冰箱換熱器技術發展現狀

袁榮勝 晏剛

西安交通大學制冷與低溫工程研究所 陜西西安 710049

1 引言

當前，我國冰箱產業正處于一個蓬勃發展的階段。從實驗室、辦公大樓到大型商場、文化娛樂場所，從交通運輸管理到國防安全建設，冰箱產品無處不在。冰箱技術服務于國民經濟的各個領域，在各種產品的研究、開發、保存、運輸過程中起著重要的作用。

然而，直至今日，雖然冰箱技術較為成熟，但仍然有一些關鍵性問題沒有得到根本的解決。這些問題包括環保問題、高效節能問題以及智能人性化問題等。在國家節能減排發展戰略背景下，如何使得電冰箱更進一步的高效節能已然成為研究者們關注的重點。在新型的冰箱設計過程中，各種高效、節能性技術的應用是未來冰箱設計的重要趨勢。而冰箱高效節能技術的核心在很大程度上取決于冰箱換熱器的性能[1]。

本文總結了目前最具潛力的幾種冰箱換熱器技術，包括微通道換熱、PCM蓄能、旋轉換熱、溝槽管、遠紅外涂層等。對于每種技術在冰箱換熱器中具體的應用，本文給出了一些實例以供參考。此外，針對冰箱換熱器目前遇到的強化傳熱、結霜化霜、性能實驗平臺搭建等技術難點，本文總結了一些最新的研究方法和解決措施。

2 冰箱換熱器的技術發展現狀

2.1 微通道換熱器技術

微通道換熱器是水力當量直徑在10～1000 μm的一類換熱器[2]，它符合當今換熱器緊湊化、小型化的發展趨勢，是冰箱換熱器結構優化的一個重要方向。與傳統冰箱換熱器相比，微通道換熱器具有如下優勢[2]：（1）微通道換熱器一般由全鋁材料制成，成本低，重量輕；（2）傳熱效果好，傳熱效率較普通管翅式換熱器有較大的提升；（3）結構緊湊，應用于冰箱可顯著降低制冷劑的充注量。

微通道換熱器在冰箱制冷系統中作為冷凝器使用已經取得了較多進展。圖1所示的管帶式微通道全鋁冰箱用冷凝器開發是目前冰箱冷凝器開發應用研究的一個重要課題。這種微通道冷凝器由集流管、多孔扁管和波紋型百葉窗翅片組成。百葉窗式翅片能夠切斷散熱器上氣體邊界層的發展，使邊界層在各表面不斷地被破壞，從而達到強化傳熱、提高換熱器性能的目的。在同樣的迎風面下，管帶式微通道冷凝器比傳統絲管式冷凝器的換熱效率提高了30%以上[3]，而空氣側阻力不變，甚至略有降低。根據張成全等人[4]的研究，管帶式微通道冷凝器有機會實現對傳統家用冰箱絲管式冷凝器的替代，并且通過對制冷系統其他參數進行優化調整，冰箱整體能效還有很大的提升空間，具有良好的應用前景。

圖1 管帶式微通道冷凝器[3]

雖然微通道冷凝器具有結構緊湊、傳熱效果好、制冷劑充注量少等優點，但其容易積灰的缺點也同樣明顯[5]。具有強化換熱表面的微通道冷凝器在工作一段時間后，由于其本身結構緊湊且換熱表面結構復雜導致大氣中的顆粒物在換熱器表面大量積聚，使得換熱器換熱性能出現明顯的降低。因此對于這類微通道冷凝器的積灰問題的處理是未來其研究的一個重要技術方向。

