劉 軍

（沈陽大學(xué) 師范學(xué)院，遼寧 沈陽 110044）

隨著冷凍干燥（簡稱“凍干”）行業(yè)的發(fā)展，被凍干的物料品種也日益增多.由于物料性質(zhì)不同，有時(shí)甚至差異較大，所以不適合用固定結(jié)構(gòu)的凍干機(jī)進(jìn)行加工.為此，針對特定物料的凍干機(jī)的研制正在興起［1－5］.在實(shí)際生產(chǎn)中，人們更希望用一臺(tái)凍干機(jī)先后加工多種不同規(guī)格的物料，以提高設(shè)備的利用率，降低設(shè)備投入成本，尤其是在小型加工企業(yè).為解決使用同一凍干機(jī)凍干不同尺度物料的問題，改造凍干室內(nèi)工件架結(jié)構(gòu)是必要的方法.

目前，常規(guī)的凍干箱內(nèi)的工件架擱物板是水平等間距平行擺放的，受擱物板間距限制，無法擺放體型較大的物料.為加工不同尺度規(guī)格的物料，往往被迫更換或調(diào)整工件架［6－7］.例如凍干鹿茸的加工.如果是凍干體型較小的梅花鹿鹿茸或者是鹿茸切片，一般在多層擱板上放置物料即可；而加工枝型龐大的馬鹿茸時(shí)，由于擱板層間空間狹小，不得不將多層擱板滑落至凍干箱底部重疊，騰出上部空間放置大尺度物料.而重疊起來的擱板既占據(jù)箱內(nèi)空間，又不能充分地起到制冷或加熱的作用，所以出現(xiàn)了馬鹿茸單頭年產(chǎn)量很高，在鹿茸產(chǎn)品中占有很大比例，但目前尚無馬鹿茸的整枝凍干設(shè)備和凍干工藝研究的問題.另外，在實(shí)驗(yàn)研究或生產(chǎn)中，有時(shí)需要在凍干箱內(nèi)增加輔助儀器，也會(huì)出現(xiàn)上述類似問題.為解決上述實(shí)際問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種擱板可以翻轉(zhuǎn)的可變工件架.該工件架擱物板可以針對所凍干物料的形狀、大小來調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)布局，可以構(gòu)成五層平行等間距水平擺放、三層平行等間距水平擺放和五面包圍正立方體形展開空間三種結(jié)構(gòu)形式.當(dāng)以五面包圍正立方體形展開空間結(jié)構(gòu)形式工作時(shí)，該擱物架可以組成上下左右和后面都帶有輻射制冷／加熱板的整體展開空間，從而將整枝馬鹿茸等大型物料懸掛于其中，順利完成凍干工作，為實(shí)現(xiàn)在同一凍干機(jī)內(nèi)完成不同尺度物料的凍干提供了一種快捷方便的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu).

1 可變工件架的結(jié)構(gòu)、用法與特點(diǎn)

1.1 可變工件架的結(jié)構(gòu)

本文所給出的可變凍干機(jī)工件架，如圖1所示，主要包括架體1、兩種結(jié)構(gòu)形狀的7片擱物板和一些連接部件.架體1是由12條型鋼連接而成的立方體框架.擱物板共7片，包括3片正方形大擱物板2、10、11，4片長方形小擱物板4.當(dāng)它們以多層平行板形狀水平擺放時(shí)，如圖1所示，分五層安置.其中第一、三、五層每層各安置一片正方形的大擱物板2、10、11，而第二、四層每層安放2片長方形的小擱物板4，每片小擱物板的板面寬度為大擱物板寬度的一半，長度與大擱物板相同，2片小擱物板共同構(gòu)成一片完整的、與大擱物板相等的正方形板面.每一片大、小擱物板的內(nèi)部與常規(guī)凍干機(jī)擱物板的結(jié)構(gòu)相同，設(shè)有導(dǎo)熱介質(zhì)循環(huán)通道，通道進(jìn)出口分別通過軟管道4與凍干箱的總導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)出管相連.頂層（第一層）擱物板2作為輻射板之用，固定在架體1的上部；底層（第五層）擱物板10則固定在架體1的下部.

