药品配送冷藏箱制冷技术现状及关键技术

2021-05-29王瑜，成峰

科学技术与工程 2021年11期

王瑜，成峰

(南京工业大学城市建设学院，南京 210009)

药物是人类与疾病抗争的重要武器，是社会保障的重要组成部分，随着国家对社会保障程度的大力支持，药品的品种也是日益繁多，根据商务部市场秩序司公布的药品流通行业运行统计报告，截至2018年底，全国医药零售企业有48.9万家。药品分为两类，一类普通药物常温保存运输；一类以疫苗为主需要在2～8 ℃的环境中保温运输。严重急性呼吸系统综合征(severe acute respiratory syndromes，SARS)疫情激发了中国对流感疫苗的需求，2002年消费量不超过500万人份，而2019年流感疫苗需求量达2 800万剂次[1]，2020年初爆发了新型冠状病毒肺炎疫情，2020年底疫苗已经研制成功[2]，急需冷链运输到全国各地。可以预见，为了更好地应对流行性病毒，疫苗类药品的需求会越来越大，药品冷链运输也会日益频繁[3]。

大部分药品冷链运输过程属于批量小、批次多的药品，每批药品的质量大小不一，目的地也不同。这种情况下，传统冷藏车有很多限制，当冷藏车的装载率较低时，在车载的机组制冷量不变的情况下，不但消耗掉冷藏车的大量电力，也会造成冷藏车内极低温的环境，并且每运输到一个地方，频繁的开门关门卸货，车内外的冷热交换和温度变化也会影响药效[4]。此外，如果目标地点分散，各需求点距离长，客户需求量繁杂，还需专程设计冷藏车路径[5]。如果此时将配送装置模块化、小型化，针对不同地区的不同药品需求应用容积合适的配送箱，不但节约了运输成本便于携带，而且保证了冷链运输过程的药品质量。

首先分析药品配送冷藏箱的设计进展，在此基础上介绍三种制冷方式的冷藏箱，分析影响冷藏箱性能的关键因素，并指出未来药品配送冷藏箱发展方向和待解决的问题。

1 药品配送冷藏箱的特点

药品需要在一定的温度下冷藏，以疫苗为例，又可分为冷敏感疫苗和热敏感疫苗，温度过高和过低都会对药品的活性产生影响。药品对冷藏条件的要求比农产品、海产品和速冻食品要求更高，既不能过冷，也不能过热。目前市场有的药品配送的冷藏箱中仅仅使用冰袋，无法保证长时间的运输。普通药品的物流过程在常温下进行，特殊药品如疫苗类药品的物流全过程需要冷链物流。

1.1 储藏温度

不同种类的疫苗所需求的储藏温度不同。世界卫生组织(World Health Organization，WHO)明确规定乙型肝炎疫苗、破伤风类毒素等药剂不得暴露在冷冻温度下，并应储存在2～8 ℃[6]，通常担心高温对药品的影响，一味降低温度导致液体类药品冻结也会降低药物活性。当然也有少数的疫苗储存于-20 ℃下，如脊髓灰质炎减毒活疫苗[7]。

1.2 内部体积

冷藏箱的内部体积目前还没有统一的规定，很容易忽视有限空间的药品储存量，因为过多的储存影响冷藏效果和冰箱的制冷循环[8]。当药品储存量较小时，由于冷藏箱制冷能力相对固定，低温可能会降低其药效。目前市场的冷藏箱体积从30～50 L不等，体积大小因需求而不同，应该根据不同冷藏箱的大小和制冷能力，给使用者一个储存质量范围的参照。

1.3 制冷方式

药品配送的冷藏箱大都在室外环境和温度不断变化的条件下。由于配送转接和冷藏时长并不固定，制冷能力需满足预期的“最不利工况”；随着人们节能环保意识的加强，传统制冷剂氟利昂R22也逐步淡出人们的视线，制冷方式也需要节能环保；当自然灾害发生或地区偏远交通不便时，只能依托无源医用冷藏箱[9]。由此可见制冷方式应该满足绿色、节能、持久等特点，药品配送冷藏箱的特点如表1所示。

