追求家用冰箱的便利性與節(jié)能性

大平昭義 （株）日立製作所 日立研究所

船山敦子 日立アプライアンス（株）開発センタ譯 孫自偉

1 前言

根據(jù)日本資源能源廳的供求概況（2004年度），家庭內(nèi)的冰箱耗電量比例為16.1%，僅次于空調(diào)器（25.2%）。因此，冰箱市場對提高節(jié)能性能的需求非常大。另一方面，隨著雙職工家庭的增加，一次采購大量食材的生活方式，加速了冰箱的大容量化。但是，與此相反的節(jié)能性能與考慮到設(shè)置空間緊湊化的技術(shù)開發(fā)變得越來越重要，還有，隨著健康理念的提高，相對于控制保存過程中食材鮮度損耗的需求也在增高。所以，緊湊化、大容量、高節(jié)能、高保鮮成為冰箱產(chǎn)品的開發(fā)理念。

日立2011年秋上市的型號為R-B6700的6門冰箱，最大容量達(dá)670升，在冰箱的中段部分配置了冷凍室，在冷藏室的下部設(shè)置了約減壓為0.8個大氣壓的“真空冷卻室”，以求控制在保存中食材的鮮度損耗。本文將以此冰箱為例，對實(shí)現(xiàn)大容量的節(jié)省空間、節(jié)能技術(shù)與控制食材鮮度損耗為目的的保存方法加以說明。

2 提高大容量與多門化的便利性

圖1是日立冰箱的變遷。目前，大容量與多門化的趨勢已經(jīng)成為冰箱市場的一大特征，內(nèi)容積在500～600L，冷藏室雙開型六門冰箱的比例開始增加。這樣變化在很大程度上是受到社會環(huán)境變化與獨(dú)特飲食文化的影響，加上食材的集中購買、飲食生活的變化，需要保存比以前更多種類的食品，要求適合各種食品保存環(huán)境的保存空間。還有，即使在狹小的廚房設(shè)置冰箱時，通過將冷藏室門做成雙開型，提高冰箱的使用便利性，再追加自動制冰與速凍為代表的新功能，就成了推動多門化與大容量化的原因。

考慮到廚房空間，冰箱的設(shè)置空間受到限制，所以，外形尺寸與原來相同，同時提高與冰箱大容量化相反的節(jié)能性能的技術(shù)開發(fā)就成了一大關(guān)鍵。圖2是冰箱的基本結(jié)構(gòu)圖。作為內(nèi)容積，冷凍室、冷藏室、蔬菜室等容納食品的空間就是有效空間。

另一方面，由將冰箱的外殼與內(nèi)膽分隔開的絕熱壁、壓縮機(jī)、冷卻器、冷氣風(fēng)路構(gòu)成的制冷循環(huán)所占的容積是不能作為內(nèi)容積來算的無效容積，但是，是為了提高節(jié)能性能而配置的必要元件。

分隔冰箱外殼與內(nèi)膽的絕熱壁最重要的是投入少量能量就能維持內(nèi)膽的設(shè)定溫度。通過將提高了冰箱絕熱性能的真空絕熱材料與聚氨酯泡沫塑料組合，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能性能的提高與使設(shè)置空間緊湊化的省空間大容量化。關(guān)于真空絕熱材料的高性能化，通過改進(jìn)吸附劑，提高了絕熱性能，還有，改進(jìn)了不經(jīng)熱壓就將真空絕熱材料放入內(nèi)袋的方式，開發(fā)了能比較自由地進(jìn)行彎曲加工的真空絕熱材料，就能設(shè)置與冰箱機(jī)箱的絕熱形狀相匹配的真空絕熱材料。

因此，就能大大提高真空絕熱材料的覆蓋率（真空絕熱材料相對于冰箱外表面全面積的覆蓋面積），成為大容量化與省空間、節(jié)能化并存的一大關(guān)鍵元件。還有，控制基板零件的高密度安裝帶來的小型化、安裝狀態(tài)帶來的冷卻風(fēng)路緊湊化以及有關(guān)壓縮機(jī)小型化的開發(fā)，在力求實(shí)現(xiàn)各元件高性能化的同時，使內(nèi)容積進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大化。

3 與大容量化并存的節(jié)能化技術(shù)

如圖3所示，日立2007年度產(chǎn)品，內(nèi)容積為601L，全年耗電量為490kWh/年；但是，2011年度產(chǎn)品為670L，全年耗電量卻降為260kWh/年，實(shí)現(xiàn)了符合市場需求的大容量化與節(jié)能化的并存。針對冰箱節(jié)能性能的市場需求，各公司節(jié)能競爭很激烈，加上作為冰箱的主要元件冷卻器、壓縮機(jī)、絕熱材料的高效化，通過冰箱系統(tǒng)整體的高效化，力求進(jìn)一步降低耗電量。