如圖1所示，第二、四層的每一片小擱物板4的前后兩側(cè)分別安裝有前擺臂5和后擺臂6，通過回轉(zhuǎn)軸7和回轉(zhuǎn)軸承8與固定于架體前后立柱上的支撐臂9相連，每一片小擱物板4都可以繞各自的回轉(zhuǎn)軸7相對于支撐臂9轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使板面分別定位于水平位置，如圖1所示，或兩側(cè)立面垂直位置，如圖2所示，并用定位銷16固定，分別作為凍干箱的第二、四層擱物板或左右兩側(cè)立面輻射板.

圖1 5層平行擺放的工件架Fig.1 Shelves in form of 5layers

圖2 3層平行擺放的工件架Fig.2 Shelves in form of 3layers

中層（第三層）擱物板11中部兩側(cè)帶有支撐軸，其上固定有支撐用滾動(dòng)軸承12，中層擱物板11通過滾動(dòng)軸承12擺放在架體兩側(cè)中部高度的中擱物板滑道13內(nèi)，整個(gè)中擱物板11可以翻轉(zhuǎn)并借助滾動(dòng)軸承12沿滑道13前后滑動(dòng)，利用中擱物板定位銷15和架體上的定位孔16可以將其分別固定于架體中央水平位置，如圖1、圖2所示，或架體后部垂直位置，如圖3所示，分別作為凍干箱的中層擱物板或后立面輻射板.

圖3 立方體展開擺放的工件架Fig.3 Shelves in form of a cube box

圖1～圖3中：1—工件架架體；2—頂層（第一層）擱物板；3—小型被凍干物料（梅花鹿茸、鹿茸切片等）；4—小擱物板（第二、四層）；5—小擱物板前擺臂；6—小擱物板后擺臂；7—小擱物板回轉(zhuǎn)軸；8—小擱物板回轉(zhuǎn)軸承；9—小擱物板支撐臂；10—底層（第五層）擱物板；11—中層擱物板（第三層）擱物板；12—中擱物板支撐軸承；13—中擱物板滑道；14—導(dǎo)熱介質(zhì)連接軟管；15—中擱物板定位銷；16—小擱物板定位銷；17—吊鉤；18—掛物架桿；19—大型被凍干物料（馬鹿茸等）.

1.2 可變工件架的用法

本文給出的凍干機(jī)可變工件架在凍干箱內(nèi)有三種擺放形式和使用方法.

第一種是可變工件架的五層平行擺放結(jié)構(gòu)形式：7片擱物板平行等間距水平分五層擺放，從上面數(shù)的第一層和第五層擱物板分別固定于架體的上層和底層，中層擱物板和4片小擱物板均處于水平位置擺放，如圖1所示.可用于凍干體積較小、形狀扁平的物料.在進(jìn)行凍干生產(chǎn)時(shí)，可在第二、三、四、五層擱物板的上面直接擺放小體積、小形狀的物料，進(jìn)行冷凍干燥工作.

第二種是可變工件架的三層平行擺放結(jié)構(gòu)形式：在第一種擺放形式的基礎(chǔ)上，將7片擱物板中第二、四層的4片小擱物板4分別翻轉(zhuǎn)至工件架體的左右兩個(gè)側(cè)面，固定于垂直位置，中層擱物板11仍然保持在工件架體的中間水平位置上固定，與頂層、底層擱物板構(gòu)成平行等間距三層水平板，在凍干箱內(nèi)構(gòu)成兩個(gè)四面（上、下、左、右面）制冷／加熱的中等空間，如圖2所示.用于凍干體積較小或中等體積的物料.在進(jìn)行凍干生產(chǎn)時(shí)，可在第三、五層擱物板的上面擺放物料，進(jìn)行冷凍干燥；或者分別在頂層擱物板2和中層擱物板11下面的掛物桿18上吊掛物料，進(jìn)行冷凍干燥.

