den Figuren illustriert ist.
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Ein
einzigartiges Merkmal in dieser Erfindung besteht in der Verwendung
mehrerer Wärmetauscher,
um die Erwärmungs-
und Kühlzyklusbedürfnisse,
die für
den Gefriertrockner typisch sind, zu handhaben. Das Wärmeübertragungsfluid
durchläuft mehrere
Wärmetauscher,
um die effizienteste Verwendung der Energie zur Steuerung der Temperatur der
Gefriertrocknungsböden
und der Kammer zu bewerkstelligen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht, wie in den Figuren dargestellt,
in der einzigartigen Verwendung des Kryogenmittels. In einem Sinn
wird das Kryogenmittel direkt in dem Kondensator verwendet (Kältefalle).
In einem anderen Sinn wird das Kryogenmittel als ein primäres Kühlmittel
in den Wärmetauschern
für die
Regelung der Temperatur des Wärmeübertragungsfluids
benutzt.
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Noch
ein weiterer Aspekt besteht in der verbesserten Leistungsfähigkeit
aufgrund des sequenziellen Betriebs der verschiedenen Komponenten
dieser Erfindung. Die neuartige Verwendung der Wärmetauscher, die wie dargestellt
in der Möglichkeit
eines Durchleitens einer Mehrzahl von Kühlmitteln durch die Wärmetauscher
besteht, sowie die neuartige Natur der Durchflusspfade des Kryogenmittels
ermöglicht
eine effiziente Verwendung der Ressourcen.
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Wie
in der nachstehenden 2 angegeben wird dargestellt,
dass ein Speicher für
Wärmeübertragungsfluid
(eine Kältewiedergewinnungseinheit) dazu
verwendet werden kann, die nicht genutzte Kälte ("Abkälte") wieder zu gewinnen
und überschüssiges Kältemittel
zu speichern, um den zyklischen Kühlungs-/Erwärmungsbedürfnissen
zu entsprechen.
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In 2 ist
ebenfalls die derartige Verwendung eines alternierenden LBP-Kältemittels
dargestellt, dass die Kondensation und Verdampfung des LBP-Kältemittels
(das einem Wärmeaustausch
mit dem Kryogenmittel unterzogen wurde) den Bedarf nach einer mechanischen
Verdichtung und Expansion beseitigt.
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Auf
das Fließdiagramm
von 1 Bezug nehmend ist ein Kühlsystem 10 dargestellt.
Vorkühlflüssigkeit 20 wird
durch den Einlass eines Wärmetauschers 52 geleitet,
um aus dessen Auslass als wärmere
Vorkühlflüssigkeit 22 auszutreten.
Die Vorkühlflüssigkeit
kann typischerweise in denm Temperaturbereich von etwa 15°C bis etwa –40°C liegen. Beispiele
von Vorkühlflüssigkeiten
können
ein Wasserkühler
(in dem Temperaturbereich von etwa 15°C bis etwa 2°C) und Glykolchiller (in dem
Temperaturbereich von etwa 2°C
bis etwa –40°C) sein.
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Ein
Kryogenmittel 30 wird anfänglich in Ströme 32 und 42 aufgeteilt.
Der Kryogenmittelstrom 42 fließt durch den Einlass eines
Wärmetauschers 54 und
tritt von dessen Auslass als ein Kryogenmittelstrom 44 aus.
Der Kryogenmittelstrom 32 wird in Kryogenmittelströme 34 und 36 aufgeteilt.
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Der
Kryogenmittelstrom 36 strömt direkt in den Einlass eines
Kondensators (Kältefalle) 18,
um von Gefrierkammerböden 97 innerhalb
einer Gefrierkammer 16 stammende Materialen in der Dampfphase
zu der Feststoffphase abzukühlen.
Von dem Auslass des Kondensators 18 tritt ein Kryogenmittelstrom 38 aus,
der in Kryogenmittelströme 39 und 46 aufgeteilt
wird. Der Kryogenmittelstrom 46 kann mit dem Kryogenmittelstrom 34 zur
Ausbildung eines kombinierten Kryogenmittelstroms 48 kombiniert werden,
der in den Einlass eines Wärmetauschers 56 geführt wird.
