JP4717794B2

JP4717794B2 - 真空装置における蒸気凝結器

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Publication number: JP4717794B2
Application number: JP2006336865A
Authority: JP
Inventors: 寛如沢田; 良二砂間
Original assignee: Kyowa Vacuum Engineering Co Ltd
Current assignee: Kyowa Vacuum Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: JP2008149210A

Description

本発明は、真空装置における蒸気凝結器のうちで、特に本件出願人が先に開発している特許第１１７７６１６号、特許第３６４４８４５号として提起している真空装置における蒸気凝結器についての改良に関する。

真空装置の蒸気凝結器（トラップ）は、真空室中の被処理物から気化された水その他の溶媒の蒸気を、低温冷却面に凝結捕集し、もって、その真空室の真空圧力を所望の値に維持する目的で、真空凍結装置、真空乾燥装置、真空濃縮機、真空蒸溜機、真空冷却機、脱溶媒装置等の、真空装置に、それの要部を構成するように組込んで、広く用いられている。

この真空装置におけるトラップ（蒸気凝結器）は、真空蒸気を凝結させる冷熱量が冷凍装置の低温冷媒から供給され、伝熱工学的見地から見れば、低温媒体（冷媒）と高温媒体（真空蒸気）との熱交換器である。換熱式の熱交換器では、高温流体と低温流体とは伝熱壁で仕切られて、熱通過によって熱交換が行われる。この形式のものには、直接式（高・低温流体直接の熱交換）の第１の手段のものと、間接式（高・低温流体の間に中間流体の循環を通す間接熱交換）の第２の手段のものと三重式（三媒体間の熱交換）の第３の手段のものとの三つの手段がある。

これら第一乃至第三の三つの形式の蒸気凝結器を、乾燥処理する被乾燥物を主として医薬品とした真空凍結乾燥装置に組込まれた形態において装置全体の基本構成と共に表した概要説明図により説明する。

図１はもっとも多く用いられる通常型で、蒸気凝結器（トラップ）１０１は冷媒直冷型の冷媒乾式蒸発器であり、図２は一部に用いられる型で、蒸気凝結器（トラップ）１０２は外部熱交換器７で冷媒により既に冷却された熱媒液循環による「間接熱媒型」である。そして図３の蒸気凝結器（トラップ）１０３は、冷媒、熱媒液が共に内部を循環する「三媒体間熱交換器」である。

図１乃至図３において、真空乾燥室（兼凍結室）１、真空トラップ室２、これらを連結する主管３ａ、主弁３、真空排気系４等真空系（真空室の輪郭および機器と配管）は総て「細線」で示されている。

冷凍装置（圧縮機、油分離機、凝結器、二段圧縮の場合の中間冷却器などの一切を含む。二元冷凍の場合もある）１１、副冷凍装置１２、および熱交換器７の冷媒蒸発器７ａ、副熱交換器８の冷媒蒸発器８ａ、冷媒直冷型のトラップ１０１の冷媒蒸発器、および三媒体間熱交換器の蒸気凝結器（トラップ）１０３の冷媒蒸発器、そして冷媒系路、冷媒弁１３、冷媒膨張弁１４（三角形にて記す）などの冷凍冷媒循環系は総て「破線」で示されている。

熱板（被処理物体に乾燥に必要な潜熱を供給、図１乃至図３の例では被処理物体の予備凍結に必要な冷熱を供給するプレートを兼ねる）５、熱媒液加熱器６、前掲の熱交換器７の熱媒液系７ｂ、副熱交換器８の熱媒液系８ｂ、間接熱媒液型の蒸気凝結器（トラップ）１０２の熱媒液系路、および三媒体間熱交換器の蒸気凝結器（トラップ）１０３の熱媒液系路、および熱板用熱媒液体ポンプ９と蒸気凝結器（トラップ）用熱媒ポンプ１０等の熱媒液系機器と系路は総て「太線」で示されている。

また、図２および図３において、１５は熱媒液の循環系に設けた仕切弁であるが、実際の各系の配管系路と各種弁および系路内の機器配列の順の実際は必ずしも図の通りではなく、図は先行技術として開示した特許第１１７７６１６号、及び先先行技術として開示した特許第３６４４８４５号の説明のために単純化されたものである。

図４および図５は、前記図３に示す三媒体間熱交換器の真空凍結乾燥機の真空トラップ室２と蒸気凝結器（トラップ）１０３の縦断面（図５のＡ−Ａ断面）と横断面（図４のＣ−Ｃ断面）で、図４の蒸気凝結プレートａ内部の「細かい破線」が冷媒Ｒの流路［図６の符号２６で示す冷媒管に当たる］で、「荒い破線」は蒸気凝結プレートａ内の熱媒液の流路（通路ｗ）を冷媒管２６の軸方向と直交する方向に区画する境界［図６で冷媒管２６と平行する符号２７に示す仕切壁に当たる］で、図６はこの蒸気凝結プレートａの一部の断面図である。

