恒溫應(yīng)急救援包裝研究與設(shè)計(jì)

□ 陳亞昕，郭清娥，張 靜

(1.西安工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西 西安 710021;2.陜西省兵工科技創(chuàng)新發(fā)展軟科學(xué)研究基地，陜西 西安 710021;3.陜西高校軍民融合科技創(chuàng)新研究中心，陜西 西安 710021)

應(yīng)急救援物資的運(yùn)輸與配送對(duì)于及時(shí)救援十分重要，而應(yīng)急救援裝備是應(yīng)急救援中的重要一環(huán)，應(yīng)急物流包裝技術(shù)需要快速發(fā)展以滿足應(yīng)急救援需求，但就目前而言，由于生產(chǎn)應(yīng)急救援產(chǎn)品沒(méi)有較大的利潤(rùn)，導(dǎo)致生產(chǎn)應(yīng)急救援產(chǎn)品的企業(yè)長(zhǎng)時(shí)間處于停滯狀態(tài)[1]。另一方面，設(shè)計(jì)應(yīng)急救援包裝的人員也較為稀缺。由于自然災(zāi)害的發(fā)生具有不可預(yù)知性和破壞性，因此，設(shè)計(jì)應(yīng)急救援包裝可以防患于未然。目前的應(yīng)急救援包裝多以簡(jiǎn)單的箱體設(shè)計(jì)為主，但應(yīng)急救援箱無(wú)法同時(shí)具備制冷和制熱的功能，并且會(huì)產(chǎn)生溫度相互傳導(dǎo)致使效率降低的問(wèn)題；目前恒溫應(yīng)急救援箱在存放液體時(shí)會(huì)出現(xiàn)因晃動(dòng)導(dǎo)致液體的碰撞與泄漏的情況。為此，本文將基于以上現(xiàn)實(shí)背景，設(shè)計(jì)一款恒溫應(yīng)急救援箱以達(dá)到為應(yīng)急管理提供理論依據(jù)和功能創(chuàng)新的目的。

1 應(yīng)急救援包裝存在的問(wèn)題

1.1 功能性問(wèn)題

到目前為止，我國(guó)應(yīng)急救援包裝的功能類型較為單一，多以外表鋁合金材質(zhì)，內(nèi)襯EVA減震棉為主，雖然能夠在一般情況下應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，但是因?yàn)楣δ苓^(guò)于簡(jiǎn)單，除基礎(chǔ)儲(chǔ)存外基本無(wú)其他功能等，在實(shí)際救援活動(dòng)中很難提升應(yīng)急救援的效率，難以保障藥品類和食物類等有溫度要求的應(yīng)急救援物資。即使出現(xiàn)一些新型的應(yīng)急救援包裝技術(shù)，也僅僅是對(duì)箱體內(nèi)部部件進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)以達(dá)到方便存取的目的，無(wú)法滿足有溫度要求的物資運(yùn)輸需求。在物流業(yè)全面健全的過(guò)程中，受到應(yīng)急產(chǎn)業(yè)的影響，應(yīng)急救援物流正是大勢(shì)所需，應(yīng)急救援物流裝備更是應(yīng)急救援物流的保證，也證實(shí)了應(yīng)急救援物流是特殊的物流體系。上述內(nèi)容表明，我國(guó)應(yīng)急救援物流必將不斷發(fā)展以滿足需求。但如果我國(guó)應(yīng)急救援包裝仍然只有簡(jiǎn)單的儲(chǔ)存功能而不去考慮技術(shù)進(jìn)步，則無(wú)法更有保障地展開(kāi)應(yīng)急救援活動(dòng)，而帶來(lái)的代價(jià)則是人力、物力、財(cái)力的大量浪費(fèi)。

1.2 設(shè)計(jì)能力問(wèn)題

我國(guó)現(xiàn)有的應(yīng)急救援包裝因應(yīng)急救援裝備產(chǎn)業(yè)的弱經(jīng)濟(jì)性[2]，而導(dǎo)致設(shè)計(jì)者較少，設(shè)計(jì)能力不足。而設(shè)計(jì)內(nèi)容多以紅色、綠色箱體為主，形狀單一，導(dǎo)致不同的產(chǎn)品品牌之間的差異性不大，同時(shí)應(yīng)急救援包裝的設(shè)計(jì)相較于冷鏈物流包裝而言無(wú)論是設(shè)計(jì)量還是設(shè)計(jì)的維度都多有不足。而研究者不應(yīng)純以利益為主，而應(yīng)該在不同的領(lǐng)域內(nèi)不斷拓展。目前應(yīng)急物流包裝尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化體系，國(guó)內(nèi)應(yīng)急救援物流包裝標(biāo)準(zhǔn)也未形成，導(dǎo)致救援者在救援過(guò)程中很難做到協(xié)同化。最后，現(xiàn)階段我國(guó)應(yīng)急物流包裝設(shè)計(jì)的針對(duì)性較弱，通常僅僅是設(shè)計(jì)出一個(gè)具有基本功能的箱體以滿足最基礎(chǔ)的救援物資運(yùn)送，針對(duì)某一場(chǎng)景特色的設(shè)計(jì)較少。

