無霜冰箱化霜熔斷器故障分析及可靠性設(shè)計的研究及應(yīng)用

蔣勇剛 江賓 熊克勇 梁桂生

合肥晶弘電器有限公司 安徽合肥 230001

0 引言

隨著人們生活水平的提升，無霜冰箱逐漸“飛入尋常百姓家”。無霜冰箱相比較于普通直冷冰箱，主要是增加了化霜及控制系統(tǒng)。無霜冰箱化霜系統(tǒng)是保證無霜冰箱制冷系統(tǒng)正常運行基礎(chǔ)系統(tǒng)，化霜加熱器的安全控制主要依靠化霜熔斷器完成。化霜熔斷器是化霜系統(tǒng)安全控制的核心部件，化霜熔斷器的設(shè)計是無霜冰箱化霜性能及安全性能設(shè)計的關(guān)鍵核心技術(shù)。化霜加熱出現(xiàn)異常后，熔斷器起到保護作用進行熔斷，后續(xù)冰箱的運行也將會出現(xiàn)異常[1]，化霜加熱器將不再工作，冰箱不再化霜，運行一定時間后，蒸發(fā)器將會出現(xiàn)大量結(jié)霜，制冷效率明顯降低，結(jié)霜量持續(xù)增加會堵塞風(fēng)路系統(tǒng)，造成整機制冷效果差或不制冷[2]。加熱器出現(xiàn)異常后，按照軟件的控制規(guī)則，熔斷器起到保護作用是一種正常的安全控制。若加熱器未出現(xiàn)異常，熔斷器在化霜傳感器達到溫度點之前進行了保護，即化霜熔斷器提前異常熔斷，將是嚴重的質(zhì)量問題，設(shè)計上需考慮避免此種情況的發(fā)生[3]。

通過調(diào)查及試驗分析確定了熔斷器異常熔斷的幾種主要故障原因：電冰箱輸入電壓偏高；缺少制冷劑；低環(huán)溫運行；熔斷器熔斷溫度點偏低；熔斷器固定位置偏下等。此問題需要從設(shè)計方面根本解決。據(jù)了解，行業(yè)內(nèi)對于熔斷器的設(shè)計沒有統(tǒng)一的方法，熔斷器異常熔斷經(jīng)常發(fā)生。行業(yè)內(nèi)普遍采取多次試錯的設(shè)計方法尋找熔斷器的設(shè)計位置，尚無有效的理論及實踐方法。現(xiàn)通過調(diào)查及研究，提出了一種確定化霜熔斷器設(shè)計位置的可靠性方法——雙向平衡法，此方法為行業(yè)內(nèi)熔斷器可靠性設(shè)計提供了一個新的參考，確保產(chǎn)品在各種環(huán)境下使用不出現(xiàn)熔斷器異常保護問題，使冰箱在各種環(huán)境下可以正常使用。

1 化霜熔斷器異常熔斷幾種常見原因

根據(jù)多個品牌的售后維修實踐及試驗驗證，確定化霜熔斷器異常熔斷的原因一般有以下幾種情況：①電冰箱輸入電壓偏高；②制冷劑不足；③低環(huán)溫運行；④熔斷器熔斷溫度偏低；⑤熔斷器固定位置偏低。

1.1 電冰箱輸入電壓偏高

我國長江流域水電極為豐富，目前長江流域數(shù)個省份居民用電電壓普遍偏高，調(diào)查顯示達到240 V是普遍現(xiàn)象，實際居民用電電壓接近標準電壓的1.1倍[4]。根據(jù)功率公式計算，加熱器的實際功率達到標準功率的1.2倍左右。在1.1倍電壓下，測試某品牌的BCD-491W單系統(tǒng)對開門無霜冰箱使用的KFD-394型號鋼管化霜加熱器測試表面溫度比常壓下上升明顯[5]，試驗數(shù)據(jù)顯示上升30℃左右，如表1所示。

