RU2320942C2

RU2320942C2 - Laboratory lyophilic drier

Info

Publication number: RU2320942C2
Application number: RU2005117756/06A
Authority: RU
Inventors: Игорь Александрович Молчаков (RU); Игорь Александрович Молчаков; Александр Сергеевич Казанцев (RU); Александр Сергеевич Казанцев; Игорь Владимирович Матюк (RU); Игорь Владимирович Матюк; Борис Владимирович Иванов (RU); Борис Владимирович Иванов; Александр Арсентьевич Арсентьев (RU); Александр Арсентьевич Арсентьев
Original assignee: Игорь Александрович Молчаков; Александр Сергеевич Казанцев; Игорь Владимирович Матюк; Борис Владимирович Иванов; Александр Арсентьевич Арсентьев
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2008-03-27
Also published as: RU2005117756A

Abstract

FIELD: microbiology, chemical and food industries; drying facilities.

SUBSTANCE: proposed drier contains vacuum chamber connected to vacuum pump through branch pipe with shutoff valve. Thermoelectric modules using for operation Peltier effect are installed from outer side of bottom. Said thermoelectric modules are designed for freezing product to be dried through dielectric backing in contact with bottom of vacuum chamber at supply of dc voltage of definite polarity and for controlled heating of product at sublimation stage at supply of dc voltage of opposite polarity. Vacuum chamber is furnished with desublimator made in form of removable cover. Thermoelectric modules are installed in cover, being similar in design to first modules. Surfaces of modules outer relative to vacuum chamber can be cooled by water heat exchangers.

EFFECT: provision of required process of drying.

Description

Изобретение относится к сушильной технике, в частности к оборудованию для лиофильной сушки, и может быть использовано в микробиологической, химической и пищевой промышленности.The invention relates to drying equipment, in particular to equipment for freeze drying, and can be used in the microbiological, chemical and food industries.

Известна лиофильная сушилка для сушки термолабильных веществ, содержащая холодильный агрегат, вакуумный насос, поддон для сосудов с высушиваемым продуктом, установленный между крышкой и полостью сублимационного конденсатора и имеющий отверстия для прохода пара (патент РФ №2052182, МПК F26В 5/06, 1996).Known freeze dryer for drying thermolabile substances, containing a refrigeration unit, a vacuum pump, a tray for vessels with a dried product, installed between the lid and the cavity of the freeze-dried condenser and having openings for the passage of steam (RF patent No. 2052182, IPC F26В 5/06, 1996).

Известная сушилка не обеспечивает регулирования процесса.Known dryer does not provide process control.

Известна вакуум-сублимационная сушилка, содержащая вакуумную камеру, состоящую из секций и подключенную к вакуум-насосу через патрубки с запирающими клапанами, десублиматор, термоэлектрические модули, принцип действия которых основан на эффекте Пельтье, заключающемся в нагревании одного и охлаждении другого спая при пропускании постоянного электрического тока. Термоэлектрические модули служат одновременно в качестве нагревателей для вышестоящей секции и десублиматора для нижней секции камеры (патент РФ №2183307, МПК F26В 5/06, 2000) - ближайший аналог.Known vacuum freeze dryer containing a vacuum chamber consisting of sections and connected to a vacuum pump through nozzles with shut-off valves, a desublimator, thermoelectric modules, the principle of which is based on the Peltier effect, which consists in heating one and cooling the other junction by passing a constant electric current. Thermoelectric modules simultaneously serve as heaters for the higher section and desublimator for the lower section of the chamber (RF patent No. 2183307, IPC F26V 5/06, 2000) - the closest analogue.

