藥品配送冷藏箱制冷技術(shù)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

王 瑜，成 峰

(南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，南京 210009)

藥物是人類與疾病抗?fàn)幍闹匾淦?，是社?huì)保障的重要組成部分，隨著國(guó)家對(duì)社會(huì)保障程度的大力支持，藥品的品種也是日益繁多，根據(jù)商務(wù)部市場(chǎng)秩序司公布的藥品流通行業(yè)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)告，截至2018年底，全國(guó)醫(yī)藥零售企業(yè)有48.9萬(wàn)家。藥品分為兩類，一類普通藥物常溫保存運(yùn)輸；一類以疫苗為主需要在2～8 ℃的環(huán)境中保溫運(yùn)輸。嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征(severe acute respiratory syndromes，SARS)疫情激發(fā)了中國(guó)對(duì)流感疫苗的需求，2002年消費(fèi)量不超過500萬(wàn)人份，而2019年流感疫苗需求量達(dá)2 800萬(wàn)劑次[1]，2020年初爆發(fā)了新型冠狀病毒肺炎疫情，2020年底疫苗已經(jīng)研制成功[2]，急需冷鏈運(yùn)輸?shù)饺珖?guó)各地?？梢灶A(yù)見，為了更好地應(yīng)對(duì)流行性病毒，疫苗類藥品的需求會(huì)越來(lái)越大，藥品冷鏈運(yùn)輸也會(huì)日益頻繁[3]。

大部分藥品冷鏈運(yùn)輸過程屬于批量小、批次多的藥品，每批藥品的質(zhì)量大小不一，目的地也不同。這種情況下，傳統(tǒng)冷藏車有很多限制，當(dāng)冷藏車的裝載率較低時(shí)，在車載的機(jī)組制冷量不變的情況下，不但消耗掉冷藏車的大量電力，也會(huì)造成冷藏車內(nèi)極低溫的環(huán)境，并且每運(yùn)輸?shù)揭粋€(gè)地方，頻繁的開門關(guān)門卸貨，車內(nèi)外的冷熱交換和溫度變化也會(huì)影響藥效[4]。此外，如果目標(biāo)地點(diǎn)分散，各需求點(diǎn)距離長(zhǎng)，客戶需求量繁雜，還需專程設(shè)計(jì)冷藏車路徑[5]。如果此時(shí)將配送裝置模塊化、小型化，針對(duì)不同地區(qū)的不同藥品需求應(yīng)用容積合適的配送箱，不但節(jié)約了運(yùn)輸成本便于攜帶，而且保證了冷鏈運(yùn)輸過程的藥品質(zhì)量。

首先分析藥品配送冷藏箱的設(shè)計(jì)進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上介紹三種制冷方式的冷藏箱，分析影響冷藏箱性能的關(guān)鍵因素，并指出未來(lái)藥品配送冷藏箱發(fā)展方向和待解決的問題。

1 藥品配送冷藏箱的特點(diǎn)

藥品需要在一定的溫度下冷藏，以疫苗為例，又可分為冷敏感疫苗和熱敏感疫苗，溫度過高和過低都會(huì)對(duì)藥品的活性產(chǎn)生影響。藥品對(duì)冷藏條件的要求比農(nóng)產(chǎn)品、海產(chǎn)品和速凍食品要求更高，既不能過冷，也不能過熱。目前市場(chǎng)有的藥品配送的冷藏箱中僅僅使用冰袋，無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸。普通藥品的物流過程在常溫下進(jìn)行，特殊藥品如疫苗類藥品的物流全過程需要冷鏈物流。

1.1 儲(chǔ)藏溫度

不同種類的疫苗所需求的儲(chǔ)藏溫度不同。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)明確規(guī)定乙型肝炎疫苗、破傷風(fēng)類毒素等藥劑不得暴露在冷凍溫度下，并應(yīng)儲(chǔ)存在2～8 ℃[6]，通常擔(dān)心高溫對(duì)藥品的影響，一味降低溫度導(dǎo)致液體類藥品凍結(jié)也會(huì)降低藥物活性。當(dāng)然也有少數(shù)的疫苗儲(chǔ)存于-20 ℃下，如脊髓灰質(zhì)炎減毒活疫苗[7]。

