冰箱用日式自動制冰機的脫冰時機研究

芮群娜 劉 殿 李嘉琦 劉雨翔 李玉穩

（惠而浦（中國）股份有限公司 合肥 231283）

引言

最初利用冰箱來制造規則的冰塊，是最簡單的在冰箱的冷凍室放置一個塑料冰格模具，在使用時進行人工脫模和加水，到后面隨著人們對冰塊需求的提高，出現了自動制冰機。自動制冰機可以自動注水、自動脫冰，從而實現了全自動、高效制冰的目的。目前市場上的制冰機主要有美式制冰機和日式制冰機，美式制冰機又稱為鋁殼式制冰機，因其脫冰需要對其進行高溫加熱，所以一定程度上增加了冰箱能耗，且相較于日式制冰機其安全性能和成本都不占優勢，故日式制冰機將會是將來的發展趨勢[1]。

本文將針對日式制冰機，結合理論和測試，來選擇最優的脫冰時機。

1 現有產品制冰現狀

冰箱制冰機的制冰性能由兩大決定要素，分別是制冰效率和制冰質量。制冰效率顧名思義就是單位時間內可以制得的冰的質量，如何獲得更高的制冰效率一直是近些年人們和各大冰箱生產商最為關注的對象，制冰質量則是制得的冰塊的完好情況，比較常見的問題冰有空冰、碎冰、小冰、橋接、粘連，這其中最嚴重的問題冰塊就是空冰。如圖1 所示，空冰是因為冰塊凍結不實從而導致冰塊中出現固液兩種狀態，在制冰機完成脫冰動作后，液態水進入儲存冰塊的容器中可能會造成冰塊的大面積粘連，從而影響用戶的正常使用。在制冰機其他參數一定的情況下，制冰質量和制冰效率一般呈反比的關系，如何在保證制冰質量的前提下獲得最大的制冰效率是制冰機控制的關鍵，而如何減少空冰的產生則顯得重中之重了。

圖1 空冰示例

一個完整的制冰周期包括供水→制冰等待→脫冰→復位，沈永燕、吳剛[2]等已經對細節進行了詳細描述，本文不再一一贅述[2,3]。空冰的形成歸根結底是因為制冰等待的時間不夠，所以如何在保證制冰效率的前提下減少空冰的發生，尋找合適的脫冰時機尤為重要。本文選取一款冷藏門上制冰的產品作為研究對象，所使用的制冰機如圖2 所示，此制冰機是由兩排5 格的冰格構造而成，每個冰格可制得（10±0.5）g的冰，冰格正下部貼敷有溫度傳感器，制冰機的脫冰時機由制冰格的溫度傳感器和制冰時間兩大要素來決定。本文通過控制不同的制冰時間結合溫度變化來驗證如何選定最佳的脫冰時機。

圖2 制冰機照片

圖3 制冰機制冰過程傳感器溫度變化曲線

2 制冰機脫冰控制驗證

2.1 制冰機冰塊形成過程分析

制冰機中冰塊的形成過程即為液態水變為固態冰塊的變化過程，這個過程中包含了水的三個形態：液態-固液混合態-固態；假設在制冰過程中冰箱單位時間內對制冰機送的冷風的風量、冷量為一個恒定的值，一個完成制冰周期所需時間如下式：

式中：

T1—液態水降至0 ℃所需時間；

c1—液態水的比熱容；

m—注入冰格的水的質量；

t0—注入冰格的水的初始溫度；

Q—單位時間內蒸發器提供給制冰機的冷量；

T2—水從液態到固態相變的時間；

Q0—水從液態到固態的凝固潛熱，其中水的凝固潛熱是334 kJ/kg；

T3—冰從0 ℃降到脫冰時的時間；

C2—冰的比熱容；

t1—制冰格脫冰時的溫度；

Ttotal—一個完成制冰周期所需時間。

本文所涉及計算及測試驗證，均在測試工況為21 ℃，冰箱內部溫度為冷藏3 ℃及冷凍-18 ℃的條件下來進行，冰塊的目標溫度設為-18 ℃，因制冰機的水是由放置于冷藏的水箱中注入的水，故t0則與冷藏溫度一致，由式（1）～（4）可以得出，T1∶T2∶T3的值為4∶83∶13，從結果可以看出，水的相變過程占用了大部分時間，而水和冰的降溫所占用的時間很少，所以，在實際測試中，我們應盡可能的找出所有的水均在冰格中完成相變的時機，以此作為最佳的脫冰節點。

