冰箱超小型外置冷凝模塊設(shè)計(jì)及性能研究

鄧萍萍 崔培培 劉全義 馬長(zhǎng)州

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230000）

引言

隨著消費(fèi)升級(jí)的發(fā)展，冰箱逐漸成為現(xiàn)代人類生活中不可或缺的重要部分。自2018年開始，用戶對(duì)大容積風(fēng)冷冰箱的關(guān)注度越來(lái)越高，以往普通的三門冰箱顯然已經(jīng)不能滿足人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)需求，大容積已然成為當(dāng)下冰箱產(chǎn)品的標(biāo)配，如何有效提升冰箱容積率成為冰箱設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，VIP板優(yōu)化設(shè)計(jì)、保溫層分布優(yōu)化設(shè)計(jì)等薄壁技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]，但過(guò)度減薄箱體發(fā)泡層厚度會(huì)引發(fā)冰箱保溫性能變差、箱體表面凝露等問(wèn)題，在保證冰箱保溫性能的基礎(chǔ)上箱體薄壁化、壓縮機(jī)倉(cāng)小型化，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)超大容積率的主要途徑。冰箱壓縮機(jī)倉(cāng)在行業(yè)中一般均為標(biāo)準(zhǔn)化尺寸221 mm（深）*236 mm（高），同時(shí)壓縮機(jī)倉(cāng)內(nèi)的冷凝模塊總尺寸過(guò)大[2]，這一部分容積無(wú)法為用戶所使用，造成冰箱容積率較低，不能很好地滿足用戶的使用需求。現(xiàn)有研究主要圍繞冰箱大尺寸外置冷凝模塊的散熱智能算法、選型分析、風(fēng)量與換熱量耦合等[3-5]，涉及到超小型冷凝模塊的換熱性能研究很少，根據(jù)用戶日益增長(zhǎng)的大容積率需求，研究小壓縮機(jī)倉(cāng)下外置冷凝模塊的換熱性能顯得尤為必要。

基于以上問(wèn)題，以一款400 L風(fēng)冷冰箱為研究載體，設(shè)計(jì)出一種具有最佳性價(jià)比的超小型外置冷凝模塊，且該模塊滿足170 mm（深）*200 mm（高）的壓縮機(jī)倉(cāng)尺寸要求，實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷冰箱大容積率設(shè)計(jì)，同時(shí)換熱性能滿足400 L載體冰箱性能要求。

1 冷凝模塊系統(tǒng)方案

以BCD-406 W薄壁風(fēng)冷冰箱為研究載體，壓縮機(jī)倉(cāng)尺寸為595 mm（寬）*170 mm（深）*200 mm（高），采用盒式風(fēng)機(jī)（直徑110 mm）+新設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)支架+微通道冷凝器+新結(jié)構(gòu)接水盤+蒸發(fā)管，配合側(cè)幫與后背進(jìn)、出風(fēng)道，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出超小型外置冷凝換熱模塊，新冷凝模塊的換熱性能滿足400 L載體冰箱性能要求。

1.1 冷凝模塊選型

冷凝模塊結(jié)構(gòu)主要由冷凝風(fēng)機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)管和接水盤等組成，如圖1所示。本方案選用的冷凝風(fēng)機(jī)為125*125小尺寸盒式風(fēng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速均為1750RPM。通過(guò)風(fēng)量測(cè)試臺(tái)測(cè)試結(jié)果表明，小尺寸盒式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為目前行業(yè)中廣泛應(yīng)用的150*150一體式冷凝風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1.7～1.8倍時(shí)，風(fēng)量相當(dāng)，滿足小尺寸、低噪音、大風(fēng)量的設(shè)計(jì)要求。冷凝器設(shè)計(jì)選型主要依托仿真軟件，設(shè)計(jì)出外形尺寸為140 mm（長(zhǎng)）*140 mm（高）*25.4 mm（厚）的微通道冷凝器，其中每英寸翅片數(shù)量由理論計(jì)算得出的換熱量確定，考慮實(shí)際使用過(guò)程中翅片密度大會(huì)導(dǎo)致積灰影響換熱等問(wèn)題，本項(xiàng)目方案選用每英寸翅片數(shù)量為8個(gè)的微通道冷凝器設(shè)計(jì)方案。接水盤實(shí)現(xiàn)大容積率創(chuàng)新設(shè)計(jì)，改變?cè)酗L(fēng)機(jī)裝配方式，同時(shí)減小冷凝器底座占據(jù)空間，新方案接水盤容積能做到1.47 L，容積率高達(dá)79 %。

圖1 冷凝模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 冷凝風(fēng)循環(huán)設(shè)計(jì)

基于壓縮機(jī)倉(cāng)小型化設(shè)計(jì)條件，選用的盒式風(fēng)機(jī)風(fēng)量較我司常規(guī)冷凝風(fēng)機(jī)偏小，為確保該款超小型冷凝模塊滿足400 L載體冰箱性能要求，采用冰箱載體側(cè)幫與壓縮機(jī)后蓋板均開孔的組合設(shè)計(jì)方案，提升風(fēng)道效果，確保技術(shù)方案的可行性，冷凝風(fēng)循環(huán)圖詳見圖2。冰箱壓縮機(jī)倉(cāng)風(fēng)循環(huán)方案主要包括低溫氣流從冰箱右側(cè)和冰箱背部右面進(jìn)入壓縮機(jī)倉(cāng)，高溫氣流由冰箱左側(cè)和冰箱背部左面排出。

