(57)【要約】【課題】温度センサを用いることなく二次乾燥工程中における被乾燥材料の乾燥状態を監視でき、かつ被乾燥材料がコラプスする危険性を完全に排除可能な凍結乾燥機用の乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法を提供する。【解決手段】制御手段ＰＬＣは、乾燥庫ＤＣ、コールドトラップＣＴ及び真空度調節手段の制御プログラムと、所要の計算プログラムと、所要の関係式を記憶している。被乾燥材料が二次乾燥期に入ったとき、制御手段ＰＬＣは、乾燥庫真空度Ｐｄｃを成り行きにまかせて変化させ、当該変化の前後における乾燥庫真空度Ｐｄｃ、コールドトラップ真空度Ｐｃｔ、棚温検出手段により検出された棚温Ｔｈを含む測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温Ｔｍ及び平均脱湿速度Ｑｍを算出する。算出された平均品温Ｔｍ及び平均脱湿速度Ｑｍを記録手段ｅに記録する。【選択図】図５
2014202429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被乾燥材料を装入する乾燥庫（ＤＣ）と、該乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気を凝結捕集するコールドトラップ（ＣＴ）と、前記乾燥庫（ＤＣ）と前記コールドトラップ（ＣＴ）とを連通する主管（ａ）と、該主管（ａ）を開閉する主弁（ＭＶ）と、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度を調節する真空度調節手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）内の絶対圧力及び前記コールドトラップ（ＣＴ）内の絶対圧力を検出する真空検出手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）内に設置された棚板の温度（Ｔｈ）を検出する棚温検出手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記真空度調節手段の稼働を自動的に制御する制御手段（ＰＬＣ）を備えた凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視方法において、
前記制御手段（ＰＬＣ）は、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記真空度調節手段の制御プログラムと、所要の計算プログラムと、所要の関係式を記憶しており、前記被乾燥材料が二次乾燥期に入ったとき、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）を成り行きにまかせて変化させ、当該変化の前後における前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）、前記棚温検出手段により検出された前記棚板の温度（Ｔｈ）を含む測定データ及び前記関係式から、前記二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出し、算出された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を記録手段（ｅ）に記録することを特徴とする凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視方法。
【請求項２】
前記真空度調節手段として開度調節器（Ｃ）を前記主管（ａ）内に備えると共に、前記制御手段（ＰＬＣ）には、前記関係式として、前記主弁（ＭＶ）を全開した状態における水負荷による脱湿速度（Ｑｍ）と前記開度調節器（Ｃ）の開度角度（θ）と主管抵抗Ｒ（θ）との関係式を記憶し、
前記乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入り、前記開度調節器（Ｃ）が全開方向への回動を開始した後、前記制御手段（ＰＬＣ）は、所定時間間隔毎に、前記開度調節器（Ｃ）の開度角度（θ）と、乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）と、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）と、前記棚板の温度（Ｔｈ）の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視方法。
【請求項３】
前記真空度調節手段としてリーク制御弁（ＬＶ）付きの真空制御回路（ｆ）を、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記主管（ａ）を含む真空系統のいずれかに備えると共に、前記制御手段（ＰＬＣ）には、前記関係式として、前記主弁（ＭＶ）を全開した状態における水負荷による脱湿速度（Ｑｍ）と前記主管（ａ）の水蒸気流動抵抗係数（Ｃｒ）との関係式を記憶し、
前記乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入った後、前記制御手段（ＰＬＣ）は、前記リーク制御弁（ＬＶ）を駆動して前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）を設定値に制御するか、前記リーク制御弁（ＬＶ）を閉じ、しかる後、所定の時間間隔毎に、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）と、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）と、前記棚温（Ｔｈ）の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視方法。
【請求項４】
被乾燥材料を装入する乾燥庫（ＤＣ）と、該乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気を凝結捕集するコールドトラップ（ＣＴ）と、前記乾燥庫（ＤＣ）と前記コールドトラップ（ＣＴ）とを連通する主管（ａ）と、該主管（ａ）を開閉する主弁（ＭＶ）と、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度を調節する真空度調節手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）内の絶対圧力及び前記コールドトラップ（ＣＴ）内の絶対圧力を検出する真空検出手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）内に設置された棚板の温度（Ｔｈ）を検出する棚温検出手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記真空度調節手段の稼働を自動的に制御する制御手段（ＰＬＣ）を備え、
前記制御手段（ＰＬＣ）は、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記真空度調節手段の制御プログラムと、所要の計算プログラムと、所要の関係式を記憶しており、前記被乾燥材料が二次乾燥期に入ったとき、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）を成り行きにまかせて変化させ、当該変化の前後における前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）、前記棚温検出手段により検出された前記棚板の温度（Ｔｈ）を含む測定データ及び前記関係式から、前記二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出し、算出された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を記録手段（ｅ）に記録することを特徴とする凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視装置。
