張 影 蔡訓(xùn)儒

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230001）

前言

對(duì)大多數(shù)消費(fèi)者而言，從商超購(gòu)買(mǎi)速凍食品（速凍水餃、速凍肉卷等）面臨的最大問(wèn)題是擔(dān)心食品化凍?，F(xiàn)代城市生活，許多年長(zhǎng)者喜歡乘坐免費(fèi)購(gòu)物班車(chē)去較遠(yuǎn)的超市購(gòu)物。距離遠(yuǎn)、時(shí)間長(zhǎng)，加速了冷凍食品化凍的風(fēng)險(xiǎn)。尤其在炎熱的夏天，如何將速凍食品從商超完好無(wú)損的帶回家，對(duì)眾多消費(fèi)者而言無(wú)疑是一個(gè)大難題。

對(duì)有車(chē)一族而言，短時(shí)間外出（游玩/野炊）時(shí)喜歡帶上幾瓶冰鎮(zhèn)飲料。如果沒(méi)有良好的保溫措施，冰鎮(zhèn)飲料在極短的時(shí)間內(nèi)即可以恢復(fù)常溫，如何使冰鎮(zhèn)飲料長(zhǎng)時(shí)間蓄冷是一個(gè)難題。不僅如此，在溫度較高的季節(jié)，尤其在長(zhǎng)距離行車(chē)的過(guò)程中能隨口喝到冰鎮(zhèn)飲料，是駕乘人員的迫切需求。

對(duì)于一些特殊人群（如糖尿病患者），在旅游或長(zhǎng)時(shí)間外出的過(guò)程中，需要隨身攜帶相關(guān)藥物，而藥物需要保存在低溫條件下，便攜式的低溫冷凍箱成為首選。

基于以上分析，本論通過(guò)塑料件巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及蓄冷劑與保溫材料的組合應(yīng)用制作便攜式低溫冷凍箱，并充分利用冰箱低溫制冷的優(yōu)勢(shì)，滿足商超購(gòu)物、驅(qū)車(chē)旅行、藥物儲(chǔ)存的需求。

1 便攜式低溫冷凍箱造型設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際使用情況，綜合考慮容積、重量、便利性等多種因素，便攜式低溫冷凍箱由盒蓋、箱體、把手3部分組成。其中，盒蓋由上蓋、下蓋組成，上蓋和下蓋通過(guò)卡扣固定在一起。同理，箱體由內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)筒和外筒通過(guò)卡扣固定在一起。該種設(shè)計(jì)，盒蓋和箱體呈中空結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)既可以放蓄冷劑，也可以放保溫材料，通過(guò)蓄冷劑和保溫材料的組合應(yīng)用，提高保溫箱的性價(jià)比。把手安裝在箱體上，且把手含有限位結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)把手即可以鎖住盒蓋，確保使用過(guò)程中，盒蓋不會(huì)竄動(dòng)、移位，進(jìn)而避免冷量泄露的情況發(fā)生。同時(shí)，盒蓋內(nèi)填充蓄冷劑，可以實(shí)現(xiàn)快速冷凍的功能，拓展了便攜式低溫冷凍箱的用途，增加了冰箱的功能賣(mài)點(diǎn)。便攜式低溫冷凍箱結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

2 蓄冷劑技術(shù)參數(shù)

2.1 蓄冷劑物理狀態(tài)

圖1 便攜式低溫冷凍箱結(jié)構(gòu)示意圖

便攜式低溫冷凍箱中的蓄冷劑多采用的是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，即通過(guò)無(wú)機(jī)鹽溶于水的形式制備蓄冷劑。無(wú)機(jī)鹽類(lèi)蓄冷劑相變潛熱大，通過(guò)優(yōu)選配方，蓄冷劑的潛熱值可以略小于水。同時(shí)，無(wú)機(jī)鹽能制備出相變溫度較低的蓄冷劑，有利于實(shí)現(xiàn)低溫蓄冷的目的[1]。無(wú)機(jī)鹽蓄冷劑還有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，即流動(dòng)性較好。較好的流動(dòng)性是一把雙刃劍，在需要循環(huán)換熱的技術(shù)領(lǐng)域，期望蓄冷劑具有較高的流動(dòng)性；在封閉接觸式換熱的技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)蓄冷劑的流動(dòng)性則沒(méi)有太高的要求，甚至期望蓄冷劑完全不具備流動(dòng)性。便攜式低溫冷凍箱中使用的蓄冷劑，若流動(dòng)性太好，蓄冷劑容易泄露，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。除此之外，蓄冷劑流動(dòng)性太好，會(huì)發(fā)出碰撞的響聲，既影響使用體驗(yàn)，又容易引發(fā)市場(chǎng)投訴。因此，便攜式低溫冷凍箱中的蓄冷劑添加少許凝膠劑或吸水劑，使蓄冷劑呈現(xiàn)凝膠狀，降低蓄冷劑的流動(dòng)性，提高操作的便利性和使用的可靠性。

