JP3644845B2 - 真空装置における高効率蒸気凝結器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、真空装置における蒸気凝結器のうちで、特に本件出願人が先に開発して特公昭５８−１２０４２号公報として提起している真空装置における蒸気凝結器についての改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空装置の蒸気凝結器（トラップ）は、真空室中の被処理物から気化された水その他の溶媒の蒸気を、低温冷却面に凝結捕集し、もって、その真空室の真空圧力を所望の値に維持する目的で、真空凍結装置、真空乾燥装置、真空濃縮機、真空蒸溜機、真空冷却機、脱溶媒装置等の、真空装置に、それの要部を構成するように組込んで、広く用いられている。
【０００３】
この真空装置におけるトラップ（蒸気凝結器）は、真空蒸気を凝結させる冷熱量が冷凍装置の低温冷媒から供給され、伝熱工学的見地から見れば、低温媒体（冷媒）と高温媒体（真空蒸気）との熱交換器である。換熱式の熱交換器では、高温流体と低温流体とは伝熱壁で仕切られて、熱通過によって熱交換が行われる。この形式のものには、直接式（高・低温流体直接の熱交換）の第１の手段のものと、間接式（高・低温流体の間に中間流体の循環を通す間接熱交換）の第２の手段のものと三重式（三媒体間の熱交換）の第３の手段のものとの三つの手段がある。
【０００４】
これら第一乃至第三の三つの形式の蒸気凝結器を、乾燥処理する被乾燥物を主として医薬品とした真空凍結乾燥装置に組込まれた形態において装置全体の基本構成と共に表した概要説明図により説明する。
【０００５】
図１はもっとも多く用いられる通常型で蒸気凝結器（トラップ）１０１は冷媒直冷型の冷媒乾式蒸発器であり、図２は一部に用いられる型で蒸気凝結器（トラップ）１０２は外部熱交換器７で冷媒により既に冷却された熱媒液循環による「間接熱媒型」である。そして図３の蒸気凝結器（トラップ）１０３は、冷媒、熱媒液が共に内部を循環する「三媒体間熱交換器」である。
【０００６】
図１乃至図３において、真空乾燥室（兼凍結室）１、真空トラップ室２、これらを連結する主管３ａ、主弁３、真空排気系４等真空系（真空室の輪郭および機器と配管）は総て「細線」で示されている。
【０００７】
冷凍装置（圧縮機、油分離機、凝結器、二段圧縮の場合の中間冷却器などの一切を含む。二元冷凍の場合もある）１１、副冷凍装置１２、および熱交換器７の冷媒蒸発器７ａ、副熱交換器８の冷媒蒸発器８ａ、冷媒直冷型のトラップ１０１の冷媒蒸発器、および本発明の蒸気凝結器（トラップ）１０３の冷媒蒸発器、そして冷媒系路、冷媒弁１３、冷媒膨張弁１４（三角形にて記す）などの冷凍冷媒循環系は総て「破線」で示されている。
【０００８】
熱板（被処理物体に乾燥に必要な潜熱を供給、図１乃至図３の例では被処理物体の予備凍結に必要な冷熱を供給するプレートを兼ねる）５、熱媒液加熱器６、前掲の熱交換器７の熱媒液系７ｂ、副熱交換器８の熱媒液系８ｂ、間接熱媒液型の蒸気凝結器（トラップ）１０２の熱媒液系路、および本発明の蒸気凝結器（トラップ）１０３の熱媒液系路、および熱板用熱媒液体ポンプ９と蒸気凝結器（トラップ）用熱媒ポンプ１０等の熱媒液系機器と系路は総て「太線」で示されている。
【０００９】
また、図２および図３において、１５は熱媒液の循環系に設けた仕切弁であるが、実際の各系の配管系路と各種弁および系路内の機器配列の順の実際は必ずしも図の通りではなく、図は説明の特公昭５８−１２０４２号の便宜のために単純化されたものである。
【００１０】
図４および図５は、前記図３に示す真空凍結乾燥機の真空トラップ室２と蒸気凝結器（トラップ）１０３の縦断面（図５のＡ−Ａ断面）と横断面（図４のＣ−Ｃ断面）の概略説明図で、図４のプレート内部の「細かい破線」が冷媒Ｒの流路［図６の符号２６で示す冷媒蒸発管に当たる］で、「荒い破線」はプレート内熱媒液の流路の境界［図６で符号２７に示す仕切壁に当たる］で、図６はこのプレートの一部の断面図である。
【００１１】
蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、図４に示す状態の他に、真空トラップ室２の内壁面を図７の如く円筒状に形成して、そこに取り付けるなど適宜に真空トラップ室２内に設けてよいが、いずれの場合も、冷媒蒸発円管２６は、蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａと、熔接、圧着その他により密接状態にあり、この蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、冷媒Ｒの伝熱フインの役割をはたす。冷媒Ｒと熱媒液体Ｂは、冷媒管壁およびフインプレートとしての蒸気凝結器（トラップ）１０３を介して熱交換し、熱媒液体Ｂと真空蒸気Ｖは、熱媒液壁である蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａを介して熱交換し、そして冷媒Ｒと真空蒸気Ｖは、冷媒蒸発円管２６のフインである蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａを介して熱交換する。かくして三媒体（冷媒Ｒ、熱媒液Ｂ、真空蒸気Ｖ）のいずれの二媒体間の熱交換も境界金属壁ないし同フインプレートによって行われる。２８は真空トラップ室２の外壁である。
【００１２】
この図１乃至図３にあるよう真空装置の蒸気凝結器（トラップ）は、従来にあっては、冷凍装置の冷媒蒸発器を、真空トラップ室に設け、これに図１の如く「冷媒直冷型蒸気凝結器１０１」を用いるか、図２の如く、冷媒蒸発器７ａを冷却源とする熱交換器７（以下冷却器７と記す）およびトラップ系熱媒循環ポンプ１０を含むトラップ系熱媒中間流体循環回路により、真空トラップ室２外の外部冷却器で冷却された熱媒液体を真空トラップ室２内の「間接熱媒型蒸気凝結器１０２」に循環させるか、または、図３にあるよう冷媒と熱媒とが共に内部を循環する「三媒体間熱交換器」を用いるかしている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
