醫(yī)療保溫箱的包裝結(jié)構(gòu)設計和有限元分析獲獎科研報告

醫(yī)療保溫箱的包裝結(jié)構(gòu)設計和有限元分析獲獎科研報告

摘要：針對疫苗藥品等醫(yī)藥產(chǎn)品的保溫箱進行了包裝結(jié)構(gòu)設計，綜合考慮了保溫材料、容器尺寸、包裝結(jié)構(gòu)和緩沖材料等因素對保溫性能的影響。利用AnsysWorkbench軟件對設計的成形醫(yī)療保溫箱模型進行了瞬態(tài)熱分析，得到了保溫箱內(nèi)部溫度隨時間的變化規(guī)律，討論了保溫箱的保溫時效。最后，將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了比較，兩者的一致性表明了模擬方法和計算結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞：保溫箱;包裝結(jié)構(gòu)設計;瞬態(tài)熱分析;保溫時效

醫(yī)療保溫包裝作為包裝分支中的一員，因其包裝對象的特殊性而扮演著不可忽視的角色。疫苗和藥品在運輸或儲存過程中需要保持其應有的活性，要求醫(yī)療保溫箱需要有良好的保溫效果，特別是在高溫環(huán)境下的運輸或儲存過程中要求能達到有效的低溫效果，讓被包裝產(chǎn)品不至于由于溫度太高而失效。

一、雙層分隔板式保溫箱的研制及臨床應用

雙層分隔板式保溫箱利用塑料分隔板，將保溫箱內(nèi)箱體分為上下兩層，充分利用保溫箱的空間，增加保溫箱的冷藏容積，解決了由于疫苗種類較多，保溫箱內(nèi)空間相對狹小，疫苗擺放混亂，疫苗互相堆積在一起不易拿取的問題。它縮短了接種人員開啟保溫箱的時間，提高了保溫箱的冷藏效果，確保所使用的疫苗安全可靠。雙層分隔板式保溫箱利用塑料分隔板將原有保溫箱分成上下兩層，下層在保溫箱底部蓄冷盒敷布上用塑料分隔板，根據(jù)疫苗包裝規(guī)格分成大小不等的若干個空間，在空間內(nèi)放置疫苗。上層利用兩個面積是內(nèi)箱底部面積三分之一的塑料整理盒放在塑料分隔板組成的支架上，上層塑料整理盒內(nèi)利用塑料分隔板再分割成若干個空間，在空間內(nèi)放置所需要的疫苗。通過移動塑料整理盒可以直觀或拿取下層所需要的疫苗。如果疫苗保存時間長，需要增加蓄冷盒數(shù)量時，將導致保溫箱內(nèi)箱體容積變小，此時可以將上層的兩個整理盒減少成一個整理盒單獨使用;下層可以調(diào)整塑料分隔板支架至所需要的大小，其結(jié)構(gòu)巧妙自由組合。雙層分隔板式保溫箱充分利用了空間，增加了保溫箱冷藏的有效容積，雙層分隔板式保溫箱使疫苗在有限的空間內(nèi)擺放整齊，位置固定，方便接種人員拿取疫苗，縮短了保溫箱開啟時間。在預防接種疫苗時，需要根據(jù)接種人次、種類，反復開啟保溫箱拿取疫苗，保溫箱內(nèi)放置溫度計，隨時隨地掌握箱內(nèi)溫度的變化，根據(jù)箱內(nèi)溫度變化的情況調(diào)節(jié)放置蓄冷盒數(shù)量和更換時間，確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凍柜中冷凍10～12小時，可以增加保溫箱的冷藏效果，保證疫苗質(zhì)量，提高疫苗接種的成功率。塑料分隔板和整理盒的材質(zhì)符合國家相應的標準，清潔、安全、無毒。

二、醫(yī)療保溫箱結(jié)構(gòu)設計

基于市場購買的實際保溫包裝箱產(chǎn)品，本研究利用Solidworks軟件對醫(yī)療保溫箱各部分分別建模，設計了內(nèi)部藥盒的結(jié)構(gòu)，得到了圖1所示的醫(yī)療保溫箱包裝結(jié)構(gòu)。保溫箱由外盒（盒蓋與盒體）（見圖1a和b）、中盒（藥盒）（見圖1d）和冰盒（見圖1e）組成。

外盒是醫(yī)療保溫箱最外部的盒體和盒蓋，直接與外部環(huán)境相接觸，承受著運輸及搬運卸載過程中的撞擊。中盒內(nèi)外兩面分別與瓶裝藥劑和外盒接觸，上下與冰盒相接觸，是醫(yī)療保溫箱一個非常重要的中間載體，既起到平穩(wěn)安放瓶裝藥品，

