冷冻干燥系统内的能量回收技术方案

本文公开了用于冷冻干燥系统的能量回收系统的实施例。在一些实施例中，冷冻干燥系统包括：冷冻干燥室，该冷冻干燥室中设置有一个或多个搁架；制冷系统，其包括制冷剂冷凝器；换热器；第一流体管线，其将制冷剂冷凝器热耦合到换热器；和第二流体管线，其将一个或多个搁架热耦合到换热器。

Energy Recovery in Freeze Drying System

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】冷冻干燥系统内的能量回收
本公开涉及冷冻干燥系统领域，更具体地，本公开涉及冷冻干燥系统中的能量回收。
技术介绍
冷冻干燥(例如，冻干，冷冻干燥)是从产品中除去水和/或其他溶剂的过程。冷冻干燥具有许多应用，例如保存易腐烂物质，使物质更便于运输、制造陶瓷、以可接受效力水平生产具有短重构时间的产品，等等。冷冻干燥可用于许多不同物质，包括但不限于食品、制药和生物样本等。在典型的冷冻干燥过程中，将样品或容纳样品的小瓶或容器装载在室内的温控搁架上并冷却至低温直至完全固化。然后降低冷冻干燥室压力并调节搁架温度以便能够在称为“一次干燥”的步骤中通过升华除去冷冻溶剂(即干燥)。当升华完成时，在“二次干燥”步骤期间升高搁架温度以除去通过例如吸附与固体产物结合的其它未冷冻溶剂。当除去足够的溶剂时，干燥过程结束。如果样品容纳在小瓶或容器中，就密封小瓶或容器，通常在低于环境压力的惰性气体下密封小瓶或容器。附图说明在附图中，通过示例而非限制的方式示出了本公开。图1是根据本公开的实施例的冷冻干燥系统的描绘；图2A是用于冷冻干燥系统的能量回收系统的第一实施例的示意图；图2B是用于冷冻干燥系统的能量回收系统的第一实施例的示意图，其描绘了第一流体流动路径；图2C是用于冷冻干燥系统的能量回收系统的第一实施例的示意图，其描绘了第二流体流动路径；图2D是用于冷冻干燥系统的能量回收系统的第一实施例的示意图，其描绘了第三流体流动路径；图2E是用于冷冻干燥系统的能量回收系统的第二实施例的示意图；图3A是用于冷冻干燥系统的能量回收系统的第三实施例的示意图，其描绘了第一流体流动路径；图3B是用于冷冻干燥系统的能量回收系统的第三实施例的示意图，其描绘了第二流体流动路径；图4是示出根据本公开的实施例的用于冷冻干燥系统中的能量回收的方法的流程图。具体实施方式冷冻干燥过程至少包括冷冻阶段、一次干燥(例如升华)阶段和二次干燥(例如解吸)阶段。在冷冻阶段期间，冷冻产品并在产品中形成冰晶。在一次干燥阶段期间，通过升高温度升华游离冰晶来从产品中除去水。在二次干燥阶段期间，将温度升至更高以从产品中除去结合的水分子。冷冻干燥可能是昂贵且耗时耗能的过程。例如一次干燥阶段可能很慢(在某些情况下需要多天才能完成)并且可能需要比任何其他阶段更长的时间来完成。具有一个或多个机械压缩机的制冷单元可用于冷却冷冻干燥室。在该过程的后期阶段，压缩机可用于冷却冷冻干燥机冰冷凝器，并且压缩机的废热被排出系统，同时通过诸如电加热器的其它装置将热量置入室的搁架中。本公开的实施例涉及用于冷冻干燥系统内的能量回收的系统和方法。具体地，这些实施例允许回收机械制冷压缩机产生的废热并使其用于加热冷冻干燥系统的室内的产品搁架。与仅使用电加热装置加热搁架的传统冷冻干燥系统不同，本实施例将冷凝器热耦合到搁架，这降低了系统的能量需求。在某些实施例中，当冷凝器或离开冷凝器的流体的温度处于特定范围内时，可以将来自冷凝器的废热供应到搁架。例如，可编程逻辑控制器或流量控制器的处理装置可以执行配方，当搁架温度在一范围内(例如，在﹣25°至35℃内)时，该配方使得热量从冷冻干燥器冷凝器传递到搁架，然后在温度不在此范围内或搁架达到目标温度时停止传热。图1是根据本公开的实施例的冷冻干燥系统100的描绘。冷冻干燥系统100可以执行产品的冷冻干燥。冷冻干燥过程可包括多个阶段(例如，冷冻阶段，一次干燥阶段，二次阶段等)。冷冻干燥系统100可包括壳体102，该壳体102包封冷冻干燥系统100的各种部件，例如用于装载样品的室104、制冷单元、流体管线、气体管线等。室104可以经由门106进入，门106可以密封室104并维持室104内的真空状态。室104可以包括设置在其上的一个或多个搁架108，搁架108可以用于固定样品。一个或多个入口112可以有利于气体流动和/或真空附件，以分别控制进入室104中的气体流量和室104内的真空状态。排出口114可以用于从室中去除多余的水，例如，由成冰导致的多余的水。在某些实施例中，冷冻干燥系统100可以适于进行蒸汽灭菌循环。在每次使用冷冻干燥系统100之后，冷冻干燥系统100可以执行现场清洁(CIP)和/或蒸汽灭菌循环，以确保产品不被先前在冷冻中冻干的物质污染。例如，在某些实施例中，冷冻干燥系统100可包括一个或多个入口，用于将清洁介质和/或蒸汽引入系统的室中。在某些实施例中，室104和搁架108可以用附接有烧瓶的歧管代替。在某些实施例中，室102可包括一个或多个孔口，用于连接各种阀和测量仪。例如，诸如皮拉尼测量仪的测量仪可以耦合到室以测量室102内的压力。在一些实施例中，搁架108可以热耦合到加热元件以进行温度控制。在一些实施例中，加热元件可以是电加热装置。