1.2 內(nèi)部體積

冷藏箱的內(nèi)部體積目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，很容易忽視有限空間的藥品儲(chǔ)存量，因?yàn)檫^多的儲(chǔ)存影響冷藏效果和冰箱的制冷循環(huán)[8]。當(dāng)藥品儲(chǔ)存量較小時(shí)，由于冷藏箱制冷能力相對(duì)固定，低溫可能會(huì)降低其藥效。目前市場(chǎng)的冷藏箱體積從30～50 L不等，體積大小因需求而不同，應(yīng)該根據(jù)不同冷藏箱的大小和制冷能力，給使用者一個(gè)儲(chǔ)存質(zhì)量范圍的參照。

1.3 制冷方式

藥品配送的冷藏箱大都在室外環(huán)境和溫度不斷變化的條件下。由于配送轉(zhuǎn)接和冷藏時(shí)長(zhǎng)并不固定，制冷能力需滿足預(yù)期的“最不利工況”；隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，傳統(tǒng)制冷劑氟利昂R22也逐步淡出人們的視線，制冷方式也需要節(jié)能環(huán)保；當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生或地區(qū)偏遠(yuǎn)交通不便時(shí)，只能依托無(wú)源醫(yī)用冷藏箱[9]。由此可見制冷方式應(yīng)該滿足綠色、節(jié)能、持久等特點(diǎn)，藥品配送冷藏箱的特點(diǎn)如表1所示。

表1 藥品配送冷藏箱的特點(diǎn)Table 1 Characteristics of refrigerated containers for drug distribution

2 藥品配送冷藏箱的制冷方式

現(xiàn)有的藥品配送冷藏箱按制冷方式的不同，可以分為半導(dǎo)體式冷藏箱、相變蓄冷式冷藏箱和蒸汽壓縮式冷藏箱，不同類型的制冷方式有不同的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 半導(dǎo)體式冷藏箱

半導(dǎo)體制冷是20世紀(jì)60年代興起的制冷技術(shù)，然而其理論基礎(chǔ)最早可追溯到19世紀(jì)，半導(dǎo)體制冷的優(yōu)點(diǎn)在于：制冷迅速，操作簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，適用于制冷量不大、要求裝置小型化的場(chǎng)合[11]。于是基于半導(dǎo)體制冷的醫(yī)藥冷藏箱[12]需求越來(lái)越大。

2.1.1 半導(dǎo)體制冷的原理

熱電效應(yīng)是具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，而半導(dǎo)體制冷是建立在塞貝克效應(yīng)、帕爾帖效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)上的制冷新技術(shù)。

半導(dǎo)體制冷器的基本單元是半導(dǎo)體電偶，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的N-P(negative-positive)結(jié)，形成熱電偶對(duì)，再用銅導(dǎo)線接到直流電源上構(gòu)成回路。原理如圖1所示。

2.1.2 半導(dǎo)體式冷藏箱的發(fā)展

梁斯麒[13]搭建了半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)，注意到箱體與半導(dǎo)體安裝過程中要盡量避免“冷橋”的產(chǎn)生，半導(dǎo)體芯片不工作時(shí)箱內(nèi)仍能保持一個(gè)比較穩(wěn)定的值，冷藏箱的保溫起到了重要作用。蔡德坡[14]建立了熱端散熱強(qiáng)度和制冷系數(shù)之間的關(guān)系，制冷系數(shù)隨著散熱強(qiáng)度的增加而不斷增加，但越來(lái)越趨于平緩，不能通過提高散熱強(qiáng)度來(lái)無(wú)限提高制冷系數(shù)，半導(dǎo)體制冷工況有最大制冷量和最大制冷系數(shù)，當(dāng)持續(xù)低溫或間歇式恒溫工作，應(yīng)采用最大制冷系數(shù)。司聞?wù)躘15]采用太陽(yáng)能作為半導(dǎo)體制冷箱的電源，以制冷箱內(nèi)溫度降至8 ℃停止工作時(shí)為起點(diǎn)，再次降至 8 ℃停止時(shí)為一個(gè)工作周期，所測(cè)試晴天節(jié)能效率為8.5%，陰天為6.8%，其中晴天時(shí)加入蓄冷材料可以滿足一天的制冷量。實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理Fig.1 Principle of semiconductor refrigeration

圖2 太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷Fig.2 Solar semicounductor refrigeration