表1 药品配送冷藏箱的特点Table 1 Characteristics of refrigerated containers for drug distribution

2 药品配送冷藏箱的制冷方式

现有的药品配送冷藏箱按制冷方式的不同，可以分为半导体式冷藏箱、相变蓄冷式冷藏箱和蒸汽压缩式冷藏箱，不同类型的制冷方式有不同的优点。

2.1 半导体式冷藏箱

半导体制冷是20世纪60年代兴起的制冷技术，然而其理论基础最早可追溯到19世纪，半导体制冷的优点在于：制冷迅速，操作简单，可靠性强，容易实现高精度的温度控制，适用于制冷量不大、要求装置小型化的场合[11]。于是基于半导体制冷的医药冷藏箱[12]需求越来越大。

2.1.1 半导体制冷的原理

热电效应是具有热电能量转换特性的材料，而半导体制冷是建立在塞贝克效应、帕尔帖效应、焦耳效应、傅里叶效应上的制冷新技术。

半导体制冷器的基本单元是半导体电偶，它利用特种半导体材料构成的N-P(negative-positive)结，形成热电偶对，再用铜导线接到直流电源上构成回路。原理如图1所示。

2.1.2 半导体式冷藏箱的发展

梁斯麒[13]搭建了半导体制冷实验台，注意到箱体与半导体安装过程中要尽量避免“冷桥”的产生，半导体芯片不工作时箱内仍能保持一个比较稳定的值，冷藏箱的保温起到了重要作用。蔡德坡[14]建立了热端散热强度和制冷系数之间的关系，制冷系数随着散热强度的增加而不断增加，但越来越趋于平缓，不能通过提高散热强度来无限提高制冷系数，半导体制冷工况有最大制冷量和最大制冷系数，当持续低温或间歇式恒温工作，应采用最大制冷系数。司闻哲[15]采用太阳能作为半导体制冷箱的电源，以制冷箱内温度降至8 ℃停止工作时为起点，再次降至 8 ℃停止时为一个工作周期，所测试晴天节能效率为8.5%，阴天为6.8%，其中晴天时加入蓄冷材料可以满足一天的制冷量。实验原理如图2所示。

图1 半导体制冷原理Fig.1 Principle of semiconductor refrigeration

图2 太阳能半导体制冷Fig.2 Solar semicounductor refrigeration

金刚善[16]应用太阳能进行半导体制冷和制热，指出一个隔热性能良好的制冷/制热空间可以大大提高系统的性能，同时降低能耗；实验还发现在太阳能半导体空调中，制热功能的实现相对制冷功能实现要容易得多。王倩[17]搭建了半导体制冷箱制冷的实验装置，拟合了太阳能辐射强度和环境温度对系统工作电流电压、箱内温度和耗功率的影响，发现环境温度越高，且在一定范围内降低辐射强度值时，可以提高制冷系统的制冷系数。戴源德等[18]在不同环境温度下测试光伏半导体制冷，发现在环境温度为25～30 ℃的条件下，箱内温度保持在6～12 ℃，制冷系数(coefficient of performance，COP)最大可达0.32。赵阳[19]通过实验比较不同结构散热器、输入功率、布置方式、以及冷端送风方式对半导体制冷箱冷热端温度分布的影响，采用上下单层散热翅片、50 W的输入功率、90 ℃水平安装、冷端送风吹中间时，制冷效果最好，箱内最低温度为2.1 ℃。图3为该半导体制冷箱热管散热的原理图。

图3 半导体制冷箱热管散热模型[19]Fig.3 Schematic diagram of experimental apparatus of semiconductor refrigeration[19]

张晓芳[20]对比了半导体制冷箱热端的几种散热方式，发现水冷式散热是半导体制冷箱的理想选择，使用不同的水溶液实验表明，盐溶液的冷却效果优于水，饱和溶液的散热优于不饱和溶液。沈文涛等[21]制造了内部规格21 cm×21 cm×18 cm的便携式医用血箱，半导体制冷片安装在箱体两侧，制热面朝向箱体外侧；箱内安装可充电电池，当没有外接电源时，启用电池。吕志家[22]将半导体制冷的冷端散热和热端散热都利用起来，制作了立式的冷暖箱，在标准大气压及室内设计环境温度下，得出不同换热方式其空间温度场过的变化曲线；发现选择热管与风冷组合换热方式最佳，达到的制冷效果最好，COP最大。

