医疗保温箱的包装结构设计和有限元分析

李刚

摘要：针对疫苗药品等医药产品的保温箱进行了包装结构设计，综合考虑了保温材料、容器尺寸、包装结构和缓冲材料等因素对保温性能的影响。利用AnsysWorkbench软件对设计的成形医疗保温箱模型进行了瞬态热分析，得到了保温箱内部温度随时间的变化规律，讨论了保温箱的保温时效。最后，将模拟结果与实验数据进行了比较，两者的一致性表明了模拟方法和计算结果的可靠性。

关键词：保温箱；包装结构设计；瞬态热分析；保温时效

医疗保温包装作为包装分支中的一员，因其包装对象的特殊性而扮演着不可忽视的角色。疫苗和药品在运输或储存过程中需要保持其应有的活性，要求医疗保温箱需要有良好的保温效果，特别是在高温环境下的运输或储存过程中要求能达到有效的低温效果，让被包装产品不至于由于温度太高而失效。

一、双层分隔板式保温箱的研制及临床应用

双层分隔板式保温箱利用塑料分隔板，将保温箱内箱体分为上下两层，充分利用保温箱的空间，增加保温箱的冷藏容积，解决了由于疫苗种类较多，保温箱内空间相对狭小，疫苗摆放混乱，疫苗互相堆积在一起不易拿取的问题。它缩短了接种人员开启保温箱的时间，提高了保温箱的冷藏效果，确保所使用的疫苗安全可靠。双层分隔板式保温箱利用塑料分隔板将原有保温箱分成上下两层，下层在保温箱底部蓄冷盒敷布上用塑料分隔板，根据疫苗包装规格分成大小不等的若干个空间，在空间内放置疫苗。上层利用两个面积是内箱底部面积三分之一的塑料整理盒放在塑料分隔板组成的支架上，上层塑料整理盒内利用塑料分隔板再分割成若干个空间，在空间内放置所需要的疫苗。通过移动塑料整理盒可以直观或拿取下层所需要的疫苗。如果疫苗保存时间长，需要增加蓄冷盒数量时，将导致保温箱内箱体容积变小，此时可以将上层的两个整理盒减少成一个整理盒单独使用；下层可以调整塑料分隔板支架至所需要的大小，其结构巧妙自由组合。双层分隔板式保温箱充分利用了空间，增加了保温箱冷藏的有效容积，双层分隔板式保温箱使疫苗在有限的空间内摆放整齐，位置固定，方便接种人员拿取疫苗，缩短了保温箱开启时间。在预防接种疫苗时，需要根据接种人次、种类，反复开启保温箱拿取疫苗，保温箱内放置温度计，随时随地掌握箱内温度的变化，根据箱内温度变化的情况调节放置蓄冷盒数量和更换时间，确保所使用的疫苗安全可靠。分隔板和整理盒在使用前同蓄冷盒一起放入冷冻柜中冷冻10～12小时，可以增加保温箱的冷藏效果，保证疫苗质量，提高疫苗接种的成功率。塑料分隔板和整理盒的材质符合国家相应的标准，清洁、安全、无毒。

二、医疗保温箱结构设计

基于市场购买的实际保温包装箱产品，本研究利用Solidworks软件对医疗保温箱各部分分别建模，设计了内部药盒的结构，得到了图1所示的医疗保温箱包装结构。保温箱由外盒（盒盖与盒体）（见图1a和b）、中盒（药盒）（见图1d）和冰盒（见图1e）组成。

外盒是医疗保温箱最外部的盒体和盒盖，直接与外部环境相接触，承受着运输及搬运卸载过程中的撞击。中盒内外两面分别与瓶装药剂和外盒接触，上下与冰盒相接触，是医疗保温箱一个非常重要的中间载体，既起到平稳安放瓶装药品，

使药剂能在保温箱内固定的作用，又起到防震缓冲的作用，且有一定的隔热效果。冰盒是医疗保温箱功能单一但更高效的一部分，冰盒内部主要为蓄冷剂，在极端低温和极端高温的情况下，蓄冷剂都将首先通过自身的蓄热性能来中和外界环境热量，从而使内部环境温度变化缓慢，甚至稳定，达到最终的保温效果。

