電冰箱自動制冰裝置的技術(shù)研究

李興書 張慧娟 郭樹明

（河南新飛電器有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000)

電冰箱自動制冰裝置的技術(shù)研究

李興書 張慧娟 郭樹明

（河南新飛電器有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000)

自動制冰是高端電冰箱的重要功能之一，本文介紹了一種自動制冰裝置的設(shè)計與試驗，闡述了影響該裝置給水、成冰、翻冰的諸多因素和試驗分析，以及實現(xiàn)制冰自動控制的方法，為電冰箱自動制冰裝置技術(shù)研究增添了一些具有一定實際意義的經(jīng)驗。

電冰箱；自動制冰；給水；翻冰

1 引言

制冰裝置是電冰箱常見的配置單元，它大致分為手動制冰和自動制冰兩大類，其中常見的是手動制冰裝置，包括最簡單的制冰盒和帶基座的制冰裝置等多種結(jié)構(gòu)形式，它們被廣泛應(yīng)用于中低檔電冰箱中；而自動制冰裝置則在高檔電冰箱中才被應(yīng)用，它分為有水源自動制冰裝置和無水源自動制冰裝置，前者制冰的供水源與市政供水系統(tǒng)相連通，能夠?qū)崿F(xiàn)自動供水，連續(xù)自動制冰，但它局限于有純凈水供水系統(tǒng)的國家和地區(qū)使用，后者制冰所用水需要使用者人工添加水到裝置的儲水盒中，然后才能進(jìn)行自動制冰。本文的研究對象是這種無水源自動制冰裝置。

本文介紹了自動制冰裝置的給水模塊、制冰模塊及控制模塊等方面的技術(shù)研究，提出了在設(shè)計和試驗中遇到的問題和解決方法。

2 制冰裝置

如圖1、圖2所示，制冰裝置的給水模塊包括：儲水盒、進(jìn)水管、給水泵、給水管和電加熱器（包裹在給水管外壁）；制冰模塊包括：制冰盒、翻冰機構(gòu)、探冰桿、儲冰盒，控制模塊主要是控制給水泵、電加熱器、翻冰機構(gòu)和探冰桿的工作，其邏輯流程如圖9所示。其中給水模塊中的儲水盒、進(jìn)水管、給水泵位于冷藏室內(nèi)，給水管則介于冷凍冷藏室之間，需要采取電加熱器對其加熱來防止管路被冰凍，制冰模塊的制冰盒、翻冰電機、探冰桿、儲冰盒在冷凍室內(nèi)。該自動制冰裝置只需要人工往儲水盒中添加純凈水至刻度線就可以了，制冰工作在控制模塊的控制下能夠自動完成。

對于設(shè)計這樣一套自動制冰裝置來說，給水泵和翻冰機構(gòu)通常由專業(yè)廠家生產(chǎn)，真正的難

點在于制冰盒和給水系統(tǒng)的設(shè)計，以及電氣控制部分的設(shè)計。制冰盒冰格（如圖3、圖4所示）設(shè)計涉及冰塊大小和美觀、脫冰，給水過程中水的流動等。進(jìn)水管和給水管（如圖5所示）直徑大小關(guān)乎出水量大小、水流狀態(tài)和速度，入水點位置更是直接影響到能否順利完成給水。

圖1 制冰裝置

圖2 儲水盒

圖4 制冰盒結(jié)構(gòu)圖

圖5 制冰盒圖

圖6 給水管路圖

2.1 制冰盒設(shè)計

制冰盒冰格設(shè)計為8個最合理（如圖4所示），主要考慮入水點能夠設(shè)在中間十字星處，其優(yōu)點在溢水試驗中得到了驗證。冰格的大小決定了冰塊的重量，以不大于10克為宜，其周邊壁脫冰斜度應(yīng)大于20°，壁厚取1mm，過渡圓角取R6～R10，分流槽底的高度大于冰格高度的1/2。制冰盒選用食品級的PP材料，彈性好、耐彎曲、注塑流動性好、硬度適宜，這樣的結(jié)構(gòu)給脫冰創(chuàng)造了有利條件。

