冷链物流保温箱保温性能影响因素研究综述

■文/廖嘉昱，曾台英，梁 津，李昊霖，刘舒文，都春龙

（上海理工大学 出版印刷与艺术设计学院，上海 200093）

0 引言

随着我国人民生活水平的提高，生鲜食品的需求量越来越大，同时，如何保障生鲜物流运输成为亟待解决的问题。蓄冷保温箱是蓄冷技术与隔热技术的有机结合，可以弥补冷藏车的缺陷[1-2]。只要将食品分装于含有蓄冷剂的绝热保温材料箱体中，就能通过不同相变温度的蓄冷剂保证不同食品所需的冷藏温度。体积较小的蓄冷保温箱，既能用普通货车运输，又可重复使用。

鉴于当前蓄冷保温箱的广泛应用，本文就蓄冷保温箱保温性能及影响因素的研究进展作一番综述，以期为优化保温箱设计参数，提高冷链物流中保温箱的使用效率，以及降低成本提供参考。

1 蓄冷剂影响保温性能的研究进展

1.1 蓄冷剂储存形式

蓄冷板又称冷板，其制冷原理是利用共晶盐溶液冻结后所蓄存的冷量进行制冷[3]。张哲等[4]研究发现，环境温度对蓄冷板冻结所需时间影响较小，但对共晶液开始冻结所需时间影响较大，且环境温度越高，蓄冷板释冷时间越短。朱先锋等[5]研究指出，环境温度对蓄冷板充冷时间影响较大。杜雁霞等[6]研究了蓄冷介质在板式蓄冷器中凝固时的相界面移动速度，指出蓄冷板厚度应根据传热速率、预测蓄冷时间和电价低谷时段进行设计。

蓄冷袋又叫“非冰冰枕”“特殊冰”，因其成本低廉、保温性能良好而被广泛用在食品、水产等冷链物流中。赵艾东等[7]指出，单位重量的蓄冷袋与同重量的人造冰相比，在冰点以下的同一温度变化范围内蓄冷量较大，吸热较多。张松阳[8]研究发现，比起室温保存，加冰袋可以有效控温延长西兰花的保鲜期。考虑到经济成本，推荐采用西兰花和蓄冰袋重量配比2：1来储运。盛况[9]通过对普通果蔬、食用菌、高附加值产品3种典型物料进行模拟冷藏条件运输实验，指出从经济角度考虑，在28°室温下，使用3袋蓄冷袋进行冷藏保温，可以达到最佳效果。

1.2 蓄冷材料选择

相变蓄冷材料是能在相变循环中吸收和释放潜在热量的材料，可以分为有机相变材料、无机相变材料和共晶混合物。Bai等[10]选用自制蓄冷冰袋，模拟夏季冷链物流配送箱内情况，测量箱内温度和农产品的中心温度，结果表明，蓄冷剂相变温度越低，箱内产品保质期越长。黄莉[11]针对冷藏药品保温运输的要求，采用了独特的包装结构设计，并使用不同的蓄冷剂进行试验。研究发现，在保温箱体性能参数不变的情况下，其温控时间取决于所用相变材料的相变温度和相变焓值。江海林等[12]建立了蓄冷保温箱的有限元模型，分析了冷藏和冷冻两种制冷方式下保温箱内部瞬态温度场和有效保温时间，研究并给出了在外界环境温度以及箱体各参数均不变的情况下，在3种常见冷链物流条件下，箱内蓄冷剂设计参数的合理选择范围。Cong等[13]以自制3种三元盐水溶液研究其相变温度和熔解热的差异，发现熔解热随共晶溶液比例的不同而变化。宋海燕等[14]在3种不同的外界温湿度环境条件下，向保温箱内部加入不同质量的蓄冷剂，研究蓄冷剂质量对挤塑聚苯乙烯保温箱温控效果的影响。Choi等[15]建立了一个综合模型来研究包装隔热性能，并将导热、对流和辐射等基本传热原理应用于模型中，在此基础上讨论了影响保温性能的几个因素，并用该模型计算出实际问题中的冰需求量。

1.3 蓄冷剂摆放位置

蓄冷板的摆放方式会影响蓄冷保温箱的温度场均匀性。李晓燕等[16]研究了蓄冷保温箱配送过程中，在4种蓄冷板布置方式（即顶部布置、四周布置、并列布置、重合布置）下箱体的保冷性能。范中阳等[17]以奶白菜为实验对象，对比研究了两种蓄冷板摆放形式（即顶部摆放和四周摆放）对箱内环境温度和奶白菜中心温度的影响，建议在实际应用中蓄冷板应摆放在保温箱内四周。潘欣艺等[18]应用有限元法，建立保温箱基本模型，并通过改变模型内部蓄冷剂的摆放位置建立侧面摆放（2种）、顶部摆放和边缘摆放共4种摆放方式。研究发现，保温过程中内部温度场分布十分不均匀，蓄冷剂摆放方式对内部温度场影响极大，从温度场均匀程度和箱内平均温度来说，顶摆方式都是最佳的摆放方式。成峰等[19]实验测量了医药运输冷藏箱中蓄冷板两侧摆放、四周摆放和上下摆放对箱内中心温度和壁面温度的影响。研究发现，上下摆放更利于箱体的快速降温，且箱体内中间温度最低。

