(57)【要約】【課題】簡易なシステム構成で清浄性や生産効率を向上可能な凍結乾燥システムおよび凍結乾燥方法を提供する。【解決手段】本発明は、対象物を冷却して凍結させた水分を昇華することで凍結乾燥を行う凍結乾燥システムに関するものであり、冷熱を生成するエアサイクルを有する冷却装置（３）と、冷媒と対象物とを熱交換する熱交換部を収納する凍結乾燥室（２）と、冷却装置の冷却能力を制御する制御部（１１）とを備え、該制御部は、冷却装置における冷熱の生成量を制御することによって、凍結乾燥室における温度を所定の目標温度に調整することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を冷却することにより凍結させた水分を昇華させ、コールドトラップによって該昇華した水分を捕集することによって凍結乾燥を行う凍結乾燥システムであって、
エアを冷媒として用いるエアサイクルによって冷熱を生成する冷却装置と、
前記冷媒と前記対象物とを熱交換する熱交換部を収納する凍結乾燥室と、
前記冷却装置の冷却能力を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記冷却装置における冷熱の生成量を制御することによって、前記凍結乾燥室における温度を所定の目標温度に調整することを特徴とする凍結乾燥システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記目標温度を第１の温度に設定することにより前記凍結乾燥室を予冷した後に、前記目標温度を前記第１の温度より低い第２の温度に設定することによって、前記対象物を凍結することを特徴とする請求項１に記載の凍結乾燥システム。
【請求項３】
前記凍結乾燥室に予め冷却されたエアを供給する冷却エア供給機構を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の凍結乾燥システム。
【請求項４】
前記冷却エア供給機構は、
外気を取り込む外気取込部と、
該取り込んだ外気を前記冷媒と熱交換することにより冷却する冷却部と、
該冷却した外気を前記凍結乾燥室に送風する送風部と
を含んで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の凍結乾燥システム。
【請求項５】
前記外気取込部は滅菌器を介して外気を取り込むことによって外気を清浄することを特徴とする請求項４に記載の凍結乾燥システム。
【請求項６】
前記冷却エア供給機構は、前記エアサイクルを循環する冷媒であるエアの一部を前記凍結乾燥室に導入するエア供給ラインを備えることを特徴とする請求項３に記載の凍結乾燥システム。
【請求項７】
前記エアサイクルは、滅菌器を介して取り込んだ外気を冷媒として使用することを特徴とする請求項６に記載の凍結乾燥システム。
【請求項８】
対象物を冷却することにより凍結させた水分を昇華させ、コールドトラップによって該昇華した水分を捕集することによって凍結乾燥を行う凍結乾燥方法であって、
前記凍結乾燥室を第１の温度に設定することにより予冷する予冷工程と、
前記凍結乾燥室を前記第１の温度より低い第２の温度に設定することにより凍結する凍結工程と、
前記対象物に形成された氷晶を昇華すると共に、雰囲気中に放出された水分を前記コールドトラップで捕集する乾燥工程と
を備えることを特徴とする凍結乾燥方法。
【請求項９】
予め冷却されたエアを前記凍結乾燥室に供給することによって、前記凍結乾燥室における冷却を促進することを特徴とする請求項８に記載の凍結乾燥方法。
【請求項１０】
外部から取り込んだエアを、前記エアサイクルで生成した冷熱と熱交換することによって、前記凍結乾燥室に供給されるエアを予め冷却することを特徴とする請求項９に記載の凍結乾燥方法。
【請求項１１】
前記エアサイクルを循環するエアの一部を前記凍結乾燥室に導入することを特徴とする請求項９に記載の凍結乾燥方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、清浄性が要求される対象物を凍結乾燥するための凍結乾燥システムおよび凍結乾燥方法の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品や薬品の加工方法の一種として、凍結乾燥が知られている。凍結乾燥では、まず凍結乾燥室に設置した対象物を冷却することによって、対象物に含まれる水分を凍結させる。そして、凍結乾燥室を減圧及び過熱することで該凍結した水分を昇華させ、雰囲気中に放出された水分を予め冷却したコールドトラップによって捕集して乾燥する。
