JP5751752B2 - 凍結乾燥機の棚 - Google Patents

Description

本発明は、凍結乾燥機の棚に関するものであり、更には凍結乾燥機の棚の製造方法に関するものである。

凍結乾燥機の棚は、凍結乾燥されるべき製品を入れた複数の容器または瓶を収容するために凍結乾燥機の凍結乾燥チャンバー（すなわち凍結乾燥室）内に配置される。凍結乾燥チャンバー内には、一般に、多数の棚が収納される。各棚は、凍結乾燥チャンバー内において上昇及び下降せしめられ得る。複数の棚を装着する際には、これらの棚は、先ずチャナバーの下部に畳まれ（すなわち集積され）、次いで先ず最上配置の棚が装着位置へと移動せしめられる。この棚が装着された後に、機構は、装着済みの棚を自動的に上昇させて、次の棚が装着位置へと移動できるようにする。この移動シーケンスは、凍結乾燥チャンバーでの棚装着が完了するまで続けられる。凍結乾燥チャンバーから棚を除去する（すなわち脱着する）には、上記装着シーケンスを逆に行い、先ず最下配置の棚を除去する。

棚は、また、アルコール、グリセロールまたはシリコーンオイルなどの伝熱流体と凍結乾燥されるべき製品との間で熱を移動させるよう機能する。凍結乾燥プロセスの間に、製品内に存在する水分が凍結せしめられる。製品から伝熱流体へと熱を移動させるために、外部回路により凍結乾燥機の棚の内部を循環する伝熱流体が冷却せしめられ、これにより、製品内に含まれる水分の凍結が引き起こされる。凍結の後、凍結乾燥チャンバー内を典型的には１ｍｂａｒ未満の圧力にまで減圧し、外部ヒーターにより伝熱流体を加熱してサンプル（製品）内の氷を水蒸気へと昇華させる。

複数の凍結乾燥機の棚は、容器内へとストッパーを押し込むのにも共用される。このストッパーは、凍結乾燥プロセスの間、サンプルからの水蒸気の昇華を可能にする容器の開口上にルーズに配置される。凍結乾燥プロセスの完了後、複数の棚は互いに移動せしめられる。ある棚上に配置された容器のストッパーの上面は、その棚の上に配置された別の棚の下面に接触している。棚同士の相対移動を繰り返すうちに、ストッパーが容器内へと押圧されて気密シールが形成されるようになる。これは、制御された環境下で容器をシールするという利点を有する。

凍結乾燥機の棚は、典型的には、互いに対向する２枚のステンレススチール製の板（すなわちプレート）を有し、これらの板の間にステンレススチール製の複数のリブが配置され、板間に典型的には高さ１０〜２０ｍｍのスペースが形成されると共に伝熱流体の流通チャンネルが形成されている。リブは、棚の自重及びその上に配置される容器の重さを支持するのに必要な強度を棚に付与する機能を持つ。更に、リブは、ストッパーの押圧の間に板にかかる１．５ｋｇ／ｃｍ^２にもなる力に対して棚を耐久性のあるものにしなければならない。

容器のストッパーは、一般に、例えばブチルゴムなどのゴム材料から形成されるが、ここに適量のシリコーンオイルを添加することで容器内へストッパーを挿入しやすくしてもよい。容器へのストッパーの押圧の間にストッパーにかかる圧力は、シリコーンオイルの小さな分子をストッパーの外面へと移動させ、これにより、ストッパーと凍結乾燥機の表面との間の界面に擬似粘性層（または準粘性層）［ｑｕａｓｉ−ｖｉｓｃｏｕｓ ｌａｙｅｒ］が形成される。更に、多くのストッパーの設計、とくに医薬サンプルを含む容器のためのものでは、中央に位置し、隆起した、針挿入のための目標領域を規定する、目標リングまたは照準［ｂｕｌｌｓ−ｅｙｅ］が設けられている。このようなストッパーが凍結乾燥機の棚の下面により容器内へと押圧されると、目標リングに作用する力により、目標領域が下方へと曲げられ、これにより、ストッパーと凍結乾燥機の棚との間に真空空隙が生成せしめられる。

