(57)【要約】【課題】凍結乾燥装置において、被乾燥物からの昇華水蒸気を、凝縮捕集するトラップ管１２を冷却するようそれの内部に循環さす冷凍機９の冷媒が、熱交換により持ち出して冷凍機９の冷媒が、熱交換により持ち出して冷凍機９の凝縮部に移動させて、外部に放出させていた凝縮潜熱を、回収し、回収した熱量を、熱媒循環路ａの熱媒を加熱する加熱器７に供給して、被乾燥物に昇華潜熱を与えるようにする。【解決手段】トラップ管１２を冷媒により冷却する冷凍機９の凝縮部９ａと、棚５に熱媒を循環させる熱媒循環路ａに設ける加熱器７との間に、熱媒体を低温側の蒸発器部１５から高温側の凝縮器部１７との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、ヒートポンプＰの低温側は、冷凍機９の凝縮部９ａに、ヒートポンプＰの高温側は、熱媒循環路ａに設けた加熱器７に対し、接触・接続させる。【選択図】図２
2010144966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉可能な乾燥庫（１）と、その乾燥庫（１）内に設置されて内部に熱媒が循環する棚（５）と、乾燥庫（１）に接続連通する系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ（４）または真空排気系と、棚（５）に循環させる熱媒を冷却して棚（５）上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路（ａ）に設ける冷却器（８）と、棚（５）に循環さす熱媒を加熱して棚（５）上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路（ａ）に設ける加熱器（７）と、抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすよう設置せるトラップ管（１２）と、そのトラップ管（１２）に冷媒を循環させて冷却する冷凍機（９）と、を装備せる凍結乾燥装置において、
トラップ管（１２）を冷媒により冷却する冷凍機（９）の凝縮部（９ａ）と、乾燥庫（１）内に設置せる棚（５）の内部に熱媒を循環させる熱媒循環路（ａ）に設ける加熱器（７）との間に、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部（１５）から高温側の凝縮器部（１７）との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、そのヒートポンプ（Ｐ）の低温側の蒸発器部（１５）は、冷凍機（９）の凝縮部（９ａ）に、該凝縮部（９ａ）に移動してきた冷媒熱を熱交換により回収するよう接続・接触させ、ヒートポンプ（Ｐ）の高温側の凝縮器部（１７）は、熱媒循環路（ａ）の途中に設けた加熱器（７）に対し、蒸発器部（１５）で回収した冷媒熱が熱交換により加熱器（７）に供給されるよう接触・接続させたことを特徴とする凍結乾燥装置。
【請求項２】
密閉可能な乾燥庫（１）と、その乾燥庫（１）内に設置されて内部に熱媒が循環する棚（５）と、乾燥庫（１）に接続連通する系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ（４）または真空排気系と、棚（５）に循環させる熱媒を冷却して棚（５）上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路（ａ）に設ける冷却器（８）と、棚（５）に循環さす熱媒を加熱して棚（５）上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路（ａ）に設ける加熱器（７）と、抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすよう設置せるトラップ管（１２）と、そのトラップ管（１２）に冷媒を循環させて冷却する冷凍機（９）と、を装備せる凍結乾燥装置において、
トラップ管（１２）を冷媒により冷却する冷凍機（９）の凝縮部（９ａ）と、乾燥庫（１）内に設置せる棚（５）の内部に熱媒を循環させる熱媒循環路（ａ）に設ける加熱器（７）との間に、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部（１５）から高温側の凝縮器部（１７）との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、そのヒートポンプ（Ｐ）の低温側の蒸発器部（１５）は、冷凍機（９）の凝縮部（９ａ）に、該凝縮部（９ａ）に移動してきた冷媒熱を熱交換により回収するよう接続・接触させ、熱媒循環路ａには、熱媒を貯留する熱媒貯留タンク（Ｔ）を接続させて設け、その熱媒貯留タンク（Ｔ）内に、ヒートポンプ（Ｐ）の高温側の凝縮器部（１７）を、その熱媒貯留タンク（Ｔ）内の熱媒に対し直接に接触するように配設して、該熱媒貯留タンク（Ｔ）をもって熱媒循環路（ａ）の熱媒を、ヒートポンプ（Ｐ）の蒸発器部（１５）で回収した冷媒熱により加熱する加熱器（７）に構成したことを特徴とする凍結乾燥装置。
【請求項３】
