上凍下藏風(fēng)冷冰箱風(fēng)道結(jié)冰分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉全義 李清松 陳開松

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著消費(fèi)水平不斷提升，風(fēng)冷冰箱能夠自動除霜、容量大、降溫速度快等優(yōu)點(diǎn)，市場銷售占比逐年增加，目前風(fēng)冷冰箱的市場份額已超過80 %[1]。針對海外市場客戶群體需求，上凍下藏風(fēng)冷冰箱更受消費(fèi)者青睞。

綜合用戶使用習(xí)慣和成本，上凍下藏風(fēng)冷冰箱主要采用單循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并把翅片蒸發(fā)器設(shè)置在冷凍間室內(nèi)。通過滑動的撥桿控制冷藏室進(jìn)風(fēng)量實(shí)現(xiàn)冷藏室控溫，通常把撥桿設(shè)置在冷凍風(fēng)道表面。由于這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在高溫高濕或用戶特定使用環(huán)境下，易出現(xiàn)冷凍風(fēng)道表面嚴(yán)重結(jié)冰、冷凍撥桿凍堵、風(fēng)道內(nèi)部結(jié)冰現(xiàn)象，從而影響冰箱制冷性能，嚴(yán)重時導(dǎo)致冰箱不制冷、噪音大等問題。

目前國內(nèi)針對冷凍風(fēng)道結(jié)冰現(xiàn)象研究較少。王瑤等[2]采用CFD分析方法對冷藏風(fēng)道凝露結(jié)冰機(jī)理分析，通過對送風(fēng)風(fēng)道送風(fēng)形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，凝露問題有明顯改善。

基于冷凍風(fēng)道設(shè)計(jì)兼顧制冷和化霜等復(fù)雜過程控制，通過對上凍下藏風(fēng)冷冰箱冷凍風(fēng)道結(jié)冰機(jī)理研究分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)冷凍風(fēng)道結(jié)構(gòu)，解決風(fēng)道結(jié)冰問題，滿足產(chǎn)品使用性能和可靠性需求。

1 風(fēng)道結(jié)冰現(xiàn)象及原因分析

1.1 研究載體

本文研究載體為一款上凍下藏單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱BCD-510 W，如圖1所示，風(fēng)冷冰箱上部為冷凍間室，下部為冷藏間室，冷凍風(fēng)道及翅片蒸發(fā)器設(shè)置在冷凍間室背部。

圖1 上凍下藏風(fēng)冷冰箱示意圖

1.2 試驗(yàn)條件

將一臺BCD-510W上凍下藏風(fēng)冷冰箱放置在溫度和濕度分別可控的國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，環(huán)境條件設(shè)置為35 ℃/90 % RH，冷藏門每45 min開一次，共20 次，每次開門時間維持40 s；冷凍門每30 min開一次，共30 次，每次開門時間維持20 s，冰箱連續(xù)運(yùn)行15 天，試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完成，打開冰箱并檢查風(fēng)冷冰箱的冷凍室及冷凍風(fēng)道狀態(tài)。如圖2～5 所示，冷凍風(fēng)道表面的風(fēng)量調(diào)節(jié)撥桿結(jié)冰、凍死，無法調(diào)節(jié)，大量冰塊分布在冷凍間室底部，冷凍出風(fēng)口附近掛冰，冷凍風(fēng)機(jī)扇葉表面結(jié)霜、冰較多，大幅度減小風(fēng)扇出風(fēng)量，嚴(yán)重時會導(dǎo)致扇葉運(yùn)轉(zhuǎn)與冰塊摩擦，產(chǎn)生異常噪音。拆開冷凍風(fēng)道，如圖6所示，風(fēng)道內(nèi)部殘留大量冰塊，結(jié)冰異常嚴(yán)重。

圖2 風(fēng)量調(diào)節(jié)撥桿凍堵示意圖

圖3 冷凍間室底部結(jié)冰示意圖

圖4 冷凍風(fēng)口結(jié)冰示意圖

圖5 離心風(fēng)機(jī)扇葉表面結(jié)霜示意圖

圖6 風(fēng)道內(nèi)部結(jié)冰示意圖

1.4 結(jié)果分析

風(fēng)冷冰箱在高溫高濕頻繁開、關(guān)門工況下，大量高溫濕空氣在開門階段進(jìn)入間室內(nèi)部，部分濕空氣來不及通過風(fēng)循環(huán)被蒸發(fā)器除濕，或者由于蒸發(fā)器表面結(jié)霜嚴(yán)重，除濕能力衰退，空氣中的水分在冷凍內(nèi)膽表面和冷凍面罩表面析出并凍結(jié)成霜。由于冷凍風(fēng)道表面與內(nèi)膽表面相比溫度更低，并且風(fēng)道面罩表面為風(fēng)循環(huán)死區(qū)，導(dǎo)致冷凍面罩表面結(jié)霜，尤其是冷凍風(fēng)口附近結(jié)霜更為嚴(yán)重，如4 所示。

