JP2022509481A - 連続式冷凍乾燥器、ホッパ、及び冷凍乾燥方法 - Google Patents

Abstract

入口との封止連結を介して、製品を冷凍乾燥チャンバの入口に供給するためのホッパを有する、連続式冷凍乾燥器。ホッパバルブは、凍結乾燥される製品を内部に伴い、ホッパが封止かつ減圧されるのを可能にする。凍結乾燥チャンバの入口バルブ及びホッパバルブは、両方とも開けられて、ホッパとチャンバとの間の通路をもたらし、その一方でホッパ及びチャンバは減圧条件を保たれ得る。ホッパは、外側シェル内に内側シェルを含み、シェル間の空洞を減圧するための減圧ポートを伴う。ホッパバルブは、ホッパポートを介して製品を冷凍乾燥器に供給するのを可能にする。製品は、冷凍乾燥チャンバの入口に連結され、減圧されたホッパの中に投入され、ホッパバルブは、製品を冷凍乾燥チャンバに供給するために開けられ、製品は冷凍乾燥チャンバを通して搬送される。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続式冷凍乾燥器、製品を冷凍乾燥器に供給するためのホッパ、及び冷凍乾燥方法に関する。

食品などの製品は、大気圧で動作し、熱を使用した蒸発によって湿気を除去する純乾燥システム、または製品を冷凍し、入れ物内の圧力を下げ、次に昇華によって氷を除去することで動作する冷凍乾燥器、を使用して乾燥させ得る。現在の冷凍乾燥機械は、小バッチ乾燥器、または大型で高価な「連続式」乾燥器のカテゴリに分類される。

小バッチ乾燥器は、中に製品が投入される単一の入れ物から構成される。この乾燥器は閉鎖かつ減圧され、温度は乾燥プロセスを通して循環される。これらのシステムは、制限されたスループットを有し、多くの労力を必要として、製品重量に対するコストベースにおいて、比較的高い処理コストがかかる。

一般的に大型の連続式乾燥器は、トレイが手動で装入される第１のステージを有し、次にこの第１のステージは、減圧された状況下における漸進的加熱（高温から低温）のための後続ステージにトレイが移る前に、減圧される。このようなシステムのスループットは、製品を新たに乾燥器に投入するごとに、加圧／投入／脱圧する必要があるため、制限される。このような機械は、利用する一連の処理ステージ数のために、大きい設置面積を有する。さらにそれらは、比較的高いエネルギー要求と、トレイの装入及び取り出し、ならびに種々のステージにおける開始及び終了のための労力投入コストと、を有する。さらにそれらは、繰り返される加圧及び脱圧サイクルの間、比較的大きいボリュームを減圧される必要がある。多くは、非効率的な流体加熱システムも利用する。これは、所与の処理能力のために、高いプラントコスト及び高い作動コストをもたらす場合がある。

本発明の目標は、改善された冷凍乾燥器、ホッパ、及び冷凍乾燥方法を提供すること、または社会に有用な選択を少なくとも提供することである。

１つの例示的な実施形態によると、
ａ．少なくとも部分的な減圧が可能で、入口から出口まで連続したコンベアを有し、この入口は入口バルブを有する、冷凍乾燥チャンバと、
ｂ．冷凍乾燥チャンバの入口に製品を供給するためのホッパであって、この入口と封止連結を形成するよう構成され、冷凍乾燥される製品を内部に伴い、ホッパを封止かつ減圧することを可能にするホッパバルブを含んだ、ホッパと
を備え、
ホッパがチャンバに連結されたとき、入口バルブ及びホッパバルブは両方とも開けられ、ホッパとチャンバとの間に通路を提供する一方で、ホッパ及びチャンバは減圧された状態が保たれる、冷凍乾燥器が提供される。

別の例示的な実施形態によると、
ａ．外側シェルと、
ｂ．外側シェル内の内側シェルであって、これらのシェル間に空洞を画定し、開口部を含んで内側シェルの内部と空洞との間に流体移動経路を作り出す、内側シェルと、
ｃ．冷凍乾燥器の入口に連結して、製品を冷凍乾燥器に供給するための導管を提供する、製品ポートと、
ｄ．空洞を減圧するための減圧ポートと、
ｅ．製品ポートを開閉するためのホッパバルブと
を含んだ、冷凍乾燥器の入口に製品を供給するためのホッパが提供される。

