无霜冰箱化霜熔断器故障分析及可靠性设计的研究及应用

蒋勇刚 江宾 熊克勇 梁桂生

合肥晶弘电器有限公司 安徽合肥 230001

0 引言

随着人们生活水平的提升，无霜冰箱逐渐“飞入寻常百姓家”。无霜冰箱相比较于普通直冷冰箱，主要是增加了化霜及控制系统。无霜冰箱化霜系统是保证无霜冰箱制冷系统正常运行基础系统，化霜加热器的安全控制主要依靠化霜熔断器完成。化霜熔断器是化霜系统安全控制的核心部件，化霜熔断器的设计是无霜冰箱化霜性能及安全性能设计的关键核心技术。化霜加热出现异常后，熔断器起到保护作用进行熔断，后续冰箱的运行也将会出现异常[1]，化霜加热器将不再工作，冰箱不再化霜，运行一定时间后，蒸发器将会出现大量结霜，制冷效率明显降低，结霜量持续增加会堵塞风路系统，造成整机制冷效果差或不制冷[2]。加热器出现异常后，按照软件的控制规则，熔断器起到保护作用是一种正常的安全控制。若加热器未出现异常，熔断器在化霜传感器达到温度点之前进行了保护，即化霜熔断器提前异常熔断，将是严重的质量问题，设计上需考虑避免此种情况的发生[3]。

通过调查及试验分析确定了熔断器异常熔断的几种主要故障原因：电冰箱输入电压偏高；缺少制冷剂；低环温运行；熔断器熔断温度点偏低；熔断器固定位置偏下等。此问题需要从设计方面根本解决。据了解，行业内对于熔断器的设计没有统一的方法，熔断器异常熔断经常发生。行业内普遍采取多次试错的设计方法寻找熔断器的设计位置，尚无有效的理论及实践方法。现通过调查及研究，提出了一种确定化霜熔断器设计位置的可靠性方法——双向平衡法，此方法为行业内熔断器可靠性设计提供了一个新的参考，确保产品在各种环境下使用不出现熔断器异常保护问题，使冰箱在各种环境下可以正常使用。

1 化霜熔断器异常熔断几种常见原因

根据多个品牌的售后维修实践及试验验证，确定化霜熔断器异常熔断的原因一般有以下几种情况：①电冰箱输入电压偏高；②制冷剂不足；③低环温运行；④熔断器熔断温度偏低；⑤熔断器固定位置偏低。

1.1 电冰箱输入电压偏高

我国长江流域水电极为丰富，目前长江流域数个省份居民用电电压普遍偏高，调查显示达到240 V是普遍现象，实际居民用电电压接近标准电压的1.1倍[4]。根据功率公式计算，加热器的实际功率达到标准功率的1.2倍左右。在1.1倍电压下，测试某品牌的BCD-491W单系统对开门无霜冰箱使用的KFD-394型号钢管化霜加热器测试表面温度比常压下上升明显[5]，试验数据显示上升30℃左右，如表1所示。

表1 加热器表面温度

加热器表面工作温度上升，会直接造成熔断器表面温度上升，对熔断器表面进行布点测试，如表2所示。

表2 熔断器表面温度

在1.1倍电压下，熔断器表面的温度会上升8℃，增加了熔断器的熔断风险。熔断器固定的位置一般要低于化霜传感器位置，高电压会造成熔断器温度上升速率高于化霜传感器。因此，高电压会加剧熔断器异常熔断的风险。

1.2 制冷剂不足

制冷剂不足（包含泄漏部分制冷剂）时[6]，进口上置蒸发器的产品会出现蒸发器表面结霜不均匀现象，一般会出现上多下少，甚至上多下无，此种现象被称为“偏着霜”现象，如图1所示。当蒸发器出现“偏着霜”现象时，冰箱化霜阶段加热器的热量会在蒸发器下部聚集，会使熔断器的温度急剧上升。在化霜传感器达到停机点之前，熔断器提前达到了熔断点，熔断器熔断[7]。通过梯度灌注量试验，分析熔断器表面温度变化情况。常温常压下，对某品牌的BCD-506W单系统对开门无霜冰箱进行此项试验。

