上冻下藏风冷冰箱风道结冰分析及优化设计

刘全义 李清松 陈开松

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

随着消费水平不断提升，风冷冰箱能够自动除霜、容量大、降温速度快等优点，市场销售占比逐年增加，目前风冷冰箱的市场份额已超过80 %[1]。针对海外市场客户群体需求，上冻下藏风冷冰箱更受消费者青睐。

综合用户使用习惯和成本，上冻下藏风冷冰箱主要采用单循环制冷系统设计，并把翅片蒸发器设置在冷冻间室内。通过滑动的拨杆控制冷藏室进风量实现冷藏室控温，通常把拨杆设置在冷冻风道表面。由于这种结构设计特点，在高温高湿或用户特定使用环境下，易出现冷冻风道表面严重结冰、冷冻拨杆冻堵、风道内部结冰现象，从而影响冰箱制冷性能，严重时导致冰箱不制冷、噪音大等问题。

目前国内针对冷冻风道结冰现象研究较少。王瑶等[2]采用CFD分析方法对冷藏风道凝露结冰机理分析，通过对送风风道送风形式进行优化改进，凝露问题有明显改善。

基于冷冻风道设计兼顾制冷和化霜等复杂过程控制，通过对上冻下藏风冷冰箱冷冻风道结冰机理研究分析，优化设计冷冻风道结构，解决风道结冰问题，满足产品使用性能和可靠性需求。

1 风道结冰现象及原因分析

1.1 研究载体

本文研究载体为一款上冻下藏单系统风冷冰箱BCD-510 W，如图1所示，风冷冰箱上部为冷冻间室，下部为冷藏间室，冷冻风道及翅片蒸发器设置在冷冻间室背部。

图1 上冻下藏风冷冰箱示意图

1.2 试验条件

将一台BCD-510W上冻下藏风冷冰箱放置在温度和湿度分别可控的国家标准实验室内，环境条件设置为35 ℃/90 % RH，冷藏门每45 min开一次，共20 次，每次开门时间维持40 s；冷冻门每30 min开一次，共30 次，每次开门时间维持20 s，冰箱连续运行15 天，试验结束。

1.3 试验结果

试验完成，打开冰箱并检查风冷冰箱的冷冻室及冷冻风道状态。如图2～5 所示，冷冻风道表面的风量调节拨杆结冰、冻死，无法调节，大量冰块分布在冷冻间室底部，冷冻出风口附近挂冰，冷冻风机扇叶表面结霜、冰较多，大幅度减小风扇出风量，严重时会导致扇叶运转与冰块摩擦，产生异常噪音。拆开冷冻风道，如图6所示，风道内部残留大量冰块，结冰异常严重。

图2 风量调节拨杆冻堵示意图

图3 冷冻间室底部结冰示意图

图4 冷冻风口结冰示意图

图5 离心风机扇叶表面结霜示意图

图6 风道内部结冰示意图

1.4 结果分析

风冷冰箱在高温高湿频繁开、关门工况下，大量高温湿空气在开门阶段进入间室内部，部分湿空气来不及通过风循环被蒸发器除湿，或者由于蒸发器表面结霜严重，除湿能力衰退，空气中的水分在冷冻内胆表面和冷冻面罩表面析出并冻结成霜。由于冷冻风道表面与内胆表面相比温度更低，并且风道面罩表面为风循环死区，导致冷冻面罩表面结霜，尤其是冷冻风口附近结霜更为严重，如4 所示。

当蒸发器表面霜层累积厚度达到一定程度时，蒸发器除湿能力急剧下降，冷冻风扇入口的冷空气相对湿度较大，同时蒸发器侧空气循环通道减小，风量降低，空气中的水分容易在扇叶表面析出并结霜，如图5 所示。

风冷冰箱在化霜过程中，通过化霜加热器以热辐、对流、导热复合传热方式对蒸发器加热，除掉蒸发器表面累积的霜和冰，同时来自蒸发器仓的热量也会除掉扇叶及风道内部微小霜层。由于风道内部没有设计疏水结构，导致扇叶和风道内的化霜水在风道内排水不畅，再次制冷时水被冻结成冰，经历周期性制冷和化霜过程，风道内冰块越长越大，最终堵死整个风道，导致冰箱完全失去制冷功能，如图6 所示。

如图7 所示，风冷冰箱化霜结束，冷冻面罩保温泡沫厚度与面罩表面温度关系。本载体冷冻风道保温泡沫厚度偏小（8 mm），在化霜后期，冷冻风道表面温度高于零度，面罩表面的冰、霜逐步融化成水。由于风罩表面无排水结构，导致化霜水在冷冻室底部汇聚，当再次制冷时化霜水被冻结成冰，如图3 所示。

图7 化霜结束风道保温泡沫厚度与表面温度关系

本载体冷藏室风量调节装置采用拨杆结构，由于拨杆处结构设计不严谨，制冷阶段因漏风导致拨杆局部过冷，容易结霜。化霜阶段易储存化霜水，再次制冷时积水被冻结成冰，导致拨杆冻堵，风量调节功能失效。

2 方案设计及验证结果

2.1 冷冻风道设计方案

如图8 所示，冷藏室风量调节装置采用旋钮结构，冷冻面罩外表面旋外沿设计翻边结构，防止冷冻面罩表面化霜水进入旋钮内部，面罩内表面旋钮处设计凸起结构，保证旋钮密封，解决旋钮冻堵。冷冻回风口设计为内翻结构，保证面罩表面化霜水顺利流入接水盘内排出箱体外部，解决冷冻底部结冰。

图8 冷冻风罩示意图

如图9 所述，冷冻风扇正下方设计菱形挡水结构，挡水结构下部设计排水槽，挡水结构宽度应大于两侧排水槽之间的宽度，保证扇叶及周边的化霜水通过菱形挡水结构顺利流入排水槽内，并通过排水槽流入接水盘内排出箱体外部。冷冻泡沫局部可以减薄以提高风罩表面的化霜升温。

图9 冷冻风道示意图

2.2 验证结果

按照上述开关门的测试条件，冰箱连续运行15 天，试验结束。开门检查冰箱冷冻室及冷冻风道，如图10 所示，冷藏室风量调节旋钮周边无残冰和水，旋钮可以自由拨动，冷冻面罩表面和出风口无积冰、积水，冷冻室底部干净、无积冰，冷冻风道内部无残冰和积水，实验验证合格，满足产品可靠性要求。

图10 化霜后冷冻风罩和风道除霜情况

3 结论

本文试验研究表明，基于单系统上冻下藏风冷冰箱风道系统结构特性，通过对冷藏风量调节装置、冷冻风道面罩表面、冷冻回风口、冷冻风道内部挡水、排水结构等进行优化设计，提升冷冻风道疏水性能。冷冻风道优化方案通过实验验证，解决冷冻风道结冰问题，提升产品可靠性。