KR100789215B1 - A vacuum freeze drying device using binary refrigeration and heat pump methods - Google Patents

A vacuum freeze drying device using binary refrigeration and heat pump methods Download PDF

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KR100789215B1
KR100789215B1 KR1020070008410A KR20070008410A KR100789215B1 KR 100789215 B1 KR100789215 B1 KR 100789215B1 KR 1020070008410 A KR1020070008410 A KR 1020070008410A KR 20070008410 A KR20070008410 A KR 20070008410A KR 100789215 B1 KR100789215 B1 KR 100789215B1
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김천석
상 욱 김
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한국생명공학연구원
상 욱 김
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Abstract

A vacuum freeze-drying device is provided to freeze dry a material to be dried in a process chamber at ultra-low temperature and save the energy required for sublimation of moisture. In a conventional freeze-drying device which uses sublimation in a high vacuum state, includes a process chamber(200) equipped with a heat plate and a condenser chamber(300) connected to the process chamber through a pipe and equipped with a cold trap(550), a freezing cycle of the device comprises a self-freezing circuit in which a first compressor(510), a first condenser(520), a first expansion valve(530), a heat plate(540) and the first compressor are connected, a circuit for increasing temperature of the heater plate and maintaining the temperature of the cold trap in which the first compressor, the heater plate, a second expansion valve(531), the cold trap and the first compressor are connected, and a circuit for cooling the cold trap and the maintaining the temperature in which the first compressor, the first condenser, the second expansion valve, the cold trap and the first compressor are connected, a by-pass valve(C2) is equipped with an outlet side of the first compressor to constantly maintain the refrigerant outlet pressure, and a check valve(710) is included in the freezing cycle to prevent the counter-current of the refrigerant between the conversion of the circuits.

Description

이원냉동 및 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치{A vacuum freeze drying device using binary refrigeration and heat pump methods}A vacuum freeze drying device using binary refrigeration and heat pump methods}

도 1은 종래의 동결건조 장치의 회로를 나타내는 개략도1 is a schematic view showing a circuit of a conventional freeze drying apparatus

도 2는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 개략적 구성을 나타내는 사시도2 is a perspective view showing a schematic configuration of a freeze-drying apparatus according to the present invention

도 3은 본 발명에 따른 동결건조 장치의 프로세스 챔버 등을 나타내는 사시도Figure 3 is a perspective view showing a process chamber and the like of the freeze-drying apparatus according to the present invention

도 4는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 제1도어 측을 나타내는 측면도Figure 4 is a side view showing the first door side of the freeze drying apparatus according to the present invention

도 5는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 좌우 측면도5 is a left and right side view of the freeze drying apparatus according to the present invention

도 6은 본 발명에 따른 이원냉동 및 히트펌프 방식 동결건조 장치의 사이클 개략도6 is a cycle schematic diagram of the two-way refrigeration and heat pump type freeze drying apparatus according to the present invention

도 7은 본 발명에 따른 동결건조 장치의 자가동결모드 사이클 개략도7 is a schematic diagram of the self-freezing mode cycle of the freeze drying apparatus according to the present invention

도 8은 본 발명에 따른 동결건조 장치의 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드 사이클 개략도8 is a schematic view of the hot plate temperature rise and cold trap temperature holding mode cycle of the freeze drying apparatus according to the present invention

도 9는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 콜드트랩냉각 및 온도유지모드 사이클9 is a cold trap cooling and temperature holding mode cycle of the freeze drying apparatus according to the present invention

도 10은 본 발명에 따른 제어 알고리즘을 설명하기 위한 온도 그래프10 is a temperature graph for explaining a control algorithm according to the present invention

도 11은 본 발명에 따른 동결건조 장치의 제2실시예를 나타내는 구성도11 is a configuration diagram showing a second embodiment of the freeze drying apparatus according to the present invention

도 12는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 제3실시예를 나타내는 구성도12 is a configuration diagram showing a third embodiment of the freeze drying apparatus according to the present invention

도 13은 본 발명에 따른 동결건조 장치의 제4실시예를 나타내는 구성도Figure 13 is a block diagram showing a fourth embodiment of the freeze drying apparatus according to the present invention

도 14a, b는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 제5실시예를 나타내는 구성도Figure 14a, b is a block diagram showing a fifth embodiment of the freeze-drying apparatus according to the present invention

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

110 : 바디 130 : 도관110: body 130: conduit

140 : 진공펌프 150 : 제어부140: vacuum pump 150: control unit

200 : 프로세스 챔버 210 : 선반200: process chamber 210: lathe

300 : 콘덴서 챔버 400 : 저온사이클300: condenser chamber 400: low temperature cycle

410 : 제2압축기 440 : 제3증발기410: second compressor 440: third evaporator

500 : 초저온사이클 510 : 제1압축기500: cryogenic cycle 510: first compressor

512 : 오일분리기 511 : 액분리기512: oil separator 511: liquid separator

521 : 제2응축기 540 : 열판521: second condenser 540: hot plate

550 : 콜드트랩 570 : 온도센서550: cold trap 570: temperature sensor

580 : 전자밸브 600 : 대향류 열교환기580: solenoid valve 600: counter flow heat exchanger

본 발명은 이원냉동 및 재생사이클을 사용하여 빠른 시간 내 프로세스 챔버의 초저온 구현이 가능하고, 히트펌프 방식의 열판 온도상승 사이클을 채용하여 수 분의 승화에 있어 에너지 절감도 가능하며, 콜드트랩의 제상 또한 고온고압의 냉매기체를 이용함으로써 별도의 장치가 불필요한 진공 동결건조 장치에 관한 것이다.The present invention can realize the ultra low temperature of the process chamber in a short time by using the two-way refrigeration and regeneration cycle, energy saving in the sublimation of minutes by adopting the heat pump temperature rise cycle of the heat pump method, defrost of the cold trap In addition, the present invention relates to a vacuum freeze drying apparatus in which a separate device is unnecessary by using a refrigerant gas having a high temperature and high pressure.

일반적으로 많은 물질들은 안정적인 저장과 수송을 위해 건조 시 잔여 수분이 2% w/w 또는 그 이하로 유지될 필요가 있다. 동결건조는 식품가공분야, 제약분야, 생물학분야 등에서 식품, 약품 또는 세포 등을 건조시키는 방법으로 널리 이용되고 있으며, 대상물을 저온으로 동결시킨 후, 대상물이 적치된 프로세스 챔버 내의 압력을 물의 삼중점 이하 즉, 6밀리바 정도 이하로 낮춘 상태에서 동결된 수분을 직접 수증기로 승화시켜 건조하는 건조법이다. 얼음의 형태로 있던 건조 대상물 내의 수분은 프로세스 챔버 내의 열판이 점차적으로 가열됨에 따라 삼중점 이하의 낮은 수증기 부분압으로 인하여 액화되지 않고 직접 수증기로 승화되면서 물질 내에 무수히 많은 공간을 남긴다. 동결건조법에 의해 건조된 다공성의 대상물은 완전하고 신속하게 재수화 될 수 있으며, 열에 민감한 물질이더라도 손상이 최소화되고 비활성화될 수 있다는 장점이 있다.In general, many materials need to maintain 2% w / w or less of residual moisture upon drying for stable storage and transport. Freeze-drying is widely used as a method of drying foods, drugs, or cells in food processing, pharmaceutical, and biological fields. After freezing an object at a low temperature, the pressure in the process chamber in which the object is loaded is lower than the triple point of water. It is a drying method in which the frozen water is directly sublimated with water vapor and dried at a state lowered to about 6 millibars or less. Moisture in the dry object in the form of ice is not liquefied due to low water vapor partial pressure below the triple point as the hot plate in the process chamber is gradually heated, leaving a myriad of spaces in the material. The porous object dried by the lyophilization method can be completely and quickly rehydrated, and even if the material is sensitive to heat, damage can be minimized and deactivated.

농산물 등을 건조하기 위한 종래의 동결건조기는 대표적으로 도 1에 도시된 바와 같은 구성을 갖는다. 피건조물(1)은 챔버(11) 내의 선반(12)에 적치되고 기밀성이 유지되며, 압축기(22), 응축기(23), 팽창변(26), 선반(12) 하부에 접합된 증발기 및 냉매배관(21)으로 구성된 냉동사이클에 의하여 동결된다. 한편, 상기 챔버(11)는 도관(41)에 의해 냉각코일(43)을 갖는 수증기응결실(42)과 연결되어 있는 데, 상기 수증기응결실(42)은 다시 진공펌프(52)에 연결되어 있어 승화 작업 시 진공상태로 유지된다. 수증기응결실(42)의 냉각코일(43)은 상기 냉동사이클의 일부로 분기된 부분사이클에 의해 냉각되어 저온으로 유지되어 승화된 수분을 포집한다. 챔버(11)가 저 부분압으로 유지된 상태에서 수분이 승화하자면 적당한 에너지의 공급이 필요한데 상기 에너지 공급은 전기히터(31)를 이용하는 브라인의 순환사이클(33)에 의한다. 즉, 선반(12)에 적치된 피건조물(1)은 저온 동결되었다가 선반(12)의 하부로 흐르는 순환사이클(33)의 브라인으로부터 열을 얻어 승화한다. 승화된 수분은 도관(41)을 통해 수증기응결실(42)로 이동되고, 수증기응결실(42)의 차가운 냉각코일(43)에 착상된다. 포집된 얼음은 완전 건조후 일괄 살수에 의하여 녹아 외부로 배출된다.Conventional freeze dryers for drying agricultural products and the like typically have a configuration as shown in FIG. The dry object 1 is placed on the shelf 12 in the chamber 11 and maintained airtight, and the compressor 22, the condenser 23, the expansion valve 26, and the evaporator and the refrigerant pipe joined to the bottom of the shelf 12 are provided. It is frozen by the refrigeration cycle consisting of (21). On the other hand, the chamber 11 is connected to the steam condensation chamber 42 having a cooling coil 43 by a conduit 41, the steam condensing chamber 42 is connected to the vacuum pump 52 again It is kept in vacuum during the sublimation work. The cooling coil 43 of the steam condensing chamber 42 is cooled by a partial cycle branched into a part of the refrigeration cycle and kept at a low temperature to collect sublimed water. If the sublimation of moisture in the state in which the chamber 11 is maintained at a low partial pressure is required to supply an appropriate energy, which is supplied by the circulation cycle 33 of brine using the electric heater 31. That is, the dry matter 1 accumulated on the shelf 12 is frozen at low temperature and sublimates by obtaining heat from the brine of the circulation cycle 33 flowing down the shelf 12. The sublimed water is transferred to the steam condensation chamber 42 through the conduit 41 and implanted in the cold cooling coil 43 of the steam condensation chamber 42. After the ice is completely dried, it is melted by batch water and discharged to the outside.

