TMF冰箱寬幅變溫室的設計與實現

謝從虎 劉洪挺 程 璨 李志強 藍啟航

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510860）

引言

隨著人們生活水平的提高，風冷冰箱日漸受到消費者的青睞。風冷冰箱通過空氣強制對流的方式實現制冷功能，風量分配依靠風道內部結構，其分配均勻性影響著冰箱內部溫度場的均勻性，進而影響冰箱的耗電量及食品保鮮周期[1]。對單系統風冷冰箱產品而言，蒸發器優先放置在冷凍室內，必須先保證冷凍風道送風合理才能有效提高冷藏室送風效率，各間室的冷量分配也必須依靠冷凍風道的設計來完成[2]。

對于市面主流的雙門單系統冰箱而言，冰箱通常只有一個冷藏室和一個冷凍室，如果能加大這兩個間室的溫度控制范圍并實現獨立控溫，將大大增強用戶使用體驗。目前，針對風冷冰箱寬幅變溫的研究都集中在國內市場的主流產品，即上藏下凍型冰箱[3,4]。而上凍下藏型冰箱主要為歐美、非洲等地的主流產品，對這類冰箱的研究偏少。隨著我國冰箱行業海外市場的迅速發展，這部分研究亟待完善。本文以TMF冰箱冷凍風道為研究對象，對其應用雙風門設計，將風腔分成兩路獨立的支流，并采用數值仿真與實驗驗證相結合的方法，通過優化風道內部的幾何結構，從而優化各出風口風量分配及方向，實現冷藏室、冷凍室寬幅變溫功能，更好地滿足用戶的多種使用需求。

1 冷凍風道模型設計

本文研究對象為一款容積為422 L的上凍下藏型單系統風冷冰箱。為了迅速從單系統改型成擁有寬幅變溫的冷凍室/冷藏室，需在冷凍風道中引入電動風門，將風道內風腔分隔成兩路，一路直接對冷凍室進行制冷，另一路去往冷藏室。

由于TMF冰箱冷凍室容積較小，風道空間較為緊湊，在設計冷凍風道時，需結合離心風扇出風特性，采用改進后的離心風扇蝸殼型線繪制方法[5]繪制風扇附近的風腔。參考熱負荷計算結果，得出冷凍室/冷藏室的風量分配需求大約為5∶5。結合冷凍風道內電動風門的結構特性，利用電機端的結構凸起，調節去往冷凍室上端兩個出風口的風束通道面積，進一步平衡冷凍室風道上出風口的風量配比，得出原始設計方案A1，如圖1所示。

圖1 設計方案A1

冷凍風道組件分為前蓋板、后蓋板、風機組件、冷凍電動風門LDF及保溫棉五個部分。前蓋板上共有兩組主要出風口，為箱內提供冷氣，依次標記為LDL、LDR。后蓋板上有一個排水孔，也會有少量冷氣漏出，但不參與箱內制冷，標記為LDP。蓋板底部有去往冷藏室的出風口，標記為LCF。

2 冷凍風道速度場數值仿真及方案優化

為更加準確的對風道內空氣流動情況進行模擬，本文對冷凍室風道內的離心風扇運用MRF模型進行分析；采用RNG k-ε湍流模型以及可擴展壁面函數；對連續性方程、動量方程等的求解采用SIMPLE算法。對原始方案A1進行模型簡化，只保留參與計算的風腔，以提高計算效率。

本文在原始方案基礎上進行優化并做仿真分析對比。風機按圖示視角逆時針旋轉。冷凍室出風流量為經過冷凍電動風門的流量。冷藏室出風流量為LCF。

方案A1、A2、A3仿真結果如圖2所示。模型頂部為電動風門過風口。依據離心風機出風特性，風扇中心不與風門中心對齊。A1方案計算結果，冷凍/冷藏出風流量比約為7∶3，偏離熱負荷計算要求。因此加大去往冷藏的最小風口截面（增大58.3 %），同時調整電動風門風口與風扇中心的相對位置，將風門右移10 mm，得方案A2。A2的冷凍/冷藏出風流量比約為6∶4。需進一步加大去往冷藏室的最小風口面積（增大29.5 %），得A3方案，此時冷凍/冷藏出風流量比約為5∶5，滿足熱負荷計算結果。

圖2 方案A的幾何結構和仿真結果

完成冷凍及冷藏室的風量分配設計后，在A3方案頂部增加冷凍出風風腔及出風口，得到方案B1。對冷凍室左右出風情況分配進行仿真研究，方案B1、B2、B3的幾何結構和仿真結果如表1所示。為便于比較冷凍室內左右兩側風量，將出風風量折算成百分比。

