低温冰箱隔热结构的分析（一）
0 绪言
随着科学研究、工业技术、生物技术的不断深入，在大专院校、科研院所的生物、生化、生物制药实验室，医科院校、医院的生理、病理、细胞实验室以及生物制药厂中，越来越多的物品需要低温贮存，也越来越多的需要低温实验手段。在这些行业中，不仅要使用箱内温度为-24℃以上的普通冰箱和冷柜、箱内温度为-24～-80℃的低温冰箱，同时还需要-80℃以下超低温冰箱、制冷温度为-80～-120℃的低温冷却器、低温循环器等工作温度在干冰温度以下的设备。这些设备的共同点是：有一个低温容器，工作温度低于泡沫塑料的冷缩温度，且此低温容器必须进行隔热。
隔热型式与结构的优劣，直接影响装置的使用性能，美观耐久性和制造成本。
由于工作温度不同，一般的隔热材料并不能满足干冰温度以下的低温容器的要求，因此低温容器的隔热结构与普通冰箱和冷柜是不同的。在我国，低温隔热结构仍然是一项新的尚待开发的技术，如何解决低温容器隔热结构设计中的问题将是我国制冷行业面临的一个新课题[1]。
1 双层隔热
隔热层的作用是防止热量传入被冷却的空间。其应具有的主要特性是：导热系数小、容重小、耐低温性好。由于聚氨酯(PU)泡沫塑料不仅隔热性能优良，而且重量轻、抗压和粘接强度较好、便于形成整体的支承和隔热结构，普通冰箱等一般隔热结构均采用PU泡沫塑料作为隔热材料。然而，PU泡沫塑料中所用发泡剂的标准蒸发温度均较高，如常用发泡剂环戊烷和R114，ts分别为49.25℃和3.85℃，在-80℃以下的饱和蒸气压均非常低。当温度在-80～-90℃时，会产生冷缩。
为了避免冷缩，首先对低温容器的隔热在结构上进行改进。隔热结构由双层隔热材料组成，如图1所示。对于工作温度高于冷缩温度的外部，用PU泡沫塑料作为隔热材料；工作温度低于冷缩温度的内部，以耐低温隔热材料为隔热材料。
图1 双层隔热结构及温度分布
2 两种隔热材料厚度的关系
不出现冷缩现象的温度条件是：外层隔热材料与内层隔热材料分界面的温度tz高于PU泡沫塑料的冷缩温度tc。
由于外壳和内胆为导热系数而厚度较小，热阻远远小于隔热层，可将其热阻忽略。这样，从外到内存在四个温度梯度，即由ta到tw、tw到tz、tz到tin、tin到tb。四个温度梯度产生的热流分别为：
(1)
(2)
(3)
(4)
式中 αw—环境空气与容器外壳间的换热系数，W/ (m2·℃)；
αin—容器内介质与内胆间的换热系数，W/ (m2·℃)；
λ1，λ2—分别为外层隔热材料和内层隔热材料的导热系数，W/(m·℃) ；
δ1，δ2—分别为外层隔热材料和内层隔热材料的厚度，m。
在稳定工作时，单位面积的漏热量相同：
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