KR102332807B1 - 동결건조기용 선반복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열교환 플레이트(110); 상기 열교환 플레이트(110)의 상면에 배치되되 열교환 플레이트(110)로부터 방출되는 열에너지를 피건조물에 균일하게 전달 가능한 열전달 플레이트(120); 상기 열전달 플레이트의 상면에 배치되되 피건조물을 상부에 배치하는 상부 플레이트(130); 및 상기 열교환 플레이트(110), 열전달 플레이트(120) 및 상부 플레이트(130)의 온도를 측정하는 온도센서 복합체(140);를 포함하고, 상기 열교환 플레이트(110)는 전기에 의해 발열되는 전열선(111); 및 상기 전열선(111)의 하부에 배치되는 냉매가스관(112);을 포함하는 동결건조기용 선반복합체를 제공한다.

Description

동결건조기용 선반복합체{Shelf assembly for freeze drying apparatus}
본 발명은 동결건조기용 선반복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원하는 시간 범위 내에서 다양한 피건조물에 대한 동결건조 온도를 미세하게 조절할 수 있는 동결건조기용 선반복합체에 관한 것이다.
동결건조기(Freeze drying apparatus)는 건조실 내부의 공기를 흡입하여 진공상태로 만들면서 흡입된 공기의 수분을 콜드트랩(Colde trap)을 이용하여 제거하는 것에 의해 건조실 내부의 피건조물을 동결건조하기 위한 장치로, 주로 식품가공 및 제약 등의 분야에서 실험 또는 산업의 용도로 사용되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 동결건조기의 모습을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 동결건조기는 기본적으로 피건조물(M)을 선반(11) 위에 배치하여 상기 피건조물(M)을 동결건조시키기 위한 건조실(100); 상기 건조실(100)에서 배출되는 공기가 유입되도록 상기 건조실(100)에 연결되고, 상기 건조실(100)로부터 유입되는 공기 중의 수증기를 냉각시키는 콜드트랩(20); 및 상기 콜드트랩(20)으로부터 배출되는 공기를 흡입하여 상기 건조실(100) 및 콜드트랩(20)의 진공상태를 유지하기 위한 진공펌프(30);를 포함하여 구성된다.
그러나, 종래기술에 따른 동결건조기는 다양한 피건조물(M)을 동결건조하기 위해 건조실의 온도 조건을 조절하기 어렵다는 문제점이 있었다. 구체적으로, 다양한 피건조물(M)을 최적화된 조건으로 동결건조하여 제품 품질을 우수하게 하기 위해서는 피건조물(M)의 형태, 수분 함유량 및 특성 등을 고려하여 건조실의 내부 온도를 미세하게 조정하여야 한다. 그러나, 종래기술에 따른 선반(11)은 금속 플레이트로 구성되어 자체 온도 조절 기능을 가지지 아니하기 때문에 콜드트랩(20)의 온도에 의존할 수 없다는 문제점이 존재한다.
이러한 피건조물의 미세한 온도조절을 위해 다양한 연구가 이루어지고 있다. 대한민국 등록특허 제10-1463853호는 "동결건조기용 발명 및 발냉장치"에 관한 것으로, 내부에 실리콘오일 성분의 비순환열매체가 수용되는 열매체 용기와; 상기 열매체용기의 저면에 밀착 배치되고, 별도의 온도제어 콘트롤러에 의해 정밀 제어되어 상기 열매체용기를 가열하는 히터; 상기 열매체용기에 의해 그 하단부가 감싸여지고, 그 내부에 에틸알콜 성분의 순환열매체가 저장되며, 그 상단부에 순환열매체가 공급되는 공급유로 및 회수되는 회수유로가 각각 마련된 진공탱크; 상기 진공탱크의 공급유로 및 회수유로와 각각 연결되고, 상기 순환열매체가 소정의 경로를 따라 순환된 후 배출되도록 하는 순환경로를 갖는 냉열판; 상기 냉열판의 순환경로를 따라 배치되고 냉매를 순환시켜 상기 순환경로를 따라 흐르는 상기 냉열판 내부 공기를 냉각시키는 냉매유로;를 포함하여 구성되는 동결건조기용 발열 및 발냉장치에 있어서, 상기 냉열판의 순환경로는 하단부가 상기 냉열판의 폭 방향으로 일정간격 이격되고, 상기 냉열판의 하단부와 연결되며, 그 상단부가 냉열판의 상단부와 일정거리 이격되는 구조를 갖는 상단 개방 구조의 복수의 제1격판과, 상기 복수의 제1격판 사이에 배치되고 그 하단부가 상기 냉열판의 하단부와 