(57)【要約】【課題】乾燥庫内に装入された被乾燥材料を乾燥する際、棚中央部側容器及び棚端部側容器に収容された被乾燥材料の昇華速度の不均等が改善され、これにより、被乾燥材料の乾燥が促進され、ひいては乾燥時間を短縮化できる。【解決手段】棚上面に被乾燥材料を収納したバイアルＶ１，Ｖ２を多数載せ、乾燥庫１１内に上下複数段に配置すると共に加熱可能な凍結乾燥用の棚１ａ，１ｂにおいて、棚下面に熱の放射率の高い材料を被着した放射促進部４を形成している。これにより、各バイアルＶ１，Ｖ２への放射量が増大し、更には中央部バイアルＶ１と端部バイアルＶ２との不均等な乾燥が改善される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棚上面に被乾燥材料を収納した容器を多数載せ、乾燥庫内に上下複数段に配置すると共に加熱可能な凍結乾燥用の棚において、
棚下面に熱の放射率の高い材料を被着した放射促進部を形成したことを特徴とする凍結乾燥用の棚。
【請求項２】
前記放射促進部を棚下面のうち周縁を除く部位に形成したことを特徴とする請求項１記載の凍結乾燥用の棚。
【請求項３】
前記放射促進部は熱の放射率の高い材料からなる放射促進層と該放射促進層の外面に被着し放射促進層の剥離を防止する被覆層とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の凍結乾燥用の棚。
【請求項４】
前記放熱促進層はセラミックスからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の凍結乾燥用の棚。
【請求項５】
前記放熱促進部の材料は金属からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の凍結乾燥用の棚。
【請求項６】
前記金属はニッケル又はクロムを有することを特徴とする請求項５記載の凍結乾燥用の棚。
【請求項７】
前記請求項１乃至請求項６の何れか一項記載の凍結乾燥用の棚を用い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】
本発明は食品や医薬品等の被乾燥材料を容器に充填して乾燥する際に使用する凍結乾燥用の棚及びその棚を用いた凍結乾燥装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の凍結乾燥装置においては、被乾燥材料を充填したバイアルを用いて乾燥する際、乾燥庫内の棚上に配置した全てのバイアルに均等に所望の熱量を供給し、乾燥時間の短縮化を図るという大きな技術的課題を有していた。
【０００３】
具体的に説明するならば、凍結乾燥装置の乾燥庫内にバイアルに充填された被乾燥材料を装入し、制御装置の自動制御に基づく凍結乾燥する際、被乾燥材料を所定の含水率に乾燥させるためには、一次乾燥時間及び乾燥プログラムの設定において、全ての被乾燥材料の昇華面温度をコラプス（崩壊）温度以下に維持できよう棚温度及び乾燥庫内真空度を設定し、二次乾燥に移行する前に全ての被乾燥材料が昇華を終える必要がある。
【０００４】
しかしながら、乾燥庫内に複数段に棚を設置したタイプ、いわゆる棚段静置方式の凍結乾燥装置となっている場合は、乾燥プログラムによって任意かつ正確に調整できる温度は棚の温度のみであり、一方、棚上面に配置されたバイアル内被乾燥材料に対する入熱量は、棚上面からバイアル底面に伝導する伝熱量はもとより、棚以外からの入熱量、例えば、乾燥庫の内壁面から放射される放射熱量にも大きく影響を受ける。従って、棚に配置されたバイアルが棚上の何れの箇所に配置されているかによって、バイアルに対する棚以外からの入熱量が大きく異なり、これにより、配置位置が異なるバイアルの間で無視できない程の不均等な入熱量となっていた。
【０００５】
この問題点を図３を参照して詳述する。棚１ａ，１ｂの中央部に配置されたバイアル（以下、中央部バイアルという）Ｖ１はその周囲側面が同温度のバイアルＶ１で囲まれているため、中央部バイアルＶ１に対する入熱は棚（下棚）１ａからバイアル底面に伝導する伝導熱Ｑｓｈと、中央部バイアルＶ１の上方に位置する棚（上棚）１ｂから放射される熱だけとなる。これに対して、棚周辺部に配置されたバイアル（以下、端部バイアルという）Ｖ２に対する入熱は、中央部バイアルＶ１と同様の入熱に加え、棚上面の端部側でバイアルＶ２が配置されていないデットスペース（以下、余白面という）Ｓからの入熱と下棚１ａを囲む乾燥庫壁２ａの内面から放射される熱がある。
