恒温应急救援包装研究与设计

□ 陈亚昕，郭清娥，张 静

(1.西安工业大学 经济管理学院，陕西 西安 710021;2.陕西省兵工科技创新发展软科学研究基地，陕西 西安 710021;3.陕西高校军民融合科技创新研究中心，陕西 西安 710021)

应急救援物资的运输与配送对于及时救援十分重要，而应急救援装备是应急救援中的重要一环，应急物流包装技术需要快速发展以满足应急救援需求，但就目前而言，由于生产应急救援产品没有较大的利润，导致生产应急救援产品的企业长时间处于停滞状态[1]。另一方面，设计应急救援包装的人员也较为稀缺。由于自然灾害的发生具有不可预知性和破坏性，因此，设计应急救援包装可以防患于未然。目前的应急救援包装多以简单的箱体设计为主，但应急救援箱无法同时具备制冷和制热的功能，并且会产生温度相互传导致使效率降低的问题；目前恒温应急救援箱在存放液体时会出现因晃动导致液体的碰撞与泄漏的情况。为此，本文将基于以上现实背景，设计一款恒温应急救援箱以达到为应急管理提供理论依据和功能创新的目的。

1 应急救援包装存在的问题

1.1 功能性问题

到目前为止，我国应急救援包装的功能类型较为单一，多以外表铝合金材质，内衬EVA减震棉为主，虽然能够在一般情况下应对突发状况，但是因为功能过于简单，除基础储存外基本无其他功能等，在实际救援活动中很难提升应急救援的效率，难以保障药品类和食物类等有温度要求的应急救援物资。即使出现一些新型的应急救援包装技术，也仅仅是对箱体内部部件进行简单的设计调节以达到方便存取的目的，无法满足有温度要求的物资运输需求。在物流业全面健全的过程中，受到应急产业的影响，应急救援物流正是大势所需，应急救援物流装备更是应急救援物流的保证，也证实了应急救援物流是特殊的物流体系。上述内容表明，我国应急救援物流必将不断发展以满足需求。但如果我国应急救援包装仍然只有简单的储存功能而不去考虑技术进步，则无法更有保障地展开应急救援活动，而带来的代价则是人力、物力、财力的大量浪费。

1.2 设计能力问题

我国现有的应急救援包装因应急救援装备产业的弱经济性[2]，而导致设计者较少，设计能力不足。而设计内容多以红色、绿色箱体为主，形状单一，导致不同的产品品牌之间的差异性不大，同时应急救援包装的设计相较于冷链物流包装而言无论是设计量还是设计的维度都多有不足。而研究者不应纯以利益为主，而应该在不同的领域内不断拓展。目前应急物流包装尚未形成标准化体系，国内应急救援物流包装标准也未形成，导致救援者在救援过程中很难做到协同化。最后，现阶段我国应急物流包装设计的针对性较弱，通常仅仅是设计出一个具有基本功能的箱体以满足最基础的救援物资运送，针对某一场景特色的设计较少。

在地震场景中经常可以看见救援人员使用地震救援箱为灾民救治，质量可靠的地震救援箱能够装下大部分应急救援所需要的物资，正是因为如此，性能良好的地震救援箱成为了地震救援的标配。由于地震救援箱拥有非常出色的性能，不但有强密封效果同时还可以防水耐高低温等，因此地震救援箱厂家认为这种箱体不但可以在地震救灾场景中发挥重要的作用，而且在其他需要使用救援箱的场景中也可以有出色的表现。

2 应急救援包装恒温化

2.1 强化恒温优势，发展恒温化包装

到目前为止，我们在应急救援包装领域中使用过的包装容器有塑料箱、便携包、金属箱等。包装的设计过程中几乎没有把温度因素纳入考虑之中，但是如果不把温度纳入考虑中，在应急救援的过程中会存在各种各样的局限性。如：新冠疫苗的存放温度为2～8℃，血浆的存放温度为-20℃或更低，诸如上述的物资还有很多。上述物资为比较典型的特例，那么此时恒温包装的优势就体现出来了，这类物资是一般应急救援包装无法运载的，因为国内夏季日均最高温可达28℃，如果运送血浆和疫苗的话就需要采用其他的运输设备，运输配送成本较高，同时过程也比较复杂。

