KR19980063562A

KR19980063562A - 극저온 냉선반

Info

Publication number: KR19980063562A
Application number: KR1019970057623A
Authority: KR
Inventors: 알란 태트 얀 쳉; 도날드 레오나르드 드박
Original assignee: 조안엠.젤사; 프랙스에어테크놀로지,인코포레이티드
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 1998-10-07
Also published as: CA2219967A1; CN1185578A; US5701745A; BR9705902A; KR100373596B1; EP0848221A1; ID19139A; CA2219967C

Abstract

극저온 유체를 냉선반의 선반 부피로 다른 속도로 유입시키기 위한 한제 분배기를 가져 선반 전체에 균일한 냉기를 제공하고, 그 결과 냉선반이 균일한 온도가 되는 동결건조 시스템용 극저온 냉선반.

Description

극저온 냉선반

본 발명은 일반적으로 동결건조, 보다 구체적으로 동결건조를 수행하기 위하여 사용되는 냉선반에 관한 것이다.

동결건조는 유리수를 얼음의 형태로 제거하는 승화 공정이다. 동결건조는 제약산업에서 생물학적 생성물로부터 물을 제거하는데 특히 유용한데, 그것은 동결건조가 생물학적 생성물을 완전히 보존하기 때문이다. 동결건조에서 수함유 생성물은 동결되고, 물의 삼중점 미만으로 감소된 수증기의 부분 압력인 진공하에서 동결수는 승화하며, 승화된 얼음은 건조기로부터 제거된다.

수함유 생성물은 건조 단계 전에 완전히 동결시키는 것이 중요하다. 더욱이, 수함유 생성물은 일반적으로 다른 용매 및/또는 용해성 고체를 포함하기 때문에, 소위 최저 공융 온도라 불리우는 생성물의 어는점은 일반적으로 물의 어는점보다 훨씬 낮다. 가령, 당을 기본으로 하는 생물학적 생성물의 최저 공융 온도는 -65℃만큼 낮을 수 있다. 따라서, 동결건조는 짧은 시간 동안 충분한 냉기의 제공을 필요로 한다.

지금까지, 동결건조는 통상적으로 기계적 동결 시스템을 사용하여 수행되어 왔다. 그러나, 그러한 기계적 장치에서 일반적으로 사용되는 예를 들면 프레온과 같은 냉매는 환경에 유해한 것으로 간주되어 왔고, 통상적인 사용에서 제외되고 있다. 대체 냉매는 열역학적으로 그만큼 효과적이지 않아, 동결건조의 응용을 요구하는 분야에서 사용하는데 문제가 있다. 더욱이, 기계적 냉동 장치용 대체 냉매는 일반적으로 부식성이고 유독하며 다른 압축비를 요구하여, 조작상의 관점에서 그들의 사용을 고가로 한다. 더욱이, 중간의 열전달 유체를 추가로 필요로 하므로, 도달될 수 있는 온도 범위가 심각하게 제한된다.

액체 및 기체 질소와 같은 극저온 유체는 매우 차갑고, 상당한 양의 냉기를 수송할 수 있다고 알려져 있다. 그러나, 극저온 유체가 동결건조기의 냉선반를 냉각시키기 위하여 사용된 적은 지금까지 없었다. 냉선반은 수함유 생성물이 동결건조를 위해 놓이는 플랫폼이다. 생성물 특성을 유지시키기 위하여 온도가 냉선반 전체에 걸쳐 균일한 것은 동결건조를 수행하는데 있어서 중요하다. 극저온 유체로부터 냉기의 방출을 조절하는 것은 매우 어렵다. 지금까지, 극저온 유체를 사용하여 동결건조기의 냉선반 전체에 걸쳐 거의 균일한 온도 분포를 제공하는 것은 실시 불가능하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 극저온 유체가 냉각원으로서 사용될 수 있고 비교적 균일한 차가운 온도를 냉선반 전체에 걸쳐 제공할 수 있는 동결건조 시스템용 냉선반를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 극저온 유체가 냉각원으로서 사용되어, 중간의 열전달 유체에 대한 필요성 및 수반되는 온도범위에 있어서의 제한을 제거한 동결건조 시스템용 냉선반을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시에서 사용될 수 있는 동결건조용 극저온 유체를 제공하기 위한 한 장치의 단순화된 개략도이다.