그러나 도 1에 도시한 것과 같은 종래의 동결건조기는 단일의 냉동사이클을 이용함으로써 빠른 동결이 불가능하다는 단점이 있었다. 통상 빙결점 온도대를 30분 정도에서 통과되도록 급속동결을 시켜야 물질 내 미세한 얼음결정이 생성되어 피건조물의 세포 조직이 거의 완전하게 유지되는 것이고, 농산물을 효과적으로 건조하자면 6시간에서 12시간 이내에 챔버의 실내 온도를 -40도까지 떨어뜨려 유지시켜야 하는 것이나, 현실적인 압축기의 용량 및 제조 비용을 고려할 때 단일의 냉동사이클로는 사실 상 난점이 있었다. 또한, 종래의 동결건조기는 수분의 승화에 필요한 에너지의 공급 및 수증기응결실의 제상에 있어 히터 및 브라인 순환사이클을 이용하거나 온수를 뿌리는 방식을 사용하고 있는 바, 에너지 효율이 떨어지고 구조 가 복잡하며 제작비용이 많이 든다는 단점도 있었다.However, the conventional lyophilizer as shown in FIG. 1 has a disadvantage in that rapid freezing is impossible by using a single freezing cycle. In general, rapid freezing is allowed to pass through the freezing point temperature zone for about 30 minutes to produce fine ice crystals in the material, so that the cell structure of the dry matter is almost completely maintained. While keeping room temperatures down to -40 degrees Celsius, a single refrigeration cycle was in fact difficult given the realistic compressor capacity and manufacturing costs. In addition, the conventional lyophilizer uses a heater and brine circulation cycle or sprays hot water in the supply of energy required for sublimation of water and the defrost of the steam condensation chamber. There was also a disadvantage that the production cost is high.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 프로세스 챔버 내 피건조물의 초저온 급속동결이 가능하고, 수분의 승화에 필요한 에너지의 공급에 있어서도 에너지 절감이 가능하며, 콜드트랩의 제상 또한 적은 제작비로 성에너지가 가능한 진공 동결건조 장치를 제공하고자 하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, it is possible to cryogenic fast freezing of the dry matter in the process chamber, to save energy in the supply of energy required for the sublimation of moisture, defrost of cold trap is also low cost It is an object of the present invention to provide a vacuum freeze drying apparatus capable of energy.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 고진공 상태에서의 승화를 이용하며, 프로세스 챔버 및 상기 프로세스 챔버와 도관으로 이어지는 콘덴서 챔버를 갖고, 상기 프로세스 챔버에는 열판이 선반 형태로 구비되며, 콘덴서 챔버에는 콜드트랩이 구비되는 통상의 동결건조 장치에 있어서, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클은 제1압축기, 제1응축기, 제1팽창변, 열판, 다시 제1압축기로 이어지는 자가동결회로와; 제1압축기, 열판, 제1응축기, 제2팽창변, 콜드트랩, 다시 제1압축기로 이어지는 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지회로와; 제1압축기, 제1응축기, 제2팽창변, 콜드트랩, 다시 제1압축기로 이어지는 콜드트랩냉각 및 온도유지회로를 포함하며, 상기 제1압축기의 출구 측에는 냉매 출구 압력이 일정하게 유지되도록 바이패스밸브가 구비되고, 상기 냉동사이클에는 회로의 전환 간에 냉매의 역류 방지를 위한 체크밸브가 포함되는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention uses a sublimation in a high vacuum state, has a process chamber and a condenser chamber leading to the process chamber and a conduit, the process chamber is provided with a hot plate in the form of a shelf, and the condenser chamber is cold. In the conventional freeze-drying apparatus provided with a trap, the freezing cycle of the freeze-drying apparatus includes a self-freezing circuit leading to a first compressor, a first condenser, a first expansion valve, a hot plate, and a first compressor; A hot plate temperature rising and cold trap temperature holding circuit leading to the first compressor, the hot plate, the first condenser, the second expansion valve, the cold trap, and the first compressor; A first trap, a first condenser, a second expansion valve, a cold trap, and a cold trap cooling and temperature holding circuit leading to the first compressor, wherein the bypass valve of the first compressor maintains a constant refrigerant outlet pressure. Is provided, the refrigeration cycle provides a vacuum freeze-drying apparatus employing a heat pump method, characterized in that the check valve for preventing the reverse flow of the refrigerant between the switching of the circuit.

또한 상기 동결건조 장치는 열판에 배치되는 온도센서와 제어부를 더 구비하고, 상기 제어부는 온도센서의 온도를 입력으로 PID 제어에 의해 열판의 온도를 제어하되, PID 온도제어에 있어 시간에 따른 열판의 온도가 계단식으로 되도록 제어한다.In addition, the freeze-drying apparatus further includes a temperature sensor and a control unit disposed on the hot plate, and the control unit controls the temperature of the hot plate by PID control by inputting the temperature of the temperature sensor, The temperature is controlled to cascade.

또한 상기 선반의 상부 측면에는 돌기부가 다수 구비되고, 상기 돌기부에 의해 선반과 이격되어 위치되는 피건조물 적치용 트레이가 더 포함된다.In addition, the upper side of the shelf is provided with a plurality of protrusions, and further includes a tray for storing the object to be spaced apart from the shelf by the protrusion.

또한, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클의 각 회로 중 제1응축기와 곧바로 이어지는 부위에는 제2응축기가 더 구비되고; 제2압축기, 제3응축기, 제3팽창변, 제3증발기, 다시 제2압축기로 연속하여 이어지는 저온사이클회로가 추가로 구성되며, 상기 제2응축기와 제3증발기는 대향류 형태의 열교환기로서 상호 열교환이 이루어진다.In addition, a second condenser is further provided at a portion directly connected to the first condenser in each circuit of the freezing cycle of the freeze-drying apparatus; The second compressor, the third condenser, the third expansion valve, the third evaporator, and further comprises a low temperature cycle circuit continuously connected to the second compressor, the second condenser and the third evaporator is a counter flow heat exchanger mutually Heat exchange takes place.

또한, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클의 각 회로 중 제1압축기 바로 전단에는 제2증발기가 더 구비되고, 상기 제2증발기와 제1응축기는 상호 열교환하여 재생사이클을 구성한다.In addition, a second evaporator is further provided immediately in front of the first compressor in each circuit of the freezing cycle of the freeze-drying apparatus, and the second evaporator and the first condenser constitute a regeneration cycle by mutual heat exchange.

또한, 상기 저온사이클회로의 제3응축기는 냉동사이클의 각 회로의 상기 제2 증발기와 상호 열교환하도록 접촉 설치된다.In addition, the third condenser of the low temperature cycle circuit is installed in contact with each other to exchange heat with the second evaporator of each circuit of the refrigeration cycle.

또한, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클 중 자가동결회로는 구체적으로 제1압축기, p1배관, p2배관, A1전자밸브, p3배관, p4배관, 제1응축기, p5배관, 제2응축기, p6배관, A2전자밸브, 제1팽창변, 열판, p8배관, A3전자밸브, p9배관, p10배관, 제2증발기, p11배관, 다시 제1압축기로 연속하여 이어지는 구성을 갖는다.In addition, the self-freezing circuit of the freeze-drying device of the freeze-drying device is specifically a first compressor, p1 pipe, p2 pipe, A1 solenoid valve, p3 pipe, p4 pipe, the first condenser, p5 pipe, the second condenser, p6 pipe, The A2 solenoid valve, the first expansion valve, the hot plate, the p8 piping, the A3 solenoid valve, the p9 piping, the p10 piping, the second evaporator, the p11 piping, and the first compressor are continuously connected.

또한, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클 중 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지회로는 구체적으로 제1압축기, p1배관, p2배관, B1전자밸브, p12배관, 열판, p8배관, B3전자밸브, p13배관, p4배관, 제1응축기, p5배관, 제2응축기, p6배관, B2전자밸브, 제2팽창변, p14배관, 콜드트랩, p15배관, p10배관, 제2증발기, p11배관, 다시 제1압축기로 연속하여 이어지는 구성을 갖는다.In addition, the hot plate temperature rise and cold trap temperature holding circuit of the freeze-drying device of the freeze-drying apparatus is specifically, the first compressor, p1 pipe, p2 pipe, B1 solenoid valve, p12 pipe, hot plate, p8 pipe, B3 solenoid valve, p13 pipe , p4 piping, first condenser, p5 piping, second condenser, p6 piping, B2 solenoid valve, second expansion valve, p14 piping, cold trap, p15 piping, p10 piping, second evaporator, p11 piping, back to the first compressor It has a configuration that continues in succession.

상기에 부가하여, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클 중 콜드트랩냉각 및 온도유지회로는 구체적으로 제1압축기, p1배관, p2배관, A1전자밸브, p3배관, p4배관, 제1응축기, p5배관, 제2응축기, p6배관, B2전자밸브, 제2팽창변, p14배관, 콜드트랩, p15배관, p10배관, 제2증발기, p11배관, 다시 제1압축기로 연속하여 이어지는 구성을 갖는다.In addition to the above, the cold trap cooling and temperature holding circuit of the freeze drying device of the freeze-drying apparatus is specifically a first compressor, p1 piping, p2 piping, A1 solenoid valve, p3 piping, p4 piping, the first condenser, p5 piping, The second condenser, the p6 pipe, the B2 solenoid valve, the second expansion valve, the p14 pipe, the cold trap, the p15 pipe, the p10 pipe, the second evaporator, the p11 pipe, and the condenser are continuously connected to the first compressor.

본원 발명의 또 다른 측면으로서, 동결건조 장치의 냉동사이클에는 콜드트랩 의 제상사이클이 추가로 구비되고, 상기 제상사이클은 제1압축기, C1 밸브, p24배관, p14배관, 콜드트랩(550), p15배관, p10배관, 제2증발기(560), p11배관, 제1압축기로 연속하여 이어지는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치를 제공한다.As another aspect of the present invention, the refrigeration cycle of the lyophilization device is further provided with a cold trap defrost cycle, the defrost cycle is the first compressor, C1 valve, p24 pipe, p14 pipe, cold trap 550, p15 Provided is a vacuum lyophilization apparatus employing a heat pump method characterized in that the pipe, p10 pipe, the second evaporator 560, p11 pipe, the first compressor continuously connected to.

도 2는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 개략적 구성을 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 동결건조 장치의 프로세서 챔버 등을 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 제1도어 측을 나타내는 측면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 동결건조 장치의 좌우 측면도이다. 또한 도 6은 본 발명에 따른 이원냉동 및 히트펌프 방식 동결건조 장치의 개략도이다. 도면에서는 본 발명의 기술적 요지의 이해를 명확히 하기 위하여 필수적이지 않은 부분은 도시를 생략하였으며, 생략된 부분은 통상의 동결건조 장치에 따른다.2 is a perspective view showing a schematic configuration of a freeze drying apparatus according to the present invention, Figure 3 is a perspective view showing a processor chamber and the like of the freeze drying apparatus according to the present invention, Figure 4 is a first view of the freeze drying apparatus according to the present invention It is a side view which shows the door side, and FIG. 5 is a left and right side view of the lyophilization apparatus which concerns on this invention. In addition, Figure 6 is a schematic diagram of a two-way refrigeration and heat pump type freeze drying apparatus according to the present invention. In the drawings, parts that are not essential are not shown in order to clarify the understanding of the technical gist of the present invention, and the omitted parts are according to a conventional freeze-drying apparatus.

이하 본 발명을 실시예를 중심으로 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples.

