两门简易风冷冰箱性能设计和匹配

刘 雷 李培培

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

近些年直冷冰箱逐渐被风冷冰箱所替代，其中经济型简易风冷冰箱因其成本相对较低，市场销量在逐年提高。所谓简易风冷冰箱是一种双温单控、可自动化霜的冰箱，其特点是冷冻跟随冷藏制冷而被动制冷，并通过手工调节冷藏风量实现调控冷冻温度。对于这类型的冰箱来说，冷藏风量的匹配设计至关重要。冷藏风量偏多时，则冬季会出现冷冻温度偏高问题，冷藏风量偏少时，则夏季会出现冷藏制冷效果差问题。故要求冷藏风量设计匹配要适中，风量不多不少才能确保冰箱在不同季节下的基本制冷保鲜功能。对此，本文选择两门风冷冰箱BCD-236W为研究对象，详细论述了冰箱的间室温度设计、冷藏温度调节、风机转速及化霜控制等方面设计匹配所遇到的问题和解决方案，为对后续类似产品开发与制冷匹配提供指导意见。

1 研究对象

本文选择两门风冷冰箱BCD-236W为研究对象，上藏下冻结构，冷冻蒸发器为两排斜插翅片蒸发器，在冷冻风机的驱动下空气和蒸发器强制对流换热，并通过风道系统把冷风输送到冷藏和冷冻间室以实现冷藏制冷和冷冻制冷。如图1所示，通过旋转风量调节旋钮改变冷藏风量，进而影响冷藏间室制冷速度，达到调节压缩机的运行时间的目的，且压缩机运行时间长度决定着冷冻温度高低，故此旋钮称为冷冻温度调节旋钮。当旋钮调到最右侧时，旋钮处通风截面最大，冷藏风道出风量最大，冷藏制冷速度快，压缩机运行率最低，此时冷冻温度最高，视为冷冻弱档。当旋钮调到最左侧时，旋钮处通风截面最小，冷藏风量最小，压缩机开机率最大，冷冻温度最低，视为冷冻强档。

图1 冰箱结构示意图

2 制冷剂灌注量调试

制冷系统中制冷剂灌注量的匹配与优化是冰箱设计中的一个重要环节，直接影响到冰箱的性能质量[1]。制冷剂偏多时，会造成冰箱运行能耗高、回气管结霜等问题。制冷剂偏少时，则冰箱制冷效果差。制冷剂灌注量偏多或偏少，对冰箱正常制冷都是不利的。如图2所示，该产品采用蒸汽压缩式制冷系统，接水盘换热管至过滤器为高压侧散热部件，蒸发器为低压侧吸热部件，并有回热装置回气管总成。在环境温度32 ℃的恒温室内，做制冷剂灌注量调试试验，压缩机始终保持3 000 rpm转速不变，冰箱按照国标要求空载测试。在冷藏室、冷冻室、回气管出箱端等重要位置用热电偶布置温度测试点。若表1所示，制冷剂灌注量从（33～42）g，蒸发器进和蒸发器出温度点的温度差值在1 ℃以内，其差值较小，说明蒸发器制冷剂充足，故（33～42）g范围为制冷剂灌注量的可选范围，故本产品选择制冷剂R600a的灌注量为39 g。

图2 制冷原理及温度布点示意图

表1 灌注量调试温度统计表

3 间室温度设计

对于冷藏冷冻箱来说，冰箱制冷就是指通过制冷循环装置把冷藏、冷冻等间室内热量转移到箱体外部。从冷藏间室所移除的热量为冷藏热负荷，从冷冻间室所移除的热量为冷冻热负荷。在冬季时冷藏热负荷占比较小，只需少量的制冷量即可满足冷藏制冷需求。若冷藏风量偏多时，压缩机运行率偏低，则会出现冷冻温度偏高问题。反之，在夏季时冷藏热负荷占比较大，冷藏制冷需要较多的制冷量。若冷藏风量偏少时，则冷藏制冷效果会变差。故冷藏风道及风量匹配设计直接决定着冰箱各间室的温度大小和制冷保鲜效果。换言之，冷藏和冷冻温度大小也直接反映了冷藏风道设计匹配是否合理。如表2所示，环温16 ℃时，冷藏设定中档、冷冻设定强档，冷冻温度要在（-19～21）℃范围内，而冷冻设定弱档时，冷冻温度要在（-14～16）℃范围内；同理，环温32 ℃时，冷冻温度则相对降低（2～3）℃。冰箱间室温度如此设计，才能保证冰箱各项性能测试项目合格，制冷性能稳定可靠。

