低溫冷架的製作方法
2023-11-05 11:23:27
專利名稱：低溫冷架的製作方法
一般來講本發明涉及的是冷凍乾燥，具體地說，本發明涉及用來進行冷凍乾燥的冷架。
冷凍乾燥是一種除去冰狀游離水的升華技術。由於冷凍乾燥可以除去生物製品的水分，保持生物製品的完整，因而，對藥品工業尤其有用。在冷凍乾燥過程中，使含水的製品冷凍，在水蒸汽的分壓力下降到水的三相點以下而處於真空狀態下，冷凍水升華，再將升華了的冰從乾燥器中除去。
在乾燥步驟之前使含水產品完全冷凍是很重要的。此外，由於含水產品一般都含有另一種溶劑和/或可溶性固體，產品的冰點，即最低易熔溫度一般都大大低於水的冰點。例如，糖基生物製品的最低易熔溫度可低達-65℃。因此，冷凍乾燥要求在短時間內提供大量的製冷量。
以前，冷凍乾燥一直用商用機械冷凍系統完成。但是這種機械設備常用的製冷劑，如氟裡昂，已被認為對環境有害，因而正從商業使用中消失。但是，從熱力學觀點來講，更換製冷劑使其有效地用在冷凍乾燥的應用上是不成問題的。此外，機械製冷裝置用的替代製冷劑一般具有腐蝕性，並且有毒，還要求不同的壓縮化，因此使它們使用的運行費用昂貴。另外還需要附加的中間傳熱流體，這就使能達到的溫度範圍受到嚴格限制。
已知低溫流體如液氮或氣氮很冷，且能釋放出大量的冷量。但是以前尚未把低溫流體用於冷凍乾燥器的冷架。冷架是放有冷凍乾燥的含水製品的平臺。在進行冷凍乾燥時，使整個冷架上的溫度均勻，以保證製品的質量很重要。低溫流體的冷量釋放很難控制。以前一直難以用低溫流體為冷凍乾燥器的整個冷架提供幾乎均勻的溫度分布。
因此，本發明的一個目的就是提供一種可以使用低溫流體作為製冷源，並可在整個冷架上提供較均勻的冷凍溫度的冷凍乾燥系統的冷架。
本發明的另一個目的是提供一種可以使用低溫流體作為製冷源，以便可以不使用中間換熱流體，並消除使用中間換熱流體而帶來的溫度範圍限制的用於冷凍乾燥系統的冷架。
通過閱讀說明書，上述及其它目的對本領域的技術人員會更明顯，這些目的可以通過本發明達到，本發明的一方面是一種低溫冷架，包括若干限定冷架容積的隔板及一個在所述冷架容積內的製冷劑分布器，該製冷劑分布器與低溫流體源相連通，並能使低溫流體流過，所述製冷劑分布器包括一個具有第一支線和第一支線下遊的第二支線的主流道，所述第一支線具有多個從第一支線伸出的第一分支，及所述第二支線具有多個從第二支線伸出並位於所述各第一分支之間的第二分支。
本發明的另一方面是一種低溫冷架，包括若干限定冷架容積的隔板及一個在所述冷架容積內的製冷劑分布器，該製冷劑分布器與低溫流體源相連通，並能使低溫流體流過，所述製冷劑分布器包括一個具有一個低溫流體入口和其長度貫穿冷架容積的主流道，該製冷劑分配器還有多個與主流道相連通的沿主流道長度方向伸出的分支，所述分支具有使低溫流體流出製冷劑分布器，並流進冷架容積的多個孔，靠近低溫流體入口的至少一個分支的孔小於遠離低溫流體入口的至少一個分支的孔。
這裡所用的術語「低溫流體」指溫度等於或低於-80℃的流體。
圖1表示為本發明實施例的冷凍乾燥的供應低溫流體的設備簡圖。
圖2表示本發明的已除去上板的低溫冷架的一個實施例的平面簡圖。
圖3表示本發明的已除去上板的低溫冷架的另一個實施例的平面簡圖。
