風冷冰箱冷凍能力檢測技術和方法研究

張民增 蔣慶凱 邢 龍 王艷飛

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 珠海 519070）

引言

風冷冰箱由于采用無霜系統，無需手動除霜，且溫度控制精準，成為了越來越多家庭購買冰箱的首選，而冷凍能力作為衡量一個風冷冰箱綜合性能的重要參數，也越來越受到人們的重視。但是如果冰箱容積大，但是冷凍能力偏小，就容易引起顧客懷疑其是否偷工減料，性能上有缺陷，因此有必要對影響風冷冰箱冷凍能力的關鍵因素進行研究，使得其冷凍能力與實際容積相匹配。

揭輝霞等[1]對老國標冷凍能力實驗進行研究，指出風冷冰箱最熱位置為靠近門框處，最冷位置為靠近風道出風口處；冷凍負載應錯開放置；實驗需要經驗豐富人員操作，否則很容易失敗。

GBT/ 8059標準發布之后，吳曉麗等[2]對新版電冰箱性能標準進行了解讀，指出冷凍能力試驗和老國標相比，有了巨大變化，主要為冷凍負載計算方式發生改變，實驗起始條件加嚴，冷凍能力單位由kg/24 h改為kg/12 h，整體要求變得更加嚴格。

屠建祥[3]等通過計算指出，當食品對流換熱系數一定時，減少食品厚度和降低介質溫度是縮短凍結時間很有效的途徑。

盡管業內同仁已有一定研究，但是對于影響風冷冰箱冷凍能力大小的關鍵因素，以及如何借用這些因素，提升冷凍能力，目前相關研究較少，無可參考的對象，本文從新國標冷凍能力測試方法出發，在相關載體上研究對冷凍能力影響較大的關鍵因素，并提出相應的方案來提升風冷冰箱冷凍能力，豐富冷凍能力實驗的測試經驗，提高產品競爭力。

1 主要影響因素分析與驗證

GB/T 8059-2016中冷凍能力計算公式如下：

式中：

Mi—冷凍負載重量，單位為千克（kg）；

△t—冷凍時間，單位為時（h）。

冷凍負載重量為所有用來評價是否為“三四星級”室的間室容積（不包括“二星級”部分）即3.5 kg/100 L，近似到0.5 kg，最低不得低于2 kg。冷凍時間指從投入負載開始到所有冷凍負載M包算數平均值降到-18 ℃所需時間。

從計算公式可以看出，風冷冰箱冷凍能力值的大小與冷凍負載重量和冷凍負載冷凍時間有關，與冷凍負載重量成正比，與冷凍負載冷凍時間成反比，同一款冰箱，容積固定，冷凍負載重量根據國標要求計算，也無法更改。因此，影響風冷冰箱冷凍能力值大小主要由冷凍時間決定。

通過對標準要求進行解讀和查閱相關資料，發現影響風冷冰箱冷凍負載冷凍時間的主要因素為冷凍負載位置的選擇、冷凍負載包堆厚度、冷凍負載降溫過程中化霜時間三個方面，下面以具體樣機為載體，對這三個方面分別進行分析。

1.1 樣品詳情和實驗方法

研究載體為某全風冷變頻法式四門冰箱，其結構是上冷藏室下冷凍室，中間為三檔變溫室，冷藏和冷凍室分別能夠獨立控制溫度，樣機整體如圖1所示，樣機帶有快速冷凍（以下簡稱速凍）功能，開啟速凍功能后遇到化霜需求，正常執行化霜，標稱冷凍能力為3 kg/12 h。

實驗室采用符合國標試驗要求的冰箱性能實驗室，主要測量儀器采用日本橫河，冷凍室溫度采用50 mm*100 mm*100 mm，幾何中心帶有感溫探頭的M包進行測量，嚴格按照GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》中的冷凍能力試驗要求進行測試，每次測試開始前，樣機均在25 ℃環溫中晾箱24 h，確保樣機狀態統一。

檢測方法未優化前的冷凍負載放置方案如圖1所示，所測得的相關測試數據如表1所示。

表1 原始狀態冷凍能力測試數據

1.2 冷凍負載位置的選擇

冷凍能力實驗是在儲藏溫度實驗的基礎上進行的，通過減少冷凍室實驗包的數量來給冷凍負載預留位置，冷凍負載位置的選擇并不是無序和隨機的，其遵循一定的規律。

為了探究不同的冷凍負載位置的選擇對風冷冰箱冷凍能力的影響，對研究載體進行了四次對比測試，冷凍負載位置依次為冷凍負載全部遠離風口、冷凍負載兩堆遠離風口、冷凍負載一堆遠離風口、冷凍負載全部貼近風口，四次測試僅冷凍負載位置不一致，分別命名為方案A～方案D，其余均保持不變，測試結果如圖2所示。