このような効果は、単独でまたは複合して、容器閉じ手順の間、とくに圧力が比較的長い時間ストッパーに印加されている場合、或いは閉じ圧力が比較的高い場合に、ストッパーを凍結乾燥機の棚の下面に付着させる（すなわち密着させる）［ｓｔｉｃｋ］ことを引き起こす。従って、続いて凍結乾燥機の棚同士の間の相対移動によりストッパーから圧力が開放されると、容器閉じ手順の間に上方の棚に付着したストッパーはそのまま上方の棚に取り付いて残り、かくして、当該ストッパーの位置する容器が下方の棚から物理的に離隔せしめられる。ストッパーと上方の棚の下面との間の付着は時間と共に弱まるので、容器は上方の棚から落下し、かくして、下方の棚での衝撃により破損し及び／または下方の棚上に位置する他の容器に打ち付けられる。或いは、脱着手順の間、これらの容器を上方の棚から除去することができるが、その際にも、同様に、容器は破損し及び／または他の容器に打ち付けられる。落下した容器または破損したガラスは脱着システムを阻害するので、作業者がシステムを清掃する必要があり、これは費用のかかる休止時間及び材料の損失を生じさせる。

本発明の第１の局面によれば、
互いに対向して平行に配置された第１及び第２の板を有する凍結乾燥機の棚を製造する方法であって、
前記方法は、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて付着せしめられるのを阻止するように、前記表面を処理する工程を有していることを特徴とする、凍結乾燥機の棚の製造方法、
が提供される。

以上のようにして棚の表面を処理することにより、棚が凍結乾燥機内に配置されたときに、棚の表面が他の棚の上に配置された容器のストッパーに面して位置することになり、棚がストッパーを容器内へと押し込むのに用いられる際の棚へのストッパーの付着が防止される。このことは、凍結乾燥機を広範囲の互いに異なるストッパーと共に使用することを可能にするので、容器のためのストッパーの上面を個別に処理することに比べて有利である。

１つの実施態様においては、前記表面は、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて前記棚に付着せしめられるのを阻止するようなコーティングを前記表面に形成することにより、処理される。このコーティングは、好ましくは、疎水性または非濡れ性の（すなわち撥水性の）材料を含む。これにより、棚がストッパーへと押し付けられる際にコーティングとストッパーとの間に形成される擬似粘性層を介してストッパーが棚に付着することが阻止される。好ましい非濡れ性の材料の例としては、テフロン［登録商標］が挙げられる。

前記コーティングは、前記表面に溶射により形成することができる。これによれば、コーティングを現存する凍結乾燥機の棚に適用することが可能である。すなわち、棚が配置された現存する凍結乾燥機のチャンバーから棚を取り外し、その棚の表面にコーティングを形成することができる。或いは、凍結乾燥機のチャンバー内の棚に対して、その場でコーティングを形成してもよい。

前記コーティングは、少なくとも２つの材料の複合コーティングであってもよい。例えば、前記表面にはセラミック材料の第１の層が形成され、前記第１の層には非濡れ性の材料の第２の層が形成され、次いで、例えば１５０乃至３５０℃の範囲内、好ましくは２００乃至２５０℃の範囲内の温度で、前記第１及び第２の層が加熱処理されて、前記コーティングが形成されてもよい。前記第１の層は熱溶射及びプラズマ溶射のうちの１つの技術を用いて前記表面に形成されてもよい。前記セラミック材料はカーボン、タングステンカーバイド及びシリコンカーバイドのうちの１つを含むものであってもよい。このような溶射技術においては、前記表面の温度は部分的に７００℃にまで達することがある。材料のひずみ開放による棚の屈曲を避けるために、溶射技術の実施の際に適宜の冷却を確保すべく前記第１及び第２の板の間で伝熱流体を流してもよい。

別法として又は付随的に、前記コーティングは、それが形成される前記表面より大きな粗さを有してもよい。棚の表面の粗さが大きくなると、ストッパーが容器内へと押し込まれる際に棚とストッパーとの間の接触面積が減少する。これにより、ストッパーと容器との間での付着が減少する。更に、粗さの程度によっては、棚とストッパーとの間での真空空隙の形成を阻止することができる。