密閉可能な乾燥庫（１）と、その乾燥庫（１）内に設置されて内部に熱媒が循環する棚（５）と、乾燥庫（１）に接続連通する系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ（４）または真空排気系と、棚（５）に循環させる熱媒を冷却して棚（５）上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路（ａ）に設ける冷却器（８）と、棚（５）に循環さす熱媒を加熱して棚（５）上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路（ａ）に設ける加熱器（７）と、抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすよう設置せるトラップ管（１２）と、そのトラップ管（１２）に冷媒を循環させて冷却する冷凍機（９）と、を装備せる凍結乾燥装置において、
トラップ管（１２）を冷媒により冷却する冷凍機（９）の凝縮部（９ａ）と、乾燥庫（１）内に設置せる棚（５）の内部に熱媒を循環させる熱媒循環路（ａ）に設ける加熱器（７）との間に、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部（１５）から高温側の凝縮器部（１７）との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、そのヒートポンプ（Ｐ）の低温側の蒸発器部（１５）は、冷凍機（９）の水冷コンデンサ（１０）とした凝縮部（９ａ）に対し、その水冷コンデンサの冷却水の循環路（ｅ）と蒸発器部（１５）との間で凝縮部（９ａ）に移動してきた冷媒熱を回収する熱交換が行われるよう接触・接続し、そのヒートポンプ（Ｐ）の高温側の凝縮器部（１７）は、熱媒循環路（ａ）に設けた加熱器（７）に対し、それら凝縮器部（１７）との間における熱交換により回収した冷媒熱の供給が行われるよう接触・接続したことを特徴とする凍結乾燥装置。
【請求項４】
密閉可能な乾燥庫（１）と、その乾燥庫（１）内に設置されて内部に熱媒が循環する棚（５）と、乾燥庫（１）に接続連通する系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ（４）または真空排気系と、棚（５）に循環させる熱媒を冷却して棚（５）上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路（ａ）に設ける冷却器（８）と、棚（５）に循環さす熱媒を加熱して棚（５）上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路（ａ）に設ける加熱器（７）と、抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすよう設置せるトラップ管（１２）と、そのトラップ管（１２）に冷媒を循環させて冷却する冷凍機（９）と、を装備せる凍結乾燥装置において、
棚（５）に熱媒を循環させる熱媒循環路（ａ）には、熱媒を貯留する熱媒貯留タンク（Ｔ）と、この熱媒貯留タンク（Ｔ）を跨いで並列するバイパス路（２０）と、これらタンク（Ｔ）とバイパス路（２０）とに対し熱媒循環路（ａ）を切り替えて連通させる熱媒切替弁（１８）とを設け、トラップ管（１２）を冷媒により冷却する冷凍機（９）の凝縮部（９ａ）と、乾燥庫（１）内に設置せる棚（５）の内部に熱媒を循環させる熱媒循環路（ａ）に設ける加熱器（７）との間に、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部（１５）から高温側の凝縮器部（１７）との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、そのヒートポンプ（Ｐ）の低温側の蒸発器部（１５）は、冷凍機（９）の水冷コンデンサ（１０）とした凝縮部（９ａ）に対し、その水冷コンデンサの冷却水の循環路（ｅ）と蒸発器部（１５）との間で凝縮部（９ａ）に移動してきた冷媒熱を回収する熱交換が行われるよう接触・接続し、そのヒートポンプ（Ｐ）の高温側の凝縮器部（１７）は、熱媒循環路（ａ）に接続せる加熱器（７）となる熱媒貯留タンク（Ｔ）に対し、そのタンク（Ｔ）の外周面またはそのタンク内の熱媒に接触して、それらの間における熱交換により回収した冷媒熱の供給が行われるよう接触・接続したことを特徴とする凍結乾燥装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被乾燥物の乾燥を、凍結乾燥により行う凍結乾燥装置に関する。
【０００２】
さらに詳しくいえば、医薬・食品等の被乾燥物を乾燥するのに、凍結乾燥装置の乾燥庫内に装入して庫内の棚上に載置した被乾燥物を、まず、棚の内部に循環させる熱媒の冷却により予備凍結させ、次いで凍結状態を保持させ、かつ、所定の真空度に保持させた状態において、庫内の棚の内部に循環させる熱媒の加熱により昇華潜熱を与えて、凍結状態の被乾燥物から水蒸気を昇華させ、その昇華水蒸気を、乾燥庫に接続連通するコールドトラップ室に抽き出し、コールドトラップ室内に設けて、冷凍機の循環する冷媒により冷却しておくトラップ管（冷却コイル）の外周に、凝結または凝縮させて捕集除去させることで、被乾燥物を凍結乾燥させる凍結乾燥装置についての改良に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
