雙溫區調控的食品冷鏈自清潔物流箱設計

高靖萱，楊文惠，張路平，李 洋

(東北林業大學 a.工程技術學院； b.土木工程學院，哈爾濱 150040)

0 引言

冷鏈物流在行業內外的受重視程度與日俱增，已實現了“門到門”的快捷便利的物流運輸[1]。冷鏈物流過程逐步規范，冷鏈物流企業日益發展，冷鏈物流信息技術水平也在不斷提高。消費者購買生鮮是一個即時需求，對配送時間要求很高，在這種情況下，新零售模式異軍突起，其打造的生鮮電商平臺致力于為消費者提供高頻次、隨時購隨時享的消費模式。這種運營模式的難點在于末端配送，由于生鮮在最后一公里呈現小批量、多批次、即時性的個性化需求，這對末端配送提出了更高的要求和挑戰，也增加了運營成本。在追求時效和安全的前提下怎樣優化末端配送成為企業長久發展的關鍵一環[2-3]。生鮮農產品易腐爛，因此對配送條件要求高的特點使得生鮮電商最后一公里的配送效率成為研究熱點[4]。

目前，冷鏈末端配送從起始點到消費點的流動儲存效率和效益無法得到控制和整合，冷鏈發展的滯后在一定程度上影響了食品產業的發展。由于針對多種多樣的生鮮貨品的配送設施、包裝要求和規格等水平較低，生鮮貨品常常與普通恒溫的商品同處共同的配送空間，從而導致配送環節的生鮮商品質量損失較大[5-6]。另外，常用的簡易篷布食品周轉箱的抗壓性與堅固程度也不能得到保證，因此運輸過程中箱內食品因裝置破損而損壞、傾灑的情況時有發生。食品運輸過程中，因外部環境和溫度的變化，物流箱內外溫度會受到較大的影響，實時的溫度監測就顯得尤為必要。配送過程中，多次打開箱蓋時，空氣中的灰塵或細菌會進入到箱內，對食品安全造成威脅。總體來說，當前的生鮮電商配送及運輸等環節的設施設備建設有待進一步完善。末端配送設備不僅僅是從單純的加冰泡沫箱發展到可自動調控溫度的物流箱，還應根據相應的食品衛生需求被賦予更多功能。

設計了多溫調控食品冷鏈自清潔物流箱，它具有自主調控溫度和一鍵殺菌消毒的功能，可廣泛用于生鮮冷鏈食品周轉，進一步提高冷鏈物流服務水平，保障食品安全。

1 整體結構和工作原理

1.1 整體結構

物流箱包括箱體、消殺模塊、監測模塊、冷熱存儲模塊和移動電源。使用SolidWorks進行建模，其整體結構如圖1所示。消殺模塊設置在箱體和頂蓋上，用于箱體內部的消毒殺菌；監測模塊設置在箱體的底部，用于檢測食品湯汁泄露；冷熱存儲模塊設置在箱體的內部；移動電源設置在箱體上，與消殺模塊、冷熱存儲模塊及監測模塊電性連接，使用CAD建立其剖視結構圖，如圖2所示。

圖1 物流箱 3D 結構圖Fig.1 3D structure of logistics box

圖2 物流箱剖視結構圖Fig.2 Logistics box section structure drawing

1.2 工作原理

通過分析市場需求，綜合已廣泛應用的物流箱功能，結合消費者對冷鏈末端配送的意見反饋，設計出多溫調控的食品冷鏈自清潔物流箱。基于SolidWorks軟件，可直觀反映物流箱的整體結構，計算出物流箱底板最大屈服應力為 5.05 e+08 N/m2，最大承載重量為100 kg。通過Proteus模擬仿真，物流箱內部可以實現自動升降溫，保證箱內兩側都處于設定溫度之內。根據相應的食品衛生需求，裝置被賦予監測傾漏、殺菌消毒、溫度調控等功能，為消費者提供了更好的服務。