第２の実施態様においては、前記表面の粗さを増大させるために表面にコーティングを形成するのではなく、前記表面自体が、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて前記棚に付着せしめられるのを阻止するように、粗面化される。前記表面の粗さを増大させるように該表面から材料を除去すべく、該表面はレーザービーム、電子ビーム及び化学エッチングのうちの１つを用いて処理されてもよい。或いは、表面の粗さを増大させるために、該表面に材料を堆積または付着させてもよい。ストッパーによる閉じ手順の間にストッパーと接触する前記表面における“ピーク”のサイズ及び／または間隔に対する良好な制御を提供すべく、前記処理により前記表面に規則的な表面パターンが形成されてもよい。前記表面パターンは、クロスハッチング、平行線及びドット配列のうちの１つを含むものであってもよい。例えば、表面に対する材料の付加を棚の表面に対するワイヤーメッシュの付着により行い、これによりストッパーと接触するピークの規則的パターンを提供してもよい。ストッパーは、比較的少ない例えば２つまたは３つのピークから圧力を受けて容器内に挿入されてもよい。そこで、１つの例においては、ピークは２乃至３ｍｍの範囲の周期を持つ。

凍結乾燥機の棚の製造方法は、好ましくは、前記第１及び第２の板の間に伝熱流体を流すための少なくとも１つの流通チャンネルを規定するように前記第１及び第２の板の間にスペーサーを配置する工程と、前記スペーサーを前記第１及び第２の板に取り付ける工程とを有し、前記板への前記スペーサーの取り付けの後に、前記表面を処理する。前記スペーサーは、好ましくは、接着剤を用いて又は真空ロウ付けの技術を用いて、前記板に取り付けられる。

本発明の第２の局面によれば、
互いに対向して平行に配置された第１及び第２の板を有しており、
これら第１及び第２の板の間には、伝熱流体を流すための少なくとも１つの流通チャンネルが形成されており、
前記第１及び第２の板のうちの一方の板は、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて前記棚に付着せしめられるのを阻止するように処理された表面を有することを特徴とする、凍結乾燥機の棚、
が提供される。

上記のように、１つの実施態様においては、前記表面には、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて前記棚に付着せしめられるのを阻止するコーティングが形成されている。他の実施態様においては、前記表面は、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて前記棚に付着せしめられるのを阻止するように、粗面化されている。

本発明の第３の局面によれば、
複数の棚を収納するチャンバーを有する凍結乾燥機であって、前記棚のそれぞれは、
互いに対向して平行に配置された第１及び第２の板を有しており、
これら第１及び第２の板の間には、伝熱流体を流すための少なくとも１つの流通チャンネルが形成されており、
前記第１及び第２の板のうちの一方の板は、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて前記棚に付着せしめられるのを阻止するように処理された表面を有する、
ことを特徴とする凍結乾燥機の棚、
が提供される。

本発明の方法的局面に関して上述した特徴は、装置（棚及び凍結乾燥機）の局面に関しても当てはまる。逆も同様である。

１枚の板を取り外して示す、凍結乾燥機の棚の平面図である。 図１の凍結乾燥機の棚の部分斜視図である。 本発明の第１の実施形態を示す、図２の凍結乾燥機の棚の部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態を示す、図２の凍結乾燥機の棚の部分拡大図である。 図４の凍結乾燥機の棚の板１２の露出表面を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態を示す、図２の凍結乾燥機の棚の部分拡大図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい特徴につき説明する。

図１及び図２を参照して、凍結乾燥装置の棚１０は、１組の第１及び第２の板１２，１４を有する。双方の板は平坦で互いに平行に隔てられて配置されている。第１及び第２の板１２，１４の間に形成されるスペースには、複数のリブ１６が配置されている。これらのリブ１６は、互いに離隔しており、第１及び第２の板１２，１４の間を流される伝熱流体のための少なくとも１つの流通チャンネル１８を規定する。これに関して、リブ１６は、実質上互いに平行で千鳥状に配置されており、棚１０を通るジグザグ流通路を形成する。これにより、圧力低下を最小限にする。リブ１６は、好ましくは、矩形状の中空管であるが、第１及び第２の板１２，１４と接する細長い平面を持つものであれば、他の形状のものであってもよい。

