恒溫應急救援包裝研究與設計

□ 陳亞昕，郭清娥，張 靜

(1.西安工業大學 經濟管理學院，陜西 西安 710021;2.陜西省兵工科技創新發展軟科學研究基地，陜西 西安 710021;3.陜西高校軍民融合科技創新研究中心，陜西 西安 710021)

應急救援物資的運輸與配送對于及時救援十分重要，而應急救援裝備是應急救援中的重要一環，應急物流包裝技術需要快速發展以滿足應急救援需求，但就目前而言，由于生產應急救援產品沒有較大的利潤，導致生產應急救援產品的企業長時間處于停滯狀態[1]。另一方面，設計應急救援包裝的人員也較為稀缺。由于自然災害的發生具有不可預知性和破壞性，因此，設計應急救援包裝可以防患于未然。目前的應急救援包裝多以簡單的箱體設計為主，但應急救援箱無法同時具備制冷和制熱的功能，并且會產生溫度相互傳導致使效率降低的問題；目前恒溫應急救援箱在存放液體時會出現因晃動導致液體的碰撞與泄漏的情況。為此，本文將基于以上現實背景，設計一款恒溫應急救援箱以達到為應急管理提供理論依據和功能創新的目的。

1 應急救援包裝存在的問題

1.1 功能性問題

到目前為止，我國應急救援包裝的功能類型較為單一，多以外表鋁合金材質，內襯EVA減震棉為主，雖然能夠在一般情況下應對突發狀況，但是因為功能過于簡單，除基礎儲存外基本無其他功能等，在實際救援活動中很難提升應急救援的效率，難以保障藥品類和食物類等有溫度要求的應急救援物資。即使出現一些新型的應急救援包裝技術，也僅僅是對箱體內部部件進行簡單的設計調節以達到方便存取的目的，無法滿足有溫度要求的物資運輸需求。在物流業全面健全的過程中，受到應急產業的影響，應急救援物流正是大勢所需，應急救援物流裝備更是應急救援物流的保證，也證實了應急救援物流是特殊的物流體系。上述內容表明，我國應急救援物流必將不斷發展以滿足需求。但如果我國應急救援包裝仍然只有簡單的儲存功能而不去考慮技術進步，則無法更有保障地展開應急救援活動，而帶來的代價則是人力、物力、財力的大量浪費。

1.2 設計能力問題

我國現有的應急救援包裝因應急救援裝備產業的弱經濟性[2]，而導致設計者較少，設計能力不足。而設計內容多以紅色、綠色箱體為主，形狀單一，導致不同的產品品牌之間的差異性不大，同時應急救援包裝的設計相較于冷鏈物流包裝而言無論是設計量還是設計的維度都多有不足。而研究者不應純以利益為主，而應該在不同的領域內不斷拓展。目前應急物流包裝尚未形成標準化體系，國內應急救援物流包裝標準也未形成，導致救援者在救援過程中很難做到協同化。最后，現階段我國應急物流包裝設計的針對性較弱，通常僅僅是設計出一個具有基本功能的箱體以滿足最基礎的救援物資運送，針對某一場景特色的設計較少。

在地震場景中經?？梢钥匆娋仍藛T使用地震救援箱為災民救治，質量可靠的地震救援箱能夠裝下大部分應急救援所需要的物資，正是因為如此，性能良好的地震救援箱成為了地震救援的標配。由于地震救援箱擁有非常出色的性能，不但有強密封效果同時還可以防水耐高低溫等，因此地震救援箱廠家認為這種箱體不但可以在地震救災場景中發揮重要的作用，而且在其他需要使用救援箱的場景中也可以有出色的表現。

2 應急救援包裝恒溫化

2.1 強化恒溫優勢，發展恒溫化包裝

到目前為止，我們在應急救援包裝領域中使用過的包裝容器有塑料箱、便攜包、金屬箱等。包裝的設計過程中幾乎沒有把溫度因素納入考慮之中，但是如果不把溫度納入考慮中，在應急救援的過程中會存在各種各樣的局限性。如：新冠疫苗的存放溫度為2～8℃，血漿的存放溫度為-20℃或更低，諸如上述的物資還有很多。上述物資為比較典型的特例，那么此時恒溫包裝的優勢就體現出來了，這類物資是一般應急救援包裝無法運載的，因為國內夏季日均最高溫可達28℃，如果運送血漿和疫苗的話就需要采用其他的運輸設備，運輸配送成本較高，同時過程也比較復雜。