(제1실시예)(First embodiment)

본 발명에 따른 동결건조 장치의 제1실시예를 도 2, 도5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 동결건조 장치(100)는 원통형 바디(110) 내에 피건조물이 적치되는 프로세서 챔버(200)와 승화된 수분을 채집하기 위한 콘덴서 챔버(300)가 격벽(120)을 사이로 인접하여 배치되어 구성되고, 양 챔버 사이에는 도관(130)이 상호 연통되도록 구비된다. 프로세스 챔버(200)의 일측에는 제1도 어(220)가 형성되어 있어 피건조물의 반입이 가능하며, 상기 제1도어(220)의 중앙부에는 제1관찰창(230)이 구비되어 건조과정을 모니터링할 수 있도록 되어 있다. 콘덴서 챔버(300)의 일측에도 제2도어(320) 및 제2관찰창(330)이 각각 구비된다. 상기 각 도어는 바디(110)에 견고하게 밀착되어 있어 진공펌프(140)의 작동에 의한 고진공도 유지가 가능하다. 프로세스 챔버(200) 내에는 피건조물을 적치하기 위한 선반(210)이 포함되어 있으며, 선반(210)은 추후 설명할 초저온사이클(500)의 열판(540)으로서 동시에 작용한다. 선반(210)은 통상적으로 피건조물의 층별 적치가 가능하도록 복수로 구비됨이 바람직하다. 열판(540)으로서의 선반(210) 전후단에는 초저온사이클(500)의 냉매배관이 접속하기 위한 냉매관연결부(250a,b)가 각각 구비된다. 프로세스 챔버(200)의 하부 일측에는 제1배수관(240)이 추가로 구비되어 있어 챔버의 청소나 오작동에 의해 프로세스 챔버(200) 내에 발생한 물의 배수로 역할을 한다. 상기 제1배수관(240) 또한 고도의 밀봉이 가능하도록 구비되어 챔버 내 고진공 유지가 가능하다. 선반(210)의 일부분에는 선반(210)의 온도 제어를 위한 모니터링 수단으로서 온도센서(570)가 부착되어 있고 온도센서(570)에 의해 측정되는 선반(210)의 온도는 제어부(150, 미도시)로 전달된다.The first embodiment of the freeze drying apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2, 5 and 6 as follows. In the freeze-drying apparatus 100 of the present invention, a condenser chamber 300 for collecting sublimed water and a processor chamber 200 in which a dry matter is placed in the cylindrical body 110 are disposed adjacent to the partition wall 120. The conduit 130 is configured to communicate with each other. The first door 220 is formed at one side of the process chamber 200 to allow the carrying of the dry goods, and the first observation window 230 is provided at the center of the first door 220 to perform a drying process. It can be monitored. The second door 320 and the second observation window 330 are also provided at one side of the condenser chamber 300, respectively. Each door is firmly in close contact with the body 110 to maintain high vacuum due to the operation of the vacuum pump 140. The process chamber 200 includes a shelf 210 for depositing a dry object, which simultaneously acts as a hot plate 540 of the cryogenic cycle 500 which will be described later. Shelf 210 is typically provided with a plurality of so as to enable the stacking of the dry matter. At the front and rear ends of the shelf 210 as the hot plate 540, refrigerant pipe connection parts 250a and b are respectively provided to connect the refrigerant pipe of the cryogenic cycle 500 to each other. The lower side of the process chamber 200 is further provided with a first drain pipe 240 serves to drain water generated in the process chamber 200 by the cleaning or malfunction of the chamber. The first drain pipe 240 is also provided to enable a high degree of sealing to maintain a high vacuum in the chamber. A part of the shelf 210 is attached to a temperature sensor 570 as a monitoring means for temperature control of the shelf 210 and the temperature of the shelf 210 measured by the temperature sensor 570 is a controller 150 (not shown). Is delivered.

콘덴서 챔버(300)는 프로세스 챔버 내의 피건조물 내부에 동결되어 있던 얼음 형태의 수분이 승화하면서 발생한 수증기를 포집하는 역할을 한다. 이 승화된 수증기는 상기 콘덴서 챔버(300)에 진공을 형성하도록 설치된 진공펌프(140)에 의해 외부로 배출시킬 수 있으나, 일반적인 동결건조 공정의 압력에서 얼음 1㎖는 수 증기 1,000,000㎖ 이상으로 되기 때문에 진공펌프(140)로 배출시키는 것은 비경제적이다. 또한 배기되는 수분이 진공펌프(140)를 노후시킬 수도 있어, 대부분 콘덴서 챔버(300) 내에 위치하는 초저온사이클(500)의 콜드트랩(550)을 이용하여 수증기를 재 동결시키고, 건조가 완료된 후 제상하여 외부로 배출하는 방법을 이용한다. 콘덴서 챔버(300)의 중앙에는 초저온사이클(500)의 콜드트랩(550)이 배치된다. 콜드트랩(550)의 전후 양단에는 초저온사이클의 냉매배관이 접속되는 냉매관연결부(350a,b)가 구비된다. 콘덴서 챔버(300)의 하부는 콜드트랩(550)에 착상된 얼음덩어리들이 제상되면서 발생하는 물의 저장부로서 작용하고, 상기 제상된 물은 콘덴서 챔버(300)의 하부에 마련된 제2배수관(340)에 의해 외부로 배수된다. 상기 제2배수관(340) 또한 긴밀하게 폐색될 수 있어 진공펌프(140)에 의한 챔버 내 고진공에 영향은 없다. 한편, 상기 콘덴서 챔버(300)의 상측에는 진공펌프(140)에 연결되는 배기라인(141)의 배기라인연결부(360)가 포함되어 있다. 진공펌프(140)의 용량은 프로세스 챔버(200) 및 콘덴서 챔버(300)의 목표 압력이 20분 내외로 달성될 수 있도록 설정한다. 상기 콜드트랩(550)에는 필요에 따라 온도센서가 추가로 구비될 수 있고, 측정된 온도값은 제어부(150)로 전달되어 전체적인 건조과정의 모니터링 및 제어에 활용될 수 있다. 상기 기재로 명확한 바와 같이 프로세스 챔버(200)와 콘덴서 챔버(300)는 도관(130)으로 자유 연통되도록 연결되어 있어 프로세스 챔버(200) 내의 피건조물에서 승화된 수분이 자유롭게 콘덴서 챔버(300)의 콜드트랩(550)에 착상된다. 도관(130)은 통상 관 형태로 구비되는 것이나, 착상을 일정하게 하기 위한 구조상의 변경 즉, 나팔관 형태 등으로 바뀌어 질 수 있는 등 그 형 상이 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 도관(130)의 둘레로 히터가 추가로 구비되어 착상된 수분에 의한 도관(130)의 폐색을 방지할 수 있다.The condenser chamber 300 collects water vapor generated while sublimation of ice in the form of ice, which is frozen inside the object in the process chamber. This sublimated water vapor may be discharged to the outside by the vacuum pump 140 installed to form a vacuum in the condenser chamber 300, but since 1 ml of ice is at least 1,000,000 ml of steam at a pressure of a general freeze-drying process. Discharging to the vacuum pump 140 is uneconomical. In addition, since the exhausted water may cause the vacuum pump 140 to age, most of the steam is re-frozen by using the cold trap 550 of the cryogenic cycle 500 located in the condenser chamber 300, and after the drying is completed, defrosting. To discharge to the outside. The cold trap 550 of the cryogenic cycle 500 is disposed in the center of the condenser chamber 300. At both front and rear ends of the cold trap 550, coolant pipe connection parts 350a and b are connected to the refrigerant pipe of the cryogenic cycle. The lower portion of the condenser chamber 300 serves as a storage portion of water generated when ice cubes implanted on the cold trap 550 are defrosted, and the defrosted water is provided in the second drain pipe 340 provided in the lower portion of the condenser chamber 300. Is drained to outside. The second drain pipe 340 may also be closely closed, so there is no effect on the high vacuum in the chamber by the vacuum pump 140. On the other hand, the upper side of the condenser chamber 300 includes an exhaust line connecting portion 360 of the exhaust line 141 connected to the vacuum pump 140. The capacity of the vacuum pump 140 is set so that the target pressure of the process chamber 200 and the condenser chamber 300 can be achieved within about 20 minutes. The cold trap 550 may be additionally provided with a temperature sensor as needed, and the measured temperature value may be transmitted to the controller 150 to be used for monitoring and controlling the entire drying process. As is clear from the above description, the process chamber 200 and the condenser chamber 300 are connected in free communication with the conduit 130 so that the water sublimated in the dry matter in the process chamber 200 is free of the condensation chamber 300. It is implanted in the trap 550. Conduit 130 is usually provided in the form of a tube, but the shape is not limited, such as can be changed to a structural change, that is, the fallopian tube shape, etc. to keep the idea constant. In addition, a heater is additionally provided around the conduit 130 to prevent clogging of the conduit 130 due to the implanted moisture.

다음으로 도 6 및 도 7 내지 도 9를 활용하여 본 발명에 따른 이원냉동 및 히트펌프 방식 진공 동결건조 장치의 냉동사이클을 설명한다. 이하 설명되지 않은 부분은 당해 기술분야에서 주지되어 있는 기술들로서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 요지를 해하지 않는 범위 내에서 큰 어려움 없이 조합하여 적용할 수 있는 것에 해당하므로 여기서는 생략하기로 한다. Next, the refrigeration cycle of the binary freezing and heat pump type vacuum freeze drying apparatus according to the present invention will be described using FIGS. 6 and 7 to 9. Parts not described below are well known in the art and may be omitted by those skilled in the art because they may be applied in combination without great difficulty within the scope of not impairing the technical gist of the present invention.

본 발명의 냉동사이클은 통상의 동결용 냉동사이클에 이원냉동 및 히트펌프 방식을 도입한다. 이원냉동 방식은 목표 챔버 내의 온도를 -50도 정도의 초저온으로 유지하기 위하여 채용되는 냉동방식의 일종으로 주로 상업용이나 이화학용으로 이용되어 왔다. 통상 단일의 압축기를 사용하는 경우, 압축기 용량, 냉매의 종류 및 응축 측 온도 등에 따라 증발 측의 온도가 결정되는데, 경제적으로 의미가 있는 압축기의 용량에는 한계가 있고, 채용 가능한 냉매의 선택에 있어서도 제한적이며, 통상적으로 응축기의 온도가 실온 상태이므로, 최대로 하강 시킬 수 있는 목표 온도 또한 제한적이다. 이러한 문제를 해결하는 하나의 방법이 단계별로 냉동과정을 작동시키는 즉, 연속적으로 작동하는 두 개 이상의 냉동사이클을 조합하는 이원냉동 사이클을 도입하는 것이다. 이원냉동 사이클은 저온 측 사이클(이하 “초저온사이클(500)”이라 한다)의 응축부와 고온 측 사이클(이하 “저온사이클(400)”이라 한다)의 증발부가 서로 열교환을 하도록 결합되어, 초저온사이클(500)의 증발부 온도가 초저온까지 내려갈 수 있도록 한 것이다. 이원냉동 사이클은 압축기의 일이 줄어드는 반면, 냉동용량은 늘어나 결과적으로 성능계수가 개선되는 효과가 있다. 본 발명에서는 저온사이클(400)에 저온 냉매로서 채용하고, 초저온사이클(500)에는 초저온 특성이 우수한 초저온냉매(비등점 -82도)을 사용하여 초저온사이클(500)의 증발부 즉, 프로세스 챔버(200) 내 온도를 -50도 정도까지 냉각할 수 있도록 설계된다.The refrigeration cycle of the present invention introduces a two-way refrigeration and heat pump method in a conventional freezing cycle for freezing. Binary refrigeration is a type of refrigeration that is employed to maintain the temperature in the target chamber at about -50 ° C., which has been mainly used for commercial or chemical purposes. In general, when a single compressor is used, the temperature of the evaporation side is determined according to the compressor capacity, the type of refrigerant, and the temperature of the condensation side, but the capacity of the compressor which is economically meaningful is limited, and the selection of the refrigerant that can be employed is limited. In general, since the temperature of the condenser is at room temperature, the target temperature that can be lowered to the maximum is also limited. One way to solve this problem is to introduce a dual refrigeration cycle that operates the refrigeration process step by step, ie, combines two or more refrigeration cycles operating in succession. The binary refrigeration cycle is combined with the condensation part of the low temperature side cycle (hereinafter referred to as "ultra low temperature cycle 500") and the evaporation part of the high temperature side cycle (hereinafter referred to as "low temperature cycle 400") to exchange heat with each other. Evaporator temperature of 500 is to allow the temperature to go down to very low temperatures. Binary refrigeration cycles reduce the work of the compressor, while increasing the refrigeration capacity, resulting in an improvement in the coefficient of performance. In the present invention, the cryogenic cycle 400 is used as a low temperature refrigerant, and the cryogenic cycle 500 uses an ultra low temperature refrigerant (boiling point -82 degrees) having excellent cryogenic characteristics, that is, the evaporation part of the cryogenic cycle 500, that is, the process chamber 200. ) It is designed to cool down the temperature to about -50 degrees.

