具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

以下将结合图1-5对本申请实施例所涉及的通过振动混合实现超快速无团聚真空冷冻干燥的装置进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅仅用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

在本申请的实施例中，如图1-3所示通过振动混合实现超快速无团聚真空冷冻干燥的装置可以包括：干燥釜103，用于盛装物料306；高加速度振动控制系统101，用于对所述干燥釜103施加高加速度振动，使干燥釜103内部物料处于高加速度振动状态；冷却加热循环系统102，用于对干燥釜103提供外循环冷却和加热；冷凝系统105，与所述干燥釜103连通；真空泵机组104，真空泵机组104与冷凝系统105连接，用于使干燥釜103内部处于高真空状态。

本发明提供的装置可以将固液相混合的湿物料在高加速度振动和高真空下预冷冻成“冰沙”，然后在高加速度振动和高真空下对“冰沙”升温而使冰晶超快速直接升华为蒸气，进而通过抽真空将蒸气从物料中去除，并在冷凝器402中重新凝华为固体，最终得到干燥材料的新型冷冻干燥装置。利用该装置可以避免预冷冻过程对物料形成挤压，避免使物料团聚成多孔材料，结合振动下的升华干燥能够直接得到高分散粉体材料；同时该装置可以大幅度降低冷冻干燥时间，实现过程快速高效和节能。

就能够提供适用于通过高加速度振动实现超快速无团聚真空冷冻干燥的装置而言，本发明为解决所述技术问题的设备是一套具有提供高加速度振动、物料冷却和加热、冰晶升华、高真空和蒸气凝华功能的系统，如图1所示。可以在高加速度振动和高真空下可以同时将湿物料预冷冻成“冰沙”，然后通过“冰沙”的升华除去蒸气。所述的系统是由高加速度振动及控制系统、冷却加热循环系统102、干燥釜103、真空泵机组104、冷凝系统105这5个核心组件及冷热媒软管106、真空波纹管、放气阀109和排水阀110等附属组件组成。

采用上述结构的装置，由于高加速度振动及控制系统的存在，可以使与之相连接的干燥釜103及其内部物料处于高加速度振动状态，从而可以使物料在预冻结的过程中形成为体积微小、表面积大的“冰沙”；并且在升华过程中不停地运动并与干燥釜103进行充分、快速的热量交换，从而加快热量交换使升华过程得到加速。

由于冷却加热循环系统102和相连接的冷热媒软管106的存在，可以对相连接的干燥釜103及其内部物料进行冷却和加热，从而在预冻过程中可以将湿物料预冷至冰晶点附近，并在施加高真空之前保持“冰沙”的结冰状态；并且可以在高真空升华干燥过程中通过缓慢加热来对干燥釜103及其内部“冰沙”进行加热，以便加快热量交换和升华干燥过程。

由于干燥釜103的存在，可以使湿物料得到预冷冻、加热升华并防止液体和固体物料进入真空管305路。

由于真空泵机组104的存在，可以对干燥釜103、冷凝系统105的腔体和真空管305路施加高真空状态，并抽出干燥过程中从干燥釜103升华产生的蒸气。由于冷凝系统105的存在，可以使从干燥釜103升华产生的蒸气重新凝华为固体，以免蒸气进入真空泵机组104污染泵油影响系统连续稳定工作。

由于冷热媒软管106和真空软管107的存在，两者都是软管，所以不会影响与之相连接的干燥釜103独立进行高频自由振动。由于放气阀109和排水阀110的存在，可以使干燥釜103和冷凝系统105内的真空状态根据工艺步骤需要得到控制。由于排水阀110的存在，可以使在干燥过程结束后，凝华在冷凝系统105中的冰融化为液体后，排出到冷凝系统105之外以便下一次干燥。

在一些实施例中，高加速度振动控制系统101是一种可以通过调节电流大小和频率来实现高加速度振动的系统，如图2所示。所述高加速度振动控制系统101，包括：振动台201、振动台动圈205、振动控制系统209和括传感器207，传所述振动台201内部两侧分别设有弹簧轴组件202，振动台动圈205固设在弹簧轴组件202上，振动台动圈205上设有用于固定干燥釜103的夹持装置208，在两弹簧轴组件202之间设有用于带动弹簧轴组件202做高加速度振动的磁性线圈部件，振动控制系统209和磁性线圈部件电性连接。传感器207固定在振动台动圈205上，并通过数据线206与振动控制系统209相连接。所述磁性线圈部件包括电流线圈204和设置在所述电流线圈204两侧的磁组件203。所述弹簧轴组件202包括弹簧和设置在弹簧内部起导向作用的导向柱，所述导向柱的顶部低于振动台动圈205在做高加速度振动运动时的最低位置。

在一些实施例中，传感器207固定在振动台动圈205上，并通过数据线206与振动控制系统209相连接，电流线圈204通过电线也与振动控制系统209相连接，干燥釜103通过夹持装置208与振动台动圈205相连接并保持固定。其中，磁组件203可以是永磁体，如磁铁等，也可以是有电流的电磁线圈。