【０００６】
このように、中央部バイアルＶ１と端部バイアルＶ２への入熱量が大きく異なるため、特に低温乾燥の場合は、棚温度や乾燥庫内真空度を正確に制御したとしても、同一バッチ内のバイアルの乾燥過程に各バイアルＶ１，Ｖ２間に著しい昇華速度の差違を発生していた。この昇華速度の差違を棚温度のバラツキに伴う昇華温度の差違と比較して説明するならば、例えば、棚温度の差違として５℃のバラツキがあったとしても、同一バイアル間の昇華速度の差違は２０％程度であるが、中央部バイアルＶ１と端部バイアルＶ２との間の差違はしばしば５０％を超える状況にある。
【０００７】
このような状況で凍結乾燥装置の運転を行うときは、端部バイアルＶ１への入熱量が過大となって昇華速度が過剰となり、一次乾燥時に被乾燥材料の昇華面温度が上がり、被乾燥材料が崩壊するという危険性がある。
【０００８】
このような危険を回避するためには、端部バイアルＶ１への入熱量に合わせて、被乾燥材料の昇華面温度をコラプス温度以下に維持できるよう棚温度と乾燥庫内真空度を設定する必要があるが、一方、端部バイアルＶ１に合わせて温度制御を行うときは、これとは逆に、中央部バイアルＶ２への入熱量が少なくなり、これに起因して被乾燥材料の昇華速度が遅くなり、各バイアル全体の一次乾燥時間が長くなるという問題点を有していた。
【０００９】
以上の点から明らかなように、被乾燥材料の均等入熱を妨げる主因は、棚端部側の余白面Ｓからの入熱と乾燥庫壁２ａの内面からの入熱にある。この２つの主因を解決する手段として、棚１ａ，１ｂを囲む乾燥庫壁２ａの内面を温度制御する方策がある。即ち、乾燥庫壁２ａの内面を温度調節することにより、乾燥庫壁２ａからの入熱はもとより乾燥庫壁２ａの近傍に位置する余白面Ｓからの入熱に対しても近似的に相殺するという方策である。これにより、端部バイアルへの追加入熱は抑制され、その分、棚温レベルを上げて均等入熱を増やすことができため、各バイアルの乾燥時間の一様化を図ると同時に被乾燥材料の乾燥を促進することができる。
【００１０】
上記解決方策の効果を確認するため、凍結乾燥装置としてＲＬＫ−２１型（商品名）を使用して試験を行った。なお、被乾燥材料はＬａｃｔｏｓｅ（乳糖）３３．３％水溶液であり、その充填量が５ｍｌ/Vial、溶液のコラプス温度が−３１℃で実施した。図４は試験の結果を示すもの、即ち、乾燥庫壁面温度制御による被乾燥材料の昇華量と乾燥庫壁面温度制御を行わない被乾燥材料の昇華量を比較した図である。
【００１１】
グラフ（Ａ）は壁温度制御を用いことなく、庫壁温度１０℃、棚温度−２８で通常の昇華乾燥時の各バイアルの昇華量（乾燥時間２０ｈｒ、４４ｈｒ、６８ｈｒ）を測定したものである。ここで、端部バイアルの被乾燥材料のコラプス温度（−３１℃）に維持するためには棚温度を−２８℃に設定する必要があり、これに対して、中央部バイアルでは入熱量が少なかったので、乾燥時間２０ｈｒで昇華量が端部バイアルの約６０％であった。
【００１２】
これに対して、グラフ（Ｂ）は壁温度制御を用いたもので、庫壁温度を−３８℃まで制御し、端部バイアルへの追加入熱を遮断した。これにより、棚温度を−１７℃まで上げても被乾燥材料の温度をコラプス温度（−３１℃）以下に維持でき、これに伴い、中央部バイアルへの入熱量は端部バイアルと近似し、各バイアルの昇華量の差は小さくなり、乾燥時間の一様化が実現された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−１４４９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
以上のように、乾燥庫壁面温度制御による乾燥時間の一様化と乾燥促進を達成できることを示したが、現状では、乾燥庫壁面温度を制御できる生産用凍結乾燥機はわずかしか稼働しておらず、ほぼ全ての生産用凍結乾燥機は乾燥庫壁面温度を制御しない状況でバイアル凍結乾燥剤を生産している。従って、凍結乾燥装置の多くは、依然として上記技術的課題を克服できていない。