「冷媒直冷型」の蒸気凝結器（トラップ）１０１を用いる第一の形態のものは、運転の安定性に欠け、保守困難、かつ、温度制御困難であり、かつ、加熱系には、追加的に、副冷凍装置と副熱交換器を要する等の不利があり、「間接熱媒型」の蒸気凝結器（トラップ）１０２を用いる第二の形態のものにあっては、前述の第一の形態のものの不利を改善する反面に、冷却源冷媒とトラップ凝結面との直接熱交換がなく、中間流体熱媒からトラップ凝結面までの熱伝達が間接となるための第一の損失、および、外部熱交換器７における、冷媒蒸発器７ａから熱媒液体への熱交換の向上、熱媒側の境膜熱伝達係数を増大するため、および、該外部熱交換器７で冷却された熱媒液体を蒸気凝結器（トラップ）１０２に運ぶことから、その蒸気凝結器（トラップ）１０２の出入り温度差を小さく保つために大容量の熱媒循環ポンプ１０を必要とするための第二の熱損失があり、さらに、真空トラップ室２外に大型の熱交換器７、熱媒循環ポンプ１０を含む外部熱媒体諸機器と仕切弁１５などを具備さす配管を設けるための、外界から侵入熱のために装置の諸設備、占有面積、運転エネルギーの増大の不利をもつのであった。
【００１４】
「三媒体間熱交換器」である蒸気凝結器（トラップ）１０３を用いる第三の形態のものは、本出願人が先に開発した前述の特公昭５８−１２０４２号の発明（以下先行発明という）であって、図３に示す如く、前述した第二の形態のものと同じく、トラップ系熱媒液体循環回路を設けることによって、前記の冷媒直冷型のトラップ１０１の不利を改善し、かつ、冷媒蒸発器と熱媒液体との熱交換器を真空トラップ室２内に設置して、これに水蒸気をいずれの側からも、相手方の媒体を経由せずに冷却される三重熱交換型蒸気凝結器（トラップ）１０３によって、第二の形態のものの「間接熱媒型」の蒸気凝結器（トラップ）の諸欠陥を改善したものであり、既に医薬品真空凍結乾燥装置に普及し、特に日本では、前述した在来の冷媒直冷型と間接熱媒型の二方式にかわる主流の位置を占めている。
【００１５】
ところで、第三の形態のものであるこの先行発明の蒸気凝結器（トラップ）１０３は、冷媒と熱媒液と真空蒸気との三媒体中で、いずれの二媒体間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介する直接の熱交換が存在する三媒体間熱交換器であるが、真空蒸気を凝結させる時、凝結の必要な冷熱量は、一部が冷媒蒸発円管から直接膨張により蒸気凝結器（トラップ）１０３の凝結面の真空蒸気と熱交換し、一部が冷媒から循環熱媒体を経由して蒸気凝結器（トラップ）の凝結面の真空蒸気へ伝わる。それで、蒸気凝結器（トラップ）の真空蒸気の凝結能力は、冷媒蒸発円管から直接に真空蒸気との伝熱量および循環熱媒体を経て真空蒸気との熱交換量に関与していて、かつ、その循環熱媒体を経由する伝熱量は、熱媒液の境膜熱伝達率に関係している。
【００１６】
しかし、この先行発明の蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、冷媒蒸発器の冷媒蒸発円管２６と金属板である蒸気凝結プレートａとの密着面が過小で、冷媒Ｒの直膨蒸発により真空蒸気Ｖとの熱交換量は少なく、冷媒冷熱量の多量は循環する熱媒液Ｂを経て蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａの凝結面の真空蒸気Ｖと伝熱する。
【００１７】
ところで、近年来、特に医薬品を被処理物とする真空凍結乾燥装置では、循環熱媒体Ｂにはシリコーンオイルが用いられている。そのシリコーンオイルの熱媒液体Ｂは低温で粘度が高くなり、その熱媒液体の境膜熱伝達係数は低下している。そのため、蒸気凝結プレートａは、図８に示しているよう、熱媒液体Ｂの通路ｗ内に押え棒２９を設けて、それの上方と下方とにそれぞれ冷媒蒸発円管２６を各２本づつ配位して、合計倍量の４本の冷媒蒸発円管２６を用い、通路ｗ内の熱媒液体Ｂとの熱交換面積の不足を補うようにしている。このことから、循環熱媒体を経由する熱交換は２回の境膜伝熱を経る温度差損失が増大する不利があり、かつ、冷凍装置の冷媒フロン規制強化に伴って、二段圧縮式の冷凍装置の冷凍最低蒸発温度は、高くなり、直接冷却の伝熱量の過小、循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達率の低下と新規冷媒の制限のために、数℃伝熱温度差損失が生じ、真空凍結乾燥装置に特に要求される−７０℃以下の低温トラップに対し、困難である。
【００１８】
また、この蒸気凝結器（トラップ）１０３は、熱媒体循環回路に熱媒液体Ｂを循環させる推進力として循環ポンプ９を使用している。もちろんこの手段においては、必要な循環ポンプ９の容量は、従来の間接熱媒型蒸気凝結器（トラップ）１０２の必要な循環ポンプに比べて小型ではあるが、循環ポンプの発生熱による入熱損失もしていた。しかし、先行発明で製作している蒸気凝結器（トラップ）１０３では、熱媒側の流路面積が過大で、必要な境膜熱伝達係数を確保するため、特にシリコーン熱媒液体としては、循環ポンプの容量の増大が必要となる。そのため、循環ポンプによる入熱損失により、冷媒の有効冷熱量が減少され、蒸気凝結器（トラップ）の凝結能力と到達温度に不利であった。
【００１９】
本発明は、この問題を改善するためになされたものであって、蒸気凝結器（トラップ）内の３媒体間の伝熱を解析して、伝熱温度差損失の小さい冷媒直冷により熱流量を増大できる方法を探求していた。蒸気凝結器（トラップ）の蒸気凝結プレートの製作を難しくしないように、先行発明における蒸気凝結器（トラップ）１０３の冷媒蒸発円管の直接接触伝熱低下を改善して、冷媒蒸発管と金属板との密接面幅を増大させ、伝熱性能の向上、冷媒と凝結面の真空蒸気との伝達温度差損失の低減、同時に循環熱媒体の境膜伝熱係数の増大が達成でき、良い伝熱性能と高効率蒸気凝結能力を持つ真空乾燥装置における蒸気凝結器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