表2 间室设计温度一览表

4 风机转速控制

如上文所述，夏季时冰箱制冷需要较多的冷藏风量，冬季时冰箱制冷需要较小的冷藏风量，否则，必会出现冰箱间室温度偏高或偏低问题，继而影响储存食品保鲜质量。然而在用户使用过程中，经常出现拨杆档位设置在极端位置，导致冰箱间室温度不是过高就是过低[2]。对此，本文提出一个冰箱间室温度调控方案，即根据当前环温和冷冻温度选配合适的风机转速，并通过风机转速的变化，影响冷藏风道出风量和冷藏制冷速度，间接调控压缩机运行时间，使冰箱间室温度在合理范围内。

BCD-236W冰箱在冷冻室设置有一个冷冻间室温度传感器和箱体顶部设置一个环境温度传感器，负责采集当前冷冻间室温度和当前环境问题。如表3所示，将环境温度Ht分成5个温度区间，将冷冻温度td分成3个温度区间，Ht和td任意一个温度区间的组合对应一个风机运行档位。该方案有以下好处：一是避免冷冻温度偏高或偏低。在冷冻温度较低时风机高速运行，增大冷藏风量，减小压缩机开机率，防止冷冻温度过低，反之，冷冻温度偏高时，冰箱的风机采用低速运行，降低了冷藏制冷速冻，升高了压缩机开机率，达到降低冷冻温度的作用。二是根据环境温度调控冷藏风量，使冰箱制冷运行率更加合理。高温环境的冷藏热负荷大，需要较多的冷藏风量才能满足其制冷需求，此时风机高速运行，即满足了冷藏制冷需求，又减小了压缩机开机率，降低了运行功耗。环温较低时，冷藏热负荷小，冷藏仅需少量的冷藏风量即可满足其制冷需求，此时冷冻风机低转速运行，升高了压缩机运行率，避免了冷冻温度过高，达到调节冷冻温度的作用。

表3 冷冻风机转速选择一览表

5 冷藏温度调节方法

在产品性能匹配时做湿度负荷运行实验，在冷藏室内放置若干湿毛巾，以模拟用户高湿运行工况。如图3所示，随着冰箱运行，冷藏室顶部温度在逐步上升并超出了冷藏温度设计范围。此现象与蒸发器霜堵，系统循环风阻增大，循环风量减少有关。随着冰箱的运行，蒸发器结霜量逐渐增多，风阻越来越大，冷藏风量越来越少，冷风无法送到冷藏室顶部，导致顶部温度过高。反之，冷藏室顶部温度越高，也可间接反映出冰箱蒸发器结霜量多少。根据此原理，产品开发项目组设计出一个冰箱冷藏间室温度调控方案应用在BCD-236W冰箱上。如图4所示，在冷藏室上部位置新增一个冷藏温度传感器Tc2，并根据当前Tc2温度值间接来判断冰箱蒸发器结霜了多少，并以此来判定是提高风机运行转速以增加冷藏风道出风量，还是启动化霜使蒸发器恢复如初。该方案实施后，冰箱做湿度负荷运行实验，冷藏室上部温度改善明显，温度上升值最高不超过10 ℃，满足了冰箱基本制冷保鲜需求。

图3 冰箱运行曲线图

图4 冷藏温度调节流程图

6 总结

对于简易风冷冰箱的匹配设计工作来说，准确调试制冷剂灌注量是制冷匹配设计的前提，合理设计风道系统和风量匹配是产品性能匹配的根本。本文所介绍的冰箱制冷匹配方法涉及到从制冷剂灌注量调试、风道设计、间室温度调节、风机转速控制等方面内容，详细论述了在冰箱的制冷设计匹配过程所需要的问题和解决方案，对后续类似产品开发和性能匹配具有一定的指导意义。