图1 蒸发器的严重“偏着霜”现象

如表3所示，灌注不同梯度量的制冷剂，熔断器表面的温度最大会上升28℃左右，熔断器异常熔断的风险增大。因此，制冷剂缺少会增加熔断器异常熔断的风险。

表3 灌注量不同时熔断器表面温度

1.3 低环温运行

冰箱在-5℃运行时，整机的运行及化霜状态会出现与常温下比较大的差异，出现制冷时间极短，但是化霜时间极长现象[8]，主要原因为化霜时加热器需加热蒸发器内的制冷剂，制冷剂受热循环，将冷凝器内的低温制冷剂循环至蒸发器处，加热器持续加热，化霜传感器达到停止工作温度点的时间加长，消耗的热量会大大增加，出现化霜时间在低环温下急剧上升，熔断器表面温度明显上升现象。对某品牌的BCD-476W单系统对开门风冷冰箱进行此项试验。

如表4所示，低环温下，熔断器表面的温度急剧上升，接近熔断器的熔断特性温度，熔断风险极大。因此，根据试验数据进行判断，低环温是熔断器异常熔断的主要原因。

表4 熔断器表面温度

1.4 熔断器熔断温度偏低

化霜熔断器熔断特性温度点的设计是熔断器功能及安全设计的关键点，若熔断特性温度设计过高，熔断器熔断保护之前，冰箱加热器周围的塑料件将受到严重的热辐射，塑料件出现变形及烤黄现象，甚至出现安全风险[9]。若熔断特性温度设计过低，会出现冰箱正常工作下的熔断器提前异常熔断，会造成整机不制冷，并导致维修投诉。熔断器的熔断特性温度点需要设计安全验证试验进行验证。调查目前行业内使用的主要熔断器有5个品牌。考虑到塑料件的软化温度，熔断温度点的设计基本在67～73℃范围之内，个别品牌为65℃。若熔断器的熔断温度点小于此范围，异常熔断的风险将会急剧上升。

1.5 熔断器固定位置偏下

熔断器固定位置与熔断特性温度点的设计需要进行统一综合考量。两者存在一定的依存关系。熔断器设计固定位置距离加热过远或过近都将对熔断器表面的温度上升的速度产生明显的影响。熔断器的熔断温度一般在行业较为统一。因此，熔断器的固定需要选择合适的位置，如何设计位置问题就是本次研究的核心课题。

教师设计教学情境，营造全真工作环境与模拟现场，学生通过角色扮演，设身处地，情景表演，完成角色扮演教学的全过程。例如，在“西餐礼仪” 教学过程中，设置场景让学生分别扮演接待人员和客人，让“服务员”为“客人”进行引领、点餐、更换餐具等一系列的服务，结束后双方谈感受、指不足，其他同学在观摩时进行学习借鉴。该方法直观、形象、深刻，将枯燥的讲述转变为生动的课堂游戏，能激发学生浓厚的兴趣，增强教学效果。

2 化霜熔断器的可靠性设计方法

熔断器异常熔断的失效模式可以为维修人员及故障分析人员提供重要的参考。但是熔断器异常熔断问题需要从设计方面根本解决。通过理论研究及实践应用，现介绍一种无霜冰箱熔断器可靠性设计方法——双向平衡法。双向平衡法的原理为：通过可靠性试验设计确定熔断器的位置，可靠性试验为极限态等效运行可靠性试验及干湿烧试验。极限态等效运行可靠性试验的目的是使熔断器上移，干湿烧试验的目的是使熔断器下移，中间位置即为平衡位置，此位置可保证两个试验全部合格，因此，此方法可以确定熔断器的最佳设计位置，如图2所示。

图2 化霜控制系统结构示意图

双向平衡法的步骤为：首先，初步确定化霜熔断器的熔断特性设计温度，一般采用行业内的通用熔断设计温度为（70±3）℃，通过可靠性设计试验无法寻找到合适熔断器的位置后，再进行修正；然后，通过可靠性试验设计确定熔断器的位置，可靠性设计试验一般为极限态等效运行可靠性试验及干湿烧试验，极限态等效运行可靠性试验的目的是熔断器上移，干湿烧试验的目的是熔断器下移，两个试验全部合格后，确定熔断器的合适位置；最后，实施冰箱运行验证试验，在熔断器上布置测试点，通过采集熔断器表面温度数据，再次观察分析是否满足设计要求。

