JP4251999B2

JP4251999B2 - 予備凍結槽付き凍結乾燥機

Info

Publication number: JP4251999B2
Application number: JP2004020634A
Authority: JP
Inventors: 昌弘柴田; 裕増山; 勇蛭田; 康之鈴木
Original assignee: Sibata Scientific Tech Ltd
Current assignee: Sibata Scientific Tech Ltd
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005214478A

Description

本発明は、凍結乾燥を行う前の予備凍結を行う予備凍結槽を備えた凍結乾燥機に関する。

従来から、新鮮食品や医薬品など含水量が多く、熱に対して不安定な対象物を乾燥処理する方法として、対象物の形状、色沢、栄養価及び風味などを損なわず、また、水分を添加すれば容易に乾燥前の状態に復元可能な凍結乾燥が用いられている。

従来の凍結乾燥機は、図２に示すように冷却溶媒であるフロンが循環可能な第１循環路５０と、第１循環路５０を循環するフロンによって冷却された冷却溶媒であるフロンが循環可能な第２循環路６０と、から構成されている。第１循環路５０は、第１循環路５０の一部を構成する第１循環チューブ５１と、第１循環路５０内にフロンを高温高圧の気体状態で吐出する第１コンプレッサ５２と、第１循環路５０を流動するフロンを４０〜５０℃に冷却して低温高圧の液体状態にするコンデンサ５４と、第１循環管５０の一部を構成するとともに低温高圧の液体状態のフロンを流動させながら低温低圧の液体状態にする第１キャピラリチューブ５６と、低温低圧の液体状態のフロンを膨張蒸発させて第１循環路５０と第２循環路６０との熱交換を行い、第２循環路６０を循環するフロンを約−３０℃に冷却して低温高圧の液体状態にする熱交換器５８と、を備えている。また、第２循環路６０は、第２循環路６０の一部を構成する第２循環チューブ６１と、第２循環路６０内にフロンを高温高圧の気体状態で吐出する第２コンプレッサ６２と、第２循環管６０の一部を構成するとともに熱交換器５８によって低温高圧の液体状態にされたフロンを流動させながら低温低圧の液体状態にする第２キャピラリチューブ６４と、凍結乾燥の対象物の凍結乾燥の際に取り除かれた水分を捕集可能なトラップ槽６６と、低温低圧の液体状態のフロンを膨張蒸発させることによって、トラップ槽６６内に捕集された水分と熱交換を行い凍らせるエバポレータ６８と、を備えている。

このような凍結乾燥機による凍結乾燥は、乾燥時間を短縮するために、通常予備凍結を行った後に行われている（特許文献１）。予備凍結は、凍結乾燥の対象物をフラスコや試験管などの容器に入れ、−５０〜−４０℃の冷却液に浸すことによって行われる。この際、容器を回転することで容器の内壁に対象物を凍結させることができ、このように予備凍結することによって、対象物の表面積を大きくすることができるので、凍結乾燥の時間を短縮できる。

特開平６−４６７８８号公報

しかしながら、このような予備凍結は、通常凍結乾燥機とは別に構成された予備凍結槽において行われており、凍結乾燥を行う者は、凍結乾燥機とは別に予備凍結槽を用意しなければならないという問題がある。一方、トラップ槽の温度で予備凍結することが考えられるが、第２循環路６０の第２コンプレッサ６２には、冷却能力に余裕がないため、別の冷却システムを設けなければならず、それゆえ、装置が大型化し、また複雑な構造になるという問題がある。

