李嘉辰 宣萍

摘要：本文通過盒蓋、箱體、密封件優(yōu)化設(shè)計(jì)，并恰當(dāng)選擇蓄冷材料和保溫材料，制作組合式便攜保溫箱。與常規(guī)便攜式保溫箱相比，該保溫箱具有質(zhì)量輕、容積大、造型美觀和保溫性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該保溫箱可以將溫度維持在2℃及以下，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)261min。

關(guān)鍵詞：便攜保溫箱;蓄冷;優(yōu)化設(shè)計(jì);試驗(yàn)

Optimization Design And Experimental Study Of Combined Portable Incubator

Li JiaChen1 Xuan Ping2（1. School of Mechanical and Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology Jilin Jilin 132022 2.Anhui Province Product Quality Supervision And Inspection Institute Hefei Anhui 230051）

Abstract：In this paper，the combined portable incubator is made by optimizing the design of box cover，box and seal，and properly selecting cold storage materials and thermal insulation materials.Compared with the conventional portable incubator，the incubator has the advantages of light weight，large volume，beautiful appearance，Good insulation performance and so on.The test results show that the incubator can maintain the temperature below 2℃ for 261min.

Keywords：portable incubator;cold storage;Optimization design;experiment

1、引言

常規(guī)的便攜式保溫箱多是由塑料件和保溫材料組成的容器，其作用是延緩熱量流失。該類保溫箱的突出優(yōu)點(diǎn)是成本低、質(zhì)量輕，缺點(diǎn)是不具有主動(dòng)或被動(dòng)制冷的功能。在保溫箱內(nèi)預(yù)置冰排（冰袋）一定程度上滿足了消費(fèi)者使用需求，克服了便攜式保溫箱先天存在的技術(shù)缺陷[1]。但是，冰排（冰袋）的引入，降低了保溫箱有效容積。同時(shí)，冰排（冰袋）無固定放置位置，既不利于冷量傳輸，又嚴(yán)重影響保溫箱美觀性。為了解決上述問題，將蓄冷劑有效組合到保溫箱中，來實(shí)現(xiàn)保溫箱的蓄冷功能，因此組合式便攜保溫箱應(yīng)運(yùn)而生。本文通過對(duì)組合式便攜保溫箱優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其質(zhì)量輕、容積大、蓄冷保溫等特點(diǎn)，有效滿足了商超購物、外出野炊、驅(qū)車旅行等人群的需求。

2、組合式便攜保溫箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

組合式便攜保溫箱應(yīng)綜合考慮容積、重量、冷量傳輸、溫度維持及美觀性等因素。基于容積考慮，冷源不能放在箱體內(nèi)，這樣才能保證容積最大化。基于重量考慮，在和性能參數(shù)取得平衡的前提下，盡量壓縮冷源材料使用量?；诶淞總鬏斂紤]，冷源應(yīng)放置在保溫箱上部，充分利用冷氣下沉原理，提高冷量利用效率。基于溫度維持考慮，應(yīng)采用致密的保溫材料，以防冷量流失。綜合上述分析，組合式便攜保溫箱由盒蓋、箱體、把手三部分組成。盒蓋為中空整體結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)填充蓄冷劑。箱體也為中空結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)填充保溫材料。

2.1盒蓋

常規(guī)便攜式保溫箱盒蓋由上蓋、下蓋兩部分組成，上、下蓋通過卡扣固定在一起。該種設(shè)計(jì)方式，生產(chǎn)時(shí)需要兩幅模具，時(shí)間長(zhǎng)，組裝效率低，產(chǎn)品存在拼接縫等現(xiàn)象。優(yōu)化后，盒蓋采用整體吹塑成型，吹塑口在盒蓋背面幾何中心，吹塑口既是吹塑時(shí)的工藝口，又是灌注蓄冷劑的注入口。

盒蓋整體成型完畢，沿著注入口將蓄冷劑注入盒蓋內(nèi)，最后通過超聲波焊接的方式將注入口密封[2]。蓄冷劑注入在盒蓋內(nèi)，沒有隔離、氣泡等不良因素影響，冷量通過盒蓋可以直達(dá)箱體內(nèi)部，傳遞路徑較短。同時(shí)，蓄冷劑與盒蓋真正做到了面接觸，可以不間斷、全方位、均勻地向保溫箱內(nèi)釋放冷量。

