JP7390176B2 - 真空乾燥装置、真空乾燥装置における棚の温度調節方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空乾燥装置、真空乾燥装置における棚の温度調節方法に関する。

従来から、例えば下記特許文献１に記載されているような、凍結乾燥状態監視装置が知られている。

特開２０１５－３１４８６号公報

ところで、上記したような凍結乾燥状態監視装置では、被乾燥物（被乾燥材料）を載せた棚板に熱媒体を循環させることで、被乾燥物を乾燥させる。被乾燥物の乾燥状態は、例えば以下の（１）、（２）の手法により把握することができる。
（１）棚板の入口側の熱媒体温度を検出する第１温度センサの検出温度と、棚板の出口側の熱媒体温度を検出する第２温度センサの検出温度とが略同一温度となるよう媒体を循環させ、棚温が媒体温度と同一かつ被乾燥物らの品温も同一とすることを前提として、被乾燥物の乾燥状態を把握する。
（２）熱媒体の入口側と出口側の熱媒体温度の微小温度差を検出し、この温度差に基づく熱量が全て昇華に供せられたとすることを前提として、被乾燥物の乾燥状態を把握する。
このように被乾燥物の乾燥状態を把握するにあたって、品温はその物理量を直接に測定されず間接的に測定されている。間接測定は複数の構成要素（物理量）や前提を利用して変換される事で算出されており、当然構成要素数やその構成種、各構成の相関関係によって誤差は増加する傾向にある。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、被乾燥物の乾燥状態、特に昇華面温度をより高精度に把握することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る真空乾燥装置は、乾燥室と、前記乾燥室内に配置され、被乾燥物が載置される棚と、前記棚を昇降させる流体シリンダと、前記流体シリンダに対して流体を給排する流体給排系と、前記流体給排系に設けられ、前記流体の流体圧を測定する測定部と、前記被乾燥物から昇華した水分を捕集する捕集部と、前記棚の温度を調節する調節部と、前記測定部の測定結果に基づいて前記調節部を制御する制御部と、を備える。

この発明では、乾燥室内で棚に載置された被乾燥物が乾燥すると、その重量が減少する。被乾燥物の重量が減少すると、被乾燥物と被乾燥物を載置した棚との合計重量も減少する。被乾燥物と棚との合計重量が減少すると、棚を昇降させるために棚を支持する流体シリンダに対し、棚から作用する重力方向の下向きの力も減少する。これにより、流体シリンダ内の流体圧が変化する。測定部は、流体シリンダに対して給排される流体圧を測定するので、測定部における測定結果の変化に基づいて、被乾燥物の乾燥に伴う重量の減少を検出することができる。被乾燥物の乾燥に伴う重量の変化と、流体シリンダの流体圧との変化とは、直接的に相関している。したがって、被乾燥物の乾燥状態をダイレクトに検出し、被乾燥物の乾燥状態をより高精度に把握することが可能となる。

この場合、測定部の測定結果、つまり流体シリンダの流体圧の変化に基づいて、被乾燥物の乾燥に伴う重量の変化を把握することができる。これにより、制御部で、流体シリンダの流体圧の変化に基づいて調節部における棚の温度を調節することで、被乾燥物の乾燥状態に応じて、被乾燥物を乾燥させるための棚の温度を適切に調節することができる。

また、前記制御部は、異なる２つの時刻それぞれにおいて、前記測定部の測定結果を、前記被乾燥物を支持する前記棚の重量に換算し、これらの２つの時刻および重量の各差分から前記被乾燥物の昇華速度を算出し、前記昇華速度に基づいて前記被乾燥物の推定温度を算出し、前記推定温度が、予め設定された閾値以下になるように前記調節部を制御するようにしてもよい。

この場合、棚の自重は既知である。このため、測定部の測定結果である流体シリンダの流体圧の測定結果から、被乾燥物を支持する棚の重量、つまり被乾燥物の重量と棚の自重との合計重量を換算して求めることで、被乾燥物の乾燥状態の変化を昇華速度として把握することができる。そしてこの昇華速度から、被乾燥物の温度を推定することができる。したがって、被乾燥物の乾燥状態に応じて、棚の温度を適切に調節することができる。

また、前記被乾燥物は、容器内に収容された状態で前記棚に載置され、前記制御部は、前記被乾燥物の昇華潜熱、前記昇華速度、前記容器の断面積および前記容器の伝熱係数に基づいて、前記推定温度を算出するようにしてもよい。
なお容器としては、例えば、バイアル、トレイ、シリンジ、アンプル等があげられる。

この場合、被乾燥物の昇華潜熱、昇華速度、容器の断面積および容器の伝熱係数に基づいて、被乾燥物の推定温度を算出することで、被乾燥物の温度を高精度に推定することができる。これにより、被乾燥物の温度状態に応じて棚の温度を精度よく調節することが可能になり、被乾燥物の乾燥を適切な条件下で実行することができる。

また、前記被乾燥物は、容器内に収容された状態で前記棚に載置され、前記制御部は、前記乾燥室の内圧、前記被乾燥物についての水蒸気移動抵抗、前記容器内の製品断面積、前記昇華速度に基づいて、前記推定温度を算出するようにしてもよい。

この場合、乾燥室の内圧、被乾燥物についての水蒸気移動抵抗、容器内の製品断面積、昇華速度に基づいて、被乾燥物の推定温度を算出することで、被乾燥物の温度を高精度に推定することができる。このため、被乾燥物の温度状態に応じて棚の温度を精度よく調節することが可能になり、被乾燥物の乾燥を適切な条件下で実行することができる。

また、前記閾値がコラプス温度であるようにしてもよい。

この場合、被乾燥物の温度がコラプス温度を超えると、被乾燥物の水分が凍結している部分が収縮するコラプス現象が生じ、被乾燥物の乾燥が良好に行われなくなる。流体シリンダの流体圧の変化に基づいて、棚の温度を適切に調節し、被乾燥物の温度がコラプス温度以下となるように維持することで、被乾燥物の乾燥を良好に行うことができる。

本発明に係る真空乾燥装置における棚の温度調節方法は、乾燥室と、前記乾燥室内に配置され、被乾燥物が載置される棚と、前記棚を昇降させる流体シリンダと、前記被乾燥物から昇華した水分を捕集する捕集部と、を備える真空乾燥装置において、前記棚の温度を調節する方法であって、前記流体シリンダに対して流体を給排する流体給排系における前記流体の流体圧に基づいて前記棚の温度を調節する。

この発明では、乾燥室内で棚に載置された被乾燥物が乾燥すると、その重量が減少する。被乾燥物の重量が減少すると、被乾燥物と被乾燥物を載置した棚との合計重量も減少する。被乾燥物と棚との合計重量が減少すると、棚を昇降させるために棚を支持する流体シリンダに対し、棚から作用する重力方向の下向きの力も減少する。これにより、流体シリンダ内の流体圧が変化する。したがって、流体シリンダに流体を供給する流体給排系における流体の流体圧に基づいて、被乾燥物の乾燥に伴う重量の減少を把握することができる。被乾燥物の乾燥に伴う重量の変化と、流体シリンダの流体圧との変化とは、直接的に相関している。したがって、被乾燥物の乾燥状態を、よりダイレクトに検出し、被乾燥物の乾燥状態をより高精度に把握することが可能となる。

また、異なる２つの時刻それぞれにおいて、前記流体圧を、前記被乾燥物を支持する前記棚の重量に換算し、これらの２つの時刻および重量の各差分から前記被乾燥物の昇華速度を算出し、前記昇華速度に基づいて前記被乾燥物の推定温度を算出し、前記推定温度が、予め設定された閾値以下になるように前記棚の温度を制御するようにしてもよい。

この場合、棚の自重は既知であるため、流体シリンダに流体を供給する流体給排系における流体の流体圧から、被乾燥物を支持する棚の重量、つまり被乾燥物と棚との合計重量を換算して求めることで、被乾燥物の乾燥状態の変化を昇華速度として把握することができる。そしてこの昇華速度から、被乾燥物の温度を推定することができる。したがって、被乾燥物の乾燥状態に応じて、棚の温度を適切に調節することができる。