そこで、本発明は、小型で単純構造な予備凍結槽付き凍結乾燥機を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明は、冷却溶媒が循環可能な第１循環路と、第１循環路を循環する冷却溶媒によって冷却された冷却溶媒が循環可能な第２循環路と、から構成されており、前記第１循環路は、前記第１循環路に冷却溶媒を流動させる第１コンプレッサと、前記第１循環路を流動する冷却溶媒を冷却して液体状態にするコンデンサと、前記第１循環路の一部を構成するとともに、前記コンデンサによって液体状態にされた冷却溶媒をその圧力を低下させて流動させる第１キャピラリチューブと、該第１キャピラリチューブを流動する冷却溶媒を膨張蒸発させて前記第１循環路と前記第２循環路との熱交換を行い、前記第２循環路を循環する冷却溶媒を冷却して液体状態にする熱交換器と、を備えており、前記第２循環路は、前記第２循環路に冷却溶媒を流動させる第２コンプレッサと、前記第２循環路の一部を構成するとともに、前記熱交換器によって液体状態にされた冷却溶媒をその圧力を低下させて流動させる第２キャピラリチューブと、凍結乾燥の対象物の凍結乾燥の際に取り除かれた水分を捕集可能なトラップ槽と、第２キャピラリチューブを流動する冷却溶媒を膨張蒸発させることによって、トラップ槽内に捕集された水分と熱交換を行い凍らせるエバポレータと、を備えている凍結乾燥機において、
前記第１循環路は、さらに前記コンデンサによって液体状態にされた冷却溶媒を分流する分岐路を備え、該分岐路は、分岐路の一部を構成するとともに、液体状態の冷却溶媒をその圧力を低下させて流動させる第３キャピラリチューブと、予備凍結の対象物を収容可能な予備凍結槽と、前記分岐路を流動する冷却溶媒側に放熱面が設けられ、前記予備凍結槽側に冷却面が設けられたペルチェ素子と、前記第３キャピラリチューブを流動する冷却溶媒を膨張蒸発させることによって前記ペルチェ素子の放熱面と熱交換を行うエバポレータと、を備えていることを特徴とする。

以上のように、本発明に係る凍結乾燥機においては、第１循環路を流動する冷却溶媒とペルチェ素子の熱交換によって予備凍結槽を冷却しているので、単純構造な予備凍結槽付き凍結乾燥機を提供することができる。すなわち、凍結乾燥機において一般に冷却溶媒として使用されているフロンによっては、第１循環路は、約−２０℃までしか冷却できないので、予備凍結に必要とされる温度に冷却するのが困難である。一方、第２循環路は、フロンによって約−９０℃まで冷却できるが、冷却能力が小さいため、トラップ槽と予備凍結槽の両方を冷却するのは困難である。また、フロン以外の冷却溶媒を用いて第１循環路で予備凍結に必要とされる温度に冷却することは可能であるが、そのような冷却溶媒で安価なものがないのが現状である。本発明に係る凍結乾燥機は、冷却能力に余裕がある第１循環路において、フロンが蒸発する際に熱を奪ってペルチェ素子を冷却することによって、予備凍結に必要な温度（−５５〜−４０℃）に冷却することが可能となる。

以上のように、本発明に係る凍結乾燥機によれば、小型で単純構造な予備凍結槽付き凍結乾燥機を提供することができる。

次に、本発明に係る凍結乾燥機の実施例について図面に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る凍結乾燥機の概念図である。本実施例に係る凍結乾燥機は、冷却溶媒であるフロンが循環可能な第１循環路１０と、第１循環路１０を循環するフロンによって冷却された冷却溶媒であるフロンが循環可能な第２循環路２０と、から構成されている。第１循環路１０は、第１循環路１０の一部を構成する第１循環チューブ１１と、第１循環路１０にフロンを流動させる第１コンプレッサ１２と、第１循環路１０を流動するフロンを冷却して液体状態にするコンデンサ１４と、第１循環管１０の一部を構成するとともに、コンデンサ１４によって液体状態にされたフロンを流動させながら低圧状態にする第１キャピラリチューブ１６と、第１キャピラリチューブ１６によって低圧の液体状態にされたフロンを膨張蒸発させて第１循環路１０と第２循環路２０との熱交換を行い、第２循環路２０を循環するフロンを冷却して液体状態にする熱交換器１８と、を備えている。また、第２循環路２０は、第２循環路２０の一部を構成する第２循環チューブ２１と、第２循環路２０にフロンを流動させる第２コンプレッサ２２と、第２循環管２０の一部を構成するとともに熱交換器１６によって液体状態にされたフロンを低圧状態にする第２キャピラリチューブ２４と、凍結乾燥の対象物の凍結乾燥の際に取り除かれた水分を凍らせて捕集可能なトラップ槽２６と、を備えている。