【０００３】
このような凍結乾燥を実施するシステムの一例として、例えば図５に示すものがある。図５は、従来の凍結乾燥システム１００´の全体構成を示す模式図であり、この例では特に、単一の熱源機であるコンデンシングユニットによって冷熱を生成することで、簡易な構成で凍結乾燥を実施できるものを例示している。
【０００４】
凍結乾燥システム１００´は、対象物が設置される管棚１を収容する凍結乾燥室２と、冷熱を発生するコンデンシングユニットである冷却装置３と、昇華した水分を捕集するためのコールドトラップ４と、冷却装置３を流れる一次冷媒と管棚１を流れる二次冷媒との熱交換を行うための熱交換器５とを備えている。一次冷媒が循環する循環ライン６には一次冷媒の流量を調整するためのバルブ７ａが設けられている。また、循環ライン６には、熱交換器５を流れるバイパスライン８ａと、コールドトラップ４に流れるバイパスライン８ｂとが分岐して形成されている。バイパスライン８ａ及び８ｂ上には、それぞれ一次冷媒の流入出量を調整するためのバルブ７ｂ及び７ｃが設けられている。
二次冷媒が循環する循環ライン９には、二次冷媒を循環するための循環ポンプ１０が設けられている。
尚、一次冷媒としては例えばフロンやアンモニアなどの冷媒を用いることができ、二次冷媒としては例えば不凍液やオイルなどが用いられる。
【０００５】
凍結乾燥システム１００´の動作は制御ユニットであるコントローラ１１によって実施され、具体的には、バルブ７ａ〜７ｃの開閉状態、冷却装置３における冷熱の発生量、及び、循環ポンプ１０の作動状態は、コントローラ１１から送信される制御信号に基づいて制御される。
【０００６】
凍結乾燥システム１００´では、まずバルブ７ａ及び７ｂを開状態に設定することにより、冷却装置３からの冷熱を含む一次冷媒を熱交換器５に導くことで、管棚１を流れる二次冷媒を冷却する。これにより、管棚１上に配置された対象物は、二次冷媒から冷熱を受け取ることによって、凍結される。
このように対象物を凍結させる際には、バルブ７ｃを開状態に設定することによって、コールドトラップ４の冷却も同時に行うとよい。
【０００７】
対象物の凍結が完了すると、対象物を収納している凍結乾燥室２を不図示の減圧手段（真空ポンプ等）によって減圧することにより、対象物に含まれる凍結した水分を昇華させる。このとき、減圧手段による減圧に加えて、ヒータなどの加熱手段を用いて二次冷媒を加熱することで、水分の昇華を促進させてもよい。
凍結乾燥室２で昇華によって雰囲気中に放出された水分は、凍結乾燥室２に連結されたコールドトラップ４によって捕集される。コールドトラップ４に蓄積された水分は、凍結乾燥終了時に外部に排出される。
【０００８】
このように複数の冷媒を介して冷却装置３で生成した冷熱を利用して凍結乾燥を行うシステムとして、例えば特許文献１がある。特許文献１では、システムが有する凝縮機の冷却についても、単一の冷却装置でまかなえるようにシステム構成の簡略化を図っている。
【０００９】
一般的に、凍結乾燥では対象物を極低温に冷却する必要があるため、凍結に長時間を要しており、生産効率の向上が求められている。そこで、特許文献２では、冷却装置による冷却に加えて、凍結乾燥室に液体窒素などの極低温流体を直接給送することで、冷却を促進して、凍結時間の短縮を図る技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２０１０−５０２９３２号公報
【特許文献２】特表２０１３−５０５４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
凍結乾燥における凍結では、まず対象物に核と呼ばれる原発生部位が形成された後、樹枝状の氷が形成していくことで氷晶（種晶）が形成される。雰囲気中に懸濁粒子あるいは容器の不良部位が存在する場合には、これらを核として氷晶が形成される。しかしながら、食品や薬品のような衛生性を要求される対象物を凍結乾燥する際には、水分を過冷却することによって、水分自体から核を形成する必要がある。この場合、核の大きさは過冷却温度が低くなるに従って小さくなるが、核が小さくなると蒸気流への抵抗が大きくなり、凍結サイクルが長くなってしまうという問題がある。そのため、特許文献２のように、極低温流体を給送することで単純に冷却を促進しても、上記理由によって凍結サイクルが長くなり、結果として生産コストも高くなってしまうという問題がある。
【００１２】