【００１５】
本発明の目的は、前記従来の課題に鑑み、乾燥庫内に装入された被乾燥材料を乾燥する際、棚中央部側容器及び棚端部側容器に収容された被乾燥材料の昇華速度の不均等が改善され、これにより、被乾燥材料の乾燥を促進し、ひいては乾燥時間を短縮化できる凍結乾燥用の棚及びその棚を用いた凍結乾燥装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の課題を解決するため、本発明は棚上面に被乾燥材料を収納した容器を多数載せ、乾燥庫内に上下複数段に配置すると共に加熱可能な凍結乾燥用の棚において、棚下面に熱の放射率の高い材料を被着して放射促進部を形成した構造となっている。
【００１７】
ここで、被乾燥材料を収納した容器は、棚上面の中央側に載置された容器（中央部容器）と棚上面の端部側に載置された容器（端部容器）を有し、各容器への入熱量は次のとおりである。まず、中央部容器への入熱量は、容器を載せている棚上面から容器底部に伝導する熱流量と容器の上方に配置された上側の棚の下面から放射される輻射熱量である。続いて、端部容器への入熱量は、前記中央部容器と同様に容器底部への伝導熱流量及び棚下面からの輻射熱量に加え、棚上面の端部側で容器が配置されていない余白面からの入熱と棚を囲む乾燥庫壁の内面から放射される熱がある。
【００１８】
以上のように、中央部容器よりも端部容器への入熱量が大きくなっているが、本発明においては、棚下面を熱の放射率の高い材料で被覆した放射促進部を有する構造を採用しているため、棚下面の輻射熱量が著しく高くなる。また、中央部容器及び端部容器において、棚下面に対する角係数を比較するとき、中央部容器の方が端部容器の方よりも極めて高くなっているため、棚下面の輻射熱量も同じく中央部容器の方が端部容器の方よりも極めて増加する。
【００１９】
よって、端部容器の被乾燥材料がコラプスを生じるほど棚温度を上げることなく、中央部容器の被乾燥材料の乾燥を促進し、ひいては乾燥時間を短縮化できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、乾燥庫内に装入された被乾燥材料を乾燥する際、棚中央部側容器及び棚端部側容器に収容された被乾燥材料の昇華速度の不均等が改善され、これにより、被乾燥材料の乾燥が促進され、ひいては乾燥時間を短縮化できるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る凍結乾燥装置の概略構成図
【図２】本発明に係る棚及びバイアルへの入熱経路を示す概略図
【図３】バイアルへの入熱経路を示す概略図
【図４】乾燥庫壁面温度制御による乾燥操作の実験結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２は凍結乾燥装置の一実施形態を示すものである。なお、既に説明した図３で示した構成と同一部分は同一の符号を用いて説明する。
【００２３】
まず、凍結乾燥装置の概略構成を図１を参照して説明する。凍結乾燥装置１０は乾燥庫１１と、乾燥庫１１に連通するコールドトラップ室１２と、乾燥庫１１内の空気を吸引する真空ポンプ１３とを有している。
【００２４】
乾燥庫１１内には複数段に間隔をおいて棚１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが配置されている。なお、棚段数として４個示しているがこれに限るものではない。
【００２５】
各棚１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは熱媒ポンプ２ａ、加熱器２ｂ、冷却器２ｃが順次連結した熱媒体管路に連結し、各棚１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに加熱器２ｂの加熱媒体が循環するときは各棚１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが加熱される。また、冷却器２ｃは冷凍機３ａ、水冷コンデンサ３ｂ及び膨張弁３ｃが順次連結した冷媒管路に連結し、冷凍機３ａが駆動するときは冷却器２ｃ内の熱媒体が冷却され、この冷却熱媒体により各棚１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが冷却される。また、冷媒管路はコールドトラップ室１２にも膨張弁３ｄを介して連結し、コールドトラップ室１２内も冷却するようになっている。なお、水冷コンデンサ３ｂは循環ポンプ３ｅを介してクーリングタワー３ｆに連結している。