本発明に係る真空乾燥装置における棚の温度調節方法は、乾燥室と、前記乾燥室内に配置され、被乾燥物が載置される棚と、前記被乾燥物から昇華した水分を捕集する捕集部と、を備える真空乾燥装置において、前記棚の温度を調節する方法であって、異なる２つの時刻それぞれにおいて、前記被乾燥物を支持する前記棚の重量を測定し、これらの２つの時刻および重量の各差分から前記被乾燥物の昇華速度を算出し、前記昇華速度に基づいて前記被乾燥物の推定温度を算出し、前記推定温度が、予め設定された閾値以下になるように前記棚の温度を調節する。

この発明では、乾燥室内で棚に載置された被乾燥物が乾燥すると、その重量が減少する。被乾燥物の重量が減少すると、被乾燥物と被乾燥物を載置した棚との合計重量も減少する。これにより、被乾燥物を支持する棚の重量から、被乾燥物の乾燥状態を昇華速度として把握することができる。そしてこの昇華速度から、被乾燥物の温度を推定することができる。したがって、被乾燥物の乾燥状態を、よりダイレクトに検出し、被乾燥物の乾燥状態をより高精度に把握することが可能となる。

また、前記被乾燥物は、容器内に収容された状態で前記棚に載置され、前記被乾燥物の昇華潜熱、前記昇華速度、前記容器の断面積および前記容器の伝熱係数に基づいて、前記推定温度を算出するようにしてもよい。

この場合、被乾燥物の昇華潜熱、昇華速度、容器の断面積および容器の伝熱係数に基づいて、被乾燥物の推定温度を算出することで、乾燥物の温度を高精度に推定することができる。これにより、被乾燥物の温度状態に応じて、棚の温度を精度よく調節することが可能になり、被乾燥物の乾燥を適切な条件下で実行することができる。

また、前記被乾燥物は、容器内に収容された状態で前記棚に載置され、前記乾燥室の内圧、前記被乾燥物についての水蒸気移動抵抗、前記容器内の製品断面積、前記昇華速度に基づいて、前記推定温度を算出するようにしてもよい。

この場合、乾燥室の内圧、被乾燥物についての水蒸気移動抵抗、容器内の製品断面積、昇華速度に基づいて、被乾燥物の推定温度を算出することで、被乾燥物の温度を高精度に推定することができる。このため、被乾燥物の温度状態に応じて棚の温度を精度よく調節することが可能になり、被乾燥物の乾燥を適切な条件下で実行することができる。

また、前記閾値がコラプス温度であるようにしてもよい。

この場合、被乾燥物の温度がコラプス温度を超えると、被乾燥物の水分が凍結している部分が収縮するコラプス現象が生じ、被乾燥物の乾燥が良好に行われなくなる。流体シリンダの流体圧の変化に基づいて、棚の温度を適切に調節し、被乾燥物の温度がコラプス温度以下となるように維持することで、被乾燥物の乾燥を良好に行うことができる。

本発明によれば、被乾燥物の乾燥状態を、よりダイレクトに検出することが出来、特に被乾燥物の乾燥状態を示す昇華面温度について、より高精度に把握することができる。

本発明の一実施形態に係る真空乾燥装置の概略構成を示す図である。 図１に示す真空乾燥装置の棚に載置され、被乾燥物を収容する容器を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る真空乾燥装置の制御部の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る真空乾燥装置における棚の温度調節方法の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る真空乾燥装置、真空乾燥装置における棚の温度調節方法を説明する。
図１に示す真空乾燥装置１は、例えば医薬品、医薬製剤、およびその原材料などを製造するために、その原料液を凍結して真空乾燥するためのものである。上記原料液は、被乾燥物Ｆとして容器１００に収容され、前工程で凍結させた固体状態（通常は塊状、その他形態としては海綿状、粉末状がある）である。真空乾燥装置１は、乾燥室１０と、捕集部２０と、制御部４０と、を主に備えている。なお、本例では容器１００はバイアル形状として例示し、かつ後述にて説明を行うが、生産の目的に応じてトレイ、シリンジ、アンプルなど、容器形態は変更可能である。

乾燥室１０は、被乾燥物Ｆを真空乾燥させるための空間である。乾燥室１０は、その室温および内圧（真空度）が調節される。乾燥室１０内の真空度は、例えば５～３００［Ｐａ］の範囲で調整可能とされている。乾燥室１０内の温度及び真空度（内圧）はそれぞれ、図示しないセンサにより測定される。前記センサが測定結果を制御部４０に送り、乾燥室１０の排気速度等を変更するなどのフィードバックを行う事で、乾燥室１０の内圧が、目的とする内圧に調整される。
乾燥室１０内には、被乾燥物Ｆが載置される棚１１が設けられている。棚１１は、上下方向に間隔をあけた複数の棚板１１ａを備えている。各棚板１１ａ上には、被乾燥物Ｆを収容した複数の容器１００が載置される。

棚１１には、その温度を調節する調節部１２が設けられている。調節部１２は、例えば、棚板１１ａの内部に設けられた媒体流路１１ｂに、媒体を循環させることで、棚板１１ａに載置された被乾燥物Ｆの加熱温度を調節する。熱媒体は通常、シリコーンを主成分とした油が用いられる。熱媒体には、一般的に温度範囲が－８０℃～＋１５０℃に在る物が利用される。また、媒体を前工程の凍結目的に用いる必要が無い場合等、氷点下での性能が不問であれば、熱媒体として水を主成分とした媒体が利用される。当然では在るが、インヒビターを添加すれば水を主成分とした媒体でも不凍液の条件で利用可能である。

調節部１２は、熱媒体供給源１３、供給ポンプ（図示無し）、熱媒体供給管１４、供給側ヘッダ１５、回収側ヘッダ１６、熱媒体回収管１７，熱媒体回収部１８を主に備えている。熱媒体供給源１３は、所謂チラー（熱媒体循環装置）である。熱媒体供給源１３は、（１）熱媒体を加熱するヒータ（図示無し）等の熱源、あるいは、（２）熱源と抜熱源を内部に有している。供給ポンプ（図示無し）は、熱媒体供給源１３から熱媒体を熱媒体供給管１４に送り出す。

熱媒体供給管１４に送り出された熱媒体は、供給側ヘッダ１５、供給側分岐管１５ｓを介して各棚板１１ａの媒体流路１１ｂに供給される。媒体流路１１ｂに供給された熱媒体により、棚板１１ａ上に載置された容器１００に収容された被乾燥物Ｆが加熱される。媒体流路１１ｂを経た熱媒体は、回収側分岐管１６ｓ、回収側ヘッダ１６、熱媒体回収管１７を介して、熱媒体回収部１８で回収される。

熱媒体供給管１４には、媒体流路１１ｂに供給される熱媒体の温度を検出する供給側温度センサ１９Ａが設けられている。熱媒体回収管１７には、媒体流路１１ｂから回収される熱媒体の温度を検出する回収側温度センサ１９Ｂが設けられている。なお、供給側温度センサ１９Ａおよび回収側温度センサ１９Ｂは、熱媒体供給源１３に内蔵された同一用途のセンサを代用しても良い。

調節部１２における熱媒体の供給動作は、制御部４０によって制御される。具体的には、制御部４０は、熱媒体供給源１３で熱媒体を加熱ヒータ（図示無し）の作動、熱媒体を送り出す供給ポンプの作動を制御する。制御部４０は、例えば、供給側温度センサ１９Ａの測定値と、回収側温度センサ１９Ｂの測定値との平均値に基づいて、媒体流路１１ｂに供給する熱媒体の温度や流量を制御する。また、制御部４０は、後に詳述するように、被乾燥物Ｆの温度に基づいて、調節部１２における熱媒体の供給動作を制御する。なお、上記一連の熱媒体の温度や流量制御は熱媒体供給源１３に内蔵された図示しない制御部が行い、制御部４０は目標温度値のみを熱媒体供給源１３に与える構成としても良い。

