组合式便携保温箱优化设计及试验研究

李嘉辰 宣萍

摘要：本文通过盒盖、箱体、密封件优化设计，并恰当选择蓄冷材料和保温材料，制作组合式便携保温箱。与常规便携式保温箱相比，该保温箱具有质量轻、容积大、造型美观和保温性能好等显著优点。试验结果表明，该保温箱可以将温度维持在2℃及以下，时间长达261min。

关键词：便携保温箱;蓄冷;优化设计;试验

Optimization Design And Experimental Study Of Combined Portable Incubator

Li JiaChen1 Xuan Ping2（1. School of Mechanical and Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology Jilin Jilin 132022 2.Anhui Province Product Quality Supervision And Inspection Institute Hefei Anhui 230051）

Abstract：In this paper，the combined portable incubator is made by optimizing the design of box cover，box and seal，and properly selecting cold storage materials and thermal insulation materials.Compared with the conventional portable incubator，the incubator has the advantages of light weight，large volume，beautiful appearance，Good insulation performance and so on.The test results show that the incubator can maintain the temperature below 2℃ for 261min.

Keywords：portable incubator;cold storage;Optimization design;experiment

1、引言

常规的便携式保温箱多是由塑料件和保温材料组成的容器，其作用是延缓热量流失。该类保温箱的突出优点是成本低、质量轻，缺点是不具有主动或被动制冷的功能。在保温箱内预置冰排（冰袋）一定程度上满足了消费者使用需求，克服了便携式保温箱先天存在的技术缺陷[1]。但是，冰排（冰袋）的引入，降低了保温箱有效容积。同时，冰排（冰袋）无固定放置位置，既不利于冷量传输，又严重影响保温箱美观性。为了解决上述问题，将蓄冷剂有效组合到保温箱中，来实现保温箱的蓄冷功能，因此组合式便携保温箱应运而生。本文通过对组合式便携保温箱优化设计，实现其质量轻、容积大、蓄冷保温等特点，有效满足了商超购物、外出野炊、驱车旅行等人群的需求。

2、组合式便携保温箱优化设计

组合式便携保温箱应综合考虑容积、重量、冷量传输、温度维持及美观性等因素。基于容积考虑，冷源不能放在箱体内，这样才能保证容积最大化。基于重量考虑，在和性能参数取得平衡的前提下，尽量压缩冷源材料使用量。基于冷量传输考虑，冷源应放置在保温箱上部，充分利用冷气下沉原理，提高冷量利用效率。基于温度维持考虑，应采用致密的保温材料，以防冷量流失。综合上述分析，组合式便携保温箱由盒盖、箱体、把手三部分组成。盒盖为中空整体结构，中空结构内填充蓄冷剂。箱体也为中空结构，中空结构内填充保温材料。

2.1盒盖

常规便携式保温箱盒蓋由上盖、下盖两部分组成，上、下盖通过卡扣固定在一起。该种设计方式，生产时需要两幅模具，时间长，组装效率低，产品存在拼接缝等现象。优化后，盒盖采用整体吹塑成型，吹塑口在盒盖背面几何中心，吹塑口既是吹塑时的工艺口，又是灌注蓄冷剂的注入口。

盒盖整体成型完毕，沿着注入口将蓄冷剂注入盒盖内，最后通过超声波焊接的方式将注入口密封[2]。蓄冷剂注入在盒盖内，没有隔离、气泡等不良因素影响，冷量通过盒盖可以直达箱体内部，传递路径较短。同时，蓄冷剂与盒盖真正做到了面接触，可以不间断、全方位、均匀地向保温箱内释放冷量。

采用整体吹塑成型制作的盒盖，生产效率高、模具投入少，蓄冷剂不存在泄漏的风险，且蓄冷剂充斥盒盖每一个角落，换热面积最大。

2.2箱体

常规便携式保温箱箱体通过注塑成型制作，完成后经人工组装在一起，该组装过程费时、费力，且容易导致装配误差。为了克服这一成型缺陷，本文通过滚塑成型制作箱体，并在箱体底部预留发泡料注入口。箱体成型后，发泡枪头经注入口将配置好的异氰酸酯和组合聚醚等料注入箱体内，固化后形成聚氨酯泡沫。滚塑成型大大节省了模具成本，提高了生产效率，降低了质量损失。同时，以聚氨酯泡沫作为箱体填充材料，具有效率高、成本低、保温性能好的特点，也便于标准化、批量化生产。

2.3密封件

常规便携式保温箱，盒盖和箱体之间直接接触，无任何缓冲过渡，因存在缝隙，易引发漏冷等现象发生。组合式便携保温箱在盒盖上增加硅胶密封条，实现盒盖和箱体之间的密封。硅胶导热系数较小，收缩变形能力较好，采用硅胶制作密封条，可以最大限度减少保温箱冷量流失。

2.4蓄冷剂选择

常规便携式保温箱内放置的冰排（冰袋），内部的相变材料是液态的，具有较好的流动性。但在使用过程中，相变材料在冰排（冰袋）内晃动，产生撞击声，体验感不佳，容易导致客户投诉。优化后，在蓄冷剂内加入质量分数1%的吸水剂，使蓄冷剂从液态变为凝胶态，大大降低了蓄冷剂的流动性，彻底消除了使用过程中因蓄冷剂晃动产生的撞击声[3]。