圖2 冷凝風(fēng)循環(huán)圖

2 性能驗(yàn)證分析

2.1 整機(jī)能耗

根據(jù)新國(guó)標(biāo)GB 12021.2-2015的能效測(cè)試要求，分別在（16±0.5）℃和（32±0.5）℃兩種環(huán)溫下進(jìn)行耗電量試驗(yàn)，測(cè)得的冰箱穩(wěn)態(tài)時(shí)的整機(jī)能耗對(duì)比結(jié)果見表1。在同等熱負(fù)荷條件下，壓縮機(jī)倉(cāng)越小對(duì)應(yīng)的冷凝模塊尺寸越小，要達(dá)到與原型機(jī)同樣的性能，則要求冷凝模塊單位體積下的換熱性能及換熱效率提升。由表1可以看出，當(dāng)壓縮機(jī)倉(cāng)變小并使用超小型冷凝模塊方案后，16℃耗電量測(cè)試條件下可通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到比原型機(jī)節(jié)能，32℃穩(wěn)態(tài)耗電量略微增加，標(biāo)準(zhǔn)能效指數(shù)與原型機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)能效指數(shù)相當(dāng)，均滿足一級(jí)能效。同時(shí)使用小尺寸壓縮機(jī)倉(cāng)后冷凍室容積可增加約為6 L，冰箱整機(jī)的容積率提升1.5 %。

表1 冷凝模塊系統(tǒng)方案對(duì)比測(cè)試結(jié)果

2.2 接水盤溢水實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)有風(fēng)冷冰箱的化霜水存放于冰箱壓縮機(jī)倉(cāng)室內(nèi)的接水盤內(nèi)，接水盤內(nèi)存放的化霜水蒸發(fā)速度需要大于化霜水排放速度，以保證接水盤內(nèi)的化霜水不會(huì)逐漸積累增多而導(dǎo)致溢出接水盤；接水盤化霜水蒸發(fā)能力與接水盤的表面積、連接管散熱能力、接水盤容積、冰箱化霜周期等悉悉相關(guān)。從市場(chǎng)上用戶投訴信息收集分析，冰箱接水盤時(shí)常會(huì)出現(xiàn)化霜水無(wú)法及時(shí)蒸發(fā)而導(dǎo)致的蒸發(fā)水從接水盤中溢出的現(xiàn)象，發(fā)生該現(xiàn)象的原因與冰箱壓縮機(jī)倉(cāng)內(nèi)接水盤化霜水蒸發(fā)能力不足以保證化霜水及時(shí)蒸發(fā)有關(guān)，最終化霜水過(guò)多，從接水盤中溢出，引起用戶的投訴。對(duì)于風(fēng)冷冰箱而言，在冰箱開關(guān)門條件下，室外高溫高濕的空氣進(jìn)入冰箱內(nèi)引起結(jié)霜量變大，化霜水較多，確保接水盤在運(yùn)行時(shí)不溢水顯得尤為重要。表2為測(cè)得的冰箱在開關(guān)門過(guò)程中的接水盤內(nèi)水量結(jié)果。

由表2可以看出，超小型冷凝模塊方案的接水盤在冰箱開關(guān)門過(guò)程中均未出現(xiàn)水溢出現(xiàn)象，滿足整機(jī)可靠性要求。

表2 接水盤水量結(jié)果

2.3 冷凝模塊噪音

對(duì)于風(fēng)冷變頻冰箱而言，風(fēng)扇是冰箱噪音生成的一個(gè)重要來(lái)源，同時(shí)風(fēng)機(jī)、冷凝器的安裝方式與壓縮機(jī)倉(cāng)管路設(shè)計(jì)都能在一定程度上影響整機(jī)的噪音值。超小型冷凝模塊方案通過(guò)優(yōu)化管路設(shè)計(jì)減弱箱體共振、優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等降噪方式，根據(jù)冰箱整機(jī)噪聲測(cè)試方法得到不同冷凝風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下超小型冷凝模塊的噪音結(jié)果見表3。從表3可以看出，超小型冷凝模塊的噪音均小于39 dB（A），滿足方案設(shè)計(jì)要求。

表3 冷凝模塊噪聲值

3 結(jié)論

對(duì)于風(fēng)冷變頻冰箱產(chǎn)品，采用超小型冷凝模塊可使得冷凍間室容積增大，同時(shí)也能增大冰箱容積率，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。本文設(shè)計(jì)出的超小型冷凝模塊，通過(guò)對(duì)比分析原型機(jī)外置冷凝模塊與超小型冷凝模塊的換熱性能，完成冰箱整機(jī)能耗、接水盤溢水實(shí)驗(yàn)、噪聲等試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可知，超小型冷凝模塊方案的冰箱載體各項(xiàng)主要性能均合格，可作為實(shí)現(xiàn)冰箱容積率提升、同時(shí)整機(jī)性能不降低的主要實(shí)現(xiàn)途徑之一。