ここで、図２に示すように、被乾燥物Ｆを収容する容器１００は、上方に向けて開口した開口部１０１を有する有底状である。被乾燥物Ｆは、真空乾燥装置１の前工程で、容器１００の内部に、所定量が収容されている。容器１００の開口部１０１には、予め、栓（図示無し）がセットされている。栓（図示無し）が開口部１０１にセットされている開栓状態で、容器１００内は外部に連通していて、被乾燥物Ｆから昇華した水分（水蒸気）が容器１００の外部に流出する。なお、後述する様に棚板移動機構によって栓は開口部１０１を境に雰囲気分離（閉栓）する。よって、栓の容器１００に対する相対位置は、閉栓によって前記雰囲気分離を可能であり、かつ、開栓時に水分の流出が可能な位置となっている。

図１に示すように、棚１１は、容器１００内の被乾燥物Ｆの真空乾燥後に、栓（図示無し）で容器１００の開口部１０１を閉栓するため、以下のような機構を備えている。
棚１１の複数の棚板１１ａは、図示しない棚板移動機構によって、上下方向に昇降可能とされており、互いに上下に位置する棚板１１ａどうしの間隔が増減可能となっている。棚１１の上部には、複数の棚板１１ａを昇降させて、その間隔を増減させるための流体シリンダ３０が設けられている。

流体シリンダ３０は、作動油、作動エア等の流体圧によって、上下方向に伸縮動作される。なお後述する理由により、流体は非圧縮性である事が、望ましい結果を生む。よって流体としては、非圧縮性が高い流体（例えば油や水）を選択する事が望ましい。本実施形態では、流体シリンダ３０として、例えば、作動油の流体圧によって作動する油圧シリンダが用いられている。流体シリンダ３０は、乾燥室１０に固定されたシリンダ本体３１と、シリンダ本体３１に対して下方に向けて伸縮するロッド３２と、を備えている。シリンダ本体３１内には、ロッド３２の基端部に設けられたピストン３２ｐによって区画されることで、伸側油室３１ａと縮側油室３１ｂとが形成されている。

流体シリンダ３０には、流体供給源３３から流体シリンダ３０のシリンダ本体３１に対して流体（作動油）を給排する流体給排系３５が接続されている。流体給排系３５は、伸側配管３６と、縮側配管３７と、を備えている。

流体供給源３３から伸側配管３６を通してシリンダ本体３１内の伸側油室３１ａに流体が供給されると、シリンダ本体３１内でピストン３２ｐが下方に押圧される。これにより、ロッド３２がシリンダ本体３１から下方に向かって突出し、流体シリンダ３０が下方に向かって伸長する。このロッド３２の下方への突出動作にともなって、シリンダ本体３１内の縮側油室３１ｂ内の流体は、縮側配管３７を通して流体供給源３３に戻る。

流体供給源３３から縮側配管３７を通してシリンダ本体３１内の縮側油室３１ｂに流体が供給されると、シリンダ本体３１内でピストン３２ｐが上方に押圧される。これにより、ロッド３２が上方に移動してシリンダ本体３１からの下方への突出寸法が小さくなる。このようにして、流体シリンダ３０が上方に向かって短縮される。このとき、ロッド３２の上方への移動動作にともなって、シリンダ本体３１内の伸側油室３１ａ内の流体は、伸側配管３６を通して流体供給源３３に戻る。

上記流体シリンダ３０の流体供給源３３の動作は、制御部４０により制御される。このため、伸側配管３６には、伸側配管３６内の流体の流体圧Ｐ１を測定する伸側圧力センサ３８が設けられている。縮側配管３７には、縮側配管３７内の流体の流体圧Ｐ２を測定する縮側圧力センサ３９（測定部）が設けられている。ところで、流体シリンダ３０の伸縮動作時に於ける流体圧の時系列的な推移を説明すると、本願の構成では、伸長時および短縮時共に流体圧Ｐ２は理想的には変動しない。この理由は、流体シリンダ３０が懸吊する構成物の重力以外は流体圧Ｐ２に作用しない構成である為である（この理想時における流体圧Ｐ１はゼロとする）。実際には流体圧Ｐ２は、媒体の移動抵抗や供給側分岐管１５ｓおよび回収側分岐管１６ｓの屈曲抵抗、対抗するシリンダに存在する流体圧Ｐ１等の影響を受ける。そのため、これらに見合う力を流体圧Ｐ２に追加する必要がある。しかしながら、停止時や微小移動時には流体圧Ｐ１以外の構成要素は無視出来る。そのため流体圧Ｐ２は、流体シリンダ３０が懸吊する構成物の重力と等しいとして扱う事が出来る。

制御部４０の制御により、流体シリンダ３０を伸長させると、複数の棚板１１ａのうち、最下段の棚板１１ａを除いた他の全ての棚板１１ａが更に下方に移動され、互いに上下に位置する棚板１１ａ同士の間隔が減少する状況となる。これにより、互いに上下に位置する棚板１１ａ同士のうち、下方に位置する棚板１１ａ上に載置された容器１００の開口部１０１にセットされた栓（図示無し）は、上方に位置する棚板１１ａの下面によって接触後、下方に押圧される。以降、本工程を伸縮動作と区別し押圧動作と呼ぶ。これにより、栓（図示無し）が容器１００の開口部１０１に押し込まれ、開口部１０１が閉栓される。この押圧動作に於ける流体圧の時系列的な推移を説明すると、本願の構成では、流体圧Ｐ１は理想的には押圧動作時のみ圧力が発生し、その他の伸縮動作時は流体圧Ｐ１がゼロとなる。すなわち、流体シリンダ３０は懸吊する構成物の重力に対して同等の反力を生じれば静止でき、かつ流体シリンダ３０の伸び時（重力方向で下方への移動時）に於ける動作でも構成物の重力が利用でき、流体圧Ｐ１が不要である。しかしながら、押圧動作時には複数の栓を複数の容器１００の開口部１０１へ閉栓する押込力を発生させる必要がある。この際、流体圧Ｐ１は必要な押込力となるよう圧力調整される。本実施例に於いては、懸吊する構成物の重力と比較して１０倍程度の流体圧Ｐ１となった時点において、全ての閉栓が行われる。
閉栓後、流体シリンダ３０を短縮させることで、最下段の棚板１１ａを除いた他の全ての棚板１１ａを上方に移動させて元の位置に戻し、互いに上下に位置する棚板１１ａ同士の間隔を広げる。

捕集部２０は、乾燥室１０内で被乾燥物Ｆから昇華した水分を捕集する。捕集部２０は、乾燥室１０内に連通する連通口２１を有している。これにより、捕集部２０は、乾燥室１０に接続されている。捕集部２０には、捕集部２０内を真空引きする真空ポンプ２２が設けられている。

捕集部２０内には、コールドトラップ２３が設けられている。コールドトラップ２３は、図示しない冷却媒体供給源から供給される冷却媒体が流通するチューブ状とされている。コールドトラップ２３への冷却媒体の流通は、制御部４０により制御される。なお、冷却媒体としては、例えばフロンガスＲ４０４Ａや、シリコーンオイル等を用いることができる。

コールドトラップ２３は、制御部４０の制御により冷却媒体が流通されることで冷却される。コールドトラップ２３の表面は、乾燥室１０内の被乾燥物Ｆから昇華した水蒸気の殆どを凝結させて捕集できることが可能な温度に冷却される。なお、コールドトラップ２３の温度は、被乾燥物Ｆの種類、乾燥室１０の到達圧力等に応じて適宜設定される。このように、コールドトラップ２３は、捕集部２０内を冷却し、被乾燥物Ｆから昇華した水分を凝結させて捕集する。