曹志高[23]对半导体制冷热端使用热管进行散热，对于容积45 L的冷箱，20 ℃的环境温度下，热管散热的半导体冷箱适宜的工作电压为11～12 V，电流为6.8～7.6 A，通过冷箱内温度测量，热管散热的制冷效果强于风冷和水冷。马广青[24]实验发现半导体制冷散热端采用热管散热要优于翅片散热，在满足应用的前提下，适当降低半导体制冷片的额定功率，能提高制冷效率。Putra[25]设计并测试了采用热电组件和热管的便携式疫苗载体盒，热管放置在热电模块的热侧可以改善热电模块的性能，盒内最低温度可达-10 ℃。雷强萍[26]通过对空间六个特定测点温度实测与模拟值，发现冷端采用强迫风冷换热时，冷端布置在冷箱内顶部中心位置时温度分布最均匀。

总结上述半导体制冷的研究，从其动力源、制冷片型号、热端散热方式和冷端导热方式方面总结如表2所示。

表2 近年来半导体冷藏箱研究总结Table 2 Research on semiconductor refrigeration in recent years

2.2 相变蓄冷式冷藏箱

为了平衡夏天昼夜峰谷电力负荷的情况，应用相变材料(phase change materials，PCMs)的蓄冷(热)系统才开始大力研制开发。相变材料的种类很多，主要可分为无机物和有机物[27]两大类，有机物相变材料不仅腐蚀小，在相变过程中几乎没有相分离的缺点，且化学性质稳定，价格便宜；无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐等，具有较高的体积蓄冷度，且价格适中，但缺点是存在过冷和相分离。

2.2.1 相变蓄冷的原理

蓄冷技术是指机械压缩式等制冷循环机组工作产生的冷量储存在蓄冷材料中，然后再通过蓄冷材料在特定时间地点将冷量释放出来。潜热蓄冷是利用物质相态的变化进行吸、放热，比如夏季用装有冰袋的箱子冷藏饮料，如图4所示。

图4 冰袋融化吸热Fig.4 Heat absorption of melting ice

2.2.2 相变蓄冷式冷藏箱的发展

章学来等[28]研究2～8 ℃相变温度的材料，通过步冷曲线和差示扫描量热法试验，发现十二醇-辛酸二元有机溶液质量比为40:60时，相变温度为2.08 ℃，相变潜热为224.5 J/g。马颖等[29]研究了环境温度对无机盐水合溶液相变材料过冷行为的影响，环境温度的起始温度和终点温度对无积水合盐相变过冷度影响较大，液-固相变时试样的降温速度与过冷度无关。张群力等[30]使用膨胀石墨、碳纤维与石蜡研制出复合型相变蓄能材料，研究不同蓄放热运行工况下该装置的蓄放热性能，结果表明：在夜间蓄热、日间放热的运行工况下，该相变蓄热电暖器所在房间温度波动较小，具有较好热舒适性。

潘欣艺[31]根据潜热筛选出0、3、5、7 ℃的蓄冷剂进行仿真模拟，发现蓄冷剂的相变温度最好在 2 ℃左右，使箱内2～8 ℃的区域最大，实验发现蓄冷剂摆放在箱内顶部时，温度场分布最为均匀。张伟[32]制备正葵醇-十六醇二元低共融物作为冰箱冷藏室用蓄冷材料，进行比热测试，发现固态时的定压比热容随温度变化时比较明显，且随着温度的上升而上升；将正葵醇-十六醇与高孔隙率泡沫铜进行复合，复合材料的导热性能和内部温度均匀性得到了极大的改善。宁初明等[33]首先对相变材料进行了分析，对目前冷藏箱和运输车中使用相变材料进行了总结，最后对相变蓄冷技术的应用发展趋势进行了分析和预测。