采用整體吹塑成型制作的盒蓋，生產(chǎn)效率高、模具投入少，蓄冷劑不存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，且蓄冷劑充斥盒蓋每一個(gè)角落，換熱面積最大。

2.2箱體

常規(guī)便攜式保溫箱箱體通過注塑成型制作，完成后經(jīng)人工組裝在一起，該組裝過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且容易導(dǎo)致裝配誤差。為了克服這一成型缺陷，本文通過滾塑成型制作箱體，并在箱體底部預(yù)留發(fā)泡料注入口。箱體成型后，發(fā)泡槍頭經(jīng)注入口將配置好的異氰酸酯和組合聚醚等料注入箱體內(nèi)，固化后形成聚氨酯泡沫。滾塑成型大大節(jié)省了模具成本，提高了生產(chǎn)效率，降低了質(zhì)量損失。同時(shí)，以聚氨酯泡沫作為箱體填充材料，具有效率高、成本低、保溫性能好的特點(diǎn)，也便于標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)。

2.3密封件

常規(guī)便攜式保溫箱，盒蓋和箱體之間直接接觸，無任何緩沖過渡，因存在縫隙，易引發(fā)漏冷等現(xiàn)象發(fā)生。組合式便攜保溫箱在盒蓋上增加硅膠密封條，實(shí)現(xiàn)盒蓋和箱體之間的密封。硅膠導(dǎo)熱系數(shù)較小，收縮變形能力較好，采用硅膠制作密封條，可以最大限度減少保溫箱冷量流失。

2.4蓄冷劑選擇

常規(guī)便攜式保溫箱內(nèi)放置的冰排（冰袋），內(nèi)部的相變材料是液態(tài)的，具有較好的流動(dòng)性。但在使用過程中，相變材料在冰排（冰袋）內(nèi)晃動(dòng)，產(chǎn)生撞擊聲，體驗(yàn)感不佳，容易導(dǎo)致客戶投訴。優(yōu)化后，在蓄冷劑內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的吸水劑，使蓄冷劑從液態(tài)變?yōu)槟z態(tài)，大大降低了蓄冷劑的流動(dòng)性，徹底消除了使用過程中因蓄冷劑晃動(dòng)產(chǎn)生的撞擊聲[3]。

2.5箱體填充保溫材料的選擇

為了阻止冷量流失，需要在箱體內(nèi)填充保溫材料，常用的保溫材料有發(fā)泡聚乙烯（EPE）、聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯泡沫三大類。

發(fā)泡聚乙烯（EPE）無法成型出復(fù)雜的形狀，只能以片材的形式進(jìn)行填充。通過模切的方式將不同的片材粘貼在一起，可以使之成為一個(gè)整體包裹在箱體周圍，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。而且粘貼位置無法很好地與箱體貼敷在一起，冷量容易通過粘結(jié)縫泄露，致保溫性能不佳[4]。

聚苯乙烯（EPS）容易成型，可以根據(jù)箱體的形狀注塑出完全相吻合的結(jié)構(gòu)，既可以全面包裹在箱體外部，又不會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)縫，進(jìn)而可以大幅減低冷量泄露的風(fēng)險(xiǎn)。但聚苯乙烯（EPS）成型需要新開模具，存在設(shè)備投入，且一副模具只能適用一種容積的保溫箱，通用性較差。

聚氨酯泡沫是將異氰酸酯和組合聚醚等按適當(dāng)比例混合后注入箱體內(nèi)，兩種物料瞬間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成聚氨酯泡沫。該過程簡(jiǎn)單、便捷、高效、無需模具投入。聚氨酯泡沫固化后，對(duì)保溫箱起到良好的支撐作用，大幅提升了保溫箱的承重能力。同時(shí)，聚氨酯泡孔細(xì)密、均勻，具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠有效阻止冷量外流，延長(zhǎng)保溫時(shí)間。

綜合以上分析，組合式便攜保溫箱箱體填充材料選擇聚氨酯泡沫。

按上述進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作組合式便攜保溫箱，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3、試驗(yàn)研究

3.1試驗(yàn)樣品與條件

3.1.1組合式便攜保溫箱：1臺(tái)，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)由盒蓋、把手、箱體三部分組成，其中盒蓋、箱體均為整體中空結(jié)構(gòu)，盒蓋的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)填充蓄冷劑。箱體的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)填充保溫材料。

