冰箱超小型外置冷凝模塊設(shè)計及性能研究

鄧萍萍 崔培培 劉全義 馬長州

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230000）

引言

隨著消費升級的發(fā)展，冰箱逐漸成為現(xiàn)代人類生活中不可或缺的重要部分。自2018年開始，用戶對大容積風冷冰箱的關(guān)注度越來越高，以往普通的三門冰箱顯然已經(jīng)不能滿足人民日益增長的物質(zhì)需求，大容積已然成為當下冰箱產(chǎn)品的標配，如何有效提升冰箱容積率成為冰箱設(shè)計中一個關(guān)鍵問題。針對這一問題，VIP板優(yōu)化設(shè)計、保溫層分布優(yōu)化設(shè)計等薄壁技術(shù)應(yīng)運而生[1]，但過度減薄箱體發(fā)泡層厚度會引發(fā)冰箱保溫性能變差、箱體表面凝露等問題，在保證冰箱保溫性能的基礎(chǔ)上箱體薄壁化、壓縮機倉小型化，是未來實現(xiàn)超大容積率的主要途徑。冰箱壓縮機倉在行業(yè)中一般均為標準化尺寸221 mm（深）*236 mm（高），同時壓縮機倉內(nèi)的冷凝模塊總尺寸過大[2]，這一部分容積無法為用戶所使用，造成冰箱容積率較低，不能很好地滿足用戶的使用需求?，F(xiàn)有研究主要圍繞冰箱大尺寸外置冷凝模塊的散熱智能算法、選型分析、風量與換熱量耦合等[3-5]，涉及到超小型冷凝模塊的換熱性能研究很少，根據(jù)用戶日益增長的大容積率需求，研究小壓縮機倉下外置冷凝模塊的換熱性能顯得尤為必要。

基于以上問題，以一款400 L風冷冰箱為研究載體，設(shè)計出一種具有最佳性價比的超小型外置冷凝模塊，且該模塊滿足170 mm（深）*200 mm（高）的壓縮機倉尺寸要求，實現(xiàn)風冷冰箱大容積率設(shè)計，同時換熱性能滿足400 L載體冰箱性能要求。

1 冷凝模塊系統(tǒng)方案

以BCD-406 W薄壁風冷冰箱為研究載體，壓縮機倉尺寸為595 mm（寬）*170 mm（深）*200 mm（高），采用盒式風機（直徑110 mm）+新設(shè)計風機支架+微通道冷凝器+新結(jié)構(gòu)接水盤+蒸發(fā)管，配合側(cè)幫與后背進、出風道，創(chuàng)新設(shè)計出超小型外置冷凝換熱模塊，新冷凝模塊的換熱性能滿足400 L載體冰箱性能要求。

1.1 冷凝模塊選型

冷凝模塊結(jié)構(gòu)主要由冷凝風機、冷凝器、蒸發(fā)管和接水盤等組成，如圖1所示。本方案選用的冷凝風機為125*125小尺寸盒式風機，額定轉(zhuǎn)速均為1750RPM。通過風量測試臺測試結(jié)果表明，小尺寸盒式風機轉(zhuǎn)速為目前行業(yè)中廣泛應(yīng)用的150*150一體式冷凝風機轉(zhuǎn)速的1.7～1.8倍時，風量相當，滿足小尺寸、低噪音、大風量的設(shè)計要求。冷凝器設(shè)計選型主要依托仿真軟件，設(shè)計出外形尺寸為140 mm（長）*140 mm（高）*25.4 mm（厚）的微通道冷凝器，其中每英寸翅片數(shù)量由理論計算得出的換熱量確定，考慮實際使用過程中翅片密度大會導致積灰影響換熱等問題，本項目方案選用每英寸翅片數(shù)量為8個的微通道冷凝器設(shè)計方案。接水盤實現(xiàn)大容積率創(chuàng)新設(shè)計，改變原有風機裝配方式，同時減小冷凝器底座占據(jù)空間，新方案接水盤容積能做到1.47 L，容積率高達79 %。

圖1 冷凝模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 冷凝風循環(huán)設(shè)計

基于壓縮機倉小型化設(shè)計條件，選用的盒式風機風量較我司常規(guī)冷凝風機偏小，為確保該款超小型冷凝模塊滿足400 L載體冰箱性能要求，采用冰箱載體側(cè)幫與壓縮機后蓋板均開孔的組合設(shè)計方案，提升風道效果，確保技術(shù)方案的可行性，冷凝風循環(huán)圖詳見圖2。冰箱壓縮機倉風循環(huán)方案主要包括低溫氣流從冰箱右側(cè)和冰箱背部右面進入壓縮機倉，高溫氣流由冰箱左側(cè)和冰箱背部左面排出。

