李艷芹,張德海,王 濤

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 鄭州 450002)

0 引 言

伴隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，冰柜的出現(xiàn)，很大程度上滿足了人們對(duì)高品質(zhì)物質(zhì)生活的追求；除此之外，冷凍儲(chǔ)存可以有效防止細(xì)菌滋生，對(duì)于食品安全及人類飲食健康起到很大促進(jìn)作用。家用冷柜是一種全天候工作的家用電器，日常工作中會(huì)消耗大量的電能，而且每年仍有超過9 000萬(wàn)臺(tái)冰箱在中國(guó)制造并銷入市場(chǎng)。目前，能源緊缺、大氣污染、地球溫室效應(yīng)等問題是全球面臨的重大難題，作為家庭中使用的最普通的電器，冰箱冰柜在家用用電中占到相當(dāng)大的比例。我國(guó)本來就是一個(gè)能源短缺的國(guó)家，節(jié)能減排是我國(guó)的新興戰(zhàn)略。因此冰箱冰柜的節(jié)能不僅對(duì)節(jié)約能源而且對(duì)環(huán)境保護(hù)均具有十分深遠(yuǎn)的影響[1]。

冷柜，也稱冷藏柜。通過制冷元器件壓縮機(jī)、蒸發(fā)器等進(jìn)行制冷，箱體和門體組成封閉空間來保冷，綜合達(dá)到制冷的效果。冷柜按照用途可以分為臥式展示柜SD、冷藏冷凍箱可轉(zhuǎn)換BC/BD、冷藏冷凍箱BCD 、酒品儲(chǔ)藏柜JC、立式展示柜 SC等。其中臥式展示柜多用于超市食品保鮮冷凍以及展示；轉(zhuǎn)換型冷藏冷凍箱可進(jìn)行冷藏和冷凍之間的轉(zhuǎn)換；酒品儲(chǔ)藏柜的觀賞性和實(shí)用性并重，需結(jié)構(gòu)美觀大方并能維持一定溫度不變等等。

根據(jù)市場(chǎng)上對(duì)于冷柜的需求來看，冷柜今后的研究發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為：節(jié)能化、多功能化、小型便捷化、大型化、智能化、環(huán)?；萚2]。中國(guó)作為世界上最大的冰箱生產(chǎn)國(guó)，在全球發(fā)展的大環(huán)境下，生產(chǎn)研發(fā)綠色、節(jié)能、環(huán)保型冰箱冷柜已是大勢(shì)所趨，這也是設(shè)計(jì)人員今后著重研究的發(fā)展方向。

筆者針對(duì)大冷柜BD625的箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用系列實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法對(duì)制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化匹配和改進(jìn)；對(duì)絕熱層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，確立了70 mm超厚保溫層作為最終尺寸；研究了微孔發(fā)泡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并應(yīng)用于該產(chǎn)品設(shè)計(jì)；為減少冷氣泄露，選用雙門封結(jié)構(gòu)阻止冷氣泄露，以達(dá)到降低能耗等級(jí)的目的，此次研究為國(guó)內(nèi)家電行業(yè)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)研究提供了借鑒價(jià)值。

1 冷柜箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臥式冷柜的發(fā)泡箱主要由箱體外殼、箱內(nèi)膽、箱框和箱底板等結(jié)構(gòu)通過相關(guān)的密封手段進(jìn)行密封，然后灌注一定量的泡料進(jìn)行發(fā)泡形成有一定承載能力的箱體。發(fā)泡箱使冷柜產(chǎn)品具備合適的空間和足夠的強(qiáng)度來存放商品，與此同時(shí)滿足了終端用戶對(duì)于諸如功能、安全、外觀、廣告展示、搬運(yùn)、維修保養(yǎng)等使用要求。臥柜產(chǎn)品箱體的專用件主要有箱體外殼、箱框、箱內(nèi)膽和箱底板，其他零部件為借用件和通用件[3]。

1.1 箱體內(nèi)殼設(shè)計(jì)

根據(jù)內(nèi)容積625 L以及壓縮機(jī)高度250 mm來計(jì)算確定內(nèi)殼尺寸。箱內(nèi)殼是由前圍板A、后圍板B、底板三個(gè)零件通過拼接及膠帶固定裝配而成的。箱內(nèi)殼作為冷柜的內(nèi)表面，與冷凍物直接接觸，因此必須滿足以下要求：保證密封性，不容易腐蝕，傳熱快并且發(fā)泡時(shí)能與泡料粘合但是不容易變形。同時(shí)還要求成本低，容易成型，可塑性強(qiáng)等?；谝陨弦笠约皡⒖家酝睦涔癞a(chǎn)品，BD625適合采用壓花鋁板作為箱內(nèi)殼的成型材料，此材料不僅具有良好的傳熱性能，還具備易于加工的特點(diǎn)，可以提高組裝的效率。

