专利名称：低温冷架的制作方法
一般来讲本发明涉及的是冷冻干燥，具体地说，本发明涉及用来进行冷冻干燥的冷架。
冷冻干燥是一种除去冰状游离水的升华技术。由于冷冻干燥可以除去生物制品的水分，保持生物制品的完整，因而，对药品工业尤其有用。在冷冻干燥过程中，使含水的制品冷冻，在水蒸汽的分压力下降到水的三相点以下而处于真空状态下，冷冻水升华，再将升华了的冰从干燥器中除去。
在干燥步骤之前使含水产品完全冷冻是很重要的。此外，由于含水产品一般都含有另一种溶剂和/或可溶性固体，产品的冰点，即最低易熔温度一般都大大低于水的冰点。例如，糖基生物制品的最低易熔温度可低达-65℃。因此，冷冻干燥要求在短时间内提供大量的制冷量。
以前，冷冻干燥一直用商用机械冷冻系统完成。但是这种机械设备常用的制冷剂，如氟里昂，已被认为对环境有害，因而正从商业使用中消失。但是，从热力学观点来讲，更换制冷剂使其有效地用在冷冻干燥的应用上是不成问题的。此外，机械制冷装置用的替代制冷剂一般具有腐蚀性，并且有毒，还要求不同的压缩化，因此使它们使用的运行费用昂贵。另外还需要附加的中间传热流体，这就使能达到的温度范围受到严格限制。
已知低温流体如液氮或气氮很冷，且能释放出大量的冷量。但是以前尚未把低温流体用于冷冻干燥器的冷架。冷架是放有冷冻干燥的含水制品的平台。在进行冷冻干燥时，使整个冷架上的温度均匀，以保证制品的质量很重要。低温流体的冷量释放很难控制。以前一直难以用低温流体为冷冻干燥器的整个冷架提供几乎均匀的温度分布。
因此，本发明的一个目的就是提供一种可以使用低温流体作为制冷源，并可在整个冷架上提供较均匀的冷冻温度的冷冻干燥系统的冷架。
本发明的另一个目的是提供一种可以使用低温流体作为制冷源，以便可以不使用中间换热流体，并消除使用中间换热流体而带来的温度范围限制的用于冷冻干燥系统的冷架。
通过阅读说明书，上述及其它目的对本领域的技术人员会更明显，这些目的可以通过本发明达到，本发明的一方面是一种低温冷架，包括若干限定冷架容积的隔板及一个在所述冷架容积内的制冷剂分布器，该制冷剂分布器与低温流体源相连通，并能使低温流体流过，所述制冷剂分布器包括一个具有第一支线和第一支线下游的第二支线的主流道，所述第一支线具有多个从第一支线伸出的第一分支，及所述第二支线具有多个从第二支线伸出并位于所述各第一分支之间的第二分支。
本发明的另一方面是一种低温冷架，包括若干限定冷架容积的隔板及一个在所述冷架容积内的制冷剂分布器，该制冷剂分布器与低温流体源相连通，并能使低温流体流过，所述制冷剂分布器包括一个具有一个低温流体入口和其长度贯穿冷架容积的主流道，该制冷剂分配器还有多个与主流道相连通的沿主流道长度方向伸出的分支，所述分支具有使低温流体流出制冷剂分布器，并流进冷架容积的多个孔，靠近低温流体入口的至少一个分支的孔小于远离低温流体入口的至少一个分支的孔。
这里所用的术语“低温流体”指温度等于或低于-80℃的流体。
图1表示为本发明实施例的冷冻干燥的供应低温流体的设备简图。
图2表示本发明的已除去上板的低温冷架的一个实施例的平面简图。
图3表示本发明的已除去上板的低温冷架的另一个实施例的平面简图。
图4表示能使本发明的低温冷架容易地垂直移动的一个优选接头的横截面图。
下面将参照附图，并以汽化了的液氮作为低温液体详述本发明。任何有效的低温流体均可用于实施本发明。低温流体可以是液态、气态或气/液混合物。在可用于实施本发明的低温流体组分中有氮、氩、氧、氦和空气。
图1表示使用低温流体的冷冻干燥系统的总结构简图。参照图1，液氮流1供入文丘里管2。文丘里管具有一个收缩圆锥体和一个扩张圆锥体。当压缩了的低温流体通过时，该流体将低压废氮气15引入文丘里管中心。因此，如果需要，可使部分废氮气9循环，来混合或蒸发部分进来的低温流体1。
液氮3从文丘里里管2中抽出，与热氮气流4汇合形成流体5，流体5在共轴混合器6中混合。共轴混合器6中的混合作用使液氮汽化并形成低温气体。该低温气体流在管道7中流进冷冻干燥器8。该冷冻干燥器具有多个垂直定位的冷架，冷架上放有冷冻干燥的含木制品。在低温气体用于冷冻干燥的冷架后，低温气体就通过管道9从冷冻干燥器的冷架中抽出。废氮气分成三部分。管道9中的一部分废氮气10从系统中抽出。另一部分11流入文丘里管12，添加的液氮流13也进入文丘里管12。流体氮14从文丘里管12中抽出。通常冷凝器16在10℃状态下运行，比冷冻干燥器8的冷架要冷。流体14可直接用于冷凝器16。流体9的第三部分15如上所述流入文丘里管2，用于形成上述的流体3。如果需要，可使氮气流19通过加热器20而受热，以形成流体4，流体4如前述的那样与流体3混合。
