一种兼具储运功能的新型保温装置研究与应用

利用磁悬浮真空保温原理，本文研究设计了一种兼具储、运功能的新型保温装置，具有无电源冷储、保温效果好、运输能耗低、多品种单元化分类储运、可周转使用等功能特点，利用普通货运车辆运输，也可利用闲置厂房、仓库储藏，拥有更强的普适性，能够满足冷链物流安全高效、节能降耗、可周转使用、绿色环保的高标准要求。

近年来，随着人民生活水平不断提高，冷藏农产品的物流量逐年攀升。保鲜冷库、冷藏车是冷链物流的基础设施，目前我国保鲜冷库主要分布在中转地和销售地，而产地保鲜冷库数量偏少，且多为固定式中小型冷库，其使用具有区域性、季节性特点，属阶段性利用，效率比较低。冷藏车制造成本高，连续制冷耗能大，运输成本高，在多种运输方式转换时存在货物温度控制不稳定及“断链”问题，且不具备小批量、多品种、单元化分类运输功能。针对现有保鲜冷库和冷藏车在产地储藏、远距离运输方面存在的不足及缺陷，市场迫切需要安全、高效、节能、绿色、环保、可周转使用且符合冷链物流特点的储藏、运输设施设备。

一、储运保温装置设计方案的确定

1.储运保温装置设计思路

利用少量蓄冷剂作为存储、运输的冷源，汲取冷库、冷藏车等设施设备的优势及长处，克服其不足，设计一种兼具储运功能的保温装置，集中堆叠可作为临时“冷库”使用，分开堆叠装运可作为车载保温箱使用。

2.储运保温装置设计原则

设计应以简单、高效、实用为原则，能实现储、运能耗低，保温效果好，可重复使用，节能、绿色、环保，并可利用普通货运车辆运输，普适性强。

3.储运保温装置保温原理

热的传递方式有三种方式：热传导、热对流、热辐射。储运保温装置设计成双层壳体结构，内壳体在外壳体中呈悬浮状态，四周为点接触陶瓷球头螺栓限位，内、外壳体之间间隙抽成真空状态，用来隔断热传导、热对流传热；内壳体表面包覆多层铝箔，隔绝热辐射通路，上述设计从热传递的三种方式考虑，最大限度隔断内、外壳体之间的传热途径，实现最佳保温效果。

二、储运保温装置结构设计

储运保温装置主体结构由球盖、筒体、真空阀及手把等构成，选用双层壳体中空结构，利用永磁铁将内壳体悬浮于外壳体中，双层壳体之间的中空层抽真空隔断热传导，同时在内壳体表面包覆多层防辐射屏，降低热辐射。

1.球盖

为提高耐压能力，储运保温装置内、外端盖选用半球形结构，内球盖置于外球盖内，顶部设置的若干小磁铁对，使内、外球盖吸合在一起，并实现外球盖旋转时，带动内球盖一起旋转。内、外球盖直边段内侧圆周面上部设置两道“O”型密封槽，下部加工螺纹，螺纹螺距大小不同，内球盖上的螺纹螺距大于外球盖上的螺纹螺距。外球盖两道密封槽之间设计一个螺纹通孔，用来装设真空阀（如图1所示）。

2.筒体

储运保温装置筒体为货物及蓄冷剂储藏空间，综合考虑耐压、容积、隔热、效率等因素，内、外筒体选用圆筒结构，在底部设置同极永磁铁对，在内、外筒体上缘凸台处设置限位陶瓷球头螺栓。同时，内、外筒体直边段外侧圆周面上部与内、外球盖配合处加工密封光面与螺纹，与球盖构成密封与螺纹副联接（如图2所示）。

3.密封件

真空设备的密封性能是真空设备的重要指标，密封件的正确选用是关键。储运保温装置真空层为高真空，球盖与筒体之间的密封为可拆静密封，橡胶“O”密封圈密封具有密封可靠，可反复拆装，易于加工，价格低廉等优点，尤其是串联的“O”型密封结构，因存在寄生容积，可明显减小气体的泄漏率和泄漏量，延长平衡时间。因此，选用双重“O”型橡胶密封圈作为储运保温装置的密封元件。

4.装置组合

外球盖与外筒体通过螺纹副联接构成外壳体，内球盖与内筒体通过螺纹副联接构成内壳体，内壳体在外壳体中呈悬浮状态（如图3所示）。

装入货物前，首先旋开球盖组合，使球盖与筒体分离，将预冷后的货物装入内筒体，再根据货物的类别加入少许蓄冷剂。

球盖旋合时，当旋合至螺纹长度约一半距离时停下，第一道”O“型密封圈起作用，真空阀接入抽真空系统，抽除真空层内的空气，达到要求的真空度后，再将球盖组合旋紧，此时双重“O”型密封圈起作用，两道密封圈之间的槽构成真空状态的寄生容积，同时因内壳体上的螺纹副螺距大于外壳体上的螺纹副螺距，内、外壳体顶部磁铁对脱开，保持一定间隙[1]。

