追求家用冰箱的便利性与节能性

2013-01-26大平昭義日立製作所日立研究所

家电科技 2013年2期

大平昭義（株）日立製作所日立研究所

船山敦子日立アプライアンス（株）開発センタ译孙自伟

1 前言

根据日本资源能源厅的供求概况（2004年度），家庭内的冰箱耗电量比例为16.1%，仅次于空调器（25.2%）。因此，冰箱市场对提高节能性能的需求非常大。另一方面，随着双职工家庭的增加，一次采购大量食材的生活方式，加速了冰箱的大容量化。但是，与此相反的节能性能与考虑到设置空间紧凑化的技术开发变得越来越重要，还有，随着健康理念的提高，相对于控制保存过程中食材鲜度损耗的需求也在增高。所以，紧凑化、大容量、高节能、高保鲜成为冰箱产品的开发理念。

日立2011年秋上市的型号为R-B6700的6门冰箱，最大容量达670升，在冰箱的中段部分配置了冷冻室，在冷藏室的下部设置了约减压为0.8个大气压的“真空冷却室”，以求控制在保存中食材的鲜度损耗。本文将以此冰箱为例，对实现大容量的节省空间、节能技术与控制食材鲜度损耗为目的的保存方法加以说明。

2 提高大容量与多门化的便利性

图1是日立冰箱的变迁。目前，大容量与多门化的趋势已经成为冰箱市场的一大特征，内容积在500～600L，冷藏室双开型六门冰箱的比例开始增加。这样变化在很大程度上是受到社会环境变化与独特饮食文化的影响，加上食材的集中购买、饮食生活的变化，需要保存比以前更多种类的食品，要求适合各种食品保存环境的保存空间。还有，即使在狭小的厨房设置冰箱时，通过将冷藏室门做成双开型，提高冰箱的使用便利性，再追加自动制冰与速冻为代表的新功能，就成了推动多门化与大容量化的原因。

考虑到厨房空间，冰箱的设置空间受到限制，所以，外形尺寸与原来相同，同时提高与冰箱大容量化相反的节能性能的技术开发就成了一大关键。图2是冰箱的基本结构图。作为内容积，冷冻室、冷藏室、蔬菜室等容纳食品的空间就是有效空间。

另一方面，由将冰箱的外壳与内胆分隔开的绝热壁、压缩机、冷却器、冷气风路构成的制冷循环所占的容积是不能作为内容积来算的无效容积，但是，是为了提高节能性能而配置的必要元件。

分隔冰箱外壳与内胆的绝热壁最重要的是投入少量能量就能维持内胆的设定温度。通过将提高了冰箱绝热性能的真空绝热材料与聚氨酯泡沫塑料组合，实现了节能性能的提高与使设置空间紧凑化的省空间大容量化。关于真空绝热材料的高性能化，通过改进吸附剂，提高了绝热性能，还有，改进了不经热压就将真空绝热材料放入内袋的方式，开发了能比较自由地进行弯曲加工的真空绝热材料，就能设置与冰箱机箱的绝热形状相匹配的真空绝热材料。

因此，就能大大提高真空绝热材料的覆盖率（真空绝热材料相对于冰箱外表面全面积的覆盖面积），成为大容量化与省空间、节能化并存的一大关键元件。还有，控制基板零件的高密度安装带来的小型化、安装状态带来的冷却风路紧凑化以及有关压缩机小型化的开发，在力求实现各元件高性能化的同时，使内容积进一步实现扩大化。

3 与大容量化并存的节能化技术

如图3所示，日立2007年度产品，内容积为601L，全年耗电量为490kWh/年；但是，2011年度产品为670L，全年耗电量却降为260kWh/年，实现了符合市场需求的大容量化与节能化的并存。针对冰箱节能性能的市场需求，各公司节能竞争很激烈，加上作为冰箱的主要元件冷却器、压缩机、绝热材料的高效化，通过冰箱系统整体的高效化，力求进一步降低耗电量。

3.1 霜再循环冷却

本公司从2009年开始采用独自的节能技术“霜再循环冷却”。该冷却系统应用的是参考文献[1]中记载的冷却系统。冰箱示意风路结构参见图4。一般通过运转压缩机后，形成低温的冷却器（翅片管式热交换器）与在冰箱内循环的空气进行热交换，使冰箱冷却，不可避免会在负温度的冷却器内形成霜。如果霜不断增加，空气与冷却器之间的传热性能就会下降，还有，因通风阻抗增加，风量也会下降，因此，定期地用电加热器（除霜加热器）加热化霜，实施将除霜水排到冰箱外的除霜运转，加上因为霜的缘故，冷却器在冷却运转中热交换性能下降，除霜时加热器还需要电力，双重因素是导致节能性能下降的原因。

另一方面，如果改变一下视角，原来仅仅是溶解排除的霜由于具备比热与溶解潜热很大的“冰”的性质，所以，对于维持在正温度带的冷藏室与蔬菜室来说就成了有用的冷热源。加上冷却器翅片的表面处理与冷却器安装状态下的流体分析等结霜量降低化技术，是一个有效利用成长霜冷热的新想法。在压缩机停止时，利用霜将冷藏室（包括蔬菜室）冷却，谋求冷藏运转中制冷循环的高效化，在除霜运转中还可以采用运转冰箱内风扇的同时通过除霜加热器将霜加热的新的除霜方式。

