风冷冰箱冷冻能力检测技术和方法研究

张民增 蒋庆凯 邢 龙 王艳飞

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室 珠海 519070）

引言

风冷冰箱由于采用无霜系统，无需手动除霜，且温度控制精准，成为了越来越多家庭购买冰箱的首选，而冷冻能力作为衡量一个风冷冰箱综合性能的重要参数，也越来越受到人们的重视。但是如果冰箱容积大，但是冷冻能力偏小，就容易引起顾客怀疑其是否偷工减料，性能上有缺陷，因此有必要对影响风冷冰箱冷冻能力的关键因素进行研究，使得其冷冻能力与实际容积相匹配。

揭辉霞等[1]对老国标冷冻能力实验进行研究，指出风冷冰箱最热位置为靠近门框处，最冷位置为靠近风道出风口处；冷冻负载应错开放置；实验需要经验丰富人员操作，否则很容易失败。

GBT/ 8059标准发布之后，吴晓丽等[2]对新版电冰箱性能标准进行了解读，指出冷冻能力试验和老国标相比，有了巨大变化，主要为冷冻负载计算方式发生改变，实验起始条件加严，冷冻能力单位由kg/24 h改为kg/12 h，整体要求变得更加严格。

屠建祥[3]等通过计算指出，当食品对流换热系数一定时，减少食品厚度和降低介质温度是缩短冻结时间很有效的途径。

尽管业内同仁已有一定研究，但是对于影响风冷冰箱冷冻能力大小的关键因素，以及如何借用这些因素，提升冷冻能力，目前相关研究较少，无可参考的对象，本文从新国标冷冻能力测试方法出发，在相关载体上研究对冷冻能力影响较大的关键因素，并提出相应的方案来提升风冷冰箱冷冻能力，丰富冷冻能力实验的测试经验，提高产品竞争力。

1 主要影响因素分析与验证

GB/T 8059-2016中冷冻能力计算公式如下：

式中：

Mi—冷冻负载重量，单位为千克（kg）；

△t—冷冻时间，单位为时（h）。

冷冻负载重量为所有用来评价是否为“三四星级”室的间室容积（不包括“二星级”部分）即3.5 kg/100 L，近似到0.5 kg，最低不得低于2 kg。冷冻时间指从投入负载开始到所有冷冻负载M包算数平均值降到-18 ℃所需时间。

从计算公式可以看出，风冷冰箱冷冻能力值的大小与冷冻负载重量和冷冻负载冷冻时间有关，与冷冻负载重量成正比，与冷冻负载冷冻时间成反比，同一款冰箱，容积固定，冷冻负载重量根据国标要求计算，也无法更改。因此，影响风冷冰箱冷冻能力值大小主要由冷冻时间决定。

通过对标准要求进行解读和查阅相关资料，发现影响风冷冰箱冷冻负载冷冻时间的主要因素为冷冻负载位置的选择、冷冻负载包堆厚度、冷冻负载降温过程中化霜时间三个方面，下面以具体样机为载体，对这三个方面分别进行分析。

1.1 样品详情和实验方法

研究载体为某全风冷变频法式四门冰箱，其结构是上冷藏室下冷冻室，中间为三档变温室，冷藏和冷冻室分别能够独立控制温度，样机整体如图1所示，样机带有快速冷冻（以下简称速冻）功能，开启速冻功能后遇到化霜需求，正常执行化霜，标称冷冻能力为3 kg/12 h。

实验室采用符合国标试验要求的冰箱性能实验室，主要测量仪器采用日本横河，冷冻室温度采用50 mm*100 mm*100 mm，几何中心带有感温探头的M包进行测量，严格按照GB/T 8059-2016《家用和类似用途制冷器具》中的冷冻能力试验要求进行测试，每次测试开始前，样机均在25 ℃环温中晾箱24 h，确保样机状态统一。

检测方法未优化前的冷冻负载放置方案如图1所示，所测得的相关测试数据如表1所示。

表1 原始状态冷冻能力测试数据

1.2 冷冻负载位置的选择

冷冻能力实验是在储藏温度实验的基础上进行的，通过减少冷冻室实验包的数量来给冷冻负载预留位置，冷冻负载位置的选择并不是无序和随机的，其遵循一定的规律。

为了探究不同的冷冻负载位置的选择对风冷冰箱冷冻能力的影响，对研究载体进行了四次对比测试，冷冻负载位置依次为冷冻负载全部远离风口、冷冻负载两堆远离风口、冷冻负载一堆远离风口、冷冻负载全部贴近风口，四次测试仅冷冻负载位置不一致，分别命名为方案A～方案D，其余均保持不变，测试结果如图2所示。