3.1 霜再循環(huán)冷卻

本公司從2009年開始采用獨(dú)自的節(jié)能技術(shù)“霜再循環(huán)冷卻”。該冷卻系統(tǒng)應(yīng)用的是參考文獻(xiàn)[1]中記載的冷卻系統(tǒng)。冰箱示意風(fēng)路結(jié)構(gòu)參見圖4。一般通過運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)后，形成低溫的冷卻器（翅片管式熱交換器）與在冰箱內(nèi)循環(huán)的空氣進(jìn)行熱交換，使冰箱冷卻，不可避免會在負(fù)溫度的冷卻器內(nèi)形成霜。如果霜不斷增加，空氣與冷卻器之間的傳熱性能就會下降，還有，因通風(fēng)阻抗增加，風(fēng)量也會下降，因此，定期地用電加熱器（除霜加熱器）加熱化霜，實(shí)施將除霜水排到冰箱外的除霜運(yùn)轉(zhuǎn)，加上因?yàn)樗木壒?，冷卻器在冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)中熱交換性能下降，除霜時加熱器還需要電力，雙重因素是導(dǎo)致節(jié)能性能下降的原因。

另一方面，如果改變一下視角，原來僅僅是溶解排除的霜由于具備比熱與溶解潛熱很大的“冰”的性質(zhì)，所以，對于維持在正溫度帶的冷藏室與蔬菜室來說就成了有用的冷熱源。加上冷卻器翅片的表面處理與冷卻器安裝狀態(tài)下的流體分析等結(jié)霜量降低化技術(shù)，是一個有效利用成長霜冷熱的新想法。在壓縮機(jī)停止時，利用霜將冷藏室（包括蔬菜室）冷卻，謀求冷藏運(yùn)轉(zhuǎn)中制冷循環(huán)的高效化，在除霜運(yùn)轉(zhuǎn)中還可以采用運(yùn)轉(zhuǎn)冰箱內(nèi)風(fēng)扇的同時通過除霜加熱器將霜加熱的新的除霜方式。

圖5是除霜時的熱流動示意圖。是利用霜的溶解潛熱對冷藏室（包括蔬菜室）制冷的同時進(jìn)行除霜的新方式。利用通過絕熱壁侵入冷藏室熱量QR的本除霜方式，QR與除霜加熱器電量Eheater相加的值大致與Qforst相等，與不利用冰箱內(nèi)熱負(fù)載的原方式（除霜中不能冷卻）相比，僅僅是利用冰箱內(nèi)熱負(fù)載QR的部分，加熱器用電量減少，就能實(shí)現(xiàn)節(jié)能化。

為了實(shí)現(xiàn)以上的冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)與除霜運(yùn)轉(zhuǎn)，加上一直以來設(shè)在冷氣風(fēng)路中的冷藏室，冷氣風(fēng)門，控制冷凍室、蔬菜室冷風(fēng)的冷凍室冷氣風(fēng)門，設(shè)置蔬菜室冷氣風(fēng)門，就能實(shí)施符合各個設(shè)定溫度的冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的高效化。

3.2 冷媒閥控制

為了進(jìn)一步提高節(jié)能性能，2010年度產(chǎn)品安裝了冷媒閥（雙向閥），加上上述的冷器控制，以求提高節(jié)能性能。原來，壓縮機(jī)停止后的冷媒因制冷循環(huán)內(nèi)的壓力差，散熱側(cè)的高溫高壓冷媒流入低壓側(cè)的冷卻器內(nèi)，在壓縮機(jī)停止過程中，冷卻器溫度上升，成為冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時熱負(fù)載增加的原因。因此，壓縮機(jī)停止時，關(guān)閉雙向閥，通過防止高溫高壓冷媒流入冷卻器，提高冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)時的效率。還有，在2011年度產(chǎn)品中，開發(fā)出可切換采用三通閥高溫側(cè)冷媒通路的新制冷循環(huán)，并應(yīng)用到產(chǎn)品中。

如圖6所示，因冷凍室的冷氣影響很容易結(jié)霜，因此，在連接冷凍室前面門內(nèi)壁的部分時，在冷凍室周圍的側(cè)壁面與分隔部埋設(shè)一部分制冷循環(huán)的散熱管，在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，讓高溫冷媒流動、加熱，控制了結(jié)霜，但是，原來高溫冷媒的加熱方式不顧周圍的濕度，恒常對分隔部加熱，低濕度時就會出現(xiàn)過度加熱，因?yàn)閷鋬鍪覀?cè)的熱侵入導(dǎo)致節(jié)能性能惡化的原因。

為了調(diào)節(jié)低濕度時控制結(jié)霜所必需的熱能，設(shè)置了三通閥，通過切換高溫冷媒的流入通路，重新開發(fā)了控制向冷凍室熱入侵的控制裝置，設(shè)置將冷凍室周圍的分隔部加熱的通路(A)與不加熱分隔部的旁通通路(B)，根據(jù)用濕度傳感器檢測的濕度，由三通閥切換高溫冷媒的流入通路。由此，控制結(jié)霜的同時又降低了對冷凍室的熱入侵，進(jìn)一步提高了節(jié)能性能。

