醫(yī)療保溫箱的包裝結構設計和有限元分析

李剛

摘要：針對疫苗藥品等醫(yī)藥產品的保溫箱進行了包裝結構設計，綜合考慮了保溫材料、容器尺寸、包裝結構和緩沖材料等因素對保溫性能的影響。利用AnsysWorkbench軟件對設計的成形醫(yī)療保溫箱模型進行了瞬態(tài)熱分析，得到了保溫箱內部溫度隨時間的變化規(guī)律，討論了保溫箱的保溫時效。最后，將模擬結果與實驗數據進行了比較，兩者的一致性表明了模擬方法和計算結果的可靠性。

關鍵詞：保溫箱;包裝結構設計;瞬態(tài)熱分析;保溫時效

醫(yī)療保溫包裝作為包裝分支中的一員，因其包裝對象的特殊性而扮演著不可忽視的角色。疫苗和藥品在運輸或儲存過程中需要保持其應有的活性，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)境下的運輸或儲存過程中要求能達到有效的低溫效果，讓被包裝產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用

雙層分隔板式保溫箱利用塑料分隔板，將保溫箱內箱體分為上下兩層，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，保溫箱內空間相對狹小，疫苗擺放混亂，疫苗互相堆積在一起不易拿取的問題。它縮短了接種人員開啟保溫箱的時間，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，根據疫苗包裝規(guī)格分成大小不等的若干個空間，在空間內放置疫苗。上層利用兩個面積是內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，上層塑料整理盒內利用塑料分隔板再分割成若干個空間，在空間內放置所需要的疫苗。通過移動塑料整理盒可以直觀或拿取下層所需要的疫苗。如果疫苗保存時間長，需要增加蓄冷盒數量時，將導致保溫箱內箱體容積變小，此時可以將上層的兩個整理盒減少成一個整理盒單獨使用;下層可以調整塑料分隔板支架至所需要的大小，其結構巧妙自由組合。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間。在預防接種疫苗時，需要根據接種人次、種類，反復開啟保溫箱拿取疫苗，保溫箱內放置溫度計，隨時隨地掌握箱內溫度的變化，根據箱內溫度變化的情況調節(jié)放置蓄冷盒數量和更換時間，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，可以增加保溫箱的冷藏效果，保證疫苗質量，提高疫苗接種的成功率。塑料分隔板和整理盒的材質符合國家相應的標準，清潔、安全、無毒。

二、醫(yī)療保溫箱結構設計

基于市場購買的實際保溫包裝箱產品，本研究利用Solidworks軟件對醫(yī)療保溫箱各部分分別建模，設計了內部藥盒的結構，得到了圖1所示的醫(yī)療保溫箱包裝結構。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，承受著運輸及搬運卸載過程中的撞擊。中盒內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，從而使內部環(huán)境溫度變化緩慢，甚至穩(wěn)定，達到最終的保溫效果。

三、醫(yī)療保溫箱的瞬態(tài)熱分析

1.實驗條件。為對保溫效果進行熱分析，本研究采用ANSYS軟件對上述結構醫(yī)療保溫箱進行有限元分析。為了簡化模型，進行如下假設：忽略被包裝產品及其熱物性對模型的影響，保溫箱內充滿產品;產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各向同性;在溫度變化過程中，材料的各項物理參數不發(fā)生變化;忽略各部分裝配之間空隙空氣的對流;忽略材料之間的輻射熱傳遞。進行了保溫箱的瞬態(tài)熱分析，分析在一定時間內醫(yī)療保溫箱內各部分的溫度變化，重點監(jiān)測醫(yī)藥體的溫度變化情況。在Workbench的EngineeringData中進行材料編輯，包括比熱容、導熱系數及密度。材料賦值后進入程序定義界面，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軟件進行幾何建模，導入ANSYS軟件進行處理。先進行穩(wěn)態(tài)熱分析，對藥劑和冰盒分別賦初始溫度-18℃和-20℃。然后在穩(wěn)態(tài)基礎上進行瞬態(tài)熱分析，穩(wěn)態(tài)的結果將賦瞬態(tài)初始溫度值，設置結束時間為162000s，時間步長為60s。假設保溫箱外表面與自然環(huán)境的對流傳熱，箱內的各單元間熱傳通過接觸熱阻定義耦合傳熱。

2.結果分析。醫(yī)藥體在極端外界環(huán)境溫度40℃下162000s時間結束后的溫度分布。從圖中可以看出溫度分布均勻、對稱，符合理論預測結果。為了排除單一性，可見藥盒的溫度場分布與醫(yī)藥體一致，論證了溫度場的合理性。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)藥體溫度則已經上升至2.5℃（假設醫(yī)藥體在0℃以下溫度保存），此時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，此處是需要重點保溫的對象。

四、實驗驗證

為驗證模擬結果和方法的合理性和可靠性，進行了簡單的實驗比較。實驗內容：使用4#EPS盒子，外尺寸為340mm×220mm×180mm，內尺寸為300mm×180mm×140mm。實驗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EPS盒子，在30℃環(huán)境溫度下，利用溫度記錄儀記錄EPS盒子內冰塊的溫度變化。同時根據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冰塊的溫度變化。對實驗結果和模擬結果進行處理比較。溫度記錄儀的結果數據利用Origin畫圖軟件處理曲線，如圖2所示，而相應的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，考慮到實際實驗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雜，因此，本次實驗截取-20℃到-1℃這個過程的變化情況。從圖2可以看出，溫度從-20℃到-1℃，從15時到第二天5時共14h左右，而模擬結果曲線圖顯示從-20℃到-1℃共經歷54000s，計15h，相對誤差為7%，尚在可接受范圍之內。因此可以認為，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構，并用有限元分析軟件進行了模擬分析，得出醫(yī)療保溫箱的溫度分布場，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，應加強保溫。模擬結果表明，該醫(yī)療保溫箱在162000s內保持了良好的低溫環(huán)境，有較好的保溫效果。通過實驗和模擬比較研究了簡單結構的保溫效果，兩者較好的一致性說明模型和計算方法的合理性。

參考文獻：

[1] 秦凡.包裝箱用環(huán)保真空絕熱板的結構[J].包裝工程，2014，31（23）：50-52.

[2] 馬濤.保溫包裝整體設計及結構分析[J].包裝工程，2014，31（7）：51-53，65.

（作者單位：山東威高集團醫(yī)用高分子制品股份有限公司 ?山東威海）