被乾燥物をまず凍結させ、これを、凍結状態に保持し、かつ、所定の真空度以下に保持せしめた状態において、これに昇華潜熱を与えて、水蒸気を昇華させ、その昇華水蒸気を、冷凍機の冷媒を循環させることで冷却させておく冷却コイルの外周に凝縮または凝結させて捕集し除去することによって行う被乾燥物の凍結乾燥装置は、通常、図１に示しているような構成としてある。
【０００４】
即ち、被乾燥物を装入する乾燥庫１は、庫内が所定の真空度に保持せしめ得るよう隔壁により気密に囲って構成し、被乾燥物を装入するための装入口（図示省略）を開閉自在の扉により密閉し得るよう装設し、庫内には、装入した被乾燥物を載架して支承せしめる棚５を棚設しておく。
【０００５】
この棚５に、熱媒ポンプ６の作動で熱媒が該棚５の内部を流過して循環するよう熱媒循環路ａを接続し、これに、循環する熱媒を冷却して棚５上に載置した被乾燥物を凍結させるための冷却器８と、循環する熱媒を加熱して棚５上に載置して凍結させた被乾燥物に昇華潜熱を与えるための電熱ヒーターなどの加熱手段で加熱作動する加熱器７とを接続して設けておく。前記冷却器８には、冷凍機９の冷媒が、膨張弁１１に制御された冷媒循環路ｂ１を介して循環する冷却コイル８ａが組み込まれる。
【０００６】
そして、乾燥庫１には、コールドトラップ室２を、真空配管３を介し連通させて接続するか、乾燥庫１にコールドトラップ室２を一体的に設けるか、または、乾燥庫１とコールドトラップ室２とが連結して並列するように設けるかして接続連通し、このコールドトラップ室２に、乾燥庫１からこのコールドトラップ室２に至る系内を所定の真空度に保持さすための真空ポンプ４または真空排気系を接続し、また、このコールドトラップ室２内には、乾燥庫１内の被乾燥物から発生して抽き出されてくる昇華水蒸気を凝結または凝縮させて捕集させるためのトラップ管（冷却コイル）１２を収蔵せしめ、このトラップ管１２に、冷凍機９の冷媒が膨張弁１１ａにより制御されて循環する冷媒循環路ｂ１を、冷凍機９のコンプレッサにより圧縮された冷媒ガスが、このトラップ管１２内において蒸発気化してその気化熱により該トラップ管１２を冷却し、冷媒ガスとなってコンプレッサに戻るサイクルで、循環するように接続し、これによりトラップ管１２を、循環する冷凍機９の冷媒が冷媒ガスに気化する蒸発熱により昇華水蒸気を再氷結させる温度に冷却するようにしておき、この冷却されるトラップ管１２の外周面に、乾燥庫１からトラップ室２に抽き出してきた昇華水蒸気を凝結または凝縮させて捕集せしめることで、乾燥庫１内に装入した被乾燥物を、凍結状態において乾燥させるように構成している。
【０００７】
このように凍結乾燥装置を用いて行う被乾燥物の凍結乾燥は、乾燥しようとする医薬・食品等の被乾燥物は、トレイ、又はバイアル瓶等の容器に入れ、その容器ごと乾燥庫１内に装入し、棚５の上に載架するが、まず、この装入した被乾燥物の予備凍結を行う。
【０００８】
この予備凍結は、冷凍機９を運転し、膨張弁１１ｂを開弁して冷媒を、冷媒循環路ｂ２を介し冷却器８の冷却コイル８ａに循環させて冷媒の気化熱により冷却器８を冷却作動させ、これにより熱媒循環路ａの熱媒を冷却して棚５を冷却することで行う。この予備凍結は通常、４〜６時間程度の時間を要して行われる。
【０００９】
予備凍結が完了したところで、膨張弁１１ａを開弁してトラップ室２内のトラップ管１２に、冷媒循環路ｂ１を介し冷凍機９の冷媒を流し、同時に、真空ポンプ４等の真空排気系を作動させて乾燥庫１からコールドトラップ室２に至る系内の真空排気を行い、その排気により、系内の真空度が所定の値に達したところで、熱媒循環路ａに設けた加熱器７を、電熱ヒーターまたは加熱手段の作動で、加熱作動させて、この熱媒循環路ａを循環する熱媒を加熱し、それにより加熱される棚５を介して、凍結状態の被乾燥物に昇華潜熱（６９０ｋｃａｌ／ｋｇ）を与える。
【００１０】
これにより、棚５上にある凍結状態の被乾燥物から水分が昇華し、その昇華水蒸気は、乾燥庫１に真空配管を介して接続・連通するコールドトラップ室２の冷却コイルよりなるトラップ管１２に向け抽き出されて、その冷却コイルのトラップ管１２の外周面に再氷結して捕集されていき、棚５上の被乾燥物は、図６に示しているように、被乾燥物の品温度を、マイナス２０度Ｃ程度の略一定の温度になるようにし、また、棚５の棚温度をプラス１０度Ｃ程度の略一定の温度に保持して数時間の乾燥が進行する一次乾燥と、被乾燥物の水分値の低下で、品温度が上昇し、これに棚温度を更に昇温させて、略プラス２０度Ｃ程度の温度に保持されて乾燥が数時間進行する二次乾燥の工程を経て、所定の水分値に乾燥していく。
【００１１】