金剛善[16]應(yīng)用太陽(yáng)能進(jìn)行半導(dǎo)體制冷和制熱，指出一個(gè)隔熱性能良好的制冷/制熱空間可以大大提高系統(tǒng)的性能，同時(shí)降低能耗；實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)能半導(dǎo)體空調(diào)中，制熱功能的實(shí)現(xiàn)相對(duì)制冷功能實(shí)現(xiàn)要容易得多。王倩[17]搭建了半導(dǎo)體制冷箱制冷的實(shí)驗(yàn)裝置，擬合了太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)工作電流電壓、箱內(nèi)溫度和耗功率的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度越高，且在一定范圍內(nèi)降低輻射強(qiáng)度值時(shí)，可以提高制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)。戴源德等[18]在不同環(huán)境溫度下測(cè)試光伏半導(dǎo)體制冷，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度為25～30 ℃的條件下，箱內(nèi)溫度保持在6～12 ℃，制冷系數(shù)(coefficient of performance，COP)最大可達(dá)0.32。趙陽(yáng)[19]通過實(shí)驗(yàn)比較不同結(jié)構(gòu)散熱器、輸入功率、布置方式、以及冷端送風(fēng)方式對(duì)半導(dǎo)體制冷箱冷熱端溫度分布的影響，采用上下單層散熱翅片、50 W的輸入功率、90 ℃水平安裝、冷端送風(fēng)吹中間時(shí)，制冷效果最好，箱內(nèi)最低溫度為2.1 ℃。圖3為該半導(dǎo)體制冷箱熱管散熱的原理圖。

圖3 半導(dǎo)體制冷箱熱管散熱模型[19]Fig.3 Schematic diagram of experimental apparatus of semiconductor refrigeration[19]

張曉芳[20]對(duì)比了半導(dǎo)體制冷箱熱端的幾種散熱方式，發(fā)現(xiàn)水冷式散熱是半導(dǎo)體制冷箱的理想選擇，使用不同的水溶液實(shí)驗(yàn)表明，鹽溶液的冷卻效果優(yōu)于水，飽和溶液的散熱優(yōu)于不飽和溶液。沈文濤等[21]制造了內(nèi)部規(guī)格21 cm×21 cm×18 cm的便攜式醫(yī)用血箱，半導(dǎo)體制冷片安裝在箱體兩側(cè)，制熱面朝向箱體外側(cè)；箱內(nèi)安裝可充電電池，當(dāng)沒有外接電源時(shí)，啟用電池。呂志家[22]將半導(dǎo)體制冷的冷端散熱和熱端散熱都利用起來(lái)，制作了立式的冷暖箱，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓及室內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)境溫度下，得出不同換熱方式其空間溫度場(chǎng)過的變化曲線；發(fā)現(xiàn)選擇熱管與風(fēng)冷組合換熱方式最佳，達(dá)到的制冷效果最好，COP最大。

曹志高[23]對(duì)半導(dǎo)體制冷熱端使用熱管進(jìn)行散熱，對(duì)于容積45 L的冷箱，20 ℃的環(huán)境溫度下，熱管散熱的半導(dǎo)體冷箱適宜的工作電壓為11～12 V，電流為6.8～7.6 A，通過冷箱內(nèi)溫度測(cè)量，熱管散熱的制冷效果強(qiáng)于風(fēng)冷和水冷。馬廣青[24]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷散熱端采用熱管散熱要優(yōu)于翅片散熱，在滿足應(yīng)用的前提下，適當(dāng)降低半導(dǎo)體制冷片的額定功率，能提高制冷效率。Putra[25]設(shè)計(jì)并測(cè)試了采用熱電組件和熱管的便攜式疫苗載體盒，熱管放置在熱電模塊的熱側(cè)可以改善熱電模塊的性能，盒內(nèi)最低溫度可達(dá)-10 ℃。雷強(qiáng)萍[26]通過對(duì)空間六個(gè)特定測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)與模擬值，發(fā)現(xiàn)冷端采用強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱時(shí)，冷端布置在冷箱內(nèi)頂部中心位置時(shí)溫度分布最均勻。

總結(jié)上述半導(dǎo)體制冷的研究，從其動(dòng)力源、制冷片型號(hào)、熱端散熱方式和冷端導(dǎo)熱方式方面總結(jié)如表2所示。

表2 近年來(lái)半導(dǎo)體冷藏箱研究總結(jié)Table 2 Research on semiconductor refrigeration in recent years