도 2는 상부 패널이 제거된 본 발명의 극저온 냉선반의 한 실시태양의 단순화된 평면도이다.

도 3은 상부 패널이 제거된 본 발명의 극저온 냉선반의 다른 실시태양의 단순화된 평면도이다.

도 4는 본 발명의 극저온 냉선반의 수직 운동을 더 용이하게 하는 바람직한 조인트의 단면도이다.

본 개시를 읽으면 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 분명하게 될 상기 및 기타 목적이 본 발명에 의해 달성된다. 그 중의 한 면은:

선반 부피를 한정하는 일정한 간격이 유지된 패널 및 극저온 유체원과 흐름 소통이 되고 그를 통과하는 극저온 유체 흐름을 가질 수 있는 상기 선반 부피 내의 한제(cryogen) 분배기를 포함하는데, 상기 한제 분배기는 첫 번째 다리 및 첫 번째 다리의 하부의 두 번째 다리를 가지는 주흐름 경로를 포함하고, 상기 첫 번째 다리는 첫 번째 다리로부터 연장된 복수의 첫 번째 가지를 가지며, 상기 두 번째 다리는 두 번째 다리로부터 연장되고 상기 첫 번째 가지 사이에 배향된 복수의 두 번째 가지를 가지는 극저온 냉선반이다.

본 발명의 다른 면은:

선반 부피를 한정하는 일정한 간격이 유지된 패널 및 극저온 유체원과 흐름 소통이 되고 그를 통과하는 극저온 유체 흐름을 가질 수 있는 상기 선반 부피 내의 한제(cryogen) 분배기를 포함하는데, 상기 한제 분배기는 극저온 유체 입구을 가지며 선반 부피에 달하는 길이를 가지고 그 길이를 따라 주흐름 경로와 연결된 복수의 가지를 가지는 주흐름 경로를 포함하고, 상기 가지는 극저온 유체를 한제 분배기로부터 선반 부피로 유출시키기 위한 구멍을 가지고, 극저온 유체 입구 근처에 더 가깝게 위치한 적어도 하나의 가지는 극저온 유체 입구로부터 더 멀리 떨어진 적어도 하나의 가지보다 더 작은 구멍을 가지는 극저온 냉선반이다.

본 발명에서 사용되는 극저온 유체란 용어는 온도가 -80℃ 이하인 유체를 의미한다.

본 발명은 도면을 참조하고 극저온 유체로서 기화된 액체 질소를 사용하여 상세하게 설명될 것이다. 어떠한 유효한 극저온 유체도 본 발명의 실시에서 사용될 수 있다. 극저온 유체는 액체, 기체 또는 기체/액체 혼합물의 형태로 존재할 수 있다. 본 발명의 실시에서 극저온 유체로서 또는 극저온 유체 내에서 사용될 수 있는 성분으로는 질소, 아르곤, 산소, 헬륨 및 공기가 있다.

도 1은 극저온 유체를 사용하는 동결건조 시스템을 위한 하나의 전체 장치를 단순화된 형태로 도시하고 있다. 이제 도 1에서 보듯이, 액체 질소는 벤츄리관(2)로의 흐름(1)에 제공된다. 벤츄리관은 압축 코운(cone) 및 팽창 코운을 가진다. 가압된 극저온 유체가 통과할 때, 그것은 벤츄리관의 중심에 있는 저압의 소비된 질소가스(15)를 끌고 갈 것이다. 따라서, 필요에 따라, 소비된 질소가스(9)의 일부는 혼합하거나 유입되는 극저온 유체(1)의 일부를 기화시키기 위하여 재순환될 수 있다.