表1 加熱器表面溫度

加熱器表面工作溫度上升，會直接造成熔斷器表面溫度上升，對熔斷器表面進行布點測試，如表2所示。

表2 熔斷器表面溫度

在1.1倍電壓下，熔斷器表面的溫度會上升8℃，增加了熔斷器的熔斷風(fēng)險。熔斷器固定的位置一般要低于化霜傳感器位置，高電壓會造成熔斷器溫度上升速率高于化霜傳感器。因此，高電壓會加劇熔斷器異常熔斷的風(fēng)險。

1.2 制冷劑不足

制冷劑不足（包含泄漏部分制冷劑）時[6]，進口上置蒸發(fā)器的產(chǎn)品會出現(xiàn)蒸發(fā)器表面結(jié)霜不均勻現(xiàn)象，一般會出現(xiàn)上多下少，甚至上多下無，此種現(xiàn)象被稱為“偏著霜”現(xiàn)象，如圖1所示。當蒸發(fā)器出現(xiàn)“偏著霜”現(xiàn)象時，冰箱化霜階段加熱器的熱量會在蒸發(fā)器下部聚集，會使熔斷器的溫度急劇上升。在化霜傳感器達到停機點之前，熔斷器提前達到了熔斷點，熔斷器熔斷[7]。通過梯度灌注量試驗，分析熔斷器表面溫度變化情況。常溫常壓下，對某品牌的BCD-506W單系統(tǒng)對開門無霜冰箱進行此項試驗。

圖1 蒸發(fā)器的嚴重“偏著霜”現(xiàn)象

如表3所示，灌注不同梯度量的制冷劑，熔斷器表面的溫度最大會上升28℃左右，熔斷器異常熔斷的風(fēng)險增大。因此，制冷劑缺少會增加熔斷器異常熔斷的風(fēng)險。

表3 灌注量不同時熔斷器表面溫度

1.3 低環(huán)溫運行

冰箱在-5℃運行時，整機的運行及化霜狀態(tài)會出現(xiàn)與常溫下比較大的差異，出現(xiàn)制冷時間極短，但是化霜時間極長現(xiàn)象[8]，主要原因為化霜時加熱器需加熱蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑，制冷劑受熱循環(huán)，將冷凝器內(nèi)的低溫制冷劑循環(huán)至蒸發(fā)器處，加熱器持續(xù)加熱，化霜傳感器達到停止工作溫度點的時間加長，消耗的熱量會大大增加，出現(xiàn)化霜時間在低環(huán)溫下急劇上升，熔斷器表面溫度明顯上升現(xiàn)象。對某品牌的BCD-476W單系統(tǒng)對開門風(fēng)冷冰箱進行此項試驗。

如表4所示，低環(huán)溫下，熔斷器表面的溫度急劇上升，接近熔斷器的熔斷特性溫度，熔斷風(fēng)險極大。因此，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行判斷，低環(huán)溫是熔斷器異常熔斷的主要原因。

表4 熔斷器表面溫度

1.4 熔斷器熔斷溫度偏低

化霜熔斷器熔斷特性溫度點的設(shè)計是熔斷器功能及安全設(shè)計的關(guān)鍵點，若熔斷特性溫度設(shè)計過高，熔斷器熔斷保護之前，冰箱加熱器周圍的塑料件將受到嚴重的熱輻射，塑料件出現(xiàn)變形及烤黃現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)安全風(fēng)險[9]。若熔斷特性溫度設(shè)計過低，會出現(xiàn)冰箱正常工作下的熔斷器提前異常熔斷，會造成整機不制冷，并導(dǎo)致維修投訴。熔斷器的熔斷特性溫度點需要設(shè)計安全驗證試驗進行驗證。調(diào)查目前行業(yè)內(nèi)使用的主要熔斷器有5個品牌。考慮到塑料件的軟化溫度，熔斷溫度點的設(shè)計基本在67～73℃范圍之內(nèi)，個別品牌為65℃。若熔斷器的熔斷溫度點小于此范圍，異常熔斷的風(fēng)險將會急劇上升。