Ein Kryogenmittelstrom 50 tritt aus dem Auslass des Wärmetauschers 56 aus
und kombiniert sich mit dem Kryogenmittelstrom 44 zur Ausbildung eines
kombinierten Kryogenmittelstroms 52. Anschließend werden
die Kryogenmittelströme 52 und 39 kombiniert,
um einen kombinierten Kryogenmittelstrom 40 auszubilden,
der als gasförmiger
Kryogenmittelstrom 40 weitergeleitet wird.
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Ein
kryogenisch gekühlter
Wärmeübertragungsfluidstrom 60 (das "kryogenisch gekühlte Wärmeübertragungsfluid" wird im folgenden
als "Übertragungsfluidstrom" bezeichnet) wird
mittels Aktivierung einer Fluidpumpe 12 durch den Einlass
eines elektrisch betriebenen modulierenden Dreiwege-Steuerventils 63 geführt. Übertragungsfluidströme 61 und 64 treten
von den Auslässen
des Dreiwege-Ventils 63 aus. Während des Beginns des Temperaturabkühlungszyklus
kann der Strom 60 (aufgrund der Dampfsterilisierungsprozedur)
bis zu 80°C
heiß sein. Das
Dreiwege-Ventil wird aktiviert und ermöglicht eine Durchleitung des Übertragungsfluidstroms 61 durch
den Wärmetauscher 52,
um aus dessen Auslass als ein kälterer Übertragungsfluidstrom 62 auszutreten.
Wenn die Temperatur des Stroms 60 den Bereich von 0°C bis –30°C erreicht,
wird das Dreiwege-Ventil erneut aktiviert, um zu ermöglichen,
dass nur der andere Überlragungsfluidstrom 64 den
Einlass des Wärmetauschers 54 durchläuft und
von dessen Auslass als ein weiterer gekühlter Übertragungsfluidstrom 65 austritt.
Es ist berücksichtigt,
dass der Wärmetauscher 52 die
Anordnung zum Kühlen
des Übertragungsfluidstroms
in einem Temperaturbereich von etwa 60°C bis etwa –30°C bereitstellt, und der Wärmetauscher 54 stellt
die Anordnung zum Kühlen
des Übertragungsfluidstroms
in einem Temperaturbereich von etwa 0°C bis etwa –90°C bereit. In der Praxis hängt die
Wahl, ob einer oder beide Wärmetauscher
betrieben wird/werden, von der Temperatur des Übertragungsfluids 60 und
dem Temperaturzyklus des Gefriertrockenverfahrens ab. Das Dreiwege-Steuerventil 63 kann
den Durchfluss von dem Strom 60 zu dem Strom 61 oder
alternativ dazu von dem Strom 60 zu dem Strom 64 umschalten.
Die gekühlten Übertragungsfluidströme 62 und 64 werden wechselweise
geregelt, um einen Fluidstrom 66 auszubilden.
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Ein Übertragungsfluidstrom 70,
der teilweise von den Gefriertrocknungsböden 97 und der Kammer 16 zurückgeführt worden
ist, strömt
aufgrund der Aktivierung der Pumpe 14 durch den Einlass
des Wärmetauschers 56 und
tritt durch den Auslass des Wärmetauschers 56 als
ein Übertragungsfluidstrom 74 aus,
der wiederum durch den Einlass der Heizeinheit 58 fließt, um von
deren Auslass als ein Übertragungsfluidstrom 76 auszutreten.
Der Durchfluss der Wärmeübertragungsfluidströme 72, 74 und 76 wird hauptsächlich durch
die Aktivierung der Pumpe 14 gesteuert. Der Heizeinheit 58 wird
Wärme nur
während
des Temperaturanstiegszyklus zugeführt. Während dieses Zyklus steuern
die Heizeinheit 58 und die Pumpe 14 vollständig die
Temperatur, mit der das Wärmeübertragungsfluid
durch die Gefriertrocknungsböden 97 und
die Kammer 16 strömt.
