基于薄壁化泡層的低成本風冷冰箱節能技術研究

李清松 劉全義 陳開松

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

在高房價高地價常態下，伴隨著冰箱消費升級，高容積率風冷冰箱設計是冰箱行業趨勢[1]。

冰箱容積率通常是指冰箱實際可使用容積與冰箱體積之比，比值越大，容積率則越高。為了實現大容積率設計要求，主要是將冰箱的箱體及門體均進行薄壁化設計[2]，箱體和門體發泡層越薄，冰箱相對容積率越大，隨之冰箱的熱負荷增大，耗電量增加。

為同時兼顧冰箱的大容積率和高能效的設計要求，通常在冰箱的箱體和門體的發泡層內設置低導熱系數材料VIP 板，既減小冰箱熱負荷，又減小冰箱發泡層厚度，實現薄壁化、高能效的產品功能要求。通過產品多維度的VIP 應用，雖然實現大幅度降低冰箱熱負荷，但是冰箱設計成本也大幅度增加，導致薄壁產品的競爭力不足。

如何既能保證冰箱的大容積率和高能效，又能實現產品高性價比將是冰箱行業的一個重要課題。本文通過風冷冰箱節能技術再創新再突破，實現薄壁冰箱全面取消VIP 板應用，實現產品成本大幅度降低，有效提升產品成本競爭力。

1 風冷冰箱泡層設計參數

本文載體冰箱為一款上藏下凍法式四門風冷冰箱，冷藏室標稱容積185 L，冷凍室標稱容積220 L，總標稱容積為405 L。冰箱的關鍵發泡層厚度參數如表1 所示，冰箱外形尺寸600 mm × 638 mm × 1905 mm，根據GB/T 8059-2016 家用和類似用途制冷器具[3]容積測試方法，其容積率為55.5 %。

表1 BCD-405W 發泡層厚度分布

2 風冷冰箱節能技術方案

為實現載體冰箱的大容積率、低成本和GB 12021.2-2015[4]一級能效設計要求，冰箱的箱體和門體均不采用VIP 板方案，具體技術方案闡述如下。

2.1 制冷系統設計

2.1.1 制冷系統循環設計

基于產品成本性價比，BCD-405 W 采用單循環制冷系統，蒸發器設置在冷凍間室，冷藏室通過風門導通和關閉實現制冷。

2.1.2 冷凍蒸發器設計

基于產品容積率，冷凍蒸發器采用兩排（厚度50 mm）翅片蒸發器。參見圖1，蒸發器管路可設計為順排或插排結構，根據CFD 仿真計算，參見表2，兩排管插排空氣側換熱系數較兩排管順排提高11 %，換熱效率更高。

圖1 順排/插排結構仿真模型

表2 不同類型兩排蒸發器換熱量對比

根據上述理論計算結果，在BCD-405 W 整機進行斜插蒸發器和扭角拉脹蒸發器性能對比驗證。參見表3，扭角拉脹蒸發器在穩態能耗表現更優，但化霜增量較大，標準耗電量兩種類型蒸發器基本相當。從成本角度考慮，冷凍蒸發器設計方案為斜插式蒸發器。

表3 不同類型兩排蒸發器整機性能對比

2.1.3 冷凝器設計

若冷凍間室溫度按照-20 ℃，箱體發泡料K 值19.2 mW/m.℃核算，冷凍兩側發泡層厚度至少達到55 mm 才能確保在32 ℃ / 85 % RH 條件下冷凍兩側不出現凝露現象。參見表1 所示BCD-405 W 箱體冷凍室兩側發泡層厚度僅為45 mm，因此在不設置VIP 板條件下，冷凍室兩側需采取防凝露措施。