在地震場(chǎng)景中經(jīng)常可以看見(jiàn)救援人員使用地震救援箱為災(zāi)民救治，質(zhì)量可靠的地震救援箱能夠裝下大部分應(yīng)急救援所需要的物資，正是因?yàn)槿绱耍阅芰己玫牡卣鹁仍涑蔀榱说卣鹁仍臉?biāo)配。由于地震救援箱擁有非常出色的性能，不但有強(qiáng)密封效果同時(shí)還可以防水耐高低溫等，因此地震救援箱廠家認(rèn)為這種箱體不但可以在地震救災(zāi)場(chǎng)景中發(fā)揮重要的作用，而且在其他需要使用救援箱的場(chǎng)景中也可以有出色的表現(xiàn)。

2 應(yīng)急救援包裝恒溫化

2.1 強(qiáng)化恒溫優(yōu)勢(shì)，發(fā)展恒溫化包裝

到目前為止，我們?cè)趹?yīng)急救援包裝領(lǐng)域中使用過(guò)的包裝容器有塑料箱、便攜包、金屬箱等。包裝的設(shè)計(jì)過(guò)程中幾乎沒(méi)有把溫度因素納入考慮之中，但是如果不把溫度納入考慮中，在應(yīng)急救援的過(guò)程中會(huì)存在各種各樣的局限性。如：新冠疫苗的存放溫度為2～8℃，血漿的存放溫度為-20℃或更低，諸如上述的物資還有很多。上述物資為比較典型的特例，那么此時(shí)恒溫包裝的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了，這類物資是一般應(yīng)急救援包裝無(wú)法運(yùn)載的，因?yàn)閲?guó)內(nèi)夏季日均最高溫可達(dá)28℃，如果運(yùn)送血漿和疫苗的話就需要采用其他的運(yùn)輸設(shè)備，運(yùn)輸配送成本較高，同時(shí)過(guò)程也比較復(fù)雜。

另外，可以結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)應(yīng)急物流包裝技術(shù)進(jìn)行提升和發(fā)展，例如，可以采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的需求量和需求特征進(jìn)行預(yù)測(cè)和把控；還可以采用虛擬仿真技術(shù)提升包裝設(shè)計(jì)的能力，AutoCAD、3DMax、Solidworks等這類仿真建模軟件都是在仿真產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域運(yùn)用較多的，本文將基于AutoCAD對(duì)恒溫應(yīng)急救援箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 嘗試溫度區(qū)域化

時(shí)至今日，在恒溫的基礎(chǔ)上還應(yīng)該考慮將溫度進(jìn)行區(qū)域化處理并用于應(yīng)急救援包裝。這一點(diǎn)作為本次設(shè)計(jì)的一個(gè)核心內(nèi)容具有獨(dú)創(chuàng)性，其原理較為簡(jiǎn)單，即將箱體區(qū)域化分為制冷區(qū)和制熱區(qū)兩個(gè)儲(chǔ)存區(qū)域。為了不影響兩個(gè)區(qū)域的箱體正常運(yùn)作，設(shè)計(jì)一箱兩區(qū)(制冷區(qū)和制熱區(qū))，并以隔熱板將兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行內(nèi)壁的填充。設(shè)計(jì)出利用不同溫度設(shè)置滿足不同物資要求的新型恒溫應(yīng)急救援箱。