另外，可以結合現代科學技術對應急物流包裝技術進行提升和發展，例如，可以采用大數據技術對產品的需求量和需求特征進行預測和把控；還可以采用虛擬仿真技術提升包裝設計的能力，AutoCAD、3DMax、Solidworks等這類仿真建模軟件都是在仿真產品開發領域運用較多的，本文將基于AutoCAD對恒溫應急救援箱進行設計。

2.2 嘗試溫度區域化

時至今日，在恒溫的基礎上還應該考慮將溫度進行區域化處理并用于應急救援包裝。這一點作為本次設計的一個核心內容具有獨創性，其原理較為簡單，即將箱體區域化分為制冷區和制熱區兩個儲存區域。為了不影響兩個區域的箱體正常運作，設計一箱兩區(制冷區和制熱區)，并以隔熱板將兩個區域進行內壁的填充。設計出利用不同溫度設置滿足不同物資要求的新型恒溫應急救援箱。

3 新型應急救援包裝的設計

3.1 設計要求

①恒溫性：此包裝設計為滿足應急救援活動中各類應急救援物資的控溫時間需求，以保證應對突發事件時有時效性的重要救援物資能夠及時送達。②適用性：包裝應用于應急救援場所，例如火災、地震等，應當具有較高的耐用性，因此箱體表層應當使用強度較高的材料如鋁合金、高分子聚乙烯等。③時效性：應急救援物資到達應急救援現場后，應當保證有時效的物資能夠有保存的時間，直至物資得以發配、使用。④便攜性：該包裝的攜帶應當減輕救援行為的阻力，因此設計時考慮地形的特殊性應在箱體外部增加便攜部件以及防撞擊部件。⑤兩溫性：為滿足保溫以及制冷兩個板塊，箱體應當區域化分開，以隔熱板作為中間部分，箱體保溫和制冷區域具備各自相應的設備。

3.2 結構設計

①主體結構設計。

為了實現上述目的，采用如下技術方案：本文設計的恒溫應急救援箱，包括箱體，所述箱體的上表面轉動連接有第一箱蓋，所述第一箱蓋的內表面固定連接有第一安裝槽，所述第一安裝槽的前表面固定連接有加熱棒，所述箱體的上表面且位于第一箱蓋的右側轉動連接有第二箱蓋，所述第二箱蓋的內表面設置有第二安裝槽，所述第二安裝槽的前表面固定連接有回流管，所述箱體的底內壁固定連接有隔板，所述隔板與箱體之間形成空腔；所述箱體空腔的底內壁固定連接有電池，目的是在應急救援的過程中保證箱體功能正常運轉，所述箱體的底內壁且位于隔板的右側固定連接有固定槽，所述固定槽的內表面滑動連接有支撐管，所述支撐管的內部滑動連接有連接桿，所述連接桿的上表面固定連接有金屬頭；所述箱體的下表面固定連接有防滑板，所述防滑板的數量為多個；所述回流管輸入端固定連接有冷卻腔，所述冷卻腔位于第二箱蓋的內部；所述冷卻腔與回流管的輸出端固定連接，所述隔板的材質為礦棉板；所述電池的上表面設置有彈性墊，所述空腔的后表面固定連接有置物袋；所述箱體的右表面固定連接有控制板，所述箱體的右表面且位于控制板的右側設置有插座；所述連接桿的數量為多個，材質為金屬；所述支撐管與連接桿之間具有一定阻尼，所述連接桿的上表面設置有安裝管[3]。

②箱體設計細節描述。

箱體在本文的描述中，需要說明的是，術語“中心”“上”“下”“左”“右”“豎直”“水平”“內”“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本文箱體設計的限制，術語“第一”“第二”“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性，此外，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”“相連”“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接，可以是機械連接，也可以是電連接，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通[4]。

參照圖1-4，本文設計的恒溫應急救援箱：包括箱體1，所述箱體1的下表面固定連接有防滑板4，所述防滑板4的數量為多個，所述箱體1的上表面轉動連接有第一箱蓋7，所述第一箱蓋7的內表面固定連接有第一安裝槽5，所述第一安裝槽5的前表面固定連接有加熱棒6，加熱棒6用于提供熱量，所述箱體1的上表面且位于第一箱蓋7的右側轉動連接有第二箱蓋9，所述第二箱蓋9的內表面設置有第二安裝槽8，所述第二安裝槽8的前表面固定連接有回流管10，所述回流管10輸入端固定連接有冷卻腔，所述冷卻腔位于第二箱蓋9的內部，所述冷卻腔與回流管10的輸出端固定連接，所述隔板16的材質為礦棉板，所述箱體1的底內壁固定連接有隔板16，所述隔板16與箱體1之間形成空腔2。通過設計該結構，避免溫度差異較大的兩側進行熱量傳導，降低救援箱溫度控制的效果。

