机械温控式直冷冰箱温控失效问题的研究与解决

吴俊河 潘媛媛 宋建存 王 培 张希荷

（中国电器科学研究院有限公司 广州 510800）

引言

冰箱在现代社会，随着生活水平的不断提高，在人类的生活中，扮演着越来约重要的角色。但不同的消费群体有着对冰箱性能的不同要求，有控制精确的多点控制方式的电子温控式冰箱、有注重实用性的实用型简易控制冰箱。

多点控制方式的电子温控冰箱，在各个冰箱间室内布置电子感温探头，监控间室温度状况，通过主控板PCB 进行逻辑运算控制，对控制间室温度的元器件发出指令，进行相应动作，以完成对间室的温度控制，达到精确控温的效果。但此类冰箱价格相对较高，适合消费能力较高、要求较高的消费群体。

另一种实用型简易控制冰箱，价格相对较低，但是温度控制也相对简单，适合消费能力较低、要求不算太高的消费群体。

机械式温控直冷箱，就是此类冰箱的典型，它的控制方式主要是靠机械式温控器对冰箱的压缩机进行开停控制，以达到控制冰箱箱体内部温度的目的。

其以控制简单，方便实用，价格低廉等特点，受消费能力较低，但又有食物保鲜需求的消费群体青睐。

本论文所谈及的研究内容主要是来自于在为巴基斯坦客户设计的机械温控式直冷冰箱时，发现冰箱在平常的运转中，出现运转周期不稳定，出现长短开停周期，箱内温度波动过大等现象。这种现象是非正常的冰箱运行现象，针对此现象展开调查、研究、分析，并找出合理的解决方案，为后期类似冰箱产品的开发提供新的设计思路。

1 问题现象描述

根据图1 测试数据，在实验室运转的冰箱，有以下几个不正常的现象出现。

图1 不正常运转周期曲线图

1）冰箱的个别周期开停机时间特别长，造成冷藏室的开停温差Δt 特别大，最大可以达到15 ℃，这个对于正常使用的冰箱来说，是不利于食品保鲜的，容易造成食物损坏，同时，依据GBT/8059-2008 家用和类似用途的制冷器具标准中要求，如表1 所示冷藏温度的每个测温点平均温度要在（0～8）℃以内[1]。

表1 储藏温度要求

2）温控器的控制参数出现漂移，处于不可控状态，及控制失效。

①本项目选用的温控器是定温复位型温控器，参数如表2。

表2 温控器控制参数

此种温控器的特点是当感温部位温度达到4 ℃+/-1时（如图3 所示），温控器接通，压缩机开始工作。

简要说明一下温控器与冰箱的交互原理：

温控器与冰箱的交互，是通过温控器毛细管感温段，与冰箱的蒸发器直接或间接接触，从而感知冰箱蒸发器的温度状态，判定是否接通压缩机电源，进而达到间接控制冰箱的箱内温度的目的。

②在冰箱的测试过程中，会在温控器的毛细感温管端部约（0～150）mm 处，布置温度监测点（sencer 温度点），这部分也是温控器直接感受蒸发器温度，并控制温控器触点接通与断开的温度，如图2 所示。

图2 温控器感温控制段

对于运行周期不稳定的冰箱，监测到温控器接通时，150 mm 感温部位有时接通的温度是5 ℃，有时又是16.7 ℃，如图1 中sencer 一栏的温度所示，这完全不是根据定温复位型的温控器的控制方式进行控制，温控器的温度控制出现了漂移现象，控制失效。

3）控制出现不稳定状态，会引起周期突变的现象。

从图1 可以明显看出，压缩机的运转时间是处于一种不正常的规律运行，正常的运行规律是冰箱运行稳定后，每个压缩机的开停时间是比较一致的，如图3、4所示。

图3 出现长短运行周期的冰箱运转曲线

图4 正常的冰箱运转曲线

在不正常的运行周期下运行，会造成冷藏箱体的温度波动变大，不利于食物的存储。

①机械式冰箱控制原理及机械温控器的动作原理

本论文研究的冰箱采用的是压力式机械温控器，如图5、6 所示。

图5 温控器技术图纸

压力式温控开关主要是利用气体受热膨胀，压力增大来实现开关的功能的。压力温控开关在工业领域应用很广，主要是因为它的输出力比较大，而且不用电源，完全是气体，符合本征安全的要求。但是由于其体积比较大，所以不适合于一般的小家电，家用一般用于冰箱和空调。