액체 질소(3)을 벤츄리관(2)로부터 유출시키고 흐름(4)에 있는 더운(warm) 질소가스와 혼합하여, 라인에 있는(in-line) 혼합기(6)에서 혼합되는 흐름(5)를 형성한다. 라인에 있는 혼합기(6)에서의 혼합 행위는 액체 질소가 기화하여 라인(7)을 통하여 동결건조기(8)로 유입되는 극저온 가스를 형성하도록 한다. 동결건조기는 수함유 생성물이 동결건조를 위하여 놓이는 복수의 수직으로 배향된 냉선반를 가진다. 극저온 가스는 동결건조를 위한 냉선반에서 사용된 후, 라인(9)에서 보듯이 동결건조기의 냉선반로부터 유출된다. 소비된 질소가스는 세부분으로 분리된다. 라인(9)에 있는 소비된 질소가스의 부분(10)은 시스템으로부터 유출된다. 다른 부분(11)은 흐름(13)에 있는 추가의 액체 질소도 또한 유입되는 벤츄리관(12)로 유입된다. 액체 질소는 흐름(14)에 있는 벤츄리관(12)로부터 유출된다. 보통 응축기(16)은 동결건조기(8)의 냉선반보다 10℃ 더 낮은 온도에서 작동하고 있다. 흐름(14)는 응축기(16)에서 직접 사용될 수 있다. 흐름(9)의 세 번째 부분(15)는 상술한 것처럼 벤츄리관(2)로 유입되고, 상기 흐름(3)을 형성하기 위하여 사용된다. 필요에 따라, 흐름(19)에 있는 질소가스는 가열기(20)을 통과함으로써 더워져, 상술한 바와 같이 흐름(3)과 혼합되는 흐름(4)를 형성한다.

냉각 및 동결 사이클 동안에 가열기(20)로부터 요구되는 열은 매우 적다. 동결건조기 내의 온도를 측정하는 온도 프로그래머는 흐름(19)에 열을 제공할 것이다. 수함유 생성물이 완전히 동결되고 진공 싸이클이 시작되었을 때, 온도 프로그래머는 점차로 가열기(20)로의 열부하를 증가시킬 것이다. 두 번째 온도 프로그램은 극저온 유체(1)의 온도를 점차로 증가시키거나, 상온의 질소가스에서 혼합할 수 있다. 싸이클의 끝에서 흐름(7)은 60℃의 고온에 도달할 수 있는 반면, 흐름(1)은 상온의 질소가스를 공급할 수 있다. 극저온 유체(13)은 스토퍼(stopper)가 수함유 생성물을 차단할 때까지 차가운 온도를 유지한다.

도 2는 도 1에 도시된 동결건조기(8)와 같은 동결건조기에서 사용될 수 있는 본 발명의 극저온 냉선반의 평면도를 도시한다. 이제 도 2에서 보듯이, 냉선반(25)은 그 사이에 선반 부피를 한정하는 일정한 간격이 유지된 패널을 포함한다. 도 2의 도시에서, 냉선반(25)의 상부 패널은 한제 분배기를 설명하기 위하여 도시되어 있지 않다. 냉선반(25)의 하부 패널은 패널(26)으로서 도시되어 있다.

냉선반(25)의 선반 부피 내에, 극저온 유체원(28), 예를 들면 도 1에 도시된 시스템의 라인(7)과 흐름 소통이 되는 한제 분배기(27)가 설치되어 있다. 한제 분배기(27)은 그를 통과하는 극저온 유체 흐름을 가질 수 있다. 통상적으로 한제 분배기(27)은 0.125 내지 3인치 범위의 내부 직경을 가지는 관을 포함한다.

한제 분배기(27)은 주흐름 경로 및 분지흐름 경로를 포함한다. 주흐름 경로는 첫 번째 부분 또는 첫 번째 다리(29) 및 두 번째 부분 또는 첫 번째 다리 하부의 두 번째 다리(30)를 포함한다. 첫 번째 다리(29)는 첫 번째 다리로부터 바람직하게는 90⁰각도로 연장된 복수의 첫 번째 가지(31)를 가지고, 두 번째 다리는 두 번째 다리로부터 바람직하게는 90⁰각도로 연장된 복수의 두 번째 가지(32)를 가진다. 두 번째 가지(32) 중 적어도 하나는 첫 번째 가지(31)사이에 배향된다. 첫 번째 다리(29)로부터 연장된 첫 번째 가지(31)는 하부의 두 번째 다리(30)으로부터 연장된 두 번째 가지(32)보다 한제 분배기(27)의 주흐름 경로를 통한 압력 강하 때문에 약간 많은 극저온 유체를 받는다. 이런 식으로, 예를 들면, 흐름 용어로 극저온 유체 입구(28)에 가장 가깝고 그를 통과하는 극저온 유체 유량이 가장 큰 가지(33)는 흐름 용어로, 입구(28)로부터 가장 멀어서 그를 통하여 흐르는 극저온 유체가 가장 작은 가지(34)와 조화된다. 그 결과, 극저온 유체의 균일한 분포가 냉선반 부피 전체에 걸쳐 달성된다.

