一種兼具儲運功能的新型保溫裝置研究與應(yīng)用

文 / 徐潤卓 徐親成

近年來，隨著人民生活水平不斷提高，冷藏農(nóng)產(chǎn)品的物流量逐年攀升。保鮮冷庫、冷藏車是冷鏈物流的基礎(chǔ)設(shè)施，目前我國保鮮冷庫主要分布在中轉(zhuǎn)地和銷售地，而產(chǎn)地保鮮冷庫數(shù)量偏少，且多為固定式中小型冷庫，其使用具有區(qū)域性、季節(jié)性特點，屬階段性利用，效率比較低。冷藏車制造成本高，連續(xù)制冷耗能大，運輸成本高，在多種運輸方式轉(zhuǎn)換時存在貨物溫度控制不穩(wěn)定及“斷鏈”問題，且不具備小批量、多品種、單元化分類運輸功能。針對現(xiàn)有保鮮冷庫和冷藏車在產(chǎn)地儲藏、遠距離運輸方面存在的不足及缺陷，市場迫切需要安全、高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、可周轉(zhuǎn)使用且符合冷鏈物流特點的儲藏、運輸設(shè)施設(shè)備。

一、儲運保溫裝置設(shè)計方案的確定

1.儲運保溫裝置設(shè)計思路

利用少量蓄冷劑作為存儲、運輸?shù)睦湓?，汲取冷庫、冷藏車等設(shè)施設(shè)備的優(yōu)勢及長處，克服其不足，設(shè)計一種兼具儲運功能的保溫裝置，集中堆疊可作為臨時“冷庫”使用，分開堆疊裝運可作為車載保溫箱使用。

2.儲運保溫裝置設(shè)計原則

設(shè)計應(yīng)以簡單、高效、實用為原則，能實現(xiàn)儲、運能耗低，保溫效果好，可重復(fù)使用，節(jié)能、綠色、環(huán)保，并可利用普通貨運車輛運輸，普適性強。

3.儲運保溫裝置保溫原理

熱的傳遞方式有三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。儲運保溫裝置設(shè)計成雙層殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼體在外殼體中呈懸浮狀態(tài)，四周為點接觸陶瓷球頭螺栓限位，內(nèi)、外殼體之間間隙抽成真空狀態(tài)，用來隔斷熱傳導、熱對流傳熱；內(nèi)殼體表面包覆多層鋁箔，隔絕熱輻射通路，上述設(shè)計從熱傳遞的三種方式考慮，最大限度隔斷內(nèi)、外殼體之間的傳熱途徑，實現(xiàn)最佳保溫效果。

二、儲運保溫裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲運保溫裝置主體結(jié)構(gòu)由球蓋、筒體、真空閥及手把等構(gòu)成，選用雙層殼體中空結(jié)構(gòu)，利用永磁鐵將內(nèi)殼體懸浮于外殼體中，雙層殼體之間的中空層抽真空隔斷熱傳導，同時在內(nèi)殼體表面包覆多層防輻射屏，降低熱輻射。

1.球蓋

為提高耐壓能力，儲運保溫裝置內(nèi)、外端蓋選用半球形結(jié)構(gòu)，內(nèi)球蓋置于外球蓋內(nèi)，頂部設(shè)置的若干小磁鐵對，使內(nèi)、外球蓋吸合在一起，并實現(xiàn)外球蓋旋轉(zhuǎn)時，帶動內(nèi)球蓋一起旋轉(zhuǎn)。內(nèi)、外球蓋直邊段內(nèi)側(cè)圓周面上部設(shè)置兩道“O”型密封槽，下部加工螺紋，螺紋螺距大小不同，內(nèi)球蓋上的螺紋螺距大于外球蓋上的螺紋螺距。外球蓋兩道密封槽之間設(shè)計一個螺紋通孔，用來裝設(shè)真空閥（如圖1所示）。

圖1 球蓋組合結(jié)構(gòu)示意圖

2.筒體

儲運保溫裝置筒體為貨物及蓄冷劑儲藏空間，綜合考慮耐壓、容積、隔熱、效率等因素，內(nèi)、外筒體選用圓筒結(jié)構(gòu)，在底部設(shè)置同極永磁鐵對，在內(nèi)、外筒體上緣凸臺處設(shè)置限位陶瓷球頭螺栓。同時，內(nèi)、外筒體直邊段外側(cè)圓周面上部與內(nèi)、外球蓋配合處加工密封光面與螺紋，與球蓋構(gòu)成密封與螺紋副聯(lián)接（如圖2所示）。