도 6를 참조하여 좀 더 설명하면, 저온사이클(400)은 제2압축기(410), p17배관, 제3응축기(420), p18배관, 제3팽창변(430), 제3증발기(440) 및 p19배관이 순차적으로 연결되어 구성된다. 상기 저온사이클(400)의 각 배관의 경로 중에는 필요에 따라 오일분리기, 액분리기, 제어밸브 등이 배치될 수 있다. 제3응축기(420)는 실온 상태에 놓여있어 팬에 의하여 외측 공기와 열교환하도록 되어 있고, 상기 제3증발기(440)는 초저온사이클(500)의 제2응축기(521)와 냉매가 서로 섞이지 않은 상태에서 열교환이 일어나도록 대향류열교환기(600) 형태로 결합되어 배치된다. 제3응축기(420)의 열교환 용량, 대향류열교환기(600)의 열교환 면적에 대한 설계 또는 저온사이클(400)의 운전제어 방법 등은 당 기술분야에서 널리 알려진 주지 기술들을 이용하여 각별한 어려움 없이 정해질 수 있다. 저온사이클(400)의 제3증발기(440)에 전달되는 열은 모두 초저온사이클(500)의 제2응축기(521)에서 전달되도록 대향류열교환기(600)의 단열은 견고하게 유지되어야 한다. 상기 이원냉동 방식 의 저온사이클(400)은 초저온사이클(500) 각 모드의 운전 중 상시적으로 운용되어 성에너지를 실현한다.6, the low temperature cycle 400 includes a second compressor 410, a p17 pipe, a third condenser 420, a p18 pipe, a third expansion valve 430, a third evaporator 440, and the like. p19 pipes are connected in sequence. An oil separator, a liquid separator, a control valve, etc. may be disposed in the path of each pipe of the low temperature cycle 400 as necessary. The third condenser 420 is in a room temperature state to exchange heat with the outside air by a fan, and the third evaporator 440 is a state in which the second condenser 521 and the refrigerant of the cryogenic cycle 500 are not mixed with each other. Combination is arranged in the form of counterflow heat exchanger 600 so that heat exchange occurs in the. The heat exchange capacity of the third condenser 420, the design of the heat exchange area of the counterflow heat exchanger 600, or the operation control method of the low temperature cycle 400 can be determined without particular difficulty using well-known techniques well known in the art. Can be done. Insulation of the counter-current heat exchanger 600 must be firmly maintained so that all heat transferred to the third evaporator 440 of the low temperature cycle 400 is transferred from the second condenser 521 of the cryogenic cycle 500. The low temperature cycle 400 of the two-way refrigeration system is operated at all times during the operation of each of the ultra-low temperature cycle 500 mode to realize the sex energy.

다음으로 초저온사이클(500)에 대하여 설명한다. 초저온사이클(500)은 자가동결모드(501), 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502) 및 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)를 포함하여 구성된다. 먼저, 자가동결모드(501)에 대하여 도 7를 참조하여 설명한다. 자가동결모드(501)는 프로세스 챔버(200) 내에 피건조물이 적치된 후 피건조물을 목표 온도까지 하강시키는 사이클 형태이다. 자가동결모드(501)에서는 콜드트랩(550)에는 냉매가 순환되지 않으며, 프로세스 챔버(200) 내의 열판(540)이 증발기 역할을 하는 것으로, 선반(210)의 표면온도가 적어도 -50도 이하로 떨어져 피건조물을 급속히 동결시킨다. 자가동결모드(501)의 사이클 구성은 제1압축기(510), p1배관, 오일분리기(512), p2배관, A1전자밸브, p3배관, p4배관, 제1응축기(520), p5배관, 제2응축기(521), p6배관, A2전자밸브, 제1팽창변(530), 열판(540), p8배관, A3전자밸브, p9배관, p10배관, 제2증발기(560), p11배관으로 연속하여 이어지는 구성이다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 때 p2배관으로부터 이어지는 B1전자밸브 및 p8배관으로부터 이어지는 B3전자밸브, p6배관으로부터 이어지는 B2전자밸브는 닫혀 있어야 하며, 각 전자밸브의 개폐는 제어부(150)에 구비되는 중앙처리장치에 탑재된 제어프로그램에 의하여 제어된다. 상기 오일분리기(512)는 제1압축기(510) 배출단에 구비되는 것으로 배출압에 의하여 유출되는 압축기오일을 걸러 p16배관을 통해 되돌리는 역할을 하는 것으로 이하 각 사이클 모 드의 설명에서 같다. 제1압축기(510)의 입구단에는 p11배관에 이어져 액분리기(511)가 부착되며 제1압축기(510)로 액냉매가 유입되는 것을 방지한다. 저온 저압의 포화증기 냉매는 제1압축기(510)에 의하여 고온 고압의 이상 냉매로 등엔트로피적으로 압축되고, 제1응축기(520) 및 제2응축기(521)를 통과하며 고온 고압의 포화액 상태로 된다. 포화액 상태의 냉매는 제1팽창변(530)을 통과하며 교축되어 압력이 증발기 압력으로 강하된다. 이어서 낮은 건도의 포화 혼합물 상태로 열판(540)으로 들어간 냉매는 프로세스 챔버(200) 내의 열을 흡수함으로써 증발된다. 이 때 냉매의 증발온도는 대략 피건조물의 종류에 따라 -40℃ ~-70℃ 정도로 냉동시키고자 하는 공간의 목표온도보다 낮게 설정된다. 단, 콜드트랩온도는 -70℃이하로 설정된다. 완전하게 증발되지 않은 일부 포화 액상의 냉매는 제2증발기(560)를 통과하며 완전하게 증발하여 포화증기 상태로 제1압축기(510)로 돌아감으로써 자가동결모드(501)에 의한 사이클로 완성된다. 앞 서 설명한 바와 같이 이원냉동 방식에 의해 제2응축기(521)는 대향류열교환기(600) 형태로 저온사이클(400)의 제3증발기(440)와 열교환 하므로, 자가동결모드(501)의 응축온도는 통상의 실외 온도 조건보다 충분히 낮고, 이에 의해 초저온사이클의 증발부 온도 즉, 열판(540)의 표면온도는 초저온 유지가 가능하다.Next, the ultra low temperature cycle 500 will be described. The cryogenic cycle 500 includes a self-freezing mode 501, a hot plate temperature rise and cold trap temperature holding mode 502, and a cold trap cooling and temperature holding mode 503. First, the self-freezing mode 501 will be described with reference to FIG. The self-freezing mode 501 is a cycle in which the article is lowered to a target temperature after the article is loaded in the process chamber 200. In the self-freezing mode 501, the coolant is not circulated in the cold trap 550, and the hot plate 540 in the process chamber 200 serves as an evaporator, and the surface temperature of the shelf 210 is at least -50 degrees or less. Freeze rapidly to dry. The cycle configuration of the self-freezing mode 501 is the first compressor 510, p1 piping, oil separator 512, p2 piping, A1 solenoid valve, p3 piping, p4 piping, the first condenser 520, p5 piping, 2 condenser 521, p6 pipe, A2 solenoid valve, first expansion valve 530, hot plate 540, p8 pipe, A3 solenoid valve, p9 pipe, p10 pipe, second evaporator 560, p11 pipe continuously This is the configuration that follows. As shown in FIG. 7, at this time, the B1 solenoid valve leading from the p2 pipe and the B3 solenoid valve leading from the p8 pipe and the B2 solenoid valve leading from the p6 pipe should be closed. It is controlled by a control program mounted on the central processing unit. The oil separator 512 is provided in the discharge stage of the first compressor 510 and serves to filter the compressor oil discharged by the discharge pressure and return it through the p16 pipe. At the inlet end of the first compressor 510, a liquid separator 511 is attached to the p11 pipe and prevents liquid refrigerant from flowing into the first compressor 510. The low-temperature low-pressure saturated steam refrigerant is isotropically compressed into an ideal refrigerant of high temperature and high pressure by the first compressor 510, passes through the first condenser 520 and the second condenser 521, and is in a high temperature and high pressure saturated liquid state. It becomes The refrigerant in the saturated state passes through the first expansion side 530 and is throttled so that the pressure drops to the evaporator pressure. The refrigerant entering the hot plate 540 in a low dry saturated mixture is then evaporated by absorbing heat in the process chamber 200. At this time, the evaporation temperature of the refrigerant is set to be lower than the target temperature of the space to be refrigerated at about -40 ° C to -70 ° C, depending on the type of the dry matter. However, the cold trap temperature is set below -70 ° C. Some of the saturated liquid refrigerant not completely evaporated passes through the second evaporator 560 and is completely evaporated to return to the first compressor 510 in the saturated vapor state to complete the cycle by the self-freezing mode 501. As described above, since the second condenser 521 exchanges heat with the third evaporator 440 of the low temperature cycle 400 in the form of the counterflow heat exchanger 600 by the two-way refrigeration mode, condensation of the self-freezing mode 501 is performed. The temperature is sufficiently lower than normal outdoor temperature conditions, whereby the temperature of the evaporation unit of the ultra low temperature cycle, that is, the surface temperature of the hot plate 540 can be maintained at an extremely low temperature.

초저온사이클(500)의 재생사이클에 대하여 설명한다. 도 7에서 보는 바와 같이 자가동결모드(501)의 제1응축기(520)와 제2증발기(560)는 인접하여 배치되어 있어 상호 열교환이 가능하다. 도면에서는 상하 적층된 것으로 표기하였으나 대향류 방식과 같이 상호 열교환이 가능한 구성이면 어떤 구조이든 가능하다. 상기 제1응축기(520)와 제2증발기(560)간의 열교환이 가능해짐으로써 제1응축기(520)에 의하여 버려져야만 했던 폐열이 제2증발기(560)에 의하여 재생되는 효과가 있다. 재생사이클에 의하여 고압의 기상 냉매는 좀 더 냉각되어 제1팽창변(530)에 유입되는 온도가 낮아지고 결과적으로 제1팽창변(530)의 출구온도도 낮아져, 열판(540) 온도가 좀 더 하강하게 된다. 결국 통상의 냉동사이클에 비하여 프로세스 챔버(200) 내 초저온 실현이 가능하다는 장점이 있다. 상기의 재생사이클에 관한 사항은 이하에서 설명하는 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502) 및 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)에서도 같이 적용된다.The regeneration cycle of the cryogenic cycle 500 will be described. As shown in FIG. 7, the first condenser 520 and the second evaporator 560 of the self-freezing mode 501 are disposed adjacent to each other to allow mutual heat exchange. Although the drawings are shown as stacked up and down, any structure can be used as long as the structure allows mutual heat exchange such as a counterflow method. By allowing heat exchange between the first condenser 520 and the second evaporator 560, the waste heat that should be discarded by the first condenser 520 is regenerated by the second evaporator 560. By the regeneration cycle, the high-pressure gas phase refrigerant is cooled more and the temperature flowing into the first expansion edge 530 is lowered. As a result, the outlet temperature of the first expansion edge 530 is also lowered, so that the temperature of the hot plate 540 is lowered. do. As a result, there is an advantage that the cryogenic realization in the process chamber 200 can be realized as compared to the conventional refrigeration cycle. The above matters regarding the regeneration cycle are also applied to the hot plate temperature rise and cold trap temperature holding mode 502 and the cold trap cooling and temperature holding mode 503 described below.

