便攜式低溫冷凍箱研究及應(yīng)用

張 影 蔡訓(xùn)儒

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230001）

前言

對大多數(shù)消費者而言，從商超購買速凍食品（速凍水餃、速凍肉卷等）面臨的最大問題是擔(dān)心食品化凍?，F(xiàn)代城市生活，許多年長者喜歡乘坐免費購物班車去較遠(yuǎn)的超市購物。距離遠(yuǎn)、時間長，加速了冷凍食品化凍的風(fēng)險。尤其在炎熱的夏天，如何將速凍食品從商超完好無損的帶回家，對眾多消費者而言無疑是一個大難題。

對有車一族而言，短時間外出（游玩/野炊）時喜歡帶上幾瓶冰鎮(zhèn)飲料。如果沒有良好的保溫措施，冰鎮(zhèn)飲料在極短的時間內(nèi)即可以恢復(fù)常溫，如何使冰鎮(zhèn)飲料長時間蓄冷是一個難題。不僅如此，在溫度較高的季節(jié)，尤其在長距離行車的過程中能隨口喝到冰鎮(zhèn)飲料，是駕乘人員的迫切需求。

對于一些特殊人群（如糖尿病患者），在旅游或長時間外出的過程中，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，本論通過塑料件巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計、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，滿足商超購物、驅(qū)車旅行、藥物儲存的需求。

1 便攜式低溫冷凍箱造型設(shè)計

結(jié)合實際使用情況，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)筒和外筒通過卡扣固定在一起。該種設(shè)計，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，通過蓄冷劑和保溫材料的組合應(yīng)用，提高保溫箱的性價比。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，確保使用過程中，盒蓋不會竄動、移位，進(jìn)而避免冷量泄露的情況發(fā)生。同時，盒蓋內(nèi)填充蓄冷劑，可以實現(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點。便攜式低溫冷凍箱結(jié)構(gòu)示意圖見圖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機(jī)鹽類，即通過無機(jī)鹽溶于水的形式制備蓄冷劑。無機(jī)鹽類蓄冷劑相變潛熱大，通過優(yōu)選配方，蓄冷劑的潛熱值可以略小于水。同時，無機(jī)鹽能制備出相變溫度較低的蓄冷劑，有利于實現(xiàn)低溫蓄冷的目的[1]。無機(jī)鹽蓄冷劑還有一個明顯的特點，即流動性較好。較好的流動性是一把雙刃劍，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性；在封閉接觸式換熱的技術(shù)領(lǐng)域，對蓄冷劑的流動性則沒有太高的要求，甚至期望蓄冷劑完全不具備流動性。便攜式低溫冷凍箱中使用的蓄冷劑，若流動性太好，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，蓄冷劑流動性太好，會發(fā)出碰撞的響聲，既影響使用體驗，又容易引發(fā)市場投訴。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

針對無機(jī)鹽類蓄冷劑，無機(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，使得蓄冷時間隨之降低[3]。結(jié)合實際使用情況，通過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者的需求。綜合考慮相變潛熱和蓄冷時間，選擇相變溫度為-2 ℃的蓄冷劑。

2.3 蓄冷劑儲存方式

實際使用過程中，蓄冷劑多存放在塑料容器內(nèi)。最常見的方式是通過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)點是形狀可控，便于固定，不影響產(chǎn)品外觀。其缺點是需要制做模具，且一副模具僅對應(yīng)一種形狀，產(chǎn)品適應(yīng)范圍較窄，費用投入較多，不利于打造高性價比的產(chǎn)品。同時，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。實際使用過程中，復(fù)合膜先進(jìn)行對折，然后采用熱封機(jī)焊接薄膜底部和對折的部位，緊接著從上部灌入蓄冷劑，通過流量計，準(zhǔn)確控制蓄冷劑灌注量，最后將薄膜上部端口焊接完畢。全過程自動化操作，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)省模具開支、提高生產(chǎn)效率的目的，且有利于打造更具價格優(yōu)勢的產(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（試驗中使用的保溫材料為EPS）。顯而易見，保溫箱6個面均放置蓄冷劑，其蓄冷時間最長，但導(dǎo)致保溫箱較重，價格較高。從冷量傳遞的角度分析，保溫箱底部布置蓄冷劑其貢獻(xiàn)值相對偏低，因為冷量是下沉的[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個面均有蓄冷劑、僅底部沒有蓄冷劑、僅盒蓋含有蓄冷劑（沒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 %的試驗環(huán)境下進(jìn)行溫升測試，監(jiān)測保溫箱內(nèi)溫度從-18 ℃升至5 ℃所需要的時間，結(jié)果如圖2所示。

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

圖2 便攜式低溫冷凍箱溫升時間

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，實際使用過程中，尤其是在溫度較高的環(huán)境下，箱體表面會出現(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)，大大降低消費者的使用體驗，增加市場投訴率。為了解決這一問題，本文將便攜式低溫冷凍箱放入保溫袋，保溫袋從外到內(nèi)由無紡布、珍珠棉、鋁箔三層材質(zhì)組成，無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，既有效延長了便攜式低溫冷凍箱的蓄冷時間，又有效解決了表面凝露水的問題。

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，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，消費者可以非常直接的看到保溫箱內(nèi)的實時溫度。該方法雖然直接，但會帶來成本的大幅增加，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，感溫標(biāo)貼顯示正常的顏色和圖案。當(dāng)溫度大于5 ℃時，感溫標(biāo)貼會變成紅色。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者保溫箱內(nèi)的溫度變化情況，且操作簡單，成本增加較少。同時，可以通過恰當(dāng)?shù)膱D案設(shè)計，使感溫標(biāo)貼在低溫和高溫時呈現(xiàn)不同的紋理、色彩，亦或者文字提醒，既裝飾了產(chǎn)品外觀，又提升了消費者使用體驗。

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 ℃的無機(jī)鹽類蓄冷劑，其余5個面均填充保溫材料。通過盒蓋表面的感溫標(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，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、蓄冷時間長，且屬于無源設(shè)備，制冷過程不消耗電能。便攜式低溫冷凍箱的問世，解決了消費者商超購買速凍水餃、冰棒、冷鮮肉等速凍食品擔(dān)心化凍的問題，滿足了有車一族驅(qū)車外出時能及時喝到冰鎮(zhèn)飲料的要求，實現(xiàn)了特殊群體短時間低溫儲存藥物的夢想。同時，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點。