隨著科學研究、工業技術、生物技術的不斷深入，在大專院校、科研院所的生物、生化、生物制藥實驗室，醫科院校、醫院的生理、病理、細胞實驗室以及生物制藥廠中，越來越多的物品需要低溫貯存，也越來越多的需要低溫實驗手段。在這些行業中，不僅要使用箱內溫度為-24℃以上的普通冰箱和冷柜、箱內溫度為-24～-80℃的低溫冰箱，同時還需要-80℃以下超低溫冰箱、制冷溫度為-80～-120℃的低溫冷卻器、低溫循環器等工作溫度在干冰溫度以下的設備。這些設備的共同點是：有一個低溫容器，工作溫度低于泡沫塑料的冷縮溫度，且此低溫容器必須進行隔熱。
隔熱型式與結構的優劣，直接影響裝置的使用性能，美觀耐久性和制造成本。
由于工作溫度不同，一般的隔熱材料并不能滿足干冰溫度以下的低溫容器的要求，因此低溫容器的隔熱結構與普通冰箱和冷柜是不同的。在我國，低溫隔熱結構仍然是一項新的尚待開發的技術，如何解決低溫容器隔熱結構設計中的問題將是我國制冷行業面臨的一個新課題[1]。
1 雙層隔熱
隔熱層的作用是防止熱量傳入被冷卻的空間。其應具有的主要特性是：導熱系數小、容重小、耐低溫性好。由于聚氨酯（PU）泡沫塑料不僅隔熱性能優良，而且重量輕、抗壓和粘接強度較好、便于形成整體的支承和隔熱結構，普通冰箱等一般隔熱結構均采用PU泡沫塑料作為隔熱材料。然而，PU泡沫塑料中所用發泡劑的標準蒸發溫度均較高，如常用發泡劑環戊烷和R114，ts分別為49.25℃和3.85℃，在-80℃以下的飽和蒸氣壓均非常低。當溫度在-80～-90℃時，會產生冷縮。
為了避免冷縮，首先對低溫容器的隔熱在結構上進行改進。隔熱結構由雙層隔熱材料組成，如圖1所示。對于工作溫度高于冷縮溫度的外部，用PU泡沫塑料作為隔熱材料；工作溫度低于冷縮溫度的內部，以耐低溫隔熱材料為隔熱材料。
圖1 雙層隔熱結構及溫度分布
2 兩種隔熱材料厚度的關系
不出現冷縮現象的溫度條件是：外層隔熱材料與內層隔熱材料分界面的溫度tz高于PU泡沫塑料的冷縮溫度tc。
由于外殼和內膽為導熱系數而厚度較小，熱阻遠遠小于隔熱層，可將其熱阻忽略。這樣，從外到內存在四個溫度梯度，即由ta到tw、tw到tz、tz到tin、tin到tb。四個溫度梯度產生的熱流分別為：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中 αw—環境空氣與容器外殼間的換熱系數，W/ （m2·℃）；
αin—容器內介質與內膽間的換熱系數，W/ （m2·℃）；
λ1，λ2—分別為外層隔熱材料和內層隔熱材料的導熱系數，W/（m·℃） ；
δ1，δ2—分別為外層隔熱材料和內層隔熱材料的厚度，m。
在穩定工作時，單位面積的漏熱量相同：
（5）
式（1）～（4）可改寫成：
（6）
（7）
（8）
（9）
因tz應高于tc，取設計余量：
（10）
將式（6）與（7）、式（8）與（9）分別相加后相除，并將式（10）代入，可得出兩層隔熱材料的厚度存在如下關系：
（11）
在使用中，環境溫度是變化的，分界面溫度tz也會隨之發生變化。由式（11）可以看出：對于制成的隔熱結構，在使用中，隨ta與tb的下降，tz下降；當ta與tb同時達到zui低值時，tz為zui低值tzmin。此時應有：
（12）
于是有：
（13）
即：
（14）
式中 tamin，tbmin—分別為zui低工作環境溫度和容器內zui低溫度，℃；
δ2min—內層隔熱材料zui小厚度，m。
3 隔熱結構zui小熱阻
低溫容器通常在大氣環境中作用，由于空氣中含有水蒸氣，當低溫容器外殼溫度低于空氣露點溫度時，會產生凝露。為保證外殼表面無凝露現象，應限定外表面的zui低溫度，使其高于環境空氣露點溫度[2]。低溫容器與冰箱的使用環境基本相同，外殼表面無凝露現象的溫度條件也可以相同：外表面的zui低設計溫度高于環境空氣露點溫度0.2℃，即：
（15）
式中 tad—環境空氣露點溫度，℃，由相對溫度80％的條件選取。
將式（7）、（8）、（9）相加后除以式（6），并將式（13）代入，得：
（16）
在此條件下所得隔熱層的熱阻，為所需隔熱層的zui小熱阻：
（17）
當蒸發器緊貼內膽時，上式成為：
（18）
4 限定單位漏熱量
低溫容器冷負荷中，zui大的一項是隔熱結構的漏熱。由于工作溫度愈低，制冷系統性能系數就愈小[3]，為了減少耗電、減小制冷系統的體積，就必須限制隔熱結構的漏熱量。保證耗冷量不過大的限制條件是：限定圍護結構單位面積的漏熱量qr。
此時傳熱系數為：
（19）
傳熱系數的倒數是隔熱結構的熱阻，為對流換熱阻與各隔熱材料熱阻之和：
（20）
所以有：
（21）
5 應用
在-100℃低溫循環器隔熱結構設計中應用上述方法進行改進。容器的容積為30dm3，內裝無水乙醇，隔熱層厚度180mm。原設計中，隔熱結構僅采用PU泡沫塑料一種隔熱材料。當溫度達到-91℃時運行7天，在貼近內膽處，隔熱層出現整體空洞。由于空洞進水蒸汽，在內膽外結冰厚度超過20mm，造成隔熱失效。
改進后，外層隔熱材料仍為PU泡沫塑料，厚度130mm；內層隔熱材料選用zui低使用溫度為-196℃的膨脹珍珠巖，粒度為30目、厚度50mm。計算時ta、tad、tamin、tb、tz、tzmin分別按38、28、0、-100、-62、-72℃取值，限定單位面積漏熱量qr為20W/（m·℃）。
在制作時，先用一個外形尺寸與內層隔熱材料相同的模具作內支撐，用PU泡沫塑料灌注發泡形成外隔熱層。脫模并將內膽定位后，填入膨脹珍珠巖，用鋁箔包封進行防潮。zui后在容器蓋處用30mm厚的PU泡沫塑料灌注發泡封口，形成完整的隔熱結構。
在容器內溫度-100℃、環境溫度分別為38℃和0℃的條件下，各運行14天，隔熱層維持原形態，隔熱效果無可測出的變化。
6 結語
1）在干冰溫度以下工作的低溫容器，隔熱設計時應綜合考慮隔熱材料的特性，同時滿足隔熱材料不出現冷縮的溫度條件、外殼不出現凝露的溫度條件、限定單位漏熱量時熱阻這三個條件。2）本文推導的方法在 -100℃低溫循環器隔熱結構改進設計中應用，取得良好效果。3）在低溫容器隔熱設計時，空氣參數的選取以及隔熱結構的優化，仍需深入研究。
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