そして本発明においては、この目的を達成するための手段として、冷凍装置から導く冷媒Ｒを蒸発させる冷媒蒸発円管２６を、金属材よりなる蒸気凝結プレートａ内に形成した熱媒液体Ｂの通路ｗ内に嵌通して、冷媒Ｒと熱媒液体Ｂとの間の熱交換を行わす熱交換器１０３を、真空室１の内部または内壁面に、該熱交換器１０３の真空空間側外表面の全部または一部が真空空間に面するように設けて、その真空空間側外表面が、冷媒Ｒ・熱媒液体Ｂの何れの側からも、直接にあるいは直接の金属接触により冷却される構造として、前記熱交換器１０３の真空空間側外表面を真空蒸気Ｖの凝結捕集面とし、冷媒Ｒと熱媒液体Ｂと真空蒸気Ｖとの三媒体のうちの、何れの二媒体の間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介しての直接の熱交換が存在する三媒体間熱交換器の形態とした真空装置の蒸気凝結器において、前記蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの通路ｗ内に挿入する冷媒蒸発円管２６を、前記凝結捕集面に対し楕円長軸が平行する形状の扁平な冷媒蒸発楕円管１６に変形加工し、その変形加工により形成される一対の扁平面の一方または両方が熱媒液体Ｂの通路ｗの天井壁１７か底壁１８に密着する状態として前記通路ｗ内に装入し、前記蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの通路ｗを、前記冷媒蒸発楕円管１６の短軸方向に圧縮せしめて、その通路ｗの断面積および前記蒸気凝結プレートａの厚さを減少させて、冷媒蒸発楕円管１６と前記蒸気凝結プレートａ内の通路ｗの内壁面との間の接触面積を増加させるとともに膜境界における熱媒液体Ｂの対流により前記熱交換器１０３の通路ｗ内における熱媒液体Ｂの熱伝達を促進させることにより、熱伝達性能および真空蒸気Ｖの凝結能力を増大させるようにしたことを特徴とする真空装置における高効率蒸気凝結器を提起するものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明手段は、真空装置が、乾燥処理する被処理物を医薬品とする真空凍結乾燥装置である場合にあっては、その装置の全体の構成は、図３にある従前の「三媒体間熱交換器」を蒸気凝結器（トラップ）に用いる真空凍結乾燥装置と同様に構成してよい。
【００２２】
また、用いる蒸気凝結器（トラップ）は、金属材によりプレート状の蒸気凝結プレートを形成し、それの内部に形設する熱媒液体の通路内に、冷媒蒸発円管を挿通して、冷媒と熱媒液体と真空蒸発との三つの媒体の中のいずれの二媒体間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介する直接の熱交換が存在する「三媒体間熱交換器型」に構成することについても、前述の図３にある従来手段における蒸気凝結器（トラップ）と同様である。
【００２３】
しかし、この蒸気凝結器（トラップ）の主体を構成する金属材よりなる蒸気凝結プレートの内部に形成せる熱媒体の通路の中に、その通路に沿い挿通するように配設する冷媒蒸発円管は、それを形成する金属材よりなるチューブ状の円筒管を、それの筒壁に対し垂直な方向に沿いプレス加工を行って、筒壁の一対に対向する壁面が扁平円筒管の軸心線と直交する扁平面となるように押し潰し、断面において長軸側が短軸側に対し略１．５倍程度となる略楕円形をなす形状に成形する。
【００２４】
そして、この断面において扁平な楕円形状をなす冷媒蒸発円管を、蒸気凝結プレートの内部に形成した熱媒液体の通路内に、扁平面が蒸気凝結プレートの真空蒸気の凝結捕集面に対し平行ないし略平行する姿勢として装入し、その一対の扁平面の一方または両方を、通路の内壁面に密接状態に接合し、熔接または圧着により密着させる。
【００２５】
このとき、蒸気凝結プレート内に形成しておく熱媒液体の通路は、従前手段の蒸気凝結プレート内に形設していた通路は、円管を圧縮した寸法に対応させて断面積を縮小させた寸法形状のものに形成しておいてよい。
【００２６】
通路がそれの内に冷媒蒸発円管が巾方向にダブルに並列する形状に形成して４本の冷媒蒸発円管が装入される場合は、通路の天井壁と底壁との間に図８のように押え棒２９を配設して、密着度を高めることができる。また、押え棒２９は、プレートａと円筒管との膨張係数の差の逃げをはかる役割を果たす。また、通路の断面積を６〜７割に圧縮し得るようになることからその通路内に循環させる熱媒液体の流速を早くでき、それの循環用のポンプを容量の小さいものでも良いようになる。
【００２７】
この通路内に挿通して装着する冷媒蒸発円管は、既成のチューブ状の円筒管を用い、それをプレス加工により断面形状が扁平な楕円形状となるように成形する外、金属材の押出成形などにより最初から断面形状を扁平な楕円形となる形状のものに成形するようにしてもよい。
【００２８】
【実施例】
次に実施例を図面に従い詳述する。なお、図面符号は、従前手段のものと同効の構成部材については同一の符号を用いるものとする。
【００２９】
図９は、本発明を実施せる真空装置に設置した蒸気凝結器（トラップ）の部分を構成している蒸気凝結プレートの縦断面図で、同図において、ａは金属材でプレート状に形成した蒸気凝結プレート、ｗはその蒸気凝結器プレートａの内部に形成した通路、Ｂはその通路ｗ内に循環させる熱媒体、１６は通路ｗ内に挿通して装着した冷媒蒸発楕円管、Ｒはその冷媒蒸発楕円管１６内に循環させる冷媒を示す。
【００３０】
この例における真空装置は、図３に示している主として医薬品の乾燥処理を対象とする真空凍結乾燥装置であり、これに組込む蒸気凝結器（トラップ）は、図３において符号１０３で示している「三媒体間熱交換器型」の蒸気凝結器（トラップ）であって、この真空装置および蒸気凝結器（トラップ）の基本的な構成は、図３乃至図７にて説明した従前手段のものと変わりがない。
【００３１】
また、蒸気凝結プレートａの内部に形成せる熱媒体Ｂの通路ｗは、図６に示している従前の円筒管とした冷媒蒸発楕円管１６を２本挿通して装着するように形成された通路よりも、冷媒蒸発楕円管１６に圧縮した分だけ、略６０〜７０％断面積を圧縮して作られている。
【００３２】
この通路ｗ内に挿通して装着せる冷媒蒸発楕円管１６は、従前手段に用いていた冷媒蒸発円管２６をプレス加工により断面が扁平な楕円形をなす形状に成形したもので、長軸に対し短軸が略５分の３となるように成形してある。
【００３３】
次に図１０は別の実施例を示している。この例は、通路ｗ内に押え棒２９を装設し、それの上面側と下面側とにより２本づつの冷媒蒸発楕円管１６を挿通した例であり、通路ｗは、従前手段の通路に対し上下の高さ（蒸気凝結プレートａの厚さ方向の寸法）は略５分の３に形成してある。
【００３４】
そして、これら通路ｗの区画内に挿通する冷媒蒸発楕円管１６…は、上位側の区画内に挿通するものにあっては、扁平面１６ａの一方を通路ｗの天井壁１７に対し密着させ、下位側の区画内に挿通するものにあっては通路ｗの底壁１８に一方の扁平面１６ａを密着させた状態としてある。
【００３５】