棚１０は、バーまたはロッド２６，２８，３０，３２からなるフレーム２４により周囲をシールされている。各バーまたはロッドは、実質上正方形または矩形状の断面を有する。ロッドは端部同士を接続されており、第１及び第２の板１２，１４に固定されている。伝熱流体は流体入口及び流体出口により棚へと入り及び棚から出る。流体入口及び流体出口は、内部孔を備えた入口及び出口のタブ部３８，４０に接続された入口及び出口のパイプ３４，３６により形成される。伝熱流体は、タブ部３８，４０の内部孔のそれぞれと接続され、ロッド２６，２８中に画定された開口部（アパーチャ）を通じて、流通チャンネル１８に入り又そこから出る。入口及び出口のパイプ３４，３６は、ホースに接続される。ホースは、伝熱流体用外部回路に接続される。外部回路は、一般に、伝熱流体を循環させるポンプ、凍結乾燥プロセスの凍結段階の間に冷媒流体を冷却する冷却回路、及び凍結乾燥プロセスの昇華段階の間に冷媒流体を加熱する電気ヒーターを含む。凍結乾燥機のチャンバー内にて棚１０を他の棚に接続する支持ロッドを受け入れるために、棚１０の外周に支持ブロックを設けることができる。

凍結乾燥機の棚１０の上記全てのコンポーネントは、好ましくは、ステンレススチールからなる。棚１０を製造するには、接着剤を用いて又はロウ付けにより板１２，１４をリブ１６に取り付けることができる。ロウ付けにより棚を組み立てるには、第１の板１２とリブ１６の下面２２との間、及び第２の板１４とリブ１６の上面２０との間に、それぞれ、自己接着型のバッキングまたはロウ付けのテープ上のニッケルまたは銅系の粉末をサンドイッチする。得られた組立体を、グラファイトブロックまたは適宜の伝熱性材料の間にサンドイッチして、真空炉内に置く。この組立体を、炉中で室温からニッケルの融点約４８２℃の約１０℃以内の温度まで加熱する。次いで、温度を安定化させ、再び、ニッケルの融点及びステンレススチールの結晶化温度まで加熱する。この温度で１５乃至２０分間安定化させ、コンポーネントの組立体の応力緩和を行う。その後、炉を約１２時間かけて２０４℃まで冷却し、この温度で窒素などの不活性なガスで組立体全体をクエンチする。その後、組立体を室温まで放冷する。次に、端板３０，３２を板１２，１４に溶接し、好ましくは、研削し、平滑化し、研摩する。

棚１０の上記コンポーネントの組立に続いて、第１の板１２の露出面（図では下側の面）５０に対するゴム製ストッパー付着防止の処理を行う。このようなストッパーの付着は、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むようにストッパーに圧力を印加する間にストッパーが表面５０に押し付けられるときに発生することがある。図３乃至図６を参照して後述するように、棚の表面５０は、容器閉じ手順の間、棚１０にゴム製ストッパーが付着するのを防止するために、各種のやり方で処理を施すことができる。

図３に示される第１の実施形態では、表面５０は、容器閉じ手順の間、棚１０にゴム製ストッパーが付着するのを防止するコーティング６０を形成することで処理されている。本実施形態において、コーティングは２つの互いに異なる材料の複合コーティングである。第１層は、セラミック材料たとえばカーボン、タングステンカーバイド及びシリコンカーバイドからなり、表面５０に熱溶射またはプラズマ溶射の技術を用いて形成される。この溶射技術においては、表面５０の温度は部分的に７００℃にもなる。そこで、溶射の間に棚１０を通って伝熱流体を流して表面５０から熱を除去し、これにより棚の反りを防止すことができる。表面５０へのセラミック材料の溶射の終了後、疎水性または非濡れ性の材料たとえばテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）［登録商標］からなる第２の層を第１の層上に形成する。そして、第１及び第２の層を１５０乃至３５０℃の範囲内好ましくは２００乃至２５０℃の範囲内の温度で加熱処理して、コーティング６０を形成する。