第１キャピラリチューブ１６は、内径０．８〜２．０ｍｍで長さが１〜３ｍの細長い銅管により構成されており、第１循環チューブ１１との連結部である第１ジョイント４０から熱交換器１８まで延びている。第１循環チューブ１１は、第１チューブ１１Ａ、第２チューブ１１Ｂ及び第３チューブ１１Ｃから構成されている。第１チューブ１１Ａは、第１コンプレッサ１２からコンデンサ１４内を通って第１ジョイント４０まで延びており、第２チューブ１１Ｂは、熱交換器１８内から第３チューブ１１Ｃとの連結部である第２ジョイント４２まで延びており、第３チューブ１１Ｃは、第２ジョイント４２から第１コンプレッサ１２まで延びている。また、第２チューブ１１Ｂには、熱交換器１８によって熱交換が行われたフロンが逆流しないように逆止弁１７が設けられている。これら第１チューブ１１Ａ、第２チューブ１１Ｂ及び第３チューブは、長さ０．５〜１．０ｍの銅管から構成されており、第１キャピラリチューブ１６よりも大きい内径６〜１０ｍｍを有している。第１キャピラリチューブ１６は、このように小径に構成されているので、第１キャピラリチューブ１６内を流動するフロンは、管壁の摩擦に低圧状態になる。

第２キャピラリチューブ２４は、内径０．８〜２．０ｍｍで長さが１〜３ｍの細長い銅管により構成されており、熱交換器１８を通った第２循環チューブ２１の先端からトラップ槽２６の基端側の第２循環チューブ２１まで延びている。第２循環チューブ２１は、第２コンプレッサ２２から熱交換器１８を通って第２キャピラリチューブ２４まで延びる第１チューブ２１Ａ、及び第２キャピラリチューブ２４からトラップ槽２６を通って第２コンプレッサ２２まで延びる第２チューブ２１Ｂから構成されている。これら第１チューブ２１Ａ及び第２チューブ２１Ｂは、長さ０．５〜１．０ｍの銅管から構成されており、第２キャピラリチューブ２４よりも大きい内径６〜１０ｍｍを有している。第２キャピラリチューブ２４は、このように小径に構成されているので、第２キャピラリチューブ２４内を流動するフロンは、管壁の摩擦により低圧状態になる。

第１コンプレッサ１２及び第２コンプレッサ２２は、第１循環チューブ１１の第１チューブ１１Ａ及び第２循環チューブ２１の第１チューブ２１Ａそれぞれにフロンを高圧高温の気体状態で吐出するように構成されている。また、第１循環路１０において、コンデンサ１４には、ファン４４が設けられており、このファン４４を稼動させることによって第１循環チューブ１１の第１チューブ１１Ａ内を高温高圧の気体状態で流動するフロンを４０〜５０℃に冷却して低温高圧の液化状態にするように構成されている。また、第１循環チューブ１１の第１チューブ１１Ａの一部は、コンデンサ１４内を数往復する形状で設けられており、このように構成することにより流動するフロンを十分に冷却することができる。

熱交換器１８内には、第１循環チューブ１１の第２チューブ１１Ｂの一部と第２循環チューブ２１の第１チューブ２１Ａの一部が通過するように構成されており、第２チューブ１１Ｂの基端部、すなわち第２チューブ１１Ｂの第１キャピラリチューブ１６との連結部、及び第１チューブ２１Ａの先端部、すなわち第１チューブ２１Ａと第２キャピラリチューブ２４との連結部は、熱交換器１８の基端側から若干突出する位置に存するように設けられている。このような構成により、後述するように第２循環路２０から第１循環路１０へ熱が移動するという熱交換を熱交換器１８内で行うことができる。