다음으로 도 8를 참조하여 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)를 설명한다. 자가동결모드(501)에 의해 프로세스 챔버(200) 내의 피건조물이 목표 온도로 하강하여 완전히 동결된 것이 확인되면, 프로세스 챔버(200)를 고진공 상태로 유지한 후 승화에 의한 건조를 진행한다. 물의 삼중점 이하 압력상태에서 열판(540)에 열에너지를 부가하면 전달된 열은 피건조물 내 수분의 상태변화 잠열로써 사용되며 얼음이 곧바로 수증기로 변하는 승화작용이 일어난다. 증발된 수분은 콘덴서 챔버(300)에 구비되는 콜드트랩(550)에 의하여 착상 포집된다. 따라서, 열판(540)으로는 열이 공급되는 반면, 콜드트랩(550)의 표면온도는 초저온으로 유지되어야 한다. 상기 작용이 가능한 히트펌프 방식의 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)가 개시된다. 본원 발명의 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모 드(502)는 도 8에서 보는 바와 같이, 제1압축기(510), p1배관, 오일분리기(512), p2배관, B1전자밸브, p12배관, 열판(540), p8배관, B3전자밸브, p13배관, p4배관, 제1응축기(520), p5배관, 제2응축기(521), p6배관, B2전자밸브, 제2팽창변(531), p14배관, 콜드트랩(550), p15배관, p10배관, 제2증발기(560), p11배관, 제1압축기(510)로 연달아 이어지는 구성을 갖는다. 이 때, A1전자밸브, A3전자밸브, A2전자밸브는 닫힌 상태로 유지되어야 한다. 자가동결모드(501)에서 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)로 변환되기 위하여 각 전자밸브(A1,A2,A3,B1,B2,B3)의 개폐를 토글(toggle)시키는 것으로 족하다. 도 7 및 도 8을 비교하면 알 수 있듯이, 열판(540)은 초저온사이클(500)의 증발부로 작용하던 것이 모드 변환에 의해 고온 고압의 증기 냉매가 유입되는 응축부로 작용하게 되며, 동결된 피건조물에 승화에 필요한 잠열을 공급하게 된다. 한편, 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)에서 콜드트랩(550)은 증발부로서 작용하고 표면의 온도가 내려가 프로세스 챔버(200)에서 승화에 의해 유입되는 수분을 착상에 의하여 포집할 수 있게 된다. 저온사이클(400)에 의한 이원냉동이나 제1응축기(520) 및 제2증발기(560)의 상호 작용에 의한 재생의 효과는 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)에서도 동일하다.Next, the hot plate temperature rise and cold trap temperature holding mode 502 will be described with reference to FIG. 8. When it is confirmed by the self-freezing mode 501 that the dry matter in the process chamber 200 is lowered to the target temperature and completely frozen, the process chamber 200 is maintained in a high vacuum state and then drying is performed by sublimation. When heat energy is added to the hot plate 540 at a pressure below the triple point of water, the transferred heat is used as a latent heat of change in the state of moisture in the building and the sublimation action of the ice is immediately converted into water vapor. The evaporated water is collected by the cold trap 550 provided in the condenser chamber 300. Therefore, while the heat is supplied to the hot plate 540, the surface temperature of the cold trap 550 should be kept at an extremely low temperature. The heat pump temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502 of the heat pump method capable of the above operation is disclosed. The hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502 of the present invention, as shown in Figure 8, the first compressor 510, p1 piping, oil separator 512, p2 piping, B1 solenoid valve, p12 piping, Hot plate 540, p8 piping, B3 solenoid valve, p13 piping, p4 piping, first condenser 520, p5 piping, second condenser 521, p6 piping, B2 solenoid valve, second expansion valve 531, p14 The pipe, the cold trap 550, p15 pipe, p10 pipe, the second evaporator 560, p11 pipe, the first compressor 510 has a configuration that continues in succession. At this time, the A1 solenoid valve, the A3 solenoid valve, and the A2 solenoid valve must be kept closed. It is sufficient to toggle the opening and closing of the respective solenoid valves A1, A2, A3, B1, B2, and B3 in order to switch from the self-freezing mode 501 to the hot plate temperature rise and cold trap temperature holding mode 502. As can be seen by comparing FIG. 7 and FIG. 8, the hot plate 540 acts as an evaporation part of the cryogenic cycle 500, and acts as a condensation part into which a high-temperature, high-pressure steam refrigerant is introduced by mode conversion. Supply the latent heat necessary for sublimation. On the other hand, in the hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502, the cold trap 550 acts as an evaporation unit and the surface temperature is lowered to collect moisture introduced by the sublimation in the process chamber 200 by implantation. Will be. The effects of binary cooling by the low temperature cycle 400 or by the interaction of the first condenser 520 and the second evaporator 560 are the same in the hot plate temperature rise and the cold trap temperature maintenance mode 502.

진공 동결건조기의 승화에 있어 히트펌프 방식의 장점에 대하여 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이 종래에는 승화에 필요한 에너지의 공급에 있어 보일러 또는 전기히터(31)를 이용하는 브라인의 순환사이클(33)을 이용하였다. 그러나 엑서 지(exergy) 이론에 따르면, 동일한 양의 승화 에너지를 피건조물에 공급하기 위하여 전기히터(31)는 적어도 상기 승화 에너지 만큼의 에너지가 필요한 것이나, 히트펌프 방식을 사용하게 되면 히트펌프의 성능계수가 3이라고 가정할 때, 1/3정도의 에너지면 충분하다는 것이 알려져 있다. 이는 단순히 외부로부터 유입되는 전기에너지를 열에너지로 변환하여 피건조물에 전달해 주는 종래의 전기히터(31) 방식을 벗어나, 적은 에너지로 제1압축기(510)를 돌려 콘덴서 챔버(300) 내의 열을 프로세스 챔버(200) 내로 옮겨 줌으로써 일어나는 작용이다. 따라서 본 발명의 히트펌프 방식에 의한 승화 과정은 에너지의 공급효율도 우수할 뿐만 아니라 콜드트랩(550)도 동시에 초저온으로 유지할 수 있어 에너지 효율이 우수하다고 할 수 있다.The advantages of the heat pump method in sublimation of the vacuum freeze dryer will be described. As described above, in the related art, a brine circulation cycle 33 using a boiler or an electric heater 31 is used to supply energy required for sublimation. However, according to exergy theory, the electric heater 31 needs at least as much energy as the sublimation energy in order to supply the same amount of sublimation energy to the building, but the performance of the heat pump when the heat pump method is used. Assuming a coefficient of 3, it is known that about 1/3 of the energy is sufficient. This is beyond the conventional electric heater 31 which converts electrical energy introduced from the outside into thermal energy and delivers it to the object to be dried, by turning the first compressor 510 with less energy to process heat in the condenser chamber 300. This is what happens by moving to 200. Therefore, the sublimation process by the heat pump method of the present invention can not only be excellent in the supply efficiency of energy but also maintain the cold trap 550 at a very low temperature at the same time can be said to be excellent in energy efficiency.

다음으로 도 9을 참조하여 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)를 설명한다. 열판(540)의 온도가 지속적으로 상승하는 경우 피건조물의 승화가 원활하게 이루어지지 못하고, 이에 의해 피건조물의 조직이 파괴되어 건조사고가 발생하므로 상기 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)는 연속하여 운전될 수 없다. 즉, 열판(540)에 주어지는 열에너지를 지속적으로 단속할 필요가 있다. 물론 이 때에 콜드트랩(550)의 온도는 낮게 지속되어 수분의 포집이 이루어져야 한다. 이런 세부 목적을 달성하기 위하여 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)가 제안된다. 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)는 도 6에서 보는 바와 같이, 제1압축기(510), p1배관, 오일분리기(512), p2배관, A1전자밸브, p3배관, p4배관, 제1응축기(520), p5배관, 제2응축기(521), p6배관, B2전자밸브, 제2팽창변(531), p14배관, 콜드트랩(550), p15배관, p10배관, 제2증발기(560), p11배관, 제1압축기(510)로 연속하여 이어지도록 구성된다. 이 때 B1전자밸브, B3전자밸브, A2전자밸브, A3전자밸브는 닫혀진 상태로 유지되어야 한다. 타 운전모드와 공통으로 대응되는 배관들은 공유되고, 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)와 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)의 변환은 제어부(150)에 의해 필요에 따라 절환된다. 양 모드의 절환은 A1전자밸브와 B1전자밸브를 교대로 토글(toggle)시키고, B3전자밸브 또한 이에 따라 단속함으로써 간단하게 가능해 진다. 도 9에서 명확하게 알 수 있듯이 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)에서는 콜드트랩(550)은 저온으로 유지되어 수분의 포착이 지속적으로 가능한 반면, 열판(540)에는 에너지 전달이 없어 승화가 일부 지연되는 효과가 있다. 저온사이클(400)에 의한 이원냉동이나 제1응축기(520) 및 제2증발기(560)의 상호 작용에 의한 재생의 효과는 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)에서도 동일하다.Next, the cold trap cooling and temperature holding mode 503 will be described with reference to FIG. 9. When the temperature of the hot plate 540 continuously rises, the sublimation of the dry item is not made smoothly, and thus, the structure of the dry item is destroyed, thereby causing a drying accident. Thus, the hot plate temperature rise and the cold trap temperature maintaining mode 502 are performed. Cannot be operated continuously. That is, it is necessary to continuously regulate the thermal energy given to the hot plate 540. Of course, the temperature of the cold trap 550 at this time should be kept low to collect the moisture. In order to achieve this specific purpose, a cold trap cooling and temperature holding mode 503 is proposed. Cold trap cooling and temperature holding mode 503 is, as shown in Figure 6, the first compressor 510, p1 piping, oil separator 512, p2 piping, A1 solenoid valve, p3 piping, p4 piping, the first condenser 520, p5 piping, second condenser 521, p6 piping, B2 solenoid valve, second expansion valve 531, p14 piping, cold trap 550, p15 piping, p10 piping, second evaporator 560, The p11 pipe is configured to continuously connect to the first compressor 510. At this time, B1 solenoid valve, B3 solenoid valve, A2 solenoid valve, A3 solenoid valve should be kept closed. Pipes corresponding to other operation modes are shared in common, and the hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502 and the cold trap cooling and temperature maintenance mode 503 are switched by the controller 150 as necessary. . Switching of both modes is made possible simply by alternately toggling the A1 solenoid valve and the B1 solenoid valve, and controlling the B3 solenoid valve accordingly. As can be clearly seen in FIG. 9, in the cold trap cooling and temperature holding mode 503, the cold trap 550 is kept at a low temperature to continuously capture moisture, while the heat plate 540 has no energy transfer, so that sublimation is partially. There is a delayed effect. The effects of two-way refrigeration by the low temperature cycle 400 or by the interaction of the first condenser 520 and the second evaporator 560 are the same in the cold trap cooling and temperature holding mode 503.