三媒体間熱交換型（三重式）の気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、図４に示す状態の他に、真空トラップ室２の内壁面を図７の如く円筒状に形成して、そこに取り付けるなど適宜に真空トラップ室２内に設けてよいが、いずれの場合も、冷媒管２６は、三重式の蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートに対し、熔接、圧着その他により密接状態にあり、この三重式の蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、冷媒Ｒの伝熱フインの役割を果たす。冷媒Ｒと熱媒液体Ｂは、冷媒管２６の管壁およびフインプレートとしての蒸気凝結器（トラップ）１０３を介して熱交換し、熱媒液体Ｂと真空蒸気Ｖ（水蒸気）は、熱媒液壁である蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａを介して熱交換し、そして冷媒Ｒと真空蒸気Ｖとは、冷媒管２６の伝熱フインである蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａを介して熱交換する。かくして三媒体（冷媒Ｒ、熱媒液Ｂ、真空蒸気Ｖ）のいずれの二媒体間の熱交換も境界金属壁ないし同フインプレートによって行われる。２８は真空トラップ室２の外壁である。

この図１乃至図３にあるよう真空装置の蒸気凝結器（トラップ）は、従来にあっては、冷凍装置の冷媒蒸発器を、真空トラップ室に設け、これに図１の如く「冷媒直冷型蒸気凝結器１０１」を用いるか、図２の如く、冷媒蒸発器７ａを冷却源とする熱交換器７（以下冷却器７と記す）およびトラップ系熱媒循環ポンプ１０を含むトラップ系熱媒中間流体循環回路により、真空トラップ室２外の外部冷却器で冷却された熱媒液体を、真空トラップ室２内の「間接熱媒型蒸気凝結器１０２」に循環させるか、または、図３にあるよう冷媒と熱媒とが共に内部を循環する「三媒体間熱交換器」を用いるかしている。

「冷媒直冷型」の蒸気凝結器（トラップ）１０１を用いる第一の形態のものは、運転の安定性に欠け、保守困難、かつ、温度制御困難であり、かつ、加熱系には、追加的に、副冷凍装置と副熱交換器を要する等の不利がある。「間接熱媒型」の蒸気凝結器（トラップ）１０２を用いる第二の形態のものにあっては、前述の第一の形態のものの不利を改善する反面に、冷却源冷媒とトラップ凝結面との直接熱交換がなく、中間流体熱媒からトラップ凝結面までの熱伝達が間接となるための第一の損失、および、外部熱交換器７における、冷媒蒸発器７ａから熱媒液体への熱交換の向上、熱媒側の境膜熱伝達係数を増大するため、および、該外部熱交換器７で冷却された熱媒液体を間接熱媒液型の蒸気凝結器（トラップ）１０２に運ぶことから、その蒸気凝結器（トラップ）１０２の出入り温度差を小さく保つために大容量の熱媒循環ポンプ１０を必要とするための第二の熱損失があり、さらに、真空トラップ室２の他に大型の熱交換器７、熱媒循環ポンプ１０を含む外部熱媒体諸機器と仕切弁１５などを具備さす配管を設けるための、外界から侵入熱のために装置の諸設備、占有面積、運転エネルギーの増大の不利をもつのであった。

「三媒体間熱交換器」である三重式の蒸気凝結器（トラップ）１０３を用いる第三の形態のものは、本出願人が先に開発した前述の特許第１１７７６１６号の発明（以下先先行発明という）および特許第３６４４８４５号の発明（以下先行発明という）であって、図３に示す如く、前述した第二の形態のものと同じく、トラップ系熱媒液体循環回路を設けることによって、前記の冷媒直冷型のトラップ１０１の不利を改善し、かつ、冷媒蒸発器と熱媒液体との熱交換器を真空トラップ室２内に設置して、これに水蒸気をいずれの側からも、相手方の媒体を経由せずに冷却される三重熱交換型蒸気凝結器（トラップ）１０３によって、第二の形態のものの「間接熱媒型」の蒸気凝結器（トラップ）の諸欠陥を改善したものであり、既に医薬品真空凍結乾燥装置に普及し、特に日本では、前述した在来の冷媒直冷型と間接熱媒型の二方式にかわる主流の位置を占めている。

この第三の形態のものである先先行発明及び先行発明の三重式の蒸気凝結器（トラップ）１０３は、冷媒と熱媒液と真空蒸気（水蒸気）との三媒体中で、いずれの二媒体間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介する直接の熱交換が存在する三媒体間熱交換器であるが、真空蒸気を凝結させる時、凝結の必要な冷熱量は、一部が冷媒蒸発円管（冷媒管２６）から直接膨張により蒸気凝結器（トラップ）１０３の凝結面の真空蒸気と熱交換し、一部が冷媒から循環熱媒体を経由して蒸気凝結器（トラップ）の凝結面の真空蒸気へ伝わる。それで、蒸気凝結器（トラップ）の真空蒸気の凝結能力は、冷媒蒸発円管（冷媒管２６）から直接に真空蒸気との伝熱量および循環熱媒体を経て真空蒸気との熱交換量に関与していて、かつ、その循環熱媒体を経由する伝熱量は、熱媒液の境膜熱伝達率に関係している。

しかし、この先先行発明の三重式の蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、冷媒蒸発器の冷媒管２６と金属板である蒸気凝結プレートａとの密着面が過小で、冷媒Ｒの直膨蒸発により真空蒸気Ｖとの熱交換量は少なく、冷媒冷熱量の多量は循環する熱媒液体Ｂを経て蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａの凝結面の真空蒸気Ｖと伝熱する。