图5是除霜时的热流动示意图。是利用霜的溶解潜热对冷藏室（包括蔬菜室）制冷的同时进行除霜的新方式。利用通过绝热壁侵入冷藏室热量QR的本除霜方式，QR与除霜加热器电量Eheater相加的值大致与Qforst相等，与不利用冰箱内热负载的原方式（除霜中不能冷却）相比，仅仅是利用冰箱内热负载QR的部分，加热器用电量减少，就能实现节能化。

为了实现以上的冷却运转与除霜运转，加上一直以来设在冷气风路中的冷藏室，冷气风门，控制冷冻室、蔬菜室冷风的冷冻室冷气风门，设置蔬菜室冷气风门，就能实施符合各个设定温度的冷却运转，实现制冷循环的高效化。

3.2 冷媒阀控制

为了进一步提高节能性能，2010年度产品安装了冷媒阀（双向阀），加上上述的冷器控制，以求提高节能性能。原来，压缩机停止后的冷媒因制冷循环内的压力差，散热侧的高温高压冷媒流入低压侧的冷却器内，在压缩机停止过程中，冷却器温度上升，成为冷却运转时热负载增加的原因。因此，压缩机停止时，关闭双向阀，通过防止高温高压冷媒流入冷却器，提高冷却运转时的效率。还有，在2011年度产品中，开发出可切换采用三通阀高温侧冷媒通路的新制冷循环，并应用到产品中。

如图6所示，因冷冻室的冷气影响很容易结霜，因此，在连接冷冻室前面门内壁的部分时，在冷冻室周围的侧壁面与分隔部埋设一部分制冷循环的散热管，在压缩机运转中，让高温冷媒流动、加热，控制了结霜，但是，原来高温冷媒的加热方式不顾周围的湿度，恒常对分隔部加热，低湿度时就会出现过度加热，因为对冷冻室侧的热侵入导致节能性能恶化的原因。

为了调节低湿度时控制结霜所必需的热能，设置了三通阀，通过切换高温冷媒的流入通路，重新开发了控制向冷冻室热入侵的控制装置，设置将冷冻室周围的分隔部加热的通路(A)与不加热分隔部的旁通通路(B)，根据用湿度传感器检测的湿度，由三通阀切换高温冷媒的流入通路。由此，控制结霜的同时又降低了对冷冻室的热入侵，进一步提高了节能性能。

4 开发高鲜度保存技术

对于防止预防人病与衰老变化来说，摄入维生素C等抗氧化成分，一种必需脂肪酸、改善血液循环的DHA（二十二碳六烯酸），EPA（二十碳五烯酸）等营养成分是有效果的，但是，这些营养成分具有易氧化的性质，如果在降低氧化的环境下保存食品，就能控制因氧化导致的损耗，保持鲜度与营养素。

对于降低氧来说，可考虑①减压后降低含氧量，②只分离氧分子后排气，③注入氮气等，④设置除氧剂等方法，作为可以长期稳定降氧的方法，开发了用真空泵在减压状态下保鲜的“真空冷却”［2-4］。

如图7所示。为了让食品保存容器内减压到0.8个大气压，在容器背面侧设置了真空泵。减压时，容器顶部的面积约为620×330mm、0.8个大气压时对食品保存容器施加的压缩负载约在4kN以上。在2011年度本公司冰箱安装的本食品保存室上加上压力传感器，还重新安装了温度传感器、存放量传感器、CO 传感器，执行能自动地设定成合适保存温度的控制。存放量传感器通过检测真空泵的抽真空时间，检测食品保存容器内部残存空气量的多少判断食品的量。CO 传感器检测因蔬菜的呼吸使CO 浓度增加，如果有蔬菜就不冻结，为冷却温度（约1℃），如果没有蔬菜，就自动设定成适合肉、鱼保存的冰温（约-1℃），通过开启关闭真空冷却冷气风门来实施温度控制。

在力求结构简约化与轻量化的同时，为了响应大容量化的要求，在扩大宽度后又增加了深度，提高了使用便利性。由于因减压产生的负载与表面积成比例地增加，将加入了玻璃纤维加强材料的ABS树脂制箱子分成上下2部分后严密熔敷，采用中心部凸起的流线型结构，实现了大容量化。

通过确保食品保存容器内约在0.8个大气压，就能控制食品中所含营养成分的氧化，还能设定适合保存在容器内食品种类的温度。保存温度设定到-1℃（冰温设定），可以控制酶破坏肉与鱼的主要成分蛋白质，如果是控制鲜度损耗设定，保存温度设定到1℃（冷却设定），主要是为保存切开的蔬菜与水果、水分多的食品做好设定准备。以下对采用本保存方法产生的鲜度与营养素维持效果加以说明。

图8是在冷藏室以及“真空冷却（冰温设定约-1℃或者冷却设定1℃）”下保存3天时间时比较食品营养成分含有量的结果。用冰温设定（约-1℃）保存金枪鱼时，作为新鲜度指标的K值为10.8%，在冷藏室下保存时为17.2%，冷却设定下保存时为12.1%，得出了显示控制鲜度损耗的结果。

同样，用冰温设定（约-1℃）保存鸡肉时，K值为44.0%，在冷藏室下保存时为49.4%，冷却设定下保存时为46.7%，显示出控制鲜度损耗的结果。还有，冷却设定（约1℃）时，王菜中所含维生素E的残存量与冷藏室相比，显示约高11.5%的值。

通过本方法明确了对防止很容易受到氧化影响的营养成分损耗是有效果的。