【００２６】
ここで、棚１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄには容器、例えばバイアル等の容器が多数載置され、容器内の被乾燥材料、例えば医薬品や食品を凍結乾燥を行う。この凍結乾燥工程では、冷却器２ｃにより被乾燥材料の予備凍結を行い、加熱器２ｂの加熱、コールドトラップ室１２の冷却及び真空ポンプ１３の真空引きにより被乾燥材料から水分を昇華させる一次乾燥、更に加熱して被乾燥材料を２０℃程度に保持する二次乾燥が行われる。
【００２７】
以上のように構成された凍結乾燥装置において、本発明は棚１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの下面に特徴的構造を設けたものである。
【００２８】
即ち、図２（ａ）（ｂ）に示すように、ＳＵＳ（ステンレス鋼）で形成された棚１ａ，１ｂの下面に放射促進部４を形成した（図２では棚１ａ，１ｂのみ示しているが、他の棚１ｃ，１ｄも同様の構成であることは言うまでもない）。
【００２９】
本実施形態に係る放射促進部４は、熱の放射率を増大させる放射促進層４ａと放射促進層４ａをカバーする被覆層４ｂとから構成されている。この放射促進層４ａは棚１ａ，１ｂの下面に放射率を増大させる材料、例えばＮｉ（ニッケル）又はアルミナ（酸化アルミニウム）を溶射加工したものである。被覆層４ｂは放射促進層４ａの外面にコーティングしたもので、放射促進層４ａが棚１ａ，１ｂから剥離するのを阻止するようになっている。なお、被覆層４ｂを構成する部材として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレンフッ素樹脂）或いはＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂）を用いている。また、放射促進部４の被着箇所は棚１ａ，１ｂの周囲を除く部位、即ち、被乾燥材料を収納した容器（本実施形態ではバイアルＶ１，Ｖ２）が載置されない箇所（余白面Ｓ）を除く部位となっている。このように、放射促進層４ａが棚１ａ，１ｂの周端部に達していないため、放射促進層４ａの材料としてセラミック材料等の剥離しやすい部材を使用していたとしても、棚１ａ，１ｂの周端部への衝突或いは衝撃により、放射促進層４ａが剥離することがない。
【００３０】
ここで、前記放射促進部４の放射率を測定するため、放射促進部４を被着した６種類の棚１ａ，１ｂ（サンプル）とバフ研磨加工（♯３４０）を実施したＳＵＳ製の棚１ａ，１ｂ（サンプル）とを用意し、棚１ａ，１ｂの放射率測定を行った。測定器として放射率測定器ＴＳＳ−５Ｘ（商品名）を用意し、放射促進部４の放射率測定（測定波長２〜２２μｍ）を行った。測定方法としては、各棚１ａ，１ｂが室温になるのを待った後、ε＝０．９４、ε＝０．０６の試験片で校正を行い、各棚１ａ，１ｂの放射率を測定し、校正から測定を計１０回繰り返し、それらの平均値を算出した。この結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
各棚１ａ，１ｂの放射率を測定した結果、放射促進部４を加工してないＳＵＳ製の棚１ａ，１ｂ（現状の棚）の放射率が０．１４４であるが、放射促進部４を被着した棚１ａ，１ｂの放射率は約０．９７まで高くなった。
【００３３】
本実施形態によれば、棚１ａ，１ｂの放射量のうち、放射促進部４により棚下面の放射量が著しく増加するため、中央部バイアルＶ１への輻射熱量が増大し、中央部バイアルＶ１と端部バイアルＶ２との被乾燥材料の昇華速度が不均等が改善され、乾燥が促進されるとともに、乾燥時間が短時間となる。
【００３４】
