冰箱取消箱体侧板VIP板性能提升研究

2023-10-28李婷婷杨志鹏刘新

家电科技 2023年4期

李婷婷杨志鹏刘新

长虹美菱股份有限公司安徽合肥 230601

0 引言

近年来，随着高端冰箱市场占比上升、全球冰箱能效标准日益提高，真空绝热板（Vacuum Insulation Panel，简称VIP板[1]）逐渐应用于冰箱柜产品，以降低产品的耗电量并增大产品容积。VIP板是一种利用真空绝热原理生产的新型高效节能环保绝热材料，具有导热系数低、体积小的优点。以玻璃纤维为芯材的VIP板的导热系数仅18 mW/m·k左右，约为发泡料的10%。但VIP板价格昂贵，每平方米的价格在90元以上，同时还有易破损的缺点，在冰箱制造期间需要采用大量的防护措施。避免VIP板被尖锐物品刺破或划破，不仅在冰箱结构设计上要进行规避，而且在工装上需特别小心。另外，VIP板和泡沫层变形量不一致，冰箱上贴敷的VIP板存在鼓胀和痕迹问题，尤其是箱体两侧的VIP板下沿，箱壳外观越光亮，痕迹越明显，不利于高端冰箱外观质量提升需要。因此实际应用时需要认真评估其性价比。

对于使用了VIP板的产品，为了实现优化成本以提升产品竞争力，行业内的设计人员一直在对VIP板的使用进行研究，一般是通过减薄VIP板厚度或是减少VIP板面积（仅使用在内外温差更大的冷冻箱壳处）来实现优化成本，但这些方案并不能彻底取消VIP板的使用，而且还需要提高制冷效率等措施进行补偿。本文以一款使用了VIP板的十字对开门产品作为研究对象，在保持箱体发泡层厚度不变的情况下，完全取消箱体VIP板结构，对其性能提升进行试验研究。

若冰箱箱体取消使用VIP板，根据传热学[2]知识，箱体导热系数增大，箱体热负荷也增大。将面临以下几个问题：（1）冰箱整机耗电量增大；（2）在高环境温度下，压缩机所提供的制冷量不够，间室温度不能满足国标规定的特性温度要求；（3）高温高湿情况下，箱体外壁温度低于露点温度，出现凝露。

本研究采用理论分析和试验测试相结合的方法，对理论分析的方案在研究对象上进行试验验证。其中通过使用超高效压缩机和优化制冷控制逻辑来提高制冷效率；变频一体板使用COOLMOS模块来降低待机功耗；使用超薄门封条减少箱体门封处漏冷量；增加防凝管避免箱壳出现凝露等方案，实现了产品取消VIP板后的性能和可靠性与取消VIP板前相当，而成本大幅降低的效果。本文从提高制冷效率、降低待机功耗、减少漏冷量、增加防凝管这四个方面进行优化设计，旨在为取消VIP板的设计思路提供参考。

1 优化方案

基于上述理论分析，本研究从四个方面着手进行优化并进行试验验证：

（1）通过理论计算箱体热负荷的变化情况，合理选配更大制冷量和更高COP的压缩机；

（2）通过控制变量法寻求压缩机和风机最佳适配转数，同步优化控制算法降低控制功耗；

（3）使用超薄门封结构，减少箱体门封结构处的漏热量；

（4）去掉VIP板的位置适当布局防凝管（注：本措施旨在解决外部凝露问题，但同时会带来增加箱体热负荷的负面影响，理论测算热负荷的时候需同步考虑）。

1.1 重新选配压缩机

对于目前冰箱的研究来说，为降低冰箱的能耗，提高压缩机的效率是主要的决定因素。将十字对开门产品进行理论测算，取消箱体VIP板后，箱体整体漏冷量增加了约8%。该产品原状态（使用VIP板结构）匹配加西贝拉的VTE1113YA压缩机，其最高COP为1.95，最大制冷量为215 W。结合漏冷量测算结果和性价比等因素，在此基础上选配更高COP和更大制冷量的压缩机，包括加西贝拉的VTN1114YA、万宝的VTL100和华意的HVM100ME压缩机，这三款压缩机的最大制冷量提高约10%，均满足大于箱体整体漏冷量。