風冷冰箱冷凝器常規設計方案可分為內置式冷凝器和外置式冷凝器。外置式冷凝器設置在冰箱外部，通過風扇強制對流實現冷凝器散熱，散熱效果好，由于增加冷凝風扇以及冷凝器結構復雜，導致成本較高。內置式冷凝器通常設置在箱體兩側箱殼上，冰箱運行過程中由于冷凝器溫度高于環境溫度，增加箱體熱負荷，但其結構簡單，成本低，同時可解決冷凍室兩側因泡層薄導致的凝露問題。綜合以上因素，冷凝器設計方案為內置式冷凝器。

2.2 冷藏回風風道設計

常規單系統風冷冰箱冷藏回風風道設置在冷凍室后背發泡層內，回風距離最短，回風效率高。參見表1 所示，BCD-405 W 箱體冷凍后背發泡層厚度僅55 mm，不能滿足后背式冷藏回風風道布局要求。因此為保證冷藏回風均勻性和可靠性，提升風道效率，在箱體兩側設置冷藏回風風道，參見圖2 所示。

圖2 兩側回風方式

圖3 兩側回風方式換熱量仿真云圖

通過兩側回風風道局部優化設計和改進，根據CFD仿真計算，兩側式回風效率和回風均勻性更優于后背式回風結構。

2.3 化霜水管設計

風冷冰箱翅片蒸發器需要周期性除霜，其化霜水通過排水管引出箱體外部，因此排水管是冰箱內、外部連通通道。考慮排水管倒吸異常噪音、排水通常性，常規排水管為“敞開式”設計，即蒸發器室通過排水管與外界可以自由連通。

對于本載體單循環冷藏冷凍風冷冰箱，當冷藏冷凍同時制冷時，由于蒸發器室內水管口位于風扇進風端為負壓，外界空氣通過排水管進入蒸發器室內，水管內部溫度達到環境溫度，經蒸發器冷卻后送到冷藏室和冷凍室。由于冷藏室內的冷空氣為正壓，冷藏室內的冷空氣通過門封與箱體的搭接面排到箱體外部，構成箱體內、外部空氣大循環，額外增加冰箱熱負荷。當冷凍室單獨制冷時，由于蒸發器室內的水管口和冷藏回風口均位于風扇進風端為負壓，外界空氣通過排水管和冷藏門封與箱體的搭接面進入蒸發器室內，最終通過冷凍門封與箱體的搭接面排到箱體外部，構成箱體內、外部空氣大循環，同樣增加冰箱熱負荷。因此因排水管的自由連通導致冰箱熱負荷增加，增大能耗。

參見圖4 所示，排水管設計“U”型槽結構，且水管口豎直高度高于“U”型槽最高面，使部分化霜水儲存在水管內，實現水管水封，杜絕外界空氣通過水管進入箱內，從而減小冰箱熱負荷和結霜量。當排水管經水封后，水管內部溫度基本維持恒定，無內外空氣交換，根據整機對比測試結果，水管水封較普通水管耗電量降低約3 %。

圖4 U 型水管結構示意圖

3 整機性能驗證

通過上述技術方案應用，同時搭載高效變頻壓縮機（COP 值為 2.03），通過變頻壓縮機轉速和變頻風機轉速與制冷系統的動態匹配，按照GB/T 8059-2016 家用和類似用途制冷器具[3]測試方法，BCD-405 W 風冷冰箱標準耗電量實測值0.737 kWh/24 h，實測能效指數為23.5 %，滿足GB 12021.2-2015 一級能效要求，節能技術方案具有實用性和可推廣性，成本大幅度降低，產品已實現上市。

4 結論

1）依托薄壁化泡層設計，實現載體冰箱容積率達到55.5 %；

2）通過單循環制冷系統以及蒸發器和冷凝器優化設計，達到制冷系統成本和性能綜合最優化要求；

3）通過化霜水管水封設計和應用，耗電量降低3 %。

同時搭載高效變頻壓縮機和變頻控制規則優化，薄壁冰箱不使用VIP 板條件下，實現了國標一級能效，整機成本得到大幅度降低。