첫 번째 및 두 번째 가지는 구멍의 직경이 일반적으로 1/64 내지 1/4인치의 범위가 되도록 천공된다. 극저온 유체는 첫 번째 및 두 번째 가지의 구멍으로부터 유출되어, 냉기를 상부 및 하부 패널로 그리고 거기서부터 동결건조를 위한 수함유 생성물로 전하는데 기여하는 냉선반 부피로 유입된다. 극저온 유체의 분포가 냉선반 부피 전체에 걸쳐 균일하기 때문에, 온도가 냉선반의 전 영역에서 균일하다. 소비된 극저온 유체는 냉선반 부피로부터 예를 들면, 도 1에 도시된 장치의 라인(9)에 해당하는 방출관(35)를 통하여 유출된다.

도 2에 도시된 발명의 실시태양에서 주흐름 경로의 첫 번째 다리는 냉선반 부피의 중앙 영역에 배치되고, 주흐름 경로의 두 번째 다리는 냉선반 부피의 주변 영역에 배치된다. 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 다른 장치도 역시 유효하다는 것을 인정할 것이다. 예를 들면, 첫 번째 다리가 한 주변 영역에 배치되고, 두 번째 다리가 다른 주변 영역에 배치될 수 있다. 또 다른 장치에서는 첫 번째 다리 및 두 번째 다리 둘 다가 냉선반 부피의 중앙 영역에 배치될 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시태양을 도시한다. 도 3에 도시된 냉선반(45)는 몇가지 점에서 도 2에 도시된 것과 유사하고 이러한 공통적인 특징, 즉 상부 및 하부 패널, 선반 부피, 관 크기 및 극저온 유체원과의 연결은 다시 상세하게 설명되지 않을 것이다.

이제 도 3에서 보듯이, 한제 분배기(46)은 주흐름 경로(47) 및 주흐름 경로의 길이를 따라서 연장된 가지(48)을 포함한다. 바람직하게 주흐름 경로(47)은 실질적으로 냉선반 부피의 전 길이에 걸친다. 주흐름 경로의 한 말단에 한제 분배기로의 극저온 유체를 수용하기 위한 극저온 유체 입구(49)가 있다. 극저온 유체 입구(49)에 더 가깝게 위치한 가지, 예를 들면 가지(50)은 극저온 유체 입구(49)로부터 더 먼 가지, 예를 들면 가지(51)에 있는 구멍 보다 더 작은 구멍을 가진다. 이런 식으로 극저온 유체는 주흐름 경로(47)의 길이를 따라 압력이 강하됨에도 불구하고, 입구(49)에서 더 가까운 가지를 통하여 선반 부피로 유입되는 극저온 유체와 거의 같은 유량으로 입구(49)로부터 더 멀리 떨어진 가지를 통하여 선반 부피로 유입된다. 통상적으로 가지(51)과 같이 더 멀리 떨어진 가지에 있는 구멍은 평균 직경이 1/48 내지 1/4인치 범위이고, 가지(50)과 같이 더 가까운 가지에 있는 구멍은 평균 직경이 1/64 내지 1/5인치 범위일 것이다. 이런 식으로 극저온 유체에 의해 냉선반에 제공되는 냉기는 냉선반의 전 표면에 걸쳐 균일하게 분포되어, 도 2에 도시된 본 발명의 실시태양에서와 유사한 효과를 얻는다.