使藥劑能在保溫箱內(nèi)固定的作用，又起到防震緩沖的作用，且有一定的隔熱效果。冰盒是醫(yī)療保溫箱功能單一但更高效的一部分，冰盒內(nèi)部主要為蓄冷劑，在極端低溫和極端高溫的情況下，蓄冷劑都將首先通過自身的蓄熱性能來中和外界環(huán)境熱量，從而使內(nèi)部環(huán)境溫度變化緩慢，甚至穩(wěn)定，達到最終的保溫效果。

三、醫(yī)療保溫箱的瞬態(tài)熱分析

1.實驗條件。為對保溫效果進行熱分析，本研究采用ANSYS軟件對上述結(jié)構(gòu)醫(yī)療保溫箱進行有限元分析。為了簡化模型，進行如下假設：忽略被包裝產(chǎn)品及其熱物性對模型的影響，保溫箱內(nèi)充滿產(chǎn)品;產(chǎn)品與保溫箱各部分之間全局接觸;保溫材料及包裝材料的物性參數(shù)各向同性;在溫度變化過程中，材料的各項物理參數(shù)不發(fā)生變化;忽略各部分裝配之間空隙空氣的對流;忽略材料之間的輻射熱傳遞。進行了保溫箱的瞬態(tài)熱分析，分析在一定時間內(nèi)醫(yī)療保溫箱內(nèi)各部分的溫度變化，重點監(jiān)測醫(yī)藥體的溫度變化情況。在Workbench的EngineeringData中進行材料編輯，包括比熱容、導熱系數(shù)及密度。材料賦值后進入程序定義界面，需要建立幾何模型，雖然ANSYS軟件有自帶的畫圖系統(tǒng)，但為了建模方便，使用Solidworks軟件進行幾何建模，導入ANSYS軟件進行處理。先進行穩(wěn)態(tài)熱分析，對藥劑和冰盒分別賦初始溫度-18℃和-20℃。然后在穩(wěn)態(tài)基礎上進行瞬態(tài)熱分析，穩(wěn)態(tài)的結(jié)果將賦瞬態(tài)初始溫度值，設置結(jié)束時間為162000s，時間步長為60s。假設保溫箱外表面與自然環(huán)境的對流傳熱，箱內(nèi)的各單元間熱傳通過接觸熱阻定義耦合傳熱。

2.結(jié)果分析。醫(yī)藥體在極端外界環(huán)境溫度40℃下162000s時間結(jié)束后的溫度分布。從圖中可以看出溫度分布均勻、對稱，符合理論預測結(jié)果。為了排除單一性，可見藥盒的溫度場分布與醫(yī)藥體一致，論證了溫度場的合理性。醫(yī)藥體溫度從里到外越來越高，并且其中間溫度仍舊保持在較低的溫度，可見對中間醫(yī)藥體的保溫效果仍然存在，而最外部醫(yī)藥體溫度則已經(jīng)上升至2.5℃（假設醫(yī)藥體在0℃以下溫度保存），此時保溫箱的保溫效果已然失效。四條棱的溫度上升最快，可見在棱部是主要散熱部位，此處是需要重點保溫的對象。

四、實驗驗證

為驗證模擬結(jié)果和方法的合理性和可靠性，進行了簡單的實驗比較。實驗內(nèi)容：使用4#EPS盒子，外尺寸為340mm×220mm×180mm，內(nèi)尺寸為300mm×180mm×140mm。實驗方法為將冰塊在冰箱冷凍層冰凍至-30℃，然后將冰塊取出充滿整個EPS盒子，在30℃環(huán)境溫度下，利用溫度記錄儀記錄EPS盒子內(nèi)冰塊的溫度變化。同時根據(jù)EPS盒子簡單建模，在ANSYS軟件中使用與本文前述方法來模擬盒子內(nèi)冰塊的溫度變化。對實驗結(jié)果和模擬結(jié)果進行處理比較。溫度記錄儀的結(jié)果數(shù)據(jù)利用Origin畫圖軟件處理曲線，如圖2所示，而相應的ANSYS軟件模擬溫度曲線如圖3所示。比較圖2和圖3所示的溫度變化曲線，考慮到實際實驗過程中要從冰箱拿出放到EPS盒子中，在此過程中溫度變化較為復雜，因此，本次實驗截取-20℃到-1℃這個過程的變化情況。從圖2可以看出，溫度從-20℃到-1℃，從15時到第二天5時共14h左右，而模擬結(jié)果曲線圖顯示從-20℃到-1℃共經(jīng)歷54000s，計15h，相對誤差為7%，尚在可接受范圍之內(nèi)。因此可以認為，上述模擬方法有一定的合理性和可靠性。

本研究建立了保溫包裝箱的幾何結(jié)構(gòu)，并用有限元分析軟件進