盛况[34]针对冷藏车上的蓄冷板会在运输中，液态的蓄冷剂增大了材料对包装的冲击载荷，加上包装外部的机械碰撞，蓄冷剂晃动产生不必要的能量损失，利用高吸水性树脂(super-absorbent polymers，SAP)来降低蓄冷剂配方的液体流动性。张秋玉等[35]在可装卸式的蓄冷保温箱四周放置四块蓄冷板，冷链运输条件相同的情况下，可装卸式蓄冷保温箱的蓄冷剂使用量比传统的蓄冷保温箱大11.5%，同时可装卸式蓄冷保温箱缝隙散热量达到11.39%。田萌萌[36]采用市面上常见的挤塑泡沫保温箱选用不同量的蓄冷剂和不同外界环境进行保温时间的实验，建立了三者之间的关系模型，为实际运输提供了理论依据。

范中阳[37]以奶白菜为对象，对比研究了两种蓄冷板摆放方式，发现蓄冷板四周摆放相比顶部摆放冷藏效果更好，原理如图5所示。Li等[38]以半导体制冷作为主动冷却系统，两个可拆卸的蓄冷包作为内部被动冷却系统，太阳能作为驱动，有效延长了冷藏时间。

总结上述相变蓄冷的研究，从其相变材料、蓄能装置、布置方式等方面总结如表3所示。

图5 蓄冷板摆放方式[37]Fig.5 Location of cold storage plates[37]

表3 近年来相变蓄冷应用研究总结Table 3 Research summary of phase change cold storage application in recent years

2.3 蒸汽压缩式冷藏箱

蒸汽压缩式制冷始于19世纪70年代，是目前发展比较完善、应用最为广泛的方法之一，能得到较宽的制冷温度范围。中小容量范围的蒸汽压缩式制冷设备比较紧凑，可适应不同场合的需要。

2.3.1 蒸汽压缩式制冷原理

在蒸汽压缩式制冷中，制冷剂的蒸汽首先被压缩到比较高的压力，被外部冷却介质冷却而转变成液体，再经节流，使压力和温度同时降低，利用低压力下工质液体的汽化即可吸热制冷，汽化后的蒸汽再由压缩机吸入压缩，进行循环。原理如图6所示。

图6 蒸汽压缩制冷原理[39]Fig.6 Principle of vapor compression refrigeration[39]

2.3.2 蒸汽压缩式冷藏箱的发展

图7 车载的并联光伏发电制冷系统[43]Fig.7 Vehicle mounted parallel photovolatic power generation system[43]

卜海潮等[40]提出了将蒸汽压缩式制冷技术和三相变频技术结合的制冷方案，以滚动转子式压缩机为对象，根据热力学计算结果和滚动转子式压缩机特点，要控制气缸长径比和相对偏心量才能进一步缩小压缩机体积。Ouali等[41]研究了一种新型的太阳能疫苗蒸汽压缩制冷机，以光伏和常规交流电耦合，容积为57 L，在蒸发器侧采用潜热蓄冷，为了得到不同位置的能耗进行实验。房立新[42]基于三相变频压缩机的制冷方案，改进压缩机壳体的密封形式，使用螺杆连接上下端盖、O形密封圈密封来代替焊接,以此来解决压缩机体积变小带来的热容量减少、散热差的问题。Henriques等[43]通过并联光伏发电系统，为疫苗冷藏提供了一个低成本、可靠的制冷解决方案，如图7所示，并指出要考虑到移动性质(如振动和运动相关应力)对冷藏箱带来的影响。Myres等[44]使用太阳能直接驱动设备为储存疫苗的冰箱供电，使用能量收集控制将多余的电量储存起来，有效地延长了疫苗冷藏时长。钟晓晖等[45]研制小型化蒸汽压缩机制冷样机，通过微结构强化传热来缩小制冷装置的质量和体积，并进一步确定与压缩机相匹配的直流电机和传动比。杨宇飞等[46]的实验表明制冷剂的充注量和微型电子膨胀阀的占空比对制冷系统有很大的影响。