另外，可以结合现代科学技术对应急物流包装技术进行提升和发展，例如，可以采用大数据技术对产品的需求量和需求特征进行预测和把控；还可以采用虚拟仿真技术提升包装设计的能力，AutoCAD、3DMax、Solidworks等这类仿真建模软件都是在仿真产品开发领域运用较多的，本文将基于AutoCAD对恒温应急救援箱进行设计。

2.2 尝试温度区域化

时至今日，在恒温的基础上还应该考虑将温度进行区域化处理并用于应急救援包装。这一点作为本次设计的一个核心内容具有独创性，其原理较为简单，即将箱体区域化分为制冷区和制热区两个储存区域。为了不影响两个区域的箱体正常运作，设计一箱两区(制冷区和制热区)，并以隔热板将两个区域进行内壁的填充。设计出利用不同温度设置满足不同物资要求的新型恒温应急救援箱。

3 新型应急救援包装的设计

3.1 设计要求

①恒温性：此包装设计为满足应急救援活动中各类应急救援物资的控温时间需求，以保证应对突发事件时有时效性的重要救援物资能够及时送达。②适用性：包装应用于应急救援场所，例如火灾、地震等，应当具有较高的耐用性，因此箱体表层应当使用强度较高的材料如铝合金、高分子聚乙烯等。③时效性：应急救援物资到达应急救援现场后，应当保证有时效的物资能够有保存的时间，直至物资得以发配、使用。④便携性：该包装的携带应当减轻救援行为的阻力，因此设计时考虑地形的特殊性应在箱体外部增加便携部件以及防撞击部件。⑤两温性：为满足保温以及制冷两个板块，箱体应当区域化分开，以隔热板作为中间部分，箱体保温和制冷区域具备各自相应的设备。

3.2 结构设计

①主体结构设计。

为了实现上述目的，采用如下技术方案：本文设计的恒温应急救援箱，包括箱体，所述箱体的上表面转动连接有第一箱盖，所述第一箱盖的内表面固定连接有第一安装槽，所述第一安装槽的前表面固定连接有加热棒，所述箱体的上表面且位于第一箱盖的右侧转动连接有第二箱盖，所述第二箱盖的内表面设置有第二安装槽，所述第二安装槽的前表面固定连接有回流管，所述箱体的底内壁固定连接有隔板，所述隔板与箱体之间形成空腔；所述箱体空腔的底内壁固定连接有电池，目的是在应急救援的过程中保证箱体功能正常运转，所述箱体的底内壁且位于隔板的右侧固定连接有固定槽，所述固定槽的内表面滑动连接有支撑管，所述支撑管的内部滑动连接有连接杆，所述连接杆的上表面固定连接有金属头；所述箱体的下表面固定连接有防滑板，所述防滑板的数量为多个；所述回流管输入端固定连接有冷却腔，所述冷却腔位于第二箱盖的内部；所述冷却腔与回流管的输出端固定连接，所述隔板的材质为矿棉板；所述电池的上表面设置有弹性垫，所述空腔的后表面固定连接有置物袋；所述箱体的右表面固定连接有控制板，所述箱体的右表面且位于控制板的右侧设置有插座；所述连接杆的数量为多个，材质为金属；所述支撑管与连接杆之间具有一定阻尼，所述连接杆的上表面设置有安装管[3]。

②箱体设计细节描述。

箱体在本文的描述中，需要说明的是，术语“中心”“上”“下”“左”“右”“竖直”“水平”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文箱体设计的限制，术语“第一”“第二”“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通[4]。

参照图1-4，本文设计的恒温应急救援箱：包括箱体1，所述箱体1的下表面固定连接有防滑板4，所述防滑板4的数量为多个，所述箱体1的上表面转动连接有第一箱盖7，所述第一箱盖7的内表面固定连接有第一安装槽5，所述第一安装槽5的前表面固定连接有加热棒6，加热棒6用于提供热量，所述箱体1的上表面且位于第一箱盖7的右侧转动连接有第二箱盖9，所述第二箱盖9的内表面设置有第二安装槽8，所述第二安装槽8的前表面固定连接有回流管10，所述回流管10输入端固定连接有冷却腔，所述冷却腔位于第二箱盖9的内部，所述冷却腔与回流管10的输出端固定连接，所述隔板16的材质为矿棉板，所述箱体1的底内壁固定连接有隔板16，所述隔板16与箱体1之间形成空腔2。通过设计该结构，避免温度差异较大的两侧进行热量传导，降低救援箱温度控制的效果。