Bei diesem Zyklus beendet die Pumpe 12 die Zirkulation
des Wärmeübertragungsfluids
zu den Wärmetauschern. Während des
Abkühlungszyklus
können
die Wärmeübertragungsfluidströme 66 und 76 kombiniert
werden, um einen Wärmeübertragungsfluidstrom 78 auszubilden,
der zu dem Einlass der aus den Gefriertrocknungsböden 97 und
der Kammer 16 bestehenden Baugruppe geleitet wird. In der
Praxis fließt
der Wärmeübertragungsfluidstrom 78 durch
jeden der Gefriertrocknungsböden 97 und
die Kammer 16, um eine Gefriertrocknung von innerhalb der
Gefriertrocknungsböden 97 und
der Kammer 16 befindlichen Materialen auszulösen.
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Von
dem Auslass der Gefriertrocknungsböden 97 und der Kammer 17 wird
ein Übertragungsfluidstrom 80 abgelassen,
der für
eine Umwälzung
wiederum in Wärmeübertragungsfluidströme 70 und 82 getrennt
wird. Während
der Abkühlungs-
und Temperaturaufrechterhaltungszyklen fließt der eine Übertragungsfluidstrom 70 durch
den Einlass der Pumpe 14, um von deren Auslass als ein Übertragungsfluidstrom 72 auszutreten,
wenn die Pumpe 14 aktiviert wird. Der andere Übertragungsfluidstrom 82 strömt durch
den Einlass der Pumpe 12 und tritt von ihrem Auslass als
der Übertragungsfluidstrom 60 aus.
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Durch
eine Sublimierung unter hohem Vakuum wird jede gefrorene flüchtige Substanz
verdampft und als ein Strom 90 aus der Gefriertrocknungskammer 16 herausgeleitet.
Von dem Auslass des Kondensators 18 tritt ein restlicher
Abstrom 94 aus, der von einer Vakuumpumpe 95 angezogen
wird. Ein von dem Auslass der Vakuumpumpe 95 austretender
Abstrom 96 wird entfernt.
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Allgemein
beteiligt der Betrieb des Kühlsystems
die Verwendung eines direkt in einen Kondensator strömenden Kryogenmittelstroms.
Das Wärmeübertragungsfluid
wird sequenziell mit einem vorgekühlten Medium und anschließend kryogenisch durch
das Kryogenmittel mittels einer Mehrzahl von Wärmetauscheranordnungen gekühlt, in
die Gefriertrocknungsböden
und die Kammer geleitet und zurückgeführt. Das
System ermöglicht
eine besonders effektive Verwendung des Kryogenmittels zum Abkühlen der
Temperatur des Wärmeübertragungsfluids,
wodurch eine nur minimale Menge an Kryogenmittel notwendig ist,
um das Wärmeübertragungsfluid zu
kühlen
und die Substanzen in den Gefriertrocknungsböden und der Kammer gefrierzutrocknen.
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Da
die Gefrierkammer 16 und die Böden 97 mit einer wärmeren Temperatur
als der Kondensator 18 betrieben werden müssen, beseitigt
eine Verwendung des Kryogenmittels in dem Kondensator 18 den Bedarf
nach einer Aktivierung des Heizgeräts 58 während des
Kühlzyklus
und nach einer Erzeugung einer getrennten Wärmeübertragungsumwälzschleife.
Daher fällt
das Verfahren effizienter und weniger kapitalintensiv aus.
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Nun
auf 2 Bezug nehmend ist eine Ausführungsform eines Systems 210 dargestellt,
bei welchem eine Kältewiedergewinnungseinheit 245 zur Aufrechterhaltung
der Temperatur und zur Umwälzung
des Wärmeübertragungsfluids
benutzt wird. Weiterhin stellt ein getrenntes Flüssig-LBP-Kühlsystem 298 ein LBP-Kältemittel
bereit, das durch einen Kondensator 218 geführt wird.
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Vorkühlflüssigkeit 220 wird
durch den Einlass eines Wärmetauschers 252 geleitet,
um als wärmere
Vorkühlflüssigkeit 222 auszutreten.
Wie zuvor erläutert
kann die Vorkühlflüssigkeit 220 Kühlwasser, Glykolchiller
oder ein anderes ähnliches
flüssiges Kühlmittel
sein, das bei einer Temperatur von etwa –40°C betrieben werden kann.
