凍干機(jī)板層結(jié)構(gòu)及焊接工藝對(duì)板層溫度均勻性的影響分析

姚建林

（上海東富龍科技股份有限公司，上海 201109）

0 引言

在藥品的冷凍干燥過(guò)程中，最大的風(fēng)險(xiǎn)是如何保證藥品的均一性，許多敏感藥品會(huì)在同一批生產(chǎn)中出現(xiàn)質(zhì)量差異，給藥品的療效帶來(lái)影響。造成質(zhì)量差異的主要原因是大小不同的凍干機(jī)、不同的環(huán)境、同一臺(tái)凍干機(jī)不同的板層、同一個(gè)板層的不同位置、包材接觸的面積大小導(dǎo)致傳熱不同，以及冷凝器溫度傳質(zhì)效果不同。因此，板層溫度均勻性對(duì)凍干藥品的均一性有重要的影響，而板層本身的結(jié)構(gòu)及焊接工藝，均會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱油在熱傳遞過(guò)程中的影響不一致，在考慮藥品凍干工藝時(shí)，一定要考慮板層溫度的均勻性。因此，企業(yè)每年都要對(duì)板層溫度均勻性進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)。

1 板層的結(jié)構(gòu)及焊接工藝

板層上面用來(lái)存放托盤(pán)或西林瓶，用于傳遞熱量，確保凍干產(chǎn)品順利完成凍干的過(guò)程。由于板層在壓塞時(shí)要承受一定的壓力，故要有足夠的強(qiáng)度防止塑性變形的發(fā)生，要考慮其強(qiáng)度。同時(shí)，板層又要滿(mǎn)足一定的平整度要求，一般情況下平整度要達(dá)到＜0.5mm/m的要求。此外，板層表面的粗糙度也要達(dá)到一定的要求，一般均要達(dá)到Ra≤0.4μm。在板層制作過(guò)程中，由于焊接變形，焊接后的熱應(yīng)力去除情況顯得非常重要。目前，凍干機(jī)的板層結(jié)構(gòu)主要分為塞焊板層、釬焊板層以及鉤子內(nèi)焊板層。

圖1 塞焊式板層結(jié)構(gòu)

1.1 塞焊板層

塞焊板層主要采取上、下2個(gè)面板，中間采用加強(qiáng)筋條用于加強(qiáng)和導(dǎo)流，筋條先焊接在下底面板上，筋條的選擇非常重要，筋條不能選用太寬，焊接時(shí)下面板先與筋條定位焊接好，采用間斷焊接的形式，同時(shí)上面板采用打孔塞焊的形式蓋在筋條上，板層四周邊焊也采用筋條，與板層焊接好，形成一張整齊的板層。塞焊式板層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

塞焊板焊接時(shí)，由于焊接工作量非常大，焊接前和焊接時(shí)均要做好防止焊接變形的工作，其有很多的焊接塞焊點(diǎn)和邊焊的大量焊接工作。因此，塞焊板的板層變形量大，后期必須經(jīng)過(guò)整形，通過(guò)去除熱應(yīng)力以及采取龍刨加工的形式，確保板層的平整度。

1.2 釬焊板層

采用空心方管的形式，將釬焊料（BNi82CrSiB）用雙頭端面電焊機(jī)點(diǎn)焊在空心方管上，保證焊料兩邊均比方管多2 mm。再將焊好焊料的方管兩頭焊在面板上，并使擱條與面板緊密接觸，放在真空釬焊爐里，按照真空釬焊的加工工藝，通過(guò)真空和高溫，使上、下面板和方管連接在一起，焊好以后，再進(jìn)行板層四周焊接。真空釬焊式板層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

真空釬焊板層由于受熱變形比較好、熱應(yīng)力小、均勻，對(duì)板層的變形影響較小，一般情況下也不需要進(jìn)行后續(xù)的刨加工處理，采用表面拋光處理即可。由于方管布置合理，采用空心管后，受力也比較均勻，強(qiáng)度也足夠，特別是對(duì)于導(dǎo)熱油可以起到很好的導(dǎo)向作用。

