一种冻干机制冷系统及该制冷系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种冻干机制冷系统及该制冷系统的控制方法，该系统包括一组以上的主制冷组件和一组以上的辅助制冷组件，所述主制冷组件与辅助制冷组件呈并联状以形成对冻干机上冷肼和板层的独立制冷循环回路；所述主制冷组件与辅助制冷组件中采用不同制冷媒介。该方法是基于上述冷却系统的控制方法。本发明具有结构简单紧凑、操作简便、能够提高制冷效果、提高工作可靠性等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到冻干设备领域，特指适用于冻干箱的制冷系统及该制冷系统的控制方法。

背景技术

真空冷冻干燥机（以下简称冻干机）是制药行业和食品行业进行药品和食品冷冻干燥的最好设备，所谓冷冻干燥，就是先将需冷冻干燥的物品（制品）在低温下预冻，然后通过真空升华和解析吸附的方法，使制品的水分减少到在长时间内无法维持生物学反应和化学反应的水平，真空升华干燥阶段，物料中已冻结的游离水在低于其共结点所对应的饱和蒸汽压条件下，以升华的方式全部逸出，进入到冷凝表面结成冰，升华结束后，一般可除去85%以上的水分，而解析干燥阶段，则在升华干燥完成后，将剩余的那部分少量的吸附水（吸附在物料细胞壁和极性分子上、未冻结的水，一般占总含水量的10％左右）以蒸发的方式去除。

目前，冻干机一般设置一台制冷系统，较常用的为氟利昂制冷系统、液氮制冷系统。Freon制冷系统较液氮制冷系统价格便宜，但是产生的极限低温较高，使得冻干机在解析阶段时产生冰的饱和蒸汽压差较小，使得冻干产品内仍剩有一部分吸附水，影响冻干产品质量。而采用较氟利昂蒸发温度较低的制冷剂，比如液氮，其价格较为昂贵（费用包括液氮购买、液氮运输、液氮在大气压下气化损耗等），大约是压缩式制冷的三倍左右，用户一般无法承受。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、操作简便、能够提高制冷效果、冻干工作效率的冻干箱制冷系统及该制冷系统的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种冻干机制冷系统，包括一组以上的主制冷组件和一组以上的辅助制冷组件，所述主制冷组件与辅助制冷组件呈并联状以形成对冻干机上冷肼和板层的独立制冷循环回路；所述主制冷组件与辅助制冷组件中采用不同制冷媒介。

作为本发明系统的进一步改进：所述主制冷组件为在正常工况下的预冻干阶段和升华干燥对冻干机进行制冷的制冷组件；所述辅助制冷组件为在正常工况下的解析干燥阶段和在故障工况下对冻干机进行制冷的制冷组件。

作为本发明系统的进一步改进：在相同大气压下，所述辅助制冷组件中制冷媒介的沸点温度低于主制冷组件中制冷媒介的沸点温度。

作为本发明系统的进一步改进：所述主制冷组件采用氟利昂作为制冷媒介，辅助制冷组件采用液氮作为制冷媒介。

作为本发明系统的进一步改进：每组所述朱制冷组件包括冷肼主制冷循环回路和板层主制冷循环回路，冷肼主制冷循环回路用于对冻干机上冷肼的冷凝盘管进行制冷，板层主制冷循环回路用于对冻干机的板层进行制冷；每组所述辅助制冷组件包括冷肼辅助制冷循环回路和板层辅助制冷循环回路，冷肼辅助制冷循环回路用于对冻干机上冷肼的冷凝盘管进行制冷，板层辅助制冷循环回路用于对冻干机的板层进行制冷。

作为本发明系统的进一步改进：每个制冷循环回路均包括通过管路相连的控制阀、板式换热器及载冷剂循环泵。

作为本发明系统的进一步改进：在所述辅助制冷组件的制冷循环回路上设置关联控制阀，用于在主制冷组件处于开启工作状态时主制冷组件的制冷媒介避开辅助制冷组件中的板式换热器。