分析圖2可知，冷凍負載位置的選擇與冷凍負載冷凍時間有直接的關系。負載越接近風口，冷凍時間越短，測得的冷凍能力值越大。故在設計冷凍負載放置方案圖時，應充分考慮冷凍負載位置，盡量使其貼近冷凍出風口。

1.3 冷凍負載包堆的平均厚度

屠建祥[3]等通過計算指出，在介質溫度和對流換熱速度不變的情況下，減少食品厚度是縮短凍結時間很有效的途徑。在冷凍能力實驗中，針對實驗包的規格與投入前的溫度，國標均有嚴格的要求，因此要想降低冷凍時間，需要對冷凍負載包堆厚度進行控制。

為了研究不同的冷凍負載厚度對實驗樣機冷凍時間的影響，對實驗樣機開展了對比實驗。實驗樣機總的冷凍負載重量為4.5 kg，共9個冷凍負載包，根據國標冷凍能力實驗規定的冷凍負載需均勻分布，每塊冷凍負載占用不超過3塊壓倉負載的要求，結合樣機實際的冷凍室尺寸，采用以下3種代表性的放包方式進行對比：3+3+3，3+2+2+2，2+2+2+2+1，分別命名為方案1、方案2、方案3，對應的冷凍負載平均厚度分別為15 cm、11.25 cm、9 cm（新國標要求的實驗包尺寸為100 cm×100 cm×50 cm）以這三種不同的分配方式進行三次測試，同時為了確保數據具有對比性，所有冷凍負載均放置在同樣的、最接近風口的位置。

測試結果如圖3，分析數據可知，冷凍負載包堆平均厚度與冷凍時間有著直接關系，是一個重要影響因素，根據冷凍室尺寸和冷凍負載重量合理增加冷凍負載包堆個數，降低冷凍負載包堆平均厚度可有效提升冷凍能力。

1.4 冷凍負載降溫過程中的化霜時間

風冷冰箱與直冷冰箱最大的區別就是風冷冰箱運行中會有化霜及恢復期出現，并且能夠自動處理化霜水。為了高效除霜，制冷系統在化霜期間通常是不工作的，若冷凍負載降溫過程中遇到化霜，冷凍室內溫度必然升高，會對冷凍負載降溫速度造成影響，若化霜多于一次，甚至可能會造成實驗失敗。

為了確認化霜時間長短對冷凍負載降溫時間的影響，設計了四種測試方案，分別為冷凍負載降至-18 ℃過程中無化霜與固定化霜10 min、固定化霜20 min、固定化霜30 min，測試方案與原始方案保持一致。

觀察測試結果圖4可以發現，冷凍負載降溫過程中的化霜持續時間對于冷凍負載冷凍時間有著較大的影響，因此冷凍能力試驗測試時應盡可能確保避開化霜。

2 檢測方法優化

通過分析可知，在冷凍室容積固定不變的情況下，若要增加冷凍能力，只能從縮短冷凍時間入手，而在實驗室測試環境中，在不改變產品結構的前提下，要縮短冷凍時間，可以從改良測試手法方面入手。

1）冷凍負載應全部放置在最接近冷凍室出風口位置，促使負載熱量能夠被快速帶走。冷凍室經由風扇吹出的冷風，在與冷凍負載接觸后，通過熱交換帶走熱量，最后通過回風口回到蒸發器，循環利用。故離風口越遠，則分得的冷量越少，降溫越慢，所以在設計測試方案圖時，應充分考慮預留的位置是否為冰箱內部最接近風口的位置；

2）根據國標要求的每塊冷凍負載占用不超過3塊壓倉負載的空間，以及目前大多數風冷冰箱的實際容積，每堆冷凍負載應維持在兩塊左右最為合適，最多不應超過3塊，以增大冷凍負載換熱面積，加速冷凍；

3）為了完全避開化霜，應在一個化霜及恢復期結束平穩后立刻投入負載，實驗不應在樣機已運行一段時間，即將開始化霜時刻進行，此時霜層已較厚，若此時投入負載，則會加速蒸發器結霜，降低制冷效率。帶有速凍功能的樣機，其程序的設定應使得速凍功能運行中，遇到化霜請求的，暫緩化霜，在速凍退出后，根據結霜情況，按需化霜。

根據以上三點，對樣機測試手法進行了改進，冷凍負載放置方案圖和改進前后冷凍能力對比如圖5所示，冷凍能力提升了約50 %，有明顯提升。

3 結論

本文通過對影響風冷冰箱冷凍能力關鍵因素進行分析，并設計對比方案進行實驗驗證，提出相應的改進措施，在不改變整體結構的前提下，將研究載體冰箱的實測冷凍能力由4.0 kg/12 h提升至6.1 kg/12 h，檢測技術和方法符合國標要求，較大地增加了產品的競爭力，同時該研究成果也豐富了國標冷凍能力實驗的測試方法，為研發人員設計出更具競爭力的產品提供了重要的參考依據。