表1 方案B的幾何結構和仿真結果

由方案B1風道內流線分布可知，風道左側流線整體密度明顯大于右側。對出風面速度矢量圖進行分析可知，LDL出風口流動明顯且速度偏大，LDR出風口處空氣流動偏少。左側出風流量占比54.89 %，右側出風流量占比45.11 %，左側的出風流量較右側整體偏大9.78 %。因此在方案B1設計中，即使采用風門電機來減小左側風腔通道的面積，也不足以彌補離心風扇出風特性帶來的左右風量不均問題，會存在左右兩側出風流量不均，從而影響間室內左右側溫度分布。

方案B2在方案B1的基礎上，改變風腔左右兩端形狀，采用斜面導風形式；在靠近LDL出風口處增加導流結構，繼續減小左側風腔通道面積，以平均兩側出風量。由風道內流線分布可知，風道左側流線密度較方案B1有較明顯的減少，右側流線密度增加明顯。由出風面速度矢量圖可知，左側出風口氣流橫向流動有所減弱，風向較方案B1有所改善，更多的氣流正面吹向間室，有效參與制冷。但右側風道右部出風方向并無太大改善，吹向間室右側壁，無法有效參與箱內制冷。左側出風流量占比52.29 %，右側出風流量占比47.71 %，左側的出風流量仍然較右側整體偏大4.58 %。方案B2仍然存在左右兩側出風流量不均的情況，但左側出風方向較方案B1有明顯優化。

方案B3在方案B2的基礎上，在風腔頂部內增加多處形狀各異的導流結構，進一步調整風量分配，改善出風方向。方案B3的風道內流線分布情況較方案B2，左右兩出風口內流線分配更為合理，密度相近。由出風面速度矢量圖可知，左右兩側風口的出風方向較B2方案有明顯的改善，氣流方向基本向前，速度相近，冷氣能有效參與間室內制冷。由出風流量對比可知，左右兩側流量差值縮小至0.46 %。方案B3基本滿足設計需求。

3 優化方案B3的循壞測試的實驗驗證

基于B3方案風道結構，制作了風道手板樣機以進行實驗驗證。風道裝配于冰箱整機上，進行25 ℃環溫下空載循環測試。為驗證左右兩側溫度均勻性，冷凍室內測溫點均左右對稱放置。測溫點選取冷凍室內F1-F9共計9個測溫點，分別位于箱內左右側的上部、中部和下部，具體位置如圖3所示。測試結果如表2所示。

圖3 測點放置示意圖（W、D、H分別代表間室的寬、深、高）

表2 方案B3空載循環測試結果

表2中方案B3冷凍室測點F1-F9的均溫為-17.68 ℃，左右兩側溫差僅為0.18 ℃，風道設計合理，可進一步驗證寬幅變溫效果。

在單風道系統上增加冷凍風門后，可增大冷凍室和冷藏室的調溫范圍，并實現精準控溫。對此進行循環測試實驗驗證，結果如表3所示。冷凍室的調溫范圍可由單風門產品常見的（-15～-24）℃擴展為（8～-24）℃。冷藏室的調溫范圍也可由單風門產品常見的（0～10）℃擴展為（-12～10）℃，寬幅變溫功能得以實現，產品的功能性大為增強。

表3 方案B3空載循環測試結果

4 結論

上凍下藏式冰箱冷凍風道結構一般較為緊湊，采用通用型號的電動風門將風道中風腔單獨隔離開來，形成冷藏室/冷凍室獨立風路，對風腔結構進行特殊設計，以實現兩個間室獨立控溫及寬幅變溫的功能，結論如下：

1）參考熱負荷計算結果，結合離心風機的工作原理，借用蝸殼結構，對冷藏室/冷凍室風量進行合理分配；利用電動風門自身固有結構對風腔實現導流，左右出風風腔面積采用不對稱設計并增加多個導流結構，對導流結構的形狀、位置進行調整，進而調節冷凍風道左右出風口風量比例，并改變出風口風向，將徑向吹出的冷風引導至直吹箱內，以提高風循環效率，進一步加強溫度均勻性。

2）采用優化后的風道進行空載實驗，結果表明，冷凍室左右兩側的溫差僅為0.18 ℃，證明B3方案風道設計合理。

3）通過對TMF單系統冰箱冷凍風道的改造，實現冷藏室/冷凍室寬幅變溫功能。冷凍室溫度調節范圍可做到（-24～8）℃；冷藏室溫度調節范圍可做到（-12～10）℃。豐富了雙門冰箱溫度選擇范圍，增強用戶體驗效果。