本发明进一步提供一种基于上述制冷系统的控制方法，为：

（1）预冻干模式；当冻干机为预冻干阶段，主制冷组件开启工作，对冻干箱内的板层和冷肼内的冷凝盘管同时降温；

（2）升华干燥模式；当冻干机在升华干燥阶段，主制冷组件对冷凝盘管进行制冷，冻干机中的冻干箱将在加热器的作用下对板层进行加温升华；

（3）解析干燥模式；当冻干机进入解析干燥阶段，辅助制冷组件对冻干箱内的板层和冷肼内的冷凝盘管进行制冷。

作为本发明方法的进一步改进：还包括故障冗余模式，即当冻干机中主制冷组件出现故障时，辅助制冷组件作为备份制冷系统，给板层、冷凝盘管同时制冷。

作为本发明方法的进一步改进：在预冻干模式、升华干燥模式中均可选择开启或者关闭辅助制冷组件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明包括了两种具有不同制冷媒介的主制冷组件与辅助制冷组件，利用两种制冷媒介不同的沸点温度，可以增大冻干箱与冷肼的压力差，产生较大的冰的饱和蒸汽压差，使得冻干产品在解析阶段蒸发的水蒸气在压差推动力下在冷凝盘管表面结成冰，直至冻干机到达其对应的饱和蒸汽压，达到解析极限，冻干完成，此冻干产品的内的水分将得到再一次降低，提高了冻干产品质量。

2、本发明中的冻干机还可在预冻干模式、升华干燥模式根据生产工艺要求选择开启或者关闭辅助制冷组件，通过辅助制冷组件的参与可大大缩短整个冻干周期，提高冻干生产效率。

3、本发明具有两套独立、并联的制冷组件，在某一套出现故障时，另外一套能够起到故障备用的作用，大大提高了设备运行的可靠性。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的结构原理示意图。

图例说明：

1、冷凝盘管；2、板层；3、板层加热器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明公开了一种冻干机制冷系统，包括一组以上的主制冷组件和一组以上的辅助制冷组件，所述主制冷组件与辅助制冷组件呈并联状以形成对冻干机上冷肼和板层2的独立制冷循环回路。主制冷组件与辅助制冷组件中采用不同制冷媒介，且辅助制冷组件中制冷媒介的沸点温度低于主制冷组件中制冷媒介的沸点温度。例如，主制冷组件可以采用氟利昂作为制冷媒介，辅助制冷组件可以采用液氮作为制冷媒介。可以理解，在其他的实施例中，也可以根据实际需要采用其他的制冷媒介组合，这也应在本发明的保护范围内。

在较佳的实施例中，可以根据实际需要，辅助制冷组件中所采用的制冷媒介优选为大气压下蒸发温度低于-46.5℃。

在具体实例中，每组所述主制冷组件包括冷肼主制冷循环回路和板层主制冷循环回路，冷肼主制冷循环回路用于对冻干机上冷肼的冷凝盘管1进行制冷，板层主制冷循环回路用于对冻干机的板层2进行制冷；每组所述辅助制冷组件包括冷肼辅助制冷循环回路和板层辅助制冷循环回路，冷肼辅助制冷循环回路用于对冻干机上冷肼的冷凝盘管1进行制冷，板层辅助制冷循环回路用于对冻干机的板层2进行制冷。

