野戰低溫儲運箱設計

吳太虎 魏建倉* 孫建軍 劉統新

1 引言

在自然災害、意外醫療事故等突發事件醫療救援或野戰條件下的現場救治中，通常采用建立現場或野外臨時醫療救治中心。藥材、血液、血制品和醫療器械等醫療救治物資以致食品、飲用水等生活物資都先向救治中心集中輸送，這就必須考慮對需使用的藥物制劑、血液制品、疫苗、生物制品等溫度敏感物品運輸過程的冷凍和冷藏。因此，迫切需要一種適于野外條件下使用的、易于攜行運輸可車載的冷凍、冷藏設備。目前，在軍事和醫療救治方面，雖然裝備了具有部分帶有制冷功能的保溫箱，但其用途單一、容量小、制冷速度慢，功耗大，不能滿足在自然災害及戰爭條件下開展救治時對需冷凍或冷藏的藥品、血液等物資運輸儲存的需求。

野戰低溫儲運箱采用的是壓縮機制冷方式，其制冷效率高，制冷速度快，箱體內部冷風循環，箱體保溫效果好，冷量失散少，達到與環境溫度相差40 ℃的溫差控制，冰箱內部安裝數字化溫度采集控制系統，通過電子調節系統，制冷迅速，恒溫效果好；具有冷藏和冷凍功能，冷藏功能下可使箱體溫度恒定在2～6℃，冷凍功能能使箱內溫度與箱外溫度溫差達到40 ℃以上，溫度控制效果良好，可外接220 V交流電源和12 V直流電源，能有效解決野外急救時藥品、血液、血制品、生物制品、疫苗等物資的冷凍和冷藏的儲存和運輸問題。

2 結構設計

2.1 底座結構設計

野戰低溫儲運箱箱體結構，主要由四個部分組成：箱蓋、主箱體、蒸發室密封側蓋、側蓋面板。由于箱體設計注重一體化整體成型，因此結構非常簡單，箱體堅固，強度高，裝配、保溫性能好。箱體、箱蓋、蒸發室密封側蓋，均采用了滾塑成型工藝，在中空的箱壁內聚氨酯均勻發泡，具備優異的保溫性能。箱體設計采用數字化虛擬樣機技術，通過模擬仿真，充分驗證箱體的裝配結構、安裝性能、風道設計和密封保溫等工藝效果，從而指導箱體的實際研制設計，提高設計成功率，縮短開發周期，減少不必要的經費消耗（見圖1）整個箱體（見圖2）。

圖1 箱體結構圖

圖2 野戰低溫儲運箱照片

2.2 箱內橫流冷風循環風道

箱內橫流冷風循環風道的工作原理為：由于壓縮機制冷在蒸發室形成低溫環境，從而導致流經蒸發室的氣流溫度降低，帶走冷量，由橫流風扇將冷風橫流均勻吹出蒸發室；在進入箱內時出風口風道引導冷風從箱體頂部吹向箱體另一端，而冷風在流經過程中由于重力作用自然下沉，箱體另一端受到阻礙的冷風也下沉到箱底；在回風口由于橫流冷風機的吸力作用，將下部的氣流吸入蒸發室，這樣就形成一個閉環的冷風循環場，由于氣流不斷快速流動，因此箱內溫度狀況均勻，降溫速度很快（見圖3）。

圖3 箱內橫流冷風風場示意圖

2.3 箱外散熱排風風道

箱外散熱風道主要用于大功率開關電源、驅動板、壓縮機驅動器、壓縮機、冷凝器等熱源的散熱，依靠合理的氣流設計，使得熱量充分散失，提高電子器件、電機和制冷系統工作的可靠性（見圖4）。箱外散熱排風風道的俯視氣流示意圖顯示，冷凝器處風機向外吹風，從而將冷凝器的熱量帶走，由于側壁的密封性好，因此會從風阻小的進風口風柵進風，由于壓縮機出風口的對稱性，因此氣流會充分吹到電源和驅動板安裝組件，再經過壓縮機驅動器，從壓縮機兩側到達冷凝器，這樣形成高效的散熱風道，保障系統可靠運行。

圖4 箱外散熱排風風道俯視圖

2.4 制冷系統結構[1]

制冷系統的裝配充分考慮模塊化和一體化設計，使得箱體模塊化，制冷組件模塊化，并且制冷組件包含了壓縮機、毛細管（節流閥）、干燥閥、蒸發器、冷凝器等完整的一套微型化壓縮機制冷系統，只要將制冷組件整體推入安裝位置，蓋上密封板和側板即可，集微型化設計、模塊化設計、一體化設計為一體，設計新穎，方便實用，制冷效果優異（見圖5）。由圖中可以很清晰的看出設備組裝的便捷性和可靠性。

