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

泮國榮，徐國峰，胡桂林，李國能

(浙江科技學(xué)院 輕工學(xué)院，杭州 310023)

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

泮國榮，徐國峰，胡桂林，李國能

(浙江科技學(xué)院 輕工學(xué)院，杭州 310023)

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Ansys Workbench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。

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。保溫包裝在近年來隨著快遞業(yè)的發(fā)展有較大的發(fā)展，然而，由于中國地域廣大，疫苗和藥品在冷鏈運(yùn)輸中經(jīng)常受到破壞[1]。因此，保溫包裝的研究在減少損失和提高安全性等方面都具有非常積極的意義。Margeirsson等人[2]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究比較了波紋形塑料板材和發(fā)泡聚苯乙烯兩種材料制作而成的鮮魚批發(fā)箱的熱性能；Moureh等人[3]通過數(shù)值模擬研究了在運(yùn)輸過程中托盤包裝冷凍食品的溫度升高；王嶺松等人[4]使用三層類“三明治”夾心的真空絕熱板包裝，提高了保溫包裝性能。本研究擬通過模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來研究實(shí)際保溫包裝箱的溫度變化過程和保溫效果，可為實(shí)際的保溫設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 醫(yī)療保溫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于市場(chǎng)購買的實(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。各部分尺寸見表1。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自身的蓄熱性能來中和外界環(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。

圖1 醫(yī)療保溫箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of medical insulating box

瓶裝藥劑為50 mL瓶子，藥劑50 mL放在中盒中放置，上下共2個(gè)中盒，每層5盒×3盒，共30盒。冰盒則在底部和頂部放置，上下各放置2個(gè)。各部分材料見表2。

表1醫(yī)療保溫箱各部分尺寸

Table1Dimensions of medical insulating box

零件外尺寸/mm內(nèi)尺寸/mm外盒362×273×295296×198×268中盒(藥盒)296×198×94 冰盒148×198×40 瓶裝藥劑54×54×86

表2醫(yī)療保溫箱各部分使用材料

Table2Materials of medical insulating box

零件材料外盒PET為面層,中間夾層為EPS中盒(藥盒)EPS冰盒高分子蓄冷劑

PET和EPS是良好的保溫材料，且價(jià)格都相對(duì)便宜，同時(shí)PET相對(duì)于EPS有較好的外觀性，外盒選擇PET與EPS以“三明治夾層”的形式組合。中盒要求具有一定的緩沖作用，所以選擇EPS，其緩沖性能較好，且價(jià)格實(shí)惠，易成形，并且其表面的粗糙程度有利于增大藥劑和中盒之間的摩擦，達(dá)到更好的固定效果；另外，其蜂窩狀結(jié)構(gòu)則提供了良好的緩沖效果。

2 醫(yī)療保溫箱的瞬態(tài)熱分析

2.1 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Engineering Data中進(jìn)行材料編輯，包括比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及密度，各部分材料熱參數(shù)見表3。

表3 醫(yī)療保溫箱各部分使用材料熱參數(shù)Table 3 Material theraml parameters of medical insulating box

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162 000 s，時(shí)間步長為60 s。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接觸熱阻定義耦合傳熱。

2.2 結(jié)果分析

圖2為醫(yī)藥體在極端外界環(huán)境溫度40 ℃下162 000 s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，加入藥盒的溫度場(chǎng)分布(圖3)，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。

圖2 醫(yī)藥體溫度場(chǎng)分布Fig.2 Distribution of temperature field for medical products

圖3 藥盒溫度場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of temperature field for medical box

圖4為外界溫度40 ℃下醫(yī)藥體的溫度隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，最高溫度變化在剛開始有一個(gè)突變，這是由于最初的醫(yī)藥體溫度-18 ℃高于冰盒溫度-20 ℃。而最低溫度的變化曲線相對(duì)平緩，這也證明在保溫箱最中間部分的保溫效果明顯。當(dāng)極端溫度降為常態(tài)溫度30 ℃時(shí)，計(jì)算得到的溫度時(shí)間變化如圖5所示，得出結(jié)果與圖4有相似的變化規(guī)律，主要區(qū)別在于外環(huán)境溫度的降低，總體保溫效果更好。

