壓縮空氣中水蒸氣的量是由壓縮空氣的溫度決定的：在保持壓縮空氣壓力基本不變的情況下，降低壓縮空氣的溫度可減少壓縮空氣中的水蒸氣含量，而多餘的水蒸氣會凝結成液體。冷凍幹燥機就是利用這一原理采用制冷技術幹燥壓縮空氣的。因此冷幹機具有制冷系統。
冷凍幹燥機的制冷系統屬於壓縮式制冷，由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥等四個基本部件組成。它們之間用管道次連接，形成一個密閉的系統，制冷劑在系統中不斷地循環流動，發生狀態變化並與壓縮空氣和冷卻介冷凍乾燥機質進行熱量交換。
制冷壓縮機將蒸發器內的低壓(低溫)制冷劑吸入壓縮機汽缸內，制冷劑蒸汽經過壓縮，壓力、溫度同時升高;高壓高溫的制冷劑蒸汽被壓至冷凝器，在冷凝器內，溫度較高的制冷劑蒸汽與溫度比較低的冷卻水或空氣進行熱交換，制冷劑的熱量被水或空氣帶走而冷凝下來，制冷劑蒸汽變成了液體。這部分液體再被輸送至膨脹閥，經過膨脹閥節流成了低溫低壓的液體並進入蒸發器;在蒸發器內低溫、低壓的制冷劑液體吸收壓縮空氣的熱量而汽化(俗稱“蒸發”)，而壓縮空氣得到冷卻後凝結出大量的液體水;蒸發器中的制冷劑蒸汽又被壓縮機吸走，這樣制冷劑便在系統中經過壓縮、冷凝、節流、蒸發這樣四個過程，從而完成了一個循環。
在冷凍幹燥機的制冷系統中，蒸發器是輸送冷量的設備,制冷劑在其中吸收壓縮空氣的熱量，實現脫水幹燥的目的。壓縮機是心髒，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設備，將蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機輸入功率轉化的熱量一起傳遞給冷卻介質(如水或空氣)帶走。膨脹閥/節流閥對制冷劑起節流降壓作用、同時控制和調節流入蒸發器中制冷劑液體的數量，並將系統分為高壓側和低壓側兩大部分。
制品的凍結
溶液速凍時(每分鍾降溫10~50℃)，晶粒保持在顯微鏡下可見的大小;相反慢凍時(1℃/分)，形成的結晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍幹的效率，細晶在升華後留下的間隙較小，使下層升華受阻，速冷凍乾燥機成凍的成品粒子細膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結構好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些。
藥品在凍幹機中預凍在兩種方式：一種是制品與幹燥箱同時降溫，另一種是待幹燥箱擱板降溫至-40℃左右，再將制品放入，前者相當於慢凍，後者則介於速凍與慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍幹效率與產品質量。此法的缺點是制品入箱時，空氣中的水蒸氣將迅速地凝結在擱板上，而在升華初期，若板升溫較快，由於大面積的升華將有可能超越凝結器的正常負荷。此現象在夏季尤為顯著。
制品的凍結處於靜止狀態。經驗證明，過冷現象容易發生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質仍不結晶，為了克服過冷現象，制品凍結的溫度應低於共晶點以下一個范圍，並需保持一段時間，以待制品完全凍結。
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