捕集部２０の連通口２１には、仕切弁２４が設けられている。仕切弁２４は、連通口２１を閉塞可能な仕切体２４ａと、この仕切体２４ａを連通口２１に対して進退させる駆動シリンダ２４ｂと、駆動シリンダ２４ｂを駆動する駆動源２４ｃとを有する。駆動源２４ｃが制御部４０により駆動制御されることで、駆動シリンダ２４ｂが仕切体２４ａを連通口２１に対して進退される。仕切体２４ａを連通口２１から退避させると、連通口２１を通して乾燥室１０と捕集部２０とが互いに連通する。仕切体２４ａを前進させて連通口２１を閉塞すると、乾燥室１０と捕集部２０とが遮断される。

上記真空乾燥装置１では、以下のようにして被乾燥物Ｆの真空乾燥処理を行う。

まず、乾燥室１０に図示しない搬入搬出室より被乾燥物Ｆを搬入する。
次いで、制御部４０の制御により乾燥室１０と搬入搬出室とを雰囲気分離した後、熱媒体供給源１３を利用し、被乾燥物Ｆが凍結に至る様に抜熱を行う。抜熱経路は、被乾燥物Ｆから棚板１１ａ（乾燥室１０内部の気体による対流が支配的な熱流路となる）、熱媒体（熱伝導が支配的な熱流路となる）となる。最終的に熱媒体供給源１３内部の抜熱源にて熱が排出される。抜熱量が固相への相転移温度を超過するに至る段階で、被乾燥物Ｆは凍結に至る。

次いで、制御部４０の制御により、乾燥室１０の内部雰囲気（内圧）を被乾燥物Ｆがコラプス現象を発現させない圧力範囲とした上で、抜熱から転じる。このとき、調節部１２は棚板１１ａ内の媒体流路１１ｂの媒体に熱供給し、乾燥室１０内の棚１１の各棚板１１ａを加熱する。これにより、棚板１１ａに載置された被乾燥物Ｆが加熱され、被乾燥物Ｆの乾燥が促進される。加熱された被乾燥物Ｆに含まれる氷は、この被乾燥物Ｆから潜熱を取り込み、昇華して水蒸気になる。水蒸気の発生は内圧の上昇要素となる。しかしながら、本構成では、仕切弁２４を開放し、捕集部２０内部のコールドトラップ２３および真空ポンプ２２を利用する事で、乾燥室１０の内圧が上記圧力範囲内となるような排気可能な構成となっている。なお内圧の目標値としては、昇華面に於いてコラプス現象を発現させない値が求められる。ここで、低すぎる圧力（内圧）は容器１００と棚１１との接触面間に介在する気体分子量の減少を引き起こし、結果として熱流束の比例的減少を招く事（つまり乾燥が遅延する）。そのため、理想的な内圧の目標値として、後述する被乾燥物Ｆの昇華面温度の範囲に於いてコラプス現象を生じさせない最大の圧力を設定するのが良い。なおコラプス現象とは、凍結乾燥後に確認される溶質の立体構造が一様とならない現象を示す。つまりはコラプス現象とは、昇華面に於いて時系列的に一様な乾燥と出来ていない現象である。コラプス現象は、製品の品質面から回避すべき事象となる。

真空ポンプ２２は、水蒸気を含む乾燥室１０内の気体を捕集部２０経由で排気する。真空ポンプ２２は通常、気体輸送式真空ポンプで構成される為、水蒸気に対する排気速度が十分では無い。しかしながら、捕集部２０内に存するコールドトラップ２３は、気体ため込み式真空ポンプとして機能する。よって、乾燥室１０は、真空ポンプ２２およびコールドトラップ２３の双方で排気される。結果として、乾燥室１０は、所定の排気速度が確保されると同時に目標とする内圧を保つ事ができる。なお、上記したような真空乾燥装置１における被乾燥物Ｆの真空乾燥処理は、その一例を示したに過ぎず、その処理内容を適宜変更可能である。

本実施形態の真空乾燥装置１の制御部４０は、真空乾燥処理を行う際に、縮側圧力センサ３９で測定される縮側配管３７内の流体の流体圧Ｐ２に基づいて、調節部１２を利用し被乾燥物Ｆへの熱流束、ひいては昇華面に於ける温度を制御する。制御部４０は、縮側圧力センサ３９の測定結果に基づいて調節部１２を制御し、棚１１の温度Ｔｓを制御する。制御部４０は、縮側圧力センサ３９の測定結果を、被乾燥物Ｆを支持する棚１１の重量に換算し、棚１１の重量に基づいて調節部１２を制御する。

乾燥室１０内で棚１１に載置された被乾燥物Ｆが乾燥すると、その昇華量（質量）に応じて重量が減少する。被乾燥物Ｆの重量が減少すると、被乾燥物Ｆの重量と被乾燥物Ｆを載置した棚１１の自重との合計重量が減少する。被乾燥物Ｆと棚１１との合計重量が減少すると、棚１１を昇降させるために棚１１を支持する流体シリンダ３０に対して棚１１から作用する、重力方向の下向きの力が減少する。流体シリンダ３０に作用する重力方向の下向きの力が減少すると、縮側配管３７内の流体圧Ｐ２が変化（増加）する。縮側配管３７内の流体圧Ｐ２は、縮側圧力センサ３９により測定され、その測定結果が制御部４０に出力される。制御部４０は、流体圧Ｐ２の測定値に基づいて、被乾燥物Ｆの重量（の変化）を演算により求め、調節部１２による被乾燥物Ｆの乾燥条件を制御する。

図３に示すように、制御部４０は、入力受付部４１と、記憶部４２と、重量換算部４３と、温度算出部４４と、加熱温度制御部４５と、を機能的に備えている。
入力受付部４１は、縮側圧力センサ３９の測定結果、つまり縮側配管３７内の流体の流体圧Ｐ２を示す信号を縮側圧力センサ３９から受け付ける。記憶部４２は、制御部４０において、調節部１２における被乾燥物Ｆの加熱を制御するのに必要な各種の設定値等を記憶している。

重量換算部４３は、入力受付部４１で受け付けた流体圧Ｐ２に基づき、棚１１の重量を換算する。棚１１の重量は、流体シリンダ３０で支持している荷重である。すなわち、棚１１の重量は、被乾燥物Ｆの重量と、被乾燥物Ｆを載置した棚１１の自重と、の合計重量である。

ここで、縮側圧力センサ３９で測定される流体圧Ｐ２と、流体シリンダ３０に作用する荷重（棚１１の重量）との相関を示す換算式は、流体シリンダ３０の仕様や、予め行う実験に基づいて得られる。重量換算部４３では、予め得た換算式に基づいて、流体圧Ｐ２の測定結果に対応する、流体シリンダ３０で支持している棚１１の重量を、換算して取得する。前記予め行う実験は、被乾燥物Ｆの重量変動分を検出することを目的とする。そのため、前記実験の一例では、棚１１に被乾燥物Ｆ全て搬入し、棚１１および全ての被乾燥物Ｆ（初期状態で懸吊する質量の全て）を流体シリンダ３０で懸吊させた状態を保ち、この時点の流体圧Ｐ２の値を初期値として記録する。その後、求める分解能に応じた単位で重量（質量）を除き、終点（被乾燥物Ｆの最終乾燥状態の重量）に至るまで各重量に対応する流体圧Ｐ２を測定および記録する。これにより、換算テーブル（またはこれを近似した換算式）を予め作成し、これを記憶部に４２に保存すれば良い。

温度算出部４４は、重量換算部４３で換算された棚１１の重量に基づいて、被乾燥物Ｆの温度、特に昇華面に於ける温度を算出する。被乾燥物Ｆの温度の算出方法については、後に詳述する。
加熱温度制御部４５は、温度算出部４４で算出された被乾燥物Ｆの温度に基づいて、調節部１２における、棚１１の加熱動作を制御する。

次に、本実施形態における真空乾燥装置１における温度調節方法について説明する。本実施形態における真空乾燥装置１における温度調節方法では、予め、被乾燥物Ｆを収容する容器１００の伝熱係数Ｋｖを求めておく。この伝熱係数Ｋｖは容器の形状や材質、表面状況毎に異なる値を取る為、容器１００が仮にバイアルと称されていても形状等が異なれば都度求めておく必要がある。
伝熱係数Ｋｖは、下式（１）により表される。