圖4 醫(yī)藥體40 ℃外環(huán)境溫度下的溫度時(shí)間曲線Fig.4 Temperature variation with time underenvironmental temperature 40℃

圖5 醫(yī)藥體30 ℃外環(huán)境溫度下的溫度時(shí)間曲線Fig.5 Temperature variation with time underenvironmental temperature 30℃

3 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340 mm×220 mm×180 mm，內(nèi)尺寸為300 mm×180 mm×140 mm。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盒子簡單建模，在ANSYS軟件中使用與本文前述方法來模擬盒子內(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6所示，而相應(yīng)的ANSYS軟件模擬溫度曲線如圖7所示。

比較圖6和圖7所示的溫度變化曲線，考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中要從冰箱拿出放到EPS盒子中，在此過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)過程的變化情況。從圖6可以看出，溫度從-20℃到-1℃，從15時(shí)到第二天5時(shí)共14 h左右，而模擬結(jié)果曲線圖顯示從-20 ℃到-1 ℃共經(jīng)歷54 000 s,計(jì)15 h,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。

圖6 實(shí)驗(yàn)溫度變化曲線圖Fig.6 Experimental temperaturevariation with time

圖7 ANSYS模擬溫度變化曲線圖Fig.7 Simulated temperature variationwith time by ANSYS

4 結(jié) 語

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162 000 s內(nèi)保持了良好的低溫環(huán)境，有較好的保溫效果。通過實(shí)驗(yàn)和模擬比較研究了簡單結(jié)構(gòu)的保溫效果，兩者較好的一致性說明模型和計(jì)算方法的合理性。本研究可以為醫(yī)療保溫箱的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考，但蓄冷劑的相變潛熱和盒蓋與盒體間的連接對(duì)傳熱的影響應(yīng)加強(qiáng)考慮。

[1] 郭曉娟.基于ANSYS的保溫包裝溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[D].無錫：江南大學(xué)，2011.

[2] Margeisson B, Gospavic R, Palsson H, et al. Experimental and numerical modeling comparison of thermal performance of expanded polystyrene and corrugated plastic packaging for fresh fish[J]. International Journal of Refrigeration,2011,34(2):573-585.

[3] Moureh J, Derens E. Numerical modeling of the temperature increase in frozen food packaged in pallets in the distribution chain[J]. International Journal of Refrigeration，2000,23(7):540-552.

[4] 王嶺松,王東愛,康愷.包裝箱用環(huán)保真空絕熱板的結(jié)構(gòu)[J].包裝工程,2010,31(23)：50-52.

[5] 高斯,錢靜.保溫包裝整體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析[J].包裝工程,2010，31(7)：51-53，65.

[6] 劉翠娜,張雙喜,周恒勤，等.便攜式蓄冷保溫箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,28(1)：29-33.

Packagingstructuredesignandfiniteelementanalysisofmedicalinsulatingbox

PAN Guorong, XU Guofeng, HU Guilin, LI Guoneng

(School of Light Industry, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Packaging structure design is conducted for medical insulating box which can be used to protect vaccines, medicines and other medicinal products. The packaging structure designed is given comprehensive consideration to many factors as the insulation materials, container size, packaging structure and their effect on the insulation performance. Finite element analysis for the transient thermal load is carried out by ANSYS software, the change of temperature inside the incubator with time is obtained, and the time-temperature curve is obtained to study the insulation time of incubator. The simulation results are compared to the experimental data, and their consistency indicates that the simulation method and computed results are reliable.

insulating box; packaging structure design; transient thermal analysis; insulation time

10.3969/j.issn.1671-8798.2013.05.003

2013-05-20

泮國榮(1961— )，男，浙江省杭州人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究。

TB482.2;TH789

A

1671-8798(2013)05-0335-05