KR100789215B1 - A vacuum freeze drying device using binary refrigeration and heat pump methods - Google Patents
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Abstract
Description
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
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
(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
(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
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
(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
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.
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