ここで、△Ｈ：被乾燥物Ｆの昇華潜熱、ｄｍ／ｄｔ：単位時間当たりの（被乾燥物Ｆ全体の）昇華水蒸気量（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）［ｋｇ／ｈ］、Ｎ：棚１１に載置された容器１００の本数、Ａｖ：容器１００一本あたりの断面積（バイアル断面積）［ｍ^２］、Ｔｓ：棚温度［Ｋ］、Ｔｂ：容器１００の底部中心温度である。なおＡｖ（容器１００一本あたりの断面積）は、各容器１００の内部の断面積ではなく、外形の断面積を意味する。また、容器１００は略円柱形状（バイアル形状）を前提としている。しかしながら、容器１００がバイアル形状以外の形状の場合は、容器１００が棚１１に接触する接触箇所（スタンプ領域）最外周に囲まれた面積、あるいは容器１００の底面部の投影面積を外形断面積として取り扱えば良い。つまり、容器１００一本あたりの断面積Ａｖとは、乾燥室１０の内圧に基づく平均自由行程による熱の授受が支配的な領域の面積である（以降、この領域を接触面積と呼ぶ）。

上式（１）は、以下の凍結乾燥のＨｅａｔ ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒの基本式である下式（２）、（３）に基づいて得られる（なお、後述する式（６）もこの基本式の１つである）。式（２）は、棚温度Ｔｓと、被乾燥物Ｆの温度としての容器１００の底部中心温度Ｔｂとの温度差と接触面積によって、容器１００に熱が伝導されることに基づく（なお、接触面積内外の雰囲気は圧力を含め一定範囲である事を前提とする）。式（３）は、昇華に使われる熱量と昇華水分量は、水の昇華熱で関係付けられることに基づく。

ここで、ｄＱ／ｄｔ：単位時間当たり熱量（ｈｅａｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）［Ｊ／ｓ］である。

容器１００の伝熱係数Ｋｖを求めるには、昇華潜熱△Ｈが既知である純水（氷：△Ｈ＝２８００［Ｊ／ｇ］）を入れた容器１００を、真空乾燥装置１の棚１１に所定数搭載する。棚１１に載置した複数の容器１００のうち、例えば棚１１の中央や端部などに位置する容器１００に、被乾燥物Ｆの温度（品温、容器１００の底部中心温度Ｔｂ）を測定する品温センサを取り付ける。以上で述べた被乾燥物Ｆの温度とは、より詳しくは容器１００の中心部に於ける被乾燥物Ｆの底面の界面部側の温度となる。しかしながら、実際の測定に於いては、容器１００の底面中心に品温センサを取り付け、前記品温センサにより測定された温度（容器１００の底面中心の温度）を上記被乾燥物Ｆの温度と見做して実施される。

この後、乾燥室１０内で、実際に被乾燥物Ｆを凍結乾燥処理する際と同条件（容器１００の本数、乾燥室１０の内圧（真空度）及び温度）で乾燥させ、乾燥前後の棚１１の重量を測定し、単位時間当たり昇華水蒸気量ｄｍ／ｄｔ、すなわち容器１００内の純水の昇華による重量変化率を算出する。このとき、被乾燥物Ｆ（この場合は純水）が、例えば３０～８０％程度昇華された段階で凍結乾燥処理を終了し、複数の容器１００の重量を個別に測定するようにしてもよい。この場合、複数の容器１００の平均重量ではなく、棚１１上における容器１００の位置依存性を調べることができる。
また、棚温度Ｔｓの測定には、調節部１２に設けられた供給側温度センサ１９Ａ、回収側温度センサ１９Ｂを用いる。棚温度Ｔｓとして、供給側温度センサ１９Ａの測定値と、回収側温度センサ１９Ｂの測定値との平均値を用いることができる。ただし、供給側温度センサ１９Ａの測定値と回収側温度センサ１９Ｂの測定値との差分が在る事は温度分布が生じている事を示すため、凍結乾燥装置として不都合である。つまり、媒体について十分流量を確保出来る設計とし、凍結乾燥時（初期等を除く安定運転時）に於ける前記差分の絶対値が１．５℃未満とする能力を持つ事が望まれる。この場合は、いずれかの温度センサを代表値として利用しても不都合はない。

次いで、上式（１）に、算出された昇華水蒸気量ｄｍ／ｄｔの値、棚温度Ｔｓの測定値、容器１００の底部中心温度Ｔｂの測定値、棚１１に載置された容器１００の本数Ｎ、容器１００一本あたりの断面積Ａｖ（既知）を代入する。これにより、容器１００の伝熱係数Ｋｖが求められる。求められた容器１００の伝熱係数Ｋｖは、後述する生産運転である被乾燥物Ｆの凍結乾燥処理に於いて利用する為、記憶部４２に保存される。

このようにして容器１００の伝熱係数Ｋｖを求めた後、実際に、真空乾燥装置１で被乾燥物Ｆの凍結乾燥処理をするときには、制御部４０は、以下のようにして、真空乾燥装置１における温度調節を制御する。

まず、図４に示すように、制御部４０は、予め定められた時間間隔ごとに、入力受付部４１で、縮側圧力センサ３９から、流体圧Ｐ２の測定結果を示す信号の入力を受け付ける（ステップＳ１）。

制御部４０は、流体圧Ｐ２の測定結果を受け取ると、重量換算部４３で、流体圧Ｐ２に基づいて棚１１の重量を換算する（ステップＳ２）。これには、前記したように、予め得た換算式に基づいて、流体圧Ｐ２の測定結果から、流体シリンダ３０で支持している棚板１１ａの重量を換算して取得する。

次いで、制御部４０は、温度算出部４４において、取得された棚１１の重量に基づいて、被乾燥物Ｆの温度を算出する（ステップＳ３）。本実施形態では、温度算出部４４は、被乾燥物Ｆの昇華潜熱△Ｈ、棚１１の重量（縮側圧力センサ３９の測定結果）、容器１００の断面積Ａｖおよび予め求めた伝熱係数Ｋｖに基づいて、被乾燥物Ｆの温度として、容器１００の底部中心温度Ｔｂ［Ｋ］を算出する。なお昇華潜熱△Ｈの値は、被乾燥物Ｆの溶媒の値を利用すれば良い。しかしながら、溶質によって昇華潜熱△Ｈの値の変動が顕著な場合は、予め実験を行い求めた補正係数を前記溶媒の値に乗じた値を利用しても良い。

容器１００の底部中心温度Ｔｂの算出には、上式（２）、（３）に基づいて得られる下式（４）を用いる。

ここで、棚温度Ｔｓには、供給側温度センサ１９Ａの測定値と、回収側温度センサ１９Ｂの測定値との平均値を用いることができる。また、被乾燥物Ｆの昇華潜熱△Ｈ、棚１１に載置された容器１００の本数Ｎ、容器１００一本あたりの断面積Ａｖは、既知である。容器１００の伝熱係数Ｋｖには、前記の予め求めた値を用いる。これらの値を上式（４）に代入する。
また、単位時間当たり昇華水蒸気量ｄｍ／ｄｔは、流体圧Ｐ２に基づいて換算された棚１１の重量により得られる。すなわち、異なる２つの時刻それぞれにおける棚１１の重量の差分から、昇華水蒸気量ｄｍ／ｄｔを算出することができる。昇華水蒸気量ｄｍ／ｄｔは、すなわち、被乾燥物Ｆの昇華速度である。

