双温区调控的食品冷链自清洁物流箱设计

高靖萱，杨文惠，张路平，李 洋

(东北林业大学 a.工程技术学院； b.土木工程学院，哈尔滨 150040)

0 引言

冷链物流在行业内外的受重视程度与日俱增，已实现了“门到门”的快捷便利的物流运输[1]。冷链物流过程逐步规范，冷链物流企业日益发展，冷链物流信息技术水平也在不断提高。消费者购买生鲜是一个即时需求，对配送时间要求很高，在这种情况下，新零售模式异军突起，其打造的生鲜电商平台致力于为消费者提供高频次、随时购随时享的消费模式。这种运营模式的难点在于末端配送，由于生鲜在最后一公里呈现小批量、多批次、即时性的个性化需求，这对末端配送提出了更高的要求和挑战，也增加了运营成本。在追求时效和安全的前提下怎样优化末端配送成为企业长久发展的关键一环[2-3]。生鲜农产品易腐烂，因此对配送条件要求高的特点使得生鲜电商最后一公里的配送效率成为研究热点[4]。

目前，冷链末端配送从起始点到消费点的流动储存效率和效益无法得到控制和整合，冷链发展的滞后在一定程度上影响了食品产业的发展。由于针对多种多样的生鲜货品的配送设施、包装要求和规格等水平较低，生鲜货品常常与普通恒温的商品同处共同的配送空间，从而导致配送环节的生鲜商品质量损失较大[5-6]。另外，常用的简易篷布食品周转箱的抗压性与坚固程度也不能得到保证，因此运输过程中箱内食品因装置破损而损坏、倾洒的情况时有发生。食品运输过程中，因外部环境和温度的变化，物流箱内外温度会受到较大的影响，实时的温度监测就显得尤为必要。配送过程中，多次打开箱盖时，空气中的灰尘或细菌会进入到箱内，对食品安全造成威胁。总体来说，当前的生鲜电商配送及运输等环节的设施设备建设有待进一步完善。末端配送设备不仅仅是从单纯的加冰泡沫箱发展到可自动调控温度的物流箱，还应根据相应的食品卫生需求被赋予更多功能。

设计了多温调控食品冷链自清洁物流箱，它具有自主调控温度和一键杀菌消毒的功能，可广泛用于生鲜冷链食品周转，进一步提高冷链物流服务水平，保障食品安全。

1 整体结构和工作原理

1.1 整体结构

物流箱包括箱体、消杀模块、监测模块、冷热存储模块和移动电源。使用SolidWorks进行建模，其整体结构如图1所示。消杀模块设置在箱体和顶盖上，用于箱体内部的消毒杀菌；监测模块设置在箱体的底部，用于检测食品汤汁泄露；冷热存储模块设置在箱体的内部；移动电源设置在箱体上，与消杀模块、冷热存储模块及监测模块电性连接，使用CAD建立其剖视结构图，如图2所示。

图1 物流箱 3D 结构图Fig.1 3D structure of logistics box

图2 物流箱剖视结构图Fig.2 Logistics box section structure drawing

1.2 工作原理

通过分析市场需求，综合已广泛应用的物流箱功能，结合消费者对冷链末端配送的意见反馈，设计出多温调控的食品冷链自清洁物流箱。基于SolidWorks软件，可直观反映物流箱的整体结构，计算出物流箱底板最大屈服应力为 5.05 e+08 N/m2，最大承载重量为100 kg。通过Proteus模拟仿真，物流箱内部可以实现自动升降温，保证箱内两侧都处于设定温度之内。根据相应的食品卫生需求，装置被赋予监测倾漏、杀菌消毒、温度调控等功能，为消费者提供了更好的服务。

1.2.1 外观及材料

箱体内外表面采用Toyal Lotus材料。Toyal Lotus是具有拒水性的功能性包装材料，该拒水功能是通过对包装材料表面进行物理化学处理，使其形成像荷叶一样的分形结构，从而实现与水的接触角度为170°以上的超拒水性，在密封材料表面形成含有微米级别的微细空气的拒水膜，从而形成超拒水性的表面状态[7]，使物流箱具有极强的拒水性和密封性。

1.2.2 内体自清洁

物流箱内顶部设有紫外线杀菌灯，采用规格为15 W的普通型紫外线杀菌灯，其辐射强度≥20 um/cm2。被紫外线消毒灯照射5 min左右即可将箱体内所的细菌等杀死，以保障外卖箱内部的安全卫生。

1.2.3 物流运输防倾倒监测

物流箱设有预防监测泄漏系统，食品可以受到有效缓冲保护，以防出现洒漏的情况影响食品品质。物流箱内部设有滑道槽及可拆卸的横纵隔板，可放置不同大小的食品，以防洒漏。

1.2.4 温度监控

物流箱内部空间采用冷热分离式，分离隔板的两侧安置半导体制冷片，稳定冷热两区域餐品的温度，实现自主调节。物流箱通过温度传感器实时监测箱体内的温度，经单片机处理后的温度数值与设定值进行比较，判断温度高低，从而采取相应的措施，保持箱内食品温度恒定。