采用上述结构的高加速度振动控制系统101，由于振动台201的存在，干燥釜103和与之相连接的振动台动圈205可以得到支撑；由于弹簧轴组件202的存在，使与之相连接的振动台动圈205可以上下振动；由于磁组件203和电流线圈204的存在，可以在两者之间产生一对可以调节的相互作用力并引起弹簧振动。

在本实施例中，固定在振动台动圈205上的传感器207的存在，振动控制系统209可以通过数据线206获得振动台动圈205的振动频率和振幅；由于夹持装置208的存在，可以保持振动台动圈205和干燥釜103之间形成固定连接，并以相同的振幅和频率振动。

在本实施例中，由于振动控制系统209的存在，可以分析振动台201的频率和振幅数据，并且调整流经电流线圈204中的电流大小和频率，从而实现对振动状态的控制，高加速度振动及控制系统输出的振动频率范围为1.0Hz～2000Hz，其中优化的振动频率范围为10Hz～1000Hz，能够提供的加速度范围为在10g～100g。

在本实施例中，冷却加热循环系统102是一种能提供外循环冷却和加热功能的设备，其制冷和加热控制、温度显示、降温升温程序设定，外循环启动等可以通过冷却加热循环系统102本身的控制面板或者计算机来实施控制。其中能提供的冷却温度范围要低于待干燥媒介的冰晶点温度，以干燥含水物料为例，冷却加热循环系统102应能提供冷却温度范围为-30～0℃，优化的冷却温度范围为-10℃～0℃。而能提供的加热温度要高于高真空状态下待干燥媒介的液体沸腾温度，以干燥含水物料为例，冷却加热循环系统102应能提供的加热温度范围为0℃～60℃,优化的加热温度范围为0℃～30℃。

在一些实施例中，所述干燥釜103包括釜体302和扣合在釜体302上的釜盖304，所述釜体302的侧壁上设有与冷却加热循环系统102配合、用于对釜体302内部进行温度调节的温控调节部件；所述釜体302内设有活动连接的隔离装置303。所述冷却加热循环系统102通过冷热媒软管106与温控调节部件连接。所述温控调节部件为夹套301或内置盘管。

干燥釜103是一种可盛装湿物料、对物料进行预冷冻和升华干燥、并且可避免干湿物料进入真空管305理的反应釜装置，如图3所示，主要由含有夹套301(也可以是内置盘管)的釜体302、隔离装置303、釜盖304和真空管305组成。采用上述结构的干燥釜103，由于夹套301(或内置盘管的)的存在，可以使与之相连接的冷热媒软管106中的冷媒、热媒能够对釜内的物料进行冷却和加热；

隔离装置303是一个具有大量小孔或筛网结构的、可拆卸清洗的、与容器内壁紧密接触的装置，作用是防止高加速度振动下液体或固体粉尘(气体不受影响)进入真空管305。由于釜体302、釜盖304和真空管305的存在，可以通过开关釜体302与釜盖304连接，实施盛装物料、保持高真空状态和物料取出等操作。

在一些实施例中，所述冷凝系统105包括冷凝器402、设置在冷凝器402内的冷凝盘管403以及分别与冷凝盘管403两端连接的压缩制冷机组401，所述冷凝器402的一端通过真空软管107与干燥釜103密封连接，冷凝器402的另一端与真空泵机组104密封连接。

冷凝系统105是一种能够进行多级压缩制冷，并且通过低温冷却液的流动，将抽出的低压蒸气凝华为固体的装置，如图4所示，主要由压缩制冷机组401和内部设有冷凝盘管403的冷凝器402组成。采用上述结构的冷凝系统105由于压缩制冷机组401的存在，能够对制冷剂进行压缩制冷并使循环在冷凝盘管403中的冷却液温度范围降低至-80℃～-10℃，其中优化的冷却液温度范围为-60℃～-30℃。由于冷凝器402及内部冷凝盘管403的存在，能够使从干燥釜103中抽出的蒸气，在冷凝器402腔体内，凝华为固体。此外冷凝器402通过可以包含真空阀108的真空管305路和与真空机组和相连，以保持和控制于高真空工作状态；该冷凝器402底部设排水阀110，以便于在干燥完成后使腔内的固体冰融化为液体后排出。

真空泵机组104是一种能够提供高真空状态的真空泵设备或者其串联、并联组合。该机组的作用是为干燥釜103及真空管305路提供处于1Pa～1000Pa范围的高真空状态，其中优化的高真空状态压力范围为10Pa～40Pa。

作为本发明一种通过振动混合实现超快速无团聚真空冷冻干燥的装置的改进，所述的装置还可以包含以下其他的、非必要的辅助装置，以便于操作、工艺控制和维护保养。

如在与干燥釜103或与其相连接的真空管305路上设置掺气阀，以便于在干燥完成后释放保护性气体进入釜内实现压力平衡，进而打开干燥釜103取出物料；也可以设置计算机控制系统，以便于通过设定程序启停冷却加热循环系统102、启停压缩制冷机组401、启停真空泵机组104、开关各个阀门。