В известной сушилке с помощью одних и тех же термоэлектрических модулей нагревается продукт и десублимируется влага. Известно, что на холодных спаях термоэлектрических модулей, основанных на эффекте Пельтье, поглощается теплота, равная холодопроизводительности термоэлектрических модулей. На горячих спаях выделяется теплота, равная холодопроизводительности термоэлектрических модулей и мощности, затраченной на их питание. Последняя достаточна велика и сравнима с мощностью охлаждаемых элементов. С другой стороны, теплота сублимации и десублимации равны. Поэтому при такой конструкции известной сушилки количество тепла, выделяющееся на горячих спаях термоэлектрических модулей и подводимое к сублимируемому продукту, будет постоянно превышать количество тепла, отводимое холодными спаями при конденсации испаренной влаги, что приведет к перегреву всей системы и сделает ее неработоспособной. Количество тепла, выделяющееся на горячих спаях термоэлектрических модулей, для каждой последующей верхней секции возрастает.In the known dryer, using the same thermoelectric modules, the product is heated and moisture is sublimated. It is known that on cold junctions of thermoelectric modules based on the Peltier effect, heat is absorbed, equal to the cooling capacity of thermoelectric modules. Heat is generated on hot junctions equal to the cooling capacity of thermoelectric modules and the power spent on their power. The latter is large enough and comparable with the power of the cooled elements. On the other hand, the heat of sublimation and desublimation are equal. Therefore, with this design of the known dryer, the amount of heat released on the hot junctions of the thermoelectric modules and supplied to the freeze-dried product will constantly exceed the amount of heat removed by the cold junctions during condensation of the evaporated moisture, which will lead to overheating of the entire system and render it inoperative. The amount of heat released on the hot junctions of thermoelectric modules increases for each subsequent upper section.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка, а именно, обеспечение работоспособности лиофильной сушилки, использующей термоэлектрические модули Пельтье, и регулирования процесса сушки.The task of the invention is to eliminate this drawback, namely, ensuring the operability of a freeze dryer using Peltier thermoelectric modules, and regulating the drying process.

Указанная задача решается тем, что в лабораторной лиофильной сушилке, содержащей вакуумную камеру, подключенную к вакуум-насосу через патрубок с запирающим клапаном, десублиматор, нагревающие или охлаждающие термоэлектрические модули, контактирующие с дном вакуумной камеры, десублиматор выполнен в виде съемной крышки вакуумной камеры, а внутри крышки также установлены термоэлектрические модули, служащие для охлаждения полости вакуумной камеры, при этом внешние по отношению к вакуумной камере поверхности термоэлектрических модулей, расположенных на наружной поверхности дна вакуумной камеры, и термоэлектрических модулей в крышке имеют возможность охлаждения, например, с помощью водяных теплообменников.This problem is solved in that in a laboratory freeze dryer containing a vacuum chamber connected to a vacuum pump through a nozzle with a shut-off valve, a desublimator, heating or cooling thermoelectric modules in contact with the bottom of the vacuum chamber, the desublimator is made in the form of a removable cover of the vacuum chamber, and thermoelectric modules are also installed inside the lid, which serve to cool the cavity of the vacuum chamber, while the surfaces of thermoelectric modules external to the vacuum chamber, aspolozhennyh on the outer surface of the bottom of the vacuum chamber, and thermoelectric modules in the lid have the possibility of cooling, for example using water heat exchangers.

На чертеже изображена предлагаемая сушилка, поперечный разрез.The drawing shows the proposed dryer, a cross section.

Сушилка содержит вакуумную камеру 1, подключенную к вакуум-насосу 2 через патрубок 3 с запирающим клапаном 4. Дно камеры 1 служит установочной поверхностью для ампул или флаконов. С внешней стороны дна установлены термоэлектрические модули 5, принцип действия которых основан на эффекте Пельтье. Каждый такой модуль представляет собой полупроводниковое устройство, состоящее из полупроводниковых ветвей с проводимостью p- и n-типа, расположенных между двумя диэлектрическими подложками, на поверхностях которых имеются коммутационные площадки, соединяющие полупроводниковые ветви в единую электрическую цепь. Термоэлектрические модули 5 предназначены для замораживания сушимого продукта через диэлектрическую подложку, контактирующую с дном вакуумной камеры 1 при подаче постоянного напряжения определенной полярности, и для регулируемого нагрева продукта на стадии сублимации при подаче постоянного напряжения противоположной полярности. Ко дну камеры 1 прикреплен датчик температуры 6. Вакуумная камера 1 снабжена десублиматором, выполненным в виде съемной крышки 7. В крышке 7 установлены термоэлектрические модули 8, конструктивно аналогичные модулям 5. Внешние по отношению к вакуумной камере 1 поверхности модулей 8 и 5 имеют возможность охлаждения с помощью соответственно водяных теплообменников 9 и 10.The dryer contains a vacuum chamber 1 connected to a vacuum pump 2 through a pipe 3 with a shut-off valve 4. The bottom of the chamber 1 serves as a mounting surface for ampoules or vials. On the outside of the bottom, thermoelectric modules 5 are installed, the principle of operation of which is based on the Peltier effect. Each such module is a semiconductor device, consisting of semiconductor branches with p- and n-type conductivity, located between two dielectric substrates, on the surfaces of which there are switching platforms connecting the semiconductor branches into a single electric circuit. Thermoelectric modules 5 are designed to freeze the dried product through a dielectric substrate in contact with the bottom of the vacuum chamber 1 when a constant voltage of a certain polarity is applied, and for controlled heating of the product at the sublimation stage when a constant voltage of the opposite polarity is applied. A temperature sensor 6 is attached to the bottom of the chamber 1. The vacuum chamber 1 is equipped with a desublimator made in the form of a removable cover 7. Thermoelectric modules 8 are installed in the cover 7, structurally similar to the modules 5. The surfaces of the modules 8 and 5 external to the vacuum chamber 1 are capable of cooling using respectively water heat exchangers 9 and 10.