以上のような本実施形態の作用効果について、図２（ａ）に示す端部バイアルＶ２への入熱経路図及び図２（ｂ）に示す中央部バイアルＶ１への入熱経路図を参照して説明する。
【００３５】
図２（ａ）に示すように、棚１ａ（下棚）からバイアル底部への熱流量Ｑｓｈと、棚１ｂ（上棚）からバイアル上部への輻射入熱量Ｑｒと、乾燥庫壁面１１ａから端部バイアルＶ２の上部と側部への輻射入熱量Ｑｗと、余白面Ｓからバイアル側面への入熱量Ｑｔとするとき、端部バイアルＶ２の全入熱量Ｑｅは次のとおりである。
【００３６】
Ｑｅ＝Ｑｓｈ＋Ｑｒ＋Ｑｗ＋Ｑｔ
また、各入熱量は次の式で計算されている。
【００３７】
（１）下棚からバイアル底部への熱流量
Ｑｓｈ＝Ｎ×Ａｅ×α×（Ｔｓｈ−Ｔｂ）  （Ｋｃａｌ／ｈｒ）
有効伝熱面積；Ａｅ（ｍ2）
バイアル本数；Ｎ
棚温度；Ｔｓｈ（℃）
バイアル底部温度；Ｔｂ（℃）
α；下棚からバイアルへの熱伝達係数
（２）上棚からバイアル上部への輻射入熱量
Ｑｒ＝Ｎ×Ａｅ×ψｈ×［（Ｔｓｈ／１００）4−（Ｔｂ／１００）4］（Ｋｃ  ａｌ／ｈｒ）
輻射係数；ψｈ＝Ｘ１２×εｈ×εｖ
角係数；Ｘ１２＝０．２５
棚（ＳＵＳ）の放射率；εｈ＝０．１４４
バイアル（ガラス）の放射率；εｖ＝０．９
（３）乾燥庫壁面からバイアル上部と側部への輻射入熱量
Ｑw＝Ｎ×Ａｅ’×ψｈ×［（Ｔｓｈ／１００）4−（Ｔｂ／１００）4］
（Ｋｃａｌ／ｈｒ）
輻射係数；ψｈ＝０．１
（４）余白面からバイアル側面への入熱量
Ｑｔ＝α０×Ａ０×（Ｔｓｈ−Ｔｂ）  （Ｋｃａｌ／ｈｒ）
α０；余白面からバイアルへの熱伝達係数
図２（ｂ）に示すように、棚１ａ（下棚）からバイアル底部への熱流量Ｑｓｈと、棚１ｂ（上棚）からバイアル上部への輻射入熱量Ｑｒと、乾燥庫壁１１ａから端部バイアルＶ１の上部と側部への輻射入熱量Ｑｗとするとき、中央部バイアルＶ１の全入熱量Ｑｅは次のとおりである。
【００３８】
Ｑｅ＝Ｑｓｈ＋Ｑｒ＋Ｑｗ
また、各入熱量は次の式で計算されている。
【００３９】
（１）下棚からバイアル底部への熱流量
Ｑｓｈ＝Ｎ×Ａｅ×α×（Ｔｓｈ−Ｔｂ）  （Ｋｃａｌ／ｈｒ）
有効伝熱面積；Ａｅ（ｍ2）
バイアル本数；Ｎ
棚温度；Ｔｓｈ（℃）
バイアル底部温度；Ｔｂ（℃）
（２）上棚からバイアル上部への輻射入熱量
Ｑｒ＝Ｎ×Ａｅ×ψｈ×［（Ｔｓｈ／１００）4−（Ｔｂ／１００）4］（Ｋｃ  ａｌ／ｈｒ）
輻射係数；ψｈ＝Ｘ１２×εｈ×εｖ
角係数；Ｘ１２＝０．９
棚（ＳＵＳ）の放射率；εｈ＝０．１４４
バイアル（ガラス）の放射率；εｖ＝０．９
（３）乾燥庫壁面からバイアル上部と側部への輻射入熱量
Ｑw＝Ｎ×Ａｅ×ψｈ×［（Ｔｓｈ／１００）4−（Ｔｂ／１００）4］
（Ｋｃａｌ／ｈｒ）
輻射係数；ψｈ＝０．０７
以上のような中央部バイアルＶ１及び端部バイアルＶ２への入熱量のうち、上棚から各バイアルＶ１，Ｖ２の上部への輻射入熱の計算式から、輻射入熱は輻射係数ψｈ（ψｈ＝Ｘ１２×εｈ×εｖ）に比例し、上棚裏面の放射率εｈが向上すると、輻射係数ψｈが増大し、上棚から各バイアルＶ１，Ｖ２への輻射入熱も増える。ここで、各バイアルＶ１，Ｖ２への輻射入熱量を比較するならば、角係数の関係で中央部バイアルＶ２への輻射係数ψｈが大きいので、中央部バイアルＶ１への入熱量が増える。以上の点から、被乾燥材料の乾燥効率が促進し、不均等な乾燥が改善されることが理論上立証される。
【００４０】
なお、放熱促進層４ａの材料として金属材料であるＮｉやアルミナ等のセラミックスを例として掲げたが、これに限るものではない。熱の放射率の高いものであれば何れの材料でも良く、例えば金属材料であるＣｒ（クロム）を使用するようにしてもよい。
【実施例】
【００４１】
本発明に係る凍結乾燥装置において、現状の棚構造（従来棚構造）と実施例に係る棚構造とを掲げ、両者を比較して本発明の優位点を説明する。
【００４２】
凍結乾燥装置として次の構造のものを用いた。即ち、棚面積は１０ｍ2で、棚寸法（ｍｍ）は９００Ｗ×１４００Ｌ×２８ｔ、有効段数は８段、トレイは底引き抜きトレイ、枠寸法（ｍｍ）は２９０Ｗ×４４０Ｌ×２５ｔであり、棚の下面には放熱促進部が形成されている。また、バイアル径ｄ＝２４．５ｍｍ、バイアル高さＨ＝６０ｍｍ、バイアル本数／１トレイは２２０本／１トレイ、被乾燥材料はＭａｎｎｉｔｏｌ１１０％水溶液を３ｍＬ分注している。