也可以在干燥釜103内设置真空计和温度传感器207，并与控制计算机相连接，以便于测量干燥釜103内物料温度和真空度；也可以在与真空泵机组104相连接的真空管305路上设置触媒过滤系统，以避免残余蒸气污染真空泵油；也可以对真空泵增设泵油过滤自清洁系统；可以在压缩制冷机组401与冷凝器402之间的管路上增设阀门控制冷媒流动；还可以变换各种阀门的类型，如电磁阀、气动阀等，以便于采用不同的控制方式来实现阀门的开关控制。

下面以对含水量约为40％的纳米三氨基三硝基苯湿物料实施冷冻干燥，来详细阐述本发明的装置的工作原理：

步骤1，将含水量约为40％的纳米三氨基三硝基苯湿物料1.0kg，装填于图1所示的本发明通过高加速度振动实现超快速无团聚真空冷冻干燥的装置的干燥釜103中，然后依次装好隔离装置303，盖上釜盖304密封，然后通过夹持装置208将干燥釜103固定在振动台动圈205上。

步骤2，启动冷却加热循环系统102的冷却循环功能，使冷却液流入夹套301对干燥釜103制冷，将其中的湿物料冷却至0℃～0.3℃。

步骤3，启动振动控制系统209，首先按照频率由小到大给电流线圈204加载交流电，引起振动台动圈205振动，固定在振动台动圈205上的传感器207将振动的频率和振幅数据传输回振动控制系统209，找到对应振幅最大的频率，通过程序将该频率设置为输出共振频率。

步骤4，启动冷凝系统105的压缩制冷机组401，将冷凝器402内部的温度降低至-30℃以下，并在步骤8之前保持持续冷却运行。

步骤5，使振动控制系统209在步骤3搜索得到的输出共振频率下给电流线圈204输出交流电，以便使干燥釜103内部的物料在最佳的振动状态下运动。然后启动真空泵机组104并依次打开真空阀108和真空阀108，使干燥釜103内的真空度快速下降至200Pa以下，并使湿物料沸腾，腔内物料将迅速降温并在高加速度振动下迅速形成细小的“冰沙”。与此同时继续采用冷却加热循环系统102进一步进行冷却降温，使釜内物料温度降低至-10℃左右。

步骤6，待干燥釜103内的湿物料完全转化为“冰沙”之后(≤10min)，保持上述振动状态，进一步降低真空度至(10Pa～40Pa)并持续运行，干燥釜103内形成的“冰沙”将在高真空和高加速度振动下发生升华，所产生的水蒸气被抽走，并在冷凝器402中冷凝盘管403周围冷却凝华成为固体冰。

步骤7，将冷却加热循环系统102的冷却循环模式切换为加热循环模式，按照1.0℃/min的升温速率对处于高加速度振动下的干燥釜103进行升温，以加速“冰沙”与釜体302的热量交换，从而使“冰沙”更加快速地完成升华干燥过程。约30min～40min后，干燥釜103内的物料温度上升至30.0℃，此时所有“冰沙”已经完全升华，纳米三氨基三硝基苯湿物料已经变成了完全干燥的高分散物料。

步骤8，干燥完成后，首先关闭真空阀108，然后关闭真空泵机组104、压缩制冷机组401、冷却加热循环系统102，通过振动控制系统209停止振动，再打开放气阀109，使气体缓慢进入干燥釜103，压力平衡后，依次打开釜盖304和隔离装置303，将干燥后的物料取出，得到约600g干燥的、高分散的纳米三氨基三硝基苯粉体。

步骤9，打开排水阀110并使冷凝器402内部的固体冰升温融化后，完全排出，然后关闭排水阀110，以便下一次冷冻干燥使用。

将采用本发明提供的上述方法进行超快速冷冻干燥的纳米三氨基三硝基苯，与将含水量约为40％的湿纳米三氨基三硝基苯装于托盘并采用普通冰箱进行预冷冻，然后在传统托盘式冷冻干燥机中进行升华干燥，所得产物采用氮气吸附脱附方法测试比表面积，并用照相机拍摄产物外观照片。对比试验的结果列于表1，其产物的外观照片对比如下图5a和图5b所示。

表1本发明与普通冷冻干燥在处理纳米三氨基三硝基苯湿物料方面的对比

可以发现，按照本发明通过高加速度振动实现超快速无团聚真空冷冻干燥的装置，能够大幅度减少冷冻干燥所消耗的能源、降低工艺时间提升生产效率、提高产物的比表面积和分散性。

本申请所披露的通过振动混合实现超快速无团聚真空冷冻干燥的装置可能带来的有益效果包括但不限于：针对传统的预冷冻-真空升华冷冻干燥方法和已有的改进型冷冻干燥方法所具有的干燥时间长、能耗高、产物难以避免团聚需要二次分散等缺点，本发明提出了一种在高加速度振动和高真空下，使湿态物料以无挤压的方式进行快速预冻成“冰沙”、然后对“冰沙”升温从而实现超快速升华干燥的装置。该装置可以大幅度降低冷冻干燥过程所需的时间和能耗，并且直接得到高度分散、无需二次粉碎的粉体。该装置和使用方法可广泛用于制药工艺、超细粉体材料制备、纳米材料制备等领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。