一般的冰箱就是利用压力温度开关来维持冰箱的恒定温度的。下面我们通过介绍它，来说明一般的压力温控开关的工作原理。

②冰箱温控器的工作原理

冰箱温控器的工作，主要是通过调温旋钮，可视的将凸轮调至一定的位置，从而达到改变弹簧拉力的作用。在温控器的膜盒及毛细管中，充有R12 或氯甲烷气体，受热容易气化和膨胀，膨胀后的膜盒形状改变，将推动电触点克服弹簧的拉力接触，从而接通电路，是压缩机工作。相反，当膜盒与毛细管中的气体降温时，膜盒收缩，与弹簧合力使电触点分开，电路断开，压缩机停止工作。如此循环，把冰箱温度控制在一定范围之内，满足食物储存的需求。其实这种温控器控制的精度也不高，现在市场上高档的冰箱和空调一般利用电子调节。但是由于价格便宜，原理简单，老式的调节方式还是很受欢迎的[2]。

根据图7、8 所示压力式温控器的工作原理分析，温控器整条毛细管都是它的感温部位，同时，它将会以最低温度的那一段做为毛细管的实际控制开关闭合与断开的感温部位，因为，只有整条毛细管温度达到了，毛细管内的气体压力才能达到推动膜盒的压力。因此，此类温控器有它们自身的缺点，在温控器感温部分外界环境异常的情况下，会有造成温控器控温点的变化。

图7 温控器结构原理图

图8 电冰箱的电路图

2 原因分析

从压力式温控器的工作原理出发进行分析，当温控器触点开闭出现控制温度，偏离设定的温度值时，排除一般的温控器故障原因，那就是温控器的使用环境受到了不确定因素的影响，从而造成温控器控制失效的状态。

首先从结构布局上对温控器的使用环境进行分析。目前对于采用机械式温控器设计的冰箱，温控器的放置位置主要是放置在冰箱冷藏室的侧壁和顶部两种（图9、10）。

图9 温控器在侧壁的设计

图10 温控器在顶部的设计

本论文研究的冰箱的温控器，其所放置的位置是冷藏室的顶部，如图11。

图11 研究项目温控器放置位置

单从温控器的放置位置看，这个位置并没有什么特别，但从冰箱的整体结构来分析，对于这类冰箱，这个位置就会有其特别之处。

从冰箱的整体结构图分析，我们不难看出，这类冰箱是上冷冻，下冷藏的结构形式，温控器盒处于冷藏室的顶部，靠近冷冻一侧，温控器的毛细管将会穿过冷冻间室与冷藏间室之间的泡层（中间泡层），到达冷藏室中冷藏蒸发器的感温点位置。

在温控器毛细管穿过中间泡层的时候，毛细管受到来自冷冻间室冷源和来自冷藏间室热源的共同影响，使得该段毛细管温度会出现不稳定性。

由上面温控器的工作原理结合温控器毛细管所处的周围环境，初步分析，原本在冷藏箱中，冷藏蒸发器受到制冷系统制冷剂的影响，温度回升是最慢的一个，温控器的动作温度是来自蒸发器的温度，但此时由于温控器的毛细管中间段受到了冷冻室传来的冷源的影响，因此，整条温控器毛细管中，最迟回升到4 ℃的位置，不再只是毛细管感温段与蒸发器接触的位置，还有可能出现在其他位置的毛细管段。

当最迟回升到4 ℃的毛细管段位置处于泡层内部这一段时，温控器的开闭动作，将会依据这一段的毛细管温度进行，这就造成了温控器不受末端感温段的温度控制的现象，从而造成了温控器控制的温度出现偏移的假象。反映在冰箱上，就是运行周期不稳定，如图1 所示。

