解決環溫影響冰箱控溫方案的探討

朱裕君 麥豐收

ZHU Yujun MAI Fengshou

佛山通寶華通控制器有限公司 廣東佛山 528000

Foshan Tongbao Huatong Controller Co., LTD Foshan 528000

冰箱作為家庭日用電器，使用已經非常普及，但由于全球不同地區的氣候環境差異性很大，所以冰箱在設計時，需根據不同的氣候環境條件，設計不同的冰箱控溫技術參數，保證冰箱的正常運行。根據家用冰箱國際標準規定，分為4種類型：亞溫帶型（代號為SN，適宜的使用環境溫度為10℃～32℃）；溫帶型（代號為N，適宜的使用環境溫度為16℃～32℃）；亞熱帶型（代號為ST，適宜的使用環境溫度為18℃～38℃）；熱帶型（代號為T，適宜的使用環境溫度為18℃～43℃），從冰箱需要根據氣候環境溫度進行分類可以看出，環境溫度對于冰箱性能的影響是非常大的。

目前冰箱溫度控制的主流方法有兩種，一種是采用電子式溫控器進行控制，另外一種是采用機械式溫控器進行控制。采用電子式溫控器控制的冰箱外觀漂亮，功能較多，溫度控制準確，已經越來越受到推廣使用，逐漸成為主要的控制方法，但也由于電子元件復雜，在極端高溫低溫惡劣環境下，或電能供應不穩定的區域，容易發生故障，另外成本也比較高。采用機械式溫控器，由于其結構簡單，可靠性高，而且成本低廉，在未來一段時間內，仍然會有很大的市場，尤其在中低端制冷器具的市場，發展空間較大。但也由于其控制精度不高，只能滿足一般使用要求，對于高精度要求多門產品，使用受到限制。

機械式溫控器一般的控制精度可以達到+/-1.5℃，在控溫精度方面相對電子式較差，冰箱冷藏室溫度一般要求控制在2℃～5℃之間，箱內溫度波動范圍較小，如果感溫點直接放在箱體內控制箱內溫度，機械式溫控器的控制精度往往達不到要求，所以一般溫控器感溫點都布置在靠近冰箱蒸發器附近，通過控制蒸發器溫度來間接控制冰箱箱內溫度。目前主流的冰箱采用雙門結構，分冷藏室和冷凍室，溫控器本體部分一般裝在冷藏室內，感溫毛細管通過管道插入靠近蒸發器附近感溫，當溫度升高時，溫控器接通，壓縮機開始制冷，蒸發器和箱內溫度逐漸降低，直至達到溫控器設定的關機溫度，溫控器斷開，壓縮機停止制冷，在外部溫度影響下蒸發器和箱內溫度逐漸升高，直至升溫到溫控器設定的接通溫度，溫控器接通，壓縮機再次開始制冷，如此周而復始，使冰箱內溫度控制在設計范圍內。雙門直冷冰箱，一般只有一個溫控器控制冰箱冷藏室溫度，冷凍室的溫度通過設計分配蒸發器盤管的長度來分配制冷量，在控制冷藏室溫度的同時也間接控制了冷凍室的溫度。

本文針對普通的機械式溫控器受環境溫度的影響進行分析，并提出一種解決受環境溫度影響的方案。冰箱設計要求外部環境溫度一般在16℃～32℃時，冷藏室溫度控制在0℃以上，冷凍室溫度控制在-18℃以下，但通過控制蒸發器溫度來間接控制箱內溫度方式，當環境溫度改變時，箱內溫度會隨外部環境溫度的升高或降低而產生波動，對于制冷能力不足或者保溫能力不足的冰箱，甚至會出現溫度超出范圍的不良情況，典型的市場不良反饋是冰箱冷藏室嚴重結冰或者冰箱溫度過高失去保鮮功能。

圖1 冰箱冷藏室溫度曲線

圖2 環境溫度16℃時冷藏室溫度和蒸發器溫度曲線

圖3環境溫度32℃時冷藏室溫度和蒸發器溫度曲線

圖1 為冰箱冷藏室比較典型的溫度曲線，圖中橫坐標為外部環境溫度的變化，縱坐標為冷藏室溫度的變化。正常情況下，當環境溫度固定時，冰箱運行平穩后，冷藏室溫度會固定在很小的范圍內波動，基本可以認為是恒定的，比如圖示環境溫度為16℃時，冷藏室溫度大約在5℃左右，隨著環境溫度的升高，如從16℃上升到32℃，冷藏室溫度會逐漸降低，直到冰箱箱體散熱和壓縮機制冷能力達到平衡，冰箱達到可獲得的最低溫度，圖示環境溫度大概在31℃左右，冰箱冷藏室溫度達到最低，然后隨著環境溫度的升高，由于冰箱箱體的散熱大于壓縮機的制冷能力，冷藏室溫度由降低變為升高。冰箱的這種特性，在通過控制壓縮機開停來控制箱內溫度的產品上普遍存在，產生的原因主要是在不同環境溫度時，壓縮機運行制冷的時間不同造成的。壓縮機運行的時間與箱體向外部環境散熱的快慢有關，低溫環境時散熱慢制冷時間短，高溫環境時散熱快制冷時間長。為了更好的說明這種特性，下文分別說明冰箱在環境溫度16℃和32℃兩種環境時的運行情況。