また特許文献２では、例えばボンベなどの貯留手段を用いて、外部から液体窒素を供給する必要がある。そのため、システム構成の複雑化や、ランニングコストが高くなるという問題点がある。特に、清浄性に優れた液体窒素はコストが高く、この問題は一層顕著となる。また流体の清浄性を確保するための一つの手段として滅菌器を用いることが考えられるが、典型的な滅菌器は液体窒素のような極低温領域では使用することができない。
【００１３】
本発明では上述の問題点に鑑みなされたものであり、簡易なシステム構成で清浄性や生産効率を向上可能な凍結乾燥システムおよび凍結乾燥方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る凍結乾燥システムは上記課題を解決するために、対象物を冷却することにより凍結させた水分を昇華させ、コールドトラップによって該昇華した水分を捕集することによって凍結乾燥を行う凍結乾燥システムであって、エアを冷媒として用いるエアサイクルによって冷熱を生成する冷却装置と、前記冷媒と前記対象物とを熱交換する熱交換部を収納する凍結乾燥室と、前記冷却装置の冷却能力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記冷却装置における冷熱の生成量を制御することによって、前記凍結乾燥室における温度を所定の目標温度に調整することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、エアサイクルを有する冷却装置によって冷熱を生成することにより、凍結時に必要な大きな冷凍能力を単一の熱源機によってまかなうことができ、簡易な構成で凍結乾燥を実施することができる。特にエアサイクルを利用した冷却装置は、単体で大きな冷凍能力を発揮できることに加えて、幅広い温度領域をカバーするため、良好な生産効率が得られるように柔軟な温度制御を実施することができる。
【００１６】
本発明の一態様では、前記制御部は、前記目標温度を第１の温度に設定することにより前記凍結乾燥室を予冷した後に、前記目標温度を前記第１の温度より低い第２の温度に設定することによって、前記対象物を凍結する。
この態様によれば、対象物を凍結する際に、段階的な冷却を行うことにより、凍結に要する期間を効果的に短縮し、生産効率を向上することができる。例えば凍結の初期段階では、比較的高い第１の温度に設定することによって適切な大きさの核を形成し、その後、比較的低い第２の温度に設定することにより、核を成長させて氷晶を形成することができる。すなわち、第１の温度は適切な大きさの核を形成するに適した温度とし、第２の温度は核の成長に適した温度とする。このように、段階的な温度制御を行うことで凍結サイクルを短縮し、生産効率の向上を図ることができる。
【００１７】
また他の態様では、前記凍結乾燥室に予め冷却されたエアを供給する冷却エア供給機構を備えてもよい。
この態様によれば、冷却装置で発生させた冷熱に加えて、凍結乾燥室に予め冷却されたエアを供給することによって、より大きな冷凍能力が得られる。これにより、対象物の凍結時間を更に短縮することができ、生産効率の向上が図れる。
【００１８】
この場合、前記冷却エア供給機構は、外気を取り込む外気取込部と、該取り込んだ外気を前記冷媒と熱交換することにより冷却する冷却部と、該冷却した外気を前記凍結乾燥室に送風する送風部とを含んで構成されていてもよい。
この態様によれば、冷却装置で生成した冷熱の一部と外気を用いて外気を冷却して凍結乾燥室に送ることができる。これにより、簡易なシステム構造で凍結期間の短縮化を実現することができる。
【００１９】
この場合更に、前記外気取込部は滅菌器を介して外気を取り込むことによって外気を清浄してもよい。
この態様によれば、常温にある外気を滅菌器で清浄した後に冷却することによって、極低温領域での使用が困難である一般的な滅菌器を利用して、衛生性に優れた冷却エアを生成することができる。これにより、清浄な冷却エアを用いた凍結期間の短縮を低コストで実現できる。
尚、冷却部によって冷却された外気温度が滅菌器の作動可能な温度領域の範囲内である場合には、冷却部の下流側に滅菌器を設置することで、冷却後の外気を滅菌して凍結乾燥室に送ってもよい。また、滅菌器を送風部の下流側（すなわち凍結乾燥室と送風部との間）に設けてもよい。この場合、稼働部である送風部を通過した後の冷気を滅菌することができるので、より清浄な冷気を凍結乾燥室に供給することができる。
【００２０】
また、前記冷却エア供給機構は、前記エアサイクルを循環する冷媒であるエアの一部を前記凍結乾燥室に導入するエア供給ラインを備えてもよい。