トラップ槽２６の周面には、第２循環チューブ２１の第２チューブ２１Ｂが巻き付けられるとともに、トラップ槽２６の基端側に第２チューブ２１Ｂと第２キャピラリチューブ２４の連結部が位置するように設けられており、このようにトラップ槽２６の周面に巻き付けられた第２チューブ２１Ｂは、後述するように第２循環路２０のエバポレータとして機能することができる。また、トラップ槽２６は、この巻き付けられた第２チューブ２１Ｂと熱交換を容易に行えるように、例えばステンレスで形成されている。

また、第１循環路１０は、コンデンサ１４によって低温高圧の液体状態に冷却された冷却溶媒を第１ジョイント４０から分流し、第１コンプレッサ１２の前の第２ジョイント４２で合流する分岐路３０を備えている。この分岐路３０は、分岐路３０の一部を構成するとともに低温高圧の液体状態にされた冷却溶媒を低圧の液体状態にする第３キャピラリチューブ３１と、予備凍結の対象物を収容可能な予備凍結槽３２と、分岐路３０と予備凍結槽３２の間に設けられたペルチェ素子３３と、低温低圧の液体状態のフロンを膨張蒸発させるエバポレータ３４と、エバポレータ３４から第１循環路１０の合流位置までフロンを流動可能な分岐チューブ３５と、を備えている。

第３キャピラリチューブ３１は、内径０．８〜２．０ｍｍで長さが１〜３ｍの細長い銅管により構成されており、分岐チューブ３５は、長さ０．５〜１．０ｍの銅管から構成されており、第３キャピラリチューブ３１よりも大きい内径６〜１０ｍｍを有している。第３キャピラリチューブ３１は、このように小径に構成されているので、第３キャピラリチューブ３１内を流動するフロンは、管壁の摩擦に低圧状態になる。これら第３キャピラリチューブ３１と分岐チューブ３５の連結部は、エバポレータ３４の基端側から突出した位置に設けられている。分岐チューブ３５のエバポレータ３４よりも下流側には、エバポレータ３４によって熱交換が行われたフロンが逆流しないように逆止弁３６が設けられている。予備凍結槽３２は、熱伝達に優れたアルミで形成されており、その中には予備凍結用溶媒としてエタノール等が容れられている。

ペルチェ素子３３は、エバポレータ３４側に放熱面が設けられ、予備凍結槽３２側に冷却面が設けられている。そして、ペルチェ素子２８に直流約２４ボルトの電圧を加えることにより、ペルチェ素子３３は、予備凍結槽３２内のエタノールから熱を吸収して、エタノールを約−４５℃まで冷却することができる。

次に、本実施例に係る凍結乾燥機の動作について説明する。先ず、第１コンプレッサ１２は、フロンを高温高圧の気体状態で第１循環チューブ１１の第１チューブ１１Ａ内に吐出し、コンデンサ１４は、高温高圧の気体状態で第１チューブ１１Ａ内を流動するフロンを４０〜５０℃に冷却して低温高圧の液体状態にする。低温高圧の液体状態にされたフロンは、第１ジョイント４０から第１キャピラリチューブ１６と第３キャピラリチューブ３１に分流される。第１キャピラリチューブ１６に分流された低温高圧の液体状態のフロンは、第１キャピラリチューブ１６内を流動することにより、低温低圧の液体状態となり、熱交換器１８まで流動する。熱交換器１８内の第１循環チューブ１１の第２チューブ１１Ｂは、その内径が第１キャピラリチューブ１６の内径よりも大きいので、熱交換器１８内に流動した低温低圧の液体状態のフロンは、膨張蒸発して熱を吸収する。一方、第２コンプレッサ２２は、フロンを高温高圧の気体状態で第２循環チューブ２１の第１チューブ２１Ａ内に吐出し、熱交換器１８内に供給する。第２循環チューブ２１の第１チューブを流動しながら熱交換器１８に供給されたフロンは、第１キャピラリチューブ１６から第１循環チューブ１１の第１チューブ１１Ｂ内で膨張蒸発したフロンの吸熱反応によって、約−３０℃に冷却されて低温高圧の液体状態にされる。低温高圧の液体状態にされたフロンは、第２循環チューブ２１の第１チューブ２１Ａから第２キャピラリチューブ２４に供給される。第２キャピラリチューブ２４に供給されたフロンは、第２キャピラリチューブ２４内を流動すると、低温低圧の液体状態となり、第２循環チューブ２１の第２チューブ２１Ｂに供給される。第２チューブ２１Ｂは、その内径が第２キャピラリチューブ２４の内径よりも大きいので、第２チューブ２１Ｂに供給されたフロンは、膨張蒸発しながら熱を吸収する。膨張蒸発したフロンは、吸熱しながらトラップ槽２６の周面に巻き付けられた第２チューブ２１Ｂを流動するので、これによりトラップ槽２６内を約−９０℃に冷却して凍結乾燥を行うことができる。