分析图2可知，冷冻负载位置的选择与冷冻负载冷冻时间有直接的关系。负载越接近风口，冷冻时间越短，测得的冷冻能力值越大。故在设计冷冻负载放置方案图时，应充分考虑冷冻负载位置，尽量使其贴近冷冻出风口。

1.3 冷冻负载包堆的平均厚度

屠建祥[3]等通过计算指出，在介质温度和对流换热速度不变的情况下，减少食品厚度是缩短冻结时间很有效的途径。在冷冻能力实验中，针对实验包的规格与投入前的温度，国标均有严格的要求，因此要想降低冷冻时间，需要对冷冻负载包堆厚度进行控制。

为了研究不同的冷冻负载厚度对实验样机冷冻时间的影响，对实验样机开展了对比实验。实验样机总的冷冻负载重量为4.5 kg，共9个冷冻负载包，根据国标冷冻能力实验规定的冷冻负载需均匀分布，每块冷冻负载占用不超过3块压仓负载的要求，结合样机实际的冷冻室尺寸，采用以下3种代表性的放包方式进行对比：3+3+3，3+2+2+2，2+2+2+2+1，分别命名为方案1、方案2、方案3，对应的冷冻负载平均厚度分别为15 cm、11.25 cm、9 cm（新国标要求的实验包尺寸为100 cm×100 cm×50 cm）以这三种不同的分配方式进行三次测试，同时为了确保数据具有对比性，所有冷冻负载均放置在同样的、最接近风口的位置。

测试结果如图3，分析数据可知，冷冻负载包堆平均厚度与冷冻时间有着直接关系，是一个重要影响因素，根据冷冻室尺寸和冷冻负载重量合理增加冷冻负载包堆个数，降低冷冻负载包堆平均厚度可有效提升冷冻能力。

1.4 冷冻负载降温过程中的化霜时间

风冷冰箱与直冷冰箱最大的区别就是风冷冰箱运行中会有化霜及恢复期出现，并且能够自动处理化霜水。为了高效除霜，制冷系统在化霜期间通常是不工作的，若冷冻负载降温过程中遇到化霜，冷冻室内温度必然升高，会对冷冻负载降温速度造成影响，若化霜多于一次，甚至可能会造成实验失败。

为了确认化霜时间长短对冷冻负载降温时间的影响，设计了四种测试方案，分别为冷冻负载降至-18 ℃过程中无化霜与固定化霜10 min、固定化霜20 min、固定化霜30 min，测试方案与原始方案保持一致。

观察测试结果图4可以发现，冷冻负载降温过程中的化霜持续时间对于冷冻负载冷冻时间有着较大的影响，因此冷冻能力试验测试时应尽可能确保避开化霜。

2 检测方法优化

通过分析可知，在冷冻室容积固定不变的情况下，若要增加冷冻能力，只能从缩短冷冻时间入手，而在实验室测试环境中，在不改变产品结构的前提下，要缩短冷冻时间，可以从改良测试手法方面入手。

1）冷冻负载应全部放置在最接近冷冻室出风口位置，促使负载热量能够被快速带走。冷冻室经由风扇吹出的冷风，在与冷冻负载接触后，通过热交换带走热量，最后通过回风口回到蒸发器，循环利用。故离风口越远，则分得的冷量越少，降温越慢，所以在设计测试方案图时，应充分考虑预留的位置是否为冰箱内部最接近风口的位置；

2）根据国标要求的每块冷冻负载占用不超过3块压仓负载的空间，以及目前大多数风冷冰箱的实际容积，每堆冷冻负载应维持在两块左右最为合适，最多不应超过3块，以增大冷冻负载换热面积，加速冷冻；

3）为了完全避开化霜，应在一个化霜及恢复期结束平稳后立刻投入负载，实验不应在样机已运行一段时间，即将开始化霜时刻进行，此时霜层已较厚，若此时投入负载，则会加速蒸发器结霜，降低制冷效率。带有速冻功能的样机，其程序的设定应使得速冻功能运行中，遇到化霜请求的，暂缓化霜，在速冻退出后，根据结霜情况，按需化霜。

根据以上三点，对样机测试手法进行了改进，冷冻负载放置方案图和改进前后冷冻能力对比如图5所示，冷冻能力提升了约50 %，有明显提升。

3 结论

本文通过对影响风冷冰箱冷冻能力关键因素进行分析，并设计对比方案进行实验验证，提出相应的改进措施，在不改变整体结构的前提下，将研究载体冰箱的实测冷冻能力由4.0 kg/12 h提升至6.1 kg/12 h，检测技术和方法符合国标要求，较大地增加了产品的竞争力，同时该研究成果也丰富了国标冷冻能力实验的测试方法，为研发人员设计出更具竞争力的产品提供了重要的参考依据。