圖1 保溫箱剖面圖

圖2 容器剖面圖

圖3 容器簡圖

圖4 保溫箱簡圖

所述箱體1的右表面固定連接有控制板11，所述箱體1的右表面且位于控制板11的右側設置有插座，所述空腔2的底內壁固定連接有電池17，所述電池17的上表面設置有彈性墊，所述空腔2的后表面固定連接有置物袋3，所述箱體1的底內壁且位于隔板16的右側固定連接有固定槽14，所述固定槽14的內表面滑動連接有支撐管18，所述支撐管18的內部滑動連接有連接桿15，所述支撐管18與連接桿15之間具有一定阻尼，所述連接桿15的上表面設置有安裝管13，安裝管13用于放置試劑，所述連接桿15的數量為多個，材質為金屬，所述連接桿15的上表面固定連接有金屬頭12，金屬頭12用于傳導熱量。該結構的設計增加保持溫度較低一側的制冷效果。

③工作原理。

將需要保持溫度的物品放置在空腔2的內部，置物袋3可以對較小的物品進行放置，可以根據需要打開某一側的箱蓋，同時使用隔板16進行保溫，避免溫度相互傳遞，將試劑類需要低溫儲存的藥品放置在安裝管13的內部，連接桿15可以對其進行保護，防止其破碎，將支撐管18放置在固定槽14的內部，保持其穩定，金屬頭12與連接桿15將熱量傳遞至回流管10從而進行降溫。

3.3 保溫性能理論驗證

對于溫度控制時間，已有學者進行研究，并給出長方體保溫容器的控溫時間預測計算公式，如公式(1)所示[5]：

(1)

本文設計的恒溫應急救援箱的隔熱層材料為EVA泡棉，其導熱系數約為0.029W/(m·K)；正視圖前后、正視圖左右、正視圖上下外表面的表面積分別約為0.2603、0.1916、0.0681(m2)；那么可以計算出恒溫應急救援箱的外表面積(A0)為1.04(m2)、內表面積(Ai)為0.2394(m2)；恒溫應急救援箱的壁厚(Δx)為0.023(m)。在控溫時間預測模型中代入上述相關參數，計算出恒溫應急救援箱系統熱阻R=191.55(K/W)。

同時，恒溫包裝控溫時間模型如公式(2)所示[5]。

(2)

設定，文中的參數均在一個標準的大氣壓下(101.325kPa)，式中m為制冷劑質量(kg)，制冷劑考慮應急救援物資中有藥物，應避免與其發生反應，選擇化學惰性物質液氮；l為制冷劑相變潛熱系數(j/kg)；R為恒溫應急救援箱內系統熱阻，T0,∞為儲藏外部的環境溫度(K);Ti為恒溫應急救援箱內部溫度,文中溫度為開氏溫度(K)。此包裝預設放置制冷劑的最大體積約為0.0016(m3)；選用的制冷劑為液氮，液氮的相變潛熱系數為198(KJ/kg)，其密度為808.9(kg/m3)，該箱體所能容納的最大制冷劑質量m為1.29(kg)；R根據式(1)算出為191.55(K/W)；設儲藏環境溫度T0,∞為297(K)，保溫包裝內部溫度Ti為276(K)。

則可以根據公式(2)算出預計保溫時間為10.79小時，達到預期要求的恒溫效果。

4 結論

本文針對我國應急救援包裝領域存在的不足，設計了一款恒溫應急救援箱，增強了功能性以及適用性等，且經過理論驗證符合設計目標。與現有技術相比，該恒溫應急救援箱通過設計礦棉板隔板、加熱板與回流管，使救援箱的內部溫度可以分區域進行控制，且不會相互影響提高裝置的節能性；該恒溫應急救援箱通過設計固定槽、支撐管與連接桿，實現在箱子的內部進行保護的同時，可以將其取出防止其在外部受到損壞；該恒溫應急救援箱通過設計金屬頭、連接桿，實現通過熱傳導傳遞熱量、提高箱體內部溫度降低的速率的目的。