ところで、近年来、特に医薬品を被処理物とする真空凍結乾燥装置では、循環熱媒液体Ｂにはシリコーンオイルが用いられている。そのシリコーンオイルの熱媒液体Ｂは低温で粘度が高くなり、その熱媒液体Ｂの境膜熱伝達係数は低下している。そのため、蒸気凝結プレートａは、図８に示しているよう、熱媒液体Ｂの通路ｗ内にその通路ｗを上下に区画するように冷媒管２６と直交する方向の押さえ棒２９を間隔をおいて配設しておき、それの上方と下方とにそれぞれ冷媒管２６を各２本ずつ配位して、押さえ棒２９により支承させ、合計倍量の４本の冷媒管２６を用い、通路ｗ内の熱媒液体Ｂとの熱交換面積の不足を補うようにしている。このことから、循環熱媒体を経由する熱交換は２回の境膜伝熱を経る温度差損失が増大する不利があり、かつ、冷凍装置の冷媒フロン規制強化に伴って、二段圧縮式の冷凍装置の冷凍最低蒸発温度は、高くなり、直接冷却の伝熱量の過小、循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達率の低下と新規冷媒の制限のために、数℃伝熱温度差損失が生じ、真空凍結乾燥装置に特に要求される−７０℃以下の低温トラップに対し、困難である。

また、この三重式の蒸気凝結器（トラップ）１０３は、熱媒体循環回路に熱媒液体Ｂを循環させる推進力として循環ポンプ９を使用している。もちろんこの手段においては、必要な循環ポンプ９の容量は、従来の間接熱媒型蒸気凝結器（トラップ）１０２の必要な循環ポンプに比べて小型ではあるが、循環ポンプの発生熱による入熱損失もしていた。しかし、先先行発明で製作している三重式の蒸気凝結器（トラップ）１０３では、熱媒側の流路面積が過大で、必要な境膜熱伝達係数を確保するため、特にシリコーンを熱媒液体Ｂとして用いるものは、循環ポンプの容量の増大が必要となる。そのため、循環ポンプによる入熱損失により、冷媒の有効冷熱量が減少され、蒸気凝結器（トラップ）の凝結能力と到達温度に不利であった。

先行発明は、先先行発明におけるトラップ１０３の冷媒管２６の直接接触伝熱低下を改善して、金属材よりなる円筒チューブ状の冷媒管２６を、凝結捕集面に対し楕円長軸が平行する形状の扁平な楕円管１６に変形加工し、その変形加工により形成される一対の扁平面の一方または両方を、熱媒液体Ｂの通路ｗの内壁面の天井壁１７または底壁１８に密着する状態として前記通路ｗ内に装入することより、この楕円管１６とした冷媒管２６と蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの通路ｗの内壁面との密着面積を増大させ伝熱性能の向上、冷媒と凝結面の真空蒸気との伝達温度差損失の低減、同時に循環熱媒体の境膜伝熱係数の増大が達成できている。

しかし、この先行発明のトラップでは、冷媒管２６は、軸方向視において、左右方向が長軸で上下方向が短軸となる扁平な楕円管１６に成形しているが、周壁面が平滑な平滑管であり、その冷媒管２６内で冷媒Ｒが蒸発した時、核沸騰の熱伝達が低下し、また、冷媒管２６外の熱媒液体Ｂの通路ｗ内に、循環熱媒体は楕円管１６の外表面に沿って平行に流れ、流動状態は層流である。冷媒管２６の表面に形成される熱媒液体Ｂの速度境界層と温度境界層は厚く、対流熱伝達係数は小さくなり、冷媒管２６内の冷媒と冷媒管２６外の熱媒液体Ｂとの総括熱伝達係数は減少し、熱交換性能は低下している。そのため、予備凍結時に棚冷却器として、冷却速度が遅く、伝熱温度差の増大により棚到達温度も高くなる。昇華時に蒸気凝結器として、熱媒温度は高く、トラップ凝結能力が低下し、到達温度も高くなっている問題が生じている。
特許第１１７７６１６号特許第３６４４８４５号

本発明において解決しようとする問題点は、上述の冷媒管２６内の冷媒と冷媒管２６外の熱媒液体との総括熱伝達係数が減少し、熱交換性能が低下していて改善すべき点にあり、冷媒管２６内の冷媒核沸騰の熱伝達も管外の熱媒液体の境膜熱伝達も大幅に増大させ、伝熱を促進する方法を探求する点にある。そして、このことから、トラップ１０３の蒸気凝結プレートａの製作を難しくしないように、先行発明におけるトラップ１０３の冷媒管２６の冷媒核沸騰の熱伝達を倍増させ、冷媒管２６外の熱媒液体Ｂの層流境界層を擾乱して乱流を起こし熱媒液体Ｂの対流熱伝達も倍増させ、伝熱性能の向上、冷媒と凝結面の真空蒸気との伝達温度差損失の低減、良い伝熱性能と高効率蒸気凝結能力を持つ真空乾燥装置における蒸気凝結器を提供することを目的とするものである。