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Kryogenmittel 230 wird
anfänglich
in Ströme 232 und 242 aufgeteilt.
Der Kryogenmittelstrom 242 wird durch den Einlass eines
Wärmetauschers 254 geleitet
und tritt von dessen Auslass als ein Kryogenmittelstrom 244 aus.
Weiterhin wird der Kryogenmittelstrom 232 in Kryogenmittelströme 234 und 236 aufgeteilt.
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Der
Kryogenmittelstrom 236 wird direkt in einen LBP-Kühlkondensor 213 geführt. Von
dem Auslass des LBP-Kühlkondensors 213 tritt
ein Kryogenmittelstrom 238 aus, der in Kryogenmittelströme 239 und 246 aufgeteilt
wird. Während
der Abkühlungs- und
Temperaturaufrechterhaltungszyklen kann sich der Kryogenmittelstrom 246 mit
dem Kryogenmittelstrom 234 kombinieren, um einen kombinierten
Kryogenmittelstrom 248 auszubilden, der in den Einlass des
Wärmetauschers 256 eingespeist
wird. Ein wärmerer
Kryogenmittelstrom 250 tritt von dem Auslass des Wärmetauschers 256 aus
und kombiniert sich zur Ausbildung eines kombinierten Kryogenmittelstroms 252 mit
dem Kryogenmittelstrom 244. Die Kryogenmittelströme 252 und 239 werden
kombiniert, um einen kombinierten Kryogenmittelstrom 240 auszubilden,
der wiederum in Kryogenmittelströme 241 und 243 aufgeteilt
wird. Der eine Kryogenmittelstrom 243 strömt in den
Einlass der Kältewiedergewinnungseinheit 245 und
tritt daraus als wärmerer Kryogenmittelstrom 247 aus.
Somit wird Abkälte
von dem Strom 243 gewonnen und gespeichert. Wenn der Strom
wärmer
als die Kältewiedergewinnungseinheit 245 ist,
z. B. während
der anfänglichen
Abkühlung
oder wenn das Wärmeübertragungsfluid übermäßig kalt
wird (und sich seinem Gefrierpunkt annähert), umgeht der andere Kryogenmittelstrom 241 die
Kältewiedergewinnungseinheit 245 und
kann sich mit einem Kryogenmittelstrom 247 kombinieren, um
einen Kryogenmittelstrom 249 auszubilden, der als Abgas
abgeleitet oder zu einem Gasspeicher geführt wird.
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Ein
Wärmeübertragungsfluidstrom 260 strömt in den
Einlass eines elektrisch betriebenen modulierenden Dreiwege-Steuerventils 263 mittels Verwendung
einer Fluidpumpe 212. Während
des anfänglichen
Abkühlungs-
und Temperaturaufrechterhaltungszyklus ermöglicht es das Dreiwege-Steuerventil
nur, dass die Übertragungsfluidströme 261 von
den Auslässen
des Ventils 263 austreten. Der Übertragungsfluidstrom 261 fließt durch
den Einlass des Wärmetauschers 252,
um von dort als kälterer Übertragungsfluidstrom 262 auszutreten.
Wenn sich die Temperatur an den Bereich von 0°C bis –30°C annähert, ermöglicht es das Dreiwege-Steuerventil
nur, dass der Übertragungsfluidstrom 264 durch
den Einlass des Wärmetauschers 254 fließt und von
dessen Auslass als ein weiter gekühlter Übertragungsfluidstrom 265 austritt.
Es wird in Betracht gezogen, dass der Wärmetauscher 252 die
Anordnung zum Kühlen des Übertragungsfluidstroms
in einem Temperaturbereich von etwa –5°C bis etwa 50°C bereitstellt
und dass der Wärmetauscher 254 die
Anordnung zum Kühlen
des Übertragungsfluidstroms
in einem Temperaturbereich von etwa 0°C bis etwa –80°C bereitstellt. In der Praxis
hängt die
Auswahl des Betriebs jeder der Wärmetauscher
in großem
Umfang von dem Temperaturkühlzyklus
des Gefriertrockners, der Temperatur des Übertragungsstroms 260,
dem Typ von in dem System verwendeten Kryogenmitteln und Übertragungsfluiden
und von dem Durchfluss der Übertragungsfluidströme durch
das Steuerventil 263 ab. Die gekühlten Übertragungsfluidströme 262 und 264 können zur
Ausbildung eines Fluidstroms 266 kombiniert werden.