2.2 給水管路設(shè)計

給水是制冰的第一步，同時也是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它關(guān)系到水是否能夠準(zhǔn)確地注入到制冰盒中。影響給水的主要因素包括：（1）入水點及管路設(shè)計與溢水試驗；（2）給水管防凍與電加熱控制；（3）給水控制。

2.2.1 入水點及管路設(shè)計與溢水試驗

如果給水過程中發(fā)生溢水現(xiàn)象，將使儲冰盒中的冰塊粘連，影響取冰和用冰。同時由于每次給水量是定值，若出現(xiàn)溢水各個冰格中的水量將會不相同，制成的冰塊大小就不一致，影響冰塊的美觀和使用。因此保證每個冰格中水量相同是件十分重要的事情，在研制過程中必須想辦法杜絕溢水現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)行防溢水設(shè)計和溢水試驗是非常必要的。

a.入水點設(shè)計與試驗

入水點是指水流落在制冰盒里的位置，它是造成溢水的關(guān)鍵因素，合理確定制冰盒的入水點至關(guān)重要。如圖5所示，在制冰盒上分別標(biāo)定了4點位置A、B、C、D，使入水點分別對準(zhǔn)標(biāo)定點進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，入水點對準(zhǔn)D點是最可靠的選位，其優(yōu)點是水流可以均勻的向周圍冰格流動，不會發(fā)生局部集聚而溢水現(xiàn)象。

b.管路設(shè)計與水流速度

水流速度大是造成溢水的重要因素之一，在滿足水流均勻滿管流出的情況下，水流速度越低越好。水流速度與給水泵、水位及進(jìn)出水管直徑有關(guān)，在選定給水泵和一定工作電壓的條件

下，按照管徑比2∶3進(jìn)行試驗可以得出符合要求的管徑值，如圖6所示。本文研究結(jié)果是在進(jìn)水管內(nèi)徑6mm，出水管內(nèi)徑9mm時水流滿管，并且水流速度最低。同時，試驗還證實：若水位高度變化在150mm范圍內(nèi)，其對水流速度的影響很小。因此，在進(jìn)行冰箱自動制冰裝置設(shè)計時，應(yīng)考慮給水泵與進(jìn)出水管徑的匹配問題。

圖7 冰塊示意圖

圖8 制冰風(fēng)道示意圖

圖9 制冰程序邏輯流程圖

表1 給水過程溢水試驗及原因分析

表2 給水管電加熱試驗

c.管路設(shè)計與水流狀態(tài)

水流狀態(tài)直接影響入水點位置和水流速度的穩(wěn)定性，控制不好極易造成溢水現(xiàn)象。在一定流量的情況下，它與進(jìn)出水管直徑大小有關(guān)，與過濾網(wǎng)目數(shù)有關(guān)。濾網(wǎng)的作用是防止雜物進(jìn)入給水泵中損壞葉片或產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象等，一般常用孔徑為0.3mm的濾網(wǎng)就能滿足使用要求。同時濾網(wǎng)對改善水流狀態(tài)有明顯作用，合適的濾網(wǎng)能使水流變得平緩均勻滿管流出。在確定濾網(wǎng)后通過管徑配比試驗得出合理的給水泵進(jìn)出管徑比值，經(jīng)試驗證實：給水泵進(jìn)水管直徑與出水管直徑兩者之比為2∶3時效果最好。

2.2.2 給水管防凍與電加熱控制

給水管的功能決定了它必須穿越冷藏室和冷凍室之間的隔層，將水從儲水盒引入到制冰盒中，只有這樣才能完成給水過程。給水管的出水口處在冷凍室，溫度低于-18℃，因此必須采取電加熱來提高管溫，才能確保給水管不會發(fā)生冰堵。制定電加熱控制方案時既要考慮管溫的合理性，又要盡可能地減少電能消耗，正確的做法是首先選擇合適的電加熱器，再設(shè)計幾種加熱方案并通過試驗找出最優(yōu)者。選擇電加熱器時，要兼顧其壽命，并根據(jù)給水管長度進(jìn)行綜合考慮。表2列舉了不同控制方案的試驗情況，從表2中分析得出：