前圍板A與后圍板B的裝配采用了扣接拼合的方式(圖1)，這一裝配方式運(yùn)用了壓花鋁板易于定型的特點(diǎn)，不僅保證了外觀不受影響，而且增強(qiáng)了內(nèi)膽的密封性；參考已有的冷柜產(chǎn)品，對(duì)內(nèi)膽底板的邊緣進(jìn)行折彎(圖2)，以便與拼接完成的內(nèi)膽圍板進(jìn)行裝配，底板設(shè)計(jì)了一個(gè)帶壓型特征的排水孔，壓型結(jié)構(gòu)是為了排水更加有效；底板還需要進(jìn)行折Z彎處理，這是由于冷柜的壓縮機(jī)安裝在底部右側(cè)位置，需要一定空間。

圖1 扣接拼合 圖2 折彎拼合

1.2 保溫層設(shè)計(jì)

保溫層的主要作用是隔絕熱量，不讓外面的熱量進(jìn)入箱內(nèi)，減少箱內(nèi)的冷氣散失。因此，好的保溫層可以減少冰箱啟動(dòng)次數(shù)，從而達(dá)到節(jié)電的目的。冷柜多數(shù)將硬質(zhì)聚氨酸發(fā)泡用于隔熱層,其阻熱性能良好，更利于在流水線上生產(chǎn)制造,箱體的內(nèi)外兩個(gè)殼在發(fā)泡制造之后被粘連形成一個(gè)整體，變得堅(jiān)固，而且無(wú)需對(duì)箱體做任何的防潮措施處理。絕熱層厚度的設(shè)計(jì)將會(huì)影響用電量和箱體的外形尺寸大小。箱體設(shè)計(jì)時(shí)希望售價(jià)低，耗電少，制冷效果良好。所以會(huì)盡可能地減少絕熱層的厚度,又降低能耗。

現(xiàn)有一種先進(jìn)的發(fā)泡材料-微孔泡沫塑料，它是一種泡孔直徑在0.1～10 um(比普通泡沫塑料小幾百倍)，泡孔密度(單位體積的泡孔數(shù)量)在109～1015個(gè)/cm3左右的泡沫塑料，材料密度可比發(fā)泡前減少5%～95%。在保證一樣的保溫效果的條件下使用此種泡沫塑料制做冰冷柜的保溫層，保溫層的厚度可減少很多，從而就可制得希望得到的“超薄”冷柜[4]。

1.3 冷柜箱體外殼設(shè)計(jì)

采用新的發(fā)泡技術(shù)后，下一步需確定發(fā)泡層厚度(均采用70 mm發(fā)泡層)，根據(jù)內(nèi)膽尺寸和發(fā)泡層厚度，可計(jì)算得箱體外殼尺寸。臥式冷柜的箱體外殼是由板式冷軋板經(jīng)過沖孔、壓型、折彎、焊接等工序制作而成的。選擇冷軋板Q235A作為箱體外殼的成型材料，主要是因?yàn)橄潴w外殼作為支撐起整個(gè)冷柜的結(jié)構(gòu)元素，不僅要求有一定的強(qiáng)度，還要有一定的硬度，不容易斷裂、破碎，而且不容易腐蝕。箱體外殼作為冷柜的外觀直接呈現(xiàn)給用戶，要求美觀有光澤。同時(shí)，要求箱體外殼易于密封，并且能夠在發(fā)泡時(shí)與泡料產(chǎn)生粘合。外殼厚度0.5 mm，噴涂后0.55 mm。

箱體外殼四個(gè)面的底部都折了直角彎(圖3)，目的是加強(qiáng)底部的強(qiáng)度，使得整個(gè)箱體不易變形，同時(shí)方便箱底板及底部加強(qiáng)鐵的安裝；壓縮機(jī)安裝的位置需要安裝一副底部加強(qiáng)鐵以增強(qiáng)該位置的承載能力。

圖3 箱體外殼折彎

1.4 箱框及箱底板設(shè)計(jì)

采用ABS747作為箱框的成型材料，壓塑成型，其優(yōu)點(diǎn)是可塑性強(qiáng)，表面可以拋光成富有光澤的外觀面，具有一定強(qiáng)度并不易變形，而且可以與泡料粘合。