【請求項５】
前記真空度調節手段として開度調節器（Ｃ）を前記主管（ａ）内に備えると共に、前記制御手段（ＰＬＣ）には、前記関係式として、前記主弁（ＭＶ）を全開した状態における水負荷による脱湿速度（Ｑｍ）と前記開度調節器（Ｃ）の開度角度（θ）と主管抵抗Ｒ（θ）との関係式を記憶し、
前記乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入り、前記開度調節器（Ｃ）が全開方向への回動を開始した後、前記制御手段（ＰＬＣ）は、所定時間間隔毎に、前記開度調節器（Ｃ）の開度角度（θ）と、乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）と、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）と、前記棚板の温度（Ｔｈ）の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出することを特徴とする請求項４に記載の凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視装置。
【請求項６】
前記真空度調節手段としてリーク制御弁（ＬＶ）付きの真空制御回路（ｆ）を、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記主管（ａ）を含む真空系統のいずれかに備えると共に、前記制御手段（ＰＬＣ）には、前記関係式として、前記主弁（ＭＶ）を全開した状態における水負荷による脱湿速度（Ｑｍ）と前記主管（ａ）の水蒸気流動抵抗係数（Ｃｒ）との関係式を記憶し、
前記乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入った後、前記制御手段（ＰＬＣ）は、前記リーク制御弁（ＬＶ）を駆動して前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）を設定値に制御するか、前記リーク制御弁（ＬＶ）を閉じ、しかる後、所定の時間間隔毎に、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）と、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）と、前記棚温（Ｔｈ）の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出することを特徴とする請求項４に記載の凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品や医薬品等の原材料液を凍結乾燥により所定の含水率まで乾燥させて製品とする凍結乾燥機に適用され、被乾燥材料の凍結乾燥状態を監視する乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医薬品等の凍結乾燥は、制御盤により自動制御される凍結乾燥機の乾燥庫内に被乾燥材料を充填した多数のトレイやバイアル等の容器を装入し、各容器内の被乾燥材料を所定の含水率になるまで乾燥させることにより行われる。この種の凍結乾燥機を用いた被乾燥材料の凍結乾燥工程は、一般に、被乾燥材料が乾燥固体になるまで氷状の被乾燥材料中に含まれる水分を除去する一次乾燥工程と、一次乾燥工程を経て乾燥固体となった被乾燥材料中に含まれる微量の不凍水を除去して、被乾燥材料を所定の含水率になるまで乾燥する二次乾燥工程とからなる。
【０００３】
本願の出願人は先に、温度センサを用いて直接被乾燥材料の昇華面温度を測定するのではなく、他のパラメータの測定値から被乾燥材料の昇華面温度を計算により求め、これに基づいて、一次乾燥工程中における被乾燥材料の乾燥状態を監視する装置及び方法を提案した（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載の技術によれば、温度センサを被乾燥材料内に挿入しないので、温度センサを用いることによって発生する不都合、例えば、（１）乾燥庫内に装入される全ての被乾燥材料についての昇華面温度を求めることができない、（２）菌が被乾燥材料に混入しやすいので無菌製剤に適用できない、（３）被乾燥材料を自動的に乾燥庫内に装入する自動ローディング装置を備えた凍結乾燥機に適用することができない、等を解消することができる。また、本願の出願人が先に提案した装置及び方法は、被乾燥材料の一次乾燥工程において、真空度調節手段を駆動して乾燥庫内の真空度を一時的に高める方向に変化させ、少なくとも当該変化の前後における乾燥庫内の真空度及びコールドトラップ内の真空度を含む測定データから、一次乾燥期における被乾燥材料の平均昇華面温度、平均底部品温及び昇華速度を算出する。これにより、測定データの収集時に乾燥庫内の真空度が真空制御値よりも高くなる方向に遷移し、昇華面温度が下がるため、従来のＭＴＭ（Manometric Temperature Measurement）法とは異なり、被乾燥材料がコラプスする危険性を完全に排除することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２０１２／１０８４７０Ａ１パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の発明は、一次乾燥工程中における被乾燥材料の乾燥状態を監視可能な装置及び方法に係るものであり、二次乾燥工程については考慮されていない。上述したように、被乾燥材料の凍結乾燥工程は、一次乾燥工程と二次乾燥工程とからなるので、被乾燥材料の乾燥状態をより的確に監視するため、二次乾燥工程中における被乾燥材料の乾燥状態を監視することができる装置及び方法の開発が嘱望されている。勿論、この装置及び方法には、温度センサを用いないこと、及び、被乾燥材料がコラプスする危険性を完全に排除できることが求められる。
【０００６】
本発明は、このような要請に応えるためになされたものであり、その目的は、温度センサを用いることなく二次乾燥工程中における被乾燥材料の乾燥状態を監視でき、かつ被乾燥材料がコラプスする危険性を完全に排除可能な凍結乾燥機用の乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するため、乾燥状態監視方法に関しては、被乾燥材料を装入する乾燥庫（ＤＣ）と、該乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気を凝結捕集するコールドトラップ（ＣＴ）と、前記乾燥庫（ＤＣ）と前記コールドトラップ（ＣＴ）とを連通する主管（ａ）と、該主管（ａ）を開閉する主弁（ＭＶ）と、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度を調節する真空度調節手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）内の絶対圧力及び前記コールドトラップ（ＣＴ）内の絶対圧力を検出する真空検出手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）内に設置された棚板の温度（Ｔｈ）を検出する棚温検出手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記真空度調節手段の稼働を自動的に制御する制御手段（ＰＬＣ）を備えた凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視方法において、前記制御手段（ＰＬＣ）は、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