醫(yī)療保溫箱的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析

李剛

摘要：針對(duì)疫苗藥品等醫(yī)藥產(chǎn)品的保溫箱進(jìn)行了包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合考慮了保溫材料、容器尺寸、包裝結(jié)構(gòu)和緩沖材料等因素對(duì)保溫性能的影響。利用AnsysWorkbench軟件對(duì)設(shè)計(jì)的成形醫(yī)療保溫箱模型進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析，得到了保溫箱內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，討論了保溫箱的保溫時(shí)效。最后，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，兩者的一致性表明了模擬方法和計(jì)算結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞：保溫箱；包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；瞬態(tài)熱分析；保溫時(shí)效

醫(yī)療保溫包裝作為包裝分支中的一員，因其包裝對(duì)象的特殊性而扮演著不可忽視的角色。疫苗和藥品在運(yùn)輸或儲(chǔ)存過(guò)程中需要保持其應(yīng)有的活性，要求醫(yī)療保溫箱需要有良好的保溫效果，特別是在高溫環(huán)境下的運(yùn)輸或儲(chǔ)存過(guò)程中要求能達(dá)到有效的低溫效果，讓被包裝產(chǎn)品不至于由于溫度太高而失效。

一、雙層分隔板式保溫箱的研制及臨床應(yīng)用

雙層分隔板式保溫箱利用塑料分隔板，將保溫箱內(nèi)箱體分為上下兩層，充分利用保溫箱的空間，增加保溫箱的冷藏容積，解決了由于疫苗種類較多，保溫箱內(nèi)空間相對(duì)狹小，疫苗擺放混亂，疫苗互相堆積在一起不易拿取的問(wèn)題。它縮短了接種人員開啟保溫箱的時(shí)間，提高了保溫箱的冷藏效果，確保所使用的疫苗安全可靠。雙層分隔板式保溫箱利用塑料分隔板將原有保溫箱分成上下兩層，下層在保溫箱底部蓄冷盒敷布上用塑料分隔板，根據(jù)疫苗包裝規(guī)格分成大小不等的若干個(gè)空間，在空間內(nèi)放置疫苗。上層利用兩個(gè)面積是內(nèi)箱底部面積三分之一的塑料整理盒放在塑料分隔板組成的支架上，上層塑料整理盒內(nèi)利用塑料分隔板再分割成若干個(gè)空間，在空間內(nèi)放置所需要的疫苗。通過(guò)移動(dòng)塑料整理盒可以直觀或拿取下層所需要的疫苗。如果疫苗保存時(shí)間長(zhǎng)，需要增加蓄冷盒數(shù)量時(shí)，將導(dǎo)致保溫箱內(nèi)箱體容積變小，此時(shí)可以將上層的兩個(gè)整理盒減少成一個(gè)整理盒單獨(dú)使用；下層可以調(diào)整塑料分隔板支架至所需要的大小，其結(jié)構(gòu)巧妙自由組合。雙層分隔板式保溫箱充分利用了空間，增加了保溫箱冷藏的有效容積，雙層分隔板式保溫箱使疫苗在有限的空間內(nèi)擺放整齊，位置固定，方便接種人員拿取疫苗，縮短了保溫箱開啟時(shí)間。在預(yù)防接種疫苗時(shí)，需要根據(jù)接種人次、種類，反復(fù)開啟保溫箱拿取疫苗，保溫箱內(nèi)放置溫度計(jì)，隨時(shí)隨地掌握箱內(nèi)溫度的變化，根據(jù)箱內(nèi)溫度變化的情況調(diào)節(jié)放置蓄冷盒數(shù)量和更換時(shí)間，確保所使用的疫苗安全可靠。分隔板和整理盒在使用前同蓄冷盒一起放入冷凍柜中冷凍10～12小時(shí)，可以增加保溫箱的冷藏效果，保證疫苗質(zhì)量，提高疫苗接種的成功率。塑料分隔板和整理盒的材質(zhì)符合國(guó)家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，清潔、安全、無(wú)毒。

二、醫(yī)療保溫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于市場(chǎng)購(gòu)買的實(shí)際保溫包裝箱產(chǎn)品，本研究利用Solidworks軟件對(duì)醫(yī)療保溫箱各部分分別建模，設(shè)計(jì)了內(nèi)部藥盒的結(jié)構(gòu)，得到了圖1所示的醫(yī)療保溫箱包裝結(jié)構(gòu)。保溫箱由外盒（盒蓋與盒體）（見圖1a和b）、中盒（藥盒）（見圖1d）和冰盒（見圖1e）組成。

外盒是醫(yī)療保溫箱最外部的盒體和盒蓋，直接與外部環(huán)境相接觸，承受著運(yùn)輸及搬運(yùn)卸載過(guò)程中的撞擊。中盒內(nèi)外兩面分別與瓶裝藥劑和外盒接觸，上下與冰盒相接觸，是醫(yī)療保溫箱一個(gè)非常重要的中間載體，既起到平穩(wěn)安放瓶裝藥品，

使藥劑能在保溫箱內(nèi)固定的作用，又起到防震緩沖的作用，且有一定的隔熱效果。冰盒是醫(yī)療保溫箱功能單一但更高效的一部分，冰盒內(nèi)部主要為蓄冷劑，在極端低溫和極端高溫的情況下，蓄冷劑都將首先通過(guò)自身的蓄熱性能來(lái)中和外界環(huán)境熱量，從而使內(nèi)部環(huán)境溫度變化緩慢，甚至穩(wěn)定，達(dá)到最終的保溫效果。