このとき、昇華水蒸気がトラップ管１２の外周面に凝結していくときの凝結潜熱（６９０ｋｃａｌ／ｋｇ）は、トラップ管１２内を、冷凍機９の冷媒循環路ｂ２を介して流れる冷媒の蒸発熱との熱交換により冷媒に移行して系外に持ち出され、冷凍機９の冷媒循環路ｂ１に設けた冷媒の凝縮部において、そこに接続させた水冷コンデンサ１０等の熱交換手段の冷却水に移り、冷却水循環ポンプ１３によりクーリングタワー１４に送られ、そこで、大気に熱交換により放出される。冷凍機９の凝縮部が空冷式のコンデンサである場合には直接の大気との熱交換により放出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の凍結乾燥機を用いて、被乾燥物を凍結させ、これに昇華潜熱を与えて、含有水分を昇華蒸気として抽き出し、これをコールドトラップにより凝結させて捕集し除去することで行う凍結乾燥手段は、乾燥庫内に装入した被乾燥物を凍結させる予備凍結の工程の間、及び乾燥庫内を所定の真空度に保持して行う一次乾燥及びこれに続く二次乾燥の工程の間、庫内の棚５及びトラップ室２内のトラップ管１２を冷却するため、冷凍機９を稼動させて冷媒を循環させることで行う冷却熱の供給による多量の熱量を要し、また、一次乾燥及び二次乾燥の工程の間、凍結状態の被乾燥物に対し昇華潜熱を与えるため加熱器７を作動させて行う棚５の加熱に多量の熱量を要し、このためランニングコストを高くしている問題がある。
【００１３】
ところで、凍結乾燥装置Ｗにおいて、被乾燥物から抽き出された含水水分の昇華蒸気が、冷凍機９の冷媒循環路ｂ２によりトラップ管１２に循環する冷媒で冷却されるトラップ管１２の外周面に凝結捕集されるときの、冷媒の気化熱と熱交換される昇華蒸気の凝結潜熱は、冷凍機９の冷媒循環路ｂ１を循環する冷媒を凝縮させる凝縮部における放熱により、凍結乾燥装置Ｗの外部の屋外に捨てられている。
【００１４】
冷凍機９の凝縮部が水冷式コンデンサ１０である場合は、熱交換により冷却水に移行し、温排水となって出てくるのを、空気との熱交換によって、温熱気体として大気中に放出して捨て、冷凍機９の凝縮部が空冷式のコンデンサで場合にあっては、空気との直接の熱交換により、温熱気体として大気中に放出して捨てているので、この外部に捨てられている温熱気体が、地球温暖化の問題、特に都市部ではヒートアイランド現象の問題として今日緊急の課題となっている。
【００１５】
このことから、凍結乾燥手段には、昇華蒸気をトラップ管に凝結捕集させるために、冷凍機９の稼動により冷媒循環路ｂ１を介しトラップ管１２に循環させた冷媒が持ち出して、凝縮部において屋外に捨てている凝結潜熱を回収する熱交換器を組み込み、それにより回収した熱量を、熱媒循環路ａの熱媒を加熱する加熱器７に供給して、熱媒を加熱するようにすれば、従来、加熱器７に供給していた熱量の分だけ熱源費を低減させて、ランニングコストを低減させ得る、という課題が生じている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明においては、上述の課題を解決するための手段として、密閉可能な乾燥庫１と、その乾燥庫１内に設置されて内部に熱媒が循環する棚５と、乾燥庫１に接続連通する系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ４または真空排気系と、棚５に循環させる熱媒を冷却して棚５上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路ａに設ける冷却器８と、棚５に循環さす熱媒を加熱して棚５上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路ａに設ける加熱器７と、抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすよう設置せるトラップ管１２と、そのトラップ管１２に冷媒を循環させて冷却する冷凍機９と、を装備せる凍結乾燥装置において、トラップ管１２を冷媒により冷却する冷凍機９の凝縮部９ａと、乾燥庫１内に設置せる棚５の内部に熱媒を循環させる熱媒循環路ａに設ける加熱器７との間に、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部１５から高温側の凝縮器部１７との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、そのヒートポンプＰの低温側の蒸発器部１５は、冷凍機９の凝縮部９ａに、該凝縮部９ａに移動してきた冷媒熱を熱交換により回収するよう接続・接触させ、ヒートポンプＰの高温側の凝縮器部１７は、熱媒循環路ａの途中に設けた加熱器７に対し、蒸発器部１５で回収した冷媒熱が熱交換により加熱器７に供給されるよう接触・接続させたことを特徴とする凍結乾燥装置を提起し、また、