記真空度調節手段の制御プログラムと、所要の計算プログラムと、所要の関係式を記憶しており、前記被乾燥材料が二次乾燥期に入ったとき、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）を成り行きにまかせて変化させ、当該変化の前後における前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）、前記棚温検出手段により検出された前記棚板の温度（Ｔｈ）を含む測定データ及び前記関係式から、前記二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出し、算出された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を記録手段（ｅ）に記録することを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、前記構成の乾燥状態監視方法において、前記真空度調節手段として開度調節器（Ｃ）を前記主管（ａ）内に備えると共に、前記制御手段（ＰＬＣ）には、前記関係式として、前記主弁（ＭＶ）を全開した状態における水負荷による脱湿速度（Ｑｍ）と前記開度調節器（Ｃ）の開度角度（θ）と主管抵抗Ｒ（θ）との関係式を記憶し、前記乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入り、前記開度調節器（Ｃ）が全開方向への回動を開始した後、前記制御手段（ＰＬＣ）は、所定時間間隔毎に、前記開度調節器（Ｃ）の開度角度（θ）と、乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）と、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）と、前記棚板の温度（Ｔｈ）の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出することを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、前記構成の乾燥状態監視方法において、前記真空度調節手段としてリーク制御弁（ＬＶ）付きの真空制御回路（ｆ）を、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記主管（ａ）を含む真空系統のいずれかに備えると共に、前記制御手段（ＰＬＣ）には、前記関係式として、前記主弁（ＭＶ）を全開した状態における水負荷による脱湿速度（Ｑｍ）と前記主管（ａ）の水蒸気流動抵抗係数（Ｃｒ）との関係式を記憶し、前記乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入った後、前記制御手段（ＰＬＣ）は、前記リーク制御弁（ＬＶ）を駆動して前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）を設定値に制御するか、前記リーク制御弁（ＬＶ）を閉じ、しかる後、所定の時間間隔毎に、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）と、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）と、前記棚温（Ｔｈ）の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出することを特徴とする。
【００１０】
一方、乾燥状態監視装置に関しては、被乾燥材料を装入する乾燥庫（ＤＣ）と、該乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気を凝結捕集するコールドトラップ（ＣＴ）と、前記乾燥庫（ＤＣ）と前記コールドトラップ（ＣＴ）とを連通する主管（ａ）と、該主管（ａ）を開閉する主弁（ＭＶ）と、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度を調節する真空度調節手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）内の絶対圧力及び前記コールドトラップ（ＣＴ）内の絶対圧力を検出する真空検出手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）内に設置された棚板の温度（Ｔｈ）を検出する棚温検出手段と、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記真空度調節手段の稼働を自動的に制御する制御手段（ＰＬＣ）を備え、前記制御手段（ＰＬＣ）は、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記真空度調節手段の制御プログラムと、所要の計算プログラムと、所要の関係式を記憶しており、前記被乾燥材料が二次乾燥期に入ったとき、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）を成り行きにまかせて変化させ、当該変化の前後における前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）、前記棚温検出手段により検出された前記棚板の温度（Ｔｈ）を含む測定データ及び前記関係式から、前記二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出し、算出された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を記録手段（ｅ）に記録することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、前記構成の乾燥状態監視装置において、前記真空度調節手段として開度調節器（Ｃ）を前記主管（ａ）内に備えると共に、前記制御手段（ＰＬＣ）には、前記関係式として、前記主弁（ＭＶ）を全開した状態における水負荷による脱湿速度（Ｑｍ）と前記開度調節器（Ｃ）の開度角度（θ）と主管抵抗Ｒ（θ）との関係式を記憶し、前記乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入り、前記開度調節器（Ｃ）が全開方向への回動を開始した後、前記制御手段（ＰＬＣ）は、所定時間間隔毎に、前記開度調節器（Ｃ）の開度角度（θ）と、乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）と、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）と、前記棚板の温度（Ｔｈ）の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出することを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記構成の乾燥状態監視装置において、前記真空度調節手段としてリーク制御弁（ＬＶ）付きの真空制御回路（ｆ）を、前記乾燥庫（ＤＣ）、前記コールドトラップ（ＣＴ）及び前記主管（ａ）を含む真空系統のいずれかに備えると共に、前記制御手段（ＰＬＣ）には、前記関係式として、前記主弁（ＭＶ）を全開した状態における水負荷による脱湿速度（Ｑｍ）と前記主管（ａ）の水蒸気流動抵抗係数（Ｃｒ）との関係式を記憶し、前記乾燥庫（ＤＣ）内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入った後、前記リーク制御弁（ＬＶ）を閉じ、しかる後、所定時間間隔毎に、前記乾燥庫（ＤＣ）内の真空度（Ｐｄｃ）と、前記コールドトラップ（ＣＴ）内の真空度（Ｐｃｔ）と、前記棚温（Ｔｈ）の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、乾燥庫内に装入された全ての被乾燥材料についての二次乾燥期における平均品温Ｔｍ及び平均脱湿速度Ｑｍを計算により求めることができるので、一次乾燥期における平均品温Ｔｍ及び平均昇華速度Ｑｍの算出と組み合わせることにより、凍結乾燥工程の開始から終了に至るまでの被乾燥材料の凍結乾燥状態を一貫して監視できる。よって、被乾燥品のコラプスを回避することができ、凍結乾燥製品の生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る監視装置及び監視方法が適用される流路開度真空制御方式の凍結乾燥機の構成図である。