1.2.1 外觀及材料

箱體內外表面采用Toyal Lotus材料。Toyal Lotus是具有拒水性的功能性包裝材料，該拒水功能是通過對包裝材料表面進行物理化學處理，使其形成像荷葉一樣的分形結構，從而實現與水的接觸角度為170°以上的超拒水性，在密封材料表面形成含有微米級別的微細空氣的拒水膜，從而形成超拒水性的表面狀態[7]，使物流箱具有極強的拒水性和密封性。

1.2.2 內體自清潔

物流箱內頂部設有紫外線殺菌燈，采用規格為15 W的普通型紫外線殺菌燈，其輻射強度≥20 um/cm2。被紫外線消毒燈照射5 min左右即可將箱體內所的細菌等殺死，以保障外賣箱內部的安全衛生。

1.2.3 物流運輸防傾倒監測

物流箱設有預防監測泄漏系統，食品可以受到有效緩沖保護，以防出現灑漏的情況影響食品品質。物流箱內部設有滑道槽及可拆卸的橫縱隔板，可放置不同大小的食品，以防灑漏。

1.2.4 溫度監控

物流箱內部空間采用冷熱分離式，分離隔板的兩側安置半導體制冷片，穩定冷熱兩區域餐品的溫度，實現自主調節。物流箱通過溫度傳感器實時監測箱體內的溫度，經單片機處理后的溫度數值與設定值進行比較，判斷溫度高低，從而采取相應的措施，保持箱內食品溫度恒定。

2 物流箱主要機構設計

本產品可應用于生鮮冷鏈物流市場，也適用于家庭，要求箱體能夠方便運輸，具有一定的容量和耐用性，能夠重復多次使用，需具有便于清潔、殺菌消毒、冷熱分隔、防傾倒和溫度調控等功能。針對以上需求，可從物流箱主要機構和多溫調控系統兩個方面進行設計與研究。

2.1 物流箱的主要機構

外觀結構。箱體外部安裝有萬向輪，通過六角頭螺栓固定在箱體的底部，減震裝配體設置在萬向輪的內部，有利于萬向輪的承重，提高箱體的穩定性，防止因顛簸引起的食品撒漏。箱體外部設有三節拉桿，由拉桿下橫條、拉桿外管、外管包邊、拉桿中管、中管包邊、拉桿內管、拉桿把手、拉桿上橫條組成，收縮時體積小，可調節性更換，調節高度更方便。該結構的設計可以方便配送員在任何情況下進行工作，給用戶帶來更好的體驗，如圖3所示。

圖3 箱體外觀結構Fig.3 Exterior structure of box body

消殺模塊。箱體消殺模塊包括紫外線消毒燈管，設置在頂蓋的底部，與移動電源電性連接，如圖4所示。接通電源后，紫外線消毒燈工作，可滅活箱體內 99% 的細菌，對箱體內部及食品起到殺菌消毒的作用。箱蓋打開時，開關會自動斷開，紫外線消毒燈停止工作，避免因照射皮膚而對人體產生傷害。

圖4 箱體消殺模塊Fig.4 Box elimination module

檢測模塊。箱體檢測模塊包括底板、彈簧、折疊支架和重力傳感器，如圖5所示。底板設置在箱體的底部，彈簧的一端與底板的底部連接，彈簧的另一端與箱體的底端內壁連接，折疊支架設置在箱體內壁上，重力傳感器設置在底板的底部，彈簧起到緩沖的作用，避免過度傾斜，保證食品配送過程中不會發生食品灑露，減少損失，重力傳感器用于檢測食品是否泄露，當食品泄露到底板上時，重力傳感器會發出報警信號。

