一种冻干机系统的制作方法

1.本技术涉及制药设备领域，特别涉及一种冻干机系统。


背景技术：

2.冻干机包括冻干箱和冷阱，冻干箱内装有板层，用于放置冻干制品及控制溶剂升华，冷阱中装有盘管，用于将冻干制品中升华出的溶媒再次捕集。对于以有机溶媒作为溶剂的冻干制品，在冷冻干燥过程中，由于有机溶媒沸点比较低，有机溶媒与盘管温差很小，蒸汽并不能快速被盘管捕集，其在冷阱中不断挥发与冷凝，将严重阻碍冷阱的结霜，破坏冷冻干燥过程。过多的有机溶媒蒸汽被吸入真空泵中会老化、腐蚀密封件，严重影响冻干系统的正常运行，这就需要冷阱能达到更低的温度(通常需要达到-100℃以下)，迅速将有机溶剂捕集。为解决上述问题，主要有两种方式，一种采用液氮制冷，但是液氮冻干设备本身价格较高，另外还需要专门的液氮存储和转运设备，运行成本高昂。另一种是采用多台压缩机复叠制冷，这种制冷方式管路连接和控制方式比较复杂，设备成本较高，且一台压缩机故障时，冻干机难以实现达到目标温度设置无法正常运行。因此，如何降低超低温冻干机的成本成为本领域技术人员需要解决的技术问题。
3.申请内容
4.本技术的目的是提供一种冻干机系统，该冻干机系统能够实现单压缩机-100℃制冷需求，设备成本和运行成本显著降低。
5.为实现上述目的，本技术提供一种冻干机系统，包括制冷模块、冷阱、冻干箱和导热油循环换热模块；所述冷阱设有盘管、所述冻干箱设有串接于所述导热油循环换热模块且用于换热的板层，所述导热油循环换热模块设有可控制启停的加热模块，所述制冷模块连接所述盘管且与所述导热油循环换热模块通过换热器热交换连接；
6.所述制冷模块包括压缩机、冷凝器、用于储存混合冷媒的膨胀容器、以及连接所述冷凝器的冷媒出口的节流单元；混合冷媒至少包括第一冷媒、第二冷媒和第三冷媒，且第一冷媒的沸点高于第二冷媒的沸点，第二冷媒的沸点高于第三冷媒的沸点；
7.所述节流单元包括用于分离液态的第一冷媒并利用液态的第一冷媒蒸发对第二冷媒和第三冷媒降温的第一蒸发换热组件，连接所述第一蒸发换热组件并用于分离液态的第二冷媒并利用液态的第二冷媒蒸发对第三冷媒降温的第二蒸发换热组件，连接所述第二蒸发换热组件的第二回热器，以及连接在所述第二回热器与所述盘管、所述换热器之间节流组件。
8.可选地，所述第一蒸发换热组件包括第一分离器和第一蒸发冷凝器，所述第一分离器设有连接冷凝器的混合冷媒第一入口、设于底部的第一冷媒出口、设于顶部的混合冷媒第一出口；所述第一蒸发冷凝器包括用于通入第一冷媒的第一蒸发侧、用于通入混合的第二冷媒和第三冷媒的第一冷凝侧；还包括设于所述第一蒸发侧的入口和所述第一冷媒出口之间的第一节流元件，所述第一蒸发侧的出口连接至所述压缩机的入口。
9.可选地，所述第一蒸发侧的出口和所述压缩机的入口连接第一回热器，所述冷凝
器的出口的混合冷媒经所述第一回热器的回热支路连接所述混合冷媒第一入口。
10.可选地，所述第一节流元件和所述第一冷媒出口之间设有第一储液器。
11.可选地，所述第二蒸发换热组件包括第二分离器和第二蒸发冷凝器，所述第二分离器设有连接所述第一冷凝侧的出口的混合冷媒第二入口、设于所述第二分离器底部的第二冷媒出口和设于所述第二分离器顶部的第三冷媒出口；所述第二蒸发冷凝器包括用于通入第二冷媒的第二蒸发侧、用于通入第三冷媒的第二冷凝侧；还包括设于所述第二蒸发侧的入口和所述第二冷媒出口之间的第二节流元件，所述第二蒸发侧的出口连接至所述第一蒸发侧，所述第二冷凝侧的入口和所述膨胀容器经第一电磁阀连接。
12.可选地，所述第二节流元件和所述第二冷媒出口之间设有第二储液器。
13.可选地，所述第二回热器的出口设有第三储液器，所述节流组件包括连接在所述第三储液器出口和所述盘管入口之间的第一节流支路、和连接在所述第三储液器出口和所述换热器的冷媒侧入口的第二节流支路；所述第一节流支路设有第二电磁阀和第三节流元件，所述第二节流支路设有第三电磁阀和第四节流元件；所述盘管的出口和所述换热器的冷媒侧出口均连接至所述第二蒸发侧，所述第三储液器的出口连接穿设于所述第二回热器的回热节流支路，所述回热节流支路设有第五节流元件且所述回热节流支路的出口连接至所述第二蒸发侧。