在一些实施例中，加热元件可以是一个或多个流体管线，其与搁架108热耦合，并且可以通过流过一个或多个流体管线的流体调节传递到搁架的热量。在某些实施例中，冷冻干燥系统100可包括可容纳在壳体102内的内部冷凝器。在其他实施例中，冷冻干燥系统100可包括外部冷凝器。在这样的实施例中，减压孔可以设置在室104、单独的冷凝室或将室104连接到冷凝室的导管附近。如果减压孔位于冷凝室上或隔离阀和冷凝室之间的导管中，则分开室104和冷凝室的隔离阀将打开，以在两者之间实现相同的压力。在一些实施例中，多于一个的室104可以连接到单个冷凝室，反之亦然。在一些实施例中，冷冻干燥系统100包括控制界面110，其可以允许用户对配方进行编程并执行配方。冷冻干燥系统100包括各种控制硬件(例如，一个或多个处理装置)和适于命令和协调冷冻干燥系统100的各种元件的软件系统，并且实施预编程的冷冻干燥循环。各种控制硬件和软件系统也可以提供文档、数据记录、警报和系统安全功能。此外，冷冻干燥器系统的辅助系统可包括泄漏检查系统、性能检查系统和用于清洁和消毒产品室和/或在产品室中自动装载/卸载产品的各种子系统以及相关联的机械或低温制冷系统附件，如制冷橇、压缩机、冷凝器、换热器、传热流体系统、泵、加热器、膨胀罐、低温罐、管道、阀、传感器等。在样品冷冻完成后，开始干燥步骤，其包括一次干燥步骤和二次干燥步骤。一次干燥包括启动真空泵和冷凝器制冷系统以在室104中建立所需的升华和冷凝状态。在一些实施例中，贯穿干燥过程的少量气体(例如惰性气体)流入室内以辅助控制真空度。在达到真空压力状态之后，搁架108被加热(例如，使用来自冷凝器的废热，如下面将更详细地讨论的那样)到所需的一次干燥温度，所述一次干燥温度由承受冷冻干燥的物质的热和机械性质确定。当通过升华去除所有未结合的水时一次干燥完成，这通过产品温度测量、湿度测量、电容压力计和皮拉尼测量仪测量值的比较、取样器获得的样品分析或其他技术中的一个或多个所确定。一旦一次干燥完成，冷冻干燥器搁架温度以所需的加热速率进一步加热直到产品或物质达到可以充分地实现结合水的解吸时的温度。该最终产品温度取决于产品组成并且可以为约20℃或更高。在完成干燥之后，将产品或物质从室104中移除。在该过程期间的任何时间，冷冻干燥系统100均能够紧急停止或关闭，这将在室保持处于真空条件下的同时关闭加压和减压控制阀。图2A﹣2D是用于冷冻干燥系统(例如，冷冻干燥系统100)的能量回本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冷冻干燥系统，其包括：冷冻干燥室，其中设置有一个或多个搁架；制冷系统，其包括制冷剂冷凝器；换热器；第一流体管线，其将制冷剂冷凝器热耦合到换热器；和第二流体管线，其将所述一个或多个搁架热耦合到所述换热器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.09 US 15/260,5391.一种冷冻干燥系统，其包括：冷冻干燥室，其中设置有一个或多个搁架；制冷系统，其包括制冷剂冷凝器；换热器；第一流体管线，其将制冷剂冷凝器热耦合到换热器；和第二流体管线，其将所述一个或多个搁架热耦合到所述换热器。2.根据权利要求1所述的冷冻干燥系统，其中，所述第一流体管线限定所述制冷剂冷凝器和所述换热器之间的第一流体流动路径。3.根据权利要求2所述的冷冻干燥系统，其中，所述第二流体管线包括第一阀和第二阀。4.根据权利要求3所述的冷冻干燥系统，其中，当所述第一阀打开而所述第二阀关闭时，所述第二流体管线限定从所述一个或多个搁架到所述换热器的第二流体流动路径。5.根据权利要求4所述的冷冻干燥系统，其中，当流体流过所述第一流体流动路径并且流过所述第二流体流动路径时，所述第一流体管线和所述第二流体管线促进所述制冷剂冷凝器的换热器与所述一个或多个搁架之间的热传递。6.根据权利要求4所述的冷冻干燥系统，其中，在所述第一阀关闭而所述第二阀打开时，所述第一流体管线限定绕过所述换热器的第二流体流动路径。7.根据权利要求4所述的冷冻干燥系统，还包括：流量控制器，其中，所述流量控制器用于调节通过所述第一流体管线和所述第二流体管线的流体流量。8.根据权利要求7所述的冷冻干燥系统，还包括：多个温度感测元件，其分布在整个所述第一流体管线和所述第二流体管线中。9.根据权利要求7所述的冷冻干燥系统，其中，所述流量控制器操作地联接到所述多个温度传感器，并且其中，所述流量控制器基于从所述多个温度传感器接收的温度测量值来控制所述第一阀和所述第二阀。10.根据权利要求8所述的冷冻干燥系统，其中，响应于确定温度测量值满足温度阈值条件，流量控制器调制所述第一阀打开而所述第二阀关闭，或者调制所述第一阀关闭而所述第二阀打开。11.一种用于冷冻干燥系统中的能量回收的方法，所述方法包括：使第一流体流过流体管线的第一流动路径，所述第一流体管线热耦合到冷冻干燥系统的制冷剂冷凝器和换热器；使第二流体流过第二流体管线的第二流动路径，所述第二流体管线热...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·D·邓恩，
申请(专利权)人：SP工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US