3.1.2蓄冷劑：若干，試驗(yàn)過程中還需要低溫冷凍柜、測(cè)溫儀或溫度傳感器、溫濕度計(jì)、計(jì)時(shí)器等。

3.1.3試驗(yàn)環(huán)境：封閉房間，環(huán)境溫度35℃±2℃、濕度50%±2%，且溫度和濕度可調(diào)。

3.2試驗(yàn)方法與步驟

3.2.1將組合式便攜保溫箱盒蓋放在溫度為-18℃低溫冷凍柜內(nèi)，靜止4小時(shí)，使內(nèi)部蓄冷劑徹底相變，由凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。

3.2.2將組合式便攜保溫箱箱體置于環(huán)境溫度35℃±2℃、濕度50%±2%的封閉房間內(nèi)，靜止1小時(shí)。

3.2.3按正常使用方式將按3.2.1方式冷凍的盒蓋放置在箱體上，箱體幾何中心布置溫度傳感器，檢測(cè)箱體內(nèi)溫度變化情況。

3.2.4盒蓋內(nèi)蓄冷劑存儲(chǔ)的冷量緩緩向箱體內(nèi)釋放，箱體內(nèi)溫度迅速降低，而后慢慢上升，其中溫度不小于2℃的時(shí)間，為組合式便攜保溫箱蓄冷時(shí)間。該時(shí)間越長(zhǎng)，說明組合式便攜保溫箱保溫（蓄冷）性能越好。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

將相變溫度分別為-2℃、-5℃、-8℃、-10℃的蓄冷劑滿灌在盒蓋內(nèi)，依據(jù)3.2試驗(yàn)方法和步驟進(jìn)行蓄冷時(shí)間測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

針對(duì)相變溫度，毋庸置疑，蓄冷劑相變溫度越低，越容易將保溫箱內(nèi)溫度控制在更低的水平。但是，從能量守恒的角度分析，蓄冷劑相變溫度越低，潛熱值越小，能夠儲(chǔ)存的冷量越少，蓄冷時(shí)間隨之降低。因此，低相變、高潛熱是一對(duì)矛盾[5]。在組合式便攜保溫箱設(shè)計(jì)中，最常見的使用情況是把保溫箱內(nèi)的溫度控制在2℃及以下，基本能夠滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枨螅覝囟染S持時(shí)間越長(zhǎng)越好?；谏鲜龇治?，選擇蓄冷劑以水、吸水劑、四硼酸鈉為主要物質(zhì)，通過控制水和四硼酸銨的百分比，將蓄冷劑相變溫度控制在-5℃。該蓄冷劑相變潛熱值與水相當(dāng)，較高的儲(chǔ)能密度，加上-5℃相變溫度，可以把保溫箱內(nèi)的溫度控制在2℃及以下，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)261min。

4、結(jié)論

本文以吹塑成型制作整體盒蓋，并在盒蓋內(nèi)灌注相變溫度為-5℃的凝膠蓄冷劑;以滾塑成型制作整體箱體，并在箱體內(nèi)填充聚氨酯保溫材料;以硅膠制作盒蓋和箱體之間的密封件，并最終制作完成組合式便攜保溫箱。與常規(guī)便攜式保溫箱相比，該保溫箱具有質(zhì)量輕、容積大、造型美觀和保溫性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該保溫箱可以將溫度維持在2℃及以下，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)261min，有效滿足了人們商超購物、外出野炊、驅(qū)車旅行等日常生活的需求。面向未來，隨著材料的革新、技術(shù)的進(jìn)步、工藝的優(yōu)化，組合式便攜保溫箱一定會(huì)向著低能耗、高容積、輕量化、智能化的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王雪松，謝晶.蓄冷保溫箱的研究進(jìn)展[J].食品與機(jī)械.2019，35（8）： 232-236.

[2]萬旭.塑料超聲波焊接工藝研究[J].科技風(fēng).2020，（24）： 132-133.

[3]趙祎，章學(xué)來等.應(yīng)用于冷鏈運(yùn)輸相變蓄冷技術(shù)研究進(jìn)展[J].包裝工程.2020，41（21）：117-124.

[4]羅大偉，宋海燕等.EPP保溫箱溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].包裝與食品機(jī)械.2020，38（3）：45-50.

[5]賈蒲悅，武衛(wèi)東等.新型復(fù)合低溫相變蓄冷材料的研制及熱物性優(yōu)化[J].化工學(xué)報(bào).2019，70（07）： 2758-2765.