次に図１１は、上述の蒸気凝結プレートａが水蒸気を凝結する時の熱流の概念図である。そのプレートａの蒸気凝結面（氷層表面）からプレート幅Ｌを横切る熱流のうち、一部は直接伝導（接触抵抗経由）で冷媒蒸発管へ流入する熱流Ｑ１の幅Ｌ１、一部は蒸気凝結プレートａから通路ｗを循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達を経て冷媒蒸発楕円管１６に達する熱流Ｑ２の幅Ｌ−Ｌ１、冷媒蒸発楕円管１６と蒸気凝結プレートａとの接触面幅をεとする。
【００３６】
一方、直接伝導で冷媒蒸発楕円管１６へ流入する熱流Ｑ１は以下の熱抵抗に関与している。すなわち、凝結氷層の熱抵抗Ｒ１３、蒸気凝結プレートａのプレート板厚を貫通して接触面幅εへの熱抵抗Ｒ１２、接触熱抵抗Ｒ１１である。その中で、接触熱抵抗Ｒ１１は、冷媒蒸発楕円管と蒸気凝結プレートａとの接触面幅εおよび等価接触間隙δに大きく影響される。
【００３７】
本発明の手段の蒸気凝結器（トラップ）では、扁平な楕円管とした冷媒蒸発円管の接触面幅が円筒管よりかなり増大するため、接触熱抵抗は小さくなり、直接伝導で冷媒蒸発管へ伝わる熱流Ｑ１は増大する。
【００３８】
他方、循環する熱媒液体Ｂを経由して冷媒蒸発楕円管１６に達する熱流Ｑ２の熱抵抗は、凝結氷層の熱抵抗Ｒ２４、プレート板厚を貫通する熱抵抗Ｒ２３、プレート内面（含間仕切）と熱媒液体Ｂとの界面の境膜伝熱抵抗Ｒ２２と冷媒蒸発円管１６の周囲（密着面幅εを除く）の境膜伝熱抵抗Ｒ２１により構成している。そのうち、循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達係数は熱抵抗Ｒ２２とＲ２１に大きい影響を与える。境膜熱伝達率の促進は、循環熱媒体を経由する熱流を増大する。トラップである蒸気凝結プレートａの伝熱性能の理論解析の結果、この実施例のトラップは、冷媒蒸発楕円管１６と金属材の蒸気凝結プレートａとの接触面幅は増大するため、接触熱抵抗は減少し、冷媒蒸発楕円管１６内の冷媒からトラップ凝結氷層表面までの総括伝熱係数は、先行発明のトラップより増大し、凍結乾燥初期で伝熱性能は約２２％増え、乾燥中期（氷層厚１０ｍｍ）でも、総括伝熱係数が１３％増加する。
【００３９】
また、本発明では、冷媒蒸発楕円管１６で蒸気凝結器（トラップ）を製作し、図１０の例の如く蒸気凝結プレートａの内腔の通路ｗを薄く製作することで、熱媒側の流路面積は減少し、熱媒液体側の流動は促進され、境膜熱伝達性能も向上している。先行トラップと同容量循環ポンプを使えば、熱媒液体の流速が増大し、境膜熱伝達係数は約５０％増える。先行発明トラップの熱媒境膜熱伝達係数と同等にすると、熱媒循環量は現状の６０％で十分であり、従って、熱媒液体循環ポンプ容量は約半分に低減でき、ポンプ発生熱により入熱損失も少なくなる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、冷媒蒸発器の蒸気凝結プレート内の熱媒液体の通路に挿通する冷媒蒸発管を、円筒管から扁平な楕円管に変更し、その扁平面を通路の内壁面に密着させているのだから、冷媒蒸発楕円管と金属材の蒸気凝結プレートとの接触面は十分に増大され、接触熱抵抗は大きく減少できる。しかも、楕円の冷媒蒸発管は、円筒管の冷媒蒸発管を作って、それをプレスして、扁平に加工することで、最適な長短軸の冷媒蒸発楕円管が簡単に得られ、このときそれの断面積が円筒管のそれと殆ど変わらないから、トラップの製作が容易となる。
【００４１】
また、冷媒蒸発楕円管は円筒管の冷媒蒸発円管と同等の管面積で、楕円の短軸が円筒管の直径より小さいので、蒸気凝結器（トラップ）の蒸気凝結プレートを薄く加工でき、熱媒側の流路面積は減少し、循環熱媒の流動も促進できる。さらに、冷媒蒸発楕円管の直接接触伝熱性能と外側を循環する熱媒液体との境膜熱伝達率も同時に向上する。従って、本発明手段によれば、良い伝熱性能と高効率蒸気凝結能力をもって真空装置における蒸気凝結器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 トラップに冷媒直冷型トラップを用いた従前の真空装置の概要説明図である。
【図２】 トラップに間接熱媒型トラップを用いた従前の真空装置の概要説明図である。
【図３】 トラップに三媒体間熱交換器を用いた従前の真空装置の概要説明図である。
【図４】 同上真空装置のトラップ室およびトラップの縦断した正面図である。
【図５】 同上真空装置のトラップ室およびトラップの縦断した側面図である。
【図６】 同上のトラップの部分の縦断面図である。
【図７】 同上真空装置の別の形態のトラップ室の縦断面図である。
【図８】 同上真空装置の別の形態のトラップの部分の縦断面図である。
【図９】 本発明による真空装置におけるトラップの部分の縦断面図である。
【図１０】 同上装置におけるトラップの別の実施例の部分の縦断面図である。
【図１１】 同上装置におけるトラップの凝結時の熱流説明図である。
【符号の説明】
１…真空乾燥室、２…真空トラップ室、３…主弁、３ａ…主管、４…真空排気 系、５…熱板、６…熱媒液加熱器、７…熱交換器、７ａ…冷媒蒸発器、７ｂ… 熱媒液系、８…副熱交換器、８ａ…冷媒蒸発器、８ｂ…熱媒液系、９…熱媒液 体循環ポンプ、１０…熱媒循環ポンプ、１０１…冷媒直冷型トラップ、１０２ …間接熱媒型トラップ、１０３…熱交換器を兼ねるトラップ、１１…冷凍装置 、１２…副冷凍装置、１３…冷媒弁、１４…冷媒膨張弁、１５…仕切弁、１６ …冷媒蒸発楕円管、１６ａ…扁平面、１７…天井壁、１８…底壁、２６…冷媒 管、２７…仕切壁、２８…外壁、２９…押え棒、ａ…蒸気凝結 プレート、ｂ …蒸気捕集面、ｗ…通路、Ｂ…熱媒液、Ｒ…冷媒、Ｖ…真空蒸気。
【発明が属する技術分野】
本発明は、真空装置における蒸気凝結器のうちで、特に本件出願人が先に開発して特公昭５８−１２０４２号公報として提起している真空装置における蒸気凝結器についての改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空装置の蒸気凝結器（トラップ）は、真空室中の被処理物から気化された水その他の溶媒の蒸気を、低温冷却面に凝結捕集し、もって、その真空室の真空圧力を所望の値に維持する目的で、真空凍結装置、真空乾燥装置、真空濃縮機、真空蒸溜機、真空冷却機、脱溶媒装置等の、真空装置に、それの要部を構成するように組込んで、広く用いられている。
【０００３】