（1）在電加熱功率相同的條件下，不同控制方案均能滿足管溫大于8℃的要求，在試驗中也未發(fā)現(xiàn)給水管凍堵現(xiàn)象。

（2）在通斷比相同的情況下，通斷頻率越高，溫度波動越小，考慮到電器元件壽命，選用通30s斷30s控制方案更為合理。

（3）為確保給水管通暢，允許制冰機在給水前15分鐘和制冰機停止工作后15分鐘電加熱連續(xù)工作。

2.2.3 給水控制

給水量多少不但決定了冰塊的大小，同時也應(yīng)在合理范圍內(nèi)。從制冰盒的結(jié)構(gòu)分析來看，一次給水的高度必須高于分流槽底，否則將造成水無法在冰格間流動而形成各個冰格里的水量不均勻，甚至出現(xiàn)個別冰格無水的現(xiàn)象。相反，若冰格給水太滿，則在給水過程中會因水流速度或冰箱不垂直引起的制冰盒傾斜等原因而出現(xiàn)溢水現(xiàn)象，因此合理確定給水量十分重要。通過不同大小給水量試驗驗證，當(dāng)冰格中的水位與制

冰盒上平面之間的高度差大于4.5mm時，不發(fā)生溢水現(xiàn)象，冰塊如圖7所示。

給水還可以采用不同的控制方案，一種是一次性連續(xù)注滿水，另一種是采用間歇性給水。一次性給水的優(yōu)點是水流穩(wěn)定，但需要制冰盒的分流槽的分流能力與之匹配，否則會造成給水過程中局部溢水。分段給水是通過控制給水泵的開停分2次或多次來完成一次給水操作，其優(yōu)點是對分流槽的分流能力要求低，通過中途暫停給水來延長分流時間，避免局部冰格出現(xiàn)溢水。經(jīng)試驗驗證，分段給水時開泵時間過短時（小于2秒）會出現(xiàn)水流分叉，水流速度加快，水流狀態(tài)失穩(wěn)，甚至造成濺水現(xiàn)象。因此，在選擇給水控制方案時，應(yīng)根據(jù)制冰裝置的實際情況，通過試驗取得最合理的結(jié)果。

給水泵具備正反抽的功能，定量給水結(jié)束后再進(jìn)行反抽，使給水管中的水倒流到儲水盒中，通過吸干凈管中殘留水防止發(fā)生自吸和冰凍現(xiàn)象。

2.3 制冰風(fēng)道設(shè)計

冷風(fēng)吹拂是加速形成冰塊的必要條件，設(shè)計制冰風(fēng)道時應(yīng)使冷風(fēng)均勻地吹過冰格。為達(dá)到此目的，在風(fēng)道內(nèi)設(shè)置分配風(fēng)量的格柵，冷風(fēng)沿箭頭方向流經(jīng)該格柵時被分割而均勻地吹拂到冰格上，如圖8所示。這樣冰塊將在相對一致的時間內(nèi)形成，制冰效率較高。通過試驗的方法可以得到理想的結(jié)果。

3 制冰控制

自動制冰機邏輯控制如圖9所示。

3.1 制冰機自檢

自檢主要完成以下功能，通電進(jìn)行初始化動作．將制冰格調(diào)整到水平位置，若調(diào)整不到水平位置將進(jìn)行報警顯示，另外還可通過人為開啟自檢功能進(jìn)行制冰機好與壞的檢查。通過自檢判斷冰箱制冷工作時間是否大于60min，冷凍室溫度是否達(dá)標(biāo)等，只有滿足設(shè)定條件的情況下才能進(jìn)入制冰程序。

3.2 有水無水判斷

制冰盒的冰格中有無水是自動制冰機的控制核心。對冰格有水無水判別要考慮很多因素，例如：水溫度的高低、電冰箱冷凍室溫度的高低以及化霜與開關(guān)門對其判別的影響，還有抽水量的多少等因素，采用模糊推理方法，可以達(dá)到比較完美的控制效果。其方法是：模糊輸入量為制冰感溫頭感知制冰機冰格的溫度與冷凍室的溫度經(jīng)過模糊化處理成模糊量，然后按照模糊規(guī)則進(jìn)行推理，求出輸出變量的隸屬度，最后將這些輸出模糊量進(jìn)行反模糊化處理，得到實際輸出值，輸出量分別為有水無水和制冰完成與否。

