野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱設(shè)計(jì)

吳太虎 魏建倉(cāng)* 孫建軍 劉統(tǒng)新

1 引言

在自然災(zāi)害、意外醫(yī)療事故等突發(fā)事件醫(yī)療救援或野戰(zhàn)條件下的現(xiàn)場(chǎng)救治中，通常采用建立現(xiàn)場(chǎng)或野外臨時(shí)醫(yī)療救治中心。藥材、血液、血制品和醫(yī)療器械等醫(yī)療救治物資以致食品、飲用水等生活物資都先向救治中心集中輸送，這就必須考慮對(duì)需使用的藥物制劑、血液制品、疫苗、生物制品等溫度敏感物品運(yùn)輸過(guò)程的冷凍和冷藏。因此，迫切需要一種適于野外條件下使用的、易于攜行運(yùn)輸可車載的冷凍、冷藏設(shè)備。目前，在軍事和醫(yī)療救治方面，雖然裝備了具有部分帶有制冷功能的保溫箱，但其用途單一、容量小、制冷速度慢，功耗大，不能滿足在自然災(zāi)害及戰(zhàn)爭(zhēng)條件下開展救治時(shí)對(duì)需冷凍或冷藏的藥品、血液等物資運(yùn)輸儲(chǔ)存的需求。

野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱采用的是壓縮機(jī)制冷方式，其制冷效率高，制冷速度快，箱體內(nèi)部冷風(fēng)循環(huán)，箱體保溫效果好，冷量失散少，達(dá)到與環(huán)境溫度相差40 ℃的溫差控制，冰箱內(nèi)部安裝數(shù)字化溫度采集控制系統(tǒng)，通過(guò)電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)，制冷迅速，恒溫效果好；具有冷藏和冷凍功能，冷藏功能下可使箱體溫度恒定在2～6℃，冷凍功能能使箱內(nèi)溫度與箱外溫度溫差達(dá)到40 ℃以上，溫度控制效果良好，可外接220 V交流電源和12 V直流電源，能有效解決野外急救時(shí)藥品、血液、血制品、生物制品、疫苗等物資的冷凍和冷藏的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱箱體結(jié)構(gòu)，主要由四個(gè)部分組成：箱蓋、主箱體、蒸發(fā)室密封側(cè)蓋、側(cè)蓋面板。由于箱體設(shè)計(jì)注重一體化整體成型，因此結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，箱體堅(jiān)固，強(qiáng)度高，裝配、保溫性能好。箱體、箱蓋、蒸發(fā)室密封側(cè)蓋，均采用了滾塑成型工藝，在中空的箱壁內(nèi)聚氨酯均勻發(fā)泡，具備優(yōu)異的保溫性能。箱體設(shè)計(jì)采用數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過(guò)模擬仿真，充分驗(yàn)證箱體的裝配結(jié)構(gòu)、安裝性能、風(fēng)道設(shè)計(jì)和密封保溫等工藝效果，從而指導(dǎo)箱體的實(shí)際研制設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)成功率，縮短開發(fā)周期，減少不必要的經(jīng)費(fèi)消耗（見圖1）整個(gè)箱體（見圖2）。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)圖

圖2 野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱照片

2.2 箱內(nèi)橫流冷風(fēng)循環(huán)風(fēng)道

箱內(nèi)橫流冷風(fēng)循環(huán)風(fēng)道的工作原理為：由于壓縮機(jī)制冷在蒸發(fā)室形成低溫環(huán)境，從而導(dǎo)致流經(jīng)蒸發(fā)室的氣流溫度降低，帶走冷量，由橫流風(fēng)扇將冷風(fēng)橫流均勻吹出蒸發(fā)室；在進(jìn)入箱內(nèi)時(shí)出風(fēng)口風(fēng)道引導(dǎo)冷風(fēng)從箱體頂部吹向箱體另一端，而冷風(fēng)在流經(jīng)過(guò)程中由于重力作用自然下沉，箱體另一端受到阻礙的冷風(fēng)也下沉到箱底；在回風(fēng)口由于橫流冷風(fēng)機(jī)的吸力作用，將下部的氣流吸入蒸發(fā)室，這樣就形成一個(gè)閉環(huán)的冷風(fēng)循環(huán)場(chǎng)，由于氣流不斷快速流動(dòng)，因此箱內(nèi)溫度狀況均勻，降溫速度很快（見圖3）。

圖3 箱內(nèi)橫流冷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)示意圖

2.3 箱外散熱排風(fēng)風(fēng)道

箱外散熱風(fēng)道主要用于大功率開關(guān)電源、驅(qū)動(dòng)板、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器、壓縮機(jī)、冷凝器等熱源的散熱，依靠合理的氣流設(shè)計(jì)，使得熱量充分散失，提高電子器件、電機(jī)和制冷系統(tǒng)工作的可靠性（見圖4）。箱外散熱排風(fēng)風(fēng)道的俯視氣流示意圖顯示，冷凝器處風(fēng)機(jī)向外吹風(fēng)，從而將冷凝器的熱量帶走，由于側(cè)壁的密封性好，因此會(huì)從風(fēng)阻小的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)柵進(jìn)風(fēng)，由于壓縮機(jī)出風(fēng)口的對(duì)稱性，因此氣流會(huì)充分吹到電源和驅(qū)動(dòng)板安裝組件，再經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從壓縮機(jī)兩側(cè)到達(dá)冷凝器，這樣形成高效的散熱風(fēng)道，保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

圖4 箱外散熱排風(fēng)風(fēng)道俯視圖

2.4 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]