14.可选地，还包括与所述第二节流支路并联设置的第三节流支路，所述第三节流支路设有第四电磁阀和第六节流元件，所述第六节流元件的节流流量小于所述第四节流元件的节流流量。
15.可选地，所述导热油循环换热模块包括循环泵，以及连接所述循环泵、所述加热模块、所述换热器和所述板层的导热循环支管。
16.可选地，所述压缩机和所述冷凝器之间设有油分离器，所述盘管的入口和所述油分离器之间连接化霜支路，所述化霜支路设有第五电磁阀。
17.相对于上述背景技术，本技术冻干机系统利用单台压缩机和多种沸点不同的冷媒循环，借助第一蒸发换热组件使经冷凝器冷凝的沸点最高的液态第一冷媒分离后蒸发吸热，对沸点较低的第二冷媒和第三冷媒形成混合冷媒冷却，然后借助第二蒸发换热单元利用沸点较高的液态的第二冷媒蒸发吸热，对沸点最低的第三冷媒进行冷却，最后利用第二回热器对液态的第三冷媒进一步过冷，过冷的第三冷媒经节流组件节流后在盘管或换热器处蒸发，对冷阱降温，以及通过导热油循环换热模块对冻干箱的板层进行降温，通过混合冷媒多次降温过冷，在单台单级的压缩机的驱动下，使得冷阱和冻干箱能够达到约-100℃的低温。节约了设备成本和运行成本。同时，导热油循环换热模块还可借助加热模块和换热器调节冷阱的盘管和冻干箱的板层温度，保证了冻干机系统的正常运行。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
19.图1为本技术实施例所提供的冻干机系统的系统图。
20.其中：
21.1-压缩机、2-毛细管、3-干燥过滤器、4-第一回热器、5-膨胀容器、6-第一分离器、7-第一电磁阀、8-第一蒸发冷凝器、9-第二分离器、10-第二蒸发冷凝器、11-第二回热器、12-第二电磁阀、13-第三节流元件、14-盘管、15-冷阱、16-板层、17-冻干箱、18-循环泵、19-电加热器、20-换热器、21-第四节流元件、22-第三电磁阀、23-第六节流元件、24-第四电磁阀、25-第三储液器、26-第五节流元件、27-第二节流元件、28-第二储液器、29-第五电磁阀、30-第一节流元件、31-第一储液器、32-冷凝器、33-油分离器。
具体实施方式
22.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
23.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。
24.请参考图1，图1为本技术实施例所提供的冻干机系统的系统图。
25.本技术的目的是提供一种冻干机系统，利用单台单级的压缩机1为冷阱15和冻干箱17达到-100℃的超低温冷却，降低设备成本和运行成本。为实现上述目的，本技术实施例提供一种冻干机系统，包括制冷模块、冷阱15、冻干箱17和导热油循环换热模块。冷阱15设置盘管14、冻干箱17设有板层16，制冷模块的作用在于获取超低温的冷媒对盘管14和板层16进行降温，导热油循环换热模块经换热器20和制冷模块热交换连接，能够借助其加热模块配合对盘管14和板层16进行控温。如图所示，制冷模块包括压缩机1、冷凝器32、膨胀容器5、毛细管2、油分离器33、以及将冷凝器32冷凝的冷媒进一步降温并节流后输送至盘管14或换热器20蒸发吸热的节流单元，连接关系参考图1。
26.为实现超低温制冷，本技术采用的冷媒为混合冷媒，包括沸点不同的至少三种冷媒，分别定义为第一冷媒、第二冷媒和第三冷媒，第一冷媒的沸点高于第二冷媒，第二冷媒的沸点高于第三冷媒，经过压缩机1和冷凝器32的混合冷媒中，第一冷媒首先液化，节流单元借助第一蒸发换热组件分离液态的第一冷媒，并利用液态的第一冷媒节流蒸发对气态的第二冷媒和第三冷媒混合冷媒进一步冷却，此过程中，第二冷媒会先液化，然后借助第二蒸发换热组件分离液态的第二冷媒，利用液态的第二冷媒节流蒸发再次冷却第三冷媒，使第三冷媒液化，液化的第三冷媒经过第二回热器11进一步过冷，然后通过节流组件节流后在盘管14内或换热器20内蒸发，实现对冷阱15、冻干箱17的降温。