通過試驗得知，由于采用模糊邏輯的控制技術(shù)，使整個系統(tǒng)運行效率明顯提高。對于有水無水判別也非常準(zhǔn)確，大于5毫升的水（即冰格額定水量的一半）都能準(zhǔn)確判定為有水。

3.3 制冰量判斷

采用探桿檢測儲冰盒中的冰塊是否滿：若滿，等待冷凍室開門，一旦開門后再關(guān)上門，系統(tǒng)自動返回上層程序工作，若沒有開門，則停止翻冰，制冰盒保持水平位置；如果冰不滿，翻冰機構(gòu)驅(qū)動制冰盒旋轉(zhuǎn)使冰塊落入儲冰盒中，完成后自動進(jìn)行下一次制冰程序。通過這樣的程序控制，可以有效預(yù)防儲冰盒的冰已滿時強制翻冰，避免擠壞冰格或燒壞翻冰電機。

3.4 翻冰控制

當(dāng)滿足翻冰條件時，程序自動下達(dá)翻冰命令，翻冰電機正轉(zhuǎn)，當(dāng)冰格翻轉(zhuǎn)到最大位置時，冰格中的冰由于冰格變形而被擠出冰格，倒入儲冰盒，此動作每次連續(xù)3次，然后制冰盒反轉(zhuǎn)，恢復(fù)水平位置，做好下次制冰準(zhǔn)備。

3.5 制冰完成判別

判斷制冰是否已完成是自動制冰機控制的關(guān)鍵。要對其進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，要考慮很多因素，例如：水質(zhì)的情況，有的水硬，含鹽量高，成冰時間就長。還有其他因素，如水溫的高低、冰箱冷凍能力等等，都會影響成冰時間。通過試驗制定合理的控制程序，兼顧制冰質(zhì)量和效率，使之達(dá)到相對理想的狀態(tài)。

3.6 夜間停止功能

夜間翻冰時，翻冰機構(gòu)和冰塊掉落冰盒時會有一定的聲音，影響主人的休息，因此設(shè)計一個選擇夜間停止功能，它能控制冰箱 8個小時不制冰，且每天此時開始8個小時內(nèi)不制冰，直到取消此工作狀態(tài)為止。

4 結(jié)語

本文介紹的電冰箱自動制冰裝置技術(shù)研究從設(shè)計要求、技術(shù)研究及試驗方法等方面進(jìn)行總結(jié)，介紹了在設(shè)計過程中應(yīng)注意的要點和問題，以及進(jìn)行試驗驗證的具體方法，得出了制冰盒、給水管路及防凍、入水點和給水控制、制冰控制等設(shè)計試驗方面的研究成果。研究表明：

（1）給水是實現(xiàn)自動制冰的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，包括科學(xué)的確定制冰盒冰格的數(shù)量與入水點，合理匹配管徑，使給水過程不發(fā)生溢水現(xiàn)象；對給水管進(jìn)行電加熱防凍，兼顧電能損耗和管溫等，通過這些合理的設(shè)計確保準(zhǔn)確可靠地完成給水過程。

（2）通過設(shè)置格柵使制冰風(fēng)道的風(fēng)量能均勻地吹拂到冰格上，在時間上提高成冰的一致性，增大制冰能力。

（3）電氣控制是實現(xiàn)自動制冰的保證，通過對給水判斷、冰量判斷、成冰判斷、翻冰等環(huán)節(jié)的控制，使制冰裝置按照預(yù)設(shè)程序自動完成的制冰全過程。

[1] 章勤忠，譚琦.《電冰箱自動制冰機的設(shè)計與研究》. 2004年4月.家電電器科技

Study on the automatic ice making device for refrigerator technology

LI Xingshu ZHANG Huijuan GUO Shuming
（Henan Xinfei Electric Co., Ltd. Xinxiang 453000）

Automatic ice making is one of the most important functions of top-end refrigerators. This paper describes a type of automatic ice maker’s design and test，which explains the impact of water supply, ice-making, stirring and test analysis of the ice maker, as well as the way to realize controlling ice making automatically. This adds a certain extent significant experience of refrigerator's automatic ice maker in its technical research.

Refrigerator; Automatic ice making; Water supply; Turn the ice