この態様によれば、エアサイクルを循環する冷媒であるエアを凍結乾燥室に直接導入することによって、凍結乾燥室の冷却を促進し、凍結期間の短縮を図ることができる。この場合、エアサイクルを循環するエアを凍結乾燥室に導入するエア供給ラインを設けるだけで、簡易な構成で実現できる点で有利である。
【００２１】
この場合、前記エアサイクルは、滅菌器を介して取り込んだ外気を冷媒として使用してもよい。
この態様によれば、エアサイクルに取り込む外気を予め滅菌器で清浄しておくことで、清浄性に優れた冷却エアを生成することができる。上述の送風部を備える態様では、送風部として例えばファンなどの回転器を用いることができるが、このような稼動部位が存在する場合、摩擦等によって微粒子が発生する場合がある。この態様では、このような稼動部位を有さないため、特に厳しい清浄性が要求される場合にも対応が可能となる。
尚、エア供給ラインを流れる冷却エア温度が滅菌器の作動可能な温度領域の範囲内である場合には、該エア供給ラインに滅菌器を設置することで、エアサイクルから取り出した後の冷却エアを滅菌して凍結乾燥室に送ってもよい。この場合、エアサイクルを構成する圧縮工程や膨張工程において用いられるタービンなどの回転機などによって発生する微粒子の影響を排除することができるので、より高度な清浄性を確保することができる。
【００２２】
本発明に係る凍結乾燥方法は上記課題を解決するために、対象物を冷却することにより凍結させた水分を昇華させ、コールドトラップによって該昇華した水分を捕集することによって凍結乾燥を行う凍結乾燥方法であって、前記凍結乾燥室を第１の温度に設定することにより予冷する予冷工程と、前記凍結乾燥室を前記第１の温度より低い第２の温度に設定することにより凍結する凍結工程と、前記対象物に形成された氷晶を昇華すると共に、雰囲気中に放出された水分を前記コールドトラップで捕集する乾燥工程とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の一態様では、予め冷却されたエアを前記凍結乾燥室に供給することによって、前記凍結乾燥室における冷却を促進する。
この場合、外部から取り込んだエアを、前記エアサイクルで生成した冷熱と熱交換することによって、前記凍結乾燥室に供給されるエアを予め冷却してもよい。
また、前記エアサイクルを循環するエアの一部を前記凍結乾燥室に導入してもよい。
【００２４】
本発明に係る凍結乾燥方法は、上述の凍結乾燥システム（上記各種態様を含む）によって好適に実施できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、エアサイクルを有する冷却装置によって冷熱を生成することにより、凍結時に必要な大きな冷凍能力を単一の熱源機によってまかなうことができ、簡易な構成で凍結乾燥を実施することができる。特にエアサイクルを利用した冷却装置は、単体で大きな冷凍能力を発揮できることに加えて、幅広い温度領域をカバーするため、良好な生産効率が得られるように柔軟な温度制御を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施例に係る凍結乾燥システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】管棚の断面構成を示す模式図である。
【図３】第１実施例に係る凍結乾燥システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】第２実施例に係る凍結乾燥システムの全体構成を示す概略図である。
【図５】従来の凍結乾燥システムの全体構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２８】
（第１実施例）
図１は第１実施例に係る凍結乾燥システム１００の全体構成を示す概略図である。尚、図１では前述した従来例である図５と共通する箇所には同一の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【００２９】
凍結乾燥システム１００は、冷媒（以下、他の冷媒と区別するために「一次冷媒」と証する）としてエアを利用するエアサイクルを有する冷却装置３を備える。エアサイクルは冷媒としてエアを用いることで、大きな冷凍能力を発揮することができると共に、広い温度領域をカバーできるという特徴と有している。本実施例に係るシステムは、このようにエアサイクルで生成した冷熱を利用することにより、単一の熱源機で効率的な凍結乾燥を行うことができるので、構成の簡易化を図ることができる。
