兩門簡易風冷冰箱性能設計和匹配

劉 雷 李培培

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

近些年直冷冰箱逐漸被風冷冰箱所替代，其中經濟型簡易風冷冰箱因其成本相對較低，市場銷量在逐年提高。所謂簡易風冷冰箱是一種雙溫單控、可自動化霜的冰箱，其特點是冷凍跟隨冷藏制冷而被動制冷，并通過手工調節冷藏風量實現調控冷凍溫度。對于這類型的冰箱來說，冷藏風量的匹配設計至關重要。冷藏風量偏多時，則冬季會出現冷凍溫度偏高問題，冷藏風量偏少時，則夏季會出現冷藏制冷效果差問題。故要求冷藏風量設計匹配要適中，風量不多不少才能確保冰箱在不同季節下的基本制冷保鮮功能。對此，本文選擇兩門風冷冰箱BCD-236W為研究對象，詳細論述了冰箱的間室溫度設計、冷藏溫度調節、風機轉速及化霜控制等方面設計匹配所遇到的問題和解決方案，為對后續類似產品開發與制冷匹配提供指導意見。

1 研究對象

本文選擇兩門風冷冰箱BCD-236W為研究對象，上藏下凍結構，冷凍蒸發器為兩排斜插翅片蒸發器，在冷凍風機的驅動下空氣和蒸發器強制對流換熱，并通過風道系統把冷風輸送到冷藏和冷凍間室以實現冷藏制冷和冷凍制冷。如圖1所示，通過旋轉風量調節旋鈕改變冷藏風量，進而影響冷藏間室制冷速度，達到調節壓縮機的運行時間的目的，且壓縮機運行時間長度決定著冷凍溫度高低，故此旋鈕稱為冷凍溫度調節旋鈕。當旋鈕調到最右側時，旋鈕處通風截面最大，冷藏風道出風量最大，冷藏制冷速度快，壓縮機運行率最低，此時冷凍溫度最高，視為冷凍弱檔。當旋鈕調到最左側時，旋鈕處通風截面最小，冷藏風量最小，壓縮機開機率最大，冷凍溫度最低，視為冷凍強檔。

圖1 冰箱結構示意圖

2 制冷劑灌注量調試

制冷系統中制冷劑灌注量的匹配與優化是冰箱設計中的一個重要環節，直接影響到冰箱的性能質量[1]。制冷劑偏多時，會造成冰箱運行能耗高、回氣管結霜等問題。制冷劑偏少時，則冰箱制冷效果差。制冷劑灌注量偏多或偏少，對冰箱正常制冷都是不利的。如圖2所示，該產品采用蒸汽壓縮式制冷系統，接水盤換熱管至過濾器為高壓側散熱部件，蒸發器為低壓側吸熱部件，并有回熱裝置回氣管總成。在環境溫度32 ℃的恒溫室內，做制冷劑灌注量調試試驗，壓縮機始終保持3 000 rpm轉速不變，冰箱按照國標要求空載測試。在冷藏室、冷凍室、回氣管出箱端等重要位置用熱電偶布置溫度測試點。若表1所示，制冷劑灌注量從（33～42）g，蒸發器進和蒸發器出溫度點的溫度差值在1 ℃以內，其差值較小，說明蒸發器制冷劑充足，故（33～42）g范圍為制冷劑灌注量的可選范圍，故本產品選擇制冷劑R600a的灌注量為39 g。

圖2 制冷原理及溫度布點示意圖

表1 灌注量調試溫度統計表

3 間室溫度設計

對于冷藏冷凍箱來說，冰箱制冷就是指通過制冷循環裝置把冷藏、冷凍等間室內熱量轉移到箱體外部。從冷藏間室所移除的熱量為冷藏熱負荷，從冷凍間室所移除的熱量為冷凍熱負荷。在冬季時冷藏熱負荷占比較小，只需少量的制冷量即可滿足冷藏制冷需求。若冷藏風量偏多時，壓縮機運行率偏低，則會出現冷凍溫度偏高問題。反之，在夏季時冷藏熱負荷占比較大，冷藏制冷需要較多的制冷量。若冷藏風量偏少時，則冷藏制冷效果會變差。故冷藏風道及風量匹配設計直接決定著冰箱各間室的溫度大小和制冷保鮮效果。換言之，冷藏和冷凍溫度大小也直接反映了冷藏風道設計匹配是否合理。如表2所示，環溫16 ℃時，冷藏設定中檔、冷凍設定強檔，冷凍溫度要在（-19～21）℃范圍內，而冷凍設定弱檔時，冷凍溫度要在（-14～16）℃范圍內；同理，環溫32 ℃時，冷凍溫度則相對降低（2～3）℃。冰箱間室溫度如此設計，才能保證冰箱各項性能測試項目合格，制冷性能穩定可靠。