3 新型應(yīng)急救援包裝的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

①恒溫性：此包裝設(shè)計(jì)為滿足應(yīng)急救援活動(dòng)中各類應(yīng)急救援物資的控溫時(shí)間需求，以保證應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)有時(shí)效性的重要救援物資能夠及時(shí)送達(dá)。②適用性：包裝應(yīng)用于應(yīng)急救援場(chǎng)所，例如火災(zāi)、地震等，應(yīng)當(dāng)具有較高的耐用性，因此箱體表層應(yīng)當(dāng)使用強(qiáng)度較高的材料如鋁合金、高分子聚乙烯等。③時(shí)效性：應(yīng)急救援物資到達(dá)應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)當(dāng)保證有時(shí)效的物資能夠有保存的時(shí)間，直至物資得以發(fā)配、使用。④便攜性：該包裝的攜帶應(yīng)當(dāng)減輕救援行為的阻力，因此設(shè)計(jì)時(shí)考慮地形的特殊性應(yīng)在箱體外部增加便攜部件以及防撞擊部件。⑤兩溫性：為滿足保溫以及制冷兩個(gè)板塊，箱體應(yīng)當(dāng)區(qū)域化分開(kāi)，以隔熱板作為中間部分，箱體保溫和制冷區(qū)域具備各自相應(yīng)的設(shè)備。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：本文設(shè)計(jì)的恒溫應(yīng)急救援箱，包括箱體，所述箱體的上表面轉(zhuǎn)動(dòng)連接有第一箱蓋，所述第一箱蓋的內(nèi)表面固定連接有第一安裝槽，所述第一安裝槽的前表面固定連接有加熱棒，所述箱體的上表面且位于第一箱蓋的右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接有第二箱蓋，所述第二箱蓋的內(nèi)表面設(shè)置有第二安裝槽，所述第二安裝槽的前表面固定連接有回流管，所述箱體的底內(nèi)壁固定連接有隔板，所述隔板與箱體之間形成空腔；所述箱體空腔的底內(nèi)壁固定連接有電池，目的是在應(yīng)急救援的過(guò)程中保證箱體功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所述箱體的底內(nèi)壁且位于隔板的右側(cè)固定連接有固定槽，所述固定槽的內(nèi)表面滑動(dòng)連接有支撐管，所述支撐管的內(nèi)部滑動(dòng)連接有連接桿，所述連接桿的上表面固定連接有金屬頭；所述箱體的下表面固定連接有防滑板，所述防滑板的數(shù)量為多個(gè)；所述回流管輸入端固定連接有冷卻腔，所述冷卻腔位于第二箱蓋的內(nèi)部；所述冷卻腔與回流管的輸出端固定連接，所述隔板的材質(zhì)為礦棉板；所述電池的上表面設(shè)置有彈性墊，所述空腔的后表面固定連接有置物袋；所述箱體的右表面固定連接有控制板，所述箱體的右表面且位于控制板的右側(cè)設(shè)置有插座；所述連接桿的數(shù)量為多個(gè)，材質(zhì)為金屬；所述支撐管與連接桿之間具有一定阻尼，所述連接桿的上表面設(shè)置有安裝管[3]。

②箱體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)描述。

箱體在本文的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”“上”“下”“左”“右”“豎直”“水平”“內(nèi)”“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本文箱體設(shè)計(jì)的限制，術(shù)語(yǔ)“第一”“第二”“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性，此外，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”“相連”“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接，可以是機(jī)械連接，也可以是電連接，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通[4]。

參照?qǐng)D1-4，本文設(shè)計(jì)的恒溫應(yīng)急救援箱：包括箱體1，所述箱體1的下表面固定連接有防滑板4，所述防滑板4的數(shù)量為多個(gè)，所述箱體1的上表面轉(zhuǎn)動(dòng)連接有第一箱蓋7，所述第一箱蓋7的內(nèi)表面固定連接有第一安裝槽5，所述第一安裝槽5的前表面固定連接有加熱棒6，加熱棒6用于提供熱量，所述箱體1的上表面且位于第一箱蓋7的右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接有第二箱蓋9，所述第二箱蓋9的內(nèi)表面設(shè)置有第二安裝槽8，所述第二安裝槽8的前表面固定連接有回流管10，所述回流管10輸入端固定連接有冷卻腔，所述冷卻腔位于第二箱蓋9的內(nèi)部，所述冷卻腔與回流管10的輸出端固定連接，所述隔板16的材質(zhì)為礦棉板，所述箱體1的底內(nèi)壁固定連接有隔板16，所述隔板16與箱體1之間形成空腔2。通過(guò)設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)，避免溫度差異較大的兩側(cè)進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，降低救援箱溫度控制的效果。

圖1 保溫箱剖面圖

圖2 容器剖面圖

圖3 容器簡(jiǎn)圖

圖4 保溫箱簡(jiǎn)圖

所述箱體1的右表面固定連接有控制板11，所述箱體1的右表面且位于控制板11的右側(cè)設(shè)置有插座，所述空腔2的底內(nèi)壁固定連接有電池17，所述電池17的上表面設(shè)置有彈性墊，所述空腔2的后表面固定連接有置物袋3，所述箱體1的底內(nèi)壁且位于隔板16的右側(cè)固定連接有固定槽14，所述固定槽14的內(nèi)表面滑動(dòng)連接有支撐管18，所述支撐管18的內(nèi)部滑動(dòng)連接有連接桿15，所述支撐管18與連接桿15之間具有一定阻尼，所述連接桿15的上表面設(shè)置有安裝管13，安裝管13用于放置試劑，所述連接桿15的數(shù)量為多個(gè)，材質(zhì)為金屬，所述連接桿15的上表面固定連接有金屬頭12，金屬頭12用于傳導(dǎo)熱量。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增加保持溫度較低一側(cè)的制冷效果。