別の例示的な実施形態によると、
ａ．入口及び出口を有する、減圧された冷凍乾燥チャンバを提供するステップと、
ｂ．製品をホッパの中に投入するステップと、
ｃ．ホッパを、冷凍乾燥チャンバの入口に連結するステップと、
ｄ．ホッパを減圧するステップと、
ｅ．ホッパと入口との間の通路を開け、減圧された冷凍乾燥チャンバに製品を入れるのを可能にするステップと、
ｆ．製品を搬送し、冷凍乾燥チャンバの中の製品を冷凍乾燥するステップと
を含んだ、連続式冷凍乾燥方法が提供される。

用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「備えている、含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、様々な管轄下において、排他的または包含的のいずれかの意味に属し得ることを理解されたい。本明細書の目的のために、別途明記しない限り、これらの用語は包含的意味が意図される。すなわち、これらの用語は、直接的な引用、及び他の指定されない構成要素または要素の引用に使用する、列挙された構成要素を包含することを意味するものと、捉えられる。

先行技術で、他の書類と正式に結合可能、または共通的な一般知識の一部を形成する、本明細書における任意の書類を参照することは、承認を構成しない。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図は、本発明の実施形態を例示し、上述の本発明の一般的な記載、及び以下の実施形態の詳細な記載と共に、本発明の原理を説明する役割を担う。

ホッパによって製品が供給された冷凍乾燥器の、側断面図である。 図１に示された冷凍乾燥器の、上断面図である。 冷凍乾燥器の入口の上方に配置されたホッパの、連結前の側断面図である。 冷凍乾燥器の入口に連結されたホッパの、側断面図である。 冷凍乾燥器の入口バルブが開けられた、冷凍乾燥器の入口に連結されたホッパの側断面図である。 冷凍乾燥器の入口バルブ及びホッパのコーンバルブが開けられた、冷凍乾燥器の入口に連結されたホッパの側断面図である。

図１は、製品３を冷凍乾燥器に供給するためにホッパ２が連結されたチャンバ１と、処理された製品を受け入れるための容器４と、を含んだ冷凍乾燥器を示す。冷凍乾燥器に入る製品は、トレイ５が下を通過する際に、回転フィーダ６によってトレイ５の上に分配される。いくつかのトレイは、チャンバのサイズに依拠して、各高さに提供される。トレイは、矢印で示されるように、頂部から底部へ順次移動される。バタフライバルブ１０が開けられたとき、底部においてトレイ８は傾けられ、出口９を介して製品を容器４の中に解放する。次にトレイ８は、頂部のトレイ位置（トレイ５）に移動される。この事例において電気抵抗要素の形態である、放熱要素７は、各トレイの上方に設けられ、各トレイの製品を加熱する。加熱は、製品が熱くなり湿気が製品から除去されるよう、頂部トレイから底部トレイへ、加熱を低下させるよう制御される。

次に図２における冷凍乾燥器の上面図を参照すると、いくつかの凝縮器１１が、チャンバ１内の区画１２に設けられているのが確認できる。凝縮器は、製品から氷として除去された水蒸気を捕捉する。この氷は、一般的に厚さ約３～５ｍｍの氷の層が凝縮器の表面に形成されたとき、周期的に除去しなければならない。スクリーン１３は、解凍中に区画１２にわたって移動する。次に凝縮器は加熱され、凝縮物及び解凍水は、次にチャンバから搬出される。凝縮器を解凍した後、スクリーン１３は次の区画１２に移動され、次の凝縮器を解凍し得る。

図３を参照すると、ホッパ２及びチャンバ入口１４の側断面図が示される。全ての構成要素は、円形の水平断面を有する。ホッパ２は、離隔された内側シェル１６を支持する外側シェル１５によって形成され、これらシェル間の空洞１７を画定しているのが確認される。この二重壁構造は、ホッパ内の冷凍製品と、外部の周囲温度との間に断熱をもたらし、微生物学的危険性を引き起こし得る着霜及び凝縮を軽減させる。内側シェルの一方の端部における開口部は、製品をチャンバ入口１４に供給するための、製品ポート２０を形成する。内側シェル１６は、いくつかの開口部１８（例示では拡大されている）を有し、内側シェル１６の内部と空洞１７との間に、流体の移動経路を作り出す。環状開口部１９は、ホッパからの流体を排出するための、減圧ポートを形成する。内側シェル１６内の流体は、開口部１８を通過して空洞１７に入り、次に環状開口部１９を通って減圧ポート２４に出る。コーンバルブ２１の形態のホッパバルブが設けられ、製品をホッパ内に保持するために閉じられ得るか、または製品がチャンバ入口１４の中に流入するのを可能にするために開けられ得る。