【００４３】
凍結乾燥工程において、放射促進層の放射率を前記実施形態から０．９７とし、一次乾燥時に乾燥庫真空制御値を１０Ｐａで、棚温を−２０℃、０℃及び２０℃に設定した場合における、端部バイアルの入熱量Ｑｅと中央部バイアルの入熱量Ｑｃと、現状のＳＵＳ材質棚で端部バイアルの入熱量Ｑｅと中央部バイアルの入熱量Ｑｃとを比較する。
【００４４】
先ず、現状のＳＵＳ材質棚で端部バイアルの入熱量Ｑｅを計算する。トレイ１枚の枠面積Ａｔ＝Ｗ×Ｌ＝０．１２８ｍ2、１トレイあたりのバイアル底面積Ａｖ＝Ｎ×π／４×ｄ2＝０．１０４ｍ2、バイアル一本当たり底面積Ａｖ’＝０．００４７１ｍ2、１トレイ当たりの有効伝熱面積Ａｅｆ＝２／（１／Ａｔ＋１／Ａｖ）＝０．１１５ｍ2  、Ａ’＝（√３＋１）×ｄ2／２＝０．０００８２ｍ2、バイアル１本有効伝熱面積Ａｅ＝２×Ａｖ’×Ａ’／（１．２５×Ａｖ’＋Ａ’）＝０．０００５４８ｍ2、バイアル（ガラス）の放射率εｖ＝０．９、棚の放射率εｈ＝０．１４４、端部バイアルから上棚下面への角係数Ｘ１２＝０．２５、棚の輻射係数ψｈ＝εｖ×εｈ×Ｘ１２＝０．０３２４となる。
【００４５】
これにより、端部バイアルへの各入熱量（速度）と昇華速度（ｄｍ／ｄｔ）を計算したところ、以下の表２に示す結果が得られた。
【００４６】
【表２】
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【００４７】
次に、棚下面に放射促進部を形成した端部バイアル（実施例）の入熱量Ｑｅを計算する。バイアル（ガラス）の放射率εｖ＝０．９、棚の放射率εｈ＝０．９７、端部バイアルから上棚下面への角係数Ｘ１２＝０．２５、棚の輻射係数ψｈ＝εｖ×εｈ×Ｘ１２＝０．２１８となる。
【００４８】
これにより、端部バイアルへの各入熱量（速度）と昇華速度（ｄｍ／ｄｔ）の計算結果したところ、以下の表３に示す結果が得られた。
【００４９】
【表３】
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【００５０】
以上のように、現状のＳＵＳ材質棚と実施例に係る棚構造を比較すると、実施例に係る棚構造では、バイアルから上棚下面への輻射係数ψｈ＝０．０３２４と計算され、棚の放射率εｈが０．９７となると、輻射係数ψｈが０．１２８まで増大し、上棚から端部バイアル１本への放射熱量Ｑｒは、棚温度−２０℃時に０．５５ｃａｌ／ｈｒから３．６４ｃａｌ／ｈｒに、棚温度０℃時に１．４１ｃａｌ／ｈｒから９．５ｃａｌ／ｈｒに、棚温２０℃時に２．４１ｃａｌ／ｈｒから１６．１４ｃａｌ／ｈｒにそれぞれ増加する。従って、棚下面の放射率をＳＵＳの０．１４４から０．９７に高めると、計算により端部バイアルの昇華速度が約２．５％〜５％増大することが分かった。
【００５１】
次に、現状のＳＵＳ材質棚で中央部バイアルの入熱量Ｑｃを計算する。トレイ１枚の枠面積Ａｔ＝Ｗ×Ｌ＝０．１２８ｍ2、１トレイあたりバイアル底面積Ａｖ＝Ｎ×π／４×ｄ2＝０．１０４ｍ2、１トレイ当たりの有効伝熱面積Ａｅｆ＝２／（１／Ａｔ＋１／Ａｖ）＝０．１１５ｍ2  、バイアル一本当たり有効伝熱面積Ａｅ＝Ａｅｆ／Ｎ＝０．０００５２３ｍ2、バイアル（ガラス）の放射率εｖ＝０．９、棚の放射率εｈ＝０．１４４、中央部バイアルから上棚下面への角係数Ｘ１２＝０．９、棚の輻射係数ψｈ＝εｖ×εｈ×Ｘ１２＝０．１１６６となる。
【００５２】
これにより、中央部バイアルへの各入熱量（速度）と昇華速度（ｄｍ／ｄｔ）を計算したところ、以下の表４に示す結果が得られた。
【００５３】
【表４】
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【００５４】
続いて、棚下面に放射促進部を形成した中央部バイアル（実施例）の入熱量Ｑｃを計算する。バイアル（ガラス）の放射率εｖ＝０．９、棚の放射率εｈ＝０．９７、中央部バイアルから上棚下面への角係数Ｘ１２＝０．２５、棚の輻射係数ψｈ＝εｖ×εｈ×Ｘ１２＝０．７８６となる。
【００５５】
これにより、中央部バイアルへの各入熱量（速度）と昇華速度（ｄｍ／ｄｔ）の計算結果したところ、以下の表５に示す結果が得られた。