密閉可能な乾燥庫１と、その乾燥庫１内に設置されて内部に熱媒が循環する棚５と、乾燥庫１に接続連通する系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ４または真空排気系と、棚５に循環させる熱媒を冷却して棚５上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路ａに設ける冷却器８と、棚５に循環さす熱媒を加熱して棚５上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路ａに設ける加熱器７と、抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすよう設置せるトラップ管１２と、そのトラップ管１２に冷媒を循環させて冷却する冷凍機９と、を装備せる凍結乾燥装置において、トラップ管１２を冷媒により冷却する冷凍機９の凝縮部９ａと、乾燥庫１内に設置せる棚５の内部に熱媒を循環させる熱媒循環路ａに設ける加熱器７との間に、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部１５から高温側の凝縮器部１７との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、そのヒートポンプＰの低温側の蒸発器部１５は、冷凍機９の凝縮部９ａに、該凝縮部９ａに移動してきた冷媒熱を熱交換により回収するよう接続・接触させ、熱媒循環路ａには、熱媒を貯留する熱媒貯留タンクＴを接続させて設け、その熱媒貯留タンクＴ内に、ヒートポンプＰの高温側の凝縮器部１７を、その熱媒貯留タンクＴ内の熱媒に対し直接に接触するように配設して、該熱媒貯留タンクＴをもって熱媒循環路ａの熱媒を、ヒートポンプＰの蒸発器部１５で回収した冷媒熱により加熱する加熱器７に構成したことを特徴とする凍結乾燥装置を提起し、さらに、
密閉可能な乾燥庫１と、その乾燥庫１内に設置されて内部に熱媒が循環する棚５と、乾燥庫１に接続連通する系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ４または真空排気系と、棚５に循環させる熱媒を冷却して棚５上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路ａに設ける冷却器８と、棚５に循環さす熱媒を加熱して棚５上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路ａに設ける加熱器７と、抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすよう設置せるトラップ管１２と、そのトラップ管１２に冷媒を循環させて冷却する冷凍機９と、を装備せる凍結乾燥装置において、トラップ管１２を冷媒により冷却する冷凍機９の凝縮部９ａと、乾燥庫１内に設置せる棚５の内部に熱媒を循環させる熱媒循環路ａに設ける加熱器７との間に、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部１５から高温側の凝縮器部１７との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、そのヒートポンプＰの低温側の蒸発器部１５は、冷凍機９の水冷コンデンサ１０とした凝縮部９ａに対し、その水冷コンデンサの冷却水の循環路ｅと蒸発器部１５との間で凝縮部９ａに移動してきた冷媒熱を回収する熱交換が行われるよう接触・接続し、そのヒートポンプＰの高温側の凝縮器部１７は、熱媒循環路ａに設けた加熱器７に対し、それら凝縮器部１７との間における熱交換により回収した冷媒熱の供給が行われるよう接触・接続したことを特徴とする凍結乾燥装置を提起し、さらに、
密閉可能な乾燥庫１と、その乾燥庫１内に設置されて内部に熱媒が循環する棚５と、乾燥庫１に接続連通する系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ４または真空排気系と、棚５に循環させる熱媒を冷却して棚５上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路ａに設ける冷却器８と、棚５に循環さす熱媒を加熱して棚５上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路ａに設ける加熱器７と、抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすよう設置せるトラップ管１２と、そのトラップ管１２に冷媒を循環させて冷却する冷凍機９と、を装備せる凍結乾燥装置において、棚５に熱媒を循環させる熱媒循環路ａには、熱媒を貯留する熱媒貯留タンクＴと、この熱媒貯留タンクＴを跨いで並列するバイパス路２０と、これらタンクＴとバイパス路２０とに対し熱媒循環路ａを切り替えて連通させる熱媒切替弁１８とを設け、トラップ管１２を冷媒により冷却する冷凍機９の凝縮部９ａと、乾燥庫１内に設置せる棚５の内部に熱媒を循環させる熱媒循環路ａに設ける加熱器７との間に、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部１５から高温側の凝縮器部１７との間を循環するよう流動させて低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、そのヒートポンプＰの低温側の蒸発器部１５は、冷凍機９の水冷コンデンサ１０とした凝縮部９ａに対し、その水冷コンデンサの冷却水の循環路ｅと蒸発器部１５との間で凝縮部９ａに移動してきた冷媒熱を回収する熱交換が行われるよう接触・接続し、そのヒートポンプＰの高温側の凝縮器部１７は、熱媒循環路ａに接続せる加熱器７となる熱媒貯留タンクＴに対し、そのタンクＴの外周面またはそのタンク内の熱媒に接触して、それらの間における熱交換により回収した冷媒熱の供給が行われるよう接触・接続したことを特徴とする凍結乾燥装置を提起するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、被乾燥物を凍結乾燥装置で凍結乾燥させるときの、被乾燥物に昇華潜熱を与えるための被乾燥物に対する熱の供給を、トラップ管を冷却する冷凍機の冷媒熱を冷凍機の凝縮部においてヒートポンプにより回収して、その回収した冷媒熱を供給することで行っているのだから、被乾燥物に対し昇華潜熱を与えるために供給する熱が、従来捨てられていた冷凍機の冷媒熱によりまかなわれるようになって、凍結乾燥装置のランニングコストを低減し得る。