チャンバ入口１４は入口バルブ２２を含む。入口バルブ２２は、この事例ではラム２３であるリニアアクチュエータによって、上昇及び下降され得る。閉位置において、入口バルブ２２は、気密封止をチャンバ１にもたらす。開位置において、入口バルブ２２は、製品がホッパ２からチャンバ入口１４の中に流入可能となる十分な高さだけ、（ホッパの中に）上昇される。

ホッパをチャンバ入口に連結するステップ、ホッパを減圧するステップ、バルブを開けて製品をチャンバ入口に供給するステップ、バルブを閉じるステップ、及びホッパを連結解除するステップ、のシーケンスを、図３～６に関して説明する。

図３は、ホッパ２が上方に配置され、ホッパ２から離隔されている、入口バルブ２２によって封止されたチャンバ入口１４を示す。ホッパ２には予め凍結された製品が投入されており、コーンバルブ２１は閉じられている。次にホッパ２は入口１４の上に下降され、図４に示されるように入口１４に連結される。ホッパ２は入口１４に連結され、それによって環状開口部１９は減圧ポート２４と整合され、製品ポート２０は製品入口１４と整合される。

次にホッパは、減圧ポート２４を介して減圧される。減圧ポート２４は、内側シェル１６内の流体を、開口部１８を通して中間の空洞１７に引込み、次に環状開口部１９を通して減圧ポート２４に出す。ホッパは、好ましくは２ミリバール未満の、チャンバ内の圧力に近付くか、またはチャンバ内と同じ圧力まで減圧され得る。これは、製品処理に悪影響を与え得る、投入中のチャンバ１内の条件に大きな変動がないことを保証し、必要なエネルギー及び取り扱いも最小限に抑える。

次に、リニアアクチュエータ２３は、図５に示されるように、初めに入口バルブ２２を開けるために伸長される。リニアアクチュエータは、図６に示される位置までさらに伸長され、コーンバルブ２１も開けて、チャンバ入口１４を介して製品を冷凍乾燥器に供給可能にするため、十分な高さに上昇させる。

一旦製品が冷凍乾燥器に供給されると、リニアアクチュエータ２３は、図４に示される位置まで後退され、コーンバルブ２１及び入口バルブ２２の両方を閉じる。次にホッパは、空気を、減圧ポート２４を介し、環状開口部１９を通して空洞１７に、及び開口部１８を通して内側シェル１６の中に、供給することによって、再加圧される。次にホッパは、連結解除されて取り外され得る。これは、最小限の取り扱いで、かつメインチャンバを加圧及び脱圧する必要なく、いくつかのホッパを介して簡単な投入を促進する。

再び図１を参照すると、入口１４を介して供給された製品は、頂部トレイの上のフィーダ６によって、均等に分配される。チャンバは、使用中に少なくとも部分的に、好ましくは２ミリバール以下に減圧される。各トレイは、各高さのトレイの上方に配置された放熱要素７によって必要な加熱をもたらすため、加熱される。放熱要素は、チャンバ１の頂部から底部へ低下させる温度勾配を作り出すよう制御される。トレイは、頂部から底部へ、連続的に下へ移動される。底部トレイ８を空にする準備ができたとき、製品がチャンバ出口９に供給され得るように、底部トレイ８は傾けられる。一旦製品が離れると、底部トレイ８は頂部へ移動し、新たな頂部トレイ５となる。一連のトレイが示されるが、代替のコンベアの形態を利用して、チャンバを通して製品を入口から出口に搬送し得る。

製品がチャンバを通過する際に、氷を気体に昇華させる放熱要素７、及び水蒸気を除去する凝縮器によって、湿気は除去される。放熱要素７によってもたらされた熱は、製品の温度が上昇し、かつ湿気が除去される際に、処理経路に沿って低減される。