【図２】流路開度真空制御のフローチャートである。
【図３】第２実施形態に係る監視装置及び監視方法が適用されるリーク式真空制御方式の凍結乾燥機の構成図である。
【図４】リーク式真空制御のフローチャートである。
【図５】流路開度真空制御方式により算出される二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温のグラフである。
【図６】リーク式真空制御方式により算出される二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法を、実施形態毎に図を用いて説明する。
【００１６】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法は、図１及び図２に示すように、乾燥庫とコールドトラップとをつなぐ主管内に、乾燥庫内の真空度を調節するための開度調節器（ダンパ）を備えた流路開度真空制御方式の凍結乾燥機に適用されるものである。
【００１７】
〈凍結乾燥機の構成〉
即ち、第１実施形態に係る凍結乾燥機Ｗ１は、図１に示すように、被乾燥材料を装入する乾燥庫ＤＣと、乾燥庫ＤＣ内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気をトラップコイルｃｔにて凝結捕集するコールドトラップＣＴと、乾燥庫ＤＣとコールドトラップＣＴを連通する主管ａと、主管ａを開閉する主弁ＭＶと、主管ａ内に備えられたダンパ方式の開度調節器Ｃと、コールドトラップＣＴに付設された引口弁Ｖと、引口弁Ｖに接続された真空ポンプＰと、乾燥庫ＤＣ内の絶対圧力及びコールドトラップＣＴ内の絶対圧力を検出する真空計（真空検出手段）ｂと、乾燥庫（ＤＣ）内に設置された被乾燥材料載置用の棚板Ｂの温度（棚温）を検出する温度センサ（棚温検出手段）Ｓと、上述した装置各部の稼働を自動制御する制御盤ＣＲとから主に構成されている。本例においては、制御盤ＣＲにシーケンサＰＬＣと記録計（記録手段）ｅが組み込まれており、シーケンサＰＬＣには、主弁ＭＶを全開した状態における水負荷による脱湿速度Ｑｍと開度調節器Ｃの開度角度θと主管抵抗Ｒ（θ）との関係式と、所要の計算プログラムとが予め記憶されている。なお、制御盤ＣＲを用いる構成に代えて、上述の関係式及び計算プログラムが記録されたパーソナルコンピュータを用いることもできる。また、乾燥庫ＤＣとコールドトラップＣＴのそれぞれに絶対圧力を検出する真空計ｂを備える構成に代えて、乾燥庫ＤＣ内の絶対圧力とコールドトラップＣＴ内の絶対圧力の差圧を検出する差圧真空計を備えることもできる。開度角度θとは、全開状態（０°）からの開度調節器Ｃの回転角度をいう。
【００１８】
シーケンサＰＬＣは、被乾燥材料の乾燥状態が二次乾燥期に入った場合、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを成り行きにまかせて変化させ、当該変化の前後における乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃ、コールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔ、温度センサＳにより検出された棚温Ｔｈを含む測定データ、及び前記関係式から、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出し、算出された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を記録計ｅに記録する。作業者は、記録計ｅに記録された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を確認することにより、被乾燥材料の凍結乾燥状態を監視することができる。以下、流路開度真空制御方式における平均品温Ｔｍ及び脱湿速度Ｑｍの算出方法について説明する。
【００１９】
〈流路開度真空制御方式による平均品温Ｔｍ及び脱湿速度Ｑｍの算出方法〉
脱湿速度Ｑｍは、凍結乾燥機Ｗ１の乾燥庫ＤＣとコールドトラップＣＴにそれぞれ付設した真空計ｂで測定した乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔとから算出する。この方法によると、真空計ｅ以外の高価な計測器を装備する必要がないので、脱湿速度Ｑｍの算出を容易かつ低コストに行うことができる。
【００２０】
被乾燥材料から脱湿した水蒸気は、乾燥庫ＤＣから主管ａを通してコールドトラップＣＴ内に流れ、トラップコイルＣｔにて凝結捕集される。流路開度真空制御方式の場合、二次乾燥工程に入った段階で、開度調節器Ｃが全開方向へ回動する。開度調節器Ｃが全開方向へ回動しても、Ｐｃｔ／Ｐｄｃ＜０．５３の期間中は主管ａ内における水蒸気の流れが噴流状態となるので、被乾燥材料からの脱湿速度Ｑｍは、主管抵抗をＲとしたとき、次の式で計算できる。
【００２１】
Ｑｍ＝３．６×Ｐｄｃ／Ｒ
開度調節器Ｃが更に全開方向へ回動し、Ｐｃｔ／Ｐｄｃ＞０．５３になると、主管ａ内における水蒸気の流れが粘性流状態となる。この場合、被乾燥材料からの脱湿速度Ｑｍは、主管抵抗をＲとしたとき、次の式で計算できる。
【００２２】
Ｑｍ＝３．６×（Ｐｄｃ−Ｐｃｔ）／Ｒ
主管抵抗Ｒは、水負荷を掛けたときの被乾燥材料からの昇華量を測定するか、算出することにより求められる。そして、主管抵抗Ｒが求まれば、上述したように、乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔの測定データから脱湿速度Ｑｍを求めることができる。
【００２３】
具体的には、乾燥庫ＤＣ内に被乾燥材料を装入した状態で、図２に示す凍結乾燥機Ｗ１を作動させ、棚温をＴｈに設定し、かつ乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを開度調節器Ｃにて制御値に設定して被乾燥材料の凍結乾燥を開始する。凍結乾燥開始後、まず一次乾燥工程に入り、液状の被乾燥材料が乾燥固体になるまで、氷状の被乾燥材料中に含まれる水分が除去される。一次乾燥工程の終了後は、二次乾燥工程に入り、一次乾燥工程を経て乾燥固体となった被乾燥材料中に含まれる微量の不凍水が除去されて、被乾燥材料が所定の含水率になるまで乾燥される。
【００２４】
二次乾燥工程に入ると、被乾燥材料から脱湿される水蒸気がほとんどなくなるので、開度調節器Ｃが急激に全開方向へ回動する。このとき、シーケンサＰＬＣは、一定の時間間隔（例えば、１〜５ｍｉｎ間隔）で、開度調節器Ｃの開度角度θ、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃ、コールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔ及び棚温Ｔｈを取り込み、記録計ｅに記録する。また、シーケンサＰＬＣは、シーケンサＰＬＣに記憶された計算プログラムに従い、以下の手順で二次乾燥における被乾燥材料の全体の平均品温Ｔｍ及び平均脱湿速度Ｑｍを計算する。
【００２５】
（１）水負荷で測定した主管抵抗Ｒ（θ）と開度調節器Ｃの開度角度θとの関係式から、主管抵抗Ｒを計算する。
【００２６】
（２）主管ａ内の水蒸気流動が噴流状態となるＰｃｔ／Ｐｄｃ＜０．５３の状態では、