Сушилка работает следующим образом.The dryer operates as follows.

В вакуумную сушильную камеру 1 помещают колбы или флаконы с сушимым продуктом. Камеру 1 закрывают крышкой 7. На термоэлектрические модули 5 подается постоянный электрический ток с полярностью напряжения, обеспечивающей замораживание продукта через контактирующие с дном камеры 1 подложки термоэлектрических модулей, на которых происходит поглощение тепла (холодные спаи). При этом горячие спаи термоэлектрических модулей 5, находящиеся с противоположной стороны, охлаждаются водяным теплообменником 10. На стадии замораживания продукта для интенсификации процесса также подается постоянный электрический ток на термоэлектрические модули 8 съемной крышки 7 с полярностью напряжения, обеспечивающей замораживание продукта через подложки термоэлектрических модулей, контактирующие с крышкой 7 (холодные спаи). При этом горячие спаи термоэлектрических модулей 8, находящиеся с противоположной стороны, охлаждаются водяным теплообменником 9. После замораживания продукта включают вакуумный насос 2, который обеспечивает необходимый вакуум в сушильной камере 1. Затем начинают стадию сушки. Для этого на термоэлектрических модулях 5 меняется полярность напряжения, в результате чего к продукту подводится тепло. При этом охлаждение противоположной стороны термоэлектрических модулей 5 с помощью водяного теплообменника 10 отключают. Влага из продукта конденсируется на крышке 7, охлаждаемой термоэлектрическими модулями 8, и превращается в лед.In a vacuum drying chamber 1, flasks or bottles with a dried product are placed. The chamber 1 is closed with a cover 7. A constant electric current with voltage polarity is applied to the thermoelectric modules 5, which ensures freezing of the product through the substrates of thermoelectric modules in contact with the bottom of the chamber 1, on which heat is absorbed (cold junctions). In this case, the hot junctions of thermoelectric modules 5, located on the opposite side, are cooled by a water heat exchanger 10. At the stage of product freezing, a direct electric current is also supplied to thermoelectric modules 8 of the removable cover 7 with voltage polarity providing freezing of the product through the substrates of thermoelectric modules in contact with lid 7 (cold junctions). In this case, the hot junctions of thermoelectric modules 8, located on the opposite side, are cooled by a water heat exchanger 9. After freezing the product, a vacuum pump 2 is turned on, which provides the necessary vacuum in the drying chamber 1. Then, the drying stage is started. For this, the polarity of the voltage changes on thermoelectric modules 5, as a result of which heat is supplied to the product. In this case, the cooling of the opposite side of the thermoelectric modules 5 using the water heat exchanger 10 is turned off. Moisture from the product condenses on the lid 7, cooled by thermoelectric modules 8, and turns into ice.

Claims

Laboratory freeze dryer containing a vacuum chamber connected to a vacuum pump through a nozzle with a shut-off valve, a desublimator, heating or cooling thermoelectric modules in contact with the bottom of the vacuum chamber, characterized in that the desublimator is made in the form of a removable cover of the vacuum chamber, and also inside the cover thermoelectric modules are installed, which serve to cool the cavity of the vacuum chamber, while the surfaces of thermoelectric modules external to the vacuum chamber are located and the outer surface of the bottom of the vacuum chamber, and thermoelectric modules in the lid have the possibility of cooling, for example using water heat exchangers.