基于薄壁化泡层的低成本风冷冰箱节能技术研究

李清松 刘全义 陈开松

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

在高房价高地价常态下，伴随着冰箱消费升级，高容积率风冷冰箱设计是冰箱行业趋势[1]。

冰箱容积率通常是指冰箱实际可使用容积与冰箱体积之比，比值越大，容积率则越高。为了实现大容积率设计要求，主要是将冰箱的箱体及门体均进行薄壁化设计[2]，箱体和门体发泡层越薄，冰箱相对容积率越大，随之冰箱的热负荷增大，耗电量增加。

为同时兼顾冰箱的大容积率和高能效的设计要求，通常在冰箱的箱体和门体的发泡层内设置低导热系数材料VIP 板，既减小冰箱热负荷，又减小冰箱发泡层厚度，实现薄壁化、高能效的产品功能要求。通过产品多维度的VIP 应用，虽然实现大幅度降低冰箱热负荷，但是冰箱设计成本也大幅度增加，导致薄壁产品的竞争力不足。

如何既能保证冰箱的大容积率和高能效，又能实现产品高性价比将是冰箱行业的一个重要课题。本文通过风冷冰箱节能技术再创新再突破，实现薄壁冰箱全面取消VIP 板应用，实现产品成本大幅度降低，有效提升产品成本竞争力。

1 风冷冰箱泡层设计参数

本文载体冰箱为一款上藏下冻法式四门风冷冰箱，冷藏室标称容积185 L，冷冻室标称容积220 L，总标称容积为405 L。冰箱的关键发泡层厚度参数如表1 所示，冰箱外形尺寸600 mm × 638 mm × 1905 mm，根据GB/T 8059-2016 家用和类似用途制冷器具[3]容积测试方法，其容积率为55.5 %。

表1 BCD-405W 发泡层厚度分布

2 风冷冰箱节能技术方案

为实现载体冰箱的大容积率、低成本和GB 12021.2-2015[4]一级能效设计要求，冰箱的箱体和门体均不采用VIP 板方案，具体技术方案阐述如下。

2.1 制冷系统设计

2.1.1 制冷系统循环设计

基于产品成本性价比，BCD-405 W 采用单循环制冷系统，蒸发器设置在冷冻间室，冷藏室通过风门导通和关闭实现制冷。

2.1.2 冷冻蒸发器设计

基于产品容积率，冷冻蒸发器采用两排（厚度50 mm）翅片蒸发器。参见图1，蒸发器管路可设计为顺排或插排结构，根据CFD 仿真计算，参见表2，两排管插排空气侧换热系数较两排管顺排提高11 %，换热效率更高。

图1 顺排/插排结构仿真模型

表2 不同类型两排蒸发器换热量对比

根据上述理论计算结果，在BCD-405 W 整机进行斜插蒸发器和扭角拉胀蒸发器性能对比验证。参见表3，扭角拉胀蒸发器在稳态能耗表现更优，但化霜增量较大，标准耗电量两种类型蒸发器基本相当。从成本角度考虑，冷冻蒸发器设计方案为斜插式蒸发器。

表3 不同类型两排蒸发器整机性能对比

2.1.3 冷凝器设计

若冷冻间室温度按照-20 ℃，箱体发泡料K 值19.2 mW/m.℃核算，冷冻两侧发泡层厚度至少达到55 mm 才能确保在32 ℃ / 85 % RH 条件下冷冻两侧不出现凝露现象。参见表1 所示BCD-405 W 箱体冷冻室两侧发泡层厚度仅为45 mm，因此在不设置VIP 板条件下，冷冻室两侧需采取防凝露措施。

风冷冰箱冷凝器常规设计方案可分为内置式冷凝器和外置式冷凝器。外置式冷凝器设置在冰箱外部，通过风扇强制对流实现冷凝器散热，散热效果好，由于增加冷凝风扇以及冷凝器结构复杂，导致成本较高。内置式冷凝器通常设置在箱体两侧箱壳上，冰箱运行过程中由于冷凝器温度高于环境温度，增加箱体热负荷，但其结构简单，成本低，同时可解决冷冻室两侧因泡层薄导致的凝露问题。综合以上因素，冷凝器设计方案为内置式冷凝器。

2.2 冷藏回风风道设计

常规单系统风冷冰箱冷藏回风风道设置在冷冻室后背发泡层内，回风距离最短，回风效率高。参见表1 所示，BCD-405 W 箱体冷冻后背发泡层厚度仅55 mm，不能满足后背式冷藏回风风道布局要求。因此为保证冷藏回风均匀性和可靠性，提升风道效率，在箱体两侧设置冷藏回风风道，参见图2 所示。

图2 两侧回风方式

图3 两侧回风方式换热量仿真云图

通过两侧回风风道局部优化设计和改进，根据CFD仿真计算，两侧式回风效率和回风均匀性更优于后背式回风结构。

2.3 化霜水管设计

风冷冰箱翅片蒸发器需要周期性除霜，其化霜水通过排水管引出箱体外部，因此排水管是冰箱内、外部连通通道。考虑排水管倒吸异常噪音、排水通常性，常规排水管为“敞开式”设计，即蒸发器室通过排水管与外界可以自由连通。

对于本载体单循环冷藏冷冻风冷冰箱，当冷藏冷冻同时制冷时，由于蒸发器室内水管口位于风扇进风端为负压，外界空气通过排水管进入蒸发器室内，水管内部温度达到环境温度，经蒸发器冷却后送到冷藏室和冷冻室。由于冷藏室内的冷空气为正压，冷藏室内的冷空气通过门封与箱体的搭接面排到箱体外部，构成箱体内、外部空气大循环，额外增加冰箱热负荷。当冷冻室单独制冷时，由于蒸发器室内的水管口和冷藏回风口均位于风扇进风端为负压，外界空气通过排水管和冷藏门封与箱体的搭接面进入蒸发器室内，最终通过冷冻门封与箱体的搭接面排到箱体外部，构成箱体内、外部空气大循环，同样增加冰箱热负荷。因此因排水管的自由连通导致冰箱热负荷增加，增大能耗。

参见图4 所示，排水管设计“U”型槽结构，且水管口竖直高度高于“U”型槽最高面，使部分化霜水储存在水管内，实现水管水封，杜绝外界空气通过水管进入箱内，从而减小冰箱热负荷和结霜量。当排水管经水封后，水管内部温度基本维持恒定，无内外空气交换，根据整机对比测试结果，水管水封较普通水管耗电量降低约3 %。

图4 U 型水管结构示意图

3 整机性能验证

通过上述技术方案应用，同时搭载高效变频压缩机（COP 值为 2.03），通过变频压缩机转速和变频风机转速与制冷系统的动态匹配，按照GB/T 8059-2016 家用和类似用途制冷器具[3]测试方法，BCD-405 W 风冷冰箱标准耗电量实测值0.737 kWh/24 h，实测能效指数为23.5 %，满足GB 12021.2-2015 一级能效要求，节能技术方案具有实用性和可推广性，成本大幅度降低，产品已实现上市。

4 结论

1）依托薄壁化泡层设计，实现载体冰箱容积率达到55.5 %；

2）通过单循环制冷系统以及蒸发器和冷凝器优化设计，达到制冷系统成本和性能综合最优化要求；

3）通过化霜水管水封设计和应用，耗电量降低3 %。

同时搭载高效变频压缩机和变频控制规则优化，薄壁冰箱不使用VIP 板条件下，实现了国标一级能效，整机成本得到大幅度降低。