Ｑｍ＝３．６×Ｐｄｃ／Ｒの計算式で平均脱湿速度を計算する。
【００２７】
また、主管ａ内の水蒸気流動が粘性流状態となるＰｃｔ／Ｐｄｃ＞０．５３の状態では、Ｑｍ＝３．６×（Ｐｄｃ−Ｐｃｔ）／Ｒの計算式で平均脱湿速度を計算する。
【００２８】
（３）水負荷で測定した主管抵抗Ｒ（θ）と開度調節器Ｃの開度角度θとの関係式から、底部品温Ｔｍを計算する。
【００２９】
流路開度真空制御方式の凍結乾燥機Ｗ１では、乾燥庫ＤＣとコールドトラップＣＴを連通する主管ａと開度調節器Ｃとを通して流れる水蒸気の主管抵抗Ｒ（θ）が、Ｒ（θ）＝（Ｐｄｃ−Ｐｃｔ）／Ｑｍで表され、Ｐｃｔ／Ｐｄｃ＜０．５３では水蒸気の流れが噴流となる。よって、水蒸気の主管抵抗Ｒ（θ）は、Ｒ（θ）＝Ｐｄｃ／Ｑｍで計算できる。以下にその計算方法を示す。
【００３０】
（１）主管ａの入口、主弁ＭＶ及び主管ａ内の抵抗Ｒ１（θ）は、圧力降下の粘性流計算式Ｐｄｃ−Ｐ１＝Ｃｒ×ρ×ｕ２／２から、Ｐｄｃ−Ｐ１＝Ｒ１（θ）×Ｑｍ、Ｒ１（θ）＝Ｃｒ×Ｒ×Ｔ／（２×Ｐｄｃ×Ｍ×Ａ０２）×Ｑｍで計算できる。
【００３１】
（２）開度調節器Ｃの抵抗Ｒ２（θ）は、開度調節器Ｃの前後の圧力の比Ｐｃｔ／Ｐｌが０．５３以下となったときに噴流となり、噴流の計算式は、
Ｑｍ＝ρ×Ａ´×ｕ´で表される。
【００３２】
但し、ｕ´は局所音速であり、ｕ´＝（Ｋ×Ｒ×Ｔ／Ｍ）１／２である。
【００３３】
また、Ａ´は収縮面積であり、Ａ´＝０．６〜０．７×Ａである。
【００３４】
従って、噴流の計算式は、Ｒ２（θ）＝（Ｒ×Ｔ／（Ｋ×Ｍ））１／２／Ａ´と置いたとき、
Ｑｍ＝Ｐ１×Ａ´×〔Ｋ×Ｍ／（Ｒ×Ｔ）〕１／２＝Ｐ１／Ｒ２（θ）
と書き換えられる。
【００３５】
（３）一方、主管抵抗Ｒ（θ）は、
Ｒ（θ）＝Ｒ１（θ）＋Ｒ２（θ）
＝［〔Ｃ０＋（Ｒ２（θ）／２）２］１／２＋Ｒ２（θ）／２
で表される。
【００３６】
但し、Ｃ０＝Ｃｒ×Ｒ×Ｔ／（２×Ｐｄｃ×Ｍ×Ａ０２）＝３４０８．６５、
Ｒ２（θ）＝２２２３．７／Ａであり、
開度調節器Ｃの断面積Ａ（ｃｍ２）は、Ｄを主管ａの内径、ｄ１を開度調節器Ｃの直径、ｔを開度調節器Ｃの厚みとしたとき、
Ａ＝０．０１×（π×Ｄ２／４−ｄ１×ｔ×ｃｏｓθ−π×ｄ１２／４×ｓｉｎθ）
で計算される。
【００３７】
計算結果の一例を下記の表１に示す。
【表１】
2014202429.tif 000003
【００３８】
〈開度調節器Ｃの開度角度θと主管抵抗Ｒ（θ）との関係式の導出〉
二次乾燥における被乾燥材料の平均品温Ｔｍ及び平均脱湿速度Ｑｍの算出に際しては、事前に、水負荷で乾燥負荷Ｑｍ（Ｋｇ／ｈｒ）と乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔを測定し、開度調節器Ｃの開度角度θと主管抵抗Ｒ（θ）との関係式を求める。その方法は、トレイ底部に品温センサを取り付け、トレイに水を入れ、−４０℃まで凍結し、一次乾燥時に棚温を設定して、乾燥庫内の真空度を２６．７Ｐａから６．７Ｐａまで順次に制御し、棚温Ｔｈと底部品温Ｔｂを測定し、庫内圧力ＰｄｃとＣＴ圧力Ｐｃｔを絶対圧真空計ｂにて計測する。各真空制御値における開度調節器Ｃの開度角度θも計測する。
【００３９】
乾燥負荷Ｑｍ（Ｋｇ／ｈｒ）の確定は、乾燥前後の被乾燥材料の重量差から乾燥量を求める方法と、入熱量計算から解析する方法の二つの方法がある。入熱量計算からの解析による場合には、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃにて棚からトレイ底部への熱伝達係数αを計算し、次にＱ＝Ａ１×α×（Ｔｈ−Ｔｂ）の計算式でトレイ底部への熱流量を計算し、乾燥負荷Ｑｍが氷の昇華潜熱２８５０ＫＪ／Ｋｇより計算式Ｑｍ＝Ｑ／２８５０で求められる。それにより開度調節器Ｃの開度角度θと主管抵抗Ｒ（θ）との関係式が得られる。
【００４０】
次いで、凍結乾燥プログラムにしたがって被乾燥材料の凍結乾燥を行うときに、開度調節器Ｃの開度角度θ、乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔ及び棚温Ｔｈを計測して記録すれば、上述した水負荷の測定で得られた開度調節器Ｃの開度角度θと水蒸気抵抗Ｒ（θ）との関係式から、個別容器の品温を測定することなく、二次乾燥期における全体の平均品温Ｔｍ及び平均脱湿速度Ｑｍを監視することができる。
【実施例１】
【００４１】
以下に、開度調節器Ｃの開度角度θと主管抵抗Ｒ（θ）との関係式を導出する際の具体的な実施例を示す。
【００４２】
先ず、水負荷の試験で、開度調節器Ｃの開度角度θと主管抵抗Ｒ（θ）との関係式を求める。水負荷の試験は、乾燥庫ＤＣ内に水を充填したトレイを装入し、通常の被乾燥材料の凍結乾燥と同一の手順で凍結乾燥機Ｗ１を制御することにより行う。一例として、トレイ内の水を−４５℃まで凍結し、一次乾燥時に棚温Ｔｈを−２０℃に設定し、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを４Ｐａ、６．７Ｐａ、１０Ｐａ、１３．３Ｐａ、２０Ｐａ、３０Ｐａ、４０Ｐａ、６０Ｐａに制御して、それぞれ３時間保持し、合計８例の水負荷試験を実施した。そのときの開度調節器Ｃの開度角度θ、棚温Ｔｈ、トレイ底部の氷温度Ｔｂ、乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔをそれぞれ測定して、記録計ｅに記録した。
【００４３】
氷の乾燥負荷Ｑｍ（Ｋｇ／ｈ）を乾燥量の測定や入熱量による計算で決定し、開度調節器Ｃの開度角度θと主管抵抗Ｒ（θ）との関係式を求めた。表２に、開度調節器Ｃの開度角度θと計算により求められた主管抵抗Ｒ（θ）との関係、及び、開度調節器Ｃの開度角度θと測定により求められた主管抵抗Ｒ（θ）との関係を示す。
【表２】
2014202429.tif 000004
【００４４】
次いで、表２のデータから、以下に示す主管抵抗Ｒ（θ）の計算式、及び開度調節器Ｃの断面積Ａ（ｃｍ２）の計算式を求めた。
【００４５】
Ｒ（θ）＝〔３４０８．６５＋（２２２３．７／Ａ）２〕１／２＋２２２３．７／Ａ、
Ａ＝０．０１×（π×Ｄ２／４−ｄ１×ｔ×ｃｏｓθ−π×ｄ１２／４×ｓｉｎθ）
但し、Ｄは主管ａの内径、ｄ１は開度調節器Ｃの直径、ｔは開度調節器Ｃの厚みである。
【００４６】
以上の手順で水負荷テストで開度調節器Ｃの開度角度θと主管抵抗Ｒ（θ）と乾燥負荷Ｑｍとの関係式が得られる。
【００４７】
［第２実施形態］
第２実施形態に係る乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法は、図３及び図４に示すように、乾燥庫内の真空度を調節するためのリーク弁を乾燥庫に備えたリーク式真空制御方式の凍結乾燥機に適用されるものである。
【００４８】
〈凍結乾燥機の構成〉
第２実施形態に係る凍結乾燥機Ｗ２は、図３に示すように、被乾燥材料を装入する乾燥庫ＤＣと、乾燥庫ＤＣ内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気をトラップコイルｃｔにて凝結捕集するコールドトラップＣＴと、乾燥庫ＤＣとコールドトラップＣＴを連通する主管ａと、主管ａを開閉する主弁ＭＶと、乾燥庫ＤＣに接続されたリーク制御弁ＬＶ付きの真空制御回路ｆと、コールドトラップＣＴに付設された引口弁Ｖと、引口弁Ｖに接続された真空ポンプＰと、乾燥庫ＤＣ内の絶対圧力及びコールドトラップＣＴ内の絶対圧力を検出する真空計（真空検出手段）ｂと、乾燥庫（ＤＣ）内に設置された被乾燥材料載置用の棚板Ｂの温度（棚温）を検出する温度センサ（棚温検出手段）Ｓと、上述した装置各部の稼働を自動制御する制御盤ＣＲとから主に構成されている。本例においては、制御盤ＣＲにシーケンサＰＬＣ及び記録計（記録手段）ｅが組み込まれており、シーケンサＰＬＣには、主弁ＭＶを全開とした状態において求めた水負荷による脱湿速度Ｑｍと主管ａ内の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒとの関係式と、所要の計算プログラムとが予め記憶されている。その他については、第１実施形態に係る凍結乾燥機Ｗ１と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