圖5 箱體檢測模塊Fig.5 Box detection module

冷熱存儲模塊。箱體冷熱存儲模塊包括隔熱板、半導體制冷器、溫度傳感器和控制器，如圖6所示。隔熱板設置在箱體內部中間，將箱體內部分隔為冷食品存放區和熱食品存放區。溫度傳感器用于檢測箱體的內部溫度，將溫度信號傳輸到LCD顯示屏進行實時溫度顯示，并傳輸到控制器，將其與設定值進行比較，判斷溫度高低。由于半導體制冷器本身具有制冷和加熱的功能，因此可以代替分立的加熱系統和制冷系統，箱體一端將會產生制冷效應，另一端會產生制熱效應，可以穩定冷熱兩區域餐品的溫度，實現自我調節。

圖6 箱體冷熱存儲模塊Fig.6 Container cold and hot storage modules

2.2 多溫調控系統

2.2.1 多溫調控電路的原理

為使物流箱能夠實現保冷和保熱的功能，在箱體中部增設隔板，以 AT89C51 單片機作為核心，根據半導體制冷的工作原理，選取了以 TEC1-03103 半導體制冷芯片為關鍵制冷部件的多功能送餐箱設計方案，其原理如圖7所示。

圖7 多溫調控原理圖Fig.7 Schematic diagram of multitemperature control

利用 AT89C51 單片機作為控制單元，防水封裝溫度傳感器 DS18B20 雙路采集箱內實際溫度數據，并利用 LCD 液晶屏顯示箱體內兩側實時溫度，利用鍵盤設置箱內兩側溫度，進而實現溫度檢測與控制之間的協調工作[8]。通電后，若實時溫度與設定溫度產生偏差，則系統會自動進行升溫或降溫的調節。

2.2.2 多溫調控電路的設計

多溫調控電路包括溫度檢測電路、按鍵控制電路、溫度顯示電路及半導體制冷電路。

溫度檢測電路。物流箱溫度控制系統選用的是 DS18B20 數字溫度傳感器，用于采集箱內兩側實時溫度數據[8]，測溫范圍為-55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃。該溫度傳感器采取外部電源供電，使用中不需要任何外圍元件，輸出數字信號，具有體積小、成本低、抗干擾能力強、精度高等特點，且電路結構較為簡單[8]，可將采集到的箱體內保熱端溫度數據傳送到單片機 P1.6 處理，將箱體內保冷端的溫度數據傳送到單片機 P1.7 處理。

按鍵控制電路。控制電路由鍵盤輸入，包括開機鍵(on)、關機鍵(off)、設置鍵(set)、升溫鍵(up)和降溫鍵(down)5個按鍵[8]。通電后，可利用設置鍵分別設置箱體內兩側達到的溫度上下閾值，若實際采集溫度與系統設置溫度閾值有偏差，系統會自動控制半導體芯片進行升溫或降溫調節，使溫度處于設定范圍內。

溫度顯示電路。采用LCD1602 顯示箱內兩側的實時溫度，利用 AT89C51 單片機驅動，利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制。

半導體制冷材料。半導體制冷也稱熱電制冷，它利用特種半導體材料構成的 P-N 結，形成熱電偶對，產生珀爾帖效應，從而達到制冷和制熱的效果[9]。根據帕爾帖效應原理，半導體制冷片上產生的熱量與其通過電流強度成正比，其關系式為：

Q=I×π=(αp-an)T×I

(1)

其中：π為帕爾帖系數，αpαn分別為p型和n型電偶臂的溫差電動勢；T為結點上的絕對溫度；I為透過結點的電流。

因此，在一個電偶上的產冷量為：

(2)

其中：R為熱電偶的等效電阻；T為半導體冷熱端溫差；K為半導體結點的總熱導。

根據多功能送餐箱的應用場合和溫度的調節范圍，利用單片機驅動，選取三級半導體制冷芯片作為實際應用的工作芯片，且芯片兩端均帶有陶瓷板安裝散冷器或散熱器[10]，以實現溫度調節。

3 物流箱的仿真分析

3.1 溫度控制電路仿真分析

溫度控制電路中，使用電磁繼電器代替 TEC1-03103 半導體制冷芯片模擬升降溫，使用Keil軟件編寫成hex文件，鏈接Proteus進行調試編譯，仿真物流箱箱體內兩側溫度調控。