この真空装置におけるトラップ（蒸気凝結器）は、真空蒸気を凝結させる冷熱量が冷凍装置の低温冷媒から供給され、伝熱工学的見地から見れば、低温媒体（冷媒）と高温媒体（真空蒸気）との熱交換器である。換熱式の熱交換器では、高温流体と低温流体とは伝熱壁で仕切られて、熱通過によって熱交換が行われる。この形式のものには、直接式（高・低温流体直接の熱交換）の第１の手段のものと、間接式（高・低温流体の間に中間流体の循環を通す間接熱交換）の第２の手段のものと三重式（三媒体間の熱交換）の第３の手段のものとの三つの手段がある。
【０００４】
これら第一乃至第三の三つの形式の蒸気凝結器を、乾燥処理する被乾燥物を主として医薬品とした真空凍結乾燥装置に組込まれた形態において装置全体の基本構成と共に表した概要説明図により説明する。
【０００５】
図１はもっとも多く用いられる通常型で蒸気凝結器（トラップ）１０１は冷媒直冷型の冷媒乾式蒸発器であり、図２は一部に用いられる型で蒸気凝結器（トラップ）１０２は外部熱交換器７で冷媒により既に冷却された熱媒液循環による「間接熱媒型」である。そして図３の蒸気凝結器（トラップ）１０３は、冷媒、熱媒液が共に内部を循環する「三媒体間熱交換器」である。
【０００６】
図１乃至図３において、真空乾燥室（兼凍結室）１、真空トラップ室２、これらを連結する主管３ａ、主弁３、真空排気系４等真空系（真空室の輪郭および機器と配管）は総て「細線」で示されている。
【０００７】
冷凍装置（圧縮機、油分離機、凝結器、二段圧縮の場合の中間冷却器などの一切を含む。二元冷凍の場合もある）１１、副冷凍装置１２、および熱交換器７の冷媒蒸発器７ａ、副熱交換器８の冷媒蒸発器８ａ、冷媒直冷型のトラップ１０１の冷媒蒸発器、および本発明の蒸気凝結器（トラップ）１０３の冷媒蒸発器、そして冷媒系路、冷媒弁１３、冷媒膨張弁１４（三角形にて記す）などの冷凍冷媒循環系は総て「破線」で示されている。
【０００８】
熱板（被処理物体に乾燥に必要な潜熱を供給、図１乃至図３の例では被処理物体の予備凍結に必要な冷熱を供給するプレートを兼ねる）５、熱媒液加熱器６、前掲の熱交換器７の熱媒液系７ｂ、副熱交換器８の熱媒液系８ｂ、間接熱媒液型の蒸気凝結器（トラップ）１０２の熱媒液系路、および本発明の蒸気凝結器（トラップ）１０３の熱媒液系路、および熱板用熱媒液体ポンプ９と蒸気凝結器（トラップ）用熱媒ポンプ１０等の熱媒液系機器と系路は総て「太線」で示されている。
【０００９】
また、図２および図３において、１５は熱媒液の循環系に設けた仕切弁であるが、実際の各系の配管系路と各種弁および系路内の機器配列の順の実際は必ずしも図の通りではなく、図は説明の特公昭５８−１２０４２号の便宜のために単純化されたものである。
【００１０】
図４および図５は、前記図３に示す真空凍結乾燥機の真空トラップ室２と蒸気凝結器（トラップ）１０３の縦断面（図５のＡ−Ａ断面）と横断面（図４のＣ−Ｃ断面）の概略説明図で、図４のプレート内部の「細かい破線」が冷媒Ｒの流路［図６の符号２６で示す冷媒蒸発管に当たる］で、「荒い破線」はプレート内熱媒液の流路の境界［図６で符号２７に示す仕切壁に当たる］で、図６はこのプレートの一部の断面図である。
【００１１】
蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、図４に示す状態の他に、真空トラップ室２の内壁面を図７の如く円筒状に形成して、そこに取り付けるなど適宜に真空トラップ室２内に設けてよいが、いずれの場合も、冷媒蒸発円管２６は、蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａと、熔接、圧着その他により密接状態にあり、この蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、冷媒Ｒの伝熱フインの役割をはたす。冷媒Ｒと熱媒液体Ｂは、冷媒管壁およびフインプレートとしての蒸気凝結器（トラップ）１０３を介して熱交換し、熱媒液体Ｂと真空蒸気Ｖは、熱媒液壁である蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａを介して熱交換し、そして冷媒Ｒと真空蒸気Ｖは、冷媒蒸発円管２６のフインである蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａを介して熱交換する。かくして三媒体（冷媒Ｒ、熱媒液Ｂ、真空蒸気Ｖ）のいずれの二媒体間の熱交換も境界金属壁ないし同フインプレートによって行われる。２８は真空トラップ室２の外壁である。
【００１２】
この図１乃至図３にあるよう真空装置の蒸気凝結器（トラップ）は、従来にあっては、冷凍装置の冷媒蒸発器を、真空トラップ室に設け、これに図１の如く「冷媒直冷型蒸気凝結器１０１」を用いるか、図２の如く、冷媒蒸発器７ａを冷却源とする熱交換器７（以下冷却器７と記す）およびトラップ系熱媒循環ポンプ１０を含むトラップ系熱媒中間流体循環回路により、真空トラップ室２外の外部冷却器で冷却された熱媒液体を真空トラップ室２内の「間接熱媒型蒸気凝結器１０２」に循環させるか、または、図３にあるよう冷媒と熱媒とが共に内部を循環する「三媒体間熱交換器」を用いるかしている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
「冷媒直冷型」の蒸気凝結器（トラップ）１０１を用いる第一の形態のものは、運転の安定性に欠け、保守困難、かつ、温度制御困難であり、かつ、加熱系には、追加的に、副冷凍装置と副熱交換器を要する等の不利があり、「間接熱媒型」の蒸気凝結器（トラップ）１０２を用いる第二の形態のものにあっては、前述の第一の形態のものの不利を改善する反面に、冷却源冷媒とトラップ凝結面との直接熱交換がなく、中間流体熱媒からトラップ凝結面までの熱伝達が間接となるための第一の損失、および、外部熱交換器７における、冷媒蒸発器７ａから熱媒液体への熱交換の向上、熱媒側の境膜熱伝達係数を増大するため、および、該外部熱交換器７で冷却された熱媒液体を蒸気凝結器（トラップ）１０２に運ぶことから、その蒸気凝結器（トラップ）１０２の出入り温度差を小さく保つために大容量の熱媒循環ポンプ１０を必要とするための第二の熱損失があり、さらに、真空トラップ室２外に大型の熱交換器７、熱媒循環ポンプ１０を含む外部熱媒体諸機器と仕切弁１５などを具備さす配管を設けるための、外界から侵入熱のために装置の諸設備、占有面積、運転エネルギーの増大の不利をもつのであった。
【００１４】