圖4表示能使本發明的低溫冷架容易地垂直移動的一個優選接頭的橫截面圖。
下面將參照附圖，並以汽化了的液氮作為低溫液體詳述本發明。任何有效的低溫流體均可用於實施本發明。低溫流體可以是液態、氣態或氣/液混合物。在可用於實施本發明的低溫流體組分中有氮、氬、氧、氦和空氣。
圖1表示使用低溫流體的冷凍乾燥系統的總結構簡圖。參照圖1，液氮流1供入文丘裡管2。文丘裡管具有一個收縮圓錐體和一個擴張圓錐體。當壓縮了的低溫流體通過時，該流體將低壓廢氮氣15引入文丘裡管中心。因此，如果需要，可使部分廢氮氣9循環，來混合或蒸發部分進來的低溫流體1。
液氮3從文丘裡裡管2中抽出，與熱氮氣流4匯合形成流體5，流體5在共軸混合器6中混合。共軸混合器6中的混合作用使液氮汽化並形成低溫氣體。該低溫氣體流在管道7中流進冷凍乾燥器8。該冷凍乾燥器具有多個垂直定位的冷架，冷架上放有冷凍乾燥的含木製品。在低溫氣體用於冷凍乾燥的冷架後，低溫氣體就通過管道9從冷凍乾燥器的冷架中抽出。廢氮氣分成三部分。管道9中的一部分廢氮氣10從系統中抽出。另一部分11流入文丘裡管12，添加的液氮流13也進入文丘裡管12。流體氮14從文丘裡管12中抽出。通常冷凝器16在10℃狀態下運行，比冷凍乾燥器8的冷架要冷。流體14可直接用於冷凝器16。流體9的第三部分15如上所述流入文丘裡管2，用於形成上述的流體3。如果需要，可使氮氣流19通過加熱器20而受熱，以形成流體4，流體4如前述的那樣與流體3混合。
在冷卻和冷凍循環中只需從加熱器20中得到很少的熱量。測量冷凍乾燥器中溫度的溫度程序器將給流體19提供熱量。當含水製品已充分冷凍，真空循環開始時，溫度程序器將逐漸給加熱器20提高熱負荷。第二溫度程序器可逐漸增加低溫流體1的溫度，或逐漸混入的室溫氮氣。在循環結束時，流體7可高達60℃，而流體1則可供應室溫氮氣。低溫流體13一直保持冷凍溫度，直到制動器已經關閉含水製品。
圖2表示可用於如圖1所示的冷凍乾燥器的本發明的低溫冷架的平面圖。參照圖2，冷架25包括限定冷架容積的若干個隔板。在圖2中，為了說明製冷劑分布器，冷架25的上板未示出。冷架25的下板圖示為板26。
在冷架25的冷架容積內布置有製冷劑分布器27，該製冷劑分布器與低溫流體源28相連通，如圖1中系統管道7所示。製冷劑分布器27能使低溫流體流過。通常，製冷劑分布器27包括內徑在0.125至3英寸之間的管。
製冷劑分布器27包括主流道和分支流道。主流道包括第一部分或第一支線29及第一支線下遊的第二部分或第二支線30。第一支線29具有多個從第一支線最好以90°角伸出的第一分支31，第二支線30具有多個從第二支線最好以90°角伸出的第二分支32。第二分支32至少有一個位於第一分支31之間。由於製冷劑分布器27的主流道的壓降，從第一支線29伸出的第一分支31得到的低溫流體比從下遊的第二支線30伸出的第二分支32得到的低溫流體要稍多一些。例如，以這種方法使流動中距低溫流體入口28最近，因而通過的低溫流體流量最大的分支33與流動中距低溫流體入口28最遠、因而通過的低溫流體流量最少的分支34相匹配。從而在整個冷架容積內達到了低溫流體的均勻分布。