出口９において、容器４は出口９と連結され、約２ミリバールの圧力に減圧される。次にバタフライバルブは開けられ（破線で示される位置）、それによって底部トレイ８から供給された製品は、出口９を通過して容器４の中に入り得る。台車２５が容器内に設けられ、処理された製品を集積し得る。台車２５が満杯になったとき、バタフライバルブ１０は閉じられ、容器４は再加圧され、容器４のドアは開けられて、台車２５は取り外されて空の台車と置き換えられ得る。

このプラント及びプロセスは以下の利点を提供する。
１．高いスループット。連続的な動作は、投入ごとの、加圧／取り出し／投入／脱圧における遅延を回避する。
２．小さい設置面積。１つのチャンバにおける多層トレイは、一連の処理ステージよりも占める空間が小さい。
３．低い労力投入量。トレイの装入及び取り出し、ならびにステージ開閉に代わる、単純なホッパの装填。従来の大きい処理プラントは、同じスループットのために最大５倍ものオペレータを必要とし得る。
４．小さいエネルギー。
ａ．小さいボリュームの減圧、ならびに加圧及び脱圧の繰り返しの回避。
ｂ．非効率的な流体加熱の代わりの、ダイレクトＩＲ加熱。
ｃ．一定の冷凍負荷。
５．コスト。小型設計のため、より廉価で冷凍乾燥器を製造する。
６．スケーラビリティ。この設計は任意のスケールで成され得る。従来のバッチと現在利用可能な連続式乾燥器との間に文例される解決策を提供する。

本発明を、その実施形態の説明によって例示し、それら実施形態を詳細に説明したが、このような詳細に、添付の特許請求の範囲を制限すること、またはいかなる限定も出願者は意図しない。追加の利点及び変更は、当業者には容易に思い浮かぶであろう。したがって、広義の態様における本発明は、特定の詳細、代表的な装置、及び方法、ならびに、示され説明した例示的な例に限定されない。したがって、出願者の全体的な発明コンセプトの趣旨または範囲から逸脱することなく、これらの詳細からの展開が成され得る。

Claims (27)