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Ein Übertragungsfluidstrom 272,
der von dem aus dem Auslass der Gefriertrocknungsböden 297 und
der Kammer 216 austretenden Übertragungsfluidstrom 280 abgezweigt
wird, wird durch eine Aktivierung der Pumpe 214 durch den
Einlass des Wärmetauschers 256 geführt und
tritt durch den Auslass des Wärmetauschers 256 als
ein Übertragungsfluidstrom 274 aus,
der wiederum die Heizeinheit 258 durchläuft, um von deren Auslass als
ein Übertragungsfluidstrom 276 auszutreten.
Der Durchfluss der Wärmeübertragungsfluidströme 272, 274 und 276 wird
hauptsächlich
durch die Aktivierung der Pumpe 214 gesteuert. Wärme wird
der Heizeinheit 258 nur während des Erwärmungs-
oder Temperaturanstiegszyklus des Gefriertrockenverfahrens zugeführt. Die
Heizeinheit 258 und die Pumpe 214 steuern teilweise
die Temperatur, mit der das Wärmeübertragungsfluid
durch die Gefriertrocknungsböden 297 und
die Kammer 216 fließt.
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Während der
Kühl- und
Temperaturaufrechterhaltungszyklen werden die Wärmeübertragungsfluidströme 266 und 276 kombiniert,
um einen Wärmeübertragungsfluidstrom 278 auszubilden,
der zu dem Einlass der die Gefriertrocknungsböden 297 und die Kammer 216 umfassenden
Baugruppe geführt
wird. In der Praxis fließt
der Wärmeübertragungsfluidstrom 278 durch
die Gefriertrocknungsböden 297 und
die Kammer 216, um die Gefriertrocknung von Materialen
innerhalb der Gefriertrocknungsböden 297 und der
Kammer 216 zu bewirken.
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Von
dem Auslass der Gefriertrocknungsböden 297 und der Baugruppe 216 wird
ein Übertragungsfluidstrom 280 abgelassen,
der wiederum durch die Verwendung eines elektrisch betriebenen modulierenden
Dreiwege-Steuerventils 289 in Wärmeübertragungsfluidströme 281 und 283 getrennt wird.
Der Wärmeübertragungsfluidstrom 283 wird
in die Ströme 270 und 282 aufgeteilt.
Der Übertragungsfluidstrom 270 wird
durch den Einlass der Pumpe 214 geleitet, um als Übertragungsfluidstrom 272 auszutreten,
wenn die Aktivierung der Pumpe 214 erfolgt. Der andere Übertragungsfluidstrom 282 wird durch
den Einlass der Pumpe 212 geleitet und tritt von deren
Auslass als Übertragungsfluidstrom 260 aus.
Während
der Abkühlungs-
und Temperaturaufrechterhaltungszyklen strömt der Wärmeübertragungsfluidstrom 281 durch
den Einlass der Kältewiedergewinnungseinheit 245 und
tritt von deren Auslass als ein Wärmeübertragungsfluidstrom 251 aus. Einer
der Wärmeübertragungsfluidströme 251 und 282 wird
zusammengeführt,
um einen Wärmeübertragungsfluidstrom 287 auszubilden.
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Jede
gefrorene flüchtige
Substanz wird durch Sublimierung verdampft und als ein Strom 290 aus
der Gefriertrocknungskammer 216 heraus geleitet. Von dem
Auslass des Kondensators 218 tritt ein durch eine Vakuumpumpe 295 herausgezogener
verbleibender Abstrom 294 aus. Ein Abstrom 296 wird, wenn
er von dem Auslass der Vakuumpumpe 295 austritt, entfernt.