图1 保温箱剖面图

图2 容器剖面图

图3 容器简图

图4 保温箱简图

所述箱体1的右表面固定连接有控制板11，所述箱体1的右表面且位于控制板11的右侧设置有插座，所述空腔2的底内壁固定连接有电池17，所述电池17的上表面设置有弹性垫，所述空腔2的后表面固定连接有置物袋3，所述箱体1的底内壁且位于隔板16的右侧固定连接有固定槽14，所述固定槽14的内表面滑动连接有支撑管18，所述支撑管18的内部滑动连接有连接杆15，所述支撑管18与连接杆15之间具有一定阻尼，所述连接杆15的上表面设置有安装管13，安装管13用于放置试剂，所述连接杆15的数量为多个，材质为金属，所述连接杆15的上表面固定连接有金属头12，金属头12用于传导热量。该结构的设计增加保持温度较低一侧的制冷效果。

③工作原理。

将需要保持温度的物品放置在空腔2的内部，置物袋3可以对较小的物品进行放置，可以根据需要打开某一侧的箱盖，同时使用隔板16进行保温，避免温度相互传递，将试剂类需要低温储存的药品放置在安装管13的内部，连接杆15可以对其进行保护，防止其破碎，将支撑管18放置在固定槽14的内部，保持其稳定，金属头12与连接杆15将热量传递至回流管10从而进行降温。

3.3 保温性能理论验证

对于温度控制时间，已有学者进行研究，并给出长方体保温容器的控温时间预测计算公式，如公式(1)所示[5]：

(1)

本文设计的恒温应急救援箱的隔热层材料为EVA泡棉，其导热系数约为0.029W/(m·K)；正视图前后、正视图左右、正视图上下外表面的表面积分别约为0.2603、0.1916、0.0681(m2)；那么可以计算出恒温应急救援箱的外表面积(A0)为1.04(m2)、内表面积(Ai)为0.2394(m2)；恒温应急救援箱的壁厚(Δx)为0.023(m)。在控温时间预测模型中代入上述相关参数，计算出恒温应急救援箱系统热阻R=191.55(K/W)。

同时，恒温包装控温时间模型如公式(2)所示[5]。

(2)

设定，文中的参数均在一个标准的大气压下(101.325kPa)，式中m为制冷剂质量(kg)，制冷剂考虑应急救援物资中有药物，应避免与其发生反应，选择化学惰性物质液氮；l为制冷剂相变潜热系数(j/kg)；R为恒温应急救援箱内系统热阻，T0,∞为储藏外部的环境温度(K);Ti为恒温应急救援箱内部温度,文中温度为开氏温度(K)。此包装预设放置制冷剂的最大体积约为0.0016(m3)；选用的制冷剂为液氮，液氮的相变潜热系数为198(KJ/kg)，其密度为808.9(kg/m3)，该箱体所能容纳的最大制冷剂质量m为1.29(kg)；R根据式(1)算出为191.55(K/W)；设储藏环境温度T0,∞为297(K)，保温包装内部温度Ti为276(K)。

则可以根据公式(2)算出预计保温时间为10.79小时，达到预期要求的恒温效果。

4 结论

本文针对我国应急救援包装领域存在的不足，设计了一款恒温应急救援箱，增强了功能性以及适用性等，且经过理论验证符合设计目标。与现有技术相比，该恒温应急救援箱通过设计矿棉板隔板、加热板与回流管，使救援箱的内部温度可以分区域进行控制，且不会相互影响提高装置的节能性；该恒温应急救援箱通过设计固定槽、支撑管与连接杆，实现在箱子的内部进行保护的同时，可以将其取出防止其在外部受到损坏；该恒温应急救援箱通过设计金属头、连接杆，实现通过热传导传递热量、提高箱体内部温度降低的速率的目的。