解决环温影响冰箱控温方案的探讨

2018-08-06朱裕君麦丰收

家电科技 2018年7期

朱裕君麦丰收

ZHU Yujun MAI Fengshou

佛山通宝华通控制器有限公司广东佛山 528000

Foshan Tongbao Huatong Controller Co., LTD Foshan 528000

冰箱作为家庭日用电器，使用已经非常普及，但由于全球不同地区的气候环境差异性很大，所以冰箱在设计时，需根据不同的气候环境条件，设计不同的冰箱控温技术参数，保证冰箱的正常运行。根据家用冰箱国际标准规定，分为4种类型：亚温带型（代号为SN，适宜的使用环境温度为10℃～32℃）；温带型（代号为N，适宜的使用环境温度为16℃～32℃）；亚热带型（代号为ST，适宜的使用环境温度为18℃～38℃）；热带型（代号为T，适宜的使用环境温度为18℃～43℃），从冰箱需要根据气候环境温度进行分类可以看出，环境温度对于冰箱性能的影响是非常大的。

目前冰箱温度控制的主流方法有两种，一种是采用电子式温控器进行控制，另外一种是采用机械式温控器进行控制。采用电子式温控器控制的冰箱外观漂亮，功能较多，温度控制准确，已经越来越受到推广使用，逐渐成为主要的控制方法，但也由于电子元件复杂，在极端高温低温恶劣环境下，或电能供应不稳定的区域，容易发生故障，另外成本也比较高。采用机械式温控器，由于其结构简单，可靠性高，而且成本低廉，在未来一段时间内，仍然会有很大的市场，尤其在中低端制冷器具的市场，发展空间较大。但也由于其控制精度不高，只能满足一般使用要求，对于高精度要求多门产品，使用受到限制。

机械式温控器一般的控制精度可以达到+/-1.5℃，在控温精度方面相对电子式较差，冰箱冷藏室温度一般要求控制在2℃～5℃之间，箱内温度波动范围较小，如果感温点直接放在箱体内控制箱内温度，机械式温控器的控制精度往往达不到要求，所以一般温控器感温点都布置在靠近冰箱蒸发器附近，通过控制蒸发器温度来间接控制冰箱箱内温度。目前主流的冰箱采用双门结构，分冷藏室和冷冻室，温控器本体部分一般装在冷藏室内，感温毛细管通过管道插入靠近蒸发器附近感温，当温度升高时，温控器接通，压缩机开始制冷，蒸发器和箱内温度逐渐降低，直至达到温控器设定的关机温度，温控器断开，压缩机停止制冷，在外部温度影响下蒸发器和箱内温度逐渐升高，直至升温到温控器设定的接通温度，温控器接通，压缩机再次开始制冷，如此周而复始，使冰箱内温度控制在设计范围内。双门直冷冰箱，一般只有一个温控器控制冰箱冷藏室温度，冷冻室的温度通过设计分配蒸发器盘管的长度来分配制冷量，在控制冷藏室温度的同时也间接控制了冷冻室的温度。

本文针对普通的机械式温控器受环境温度的影响进行分析，并提出一种解决受环境温度影响的方案。冰箱设计要求外部环境温度一般在16℃～32℃时，冷藏室温度控制在0℃以上，冷冻室温度控制在-18℃以下，但通过控制蒸发器温度来间接控制箱内温度方式，当环境温度改变时，箱内温度会随外部环境温度的升高或降低而产生波动，对于制冷能力不足或者保温能力不足的冰箱，甚至会出现温度超出范围的不良情况，典型的市场不良反馈是冰箱冷藏室严重结冰或者冰箱温度过高失去保鲜功能。

图1 冰箱冷藏室温度曲线

图2 环境温度16℃时冷藏室温度和蒸发器温度曲线

图3环境温度32℃时冷藏室温度和蒸发器温度曲线

图1 为冰箱冷藏室比较典型的温度曲线，图中横坐标为外部环境温度的变化，纵坐标为冷藏室温度的变化。正常情况下，当环境温度固定时，冰箱运行平稳后，冷藏室温度会固定在很小的范围内波动，基本可以认为是恒定的，比如图示环境温度为16℃时，冷藏室温度大约在5℃左右，随着环境温度的升高，如从16℃上升到32℃，冷藏室温度会逐渐降低，直到冰箱箱体散热和压缩机制冷能力达到平衡，冰箱达到可获得的最低温度，图示环境温度大概在31℃左右，冰箱冷藏室温度达到最低，然后随着环境温度的升高，由于冰箱箱体的散热大于压缩机的制冷能力，冷藏室温度由降低变为升高。冰箱的这种特性，在通过控制压缩机开停来控制箱内温度的产品上普遍存在，产生的原因主要是在不同环境温度时，压缩机运行制冷的时间不同造成的。压缩机运行的时间与箱体向外部环境散热的快慢有关，低温环境时散热慢制冷时间短，高温环境时散热快制冷时间长。为了更好的说明这种特性，下文分别说明冰箱在环境温度16℃和32℃两种环境时的运行情况。