さらに、凍結層Ｌ２の厚さＬ_ｉｃｅ（図２参照）は、容器１００に収容した被乾燥物Ｆの重量（既知）から、昇華した被乾燥物Ｆの重量ｍ（昇華量）に基づいて算出される。これにより、式（４）で算出された容器１００の底部中心温度Ｔｂを、下式（５）により、被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅに換算することができる。なお条件としては、当初の被乾燥物Ｆの重量ｍを成す溶液の凍結時の体積が既知、容器１００の内部形状（通常は円柱形）が既知である事が前提となる。つまり、溶媒を昇華する前の時点に於いてＬ_ｉｃｅは容器１００の内に於いて既知の厚さであり、被乾燥物Ｆの重量ｍの内、溶媒の重量に相当する質量が全て昇華した時点に於いてＬ_ｉｃｅの厚さはゼロとなる。例えば、容器１００の内部形状が円柱形である場合は、その断面積は既知の厚さ位置からゼロに至るまで同一である。そのため、溶媒の昇華量、つまり昇華した被乾燥物Ｆの重量ｍとＬ_ｉｃｅの厚さは線形な比例関係（１次関数で表される関係）となる。よって、この比例関係を利用し、取得された棚１１の重量から容易に凍結層Ｌ２の厚さＬ_ｉｃｅを算出する事が出来る。

ここで、Ｋ_ｉｃｅ：凍結層Ｌ２の伝熱係数［Ｊ／ｓ・ｍ・Ｋ］である。この値は、既知の値として当初から記憶部４２に保存される。この値は、文献あるいは実験により得られた値を利用する。

このようにして、ステップＳ３では、温度算出部４４により、被乾燥物Ｆの温度として、容器１００の底部中心温度Ｔｂ、及び被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅを、換算により取得することができる。

制御部４０は、加熱温度制御部４５で、ステップＳ３において温度算出部４４で算出された被乾燥物Ｆの温度に基づいて、調節部１２における、棚１１の加熱動作を制御する（ステップＳ４）。ここで用いる被乾燥物Ｆの温度は、容器１００の底部中心温度Ｔｂ、及び被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅのいずれであってもよい。

ステップＳ４における、被乾燥物Ｆの温度に基づく、調節部１２における棚１１の加熱動作の具体的手法については、何ら限定するものではない。例えば、加熱温度制御部４５では、被乾燥物Ｆの温度（容器１００の底部中心温度Ｔｂ、または被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅ）が、コラプス温度以下を維持するように、加熱温度制御部４５で調節部１２の動作を制御するのが好ましい。また、真空乾燥処理の効率を高めるため、加熱温度制御部４５では、被乾燥物Ｆの温度が、コラプス温度以下であり、かつ、なるべく高い温度となるように、加熱温度制御部４５で調節部１２の動作を制御するのが好ましい。なお、温度の基準として、被乾燥物Ｆのコラプス温度に代えて、被乾燥物Ｆのガラス転移点や融点や共晶点、製品として使われる際の温度などを基準としてもよい。言い換えると、例えば、原薬及び製薬の重要材料特性を前記温度の基準としてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る真空乾燥装置１によれば、被乾燥物Ｆが載置される棚１１を昇降させる流体シリンダ３０に対して流体を給排する流体給排系３５に設けられ、流体の流体圧Ｐ２を測定する縮側圧力センサ３９を備える。
このような構成では、乾燥室１０内で棚１１に載置された被乾燥物Ｆが乾燥してその重量が減少すると、懸吊している被乾燥物Ｆと棚１１との合計重量が減少する。すると、棚１１を昇降させるために棚１１を支持する流体シリンダ３０に対し、棚１１から作用する重力方向の下向きの力も減少する。これにより、流体シリンダ３０内の流体圧Ｐ２が変化する。縮側圧力センサ３９は、流体シリンダ３０に対して給排される流体圧Ｐ２を測定するので、縮側圧力センサ３９における測定結果の変化に基づいて、被乾燥物Ｆの乾燥に伴う重量の減少を検出することができる。被乾燥物Ｆの乾燥に伴う重量の変化と、流体シリンダ３０の流体圧Ｐ２との変化とは、直接的に相関している。したがって、被乾燥物Ｆの乾燥状態を、よりダイレクトに検出し、被乾燥物Ｆの乾燥状態をより高精度に把握することが可能となる。

また、真空乾燥装置１は、棚１１の温度Ｔｓを調節する調節部１２と、縮側圧力センサ３９の測定結果に基づいて調節部１２を制御する制御部４０と、を更に備える。
このような構成では、縮側圧力センサ３９の測定結果、つまり流体シリンダ３０の流体圧Ｐ２の変化に基づいて、被乾燥物Ｆの乾燥に伴う重量の変化を把握することができる。これにより、制御部４０で、流体シリンダ３０の流体圧Ｐ２の変化に基づいて調節部１２における棚１１の温度Ｔｓを調節することで、被乾燥物Ｆの乾燥状態に応じて、被乾燥物Ｆを乾燥させるための棚１１の温度Ｔｓを適切に調節することができる。

また、制御部４０は、縮側圧力センサ３９の測定結果を、被乾燥物Ｆを支持する棚１１の重量に換算し、棚１１の重量に基づいて調節部１２を制御する。
このような構成では、棚１１の自重は既知である。このため、縮側圧力センサ３９の測定結果である流体シリンダ３０の流体圧Ｐ２の測定結果から、被乾燥物Ｆの重量と棚１１の自重との合計重量を換算して求めることで、被乾燥物Ｆの乾燥状態の変化を把握することができる。したがって、被乾燥物Ｆの乾燥状態に応じて、棚１１の温度Ｔｓを適切に調節することができる。

また、制御部４０は、被乾燥物Ｆの昇華潜熱△Ｈ、棚１１の重量（縮側圧力センサ３９の測定結果）、容器１００の断面積Ａｖおよび伝熱係数Ｋｖに基づいて、棚１１の温度Ｔｓを調節する。
このような構成では、被乾燥物Ｆの昇華潜熱△Ｈ、棚１１の重量、容器１００の断面積Ａｖおよび伝熱係数Ｋｖに基づいて、被乾燥物Ｆの温度（容器１００の底部中心温度Ｔｂ、被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅ）を演算して求めることができる。これにより、被乾燥物Ｆの温度状態に応じて、棚１１の温度Ｔｓを調節することで、被乾燥物Ｆの乾燥を適切な条件下で実行することができる。

また、制御部４０は、被乾燥物Ｆの温度がコラプス温度以下になるように、縮側圧力センサ３９の測定結果に基づいて調節部１２を制御する。
仮に被乾燥物Ｆの温度が一部の領域のみでもコラプス温度を超えると、被乾燥物Ｆの水分が凍結している部分が収縮するコラプス現象が生じ、被乾燥物Ｆの乾燥が良好に行われず、品質が劣化する。本実施形態における構成では、流体シリンダ３０の流体圧Ｐ２の変化に基づいて、棚１１の温度Ｔｓを適切に調節し、被乾燥物Ｆの温度、特に昇華面温度がコラプス温度以下となるように維持することで、被乾燥物Ｆの乾燥を良好に行うことができる。

本実施形態に係る真空乾燥装置１における棚１１の温度調節方法によれば、棚１１を昇降させる流体シリンダ３０に対して流体を給排する流体給排系３５における流体の流体圧Ｐ２に基づいて、棚１１の温度Ｔｓを調節する。
このような構成では、乾燥室１０内で棚１１に載置された被乾燥物Ｆが乾燥してその重量が減少すると、被乾燥物Ｆと棚１１との合計重量が減少する。すると、棚１１を昇降させるために棚１１を支持する流体シリンダ３０に対し、棚１１から作用する重力方向の下向きの力が減少する。これにより、流体シリンダ３０内の流体圧が変化する。縮側圧力センサ３９は、流体シリンダ３０に対して給排される流体圧Ｐ２を測定するので、縮側圧力センサ３９における測定結果の変化に基づいて、被乾燥物Ｆの乾燥に伴う重量の減少を検出することができる。被乾燥物Ｆの乾燥に伴う重量の変化と、流体シリンダ３０の流体圧Ｐ２との変化とは、直接的に相関している。したがって、被乾燥物Ｆの乾燥状態を、よりダイレクトに検出し、被乾燥物Ｆの乾燥状態をより高精度に把握することが可能となる。