三、医疗保温箱的瞬态热分析

1.实验条件。为对保温效果进行热分析，本研究采用ANSYS软件对上述结构医疗保温箱进行有限元分析。为了简化模型，进行如下假设：忽略被包装产品及其热物性对模型的影响，保温箱内充满产品；产品与保温箱各部分之间全局接触；保温材料及包装材料的物性参数各向同性；在温度变化过程中，材料的各项物理参数不发生变化；忽略各部分装配之间空隙空气的对流；忽略材料之间的辐射热传递。进行了保温箱的瞬态热分析，分析在一定时间内医疗保温箱内各部分的温度变化，重点监测医药体的温度变化情况。在Workbench的EngineeringData中进行材料编辑，包括比热容、导热系数及密度。材料赋值后进入程序定义界面，需要建立几何模型，虽然ANSYS软件有自带的画图系统，但为了建模方便，使用Solidworks软件进行几何建模，导入ANSYS软件进行处理。先进行稳态热分析，对药剂和冰盒分别赋初始温度-18℃和-20℃。然后在稳态基础上进行瞬态热分析，稳态的结果将赋瞬态初始温度值，设置结束时间为162000s，时间步长为60s。假设保温箱外表面与自然环境的对流传热，箱内的各单元间热传通过接触热阻定义耦合传热。

2.结果分析。医药体在极端外界环境温度40℃下162000s时间结束后的温度分布。從图中可以看出温度分布均匀、对称，符合理论预测结果。为了排除单一性，可见药盒的温度场分布与医药体一致，论证了温度场的合理性。医药体温度从里到外越来越高，并且其中间温度仍旧保持在较低的温度，可见对中间医药体的保温效果仍然存在，而最外部医药体温度则已经上升至2.5℃（假设医药体在0℃以下温度保存），此时保温箱的保温效果已然失效。四条棱的温度上升最快，可见在棱部是主要散热部位，此处是需要重点保温的对象。

四、实验验证

为验证模拟结果和方法的合理性和可靠性，进行了简单的实验比较。实验内容：使用4#EPS盒子，外尺寸为340mm×220mm×180mm，内尺寸为300mm×180mm×140mm。实验方法为将冰块在冰箱冷冻层冰冻至-30℃，然后将冰块取出充满整个EPS盒子，在30℃环境温度下，利用温度记录仪记录EPS盒子内冰块的温度变化。同时根据EPS盒子简单建模，在ANSYS软件中使用与本文前述方法来模拟盒子内冰块的温度变化。对实验结果和模拟结果进行处理比较。温度记录仪的结果数据利用Origin画图软件处理曲线，如图2所示，而相应的ANSYS软件模拟温度曲线如图3所示。比较图2和图3所示的温度变化曲线，考虑到实际实验过程中要从冰箱拿出放到EPS盒子中，在此过程中温度变化较为复杂，因此，本次实验截取-20℃到-1℃这个过程的变化情况。从图2可以看出，温度从-20℃到-1℃，从15时到第二天5时共14h左右，而模拟结果曲线图显示从-20℃到-1℃共经历54000s，计15h，相对误差为7%，尚在可接受范围之内。因此可以认为，上述模拟方法有一定的合理性和可靠性。

本研究建立了保温包装箱的几何结构，并用有限元分析软件进行了模拟分析，得出医疗保温箱的温度分布场，分析得出在医疗保温箱四条棱边的位置是保温箱主要散热点，应加强保温。模拟结果表明，该医疗保温箱在162000s内保持了良好的低温环境，有较好的保温效果。通过实验和模拟比较研究了简单结构的保温效果，两者较好的一致性说明模型和计算方法的合理性。

参考文献

[1]秦凡.包装箱用环保真空绝热板的结构[J].包装工程，2014，31（23）：50-52.

[2]马涛.保温包装整体设计及结构分析[J].包装工程，2014，31（7）：51-53，65.

（作者单位：山东威高集团医用高分子制品股份有限公司）