2.4 制冷方式对比

半导体制冷能够保证冷藏箱内温度的稳定性，持续不断的电量输入能确保温度始终在合适的区间；相变蓄冷则降低了制冷成本，蓄冷板可以摆放在不同位置，调整出最优的温度场，减少箱内的温度波动；蒸汽压缩式制冷则为大体积的冷藏箱提供足够的冷量，传统压缩式制冷技术发展成熟，便于应用推广。具体的制冷方式对比如表4所示。

表4 制冷方式对比Table 4 Cooling mode comparison

药品配送冷藏箱内的温度要求是2～8 ℃，温度过高过低都会破坏药物的药性[47]，半导体制冷相较于其他两种方式，温度调控更精确，无需制冷剂则无污染，制作工艺相对成熟，是较好的制冷手段。

目前，越来越多的学者将不同制冷方式的优点相结合，达到“1+1>2”的效果。Thenmozhi等[48]在冰箱内部应用相变材料，实验结果表明添加相变材料能够明显减少冷藏箱内食品的温度波动。陈英姿等[49]在冰箱中组合不同相变温度的相变材料，能够有效延长冰箱保温时间。汤黎明等[50]将相变材料装在半导体制冷箱的内部，由半导体制冷片为相变材料“充冷”，进而相变材料为冷藏箱蓄冷，延长了使用时间。由此可见，后续也可以考虑将半导体制冷和相变材料结合为药品配送冷藏箱提供冷量。

3 储藏箱设计关键因素

3.1 能源的选择

冷藏箱按照能源供给方式主要分为电力驱动型和无源蓄冷型，电力驱动型是通过蓄电池储存多余的电量，当没有外接电源时，蓄电池为冷藏箱供能，节约能源；无源蓄冷型是通过相变材料在外界蓄冷，放入冷藏箱内释冷。电力驱动型依靠电能的稳定输入，能持续不断地制冷，也可以通过电流大小调整制冷功率，而无源蓄冷型依靠相变材料的潜热，温度波动小，工作过程清洁无污染。

太阳能是冷藏箱能源的潜在发展方向。电能是高品位能源，太阳能属于低品位能源，太阳能取之不尽用之不竭，中国又处于北半球欧亚大陆的东部，具有丰富的太阳能资源，如果能加以利用，无疑可以达到节能的效果。太阳能电池转换效率从20世纪中的10%，到目前为止有望超过24%[51]，发展前景远大。刘志强[52]将太阳能利用在冷藏车上的压缩式制冷中，设计建造了太阳能冷藏车，并对比了影响光伏发电温度、光照强度等因素，确定了实际发电功率。陈海涛等[53]以直流压缩机为基础，利用相变材料将不稳定的太阳能储存其中，从而实现冷藏箱的低温保持，李泊铮等[54]利用能量平衡法计算出冷藏箱的最大热负荷，并以此选取了蓄电池容量和太阳能电池板规格，开展了半导体制冷冷端对流换热方式对制冷效果影响的实验，并进行了经济性分析。笔者设计了一种应用太阳能的药品配送箱使用流程，如图8所示。白天太阳能电池吸收太阳能，通过太阳能控制器部分电能为药品配送冷藏箱制冷，部分电能储存在蓄电池中，夜间为冷藏箱制冷提供能源。

图8 太阳能冷藏箱原理图Fig.8 Principle of solar refrigeration box

3.2 环境适应性

在冷链运输过程中，药品冷藏箱的运输方式主要是两种：空运和陆地运输。陆地运输无疑会受到路况的影响，运输车辆经过颠簸路面和启停，无疑会造成冷藏箱间的碰撞，冷藏箱在生产中就需要满足《包装运输包装件基本试验第4部分：采用压力试验机进行的抗压和堆码试验方法》(GB/T 4857.4—2008)中的碰撞试验，且有一定的防水抗压能力，这样才能投入市场，可选用增韧树脂体系的复合材料作为包装材料[55]。