일정거리 이격되고 그 상단부가 냉열판의 상단부와 연결되는 구조를 갖는 하단 개방 구조의 복수의 제2격판을 통해 상하 지그재그 유로를 갖도록 형성되고, 상기 진공탱크의 공급유로는 상기 냉열판의 폭 방향 양단부에 각각 연결되며 상기 회수유로는 상기 냉열판의 중앙에 연결되는 구조로 되어, 상기 순환열매체가 공급유로를 통해 냉열판의 양측으로 공급된 후 상하 지그재그 순환경로를 거친 다음 중앙의 회수유로를 통해 상기 진공탱크로 순환되는 과정을 반복하며, 상기 제1격판 중 폭 방향을 따르는 양단부에 배치된 각각의 제1격판을 제외한 나머지 중앙의 제1격판의 하단부에 이 제1격판을 사이에 두고 그 양측 순환경로 상의 열매체가 서로 연통되도록 하는 연통공이 마련되고, 상기 복수의 제2격판 상단부에 각각 이들 제2격판을 사이에 두고 그 양측 순환경로 상의 열매체가 서로 연통되도록 하는 연통공이 마련되며, 상기 냉매유로로 흐르는 냉매 흐름을 차단하고, 상기 히터로 비순환열매체를 가열하며, 이 비순환열매체의 가열량에 의해 기상으로 변화된 순환열매체를 상기 냉열판의 순환경로를 따라 통과시켜 상기 순환경로상의 열매체로 상기 냉열판을 0~60도 이내의 온도로 가열하거나, 또는 상기 히터의 작동을 정지시키고, 상기 냉매유로로 냉매를 순환시켜 상기 냉열판 내부 공기를 냉각하며, 냉각된 내부 공기를 상기 냉열판의 순환경로를 따라 통과시켜 상기 냉열판을 0~-115도 이내의 온도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 동결건조기용 발열 및 발냉장치를 개시하고 있다. 상기 대한민국 등록특허 제10-1463853호에 따른 동결건조기용 발열 및 발냉장치는 순환냉매의 온도를 조절하여 고온에서부터 극저온 상태의 온도 제어가 가능하다는 이점은 있으나, 열매체를 간접 가열 및 냉각하여 동결건조기의 온도를 조절하기 때문에 온도의 즉각적인 변화 속도가 느리고, 원하는 시간 내에 피건조물의 온도를 미세하게 조절하기 어려우며, 열매체가 외부로 유출되어 장치 고장이 발생하는 경우가 많다는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1708699호는 "전달 효율이 향상된 트레이를 가지는 동결건조장치"에 관한 것으로, 동결 건조 대상체가 놓여지는 트레이(200)가 형성되고, 상기 트레이(200)는 내부에 열매체가 순환할 수 있도록 채널을 형성한 트레이부(20); 상기 트레이부(20)를 수용하는 내부 공간이 형성되고, 전방에 도어(110)에 의하여 개방밀폐 가능한 진공챔버(10); 상기 진공챔버(10) 내부를 진공배기하는 진공펌프(104);를 포함하고, 상기 트레이(200)는 상기 동결 건조 대상체가 놓여지는 상부플레이트; 상기 상부플레이트에서 하방으로 일정간격 떨어져 위치한 하부플레이트; 상기 상부플레이트와 하부플레이트 사이에 접하면서 요부와 철부가 반복하여 형성되도록 규칙적으로 주름지게 접혀진 금속호일(210);을 포함하되, 상기 금속호일(210), 상기 상부플레이트, 하부플레이트는 열매체가 흐르는 채널(211)을 형성하고, 상기 채널(211)은 상기 트레이(200)의 상부에서 보았을 때 물결무늬 또는 사인파의 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 열전달 효율이 향상된 트레이를 가지는 동결건조장치를 개시하고 있다. 상기 대한민국 등록특허 제10-1708699호에 따른 전달 효율이 향상된 트레이를 가지는 동결건조장치는 기존의 진공 동결건조장치의 트레이가 채용하지 않았던 새로운 구조의 유로를 채용함으로써 트레이의 열전달 효율을 향상시켜 진공 동결건조장치의 사용 에너지를 줄이고 공정 시간도 단축할 수 있다는 이점은 있으나, 열매체를 이용한 간접 가열방식으로 트레이를 가열하기 때문에 온도의 즉각적인 변화 속도가 느리고, 금속호일의 가공 비용이 높다는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1696837호는 "농수산물 동결건조장치"에 관한 것으로, 냉매를 고온고압으로 압축시키는 압축기(100)와; 고온고압의 냉매를 응축시키는 응축기(200); 농수산물을 동결 또는 건조시키는 냉온실(300); 상기 냉온실에서 농수산물 건조시 농수산물에서 발생되는 수분을 포집하는 콜드트랩(400); 