2.2 相變蓄冷式冷藏箱

為了平衡夏天晝夜峰谷電力負(fù)荷的情況，應(yīng)用相變材料(phase change materials，PCMs)的蓄冷(熱)系統(tǒng)才開始大力研制開發(fā)。相變材料的種類很多，主要可分為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物[27]兩大類，有機(jī)物相變材料不僅腐蝕小，在相變過程中幾乎沒有相分離的缺點(diǎn)，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格便宜；無(wú)機(jī)相變材料包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽等，具有較高的體積蓄冷度，且價(jià)格適中，但缺點(diǎn)是存在過冷和相分離。

2.2.1 相變蓄冷的原理

蓄冷技術(shù)是指機(jī)械壓縮式等制冷循環(huán)機(jī)組工作產(chǎn)生的冷量?jī)?chǔ)存在蓄冷材料中，然后再通過蓄冷材料在特定時(shí)間地點(diǎn)將冷量釋放出來(lái)。潛熱蓄冷是利用物質(zhì)相態(tài)的變化進(jìn)行吸、放熱，比如夏季用裝有冰袋的箱子冷藏飲料，如圖4所示。

圖4 冰袋融化吸熱Fig.4 Heat absorption of melting ice

2.2.2 相變蓄冷式冷藏箱的發(fā)展

章學(xué)來(lái)等[28]研究2～8 ℃相變溫度的材料，通過步冷曲線和差示掃描量熱法試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)十二醇-辛酸二元有機(jī)溶液質(zhì)量比為40:60時(shí)，相變溫度為2.08 ℃，相變潛熱為224.5 J/g。馬穎等[29]研究了環(huán)境溫度對(duì)無(wú)機(jī)鹽水合溶液相變材料過冷行為的影響，環(huán)境溫度的起始溫度和終點(diǎn)溫度對(duì)無(wú)積水合鹽相變過冷度影響較大，液-固相變時(shí)試樣的降溫速度與過冷度無(wú)關(guān)。張群力等[30]使用膨脹石墨、碳纖維與石蠟研制出復(fù)合型相變蓄能材料，研究不同蓄放熱運(yùn)行工況下該裝置的蓄放熱性能，結(jié)果表明：在夜間蓄熱、日間放熱的運(yùn)行工況下，該相變蓄熱電暖器所在房間溫度波動(dòng)較小，具有較好熱舒適性。

潘欣藝[31]根據(jù)潛熱篩選出0、3、5、7 ℃的蓄冷劑進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)蓄冷劑的相變溫度最好在 2 ℃左右，使箱內(nèi)2～8 ℃的區(qū)域最大，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蓄冷劑擺放在箱內(nèi)頂部時(shí)，溫度場(chǎng)分布最為均勻。張偉[32]制備正葵醇-十六醇二元低共融物作為冰箱冷藏室用蓄冷材料，進(jìn)行比熱測(cè)試，發(fā)現(xiàn)固態(tài)時(shí)的定壓比熱容隨溫度變化時(shí)比較明顯，且隨著溫度的上升而上升；將正葵醇-十六醇與高孔隙率泡沫銅進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和內(nèi)部溫度均勻性得到了極大的改善。寧初明等[33]首先對(duì)相變材料進(jìn)行了分析，對(duì)目前冷藏箱和運(yùn)輸車中使用相變材料進(jìn)行了總結(jié)，最后對(duì)相變蓄冷技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。

盛況[34]針對(duì)冷藏車上的蓄冷板會(huì)在運(yùn)輸中，液態(tài)的蓄冷劑增大了材料對(duì)包裝的沖擊載荷，加上包裝外部的機(jī)械碰撞，蓄冷劑晃動(dòng)產(chǎn)生不必要的能量損失，利用高吸水性樹脂(super-absorbent polymers，SAP)來(lái)降低蓄冷劑配方的液體流動(dòng)性。張秋玉等[35]在可裝卸式的蓄冷保溫箱四周放置四塊蓄冷板，冷鏈運(yùn)輸條件相同的情況下，可裝卸式蓄冷保溫箱的蓄冷劑使用量比傳統(tǒng)的蓄冷保溫箱大11.5%，同時(shí)可裝卸式蓄冷保溫箱縫隙散熱量達(dá)到11.39%。田萌萌[36]采用市面上常見的擠塑泡沫保溫箱選用不同量的蓄冷劑和不同外界環(huán)境進(jìn)行保溫時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，建立了三者之間的關(guān)系模型，為實(shí)際運(yùn)輸提供了理論依據(jù)。

