野战低温储运箱设计

吴太虎 魏建仓* 孙建军 刘统新

1 引言

在自然灾害、意外医疗事故等突发事件医疗救援或野战条件下的现场救治中，通常采用建立现场或野外临时医疗救治中心。药材、血液、血制品和医疗器械等医疗救治物资以致食品、饮用水等生活物资都先向救治中心集中输送，这就必须考虑对需使用的药物制剂、血液制品、疫苗、生物制品等温度敏感物品运输过程的冷冻和冷藏。因此，迫切需要一种适于野外条件下使用的、易于携行运输可车载的冷冻、冷藏设备。目前，在军事和医疗救治方面，虽然装备了具有部分带有制冷功能的保温箱，但其用途单一、容量小、制冷速度慢，功耗大，不能满足在自然灾害及战争条件下开展救治时对需冷冻或冷藏的药品、血液等物资运输储存的需求。

野战低温储运箱采用的是压缩机制冷方式，其制冷效率高，制冷速度快，箱体内部冷风循环，箱体保温效果好，冷量失散少，达到与环境温度相差40 ℃的温差控制，冰箱内部安装数字化温度采集控制系统，通过电子调节系统，制冷迅速，恒温效果好；具有冷藏和冷冻功能，冷藏功能下可使箱体温度恒定在2～6℃，冷冻功能能使箱内温度与箱外温度温差达到40 ℃以上，温度控制效果良好，可外接220 V交流电源和12 V直流电源，能有效解决野外急救时药品、血液、血制品、生物制品、疫苗等物资的冷冻和冷藏的储存和运输问题。

2 结构设计

2.1 底座结构设计

野战低温储运箱箱体结构，主要由四个部分组成：箱盖、主箱体、蒸发室密封侧盖、侧盖面板。由于箱体设计注重一体化整体成型，因此结构非常简单，箱体坚固，强度高，装配、保温性能好。箱体、箱盖、蒸发室密封侧盖，均采用了滚塑成型工艺，在中空的箱壁内聚氨酯均匀发泡，具备优异的保温性能。箱体设计采用数字化虚拟样机技术，通过模拟仿真，充分验证箱体的装配结构、安装性能、风道设计和密封保温等工艺效果，从而指导箱体的实际研制设计，提高设计成功率，缩短开发周期，减少不必要的经费消耗（见图1）整个箱体（见图2）。

图1 箱体结构图

图2 野战低温储运箱照片

2.2 箱内横流冷风循环风道

箱内横流冷风循环风道的工作原理为：由于压缩机制冷在蒸发室形成低温环境，从而导致流经蒸发室的气流温度降低，带走冷量，由横流风扇将冷风横流均匀吹出蒸发室；在进入箱内时出风口风道引导冷风从箱体顶部吹向箱体另一端，而冷风在流经过程中由于重力作用自然下沉，箱体另一端受到阻碍的冷风也下沉到箱底；在回风口由于横流冷风机的吸力作用，将下部的气流吸入蒸发室，这样就形成一个闭环的冷风循环场，由于气流不断快速流动，因此箱内温度状况均匀，降温速度很快（见图3）。

图3 箱内横流冷风风场示意图

2.3 箱外散热排风风道

箱外散热风道主要用于大功率开关电源、驱动板、压缩机驱动器、压缩机、冷凝器等热源的散热，依靠合理的气流设计，使得热量充分散失，提高电子器件、电机和制冷系统工作的可靠性（见图4）。箱外散热排风风道的俯视气流示意图显示，冷凝器处风机向外吹风，从而将冷凝器的热量带走，由于侧壁的密封性好，因此会从风阻小的进风口风栅进风，由于压缩机出风口的对称性，因此气流会充分吹到电源和驱动板安装组件，再经过压缩机驱动器，从压缩机两侧到达冷凝器，这样形成高效的散热风道，保障系统可靠运行。

图4 箱外散热排风风道俯视图

2.4 制冷系统结构[1]

制冷系统的装配充分考虑模块化和一体化设计，使得箱体模块化，制冷组件模块化，并且制冷组件包含了压缩机、毛细管（节流阀）、干燥阀、蒸发器、冷凝器等完整的一套微型化压缩机制冷系统，只要将制冷组件整体推入安装位置，盖上密封板和侧板即可，集微型化设计、模块化设计、一体化设计为一体，设计新颖，方便实用，制冷效果优异（见图5）。由图中可以很清晰的看出设备组装的便捷性和可靠性。

