便携式低温冷冻箱研究及应用

张 影 蔡训儒

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230001）

前言

对大多数消费者而言，从商超购买速冻食品（速冻水饺、速冻肉卷等）面临的最大问题是担心食品化冻。现代城市生活，许多年长者喜欢乘坐免费购物班车去较远的超市购物。距离远、时间长，加速了冷冻食品化冻的风险。尤其在炎热的夏天，如何将速冻食品从商超完好无损的带回家，对众多消费者而言无疑是一个大难题。

对有车一族而言，短时间外出（游玩/野炊）时喜欢带上几瓶冰镇饮料。如果没有良好的保温措施，冰镇饮料在极短的时间内即可以恢复常温，如何使冰镇饮料长时间蓄冷是一个难题。不仅如此，在温度较高的季节，尤其在长距离行车的过程中能随口喝到冰镇饮料，是驾乘人员的迫切需求。

对于一些特殊人群（如糖尿病患者），在旅游或长时间外出的过程中，需要随身携带相关药物，而药物需要保存在低温条件下，便携式的低温冷冻箱成为首选。

基于以上分析，本论通过塑料件巧妙的结构设计、以及蓄冷剂与保温材料的组合应用制作便携式低温冷冻箱，并充分利用冰箱低温制冷的优势，满足商超购物、驱车旅行、药物储存的需求。

1 便携式低温冷冻箱造型设计

结合实际使用情况，综合考虑容积、重量、便利性等多种因素，便携式低温冷冻箱由盒盖、箱体、把手3部分组成。其中，盒盖由上盖、下盖组成，上盖和下盖通过卡扣固定在一起。同理，箱体由内筒和外筒组成，内筒和外筒通过卡扣固定在一起。该种设计，盒盖和箱体呈中空结构，中空结构内既可以放蓄冷剂，也可以放保温材料，通过蓄冷剂和保温材料的组合应用，提高保温箱的性价比。把手安装在箱体上，且把手含有限位结构，旋转把手即可以锁住盒盖，确保使用过程中，盒盖不会窜动、移位，进而避免冷量泄露的情况发生。同时，盒盖内填充蓄冷剂，可以实现快速冷冻的功能，拓展了便携式低温冷冻箱的用途，增加了冰箱的功能卖点。便携式低温冷冻箱结构示意图见图1。

2 蓄冷剂技术参数

2.1 蓄冷剂物理状态

图1 便携式低温冷冻箱结构示意图

便携式低温冷冻箱中的蓄冷剂多采用的是无机盐类，即通过无机盐溶于水的形式制备蓄冷剂。无机盐类蓄冷剂相变潜热大，通过优选配方，蓄冷剂的潜热值可以略小于水。同时，无机盐能制备出相变温度较低的蓄冷剂，有利于实现低温蓄冷的目的[1]。无机盐蓄冷剂还有一个明显的特点，即流动性较好。较好的流动性是一把双刃剑，在需要循环换热的技术领域，期望蓄冷剂具有较高的流动性；在封闭接触式换热的技术领域，对蓄冷剂的流动性则没有太高的要求，甚至期望蓄冷剂完全不具备流动性。便携式低温冷冻箱中使用的蓄冷剂，若流动性太好，蓄冷剂容易泄露，严重影响产品质量和使用寿命。除此之外，蓄冷剂流动性太好，会发出碰撞的响声，既影响使用体验，又容易引发市场投诉。因此，便携式低温冷冻箱中的蓄冷剂添加少许凝胶剂或吸水剂，使蓄冷剂呈现凝胶状，降低蓄冷剂的流动性，提高操作的便利性和使用的可靠性。

2.2 蓄冷剂相变温度

针对无机盐类蓄冷剂，无机盐含量越高，相变温度越低，有利于将便携式低温冷冻箱内的温度控制在较低的水平，达到更低蓄冷温度的目的[2]。但随着无机盐含量的增加，蓄冷剂相变潜热值随之降低，使得蓄冷时间随之降低[3]。结合实际使用情况，通过蓄冷剂将便携式低温冷冻箱内的温度维持在5 ℃以下，即可以满足大部分消费者的需求。综合考虑相变潜热和蓄冷时间，选择相变温度为-2 ℃的蓄冷剂。

2.3 蓄冷剂储存方式

实际使用过程中，蓄冷剂多存放在塑料容器内。最常见的方式是通过PE或PP吹塑成形状规则的扁平状的中空盒子。该方式的优点是形状可控，便于固定，不影响产品外观。其缺点是需要制做模具，且一副模具仅对应一种形状，产品适应范围较窄，费用投入较多，不利于打造高性价比的产品。同时，吹塑成型的PE或PP中空容器，容器壁较厚，加上塑料材质导热系数偏低，降低了蓄冷剂的热传递效率，致使冷量损失较大，缩短了蓄冷剂的有效保冷时间。另一种方式是将蓄冷剂包裹在复合薄膜内，薄膜由PE和PA复合而成，透明性、柔韧性、耐刺破性三者合为一体，大大提高了生产效率和使用的便利性。实际使用过程中，复合膜先进行对折，然后采用热封机焊接薄膜底部和对折的部位，紧接着从上部灌入蓄冷剂，通过流量计，准确控制蓄冷剂灌注量，最后将薄膜上部端口焊接完毕。全过程自动化操作，成型速度快，效果高。结合以上分析，便携式蓄冷盒采用复合膜存放蓄冷剂，达到节省模具开支、提高生产效率的目的，且有利于打造更具价格优势的产品。