소비된 극저온 유체는 선반(25)와 관련하여 설명된 것과 같은 방식으로 냉선반(45)의 선반 부피로부터 유출될 수 있다. 도 3은 소비된 유체가 선반 부피로부터 균일하게 유출되도록 하여 아울러 냉선반의 영역에 어떠한 온도 구배도 생성되지 않도록 하는 소비된 극저온 유체를 선반 부피로부터 유출시키기 위한 바람직한 시스템을 도시한다. 이제 다시 도 3에서 보듯이, 유출 라인(52)는 그 길이를 따라 외부로 연장된 복수의 가지(53) 및 그 길이의 말단에 위치한 유체 배출관(54)과 함께 냉선반(45) 전체에 걸친 길이를 갖는다. 배출관(54)로부터 더 멀리 떨어진 가지, 예를 들면 가지(55)는 가지(50)의 것과 유사한 구멍을 가지는 배출관(54)에 더 가까운 가지, 예를 들면 가지(56)보다 가지(51)의 것과 유사한 더 큰 구멍을 가진다. 그 때, 배출관(54)를 통하여 유출되는 소비된 유체는 도 1에 라인(9)로 표시된 것처럼 동결건조기로부터 유출될 수 있다.

동결건조에서, 수직으로 쌓인 극저온 냉선반을 생성물을 포함한 플라스크 또는 기타 용기를 마개를 막거나 그렇지 않으면 가공하기 위하여 위 아래로 이동시키는 것이 바람직할 수 있다. 냉선반은 도 4에 도시된 조인트를 사용하여 극저온 유체관을 손상시키지 않고 압착될 수 있다. 이제 도 4에서 보듯이, 극저온 유체는 극저온 이송관(65) 및 그 안에서 이동가능한 극저온관(66)에 의해 한제 분배기로 제공된다. 극저온관(66)은 그 길이를 따라 진공 단열재(67)을 가지고, 극저온 이송관(65)와 극저온관(66)의 연결부에 불화탄소, 흑연 또는 기타 저온 패킹 물질로 구성된 패킹 글랜드(gland)(69) 및 기체 가열 글랜드(70)을 포함하는 조인트(68)이 있는데, 양 글랜드는 패킹 너트(71)에 의해 제자리에 고정된다. 패킹 글랜드는 극저온 유체가 새어 동결건조기의 진공 챔버로 들어가지 못하도록 한다. 패킹 물질을 그 유리전이 또는 취화 온도 초과로 유지시키기 위하여 더운 공기가 기체 입구(72) 및 기체 출구(73)에서 보듯이 기체 가열 글랜드(70) 내부에서 순환된다. 패킹 글랜드 및 기체 가열 글랜드의 길이는 극저온 냉선반의 수직 이동 거리에 의존할 것이다. 도 4에 도시된 조인트는 본 발명의 극저온 냉선반이 결합된 단단한 극저온 이송관과 함께 수직으로 용이하게 이동하도록 하여, 본 발명의 이용가능성을 더욱 증진킬 것이다. 만약 어떠한 선반 이동도 선반이 상온으로 데워지기 전에 필요하지 않다면, 도 4에 도시된 조인트는 필요하지 않고 연결용의 유연한 극저온 호스면 충분하다.

본 발명이 어떤 바람직한 실시태양을 참고로 상세하게 설명되었을 지라도, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구범위의 정신 및 범위 내에 본 발명의 다른 실시태양이 있다는 것을 인정할 것이다.

본 발명의 동결건조 시스템용 냉선반에 따르면, 극저온 유체가 냉각원으로서 사용될 수 있고 비교적 균일한 차가운 온도를 냉선반 전체에 걸쳐 제공할 수 있다. 또한, 극저온 유체가 냉각원으로서 사용되어, 중간의 열전달 유체에 대한 필요성 및 수반되는 온도범위에 있어서의 제한을 제거할 수 있다.