【００１８】
又クーリングタワーにて周囲環境に捨てられていた温排気体を回収することで省エネルギーにより地球温暖化対策そしてヒートアイランド現象を低減することで社会的責任を担うこととなります。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に発明の実施の態様を実施例につき図面に従い詳述する。
【実施例１】
【００２０】
図２は、本発明を実施せる凍結乾燥装置Ｗの各構成部材を輪郭で概要を示して配置関係を表した全体の展開図で、同図において、１は乾燥すべき被乾燥物を庫内に装入せしめる乾燥庫で、内部を所定の真空度に保持せしめ得るよう隔壁により気密に囲われ、その隔壁には、被乾燥物を装入するための装入口が開閉自在の扉により密閉し得るよう装設され、内部には装入した被乾燥物を載架する棚５が装備されている通常のものである。
【００２１】
２は、前記乾燥庫１に対し真空配管３を介して接続連通させたコールドトラップ室で、それの室内には、前記乾燥庫１内の棚５上に載架せる被乾燥物から昇華させた水蒸気を凝縮または凝結させて捕集せしめるためのトラップ管（冷却コイル）１２が配設してある。このコールドトラップ室２には、前記乾燥庫１から該トラップ室２に至る系内を所定の真空度に保持するための真空ポンプ４または真空排気系が接続してある。このコールドトラップ室２は、乾燥庫１の内部空間を共用した形態に設ける場合がある。この場合は、後述するトラップ管１２は乾燥庫１内に設置される態様となる。
【００２２】
ａは、前述の乾燥庫１内に棚設せる棚５の温度を所望に調整するために、その棚５の内部の管路に熱媒を流過させる熱媒循環路で、熱媒を強制的に循環させるための熱媒循環ポンプ６と、熱媒を冷却して棚５上の被乾燥物を凍結させるための冷却器８と、棚５上に凍結させた被乾燥物に昇華潜熱を与えるために熱媒循環路ａに循環さす熱媒に給熱して加熱する加熱器７とが装設してある。
【００２３】
９は、前述のコールドトラップ室２内に装備せるトラップ管１２を、その内部に循環さす冷媒により冷却する冷凍機である。冷凍機９は、冷媒ガスを加圧するコンプレッサと、加圧した冷媒ガスを凝縮し冷媒液に液化させる凝縮部９ａと、液化させた冷媒を前記コンプレッサの加圧による圧力で膨張弁１１ａを介し噴出させて冷媒ガスに気化・蒸発させる蒸発部９ｂと、蒸発部において気化した冷媒ガスが凝縮部に戻って液化し再び蒸発部に流れるようにこれらを接続・連通させる冷媒の循環路ｂ１とからなり、蒸発部において冷媒が気化する気化熱により周囲から熱を奪って冷却する通常の冷凍機であり、冷媒の循環路ｂ１を、コンプレッサにより加圧されて高圧となって流れる冷媒が、膨張弁１１ａを介しトラップ管１２内に噴出し、このトラップ管１２内を蒸発部９ｂとして冷媒ガスに気化し、その気化した冷媒ガスが、凝縮部９ａに戻って凝縮部９ａにおいて液化し、コンプレッサによる圧力で再びトラップ管１２内に流れるよう冷媒の循環路ｂをトラップ管１２に対し接続させてある。
【００２４】
この冷凍機９の冷媒の循環路ｂ１は、循環路ｂ２を分枝させて、熱媒循環路ａに設けた冷却器８にも、膨張弁１１ｂを介し冷媒を送給し、冷却器８を蒸発部として冷凍機９の冷媒が循環するように接続させてあり、冷凍機９で冷却器８も冷却作動させるようにしている。（図では切り替え電磁弁は省略している。）
【００２５】
また、冷凍機９は、この実施例においては、トラップ管１２内において気化して冷媒ガスを、凝縮部９ａにおいて冷媒に液化させたとき、その液化した冷媒を、凝縮部９ａと離して設けた冷媒レシーバ９ｃに一たん貯め、ここから、コンプレッサによる加圧の圧力により蒸発部としたトラップ管１２に送り出すようにしてある。
【００２６】
Ｐは、冷凍機９の凝縮部９ａから、通常、冷却水を介しての外気との熱交換または直接の外気との熱交換により屋外に捨てられている冷凍機９の冷媒の凝結潜熱である冷媒熱を回収して、その熱を、被乾燥物に与える昇華潜熱の熱源として、棚５に循環させる熱媒の加熱器に供給するために、冷凍機９の凝縮部９ａと熱媒循環路ａに設けた加熱器７との間に配設したヒートポンプである。
【００２７】
