冷冻干燥机可调节多功能工件架的新设计

刘 军

（沈阳大学 师范学院，辽宁 沈阳 110044）

随着冷冻干燥（简称“冻干”）行业的发展，被冻干的物料品种也日益增多.由于物料性质不同，有时甚至差异较大，所以不适合用固定结构的冻干机进行加工.为此，针对特定物料的冻干机的研制正在兴起［1－5］.在实际生产中，人们更希望用一台冻干机先后加工多种不同规格的物料，以提高设备的利用率，降低设备投入成本，尤其是在小型加工企业.为解决使用同一冻干机冻干不同尺度物料的问题，改造冻干室内工件架结构是必要的方法.

目前，常规的冻干箱内的工件架搁物板是水平等间距平行摆放的，受搁物板间距限制，无法摆放体型较大的物料.为加工不同尺度规格的物料，往往被迫更换或调整工件架［6－7］.例如冻干鹿茸的加工.如果是冻干体型较小的梅花鹿鹿茸或者是鹿茸切片，一般在多层搁板上放置物料即可；而加工枝型庞大的马鹿茸时，由于搁板层间空间狭小，不得不将多层搁板滑落至冻干箱底部重叠，腾出上部空间放置大尺度物料.而重叠起来的搁板既占据箱内空间，又不能充分地起到制冷或加热的作用，所以出现了马鹿茸单头年产量很高，在鹿茸产品中占有很大比例，但目前尚无马鹿茸的整枝冻干设备和冻干工艺研究的问题.另外，在实验研究或生产中，有时需要在冻干箱内增加辅助仪器，也会出现上述类似问题.为解决上述实际问题，本文研究设计了一种搁板可以翻转的可变工件架.该工件架搁物板可以针对所冻干物料的形状、大小来调节其结构布局，可以构成五层平行等间距水平摆放、三层平行等间距水平摆放和五面包围正立方体形展开空间三种结构形式.当以五面包围正立方体形展开空间结构形式工作时，该搁物架可以组成上下左右和后面都带有辐射制冷／加热板的整体展开空间，从而将整枝马鹿茸等大型物料悬挂于其中，顺利完成冻干工作，为实现在同一冻干机内完成不同尺度物料的冻干提供了一种快捷方便的关键部件结构.

1 可变工件架的结构、用法与特点

1.1 可变工件架的结构

本文所给出的可变冻干机工件架，如图1所示，主要包括架体1、两种结构形状的7片搁物板和一些连接部件.架体1是由12条型钢连接而成的立方体框架.搁物板共7片，包括3片正方形大搁物板2、10、11，4片长方形小搁物板4.当它们以多层平行板形状水平摆放时，如图1所示，分五层安置.其中第一、三、五层每层各安置一片正方形的大搁物板2、10、11，而第二、四层每层安放2片长方形的小搁物板4，每片小搁物板的板面宽度为大搁物板宽度的一半，长度与大搁物板相同，2片小搁物板共同构成一片完整的、与大搁物板相等的正方形板面.每一片大、小搁物板的内部与常规冻干机搁物板的结构相同，设有导热介质循环通道，通道进出口分别通过软管道4与冻干箱的总导热介质进出管相连.顶层（第一层）搁物板2作为辐射板之用，固定在架体1的上部；底层（第五层）搁物板10则固定在架体1的下部.

如图1所示，第二、四层的每一片小搁物板4的前后两侧分别安装有前摆臂5和后摆臂6，通过回转轴7和回转轴承8与固定于架体前后立柱上的支撑臂9相连，每一片小搁物板4都可以绕各自的回转轴7相对于支撑臂9转动，从而使板面分别定位于水平位置，如图1所示，或两侧立面垂直位置，如图2所示，并用定位销16固定，分别作为冻干箱的第二、四层搁物板或左右两侧立面辐射板.

图1 5层平行摆放的工件架Fig.1 Shelves in form of 5layers

图2 3层平行摆放的工件架Fig.2 Shelves in form of 3layers

中层（第三层）搁物板11中部两侧带有支撑轴，其上固定有支撑用滚动轴承12，中层搁物板11通过滚动轴承12摆放在架体两侧中部高度的中搁物板滑道13内，整个中搁物板11可以翻转并借助滚动轴承12沿滑道13前后滑动，利用中搁物板定位销15和架体上的定位孔16可以将其分别固定于架体中央水平位置，如图1、图2所示，或架体后部垂直位置，如图3所示，分别作为冻干箱的中层搁物板或后立面辐射板.

图3 立方体展开摆放的工件架Fig.3 Shelves in form of a cube box

图1～图3中：1—工件架架体；2—顶层（第一层）搁物板；3—小型被冻干物料（梅花鹿茸、鹿茸切片等）；4—小搁物板（第二、四层）；5—小搁物板前摆臂；6—小搁物板后摆臂；7—小搁物板回转轴；8—小搁物板回转轴承；9—小搁物板支撑臂；10—底层（第五层）搁物板；11—中层搁物板（第三层）搁物板；12—中搁物板支撑轴承；13—中搁物板滑道；14—导热介质连接软管；15—中搁物板定位销；16—小搁物板定位销；17—吊钩；18—挂物架杆；19—大型被冻干物料（马鹿茸等）.

1.2 可变工件架的用法

本文给出的冻干机可变工件架在冻干箱内有三种摆放形式和使用方法.

第一种是可变工件架的五层平行摆放结构形式：7片搁物板平行等间距水平分五层摆放，从上面数的第一层和第五层搁物板分别固定于架体的上层和底层，中层搁物板和4片小搁物板均处于水平位置摆放，如图1所示.可用于冻干体积较小、形状扁平的物料.在进行冻干生产时，可在第二、三、四、五层搁物板的上面直接摆放小体积、小形状的物料，进行冷冻干燥工作.