「三媒体間熱交換器」である蒸気凝結器（トラップ）１０３を用いる第三の形態のものは、本出願人が先に開発した前述の特公昭５８−１２０４２号の発明（以下先行発明という）であって、図３に示す如く、前述した第二の形態のものと同じく、トラップ系熱媒液体循環回路を設けることによって、前記の冷媒直冷型のトラップ１０１の不利を改善し、かつ、冷媒蒸発器と熱媒液体との熱交換器を真空トラップ室２内に設置して、これに水蒸気をいずれの側からも、相手方の媒体を経由せずに冷却される三重熱交換型蒸気凝結器（トラップ）１０３によって、第二の形態のものの「間接熱媒型」の蒸気凝結器（トラップ）の諸欠陥を改善したものであり、既に医薬品真空凍結乾燥装置に普及し、特に日本では、前述した在来の冷媒直冷型と間接熱媒型の二方式にかわる主流の位置を占めている。
【００１５】
ところで、第三の形態のものであるこの先行発明の蒸気凝結器（トラップ）１０３は、冷媒と熱媒液と真空蒸気との三媒体中で、いずれの二媒体間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介する直接の熱交換が存在する三媒体間熱交換器であるが、真空蒸気を凝結させる時、凝結の必要な冷熱量は、一部が冷媒蒸発円管から直接膨張により蒸気凝結器（トラップ）１０３の凝結面の真空蒸気と熱交換し、一部が冷媒から循環熱媒体を経由して蒸気凝結器（トラップ）の凝結面の真空蒸気へ伝わる。それで、蒸気凝結器（トラップ）の真空蒸気の凝結能力は、冷媒蒸発円管から直接に真空蒸気との伝熱量および循環熱媒体を経て真空蒸気との熱交換量に関与していて、かつ、その循環熱媒体を経由する伝熱量は、熱媒液の境膜熱伝達率に関係している。
【００１６】
しかし、この先行発明の蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａは、冷媒蒸発器の冷媒蒸発円管２６と金属板である蒸気凝結プレートａとの密着面が過小で、冷媒Ｒの直膨蒸発により真空蒸気Ｖとの熱交換量は少なく、冷媒冷熱量の多量は循環する熱媒液Ｂを経て蒸気凝結器（トラップ）１０３の蒸気凝結プレートａの凝結面の真空蒸気Ｖと伝熱する。
【００１７】
ところで、近年来、特に医薬品を被処理物とする真空凍結乾燥装置では、循環熱媒体Ｂにはシリコーンオイルが用いられている。そのシリコーンオイルの熱媒液体Ｂは低温で粘度が高くなり、その熱媒液体の境膜熱伝達係数は低下している。そのため、蒸気凝結プレートａは、図８に示しているよう、熱媒液体Ｂの通路ｗ内に押え棒２９を設けて、それの上方と下方とにそれぞれ冷媒蒸発円管２６を各２本づつ配位して、合計倍量の４本の冷媒蒸発円管２６を用い、通路ｗ内の熱媒液体Ｂとの熱交換面積の不足を補うようにしている。このことから、循環熱媒体を経由する熱交換は２回の境膜伝熱を経る温度差損失が増大する不利があり、かつ、冷凍装置の冷媒フロン規制強化に伴って、二段圧縮式の冷凍装置の冷凍最低蒸発温度は、高くなり、直接冷却の伝熱量の過小、循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達率の低下と新規冷媒の制限のために、数℃伝熱温度差損失が生じ、真空凍結乾燥装置に特に要求される−７０℃以下の低温トラップに対し、困難である。
【００１８】
また、この蒸気凝結器（トラップ）１０３は、熱媒体循環回路に熱媒液体Ｂを循環させる推進力として循環ポンプ９を使用している。もちろんこの手段においては、必要な循環ポンプ９の容量は、従来の間接熱媒型蒸気凝結器（トラップ）１０２の必要な循環ポンプに比べて小型ではあるが、循環ポンプの発生熱による入熱損失もしていた。しかし、先行発明で製作している蒸気凝結器（トラップ）１０３では、熱媒側の流路面積が過大で、必要な境膜熱伝達係数を確保するため、特にシリコーン熱媒液体としては、循環ポンプの容量の増大が必要となる。そのため、循環ポンプによる入熱損失により、冷媒の有効冷熱量が減少され、蒸気凝結器（トラップ）の凝結能力と到達温度に不利であった。
【００１９】
本発明は、この問題を改善するためになされたものであって、蒸気凝結器（トラップ）内の３媒体間の伝熱を解析して、伝熱温度差損失の小さい冷媒直冷により熱流量を増大できる方法を探求していた。蒸気凝結器（トラップ）の蒸気凝結プレートの製作を難しくしないように、先行発明における蒸気凝結器（トラップ）１０３の冷媒蒸発円管の直接接触伝熱低下を改善して、冷媒蒸発管と金属板との密接面幅を増大させ、伝熱性能の向上、冷媒と凝結面の真空蒸気との伝達温度差損失の低減、同時に循環熱媒体の境膜伝熱係数の増大が達成でき、良い伝熱性能と高効率蒸気凝結能力を持つ真空乾燥装置における蒸気凝結器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
そして本発明においては、この目的を達成するための手段として、冷凍装置から導く冷媒Ｒを蒸発させる冷媒蒸発円管２６を、金属材よりなる蒸気凝結プレートａ内に形成した熱媒液体Ｂの通路ｗ内に嵌通して、冷媒Ｒと熱媒液体Ｂとの間の熱交換を行わす熱交換器１０３を、真空室１の内部または内壁面に、該熱交換器１０３の真空空間側外表面の全部または一部が真空空間に面するように設けて、その真空空間側外表面が、冷媒Ｒ・熱媒液体Ｂの何れの側からも、直接にあるいは直接の金属接触により冷却される構造として、前記熱交換器１０３の真空空間側外表面を真空蒸気Ｖの凝結捕集面とし、冷媒Ｒと熱媒液体Ｂと真空蒸気Ｖとの三媒体のうちの、何れの二媒体の間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介しての直接の熱交換が存在する三媒体間熱交換器の形態とした真空装置の蒸気凝結器において、前記蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの通路ｗ内に挿入する冷媒蒸発円管２６を、前記凝結捕集面に対し楕円長軸が平行する形状の扁平な冷媒蒸発楕円管１６に変形加工し、その変形加工により形成される一対の扁平面の一方または両方が熱媒液体Ｂの通路ｗの天井壁１７か底壁１８に密着する状態として前記通路ｗ内に装入し、前記蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの通路ｗを、前記冷媒蒸発楕円管１６の短軸方向に圧縮せしめて、その通路ｗの断面積および前記蒸気凝結プレートａの厚さを減少させて、冷媒蒸発楕円管１６と前記蒸気凝結プレートａ内の通路ｗの内壁面との間の接触面積を増加させるとともに膜境界における熱媒液体Ｂの対流により前記熱交換器１０３の通路ｗ内における熱媒液体Ｂの熱伝達を促進させることにより、熱伝達性能および真空蒸気Ｖの凝結能力を増大させるようにしたことを特徴とする真空装置における高効率蒸気凝結器を提起するものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明手段は、真空装置が、乾燥処理する被処理物を医薬品とする真空凍結乾燥装置である場合にあっては、その装置の全体の構成は、図３にある従前の「三媒体間熱交換器」を蒸気凝結器（トラップ）に用いる真空凍結乾燥装置と同様に構成してよい。