圖5 制冷系統結構

2.5 電子控制設計

野戰低溫冰箱電子控制系統包括：壓縮機驅動及風扇輸出控制、溫度采集與顯示操作、溫度記錄及USB下載、后備電池充電系統等部分。制冷及風扇輸出控制具備反電勢檢測無傳感器驅動壓縮機電機，壓縮機的啟動/停止控制，以及風扇電壓切換與穩壓，以使風扇滿足12 V/24 V雙電壓工作條件。溫度采集與顯示操作部分包括人機交互部分，全數字操作面板，數字溫度數據顯示。數據記錄使能后，每5 min記錄一個數據，事后可采用USB移動存儲設備下載溫度數據，在PC機端進行數據驗證與分析。后備電池部分設計了高效快速充電電路，只需正常連接220 VAC工作4 h，即可充滿2 AH鎳氫電池組，該電池主要用于斷電保溫期間溫度數據的監控與預警(見圖6)。

圖6 野戰低溫儲運箱控制系統電路框圖

2.6 軟件工作流程

軟件工作流程見圖7。

圖7 軟件工作流程圖

3 性能試驗

根據野戰低溫儲運箱的勤務特點，對研制的樣機進行了性能試驗，通過對樣機空箱在環境溫度為攝氏30℃時開機連續工作，對野戰低溫儲運箱的降溫速度、最大降溫幅度、儲藏室內溫場均衡等性能指標進行了試驗（見圖8，圖9，圖10），圖8，圖9，圖10中A點、B點、C點為溫度傳感器位于野戰低溫儲運箱儲藏室內的測溫位置，其中A點、B點位于儲藏室內上部金屬托盤的兩側中間位置，C點位于儲藏室內底層中央位置[6-7]。

圖8 空箱降溫性能試驗

圖9 空箱保溫性能試驗

圖10 10 min間隔負載性能圖

溫度測量采用文獻[8]所述的智能溫度記錄儀，試驗結果：由圖8的試驗數據可看出，野戰低溫儲運箱在1 h內與環境溫度相比降溫達攝氏27 ℃,2 h內能降溫40 ℃，降溫迅速，試驗過程中儲藏室內部溫度差異均勻在±1 ℃范圍以內，表明冰箱制冷風道設計良好，能有效保證儲藏室內溫場均衡性。野戰低溫儲運箱每隔兩小時進行一次除霜過程，在除霜過程中，壓縮機停止工作，此時箱內外溫度差值一般在40 ℃左右，箱內溫度會由于熱傳導而升高，除霜10 min過程內，野戰低溫儲運箱冷藏溫度始終滿足工作需求（見圖9），同時試驗過程中三個不同數據點在儲藏室內部溫度差異均勻在±1 ℃范圍以內，表明野戰低溫儲運箱具有良好的保溫效果。

將2000 mL冰盒3個，500 mL冰袋8個，總計10000 mL冰盒冰袋作為儲物負載裝入野戰低溫儲運箱中，進行冷藏工作狀態(負載)下溫度性能試驗。由圖10可知，帶負載工作狀態下降溫速度要慢于空冰箱時降溫速度；整個負載試驗過程中野戰低溫儲運箱工作良好，滿足設計指標。

4 結論

該野戰低溫儲運箱按照GJB150A-2009標準[9]要求，在中國包裝科研測試中心進行了高溫、低溫、濕熱、振動、沖擊和低氣壓等基本性能試驗，并在解放軍第254醫院及海軍總醫院等單位進行了試用，參加了2010年廣州亞運安保，工作情況良好。試驗和實踐應用證明：該野戰低溫儲運箱具有冷藏和冷凍雙重工作模式，冷藏模式下能可靠穩定的工作在攝氏2～6 ℃范圍，冷凍模式下能達到40 ℃以上溫差，環境適應能力強，能夠滿足自然災害救援、抗擊流行病等突發性醫療救援或戰時醫用物資應急運輸和儲存，是一款功耗低、可車載的低溫儲運箱；可有效提高現場救治的醫療保障能力；在醫用物資野外應急運輸儲存方面應用的前景廣闊[10]。

[1]王永祿.提高風冷電冰箱蒸發器傳熱效率的有效途徑[J].家用電器科技,2000(3):55-56.

[2]吳太虎,孫建軍,劉洋,等.小型血液溫度監測記錄儀研制[J].中國醫療器械信息,2006,12(9):21-24.

[3]中國人民解放軍總裝備部.GJB 150.1A-2009軍用裝備實驗室環境實驗方法第一部分:通用要求[S].北京:中華人民共和國國家軍用標準,2009.

[4]WHO.Safe vaccine handling,cold chain and immunizations[M].Geneva:World Health Organization,1998:8-15.

[5]甘新宇,朱國標,黃菲,等.地震等突發事件時血液運送的探討[J].西南軍醫,2009,11(5):890-891.

[6]孫建軍,吳太虎,劉洋.血液冷藏箱溫度監測系統研制[J].現代電子技術,2006(16):160-163.

[7]傅征,霍忠厚,王政,等.軍隊衛生裝備學[M].北京:人民軍醫出版社,2004:603-604.

[8]Johnson VV,Swiatkowski SA. Scientific aspects of supplying blood to distant military theaters[J].Curr Opinion Hematol,2007,14(6):694-699.

[9]吳衛星,楊寧,欒堯.突發事件時血液供應方式的探討[J].中國輸血雜志,2006,19(2):165-167.

[10]湯黎明,劉鐵兵,朱興喜.醫用冷藏運輸箱的設計與制作[J].中國醫療器械雜志,2010,34(2):109-111.