【００５６】
【表５】
2014214992.tif 000007
【００５７】
以上のように、現状のＳＵＳ材質棚と実施例に係る棚構造を比較すると、実施例に係る棚構造では、バイアルから上棚下面への輻射係数ψｈ＝０．１１６６と計算され、棚の放射率εｈが０．９７となると、輻射係数ψｈが０．７８６まで増大し、上棚から中央部バイアル１本への放射熱量Ｑｒは、棚温度−２０℃時に２．２３ｃａｌ／ｈｒから１５．０９ｃａｌ／ｈｒに、棚温度０℃時に５．２３ｃａｌ／ｈｒから３５．３２ｃａｌ／ｈｒに、棚温度２０℃時に８．８２ｃａｌ／ｈｒから５９．２７ｃａｌ／ｈｒにぞれぞれ増加する。従って、棚下面の放射率をＳＵＳの０．１４４から０．９７に高めると、計算により中央部バイアルの昇華速度が約１４．５％〜２１％増大することが分かった。
【００５８】
以上のとおり、現状の棚構造と実施例に係る棚構造とを掲げ、両者を比較した結果、実施例に係る棚構造は現状の棚構造と比較し、中央部バイアル及び端部バイアルの何れもが昇華速度が極めて増加することが分かった。
【００５９】
そこで、現状の棚構造と実施例に係る棚構造において、中央部バイアルと端部バイアルとの昇華速度比を求めたところ、以下の表６に示す結果が得られた。
【００６０】
【表６】
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【００６１】
表６から明らかな如く、棚下面の放射率がＳＵＳの０．１４４から０．９７に向上すると、棚温度−２０℃、真空１０Ｐａの設定で、昇華速度の比が現状の７６．４から８５％に増大し、棚温度０℃、真空１０Ｐａの設定で、昇華温度の比が現状の８１．５％〜９２．２％に増大し、棚温度２０℃、真空１０Ｐａの設定で、昇華温度の比が現状の８５．８％から９８．８％に増大している。
【００６２】
従って、中央部バイアルの昇華温度が端部バイアルの昇華温度との不均等な乾燥が改善されるため、乾燥が促進され、ひいては乾燥時間の短縮化を実現することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…棚、４…放射促進部、４ａ…放射促進層、４ｂ…被覆層、部１０…凍結乾燥装置、１１…乾燥庫、Ｖ１…中央部バイアル，Ｖ２…端部バイアル、Ｓ…余白面。
【図１】
2014214992.tif 000009
【図２】
2014214992.tif 000010
【図３】
2014214992.tif 000011
【図４】
2014214992.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月22日(2013.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
このような状況で凍結乾燥装置の運転を行うときは、端部バイアルＶ２への入熱量が過大となって昇華速度が過剰となり、一次乾燥時に被乾燥材料の昇華面温度が上がり、被乾燥材料が崩壊するという危険性がある。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
このような危険を回避するためには、端部バイアルＶ２への入熱量に合わせて、被乾燥材料の昇華面温度をコラプス温度以下に維持できるよう棚温度と乾燥庫内真空度を設定する必要があるが、一方、端部バイアルＶ２に合わせて温度制御を行うときは、これとは逆に、中央部バイアルＶ１への入熱量が少なくなり、これに起因して被乾燥材料の昇華速度が遅くなり、各バイアル全体の一次乾燥時間が長くなるという問題点を有していた。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
グラフ（Ａ）は壁温度制御を用いことなく、庫壁温度１０℃、棚温度−２８℃で通常の昇華乾燥時の各バイアルの昇華量（乾燥時間２０ｈｒ、４４ｈｒ、６８ｈｒ）を測定したものである。ここで、端部バイアルの被乾燥材料のコラプス温度（−３１℃）に維持するためには棚温度を−２８℃に設定する必要があり、これに対して、中央部バイアルでは入熱量が少なかったので、乾燥時間２０ｈｒで昇華量が端部バイアルの約６０％であった。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