第二种是可变工件架的三层平行摆放结构形式：在第一种摆放形式的基础上，将7片搁物板中第二、四层的4片小搁物板4分别翻转至工件架体的左右两个侧面，固定于垂直位置，中层搁物板11仍然保持在工件架体的中间水平位置上固定，与顶层、底层搁物板构成平行等间距三层水平板，在冻干箱内构成两个四面（上、下、左、右面）制冷／加热的中等空间，如图2所示.用于冻干体积较小或中等体积的物料.在进行冻干生产时，可在第三、五层搁物板的上面摆放物料，进行冷冻干燥；或者分别在顶层搁物板2和中层搁物板11下面的挂物杆18上吊挂物料，进行冷冻干燥.

第三种是可变工件架的展开空间摆放形式：在第二种摆放形式的基础上，将中层搁物板11翻转成垂直位置并滑动至工件架架体1的后部固定，在冻干箱内形成一个五面（上、下、左、右、后面）制冷／加热的正立方体形展开空间，如图3所示.用于体积较大物料的冻干.冷冻干燥箱前侧是可开关的箱门，可以用于被干燥物料的送入和取出.在展开空间的顶部，利用架体上横梁的吊钩17，将挂物架杆18悬置于展开空间的上方，利用钩状工具或柔性绳体，将被干燥大型物料19悬吊于大空间内，进行冷冻干燥，避免大型物料19在冻干过程中与冷冻干燥箱各个壁面接触，保证被干燥物料不因烫伤、冻伤而导致表面变形、破损和成分变性；或者在第五层搁物板上面直接摆放物料，进行冷冻干燥.

1.3 可变工件架的特点

在较小地、一次性提高成本的基础上，通过设计一套不很复杂的结构，扩大了冷冻干燥机的使用范围.本文给出的可变工件架，改变了冻干箱内只有平行分层或只有展开空间的结构形式以及展开空间温度场分布不均匀的现象，可以真正实现在同一冻干机内完成不同尺度、不同体型物料的冷冻干燥过程.而且当采用展开空间时，由于四面或五面加热、制冷的结构设计，冻干箱内的温度场分布均匀，能够提高能量和空间的使用效率.

一些常规的冻干机搁物架具有板层间距可调节的功能，应用时除了最顶层搁物板保留在上面作为辐射板用之外，可以将其余各层搁物板全部滑落至下部紧密叠放，从而形成一个高度等于原各层板间距之和的摆放空间，能够用于放置较大形状体积的物料.但这种搁物架结构形式缺点是物料只能受到上下两板的辐射传热，其余四面没有温度控制，从而导致温度分布的不均匀和导热量不够，制约冻干速率.同时，只有两块搁物板在工作，其余搁物板均白白浪费了能量和作用.与这种搁物架应用方式相比，本文给出的可变工件架，在形成较大摆放空间时，可形成四面或五面具有辐射板的结构形式，所有搁物板均得到了合理利用而避免浪费，从而使干燥空间内的温度场分布更均匀，辐射传热能力更强，可明显提高冻干速率，保证物料的冻干质量.本研究为实现在同一冻干机内完成尺寸规格相差较大的被冻干物料的冻干提供了一种快捷方便的关键部件结构.

2 设计计算

为了保证工件架变换结构过程中不发生干涉，本研究推导出了关键结构参数（回转中心坐标）的计算公式.

小搁物板4回转机构的结构设计需要保证小搁物板4处于正确的水平和垂直位置，同时防止与搁物板2、搁物板10、搁物板11发生干涉.设正方形大搁物板（2、10、11）的边长均为L，则每片小搁物板4的宽度为L／2，长度为L；各种搁物板的厚度均为δ.要求展开空间摆放时，每边留有气流通道的间隙宽度为a，则顶层搁物板2下表面与底层搁物板10上表面之间的高度为L＋2a，而五层平行均匀分布摆放时，相邻二层搁物板的间距：

每个小搁物板4回转中心的正确坐标位置（如图3中所示），可按如下公式计算：

设计中应调节a的取值在合适的范围，防止小搁物板4与其他搁物板发生干涉碰撞.防止发生干涉的条件为：

小搁物板后摆臂6要留有足够的长度，保证中层搁物板11定位于工件架1后部位置时不与之干涉碰撞.

3 实 例

设计取L＝1 000mm，δ＝20mm，取a＝40mm，则回转中心的位置X＝387.5mm，Y1＝112.5mm，Y2＝437.7mm.五层平行均匀分布摆放时，搁物板之间间距B＝255mm；展开空间摆放时，左右两侧板间距等于顶层搁物板2和底层搁物板10之间高度，均为L＋2a＝1 080mm.

4 结 论

为实现在同一冻干机内完成不同尺度物料的快捷方便的冻干工作，本文提供了一种可变工件架结构.该可变工件架主要由12条型钢连接而成的立方体框架和7片搁物板构成，通过搁板翻转，工件架可有三种工作形式，可分别用于加工小型、中型和大型物料.为防止工件架变换结构过程中发生干涉，相邻二层搁物板的间距：

为防止小搁物板在翻转过程中与其他搁物板发生干涉碰撞，应满足：

其中，L＝1 000mm，δ＝20mm 时，若取a＝40mm，相邻二层搁物板的间距B＝255mm，则全部展开后最大空间为1080mm.

本文给出的冻干机可变工件架的新设计已获得国家发明专利［8］.

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（Liu Jun，Zhang Shiwei.An Adjustable Multi－Functional Shelf for Freeze－Dryer used for Freeze－Drying of Antlers：China，201010578638.5［P］.2012－02－10.）