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其原理是将材料冷冻，变成包含的水份变成冰块，然后在真空下使冰升华而达到干燥目的。
真空冻干机与其他干燥方法一样，要维持升华干燥的不断进行，必须满足两个基本条件，即转换的不断供给和生成蒸汽的不断排除。在开始阶段，如果物料温度相对较高，升华所需要的潜热可取自物料本身的显热。但连续升华的进行，物料温度很快就降到与干燥室蒸汽分压相平衡的温度，此时，若没有外部供热，升华干燥便停止进行。在外部供热的情况下，升华所产生的蒸汽如果不及时排除，蒸汽分压就会升高，物料温度也随之升高，当达到物料的冻结点时，物料中的冰晶就会融化，冷冻干燥也就无法进行了。
补给的过程是一个传热过程，排除蒸汽的过程是一个传质的过程，因此，升华干燥过程阻止是一个传热，传质同时进行的过程。自然界中所发生的任何过程都有驱动力，升华干燥中的传热驱动力为热源与升华界面之间的温差，而传质驱动力为升华界面与蒸汽捕集器(或冷滴)之间的蒸汽分压差。温差愈大，传热速率愈快;蒸汽分压差愈大，传质(即蒸汽排除)速率愈快。
升华所需要的潜热必须由热源通过外部传热过程传送到燥物料的表面，然后再通过内部传热过程传送到物料内部冰升华的实际发生处。所产生的水蒸气必须通过内部传质过程到达物料的表面，再通过外部传质过程转移到蒸汽捕集器(冷)中。任何一个过程或几个过程一起都可能成为干燥过程的“目标”，它必然冻干设备的设计，操作条件以及燥物料的特征。只有同时提高传热，传质效率，增加单位体积冻干物料的体积，才能发挥作用取得快速的干燥速率。
水有固态，液态，气态，气态三种态相。根据热力学中的相平衡理论，随压力的降低，水的冰点变化不大，而沸点却越来越低，向冰点靠近。当压力降到一定的真空度时，水的沸点和冰点重合，冰就可以不经液态而直接汽化为气体，此过程称为升华。食品的真空冷冻干燥，就是在水的碳酸点以下，即在低温低压条件下下，使食品中冻结的水分升华而脱去。
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