雙箱頂開門冷柜中梁結霜解決方案

李恒國

（河南新飛電器有限公司，河南省新鄉市 453002）

0 引言

冷柜即臥式冷藏冷凍箱作為一種專門用于儲存各種需要冷凍或冷藏食品的儲藏工具，被商用消費者及家庭廣泛地使用。近幾年來，用戶對于冷柜（如圖一）（即：箱體內部分為兩個室：冷凍室與冷藏室，上部分別有發泡門體的雙箱頂開門冷柜），因其使用方便、性價比高而需求量逐年遞增，由于結構的原因，在一些地區用戶對“該產品兩門之間與箱體口框中梁處產生結霜及結冰現象”的投訴也逐年增加，并且國內各冷柜廠家的類似產品都有此現象。為此，本著提高冷柜整機質量及技術水平，對此類現象予以重視，并加以研究及解決。

圖1 雙箱頂開門冷柜

1 中梁結霜產生的原因

已有研究表明[1]，在各種低溫、制冷系統中，結霜是一種非常普遍的現象。當空氣中的水蒸氣接觸到溫度低于空氣露點溫度的表面時，就會發生相變結霜現象。由于濕空氣中的水蒸氣不斷發生冷凝，液態水珠的體積是隨時間不斷增長。文獻[1-2]介紹，冷面溫度是影響霜晶形狀的主要因素，隨著冷面溫度的降低，霜晶依次呈現無規則狀、片狀、針柱狀和羽毛狀；空氣的相對濕度也在一定程度上影響著霜晶形狀，空氣的相對濕度越高，越容易出現如羽毛狀這樣復雜的霜晶。文獻[3]研究表明，冷面溫度是影響水珠凍結的主要因素，穩定溫度高于-4℃的冷面上水珠一直處于過冷狀態；穩定溫度介于-4℃和-12℃之間的冷面上，水珠在冷面溫度達到穩定后仍可持續一段過冷態；穩定溫度低于-12℃的冷面，過冷水珠在冷面還未達到穩定溫度前就發生凍結。

在我國沿海地區的冬天，受海洋氣候的影響，低溫高濕，部分家庭沒有安裝暖氣，冬天擺放冷柜的位置環境溫度低于國標規定的16℃，一般在10℃～12℃，特別是煙臺、威海、青島、秦皇島等沿海地區此類現象產生較多。從網上查找青島、威海、煙臺2012 年11 月份的相對濕度見表1。

隨著國家家電下鄉政策的推出，要求下鄉產品要適合SN、N、ST 寬氣候類型，國標GB 8059[4]規定，SN 氣候類型使用環境溫度為10℃～32℃，在環境溫度為10℃，相對濕度為70%、80%、90%時的露點溫度分別為4.8℃、6.7℃、8.4℃，為了保證中梁不結露、不結冰，中梁表面溫度必須大于露點溫度。

表1 青島、威海、煙臺2012 年11 月份相對濕度表

本文主要通過實驗分析，尋找解決雙箱冷柜中梁結霜的方案，本文所實驗用冷柜型號為BCD (W)-159 臥式冷藏冷凍箱。

首先，通過詳細拆分此種冷柜，國內同行同類產品在設計上都存在一定的共性：

1)冷藏室與冷凍室為發泡隔開的雙箱冷柜（冷凍室溫度為-18℃以下，冷藏室溫度為-9℃～9℃之間），受成本、中梁結構、中梁位置的限制，中梁寬度在55 mm～60 mm；

2)為了美觀，兩門之間間隙較小，通常為4 mm～8 mm，兩門封間隙在10 mm～15 mm 左右；

3)冷凍、冷藏蒸發器鋁板到中梁頂面位置尺寸在20 mm～ 35 mm。（中梁部位結構見圖2）。

圖2 雙箱冷柜中梁局部示意圖

通過以上分析：①由于蒸發器鋁板到冷柜中梁頂面的距離較小，冷凍室冷量隨著冷柜內壁鋁板直接傳遞到中梁處，形成冷面，導致中梁頂面溫度低于0℃；②兩門堵頭之間、兩門封之間間隙小，空氣不對流，加上環境溫度低，使冷氣長時間滯留在兩門之間，加速冷面的形成，造成凝露及結冰；③門封與中梁接觸不好，造成密封不嚴，導致冷氣外泄，使冷面的溫度更低，形成凝露及結冰；④門封隔熱性能不好，冷氣通過門封腔體傳遞到外側，形成凝露及結冰。而且，此現象會隨著用戶長時間不打開冷柜門體而加劇霜層的堆積。