ヒートポンプＰは、熱媒体をポンプの圧力で低温側の蒸発器部から高温側の凝縮器部との間を循環するよう流動させて低温側の蒸発器部から高温側の凝縮器部に熱移動させる通常のヒートポンプであり、この例においては、熱媒体に炭酸ガス冷媒を用い、これを循環路ｃ内に封入し、コンプレッサ１６による圧力で循環路ｃ内を、凝縮器が収蔵された凝縮器部１７から膨張弁１１ｃを経て蒸発器を収蔵した蒸発器部１５に流れ、その蒸発器部１５からコンプレッサ１６を経て再び凝縮器部１７に流れるよう循環させ、これにより低温側の蒸発器部１５で熱交換により熱媒体に取り込んだ熱を高温側の凝縮器部１７に移動させ、凝縮器部１７において熱交換により、被加熱体を加熱するようにしている通常のものである。
【００２８】
そして、このヒートポンプＰは、この実施例においては、循環路ｃの一側に設けた低温側の蒸発器部１５を、凍結乾燥装置Ｗのトラップ管１２を冷却する冷凍機９の凝縮器９ａに直結的に組み合わせて接触・接続させ、この冷凍機９の凝縮器９ａと蒸発器部１５との間において直接的に熱交換が行われるようにしている。
【００２９】
また、凝縮器部１７は、凍結乾燥装置Ｗの棚５に循環させる熱媒の循環路ａに設けた熱媒加熱用の加熱器７に対し、その加熱器７を加熱作動させるよう接続させて、循環路ｃを流れる熱媒体の熱を凝縮部１７において熱交換により加熱器７に給熱して循環路ａ内の熱媒を加熱するようにしている。
【００３０】
従って、この実施例においては、冷凍機９の冷媒が、トラップ管１２に昇華水蒸気を凝結させるときに、冷凍機９の冷媒に移行して凝縮器９ａに運ばれてくる凝結潜熱（約６９０ｋｃａｌ／ｋｇ）の冷媒熱は、凝縮器９ａに直結的に組み合わせたヒートポンプＰの蒸発器部１５における熱交換によって回収され、回収された熱がヒートポンプＰの熱媒体により凝縮器部１７に移動し、凝縮器部１７から熱媒体を介し加熱器７に供給されていくようになって、冷凍機９の冷媒熱により、被乾燥物に昇華潜熱を与えるための熱媒の加熱を行うようになる。
【実施例２】
【００３１】
図３は別の実施例を示している。この例は、凍結乾燥装置Ｗの冷凍機９の凝縮器９ａと、乾燥庫１内の棚５に循環させる熱媒の循環路ａに設ける熱媒加熱用の加熱器７との間に、熱媒体を、ポンプの圧力で、低温側の蒸発器部から高温側の凝縮器部との間を循環するよう流動させて、低温側から高温側に熱移動させるヒートポンプＰを配設し、冷凍機９の凝縮器９ａから、冷却水を介しての外気との熱交換または直接の外気との熱交換により屋外に捨てられている冷凍機９の冷媒熱を、ヒートポンプＰの低温側の蒸発器部で熱交換により回収して、その回収した熱を、乾燥庫１内の棚５に循環させる熱媒の循環路ａに設けた加熱器７に、ヒートポンプＰの高温側の凝縮器部との間の熱交換により供給することで、冷凍機９のトラップ管１２を冷却した冷媒熱によって、被乾燥物に昇華潜熱を与えるための被乾燥物の加熱が行われるようにすることについては、上述の実施例のものと変わりがないが、ヒートポンプＰにより、冷凍機９の凝縮器９ａから回収した冷媒熱を、棚５上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう棚５に循環させる熱媒に対し供給する構成手段において前述の実施例と差異のあるものである。
【００３２】
即ち、熱媒の循環路ａの、加熱器７を付設する部位には、循環路ａを循環する熱媒を貯留する熱媒貯留タンクＴを接続連通させて設けるとともに、その熱媒貯留タンクＴを跨ぐバイパス路２０を設け、さらに、熱媒循環路ａを、この熱媒貯留タンクＴとバイパス路２０とに、切り替え連通させる三方弁に形成した熱媒切替弁１８を設けている。そして、熱媒貯留タンクＴ内には、ポンプ１６により熱媒体が循環路ｃを循環するヒートポンプＰの凝縮器部１７の外面が該タンクＴ内の熱媒体に直接接触するように直結的に配設してある。
【００３３】
そして、これにより、ヒートポンプＰの蒸発器部１５と冷凍機９の凝縮器９ａとの間における熱交換により冷凍機９の凝縮器９ａから回収した冷媒熱を、ヒートポンプＰの凝縮器部１７における熱媒との直接の熱交換により、昇温した熱媒として熱媒に移行させ、その昇温させた熱媒を熱媒貯留タンクＴに貯め、かつ、ヒートポンプＰの作動により循環路ｃを繰り返して循環する熱媒体によって次第に高温の熱媒として、蓄熱貯留していき、加熱器７の作動を必要とするときに、熱媒切替弁１８を作動させて、熱媒貯留タンクＴ内に貯留した高温の熱媒を熱媒循環路ａに流して、その熱媒循環路ａの熱媒を加熱昇温させるようにしている。
【００３４】
この実施例においては、棚５の加熱を要しない棚５上の被乾燥物を凍結させる予備凍結の工程の間に、冷凍機９の凝縮器９ａに移動してくる冷媒熱も、熱媒貯留タンクＴに昇温した熱媒として貯留していけるようになる。
【実施例３】
【００３５】
図４は、さらに別の実施例を示している。この例は、凍結乾燥装置Ｗの冷凍機９の凝縮器９ａからの、ヒートポンプＰによる冷媒熱の回収を、前述の実施例２においては、凝縮器９ａにヒートポンプＰの蒸発器部１５を直結的に接触組み合わせることで、直接的な熱交換により行っているのに対し、冷凍機９の凝縮器９ａに組み合わされた水冷コンデンサ１０に循環する冷却水を介して、間接的にヒートポンプＰで回収し、この回収した冷媒熱を、棚５上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路ａの熱媒に供給するようにしている例である。
【００３６】