【００３０】
冷却装置３で生成された冷熱は、熱交換により対象物が配置された凍結乾燥室２に伝達される。具体的に説明すると、本システムは、冷却装置３内において一次冷媒が循環する第１の循環ライン２０と、該一次冷媒と熱交換する二次冷媒が循環する第２の循環ライン２１と、該二次冷媒と熱交換する三次冷媒が循環する第２の循環ライン２２とを備えている。一次冷媒と二次冷媒との熱交換は第１の熱交換器１２において行われ、二次冷媒と三次冷媒との熱交換は第２の熱交換器２４において行われる。三次冷媒は凍結乾燥室２を通っており、後述するように凍結乾燥室２内において対象物と熱交換することにより、対象物に冷熱を供給できるように構成されている。
【００３１】
このように本システムでは、使用される各種冷媒がそれぞれ閉じた循環ラインを循環するように構成されているので、外部から冷媒の供給を行う必要がない。そのため、メンテナンス負担が少なく、ランニングコストを抑えることができる。
【００３２】
第２の循環ライン２１上には、二次冷媒を圧送するための循環ポンプ２５と、三方弁２６とバルブ２７とが設けられている。三方弁２６はコントローラ１１によって開閉状態が制御されることにより、後述するように、第２の循環冷媒ライン２１から第１のバイパスライン２８を介して冷却エア供給機構４０に二次冷媒の一部を供給する際に使用される。バルブ２７もまたコントローラ１１によって開度が調整されることにより、第２の循環冷媒ライン２１における二次冷媒の流量を調整する。
【００３３】
第２の循環冷媒ライン２１には、コールドトラップ４に通ずる第２のバイパスライン２９、及び、二次冷媒と三次冷媒との熱交換を行う第２の熱交換器２４に通ずる第３のバイパスライン３０が分岐するように形成されている。第２のバイパスライン２９及び第３のバイパスライン３０上には、それぞれバルブ２７ｂ及び２７ｃが設けられており、コントローラ１１によって開度を調整することにより、第２の循環ライン２１から二次冷媒が供給できるように構成されている。
【００３４】
凍結乾燥室２には対象物が配置される管棚１が収納されている。第３の循環ライン２２は管棚１を通るように取り回されており、管棚１上に配置された対象物は管棚１を介して、三次冷媒から冷熱を受け取ることによって冷却される。
ここで図２は管棚１の断面構成を示す模式図である。管棚１近傍では、第３の循環冷媒ライン２３は複数の冷却管パイプ２３ａ〜２３ｆに分岐されており、これらの冷却管パイプ２３ａ〜２３ｆは対象物の設置面３０に沿って配列されている。これにより、管棚１上に配置された対象物と冷却管パイプ２３ａ〜２３ｆとの接触面積を増やすことによって、熱交換効率の向上を図っている。
【００３５】
図２には２つの構成例を示しているが、図２（ａ）では、三次冷媒が流れる複数の冷却管パイプ２３ａ〜２３ｆに対象物を設置可能な金属板を敷いた構成を有しており、対象物の設置面３０近傍に冷却管パイプ２３ａ〜２３ｆが配列されている。また図２（ｂ）の例では、ある程度の板厚を有する金属板の内部に複数の冷却管パイプ２３ａ〜２３ｆを配列している。
【００３６】
本実施例では特に、冷却エア供給機構４０を備えることによって、凍結乾燥室２における対象物の凍結期間を短縮することによって、生産効率の向上を図っている。冷却エア供給機構４０は、外気を取り込む外気取込部４１と、該取り込んだ外気を前記冷媒と熱交換することにより冷却する冷却部４２と、該冷却した外気を前記凍結乾燥室２に送風する送風部４３とを含んで構成されている。
【００３７】
外気取込部４１では、滅菌器４４を介して外気を取り込むことによって、凍結乾燥室２における清浄性を確保する。一般的な滅菌器は極低温領域での動作が困難であるが、このように外気を冷却する前に用いることで、低コストで清浄性を確保できる。
【００３８】
冷却部４２は熱交換器から構成されており、滅菌器４４で清浄化された外気を、三方弁２６から第１のバイパスライン２８に導かれた二次冷媒と熱交換することによって、冷却エアを生成する。冷却エアはファンである送風部４３によって凍結乾燥室２に送り込まれ、対象物の冷却を促進する。
このように、本実施例の冷却エア供給機構４０では、エアサイクルで生成した冷熱の一部を利用して冷却エアを生成できる。そのため、特許文献２のように、外部から極低温冷媒を供給する構成が不要となり、簡易な構成で凍結期間の短縮を図ることができる。
【００３９】
