3.4.3真空系統設計

一個完整的真空系統包括真空容器、真空泵、真空儀表、真空閥門和真空管道。凍干箱和捕水器是凍干機真空系統的大容器，真空泵通過抽空閥抽捕水器，再通過主閥抽凍干箱；在真空泵頭和凍干箱及捕水器上均裝有真空測量裝置，以便測量系統的真空。

凍干機對真空系統有如下要求：

1、容器耐壓    凍干機的真空容器（凍干箱和捕水器）必須能抵抗大氣的壓力，帶蒸汽滅菌的凍干箱和捕水器還需能承受蒸汽滅菌時的高壓和高溫。

2、抽空時間    在0.5h左右的時間使凍干箱抽空到10Pa。這是對真空泵抽空能力求，需根據凍干箱和捕水器容積的大小選擇真空泵的排氣量。

3、根限真空    凍干箱的最高真空應能達到0.5～10P。這是對容器直空度的要求，一般選用雙級旋片式真空泵，或油封式旋轉泵再加羅茨泵。

4、體干箱的漏率    凍干箱的漏率應能達到5X102Pa•L/s。系統密封性的要求：要求設計先進，焊接可靠，加工精密，裝配仔細，選用高性能的真空閥門和部件等，符合GMP的要求，真空系統中凍干箱和捕水器及關聯的部件需使用不銹鋼制造；密封材料要使用聚四氯乙烯、硅橡膠或醫用橡膠；希望是潔凈的抽空系統，不對凍干箱的產品產生任何污染。

對于凍干設備，真空系統設計計算的目的就是依據干燥室的實際需要，設計配置出能夠滿足凍干工藝要求的真空系統。計算的內容包括：按照干燥室所要求的極限真空、工作真空和氣體負荷，確定選取主泵的類型和規格型號；依據氣體連續性原理為主泵配置合適規格型號的前級泵；在初步設計出捕水器和連接管道、閥門等附件組成的系統具體結構之后，校核驗算系統所能達到的極限真空度和工作真空度，以及達到某一壓力所需要的抽氣時間，是否滿足設計要求，這其中又涉及氣體在管路中的流動狀態判別、管路的流導計算和有效抽速計算等內容。

目前冷凍真空干燥設備中常用的真空機組主要有羅茨泵機組、水環-大氣真空泵機組等多種。從真空角度考慮，在設計抽氣系統的具體結構時應滿足如下基本要求：

1、為提高抽氣系統的通導能力，系統中各元件間的管道應短而粗、少彎曲，主泵和真空室間的管道直徑不應小于主泵吸氣口的直徑。

2、系統應本著串聯可以提高極限真空度、并聯可以提高抽氣速率的原則，組合各泵間的抽氣程序。

3、為了保證系統的密封性能，被抽系統的總漏氣率須限制在允許漏氣率范圍之內，盡量提高設備的制造水平。

4、為了防止機械泵振動和返油，在機械泵人口處應設置緩振軟管和放氣閥，為節省能源、縮短工作周期，對大型真空系統應配置維持泵。

5、為實現系統的自動操作和安全運轉，在抽氣系統和水冷系統上應分別設置真空繼電器和水壓繼電器，真空系統也可考慮選用微機程序控制。

6、真空系統建成后應便于測量和檢漏，為迅速找到漏孔，應進行分段檢漏，因此每個用閥門封閉的空間至少應設置一個測量點，以便于測量和檢漏。真空計測量規管的位置應選在沒有水套的位置上，而且應使規管直立，不要橫放。

真空系統一般的設計計算程序為：

1、計算真空室內的總放氣量；

2、確定真空室的有效抽氣速率；

3、對復雜真空系統首先粗選主泵和粗配主泵的前級泵；

4、按要求配置閥門、捕集器、除塵器等相關元件；

5、繪制真空系統草圖，確定真空系統各部位尺寸，為精算系統創造條件；

6、精算各真空泵，包括真空度和抽氣時間的計算，確認是否滿足給定的參數要求，如果達不到要求應重新選泵和配泵，直到滿足已定的參數要求為止；

7、繪制真空系統裝配圖并拆出零件圖；

8、繪制施工圖紙。

3.4.4制冷系統設計

制冷系統是凍干機上提供冷量的裝置。凍干機上需冷量的地方主要是凍干箱和水汽凝結器。兩者既可以用一套制冷系統，也可以用各自獨立的兩套制冷系統。通常，較大的凍干機都用兩套各自獨立的制冷系統，凍干箱上多用間冷式循環，水汽凝結器多用直冷式循環。

制冷系統所用制冷機的大小，按凍干箱耗冷量和水汽凝結器的耗冷量的計算值確定。制冷系統所用的制冷劑種類和制冷循環方式，應根據凍干物料所需的溫度選擇。

凍干箱只有在降溫和保溫兩階段需要冷量。降溫階段指擱板和被干燥的產品從室溫降到凍結所需的溫度的時間；保溫階段指擱板保持在上述溫度下使產品凍牢所需的時間。由于后者的冷負荷遠小于前者，在設計中可按前者的冷負荷選擇制冷機。

降溫時間的選定直接影響到制冷機大小的選配，所定的降溫時間越短，需配制冷機的制冷能力越大。確定降溫時間主要考慮以下幾個因素：

1、應滿足產品降溫速率的要求。因降溫速率對產品晶格的大小、活菌率、干燥速率等有直接影響。降溫速度快，結晶細，干燥速率慢，細菌成活率高；反之則相反。在箱內擱板凍結時，所設計的冷凍干燥機必須首先滿足產品凍干工藝的要求，才能生產優質產品。

2、凍干周期包括產品進箱、箱體降溫、保溫、升華、產品出箱等階段，還有箱體清洗消毒、水汽凝結器化霜等輔助時間。因此降溫時間也受整個凍干周期的限制。而凍干周期的確定應有利于組織生產。

3、箱體降溫與水汽凝結器所需的制冷機容量應綜合考慮，使之可以共用或相互備用，以提高機器的安全可靠性。

一般擱板溫度比產品的共晶點溫度低5一10℃。

降溫階段的耗冷量一般包括：

1、產品降溫的冷負荷；

2、箱內零件降溫的冷負荷；

3、載冷介質降溫的冷負荷；

4、箱壁降溫的冷負荷；

5、 通過箱壁傳入的冷損；

6、開門冷損耗；

7、載冷介質循環泵所消耗的冷量；

8、其他冷損耗。

捕水器耗冷量的計算包括：

1、捕水器材料降溫耗冷量；

2、保溫層傳熱耗冷量；

3、水蒸氣凝結耗冷量。

凍干設備上一般按制冷溫度選制冷劑和制冷循環。一般單級壓縮可制取-20～-40℃的低溫，雙級壓縮可制取-40～-70℃的低溫，復疊式制冷循環可得到-50～-80℃的低溫。