また、真空乾燥装置１における棚１１の温度調節方法によれば、流体圧Ｐ２を、被乾燥物Ｆを支持する棚１１の重量に換算し、棚１１の重量に基づいて棚１１の温度Ｔｓを制御する。
このような構成では、棚１１の自重は既知であるため、また被乾燥物Ｆに付帯する自重も既知と出来るため、流体シリンダ３０の流体圧Ｐ２から、被乾燥物Ｆを支持する棚１１の重量、つまり被乾燥物Ｆと棚１１との合計重量を換算して求めることで、被乾燥物Ｆの乾燥状態の変化を把握することができる。したがって、被乾燥物Ｆの乾燥状態に応じて、棚１１の温度Ｔｓを適切に調節することができる。

本実施形態に係る真空乾燥装置１における棚１１の温度調節方法によれば、被乾燥物Ｆを支持する棚１１の重量に基づいて棚１１の温度Ｔｓを調節する。
このような構成では、乾燥室１０内で棚１１に載置された被乾燥物Ｆが乾燥すると、被乾燥物Ｆと被乾燥物Ｆを載置した棚１１との合計重量が減少する。これにより、被乾燥物Ｆを支持する棚１１の重量から、被乾燥物Ｆの乾燥状態を把握することができる。したがって、被乾燥物Ｆの乾燥状態を、例えば昇華する水蒸気量を測定する手法と比べ、よりダイレクトな検出が行われる事から、被乾燥物Ｆの乾燥状態をより高精度に把握することが可能となる。

また、本実施形態に係る真空乾燥装置１における棚１１の温度調節方法によれば、被乾燥物Ｆは、容器１００内に収容された状態で棚１１に載置され、被乾燥物Ｆの昇華潜熱△Ｈ、棚１１の重量（縮側圧力センサ３９の測定結果）、容器１００の断面積Ａｖおよび伝熱係数Ｋｖに基づいて、棚１１の温度Ｔｓを調節する。
このような構成では、棚１１の重量、被乾燥物Ｆの昇華潜熱△Ｈ、縮側圧力センサ３９の測定結果、容器１００の断面積Ａｖおよび伝熱係数Ｋｖに基づいて、被乾燥物Ｆの温度を演算して求めることができる。これにより、被乾燥物Ｆの温度状態に応じて棚１１の温度Ｔｓを調節することで、被乾燥物Ｆの乾燥を適切な条件下で実行することができる。

また、本実施形態に係る真空乾燥装置１における棚１１の温度調節方法によれば、被乾燥物Ｆの温度がコラプス温度以下になるように、棚１１の重量に基づいて棚１１の温度Ｔｓを制御する。
このような構成では、被乾燥物Ｆの温度がコラプス温度を超えると、被乾燥物Ｆの水分が凍結している部分が収縮するコラプス現象が生じ、被乾燥物Ｆの乾燥が良好に行われなくなる。流体シリンダ３０の流体圧Ｐ２の変化に基づいて、棚１１の温度Ｔｓを適切に調節し、被乾燥物Ｆの温度がコラプス温度以下となるように維持することで、被乾燥物Ｆの乾燥を良好に行うことができる。

（実施形態の変形例）
上記実施形態では、ステップＳ３において、棚１１の重量に基づいて被乾燥物Ｆの温度を算出するに際し、温度算出部４４は、被乾燥物Ｆの昇華潜熱△Ｈ、棚１１の重量（縮側圧力センサ３９の測定結果）、容器１００の断面積Ａｖおよび伝熱係数Ｋｖに基づいて、被乾燥物Ｆの温度を算出するようにしたが、これに限らない。

例えば、ステップＳ３において、棚１１の重量に基づいて被乾燥物Ｆの温度を算出するには、乾燥室１０の内圧、被乾燥物Ｆについての水蒸気移動抵抗Ｒｐ、容器１００における１本あたりの製品断面積Ａｐ、棚１１の重量に基づいて、棚１１の温度Ｔｓを調節するようにしてもよい。なおＡｐ（容器１００における１本あたりの製品断面積）は、Ａｖと異なり、各容器１００における内部の断面積を意味する。

本変形例における真空乾燥装置１における温度調節方法では、予め、被乾燥物Ｆの既乾燥層Ｌ１（図２参照）の水蒸気移動抵抗Ｒｐを求めておく。
水蒸気移動抵抗Ｒｐを求めるには、実際に真空乾燥処理の対象物である被乾燥物Ｆを容器１００に入れ、真空乾燥装置１の棚１１に所定数搭載する。容器１００には、被乾燥物Ｆの温度（容器１００の底部中心温度Ｔｂ）を測定する品温センサを取り付ける。

この後、乾燥室１０内で、実際に被乾燥物Ｆを凍結乾燥処理する際と同条件（乾燥室１０の内圧（真空度）、及び温度）で乾燥させ、乾燥前後の棚１１の重量を測定し、単位時間当たり昇華水蒸気量ｄｍ／ｄｔを算出する。このとき、被乾燥物Ｆが、例えば３０～５０％程度昇華された段階で、凍結乾燥処理を終了し、複数の容器１００の重量を個別に測定するようにしてもよい。この場合、容器１００の平均重量ではなく、棚１１上における容器１００の位置依存性を調べることができる。

次いで、下式（６）を変形することで得られる式（７）により、水蒸気移動抵抗Ｒｐを算出する。

ここで、Ａｐ：容器１００における１本あたりの製品断面積［ｍ^２］、Ｐ_ｉｃｅ：昇華面圧力［Ｐａ］、Ｐ_ＤＣ：乾燥室の内圧［Ｐａ］、Ｒｐ：水蒸気移動抵抗［Ｐａ・ｍ^２・ｓ／ｇ］である。昇華面圧力Ｐ_ｉｃｅとは、図２において、水分が昇華することで容器１００内の被乾燥物Ｆの上層部に生成される既乾燥層Ｌ１と、既乾燥層Ｌ１の下側で未だ凍結している凍結層Ｌ２と、の境界に形成される昇華面Ｌｆに作用する圧力である。上式（６）は、昇華面圧力Ｐ_ｉｃｅと乾燥室の内圧Ｐ_ＤＣの差圧によって水分が昇華することに基づく（式（６）は、凍結乾燥のＨｅａｔ ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒの基本式の１つである）。

式（７）に、算出された昇華水蒸気量ｄｍ／ｄｔの値、容器１００における１本あたりの製品断面積Ａｐ，被乾燥物Ｆの昇華面圧力Ｐ_ｉｃｅ、乾燥室の内圧Ｐ_ＤＣを代入する。これにより、水蒸気移動抵抗Ｒｐが求められる。なお実際には、式（７）に示しているように、昇華面圧力Ｐ_ｉｃｅは、被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅによって表すことができる。前記温度Ｔ_ｉｃｅは、例えば、上記（５）式に基づいて、容器１００の底部中心温度Ｔｂから求めることができる。

水蒸気移動抵抗Ｒｐは、被乾燥物Ｆの材料ごとに異なるため、材料ごとに、上記と同様にして、水蒸気移動抵抗Ｒｐを算出するのが好ましい。また、水蒸気移動抵抗Ｒｐは、既乾燥層Ｌ１の厚みに対する依存性があるため、既乾燥層Ｌ１の厚みを複数段階に異ならせて上記と同様の水蒸気移動抵抗Ｒｐの算出を行うのが好ましい。さらには、既乾燥層Ｌ１の厚みと、水蒸気移動抵抗Ｒｐとの相関を示す関数を設定し、この関数に基づいて、既乾燥層Ｌ１の厚みに応じた水蒸気移動抵抗Ｒｐを求めるようにしてもよい。このような関数としては、例えば、
Ｒｐ＝Ｒｐ’ｘ（Ｌ_ｍａｘ－Ｌ_ｉｃｅ）
のようなものがある。ここで、Ｌ_ｍａｘは、凍結層Ｌ２の最大（初期）厚み、Ｌ_ｉｃｅは凍結層Ｌ２の厚みである。
また本実施形態のように、容器１００を栓（例えばゴム栓）で閉塞する場合、水蒸気移動抵抗Ｒｐは、既乾燥層についての水蒸気移動抵抗と栓の水蒸気移動抵抗と、の和となる。