微通道換熱器在冰箱蒸發器中的應用要遠少于其在冰箱冷凝器中的應用，主要原因在于：微通道換熱器翅片排片緊密，作為蒸發器使用時，排水較為困難，容易結霜甚至結冰[6]，導致其換熱性能受到極大地制約。為了克服上述凝結水排除難的問題，一些特殊翅片排片方式的微通道蒸發器被提出，例如徐劍等人自主設計并制作的一款雙螺旋微通道翅片蒸發器[7]。這種蒸發器由兩個相對稱的單螺旋微通道翅片蒸發器通過中間連接鋁管連接而成，如圖2所示。雙螺旋微通道翅片蒸發器借鑒了鋁管拉脹式翅片蒸發器的翅片排片方式，改變傳統的蛇形彎管模式，采用螺旋繞管方式成形。這樣的蒸發器綜合了雙排和螺旋的結構方式，翅片排片不會過于貼近，能在一定程度上解決傳統微通道蒸發器表面凝結水排除難的問題。

圖2 雙螺旋微通道翅片蒸發器[7]

雙螺旋微通道翅片蒸發器仍然具備微通道換熱器傳熱效果好的優點。為了具體說明其性能的優越性，徐劍團隊進行了如下冰箱蒸發器性能測試實驗：采用控制變量法，測試用的兩臺冰箱樣機除蒸發器（雙螺旋微通道翅片蒸發器和斜插式翅片蒸發器）外，其余各個部分均保持一致，測試方法按照GB 12021.2-2015分別在32℃和16℃環境溫度下進行耗電量測試。測試結果如表1所示[7]：與裝有斜插式翅片蒸發器的原冰箱相比，裝有雙螺旋微通道翅片蒸發器的冰箱在32℃和16℃環境溫度下平均功率分別降低4.6%和13.0%，日平均耗電量減少了15.7%。這一結果充分說明了雙螺旋微通道蒸發器相比一般的斜插式翅片蒸發器，確實能夠很好的提升冰箱系統的能效，具備良好的應用前景。

表1 裝有兩種蒸發器冰箱的測試數據[7]

2.2 PCM蓄能技術

PCM蓄能技術[8]是利用相變材料的蓄能特性實現冰箱換熱器與外界環境連續換熱，從而延長壓縮機的關閉周期，降低冰箱能耗的一種技術手段。根據Joybari等[8]的PCM蓄冷、蓄熱冰箱實驗結果：蒸發器側使用相變材料有一定優勢；冷凝器側使用相變材料，相關耗能測試結果不夠理想，還需要進一步的研究證明相變材料在冷凝器上使用的有效性。因此，當前階段PCM蓄能技術在冰箱中的應用集中體現在冰箱蒸發器側。

低能耗、高效能的冰箱往往要求具有一個高換熱性能的蒸發器。以蓄冷型相變材料（PCM）作為儲能材料，將蒸發器和蓄冷型儲能材料結合組建的蓄冷型蒸發器能夠有效地增強換熱[9]（如圖3）。蓄冷型蒸發器使用的蓄冷材料相變溫度一般低于冰箱室內設定溫度[10]，這樣在冰箱開機后，蒸發器可將冷量傳遞給蓄冷材料使得一部分相變材料從液態轉變為固態，此時相變材料利用潛熱將一部分冷量存儲起來；當冰箱停機后，一部分相變材料從固態轉變為液態，此時存儲在材料中的冷量會釋放給箱內空氣，從而實現蒸發器與箱內空氣的連續換熱。這種方式提升了蒸發器整體蓄熱性能，延長了冰箱停機時間并降低了開機率，實現了冰箱耗電量的降低。

圖3 蓄冷型蒸發器二維結構簡圖（A和B為邊界）

蓄冷型蒸發器實現了蒸發器從間斷式換熱到連續性換熱的轉變[11]。相比傳統蒸發器，應用蓄冷型蒸發器的冰箱的性能提升較大，耗電量也有一定降低。雖然蓄冷相變材料會占用冰箱內容積，但瑕不掩瑜，配備有蓄冷型蒸發器的新型冰箱具有較好的節能效果。因此蓄冷型蒸發器具有非常好的應用前景，值得進一步深入研究。

