应用超小排量变频压缩机的冰箱性能提效技术研究

陈开松 尚殿波 刘宏宇

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

目前，冰箱尤其是风冷冰箱，由起初的大容积高端冰箱风冷设计，逐步向小容积风冷冰箱设计转移，风冷冰箱概念逐步深入到千家万户。

风冷冰箱较常规的直冷冰箱而言，需要进行风道结构、化霜控制、主控板等设计与可靠性验证，技术难度大，整机成本偏高。高效的风道结构设计需要通过CFD[1]仿真分析软件进行优化与性能验证研究。当前，小容积风冷冰箱用变频压缩机的主流排量中最低的为7 CC，该种7 CC排量变频压缩机[2]主要适用于容积段为250～350 L的风冷冰箱，若250 L及以下容积段的风冷冰箱用7 CC排量变频压缩机，则经济性较差，故需要需求性价比较优的冰箱整机设计。

基于以上存在的问题，设计出一种5 CC排量变频压缩机，通过制冷部件、控制逻辑与风道结构等设计方案优化，应用5 CC排量变频压缩机，确保200 L及以下容积段风冷冰箱可以通用，冰箱整机性能与可靠性满足要求。

1 具体方案

以BCD-200 W*风冷冰箱为研究载体，从箱体热负荷计算、制冷部件蒸发器结构优化、风道结构优化、控制逻辑优化以及压缩机具体设计参数等角度出发，采用5.2 CC排量变频压缩机，完成风冷冰箱载体主要性能验证，确保满足既定目标要求。

1.1 冰箱载体热负荷计算[3]

冰箱箱体热负荷Q总包括箱体漏热量Q1、开门漏热量Q2、贮物热量Q3和其它热量Q4，即：

箱体漏热量Q1包括通过箱体隔热层的漏热量Qa，通过箱门和门封条的漏热量Qb，通过箱体结构形成热桥的漏热量Qc，故：

1）箱体隔热层的漏热量Qa，由于箱体外壳钢板很薄，而其热导率λ值很大，所以热阻很小，可忽略不计。内壳多用ABS等塑料板，最薄的四周部位只有约1.0 mm。塑料热阻较大，可将其厚度一起计入隔热层，因此箱体的传热可视为单层平壁的传热过程，故：

式中：

A—箱体外表面，单位为m2；

K—传热系数，单位为W／(m2·K)，

具体K的计算式：

式中：

a1—箱外空气对箱体外边面的表面传热系数，单位为 W/(m2·K)；

a2—内箱壁表面对箱内空气的表面传热系数，单位为 W/(m2·K)；

δ—隔热层厚度，单位为m；

λ—隔热材料的导热率，单位为W/（m·K）。

2）通过箱门与门封条进入的漏热量Qb

由于Qb值很难通过计算得到，根据经验Qb取为Qa的15 %。

3）箱体结构部件的漏热量Qc

箱体内外壳体之间支撑方法不同，Qc值也不同。一般可取Qc值为Qa值的3%左右。目前聚氨酯发泡成型隔热结构的箱体，无支撑架形成的冷桥，因此Qc值可不计算。

关于开门漏热量Q2、贮物热量Q3和其它热量Q4在当前不开门计算性能测试过程中用不到，在此不进行计算。

根据以上箱体热负荷的计算公示以及简化计算设计要求，根据我司冰箱载体BCD-200W*的结构设计参数，将冰箱载体的原有参数列入到该表格中，得出冰箱载体热负荷。箱体尺寸参数如表1所示。

新国标需要同时测试两个环温（16 ℃与32 ℃），此处仅计算新国标下的32 ℃环温对应的冰箱热负荷，同时计算出38 ℃高环温储温对应的冰箱箱体热负荷，具体结果见表2。根据热负荷结果，确认应用5 CC排量变频压缩机冷量的可行性。

1.2 风道结构优化设计

风冷冰箱需要风道结构配合制冷风扇将制冷蒸发器所产生的冷量带入到冰箱各个制冷间室中去，实现各个制冷间室的制冷需求。故风道结构设计的优劣直接关系到风冷冰箱整机性能的优劣。采用CFD仿真分析软件分析风道流场的方法是目前行业中采用比较普遍的一种方法。

表1 箱体各部位具体尺寸

表2 箱体热负荷计算值

该款冰箱载体为两门结构，从上到下依次为冷藏间室与冷冻间室。蒸发器位于冷冻间室蒸发器仓内，置于冰箱后背中。通过制冷风扇、风道与风门的配合，实现冷冻间室上部冷藏间室制冷需求。

应用CFD仿真分析软件，重点分析冷冻风道结构改进前后的冷冻风道流场，针对有旋涡与短路的部位进行优化设计，确保采用较小冷量的压缩机条件下，通过风道效率的提升，可以强化整个风道循环系统的循环效率。

表3 6CC压机性能参数

1.3 压缩机改进设计

该款冰箱载体原先采用的压缩机为6 CC排量，具体参数见表3。

更换为5 CC排量变频压缩机，具体参数如表4。

从6 CC与5 CC排量压缩机参数中可以看出，在38度环温下，对比6 CC所采用的变频压缩机冷量，同等转速冷量降低约10 %，考虑到5 CC压缩机既定设计转速以及可靠性要求，综合考虑高环温储藏温度要求，该款压缩机采用4 380 RPM设计，基本可以满足整机的。