本発明には、上述の問題を解決するための手段として、冷凍装置１１から導く冷媒Ｒを蒸発させる金属材よりなる円筒チューブ状の冷媒管２６を、金属材よりなる蒸気凝結プレートａ内に形成した熱媒液体Ｂの通路ｗ内に嵌通せしめて冷媒Ｒと熱媒液体Ｂとの間の熱交換を行わす熱交換器１０３を構成し、その熱交換器１０３を、真空室１の内部または内壁面に、該熱交換器１０３の真空空間側外表面の全部または一部が真空空間に面するように設けて、その真空空間側外表面が冷媒Ｒ・熱媒液体Ｂの何れの側からも、直接にあるいは直接の金属接触により冷却される構造とし、その熱交換器１０３の真空空間側外表面を真空蒸気Ｖの凝結捕集面として、冷媒Ｒと熱媒液体Ｂと真空蒸気Ｖとの三媒体のうちの、何れの二媒体の間にも境界金属壁乃至境界金属壁と密接する金属板を介しての直接の熱交換が存在する三媒体間熱交換器の形態とし、真空装置の蒸気凝結器において、冷媒管２６を嵌通させる蒸気凝結プレートａ内の通路ｗに、その通路ｗ内を流れる熱媒液体Ｂに乱流を生ぜしめる乱流発生体ｚを、通路ｗを横切る桟状に形成して、通路ｗの長手方向に狭い間隔をおいて多数本並列させて通路ｗの左右または上下の隔壁間面に渡架装着したことを特徴とする真空装置における蒸気凝結器を提起するものである。

本発明は、蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの境膜熱伝達係数を大きく増大して伝熱を促進するため、蒸気凝結プレートａ内の通路ｗ中に、その通路ｗを横切る桟状に形成した乱流発生体ｚを、通路ｗの長手方向に狭い間隔をおいて多数本並列させて設けておき、この乱流発生体ｚにより冷媒管２６外の通路ｗを流れる熱媒液体の層流境界層を擾乱し、乱流を起こし熱媒液体Ｂの速度境界層と温度境界層の厚さを薄くして境膜熱伝達係数を増大させていることから、伝熱促進の効果が著しく向上する。この効果は、蒸気凝結プレートａの冷却性能試験と昇華時の水蒸気凝結性能試験から確認できた。

本発明の冷媒管２６の内周面に、軸方向視において多数の溝または多数のフィンが軸方向に連続する凹凸部ｙを形設した手段による蒸気凝結プレートａの伝熱促進の効果を評価するため、２ｍ²小型凍結乾燥機用の蒸気凝結プレートａを２枚試作して冷却性能を測定し、冷媒管２６内の冷媒から冷媒管２６外の通路内熱媒液体の総括熱伝達係数を求めて、内周面を平滑面とした冷媒管２６を組込んだ先行発明の蒸気凝結プレートａの伝熱性能と比較した。同じ２ｍ²装置で同様な冷凍機で先行発明の蒸気凝結プレートａを３枚設置して冷媒管２６の伝熱面積を６．１ｍ²としたものでも、内周面が平滑な冷媒管２６内の冷媒核沸騰熱伝達の低下と管外の熱媒液境膜熱伝達の低下により総括熱伝達係数は小さくなり、冷却器として熱交換性能が低下したため、棚を２０℃から−４０℃まで冷却時間は約３８ｍｉｎかかり、棚到達温度は−５８℃となった。これに対して、本発明の内周面に凹凸部ｙを形設した冷媒管２６を嵌通させた蒸気凝結プレートａは２枚として冷媒管２６の伝熱面積を３．１ｍ²に減少させても、内面凹凸部ｙ付き冷媒管２６内の冷媒核沸騰熱伝達と冷媒管２６外の熱媒液体境膜熱伝達が共に増大して熱交換の効率が向上したため、棚を２０℃から−４０℃まで冷却時間は２８ｍｉｎ、−５０℃まで約４９ｍｉｎ、棚温は約−６０℃に到達した。本発明手段の蒸気凝結プレートａと冷媒蒸発楕円管１６の伝熱面積が先行発明のそれの半分で、熱媒と冷媒との温度差が同じとして、本発明の蒸気凝結プレートａの熱交換量は先行発明のトラップより多かったというこの実測結果から、本発明手段のトラップの総括熱伝達係数は先行発明の２倍以上となることを示した。また、本発明の蒸気凝結プレートａ２枚で冷却性能の試験データから総括熱伝達係数を解析しても、冷媒側の核沸騰熱伝達と熱媒液体の対流境膜熱伝達係数ともに２倍以上増大した。

本発明手段は、真空装置が、乾燥処理する被処理物を医薬品とする真空凍結乾燥装置である場合にあっては、その装置の全体の構成は、図３にある従前の「三媒体間熱交換器」を蒸気凝結器（トラップ）１０３に用いる真空凍結乾燥装置Ｗと同様に構成してよい。

また、用いる蒸気凝結器（トラップ１０３）は、金属材によりプレート状の蒸気凝結プレートａを形成し、それの内部に形設する熱媒液体の通路ｗ内に、冷媒管２６を嵌通して、冷媒と熱媒液体と真空蒸気との三つの媒体の中のいずれの二媒体間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介する直接の熱交換が存在する「三媒体間熱交換器型」に構成することについても、前述の図３にある従来手段における蒸気凝結器（トラップ）１０３と同様である。

しかし、この蒸気凝結器（トラップ）１０３の主体を構成する金属材よりなる蒸気凝結プレートａの内部に形成せる熱媒液体の通路ｗの中に、その通路ｗに沿い嵌通するように配設する冷媒管２６は、それを形成する金属材よりなるチューブ状の円筒管を、それの筒壁に対し垂直な方向に沿いプレス加工を行って、筒壁の一対に対向する壁面が扁平円筒管の軸心線と直交する扁平面となるように押し潰し、軸方向視において長軸側が短軸側に対し略１．５倍程度となる略楕円形をなす楕円管１６に成形しておくことが望ましい。