第三種是可變工件架的展開空間擺放形式：在第二種擺放形式的基礎(chǔ)上，將中層擱物板11翻轉(zhuǎn)成垂直位置并滑動(dòng)至工件架架體1的后部固定，在凍干箱內(nèi)形成一個(gè)五面（上、下、左、右、后面）制冷／加熱的正立方體形展開空間，如圖3所示.用于體積較大物料的凍干.冷凍干燥箱前側(cè)是可開關(guān)的箱門，可以用于被干燥物料的送入和取出.在展開空間的頂部，利用架體上橫梁的吊鉤17，將掛物架桿18懸置于展開空間的上方，利用鉤狀工具或柔性繩體，將被干燥大型物料19懸吊于大空間內(nèi)，進(jìn)行冷凍干燥，避免大型物料19在凍干過程中與冷凍干燥箱各個(gè)壁面接觸，保證被干燥物料不因燙傷、凍傷而導(dǎo)致表面變形、破損和成分變性；或者在第五層擱物板上面直接擺放物料，進(jìn)行冷凍干燥.

1.3 可變工件架的特點(diǎn)

在較小地、一次性提高成本的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)一套不很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了冷凍干燥機(jī)的使用范圍.本文給出的可變工件架，改變了凍干箱內(nèi)只有平行分層或只有展開空間的結(jié)構(gòu)形式以及展開空間溫度場分布不均勻的現(xiàn)象，可以真正實(shí)現(xiàn)在同一凍干機(jī)內(nèi)完成不同尺度、不同體型物料的冷凍干燥過程.而且當(dāng)采用展開空間時(shí)，由于四面或五面加熱、制冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，凍干箱內(nèi)的溫度場分布均勻，能夠提高能量和空間的使用效率.

一些常規(guī)的凍干機(jī)擱物架具有板層間距可調(diào)節(jié)的功能，應(yīng)用時(shí)除了最頂層擱物板保留在上面作為輻射板用之外，可以將其余各層擱物板全部滑落至下部緊密疊放，從而形成一個(gè)高度等于原各層板間距之和的擺放空間，能夠用于放置較大形狀體積的物料.但這種擱物架結(jié)構(gòu)形式缺點(diǎn)是物料只能受到上下兩板的輻射傳熱，其余四面沒有溫度控制，從而導(dǎo)致溫度分布的不均勻和導(dǎo)熱量不夠，制約凍干速率.同時(shí)，只有兩塊擱物板在工作，其余擱物板均白白浪費(fèi)了能量和作用.與這種擱物架應(yīng)用方式相比，本文給出的可變工件架，在形成較大擺放空間時(shí)，可形成四面或五面具有輻射板的結(jié)構(gòu)形式，所有擱物板均得到了合理利用而避免浪費(fèi)，從而使干燥空間內(nèi)的溫度場分布更均勻，輻射傳熱能力更強(qiáng)，可明顯提高凍干速率，保證物料的凍干質(zhì)量.本研究為實(shí)現(xiàn)在同一凍干機(jī)內(nèi)完成尺寸規(guī)格相差較大的被凍干物料的凍干提供了一種快捷方便的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu).

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

為了保證工件架變換結(jié)構(gòu)過程中不發(fā)生干涉，本研究推導(dǎo)出了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)（回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)）的計(jì)算公式.