2.4 蓄冷剂的布置

如前所述，便携式低温冷冻箱盒盖、箱体均为中空结构，里面既可以放蓄冷剂，也可以放保温材料（试验中使用的保温材料为EPS）。显而易见，保温箱6个面均放置蓄冷剂，其蓄冷时间最长，但导致保温箱较重，价格较高。从冷量传递的角度分析，保温箱底部布置蓄冷剂其贡献值相对偏低，因为冷量是下沉的[4]。保温箱底部的蓄冷剂可以有效阻隔外界能量进入保温箱内，但对于维持保温箱内的温度平衡所起的作用不大。保温箱6个面均有蓄冷剂、仅底部没有蓄冷剂、仅盒盖含有蓄冷剂（没有蓄冷剂的面填充保温材料），将三种状态的保温箱放入-18 ℃的冷柜中冰冻24 h，然后将保温箱转移至温度32 ℃，湿度85 %的试验环境下进行温升测试，监测保温箱内温度从-18 ℃升至5 ℃所需要的时间，结果如图2所示。

试验结果表明，在保温箱盒盖内填充蓄冷剂，其余5个面均填充保温材料的前提下，温升时间136 min。在三种方案中，虽然该种方案的时间最短，但4个多小时的蓄冷时间，已满足实际使用的需求。更为重要的是，该方案制作的保温箱，重量最轻，价格优势也比较明显，便于生产，利于销售。

图2 便携式低温冷冻箱温升时间

2.5 蓄冷剂凝露解决方案

便携式低温冷冻箱内含有蓄冷剂，实际使用过程中，尤其是在温度较高的环境下，箱体表面会出现凝露水，水的比热容较大，导热系数较高，加剧了冷量的损失。而且，凝露水的出现，大大降低消费者的使用体验，增加市场投诉率。为了解决这一问题，本文将便携式低温冷冻箱放入保温袋，保温袋从外到内由无纺布、珍珠棉、铝箔三层材质组成，无纺布提高了保温袋的承重能力，珍珠棉提高了保温袋的保温性能，铝箔提高了保温袋的热反射能力，三种材质相互作用，既有效延长了便携式低温冷冻箱的蓄冷时间，又有效解决了表面凝露水的问题。

3 便携式低温冷冻箱温度显示方案

为了提高保温箱与用户的交互体验，保温箱需要具备温度提醒功能。最直接的做法是在保温箱上增加数显式温度传感器，如此一来，消费者可以非常直接的看到保温箱内的实时温度。该方法虽然直接，但会带来成本的大幅增加，而且需要在注塑件上预留安装温度传感器的位置。为了克服数显式温度传感器的缺陷，本文采用简单易行的做法：在保温箱盒盖上粘贴温度标贴，温度标贴由感温变色材料制作而成[5]。当温度小于5 ℃时，感温标贴显示正常的颜色和图案。当温度大于5 ℃时，感温标贴会变成红色。且温度越高，色相越深，红色区域越大。此种方式可以有效提醒消费者保温箱内的温度变化情况，且操作简单，成本增加较少。同时，可以通过恰当的图案设计，使感温标贴在低温和高温时呈现不同的纹理、色彩，亦或者文字提醒，既装饰了产品外观，又提升了消费者使用体验。

4 结论

本文输出一种便携式低温冷冻箱，由盒盖、箱体、把手三大部分组成。盒盖内填充相变温度-2 ℃的无机盐类蓄冷剂，其余5个面均填充保温材料。通过盒盖表面的感温标贴，用户可以直观的感受便携式低温冷冻箱内温度的高低，进而判断箱内食物的冰镇程度。使用时，用户需提前将便携式低温冷冻箱放入冰箱冷冻室冰冻4 h，然后将其放入保温袋内。保温袋提高了使用的便利性，显著提升了便携式低温冷冻箱的蓄冷时间。不仅如此，本文制作的便携式低温冷冻箱，重量轻、容积适中、蓄冷时间长，且属于无源设备，制冷过程不消耗电能。便携式低温冷冻箱的问世，解决了消费者商超购买速冻水饺、冰棒、冷鲜肉等速冻食品担心化冻的问题，满足了有车一族驱车外出时能及时喝到冰镇饮料的要求，实现了特殊群体短时间低温储存药物的梦想。同时，便携式低温冷冻箱与家用冰箱紧密相连，配合使用，拓展了冰箱的用途，增加了冰箱的功能卖点。