當(dāng)蒸發(fā)器表面霜層累積厚度達(dá)到一定程度時，蒸發(fā)器除濕能力急劇下降，冷凍風(fēng)扇入口的冷空氣相對濕度較大，同時蒸發(fā)器側(cè)空氣循環(huán)通道減小，風(fēng)量降低，空氣中的水分容易在扇葉表面析出并結(jié)霜，如圖5 所示。

風(fēng)冷冰箱在化霜過程中，通過化霜加熱器以熱輻、對流、導(dǎo)熱復(fù)合傳熱方式對蒸發(fā)器加熱，除掉蒸發(fā)器表面累積的霜和冰，同時來自蒸發(fā)器倉的熱量也會除掉扇葉及風(fēng)道內(nèi)部微小霜層。由于風(fēng)道內(nèi)部沒有設(shè)計(jì)疏水結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致扇葉和風(fēng)道內(nèi)的化霜水在風(fēng)道內(nèi)排水不暢，再次制冷時水被凍結(jié)成冰，經(jīng)歷周期性制冷和化霜過程，風(fēng)道內(nèi)冰塊越長越大，最終堵死整個風(fēng)道，導(dǎo)致冰箱完全失去制冷功能，如圖6 所示。

如圖7 所示，風(fēng)冷冰箱化霜結(jié)束，冷凍面罩保溫泡沫厚度與面罩表面溫度關(guān)系。本載體冷凍風(fēng)道保溫泡沫厚度偏小（8 mm），在化霜后期，冷凍風(fēng)道表面溫度高于零度，面罩表面的冰、霜逐步融化成水。由于風(fēng)罩表面無排水結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致化霜水在冷凍室底部匯聚，當(dāng)再次制冷時化霜水被凍結(jié)成冰，如圖3 所示。

圖7 化霜結(jié)束風(fēng)道保溫泡沫厚度與表面溫度關(guān)系

本載體冷藏室風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置采用撥桿結(jié)構(gòu)，由于撥桿處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)，制冷階段因漏風(fēng)導(dǎo)致?lián)軛U局部過冷，容易結(jié)霜。化霜階段易儲存化霜水，再次制冷時積水被凍結(jié)成冰，導(dǎo)致?lián)軛U凍堵，風(fēng)量調(diào)節(jié)功能失效。

2 方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證結(jié)果

2.1 冷凍風(fēng)道設(shè)計(jì)方案

如圖8 所示，冷藏室風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置采用旋鈕結(jié)構(gòu)，冷凍面罩外表面旋外沿設(shè)計(jì)翻邊結(jié)構(gòu)，防止冷凍面罩表面化霜水進(jìn)入旋鈕內(nèi)部，面罩內(nèi)表面旋鈕處設(shè)計(jì)凸起結(jié)構(gòu)，保證旋鈕密封，解決旋鈕凍堵。冷凍回風(fēng)口設(shè)計(jì)為內(nèi)翻結(jié)構(gòu)，保證面罩表面化霜水順利流入接水盤內(nèi)排出箱體外部，解決冷凍底部結(jié)冰。

圖8 冷凍風(fēng)罩示意圖

如圖9 所述，冷凍風(fēng)扇正下方設(shè)計(jì)菱形擋水結(jié)構(gòu)，擋水結(jié)構(gòu)下部設(shè)計(jì)排水槽，擋水結(jié)構(gòu)寬度應(yīng)大于兩側(cè)排水槽之間的寬度，保證扇葉及周邊的化霜水通過菱形擋水結(jié)構(gòu)順利流入排水槽內(nèi)，并通過排水槽流入接水盤內(nèi)排出箱體外部。冷凍泡沫局部可以減薄以提高風(fēng)罩表面的化霜升溫。

圖9 冷凍風(fēng)道示意圖

2.2 驗(yàn)證結(jié)果

按照上述開關(guān)門的測試條件，冰箱連續(xù)運(yùn)行15 天，試驗(yàn)結(jié)束。開門檢查冰箱冷凍室及冷凍風(fēng)道，如圖10 所示，冷藏室風(fēng)量調(diào)節(jié)旋鈕周邊無殘冰和水，旋鈕可以自由撥動，冷凍面罩表面和出風(fēng)口無積冰、積水，冷凍室底部干凈、無積冰，冷凍風(fēng)道內(nèi)部無殘冰和積水，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證合格，滿足產(chǎn)品可靠性要求。

圖10 化霜后冷凍風(fēng)罩和風(fēng)道除霜情況

3 結(jié)論

本文試驗(yàn)研究表明，基于單系統(tǒng)上凍下藏風(fēng)冷冰箱風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，通過對冷藏風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置、冷凍風(fēng)道面罩表面、冷凍回風(fēng)口、冷凍風(fēng)道內(nèi)部擋水、排水結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升冷凍風(fēng)道疏水性能。冷凍風(fēng)道優(yōu)化方案通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解決冷凍風(fēng)道結(jié)冰問題，提升產(chǎn)品可靠性。