图5 制冷系统结构

2.5 电子控制设计

野战低温冰箱电子控制系统包括：压缩机驱动及风扇输出控制、温度采集与显示操作、温度记录及USB下载、后备电池充电系统等部分。制冷及风扇输出控制具备反电势检测无传感器驱动压缩机电机，压缩机的启动/停止控制，以及风扇电压切换与稳压，以使风扇满足12 V/24 V双电压工作条件。温度采集与显示操作部分包括人机交互部分，全数字操作面板，数字温度数据显示。数据记录使能后，每5 min记录一个数据，事后可采用USB移动存储设备下载温度数据，在PC机端进行数据验证与分析。后备电池部分设计了高效快速充电电路，只需正常连接220 VAC工作4 h，即可充满2 AH镍氢电池组，该电池主要用于断电保温期间温度数据的监控与预警(见图6)。

图6 野战低温储运箱控制系统电路框图

2.6 软件工作流程

软件工作流程见图7。

图7 软件工作流程图

3 性能试验

根据野战低温储运箱的勤务特点，对研制的样机进行了性能试验，通过对样机空箱在环境温度为摄氏30℃时开机连续工作，对野战低温储运箱的降温速度、最大降温幅度、储藏室内温场均衡等性能指标进行了试验（见图8，图9，图10），图8，图9，图10中A点、B点、C点为温度传感器位于野战低温储运箱储藏室内的测温位置，其中A点、B点位于储藏室内上部金属托盘的两侧中间位置，C点位于储藏室内底层中央位置[6-7]。

图8 空箱降温性能试验

图9 空箱保温性能试验

图10 10 min间隔负载性能图

温度测量采用文献[8]所述的智能温度记录仪，试验结果：由图8的试验数据可看出，野战低温储运箱在1 h内与环境温度相比降温达摄氏27 ℃,2 h内能降温40 ℃，降温迅速，试验过程中储藏室内部温度差异均匀在±1 ℃范围以内，表明冰箱制冷风道设计良好，能有效保证储藏室内温场均衡性。野战低温储运箱每隔两小时进行一次除霜过程，在除霜过程中，压缩机停止工作，此时箱内外温度差值一般在40 ℃左右，箱内温度会由于热传导而升高，除霜10 min过程内，野战低温储运箱冷藏温度始终满足工作需求（见图9），同时试验过程中三个不同数据点在储藏室内部温度差异均匀在±1 ℃范围以内，表明野战低温储运箱具有良好的保温效果。

将2000 mL冰盒3个，500 mL冰袋8个，总计10000 mL冰盒冰袋作为储物负载装入野战低温储运箱中，进行冷藏工作状态(负载)下温度性能试验。由图10可知，带负载工作状态下降温速度要慢于空冰箱时降温速度；整个负载试验过程中野战低温储运箱工作良好，满足设计指标。

4 结论

该野战低温储运箱按照GJB150A-2009标准[9]要求，在中国包装科研测试中心进行了高温、低温、湿热、振动、冲击和低气压等基本性能试验，并在解放军第254医院及海军总医院等单位进行了试用，参加了2010年广州亚运安保，工作情况良好。试验和实践应用证明：该野战低温储运箱具有冷藏和冷冻双重工作模式，冷藏模式下能可靠稳定的工作在摄氏2～6 ℃范围，冷冻模式下能达到40 ℃以上温差，环境适应能力强，能够满足自然灾害救援、抗击流行病等突发性医疗救援或战时医用物资应急运输和储存，是一款功耗低、可车载的低温储运箱；可有效提高现场救治的医疗保障能力；在医用物资野外应急运输储存方面应用的前景广阔[10]。

[1]王永禄.提高风冷电冰箱蒸发器传热效率的有效途径[J].家用电器科技,2000(3):55-56.

[2]吴太虎,孙建军,刘洋,等.小型血液温度监测记录仪研制[J].中国医疗器械信息,2006,12(9):21-24.

[3]中国人民解放军总装备部.GJB 150.1A-2009军用装备实验室环境实验方法第一部分:通用要求[S].北京:中华人民共和国国家军用标准,2009.

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

[5]甘新宇,朱国标,黄菲,等.地震等突发事件时血液运送的探讨[J].西南军医,2009,11(5):890-891.

[6]孙建军,吴太虎,刘洋.血液冷藏箱温度监测系统研制[J].现代电子技术,2006(16):160-163.

[7]傅征,霍忠厚,王政,等.军队卫生装备学[M].北京:人民军医出版社,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]吴卫星,杨宁,栾尧.突发事件时血液供应方式的探讨[J].中国输血杂志,2006,19(2):165-167.

[10]汤黎明,刘铁兵,朱兴喜.医用冷藏运输箱的设计与制作[J].中国医疗器械杂志,2010,34(2):109-111.