第一和第二分支都打有孔，孔徑一般在1/64英寸到1/4英寸的範圍內。低溫液體從第一和第二分支的孔中流出，流入冷架容積內，在冷架容積內把冷量送入上板和下板，由此再傳遞給冷凍乾燥的含水製品。由於在整個冷架容積內低溫流體的均勻分布，在整個冷架區域內溫度是均勻的。廢低溫流體通過出口管35從冷架容積內抽出，例如對應於圖1中設置的管道9。
在圖2所示的本發明的實施例中，主流道的第一支線位於冷架容積的中心區域，主流道的第二支線位於冷架容積的周邊區域。本領域的技術人員能意識到其它布置也是有效的。例如，第一支線可位於一個周邊區域，而第二支線可位於另一個周邊區域。在另一種布置中，第一和第二支線都可位於冷架容積的中心區域。
圖3表示本發明的另一個實施例。圖3所示的冷架45有些類似於圖2所示的冷架，這裡不再詳述上板和下板，冷架容積，管的尺寸，及與低溫流體源相連通的共同特徵。
現在參看圖3，製冷劑分布器46包括主流道47及沿主流道長度方向伸出的若干分支48。最好主流道47基本上延伸通過整個冷架容積的長度。主流道一端有低溫流體入口49，低溫流體入口49用於接受進入製冷劑分布器的低溫流體。位置靠近低溫流體入口49的分支例如分支50的孔小於遠離低溫流體入口49的分支的孔(例如分支51)。這樣，儘管沿主流道47有壓降，低溫流體通過遠離入口49的分支仍以與通過靠近入口49的分支大致相同的流量流入冷架容積內。通常較遠的分支如分支51的平均孔徑為1/48英寸至1/4英寸，較近的分支上的如分支50的平均孔徑為1/64英寸至1/5英寸。這樣，低溫流體提供給冷架的冷量在整個冷架表面上就能平均分布，因而可達到與圖2所示的本發明的實施例同樣的效果。
廢低溫流體可按與冷架25中相同的方式從冷架45的冷架容積內抽出。圖3表示了一個從冷架容積內抽出廢低溫流體的優選系統，其中廢流體從冷架容積內均勻抽出，從而進一步避免了在冷架區域內產生溫度梯度。現在參看圖3，抽出管道52的長度延伸通過整個冷架45，並且具有多個沿抽出管道52的長度方向向外伸出的分支53，及在抽出管道52長度方向的一端有一個流體排出管。遠離排出管54的分支例如分支55的孔類似於分支51的孔，這些孔大於靠近非出管54的分支例如分支56的孔，這些孔與分支50上的那些孔類似。從排出管54排出的廢流體能如圖1管道9所示的那樣流出冷凍乾燥器。
在冷凍乾燥時，可能需要上下移動垂直分層配置的低溫冷架，以便塞住或處理裝有製品的瓶子或其他容器。可以使用圖4所示的接頭把冷架擠壓在一起；而不損壞低溫流體管。參看圖4，通過低溫傳輸管65和可在低溫傳輸管中移動的低溫管66把低溫流體供應給製冷劑分布器。低溫管66沿長度方向有真空保溫層67，在低溫管66和低溫傳輸管65的連接處有接頭68，接頭68包括由氟烴、石墨或其它低溫密封材料製成的密封套69和燃氣加熱密封套70，這兩個密封套都用密封螺母71固定。上述密封套使低溫流體不洩漏，並防止它進入冷凍乾燥器的真空室。如燃氣入口72和燃氣出口73所示，一般熱氣體在燃氣加熱密封套70內循環，以保持上述密封材料在其璃態轉變溫度或脆化溫度以上。密封套和燃氣加熱密封套的長度將取決於低溫冷架的垂直移動距離。圖4所示的接頭將使本發明的冷架隨附帶的剛性低溫傳輸管容易地垂直移動，因而進一步強化了本發明的利用。如果在冷架升溫到室溫前不需要移動冷架，則不需要圖4所示的接頭，用低溫軟管連接就足夠了。