在32℃和16℃环温下，用这三款压缩机在同一台箱体上分别进行耗电量测试，测试结果如表1所示，匹配VTN1114YA压缩机能耗值最优，后续的优化设计方案均在该压缩机匹配下进行。

表1 压缩机参数及能耗测试对比表

1.2 优化控制逻辑

1.2.1 优化压缩机和风机转速

本文研究的冰箱包含“四星”级间室，在满足“四星”级间室要求的特性温度（-18℃）下，根据对冰箱压缩机的理论分析、计算和实际测试，取（-24～-27℃）为最佳蒸发温度范围[3]。若是蒸发温度过高，蒸发器管道两侧流体温差过小，影响制冷速度；若是蒸发温度过低，制冷剂循环量降低，制冷系统的制冷量也会降低。通过最佳蒸发温度范围可初步确定压缩机转数范围。

从VTN1114YA压缩机的“COP-特性曲线”（如图1）可知，COP随压缩机的转速增加出现“先增后减”趋势，在1600 r/min时达到最大值。在最佳的蒸发温度范围内，对该压缩机“COP-特性曲线”中COP最高值附近收敛，以取得能耗最低压缩机转速。

图1 COP-特性曲线

冰箱所用的冷冻风机的作用是将蒸发器处的冷空气输送到各个间室，冷凝风机的作用是给外置冷凝器进行强制对流换热，提高制冷效率。风机的转速若是过高，冰箱的耗电量和噪声都会增大；若是转速过低，压缩机出现不停机且冰箱间室特性温度不满足。压缩机和风机转速经过多次组合测试，得到最佳适配转速，使得能耗最低。

1.2.2 降低变频一体板待机功耗

冰箱的变频电控一体板通过电信号对压缩机等电气元件进行控制，一些工作中的电路实际并未起到作用，若是能节约这部分电能，会使得变频电控一体板待机功耗降低。本研究降低变频一体板待机功耗的措施是改进开关电源，将IGBT模块换为COOLMOS模块。经过能耗测试，运行功耗可降低0.5 W，整机耗电量降低0.01 kW·h/24 h，但成本需增加约2元。

1.3 使用超薄门封条

冰箱箱体和门体之间装配后形成的缝隙通过门封条来进行保温和密封，它由软质胶条和磁条两部分组成。冰箱关闭门时，利用磁条吸力，吸附在箱体上，进行密封。

门封条的材质和结构对箱体保温起到关键作用，行业内门封条一般采用SPVC、GPPS等材质，结构由磁条、气囊、飞边、卡扣等组成。可以通过减小胶条和磁条的宽度、设计飞边和辅助气囊增加空气的体积、增加波纹管、将大体积气囊分成几个体积相对均匀的小气囊等方案来优化门封条的结构，从而提高保温效果[4-5]。本文门封条结构优化采取了减小气囊高度的措施。由于门封宽度减小，门体和箱体装配距离也变小，箱体对应的上合页、中合页、下合页也需重新进行设计，保证门封的密封性。

图2 a) 为原门封条截面图，图2 b) 为优化后门封条截面图。如图所示：优化后门封条较原门封条气囊的高度从10 mm减小到6.5 mm，经过试验测试，整机耗电量降低2%左右。

图2 门封条截面图

1.4 增加内置防凝管

高温高湿环境下为避免箱体外表面出现凝露，可在箱壳上适当布局防凝管，因防凝管会带来增加箱体热负荷的负面影响，所以在保证箱体外表面不凝露的情况下，防凝管应设计的尽可能少。又因冷冻的箱内空气温度较冷藏更低，在防凝管的设计中，冷冻箱体侧帮可比冷藏更“密”。

本研究设计了两种防凝管结构，如图3所示（由于防凝管为对称结构，仅对比一侧），结构一是“冷藏和冷冻均为3根管”结构，防凝管间距为150 mm；结构二是“冷藏3根管、冷冻5根管”结构，冷冻箱体侧帮比冷藏更“密”，冷藏防凝管间距为150 mm，冷冻防凝管间距为150 mm和50 mm。测试情况如表2所示，采用“冷藏3根管、冷冻5根管”结构的进口温度约为：36.0℃，出口温度约为：34.8℃，箱壳平均温度约为：30.2℃。大于露点温度（29.3℃）。该措施能够很好地抑制箱体外表面凝露产生。