コントローラ１１は凍結乾燥システム１００の動作を制御するための制御ユニットであり、当該システムの各所に制御信号を送信することによって、システムを作動させる機能を有する。また凍結乾燥室２には温度センサ５０が設置されており、コントローラ１１は当該温度センサ５０が目標値になるように、冷却装置３の出力を制御する。
【００４０】
ここで図３を参照して、凍結乾燥システムの動作について具体的に説明する。図３は第１実施例に係る凍結乾燥システム１００の動作を示すフローチャートである。
まず凍結乾燥室２に収納された管棚１上に対象物を配置する（ステップＳ１０１）。このとき凍結乾燥室２は常温である。続いて、コントローラ１１は冷却装置３を始動すると共に、バルブ２７ａを開状態に切り替えることによって、エアサイクルで生成した冷熱を、第２の循環ライン２１を流れる二次冷媒、及び、第３の循環ライン２３を流れる三次冷媒を介して、凍結乾燥室２が第１の目標温度Ｔ１になるように冷却装置３を制御する（ステップＳ１０２）。
【００４１】
ここで第１の目標温度Ｔ１は、対象物を凍結する際に必要となる核が適切な大きさになる温度として予め設定される。凍結は核と呼ばれる原発生部位が形成された後、樹枝状の氷が成長していくことで氷晶（種晶）が形成される。本実施例では対象物として高度な清浄性が求められる薬品を想定しているので、凍結乾燥室２の雰囲気中には、核となる懸濁粒子などは存在しない。そのため、対象物に含まれる水分を過冷却することによって核を精製する。
【００４２】
ここで核の大きさは過冷却温度に依存し、過冷却温度が小さくなるに従い、核の大きさは小さくなる傾向がある。しかしながら、核が小さくなると蒸気流への抵抗が大きいなり、凍結サイクルが長くなってしまう。そこで、ステップＳ１０２では、目標温度を比較的温度が高い第１の目標温度Ｔ１に設定することによって、適切な大きさの核を形成する。
【００４３】
凍結乾燥室２が第１の目標温度Ｔ１に到達すると、コントローラ１１は目標温度を、第１の目標温度Ｔ１より低い第２の目標温度Ｔ２に変更する（ステップＳ１０３）。これにより、ステップＳ１０２で形成した核を成長させ、氷晶を形成することによって、対象物の凍結を行う。この第２の目標温度Ｔ２は、核を成長させるために適した温度として予め設定される。
【００４４】
このように対象物を凍結する際に、凍結の初期段階では、比較的高い第１の目標温度Ｔ1に設定することによって適切な大きさの核を形成し、その後、比較的低い第２の目標温度Ｔ２に設定することにより、核を成長させて氷晶を形成する。これにより、凍結に要する期間を効果的に短縮し、生産効率を向上することができる。
【００４５】
尚、本実施例では第１の目標温度Ｔ１は約−４０℃であり第２の目標温度Ｔ２は約−８０℃であった。このように第１の目標温度Ｔ１と第２の目標温度Ｔ２とは、大きな温度差を有しているが、冷熱を生成する冷却装置３にエアサイクルを採用しているため、単一の冷却装置で賄うことができる。
【００４６】
上述のステップＳ１０２及びＳ１０３では、コントローラ１１は冷却エア供給機構４０を作動させることによって冷却を促進し、各目標温度への到達時間を短縮する。具体的には、三方弁２６を切り換えることで第２の循環ライン２１から第１のバイパスライン２８を介して冷却部４２に二次冷媒を導入すると共に、外気取込部４１からエア取り込みを開始することで、冷却エアを生成する。このように生成された冷却エアは、送風部４３であるファンを起動することによって、凍結乾燥室２に供給される。
尚、凍結乾燥室２にて冷却に使用されたエアは四方弁４５を介して、外部に排出される。
【００４７】
また本実施例では、ステップＳ１０２及びＳ１０３に並行して、バルブを開制御することによって、コールドトラップの冷却を実施する（ステップＳ１０４）。コールドトラップは、後述する乾燥工程において対象物から昇華した水分が捕集可能な程度に、十分低温に冷却される。
【００４８】
対象物の凍結が完了すると、コントローラ１１は不図示の減圧装置を作動させて、凍結乾燥室２を減圧することにより、対象物に含まれる凍結した水分を昇華して乾燥する（ステップＳ１０５）。このとき、凍結乾燥室２にヒータ等の加熱手段を設けることによって、三次冷媒を加熱し、昇華を促進してもよい。
尚、このように加熱手段によって三次冷媒を加熱する場合には、三次冷媒として加熱による劣化が少ないオイルを用いるとよい。
【００４９】
昇華した水分は凍結乾燥室２の雰囲気中に放出され、凍結乾燥室２に連通するコールドトラップ４によって捕集される。コールドトラップ４で捕集された水分は氷として蓄積され、乾燥工程が終了した後に、外部に排出される（ステップＳ１０６）。
【００５０】