【００２２】
また、用いる蒸気凝結器（トラップ）は、金属材によりプレート状の蒸気凝結プレートを形成し、それの内部に形設する熱媒液体の通路内に、冷媒蒸発円管を挿通して、冷媒と熱媒液体と真空蒸発との三つの媒体の中のいずれの二媒体間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介する直接の熱交換が存在する「三媒体間熱交換器型」に構成することについても、前述の図３にある従来手段における蒸気凝結器（トラップ）と同様である。
【００２３】
しかし、この蒸気凝結器（トラップ）の主体を構成する金属材よりなる蒸気凝結プレートの内部に形成せる熱媒体の通路の中に、その通路に沿い挿通するように配設する冷媒蒸発円管は、それを形成する金属材よりなるチューブ状の円筒管を、それの筒壁に対し垂直な方向に沿いプレス加工を行って、筒壁の一対に対向する壁面が扁平円筒管の軸心線と直交する扁平面となるように押し潰し、断面において長軸側が短軸側に対し略１．５倍程度となる略楕円形をなす形状に成形する。
【００２４】
そして、この断面において扁平な楕円形状をなす冷媒蒸発円管を、蒸気凝結プレートの内部に形成した熱媒液体の通路内に、扁平面が蒸気凝結プレートの真空蒸気の凝結捕集面に対し平行ないし略平行する姿勢として装入し、その一対の扁平面の一方または両方を、通路の内壁面に密接状態に接合し、熔接または圧着により密着させる。
【００２５】
このとき、蒸気凝結プレート内に形成しておく熱媒液体の通路は、従前手段の蒸気凝結プレート内に形設していた通路は、円管を圧縮した寸法に対応させて断面積を縮小させた寸法形状のものに形成しておいてよい。
【００２６】
通路がそれの内に冷媒蒸発円管が巾方向にダブルに並列する形状に形成して４本の冷媒蒸発円管が装入される場合は、通路の天井壁と底壁との間に図８のように押え棒２９を配設して、密着度を高めることができる。また、押え棒２９は、プレートａと円筒管との膨張係数の差の逃げをはかる役割を果たす。また、通路の断面積を６〜７割に圧縮し得るようになることからその通路内に循環させる熱媒液体の流速を早くでき、それの循環用のポンプを容量の小さいものでも良いようになる。
【００２７】
この通路内に挿通して装着する冷媒蒸発円管は、既成のチューブ状の円筒管を用い、それをプレス加工により断面形状が扁平な楕円形状となるように成形する外、金属材の押出成形などにより最初から断面形状を扁平な楕円形となる形状のものに成形するようにしてもよい。
【００２８】
【実施例】
次に実施例を図面に従い詳述する。なお、図面符号は、従前手段のものと同効の構成部材については同一の符号を用いるものとする。
【００２９】
図９は、本発明を実施せる真空装置に設置した蒸気凝結器（トラップ）の部分を構成している蒸気凝結プレートの縦断面図で、同図において、ａは金属材でプレート状に形成した蒸気凝結プレート、ｗはその蒸気凝結器プレートａの内部に形成した通路、Ｂはその通路ｗ内に循環させる熱媒体、１６は通路ｗ内に挿通して装着した冷媒蒸発楕円管、Ｒはその冷媒蒸発楕円管１６内に循環させる冷媒を示す。
【００３０】
この例における真空装置は、図３に示している主として医薬品の乾燥処理を対象とする真空凍結乾燥装置であり、これに組込む蒸気凝結器（トラップ）は、図３において符号１０３で示している「三媒体間熱交換器型」の蒸気凝結器（トラップ）であって、この真空装置および蒸気凝結器（トラップ）の基本的な構成は、図３乃至図７にて説明した従前手段のものと変わりがない。
【００３１】
また、蒸気凝結プレートａの内部に形成せる熱媒体Ｂの通路ｗは、図６に示している従前の円筒管とした冷媒蒸発楕円管１６を２本挿通して装着するように形成された通路よりも、冷媒蒸発楕円管１６に圧縮した分だけ、略６０〜７０％断面積を圧縮して作られている。
【００３２】
この通路ｗ内に挿通して装着せる冷媒蒸発楕円管１６は、従前手段に用いていた冷媒蒸発円管２６をプレス加工により断面が扁平な楕円形をなす形状に成形したもので、長軸に対し短軸が略５分の３となるように成形してある。
【００３３】
次に図１０は別の実施例を示している。この例は、通路ｗ内に押え棒２９を装設し、それの上面側と下面側とにより２本づつの冷媒蒸発楕円管１６を挿通した例であり、通路ｗは、従前手段の通路に対し上下の高さ（蒸気凝結プレートａの厚さ方向の寸法）は略５分の３に形成してある。
【００３４】
そして、これら通路ｗの区画内に挿通する冷媒蒸発楕円管１６…は、上位側の区画内に挿通するものにあっては、扁平面１６ａの一方を通路ｗの天井壁１７に対し密着させ、下位側の区画内に挿通するものにあっては通路ｗの底壁１８に一方の扁平面１６ａを密着させた状態としてある。
【００３５】
次に図１１は、上述の蒸気凝結プレートａが水蒸気を凝結する時の熱流の概念図である。そのプレートａの蒸気凝結面（氷層表面）からプレート幅Ｌを横切る熱流のうち、一部は直接伝導（接触抵抗経由）で冷媒蒸発管へ流入する熱流Ｑ１の幅Ｌ１、一部は蒸気凝結プレートａから通路ｗを循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達を経て冷媒蒸発楕円管１６に達する熱流Ｑ２の幅Ｌ−Ｌ１、冷媒蒸発楕円管１６と蒸気凝結プレートａとの接触面幅をεとする。
【００３６】
一方、直接伝導で冷媒蒸発楕円管１６へ流入する熱流Ｑ１は以下の熱抵抗に関与している。すなわち、凝結氷層の熱抵抗Ｒ１３、蒸気凝結プレートａのプレート板厚を貫通して接触面幅εへの熱抵抗Ｒ１２、接触熱抵抗Ｒ１１である。その中で、接触熱抵抗Ｒ１１は、冷媒蒸発楕円管と蒸気凝結プレートａとの接触面幅εおよび等価接触間隙δに大きく影響される。
【００３７】
本発明の手段の蒸気凝結器（トラップ）では、扁平な楕円管とした冷媒蒸発円管の接触面幅が円筒管よりかなり増大するため、接触熱抵抗は小さくなり、直接伝導で冷媒蒸発管へ伝わる熱流Ｑ１は増大する。
【００３８】