そして、冷媒管２６を、断面において扁平な楕円管１６に形成したときは、その冷媒管２６を、蒸気凝結プレートａの内部に形成した熱媒液体の通路ｗ内に、扁平面が蒸気凝結プレートａの真空蒸気の凝結捕集面に対し平行ないし略平行する姿勢として嵌挿し、それの一対の扁平面の一方または両方を、通路ｗの内壁面の天井壁１７・底壁１８に密接状態に接合し、熔接または圧着により密着させる。

このとき、蒸気凝結プレートａ内に形成しておく熱媒液体Ｂの通路ｗは、図７にあるよう従前手段の蒸気凝結プレートａ内に形設していた通路ｗと同様に、円管を圧縮した寸法に対応させて断面積を縮小させた寸法形状のものに形成しておいてもよい。

通路ｗがそれの内に冷媒管２６が巾方向にダブルに並列する形状に形成されて、４本の冷媒管２６が装入される場合は、通路ｗ内のその通路ｗの長手方向における中間の適宜の個所に、押さえ棒２９を図８に示しているように通路ｗを上下に２分するように配設して、これにより通路ｗ内に嵌通させた冷媒管２６の軸方向の中間部位を支承させて、冷媒管２６の通路ｗ内壁面に対する密着度を高めることができる。また、通路ｗの断面積を圧縮し得るようになることからその通路ｗ内に循環させる熱媒液体Ｂの流速を早くでき、それの循環用のポンプを容量の小さいものでも良いようになる。

この蒸気凝結プレートａの内部に形成する通路ｗ内には、乱流発生体ｚを配設する。この乱流発生体ｚは、通路ｗ内を流れる熱媒液体Ｂに乱流を発生せしめて、その流れに撹乱を与えることにより通路ｗ内における冷媒管２６の外表面の熱媒液体Ｂの層流を撹乱することで、冷媒管２６内の核沸騰熱伝達の低下と冷媒管２６外の熱媒液体Ｂの境膜熱伝達の低下とを改善して伝熱性能を向上させるためのものであり、熱媒液体Ｂの流れの中に位置してそれに乱流を生ぜしめるようになれば良いもので、その形状は適宜に形成してよい。

この通路ｗを流れる熱媒液体Ｂの流れに乱流を起こす乱流発生体ｚを並列させて設置するときの設置間隔は蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの境膜熱伝達係数にも通路内の熱媒液体Ｂの流動圧力損失にも影響を与えている。間隔が大であると、熱媒液体Ｂの流動圧力損失が減少できるが、冷媒管２６外の熱媒液体Ｂの流動の擾乱は低下し熱伝達促進の効果はあまり出ていない。間隔が小であると、熱媒液体Ｂの流動圧力損失が大きく増大し、熱媒ポンプ１０による熱媒液体Ｂの循環流量が低減して熱媒液体Ｂの流速が小さくなり、冷媒管２６外の熱媒液体Ｂの流動境界層を擾乱しても流速の低下により熱媒液体Ｂの熱伝達を促進しなくなって逆効果となる。適切な間隔で乱流発生体ｚを設置することが必要となる。本発明の蒸気凝結プレートａの伝熱促進の効果を評価する同時に熱媒液体Ｂの流動圧力損失と乱流発生体ｚの設置間隔との関係を、本発明手段の実施例の蒸気凝結プレートａの通路と同等な流路面積の熱媒液体の圧力損失測定用装置を製作して、圧力損失と熱媒液体Ｂの流量、乱流発生体ｚの設置間隔との関係を測定することでテストしたところ、その測定結果は、３０℃で熱媒液体の粘度５０ｃｓの場合に、棒間隔４０ｍｍの圧力損失は間隔８０ｍｍより約２０％増大し、棒間隔１２０ｍｍの圧力損失は間隔８０ｍｍより約３０％減少し、棒間隔１６０ｍｍの圧力損失は間隔１２０ｍｍとほぼ同等となった。３０℃で熱媒液体の粘度２ｃｓの場合に、棒間隔４０ｍｍの圧力損失は間隔８０ｍｍより約２８％増大し、棒間隔１２０ｍｍの圧力損失は間隔８０ｍｍより約２０％減少し、棒間隔１６０ｍｍの圧力損失は間隔８０ｍｍ約４０％減少した。このことから、熱媒液体の熱伝達の促進効果と流動圧力損失低減の両方を考えると、押さえ棒の適切な間隔は８０ｍｍを基準としてそれの前後に１０ｍｍの巾を設けた７０ｍｍ〜９０ｍｍの範囲が適当である。

このことから、この乱流発生体ｚは、熱媒液体Ｂの流れに対して大きな抵抗を生ぜしめない棒状に形成し、これを８０ｍｍ程度の狭い間隔をおいて多数本、通路ｗの長手方向に並列させて、通路ｗ内を横切る桟状に配設することが有効である。

このとき、並列させて配設する各乱流発生体ｚは、図１３にあるように、蒸気凝結プレートａ内の通路ｗの天井壁１７と底壁１８とに渡架するように取り付けてよく、また、蒸気凝結プレートａが、図１２にあるように複数枚を多段に重ねた形態のものの場合にあっては、これらを上下に串通するように棒状の乱流発生体ｚを組付けるようにしてよい。