3 解决方案

通过上面的分析，我们了解到了温控器控制温度点发生漂移的内在原因，是因为温控器的最迟回升到4 ℃动作温度的感温段发生了转移。为了使温控器的感温段，在末端150 mm 处，符合我们设计的要求，我们需要消除这种外界因素的影响。

基于上面的分析，做出以下几种可行性的对策方案，同时选取最优方案做为最终的解决方案。

方案1：将温控器盒的位置变更，如将温控器盒的位置调整为冰箱侧面，使感温导管不穿过中间泡层，不受冷冻室的冷源影响。

经评估，由于箱体的模具已经开好，如果调整温控器盒的位置，将会废掉原有的吸塑模具，造成大量的金钱损失，同时，原有的内观设计将被推翻。因此，此方案不可行。

方案2：最直接的方法，增加加热器，对温控器盒及泡层内的感温导管进行热补偿，使温控器泡层内的那一段毛细管处于一种比较“热”的状态，最冷点自然落在在与蒸发器接触的毛细管末端上，如图12、13。

图12 补偿加热器

图13 补偿加热器安装图片

通过增加补偿加热器，冰箱的长短周期问题得到改善，温度控制稳定，问题得到解决，结果对比如图14。

图14 装加热丝与不装加热丝开停参数对比

1）温控器感温部温度在5 ℃复位，符合温控器设计预期；

2）开停机时间明显缩短；

3）箱内开停机温差明显缩小。

装补偿加热器前，冰箱在检测线上的运行曲线，如图15。

图15 安装补偿加热器前，非正常运转曲线

装配补偿加热器后，冰箱在检测线上的运行曲线，如图16。

图16 安装补偿加热器后正常运转曲线

从曲线和数据上看，装配补偿加热器后，冰箱箱体运转正常，能够解决冰箱出现长短周期的问题。

此解决方案的优缺点是，能够快速有效的解决冰箱长短周期的问题，但是会增加后期的生产成本，同时，加热器如果发生损坏，无法进行更换维修，不利于后期的长期使用，也不利于市场的销售。

方案3：考虑利用冷藏间室的自身热量，对感温导管进行加温，使中间泡层段的感温导管的温度与箱体内的温度同步回升，针对此思考，对温控器盒及冰箱生产工艺进行适当调整，调整如下：

1）将旧的温控器盒感温导管的走向设计，调整为紧贴内胆的走向设计，使感温导管尽量远离来自冷冻间室的冷源，同时降低温控器盒底座嵌入泡层的厚度，从而增加温控器盒底座到冷冻间室的泡层厚度，如图17、18。

图17 旧温控器盒设计

图18 新温控器盒设计

2）调整中间泡层内，感温导管的装配工艺，由原先的自由装配，调整为让感温导管贴这冷藏间室内胆壁走，充分吸收冷藏间室的热量，如图19、20。

经过以上两点的调整后，冰箱箱体运转正常（图20），能够解决冰箱出现长短周期的问题。

图21 冰箱正常运转曲线

此解决方案的优缺点是，需要对温控器盒模具进行

4 结论

通过压力式机械温控器的工作原理分析，以及对冰箱整体的结构分析，成功找出冰箱了出现长短运行周期的问题根源，此箱体的特点是：

1）冰箱的结构形式是上冷冻下冷藏；

2）使用压力式机械温控器做为冰箱运行的控制部件；

3）温控器盒设计在冷藏间室的顶部。

本项目的研究，对后期进行具有上述3 个特点的冰箱设计时，具有较好的设计指导意义。调整，时间相对略长，但能够解决后期冰箱成本的问题，同时增加了长期运行的稳定性，避免后期还会面临到的加热器损坏无法维修的问题。

通过对三种方案的比较，最终选择方案3 做为解决冰箱运行长短后期问题的最终解决方案，该方案实施容易，同时节约了1 大笔冰箱成本，以生产40 万台冰箱为例，每件加热器单价为7 元/件，采用方案3，将直接节约成本280 万元。