다음으로 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 이원냉동 및 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치의 작동 및 제어에 대하여 설명한다. 먼저, 사용자는 프로세스 챔버(200)의 제1도어(220)를 열어 선반(210)에 피건조물을 적치한다. 적치가 완료되면 제1도어(220) 및 콘덴서 챔버(300)의 제2도어(320)를 닫고, 각 챔버에 구비되는 제1배수관(240), 제2배수관(340) 등의 밸브를 잠가 긴밀성을 유지한다. 다음으로 제어판넬에 구비된 스위치를 눌러 자가동결을 진행한다. 제어부(150)의 제어에 의해 진행되는 자가동결모드(501)에 의해 피건조물이 급속하게 동결된다. 최 종적으로 동결되는 피건조물의 동결온도는 열판(540)의 온도를 -50도 정도로 유지할 때, 대략 -40도까지 떨어진다. 피건조물의 급속동결을 돕기 위하여 통상적으로 채용되는 순환팬이 채용될 수 있다. 열판(540)에 구비되는 온도센서(570)를 이용하여 적절한 제어가 가능하고, 피건조물과 열판(540)과의 온도차는 -10도 이내에서 유지되어야 바람직한 열전달이 가능하다. 자가동결이 완료된 것으로 판단되면, 콜드트랩이 초저온으로 냉각되고 냉각 완료후 진공 배기가 시작된다. 제어부(150)는 진공펌프(140)를 작동하여 물의 삼중점 이하 압력으로 챔버 내를 진공시킨다. 이 때 압력은 대략 0.01Torr~0.1Torr 정도가 적당하다. 진공이 완료되면 배기라인(141)에 개방상태에서 진공상태를 유지한다. 필요에 따라 배기라인(141)에 제어부(150)에 의해 전자적으로 제어되는 전자밸브 및 압력계를 추가로 구비하고 PID 제어를 이용하여 고진공을 유지할 수 있다. 고진공 상태에서 제어부(150)는 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)를 진행한다. 응축부로 작용하는 열판(540)에 열에너지가 전달되어 피건조물에 응결된 얼음의 승화에 이용되고, 승화된 수분은 증발부로 작용하는 저온의 콜드트랩(550)에 착상된다. 도 10에서 바람직한 열판(540)의 온도 제어 실시예를 보이고 있다. 상기 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)는 피건조물의 양에 따라 달라지나 대략 1시간 정도 운전을 거듭하여 열판(540)의 온도가 -30도로 될 때까지 지속된다. 이 후 대략 1시간 정도의 일정 온도 유지 과정을 갖는다. 상기 일정 온도 유지 과정은 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)와 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)를 PID 콘트롤에 의하여 절환시킴으로서 가능하다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 간단하게 전자밸브를 토글시 킴으로서 열판(540)에 열에너지를 공급을 단속하는 단계이다. 열판(540)에 구비되는 온도센서(570)를 이용하여 열판의 온도를 입력으로 하여 PID 제어를 한다. 일정 온도 유지 과정에 의하여 부분적으로 온도 구배를 갖는 피건조물이 일정한 온도로 평형된다. 이에 따라 승화 과정이 불균형 없이 완만하게 이루어지며, 건조 사고가 방지된다. 다음으로 대략 2시간 정도에 걸친 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)가 진행되어 열판(540)의 온도는 -10도에 이르고, 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)와 콜드트랩냉각 및 온도유지모드(503)의 절환에 의한 일정 온도 유지 과정이 이어진다. 상기와 같은 계단식의 PID 온도 제어가 제어부(150)에 의해 진행되어 결국 대략 72시간 정도 후 피건조물은 60도 정도에 도달하고, 이 때 피건조물 내 잔여 수분은 대략 4~6% w/w까지 떨어져 건조가 완료된다. 도 10은 온도제어의 일 실시예를 보인 것에 불과하며 본 발명의 온도제어가 도 10에 도시한 것에 국한되는 것은 아니다. 건조 완료에 따라 사용자는 진공 배기라인(141)에 마련된 밸브를 열어 진공상태를 해제하고, 제1도어(220)를 열어 피건조물을 빼낸다. 콜드트랩(550)에 착상되어 있던 얼음은 자연적으로 녹아서 제거될 수 있으며, 필요에 따라 살수 및 제상사이클을 이용하여 제거한다. 또한 기계식 제거 방법도 바람직하다. 자연적으로 혹은 살수 및 제상사이클에 의하여 녹은 물은 콘덴서 챔버(300)의 하부에 마련된 제2배수관(340)을 통해 외부로 배출된다.Next, with reference to Figure 10 will be described the operation and control of the vacuum freeze drying apparatus employing a binary refrigeration and heat pump method according to the present invention. First, the user opens the first door 220 of the process chamber 200 to deposit the dry matter on the shelf 210. When the stacking is completed, the first door 220 and the second door 320 of the condenser chamber 300 are closed, and the valves such as the first drain pipe 240 and the second drain pipe 340 provided in each chamber are locked tightly. Keep it. Next, press the switch provided on the control panel to perform self-freezing. The object to be dried is rapidly frozen by the self-freezing mode 501 performed by the control of the controller 150. The freezing temperature of the dry matter to be finally frozen falls to approximately -40 degrees when the temperature of the hot plate 540 is maintained at about -50 degrees. A circulation fan, which is conventionally employed, may be employed to help fast freeze the object. Appropriate control is possible using the temperature sensor 570 provided on the hot plate 540, and the temperature difference between the object to be dried and the hot plate 540 should be maintained within -10 degrees to enable desirable heat transfer. When the self-freezing is determined to be complete, the cold trap is cooled to cryogenic temperature and vacuum evacuation is started after the cooling is completed. The controller 150 operates the vacuum pump 140 to vacuum the inside of the chamber at a pressure below the triple point of water. At this time, the pressure is appropriately about 0.01 Torr ~ 0.1 Torr. When the vacuum is completed, the vacuum state is maintained in the open state in the exhaust line 141. If necessary, the exhaust line 141 may further include a solenoid valve and a pressure gauge electronically controlled by the controller 150, and maintain high vacuum using PID control. In the high vacuum state, the controller 150 proceeds with the hot plate temperature rise and the cold trap temperature maintenance mode 502. Heat energy is transferred to the hot plate 540 acting as a condensation unit and used for sublimation of ice condensed on the dry matter, and the sublimed water is implanted in the cold cold trap 550 acting as the evaporation unit. A preferred temperature control embodiment of the hot plate 540 is shown in FIG. 10. The hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502 may vary depending on the amount of the dry goods, but may be continued for approximately one hour until the temperature of the hot plate 540 becomes -30 degrees. After that, the temperature is maintained for about 1 hour. The constant temperature maintenance process is possible by switching between hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502 and cold trap cooling and temperature maintenance mode 503 by PID control. That is, as described above, it is a step of controlling the supply of thermal energy to the hot plate 540 by simply toggling the solenoid valve. PID control is performed by using the temperature of the hot plate as an input using the temperature sensor 570 provided in the hot plate 540. By the constant temperature holding process, the dry matter partially having a temperature gradient is equilibrated to a constant temperature. Accordingly, the sublimation process is smooth without any imbalance, and drying accidents are prevented. Next, the hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502 proceeds for about 2 hours so that the temperature of the hot plate 540 reaches -10 degrees, and the hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502 and cold are performed. The process of maintaining a constant temperature by switching the trap cooling and temperature holding mode 503 is followed. As described above, the stepped PID temperature control is performed by the controller 150. After about 72 hours, the building reaches 60 degrees, and the remaining water in the building reaches about 4-6% w / w. Drying is complete. FIG. 10 shows only one embodiment of temperature control, and the temperature control of the present invention is not limited to that shown in FIG. 10. As the drying is completed, the user opens the valve provided in the vacuum exhaust line 141 to release the vacuum state, and opens the first door 220 to remove the dry object. The ice that has been implanted in the cold trap 550 may be naturally melted and removed, and may be removed using a spraying and defrosting cycle as necessary. Also mechanical removal is preferred. Water melted naturally or by watering and defrosting cycles is discharged to the outside through the second drain pipe 340 provided in the lower portion of the condenser chamber 300.

(제2실시예)Second Embodiment

본 발명에 따른 동결건조 장치의 제2실시예를 도 11을 참조하여 설명하면 다 음과 같다. 제2실시예는 콜드트랩(550)에 착상된 수분의 제거에 관한 것으로 이를 제외하고는 제1실시예와 유사하다. 본 발명에 따른 제2실시예는 콜드트랩(550)에 착상된 수분을 초저온사이클(500)에서 자연적으로 발생하는 고온 고압의 증기 형태 냉매를 이용하여 제거한다. 앞서 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)에서 설명한 것과 마찬가지로 콜드트랩(550)의 제상에 있어 히트펌프 방식을 사용하므로 종래의 전기히터를 이용한 것보다 에너지 효율이 높다. 제2실시예의 제상사이클(504) 구성을 도 11을 참조하여 설명한다. 제상사이클(504)를 실현하기 위하여 제1실시예에 더하여, p12배관과 열판(540)이 이어지는 접점 부위로부터 p15배관과 콜드트랩(550)이 이어진 접점 부위 사이로 p21배관이 추가로 구비되고, 상기 p21배관에는 A4전자밸브 및 제3팽창변(532)과 같이 구비된다. 또한, p14배관과 콜드트랩(550)의 접점과 p6배관 사이에는 C4전자밸브와 p22배관이 더 마련되며, 기존의 p15배관에 B4전자밸브가 추가로 구비된다. 제상사이클(504)을 좀 더 자세히 설명하면, 냉동사이클은 제1압축기(510), p1배관, 오일분리기(512), p2배관, A1전자밸브, p3배관, p4배관, 제1응축기(520), p5배관, 제2응축기(521), p6배관, C4전자밸브, p22배관, 콜드트랩(550), p15배관, p21배관, 제3팽창변(532), A4전자밸브, 열판(540), p8배관, A3전자밸브, p9배관, p10배관, 제2증발기(560), p11배관, 제1압축기(510)로 연속하여 이어지는 구성을 갖는다. 상기 제상사이클(504)에서 언급되지 않은 A1전자밸브, B3전자밸브, A2전자밸브, B2전자밸브, B4전자밸브는 닫혀진 상태로 유지되어야 한다. 제상사이클(504)에서도 저온사이클(400)에 의한 이원냉동이나 제1응축기(520) 및 제2증발기(560)의 상호 작용에 의한 재생의 효과는 동일하 다. 도 8로부터 명확히 알 수 있듯이, 콜드트랩(550)은 응축부로 작용하고 열판(540)은 냉각부로 작용하고, 히트펌프 방식의 사이클이며, 프로세스 챔버(200)의 열에너지가 히트펌프에 의해 콜드트랩(550)으로 전달되어 제상되는 효과를 준다. 결과적으로 종래의 전기히터 방식의 제상 고정에 비하여 에너지 효율이 급격히 상승한다. 제상된 수분은 콘덴서 챔버(300)의 하부에 마련된 제2배수관(340)을 통해 외부로 배출된다.A second embodiment of the freeze-drying apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. 11 as follows. The second embodiment is related to the removal of moisture that is implanted in the cold trap 550, and is similar to the first embodiment except for this. According to the second embodiment of the present invention, the water trapped on the cold trap 550 is removed using a high temperature and high pressure steam type refrigerant naturally occurring in the cryogenic cycle 500. As described above in the hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance mode 502, the heat trap method is used in the defrost of the cold trap 550, and thus the energy efficiency is higher than that of the conventional electric heater. The defrost cycle 504 of the second embodiment will be described with reference to FIG. In addition to the first embodiment in order to realize the defrost cycle 504, a p21 pipe is further provided between the p15 pipe and the contact site where the cold trap 550 is connected from the contact site where the p12 pipe and the hot plate 540 are connected. The p21 piping is provided with an A4 solenoid valve and a third expansion valve 532. In addition, between the contact point of the p14 pipe and the cold trap 550 and the p6 pipe is further provided with a C4 solenoid valve and a p22 pipe, the B4 solenoid valve is further provided in the existing p15 pipe. The defrost cycle 504 will be described in more detail. The refrigeration cycle includes a first compressor 510, a p1 pipe, an oil separator 512, a p2 pipe, an A1 solenoid valve, a p3 pipe, a p4 pipe, and a first condenser 520. , p5 piping, second condenser 521, p6 piping, C4 solenoid valve, p22 piping, cold trap 550, p15 piping, p21 piping, third expansion valve 532, A4 solenoid valve, hot plate 540, p8 The pipe, the A3 solenoid valve, the p9 pipe, the p10 pipe, the second evaporator 560, the p11 pipe, and the first compressor 510 are continuously connected. A1 solenoid valve, B3 solenoid valve, A2 solenoid valve, B2 solenoid valve, and B4 solenoid valve which are not mentioned in the defrost cycle 504 should be kept closed. Also in the defrost cycle 504, the effects of dual cooling by the low temperature cycle 400 or by the interaction of the first condenser 520 and the second evaporator 560 are the same. As can be clearly seen from FIG. 8, the cold trap 550 acts as a condenser and the hot plate 540 acts as a cooling part, is a heat pump cycle, and the heat energy of the process chamber 200 is controlled by the heat pump. 550) to give a defrosting effect. As a result, the energy efficiency is drastically increased as compared with the conventional defrosting of the electric heater system. Defrosted water is discharged to the outside through the second drain pipe 340 provided under the condenser chamber 300.

