低温冰箱隔热结构的分析（二）
(5)
式(1)～(4)可改写成：
(6)
(7)
(8)
(9)
因tz应高于tc，取设计余量：
(10)
将式(6)与(7)、式(8)与(9)分别相加后相除，并将式(10)代入，可得出两层隔热材料的厚度存在如下关系：
(11)
在使用中，环境温度是变化的，分界面温度tz也会随之发生变化。由式(11)可以看出：对于制成的隔热结构，在使用中，随ta与tb的下降，tz下降；当ta与tb同时达到最低值时，tz为最低值tzmin。此时应有：
(12)
于是有：
(13)
即：
(14)
式中 tamin，tbmin—分别为最低工作环境温度和容器内最低温度，℃；
δ2min—内层隔热材料最小厚度，m。
3 隔热结构最小热阻
低温容器通常在大气环境中作用，由于空气中含有水蒸气，当低温容器外壳温度低于空气露点温度时，会产生凝露。为保证外壳表面无凝露现象，应限定外表面的最低温度，使其高于环境空气露点温度[2]。低温容器与冰箱的使用环境基本相同，外壳表面无凝露现象的温度条件也可以相同：外表面的最低设计温度高于环境空气露点温度0.2℃，即：
(15)
式中 tad—环境空气露点温度，℃，由相对温度80％的极端条件选取。
将式(7)、(8)、(9)相加后除以式(6)，并将式(13)代入，得：
(16)
在此条件下所得隔热层的热阻，为所需隔热层的最小热阻：
(17)
当蒸发器紧贴内胆时，上式成为：
(18)
4 限定单位漏热量
低温容器冷负荷中，最大的一项是隔热结构的漏热。由于工作温度愈低，制冷系统性能系数就愈小[3]，为了减少耗电、减小制冷系统的体积，就必须限制隔热结构的漏热量。保证耗冷量不过大的限制条件是：限定围护结构单位面积的漏热量qr。
此时传热系数为：
(19)
传热系数的倒数是隔热结构的热阻，为对流换热阻与各隔热材料热阻之和：
(20)
所以有：
(21)
5 应用
在-100℃低温循环器隔热结构设计中应用上述方法进行改进。容器的容积为30dm3，内装无水乙醇，隔热层厚度180mm。原设计中，隔热结构仅采用PU泡沫塑料一种隔热材料。当温度达到-91℃时运行7天，在贴近内胆处，隔热层出现整体空洞。由于空洞进水蒸汽，在内胆外结冰厚度超过20mm，造成隔热失效。
改进后，外层隔热材料仍为PU泡沫塑料，厚度130mm；内层隔热材料选用最低使用温度为-196℃的膨胀珍珠岩，粒度为30目、厚度50mm。计算时ta、tad、tamin、tb、tz、tzmin分别按38、28、0、-100、-62、-72℃取值，限定单位面积漏热量qr为20W/(m·℃)。
在制作时，先用一个外形尺寸与内层隔热材料相同的模具作内支撑，用PU泡沫塑料灌注发泡形成外隔热层。脱模并将内胆定位后，填入膨胀珍珠岩，用铝箔包封进行防潮。最后在容器盖处用30mm厚的PU泡沫塑料灌注发泡封口，形成完整的隔热结构。
在容器内温度-100℃、环境温度分别为38℃和0℃的条件下，各运行14天，隔热层维持原形态，隔热效果无可测出的变化。
6 结语
1)在干冰温度以下工作的低温容器，隔热设计时应综合考虑隔热材料的特性，同时满足隔热材料不出现冷缩的温度条件、外壳不出现凝露的温度条件、限定单位漏热量时热阻这三个条件。2)本文推导的方法在 -100℃低温循环器隔热结构改进设计中应用，取得良好效果。3)在低温容器隔热设计时，空气参数的选取以及隔热结构的优化，仍需深入研究。
参考文献
[1] 赵韩，叶斌．家用冰箱与低温箱箱体设计的对比研究[J]．低温与特气．2003，21(4)：10-12
[2] 徐传宙，时 阳．制冷器具原理与技术[M]．北京：中国轻工业出版社，1996．
[3] 郑贤德．制冷原理与装置．北京：机械工业出版社，2001．