如图1所示，为本发明在一个具体应用实例中的结构原理示意图。每个制冷循环回路均包括通过管路相连的控制阀、板式换热器及载冷剂循环泵。其中：

冷肼主制冷循环回路包括通过管路相连的第一控制阀T1、第一板式换热器S1以及第一载冷剂循环泵M1，以形成对循环回路中的冻干机上冷凝盘管1的循环制冷。

板层主制冷循环回路包括通过管路相连的第二控制阀T2、第二板式换热器S2以及第二载冷剂循环泵M2，以形成对循环回路中的冻干机上板层2的循环制冷。

冷肼辅助制冷循环回路包括通过管路相连的第三控制阀T3、第三板式换热器S3以及第三载冷剂循环泵M3，以形成对循环回路中的冻干机上冷凝盘管1的循环制冷。

板层辅助制冷循环回路包括通过管路相连的第四控制阀T4、第四板式换热器S4以及第四载冷剂循环泵M4，以形成对循环回路中的冻干机上板层2的循环制冷。

进一步，在辅助制冷组件的制冷循环回路上设置关联控制阀，以保证在主制冷组件处于开启工作状态时，其制冷媒介将避开辅助制冷组件中的板式换热器，因为此时该板式热器处于不工作状态；该关联控制阀为图中的第一关联控制阀T5和第二关联控制阀T6。

进一步，整个主制冷组件与辅助制冷组件均由PLC控制器进行控制，即所有控制阀的启闭均由PLC控制器根据实际工艺要求进行自动控制。

在其他实施例中，还可以将上述第一载冷剂循环泵M1和第二载冷剂循环泵M2合并成一个循环泵，供循环制冷回路来使用，这也应在本发明的保护范围内。

本发明进一步提供一种基于上述制冷系统的控制方法，在本实施中它包括：

（1）预冻干模式；当冻干机为预冻干阶段，PLC控制器将关闭第三控制阀T3、第四控制阀T4、第一关联控制阀T5和第二关联控制阀T6，此时辅助制冷组件处于停止工作的状态。开启第一控制阀T1和第二控制阀T2，主制冷组件开启工作，其对冻干箱内的板层2和冷肼内的冷凝盘管1同时降温，其制冷原理一致。以冷凝盘管1的制冷为例说明，主制冷组件工作，通过板式换热器，其制冷媒介（氟利昂）和载冷剂（硅油）进行热交换，使载冷剂的温度降低，载冷剂经对应的载冷剂循环泵在管路、冷凝盘管1中强制循环，从而实现了将载冷剂不断地在整个系统中循环达到制冷传递。

（2）升华干燥模式；当冻干机在升华干燥阶段，PLC控制器将关闭第三控制阀T3、第四控制阀T4、第一关联控制阀T5和第二关联控制阀T6，辅助制冷组件处于停止工作的状态。开启第一控制阀T1和第二控制阀T2，主制冷组件将对冷凝盘管1进行制冷，冻干机中的冻干箱将在板层加热器3的作用下对板层2进行加温升华。

（3）解析干燥模式；当冻干机进入解析干燥阶段，PLC控制器将关闭第一控制阀T1和第二控制阀T2，主制冷组件停止工作，开启第三控制阀T3、第一关联控制阀T5和第二关联控制阀T6，辅助制冷组件工作，通过板式换热器，其制冷媒介（液氮）和载冷剂换热，使载冷剂的温度急剧降低（液氮制冷的大气压下沸点温度约为-196℃），增大了冻干箱与冷肼的压力差，降低了冷肼饱和蒸汽压，使得冻干产品在解析阶段蒸发的水蒸气在压差推动力下使其在冷凝盘管1表面结成冰，直至冻干机到达其饱和蒸汽压，达到解析极限，冻干完成，此冻干产品的内的水分将得到再一次降低，提高了冻干产品质量。

进一步，本发明还包括故障冗余模式，即当冻干机中主制冷组件出现故障时，PLC控制器将开启第三控制阀T3、第一关联控制阀T5，辅助制冷组件将作为备份制冷系统，给板层2、冷凝盘管1同时制冷，保障了冻干机的正常运行。如此故障状态下且处于预冻干阶段时，第四控制阀T4和第二关联控制阀T6也开启。

可以理解，在另外一个实施例中，也可以根据生产工艺要求选择在预冻干模式、升华干燥模式中开启辅助制冷组件，通过辅助制冷组件的参与可大大缩短整个冻干周期，提高冻干生产效率，这也属于本发明的保护范围。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。