및 냉매의 흐름 경로를 제어하여 상기 냉온실(300) 및 콜드트랩(400)을 냉각하거나, 또는 상기 냉온실(300)을 가열함과 동시에 콜드트랩(400)을 냉각하거나, 또는 상기 냉온실(300) 및 콜드트랩(400)을 동시에 가열하는 작동제어기(500); 로 구성되는 농수산물 동결건조장치에 있어서, 냉매를 고온고압의 냉매로 응축시키는 응축기(200)에서 상기 콜드트랩(400)으로 순환시키는 유로에는 냉매의 흐름을 제어하는 제1제어밸브(631)가 설치되어 있고, 냉매를 상기 냉온실(300)에서 상기 콜드트랩(400)으로 순환시키는 유로에는 상기 제1제어밸브(631)와 서로 상반되게 작동되어 냉매의 흐름을 제어하는 제2제어밸브(632)가 설치되어 있으며, 상기 제1제어밸브(631) 전단에는 응축기(200)에서 응축된 냉매를 압축기(100)로 회수하는 우회유로(633)가 형성되어 있고, 상기 우회유로(633)에는 상기 압축기(100)로 회수되는 냉매의 흐름을 제어하는 제3제어밸브(634)가 설치되어 있으며, 상기 작동제어기(500)는, 냉매가 상기 압축기(100)와, 응축기(200)를 통과한 후, 상기 냉온실(300)과 콜드트랩(400)으로 동시에 순환되도록 냉매경로를 변경하여 상기 냉온실(300) 및 콜드트랩(400)을 동시에 냉각하는 것을 특징으로 하는 농수산물 동결건조장치를 개시하고 있다. 상기 대한민국 등록특허 제10-1696837호에 따른 농수산물 동결건조장치는 압축기 및 응축기를 통과한 냉매로 냉온실 및 콜드트랩을 가열 및 냉각하여 별도의 냉각수단 또는 가열수단이 불필요하다는 이점은 있으나, 장치가 복잡하고 냉온실 온도의 즉각적인 변화 속도가 느리며 건조장치의 제조비용이 높다는 문제점이 있었다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 브라인(Brine) 또는 열매체유를 사용하지 않기 때문에 피건조물에 대한 온도를 즉각적으로 변화시킬 수 있고, 제조비용이 저렴하며, 원하는 시간 범위 내에서 다양한 피건조물에 대한 동결건조 온도를 미세하게 조절할 수 있는 동결건조기용 선반복합체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 동결건조기용 선반복합체는, 열교환 플레이트(110); 상기 열교환 플레이트(110)의 상면에 배치되되 열교환 플레이트(110)로부터 방출되는 열에너지를 피건조물에 균일하게 전달 가능한 열전달 플레이트(120); 상기 열전달 플레이트의 상면에 배치되되 피건조물을 상부에 배치하는 상부 플레이트(130); 및 상기 열교환 플레이트(110), 열전달 플레이트(120) 및 상부 플레이트(130)의 온도를 측정하는 온도센서 복합체(140);를 포함하고, 상기 열교환 플레이트(110)는 전기에 의해 발열되는 전열선(111); 및 상기 전열선(111)의 하부에 배치되는 냉매가스관(112);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 동결건조기용 선반복합체는, 상기 온도센서 복합체(140)로부터 측정된 온도를 기초로 상기 열교환 플레이트(110)를 제어하는 제어부(200);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전열선(111) 및 냉매가스관(112)은 상하로 수평 배치되되, 상기 전열선(111) 및 냉매가스관(112)이 상하로 수평 배치되는 수직 중심축이 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 열전달 플레이트(120)는, 알루미늄 기판(121); 및 상기 알루미늄 기판(121)의 상면에 부착되는 방열필름(122);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방열필름(122)은 반복적인 산 형상의 패턴이 연속적으로 배열된 형상을 가지고, 내부에 알루미늄 파우더 및 접착성 수지를 포함하는 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 피건조물에 대한 온도를 즉각적으로 변화시킬 수 있고, 제조비용이 저렴하며, 원하는 시간 범위 내에서 다양한 피건조물에 대한 동결건조 온도를 미세하게 조절할 수 있는 동결건조기용 선반복합체를 제공하는 발명의 효과를 가진다.