このような凍結乾燥における凍結時間は従来では約２４時間を要していたが、本発明を採用することによって数時間（例えば約４時間）で完了することができ、大幅な生産効率の改善を実証することができた。
【００５１】
以上説明したように、本実施例に係る凍結乾燥システム１００によれば、エアサイクルを有する冷却装置３によって冷熱を生成することにより、凍結時に必要な大きな冷凍能力を単一の熱源機によってまかなうことができ、簡易な構成で凍結乾燥を実施することができる。特にエアサイクルを利用した冷却装置３は、単体で大きな冷凍能力を発揮できることに加えて、幅広い温度領域をカバーするため、良好な生産効率が得られるように柔軟な温度制御を実施することができる。
【００５２】
（第２実施例）
第２実施例では、上述の第１実施例とは異なる構成を有する冷却エア供給機構６０を採用している。尚、本実施例では、第１の実施例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【００５３】
図４は第２実施例に係る凍結乾燥システム２００の全体構成を示す模式図である。
本実施例に係る冷却エア供給機構６０は、冷却装置３が有するエアサイクルを循環する一次冷媒であるエアの一部を凍結乾燥室２に導入するエア供給ライン６１を備える。エアサイクルは、外部から滅菌器４４を介して外気を取り込んでおり、清浄なエアを一次冷媒として使用しており、典型的には圧縮工程、冷却工程、膨張行程、熱交換工程を含んで構成されている。エア供給ライン６１は、膨張行程と熱交換工程との間に接続されており、低温の一次冷媒を取り出せるように構成されている。
尚、エア供給ライン６１にもコントローラ１１によって開度が調整可能なバルブ６２が設けられており、取り出される一次冷媒の流量を制御可能になっている。
【００５４】
第２実施例では、二次冷媒及び三次冷媒については上記第１実施例と同様に閉じた循環ラインを循環するため、外部からの供給を行う必要がない。一方、一次冷媒であるエアは、取込口から外気として取り込まれると共に、凍結乾燥室２にて対象物の冷却に使用された後、三方弁６３を介して排出ライン６４から外部に排出されるようになっている。対象物の種類によっては高度な清浄性が要求されるが、このように一次冷媒を滅菌器４４を介して取り込んで使用した後に、外部に排出することで、使いまわしを回避し、高度な清浄性を確保することができる。
【００５５】
また第１実施例では、送風部４３として例えばファンなどの回転器を用いられている。このような回転機は稼動部位が存在するため、摩擦等によって少なからず微粒子が発生する可能性がある。一方、本実施例では、エアサイクルを流れる冷却エアをエア供給ライン６１を介して凍結乾燥室に導くだけで足り、稼動部位を有さないため高度な清浄性を達成できる。
尚、エアサイクルを構成する圧縮工程や膨張工程においてもタービンなどの回転機を用いることがあるため、これらの回転機によっても凍結乾燥室に供給される冷却エアに微粒子が含まれる可能性が考えられる。そこで、更に凍結乾燥室に供給される冷却エアが流れるエア供給ライン上（すなわち凍結乾燥室の前段）にも滅菌器を設けることで、凍結乾燥室に供給される冷却エアの清浄性をより高度に確保すると、より好ましい。
【００５６】
このように第２実施例では凍結乾燥室２における迅速な冷却と、凍結乾燥室２における高度な清浄性を簡易な構成で両立することができる。
尚、本実施例では、一次冷媒の循環ラインが開ループを形成するため、一次冷媒の循環量が変動することがある。一次冷媒の循環量は、冷却装置における冷熱発生量や稼動条件によって様々であるが、外気の取込口における流入量と外部への排出量とのバランスが取れるように、コントローラ１１によって流入バルブ及び排出バルブの開度を調整するとよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、清浄性が要求される対象物を凍結乾燥するための凍結乾燥システムおよび凍結乾燥方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  管棚
２  凍結乾燥室
３  冷却装置
４  コールドトラップ
５  熱交換器
１１  コントローラ
４０  冷却エア供給機構
４１  外気取込部
４２  冷却部
４３  送風部
４４  滅菌器
５０  温度センサ
【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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