5.堆叠方式

储运保温装置外球盖顶部与外筒体底部均设有圆环形支座，外筒体底部圆环支座B的内直径略大于外球盖顶部圆环支座A的外直径；外球盖顶部环环支座上对称装设一对手把，手把与圆环支座为螺纹联接；外筒体底部的圆环支座上对称加工有两个倒“L”形卡口，卡口宽度尺寸略大于手把直径（如图4 A向示意图所示）。

堆放时，储将运保温装置I吊起至略高于储运保温装置II的高度，储运保温装置I筒体底部的圆环支座对准储运保温装置II球盖顶部的圆环支座，储运保温装置I筒体底部的圆环支座上的卡口对准储运保温装置II球盖顶部圆环支座上的手把位置，轻轻落下，直至完全压实，再将储运保温装置I整体水平旋转一定角度“防脱”即可（如图4所示）。此种堆叠方式，装置之间连接较为简单稳固，并有简单明确的装运规范可供装运工人进行参考，装运效率相对较高且可以有效预防现有物流体系下暴力装卸的相关现象。

6.永磁悬浮结构

在垂直方向上，利用永磁铁同极相斥异极相吸原理，在内壳体与外壳体底部设置同极永磁铁对，其产生的斥力大于储运保温装置内壳体及装载物总重量，当装载货物的内壳体处于稳定悬浮状态时，内壳体与外壳体顶底部及四周凸缘上、下不接触。

在水平方向上，外壳体凸缘上的限位螺栓头部装设在内壳体凸缘上的限位通孔内，限制内、外壳体在水平方向上的相对移动；限位螺栓头部为球形结构，喷涂陶瓷隔热层，与限位孔壁接触为点接触，接触面积小。

7.辐射屏隔热结构

在储运保温装置内壳体外表面设置多层具有高反射率的铝箔辐射屏，低热传导率的尼龙网将每层铝箔辐射屏间隔开，同时将每层铝箔辐射屏压紧固定在内壳体外表面上。在高真空条件下，设置n组辐射屏，理论上辐射传热可减少至无辐射屏状态下的1/（n+1）倍，从而大幅度降低辐射热传递[2]。

三、冷源的选用

当前冷链市场的储运装备多采用冷库和冷藏车，冷库、冷藏车制冷原理是利用压缩机工作提供冷源，在电价、油价不断上涨的今天，这种储运模式既不经济也不环保。“大库存小货”、“大车装小货”给客户带来不可忽视的额外成本。储运保温装置选择蓄冷剂作为冷源，依靠不同温度的蓄冷剂来完成温控，可与常温货物一同装载在普通货车中进行配送，既能充分保证冷冻冷藏货物的配送质量，又可有效利用普通货车的配送能力，降低配送成本，环保、节能。

四、实施与应用

作为一种储运器具，储运保温装置综合考虑了自重、容积、隔热、温度保持、装运等多种应用因素，并对结构参数进行了优化。

1.尺寸与材料

考虑耐压、人工或机械装运效率及便利性等因素，储运保温装置结构尺寸确定为外径Φ450mm，内Φ400mm，高度650mm，内筒容积约50升。制造材料，选用重量轻、机械强度高、铸造性能好的ZL105高强度铝合金。

2.制造与工艺

储运保温装置制造材料ZL105铝合金，具有低密度、高强度、铸造性能好等特点，选用精密铸造工艺制造，尺寸精确高，表泛光洁，腔体表面不再进行机械加工而直接使用，仅对密封槽及配合面等有高精度加工要求的部位进行精加工即可，节省了金属材料，经济效果优良。

3.真空获取与维持

在影响真空保温的诸多因素中，真空度的保持起到十分关键的作用，要求真空层的真空度优于10-2Pa，真空保温才能达到最佳效果。油扩散真空泵机组抽速大，抽速范围宽，且结构简单，可靠性高，操作维护方便，极限压力可达到10-3Pa以上，能满足使用要求。并且，储运保温装置对油污染不敏感，故选用油扩散真空泵作为真空获取设备[3]。

4.储藏与运输

我国很多优质农产品产地地理位置偏远，冷链物流发展不平衡、不充分，冷链设施短缺，农产品供需调节能力不足，产地“最先一公里”问题突出[4]。储运保温装置可利用田间、地头闲置空间，将个体单元按行列分层堆叠就可作为临时“冷库”使用，成为解决农产品预冷、保鲜的移动仓储设施。

储运保温装置可实现普通货车装运，小批量、多品种、单元化分类运输，多种运输方式转换时，货物温度控制稳定，不存在冷链“断链”问题；也可同常温货物一同配送，实现冷链到店、到家，解决了城市“最后一公里”问题（如图5所示）。

5.维护保养与使用

储运保温装置结构简单，除橡胶密封件为易损件，需定期更换外，其它部件均为耐用件，如无意外损坏（如受到剧烈撞击外壳体严重变形等），可长期周转使用。

五、结论

储运保温装置采用真空绝热及磁悬浮原理进行结构设计，对热传导、热对流有效隔断，同时使用少量蓄冷剂作为冷源，可实现运输能耗低，保温效果好，多品种单元化储运功能。该装置可利用普通货运车辆运输，也可利用闲置场地作为临储点储藏保鲜，符合冷链物流安全高效、节能降耗、可周转复用、绿色环保的特点，拥有更强的普适性，具有广阔的市场应用前景。