도 1은 종래기술에 따른 동결건조기의 모습을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동결건조기용 선반복합체를 포함하는 건조실의 모습을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동결건조기용 선반복합체의 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 플레이트의 모습을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 5 (A)는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 플레이트의 전열선 및 냉매가스관의 모습을 개략적으로 나타낸 측면도이고, (B)는 본 발명에 따른 열교환 플레이트의 전열선 및 냉매가스관의 배치 모습을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전달 플레이트의 모습을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되는 것으로, 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 기술되는 용어와 관련하여, '동결건조기'는 건조실 내부의 공기를 흡입하고, 흡입된 공기의 수분을 콜드트랩을 이용하여 제거하는 것에 의해 건조실 내부의 피건조물을 동결건조하기 위한 장치 뿐만 아니라 동결건조기의 환경을 진공으로 유지한 후 피건조물을 동결건조하는 진공동결건조기를 모두 포함한다. 또한, '선반'은 동결건조를 위한 피건조물을 상부에 배치하여 동결건조기의 건조실 내에서 사용될 수 있는 모든 용기를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동결건조기용 선반복합체를 포함하는 건조실의 모습을 개략적으로 나타낸 설명도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동결건조기용 선반복합체의 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 동결건조기용 선반복합체(100)는 동결건조기의 건조실 내부에 배치하여 사용되는 것으로, 피건조물(M)을 상부에 배치하여 동결건조시키기 위한 부재이다. 본 발명의 동결건조기용 선반복합체(100)는 열교환 플레이트(110); 상기 열교환 플레이트(110)의 상면에 배치되되 열교환 플레이트(110)로부터 방출되는 열에너지를 피건조물에 균일하게 전달 가능한 열전달 플레이트(120); 상기 열전달 플레이트의 상면에 배치되되 피건조물을 상부에 배치하는 상부 플레이트(130); 및 상기 열교환 플레이트(110), 열전달 플레이트(120) 및 상부 플레이트(130)의 온도를 측정하는 온도센서 복합체(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 동결건조기용 선반복합체(100)는 열교환 플레이트(110), 열전달 플레이트(120) 및 상부 플레이트(130)의 온도를 각각 측정하는 온도센서 복합체(140)를 포함하여 구성되기 때문에 온도센서 복합체(140)로부터 측정된 온도를 기초로 열교환 플레이트(110)를 제어하는 제어부(200)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 구체적으로, 제어부(200)는 열교환 플레이트(110)로부터 방출되는 열에너지가 열전달 플레이트(120)를 거쳐 상부 플레이트(130)로 전달되는 과정에서 발생하는 온도 차이를 미세하게 조정하기 위해 열교환 플레이트(110)의 가열 또는 냉각 상태를 제어할 수 있다. 제어부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 건조실 외부에서 조작 가능한 상태로 배치되되, 상기 온도센서 복합체(140)와 전기적으로 연결되도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 플레이트의 모습을 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 5 (A)는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 플레이트의 전열선 및 냉매가스관의 모습을 개략적으로 나타낸 측면도이고, (B)는 본 발명에 따른 열교환 플레이트의 전열선 및 냉매가스관의 배치 모습을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환 플레이트(110)는 전기에 의해 발열되는 전열선(111); 및 상기 전열선(111)의 하부에 배치되는 냉매가스관(112)을 포함하여 구성된다. 