雖然已結合某些優選實施例對本發明作了詳細描述，但本領域的普通技術人員明白，本發明還有一些其他實施例在權利要求限定的精神範圍內。
權利要求
1.一種低溫冷架，包括若干個限定冷架容積的隔板，及一個與低溫冷源相連通、能夠使低溫流體流過的在所述冷架容積內的製冷劑分布器，所述製冷劑分布器包括一個具有一個第一支線和一個第一支線下遊的第二支線的主流道，所述第一支線具有多個從第一支線伸出的第一分支，所述第二支線具有多個從所述第二支線伸出、並位於所述各第一分支之間的第二分支。
2.如權利要求1所述的低溫冷架，其中第一支線位於冷架容積的中心區域，第二支線位於冷架容積的周邊區域。
3.如權利要求1所述的低溫冷架，進一步包括從冷架容積抽出低溫流體的裝置，所述抽出裝置包括一條有一定長度和一個出口管道的抽出管道，該裝置還有若干個沿長度方向的抽出分支，至少有一個距出口管道較遠的分支上的一些孔大於至少一個距出口管道較近的分支上的那些孔。
4.如權利要求1所示的低溫冷架，進一步包括一個把製冷劑分布器連到低溫流體源的接頭，所述接頭包括一個密封套和一個圍繞密封套的燃氣加熱密封套，所述燃氣加熱密封套包括一個接收熱氣體的裝置和一個排出熱燃氣的裝置，所述密封套套在能相對於所述密封套移動的製冷劑分布器管外。
5.如權利要求1所述的低溫冷架，其中低溫流體源是氮源。
6.一種低溫冷架，包括若干個限定冷架容積的隔板，及一個與低溫冷源相連通、能夠使低溫流體流過的在所述冷架容積內的製冷劑分布器，所述製冷劑分布器包括一個具有一個低溫流體入口、其長度貫穿冷架容積的主流道，該製冷劑分配器還有若干沿主流道的長度方向與主流道連通的分支，所述分支具有多個讓低溫流體從製冷劑分布器流出、並流入冷架容積的孔，比較靠近低溫流體入口的至少一個分支上的孔小於遠離低溫流體入口的至少一個分支上的那些孔。
7.如權利要求6所述的低溫冷架，其中主流道位於冷架空間的中間區域。
8.如權利要求6所述的低溫冷架，進一步包括從冷架容積內抽出低溫流體的裝置，所述抽出裝置包括一條具有一定長度和一個出口管道的抽出管道，該裝置還有若干沿其長度方向的抽出分支；至少有一個距出口管道較遠的抽出分支上的孔大於至少一個較靠近出口管道的抽出分支上的孔。
9.如權利要求6所述的低溫冷架，進一步包括一個把製冷劑分布器連接到低溫流體源的接頭，所述接頭包括一個密封套和一個圍繞密封套的燃氣加熱密封套，所述燃氣加熱密封套包括一個接收熱氣體的裝置和一個排出熱氣體的裝置，所述密封套套在能相對於所述密封套移動的製冷劑分布器管外。
10.如權利要求6所述的低溫冷架，其中低溫流體源為氮源。
全文摘要
一種用於冷凍乾燥系統的低溫冷架,具有一個使低溫流體以不同速度流入冷架的冷架容積內的製冷劑分布器,以便為整個冷架提供均勻的冷量,從而使整個冷架溫度均勻。
文檔編號F26B5/06GK1185578SQ97122860
公開日1998年6月24日 申請日期1997年11月3日 優先權日1996年12月16日
發明者A·T·Y·鄭, D·L·德瓦克 申請人:普拉塞爾技術有限公司