范中陽(yáng)[37]以奶白菜為對(duì)象，對(duì)比研究了兩種蓄冷板擺放方式，發(fā)現(xiàn)蓄冷板四周擺放相比頂部擺放冷藏效果更好，原理如圖5所示。Li等[38]以半導(dǎo)體制冷作為主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，兩個(gè)可拆卸的蓄冷包作為內(nèi)部被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)，有效延長(zhǎng)了冷藏時(shí)間。

總結(jié)上述相變蓄冷的研究，從其相變材料、蓄能裝置、布置方式等方面總結(jié)如表3所示。

圖5 蓄冷板擺放方式[37]Fig.5 Location of cold storage plates[37]

表3 近年來(lái)相變蓄冷應(yīng)用研究總結(jié)Table 3 Research summary of phase change cold storage application in recent years

2.3 蒸汽壓縮式冷藏箱

蒸汽壓縮式制冷始于19世紀(jì)70年代，是目前發(fā)展比較完善、應(yīng)用最為廣泛的方法之一，能得到較寬的制冷溫度范圍。中小容量范圍的蒸汽壓縮式制冷設(shè)備比較緊湊，可適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要。

2.3.1 蒸汽壓縮式制冷原理

在蒸汽壓縮式制冷中，制冷劑的蒸汽首先被壓縮到比較高的壓力，被外部冷卻介質(zhì)冷卻而轉(zhuǎn)變成液體，再經(jīng)節(jié)流，使壓力和溫度同時(shí)降低，利用低壓力下工質(zhì)液體的汽化即可吸熱制冷，汽化后的蒸汽再由壓縮機(jī)吸入壓縮，進(jìn)行循環(huán)。原理如圖6所示。

圖6 蒸汽壓縮制冷原理[39]Fig.6 Principle of vapor compression refrigeration[39]

2.3.2 蒸汽壓縮式冷藏箱的發(fā)展

圖7 車載的并聯(lián)光伏發(fā)電制冷系統(tǒng)[43]Fig.7 Vehicle mounted parallel photovolatic power generation system[43]

卜海潮等[40]提出了將蒸汽壓縮式制冷技術(shù)和三相變頻技術(shù)結(jié)合的制冷方案，以滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)為對(duì)象，根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果和滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)特點(diǎn)，要控制氣缸長(zhǎng)徑比和相對(duì)偏心量才能進(jìn)一步縮小壓縮機(jī)體積。Ouali等[41]研究了一種新型的太陽(yáng)能疫苗蒸汽壓縮制冷機(jī)，以光伏和常規(guī)交流電耦合，容積為57 L，在蒸發(fā)器側(cè)采用潛熱蓄冷，為了得到不同位置的能耗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。房立新[42]基于三相變頻壓縮機(jī)的制冷方案，改進(jìn)壓縮機(jī)殼體的密封形式，使用螺桿連接上下端蓋、O形密封圈密封來(lái)代替焊接,以此來(lái)解決壓縮機(jī)體積變小帶來(lái)的熱容量減少、散熱差的問題。Henriques等[43]通過并聯(lián)光伏發(fā)電系統(tǒng)，為疫苗冷藏提供了一個(gè)低成本、可靠的制冷解決方案，如圖7所示，并指出要考慮到移動(dòng)性質(zhì)(如振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)應(yīng)力)對(duì)冷藏箱帶來(lái)的影響。Myres等[44]使用太陽(yáng)能直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備為儲(chǔ)存疫苗的冰箱供電，使用能量收集控制將多余的電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，有效地延長(zhǎng)了疫苗冷藏時(shí)長(zhǎng)。鐘曉暉等[45]研制小型化蒸汽壓縮機(jī)制冷樣機(jī)，通過微結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱來(lái)縮小制冷裝置的質(zhì)量和體積，并進(jìn)一步確定與壓縮機(jī)相匹配的直流電機(jī)和傳動(dòng)比。楊宇飛等[46]的實(shí)驗(yàn)表明制冷劑的充注量和微型電子膨脹閥的占空比對(duì)制冷系統(tǒng)有很大的影響。