Claims

선반 부피를 한정하는 일정한 간격이 유지된 패널 및 극저온 유체원과 흐름 소통이 되고 그를 통과하는 극저온 유체 흐름을 가질 수 있는 상기 선반 부피 내의 한제(cryogen) 분배기를 포함하는데, 상기 한제 분배기는 첫 번째 다리 및 첫 번째 다리의 하부의 두 번째 다리를 가지는 주흐름 경로를 포함하고, 상기 첫 번째 다리는 첫 번째 다리로부터 연장된 복수의 첫 번째 가지를 가지며, 상기 두 번째 다리는 두 번째 다리로부터 연장되고 상기 첫 번째 가지들 사이에 배향된 복수의 두 번째 가지를 가지는 극저온 냉선반.
제 1항에 있어서, 첫 번째 다리가 선반 부피의 중앙 영역에 위치하고, 두 번째 다리가 선반 부피의 주변 영역에 위치함을 특징으로 하는 극저온 냉선반.
제 1항에 있어서, 선반 부피로부터 극저온 유체를 유출시키기 위한 수단을 추가로 포함하는데, 상기 유출수단은 일정한 길이를 갖는 유출라인 및 배출구를 포함하고 그 길이를 따라 복수의 유출 가지를 가지며, 배출구로부터 더 멀리 떨어진 적어도 하나의 유출 가지는 배출구에 더 가까운 적어도 하나의 유출 가지에 있는 구멍보다 더 큰 구멍을 가짐을 특징으로 하는 극저온 냉선반.
제 1항에 있어서, 한제 분배기를 극저온 유체원에 연결시키기 위한 조인트를 추가로 포함하는데, 상기 조인트는 패킹 글랜드 및 패킹 글래드 주위의 기체 가열 글랜드를 포함하고, 상기 기체 가열 글랜드는 더운 공기를 수용하기 위한 수단 및 더운 공기를 배출시키기 위한 수단을 가지며, 상기 패킹 글랜드는 상기 패킹 글랜드에 대해 이동할 수 있는 한제 분배기의 관을 둘러 싸고 있음을 특징으로 하는 극저온 냉선반.
제 1항에 있어서, 극저온 유체원이 질소원임을 특징으로 하는 극저온 냉선반.
선반 부피를 한정하는 일정한 간격이 유지된 패널 및 극저온 유체원과 흐름 소통이 되고 그를 통과하는 극저온 유체 흐름을 가질 수 있는 상기 선반 부피 내의 한제(cryogen) 분배기를 포함하는데, 상기 한제 분배기는 극저온 유체 입구을 가지며 선반 부피에 달하는 길이를 가지고 그 길이를 따라 주흐름 경로와 연결된 복수의 가지를 가지는 주흐름 경로를 포함하고, 상기 가지는 극저온 유체를 한제 분배기로부터 선반 부피로 유출시키기 위한 구멍을 가지고, 극저온 유체 입구에 더 가깝게 위치한 적어도 하나의 가지는 극저온 유체 입구로부터 더 멀리 떨어진 적어도 하나의 가지보다 더 작은 구멍을 가지는 극저온 냉선반.
제 6항에 있어서, 주흐름 경로가 선반 부피의 중앙 영역에 위치함을 특징으로 하는 극저온 냉선반.
제 6항에 있어서, 선반 부피로부터 극저온 유체를 유출시키기 위한 수단을 추가로 포함하는데, 상기 유출수단은 일정한 길이를 갖는 유출라인 및 배출구를 포함하고 그 길이를 따라 복수의 유출 가지를 가지며, 배출구로부터 더 멀리 떨어진 적어도 하나의 유출 가지는 배출구에 더 가까운 적어도 하나의 유출 가지에 있는 구멍보다 더 큰 구멍을 가짐을 특징으로 하는 극저온 냉선반.
제 6항에 있어서, 한제 분배기를 극저온 유체원에 연결시키기 위한 조인트를 추가로 포함하는데, 상기 조인트는 패킹 글랜드 및 패킹 글래드 주위의 기체 가열 글랜드를 포함하고, 상기 기체 가열 글랜드는 더운 공기를 수용하기 위한 수단 및 더운 공기를 배출시키기 위한 수단을 가지며, 상기 패킹 글랜드는 상기 패킹 글랜드에 대해 이동할 수 있는 한제 분배기의 관을 둘러 싸고 있음을 특징으로 하는 극저온 냉선반.
제 6항에 있어서, 극저온 유체원이 질소원임을 특징으로 하는 극저온 냉선반.