圖2 筒體組合結(jié)構(gòu)示意圖

3.密封件

真空設(shè)備的密封性能是真空設(shè)備的重要指標，密封件的正確選用是關(guān)鍵。儲運保溫裝置真空層為高真空，球蓋與筒體之間的密封為可拆靜密封，橡膠“O”密封圈密封具有密封可靠，可反復(fù)拆裝，易于加工，價格低廉等優(yōu)點，尤其是串聯(lián)的“O”型密封結(jié)構(gòu)，因存在寄生容積，可明顯減小氣體的泄漏率和泄漏量，延長平衡時間。因此，選用雙重“O”型橡膠密封圈作為儲運保溫裝置的密封元件。

4.裝置組合

外球蓋與外筒體通過螺紋副聯(lián)接構(gòu)成外殼體，內(nèi)球蓋與內(nèi)筒體通過螺紋副聯(lián)接構(gòu)成內(nèi)殼體，內(nèi)殼體在外殼體中呈懸浮狀態(tài)（如圖3所示）。

圖3 儲運保溫裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖

裝入貨物前，首先旋開球蓋組合，使球蓋與筒體分離，將預(yù)冷后的貨物裝入內(nèi)筒體，再根據(jù)貨物的類別加入少許蓄冷劑。

球蓋旋合時，當旋合至螺紋長度約一半距離時停下，第一道”O(jiān)“型密封圈起作用，真空閥接入抽真空系統(tǒng)，抽除真空層內(nèi)的空氣，達到要求的真空度后，再將球蓋組合旋緊，此時雙重“O”型密封圈起作用，兩道密封圈之間的槽構(gòu)成真空狀態(tài)的寄生容積，同時因內(nèi)殼體上的螺紋副螺距大于外殼體上的螺紋副螺距，內(nèi)、外殼體頂部磁鐵對脫開，保持一定間隙[1]。

5.堆疊方式

儲運保溫裝置外球蓋頂部與外筒體底部均設(shè)有圓環(huán)形支座，外筒體底部圓環(huán)支座B的內(nèi)直徑略大于外球蓋頂部圓環(huán)支座A的外直徑；外球蓋頂部環(huán)環(huán)支座上對稱裝設(shè)一對手把，手把與圓環(huán)支座為螺紋聯(lián)接；外筒體底部的圓環(huán)支座上對稱加工有兩個倒“L”形卡口，卡口寬度尺寸略大于手把直徑（如圖4 A向示意圖所示）。

堆放時，儲將運保溫裝置I吊起至略高于儲運保溫裝置II的高度，儲運保溫裝置I筒體底部的圓環(huán)支座對準儲運保溫裝置II球蓋頂部的圓環(huán)支座，儲運保溫裝置I筒體底部的圓環(huán)支座上的卡口對準儲運保溫裝置II球蓋頂部圓環(huán)支座上的手把位置，輕輕落下，直至完全壓實，再將儲運保溫裝置I整體水平旋轉(zhuǎn)一定角度“防脫”即可（如圖4所示）。此種堆疊方式，裝置之間連接較為簡單穩(wěn)固，并有簡單明確的裝運規(guī)范可供裝運工人進行參考，裝運效率相對較高且可以有效預(yù)防現(xiàn)有物流體系下暴力裝卸的相關(guān)現(xiàn)象。

圖4 儲運保溫裝置堆疊示意圖

6.永磁懸浮結(jié)構(gòu)

在垂直方向上，利用永磁鐵同極相斥異極相吸原理，在內(nèi)殼體與外殼體底部設(shè)置同極永磁鐵對，其產(chǎn)生的斥力大于儲運保溫裝置內(nèi)殼體及裝載物總重量，當裝載貨物的內(nèi)殼體處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)時，內(nèi)殼體與外殼體頂?shù)撞考八闹芡咕壣?、下不接觸。

在水平方向上，外殼體凸緣上的限位螺栓頭部裝設(shè)在內(nèi)殼體凸緣上的限位通孔內(nèi)，限制內(nèi)、外殼體在水平方向上的相對移動；限位螺栓頭部為球形結(jié)構(gòu)，噴涂陶瓷隔熱層，與限位孔壁接觸為點接觸，接觸面積小。

7.輻射屏隔熱結(jié)構(gòu)