27.在一实施例中，第一蒸发换热组件包括第一分离器6和第二蒸发冷凝器10，第二蒸发换热组件包括第二分离器9和第二蒸发冷凝器10。第一分离器6能够将液态的第一冷媒与气态的第二冷媒及第二冷媒分离，第一分离器6设有混合冷媒第一入口，供冷凝器32流出的混合冷媒进入第一分离器6内，第一分离器6的底部设有第一冷媒出口，第一分离器6的顶端设有混合冷媒第一出口，液态的第一冷媒从第一冷媒出口流出、节流后流向第一蒸发冷凝器8的蒸发侧吸热，气态混合的第二冷媒和第三冷媒从顶部的混合冷媒第一出口流出，在第一蒸发冷凝器8的冷凝侧继续被降温冷凝。为实现液态第一冷媒节流，第一冷媒出口和第一
蒸发侧的入口之间设置第一节流元件30，第一节流元件30和第一冷媒出口之间还可根据需要设置第一储液器31。在第一蒸发冷凝器8的第一蒸发侧蒸发吸热后的第一冷媒回流至压缩机1。
28.在一实施例中，冷凝器32的出口和第一分离器6之间设有第一回热器4，第一蒸发侧的出口的第一冷媒流经第一回热器4与冷凝器32流出的混合冷媒换热后流回压缩机1，以进一步降低混合冷媒的温度。
29.第二蒸发换热组件的工作原理如第一蒸发换热组件，第二分离器9设有混合冷媒第二入口，第二分离器9的底端设有第二冷媒出口，第二分离器9的顶端设有第三冷媒出口。第二冷媒和第三冷媒混合冷媒在第一冷凝侧被冷却后，液态的第二冷媒和气态的第三冷媒的气液两相混合冷媒经混合冷媒第二入口流向第二分离器9，液态的第二冷媒自底部的第二冷媒出口流向第二蒸发冷凝器10的第二蒸发侧蒸发吸热，气态的第三冷媒则从顶端的第三冷媒出口流向第二蒸发冷凝器10的冷凝侧被降温液化，然后经第二回热器11进一步过冷、节流组件节流后流向盘管14或换热器20，换热后的气态第三冷媒流回第二蒸发侧。第二蒸发侧的出口则连接至第一蒸发侧，具体可连接在第一蒸发侧的入口前，也可连接在第一蒸发侧的入口后，蒸发后的气态第二冷媒、气态第三冷媒、与气态第一冷媒混合后经第一回热器4流回压缩机1。
30.为促进液态的第二冷媒在第二蒸发侧蒸发吸热，第二冷媒出口和混合冷媒第二入口之间连接第二节流元件27，第二节流元件27和第二冷媒出口之间可根据需要设置第二储液器28。此外，第二冷凝侧的入口或第三冷媒出口还延伸连接至膨胀容器5，并和膨胀容器5通过第一电磁阀7连接，保证循环结束后、压缩机1停运时混合冷媒顺利回流至膨胀容器5。
31.第二回热器11及节流组件的工作原理如下，第二回热器11的出口连接第三储液器25，第三储液器25通过第一节流支路连接盘管14的一端，第一节流支路设置第二电磁阀12和第三节流元件13，盘管14另一端连接至第二蒸发侧，以便回流压缩机1。第三储液器25通过第二节流支路连接换热器20的冷媒侧入口，第二节流支路设置第三节流阀和第四节流元件21，第三冷媒在流经换热器20的冷媒侧与换热器20的导热油侧换热，通过导热油循环对冻干箱17进行降温。换热器20的冷媒侧出口连接至第二蒸发侧，通过第二蒸发侧、第一蒸发侧、第一回热器4回流至压缩机1。第三储液器25的另一出口连接回热节流支路，回热节流支路中设有第五节流元件26，利用少部分液态的第三冷媒节流蒸发，对流向储液罐的液态第三冷媒进一步降温过冷，回热节流支路流出的第三冷媒同样连接至第二蒸发侧。
32.在一实施例中，第二节流支路并联设置第三节流支路，第三节流支路设有第四电磁阀24和第六节流元件23，第六节流元件23的节流流量小于第四节流元件21，以便于根据冻干箱17的控温需求，交替开启第三电磁阀22、第四电磁阀24以及同时开启或关闭第三电磁阀22和第四电磁阀24对冻干箱17进行精确控温。