2 保温箱影响保温性能的研究进展

蓄冷保温箱箱体由保温或低热导率的材料制成，以聚乙烯作为外壳材料，并在外壳夹层中填充发泡材料来提升保温性能。一方面可以维持箱内的低温环境；另一方面也对外界物质进行了阻隔，提高了运输安全性。

2.1 箱体尺寸

余永涛等[20]研究发现：当冷链物流EPP保温箱内容积在35～45L之间，且箱体厚度和箱盖厚度相同时，把长宽比控制在1.8～2.0之间可有效减小内外表面积几何平均值，从而提高保温箱的保温性能。

张莉伟等[21]通过建立保温箱有限元模型，改变保温箱壁厚和热导率等参数，研究对其保温效果的影响。Terpak等[22]建立了一个仿真模型，分析食品包装加热过程中的保温性能，评估加热时间受隔热材料厚度、包装表面辐射率及蜡在食品包装中转变等因素的影响程度，并提出了最佳的食品隔热包装建议。

2.2 保温材料

传统的蓄冷保温箱材料有聚氨酯（PU）和聚苯乙烯（EPS），其保温性能较好但降解性差，不便于回收，会对环境造成污染[23]。陈海洋等[24]提出了以真空绝热板（VIP）为保温材料的可行性。潘欣艺等[25]选取上述3种保温材料（EPS、PU、VIP），通过模拟仿真研究不同材质保温箱内温度场的分布规律。研究发现，VIP保温箱内温度最接近蓄冷剂相变温度值，温度场分布最均匀；3种材料中VIP的阻热性能最好，在保温箱内相同位置的温度要比EPS、PU都低。徐笑锋等[26]研究发现真空绝热板的保温效果优于发泡聚丙烯，可提高保冷时间13.31%。

有学者提出，将两种保温材料结合起来，组成复合保温材料使用。王达等[27]提出一种基于真空绝热板和聚氨酯复合结构（VIP＋PU）的蓄冷保温箱，并以桃子为例，对VIP＋PU、PU、EPS三种不同隔热材料蓄冷保温箱冷藏运输效果进行了研究。陈文朴等[28]研究了一种甲酸钠低温相变材料，将其分别使用在纯聚氨酯发泡（PU）、真空绝热板＋聚氨酯复合（VIP＋PU）两种保温箱内。实验发现真空绝热板+聚氨酯复合的蓄冷箱保冷效果明显优于聚氨酯蓄冷箱，且低温维持时间是纯聚氨酯蓄冷箱的2倍。

3 其他影响因素的研究进展

环境温度对保温箱的保温性能有一定影响。翟纪强等[29]研究发现，外界环境和蓄冷剂与内装物质量比对多温区保温箱的保温特性均有影响，并建立了外界环境温度-蓄冷剂与内装物质量比-保温时间的三维数学模型。

保温箱和内装物的温度预处理直接影响保温箱内温度场及保冷时间。李杰瑞等[30]研究发现，随着预冷时间的增加，保温箱的保温时效也随之增大，但当预冷时间为24 h时，保温时效的增大不再明显，仅有0.5%。

保温箱的隔层预处理，如在保温箱内表面覆铝箔，也会影响其隔热性能。朱琦[31]研究发现保温箱内表面覆铝箔能够提升保温性能。隔层是组合材料对保温性能也有影响，伍亚云[32]对不同厚度的EPS泡沫板和XPS泡沫板组合而成的保温箱进行中心点保温时间测试，并根据公式计算出每种组合方式的平均升温速度，发现平均升温速度值越小，箱体保温性能越好。

另外，在蓄冷箱的设计上，大部分的研究与应用是针对某一温度范围的单温区而设计的，对于多温蓄冷箱和多温蓄冷箱的内部空间设计的研究比较欠缺。

4 结 语

我国冷链物流市场有着巨大的发展空间，随着人们对冷鲜产品品质要求的提升，冷链物流过程中对保温箱保温性能的要求也越来越高。本文重点分析了蓄冷剂和保温箱参数的改变对蓄冷保温箱保温性能的影响。通过分析总结，明确了蓄冷材料、蓄冷剂摆放位置、保温箱隔热材料、保温箱尺寸等因素对保温性能影响的程度和相关定量的指导性结果，为进一步实现冷链保温箱的优化设计和降本增效提供保障。