（１）下棚からバイアル底部への熱流量
Ｑｓｈ＝Ｎ×Ａｅ×α×（Ｔｓｈ−Ｔｂ）  （Ｋｃａｌ／ｈｒ）
有効伝熱面積；Ａｅ（ｍ2）
バイアル本数；Ｎ
棚温度；Ｔｓｈ（Ｋ）
バイアル底部温度；Ｔｂ（Ｋ）
α；下棚からバイアルへの熱伝達係数
（２）上棚からバイアル上部への輻射入熱量
Ｑｒ＝Ｎ×Ａｅ×ψｈ×［（Ｔｓｈ／１００）4−（Ｔｂ／１００）4］（Ｋｃａｌ／ｈｒ）
輻射係数；ψｈ＝Ｘ１２×εｈ×εｖ
角係数；Ｘ１２＝０．２５
棚（ＳＵＳ）の放射率；εｈ＝０．１４４
バイアル（ガラス）の放射率；εｖ＝０．９
（３）乾燥庫壁面からバイアル上部と側部への輻射入熱量
Ｑw＝Ｎ×Ａｅ’×ψｈ×［（Ｔｓｈ／１００）4−（Ｔｂ／１００）4］
（Ｋｃａｌ／ｈｒ）
輻射係数；ψｈ＝０．１
（４）余白面からバイアル側面への入熱量
Ｑｔ＝α０×Ａ０×（Ｔｓｈ−Ｔｂ）  （Ｋｃａｌ／ｈｒ）
α０；余白面からバイアルへの熱伝達係数
図２（ｂ）に示すように、棚１ａ（下棚）からバイアル底部への熱流量Ｑｓｈと、棚１ｂ（上棚）からバイアル上部への輻射入熱量Ｑｒと、乾燥庫壁１１ａから端部バイアルＶ１の上部と側部への輻射入熱量Ｑｗとするとき、中央部バイアルＶ１の全入熱量Ｑｅは次のとおりである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
（１）下棚からバイアル底部への熱流量
Ｑｓｈ＝Ｎ×Ａｅ×α×（Ｔｓｈ−Ｔｂ）  （Ｋｃａｌ／ｈｒ）
有効伝熱面積；Ａｅ（ｍ2）
バイアル本数；Ｎ
棚温度；Ｔｓｈ（Ｋ）
バイアル底部温度；Ｔｂ（Ｋ）
（２）上棚からバイアル上部への輻射入熱量
Ｑｒ＝Ｎ×Ａｅ×ψｈ×［（Ｔｓｈ／１００）4−（Ｔｂ／１００）4］（Ｋｃａｌ／ｈｒ）
輻射係数；ψｈ＝Ｘ１２×εｈ×εｖ
角係数；Ｘ１２＝０．９
棚（ＳＵＳ）の放射率；εｈ＝０．１４４
バイアル（ガラス）の放射率；εｖ＝０．９
（３）乾燥庫壁面からバイアル上部と側部への輻射入熱量
Ｑw＝Ｎ×Ａｅ×ψｈ×［（Ｔｓｈ／１００）4−（Ｔｂ／１００）4］
（Ｋｃａｌ／ｈｒ）
輻射係数；ψｈ＝０．０７
以上のような中央部バイアルＶ１及び端部バイアルＶ２への入熱量のうち、上棚から各バイアルＶ１，Ｖ２の上部への輻射入熱の計算式から、輻射入熱は輻射係数ψｈ（ψｈ＝Ｘ１２×εｈ×εｖ）に比例し、上棚裏面の放射率εｈが向上すると、輻射係数ψｈが増大し、上棚から各バイアルＶ１，Ｖ２への輻射入熱も増える。ここで、各バイアルＶ１，Ｖ２への輻射入熱量を比較するならば、角係数の関係で中央部バイアルＶ２への輻射係数ψｈが大きいので、中央部バイアルＶ１への入熱量が増える。以上の点から、被乾燥材料の乾燥効率が促進し、不均等な乾燥が改善されることが理論上立証される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
凍結乾燥装置として次の構造のものを用いた。即ち、棚面積は１０ｍ2で、棚寸法（ｍｍ）は９００Ｗ×１４００Ｌ×２８ｔ、有効段数は８段、トレイは底引き抜きトレイ、枠寸法（ｍｍ）は２９０Ｗ×４４０Ｌ×２５ｔであり、棚の下面には放熱促進部が形成されている。また、バイアル径ｄ＝２４．５ｍｍ、バイアル高さＨ＝６０ｍｍ、バイアル本数／１トレイは２２０本／１トレイ、被乾燥材料はＭａｎｎｉｔｏｌ１０％水溶液を３ｍＬ分注している。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
以上のように、現状のＳＵＳ材質棚と実施例に係る棚構造を比較すると、実施例に係る棚構造では、バイアルから上棚下面への輻射係数ψｈ＝０．０３２４と計算され、棚の放射率εｈが０．９７となると、輻射係数ψｈが０．２１８まで増大し、上棚から端部バイアル１本への放射熱量Ｑｒは、棚温度−２０℃時に０．５５ｃａｌ／ｈｒから３．６４ｃａｌ／ｈｒに、棚温度０℃時に１．４１ｃａｌ／ｈｒから９．５ｃａｌ／ｈｒに、棚温２０℃時に２．４１ｃａｌ／ｈｒから１６．１４ｃａｌ／ｈｒにそれぞれ増加する。従って、棚下面の放射率をＳＵＳの０．１４４から０．９７に高めると、計算により端部バイアルの昇華速度が約２．５％〜５％増大することが分かった。