(제3실시예)(Third Embodiment)

본 발명에 따른 동결건조 장치의 제3실시예를 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 제3실시예는 실온 상태에 놓여 있고 팬에 의하여 외측 공기와 열교환하도록 되어 있던 저온사이클(400)의 제3응축기(420) 위치가 변경되었다는 점을 제외하고는 제1실시예와 유사하다. 통상적으로 냉매의 압축기로 액상의 냉매가 유입되는 경우 기상의 냉매만을 다루도록 설계된 압축기의 파손이 문제가 된다. 따라서 당 기술분야에서는 액분리기(511)를 설치하여 해결하고 있으나, 본 발명의 제3실시예에서는 저온사이클(400)의 제3응축기(420)를 초저온사이클(500)의 제2증발기(560)와 열교환이 가능하도록 인접하여 설치함으로서 해결한다. 즉, 제2증발기(560)를 지난 액냉매는 저온사이클(400)의 제3응축기(420)로부터의 열전달에 의하여 완전히 기화된 상태로 제1압축기(510)로 유입될 수 있고 이에 의하여 냉매의 과냉 방지 및 압축기의 파손이 방지될 수 있다. 또한 본 발명의 제3실시예에 의하여 재생사이클의 효과도 배가될 수 있다. 즉, 제3응축기(420)에 의하여 버려져야만 했던 폐열이 제2증발기(560)에 의하여 재생되는 효과를 얻는다.A third embodiment of the freeze drying apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. 12. The third embodiment is similar to the first embodiment except that the position of the third condenser 420 of the low temperature cycle 400, which is at room temperature and is intended to be exchanged with the outside air by the fan, is changed. In general, when a liquid refrigerant is introduced into the compressor of the refrigerant, breakage of the compressor designed to handle only the refrigerant in the gas phase becomes a problem. Therefore, in the art, it is solved by installing a liquid separator 511, but in the third embodiment of the present invention, the third condenser 420 of the low temperature cycle 400 is the second evaporator 560 of the cryogenic cycle 500. This is solved by installing adjacent to allow heat exchange with. That is, the liquid refrigerant passing through the second evaporator 560 may be introduced into the first compressor 510 in a completely vaporized state by heat transfer from the third condenser 420 of the low temperature cycle 400, whereby Prevention of overcooling and breakage of the compressor can be prevented. In addition, according to the third embodiment of the present invention, the effect of the regeneration cycle may be doubled. In other words, the waste heat that should be discarded by the third condenser 420 is regenerated by the second evaporator 560.

(제4실시예)(Example 4)

본 발명에 따른 동결건조 장치의 제4실시예를 도 13을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 제4실시예는 B3 전자밸브의 후단으로 냉매의 역류 방지를 위한 체크밸브(710)가 설치되고, 제1압축기(510)의 출구 측에 연결된 p2배관과 입구 측에 연결된 p11배관과의 사이에 압력 조절용 바이패스밸브(C2) 및 전자밸브(C3)가 구비되도록 p30배관으로 연결되었다는 점을 제외하고는 제1실시예와 유사하다. B3 전자밸브는 도 8에 보인 바와 같이 동결건조 장치가 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)로 전환되는 경우 단속에 의하여 작동되는데, 자가동결모드(501)와의 전환 과정에서 냉매가 역류하는 문제가 발생할 수 있다. 건조과정에서 상기 양 모드의 전환은 온도변화에 따라 수시로 일어나게 되므로 만약 냉매의 역류가 발생하는 경우, 건조 성능이 급격히 저하될 수 있는 문제가 있다. 따라서 본 발명의 제4실시예에서는 B3 전자밸브의 후단으로 체크밸브(710)를 두어 해결한다. 상기 체크밸브(710)는 당 기술분야에서 공지된 것으로서 B3 전자밸브 방향으로의 역류를 방지하는 반면 그 반대쪽으로는 원활한 흐름이 되도록 설치한다.A fourth embodiment of the freeze-drying apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, a check valve 710 is installed at the rear end of the B3 solenoid valve to prevent the backflow of the refrigerant, and is connected between the p2 pipe connected to the outlet side of the first compressor 510 and the p11 pipe connected to the inlet side. It is similar to the first embodiment except that the pressure control bypass valve C2 and the solenoid valve C3 are connected to the p30 pipe. As shown in FIG. 8, the B3 solenoid valve is operated by intermittent operation when the freeze-drying apparatus is switched to the hot plate temperature rise and the cold trap temperature maintenance mode 502, and the refrigerant flows back in the process of switching to the self-freezing mode 501. Problems may arise. Since the switching between the two modes occurs frequently in accordance with the temperature change in the drying process, if the backflow of the refrigerant occurs, there is a problem that the drying performance can be sharply reduced. Therefore, in the fourth embodiment of the present invention, the check valve 710 is provided at the rear end of the B3 solenoid valve. The check valve 710 is known in the art to prevent a reverse flow in the direction of the B3 solenoid valve, while installed on the other side to the smooth flow.

또한, 제4실시예에서는 제1압축기(510)의 출구와 입구 사이로 압력 조절용 바이패스밸브(C2)가 설치된다. 상기 바이패스밸브(C2)는 B1 혹은 A1 전자밸브 측으로 유입되는 냉매의 압력이 과도하게 높아지는 것을 방지한다. 즉, 설정 압력치 이상의 제1압축기(510)의 출구압이 상승하는 경우 바이패스 작동하여 압력을 일정하게 유 지하도록 한다. p2배관과 p11배관을 연결하는 p30배관에는 팽창탱크(700) 및 전자밸브(C3)가 추가로 구비될 수 있다.In addition, in the fourth embodiment, a pressure regulating bypass valve C2 is provided between the outlet and the inlet of the first compressor 510. The bypass valve C2 prevents excessively high pressure of the refrigerant flowing into the B1 or A1 solenoid valve side. That is, when the outlet pressure of the first compressor 510 is higher than the set pressure value, the bypass operation is performed to maintain the pressure constant. The p30 pipe connecting the p2 pipe and the p11 pipe may further include an expansion tank 700 and a solenoid valve C3.

(제5실시예)(Example 5)

본 발명에 따른 동결건조 장치의 제5실시예를 도 3 및 도 14a, b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 제5실시예는 원통형 바디(110) 내에 피건조물의 적치를 위해 마련되는 선반(210)에 선반(210)과 이격되도록 트레이(211)가 마련된다는 점을 제외하고는 제1실시예와 유사하다. 본 발명의 동결건조 장치는 앞서 설명한 바와 같이 원활한 건조를 위하여 열판(540) 즉 선반(210)이 증발기로서 작용하는 자가동결모드(501)와 열판(540) 혹은 선반(210)이 응축기로 작용하는 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502) 사이에서 전환 운전을 수행한다. 선반(210)이 증발기로서 작용하다가 응축기로서 작용하게 되면 선반(210) 표면의 온도는 극적으로 달라지게 된다. 즉 초저온사이클(500)의 냉동사이클 상 증발온도와 응축온도 사이에서 급작스러운 변화를 겪는데, 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)에서 냉매 핫가스(hot gas)가 동결에 의하여 복귀하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. 이는 동결건조 장치가 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지모드(502)로 전환되어 선반(210)이 응축온도에 있는 반면, 선반(210)에 적치되어 있던 피건조물은 증발온도와 유사한 온도로 유지되기 때문이다. 즉, 피건조물의 낮은 온도로 인하여 선반(210)을 지나는 냉매 핫가스는 동결되고 동결된 냉매는 복귀하지 못하므로서 전체적인 사이클이 흐트러지게 된다. 이런 문제점을 제거하기 위하여 본 발명의 제5실시예에서는 선반(210)의 상부 표면에 다수의 돌기부(212)를 형성하고 상기 돌기부(212)에 적치되도록 설계된 트레이(211)를 구비한다. 이에 의해 낮은 온도의 피건조물은 선반(210)에 직접 접촉되지 않고 트레이(211)에 적치되게 되므로 냉매 핫개스가 동결되는 문제점은 발생하지 않는다. 상기 피건조물은 트레이(211)에 일렬 적치되어 열복사에 의하여 동결되고 증발된다.The fifth embodiment of the freeze-drying apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 14A and b. The fifth embodiment is similar to the first embodiment except that the tray 211 is provided on the shelf 210 provided for the accumulation of the dried object in the cylindrical body 110 so as to be spaced apart from the shelf 210. . In the freeze-drying apparatus of the present invention, the self-freezing mode 501 and the hot plate 540 or the shelf 210 act as a condenser to operate the hot plate 540, that is, the shelf 210 as an evaporator, for smooth drying as described above. A switching operation is performed between the hot plate temperature rise and the cold trap temperature maintenance mode 502. When the shelf 210 acts as an evaporator and then as a condenser, the temperature of the surface of the shelf 210 is dramatically changed. That is, there is a sudden change between the evaporation temperature and the condensation temperature on the refrigerating cycle of the cryogenic cycle 500. In the hot plate temperature rise and the cold trap temperature holding mode 502, the refrigerant hot gas does not return by freezing. Failure to do so may occur. This is because the lyophilizer is switched to hot plate temperature rise and cold trap temperature holding mode 502 so that the shelf 210 is at the condensation temperature, while the dry matter stored on the shelf 210 is maintained at a temperature similar to the evaporation temperature. Because. That is, due to the low temperature of the dry matter, the refrigerant hot gas passing through the shelf 210 is frozen and the frozen refrigerant cannot be returned, thereby disturbing the entire cycle. In order to eliminate this problem, the fifth embodiment of the present invention includes a tray 211 formed to form a plurality of protrusions 212 on the upper surface of the shelf 210 and to be placed on the protrusions 212. As a result, the low-temperature dry matter is deposited on the tray 211 without being directly in contact with the shelf 210, so that the problem that the refrigerant hot gas is frozen does not occur. The dry items are stacked in a tray 211, frozen and evaporated by heat radiation.