2.4 制冷方式對(duì)比

半導(dǎo)體制冷能夠保證冷藏箱內(nèi)溫度的穩(wěn)定性，持續(xù)不斷的電量輸入能確保溫度始終在合適的區(qū)間；相變蓄冷則降低了制冷成本，蓄冷板可以擺放在不同位置，調(diào)整出最優(yōu)的溫度場(chǎng)，減少箱內(nèi)的溫度波動(dòng)；蒸汽壓縮式制冷則為大體積的冷藏箱提供足夠的冷量，傳統(tǒng)壓縮式制冷技術(shù)發(fā)展成熟，便于應(yīng)用推廣。具體的制冷方式對(duì)比如表4所示。

表4 制冷方式對(duì)比Table 4 Cooling mode comparison

藥品配送冷藏箱內(nèi)的溫度要求是2～8 ℃，溫度過高過低都會(huì)破壞藥物的藥性[47]，半導(dǎo)體制冷相較于其他兩種方式，溫度調(diào)控更精確，無(wú)需制冷劑則無(wú)污染，制作工藝相對(duì)成熟，是較好的制冷手段。

目前，越來(lái)越多的學(xué)者將不同制冷方式的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，達(dá)到“1+1>2”的效果。Thenmozhi等[48]在冰箱內(nèi)部應(yīng)用相變材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加相變材料能夠明顯減少冷藏箱內(nèi)食品的溫度波動(dòng)。陳英姿等[49]在冰箱中組合不同相變溫度的相變材料，能夠有效延長(zhǎng)冰箱保溫時(shí)間。湯黎明等[50]將相變材料裝在半導(dǎo)體制冷箱的內(nèi)部，由半導(dǎo)體制冷片為相變材料“充冷”，進(jìn)而相變材料為冷藏箱蓄冷，延長(zhǎng)了使用時(shí)間。由此可見，后續(xù)也可以考慮將半導(dǎo)體制冷和相變材料結(jié)合為藥品配送冷藏箱提供冷量。

3 儲(chǔ)藏箱設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素

3.1 能源的選擇

冷藏箱按照能源供給方式主要分為電力驅(qū)動(dòng)型和無(wú)源蓄冷型，電力驅(qū)動(dòng)型是通過蓄電池儲(chǔ)存多余的電量，當(dāng)沒有外接電源時(shí)，蓄電池為冷藏箱供能，節(jié)約能源；無(wú)源蓄冷型是通過相變材料在外界蓄冷，放入冷藏箱內(nèi)釋冷。電力驅(qū)動(dòng)型依靠電能的穩(wěn)定輸入，能持續(xù)不斷地制冷，也可以通過電流大小調(diào)整制冷功率，而無(wú)源蓄冷型依靠相變材料的潛熱，溫度波動(dòng)小，工作過程清潔無(wú)污染。

太陽(yáng)能是冷藏箱能源的潛在發(fā)展方向。電能是高品位能源，太陽(yáng)能屬于低品位能源，太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，中國(guó)又處于北半球歐亞大陸的東部，具有豐富的太陽(yáng)能資源，如果能加以利用，無(wú)疑可以達(dá)到節(jié)能的效果。太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率從20世紀(jì)中的10%，到目前為止有望超過24%[51]，發(fā)展前景遠(yuǎn)大。劉志強(qiáng)[52]將太陽(yáng)能利用在冷藏車上的壓縮式制冷中，設(shè)計(jì)建造了太陽(yáng)能冷藏車，并對(duì)比了影響光伏發(fā)電溫度、光照強(qiáng)度等因素，確定了實(shí)際發(fā)電功率。陳海濤等[53]以直流壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，利用相變材料將不穩(wěn)定的太陽(yáng)能儲(chǔ)存其中，從而實(shí)現(xiàn)冷藏箱的低溫保持，李泊錚等[54]利用能量平衡法計(jì)算出冷藏箱的最大熱負(fù)荷，并以此選取了蓄電池容量和太陽(yáng)能電池板規(guī)格，開展了半導(dǎo)體制冷冷端對(duì)流換熱方式對(duì)制冷效果影響的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。筆者設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用太陽(yáng)能的藥品配送箱使用流程，如圖8所示。白天太陽(yáng)能電池吸收太陽(yáng)能，通過太陽(yáng)能控制器部分電能為藥品配送冷藏箱制冷，部分電能儲(chǔ)存在蓄電池中，夜間為冷藏箱制冷提供能源。

