什麼是真空烘箱?
真空烘箱(vacuum oven, vacuum drying oven)可以藉由真空環境降低液體的沸點，同時輔以加熱技術，使得液體可在較大氣沸點低的溫度下加速蒸發。
其原理可參考溶劑沸點與壓力關係圖，溶劑沸點會隨著壓力下降而變低。例如 1 大氣壓力下，水的沸點為 100 °C；而當壓力降為 13 mbar左右時，水的沸點便降低為 10 °C。
因此真空烘箱可以較低的溫度、溫和地移除物料中的水分、氣體、溶劑及其他揮發性物質，達到乾燥的結果。此外，真空烘箱中因移除空氣，可使熱傳遞不受阻礙，也同時降低氧氣(O2) 及濕氣的含量，而提昇乾燥速率、減少氧化反應以及預防燃燒或爆炸等情況發生。部份真空烘箱亦可注入惰性氣體(inert gas)，如氮氣(N2) 、氦氣(He) 等，避免氧化、腐蝕或垢化反應。
總結以上，真空烘箱的優勢如下：
- 降低溶劑蒸發沸點，加熱溫度低，適合處理熱敏性及易分解的物質
- 可移除氧氣 (空氣) 或可充填惰性氣體，減少氧化反應、提昇乾燥速率
- 減少氧氣及空氣含量，適合處理易燃、易爆物
真空烘箱的主要應用
真空烘箱的主要目的可分為下列幾項：
- 除濕
從設備或精密醫藥產品去除水分，是真空烘箱的主要功能之一。當產品或設備是比較脆弱或對溫度較為敏感時，就適合以真空烘箱除濕。通常，像是微晶片、醫藥產品等，在生產的最終階段時，會以真空烘箱去除多餘的水氣。而部份具多孔性的樣品，水氣容易殘留於孔洞中，導致產品損壞、故障，因此使用真空烘箱便能溫和且有效地去除孔洞中的水氣。 - 除氣
外部金屬元件中某些密封劑或潤滑劑殘留下來的水氣、化學物質可能會干擾零組件的功能性，因此，可以利用真空烘箱去除水氣及化學物質，此過程又稱為除氣，相關應用方法可參考 ASTM E595-真空除氣測試。 - 防止氧化反應
真空烘箱中可以控制如溫度及真空度等重要變數，因此可以預防如金屬物質表面及部份醫藥品產生氧化反應 、腐蝕或垢化反應。真空烘箱亦可加裝真空控制器可更溫和進行真空乾燥，並且可加以優化其乾燥的效果。 - 加熱除氣
加熱除氣則是透過增加真空烘箱的溫度，迫使某些揮發性化學物質從樣品中排出。加上前述可以防止氧化反應、減少氧化物 (固化物、垢化物) 形成的能力，使得化學物質能有效率且安全地被移除。加熱除氣也可應用於脫泡的相關應用，液體內氣體的溶解度會因溫度上升而下降，產生氣泡；再輔以真空使氣體因壓力差而逸散，達到除泡的效果。
上述目的使得真空烘箱的應用更加廣泛，如電子業、半導體產業 、航太業及醫療產業等。此外，因可以低溫乾燥樣品，所以也會應用於食品產業中，以避免食品因高溫而流失其營養成份或產生變質，其乾燥方法可參考 CNS 5033-食品中水分之檢驗方法。
可使用真空烘箱處理的樣品
真空烘箱因具低溫乾燥的特性，特別適合用以處理下面幾類樣品：
- 熱敏性物質，如蔬果、酵素、微生物、抗生素 (antibiotic) 等。
- 不易乾燥的樣品，如粉末狀、顆粒狀樣品等。
- 易燃或易爆物質，但因其有燃燒或爆炸之虞，建議選擇具有防爆認證，如 ATEX、IECEx、Hazloc，或具其它安全性設計之真空烘箱進行實驗。
真空烘箱、高溫烘箱、微波真空乾燥機的差異
高溫烘箱是在常壓狀態下加熱，利用風扇讓熱空氣在整個箱體中循環，使物體達到乾燥狀態。
微波真空乾燥與真空烘箱的主要差異為加熱原理的不同，其利用微波輻射在真空下產生熱能，適用樣品範圍與真空乾燥相似，惟需依樣品特性選用合適之乾燥方法。
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乾燥方法 |
真空烘箱 |
高溫烘箱 |
微波真空乾燥 |
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加熱方法 |
熱對流/熱輻射 |
熱空氣對流 |
微波輻射 |
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乾燥原理 |
真空度降低液體沸點，增加蒸發速率 |
熱空氣搭配風扇循環 |
真空度降低液體沸點，增加蒸發速率 |
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乾燥溫度(沸點) |
較低 |
較高 |
較低 |
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乾燥速度 |
次快 |
較慢 |
最快 |
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適用樣品 |
熱敏性物質 易氧化樣品 不易乾燥樣品 易燃/易爆樣品 輕質量樣品 |
一般樣品 |
熱敏性物質 易氧化樣品 易分解樣品 輕質量樣品 |
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應用領域 |