圖2為冰箱處于環境溫度16℃時，冷藏室溫度和蒸發器溫度曲線。圖中橫坐標為時間，縱坐標為溫度，上面一條實線曲線為冷藏室內的溫度，下面一條實線波動折線為蒸發器的溫度，溫控器感溫度點放置在靠近蒸發器的附近，可以視為和蒸發器溫度一致，溫控器設定開機溫度為5℃，關機溫度為-30℃，中間兩條虛線為冷藏室溫度控制的目標范圍2℃和5℃。冰箱性能設計一般要求在正常環境溫度25℃下，冷藏室內溫度控制在目標范圍2℃～5℃之間。如圖2所示，當環境溫度在16℃時，環境溫度較低，冰箱運行后箱體內溫度和環境溫度相差較小，箱體散熱慢，蒸發器溫度降到溫控器設定的停機溫度-30℃的時間較短，可能小于30分鐘，停機后升到溫控器開機溫度5℃的時間較長，可能大于30分鐘，由于獲得的制冷時間相對較短，累積多次循環系統穩定后，冷藏室溫度最終會處于上差5℃左右，甚至有時出現高于5℃的情況，使冰箱溫度太高而失去保鮮功能。

圖3為冰箱處于環境溫度32℃時，冷藏室溫度和蒸發器溫度曲線。當環境溫度在32℃時，環境溫度比較高，冰箱運行后箱體內溫度和環境溫度相差較大，箱體散熱較快，蒸發器溫度降到溫控器設定的停機溫度-30℃時間較長，可能大于60分鐘，停機后升到溫控器設定的開機溫度5℃的時間較短，可能小于30分鐘，由于獲得的制冷周期相對較長，累積多次循環系統穩定后，冷藏室溫度會逐漸低于設計希望達到的2℃，甚至會低于0℃而導致結冰嚴重。

綜合上述情況，采用一般的普通機械式溫控器，存在以下問題：

（1）當環境溫度較低時，冷藏室溫度過高，冰箱失去保鮮功能；

（2）當環境溫度較高時，冷藏室溫度過低，甚至出現結冰問題，同時能耗增加。

針對此類問題，我司開發了一種帶有兩個感溫探頭的溫控器，可以有效消除環境溫度的影響，如圖4所示。兩個感溫系統同時控制一個開關，感溫點一安裝在蒸發器附近，控制壓縮機接通；感溫點二安裝在冷藏箱內，控制壓縮機斷開。在升溫周期，感溫點一沒有升到開機溫度前，即使感溫點二達到開機溫度，開關也不接通，直到感溫點一升到開機溫度，開關才接通。在降溫周期，感溫點二沒有降到關機溫度前，即使感溫點一達到關機溫度，開關也不斷開，直到感溫點二降到關機溫度，開關才斷開。通過兩個感溫點的控制，可以有效消除環境溫度的影響。下面為采用此種溫控器后的冰箱的性能分析。

圖5為采用雙感溫探頭溫控器冰箱在環境溫度16℃時的曲線，感溫點一安裝在蒸發器附近，控制溫控器接通，接通溫度設定為5℃，感溫點二安裝在冷藏室內，控制關機，關機溫度設定為2℃。在第一次制冷周期，蒸發器溫度逐漸下降，冷藏室溫度也逐漸下降，直到冷藏室溫度達到置于冷藏室的感溫點二斷開溫度2℃才斷開，隨后蒸發器升溫，達到置于蒸發器感溫點一的設定溫度5℃后溫控器接通，然后壓縮機又開始運行制冷。由于環境溫度較低，箱體散熱較慢，第二個制冷周期蒸發器溫度比第一個制冷周期的溫度高一點即可使冷藏室溫度達到斷開溫度2℃，后續的運行周期蒸發器溫度逐漸升高，最后達到穩定狀態，但冷藏室溫度一直穩定控制在2℃～5℃之間。此種方式控制系統，第一次制冷周期，冷藏室溫度即可以達到目標范圍2℃～5℃，而普通的機械式溫控器，需要系統穩定后才能達到目標范圍溫度。

圖6為雙感溫探頭溫控器冰箱在32℃環境溫度時的溫度曲線，制冷控制過程和在16℃環境溫度時的控制過程一樣，只是由于環境溫度較高，箱體散熱較快，相對于在16℃環境溫度時的溫度曲線，其制冷的時間更長，波動的頻率要緩慢，冷藏室也是在第一個制冷周期就可以穩定在目標范圍2℃～5℃。

圖4 一種帶有兩個感溫探頭的溫控器

圖5 采用雙感溫探頭溫控器冰箱在環境溫度16℃時的曲線

圖6 采用雙感溫探頭溫控器冰箱在環境溫度32℃時的曲線

綜合以上分析，采用雙感溫探頭溫控器的優點有：

（1）可以消除環境溫度對冰箱溫度控制的影響，能夠準確的控制冷藏室溫度在設計范圍內，避免了箱內溫度過低結冰和溫度過高的問題。

（2）在高溫環境使用時，蒸發器溫度逐步升高直至穩定，在避免冷藏室溫度過低的同時，達到節能的效果。

（3）設計時由于不用考慮溫控器斷開溫度與壓縮機最大制冷能力的安全余量，可以用較小的壓縮機或者用較小面積的蒸發器，降低了成本。