电场保鲜冰箱的电场优化

陈 娜 高冬花 朱忠浩

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引用

冰箱是人们日常生活中必不可少的家电，冰箱最主要最基本的功能是食品保鲜。自二十世纪80年代冰箱逐渐普及以来，其冰箱中应用的保鲜技术在不断更新，特别是进入二十一世纪后，随着我国科技水平的不断发展，保鲜技术的更新换代也在加快。目前，冰箱中常用的保鲜技术包括气调保鲜、离子保鲜、电场保鲜、速冻保鲜、增湿保鲜、光合保鲜等方法。

其中电场保鲜因具有不改变用户使用习惯、能耗小、效果明显、无副作用等优点而近年来在冰箱中得到了广泛的应用。在冰箱电场中，一方面，果蔬由于受到外加电场的干扰而改变了原来固有的电荷分布，从而使主要以铁离子充当电子传递体的呼吸酶的活性减弱，最终抑制或减缓了果蔬的呼吸作用，达到保鲜的效果。另一方面，当冰箱空间施加电场时，冰箱中的果蔬以及果蔬中的细菌同样会受到电场的作用，冰箱中的高压电场会击穿细胞使其失去活性，从而起到果蔬保鲜的效果[1]。

1 电场保鲜冰箱的电场发生装置及现状

图1为冰箱中的电场发生装置。其中高压产生装置与冰箱的主控板相连，用来将220 V的工频交流电压变换为2 000～2 500 V的交流电压。放电板的作用是改变电场的分布状态，使其覆盖冰箱的整个区间。

图1 冰箱中的电场发生装置

为了定量的表示电场强弱和保鲜效果的关系，研究中使用高压探棒对冰箱中的电场进行测量。根据以往的研究表明，为了保证冰箱中的食品保鲜效果，测得冰箱空间的感应电势应不小于30 mV[2]。以BCD-481冰箱为载体，将两块放电板放置于如图2所示冰箱内胆的发泡层侧。测量空间各点的电场强度如图2所示。由图可知，当两块放电板放置于冰箱的中间部位时，距离放电板距离较近的中间部位，电场强度较大；而距离放电板距离较远的四周部位，电场强度较小。最小值在冰箱的右下角，电场强度为3.4 mV，距离有效数值30 mV差距较大。最小值与最大值的比例为3.4/1070～0.0032，此结果表明冰箱内电场分布极不均匀，因此需要采取相关措施在保证有效最小值的前期下对冰箱内的电场进行优化。

图2 优化前冰箱空间的电场分布

2 冰箱内电场强度优化的理论计算

为了优化冰箱中的电场，需先明确冰箱中电场的理论模型。根据以往的研究，工频电场具有如下特点：

1）由电荷产生，而几乎与磁场无关；

2）其变化产生的磁场几乎为零。

根据以上工频电场的特点我们尝试用静电场的理论分析冰箱中的电场分布情况。在静电理论中，空间一点的电势为Q/4 πε0r

式中：

Q—空间的电荷量；

r—空间测量点到点电荷的距离；

π、ε0—常数。

根据电势的计算公式可以看出，空间一点的电势与电荷的电量成正比例关系，与距离成反比例关系。若电荷的分布不变，则距离电荷越远的地方其电势也越小。在冰箱的电场保鲜应用中，为了增大空间一点的电势，可以采用增大电荷或缩短电荷与测量点距离的办法。考虑到产品成本的问题，计划采用缠绕金属线的方式改变电荷在冰箱空间的分布，同时缩短测量点和电荷的距离。为了从理论上分析此种方案的可行性，同时为便于计算，缠绕金属线的冰箱简化模型如图3所示。

图3 缠绕金属线的冰箱模型

2.1 均匀带电直线在任意点产生的电势

如图4所示带电直线，电荷线密度为 λ，长度为 2 l，取带电直线的中点为坐标原点，建立平面坐标系oxy，取无穷远处为电势零点，根据静电场理论，则该带电直线上的dx′在任意P（x，y）点产生的电势为：

图4 均匀带电直线在二维空间任意点产生的电势

该直线在P点产生的电势为：

2.2 扩展到带电直线不在坐标轴的情况

如图5所示，设均匀带电直线AB位于oxy平面内，两端点的坐标分别为 A(x1，y1，0)，B(x2，y2，0)，P 的坐标为P(x，y，z)，则有：

图5 均匀带电直线在三维空间任意点产生的电势

根据余弦定理：

下式中x表示P到直线的法线的距离，y表示P到直线的垂直距离，则：

2.3 四边形电极电势计算

如图3所示，对本方案的四边形电极在P点产生的空间电势为：

2.4 化简

为方便计算，忽略电极贴装误差，以冰箱冷藏室为例，将冰箱冷藏室及电极简化为正方形。电极四顶点ABCD所在平面为oxy平面，将o点定义在ABCD中心点位置，ABCD四点坐标简化为A（l，l，0）、B（-l，l，0）、C（-l，-l，0）、D（l，-l，0），冷藏室空间中任意一点P（x，y，z）的空间电势：

2.5 验证

由于金属线上的电荷密度不容易测量，采取数值对比的方式对以上理论进行验证。为了方便计算，取中心点O和靠近边缘A点的Q（0.9l，0.9l，0）点进行验证：

即边缘点与中心点的空间电势比例为2.72/1.76=1.54。此结果表明冰箱内部电势的均匀性有了明显的提升。

3 实际优化结果

为了验证此方案的实际可行性，在冰箱内胆口四周缠绕了金属线。金属线的截面为0.5 mm2，材质为铜。缠绕金属线的冰箱内胆实物如图6所示。经实际测量，在高压产生装置的输出电压为降为1 100 V AC时，冰箱空间各点测量的感应电势如图7所示。可以看出，在降低电压的前提下，冰箱空间各点的电势和整个冰箱空间的电场均匀性都得到了明显的提升。 取与理论模型相近的边缘点数值59和中心点数值37，其比值为59/37=1.59。考虑测量误差和计算的简化，实际值与理论值基本相符。

图6 缠绕金属线的冰箱内胆

图7 优化后冰箱空间的电场分布

4 总结

保鲜是冰箱不断研究的技术课题之一。本文针对电场保鲜冰箱中存在的场强分布不均以及冰箱边缘空间场强较小的问题进行了研究。基于以往的研究成果，本文采用静电场的理论对冰箱的电场进行分析，提出通过在冰箱内胆四周缠绕金属线的方式来改变空间的电荷分布并缩短和测量点的距离，从而达到优化冰箱空间的场强分布和数值的目的。理论计算表明，此种方式可以很好的起到优化冰箱空间电场的效果。同时，本文通过实物样机的制作和测量，证明了此种方案的真实有效性。