在冷却和冷冻循环中只需从加热器20中得到很少的热量。测量冷冻干燥器中温度的温度程序器将给流体19提供热量。当含水制品已充分冷冻，真空循环开始时，温度程序器将逐渐给加热器20提高热负荷。第二温度程序器可逐渐增加低温流体1的温度，或逐渐混入的室温氮气。在循环结束时，流体7可高达60℃，而流体1则可供应室温氮气。低温流体13一直保持冷冻温度，直到制动器已经关闭含水制品。
图2表示可用于如图1所示的冷冻干燥器的本发明的低温冷架的平面图。参照图2，冷架25包括限定冷架容积的若干个隔板。在图2中，为了说明制冷剂分布器，冷架25的上板未示出。冷架25的下板图示为板26。
在冷架25的冷架容积内布置有制冷剂分布器27，该制冷剂分布器与低温流体源28相连通，如图1中系统管道7所示。制冷剂分布器27能使低温流体流过。通常，制冷剂分布器27包括内径在0.125至3英寸之间的管。
制冷剂分布器27包括主流道和分支流道。主流道包括第一部分或第一支线29及第一支线下游的第二部分或第二支线30。第一支线29具有多个从第一支线最好以90°角伸出的第一分支31，第二支线30具有多个从第二支线最好以90°角伸出的第二分支32。第二分支32至少有一个位于第一分支31之间。由于制冷剂分布器27的主流道的压降，从第一支线29伸出的第一分支31得到的低温流体比从下游的第二支线30伸出的第二分支32得到的低温流体要稍多一些。例如，以这种方法使流动中距低温流体入口28最近，因而通过的低温流体流量最大的分支33与流动中距低温流体入口28最远、因而通过的低温流体流量最少的分支34相匹配。从而在整个冷架容积内达到了低温流体的均匀分布。
第一和第二分支都打有孔，孔径一般在1/64英寸到1/4英寸的范围内。低温液体从第一和第二分支的孔中流出，流入冷架容积内，在冷架容积内把冷量送入上板和下板，由此再传递给冷冻干燥的含水制品。由于在整个冷架容积内低温流体的均匀分布，在整个冷架区域内温度是均匀的。废低温流体通过出口管35从冷架容积内抽出，例如对应于图1中设置的管道9。
在图2所示的本发明的实施例中，主流道的第一支线位于冷架容积的中心区域，主流道的第二支线位于冷架容积的周边区域。本领域的技术人员能意识到其它布置也是有效的。例如，第一支线可位于一个周边区域，而第二支线可位于另一个周边区域。在另一种布置中，第一和第二支线都可位于冷架容积的中心区域。
图3表示本发明的另一个实施例。图3所示的冷架45有些类似于图2所示的冷架，这里不再详述上板和下板，冷架容积，管的尺寸，及与低温流体源相连通的共同特征。
现在参看图3，制冷剂分布器46包括主流道47及沿主流道长度方向伸出的若干分支48。最好主流道47基本上延伸通过整个冷架容积的长度。主流道一端有低温流体入口49，低温流体入口49用于接受进入制冷剂分布器的低温流体。位置靠近低温流体入口49的分支例如分支50的孔小于远离低温流体入口49的分支的孔(例如分支51)。这样，尽管沿主流道47有压降，低温流体通过远离入口49的分支仍以与通过靠近入口49的分支大致相同的流量流入冷架容积内。通常较远的分支如分支51的平均孔径为1/48英寸至1/4英寸，较近的分支上的如分支50的平均孔径为1/64英寸至1/5英寸。这样，低温流体提供给冷架的冷量在整个冷架表面上就能平均分布，因而可达到与图2所示的本发明的实施例同样的效果。
废低温流体可按与冷架25中相同的方式从冷架45的冷架容积内抽出。图3表示了一个从冷架容积内抽出废低温流体的优选系统，其中废流体从冷架容积内均匀抽出，从而进一步避免了在冷架区域内产生温度梯度。现在参看图3，抽出管道52的长度延伸通过整个冷架45，并且具有多个沿抽出管道52的长度方向向外伸出的分支53，及在抽出管道52长度方向的一端有一个流体排出管。远离排出管54的分支例如分支55的孔类似于分支51的孔，这些孔大于靠近非出管54的分支例如分支56的孔，这些孔与分支50上的那些孔类似。从排出管54排出的废流体能如图1管道9所示的那样流出冷冻干燥器。
