劉宏宇 尚殿波 王冬祥 胡海梅

合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，冰箱的功能逐步完善，帶變溫室的冰箱逐漸普及。變溫室更多是一種補(bǔ)充性的功能間室，可以大大增加用戶的使用性能[1]。市面上，冰箱變溫室的調(diào)節(jié)范圍大都在-18℃～10℃，基本滿足大多數(shù)食品的儲(chǔ)藏需求，但是對(duì)于紅酒和熱帶水果等食品，其最佳保存溫度為10℃～25℃，現(xiàn)有冰箱因保存溫度偏低，并不能滿足其儲(chǔ)藏需求。

近年來，我國學(xué)者對(duì)儲(chǔ)藏溫度范圍更大的超寬溫區(qū)冰箱進(jìn)行了研究。曹俊哲[2]等以一款BCD-273W三門風(fēng)冷冰箱為研究載體，通過實(shí)驗(yàn)分析了冷熱復(fù)合系統(tǒng)的可行性及設(shè)計(jì)思路，結(jié)果表明，應(yīng)用冷熱復(fù)合系統(tǒng)的BCD-273W間室可實(shí)現(xiàn)-12.9℃到52.2℃、55.9℃到-9.8℃快速切換，52.2℃～55.9℃溫度區(qū)間持續(xù)43.3h，穩(wěn)定環(huán)境溫度下溫度穩(wěn)定性良好。姚南飛[3]在實(shí)用新型中提出，通過使用溫度傳感器、比較器和加熱模塊在冰箱冷藏膽內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)常溫室，提供了10℃～25℃的溫度范圍，豐富了冰箱冷藏膽的溫度范圍，滿足了多種食品不同儲(chǔ)存溫度的需要，提高了冰箱冷藏膽的食品保鮮能力。姚君[4]等在冰箱箱體的外側(cè)設(shè)置第一溫度傳感器，在箱體內(nèi)膽的外側(cè)設(shè)置加熱元件，由箱殼外的控制器控制加熱元件是否加熱箱體內(nèi)膽，實(shí)現(xiàn)了冰箱超寬幅變溫，增大了冰箱的溫區(qū)范圍。

2 加熱方案介紹

2.1 原理介紹

冰箱變溫室加熱必然要使用到加熱裝置，因?yàn)殇摴芗訜崞?、石英管加熱器等的表面加熱溫度均超過100℃，考慮到冰箱內(nèi)膽材質(zhì)，采用了相對(duì)安全可靠的鋁箔加熱器。由于鋁箔加熱器的發(fā)熱量一般較小，相對(duì)于鋼管加熱器、鋁合金加熱器等發(fā)熱元件，鋁箔加熱器的表面溫度可以控制在60℃以下，對(duì)于冰箱變溫室內(nèi)襯而言，更具有安全性。

鋁箔加熱器貼附在變溫室內(nèi)襯外側(cè)的表面上，形成一種上下包裹結(jié)構(gòu)，鋁箔加熱器通電后發(fā)熱，熱量通過變溫室內(nèi)襯傳遞到變溫間室內(nèi)，達(dá)到給變溫室加熱的目的。

在冰箱的變溫室間室內(nèi)設(shè)置有兩個(gè)溫度傳感器，其一為變溫室溫度傳感器，反應(yīng)變溫室內(nèi)空氣溫度，此傳感器應(yīng)遠(yuǎn)離有鋁箔加熱器的一面，防止受到加熱絲溫度干擾；其二為加熱器溫度傳感器，此傳感器的位置貼近加熱絲，用以反應(yīng)鋁箔加熱器的實(shí)際溫度。

2.2 加熱控制方法簡(jiǎn)述

冰箱內(nèi)襯采用高光HIPS材料，其熱變形溫度為80℃，使用了控制器，控制鋁箔加熱器的開關(guān)，避免間室內(nèi)部溫度與鋁箔加熱器溫度的溫差過大，導(dǎo)致箱體內(nèi)襯老化、開裂等問題，當(dāng)加熱器傳感器的溫度到達(dá)58℃時(shí)，停止加熱，可以有效地防止內(nèi)襯被加熱到60℃以上，起到保護(hù)內(nèi)襯的作用。

加熱器開啟加熱模式分為三段：快速加熱段、恒溫加熱段和保溫加熱段。加熱器首次開啟對(duì)冷間室進(jìn)行加熱時(shí)，首先進(jìn)入快速加熱段，此段采用溫差加熱法，即當(dāng)加熱器開啟加熱時(shí)，當(dāng)加熱器溫度高于間室內(nèi)空氣溫度30℃時(shí)，加熱器停止加熱，避免間室內(nèi)部溫度與鋁箔加熱器溫度的溫差過大，導(dǎo)致內(nèi)襯因應(yīng)力開裂的問題，當(dāng)加熱器溫度與間室內(nèi)溫度溫差降至25℃時(shí)，再次開啟加熱器。