シーケンサＰＬＣは、被乾燥材料の乾燥状態が二次乾燥期に入った場合、リーク制御弁ＬＶを開閉して乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを制御値に制御するか、リーク制御弁ＬＶを閉じて乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを成り行きにまかせて変化させる。そして、当該変化の前後における乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃ、コールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔ、温度センサＳにより検出された棚温Ｔｈを含む測定データ、及び前記関係式から、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出し、算出された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を記録計ｅに記録する。作業者は、記録計ｅに記録された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を確認することにより、被乾燥材料の凍結乾燥状態を監視することができる。以下、リーク真空制御方式における平均品温Ｔｍ及び脱湿速度Ｑｍの算出方法について説明する。
【００５０】
〈リーク真空制御方式による平均品温Ｔｍ及び平均脱湿速度Ｑｍの算出方法〉
上述したように、二次乾燥期に被乾燥材料から脱湿した水蒸気は、乾燥庫ＤＣから主管ａを通してコールドトラップＣＴ内に流れ、トラップコイルＣｔにて凝結捕集される。リーク真空制御方式による場合、主管ａ内における水蒸気の流れは粘性流となるので、被乾燥材料からの脱湿速度Ｑｍは、次の式で計算できる。
【００５１】
Ｑｍ＝３・６×（Ｐｄｃ−Ｐｃｔ）／Ｒ＝３・６×ΔＰ／Ｒ
上式において、Ｐｄｃは乾燥庫ＤＣ内の真空度（乾燥庫真空度）
ＰｃｔはコールドトラップＣＴ内の真空度（コールドトラップ真空度）
ΔＰは乾燥庫真空度Ｐｄｃとコールドトラップ真空度Ｐｃｔとの差圧
Ｒは主管抵抗である。
【００５２】
差圧ΔＰは、粘性流の管路圧力降下の計算式から、以下のように表される。
【００５３】
ΔＰ＝Ｃｒ／２×ρ×ｕ２＝Ｃｒ／２×ρ×〔Ｑｍ／（３６００×Ａ×ρ）〕２
但し、Ｃｒは主管流路の水蒸気流動抵抗係数
ρは理想気体の状態方程式ρ＝Ｐ×Ｍ／（Ｒ×Ｔ）で表される値（Ｐは気体の圧力、Ｍは気体の分子量、Ｒは気体定数、Ｔは気体の温度）
Ａは主管ａの流路面積である。
【００５４】
上記ΔＰの式に、理想気体状態方程式ρ＝Ｐ×Ｍ／（Ｒ×Ｔ）、分子量Ｍ＝１８、気体定数Ｒ＝８３１４、気体温度Ｔ＝２８８、ΔＰ＝Ｐｄｃ−Ｐｃｔを代入し、脱湿速度Ｑｍの式に変換すると、
Ｑｍ＝Ａ×〔（Ｐｄｃ２−Ｐｃｔ２）／（８３１４×２８８／（１８×３６００２）×Ｃｒ）〕１／２  となる。
【００５５】
二次乾燥工程に入った後は、リーク制御弁ＬＶを開閉して乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを制御値に制御するか、リーク制御弁ＬＶを閉じて乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを成り行きにまかせて変化させる。この変化の前後における乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃの測定値をＰｄｃ１、とコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔの測定値をＰｃｔ１とすると、被乾燥材料の脱湿速度Ｑｍは下式で表わせる。
【００５６】
Ｑｍ＝Ａ×〔（Ｐｄｃ１２−Ｐｃｔ１２）／（０．０１０３×Ｃｒ）〕１／２
〈脱湿速度Ｑｍと主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒとの関係式の導出〉
主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒは、水負荷で実際の乾燥量を測定する方法と計算による方法の二つ方法で求めることができる。
【００５７】
計算により求める場合には、主管ａの流路面積Ａは既知であるので、上述した
Ｑｍ＝Ａ×〔（Ｐｄｃ２−Ｐｃｔ２）／（８３１４×２８８／（１８×３６００２）×Ｃｒ）〕１／２
の式より、主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒが求めれば、乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔを測定することによって、脱湿速度Ｑｍを算出できる。なお、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃの測定及びコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔの測定には、高精度の真空計ｂを設置することが要求される。
【００５８】
具体的には、乾燥庫ＤＣ内に被乾燥材料を装入し、棚温をＴｈに設定して図４に示す凍結乾燥機Ｗ２を稼動させ、被乾燥材料の乾燥状態が二次乾燥期に入ったとき、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃをリーク制御弁ＬＶの開閉にて制御値に設定するか、或いは、リーク制御弁ＬＶを閉じて成り行きで乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを変化させる。この状態において、一定時間間隔（例えば、１〜５ｍｉｎ間隔）で乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔと棚温Ｔｈを記録計ｅにて記録する。そして、それらの測定データをシーケンサＰＬＣに取り込み、該シーケンサＰＬＣに記憶された計算プログラムに従って、以下の手順で二次乾燥における被乾燥材料の全体の平均品温Ｔｍ及び脱湿速度Ｑｍを計算する。
【００５９】
（１）水負荷で測定した主管ａの水蒸気流動抵抗係数Ｃｒと脱湿速度Ｑｍとの関係式から、計測時の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒ値と主管流路の断面積Ａをシーケンサ（ＰＬＣ）に取り込む。
【００６０】
（２）粘性流の管路圧力降下の計算式
ΔＰ＝Ｃｒ／２×ρ×ｕ２＝Ｃｒ／２×ρ×〔Ｑｍ／（３６００×Ａ×ρ）〕２
から、二次乾燥時の脱湿速度Ｑｍを、下式により算出する。
【００６１】
Ｑｍ＝Ａ×〔（Ｐｄｃ１２−Ｐｃｔ１２）／（０．０１０３×Ｃｒ）〕１／２
（３）平均品温Ｔｍを計算する。
【００６２】
次いで、乾燥庫ＤＣとコールドトラップＣＴを連通する主管ａを通して流れる水蒸気の流動抵抗係数Ｃｒを求める。水蒸気の流動抵抗係数Ｃｒは、主管ａの入口から出口までに至る各区間の水蒸気流動抵抗係数の総和であり、本試験例では、主管ａを、主管入口、主管出口、エルボ箇所、主弁ＭＶの設置箇所、及び主管ａの入口区間（水蒸気の流れの助走区間）を除く流れが十分に発達した区間の５区間に分け、主管入口の流動抵抗係数Ｃｒ１＝０．５、主管出口の流動抵抗係数Ｃｒ２＝０．５、エルボ箇所の流動抵抗係数Ｃｒ３＝１．２、主弁ＭＶの設置箇所の流動抵抗係数Ｃｒ４＝１．７とした。
【００６３】
