低溫冰箱隔熱結構的分析

0 緒言

    伴隨著科研、工業生產技術性、生物科技的逐步推進，在大專學校、科研單位的微生物、生物化學、生物醫藥試驗室，醫科院校、醫院門診的生理學、病理學、細胞實驗室及其微生物藥業公司中，愈來愈多的物件必須低溫存儲，也愈來愈多的必須低溫試驗方式。在這種領域中，不但要應用箱里溫度為-24℃之上的一般電冰箱和冷藏柜、箱里溫度為-24～-80℃的低溫電冰箱，與此同時還必須-80℃下列超低溫電冰箱、致冷溫度為-80～-120℃的低溫冷卻塔、低溫循環器等工作中溫度在液態氮溫度下列的機器設備。這種機器設備的相同點是：有一個低溫容器，工作中溫度小于泡沫塑料的冷縮溫度，且此低溫容器務必開展隔熱。

    隔熱形式與構造的好壞，立即危害設備的性能指標，美觀大方耐用性和制造成本。

因為工作中溫度不一樣，一般的隔熱材料并不可以達到液態氮溫度下列的低溫容器的規定，因而低溫容器的隔熱構造與一般電冰箱和冷藏柜是不一樣的。在中國，低溫隔熱構造依然是一項新的仍待開發設計的技術性，如何解決低溫容器隔熱總體設計中的難題將是在我國致冷領域遭遇的一個新課題研究[1]。

1 兩層隔熱

    隔熱層的功效是避免發熱量傳到被制冷的室內空間。其應具備的關鍵特點是：傳熱系數小、密度小、耐低溫性好。因為聚氨酯材料（PU）泡沫塑料不但隔熱特性優質，并且重量較輕、抗壓強度和粘合抗壓強度不錯、有利于產生總體的支撐和隔熱構造，一般電冰箱等一般隔熱構造均選用PU泡沫塑料做為隔熱材料。殊不知，PU泡沫塑料中常用發泡膠的規范揮發溫度均較高，如常見發泡膠環戊烷和R114，ts各自為49.25℃和3.85℃，在-80℃下列的飽和蒸氣壓均極低。當溫度在-80～-90℃時，會造成冷縮。

為了更好地防止冷縮，Zui先對低溫容器的隔熱結構類型開展改善。隔熱構造由兩層隔熱材料構成，如圖所示1所顯示。針對工作中溫度高過冷縮溫度的外界，用PU泡沫塑料做為隔熱材料；工作中溫度小于冷縮溫度的內部，以耐低溫隔熱材料為隔熱材料。

圖1 兩層隔熱構造及溫度遍布

2 二種隔熱材料薄厚的關聯

    不發生冷縮狀況的溫度標準是：表層隔熱材料與里層隔熱材料分頁面的溫度tz高過PU泡沫塑料的冷縮溫度tc。

    因為機殼和內膽為傳熱系數而薄厚較小，傳熱系數遠遠地低于隔熱層，可將其傳熱系數忽視。那樣，由外到內存有四個溫度梯度方向，即由ta到tw、tw到tz、tz到tin、tin到tb。四個溫度梯度方向造成的熱氣各自為：

（1）

（2）

（3）

（4）

式中   αw-環境質量與容器機殼間的傳熱指數，W/ （m2·℃）；

αin-容器內物質與內膽間的傳熱指數，W/ （m2·℃）；

λ1，λ2-各自為表層隔熱材料和里層隔熱材料的傳熱系數，W/（m·℃） ；

δ1，δ2-各自為表層隔熱材料和里層隔熱材料的薄厚，m。

    在穩定工作時，企業總面積的漏發熱量同樣：

（5）

    式（1）～（4）可改變成：

（6）

（7）

（8）

（9）

    因tz應高過tc，取設計方案容量：

（10）

    將式（6）與（7）、式（8）與（9）各自求和后相除，并將式（10）帶入，可得到雙層隔熱材料的薄厚存有以下關聯：

（11）

    在應用中，自然環境溫度是轉變 的，分頁面溫度tz也會隨著產生變化。由式（11）能夠看得出：針對做成的隔熱構造，在應用中，隨ta與tb的降低，tz降低；當ta與tb與此同時做到Zui低限時，tz為Zui低限tzmin。這時應該有：