2.5箱体填充保温材料的选择

为了阻止冷量流失，需要在箱体内填充保温材料，常用的保温材料有发泡聚乙烯（EPE）、聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯泡沫三大类。

发泡聚乙烯（EPE）无法成型出复杂的形状，只能以片材的形式进行填充。通过模切的方式将不同的片材粘贴在一起，可以使之成为一个整体包裹在箱体周围，但费时、费力。而且粘贴位置无法很好地与箱体贴敷在一起，冷量容易通过粘结缝泄露，致保温性能不佳[4]。

聚苯乙烯（EPS）容易成型，可以根据箱体的形状注塑出完全相吻合的结构，既可以全面包裹在箱体外部，又不会出现粘结缝，进而可以大幅减低冷量泄露的风险。但聚苯乙烯（EPS）成型需要新开模具，存在设备投入，且一副模具只能适用一种容积的保温箱，通用性较差。

聚氨酯泡沫是将异氰酸酯和组合聚醚等按适当比例混合后注入箱体内，两种物料瞬间发生化学反应形成聚氨酯泡沫。该过程简单、便捷、高效、无需模具投入。聚氨酯泡沫固化后，对保温箱起到良好的支撑作用，大幅提升了保温箱的承重能力。同时，聚氨酯泡孔细密、均匀，具有极低的导热系数，能够有效阻止冷量外流，延长保温时间。

综合以上分析，组合式便携保温箱箱体填充材料选择聚氨酯泡沫。

按上述进行的优化设计，制作组合式便携保温箱，其结构如图1所示。

3、试验研究

3.1试验样品与条件

3.1.1组合式便携保温箱：1台，如图1所示，其结构由盒盖、把手、箱体三部分组成，其中盒盖、箱体均为整体中空结构，盒盖的中空结构内填充蓄冷剂。箱体的中空结构内填充保温材料。

3.1.2蓄冷剂：若干，试验过程中还需要低温冷冻柜、测温仪或温度传感器、温湿度计、计时器等。

3.1.3试验环境：封闭房间，环境温度35℃±2℃、湿度50%±2%，且温度和湿度可调。

3.2试验方法与步骤

3.2.1将组合式便携保温箱盒盖放在温度为-18℃低温冷冻柜内，静止4小时，使内部蓄冷剂彻底相变，由凝胶态转变为固态。

3.2.2将组合式便携保温箱箱体置于环境温度35℃±2℃、湿度50%±2%的封闭房间内，静止1小时。

3.2.3按正常使用方式将按3.2.1方式冷冻的盒盖放置在箱体上，箱体几何中心布置温度传感器，检测箱体内温度变化情況。

3.2.4盒盖内蓄冷剂存储的冷量缓缓向箱体内释放，箱体内温度迅速降低，而后慢慢上升，其中温度不小于2℃的时间，为组合式便携保温箱蓄冷时间。该时间越长，说明组合式便携保温箱保温（蓄冷）性能越好。

3.3试验结果

将相变温度分别为-2℃、-5℃、-8℃、-10℃的蓄冷剂满灌在盒盖内，依据3.2试验方法和步骤进行蓄冷时间测试，结果如表1所示。

针对相变温度，毋庸置疑，蓄冷剂相变温度越低，越容易将保温箱内温度控制在更低的水平。但是，从能量守恒的角度分析，蓄冷剂相变温度越低，潜热值越小，能够储存的冷量越少，蓄冷时间随之降低。因此，低相变、高潜热是一对矛盾[5]。在组合式便携保温箱设计中，最常见的使用情况是把保温箱内的温度控制在2℃及以下，基本能够满足人们日常生活需求，且温度维持时间越长越好。基于上述分析，选择蓄冷剂以水、吸水剂、四硼酸钠为主要物质，通过控制水和四硼酸铵的百分比，将蓄冷剂相变温度控制在-5℃。该蓄冷剂相变潜热值与水相当，较高的储能密度，加上-5℃相变温度，可以把保温箱内的温度控制在2℃及以下，时间长达261min。

4、结论

本文以吹塑成型制作整体盒盖，并在盒盖内灌注相变温度为-5℃的凝胶蓄冷剂;以滚塑成型制作整体箱体，并在箱体内填充聚氨酯保温材料;以硅胶制作盒盖和箱体之间的密封件，并最终制作完成组合式便携保温箱。与常规便携式保温箱相比，该保温箱具有质量轻、容积大、造型美观和保温性能好等显著优点。试验结果表明，该保温箱可以将温度维持在2℃及以下，时间长达261min，有效满足了人们商超购物、外出野炊、驱车旅行等日常生活的需求。面向未来，随着材料的革新、技术的进步、工艺的优化，组合式便携保温箱一定会向着低能耗、高容积、轻量化、智能化的方向发展。

参考文献

[1]王雪松，谢晶.蓄冷保温箱的研究进展[J].食品与机械.2019，35（8）： 232-236.

[2]万旭.塑料超声波焊接工艺研究[J].科技风.2020，（24）： 132-133.

[3]赵祎，章学来等.应用于冷链运输相变蓄冷技术研究进展[J].包装工程.2020，41（21）：117-124.

[4]罗大伟，宋海燕等.EPP保温箱温度场的数值模拟及试验验证[J].包装与食品机械.2020，38（3）：45-50.

[5]贾蒲悦，武卫东等.新型复合低温相变蓄冷材料的研制及热物性优化[J].化工学报.2019，70（07）： 2758-2765.