また、この乱流発生体ｚは、それを棒状に形成して、蒸気凝結プレートａ内の通路ｗ中に、その通路ｗを上下に区画するよう左右方向に沿う姿勢に配設するときは、並列する多数の乱流発生体ｚのうちの、適宜に選択したものを、通路ｗ内に嵌通させた冷媒管２６に接触させて、それを支承する押さえ棒２９を兼ねたものとすることが可能である。

さらに、蒸気凝結プレートａ内の通路ｗに嵌通させる冷媒管２６は、それの内周面の略全面に図１５にあるように軸方向視において、多数の溝ないし多数のフィンよりなる凹凸部ｙが、軸方向に連続して形設された形状に形成しておくことが、冷媒蒸発楕円管１６内における冷媒Ｒの核沸騰熱伝達の低下を改善する上において有効である。

蒸気凝結プレートａ内の通路ｗ中に配設する乱流発生体ｚは、通路ｗ内を流れる熱媒液体Ｂの流れに撹乱を与えて伝熱促進を図るためのものであるが、熱媒液体Ｂの流速の阻害となってその熱媒液体Ｂの対流熱媒液体伝達に対し逆効果を招くようになることから、抵抗の少ない丸棒状に形成して、多数本を狭い間隔において並列設置するようにする。その間隔は、８０ｍｍ内外の７０ｍｍ〜９０ｍｍ程度に設定することが適切である。

そして、この乱流発生体ｚは、通路ｗ中の冷媒管２６には接触しない近接位置に配位して、通路ｗの天井壁１７と底壁１８との間に渡架するように設け、冷媒管２６の外周面に形成される熱媒液体Ｂの層流を乱して、対流熱媒液体伝達を向上させるようにすることが有効である。

また、この乱流発生体ｚは、それを棒状に成形して、図１４にあるように通路ｗ内にその通路ｗの内壁面の左右の壁面間に渡架するように設けるときは、通路ｗ内に嵌通させる冷媒管２６を支承する押さえ棒２９の役割を兼ねさせることが可能になるので、狭い間隔をおいて並列させて設ける乱流発生体ｚの中から適宜選択したものを、通路ｗ内の冷媒管２６に接触させて支承させ、押さえ棒２９は省略した形態としてよい。

冷媒管２６の内周面に設ける上述の凹凸部ｙは、冷媒管２６内の冷媒Ｒの核沸騰熱伝達を向上させるためのもので、冷媒管２６の内周面の略全面に、軸方向視において多数のＶ溝状の溝が周方向に並列し、それら溝が軸方向に連続する形態に形設するか、軸方向視において多数のフィンが周方向に並列し、それらフィンが軸方向に連続する形態に形成することが望ましい。

次に実施例を図面に従い詳述する。なお、図面符号は、従前手段のものと同様の構成部材については同一の符号を用いるものとする。

図９は、先行発明を実施せる真空装置に設置した蒸気凝結器（トラップ）１０３の部分を構成している蒸気凝結プレートａの縦断面図で、同図において、ａは金属材でプレート状に形成した蒸気凝結プレート、ｗはその蒸気凝結器プレートａの内部に形成した通路、Ｂはその通路ｗ内に循環させる熱媒液体、２６は通路ｗ内に挿通して装着した冷媒管、Ｒはその冷媒管２６内に循環させる冷媒を示す。なお、この冷媒管２６は楕円管１６に変形加工してあり、また、その内周面には、多数の溝またはフィンを設けた凹凸部ｙ付きのものとしている。

この例における真空装置は、図３に示している主として医薬品の乾燥処理を対象とする真空凍結乾燥装置であり、これに組込む蒸気凝結器（トラップ）は、図３において符号１０３で示している「三媒体間熱交換器型」の蒸気凝結器（トラップ）であって、この真空装置および蒸気凝結器（トラップ）１０３の基本的な構成は、図３乃至図７にて説明した従前手段のものと変わりがない。

また、蒸気凝結プレートａの内部に形成せる熱媒体Ｂの通路ｗは、図６に示している従前の円筒管とした冷媒管２６を２本挿通して装着するように形成された通路ｗよりも、円筒形の冷媒管２６を楕円管１６に圧縮した分だけ、略６０〜７０％断面積を圧縮して作られている。

この通路ｗ内に挿通して装着せる冷媒管２６は、従前手段に用いていた円筒形のチューブ状の冷媒管２６をプレス加工により断面が扁平な楕円管１６に成形したもので、長軸に対し短軸が略５分の３となるように成形してある。

次に図１０は別の実施例を示している。この例は、冷媒管２６を楕円管１６に変形加工して通路ｗ内に嵌挿し、その通路ｗ内に一定間隔で熱媒液体Ｂの伝熱促進と冷媒管２６の支承を兼ねた乱流発生体ｚを装設し、それの上面側と下面側とにより２本ずつの内面に凹凸部ｙ付きの冷媒管１６を挿通した例であり、通路ｗは、従前手段の通路に対し上下の高さ（蒸気凝結プレートａの厚さ方向の寸法）は略５分の３に形成してある。

そして、これら通路ｗの区画内に挿通する内面凹凸部ｙ付きの楕円管１６とした冷媒管２６…は、上位側の区画内に挿通するものにあっては、扁平面１６ａの一方を通路ｗの天井壁１７に対し密着させ、下位側の区画内に挿通するものにあっては通路ｗの底壁１８に一方の扁平面１６ａを密着させた状態としてある。

