0 緒言
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：