如圖8所示為物流箱正常工作的情況，仿真箱內一側實時溫度為4℃，在設定的4℃～6℃，右側實時溫度為12℃，在設定的12℃～14℃，可以保證箱體內兩側都處于恒溫狀態。

圖8 溫度正常Fig.8 Normal temperature

如圖9所示為物流箱內溫度異常的情況，當箱體內溫度不在設定范圍內，即超過設定溫度的上限或下限，蜂鳴器會發出警報，半導體制冷芯片對箱體進行升降溫處理，直至溫度下降到設定溫度范圍內，警報解除。

圖9 溫度異常Fig.9 Temperature abnormity

由上述仿真實驗可知，對箱體內兩側進行雙路溫度采集并顯示，通過TEC1-03103半導體制冷芯片進行升降溫，可保證箱內兩側都處于設定溫度之內，物流箱滿足多溫調控的需求，可以正常使用。

3.2 溫度場模擬

3.2.1 數學模型建立

按照物流箱設計需求，該產品需滿足大部分冷鏈食品的貯藏條件，傳熱學和空氣動力學是本次設計仿真的重要實驗基礎[11]，運用ANSYS Workbench軟件進行仿真，設置環境是理想環境狀態下。冷藏內部空間為自然空氣，空氣自然流動且不可壓縮。為方便計算，忽略箱蓋縫隙影響，箱蓋與箱體視作一個整體，箱內部空間為一個整體，箱內氣體濕度均設置為正常狀態下的自然流動，忽略箱體內外的熱輻射，主要制冷來源即隔板半導體制冷器的熱量傳導與對流。

物流箱內部熱傳導對流方程：

(3)

q=-λ?T

(4)

物流箱外部與空氣對流方程：

-n*q=q0

(5)

qo=h(Text-T)

(6)

式中：Cp為恒壓熱容；Q為內熱流；ρ為密度；k為傳熱系數；q為熱流密度；ΔT為溫度梯度。

3.2.2 仿真過程

使用ANSYS 2021R2軟件進行仿真，由于物流箱為對稱結構，為簡化仿真過程，選取箱體一側進行溫度場仿真。在SolidWorks中抽象出空間形狀，為長方體，設置材料屬性為空氣，考慮到半導體制冷片安裝在箱體中央隔板處，將物流箱一側劃分從右至左溫度呈現梯度增加，自然對流換熱系數一般為5～10 W/(m2K)，箱內粗略計算為10 W/(m2K)，仿真過程如圖10所示。

圖10 溫度場仿真Fig.10 Temperature field simulation

3.2.3 結果分析

由仿真結果可見，箱體內一側溫度從右至左溫度較為均勻，最低溫度為12℃，最高溫度為12.032℃，平均溫度為12.019℃，符合箱體內12℃～14℃的溫度設置范圍，說明該物流箱設計合乎實際情況，初步仿真實驗良好，可滿足使用需求。

4 結語

該設計選擇冷鏈物流末端配送的物流箱為研究對象，針對市場中的物流箱溫度不可控、衛生安全得不到保障、遇到沖擊導致食品傾倒灑漏等問題進行優化設計。外體采用Toyal Lotus材料，使物流箱具有極強的拒水性和密封性，為食品安全提供保障；使用紫外線燈，有效殺菌消毒，為內體清潔環境提供保證；底盤安裝重力傳感器和緩沖裝置，以免食品傾倒造成灑漏情況；選擇 DS18B20 數字溫度傳感器、單片機、半導體制冷材料進行溫度控制，并進行實時檢測與調節，滿足溫度可調控功能。針對各項功能進行相應的仿真實驗，實驗效果良好，較好地解決了冷鏈物流末端物流箱結構不合理、衛生安全差、溫度控制不當等問題，有效提高了溫控精度與工作效率，增加了便捷性與安全性。