在儲運保溫裝置內(nèi)殼體外表面設(shè)置多層具有高反射率的鋁箔輻射屏，低熱傳導率的尼龍網(wǎng)將每層鋁箔輻射屏間隔開，同時將每層鋁箔輻射屏壓緊固定在內(nèi)殼體外表面上。在高真空條件下，設(shè)置n組輻射屏，理論上輻射傳熱可減少至無輻射屏狀態(tài)下的1/（n+1）倍，從而大幅度降低輻射熱傳遞[2]。

三、冷源的選用

當前冷鏈市場的儲運裝備多采用冷庫和冷藏車，冷庫、冷藏車制冷原理是利用壓縮機工作提供冷源，在電價、油價不斷上漲的今天，這種儲運模式既不經(jīng)濟也不環(huán)保?！按髱齑嫘∝洝薄ⅰ按筌囇b小貨”給客戶帶來不可忽視的額外成本。儲運保溫裝置選擇蓄冷劑作為冷源，依靠不同溫度的蓄冷劑來完成溫控，可與常溫貨物一同裝載在普通貨車中進行配送，既能充分保證冷凍冷藏貨物的配送質(zhì)量，又可有效利用普通貨車的配送能力，降低配送成本，環(huán)保、節(jié)能。

四、實施與應(yīng)用

作為一種儲運器具，儲運保溫裝置綜合考慮了自重、容積、隔熱、溫度保持、裝運等多種應(yīng)用因素，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

1.尺寸與材料

考慮耐壓、人工或機械裝運效率及便利性等因素，儲運保溫裝置結(jié)構(gòu)尺寸確定為外徑Φ450mm，內(nèi)Φ400mm，高度650mm，內(nèi)筒容積約50升。制造材料，選用重量輕、機械強度高、鑄造性能好的ZL105高強度鋁合金。

2.制造與工藝

儲運保溫裝置制造材料ZL105鋁合金，具有低密度、高強度、鑄造性能好等特點，選用精密鑄造工藝制造，尺寸精確高，表泛光潔，腔體表面不再進行機械加工而直接使用，僅對密封槽及配合面等有高精度加工要求的部位進行精加工即可，節(jié)省了金屬材料，經(jīng)濟效果優(yōu)良。

3.真空獲取與維持

在影響真空保溫的諸多因素中，真空度的保持起到十分關(guān)鍵的作用，要求真空層的真空度優(yōu)于10-2Pa，真空保溫才能達到最佳效果。油擴散真空泵機組抽速大，抽速范圍寬，且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護方便，極限壓力可達到10-3Pa以上，能滿足使用要求。并且，儲運保溫裝置對油污染不敏感，故選用油擴散真空泵作為真空獲取設(shè)備[3]。

4.儲藏與運輸

我國很多優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地地理位置偏遠，冷鏈物流發(fā)展不平衡、不充分，冷鏈設(shè)施短缺，農(nóng)產(chǎn)品供需調(diào)節(jié)能力不足，產(chǎn)地“最先一公里”問題突出[4]。儲運保溫裝置可利用田間、地頭閑置空間，將個體單元按行列分層堆疊就可作為臨時“冷庫”使用，成為解決農(nóng)產(chǎn)品預(yù)冷、保鮮的移動倉儲設(shè)施。

儲運保溫裝置可實現(xiàn)普通貨車裝運，小批量、多品種、單元化分類運輸，多種運輸方式轉(zhuǎn)換時，貨物溫度控制穩(wěn)定，不存在冷鏈“斷鏈”問題；也可同常溫貨物一同配送，實現(xiàn)冷鏈到店、到家，解決了城市“最后一公里”問題（如圖5所示）。

圖5 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈儲、運示意圖

5.維護保養(yǎng)與使用

儲運保溫裝置結(jié)構(gòu)簡單，除橡膠密封件為易損件，需定期更換外，其它部件均為耐用件，如無意外損壞（如受到劇烈撞擊外殼體嚴重變形等），可長期周轉(zhuǎn)使用。

五、結(jié)論

儲運保溫裝置采用真空絕熱及磁懸浮原理進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，對熱傳導、熱對流有效隔斷，同時使用少量蓄冷劑作為冷源，可實現(xiàn)運輸能耗低，保溫效果好，多品種單元化儲運功能。該裝置可利用普通貨運車輛運輸，也可利用閑置場地作為臨儲點儲藏保鮮，符合冷鏈物流安全高效、節(jié)能降耗、可周轉(zhuǎn)復(fù)用、綠色環(huán)保的特點，擁有更強的普適性，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。