表2 間室設計溫度一覽表

4 風機轉速控制

如上文所述，夏季時冰箱制冷需要較多的冷藏風量，冬季時冰箱制冷需要較小的冷藏風量，否則，必會出現冰箱間室溫度偏高或偏低問題，繼而影響儲存食品保鮮質量。然而在用戶使用過程中，經常出現撥桿檔位設置在極端位置，導致冰箱間室溫度不是過高就是過低[2]。對此，本文提出一個冰箱間室溫度調控方案，即根據當前環溫和冷凍溫度選配合適的風機轉速，并通過風機轉速的變化，影響冷藏風道出風量和冷藏制冷速度，間接調控壓縮機運行時間，使冰箱間室溫度在合理范圍內。

BCD-236W冰箱在冷凍室設置有一個冷凍間室溫度傳感器和箱體頂部設置一個環境溫度傳感器，負責采集當前冷凍間室溫度和當前環境問題。如表3所示，將環境溫度Ht分成5個溫度區間，將冷凍溫度td分成3個溫度區間，Ht和td任意一個溫度區間的組合對應一個風機運行檔位。該方案有以下好處：一是避免冷凍溫度偏高或偏低。在冷凍溫度較低時風機高速運行，增大冷藏風量，減小壓縮機開機率，防止冷凍溫度過低，反之，冷凍溫度偏高時，冰箱的風機采用低速運行，降低了冷藏制冷速凍，升高了壓縮機開機率，達到降低冷凍溫度的作用。二是根據環境溫度調控冷藏風量，使冰箱制冷運行率更加合理。高溫環境的冷藏熱負荷大，需要較多的冷藏風量才能滿足其制冷需求，此時風機高速運行，即滿足了冷藏制冷需求，又減小了壓縮機開機率，降低了運行功耗。環溫較低時，冷藏熱負荷小，冷藏僅需少量的冷藏風量即可滿足其制冷需求，此時冷凍風機低轉速運行，升高了壓縮機運行率，避免了冷凍溫度過高，達到調節冷凍溫度的作用。

表3 冷凍風機轉速選擇一覽表

5 冷藏溫度調節方法

在產品性能匹配時做濕度負荷運行實驗，在冷藏室內放置若干濕毛巾，以模擬用戶高濕運行工況。如圖3所示，隨著冰箱運行，冷藏室頂部溫度在逐步上升并超出了冷藏溫度設計范圍。此現象與蒸發器霜堵，系統循環風阻增大，循環風量減少有關。隨著冰箱的運行，蒸發器結霜量逐漸增多，風阻越來越大，冷藏風量越來越少，冷風無法送到冷藏室頂部，導致頂部溫度過高。反之，冷藏室頂部溫度越高，也可間接反映出冰箱蒸發器結霜量多少。根據此原理，產品開發項目組設計出一個冰箱冷藏間室溫度調控方案應用在BCD-236W冰箱上。如圖4所示，在冷藏室上部位置新增一個冷藏溫度傳感器Tc2，并根據當前Tc2溫度值間接來判斷冰箱蒸發器結霜了多少，并以此來判定是提高風機運行轉速以增加冷藏風道出風量，還是啟動化霜使蒸發器恢復如初。該方案實施后，冰箱做濕度負荷運行實驗，冷藏室上部溫度改善明顯，溫度上升值最高不超過10 ℃，滿足了冰箱基本制冷保鮮需求。

圖3 冰箱運行曲線圖

圖4 冷藏溫度調節流程圖

6 總結

對于簡易風冷冰箱的匹配設計工作來說，準確調試制冷劑灌注量是制冷匹配設計的前提，合理設計風道系統和風量匹配是產品性能匹配的根本。本文所介紹的冰箱制冷匹配方法涉及到從制冷劑灌注量調試、風道設計、間室溫度調節、風機轉速控制等方面內容，詳細論述了在冰箱的制冷設計匹配過程所需要的問題和解決方案，對后續類似產品開發和性能匹配具有一定的指導意義。