1.5 熔斷器固定位置偏下

熔斷器固定位置與熔斷特性溫度點的設(shè)計需要進行統(tǒng)一綜合考量。兩者存在一定的依存關(guān)系。熔斷器設(shè)計固定位置距離加熱過遠或過近都將對熔斷器表面的溫度上升的速度產(chǎn)生明顯的影響。熔斷器的熔斷溫度一般在行業(yè)較為統(tǒng)一。因此，熔斷器的固定需要選擇合適的位置，如何設(shè)計位置問題就是本次研究的核心課題。

教師設(shè)計教學(xué)情境，營造全真工作環(huán)境與模擬現(xiàn)場，學(xué)生通過角色扮演，設(shè)身處地，情景表演，完成角色扮演教學(xué)的全過程。例如，在“西餐禮儀” 教學(xué)過程中，設(shè)置場景讓學(xué)生分別扮演接待人員和客人，讓“服務(wù)員”為“客人”進行引領(lǐng)、點餐、更換餐具等一系列的服務(wù)，結(jié)束后雙方談感受、指不足，其他同學(xué)在觀摩時進行學(xué)習(xí)借鑒。該方法直觀、形象、深刻，將枯燥的講述轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦拥恼n堂游戲，能激發(fā)學(xué)生濃厚的興趣，增強教學(xué)效果。

2 化霜熔斷器的可靠性設(shè)計方法

熔斷器異常熔斷的失效模式可以為維修人員及故障分析人員提供重要的參考。但是熔斷器異常熔斷問題需要從設(shè)計方面根本解決。通過理論研究及實踐應(yīng)用，現(xiàn)介紹一種無霜冰箱熔斷器可靠性設(shè)計方法——雙向平衡法。雙向平衡法的原理為：通過可靠性試驗設(shè)計確定熔斷器的位置，可靠性試驗為極限態(tài)等效運行可靠性試驗及干濕燒試驗。極限態(tài)等效運行可靠性試驗的目的是使熔斷器上移，干濕燒試驗的目的是使熔斷器下移，中間位置即為平衡位置，此位置可保證兩個試驗全部合格，因此，此方法可以確定熔斷器的最佳設(shè)計位置，如圖2所示。

圖2 化霜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

雙向平衡法的步驟為：首先，初步確定化霜熔斷器的熔斷特性設(shè)計溫度，一般采用行業(yè)內(nèi)的通用熔斷設(shè)計溫度為（70±3）℃，通過可靠性設(shè)計試驗無法尋找到合適熔斷器的位置后，再進行修正；然后，通過可靠性試驗設(shè)計確定熔斷器的位置，可靠性設(shè)計試驗一般為極限態(tài)等效運行可靠性試驗及干濕燒試驗，極限態(tài)等效運行可靠性試驗的目的是熔斷器上移，干濕燒試驗的目的是熔斷器下移，兩個試驗全部合格后，確定熔斷器的合適位置；最后，實施冰箱運行驗證試驗，在熔斷器上布置測試點，通過采集熔斷器表面溫度數(shù)據(jù)，再次觀察分析是否滿足設(shè)計要求。

2.1 極限態(tài)等效運行可靠性試驗

試驗原理為：無霜冰箱在常溫常壓常濕（設(shè)定常態(tài)為25℃、220 V、55%RH）下運行，記錄化霜結(jié)束時熔斷器表面的溫度為TH1。冰箱在低溫高壓高濕（設(shè)定極限態(tài)為0℃、250 V、90%RH）下運行，記錄化霜結(jié)束時熔斷器表面的溫度為TH2，熔斷特性溫度為TDx，如表5所示。然后比較TH1和TH2的關(guān)系。結(jié)合溫度、電壓及濕度的應(yīng)力強度理論，經(jīng)過測算，常態(tài)下的可靠性試驗的總體應(yīng)力強度與極限態(tài)的強度關(guān)系為：

表5 熔斷器表面溫度及熔斷特性溫度（5個型號冰箱測試的平均值）

試驗結(jié)果顯示：TH1≈TH2/2 ≈TDx/2

式中：SS常態(tài)為常態(tài)狀態(tài)條件下的應(yīng)力強度；SS極限為極限狀態(tài)條件下的應(yīng)力強度。

因此，確定常態(tài)下化霜結(jié)束時熔斷器表面的溫度（TH1）需小于熔斷特性溫度值（TDx）的一半。試驗方法為：無霜冰箱在常溫常壓常濕（25℃、220 V、55%RH）下運行，記錄化霜結(jié)束時熔斷器表面的溫度為TH1。若此熔斷器表面溫度TH1達不到小于TDx/2的要求，將熔斷器的位置上移，直至試驗找到滿足要求的臨界點位置h1。