三、醫(yī)療保溫箱的瞬態(tài)熱分析

1.實(shí)驗(yàn)條件。為對(duì)保溫效果進(jìn)行熱分析，本研究采用ANSYS軟件對(duì)上述結(jié)構(gòu)醫(yī)療保溫箱進(jìn)行有限元分析。為了簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行如下假設(shè)：忽略被包裝產(chǎn)品及其熱物性對(duì)模型的影響，保溫箱內(nèi)充滿產(chǎn)品；產(chǎn)品與保溫箱各部分之間全局接觸；保溫材料及包裝材料的物性參數(shù)各向同性；在溫度變化過(guò)程中，材料的各項(xiàng)物理參數(shù)不發(fā)生變化；忽略各部分裝配之間空隙空氣的對(duì)流；忽略材料之間的輻射熱傳遞。進(jìn)行了保溫箱的瞬態(tài)熱分析，分析在一定時(shí)間內(nèi)醫(yī)療保溫箱內(nèi)各部分的溫度變化，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)醫(yī)藥體的溫度變化情況。在Workbench的EngineeringData中進(jìn)行材料編輯，包括比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及密度。材料賦值后進(jìn)入程序定義界面，需要建立幾何模型，雖然ANSYS軟件有自帶的畫圖系統(tǒng)，但為了建模方便，使用Solidworks軟件進(jìn)行幾何建模，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行處理。先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，對(duì)藥劑和冰盒分別賦初始溫度-18℃和-20℃。然后在穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，穩(wěn)態(tài)的結(jié)果將賦瞬態(tài)初始溫度值，設(shè)置結(jié)束時(shí)間為162000s，時(shí)間步長(zhǎng)為60s。假設(shè)保溫箱外表面與自然環(huán)境的對(duì)流傳熱，箱內(nèi)的各單元間熱傳通過(guò)接觸熱阻定義耦合傳熱。

2.結(jié)果分析。醫(yī)藥體在極端外界環(huán)境溫度40℃下162000s時(shí)間結(jié)束后的溫度分布。從圖中可以看出溫度分布均勻、對(duì)稱，符合理論預(yù)測(cè)結(jié)果。為了排除單一性，可見藥盒的溫度場(chǎng)分布與醫(yī)藥體一致，論證了溫度場(chǎng)的合理性。醫(yī)藥體溫度從里到外越來(lái)越高，并且其中間溫度仍舊保持在較低的溫度，可見對(duì)中間醫(yī)藥體的保溫效果仍然存在，而最外部醫(yī)藥體溫度則已經(jīng)上升至2.5℃（假設(shè)醫(yī)藥體在0℃以下溫度保存），此時(shí)保溫箱的保溫效果已然失效。四條棱的溫度上升最快，可見在棱部是主要散熱部位，此處是需要重點(diǎn)保溫的對(duì)象。

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果和方法的合理性和可靠性，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)比較。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：使用4#EPS盒子，外尺寸為340mm×220mm×180mm，內(nèi)尺寸為300mm×180mm×140mm。實(shí)驗(yàn)方法為將冰塊在冰箱冷凍層冰凍至-30℃，然后將冰塊取出充滿整個(gè)EPS盒子，在30℃環(huán)境溫度下，利用溫度記錄儀記錄EPS盒子內(nèi)冰塊的溫度變化。同時(shí)根據(jù)EPS盒子簡(jiǎn)單建模，在ANSYS軟件中使用與本文前述方法來(lái)模擬盒子內(nèi)冰塊的溫度變化。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行處理比較。溫度記錄儀的結(jié)果數(shù)據(jù)利用Origin畫圖軟件處理曲線，如圖2所示，而相應(yīng)的ANSYS軟件模擬溫度曲線如圖3所示。比較圖2和圖3所示的溫度變化曲線，考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要從冰箱拿出放到EPS盒子中，在此過(guò)程中溫度變化較為復(fù)雜，因此，本次實(shí)驗(yàn)截取-20℃到-1℃這個(gè)過(guò)程的變化情況。從圖2可以看出，溫度從-20℃到-1℃，從15時(shí)到第二天5時(shí)共14h左右，而模擬結(jié)果曲線圖顯示從-20℃到-1℃共經(jīng)歷54000s，計(jì)15h，相對(duì)誤差為7%，尚在可接受范圍之內(nèi)。因此可以認(rèn)為，上述模擬方法有一定的合理性和可靠性。

本研究建立了保溫包裝箱的幾何結(jié)構(gòu)，并用有限元分析軟件進(jìn)行了模擬分析，得出醫(yī)療保溫箱的溫度分布場(chǎng)，分析得出在醫(yī)療保溫箱四條棱邊的位置是保溫箱主要散熱點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)保溫。模擬結(jié)果表明，該醫(yī)療保溫箱在162000s內(nèi)保持了良好的低溫環(huán)境，有較好的保溫效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬比較研究了簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的保溫效果，兩者較好的一致性說(shuō)明模型和計(jì)算方法的合理性。

參考文獻(xiàn)

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[2]馬濤.保溫包裝整體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析[J].包裝工程，2014，31（7）：51-53，65.

（作者單位：山東威高集團(tuán)醫(yī)用高分子制品股份有限公司）