圖8 太陽(yáng)能冷藏箱原理圖Fig.8 Principle of solar refrigeration box

3.2 環(huán)境適應(yīng)性

在冷鏈運(yùn)輸過程中，藥品冷藏箱的運(yùn)輸方式主要是兩種：空運(yùn)和陸地運(yùn)輸。陸地運(yùn)輸無(wú)疑會(huì)受到路況的影響，運(yùn)輸車輛經(jīng)過顛簸路面和啟停，無(wú)疑會(huì)造成冷藏箱間的碰撞，冷藏箱在生產(chǎn)中就需要滿足《包裝 運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn) 第4部分：采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的抗壓和堆碼試驗(yàn)方法》(GB/T 4857.4—2008)中的碰撞試驗(yàn)，且有一定的防水抗壓能力，這樣才能投入市場(chǎng)，可選用增韌樹脂體系的復(fù)合材料作為包裝材料[55]。

中國(guó)南北溫度差異很大，夏季最高溫可達(dá) 49.6 ℃，冬季的最低溫度低至-50 ℃[56]，目前看來(lái)，三種制冷方式均能適用于此區(qū)間的工作溫度。在極端熱環(huán)境下如何保持冷藏箱制冷效果，需要關(guān)注冷藏箱的保溫包裝，殷平[57]在暖通空調(diào)規(guī)范中指出保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)必須進(jìn)行厚度修正，保冷材料的密度并非越小越好，而應(yīng)根據(jù)保冷材料的具體性能進(jìn)行選擇。各類保溫材料參數(shù)如表5所示，其中真空絕熱板(vacuum insulation panel，VIP)的導(dǎo)熱能力只有常規(guī)保溫材料的1/10，雖然其造價(jià)昂貴，但在藥品冷藏對(duì)溫度場(chǎng)要求極高的情況下，也可以選用真空絕熱板。

表5 各類保溫材料參數(shù)Table 5 Parameters of various insulation materials

在極端冷環(huán)境下，藥品配送冷藏箱在外界環(huán)境下，溫度不斷下降，此時(shí)需要在箱內(nèi)適度加熱，半導(dǎo)體制冷可以在散熱端儲(chǔ)存藥品[58]，壓縮式制冷采用四通轉(zhuǎn)向閥，蒸發(fā)側(cè)變冷凝側(cè)。相變材料根據(jù)環(huán)境采用常低溫相變儲(chǔ)能材料，在極端冷環(huán)境下相變釋熱，提高箱內(nèi)溫度[59]。

3.3 溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性

冷量在箱內(nèi)的散發(fā)方式因制冷方式不同而改變，半導(dǎo)體制冷的溫度場(chǎng)由其制冷端散熱，冷端的送風(fēng)方式和布置在箱內(nèi)位置所影響，相變蓄冷中蓄冷板的擺放位置、蒸汽壓縮式制冷的蒸發(fā)器端送風(fēng)方式也會(huì)影響溫度場(chǎng)的均勻性。劉廣海等[60]在評(píng)價(jià)多溫蓄冷車溫度場(chǎng)時(shí)，引入溫度絕對(duì)不均勻系數(shù)S，S越大，溫度場(chǎng)均勻性越差，多溫蓄冷車的平均溫度較傳統(tǒng)蓄冷車波動(dòng)降低，分布更加均勻。但也要注意到，一般冷藏車內(nèi)部容積(12～13 m3)較冷藏箱的要大很多，閻海燕[61]測(cè)量醫(yī)用冷藏箱不同位置的溫度，發(fā)現(xiàn)液體制劑避免放在冷藏箱的下面，以免溫度過低導(dǎo)致冰凍。所以在整體溫度場(chǎng)均勻的情況下，也要關(guān)注“局部”的溫度，尤其是疫苗這類對(duì)溫度極其敏感的物品。藥品在箱內(nèi)的擺放未必要上下均勻放置，局部不符合2～8 ℃處可人為制造間隔，雖然減小了冷藏箱的有效容積，但保證了冷藏效果。

電冰箱式的冷藏箱可能出現(xiàn)斷電情況。劉碧麗[62]發(fā)現(xiàn)，斷電后上層維持在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的時(shí)間最短，而下層維持的時(shí)間最長(zhǎng)。可以在冷藏箱內(nèi)布置熱電偶測(cè)溫，實(shí)時(shí)反饋箱體內(nèi)的溫度狀況；當(dāng)出現(xiàn)斷電時(shí)，工作人員連接外部電源，長(zhǎng)時(shí)間斷電使藥物質(zhì)量無(wú)法保證，儲(chǔ)藏箱將失效。