中国南北温度差异很大，夏季最高温可达 49.6 ℃，冬季的最低温度低至-50 ℃[56]，目前看来，三种制冷方式均能适用于此区间的工作温度。在极端热环境下如何保持冷藏箱制冷效果，需要关注冷藏箱的保温包装，殷平[57]在暖通空调规范中指出保冷材料的导热系数必须进行厚度修正，保冷材料的密度并非越小越好，而应根据保冷材料的具体性能进行选择。各类保温材料参数如表5所示，其中真空绝热板(vacuum insulation panel，VIP)的导热能力只有常规保温材料的1/10，虽然其造价昂贵，但在药品冷藏对温度场要求极高的情况下，也可以选用真空绝热板。

表5 各类保温材料参数Table 5 Parameters of various insulation materials

在极端冷环境下，药品配送冷藏箱在外界环境下，温度不断下降，此时需要在箱内适度加热，半导体制冷可以在散热端储存药品[58]，压缩式制冷采用四通转向阀，蒸发侧变冷凝侧。相变材料根据环境采用常低温相变储能材料，在极端冷环境下相变释热，提高箱内温度[59]。

3.3 温度场与流场的均匀性和稳定性

冷量在箱内的散发方式因制冷方式不同而改变，半导体制冷的温度场由其制冷端散热，冷端的送风方式和布置在箱内位置所影响，相变蓄冷中蓄冷板的摆放位置、蒸汽压缩式制冷的蒸发器端送风方式也会影响温度场的均匀性。刘广海等[60]在评价多温蓄冷车温度场时，引入温度绝对不均匀系数S，S越大，温度场均匀性越差，多温蓄冷车的平均温度较传统蓄冷车波动降低，分布更加均匀。但也要注意到，一般冷藏车内部容积(12～13 m3)较冷藏箱的要大很多，阎海燕[61]测量医用冷藏箱不同位置的温度，发现液体制剂避免放在冷藏箱的下面，以免温度过低导致冰冻。所以在整体温度场均匀的情况下，也要关注“局部”的温度，尤其是疫苗这类对温度极其敏感的物品。药品在箱内的摆放未必要上下均匀放置，局部不符合2～8 ℃处可人为制造间隔，虽然减小了冷藏箱的有效容积，但保证了冷藏效果。

电冰箱式的冷藏箱可能出现断电情况。刘碧丽[62]发现，断电后上层维持在规定温度范围内的时间最短，而下层维持的时间最长。可以在冷藏箱内布置热电偶测温，实时反馈箱体内的温度状况；当出现断电时，工作人员连接外部电源，长时间断电使药物质量无法保证，储藏箱将失效。

3.4 除湿和除霜问题

药品从冷藏库拿出来时，短暂暴露在环境中，空气中的水蒸气易液化在药品表面，药品在运输过程中，使用冰排或者冰袋时也会有泄露的风险，增加吸水布来减少可能因泄露或冷凝水而造成的污染危害，但从实际效果看，收效甚微[63]。相变蓄冷应选用相变温度高于空气露点温度的材料，膜除湿和智能除湿材料技术尚未成熟，箱内使用固体除湿材料比较方便[64]，常见的固体干燥剂的优缺点如表6所示。从吸湿能力和安全可降解的角度看，纤维干燥剂无疑是较好的适用于药品冷藏箱的除湿剂。

表6 常见固体干燥剂对比Table 6 Comparison of common solid desiccants

冷藏箱内的湿度过大再加上箱内温度低，若低于空气露点温度，则会形成大量的冷凝水，久而久之，在采取压缩式制冷时还会有结霜问题。直冷式冰箱利用空气自然循环进行冷却，箱内温度均匀性较差，须人工除霜，受制于体积大小，不大可能在小型的冷藏箱中使用风冷的形式[65]，张金秋[66]提出了在药品冷藏箱的双层玻璃门内充入惰性气体，降低门的导热系数，提高玻璃门结露的极限环境空气相对湿度，半导体制冷采取散冷片和散热端间布置连接装置，从热端来引热风进行除霜[67]，相变蓄冷由于要更换相变材料充冷，可采用人工除霜；压缩式制冷可采取风冷热泵[68]常用的旁通管来除霜，相变蓄冷由于要更换相变材料充冷，可采用人工除霜。