この例における凍結乾燥装置Ｗは、被乾燥物を装入する乾燥庫１と、装入した被乾燥物を載架せしめるよう乾燥庫１の庫内に装備せしめる棚５と、乾燥庫１に真空配管３を介して接続連通せしめるコールドトラップ室２と、乾燥庫１からコールドトラップ室２に至る系内を所定の真空度に保持せしめるよう接続する真空ポンプ４または真空排気系と、棚５に循環させる熱媒を冷却して棚５上の被乾燥物を凍結させるよう熱媒循環路ａに設ける冷却器８と、棚５に循環さす熱媒を加熱して棚５上の被乾燥物に昇華潜熱を与えるよう熱媒循環路ａに設ける加熱器７と、コールドトラップ室２に抽き出した昇華水蒸気を凝縮または凝結させて捕集さすようコールドトラップ室２内に設置せるトラップ管１２と、そのトラップ管１２に冷媒を循環させて冷却する冷凍機９と、により構成している前述の実施例のものと同様の通常の凍結乾燥装置である。
【００３７】
しかし、この凍結乾燥装置Ｗの冷凍機９の凝縮器９ａから冷媒熱を回収するよう組み合わせるヒートポンプＰは、冷凍機９の凝縮部に組み合わせている水冷コンデンサ１０に流す冷却水の管路を、循環ポンプ１３により冷却水が循環する循環路ｅに構成して、この循環路ｅをヒートポンプＰの蒸発器部１５に、それらの間において熱交換が行われるように接触接続させることで、ヒートポンプＰによる冷凍機９の冷媒熱の回収が、水冷コンデンサ１０の冷却水を介して間接的に行われるようにしている。
【００３８】
また、このヒートポンプＰにより回収した冷凍機９の冷媒熱の、棚５上に熱媒を循環させる熱媒循環路ａの熱媒に対する供給手段は、熱媒循環路ａの途中の外周面に、ヒートポンプＰの凝縮器部１７を接触接続させることで、この凝縮器部１７が、熱媒循環路ａ内の熱媒を昇温・加熱する加熱器７を構成するようにしてある。そして、これにより、冷凍機９の凝縮部９ａから、ヒートポンプＰの低温側により回収した冷媒熱を、その回収によって昇温したヒートポンプＰの冷媒ガスの熱が、熱交換により熱媒循環路ａ内の熱媒に移行するようにしている。
【実施例４】
【００３９】
図５は、さらに別の実施例を示している。この例は、冷凍機９の冷媒熱のヒートポンプＰによる回収を、冷凍機９の凝縮部に組み合わせた水冷コンデンサ１０に流す冷却水を介し間接的に行う手段に、回収した冷媒熱を棚５に循環させる熱媒に対し供給するのに、昇温させた熱媒として熱媒貯留タンクＴに貯め、そのタンクＴから必要に応じ熱媒循環路ａに昇温した熱媒を流すことで熱を供給する手段を組み合わせている例である。
【００４０】
この例は、凍結乾燥装置Ｗの構成及び、それの冷凍機９の凝縮器９ａの水冷コンデンサ１０の冷却水の管路を、循環ポンプ１３により冷却水が循環する循環路ｅに形成して、この循環路ｅをヒートポンプＰの蒸発器部１５に接触・接続することで、ヒートポンプＰにより冷凍機９の冷媒熱を回収させることについては、前述の実施例３のものと変わりなく構成してある。
【００４１】
しかし、棚５に熱媒を循環させる熱媒循環路ａには、熱媒貯留タンクＴと、このタンクＴと並列するバイパス路２０と、これらタンクＴとバイパス路２０に対し熱媒循環路ａを切替え連通させる熱媒切替弁１８とを設け、また、熱媒貯留タンクＴには、ヒートポンプＰの凝縮器部１７が、該タンクＴ内の熱媒に直接接触するか、該タンクＴの外面に接触する状態として接触・接続させてあり、かつ、そのヒートポンプの蒸発器部１５が、冷却水の循環路ｅに接触・接続させてあって、これにより、熱媒循環路ａの熱媒が、ヒートポンプＰの凝縮器部１７と加熱器７との間における熱交換により昇温して、熱媒貯留タンクＴ内に貯められ、このタンクＴから、必要に応じ熱媒切替弁１８の作動で熱媒循環路ａに流れて、熱媒を加熱するようにしてある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の凍結乾燥装置の展開図である。
【図２】本発明を実施せる凍結乾燥装置の展開図である。
【図３】本発明を実施せる凍結乾燥装置の別の実施例の展開図である。
【図４】同上のさらに別の実施例の展開図である。
【図５】同上のさらに異なる実施例の展開図である。
【図６】凍結乾燥装置で凍結乾燥を行う工程中における乾燥庫真空度と棚温度と品温度とコールドトラップ温度の変動を表す図表である。
【符号の説明】
【００４３】
Ｔ    熱媒貯留タンク
Ｐ    ヒートポンプ
Ｗ    凍結乾燥装置
ａ    熱媒循環路
ｂ１  ｂ２    冷媒循環路
ｃ    循環路
ｄ    循環路
ｅ    循環路
１    乾燥庫
１０    水冷コンデンサ
１１ａ  １１ｂ  １１ｃ    膨張弁
１２    トラップ管
１３    循環ポンプ
１４    クーリングタワー
１５    蒸発器部
１６    コンプレッサ
１７    凝縮器部
１８    熱媒切替弁
２    コールドトラップ室
２０    バイパス路
３    真空配管
４    真空ポンプ
５    棚
６    熱媒循環ポンプ
７    加熱器
８    冷却器
８ａ  冷却コイル
９    冷凍機
９ａ  凝縮部
９ｂ  蒸発部
９ｃ  冷媒レシーバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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