通過模擬用戶使用環境（10℃環溫，70%的濕度），對三相同型號不同廠家的樣機進行惡劣條件下的測試，從冷柜通電到中梁表面溫度低于0℃大約需要2 h，如果用戶長期不開門，最低溫度可達-5℃～-10℃，在中梁表面形成霜層、甚至結冰。試驗數據見表2

表2 傳統臥式冷藏冷凍箱中梁表面溫度

2 中梁結霜解決方案

2.1 實驗設備及裝置

實驗所采用的實驗設備及裝置為：冰箱性能實驗室、計算機溫度采集及分析系統、M 實驗包、銅圓柱測溫點、標準測溫點等。

實驗方法：將采用各種方法做好的樣機置于冰箱性能實驗室中，環境溫度調整到需求的溫度即10℃和25℃，在冷凍室布M 實驗包，冷藏室布銅圓柱測溫點，在中梁、排氣管位置布標準測溫點（見圖3），將冷柜通上電源，調整溫控器檔位，保證冷凍室M 實驗包最高溫度≤-18℃，冷藏室溫度在國標規定的范圍即-9℃～9℃，且連續工作6 個小時并處于穩定狀態，用計算機溫度采集及分析系統記錄穩定后連續工作的溫度數據及曲線。

圖3 實驗包及測溫點布點圖

融霜的方法有很多種，如自然融霜、電加熱融霜、熱氣融霜和飽和蒸汽融霜等[1]。這些方法一般采用以下控制手段來實現：定時除霜法、時間-溫度(壓力)法、最佳除霜時間控制法、自適應模糊控制除霜法。文獻[5]研究表明，在霜層生長過程中，表面溫度隨時間和空間位置發生變化。文獻中雖然介紹了融霜方法及霜層生長原理，但對冷柜解決中梁結霜沒有做研究，目前市場銷售的冷柜多數中梁存在此問題，通過本文研究優化，使冷柜產品此問題得到解決，給消費者帶來使用便利。

2.2 自然融霜，加大中梁與環境對流間隙

1)加大兩門體堵頭間隙A，由8 mm 加大到12 mm，門封間隙B 不變；

2)加大門封間隙B，由10 mm 增加到20 mm，兩門體堵頭間隙A 不變（間隙不易過大，以免影響整機美觀）；

3)同時增加兩門體堵頭間隙A 為12 mm 和門封間隙B 為20 mm。

通過試驗，加大兩門體堵頭間隙A、門封間隙B能起到一定的效果，但中梁表面的溫度仍處于0℃以下，低于露點溫度，中梁仍會結霜。（詳見表3、圖4）這樣不能徹底解決中梁上表面結霜的問題。

表3 環境溫度為10℃時中梁表面溫度

圖4 環境溫度為10℃時沒有加熱溫度變化曲線

為此，應從提高中梁表面溫度入手，使中梁表面溫度大于凝露點，抵消箱體內部冷量由中梁結構件傳遞到中梁上表面，形成的冷面，進而消除由于溫度低，引起空氣中的水分凝結成霜的因素著手，徹底解決中梁結霜。

2.3 采用冷凝器加熱融霜、提高中梁表面溫度

冰箱箱門的兩側、橫梁、中梁由于直接受箱體內部冷氣的作用，在它們的表面容易產生凝露現象[6]；根據制冷系統循環回路，冷凝管放熱的特點，將冷凝管其中部份管路通過這些部位，這部份管路就稱為防露管，利用防露管發出的熱量.減少箱體與外界環境的溫差，就可以減輕和消除冰箱外表的凝露。

本實驗是在產品的冷凝系統管路中增加一段回路，使其貼附到中梁的內壁（也可以單獨增加防露管，但成本增加較大），將部分熱量傳遞到中梁處，使中梁表面溫度大于凝露點，從而防止表面結霜(實驗曲線見圖5、圖6)。

由于制冷系統的改變，防露管對中梁的加熱不會隨環境溫度的變化而通、斷，任何環境下，只要壓縮機工作，中梁部位一直在加熱，在25℃環境溫度時，中梁處的防露管溫度大約在30℃，中梁外表面溫度隨壓縮機開停而變化，最高溫度高達26℃，此溫度同樣由中梁傳遞到箱體內部，使箱體內部溫度升高(實驗曲線見圖7)。