PCM蓄能技術在冰箱蒸發器的應用可以大大提高冰箱的效能，但截至目前，該技術在推廣中仍然面臨一定的阻礙。最典型的問題是由于相變材料熱焓值固定[12]，若要長時間儲冷需要相變材料的量很大，這一方面會帶來較高的使用成本，另一方面其占用空間也會增大從而減小了冰箱自身內容積。因此，對于新型高熱焓值相變材料的開發、制備和研究，是推廣使用PCM蓄能技術的一個重要方向。

2.3 新型旋轉換熱器—桑迪亞冷卻器

新型旋轉換熱器是一種完全不同的空冷換熱器。桑迪亞國家實驗室在這個方面做出了突出的貢獻，他們開發了一種稱之為桑迪亞冷卻器的新型旋轉換熱器[13]（圖4），并嘗試將這種換熱器技術應用于家用冰箱冷凝器和蒸發器。

圖4 桑迪亞冷卻器[14]

這項技術的關鍵在于熱沉葉輪。葉輪為圓盤形，上表面嵌有翅片。這個葉輪功能類似于傳統金屬翅片熱沉與風扇的混合。空氣從冷卻器下方被吸入到沒有翅片的中心區域，然后沿著密集的翅片半徑方向排出。高效率的無刷電機提供熱沉葉輪的旋轉動力（～2000 rpm）。桑迪亞冷卻器的基板的下方安裝在熱源側。熱量流經冷卻器基板，薄弱的流體動力空氣軸承間隙，葉輪底板以及葉輪翅片之后與周圍氣流換熱。翅片表面的空氣流動具有徑向加速度，與傳統的風扇和翅片設備比較可以使得邊界層厚度變薄，強化空氣側傳熱。桑迪亞冷卻器由于換熱表面在旋轉，可以大大阻止內部污垢的形成。

使用桑迪亞冷卻器技術應用于家用冰箱冷凝器蒸氣壓縮循環的循環性能與使用翅片管冷凝器的循環性能相當，但是總體積要小得多，只有采用翅片管冷凝器體積的40.5%[13]，能大大增加冰箱內容積；而將桑迪亞冷卻器技術應用于家用冰箱蒸發器，如圖5所示，可以大大改善蒸發器的性能，減少13%的冰箱能耗[14]，并且可以大大提高空氣側的傳熱，阻止霜層增加從而減少化霜過程。

圖5 桑迪亞冷卻器技術應用于冰箱蒸發器[15]

2.4 其他冰箱換熱器技術

換熱管開溝槽技術和遠紅外涂層技術在冰箱換熱器設計方面也有一定的應用。

溝槽（內螺紋）管是新型換熱器換熱管開發的一個重要方向。在蒸發器中應用溝槽管，可使得蒸發器的換熱效率比光管蒸發器高的多，并且使用溝槽管蒸發器系統的COP也更高。盡管溝槽管蒸發器的壓降比光管蒸發器的要稍高一些，但是沈貴可團隊的研究表明[15]，這部分壓力的增長對壓縮機的需求而言影響很小。

遠紅外涂層是一種應用在雙溫冰箱冷凝器上的技術手段[16]。遠紅外涂層是一種富含遠紅外線放射功能的涂抹物。將其涂于冰箱冷凝器所在附近的界面處，冰箱的耗電量會有一定下降，性能系數會有一定提升。但這種技術目前研究還不夠充分，如果涂層位置不當，反而會加大冰箱耗電量，因此遠紅外涂層技術具有較好的研究前景。

3 冰箱換熱器問題的解決方法

3.1 縱向渦發生器強化傳熱

冰箱換熱器在設計時要盡可能強化其換熱能力，這對于減少冰箱系統的能耗，提升冰箱系統的總體性能意義重大。對于采用翅片管換熱器的冰箱，在其翅片上布置縱向渦發生器是一種新型有效的強化換熱措施，如圖6所示。縱向渦發生器[17]是一種特殊型式的擴展表面，常用的渦發生器包括三角形翼、矩形翼、三角小翼和矩形小翼四種，如圖7所示。當流體流過布置的渦發生器時, 會產生強烈的二次渦流，這些二次渦流具有很高的速度。高速的二次渦流一方面促進了主流與邊緣區流體的混合，另一方面高速流體會直接沖擊邊界層，導致邊界層變薄，溫度梯度提升，最終達到強化換熱的目的。