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Ein
zusätzliches
Kühlsystem 298 ermöglicht die
Verwendung eines getrennten LBP-Kältemittels, das die Temperatur
des Kondensators absenkt. Beispiele für ein LBP-Kältemittel 211 beinhalten
die aus der aus Gasen auf Kohlenwasserstoff- und Fluorkohlenstoffbasis
bestehenden Gruppe, wobei diese Gase leicht durch ein Kryogenmittel,
das innerhalb des Kondensators aufkocht, kondensiert werden können, um
eine feste Kühltemperatur
bereitzustellen. Ein bevorzugtes LBP-Kältemittel ist Monochlortrifluormethan (Freon 13).
Das LBP-Kältemittelgas 211 strömt durch
den Einlass eines LBP-Kühlkondensors 213 und
tritt von dessen Auslass als ein verflüssigtes kaltes LBP-Kältemittel 215 aus,
das anschließend
durch die Pumpe 217 geführt
wird und als ein LBP-Kältemittelstrom 219 aus
dem Auslass der Pumpe austritt. Der LBP-Kältemittelstrom 219 strömt durch
den Einlass des Kondensators 218, um flüchtige Substanzen von den Trockengefrierböden 297 und
der Kammer 216 zu entfernen. Das LBP-Kältemittel wird innerhalb des
Kondensators 218 aufgekocht, um gasförmiges LBP-Kältemittel 211 auszubilden.
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Allgemein
beteiligt der Betrieb dieser in 2 angeführten zweiten
Ausführungsform
des Kühlsystems
die Verwendung einer Kältewiedergewinnungseinheit
sowie die Verwendung eines getrennten Kältemittels zur Einleitung in
den Kondensator. Die Kältewiedergewinnungseinheit
gewinnt Abkälte
von dem verdampften Kryogenmittel und speichert die von dem Wärmeübertragungsfluid
stammende überschüssige Kälte. Das
getrennte Kältemittel
ermöglicht
die Verwendung einer konventionellen Substanz, die den Bedarf nach
einer gewissen Verdichtung und einer Expansionsvorrichtung beseitigen kann
und dadurch ein effizientes Verfahren bereitstellt.
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Da
die Gefrierkammer 216 und die Böden 297 mit einer
wärmeren
Temperatur als der Kondensator 218 betrieben werden müssen, beseitigt
die Verwendung eines LBP-Kältemittels
in dem Kondensator 218 den Bedarf nach einem Anschalten
des Heizgeräts 258 während des
Kühlzyklus
oder nach der Erzeugung einer getrennten Wärmeübertragungsfluid-Umwälzschleife.
Daher fällt
das Verfahren effizienter und weniger kapitalintensiv aus.
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Für den Fachmann
versteht sich, dass verschiedene Veränderungen hinsichtlich der
Größe, der
Form, des Typs, der Anzahl und der Anordnung der oben beschriebenen
Bauteile erfolgen können. Obwohl
beispielsweise das oben beschriebene Gefriertrocknersystem die Kammern
in den hohlen Böden
als Teil des Leitungssystems verwendet, durch welches Wärmeübertragungsfluid
durch das System zirkuliert wird, können andere Kühlsysteme
hohle Wandplatten, Rohrschlangen oder andere Kammerformen in dem
Leitungssystem für
das Wärmeübertragungsfluid
verwenden. Auf Wunsch können
verschiedene wohlbekannte Kältemittel
und Wärmeübertragungsfluide
benutzt werden. Die für
eine Verwendung in dem Leitungssystem beschriebenen Typen von Steuerventilen
können
durch andere geeignete Typen ersetzt werden. Der Einfachheit halber sind
bestimmte Absperrventile, Dampfventile, Durchflußmessgeräte, Drucksensoren und Thermokupplungen
in den Figuren nicht dargestellt, wobei sich diese Bauteile jedoch
für den
Fachmann vollumfänglich
verstehen. Auf der Basis des oben Gesagten können dementsprechend Veränderungen
erfolgen, ohne die Erfindung und den Rahmen der beiliegenden Ansprüche zu verlassen.
Für den
Fachmann verstehen sich alternative Ausführungsformen, die beabsichtigter
Maßen
in den Rahmen der Ansprüche eingeschlossen
sind.