33.导热油循环换热模块包括循环泵18和导热循环支管，导热循环支管连接循环泵18、换热器20的导热油侧、加热模块以及板层16，通过导热油的循环对板层16及冻干箱17进行控温。加热模块采用电加热器19，可以根据需要控制电加热器19启停，维持冻干箱17的温度。
34.压缩机1和冷凝器32之间设有油分离器33，利用油分离器33去除冷冻油，避免堵塞制冷模块的节流组件。在一实施例中，为了快速消除冷阱15盘管14处的结霜，本技术还设置
化霜支路，化霜支路连接在油分离器33出口和盘管14的入口之间，化霜支路设置第五电磁阀29，第五电磁阀29保持常闭状态，仅在盘管14需要化霜时才打开，利用相对高温的混合冷媒对盘管14进行加热除霜。压缩机1和第一回热器4之间还可根据需要设置干燥过滤器3。
35.上述冻干机系统的运行过程如下：
36.制冷过程：压缩机1启动，第一电磁阀7关闭，混合冷媒从膨胀容器5中经毛细管2被缓慢吸入压缩机1，高温高压的混合冷媒从压缩机1中排出，经油分离器33去除绝大部分的冷冻油，在冷凝器32中放热形成气液两相流，进入第一回热器4继续降温，提高分离效率，最后进入第一分离器6中完成气液分离，混合冷媒中大部分液态第一冷媒进入第一储液器31，大部分气态第二冷媒和第三冷媒从分离器顶部流出，流向第一蒸发冷凝器8的冷凝侧。从第一储液器31底部流出的液态第一冷媒经第一节流元件30节流后，与回流的混合冷媒汇合，在第一蒸发冷凝器8中第二冷媒和第三冷媒降温，使气态混合冷媒形成气液两相流，进入第二分离器9中完成气液分离，大部分液态第二冷媒进入第二储液器28，大部分气态第三冷媒从第二分离器9顶部流出，从第二储液器28底部流出的液态第二冷媒经第二节流元蒸发后，与回流的混合冷媒/第三冷媒汇合，在第二蒸发冷凝器10中对气态第三冷媒降温，使气态第三冷媒冷凝为液态，进入第二回热器11中过冷。液态第三冷媒流向储液器，从储液器流出节流后在换热器20或盘管14中蒸发变为气态，依次返回第二蒸发冷凝器10和第一蒸发冷凝器8，最后经第一回热器4换热汇流后返回压缩机1。压缩机1停止运行后，第一电磁阀7打开，混合冷媒流回膨胀容器5。
37.板层16降温阶段：板层16降温阶段开始后，循环泵18启动，压缩机1启动，第三电磁阀22打开，液态第三冷媒经冷量更大的第四节流元件21节流后进入换热器20与导热油换热，油温很快降低，导热油依次流经循环泵18、电加热器19、换热器20、板层16。当板层16温度降至设定值t1时，第三电磁阀22关闭，停止降温。
38.板层16保温阶段：导热油依次流经循环泵18、电加热器19、换热器20、板层16。当板层16温度低于设定值t1时，电加热器19启动，对循环导热油进行加热，油温升高。当板层16温度高于设定值时，第四电磁阀24开启，第三冷媒经过冷量更小的第六节流元件23节流后进入换热器20与导热油换热，这样可以防止油温波动过大，油温缓慢降低。
39.冷阱15降温阶段：板层16保温阶段后期，进入冷阱15降温阶段，此时第四电磁阀24与第二电磁阀12交替开启，当板层16保温时第二电磁阀12关闭，第四电磁阀24打开，当冷阱15降温时，第二电磁阀12打开，第四电磁阀24关闭，第三冷媒节流后进入盘管14对冷阱15降温，冷阱15极限低温可达-110℃。
40.板层16升温阶段：第四电磁阀24关闭，第二电磁阀12保持开启，导热油依次流经循环泵18、电加热器19、换热器20、板层16。电加热器19启动，对循环导热油进行加热，板层16持续升温至设定温度t2。
41.化霜阶段：化霜时，压缩机1开启，第一电磁阀7打开，第五电磁阀29打开，其余电磁阀全部关闭，高温气态混合冷媒经化霜支路进入盘管14内与附着在盘管14上的冰霜换热，冰霜融化，同时加速了盘管14内残留液态冷媒得蒸发。
42.需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
43.以上对本技术所提供的冻干机系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。