小擱物板4回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要保證小擱物板4處于正確的水平和垂直位置，同時(shí)防止與擱物板2、擱物板10、擱物板11發(fā)生干涉.設(shè)正方形大擱物板（2、10、11）的邊長均為L，則每片小擱物板4的寬度為L／2，長度為L；各種擱物板的厚度均為δ.要求展開空間擺放時(shí)，每邊留有氣流通道的間隙寬度為a，則頂層擱物板2下表面與底層擱物板10上表面之間的高度為L＋2a，而五層平行均勻分布擺放時(shí)，相鄰二層擱物板的間距：

每個(gè)小擱物板4回轉(zhuǎn)中心的正確坐標(biāo)位置（如圖3中所示），可按如下公式計(jì)算：

設(shè)計(jì)中應(yīng)調(diào)節(jié)a的取值在合適的范圍，防止小擱物板4與其他擱物板發(fā)生干涉碰撞.防止發(fā)生干涉的條件為：

小擱物板后擺臂6要留有足夠的長度，保證中層擱物板11定位于工件架1后部位置時(shí)不與之干涉碰撞.

3 實(shí) 例

設(shè)計(jì)取L＝1 000mm，δ＝20mm，取a＝40mm，則回轉(zhuǎn)中心的位置X＝387.5mm，Y1＝112.5mm，Y2＝437.7mm.五層平行均勻分布擺放時(shí)，擱物板之間間距B＝255mm；展開空間擺放時(shí)，左右兩側(cè)板間距等于頂層擱物板2和底層擱物板10之間高度，均為L＋2a＝1 080mm.

4 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)在同一凍干機(jī)內(nèi)完成不同尺度物料的快捷方便的凍干工作，本文提供了一種可變工件架結(jié)構(gòu).該可變工件架主要由12條型鋼連接而成的立方體框架和7片擱物板構(gòu)成，通過擱板翻轉(zhuǎn)，工件架可有三種工作形式，可分別用于加工小型、中型和大型物料.為防止工件架變換結(jié)構(gòu)過程中發(fā)生干涉，相鄰二層擱物板的間距：

為防止小擱物板在翻轉(zhuǎn)過程中與其他擱物板發(fā)生干涉碰撞，應(yīng)滿足：

其中，L＝1 000mm，δ＝20mm 時(shí)，若取a＝40mm，相鄰二層擱物板的間距B＝255mm，則全部展開后最大空間為1080mm.

本文給出的凍干機(jī)可變工件架的新設(shè)計(jì)已獲得國家發(fā)明專利［8］.

［1］ Fraser D S.Freeze Dryer Particularly Adapted for Freeze Drying Materials having Highly Corrosive Vapors：United States，05／729，593［P］.1976－10－4.

［2］ Fay J M.Method and Means for Assuring Freeze Dryer Chamber Sterility：United States，07／190，711［P］.1988－05－06.

［3］ Van Veen J，Damen F A，Schaepman A C H J，et al.Method and assembly for Handling containers in a freeze dryer：United States，13／389，072［P］.2010－06－21.

［4］ 張紹志，盧衡，虞效益.實(shí)驗(yàn)型飽水木質(zhì)文物冷凍干燥機(jī)：中國，200920200711.8［P］.實(shí)用.2009－11－26.

（Zhang Shao zhi，Lu Heng，Yu Xiaoyi.Experimental Freeze－dryer for Wet Wooden Cultural Relic：China，200920200711.8［P］.2009－11－26.）

［5］ 權(quán)啟愛.茶葉真空冷凍干燥機(jī)及其應(yīng)用效果［J］.中國茶葉，2010（11）：13－15

（Quan qi’ai，A Vacuum Freeze－dryer for Tea and its Effects［J］.China Tea，2010（11）：13－15.）

［6］ Stewart P.Freeze Dryer：United States，11／080，596［P］.2005－03－15.

［7］ 張為民，康平，盧允莊.食品真空冷凍干燥設(shè)備中網(wǎng)狀托盤設(shè)計(jì)與研究［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2012（6）：453－456.

（Zhang Weimin，Kang Ping，Lu Yunzhuang.Design of Meshed Trays Used in Vacuum Freeze－drying［J］.Chinese Journal of Vacuum Science and Technology，2012（6）：45－456.）

［8］ 劉軍，張世偉.一種用于凍干鹿茸的冷凍干燥機(jī)可變工件架：中國，201010578638.5［P］.2012－02－10.

（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.）