次に図１１は、上述の蒸気凝結プレートａが水蒸気を凝結する時の熱流の概念図である。その蒸気凝結プレートａの蒸気凝結面（氷層表面）からプレート幅Ｌを横切る熱流のうち、一部は直接伝導（接触抵抗経由）で冷媒管２６へ流入する熱流Ｑ１の幅Ｌ１、一部は蒸気凝結プレートａから通路ｗを循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達を経て冷媒管２６に達する熱流Ｑ２の幅Ｌ、冷媒管２６と蒸気凝結プレートａとの接触面幅をεとする。

一方、直接伝導で内面溝付き冷媒管２６へ流入する熱流Ｑ１は以下の熱抵抗に関与している。すなわち、凝結氷層の熱抵抗Ｒ１３、蒸気凝結プレートａのプレート板厚を貫通して接触面幅εへの熱抵抗Ｒ１２、接触熱抵抗Ｒ１１、冷媒管２６内の冷媒の伝熱抵抗Ｒ１０である。その中で、接触熱抵抗Ｒ１１は、冷媒管２６と蒸気凝結プレートａとの接触面幅εおよび等価接触間隙δに大きく影響される。冷媒の伝熱抵抗Ｒ１０は管内の核沸騰伝熱係数に関与している。

本発明手段の蒸気凝結器（トラップ）１０３では、扁平な内面凹凸部ｙ付きの楕円管１６とした冷媒管２６の接触面幅が、円筒管とした冷媒管２６よりかなり増大するため、接触熱抵抗は小さくなり、かつ、内面凹凸部ｙ付きの冷媒管２６で冷媒の核沸騰熱伝達係数は２．３倍となり、冷媒の伝熱抵抗Ｒ１０も半分以下に減少し、直接伝導で冷媒蒸発管へ伝わる熱流Ｑ１は増大する。

他方、循環する熱媒液体Ｂを経由して内面凹凸部ｙ付きの冷媒管２６に達する熱流Ｑ２の熱抵抗は、凝結氷層の熱抵抗Ｒ２４、プレート板厚を貫通する熱抵抗Ｒ２３、プレート内面（含間仕切）と熱媒液体Ｂとの界面の境膜伝熱抵抗Ｒ２２と内面凹凸部ｙ付きの冷媒管２６の周囲（密着面幅εを除く）の境膜伝熱抵抗Ｒ２１、冷媒管２６内の冷媒の伝熱抵抗Ｒ２０とにより構成している。そのうち、循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達係数は熱抵抗Ｒ２２とＲ２１に大きい影響を与える。境膜熱伝達率の促進は、循環熱媒体を経由する熱流を増大する。トラップ１０３である蒸気凝結プレートａの伝熱性能の理論解析と試験評価の結果、この実施例のトラップ１０３は、乱流発生体ｚの適切間隔の配置により熱媒液体Ｂの境膜熱伝達係数は先行発明の２．７倍となり、大幅に改善した。先行発明トラップでは、通路ｗ内の熱媒液体が冷媒管２６の表面に沿って平行に流れ、境界層が厚くて熱伝達は低下し、本発明は境界層を擾乱する乱れ促進棒を配設して冷媒管２６の表面に直交流と平行流の両方も生じ、熱媒液体の境膜熱伝達は大きく促進された。冷媒管２６内の冷媒からトラップ凝結氷層表面までの総括伝熱係数は、先行発明のトラップより増大し、凍結乾燥初期で伝熱性能は約１．５倍増え、乾燥中期（氷層厚１０ｍｍ）でも、総括伝熱係数は約１００％増加した。

また、この本発明の実施例では、内面凹凸部ｙ付きの冷媒管２６でトラップ１０３を製作し、先行発明トラップと同様に蒸気凝結プレートａの内腔の通路ｗを薄く製作することで、熱媒側の流路面積は減少し、熱媒体側の流動は促進され、乱流発生体ｚの配設を加え、境膜熱伝達性能もさらに向上している。乱流発生体ｚの配設により通路ｗ内の熱媒圧力は増大しているが、熱媒循環量を減少して、先行発明トラップの熱媒圧力損失と同等にしても、熱媒境膜熱伝達係数は増大する。従って、熱媒液体の循環ポンプ１０容量は低減でき、ポンプ発生熱により入熱損失も少なくなる。

また、トラップ伝熱と凝結性能が先行発明トラップより倍以上増大するので、トラップ枚数を減少でき、製作費用は低減できる。

このように、この本発明の実施例は、冷媒蒸発器の蒸気凝結プレートａ内の通路ｗに挿通する冷媒管２６を、周面が平滑な平滑管から内面凹凸部ｙ付きの楕円管１６に加工し、その扁平面を通路ｗの内壁面に密着させているのだから、冷媒管２６と金属材の蒸気凝結プレートとの接触面は十分に増大され、接触熱抵抗は大きく減少できる。しかも、楕円管の冷媒管２６は、内面凹凸部ｙ付きの円筒管の冷媒管を作って、それをプレスして、扁平に加工することで、最適な長短軸の冷媒管が簡単に得られ、このときそれの断面積が円筒管のそれと殆ど変わらないから、トラップの製作が容易となる。

