基于斯特林制冷超低溫疫苗冷鏈箱的設計研究

李虎飛，陳州旗，王建信，劉寶林*

（1-上海理工大學生物系統熱科學研究所，上海 200093；2-上海原能細胞生物低溫設備有限公司，上海 201203）

0 引言

疫苗是指用各種病原微生物制作用于預防傳染病的自動免疫制劑，作為一種特殊的生物制品，疫苗對溫度非常敏感，從生產部門到使用現場之間的每一個環節都可能因溫度過高而失效。為了保證疫苗從生產、貯存、運輸、分發到使用的整個過程的質量，需要建立嚴格、妥善的冷鏈系統[1-2]。但由于大部分地區缺乏相應的冷鏈基礎設施，疫苗冷鏈運輸困難重重[3-4]。

疫苗冷鏈的運輸工具主要是冷鏈車和保溫箱[5]。冷鏈車一般以機械式低溫冰箱、程序降溫儀以及液氮、干冰作為冷源；保溫箱又被稱為無源醫用冷藏箱，一般依靠箱體保溫材料和箱內蓄冷材料維持箱內低溫環境，一些新的降溫方式，如半導體制冷[6]、超小型壓縮機制冷也逐漸被應用其中。國內關于疫苗冷鏈的研究較多，徐笑鋒等[7]通過改變外部環境溫度，對冷鏈車廂內溫度場的分布進行了模擬分析。豆孟柯等[8]對疫苗冷鏈箱常用保溫材料和相變蓄冷材料的選擇及應用進行了分析研究。然而這些運輸工具有著自身的缺陷，如冷藏車體積較大，雖然可以達到-80 ℃以下，但運輸受地理環境限制，液氮式降溫設備需要經常補充液氮等。保溫箱雖然體積小便攜帶，但受冷源限制，一般適合0 ℃以上保存的疫苗，像為應對新冠開發出來的一部分核酸類疫苗，需要運輸設備能夠達到-70 ℃的低溫[9]，不能滿足要求。因此，目前緊缺一種能超低溫制冷且方便攜帶的疫苗冷鏈箱。

斯特林制冷系統是目前主要的低溫制冷系統之一[10-12]，相對于復疊制冷系統而言，小型斯特林制冷系統具有制冷溫度范圍靈活、體積小、便攜帶等優點。劉業鳳等[13]設計了一款有效容積為28 L，儲存溫度為-80 ℃的斯特林型低溫冰箱，運行穩定后箱體內空氣的平均溫度達到-93 ℃，劉亞斌[14]設計的斯特林型冷鏈箱，能使血漿以0.44 ℃/min的降溫速率從零度預冷到-20 ℃。

基于綜合考慮，本文選擇以斯特林制冷機為冷源設計一款便攜帶的超低溫疫苗冷鏈箱。

2 一種便攜式深低溫疫苗冷鏈箱

本文提出的疫苗冷鏈箱冷源由斯特林制冷機提供。冷鏈箱主體包括斯特林制冷機、冷藏箱、溫控裝置、液晶顯示屏以及散熱裝置。

2.1 系統導冷方式的選擇

斯特林制冷機采用機械式制冷，工作原理按逆向斯特林循環，以氣體絕熱膨脹做功。本文設計的程序降溫裝置利用氦氣膨脹制冷，冷量通過制冷機冷頭直接傳遞。由于制冷機制冷量會隨制冷溫度的下降而降低，為最大限度利用制冷機冷量，冷頭導冷方式的選擇就顯得至關重要，目前導冷方式主要包括直接接觸式、熱虹吸式、液體泵循環和強制對流循環式4種[15]，由于本文設計的程序降溫裝置最多冷凍49支1.8 mL凍存管樣本，需要裝置滿足緊湊便攜的特點，因此導冷方式選擇冷端適配器直接接觸式。

2.2 結構設計及尺寸

箱體的主要參數：1）有效容積，同批次最多可冷凍保存49支（7個冷臺，每個冷臺可以放置7支）疫苗；2）制冷溫度，終溫可維持在-80～-10 ℃；3）冷源型號：Cryo-s 80斯特林制冷機；4）供電方式：220 V家用電源或車載12 V電源。

冷鏈箱主要由制冷系統、冷量傳遞裝置和箱體3部分組成。樣機結構的初步設計如圖1所示，各部分尺寸如表1所示。

圖1 冷鏈箱結構設計圖

表1 冷鏈箱各部分各部分的尺寸

2.3 材料選擇

保溫棉是由高純度黏土熟料、氧化鋁粉、硅石粉、鉻英砂等制成的一種新型保溫材料，優點是耐寒、防水隔音[16]。本程序降溫裝置選用閉孔保溫棉作為箱體絕熱層，選用導熱系數良好的紫銅作為導冷平板的材料，速凍冷臺選取6063鋁合金材料[17]，材料的熱物性參數如表2所示。

表2 冷鏈箱各部分材料的密度、導熱系數和比熱容

3 模擬及分析

冷臺自身形狀是影響冷量傳遞的主要因素。為使樣本在冷鏈箱中有較快的降溫速率，選擇合適尺寸的冷臺至關重要[18]。本節主要針對冷臺高度和冷臺半徑進行模擬分析，為測試樣機滿載時制冷機能否正常工作，實驗時所有冷臺均處于滿載狀態。

3.1 模型構建

3.1.1 幾何模型

由于箱體結構對稱，故選用1/4體積進行模擬，選用兩個樣本（樣本1、樣本2）為對照點，樣本1處于中心冷臺的中心位置，樣本2處于外圍冷臺的中心位置，使用凍存管代替西林瓶作為容器，內部使用水代替疫苗作為凍存樣本。如圖2所示。