2.2 干濕燒可靠性試驗

①加熱器熱輻射未對周圍塑料件產(chǎn)生可見影響（變形、發(fā)黃等）；

②加熱器表面溫度THh＜394℃；

若目前熔斷器的位置滿足不了上述兩個條件，則繼續(xù)下移，確定可以滿足條件的臨界位置h2。

一般選擇熔斷器的合適位置為h1和h2兩個臨界點的中間位置，此處位置不僅可以滿足兩個可靠性試驗，且皆有余量。一般情況下，可以通過雙向平衡法確定熔斷器的最佳設(shè)計位置。若出現(xiàn)h1＞h2的情況，則需要對蒸發(fā)器及加熱器的尺寸進行重新設(shè)計。重新設(shè)計后，再次按照雙向平衡法進行試驗，尋找熔斷器的設(shè)計平衡點。

2.3 設(shè)計驗證確認試驗

驗證方法：選取此方法設(shè)計的6臺冰箱在低溫高壓高濕（0℃、250 V、90%RH）下運行一周，記錄化霜結(jié)束時熔斷器表面的溫度為TH2，確認TH2小于TDx，即極限態(tài)條件下熔斷器表面的溫度小于熔斷特性溫度，熔斷器未發(fā)生異常熔斷。同時，選取未采取此設(shè)計方法的冰箱進行對比。如表6所示，未采取此設(shè)計方法的冰箱熔斷器表面的溫度變化比較劇烈，且出現(xiàn)TH2大于TDx。

表6 新/老設(shè)計冰箱熔斷器表面溫度

采取新設(shè)計方法的冰箱極限態(tài)條件下熔斷器表面的溫度小于熔斷特性溫度，未采取此設(shè)計方法的冰箱熔斷器表面的溫度TH2大于TDx，保護性能不可靠。

2.4 應(yīng)用情況

本設(shè)計方法實際已經(jīng)開始在產(chǎn)品設(shè)計中大量應(yīng)用，尤其是風(fēng)冷兩門對開冰箱產(chǎn)品，如某品牌BCD-506系列產(chǎn)品、BCD-437系列產(chǎn)品。跟蹤市場質(zhì)量維修情況，目前未出現(xiàn)過熔斷器異常熔斷現(xiàn)象。

3 結(jié)論

化霜熔斷器設(shè)計是冰箱的安全設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，化霜熔斷器在冰箱發(fā)生異常時不能及時熔斷，則對冰箱產(chǎn)生嚴重的安全影響；化霜熔斷器在正常運行時，發(fā)生提前異常熔斷則會造成無霜冰箱后續(xù)不化霜，最終導(dǎo)致冰箱不制冷，產(chǎn)生投訴維修。經(jīng)過對售后的維修實踐及多品牌產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)分析，在中國廣大區(qū)域的復(fù)雜氣候及使用條件（環(huán)溫、電壓等）下，熔斷器異常熔斷問題存在一定的普遍性。研究確定了熔斷器異常熔斷的幾種核心原因，供維修技術(shù)人員參考。行業(yè)內(nèi)風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性設(shè)計理念及技能存在提升空間，為解決此可靠性問題，熔斷器的位置設(shè)計可以采取“雙向平衡法”進行確定。根據(jù)正向的極限態(tài)等效運行可靠性試驗確定熔斷器的h1位置，根據(jù)反向的干濕燒試驗確定熔斷器的h2位置，然后取中間位置作為確定熔斷器的最佳安全設(shè)計位置。此可靠性設(shè)計方法已經(jīng)應(yīng)用在無霜冰箱的可靠性設(shè)計實踐中，證實熔斷器按照科學(xué)的可靠性方法進行設(shè)計，可以確保冰箱在各種使用環(huán)境條件下安全、可靠運行。