2.2 蓄冷劑相變溫度

針對(duì)無(wú)機(jī)鹽類(lèi)蓄冷劑，無(wú)機(jī)鹽含量越高，相變溫度越低，有利于將便攜式低溫冷凍箱內(nèi)的溫度控制在較低的水平，達(dá)到更低蓄冷溫度的目的[2]。但隨著無(wú)機(jī)鹽含量的增加，蓄冷劑相變潛熱值隨之降低，使得蓄冷時(shí)間隨之降低[3]。結(jié)合實(shí)際使用情況，通過(guò)蓄冷劑將便攜式低溫冷凍箱內(nèi)的溫度維持在5 ℃以下，即可以滿足大部分消費(fèi)者的需求。綜合考慮相變潛熱和蓄冷時(shí)間，選擇相變溫度為-2 ℃的蓄冷劑。

2.3 蓄冷劑儲(chǔ)存方式

實(shí)際使用過(guò)程中，蓄冷劑多存放在塑料容器內(nèi)。最常見(jiàn)的方式是通過(guò)PE或PP吹塑成形狀規(guī)則的扁平狀的中空盒子。該方式的優(yōu)點(diǎn)是形狀可控，便于固定，不影響產(chǎn)品外觀。其缺點(diǎn)是需要制做模具，且一副模具僅對(duì)應(yīng)一種形狀，產(chǎn)品適應(yīng)范圍較窄，費(fèi)用投入較多，不利于打造高性價(jià)比的產(chǎn)品。同時(shí)，吹塑成型的PE或PP中空容器，容器壁較厚，加上塑料材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)偏低，降低了蓄冷劑的熱傳遞效率，致使冷量損失較大，縮短了蓄冷劑的有效保冷時(shí)間。另一種方式是將蓄冷劑包裹在復(fù)合薄膜內(nèi)，薄膜由PE和PA復(fù)合而成，透明性、柔韌性、耐刺破性三者合為一體，大大提高了生產(chǎn)效率和使用的便利性。實(shí)際使用過(guò)程中，復(fù)合膜先進(jìn)行對(duì)折，然后采用熱封機(jī)焊接薄膜底部和對(duì)折的部位，緊接著從上部灌入蓄冷劑，通過(guò)流量計(jì)，準(zhǔn)確控制蓄冷劑灌注量，最后將薄膜上部端口焊接完畢。全過(guò)程自動(dòng)化操作，成型速度快，效果高。結(jié)合以上分析，便攜式蓄冷盒采用復(fù)合膜存放蓄冷劑，達(dá)到節(jié)省模具開(kāi)支、提高生產(chǎn)效率的目的，且有利于打造更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。

2.4 蓄冷劑的布置

如前所述，便攜式低溫冷凍箱盒蓋、箱體均為中空結(jié)構(gòu)，里面既可以放蓄冷劑，也可以放保溫材料（試驗(yàn)中使用的保溫材料為EPS）。顯而易見(jiàn)，保溫箱6個(gè)面均放置蓄冷劑，其蓄冷時(shí)間最長(zhǎng)，但導(dǎo)致保溫箱較重，價(jià)格較高。從冷量傳遞的角度分析，保溫箱底部布置蓄冷劑其貢獻(xiàn)值相對(duì)偏低，因?yàn)槔淞渴窍鲁恋腫4]。保溫箱底部的蓄冷劑可以有效阻隔外界能量進(jìn)入保溫箱內(nèi)，但對(duì)于維持保溫箱內(nèi)的溫度平衡所起的作用不大。保溫箱6個(gè)面均有蓄冷劑、僅底部沒(méi)有蓄冷劑、僅盒蓋含有蓄冷劑（沒(méi)有蓄冷劑的面填充保溫材料），將三種狀態(tài)的保溫箱放入-18 ℃的冷柜中冰凍24 h，然后將保溫箱轉(zhuǎn)移至溫度32 ℃，濕度85 %的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行溫升測(cè)試，監(jiān)測(cè)保溫箱內(nèi)溫度從-18 ℃升至5 ℃所需要的時(shí)間，結(jié)果如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在保溫箱盒蓋內(nèi)填充蓄冷劑，其余5個(gè)面均填充保溫材料的前提下，溫升時(shí)間136 min。在三種方案中，雖然該種方案的時(shí)間最短，但4個(gè)多小時(shí)的蓄冷時(shí)間，已滿足實(shí)際使用的需求。更為重要的是，該方案制作的保溫箱，重量最輕，價(jià)格優(yōu)勢(shì)也比較明顯，便于生產(chǎn)，利于銷(xiāo)售。