また、熱媒液体Ｂの通路ｗ内に装入した冷媒管２６に沿って等間隔に並列配設した乱流発生体ｚは、冷媒管２６外表面の層流を擾乱して熱媒液体Ｂの対流境膜伝熱を促進して、冷媒側の核沸騰熱伝達と熱媒液体の対流境膜熱伝達係数ともに２倍以上増大させるので、良い伝熱性能と高効率蒸気凝結能力をもって真空装置における新型蒸気凝結器が得られるようになる。

トラップに冷媒直冷型トラップを用いた従前の真空装置の概要説明図である。トラップに間接熱媒型トラップを用いた従前の真空装置の概要説明図である。トラップに三媒体間熱交換器を用いた従前の真空装置の概要説明図である。同上真空装置のトラップ室およびトラップの縦断した正面図である。同上真空装置のトラップ室およびトラップの縦断した側面図である。同上のトラップの部分の縦断面図である。同上真空装置の別の形態のトラップ室の縦断面図である。同上真空装置の別の形態のトラップの部分の縦断面図である。先発明による真空装置におけるトラップの部分の縦断面図である。先発明におけるトラップの別の実施例の部分の縦断面図である。先発明におけるトラップの凝結時の熱流説明図である。本発明によるトラップの別の実施例の平面図である。本発明によるトラップの部分縦断面図本発明によるトラップの部分平面図本発明による別の実施例のトラップの部分縦断面図

符号の説明

Ｂ…熱媒液体、Ｒ…冷媒、Ｖ…真空蒸気、Ｗ…真空凍結乾燥装置、ａ…蒸気凝結プレート、ｂ…蒸気捕集面、ｗ…通路、ｙ…凹凸部、ｚ…乱流発生体、１…真空乾燥室、１０…熱媒循環ポンプ、１０１…冷媒直冷型トラップ、１０２…間接熱媒型トラップ、１０３…熱交換器を兼ねるトラップ、１１…冷凍装置、１２…副冷凍装置、１３…冷媒弁、１４…冷媒膨張弁、１５…仕切弁、１６…冷媒蒸発楕円管、１６ａ…扁平面、１７…天井壁、１８…底壁、２…真空トラップ室、２６…冷媒管、２７…仕切壁、２８…外壁、２９…押さえ棒、３…主弁、３ａ…主管、４…真空排気系、５…熱板、６…熱媒液加熱器、７…熱交換器、７ａ…冷媒蒸発器、７ｂ…熱媒液系、８…副熱交換器、８ａ…冷媒蒸発器、８ｂ…熱媒液系、９…熱媒液体循環ポンプ。

Claims

冷凍装置１１から導く冷媒Ｒを蒸発させる金属材よりなる円筒チューブ状の冷媒管２６を、金属材よりなる蒸気凝結プレートａ内に形成した熱媒液体Ｂの通路ｗ内に嵌通せしめて冷媒Ｒと熱媒液体Ｂとの間の熱交換を行わす熱交換器１０３を構成し、その熱交換器１０３を、真空室１の内部または内壁面に、該熱交換器１０３の真空空間側外表面の全部または一部が真空空間に面するように設けて、その真空空間側外表面が冷媒Ｒ・熱媒液体Ｂの何れの側からも、直接にあるいは直接の金属接触により冷却される構造とし、その熱交換器１０３の真空空間側外表面を真空蒸気Ｖの凝結捕集面として、冷媒Ｒと熱媒液体Ｂと真空蒸気Ｖとの三媒体のうちの、何れの二媒体の間にも境界金属壁乃至境界金属壁と密接する金属板を介しての直接の熱交換が存在する三媒体間熱交換器の形態とし、真空装置の蒸気凝結器において、冷媒管２６を嵌通させる蒸気凝結プレートａ内部の通路ｗ内には、その通路ｗを横切る桟状に形成した乱流発生体ｚを、通路ｗ内を流れる熱媒液体Ｂの層流中に位置するよう配位して、通路ｗの長手方向に８０±１０ｍｍの間隔をおいて多数本前記通路ｗの長手方向に並列させて配置し、その並列する乱流発生体ｚを通路ｗの左右または上下の隔壁間に渡架装着せしめ、該並列する多数本の乱流発生体ｚにより通路ｗを流れる熱媒液体Ｂの層流に乱流を起こし熱媒液体Ｂの伝熱性能を向上させるようにしたことを特徴とする真空装置における蒸気凝結器。
前記蒸気凝結プレートａ内部の通路ｗ中にその通路ｗの長手方向に多数本並列させて設ける前記乱流発生体ｚの並列間隔を、８０ｍｍの前後１０ｍｍの範囲となる７０ｍｍ〜９０ｍｍの範囲の間隔に設定することを特徴とする請求項１記載の真空装置における蒸気凝結器。
前記蒸気凝結プレートａ内部の通路ｗ内に、その通路ｗの長手方向に間隔をおいて多数本並列させて配設する乱流発生体ｚを、通路ｗを横切る棒状に形成し、その棒状の乱流発生体ｚを、通路ｗ中の冷媒管２６には接触しないで近接する位置において、通路ｗの長手方向に８０±１０ｍｍの間隔をおいて多数本前記通路ｗの長手方向に並列させて配置し、その並列する乱流発生体ｚを通路ｗの左右の隔壁間に渡架して装着し、これら乱流発生体ｚの中から適宜選択した乱流発生体ｚを、通路ｗ中の冷媒管２６に接触させて、冷媒管２６を支承する押さえ棒２９とすることを特徴とする請求項１記載の真空装置における蒸気凝結器。