구체적으로, 전열선(111) 및 냉매가스관(112)은 상하로 수평 배치되되, 상기 전열선(111) 및 냉매가스관(112)이 상하로 수평 배치되는 수직 중심축이 동일 선상에 위치하도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 도 4 및 도 5(A)에 도시된 바와 같이, 전열선(111)은 위에서 관찰할 때 냉매가스관(112)의 상부에 배치하기 때문에 열교환 플레이트(110)의 온도를 상승시키는 경우에는 전열선(111)을 작동시키고, 열교환 플레이트(110)의 온도를 하강시키는 경우에는 냉매가스관(112)에 냉매를 공급하여 열교환 플레이트(110)의 미세한 온도 조절을 가능하게 한다. 또한, 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 전열선(111) 및 냉매가스관(112)이 수평 배치되는 중심축은 동일 선상에 위치하기 때문에 전열선(111) 및 냉매가스관(112)의 작동시 외부로의 온도전달의 효율이 우수하다는 이점을 갖는다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전달 플레이트의 모습을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열전달 플레이트(120)는 열교환 플레이트(110)로부터 방출되는 열에너지를 상부 플레이트(130)에 전달하는 것으로, 알루미늄 기판(121); 및 상기 알루미늄 기판(121)의 상면에 부착되는 방열필름(122)을 포함하여 구성될 수 있다. 구체적으로, 열전달 플레이트(120)는 열전도율이 우수한 두께가 얇은 알루미늄 기판(121)으로 구성하고, 방열필름(122)은 방열 기능이 우수한 접착성 필름으로 구성할 수 있다. 바람직하게는 본 발명의 방열필름(122)은 열확산 기능이 우수하도록 반복적인 산 형상의 패턴이 연속적으로 배열된 형상을 가지도록 디자인하고, 열전달 효율 및 접착 기능을 우수하게 하기 위해 내부에 알루미늄 파우더 및 접착성 수지를 포함하는 폴리머로 이루어지도록 구성한다. 또한, 상부 플레이트(130)는 열전달 플레이트(120)로부터 방출되는 열에너지가 쉽게 전달할 수 있는 소재로 구성되고, 그 소재에 대하여 특별히 제한되지는 아니한다.
본 발명에 따른 동결건조기용 선반복합체는 열에너지 발생 부재의 구성이 단순하고, 피건조물에 대한 즉각적인 열에너지의 전달이 가능하며, 구조가 단순하여 제조비용이 저렴하다는 이점을 갖는다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 동결건조기용 선반복합체
110: 열교환 플레이트
111: 전열선
112: 냉매가스관
120: 열전달 플레이트
121: 알루미늄 기판
122: 방열필름
130: 상부 플레이트
140: 온도센서 복합체
200: 제어부

Claims (5)

  1. 열교환 플레이트(110);
    상기 열교환 플레이트(110)의 상면에 배치되되 열교환 플레이트(110)로부터 방출되는 열에너지를 피건조물에 균일하게 전달 가능한 열전달 플레이트(120);
    상기 열전달 플레이트의 상면에 배치되되 피건조물을 상부에 배치하는 상부 플레이트(130);
    상기 열교환 플레이트(110), 열전달 플레이트(120) 및 상부 플레이트(130)의 온도를 측정하는 온도센서 복합체(140); 및
    상기 온도센서 복합체(140)로부터 측정된 온도를 기초로 상기 열교환 플레이트(110)를 제어하는 제어부(200);를 포함하고,
    상기 열교환 플레이트(110)는 전기에 의해 발열되는 전열선(111); 및 상기 전열선(111)의 하부에 배치되는 냉매가스관(112);을 포함하며,
    상기 전열선(111) 및 냉매가스관(112)은 상하로 수평 배치되되, 상기 전열선(111) 및 냉매가스관(112)이 상하로 수평 배치되는 수직 중심축이 동일 선상에 위치하고,
    상기 열전달 플레이트(120)는, 알루미늄 기판(121); 및 상기 알루미늄 기판(121)의 상면에 부착되는 방열필름(122);을 포함하되, 상기 방열필름(122)은 반복적인 산 형상의 패턴이 연속적으로 배열된 형상을 가지고, 내부에 알루미늄 파우더 및 접착성 수지를 포함하는 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동결건조기용 선반복합체.
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