图2为冰箱处于环境温度16℃时，冷藏室温度和蒸发器温度曲线。图中横坐标为时间，纵坐标为温度，上面一条实线曲线为冷藏室内的温度，下面一条实线波动折线为蒸发器的温度，温控器感温度点放置在靠近蒸发器的附近，可以视为和蒸发器温度一致，温控器设定开机温度为5℃，关机温度为-30℃，中间两条虚线为冷藏室温度控制的目标范围2℃和5℃。冰箱性能设计一般要求在正常环境温度25℃下，冷藏室内温度控制在目标范围2℃～5℃之间。如图2所示，当环境温度在16℃时，环境温度较低，冰箱运行后箱体内温度和环境温度相差较小，箱体散热慢，蒸发器温度降到温控器设定的停机温度-30℃的时间较短，可能小于30分钟，停机后升到温控器开机温度5℃的时间较长，可能大于30分钟，由于获得的制冷时间相对较短，累积多次循环系统稳定后，冷藏室温度最终会处于上差5℃左右，甚至有时出现高于5℃的情况，使冰箱温度太高而失去保鲜功能。

图3为冰箱处于环境温度32℃时，冷藏室温度和蒸发器温度曲线。当环境温度在32℃时，环境温度比较高，冰箱运行后箱体内温度和环境温度相差较大，箱体散热较快，蒸发器温度降到温控器设定的停机温度-30℃时间较长，可能大于60分钟，停机后升到温控器设定的开机温度5℃的时间较短，可能小于30分钟，由于获得的制冷周期相对较长，累积多次循环系统稳定后，冷藏室温度会逐渐低于设计希望达到的2℃，甚至会低于0℃而导致结冰严重。

综合上述情况，采用一般的普通机械式温控器，存在以下问题：

（1）当环境温度较低时，冷藏室温度过高，冰箱失去保鲜功能；

（2）当环境温度较高时，冷藏室温度过低，甚至出现结冰问题，同时能耗增加。

针对此类问题，我司开发了一种带有两个感温探头的温控器，可以有效消除环境温度的影响，如图4所示。两个感温系统同时控制一个开关，感温点一安装在蒸发器附近，控制压缩机接通；感温点二安装在冷藏箱内，控制压缩机断开。在升温周期，感温点一没有升到开机温度前，即使感温点二达到开机温度，开关也不接通，直到感温点一升到开机温度，开关才接通。在降温周期，感温点二没有降到关机温度前，即使感温点一达到关机温度，开关也不断开，直到感温点二降到关机温度，开关才断开。通过两个感温点的控制，可以有效消除环境温度的影响。下面为采用此种温控器后的冰箱的性能分析。

图5为采用双感温探头温控器冰箱在环境温度16℃时的曲线，感温点一安装在蒸发器附近，控制温控器接通，接通温度设定为5℃，感温点二安装在冷藏室内，控制关机，关机温度设定为2℃。在第一次制冷周期，蒸发器温度逐渐下降，冷藏室温度也逐渐下降，直到冷藏室温度达到置于冷藏室的感温点二断开温度2℃才断开，随后蒸发器升温，达到置于蒸发器感温点一的设定温度5℃后温控器接通，然后压缩机又开始运行制冷。由于环境温度较低，箱体散热较慢，第二个制冷周期蒸发器温度比第一个制冷周期的温度高一点即可使冷藏室温度达到断开温度2℃，后续的运行周期蒸发器温度逐渐升高，最后达到稳定状态，但冷藏室温度一直稳定控制在2℃～5℃之间。此种方式控制系统，第一次制冷周期，冷藏室温度即可以达到目标范围2℃～5℃，而普通的机械式温控器，需要系统稳定后才能达到目标范围温度。

图6为双感温探头温控器冰箱在32℃环境温度时的温度曲线，制冷控制过程和在16℃环境温度时的控制过程一样，只是由于环境温度较高，箱体散热较快，相对于在16℃环境温度时的温度曲线，其制冷的时间更长，波动的频率要缓慢，冷藏室也是在第一个制冷周期就可以稳定在目标范围2℃～5℃。