また、第３キャピラリチューブ３１に分流された低温高圧の液体状態のフロンは、第３キャピラリチューブ３１内を流動すると、低温低圧の液体状態となり、エバポレータ３４内の分岐チューブ３５に供給される。分岐チューブ３５は、その内径が第３キャピラリチューブ３１の内径よりも大きいので、分岐チューブ３５に供給されたフロンは、膨張蒸発しながら熱を吸収する。この際、ペルチェ素子３３には、直流約２４ボルトの電圧が加えられているので、ペルチェ素子３３の放熱面は、熱をエバポレータ３４に放出し、ペルチェ素子３３の吸熱面は、予備凍結槽３２を冷却し、これにより、予備凍結槽３２内のエタノールを約−５０〜−４０℃に冷却して予備凍結を可能とする。

本発明に係る凍結乾燥機の実施例の概念図である。従来の凍結乾燥機の概念図である。

符号の説明

１０第１循環路
１２第１コンプレッサ
１４コンデンサ
１６第１キャピラリチューブ
１８熱交換器
２０第２循環路
２２第２コンプレッサ
２４第２キャピラリチューブ
２６トラップ槽
３０分岐路
３１第３キャピラリチューブ
３２予備凍結槽
３３ペルチェ素子
３４エバポレータ

Claims

冷却溶媒が循環可能な第１循環路と、第１循環路を循環する冷却溶媒によって冷却された冷却溶媒が循環可能な第２循環路と、から構成されており、
前記第１循環路は、前記第１循環路に冷却溶媒を流動させる第１コンプレッサと、前記第１循環路を流動する冷却溶媒を冷却して液体状態にするコンデンサと、前記第１循環路の一部を構成するとともに、前記コンデンサによって液体状態にされた冷却溶媒をその圧力を低下させて流動させる第１キャピラリチューブと、該第１キャピラリチューブを流動する冷却溶媒を膨張蒸発させて前記第１循環路と前記第２循環路との熱交換を行い、前記第２循環路を循環する冷却溶媒を冷却して液体状態にする熱交換器と、を備えており、
前記第２循環路は、前記第２循環路に冷却溶媒を流動させる第２コンプレッサと、前記第２循環路の一部を構成するとともに、前記熱交換器によって液体状態にされた冷却溶媒をその圧力を低下させて流動させる第２キャピラリチューブと、凍結乾燥の対象物の凍結乾燥の際に取り除かれた水分を捕集可能なトラップ槽と、第２キャピラリチューブを流動する冷却溶媒を膨張蒸発させることによって、トラップ槽内に捕集された水分と熱交換を行い凍らせるエバポレータと、を備えている凍結乾燥機において、
前記第１循環路は、さらに前記コンデンサによって液体状態にされた冷却溶媒を分流する分岐路を備え、該分岐路は、分岐路の一部を構成するとともに、液体状態の冷却溶媒をその圧力を低下させて流動させる第３キャピラリチューブと、予備凍結の対象物を収容可能な予備凍結槽と、前記分岐路を流動する冷却溶媒側に放熱面が設けられ、前記予備凍結槽側に冷却面が設けられたペルチェ素子と、前記第３キャピラリチューブを流動する冷却溶媒を膨張蒸発させることによって前記ペルチェ素子の放熱面と熱交換を行うエバポレータと、を備えていることを特徴とする予備凍結槽付き凍結乾燥機。