3.4 除濕和除霜問題

藥品從冷藏庫(kù)拿出來(lái)時(shí)，短暫暴露在環(huán)境中，空氣中的水蒸氣易液化在藥品表面，藥品在運(yùn)輸過程中，使用冰排或者冰袋時(shí)也會(huì)有泄露的風(fēng)險(xiǎn)，增加吸水布來(lái)減少可能因泄露或冷凝水而造成的污染危害，但從實(shí)際效果看，收效甚微[63]。相變蓄冷應(yīng)選用相變溫度高于空氣露點(diǎn)溫度的材料，膜除濕和智能除濕材料技術(shù)尚未成熟，箱內(nèi)使用固體除濕材料比較方便[64]，常見的固體干燥劑的優(yōu)缺點(diǎn)如表6所示。從吸濕能力和安全可降解的角度看，纖維干燥劑無(wú)疑是較好的適用于藥品冷藏箱的除濕劑。

表6 常見固體干燥劑對(duì)比Table 6 Comparison of common solid desiccants

冷藏箱內(nèi)的濕度過大再加上箱內(nèi)溫度低，若低于空氣露點(diǎn)溫度，則會(huì)形成大量的冷凝水，久而久之，在采取壓縮式制冷時(shí)還會(huì)有結(jié)霜問題。直冷式冰箱利用空氣自然循環(huán)進(jìn)行冷卻，箱內(nèi)溫度均勻性較差，須人工除霜，受制于體積大小，不大可能在小型的冷藏箱中使用風(fēng)冷的形式[65]，張金秋[66]提出了在藥品冷藏箱的雙層玻璃門內(nèi)充入惰性氣體，降低門的導(dǎo)熱系數(shù)，提高玻璃門結(jié)露的極限環(huán)境空氣相對(duì)濕度，半導(dǎo)體制冷采取散冷片和散熱端間布置連接裝置，從熱端來(lái)引熱風(fēng)進(jìn)行除霜[67]，相變蓄冷由于要更換相變材料充冷，可采用人工除霜；壓縮式制冷可采取風(fēng)冷熱泵[68]常用的旁通管來(lái)除霜，相變蓄冷由于要更換相變材料充冷，可采用人工除霜。

4 結(jié)論

詳細(xì)分析了適用于藥品配送冷藏箱的三種制冷方式，包括半導(dǎo)體制冷、相變蓄冷和蒸氣壓縮式制冷。主要結(jié)論如下：

(1)半導(dǎo)體制冷方面，主要?dú)w納了熱端不同的散熱方式對(duì)制冷效率的影響，冷端送風(fēng)方式對(duì)箱內(nèi)溫度分布的影響。

(2)相變蓄冷方面，主要關(guān)注更優(yōu)的相變材料研發(fā)，考察相變蓄能裝置的相變過程，歸納相變材料布置方式對(duì)箱內(nèi)溫度分布的影響。

(3)應(yīng)用蒸汽壓縮式制冷時(shí)，需要控制體積，主要體現(xiàn)在壓縮機(jī)的制造工藝上。

(4)對(duì)于三種制冷方式，盡量使用容易獲得的低品位能源是最理想的能源供給方式。

5 展望

盡管藥品配送冷藏箱已經(jīng)取得了不少進(jìn)步，但仍有一些新的方向和技術(shù)值得研究。

(1)能源方面，能否使用太陽(yáng)能。由于藥品冷藏配送大都在室外運(yùn)輸，利用太陽(yáng)能可以降低能耗，綠色無(wú)污染。

(2)冷鏈運(yùn)輸過程會(huì)發(fā)生顛簸，要考慮到碰撞和振動(dòng)，以及人工開關(guān)冷藏箱的頻次對(duì)冷藏散熱的影響；極端熱環(huán)境下，冷藏箱的保溫包裝尤為重要；極端冷環(huán)境下，冷藏箱變成“保溫箱”，需要關(guān)注由此帶來(lái)的溫度變化。

(3)溫度場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性直接影響著藥品藥效，既要把握整體的溫度場(chǎng)，也要關(guān)注局部問題。

(4)藥品盒從冷庫(kù)取出時(shí)接觸常溫空氣，制冷系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間使用，冷藏箱中不可避免會(huì)有凝結(jié)水，要注意除濕防止其造成內(nèi)部的電器元件絕緣性能下降，金屬生銹；箱內(nèi)溫度過低處，水汽可能會(huì)直接凝華成霜，需要及時(shí)去除。