2.1 极限态等效运行可靠性试验

试验原理为：无霜冰箱在常温常压常湿（设定常态为25℃、220 V、55%RH）下运行，记录化霜结束时熔断器表面的温度为TH1。冰箱在低温高压高湿（设定极限态为0℃、250 V、90%RH）下运行，记录化霜结束时熔断器表面的温度为TH2，熔断特性温度为TDx，如表5所示。然后比较TH1和TH2的关系。结合温度、电压及湿度的应力强度理论，经过测算，常态下的可靠性试验的总体应力强度与极限态的强度关系为：

表5 熔断器表面温度及熔断特性温度（5个型号冰箱测试的平均值）

试验结果显示：TH1≈TH2/2 ≈TDx/2

式中：SS常态为常态状态条件下的应力强度；SS极限为极限状态条件下的应力强度。

因此，确定常态下化霜结束时熔断器表面的温度（TH1）需小于熔断特性温度值（TDx）的一半。试验方法为：无霜冰箱在常温常压常湿（25℃、220 V、55%RH）下运行，记录化霜结束时熔断器表面的温度为TH1。若此熔断器表面温度TH1达不到小于TDx/2的要求，将熔断器的位置上移，直至试验找到满足要求的临界点位置h1。

2.2 干湿烧可靠性试验

①加热器热辐射未对周围塑料件产生可见影响（变形、发黄等）；

②加热器表面温度THh＜394℃；

若目前熔断器的位置满足不了上述两个条件，则继续下移，确定可以满足条件的临界位置h2。

一般选择熔断器的合适位置为h1和h2两个临界点的中间位置，此处位置不仅可以满足两个可靠性试验，且皆有余量。一般情况下，可以通过双向平衡法确定熔断器的最佳设计位置。若出现h1＞h2的情况，则需要对蒸发器及加热器的尺寸进行重新设计。重新设计后，再次按照双向平衡法进行试验，寻找熔断器的设计平衡点。

2.3 设计验证确认试验

验证方法：选取此方法设计的6台冰箱在低温高压高湿（0℃、250 V、90%RH）下运行一周，记录化霜结束时熔断器表面的温度为TH2，确认TH2小于TDx，即极限态条件下熔断器表面的温度小于熔断特性温度，熔断器未发生异常熔断。同时，选取未采取此设计方法的冰箱进行对比。如表6所示，未采取此设计方法的冰箱熔断器表面的温度变化比较剧烈，且出现TH2大于TDx。

表6 新/老设计冰箱熔断器表面温度

采取新设计方法的冰箱极限态条件下熔断器表面的温度小于熔断特性温度，未采取此设计方法的冰箱熔断器表面的温度TH2大于TDx，保护性能不可靠。

2.4 应用情况

本设计方法实际已经开始在产品设计中大量应用，尤其是风冷两门对开冰箱产品，如某品牌BCD-506系列产品、BCD-437系列产品。跟踪市场质量维修情况，目前未出现过熔断器异常熔断现象。

3 结论

化霜熔断器设计是冰箱的安全设计的关键环节，化霜熔断器在冰箱发生异常时不能及时熔断，则对冰箱产生严重的安全影响；化霜熔断器在正常运行时，发生提前异常熔断则会造成无霜冰箱后续不化霜，最终导致冰箱不制冷，产生投诉维修。经过对售后的维修实践及多品牌产品试验数据分析，在中国广大区域的复杂气候及使用条件（环温、电压等）下，熔断器异常熔断问题存在一定的普遍性。研究确定了熔断器异常熔断的几种核心原因，供维修技术人员参考。行业内风冷冰箱的化霜可靠性设计理念及技能存在提升空间，为解决此可靠性问题，熔断器的位置设计可以采取“双向平衡法”进行确定。根据正向的极限态等效运行可靠性试验确定熔断器的h1位置，根据反向的干湿烧试验确定熔断器的h2位置，然后取中间位置作为确定熔断器的最佳安全设计位置。此可靠性设计方法已经应用在无霜冰箱的可靠性设计实践中，证实熔断器按照科学的可靠性方法进行设计，可以确保冰箱在各种使用环境条件下安全、可靠运行。