制冷系統(tǒng)的裝配充分考慮模塊化和一體化設(shè)計(jì)，使得箱體模塊化，制冷組件模塊化，并且制冷組件包含了壓縮機(jī)、毛細(xì)管（節(jié)流閥）、干燥閥、蒸發(fā)器、冷凝器等完整的一套微型化壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，只要將制冷組件整體推入安裝位置，蓋上密封板和側(cè)板即可，集微型化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)為一體，設(shè)計(jì)新穎，方便實(shí)用，制冷效果優(yōu)異（見圖5）。由圖中可以很清晰的看出設(shè)備組裝的便捷性和可靠性。

圖5 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.5 電子控制設(shè)計(jì)

野戰(zhàn)低溫冰箱電子控制系統(tǒng)包括：壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)及風(fēng)扇輸出控制、溫度采集與顯示操作、溫度記錄及USB下載、后備電池充電系統(tǒng)等部分。制冷及風(fēng)扇輸出控制具備反電勢(shì)檢測(cè)無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)電機(jī)，壓縮機(jī)的啟動(dòng)/停止控制，以及風(fēng)扇電壓切換與穩(wěn)壓，以使風(fēng)扇滿足12 V/24 V雙電壓工作條件。溫度采集與顯示操作部分包括人機(jī)交互部分，全數(shù)字操作面板，數(shù)字溫度數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)記錄使能后，每5 min記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，事后可采用USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備下載溫度數(shù)據(jù)，在PC機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析。后備電池部分設(shè)計(jì)了高效快速充電電路，只需正常連接220 VAC工作4 h，即可充滿2 AH鎳氫電池組，該電池主要用于斷電保溫期間溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)控與預(yù)警(見圖6)。

圖6 野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱控制系統(tǒng)電路框圖

2.6 軟件工作流程

軟件工作流程見圖7。

圖7 軟件工作流程圖

3 性能試驗(yàn)

根據(jù)野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱的勤務(wù)特點(diǎn)，對(duì)研制的樣機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)樣機(jī)空箱在環(huán)境溫度為攝氏30℃時(shí)開機(jī)連續(xù)工作，對(duì)野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱的降溫速度、最大降溫幅度、儲(chǔ)藏室內(nèi)溫場(chǎng)均衡等性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)（見圖8，圖9，圖10），圖8，圖9，圖10中A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)為溫度傳感器位于野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱儲(chǔ)藏室內(nèi)的測(cè)溫位置，其中A點(diǎn)、B點(diǎn)位于儲(chǔ)藏室內(nèi)上部金屬托盤的兩側(cè)中間位置，C點(diǎn)位于儲(chǔ)藏室內(nèi)底層中央位置[6-7]。

圖8 空箱降溫性能試驗(yàn)

圖9 空箱保溫性能試驗(yàn)

圖10 10 min間隔負(fù)載性能圖

溫度測(cè)量采用文獻(xiàn)[8]所述的智能溫度記錄儀，試驗(yàn)結(jié)果：由圖8的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱在1 h內(nèi)與環(huán)境溫度相比降溫達(dá)攝氏27 ℃,2 h內(nèi)能降溫40 ℃，降溫迅速，試驗(yàn)過(guò)程中儲(chǔ)藏室內(nèi)部溫度差異均勻在±1 ℃范圍以內(nèi)，表明冰箱制冷風(fēng)道設(shè)計(jì)良好，能有效保證儲(chǔ)藏室內(nèi)溫場(chǎng)均衡性。野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱每隔兩小時(shí)進(jìn)行一次除霜過(guò)程，在除霜過(guò)程中，壓縮機(jī)停止工作，此時(shí)箱內(nèi)外溫度差值一般在40 ℃左右，箱內(nèi)溫度會(huì)由于熱傳導(dǎo)而升高，除霜10 min過(guò)程內(nèi)，野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱冷藏溫度始終滿足工作需求（見圖9），同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中三個(gè)不同數(shù)據(jù)點(diǎn)在儲(chǔ)藏室內(nèi)部溫度差異均勻在±1 ℃范圍以內(nèi)，表明野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱具有良好的保溫效果。

將2000 mL冰盒3個(gè)，500 mL冰袋8個(gè)，總計(jì)10000 mL冰盒冰袋作為儲(chǔ)物負(fù)載裝入野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱中，進(jìn)行冷藏工作狀態(tài)(負(fù)載)下溫度性能試驗(yàn)。由圖10可知，帶負(fù)載工作狀態(tài)下降溫速度要慢于空冰箱時(shí)降溫速度；整個(gè)負(fù)載試驗(yàn)過(guò)程中野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱工作良好，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)論

該野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱按照GJB150A-2009標(biāo)準(zhǔn)[9]要求，在中國(guó)包裝科研測(cè)試中心進(jìn)行了高溫、低溫、濕熱、振動(dòng)、沖擊和低氣壓等基本性能試驗(yàn)，并在解放軍第254醫(yī)院及海軍總醫(yī)院等單位進(jìn)行了試用，參加了2010年廣州亞運(yùn)安保，工作情況良好。試驗(yàn)和實(shí)踐應(yīng)用證明：該野戰(zhàn)低溫儲(chǔ)運(yùn)箱具有冷藏和冷凍雙重工作模式，冷藏模式下能可靠穩(wěn)定的工作在攝氏2～6 ℃范圍，冷凍模式下能達(dá)到40 ℃以上溫差，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠滿足自然災(zāi)害救援、抗擊流行病等突發(fā)性醫(yī)療救援或戰(zhàn)時(shí)醫(yī)用物資應(yīng)急運(yùn)輸和儲(chǔ)存，是一款功耗低、可車載的低溫儲(chǔ)運(yùn)箱；可有效提高現(xiàn)場(chǎng)救治的醫(yī)療保障能力；在醫(yī)用物資野外應(yīng)急運(yùn)輸儲(chǔ)存方面應(yīng)用的前景廣闊[10]。

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