圖2 冷凝風循環(huán)圖

2 性能驗證分析

2.1 整機能耗

根據(jù)新國標GB 12021.2-2015的能效測試要求，分別在（16±0.5）℃和（32±0.5）℃兩種環(huán)溫下進行耗電量試驗，測得的冰箱穩(wěn)態(tài)時的整機能耗對比結(jié)果見表1。在同等熱負荷條件下，壓縮機倉越小對應(yīng)的冷凝模塊尺寸越小，要達到與原型機同樣的性能，則要求冷凝模塊單位體積下的換熱性能及換熱效率提升。由表1可以看出，當壓縮機倉變小并使用超小型冷凝模塊方案后，16℃耗電量測試條件下可通過調(diào)整壓縮機和風扇轉(zhuǎn)速達到比原型機節(jié)能，32℃穩(wěn)態(tài)耗電量略微增加，標準能效指數(shù)與原型機的標準能效指數(shù)相當，均滿足一級能效。同時使用小尺寸壓縮機倉后冷凍室容積可增加約為6 L，冰箱整機的容積率提升1.5 %。

表1 冷凝模塊系統(tǒng)方案對比測試結(jié)果

2.2 接水盤溢水實驗

現(xiàn)有風冷冰箱的化霜水存放于冰箱壓縮機倉室內(nèi)的接水盤內(nèi)，接水盤內(nèi)存放的化霜水蒸發(fā)速度需要大于化霜水排放速度，以保證接水盤內(nèi)的化霜水不會逐漸積累增多而導致溢出接水盤；接水盤化霜水蒸發(fā)能力與接水盤的表面積、連接管散熱能力、接水盤容積、冰箱化霜周期等悉悉相關(guān)。從市場上用戶投訴信息收集分析，冰箱接水盤時常會出現(xiàn)化霜水無法及時蒸發(fā)而導致的蒸發(fā)水從接水盤中溢出的現(xiàn)象，發(fā)生該現(xiàn)象的原因與冰箱壓縮機倉內(nèi)接水盤化霜水蒸發(fā)能力不足以保證化霜水及時蒸發(fā)有關(guān)，最終化霜水過多，從接水盤中溢出，引起用戶的投訴。對于風冷冰箱而言，在冰箱開關(guān)門條件下，室外高溫高濕的空氣進入冰箱內(nèi)引起結(jié)霜量變大，化霜水較多，確保接水盤在運行時不溢水顯得尤為重要。表2為測得的冰箱在開關(guān)門過程中的接水盤內(nèi)水量結(jié)果。

由表2可以看出，超小型冷凝模塊方案的接水盤在冰箱開關(guān)門過程中均未出現(xiàn)水溢出現(xiàn)象，滿足整機可靠性要求。

表2 接水盤水量結(jié)果

2.3 冷凝模塊噪音

對于風冷變頻冰箱而言，風扇是冰箱噪音生成的一個重要來源，同時風機、冷凝器的安裝方式與壓縮機倉管路設(shè)計都能在一定程度上影響整機的噪音值。超小型冷凝模塊方案通過優(yōu)化管路設(shè)計減弱箱體共振、優(yōu)化風扇轉(zhuǎn)速和壓縮機轉(zhuǎn)速等降噪方式，根據(jù)冰箱整機噪聲測試方法得到不同冷凝風扇轉(zhuǎn)速下超小型冷凝模塊的噪音結(jié)果見表3。從表3可以看出，超小型冷凝模塊的噪音均小于39 dB（A），滿足方案設(shè)計要求。

表3 冷凝模塊噪聲值

3 結(jié)論

對于風冷變頻冰箱產(chǎn)品，采用超小型冷凝模塊可使得冷凍間室容積增大，同時也能增大冰箱容積率，提升產(chǎn)品競爭力。本文設(shè)計出的超小型冷凝模塊，通過對比分析原型機外置冷凝模塊與超小型冷凝模塊的換熱性能，完成冰箱整機能耗、接水盤溢水實驗、噪聲等試驗驗證。根據(jù)驗證結(jié)果可知，超小型冷凝模塊方案的冰箱載體各項主要性能均合格，可作為實現(xiàn)冰箱容積率提升、同時整機性能不降低的主要實現(xiàn)途徑之一。