이상과 같은 본 발명의 이원냉동 방식을 채용한 진공 동결건조 장치에 의해 프로세스 챔버 내의 초저온 실현이 가능하고, 성능계수 향상에 의한 에너지 절감이 가능하다.By the vacuum freeze-drying apparatus employing the binary freezing method of the present invention as described above, it is possible to realize ultra low temperature in the process chamber, and energy saving by improving the coefficient of performance is possible.

또한, 본원 발명의 진공 동결건조 장치는 초저온사이클의 일부로 재생사이클을 사용하므로 초저온 실현이 용이한 장점이 있다. 초저온의 실현에 의한 피건조물의 급속한 동결이 또한 가능하다.In addition, the vacuum freeze-drying apparatus of the present invention has a merit that it is easy to realize ultra low temperature because the regeneration cycle is used as part of the ultra low temperature cycle. Rapid freezing of the dry objects by the realization of cryogenic is also possible.

또한 본원 발명의 진공 동결건조 장치는 수분의 승화에 필요한 에너지를 이원냉동 및 히트펌프 방식을 사용하여 공급하므로 성능계수 형상에 의한 성에너지가 가능하다는 장점이 있다.In addition, the vacuum freeze-drying apparatus of the present invention has the advantage that the energy required by the shape of the coefficient of performance is possible because the supply of energy required for sublimation of water by using a two-way refrigeration and heat pump method.

또한 본원 발명의 진공 동결건조 장치는 콜드트랩의 제상에 필요한 에너지의 공급에 있어도 이원냉동 및 히트펌프 방식을 사용하므로 성능계수 형상에 의한 성에너지가 가능하다는 장점이 있다.In addition, the vacuum freeze-drying apparatus of the present invention has an advantage that the energy energy according to the shape of the performance coefficient is possible because the dual cooling and the heat pump method are used to supply the energy required for the defrost of the cold trap.

또한 본원 발명의 진공 동결건조 장치는 저온사이클의 응축열을 이용하여 초저온사이클의 압축기에 들어가는 냉매를 충분히 가열함으로서 압축기의 파손을 방지하고 열 재생이 가능하다는 장점이 있다.In addition, the vacuum freeze-drying apparatus of the present invention has the advantage of preventing damage to the compressor and heat regeneration by sufficiently heating the refrigerant entering the compressor of the cryogenic cycle using the heat of condensation of the low temperature cycle.

또한 본원 발명의 진공 동결건조 장치는 모드 전환 간에 발생할 수 있는 냉매의 역류를 방지할 수 있고, 압축기 출구에 과도한 냉매압이 발생하는 것을 방지할 수 있다.In addition, the vacuum lyophilization apparatus of the present invention can prevent the backflow of the refrigerant which may occur between mode switching, and prevent the excessive refrigerant pressure from occurring at the compressor outlet.

또한 본원 발명의 진공 동결건조 장치는 모드 전환 간에 발생할 수 있는 냉매의 핫개스 동결을 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the vacuum lyophilization apparatus of the present invention has an effect of preventing hot gas freezing of the refrigerant that may occur between mode switching.

Claims (10)

고진공 상태에서의 승화를 이용하며, 프로세스 챔버 및 상기 프로세스 챔버와 도관으로 이어지는 콘덴서 챔버를 갖고, 상기 프로세스 챔버에는 열판이 선반 형태로 구비되며, 상기 콘덴서 챔버에는 콜드트랩이 구비되는 통상의 동결건조 장치에 있어서, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클은 제1압축기, 제1응축기, 제1팽창변, 열판, 및 다시 제1압축기로 이어지는 자가동결회로와; 제1압축기, 열판, 제1응축기, 제2팽창변, 콜드트랩, 및 다시 제1압축기로 이어지는 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지회로와; 제1압축기, 제1응축기, 제2팽창변, 콜드트랩, 및 다시 제1압축기로 이어지는 콜드트랩냉각 및 온도유지회로를 포함하며, 상기 제1압축기의 출구 측에는 냉매 출구 압력이 일정하게 유지되도록 바이패스밸브가 구비되고, 상기 냉동사이클에는 회로의 전환 간에 냉매의 역류 방지를 위한 체크밸브가 포함되는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치A conventional lyophilization apparatus using a sublimation in a high vacuum state, having a process chamber and a condenser chamber leading to the process chamber and a conduit, wherein the process chamber is provided with a hot plate in the form of a shelf, and the condenser chamber is provided with a cold trap. The freezing cycle of the freeze-drying apparatus includes: a self-freezing circuit leading to a first compressor, a first condenser, a first expansion valve, a hot plate, and a first compressor; A hot plate temperature rise and cold trap temperature maintenance circuit leading to the first compressor, the hot plate, the first condenser, the second expansion edge, the cold trap, and again to the first compressor; A first trap, a first condenser, a second expansion valve, a cold trap, and a cold trap cooling and temperature holding circuit leading back to the first compressor, the bypass of the first compressor being bypassed to maintain a constant refrigerant outlet pressure. Valve is provided, the refrigeration cycle vacuum freeze-drying apparatus employing a heat pump method characterized in that the check valve for preventing the back flow of the refrigerant between the switching of the circuit 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 동결건조 장치는 열판에 배치되는 온도센서와 제어부를 더 구비하고, 상기 제어부는 온도센서의 온도를 입력으로 PID 제어에 의해 열판의 온도를 제어하되, PID 온도제어에 있어 시간에 따른 열판의 온도가 계단식으로 되도록 제어하는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치The freeze-drying apparatus further includes a temperature sensor and a control unit disposed on the hot plate, and the control unit controls the temperature of the hot plate by PID control by inputting the temperature of the temperature sensor, but the temperature of the hot plate according to time in PID temperature control. Freeze-drying apparatus adopting the heat pump method characterized by controlling the stepping 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 선반의 상부 측면에는 돌기부가 다수 구비되고, 상기 돌기부에 의해 선반과 이격되어 위치되는 피건조물 적치용 트레이가 더 포함되는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치A plurality of protrusions are provided on the upper side of the shelf, and the vacuum freeze-drying apparatus employing the heat pump method is characterized in that it further comprises a tray for storing the workpieces spaced from the shelf by the protrusions. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클의 각 회로 중 제1응축기와 곧바로 이어지는 부위에는 제2응축기가 더 구비되고; 제2압축기, 제3응축기, 제3팽창변, 제3증발기, 및 다시 제2압축기로 연속하여 이어지는 저온사이클회로가 추가로 구성되며, 상기 제2응축기와 제3증발기는 대향류 형태의 열교환기로서 상호 열교환이 이루어지는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치A second condenser is further provided at a portion directly connected to the first condenser of each circuit of the freezing cycle of the freeze-drying apparatus; A second compressor, a third condenser, a third expansion valve, a third evaporator, and a low temperature cycle circuit continuously connected to the second compressor are further configured, and the second condenser and the third evaporator are counterflow heat exchangers. Vacuum lyophilizer adopting heat pump method characterized by mutual heat exchange 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클의 각 회로 중 제1압축기 바로 전단에는 제2증발기가 더 구비되고, 상기 제2증발기와 제1응축기는 상호 열교환하여 재생사이클을 구성하는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치A second evaporator is further provided immediately in front of the first compressor in each circuit of the freezing cycle of the freeze-drying apparatus, and the second evaporator and the first condenser are heat-exchanged with each other to form a regeneration cycle. One vacuum lyophilizer 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클 중 자가동결회로는 구체적으로 제1압축기, p1배관, p2배관, A1전자밸브, p3배관, p4배관, 제1응축기, p5배관, 제2응축기, p6배관, A2전자밸브, 제1팽창변, 열판, p8배관, A3전자밸브, p9배관, p10배관, 제2증발기, p11배관, 다시 제1압축기로 연속하여 이어지는 구성을 갖는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치In the freezing cycle of the freeze drying device, the self-freezing circuit may include a first compressor, p1 pipe, p2 pipe, A1 solenoid valve, p3 pipe, p4 pipe, first condenser, p5 pipe, second condenser, p6 pipe, and A2 electron. Vacuum freezing employing a heat pump method characterized by a continuous configuration of the valve, the first expansion valve, the hot plate, the p8 pipe, the A3 solenoid valve, the p9 pipe, the p10 pipe, the second evaporator, the p11 pipe, and the first compressor. Drying device 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클 중 열판온도상승 및 콜드트랩온도유지회로는 구체적으로 제1압축기, p1배관, p2배관, B1전자밸브, p12배관, 열판, p8배관, B3전자밸브, p13배관, p4배관, 제1응축기, p5배관, 제2응축기, p6배관, B2전자밸브, 제2팽창변, p14배관, 콜드트랩, p15배관, p10배관, 제2증발기, p11배관, 다시 제1압축기로 연속하여 이어지는 구성을 갖는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치The hot plate temperature rise and cold trap temperature maintaining circuit of the freeze-drying device of the freeze-drying apparatus is specifically designed for the first compressor, p1 pipe, p2 pipe, B1 solenoid valve, p12 pipe, hot plate, p8 pipe, B3 electron valve, p13 pipe, p4 Piping, 1st condenser, p5 piping, 2nd condenser, p6 piping, B2 solenoid valve, 2nd expansion valve, p14 piping, cold trap, p15 piping, p10 piping, second evaporator, p11 piping, again to the first compressor Vacuum freeze drying apparatus employing a heat pump method characterized by having a subsequent configuration 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 동결건조 장치의 냉동사이클 중 콜드트랩냉각 및 온도유지회로는 구체 적으로 제1압축기, p1배관, p2배관, A1전자밸브, p3배관, p4배관, 제1응축기, p5배관, 제2응축기, p6배관, B2전자밸브, 제2팽창변, p14배관, 콜드트랩, p15배관, p10배관, 제2증발기, p11배관, 및 다시 제1압축기로 연속하여 이어지는 구성을 갖는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치Cold trap cooling and temperature holding circuit of the freeze-drying device of the freeze-drying apparatus is specifically a first compressor, p1 pipe, p2 pipe, A1 solenoid valve, p3 pipe, p4 pipe, the first condenser, p5 pipe, the second condenser, The heat pump method is characterized by having a configuration continuously connected to the p6 pipe, the B2 solenoid valve, the second expansion valve, the p14 pipe, the cold trap, the p15 pipe, the p10 pipe, the second evaporator, the p11 pipe, and the first compressor. One vacuum lyophilizer 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 동결건조 장치의 냉동사이클에는 콜드트랩의 제상사이클이 추가로 구비되고, 상기 제상사이클은 제1압축기, 제1응축기, 콜드트랩, 제3팽창변, 열판, 및 다시 제1압축기로 연속하여 이어지는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치The freeze cycle of the freeze-drying apparatus is further provided with a cold trap defrost cycle, the defrost cycle is continuously connected to the first compressor, the first condenser, the cold trap, the third expansion valve, the hot plate, and again to the first compressor. Vacuum lyophilizer adopting the characteristic heat pump method 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 저온사이클회로의 제3응축기는 냉동사이클의 각 회로의 상기 제2증발기와 상호 열교환하도록 접촉 설치되는 것이 특징인 히트펌프 방식을 채용한 진공 동결건조 장치The third condenser of the low temperature cycle circuit is a vacuum freeze-drying apparatus employing a heat pump method characterized in that the contact is installed so as to exchange heat with the second evaporator of each circuit of the refrigeration cycle.
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