なお、エルボ箇所の流動抵抗係数Ｃｒ３は、１．１３×ｎ（９０°×ｎ箇所）で求められる。本試験例においては、乾燥庫ＤＣとコールドトラップＣＴとをつなぐ主管ａ内に開度調節器Ｃを備える（図１参照）と共に、乾燥庫ＤＣに乾燥庫ＤＣ内の真空度を調節するためのリーク弁ＬＶを備えた（図３参照）凍結乾燥機を用いたので、これをエルボに相当する流動抵抗として、Ｃｒ３＝１．２とした。
【００６４】
主管ａの入口区間（水蒸気の流れの助走区間）を除く流れが十分発達する区間の流動抵抗係数Ｃｒ５は、Ｃｒ５＝λ×Ｌ／Ｄ＋ξ（但し、ξ＝２．７、Ｌは主管の長さ、Ｄは主管内径、λは摩擦係数）で求められ、摩擦係数λは、λ＝６４／Ｒｅ（但し、Ｒｅはレイノルズ数）で求められ、レイノルズ数Ｒｅは、Ｒｅ＝ｕ×Ｄ／ν≒４０×Ｑｍ／Ｄ（但し、Ｑｍは昇華速度、Ｄは主管ａの内径）で求められる。
【００６５】
本例の試験機では、Ｌ＝０．７ｍで、Ｑｍ＝０．０５Ｋｇ／ｈｒのとき、Ｃｒ＝６．６＋１．６×０．７／０．０５＝２９となった。
【００６６】
一方、測定により主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒと脱湿速度Ｑｍの関係式を求める場合には、トレイ底部に品温センサを取り付け、トレイに水を入れ、−４０℃まで凍結し、一次乾燥期に棚温を設定して、乾燥庫内の真空度を２６．７Ｐａから６．７Ｐａまで順次に制御し、棚温Ｔｈと底部品温Ｔｂを測定し、乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔとを絶対圧真空計にて記録する。
【００６７】
脱湿速度Ｑｍ（Ｋｇ／ｈｒ）の確定は、乾燥前後の被乾燥材料の重量差から乾燥量を求める方法と、入熱量計算から解析する方法の二つの方法がある。解析による場合には、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃにて棚からトレイ底部への熱伝達係数αを計算し、次にＱ＝Ａ１×α×（Ｔｈ−Ｔｂ）の計算式でトレイ底部への熱流量を計算し、脱湿速度Ｑｍが氷の昇華潜熱２８５０ＫＪ／Ｋｇより計算式Ｑｍ＝Ｑ／２８５０で求められる。それにより主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒと脱湿速度Ｑｍとの関係式が得られる。
【００６８】
リーク式真空制御方式においては、実際に凍結乾燥プログラムを設定して被乾燥材料の凍結乾燥を行うとき、乾燥庫内の真空度ＰｄｃとＣＴ内の真空度Ｐｃｔを計測して記録すれば、水負荷の測定で得られた主管流路の水蒸気抵抗係数Ｃｒと脱湿速度Ｑｍとの関係式を利用して、二次乾燥時に脱湿した水蒸気流量が求められ、脱湿速度も算出できる。
【実施例２】
【００６９】
以下に、リーク式真空制御方式の凍結乾燥機Ｗ２に適用される二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温Ｔｍ及び平均脱湿速度Ｑｍの算出方法及び算出装置のより具体的な実施例を示す。
【００７０】
〈水蒸気流動抵抗係数Ｃｒと脱湿速度Ｑｍとの関係式の導出〉
先ず、水負荷の試験で、主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒと脱湿速度Ｑｍとの関係式を求める。水負荷の試験は、乾燥庫ＤＣ内に水を充填したトレイを装入した状態で、制御盤ＣＲにより凍結乾燥機Ｗ２の稼動を制御し、所定の乾燥工程を実行することにより行われる。本例においては、トレイ内の水を−４５℃まで凍結した後の一次乾燥時に、棚温Ｔｈを−２０℃に設定すると共に乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを６．７Ｐａに設定して３時間保持した。また、棚温Ｔｈを−１０℃に設定すると共に乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを６．７Ｐａ、１３．３Ｐａ、２０Ｐａに制御してそれぞれ３時間保持した。また、棚温Ｔｈを５℃に設定すると共に乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを６．７Ｐａ、１３．３Ｐａに制御して、３時間保持した。また、棚温Ｔｈを２０℃に設定すると共に乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを６．７Ｐａ、１３．３Ｐａに制御して、それぞれ３時間保持した。上記９条件の水負荷試験を実施しながら、棚温Ｔｈ、トレイ底部品温Ｔｂ、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃ及びコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔを測定して記録した。更に、これらの測定結果から、脱湿速度Ｑｍ（Ｋｇ／ｈ）と主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒを求めた。表３に、水負荷の試験で求められた棚温Ｔｈ、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃ、コールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔ、脱湿速度Ｑｍ及び主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒを示す。
【表３】
2014202429.tif 000005
【００７１】
表３のデータに基づいて作成した主管流路の水蒸気流動抵抗係数Ｃｒと脱湿速度Ｑｍとの関係を表すグラフを示す。このグラフから、
Ｃｒ＝５．４＋０．８５／Ｑｍ１．２５
の関係式が得られた。
【００７２】
本実施例では、主管ａの長さが比較的短いために、主管ａ全体が入口区間（助走区間）となっており、水蒸気の流れが十分に発達した区間での計算式Ｃｒ＝６．６＋１．６×Ｌ／Ｑｍと比べると、水蒸気流動抵抗係数Ｃｒが乾燥速度Ｑｍ１．２５に反比例している。
【００７３】
〈平均品温Ｔｍの算出方法〉
二次乾燥期における被乾燥材料の全体の平均品温Ｔｍは、次式から算出できる。
【００７４】
まず、乾燥品の伝熱方程式は、次の式で表される。
【００７５】
Ｃ×ｄＴｍ／ｄｔ＝Ｑｈ＋Ｑｒ−Ｑｍ×ΔＨｓ
但し、この式において、Ｃは被乾燥材料の熱容量、Ｔｍは平均品温、Ｑｈは気体伝導による棚段から容器底部への入熱量、Ｑｒは乾燥庫壁から全容器への幅射入熱量、Ｑｍは脱湿速度、ΔＨｓは蒸発潜熱である。
【００７６】
まず、気体伝導による棚段から容器底部への入熱量Ｑｈは、次の式で計算される。
【００７７】
Ｑｈ＝Ａｅ×Ｋ×（Ｔｈ−Ｔｍ）
但し、Ａｅは有効伝熱面積（ｍ２）、Ｋは気体伝導による棚段から容器底部への熱伝達係数、Ｔｈは棚温（℃）、Ｔｂは底部品温（℃）である。
【００７８】
有効伝熱面積Ａｅは、Ａｅ＝２／（１／Ａｖ＋１／Ａｔ）で算出でき、
気体伝導による棚段から容器底部への熱伝達係数Ｋ（Ｗ／ｍ２℃）は、
Ｋ＝１６．８６／（δ＋２．１２×２９×０．１３３／Ｐｄｃ）である。
【００７９】
有効伝熱面積Ａｅの計算式において、Ａｖは容器底部面積（ｍ２）であり、Ａｔはトレイ枠面積（ｍ２）である。
【００８０】
容器底部面積Ａｖは、Ａｖ＝π／４×ｎ１×ｄ２（但し、ｎ１はバイアル本数、ｄはバイアル直径）で算出でき、トレイ枠面積Ａｔは、Ａｔ＝ｎ２×Ｗ×Ｌ（但し、ｎ２は枠枚数；Ｗは枠の幅寸法、Ｌは枠の長さ寸法）で算出できる。
【００８１】
また、気体伝導による棚段から容器底部への熱伝達係数Ｋの計算式において、δは容器底部の隙間であり、単位はｍｍである。
【００８２】
一方、乾燥庫壁から全容器への幅射入熱量Ｑｒは、次式から求められる。
【００８３】
Ｑｒ＝５．６７×ε×Ａｅ×〔（Ｔｗ／１００）４−（Ｔｍ／１００）４〕
但し、式中のεは輻射係数、Ｔｗは乾燥庫壁温度、Ｔｍは平均品温である。
【００８４】
また、この乾燥庫壁から全容器への幅射入熱量Ｑｒは、次式で近似的に計算できる。
【００８５】
Ｑｒ＝Ａｅ×Ｋｒ×（Ｔｗ−Ｔｍ）