1.4 控制逻辑优化

压缩机采用2.3中的描述所制定的既定转速进行运行控制。

储藏温度方面：38 ℃环温下，冰箱载体原来设计的，所采用的压缩机在3 900 RPM条件下，对应的压缩机冷量约为123 W，高效点在1 800～2 400 RPM之间。新国标能耗测试中，需要分别测试32 ℃与16环温下的整机能耗，其中32 ℃环温下，压缩机运行转速为1 800 RPM，16 ℃环温下，压机转速为1 200 RPM。

能耗测试方面：对比6 CC排量采用的压缩机转速与效率值，5 CC排量压缩机的效率（COP）至少与原6 CC持平。从压缩机的设计参数来看，高效点在1 800 RPM及以上，如考虑采用相近的开机率，同等转速下，应用5 CC排量压缩机的冰箱载体开机率将提高，实际冰箱匹配中，适当提高开机率更有利于节能，但开机率不易过高，建议开机率80 %～85 %比较好。基于以上分析结果，实际设计的32度环温对应的压机转速为1 980 RPM，16度环温为1 320 RPM。

1.5 制冷部件优化

制冷部件主要除压缩机，主要为两器即蒸发器与冷凝器。

蒸发器需要提高换热性能，将常规斜插结构更换为扭角拉账结构换热性能更优。

冷凝器为侧帮冷凝器，采用D型管冷凝器，确保冷凝器与侧帮接触面更大，换热更强，换热效果更好。

1.6 噪音验证

基于该款冰箱载体从6 CC压缩机更换为5 CC压缩机载体，实际运行过程中，最高运行转速由3 900 RPM更改为4 380 RPM，需要验证改进后的整机噪音，确保整机噪音满足标准要求。

噪音是冰箱的一个重要指标，实际噪音测试采用新国标6点法进行测试验证。

2 试验结果分析

2.1 两器新结构设计结果

冰箱载体用蒸发器由常规的常规斜插结构更换为扭角拉胀结构，具体如图1（a）所示，扭角拉胀结构可以确保斜插条件下的蒸发器管道与翅片可以更加充分的接触，确保换热性能更优。经过实验测试验证，对于200 L左右冰箱用蒸发器，扭角拉胀蒸发器较常规结构的换热性能提升约3.8 %。

冰箱载体用冷凝器由常规结构修改为“D型”管结构，具体如图1（b）所示，确保冷凝管道的扁管部位与侧帮接触更充分，换热性能更优。经过实验测试验证，对于200 L左右冰箱用冷凝器，“D型”管结构冷凝器较常规结构的换热性能提升约3.5 %。

冷凝器与蒸发器换热效果均得到提升，才可以确保整机性能得到提升。

2.2 冷冻风道优化结果对比分析

冷冻风道结构改进前后的流场见图2（a）与图2（b）。从图2（a）流线图可看出，红圈圈位置存在涡流，阻力大，耗能高。该种结构模型的六个出风口的风量分配均匀性较差，导致各间室风量分配不佳。需要对风道结构再优化设计，如图2（b）所示，优化流线图有较大好转，优化后各出风口风量较为均匀，风量分配均匀性较好。

表4 5CC压机性能参数

图1 冰箱载体用冷凝器

图2 冷冻风道结构

2.3 整机性能结果

新国标下，测试16 ℃与32 ℃的冰箱整机耗电量，具体测试曲线见图3、4。

耗电量测试：32 ℃环温下，6 CC压缩机采用2 040 RPM，开机率约为88 %，16 ℃环温为1 320 RPM，开机率约为69 %。两种环温对应的压缩机转速可以较好地发挥变频压缩机与整个制冷系统的匹配优势，确保制冷系统性能得到提升。

图3 16 ℃环温下整机能耗测试曲线图

图4 32 ℃环温下整机能耗测试曲线图

图5 38 ℃环温下整机储藏温度测试曲线图

表5 两款冰箱载体整机噪音实测结果

储藏温度测试：38 ℃环温下，储藏温度测试曲线见图5。从测试曲线可以看出，应用5 CC排量变频压缩机，冷藏室与冷冻室的温度均满足储藏温度测试要求，测试曲线满足控制逻辑运行要求。

2.4 噪音测试结果

按照新国标噪音测试方法，采用6点法进行噪音测试，整机测试结果见表5。从测试数据结果来看，5 CC压缩机在4 320 RPM，噪音与6 CC排量压缩机3 900 RPM时的噪音值相当。整机噪音满足项目指标要求。

通过以上整机耗电量、储藏温度与噪音测试结果来看，此款更小排量的变频压缩机可以满足200 L及以下冰箱载体的性能要求。整机噪音值在标准范围内，满足既定指标要求。

3 结论

通过对BCD-200W*风冷冰箱载体的风道结构优化设计、5 CC压缩机参数设计以及控制逻辑改进设计，实现5 CC变频压缩机代替6 CC变频压缩机的设计要求。冰箱整机主要性能与噪音均满足标准要求，与6 CC排量压缩机配的整机性能相当。