由于金屬底板具有不易腐蝕，強(qiáng)度高，易于裝配且容易密封而不漏泡，發(fā)泡完成后不容易變形等特點(diǎn)，BD625優(yōu)先考慮選用金屬底板+PP中空板的組合，既保證結(jié)構(gòu)合理，又可以控制材料成本。

1.5 發(fā)泡層校核

因?yàn)橥ㄟ^箱體結(jié)構(gòu)形成熱橋的漏熱量Qc不用計(jì)算，所以冷凍室箱體漏熱量只包括箱體隔熱層漏熱量Qa和通過箱門與封條漏熱量Qb兩部分：

QF=Q1F+Q2F+Q3F=25.553+5.206+24.235

=54.994 W

(1)

冷凍室絕熱層厚度最薄處在門體和側(cè)面，計(jì)算時(shí)取箱外空氣對(duì)箱體表面的傳熱系數(shù)α0=11.3 W/(m2·℃)，傳熱系數(shù)k=0.320 W/(m2·K)，環(huán)境溫度32 ℃。箱內(nèi)空氣溫度-18 ℃。按下式計(jì)算：

(2)

復(fù)核所計(jì)算的保溫層厚度不出現(xiàn)凝露就是校核標(biāo)準(zhǔn)。在相對(duì)濕度為75%下查空氣的h-d圖，其露點(diǎn)溫度為28.2 ℃，可見，不會(huì)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

2 降低能耗設(shè)計(jì)

2.1 采用雙門封結(jié)構(gòu)

采用雙門封結(jié)構(gòu)能夠有效防止冷氣外露，提高制冷效果。雙門封結(jié)構(gòu)的箱框(圖4)內(nèi)有方鋼作為增加強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。

圖4 箱框結(jié)構(gòu)

2.2 蒸發(fā)器、冷凝器、毛細(xì)管、壓縮機(jī)的性能提高

如表1所列，蒸發(fā)器的優(yōu)化主要有三點(diǎn)：①增加蒸發(fā)面積、蒸發(fā)溫度。即采用五面蒸發(fā)器，提升制冷能力；②提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率。使箱體內(nèi)的溫度分布盡量均勻，減少較熱的點(diǎn)，提高制冷性能；③將蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑的流向改變。采用下進(jìn)上出的方式，使得制冷劑蒸發(fā)充分。

表1 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)匹配

為實(shí)現(xiàn)冷凝器換熱強(qiáng)化和液體過冷循環(huán)改造，新的冷凝器的優(yōu)化通過兩個(gè)措施來實(shí)現(xiàn)。首先，將冷凝器規(guī)格由原來的φ4.76×0.71變更為φ4.0×0.5，即管徑由原來的φ3.34更改為φ3。其次，增加冷凝器的管長(zhǎng)，使制冷劑冷凝溫度進(jìn)一步降低，將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，即為液體過冷。

選用R600a高效壓縮機(jī)QD35Y，蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)行了優(yōu)化后, 制冷系統(tǒng)的冷凝溫度下降, 同時(shí)蒸發(fā)溫度提高, 制冷劑流量也就相應(yīng)加大。系統(tǒng)制冷劑流量加大, 毛細(xì)管的流量也要相應(yīng)加大, 否則蒸發(fā)溫度就會(huì)降低, 制冷性能也隨之降低, 能耗相應(yīng)增大。因此, 毛細(xì)管流量必須作一定程度的調(diào)整。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比, 毛細(xì)管流量調(diào)整后, 耗電量相應(yīng)減少。

本次研究的BD625型大冷柜原是五級(jí)能效，質(zhì)量可達(dá)到國(guó)際一般水平，通過此次的冷柜箱體的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化來達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的效果，能效等級(jí)提高到四級(jí)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中主要開展了大冷柜BD625的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，通過系列實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法對(duì)制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化匹配和改進(jìn)；通過對(duì)冷柜絕熱層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，確立了70 mm超厚保溫層作為最終尺寸；通過研究微孔發(fā)泡技術(shù)并將其應(yīng)用于該產(chǎn)品設(shè)計(jì)；通過這次的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，驗(yàn)證了制冷系統(tǒng)可以繼續(xù)完善，并使冷柜的能耗等級(jí)提高到四級(jí)，從而達(dá)到減少碳排放的目的，同時(shí)也達(dá)到了減少企業(yè)制作成本，提高商品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的目的。