圖6 縱向渦發生器在冰箱翅片管換熱器中的布置[18]

圖7 四種縱向渦發生器[18]

在冰箱翅片管換熱器中特殊地布置縱向渦發生器（包括縱向渦發生器的類型、數目、布置方向、布置位置等），能夠在較大幅度提升換熱器換熱能力的同時，較小幅度地增加其流動阻力。何雅玲團隊[18]利用三維數值模擬的方法，對縱向渦發生器在翅片管換熱器布置的一些關鍵參數（攻角、數目）進行了優化。結果表明：縱向渦發生器的攻角為15°，采用3對矩形小翼時，翅片管換熱器的空氣側換熱能力的提升幅度超過了其流動阻力增加的幅度；SONG等[19]詳細研究了縱向渦發生器的布置位置對翅片管換熱器傳熱特性的影響，得到靠近管壁的縱向渦發生器有利于低雷諾數流動強化傳熱，遠離管壁的縱向渦發生器有利于高雷諾數流動強化傳熱的結論。

3.2 蒸發器結霜問題

蒸發器結霜是影響冰箱制冷系統運行效率的重要因素之一，結霜現象會導致換熱器傳熱效率下降、風阻增加，尤其像微通道蒸發器這種翅片間距很小的換熱器，其所存在的霜堵問題極為嚴重，大大限制了它們的使用范圍。因此在換熱器結霜達到一定程度時，必須進行除霜操作。

國內外許多學者對蒸發器的結霜和除霜進行了研究。按照研究內容的不同，相關研究主要分為三類[20]。第一類是對結霜和化霜現象本質進行研究，為后續化霜控制及換熱器優化等提供理論基礎；第二類是對改善和減少結霜現象的具體措施進行研究；第三類是對化霜系統控制邏輯進行研究，以準確判斷化霜的時機，減少化霜所需的時間成本。

總結各種文獻，目前冰箱行業采用的化霜技術主要有鋁管加熱器化霜技術、箱膽后背貼加熱絲技術和冷藏自然回風化霜技術三種[21]。這些化霜技術對應的化霜過程均分為化霜啟動、加熱化霜、化霜結束三個階段，通過自動檢測冰箱運行時間、環境溫度、濕度等自動啟動化霜過程，并根據化霜傳感器的溫度來判定退出條件，最終達到冷藏蒸發器化霜的目的。三種化霜技術中的冷藏自然回風化霜技術由于是完全利用冷藏室的回風來融化蒸發器表面的結霜，相對能耗較小，目前應用較為廣泛，其具體過程如圖8所示。

圖8 冷藏自然回風化霜過程[21]

3.3 測量換熱器性能的相關實驗平臺

對冰箱換熱器的實驗分析方法有冰箱整機實驗和換熱器部件實驗兩種[22]。整機實驗考察的是冰箱整個系統性能的優劣，并不能直接反映出換熱器的具體換熱性能；而換熱器部件實驗可以排除系統中其他部件性能的干擾，單一的對換熱器性能進行具體評估，這對于新型換熱器的設計、開發和測試，具有重大的意義。基于換熱器部件實驗的分析方法，需要開發的換熱器性能測試實驗臺應滿足如下要求[22]：1）可以測試不同結構形式的冰箱蒸發器和冷凝器的換熱系數、換熱量等表征性能的參數；2）可以測量得到換熱器表面溫度場的分布，從而為冰箱換熱器的結構優化設計提供必要的數據。