1. 連続式凍結乾燥器であって、
   ａ．少なくとも部分的な減圧が可能で、入口から出口まで連続したコンベアを有し、前記入口は入口バルブを有する、冷凍乾燥チャンバと、
   ｂ．前記冷凍乾燥チャンバの前記入口に製品を供給するためのホッパであって、前記入口と封止連結を形成するよう構成され、冷凍乾燥される製品を内部に伴い、前記ホッパを封止かつ減圧することを可能にするホッパバルブを含んだ、ホッパと
   を備え、
   前記ホッパが前記冷凍乾燥チャンバに連結されたとき、前記入口バルブ及び前記ホッパバルブは両方とも開けられ、前記ホッパと前記チャンバとの間に通路を提供する一方で、前記ホッパ及び前記チャンバは減圧された状態を保たれる、連続式冷凍乾燥器。
2. 前記ホッパの減圧を容易にするために、前記ホッパが前記冷凍乾燥器の入口に連結されたとき、減圧ポートが前記ホッパに連結される、請求項１に記載の連続式凍結乾燥器。
3. 前記ホッパは、離隔された内側壁と外側壁とを有する二重壁構造であり、壁の間の空間と、前記ホッパの内部との通路を伴う、請求項２の記載の連続式凍結乾燥器。
4. 前記減圧ポートは、前記ホッパの壁の間の空間に連結される、請求項３に記載の連続式凍結乾燥器。
5. 前記ホッパバルブはコーンバルブである、請求項１～４のうちいずれか一項に記載の連続式冷凍乾燥器。
6. リニアアクチュエータは、前記入口バルブ及びホッパバルブを開けるために伸長される、請求項１～５のうちいずれか一項に記載の連続式冷凍乾燥器。
7. 冷凍乾燥中に、前記チャンバの頂部から底部へ順次移動する、積み重ねられた複数のトレイを含む、請求項１～６のうちいずれか一項に記載の連続式冷凍乾燥器。
8. 前記底部トレイは、傾けられて、処理された製品を前記チャンバ出口に送り、次に前記頂部トレイとして配置される、請求項７に記載の連続式冷凍乾燥器。
9. 製品を、前記頂部トレイを横切って均等に分配するフィーダを含む、請求項７または８に記載の連続式冷凍乾燥器。
10. 必要な加熱をもたらすために、各高さの前記トレイの上方に配置された放熱要素を含む、請求項１～９のうちいずれか一項に記載の連続式冷凍乾燥器。
11. 前記放熱要素は、前記頂部から前記底部へと低下する温度勾配を作り出すよう制御される、請求項１０に記載の連続式冷凍乾燥器。
12. 前記チャンバから湿気を除去するため、前記チャンバ内に複数の凝縮器を含む、請求項１～１１のうちいずれか一項に記載の連続式冷凍乾燥器。
13. 各凝縮器は、解凍のために選択的に区分けされ得る区間に位置される、請求項１２に記載の連続式冷凍乾燥器。
14. 各凝縮器は、各区画を封止するために順次横に移動するスクリーンによって順次区分けされる、請求項１３に記載の連続式冷凍乾燥器。
15. 前記出口は、前記出口を介した製品の流れを制御するために、バタフライバルブを含む、請求項１～１４のうちいずれか一項に記載の連続式冷凍乾燥
16. 製品を冷凍乾燥器の入口に供給するためのホッパであって、
    ａ．外側シェルと、
    ｂ．前記外側シェル内の内側シェルであって、前記シェル間の空洞を画定し、開口部を含んで前記内側シェルの内部と前記空洞との間に流体移動経路を作り出す、内側シェルと、
    ｃ．冷凍乾燥器の入口に連結して、製品を前記冷凍乾燥器に供給するための導管を提供する、製品ポートと、
    ｄ．前記空洞を減圧するための減圧ポートと、
    ｅ．前記製品ポートを開閉するためのホッパバルブと
    を含む、ホッパ。
17. 前記製品ポートが前記凍結乾燥器の入口に連結する際に、前記減圧ポートは減圧導管と封止連結を形成する、請求項１６に記載のホッパ。
18. 前記減圧ポートは前記製品ポートを取り囲む、請求項１７に記載のホッパ。
19. 前記減圧ポートは環状ポートである、請求項１８に記載のホッパ。
20. 前記ホッパバルブはコーンバルブである、請求項１６～１９のうちいずれか一項に記載のホッパ。
21. 連続式冷凍乾燥方法であって、
    ａ．入口及び出口を有する、減圧された冷凍乾燥チャンバを提供するステップと、
    ｂ．製品をホッパの中に投入するステップと、
    ｃ．前記ホッパを、前記冷凍乾燥チャンバの入口に連結するステップと、
    ｄ．前記ホッパを減圧するステップと、
    ｅ．前記ホッパと前記入口との間の通路を開け、減圧された前記冷凍乾燥チャンバに製品を入れるのを可能にするステップと、
    ｆ．製品を搬入して通し、前記冷凍乾燥チャンバの中で製品を冷凍乾燥するステップと
    を含む、連続式冷凍乾燥方法。
22. ａ．減圧された容器を前記出口に連結し、前記冷凍乾燥チャンバの出口と前記容器との間の通路を開けるステップと、
    ｂ．処理された製品を、前記出口を通して容器に移動させるステップと
    をさらに含む、請求項２１に記載の連続式冷凍乾燥方法。
23. 前記入口は入口バルブを含み、前記ホッパはホッパバルブを含み、両方のバルブは、前記ホッパと前記入口との間の通路を作り出すために開けられる、請求項２１または２２に記載の方法。
24. 前記入口バルブ及び前記ホッパバルブは、リニアアクチュエータによって開閉される、請求項２３に記載の方法。
25. 製品が前記入口に供給された後に、前記冷凍乾燥チャンバの出口と前記容器との間の通路は閉じられ、前記ホッパは大気圧まで再加圧され、前記ホッパは取り外される、請求項２１～２４のうちいずれか一項に記載の方法。
26. 前記入口から前記出口へと低下する温度プロファイルに従って、製品が加熱される、請求項２１～２５のうちいずれか一項に記載の方法。
27. 前記チャンバの中の圧力は２ミリバール未満に保たれる、請求項２１～２６のうちいずれか一項に記載の方法。

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