1.3 鉤子內(nèi)焊式板層

鉤子內(nèi)焊式板層采用筋條內(nèi)焊的形式，先將加強(qiáng)和導(dǎo)流用的筋條分別焊在板層的上、下2個(gè)面上，采用間斷焊接的形式，焊接完畢后，先進(jìn)行整形處理，再通過(guò)上、下板塊插入式嵌套在起，板層四角邊焊也是采用筋條的形式，與塞焊焊接式板層一樣進(jìn)行焊接。鉤子內(nèi)焊式板層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

鉤子內(nèi)焊式板層由于采用嵌套式連接，強(qiáng)度上不太好，一般尺寸超過(guò)1 200 mm以上的層不能采用。同時(shí)，由于加強(qiáng)筋采用L形的方式，對(duì)導(dǎo)熱油的導(dǎo)流以及熱傳遞帶來(lái)的影響較大，導(dǎo)流、筋條與板層的接觸面積比較寬，導(dǎo)致溫度的傳遞不太好[1]。

2 板層的結(jié)構(gòu)和焊接工藝對(duì)溫度均勻性的影響

3種結(jié)構(gòu)的板層，在其他條件同等的情況下，影響板層溫度均勻性的主要有加強(qiáng)筋條的寬度、上下面板的厚度、加強(qiáng)筋條與上下面板的貼合性等幾個(gè)方面。

2.1 加強(qiáng)筋條的寬度影響

加強(qiáng)筋條越寬，對(duì)均勻性的影響越大。筋條表面的板層與導(dǎo)熱油通道的板層，由于熱傳遞的介質(zhì)不一樣，導(dǎo)致溫度的差異比較大。從這個(gè)方面考慮，真空釬焊式的板層效果最好，采用寬度比較小的空心方管，熱傳遞效果也比較好；而鉤子內(nèi)焊式板層效果比較差，加強(qiáng)筋條比較寬，采用嵌套式，熱傳遞比較慢，特別是筋條表面的板層與導(dǎo)熱油通道的板層表面相差比較大。

2.2 上下面板的厚度影響

由于板層表面的溫度基本是通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞到板層表面的，因此，上下表面面板的厚度對(duì)傳導(dǎo)的速度影響比較大。板層越厚，傳導(dǎo)越慢；板層厚度越均勻，板層表面的溫度也越均勻。塞焊板由于變形量大，通過(guò)刨加工處理，導(dǎo)致板層厚度不均勻，給板層的表面溫度均勻性帶來(lái)比較大的影響；而真空釬焊式板層和鉤子內(nèi)焊式板層，由于變形量小，板層厚度相對(duì)比較均勻，板層均勻性效果較好。

2.3 加強(qiáng)筋與上下面板的貼合性影響

加強(qiáng)筋與上下面板越是緊密貼合，板層溫度均勻性就越好。真空釬焊式板層可以做到最好，可以全部緊密貼合并密封，而塞焊式板層和鉤子內(nèi)焊式板層均采用間斷焊接，有縫隙，鉤子板采用嵌入式拼接，也存在縫隙，對(duì)板層表面的溫度有一定的影響。

根據(jù)以上分析，真空釬焊式板層在同等條件下，相比塞焊式板層和鉤子內(nèi)焊式板層有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

3 板層溫度均勻性數(shù)據(jù)分析

板層溫度均勻性驗(yàn)證，一般是采取-40℃、0℃、40℃這3個(gè)溫度點(diǎn)的形式，在每塊板層上至少放置5個(gè)探頭，在板層上選取有代表性的位置，在板層進(jìn)口、出口、板層中間位置以及側(cè)邊位置等布置探頭，從常溫開(kāi)始，進(jìn)行一個(gè)循環(huán)流程：對(duì)板層進(jìn)行-40℃降溫，保溫；升溫到0℃，保溫；再升溫到40℃，保溫。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)溫度點(diǎn)保持恒定時(shí)間15m in之后，所有探頭的溫度最大值和最小值在2℃以?xún)?nèi)為合格。一般來(lái)說(shuō)，低溫下相對(duì)比較難，時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所以只要-40℃均勻性沒(méi)有問(wèn)題，0℃以及40℃肯定沒(méi)有問(wèn)題。根據(jù)對(duì)板層溫度均勻性的統(tǒng)計(jì)分析，不管是什么結(jié)構(gòu)和焊接工藝的板層，基本上都能滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]。