當(dāng)加熱器溫度第一次到達(dá)58℃時(shí)，進(jìn)入恒溫加熱段，保持加熱器在較小溫度變化范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱器的開停只根據(jù)加熱器溫度而定，當(dāng)加熱器溫度為58℃時(shí)停止加熱，當(dāng)加熱器溫度低于55℃時(shí)，開啟加熱。

當(dāng)間室溫度達(dá)到用戶的設(shè)定溫度時(shí)，進(jìn)入保溫加熱段，維持間室內(nèi)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)合理波動(dòng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)上述理論，在BCD-271W載體上制作超寬溫區(qū)冰箱。如圖2，鋁箔加熱器貼附于變溫室內(nèi)襯外側(cè)的上表面和下表面，之后冰箱正常完成組裝、發(fā)泡等工序。

將樣機(jī)放置在環(huán)境溫度25℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在變溫室的上層抽屜和下層抽屜中心位置布置了兩個(gè)熱電偶，冷藏室設(shè)定5℃，冷凍室設(shè)定-18℃，變溫室設(shè)定-12℃，穩(wěn)定運(yùn)行24小時(shí)。此時(shí)設(shè)定變溫室加熱溫度45℃，變溫室此時(shí)停止制冷，加熱器按上述控制方法開始工作。

從圖3中可以看出，在快速加熱段，從平均溫度-12℃加熱到45℃耗時(shí)42分鐘，溫差控制在最大30℃，加熱速度較為平穩(wěn)；在恒溫加熱段，溫度波動(dòng)小于5℃，且內(nèi)襯溫度控制在了60℃以內(nèi)，對(duì)于冰箱而言具有很好的安全性；在保溫加熱段，可以維持在45℃左右內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍不超過3℃，穩(wěn)定性良好。

3.2 仿真模擬

使用仿真軟件對(duì)冰箱變溫室進(jìn)行建模并加載加熱溫度，分別截取快速加熱段和保溫加熱段的瞬時(shí)溫度場(chǎng)分布圖形。

圖4所示為快速加熱段時(shí)，間室內(nèi)平均溫度達(dá)到30℃時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖，冰箱變溫室內(nèi)襯溫度在50℃左右，由于熱空氣上浮的作用，變溫室上部溫度略高于下部溫度，間室內(nèi)部空氣溫度最大溫差在5℃左右，均溫性較好。

圖5所示為保溫加熱段時(shí)，間室內(nèi)溫度達(dá)到平衡時(shí)的溫度場(chǎng)分布，變溫室內(nèi)襯溫度在50℃左右，間室內(nèi)整體溫度趨于均勻，最大溫差在3℃左右。仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果基本相符。

圖1 鋁箔加熱器安裝示意圖

圖2 安裝有鋁箔加熱器的變溫室內(nèi)襯

圖3 樣機(jī)試驗(yàn)曲線

圖4 快速加熱段溫度場(chǎng)分布圖

圖5 保溫加熱段溫度場(chǎng)分布圖

4 結(jié)論

通過CFD仿真以及樣機(jī)試驗(yàn)摸底，驗(yàn)證了超寬溫區(qū)冰箱的間室加熱的可行性，加熱過程分為快速加熱段、恒溫加熱段和保溫加熱段，因?yàn)殇X箔加熱器的表面加熱溫度較低，很好的保護(hù)了冰箱的內(nèi)襯，防止冰箱內(nèi)襯材料發(fā)生開裂、老化等問題。

通過試驗(yàn)表明使用鋁箔加熱器對(duì)變溫室進(jìn)行加熱時(shí)，變溫室內(nèi)空氣溫度均勻性好、溫差小、穩(wěn)定性較優(yōu)，驗(yàn)證了超寬溫區(qū)冰箱的間室加熱可行性，具備-18℃至45℃之間調(diào)溫的條件。如果冰箱內(nèi)襯采用不銹鋼等耐溫耐熱材質(zhì)，變溫室內(nèi)空氣可以加熱到更高溫度。

[1] 賈守濤,黃永壽,劉雷等.冰箱溫度跨溫區(qū)調(diào)整的控制[J].日用電器.2015.39(12):39-41.

[2] 曹俊哲,王雙,許明.冷熱復(fù)合系統(tǒng)在風(fēng)冷冰箱中的可行性實(shí)驗(yàn)研究[A].2016年中國家用電器技術(shù)大會(huì)論文集[C].2016.

[3] 姚南飛.冰箱冷藏膽及冰箱[P].中國專利:205897654,2017-01-18.

[4] 姚君,耿秀華.冰箱箱體及冰箱[P].中國專利:204478621,2015-07-15.