他方、循環する熱媒液体Ｂを経由して冷媒蒸発楕円管１６に達する熱流Ｑ２の熱抵抗は、凝結氷層の熱抵抗Ｒ２４、プレート板厚を貫通する熱抵抗Ｒ２３、プレート内面（含間仕切）と熱媒液体Ｂとの界面の境膜伝熱抵抗Ｒ２２と冷媒蒸発円管１６の周囲（密着面幅εを除く）の境膜伝熱抵抗Ｒ２１により構成している。そのうち、循環する熱媒液体Ｂの境膜熱伝達係数は熱抵抗Ｒ２２とＲ２１に大きい影響を与える。境膜熱伝達率の促進は、循環熱媒体を経由する熱流を増大する。トラップである蒸気凝結プレートａの伝熱性能の理論解析の結果、この実施例のトラップは、冷媒蒸発楕円管１６と金属材の蒸気凝結プレートａとの接触面幅は増大するため、接触熱抵抗は減少し、冷媒蒸発楕円管１６内の冷媒からトラップ凝結氷層表面までの総括伝熱係数は、先行発明のトラップより増大し、凍結乾燥初期で伝熱性能は約２２％増え、乾燥中期（氷層厚１０ｍｍ）でも、総括伝熱係数が１３％増加する。
【００３９】
また、本発明では、冷媒蒸発楕円管１６で蒸気凝結器（トラップ）を製作し、図１０の例の如く蒸気凝結プレートａの内腔の通路ｗを薄く製作することで、熱媒側の流路面積は減少し、熱媒液体側の流動は促進され、境膜熱伝達性能も向上している。先行トラップと同容量循環ポンプを使えば、熱媒液体の流速が増大し、境膜熱伝達係数は約５０％増える。先行発明トラップの熱媒境膜熱伝達係数と同等にすると、熱媒循環量は現状の６０％で十分であり、従って、熱媒液体循環ポンプ容量は約半分に低減でき、ポンプ発生熱により入熱損失も少なくなる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、冷媒蒸発器の蒸気凝結プレート内の熱媒液体の通路に挿通する冷媒蒸発管を、円筒管から扁平な楕円管に変更し、その扁平面を通路の内壁面に密着させているのだから、冷媒蒸発楕円管と金属材の蒸気凝結プレートとの接触面は十分に増大され、接触熱抵抗は大きく減少できる。しかも、楕円の冷媒蒸発管は、円筒管の冷媒蒸発管を作って、それをプレスして、扁平に加工することで、最適な長短軸の冷媒蒸発楕円管が簡単に得られ、このときそれの断面積が円筒管のそれと殆ど変わらないから、トラップの製作が容易となる。
【００４１】
また、冷媒蒸発楕円管は円筒管の冷媒蒸発円管と同等の管面積で、楕円の短軸が円筒管の直径より小さいので、蒸気凝結器（トラップ）の蒸気凝結プレートを薄く加工でき、熱媒側の流路面積は減少し、循環熱媒の流動も促進できる。さらに、冷媒蒸発楕円管の直接接触伝熱性能と外側を循環する熱媒液体との境膜熱伝達率も同時に向上する。従って、本発明手段によれば、良い伝熱性能と高効率蒸気凝結能力をもって真空装置における蒸気凝結器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 トラップに冷媒直冷型トラップを用いた従前の真空装置の概要説明図である。
【図２】 トラップに間接熱媒型トラップを用いた従前の真空装置の概要説明図である。
【図３】 トラップに三媒体間熱交換器を用いた従前の真空装置の概要説明図である。
【図４】 同上真空装置のトラップ室およびトラップの縦断した正面図である。
【図５】 同上真空装置のトラップ室およびトラップの縦断した側面図である。
【図６】 同上のトラップの部分の縦断面図である。
【図７】 同上真空装置の別の形態のトラップ室の縦断面図である。
【図８】 同上真空装置の別の形態のトラップの部分の縦断面図である。
【図９】 本発明による真空装置におけるトラップの部分の縦断面図である。
【図１０】 同上装置におけるトラップの別の実施例の部分の縦断面図である。
【図１１】 同上装置におけるトラップの凝結時の熱流説明図である。
【符号の説明】
１…真空乾燥室、２…真空トラップ室、３…主弁、３ａ…主管、４…真空排気 系、５…熱板、６…熱媒液加熱器、７…熱交換器、７ａ…冷媒蒸発器、７ｂ… 熱媒液系、８…副熱交換器、８ａ…冷媒蒸発器、８ｂ…熱媒液系、９…熱媒液 体循環ポンプ、１０…熱媒循環ポンプ、１０１…冷媒直冷型トラップ、１０２ …間接熱媒型トラップ、１０３…熱交換器を兼ねるトラップ、１１…冷凍装置 、１２…副冷凍装置、１３…冷媒弁、１４…冷媒膨張弁、１５…仕切弁、１６ …冷媒蒸発楕円管、１６ａ…扁平面、１７…天井壁、１８…底壁、２６…冷媒 管、２７…仕切壁、２８…外壁、２９…押え棒、ａ…蒸気凝結 プレート、ｂ …蒸気捕集面、ｗ…通路、Ｂ…熱媒液、Ｒ…冷媒、Ｖ…真空蒸気。
Claims (2)
- 冷凍装置から導く冷媒Ｒを蒸発させる冷媒蒸発円管２６を、金属材よりなる蒸気凝結プレートａ内に形成した熱媒液体Ｂの通路ｗ内に嵌通して、冷媒Ｒと熱媒液体Ｂとの間の熱交換を行わす熱交換器１０３を、真空室１の内部または内壁面に、該熱交換器１０３の真空空間側外表面の全部または一部が真空空間に面するように設けて、その真空空間側外表面が、冷媒Ｒ・熱媒液体Ｂの何れの側からも、直接にあるいは直接の金属接触により冷却される構造として、前記熱交換器１０３の真空空間側外表面を真空蒸気Ｖの凝結捕集面とし、冷媒Ｒと熱媒液体Ｂと真空蒸気Ｖとの三媒体のうちの、何れの二媒体の間にも、境界金属壁ないし境界金属壁と密接する金属板を介しての直接の熱交換が存在する三媒体間熱交換器の形態とした真空装置の蒸気凝結器において、前記蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの通路ｗ内に挿入する冷媒蒸発円管２６を、前記凝結捕集面に対し楕円長軸が平行する形状の扁平な冷媒蒸発楕円管１６に変形加工し、その変形加工により形成される一対の扁平面の一方または両方が熱媒液体Ｂの通路ｗの天井壁１７か底壁１８に密着する状態として前記通路ｗ内に装入し、前記蒸気凝結プレートａ内の熱媒液体Ｂの通路ｗを、前記冷媒蒸発楕円管１６の短軸方向に圧縮せしめて、その通路ｗの断面積および前記蒸気凝結プレートａの厚さを減少させて、冷媒蒸発楕円管１６と前記蒸気凝結プレートａ内の通路ｗの内壁面との間の接触面積を増加させるとともに膜境界における熱媒液体Ｂの対流により前記熱交換器１０３の通路ｗ内における熱媒液体Ｂの熱伝達を促進させることにより、熱伝達性能および真空蒸気Ｖの凝結能力を増大させるようにしたことを特徴とする真空装置における高効率蒸気凝結器。
- 扁平な冷媒蒸発楕円管１６の各々が、冷媒を蒸発させるための円筒状の冷媒蒸発円管２６の断面積と略等しい断面積を有し、かつ、それの短軸が前記円筒状の冷媒蒸発円管２６の直径より短くしてあることを特徴とする請求項１記載の高効率蒸気凝結器。
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