2 物流箱主要机构设计

本产品可应用于生鲜冷链物流市场，也适用于家庭，要求箱体能够方便运输，具有一定的容量和耐用性，能够重复多次使用，需具有便于清洁、杀菌消毒、冷热分隔、防倾倒和温度调控等功能。针对以上需求，可从物流箱主要机构和多温调控系统两个方面进行设计与研究。

2.1 物流箱的主要机构

外观结构。箱体外部安装有万向轮，通过六角头螺栓固定在箱体的底部，减震装配体设置在万向轮的内部，有利于万向轮的承重，提高箱体的稳定性，防止因颠簸引起的食品撒漏。箱体外部设有三节拉杆，由拉杆下横条、拉杆外管、外管包边、拉杆中管、中管包边、拉杆内管、拉杆把手、拉杆上横条组成，收缩时体积小，可调节性更换，调节高度更方便。该结构的设计可以方便配送员在任何情况下进行工作，给用户带来更好的体验，如图3所示。

图3 箱体外观结构Fig.3 Exterior structure of box body

消杀模块。箱体消杀模块包括紫外线消毒灯管，设置在顶盖的底部，与移动电源电性连接，如图4所示。接通电源后，紫外线消毒灯工作，可灭活箱体内 99% 的细菌，对箱体内部及食品起到杀菌消毒的作用。箱盖打开时，开关会自动断开，紫外线消毒灯停止工作，避免因照射皮肤而对人体产生伤害。

图4 箱体消杀模块Fig.4 Box elimination module

检测模块。箱体检测模块包括底板、弹簧、折叠支架和重力传感器，如图5所示。底板设置在箱体的底部，弹簧的一端与底板的底部连接，弹簧的另一端与箱体的底端内壁连接，折叠支架设置在箱体内壁上，重力传感器设置在底板的底部，弹簧起到缓冲的作用，避免过度倾斜，保证食品配送过程中不会发生食品洒露，减少损失，重力传感器用于检测食品是否泄露，当食品泄露到底板上时，重力传感器会发出报警信号。

图5 箱体检测模块Fig.5 Box detection module

冷热存储模块。箱体冷热存储模块包括隔热板、半导体制冷器、温度传感器和控制器，如图6所示。隔热板设置在箱体内部中间，将箱体内部分隔为冷食品存放区和热食品存放区。温度传感器用于检测箱体的内部温度，将温度信号传输到LCD显示屏进行实时温度显示，并传输到控制器，将其与设定值进行比较，判断温度高低。由于半导体制冷器本身具有制冷和加热的功能，因此可以代替分立的加热系统和制冷系统，箱体一端将会产生制冷效应，另一端会产生制热效应，可以稳定冷热两区域餐品的温度，实现自我调节。

图6 箱体冷热存储模块Fig.6 Container cold and hot storage modules

2.2 多温调控系统

2.2.1 多温调控电路的原理

为使物流箱能够实现保冷和保热的功能，在箱体中部增设隔板，以 AT89C51 单片机作为核心，根据半导体制冷的工作原理，选取了以 TEC1-03103 半导体制冷芯片为关键制冷部件的多功能送餐箱设计方案，其原理如图7所示。

图7 多温调控原理图Fig.7 Schematic diagram of multitemperature control

利用 AT89C51 单片机作为控制单元，防水封装温度传感器 DS18B20 双路采集箱内实际温度数据，并利用 LCD 液晶屏显示箱体内两侧实时温度，利用键盘设置箱内两侧温度，进而实现温度检测与控制之间的协调工作[8]。通电后，若实时温度与设定温度产生偏差，则系统会自动进行升温或降温的调节。

2.2.2 多温调控电路的设计

多温调控电路包括温度检测电路、按键控制电路、温度显示电路及半导体制冷电路。

温度检测电路。物流箱温度控制系统选用的是 DS18B20 数字温度传感器，用于采集箱内两侧实时温度数据[8]，测温范围为-55℃～+125℃，固有测温误差1℃。该温度传感器采取外部电源供电，使用中不需要任何外围元件，输出数字信号，具有体积小、成本低、抗干扰能力强、精度高等特点，且电路结构较为简单[8]，可将采集到的箱体内保热端温度数据传送到单片机 P1.6 处理，将箱体内保冷端的温度数据传送到单片机 P1.7 处理。

按键控制电路。控制电路由键盘输入，包括开机键(on)、关机键(off)、设置键(set)、升温键(up)和降温键(down)5个按键[8]。通电后，可利用设置键分别设置箱体内两侧达到的温度上下阈值，若实际采集温度与系统设置温度阈值有偏差，系统会自动控制半导体芯片进行升温或降温调节，使温度处于设定范围内。