コーティング６０は、２つの機能を発揮する。第１に、コーティング６０は、疎水性界面を形成する。これにより、棚１０がストッパーに押圧されるとき、コーティング６０とストッパーとの間に形成される擬似粘性層を介してストッパーが棚１０に付着するのを防止する。第２に、コーティング６０は、それが付されているステンレススチールの表面より大きな表面粗さを有する。容器閉じ手順の間ストッパーと接触する棚１０の表面の粗さが大きくなると、ストッパーが容器内へと押し込まれるときに、棚１０とストッパーとの間の接触面積が減少し、このためストッパーと容器との間の付着が低減される。さらに、粗さの程度によっては、棚１０とストッパーとの間の真空空隙の形成が阻止される。

図４及び図５は、表面５０がレーザービーム、電子ビーム及び化学エッチングのうちの１つを用いて処理される第２の実施形態を示す。図４にピット７０として示されるように、表面５０から材料を除去することで粗さが増大し、これにより容器閉じ手順の間に表面５０へと押し付けられるゴム製ストッパーが棚１０に付着するのを阻止する。この表面処理により、閉じ手順の間にストッパーと接触する表面５０における“ピーク”のサイズ及び／または間隔に対する制御を提供するような規則的な表面パターン７０が表面５０に形成される。表面パターンは、クロスハッチング（図５に示されるようなもの）、平行線及びドット配列のうちの１つを含むものであってもよい。図５に示される例においては、ピークは２乃至３ｍｍの範囲の周期を持つ。

図６は、表面５０がワイヤーメッシュ８０の付加により粗面化される第３の実施形態を示す。ここでも、表面５０の粗さが増大し、閉じ手順の間にストッパーと接触する表面５０におけるピークのサイズ及び／または間隔に対する制御が提供される。

Claims (8)

1. 互いに対向して平行に配置された第１及び第２の板を有する凍結乾燥機の棚を製造する方法であって、
   前記方法は、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて付着せしめられるのを阻止するように、前記表面を処理する工程を有しており、
   前記表面を処理する工程は、前記表面を粗面化する工程を含み、
   前記表面を粗面化する工程は、容器内へとゴム製のストッパーを押し込むように前記ストッパーに圧力を印加する間に前記ストッパーが前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面に押し付けられて前記棚に付着せしめられるのを阻止するようなコーティングを前記表面に形成することにより行われ、前記コーティングは、前記表面に適用され、前記コーティングは、２つの層からなる複合コーティングであり、前記表面にはセラミック材料の第１の層が溶射され、前記第１の層には非濡れ性の材料の第２の層が適用され、次いで前記第１及び第２の層が加熱処理されて、前記コーティングが形成され、前記表面から熱を除去し、これにより棚の反りを防止するために、溶射により前記表面に前記第１の層を形成する際に、前記第１及び第２の板の間に伝熱流体を流すことを特徴とする、凍結乾燥機の棚の製造方法。
2. 前記コーティングは、前記第１及び第２の板のうちの一方の板の前記表面より大きな粗さを有することを特徴とする、請求項１に記載の凍結乾燥機の棚の製造方法。
3. 前記第１の層は熱溶射及びプラズマ溶射のうちの１つの技術を用いて前記表面に形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の凍結乾燥機の棚の製造方法。
4. 前記セラミック材料はカーボン、タングステンカーバイド及びシリコンカーバイドのうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の凍結乾燥機の棚の製造方法。
5. 前記非濡れ性の材料はテフロン（登録商標）であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の凍結乾燥機の棚の製造方法。
6. 前記第１及び第２の層は、１５０乃至３５０℃の範囲内、好ましくは２００乃至２５０℃の範囲内の温度に加熱されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の凍結乾燥機の棚の製造方法。
7. 前記第１及び第２の板の間に伝熱流体を流すための少なくとも１つの流通チャンネルを規定するように前記第１及び第２の板の間にスペーサーを配置する工程と、前記スペーサーを前記第１及び第２の板に取り付ける工程とを有し、
   前記板への前記スペーサーの取り付けの後に、前記第１及び第２の板のうちの一方の板の表面を処理することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の凍結乾燥機の棚の製造方法。
8. 前記スペーサーは、接着剤を用いて又は真空ロウ付けの技術を用いて、前記板に取り付けられることを特徴とする、請求項７に記載の凍結乾燥機の棚の製造方法。

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