但し、Ｋｒは輻射入熱による相当熱伝達係数であり、試験機でＫｒ＝０．７Ｗ／ｍ２℃、生産機でＫｒ＝０．２Ｗ／ｍ２℃と近似できる。
【００８６】
入熱量の計算式を伝熱方程式に入れると、下式が成り立つ。
【００８７】
Ｃ×ｄＴｍ／ｄｔ
＝Ａｅ×Ｋ×（Ｔｈ−Ｔｍ）＋Ａｅ×Ｋｒ×（Ｔｗ−Ｔｍ）−Ｑｍ×ΔＨｓ
但し、ΔＨｓは蒸発潜熱であり、ΔＨｓ＝２８５０ＫＪ／Ｋｇである。
【００８８】
二次乾燥期に被乾燥材料の平均品温は以下の式で計算できる。
【００８９】
Ｃ×（Ｔｍ−Ｔｍ０）／Δｔ
＝Ａｅ×Ｋ×（Ｔｈ−Ｔｍ）＋Ａｅ×Ｋｒ×（Ｔｗ−Ｔｍ）−Ｑｍ×ΔＨｓ
Ｔｍ＝（Ｔｍ０＋ａ１×Ｔｈ＋ａ２×Ｔｗ−ａ３)/(１＋ａ１＋ａ２)
ａ１＝Ｋ×Ａｅ×Δｔ/Ｃ、
ａ２＝Ｋｒ×Ａｒ×Δｔ/Ｃ、
ａ３＝Ｑｍ×ΔＨｓ×Δｔ/Ｃ
但し、Ｃは被乾燥材料の熱容量である。
【００９０】
したがって、以上の計算式から、二次乾燥期に脱湿速度Ｑｍを測定すれば、被乾燥材料の全体の平均品温Ｔｍを算出することができる。
【００９１】
〈被乾燥材料の熱容量Ｃの算出方法〉
二次乾燥工程に入ると、棚温を二次乾燥の設定温度まで昇温する。これにより、被乾燥材料中の不凍水が脱湿し、品温も上昇する。なお、被乾燥材料の熱容量Ｃには、トレイの熱容量Ｃｔ、バイアルとゴム栓の熱容量Ｃｖ、薬分の熱容量Ｃｓ及び不凍水の熱容量Ｃｗを含める。
【００９２】
（１）トレイの熱容量Ｃｔは、Ｃｔ＝ｃｓｕｓ×Ｗｔで計算される。ｃｓｕｓはステンレスの比熱である。Ｗｔはトレイ重量であり、引き抜きトレイと底付きトレイの合計値となる。
【００９３】
（２）バイアルとゴム栓の熱容量Ｃｖは、Ｃｖ=ｃｖ×Ｗｖ＋ｃｃ×Ｗｃで計算される。ｃｖはバイアルの比熱、Ｗｖはバイアル重量、ｃｃはゴム栓の比熱、Ｗｖはゴム栓の重量である。
【００９４】
（３）薬分の熱容量Ｃｓは、Ｃｓ＝ｃｓ×Ｗｓで計算される。ｃｓは薬分の比熱、Ｗｓは薬分重量である。
【００９５】
（４）不凍水の熱容量Ｃｗは、Ｃｗ＝ｃｗ×Ｗｗで計算される。ｃｗは不凍水の比熱、Ｗｗは不凍水の重量である。
【００９６】
（５）したがって、被乾燥材料の熱容量Ｃは、Ｃ＝Ｃｔ＋Ｃｖ＋Ｃｓ＋Ｃｗとなる。
【００９７】
〈平均品温Ｔｍ及び脱湿速度Ｑｍの算出結果〉
以下に、流路開度真空制御方式の凍結乾燥機Ｗ１を用いた場合、及び、リーク真空制御方式の凍結乾燥機Ｗ２を用いた場合のそれぞれについて、実負荷を用いた凍結乾燥テストを行うことにより求められた、二次乾燥期における被乾燥材料の全体の平均品温Ｔｍ及び脱湿速度Ｑｍの計算結果を示す。
【００９８】
〈流路開度真空制御方式の凍結乾燥機Ｗ１を用いた場合〉
凍結乾燥機Ｗ１は、乾燥庫ＤＣ内に被乾燥材料であるスクロース（Sucrose、分子式：Ｃ１２Ｈ２２Ｏ１１）の１０％水溶液を分注したバイアル６６０本が装入され、制御盤ＣＲにより制御されて、所定の乾燥工程を開始している。なお、本発明に係る算出方法及び算出装置の適切性を検証するために、棚中央部に装入された３本のバイアルには品温センサを挿入して、バイアル内に分注された被乾燥材料スクロースの品温（品温１、品温２、品温３）を測定した。溶液を−４５℃で３時間凍結させ、一次乾燥時に棚温Ｔｈを−２０℃に設定すると共に、開度調節器Ｃの開度角度θを調整して乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを１０．０Ｐａに制御し、被乾燥材料を凍結乾燥した。二次乾燥では、棚温を１時間で−２０℃から３０℃まで昇温し、真空度調節手段を駆動して乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを成り行きに変化させ、開度調節器Ｃを全開方向へ回動させた。二次乾燥期に１分間の間隔で開度調節器Ｃの開度角度θ、乾燥庫ＤＣ内の真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴ内の真空度Ｐｃｔ及び棚温Ｔｈをそれぞれ測定して記録し、シーケンサＰＬＣに記憶された計算ソフトを用いて、被乾燥材料の平均品温Ｔｍと平均脱湿速度Ｑｍを算出した。図５に、その算出結果を示す。
【００９９】
図５は、上述の条件で算出した流路開度真空制御方式による二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温Ｔｍ及び脱湿速度Ｑｍのグラフである。この図から明らかなように、算出された被乾燥材料の平均品温Ｔｍは、品温センサにより検出された被乾燥材料の品温（品温１、品温２、品温３）とよく一致している。これにより、本発明に係る算出方法及び算出装置の適切性を検証することができた。図５に示すデータは、制御盤ＣＲに備えられた記録計ｅに記録される。凍結乾燥機Ｗ１のオペレータは、記録計ｅに記録された平均品温Ｔｍのデータ及び脱湿速度Ｑｍのデータを監視することにより、被乾燥材料の二次乾燥状態を知ることができる。
【０１００】
〈リーク真空制御方式の凍結乾燥機Ｗ２を用いた場合〉
凍結乾燥機Ｗ２は、乾燥庫ＤＣ内に被乾燥材料であるマンニトール（Mannitol、分子式：Ｃ６Ｈ１４Ｏ６）の１０％水溶液を分注したバイアル６６０本が装入され、制御盤ＣＲにより制御されて、所定の乾燥工程を開始している。なお、本発明に係る算出方法及び算出装置の適切性を検証するために、棚中央部に装入された３本のバイアルには品温センサを挿入して、バイアル内に分注された被乾燥材料マンニトールの品温（品温１、品温２、品温３）を測定した。溶液を−４５℃で３時間凍結させ、一次乾燥時に棚温Ｔｈを０℃に設定すると共に、真空制御回路ｆに備えられた可変リーク弁及びリーク制御弁ＬＶを経由して外部空気を凍結乾燥機Ｗ２内に導入することにより、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを１０Ｐａに制御し、被乾燥材料を凍結乾燥した。二次乾燥では、棚温を１時間で０℃から２０℃まで昇温し、乾燥庫ＤＣ内の真空度Ｐｄｃを１時間で１０Ｐａから１Ｐａに制御し、その後に真空を成り行きにした。二次乾燥期に１分間隔で乾燥庫ＤＣの真空度ＰｄｃとコールドトラップＣＴの真空度Ｐｃｔ及び棚温Ｔｈをそれぞれ測定して記録し、シーケンサＰＬＣに記憶された計算ソフトを用いて、被乾燥材料の平均品温Ｔｍと脱湿速度Ｑｍを算出した。表４及び図６に、その算出結果を示す。
【表４】
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【０１０１】
図６は、上述の条件で算出したリーク式真空制御方式による二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温Ｔｍ及び脱湿速度Ｑｍのグラフである。この図から明らかなように、算出された被乾燥材料の平均品温Ｔｍは、品温センサにより検出された被乾燥材料の品温（品温１、品温２、品温３）とよく一致している。これにより、本発明に係る算出方法及び算出装置の適切性を検証することができた。図６に示すデータは、制御盤ＣＲに備えられた記録計ｅに記録される。凍結乾燥機Ｗ２のオペレータは、記録計ｅに記録された平均品温Ｔｍのデータ及び脱湿速度Ｑｍのデータを監視することにより、被乾燥材料の二次乾燥状態を知ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、食品や薬品等の凍結乾燥に用いられる凍結乾燥機に利用できる。
【符号の説明】
【０１０３】
Ｃ    開度調節器
ＣＴ    コールドトラップ
ＣＲ    制御盤
ＤＣ    乾燥庫
ＭＶ    主弁
Ｐ    真空ポンプ
ＰＬＣ    シーケンサ
Ｖ    引口弁
Ｗ    凍結乾燥機
ａ    主管
ｂ    真空計
ｃｔ    トラップコイル（プレート）
ｅ    記録計
ｆ    真空制御回路
【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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