沒有增加防露管時，箱體內部溫度最高點在中間，即實驗包M3 點，最低在底部的M6 點(實驗曲線見圖8)，上下溫差2℃～3℃。增加防露管后，受中梁處的溫度影響，實驗包溫度最高點移到了M2或M5 點，上下溫差加大0.5℃，溫度波動隨壓縮機開停而加大，這樣，要想達到國標規定的M 實驗包最低溫度≤-18℃，就需要增加冷量，耗電量就會加大(實驗曲線見圖9)。

以159 L 雙箱冷柜為例做實驗，沒有增加防露管前，耗電量實測為0.59 kW·h/24h，可以標稱值為國家一級能效0.53 kW·h/24h 耗電量；中梁增加防露管后，實測為0.67 kW·h/24h，耗電量增大了0.08 kW·h/24h，即增大13.6%，只能達到國標的二級能效。

因此，此方案雖然能解決中梁結霜問題，但能耗增加，工藝復雜，同時成本增加較多，此方案不可取。

圖5 環境溫度為10℃時增加防露管溫度變化曲線

圖6 冷凝器示意圖

圖7 環境溫度為25℃時中梁增加防露管溫度變化曲線

圖8 環境溫度為25℃時冷凍室M1～6 布點溫度變化曲線

圖9 環境溫度為25℃時增加防露管冷凍室M1～6 布點溫度變化曲線

2.4 采用電加熱融霜、提高中梁表面溫度

在中梁內壁貼附一道電加熱（位置同防露管位置），并通過控制面板上的控制開關，當環境溫度較低（一般低于16℃時），且濕度較大，中梁表面有結霜、結冰現象時，用戶可打開電加熱加熱中梁，使中梁表面溫度達到8℃左右，從而防止表面結霜、結冰（實驗曲線見圖10）。

經過實驗，在中梁增加電加熱，不改變現有產品的制冷系統，中梁表面溫度低于環境溫度，使冷柜箱內溫度不受電加熱的溫度影響，對冷柜耗電量沒有額外的增加。

圖10 環境溫度為10℃時中梁增加電加熱溫度變化曲線

中梁加熱功率根據冷柜容積大小而定，一般在2 W～3W，環境溫度為10℃時中梁表面溫度控制在6℃～10℃（及相對濕度大于90%時的露點8.4℃），溫度過低起不到防凝露效果，而溫度高將增加冷柜能耗，可以通過實驗并考慮安全性確定功率。

根據資料介紹，塑料的使用溫度PE（最高80℃），PP（70℃左右，有高的到120℃），聚苯（PS長期使用60℃～80℃左右），而冷柜的中梁為塑料ABS 材料，采用電加熱裝置，必須保證其安全性，表面溫度不能過高，新飛企業標準規定其最高溫度限定為≤60℃。

實驗方法：將冷柜產品處于不制冷狀態下（即模擬冷柜制冷系統出現故障，出現不制冷狀態），環境溫度設定為43℃，電壓為242 V（即220V+10%V），連續工作至中梁溫度平衡后，再運行12 h，測得中梁溫度不得高于60℃，這樣才能保證產品的安全性，不會由于冷柜制冷系統問題，電加熱一直在加熱而引起失火、漏電等缺陷。試驗曲線見圖11。

圖11 中梁采用電加熱非正常可靠性實驗曲線圖

3 結論

加大兩門體之間、兩門封之間的間隙能起到一定的效果，但要徹底解決中梁結霜問題，必須采用加熱融霜，提高中梁溫度的方法，才能徹底解決中梁結霜。

采用防露管加熱融霜能解決中梁結霜，但對產品的性能、冷柜耗電量影響較大，同時，成本增加較多，此方案不可取。

解決雙頂開門冷柜中梁結霜問題的首選方案應為增加電加熱融霜，即對冷柜的性能、耗電量影響不大，成本也增加不多，不存在安全隱患。

[1]劉中良,黃玲艷,勾昱君等.結霜現象及抑霜技術的研究進展[J].制冷學報,2010,31(4):1-6,13.

[2]張秋芳,段遠源,曲凱陽等.水平冷表面上結霜發生隨機性研究[J].低溫工程,2003,(1):13-16.

[3]吳曉敏,許旺發,王維城等.冷面上過冷水珠凍結的實驗研究[J].工程熱物理學報,2005,26(1):104-106.

[4]GB/T 8059.2-1995.家用制冷器具——冷藏冷凍箱(ISO-8187)[S].

[5]趙蘭萍,徐烈,任世瑤等.冷壁面上結霜機理研究中的幾個問題[J].制冷學報,2000,(2):45-48.

[6]陳杰,佘偉堅,李俊松等.冰箱的凝露現象及防凝露設計[J].家用電器,2002,(3):16-17.