温度显示电路。采用LCD1602 显示箱内两侧的实时温度，利用 AT89C51 单片机驱动，利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制。

半导体制冷材料。半导体制冷也称热电制冷，它利用特种半导体材料构成的 P-N 结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，从而达到制冷和制热的效果[9]。根据帕尔帖效应原理，半导体制冷片上产生的热量与其通过电流强度成正比，其关系式为：

Q=I×π=(αp-an)T×I

(1)

其中：π为帕尔帖系数，αpαn分别为p型和n型电偶臂的温差电动势；T为结点上的绝对温度；I为透过结点的电流。

因此，在一个电偶上的产冷量为：

(2)

其中：R为热电偶的等效电阻；T为半导体冷热端温差；K为半导体结点的总热导。

根据多功能送餐箱的应用场合和温度的调节范围，利用单片机驱动，选取三级半导体制冷芯片作为实际应用的工作芯片，且芯片两端均带有陶瓷板安装散冷器或散热器[10]，以实现温度调节。

3 物流箱的仿真分析

3.1 温度控制电路仿真分析

温度控制电路中，使用电磁继电器代替 TEC1-03103 半导体制冷芯片模拟升降温，使用Keil软件编写成hex文件，链接Proteus进行调试编译，仿真物流箱箱体内两侧温度调控。

如图8所示为物流箱正常工作的情况，仿真箱内一侧实时温度为4℃，在设定的4℃～6℃，右侧实时温度为12℃，在设定的12℃～14℃，可以保证箱体内两侧都处于恒温状态。

图8 温度正常Fig.8 Normal temperature

如图9所示为物流箱内温度异常的情况，当箱体内温度不在设定范围内，即超过设定温度的上限或下限，蜂鸣器会发出警报，半导体制冷芯片对箱体进行升降温处理，直至温度下降到设定温度范围内，警报解除。

图9 温度异常Fig.9 Temperature abnormity

由上述仿真实验可知，对箱体内两侧进行双路温度采集并显示，通过TEC1-03103半导体制冷芯片进行升降温，可保证箱内两侧都处于设定温度之内，物流箱满足多温调控的需求，可以正常使用。

3.2 温度场模拟

3.2.1 数学模型建立

按照物流箱设计需求，该产品需满足大部分冷链食品的贮藏条件，传热学和空气动力学是本次设计仿真的重要实验基础[11]，运用ANSYS Workbench软件进行仿真，设置环境是理想环境状态下。冷藏内部空间为自然空气，空气自然流动且不可压缩。为方便计算，忽略箱盖缝隙影响，箱盖与箱体视作一个整体，箱内部空间为一个整体，箱内气体湿度均设置为正常状态下的自然流动，忽略箱体内外的热辐射，主要制冷来源即隔板半导体制冷器的热量传导与对流。

物流箱内部热传导对流方程：

(3)

q=-λ∇T

(4)

物流箱外部与空气对流方程：

-n*q=q0

(5)

qo=h(Text-T)

(6)

式中：Cp为恒压热容；Q为内热流；ρ为密度；k为传热系数；q为热流密度；ΔT为温度梯度。

3.2.2 仿真过程

使用ANSYS 2021R2软件进行仿真，由于物流箱为对称结构，为简化仿真过程，选取箱体一侧进行温度场仿真。在SolidWorks中抽象出空间形状，为长方体，设置材料属性为空气，考虑到半导体制冷片安装在箱体中央隔板处，将物流箱一侧划分从右至左温度呈现梯度增加，自然对流换热系数一般为5～10 W/(m2K)，箱内粗略计算为10 W/(m2K)，仿真过程如图10所示。

图10 温度场仿真Fig.10 Temperature field simulation

3.2.3 结果分析

由仿真结果可见，箱体内一侧温度从右至左温度较为均匀，最低温度为12℃，最高温度为12.032℃，平均温度为12.019℃，符合箱体内12℃～14℃的温度设置范围，说明该物流箱设计合乎实际情况，初步仿真实验良好，可满足使用需求。

4 结语

该设计选择冷链物流末端配送的物流箱为研究对象，针对市场中的物流箱温度不可控、卫生安全得不到保障、遇到冲击导致食品倾倒洒漏等问题进行优化设计。外体采用Toyal Lotus材料，使物流箱具有极强的拒水性和密封性，为食品安全提供保障；使用紫外线灯，有效杀菌消毒，为内体清洁环境提供保证；底盘安装重力传感器和缓冲装置，以免食品倾倒造成洒漏情况；选择 DS18B20 数字温度传感器、单片机、半导体制冷材料进行温度控制，并进行实时检测与调节，满足温度可调控功能。针对各项功能进行相应的仿真实验，实验效果良好，较好地解决了冷链物流末端物流箱结构不合理、卫生安全差、温度控制不当等问题，有效提高了温控精度与工作效率，增加了便捷性与安全性。