圖2 速凍平臺結構簡易圖

3.1.2 數學模型

為方便研究，簡化求解過程，對模型作出如下假設[19-20]：1）腔體內空氣視為滿足牛頓黏性定律的牛頓流體；2）空氣的流動狀態為穩態層流，且在固體表面的流動無滑移；3）滿足Boussinesq[21]假設；4）冷凍腔體密閉且絕熱；5）各部分之間接觸良好，無接觸熱阻。

3.1.3 網格劃分

對模型采用自由四面體網格剖分，冷臺與空氣采用超細化處理，凍存管及樣本網格最大單元尺寸設置小于1 mm，對凍存管壁設置8層邊界層網格，起始厚度為0.2 mm，由于模型的剖分方法相同，只需選擇一種模型進行無關性驗證。選取冷臺高度H為30 mm，冷臺半徑R為27.75 mm，網格數量分別設定為873 419，948 787及1 023 965。

圖3所示為不同網格劃分下樣本1的降溫曲線。由圖3可知，網格數量為873 419的模型計算結果與網格數量為948 787的計算結果差距很小，對模型進行加密細化處理，當網格數量設置為1 023 965時，其與948 787的幾乎相同。外圍管樣本2也是上述規律。可認為當網格數量達到948 787時，繼續增加網格時結果差別很小，網格剖分方式符合計算精度要求。

圖3 不同網格剖分下樣本1降溫曲線

3.1.4 邊界條件

邊界條件：1）冷臺和導冷平板初始溫度為-80 ℃（193.15 K），空氣域內部分設為對流換熱，導冷平板底面設為絕熱；2）凍存管，管壁為薄層邊界，管內樣本為相變材料（水），相變區間為10 K，起始相變溫度273.15 K；4）冷源為80 W斯特林制冷機。

3.2 模擬結果分析

對影響樣本的降溫過程的主要因素（冷臺的高度及半徑），模擬變量值如表3所示。3.2.1 不同冷臺高度下樣本的降溫過程

表3 模擬變量值

圖4所示為不同冷臺高度下樣本的降溫過程。由圖4可知，降溫120 s后，當冷臺高度相同時樣本1與樣本2降溫過程相似，但前者的最終溫度更低，這是因為中心冷臺與斯特林導冷頭直接接觸，相比于外圍冷臺熱阻更小；當冷臺高度不同時降溫速率有所差別，冷臺高度H=25 mm時，兩樣本的降溫速率最快且終溫最低，原因是由于樣本剛放入時，熱負荷由冷臺自身的冷量相抵消，這時冷臺體積對降溫速率起決定因素；其余3組中H=35 mm冷臺中的兩樣本前期降溫較快，后期主要靠導冷平板冷量的傳輸，因而樣本降溫變緩，原因是由于其體積較大，供給樣本的冷量比例變小。

圖4 不同冷臺高度下樣本降溫曲線

3.2.2 不同冷臺半徑下樣本的降溫過程

冷臺高度H=25 mm時樣品的降溫效果最佳，因此研究當冷臺半徑為25 mm，高度分別為22.75、27.75和32.75 mm的降溫過程，結果如圖5所示。當冷臺R=32.75 mm時兩樣本終溫均為最低，且降溫速率最快；冷臺半徑對樣本1的影響較大，對樣本2的影響較小。由此可知，對于冷臺為-80 ℃的情況下放入樣本，選取冷臺高度H為25 mm，半徑R為27.75 mm時降溫效果最好。

圖5 不同冷臺半徑下樣本降溫曲線

3.2.3 實驗結果

冷臺的半徑及高度選擇后，需要對實際的降溫效果進行實驗研究，使用的溫度記錄裝置為Agilent 34972A型號的數據采集儀，測溫點的位置為樣本中心點溫度，如圖6黑點標注所示，中心管與外圍管均取冷臺中心管。

圖6 不同冷臺半徑下樣本降溫曲線

圖7所示為-80 ℃下放入樣本的實驗與模擬值對比，結果顯示模擬與實驗值存在一定的差距，但是總體的降溫趨勢相同。

圖7 冷臺-80 ℃下放入樣本降溫曲線

樣本初始放入降溫階段，模擬和實驗測得的降溫速度都很快，主要原因是冷臺與樣本的溫差作用以及樣本在此時還未到達相變結冰區；樣本1結晶平衡時間模擬值為2.5 min，而實驗時間達到4 min。樣本2結晶平衡時間模擬值為5 min，而實驗時間達到8 min。

4 結論

本文基于斯特林制冷機設計了一款超低溫疫苗冷鏈箱，通過對箱體內冷臺的形狀進行分析研究確定了最終設計，得出如下結論：

1）冷臺的高度及半徑對冷鏈箱的降溫過程起到決定性的作用，通過模擬決定了最終的選型，當冷臺高度H為25 mm，半徑R為32.25 mm時，冷鏈箱的降溫效果最好；

2）-80 ℃下放入樣本，中心管樣本1平均降溫速率為5 ℃/min，外圍管樣本2的平均降溫速率約為4 ℃/min，設計降溫速率基本滿足了設計要求；

3）模擬值與實驗值存在一定的誤差，原因是未考慮制冷機制冷量隨熱負荷的變化；箱體保溫材料的邊緣密封性差；凍存管和冷臺、冷臺與導冷平板之間存在接觸熱阻，后期需要加以研究討論。