4 開發(fā)高鮮度保存技術(shù)

對于防止預(yù)防人病與衰老變化來說，攝入維生素C等抗氧化成分，一種必需脂肪酸、改善血液循環(huán)的DHA（二十二碳六烯酸），EPA（二十碳五烯酸）等營養(yǎng)成分是有效果的，但是，這些營養(yǎng)成分具有易氧化的性質(zhì)，如果在降低氧化的環(huán)境下保存食品，就能控制因氧化導(dǎo)致的損耗，保持鮮度與營養(yǎng)素。

對于降低氧來說，可考慮①減壓后降低含氧量，②只分離氧分子后排氣，③注入氮?dú)獾?，④設(shè)置除氧劑等方法，作為可以長期穩(wěn)定降氧的方法，開發(fā)了用真空泵在減壓狀態(tài)下保鮮的“真空冷卻”［2-4］。

如圖7所示。為了讓食品保存容器內(nèi)減壓到0.8個大氣壓，在容器背面?zhèn)仍O(shè)置了真空泵。減壓時，容器頂部的面積約為620×330mm、0.8個大氣壓時對食品保存容器施加的壓縮負(fù)載約在4kN以上。在2011年度本公司冰箱安裝的本食品保存室上加上壓力傳感器，還重新安裝了溫度傳感器、存放量傳感器、CO 傳感器，執(zhí)行能自動地設(shè)定成合適保存溫度的控制。存放量傳感器通過檢測真空泵的抽真空時間，檢測食品保存容器內(nèi)部殘存空氣量的多少判斷食品的量。CO 傳感器檢測因蔬菜的呼吸使CO 濃度增加，如果有蔬菜就不凍結(jié)，為冷卻溫度（約1℃），如果沒有蔬菜，就自動設(shè)定成適合肉、魚保存的冰溫（約-1℃），通過開啟關(guān)閉真空冷卻冷氣風(fēng)門來實(shí)施溫度控制。

在力求結(jié)構(gòu)簡約化與輕量化的同時，為了響應(yīng)大容量化的要求，在擴(kuò)大寬度后又增加了深度，提高了使用便利性。由于因減壓產(chǎn)生的負(fù)載與表面積成比例地增加，將加入了玻璃纖維加強(qiáng)材料的ABS樹脂制箱子分成上下2部分后嚴(yán)密熔敷，采用中心部凸起的流線型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大容量化。

通過確保食品保存容器內(nèi)約在0.8個大氣壓，就能控制食品中所含營養(yǎng)成分的氧化，還能設(shè)定適合保存在容器內(nèi)食品種類的溫度。保存溫度設(shè)定到-1℃（冰溫設(shè)定），可以控制酶破壞肉與魚的主要成分蛋白質(zhì)，如果是控制鮮度損耗設(shè)定，保存溫度設(shè)定到1℃（冷卻設(shè)定），主要是為保存切開的蔬菜與水果、水分多的食品做好設(shè)定準(zhǔn)備。以下對采用本保存方法產(chǎn)生的鮮度與營養(yǎng)素維持效果加以說明。

圖8是在冷藏室以及“真空冷卻（冰溫設(shè)定約-1℃或者冷卻設(shè)定1℃）”下保存3天時間時比較食品營養(yǎng)成分含有量的結(jié)果。用冰溫設(shè)定（約-1℃）保存金槍魚時，作為新鮮度指標(biāo)的K值為10.8%，在冷藏室下保存時為17.2%，冷卻設(shè)定下保存時為12.1%，得出了顯示控制鮮度損耗的結(jié)果。

同樣，用冰溫設(shè)定（約-1℃）保存雞肉時，K值為44.0%，在冷藏室下保存時為49.4%，冷卻設(shè)定下保存時為46.7%，顯示出控制鮮度損耗的結(jié)果。還有，冷卻設(shè)定（約1℃）時，王菜中所含維生素E的殘存量與冷藏室相比，顯示約高11.5%的值。

通過本方法明確了對防止很容易受到氧化影響的營養(yǎng)成分損耗是有效果的。

5 結(jié)束語

冰箱是與日常生活有著密切關(guān)系的產(chǎn)品，隨著我們生活方式的改變，也在與時俱進(jìn)地發(fā)生著巨大變化。為了提高消費(fèi)者的便利性與舒適性，今后還必須要進(jìn)行領(lǐng)先時代需求的技術(shù)開發(fā)，不能忘記消費(fèi)者的視線，冰箱還要進(jìn)行開發(fā)者自身感覺需要的技術(shù)開發(fā)。

[1]河井良二，大平昭義，中村浩和，蘆田誠，石渡寬人：第44回空冷連講論，63，東京（2010）.

[2]大平昭義，船山敦子：機(jī)誌，711（1080），966，（2008）.

[3]船山敦子，荒木邦成：2008年度冷空講論，663，大阪（2008）.

[4]船山敦子，荒木邦成，高崎壽江，大島敏明：2011年度冷空講論，175，東京（2011）.譯自《冷凍》2012年4月號