③工作原理。

將需要保持溫度的物品放置在空腔2的內(nèi)部，置物袋3可以對(duì)較小的物品進(jìn)行放置，可以根據(jù)需要打開(kāi)某一側(cè)的箱蓋，同時(shí)使用隔板16進(jìn)行保溫，避免溫度相互傳遞，將試劑類需要低溫儲(chǔ)存的藥品放置在安裝管13的內(nèi)部，連接桿15可以對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，防止其破碎，將支撐管18放置在固定槽14的內(nèi)部，保持其穩(wěn)定，金屬頭12與連接桿15將熱量傳遞至回流管10從而進(jìn)行降溫。

3.3 保溫性能理論驗(yàn)證

對(duì)于溫度控制時(shí)間，已有學(xué)者進(jìn)行研究，并給出長(zhǎng)方體保溫容器的控溫時(shí)間預(yù)測(cè)計(jì)算公式，如公式(1)所示[5]：

(1)

本文設(shè)計(jì)的恒溫應(yīng)急救援箱的隔熱層材料為EVA泡棉，其導(dǎo)熱系數(shù)約為0.029W/(m·K)；正視圖前后、正視圖左右、正視圖上下外表面的表面積分別約為0.2603、0.1916、0.0681(m2)；那么可以計(jì)算出恒溫應(yīng)急救援箱的外表面積(A0)為1.04(m2)、內(nèi)表面積(Ai)為0.2394(m2)；恒溫應(yīng)急救援箱的壁厚(Δx)為0.023(m)。在控溫時(shí)間預(yù)測(cè)模型中代入上述相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出恒溫應(yīng)急救援箱系統(tǒng)熱阻R=191.55(K/W)。

同時(shí)，恒溫包裝控溫時(shí)間模型如公式(2)所示[5]。

(2)

設(shè)定，文中的參數(shù)均在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓下(101.325kPa)，式中m為制冷劑質(zhì)量(kg)，制冷劑考慮應(yīng)急救援物資中有藥物，應(yīng)避免與其發(fā)生反應(yīng)，選擇化學(xué)惰性物質(zhì)液氮；l為制冷劑相變潛熱系數(shù)(j/kg)；R為恒溫應(yīng)急救援箱內(nèi)系統(tǒng)熱阻，T0,∞為儲(chǔ)藏外部的環(huán)境溫度(K);Ti為恒溫應(yīng)急救援箱內(nèi)部溫度,文中溫度為開(kāi)氏溫度(K)。此包裝預(yù)設(shè)放置制冷劑的最大體積約為0.0016(m3)；選用的制冷劑為液氮，液氮的相變潛熱系數(shù)為198(KJ/kg)，其密度為808.9(kg/m3)，該箱體所能容納的最大制冷劑質(zhì)量m為1.29(kg)；R根據(jù)式(1)算出為191.55(K/W)；設(shè)儲(chǔ)藏環(huán)境溫度T0,∞為297(K)，保溫包裝內(nèi)部溫度Ti為276(K)。

則可以根據(jù)公式(2)算出預(yù)計(jì)保溫時(shí)間為10.79小時(shí)，達(dá)到預(yù)期要求的恒溫效果。

4 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)應(yīng)急救援包裝領(lǐng)域存在的不足，設(shè)計(jì)了一款恒溫應(yīng)急救援箱，增強(qiáng)了功能性以及適用性等，且經(jīng)過(guò)理論驗(yàn)證符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該恒溫應(yīng)急救援箱通過(guò)設(shè)計(jì)礦棉板隔板、加熱板與回流管，使救援箱的內(nèi)部溫度可以分區(qū)域進(jìn)行控制，且不會(huì)相互影響提高裝置的節(jié)能性；該恒溫應(yīng)急救援箱通過(guò)設(shè)計(jì)固定槽、支撐管與連接桿，實(shí)現(xiàn)在箱子的內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，可以將其取出防止其在外部受到損壞；該恒溫應(yīng)急救援箱通過(guò)設(shè)計(jì)金屬頭、連接桿，實(shí)現(xiàn)通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞熱量、提高箱體內(nèi)部溫度降低的速率的目的。