凍干箱內的真空度與升華效率的關系

凍干機內制品凍干的升華階段，我們主要能控制的參數有冷阱溫度、板層溫度和真空度，因此真空度影響制品的升華效率。而真空度與制品的升華效率到底是正相關還是負相關，還是沒有規律呢。

   首先我們來分析一下凍干箱內升華能夠順利進行的原因。我們都知道升華是一個吸熱的反應，升華過程中需要吸熱，如果沒有板層加熱升溫，而靠自身供給熱量，那么隨著一開始升華的不斷進行，制品的溫度就會逐步降低，降低到與冷阱溫度相同，那么升華就停止，也就是達到了凍干箱和冷阱內熱量平衡，因此升華過程中必須提供外界熱。其次如果冷阱內的溫度很高，與制品的溫度相差很少，隨著升華的不斷進行，那么凍干箱內和冷阱內的溫度也會達到一個平衡，因此冷阱內的溫度必須始終低于凍干箱內的溫度，這就是為什么不知道樣品的共晶點溫度時，盡量選擇低溫型凍干機，盡量選擇-80℃或者更低的冷阱溫度。這樣能保證我們的產品順利的升華。而凍干箱內的真空度也就是低壓力，是升華能夠發生的一個*條件。也就是之所以能夠升華，是因為壓力低于制品的三相點壓力，溫度必須低于制品的三相點溫度，物質才能從固體直接變成氣體，發生升華。而升華能夠持續的進行時因為飽和水蒸氣壓力差，也就是凍干箱內的真空度與冷阱內的真空度不同。箱內的真空度要高于冷阱內的真空度，形成梯度差也就是傳質動力，升華出來的水蒸氣才能從凍干箱內到冷阱內從而被低的冷阱補集。

   已經明確凍干箱內的壓力必須是真空狀態，也就是小于水的三相點壓力，611pa，那么是越低越好么。下面一個圖是升華速率與真空度的關系，從這個研究發現是，當板層溫度恒定時，在一定范圍內，隨著壓力的增高，升華速率逐漸增大。但是我們都知道壓力的增高導致干燥層兩邊的壓差也增高，而制品表面的水汽壓力也就增高了，因而制品的溫度隨著升高，而隨著制品的溫度的升高時有限度的必須低于制品的共熔點溫度，因此這個壓力增加不能無限制的增加。

   圖1  升華速率與真空壓力關系

    通過恒定制品的升華溫度，研究者又發現升華速率在一定的真空度范圍基本是不變的，隨著真空壓力的升高，反而升華速率下降。（圖2）而國外的研究者通過大量的實驗得到，板層溫度和壓力有一個*效率點（圖3），也就是為了保證制品的溫度低于共熔點溫度，當適當的提高板層溫度，降低真空度能夠提高升華效率，但是這個真空度是有一定范圍的，通過大量的實驗，研究者發現真空度控制在制品升華溫度對應飽和蒸汽壓力的50%以下為宜，在10%~30%效率較高，但是要結合制品的升華溫度和板層溫度進行正交和分析實驗，從而找到一個較為高效的真空壓力范圍。

圖2：升華溫度恒定時，?升華速率與真空壓力關系

圖3： 升華效率與板層溫度， 升華溫度，真空壓力的關系