（12）

    因此有：

（13）

即：

（14）

式中   tamin，tbmin-各自為Zui少辦公環境溫度和容器內Zui少溫度，℃；

δ2min-里層隔熱材料Zui少薄厚，m。

3 隔熱構造Zui少傳熱系數

    低溫容器一般在環境空氣效，因為空氣中帶有水蒸汽，當低溫容器機殼溫度小于氣體漏點溫度時，會造成精華露。為確保機殼表層無精華露狀況，應限制外表層的Zui少溫度，使其高過環境質量漏點溫度[2]。低溫容器與冰箱使用自然環境基本一致，機殼表層無精華露狀況的溫度標準還可以同樣：外表層的Zui少設計方案溫度高過環境質量漏點溫度0.2℃，即：

（15）

式中   tad-環境質量漏點溫度，℃，由相對性溫度80％的極端化標準選擇。

    將式（7）、（8）、（9）求和后除于式（6），并將式（13）帶入，得：

（16）

    在這里標準下個人所得隔熱層的傳熱系數，為所需隔熱層的Zui少傳熱系數：

（17）

    當空調蒸發器緊靠內膽時，上式變成：

（18）

4 限制企業漏發熱量

    低溫容器冷負載中，較大的一項是隔熱構造的漏熱。因為工作中溫度愈低，制冷機組特性指數就越小[3]，為了更好地降低耗電量、減少制冷機組的容積，就務必限定隔熱構造的漏發熱量。確保耗制冷量但是大的限定標準是：限制排架結構企業總面積的漏發熱量qr。

    這時導熱系數為：

（19）

    導熱系數的Zui后是隔熱構造的傳熱系數，為對流換熱阻與各隔熱材料傳熱系數之和：

（20）

因此有：

（21）

5 運用

在-100℃低溫循環器隔熱總體設計中運用以上方式開展改善。容器的容量為30dm3，內裝工業乙醇，隔熱層薄厚180mm。原設計方案中，隔熱構造僅選用PU泡沫塑料一種隔熱材料。當溫度做到-91℃時運作7天，在接近內膽處，隔熱層發生總體裂縫。因為裂縫進水蒸氣，在內膽外結凍薄厚超出20mm，導致隔熱無效。

改善后，表層隔熱材料仍為PU泡沫塑料，薄厚130mm；里層隔熱材料采用Zui少應用溫度為-196℃的膨脹珍珠巖板，粒度分布為30目、薄厚50mm。測算時ta、tad、tamin、tb、tz、tzmin各自按38、28、0、-100、-62、-72℃選值，限制企業總面積漏發熱量qr為20W/（m·℃）。

    在制做時，先用一個尺寸與里層隔熱材料同樣的模貝作內支撐點，用PU泡沫塑料注漿聚氨酯發泡產生外隔熱層。出模并將內膽精準定位后，填寫膨脹珍珠巖板，用鋁鉑包裹開展防水。Zui終在容器蓋處用30mm厚的PU泡沫塑料注漿聚氨酯發泡密封，產生詳細的隔熱構造。

    在容器內溫度-100℃、自然環境溫度各自為38℃和0℃的標準下，各運作14天，隔熱層保持原形狀，隔熱實際效果沒法測到的轉變 。

6 總結

    1）在液態氮溫度下列工作中的低溫容器，隔熱設計方案時要綜合性考慮到隔熱材料的特點，與此同時達到隔熱材料不發生冷縮的溫度標準、機殼不發生精華露的溫度標準、限制企業漏發熱量時傳熱系數這三個標準。2）文中推論的方式在 -100℃低溫循環器隔熱構造改善設計方案中運用，獲得顯著成績。3）在低溫容器隔熱設計方案時，氣體主要參數的選擇及其隔熱構造的提升，仍需深入分析。

論文參考文獻

[1]  趙韓，葉斌。家用冰箱與低溫箱箱體設計的對比研究[J].低溫與特氣。2003，21（4）：10-12

[2]  徐傳宙，時  陽。制冷器具原理與技術[M].北京：中國輕工業出版社，1996.

[3]  鄭賢德。制冷原理與裝置。北京：機械工業出版社，2001.