凍干機的原理基于水的三態變化，水有固態、液態、氣態，三種狀態既可以相互轉換又可以共存。
    當水在三相點（溫度為0.01℃，水蒸氣壓為610.5Pa）時，水、冰、水蒸氣三者可以共存，且相互平衡。在高真空狀態下，利用升華原理，使預先凍結的物料中的水分，不經過冰的融化，直接以冰態升華為水蒸汽被除去，從而達到冷凍干燥的效果。
    凍干制品呈海綿狀、無干縮、復水性、含水分極少，經過包裝后，可以在常溫狀態下長時間保存和運輸。
    凍干樣品在加熱前，需要先抽真空，原因包括：①將樣品放入真空箱中抽取真空，以抽取樣品中的可抽取氣體成分。如果先加熱樣品，氣體會在加熱時膨脹，因真空箱的密封性很好，膨脹氣體產生的巨大壓力可能會讓觀察窗鋼化玻璃爆裂。這是一個潛在危險，這種危險可以通過先抽真空再加熱來避免；若按照先加熱再抽真空的程序操作，當加熱空氣被真空泵抽出時，熱量必然會帶到真空泵上，導致真空泵溫升過高，可能降低真空泵的效率；當加熱氣體導向真空壓力表時，真空壓力表會產生溫升。若溫升超過真空壓力表規定的使用溫度范圍，真空壓力表可能會產生示值誤差。
    因為真空凍干機與傳統加熱方法不同，加熱干燥只發生一個從“液體→氣體”的相變，而冷凍干燥需要經過兩次相變，先從“液體→固體”的形變，再經過升華“固體→氣體”的相變。
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