針對(duì)塞焊式板層溫度均勻性進(jìn)行驗(yàn)證，圖4是塞焊式板層溫度均勻性驗(yàn)證曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)以及相應(yīng)報(bào)表來(lái)看：在板層進(jìn)行-40℃的降溫過(guò)程中，板層上36個(gè)測(cè)試點(diǎn)最高溫度和最低溫度均能控制在10℃以?xún)?nèi)。在設(shè)定溫度-40℃保溫時(shí)，要平衡15 m in后可達(dá)到（-40±1）℃以?xún)?nèi)。在-40℃到0℃的升溫過(guò)程中，板層上36個(gè)測(cè)試點(diǎn)最高溫度和最低溫度均能控制在10℃以?xún)?nèi)，要平衡10m in后可達(dá)到（-0±1）℃以?xún)?nèi)。在0℃到40℃的升溫過(guò)程中，板層上36個(gè)測(cè)試點(diǎn)最高溫度和最低溫度均能控制在10℃以?xún)?nèi)，要平衡10m in后可達(dá)到（40±1）℃以?xún)?nèi)。

針對(duì)真空釬焊式板層溫度均勻性進(jìn)行驗(yàn)證，圖5是真空釬焊式板層溫度均勻性驗(yàn)證曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)以及相應(yīng)報(bào)表來(lái)看：在板層進(jìn)行-40℃的降溫過(guò)程中，板層上36個(gè)測(cè)試點(diǎn)最高溫度和最低溫度均能控制在3℃以?xún)?nèi)。在設(shè)定溫度-40℃保溫時(shí)，要平衡10 min后可達(dá)到（-40±1）℃以?xún)?nèi)。在-40℃到0℃升溫過(guò)程中，板層上36個(gè)測(cè)試點(diǎn)最高溫度和最低溫度均能控制在3℃以?xún)?nèi)，平衡10m in后可達(dá)到（-0±1）℃以?xún)?nèi)。在0℃到40℃升溫過(guò)程中，板層上36個(gè)測(cè)試點(diǎn)最高溫度和最低溫度均能控制在3℃以?xún)?nèi)，要平衡10m in后可達(dá)到（40±1）℃以?xún)?nèi)。

鉤子內(nèi)焊式板層基本與塞焊式板層一樣，只是鉤子內(nèi)焊式板層筋條表面上板層的溫度平衡時(shí)間要比塞焊式板層延長(zhǎng)5～10min。

4 結(jié)語(yǔ)

凍干機(jī)板層焊接工藝對(duì)板層溫度均勻性有一定的影響，作為板層固有的特性，在同等條件下，采用真空釬焊式板層是最佳選擇，但是考慮到制作成本，以及對(duì)于凍干產(chǎn)品本身的熱敏感性，板層溫度均勻性還與導(dǎo)熱油的黏度、循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及循環(huán)系統(tǒng)的管道和凍干機(jī)的控制系統(tǒng)、精度有關(guān)，在選擇板層結(jié)構(gòu)時(shí)，要綜合考慮多種因素的影響，關(guān)鍵是經(jīng)過(guò)產(chǎn)品驗(yàn)證，確保凍干產(chǎn)品的穩(wěn)定性和均一性。

［1］趙鶴皋，鄭效東，黃良瑾，等.冷凍干燥技術(shù)與設(shè)備［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005

［2］錢(qián)應(yīng)璞.冷凍干燥制藥工程與技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007