為了滿足上述要求，開發一個冰箱換熱器性能測試實驗臺需要完成以下工作[22]：1）建立冰箱換熱器環境模擬室，以模擬冰箱換熱器在冰箱運行過程中所處的環境；2）設計供液/供氣機組，滿足對相應換熱器性能進行測量時的制冷劑供應；3）開發測量和控制系統，完成數據采集、分析和系統運行控制任務。冰箱換熱器性能測試實驗臺的技術力主要體現在第三步工作——測量、控制系統的開發。對于實驗臺控制系統，目前應用最廣的技術是自動測試技術，而將人工智能與自動控制相結合的智能控制技術，是未來實驗控制系統開發的重要方向。

自動測試技術通過運行編制的測試軟件自動實施測試執行過程，這樣很好地避免了人為因素對系統穩定性和測量結果的影響。例如陳麗等[23]以西門子WinCCV6.0作為測試系統的開發平臺，為風機盤管機組和冰箱板管式換熱器實驗測試平臺開發的自動測量與控制系統，可以快速準確的測量出多種環境溫度、制冷劑充注量下的換熱器換熱量。但是，這樣的一種實驗控制系統在環境溫度不斷發生變化時，會出現大慣性、大時滯的問題，控制、測量精度均會變得很差，需要經常進行校準。

智能控制技術的出現為上述變參數復雜實驗系統的控制問題的解決提供了新的思路。智能控制技術涵蓋模糊控制、定性控制、神經元控制等，具有復雜的體系結構[24]，如圖9所示。夏遠等[25]研究了基于智能控制技術的換熱器實驗系統平臺。他們重點對換熱器出口水溫控制器的主要環節做了改進, 提出了基于自調整加權因子的智能積分模糊控制器，并加入了Smith預估控制技術，最終成功實現了換熱器出口水溫的準確控制，并取得了良好的動靜態特性。夏遠的研究表明了基于智能控制技術的換熱器實驗平臺相比傳統的自動控制技術實驗平臺，測量穩定性和非滯后性更強。雖然當前智能控制技術沒有自動控制技術在換熱器性能實驗平臺開發上應用的廣泛，但多項研究表明，智能控制技術是未來換熱器性能測試平臺發展的必然趨勢[24]。

4 結論

本文是對于冰箱中換熱器技術發展現狀的一個綜述，通過總結大量的文獻，得出了有關冰箱換熱器技術發展的以下結論：

（1）有關冰箱換熱器的技術應用主要有：微通道換熱技術、PCM蓄能技術、新型旋轉換熱器技術、換熱管開溝槽技術和遠紅外涂層技術等。其中：微通道換熱技術可以有效提升冰箱換熱器傳熱效率，降低制冷劑充注量；PCM蓄能技術對于冰箱換熱器的效能有顯著地提升；新型旋轉換熱器技術打破了傳統冰箱換熱器的局限性，大大減少了換熱器污垢熱阻；溝槽管、遠紅外涂層技術的使用，對于冰箱性能系數有不同程度的提升。

圖9 智能控制技術的體系結構[25]

（2）冰箱換熱器在設計時要盡可能強化其換熱能力，在使用時要盡量克服結霜化霜的問題，在試驗時要注意性能實驗平臺的搭建。對于換熱器的強化傳熱，可應用縱向渦發生器強化換熱器空氣側熱傳遞；對于蒸發器結霜化霜問題的解決，可采用冷藏自然回風法等化霜技術；對于實驗平臺的搭建，目前廣泛應用的是自動測試技術，而人工智能與自動控制相結合的智能控制方法，是未來換熱器實驗平臺搭建研究的重要方向。

冰箱換熱器的良好設計是冰箱高效節能性能的基礎。伴隨著冰箱行業進一步提高能效的要求，重量輕、緊湊和低成本的高效換熱器是當前行業內最重要的研究發展方向。未來的研究可以依照《中國家用電冰箱產業技術路線圖》（2019年版），繼續在高效節能換熱器研究、微通道換熱器升級、標準化換熱器性能測試平臺開發等項目[26]上努力，以進一步提高家用電冰箱中的技術力，并提高家用電冰箱的效能。