このようにして水蒸気移動抵抗Ｒｐを求めた後、実際に、真空乾燥装置１で被乾燥物Ｆの凍結乾燥処理を実行する。
図４に示すように、上記実施形態と同様にして、制御部４０は、予め定められた時間間隔ごとに、入力受付部４１で、縮側圧力センサ３９における流体圧Ｐ２の測定結果を示す信号の入力を受け付ける（ステップＳ１）。
制御部４０は、流体圧Ｐ２の測定結果を受け取ると、重量換算部４３で、流体圧Ｐ２に基づいて棚１１の重量を換算する（ステップＳ２）。

次いで、制御部４０は、温度算出部４４において、取得された棚１１の重量に基づいて、被乾燥物Ｆの温度を算出する（ステップＳ３）。本変形例では、制御部４０の温度算出部４４は、乾燥室１０の内圧Ｐ_ＤＣ、上記で求めた被乾燥物Ｆの水蒸気移動抵抗Ｒｐ、容器１００の本数Ｎ、容器１００における１本あたりの製品断面積Ａｐ、ステップＳ２で換算した棚１１の重量から算出される単位時間当たり昇華水蒸気量ｄｍ／ｄｔに基づいて、下式（８）により、被乾燥物Ｆの温度として、被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅを算出する。

さらに、上式（５）に基づいて、被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅを、容器１００の底部中心温度Ｔｂに換算し、これを被乾燥物Ｆの温度とすることもできる。
このようにして、被乾燥物Ｆの温度として、被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅ、または容器１００の底部中心温度Ｔｂを取得する。

この後、ステップＳ４では、上記実施形態と同様、加熱温度制御部４５で、ステップＳ３において温度算出部４４で算出された被乾燥物Ｆの温度に基づいて、調節部１２における、棚１１の加熱動作を制御する。

本変形例の真空乾燥装置１、真空乾燥装置１における棚１１の温度調節方法によれば、また、被乾燥物Ｆは、容器１００内に収容された状態で棚１１に載置され、制御部４０は、乾燥室１０の内圧、被乾燥物Ｆについての水蒸気移動抵抗Ｒｐ、容器１００における１本あたりの製品断面積Ａｐ、棚１１の重量に基づいて、棚１１の温度Ｔｓを調節する。
このような構成では、乾燥室１０の内圧、被乾燥物Ｆについての水蒸気移動抵抗Ｒｐ、容器１００における１本あたりの製品断面積Ａｐ、棚１１の重量に基づいて、被乾燥物Ｆの温度を演算して求めることができる。このため、被乾燥物Ｆの温度状態に応じて棚１１の温度Ｔｓを調節することで、被乾燥物Ｆの乾燥を適切な条件下で実行することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態において、棚１１の重量を換算して取得するために、縮側圧力センサ３９で縮側配管３７内の流体圧Ｐ２を測定するようにしたが、これに限らない。伸側圧力センサ３８で、縮側配管３７の流体圧を測定するようにしてもよいし、縮側圧力センサ３９で測定される縮側配管３７内の流体圧Ｐ２と、伸側圧力センサ３８で測定される伸側配管３６内の流体圧との差圧に基づいて、棚１１の重量を換算して取得するようにしてもよい。

また、上記実施形態において、縮側圧力センサ３９で測定された縮側配管３７内の流体圧Ｐ２に基づいて、被乾燥物Ｆの温度（容器１００の底部中心温度Ｔｂ、または被乾燥物Ｆの昇華面Ｌｆの温度Ｔ_ｉｃｅ）を得て、調節部１２の制御を行うようにしたが、これに限らない。縮側圧力センサ３９で測定された縮側配管３７内の流体圧Ｐ２に基づいて、被乾燥物Ｆの昇華面圧力Ｐｉｃｅをキーとして、調節部１２の制御を行うようにしてもよい。

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１ 真空乾燥装置
１０ 乾燥室
１１ 棚
１２ 調節部
２０ 捕集部
３０ 流体シリンダ
３５ 流体給排系
３９ 縮側圧力センサ（測定部）
４０ 制御部
１００ バイアル
Ｆ 被乾燥物
△Ｈ 昇華潜熱
Ｋｖ 伝熱係数
Ｌ１ 既乾燥層
Ｐ２ 流体圧
Ｒｐ 水蒸気移動抵抗
Ｔｉｃｅ 温度
Ｔｓ 温度

Claims (10)

1. 乾燥室と、
   前記乾燥室内に配置され、被乾燥物が載置される棚と、
   前記棚を昇降させる流体シリンダと、
   前記流体シリンダに対して流体を給排する流体給排系と、
   前記流体給排系に設けられ、前記流体の流体圧を測定する測定部と、
   前記被乾燥物から昇華した水分を捕集する捕集部と、
   前記棚の温度を調節する調節部と、
   前記測定部の測定結果に基づいて前記調節部を制御する制御部と、を備える真空乾燥装置。
2. 前記制御部は、
   異なる２つの時刻それぞれにおいて、前記測定部の測定結果を、前記被乾燥物を支持する前記棚の重量に換算し、
   これらの２つの時刻および重量の各差分から前記被乾燥物の昇華速度を算出し、
   前記昇華速度に基づいて前記被乾燥物の推定温度を算出し、
   前記推定温度が、予め設定された閾値以下になるように前記調節部を制御する請求項１に記載の真空乾燥装置。
3. 前記被乾燥物は、容器内に収容された状態で前記棚に載置され、
   前記制御部は、前記被乾燥物の昇華潜熱、前記昇華速度、前記容器の断面積および前記容器の伝熱係数に基づいて、前記推定温度を算出する請求項２に記載の真空乾燥装置。
4. 前記被乾燥物は、容器内に収容された状態で前記棚に載置され、
   前記制御部は、前記乾燥室の内圧、前記被乾燥物についての水蒸気移動抵抗、前記容器内の製品断面積、前記昇華速度に基づいて、前記推定温度を算出する請求項２に記載の真空乾燥装置。
5. 前記閾値がコラプス温度である請求項２から４のいずれか１項に記載の真空乾燥装置。
6. 乾燥室と、
   前記乾燥室内に配置され、被乾燥物が載置される棚と、
   前記棚を昇降させる流体シリンダと、
   前記被乾燥物から昇華した水分を捕集する捕集部と、を備える真空乾燥装置において、前記棚の温度を調節する方法であって、
   前記流体シリンダに対して流体を給排する流体給排系における前記流体の流体圧に基づいて前記棚の温度を調節する真空乾燥装置における棚の温度調節方法。
7. 異なる２つの時刻それぞれにおいて、前記流体圧を、前記被乾燥物を支持する前記棚の重量に換算し、
   これらの２つの時刻および重量の各差分から前記被乾燥物の昇華速度を算出し、
   前記昇華速度に基づいて前記被乾燥物の推定温度を算出し、
   前記推定温度が、予め設定された閾値以下になるように前記棚の温度を制御する請求項６に記載の真空乾燥装置における棚の温度調節方法。
8. 前記被乾燥物は、容器内に収容された状態で前記棚に載置され、
   前記被乾燥物の昇華潜熱、前記昇華速度、前記容器の断面積および前記容器の伝熱係数に基づいて、前記推定温度を算出する請求項７に記載の真空乾燥装置における棚の温度調節方法。
9. 前記被乾燥物は、容器内に収容された状態で前記棚に載置され、
   前記乾燥室の内圧、前記被乾燥物についての水蒸気移動抵抗、前記容器内の製品断面積、前記昇華速度に基づいて、前記推定温度を算出する請求項７に記載の真空乾燥装置における棚の温度調節方法。
10. 前記閾値がコラプス温度である請求項７から９のいずれか１項に記載の真空乾燥装置における棚の温度調節方法。

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