在冷冻干燥时，可能需要上下移动垂直分层配置的低温冷架，以便塞住或处理装有制品的瓶子或其他容器。可以使用图4所示的接头把冷架挤压在一起；而不损坏低温流体管。参看图4，通过低温传输管65和可在低温传输管中移动的低温管66把低温流体供应给制冷剂分布器。低温管66沿长度方向有真空保温层67，在低温管66和低温传输管65的连接处有接头68，接头68包括由氟烃、石墨或其它低温密封材料制成的密封套69和燃气加热密封套70，这两个密封套都用密封螺母71固定。上述密封套使低温流体不泄漏，并防止它进入冷冻干燥器的真空室。如燃气入口72和燃气出口73所示，一般热气体在燃气加热密封套70内循环，以保持上述密封材料在其璃态转变温度或脆化温度以上。密封套和燃气加热密封套的长度将取决于低温冷架的垂直移动距离。图4所示的接头将使本发明的冷架随附带的刚性低温传输管容易地垂直移动，因而进一步强化了本发明的利用。如果在冷架升温到室温前不需要移动冷架，则不需要图4所示的接头，用低温软管连接就足够了。
虽然已结合某些优选实施例对本发明作了详细描述，但本领域的普通技术人员明白，本发明还有一些其他实施例在权利要求限定的精神范围内。
权利要求
1.一种低温冷架，包括若干个限定冷架容积的隔板，及一个与低温冷源相连通、能够使低温流体流过的在所述冷架容积内的制冷剂分布器，所述制冷剂分布器包括一个具有一个第一支线和一个第一支线下游的第二支线的主流道，所述第一支线具有多个从第一支线伸出的第一分支，所述第二支线具有多个从所述第二支线伸出、并位于所述各第一分支之间的第二分支。
2.如权利要求1所述的低温冷架，其中第一支线位于冷架容积的中心区域，第二支线位于冷架容积的周边区域。
3.如权利要求1所述的低温冷架，进一步包括从冷架容积抽出低温流体的装置，所述抽出装置包括一条有一定长度和一个出口管道的抽出管道，该装置还有若干个沿长度方向的抽出分支，至少有一个距出口管道较远的分支上的一些孔大于至少一个距出口管道较近的分支上的那些孔。
4.如权利要求1所示的低温冷架，进一步包括一个把制冷剂分布器连到低温流体源的接头，所述接头包括一个密封套和一个围绕密封套的燃气加热密封套，所述燃气加热密封套包括一个接收热气体的装置和一个排出热燃气的装置，所述密封套套在能相对于所述密封套移动的制冷剂分布器管外。
5.如权利要求1所述的低温冷架，其中低温流体源是氮源。
6.一种低温冷架，包括若干个限定冷架容积的隔板，及一个与低温冷源相连通、能够使低温流体流过的在所述冷架容积内的制冷剂分布器，所述制冷剂分布器包括一个具有一个低温流体入口、其长度贯穿冷架容积的主流道，该制冷剂分配器还有若干沿主流道的长度方向与主流道连通的分支，所述分支具有多个让低温流体从制冷剂分布器流出、并流入冷架容积的孔，比较靠近低温流体入口的至少一个分支上的孔小于远离低温流体入口的至少一个分支上的那些孔。
7.如权利要求6所述的低温冷架，其中主流道位于冷架空间的中间区域。
8.如权利要求6所述的低温冷架，进一步包括从冷架容积内抽出低温流体的装置，所述抽出装置包括一条具有一定长度和一个出口管道的抽出管道，该装置还有若干沿其长度方向的抽出分支；至少有一个距出口管道较远的抽出分支上的孔大于至少一个较靠近出口管道的抽出分支上的孔。
9.如权利要求6所述的低温冷架，进一步包括一个把制冷剂分布器连接到低温流体源的接头，所述接头包括一个密封套和一个围绕密封套的燃气加热密封套，所述燃气加热密封套包括一个接收热气体的装置和一个排出热气体的装置，所述密封套套在能相对于所述密封套移动的制冷剂分布器管外。
10.如权利要求6所述的低温冷架，其中低温流体源为氮源。
全文摘要
一种用于冷冻干燥系统的低温冷架,具有一个使低温流体以不同速度流入冷架的冷架容积内的制冷剂分布器,以便为整个冷架提供均匀的冷量,从而使整个冷架温度均匀。
文档编号F26B5/06GK1185578SQ97122860
公开日1998年6月24日 申请日期1997年11月3日 优先权日1996年12月16日
发明者A·T·Y·郑, D·L·德瓦克 申请人:普拉塞尔技术有限公司