化學、生物、醫藥、精密材料、食品、航太 |
食品、農業、環境 |
食品 (主要)、化學、生物、醫藥 |
真空烘箱配置
真空烘箱一般會配置真空幫浦，使腔體達到真空 (低壓) 狀態。但依使用情況而定，常見搭配以下產品使用：
- 真空控制器
可精確且穩定地控制壓力 (真空度)，以避免樣品產生氧化、變質的情況發生；部份真空控制器更具有線性控制功能，可緩慢降低壓力，避免腔體內瞬間、大量的氣流變化，更適合粉末或輕質量樣品 (如羽毛) 的乾燥處理。 - 冷凝裝置
一般裝置於烘箱後、幫浦(或控制器)前。因烘箱常用於乾燥，氣體含大量水氣及有機蒸氣，冷凝裝置可有效回收蒸氣、避免有害氣體逸散至環境，也可避免大量水氣、熱氣進入幫浦，延長機械壽命。 - 真空幫浦
幫浦流量與真空烘箱的容積及蒸氣量呈正比，一般建議幫浦流量 ≧ 烘箱體積的2倍以上。若是較為沸點較高之液體或熱敏性樣品的乾燥，則應選擇真空度較高之幫浦。此外，幫浦類型的選擇也應該考慮樣品特性，若為含有強酸強鹼溶劑的樣品 (如鋰電池) 乾燥，建議選用耐腐蝕真空幫浦。幫浦的選用建議如下表所示。
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真空烘箱 |
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樣品 |
容量 |
推薦幫浦 |
氣體流量 (L/min) |
真空度 (mbar) |
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一般樣品 |
< 15 L |
DC Chem 610 Pro |
37 |
7 |
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Rocker 410 |
23 |
25 |
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< 30 L |
Rocker 911 |
65 |
25 |
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< 60 L |
Rocker 901 |
120 |
85 |
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Tanker 150 |
142 |
1.3 x 10-1 |
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Tanker 230 |
85 |
6.6 x 10-2 |
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化學樣品 (含溶劑、酸鹼樣品) |
< 15 L |
DC Chem 610 Pro |
37 |
7 |
|
|
Chemker 410 / 411 |
20 |
10 |
|
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|
Chemker 610 / 611 |
34 |
7 |
|
||
|
Rocker 910C |
37 |
15 |
|
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|
< 30 L |
Chemker 600 |
65 |
65 |
|
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Rocker 900C |
60 |
99 |
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參考資料:
- A Comparison of the Volatile-Solvent Method with the Vacuum-Oven Method for Determining Moisture Content of Cheese, Journal of Dairy Science, 1928
- Chapter 23 – Combined Microwave Vacuum Drying, Emerging Technologies for Food Processing, 2015
- Ultimate Guide to a Laboratory Vacuum Ovens, Lab Pro
- Vacuum Drying Ovens, DigiVac
- What is the difference between vacuum oven and drying oven?, NetDry