圖2 便攜式低溫冷凍箱溫升時(shí)間

2.5 蓄冷劑凝露解決方案

便攜式低溫冷凍箱內(nèi)含有蓄冷劑，實(shí)際使用過(guò)程中，尤其是在溫度較高的環(huán)境下，箱體表面會(huì)出現(xiàn)凝露水，水的比熱容較大，導(dǎo)熱系數(shù)較高，加劇了冷量的損失。而且，凝露水的出現(xiàn)，大大降低消費(fèi)者的使用體驗(yàn)，增加市場(chǎng)投訴率。為了解決這一問(wèn)題，本文將便攜式低溫冷凍箱放入保溫袋，保溫袋從外到內(nèi)由無(wú)紡布、珍珠棉、鋁箔三層材質(zhì)組成，無(wú)紡布提高了保溫袋的承重能力，珍珠棉提高了保溫袋的保溫性能，鋁箔提高了保溫袋的熱反射能力，三種材質(zhì)相互作用，既有效延長(zhǎng)了便攜式低溫冷凍箱的蓄冷時(shí)間，又有效解決了表面凝露水的問(wèn)題。

3 便攜式低溫冷凍箱溫度顯示方案

為了提高保溫箱與用戶的交互體驗(yàn)，保溫箱需要具備溫度提醒功能。最直接的做法是在保溫箱上增加數(shù)顯式溫度傳感器，如此一來(lái)，消費(fèi)者可以非常直接的看到保溫箱內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度。該方法雖然直接，但會(huì)帶來(lái)成本的大幅增加，而且需要在注塑件上預(yù)留安裝溫度傳感器的位置。為了克服數(shù)顯式溫度傳感器的缺陷，本文采用簡(jiǎn)單易行的做法：在保溫箱盒蓋上粘貼溫度標(biāo)貼，溫度標(biāo)貼由感溫變色材料制作而成[5]。當(dāng)溫度小于5 ℃時(shí)，感溫標(biāo)貼顯示正常的顏色和圖案。當(dāng)溫度大于5 ℃時(shí)，感溫標(biāo)貼會(huì)變成紅色。且溫度越高，色相越深，紅色區(qū)域越大。此種方式可以有效提醒消費(fèi)者保溫箱內(nèi)的溫度變化情況，且操作簡(jiǎn)單，成本增加較少。同時(shí)，可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)膱D案設(shè)計(jì)，使感溫標(biāo)貼在低溫和高溫時(shí)呈現(xiàn)不同的紋理、色彩，亦或者文字提醒，既裝飾了產(chǎn)品外觀，又提升了消費(fèi)者使用體驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文輸出一種便攜式低溫冷凍箱，由盒蓋、箱體、把手三大部分組成。盒蓋內(nèi)填充相變溫度-2 ℃的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)蓄冷劑，其余5個(gè)面均填充保溫材料。通過(guò)盒蓋表面的感溫標(biāo)貼，用戶可以直觀的感受便攜式低溫冷凍箱內(nèi)溫度的高低，進(jìn)而判斷箱內(nèi)食物的冰鎮(zhèn)程度。使用時(shí)，用戶需提前將便攜式低溫冷凍箱放入冰箱冷凍室冰凍4 h，然后將其放入保溫袋內(nèi)。保溫袋提高了使用的便利性，顯著提升了便攜式低溫冷凍箱的蓄冷時(shí)間。不僅如此，本文制作的便攜式低溫冷凍箱，重量輕、容積適中、蓄冷時(shí)間長(zhǎng)，且屬于無(wú)源設(shè)備，制冷過(guò)程不消耗電能。便攜式低溫冷凍箱的問(wèn)世，解決了消費(fèi)者商超購(gòu)買(mǎi)速凍水餃、冰棒、冷鮮肉等速凍食品擔(dān)心化凍的問(wèn)題，滿足了有車(chē)一族驅(qū)車(chē)外出時(shí)能及時(shí)喝到冰鎮(zhèn)飲料的要求，實(shí)現(xiàn)了特殊群體短時(shí)間低溫儲(chǔ)存藥物的夢(mèng)想。同時(shí)，便攜式低溫冷凍箱與家用冰箱緊密相連，配合使用，拓展了冰箱的用途，增加了冰箱的功能賣(mài)點(diǎn)。