2.2 實驗設計

因實際制冰過程與理論計算總是存在一定差異，且制冰機傳感器位置并非與水直接接觸，故先對制冰機的制冰過程進行測試后再制定測試計劃。

測試工況設為21 ℃ ，冰箱內部溫度為冷藏3 ℃、冷凍-18 ℃，冰箱溫度平穩后，打開制冰機進行首次制冰，但不翻冰。經測試，結果如圖1 所示，從注水開始計時，制冰機傳感器溫度達到-18 ℃ 所用時間為84 min。a 為注水節點，a b段注水后制冰格的溫度開始明顯升高，同時冰格內水溫開始降低；b c 段溫度變化趨勢較平穩，此階段為冰格內所有水均處于相變階段；c d 段溫度變化趨勢較b c 段變化較大，說明在此階段已經有部分冰格內部的水已經完成相變的過程；d e 段溫度急劇下降，說明大多數冰格內已經完成相變。故在進行驗證時，從c d 段中選取一個時間點為基準，每次增加相應的時間作為脫冰節點，對制冰質量和制冰效率進行驗證。

其中，本文中所涉及的制冰質量及制冰效率用以下公式進行計算:

式中：

Icequailty—制冰質量，單位為百分比；

N—制得的空冰冰塊數量；

Ntotal—制得的總的冰塊數量；

Icerate—制冰效率，單位為 kg/24 h；

M—制得的冰塊重量，單位為 kg；

T—制冰所用的總時間。

2.3 測試驗證及結果

通過冰箱主控板進行控制，單控制制冰時間分別為50 min、55 min、60 min、65 min、70 min、75 min、80 min 進行對比驗證，測試工況與2.2 保持一致，經測試，由式（5）、（6）可得測試結果如表1、圖4 所示，不同制冰周期所制得的冰塊空冰表現也有所不同，如圖5 所示。

表1 不同制冰周期的制冰性能測試結果

圖5 不同制冰周期空冰照片

圖5 不同制冰周期的制冰質量和制冰效率曲線

從測試結果可以看出，隨著制冰周期的增加，制冰效率呈下降趨勢，空冰的數量逐漸減少，空冰的中空面積也越來越小，制冰質量呈增加趨勢。當制冰時間為65 min 時，正對應圖3 對應d e 段，空冰的數量明顯下降，制冰質量開始明顯的提高，冰塊的缺失變少，呈現為較為完整的冰塊。

因制冰過程中可能遇到其他異常情況導致溫度并不穩定，為了保證用戶的正常使用，結合溫度控制在相同的測試條件下進行驗證，要求必須同時滿足表1 中對應的單次制冰時間和制冰格傳感器溫度。經驗證，如表2 所示，在同時滿足制冰周期和制冰格傳感器溫度兩個條件時，制冰質量與制冰效率均能得到保證。

表2 不同制冰周期的制冰性能測試結果

結合理論和測試，可得出在選定制冰機的脫冰時機時，應在d e 段進行選取，結合時間和溫度數據制定控制方案，并權衡制冰質量和制冰效率后得出最佳的控制策略。

3 結論

日式制冰機因其安全性和成本優勢將會成為制冰機的趨勢，為了更好的開發含制冰機的冰箱產品，本文通過對比不同的制冰周期對日式制冰機的制冰效率和制冰質量的影響并結合最終的測試驗證，為選擇脫冰時機提供了一種測試驗證方法，也得出脫冰時機應在d e 段中選取，為含日式制冰機的冰箱產品的控制設計提供了參考和依據。