超寬溫區(qū)冰箱的變溫室加熱可行性分析與探討

劉宏宇 尚殿波 王冬祥 胡海梅

合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

隨著時代的發(fā)展，冰箱的功能逐步完善，帶變溫室的冰箱逐漸普及。變溫室更多是一種補充性的功能間室，可以大大增加用戶的使用性能[1]。市面上，冰箱變溫室的調節(jié)范圍大都在-18℃～10℃，基本滿足大多數食品的儲藏需求，但是對于紅酒和熱帶水果等食品，其最佳保存溫度為10℃～25℃，現有冰箱因保存溫度偏低，并不能滿足其儲藏需求。

近年來，我國學者對儲藏溫度范圍更大的超寬溫區(qū)冰箱進行了研究。曹俊哲[2]等以一款BCD-273W三門風冷冰箱為研究載體，通過實驗分析了冷熱復合系統(tǒng)的可行性及設計思路，結果表明，應用冷熱復合系統(tǒng)的BCD-273W間室可實現-12.9℃到52.2℃、55.9℃到-9.8℃快速切換，52.2℃～55.9℃溫度區(qū)間持續(xù)43.3h，穩(wěn)定環(huán)境溫度下溫度穩(wěn)定性良好。姚南飛[3]在實用新型中提出，通過使用溫度傳感器、比較器和加熱模塊在冰箱冷藏膽內設計了一個常溫室，提供了10℃～25℃的溫度范圍，豐富了冰箱冷藏膽的溫度范圍，滿足了多種食品不同儲存溫度的需要，提高了冰箱冷藏膽的食品保鮮能力。姚君[4]等在冰箱箱體的外側設置第一溫度傳感器，在箱體內膽的外側設置加熱元件，由箱殼外的控制器控制加熱元件是否加熱箱體內膽，實現了冰箱超寬幅變溫，增大了冰箱的溫區(qū)范圍。

2 加熱方案介紹

2.1 原理介紹

冰箱變溫室加熱必然要使用到加熱裝置，因為鋼管加熱器、石英管加熱器等的表面加熱溫度均超過100℃，考慮到冰箱內膽材質，采用了相對安全可靠的鋁箔加熱器。由于鋁箔加熱器的發(fā)熱量一般較小，相對于鋼管加熱器、鋁合金加熱器等發(fā)熱元件，鋁箔加熱器的表面溫度可以控制在60℃以下，對于冰箱變溫室內襯而言，更具有安全性。

鋁箔加熱器貼附在變溫室內襯外側的表面上，形成一種上下包裹結構，鋁箔加熱器通電后發(fā)熱，熱量通過變溫室內襯傳遞到變溫間室內，達到給變溫室加熱的目的。

在冰箱的變溫室間室內設置有兩個溫度傳感器，其一為變溫室溫度傳感器，反應變溫室內空氣溫度，此傳感器應遠離有鋁箔加熱器的一面，防止受到加熱絲溫度干擾；其二為加熱器溫度傳感器，此傳感器的位置貼近加熱絲，用以反應鋁箔加熱器的實際溫度。

2.2 加熱控制方法簡述

冰箱內襯采用高光HIPS材料，其熱變形溫度為80℃，使用了控制器，控制鋁箔加熱器的開關，避免間室內部溫度與鋁箔加熱器溫度的溫差過大，導致箱體內襯老化、開裂等問題，當加熱器傳感器的溫度到達58℃時，停止加熱，可以有效地防止內襯被加熱到60℃以上，起到保護內襯的作用。

加熱器開啟加熱模式分為三段：快速加熱段、恒溫加熱段和保溫加熱段。加熱器首次開啟對冷間室進行加熱時，首先進入快速加熱段，此段采用溫差加熱法，即當加熱器開啟加熱時，當加熱器溫度高于間室內空氣溫度30℃時，加熱器停止加熱，避免間室內部溫度與鋁箔加熱器溫度的溫差過大，導致內襯因應力開裂的問題，當加熱器溫度與間室內溫度溫差降至25℃時，再次開啟加熱器。

當加熱器溫度第一次到達58℃時，進入恒溫加熱段，保持加熱器在較小溫度變化范圍內進行加熱，加熱器的開停只根據加熱器溫度而定，當加熱器溫度為58℃時停止加熱，當加熱器溫度低于55℃時，開啟加熱。

當間室溫度達到用戶的設定溫度時，進入保溫加熱段，維持間室內溫度在設定范圍內合理波動。

3 試驗結果

3.1 樣機試驗

根據上述理論，在BCD-271W載體上制作超寬溫區(qū)冰箱。如圖2，鋁箔加熱器貼附于變溫室內襯外側的上表面和下表面，之后冰箱正常完成組裝、發(fā)泡等工序。

將樣機放置在環(huán)境溫度25℃的實驗室內，在變溫室的上層抽屜和下層抽屜中心位置布置了兩個熱電偶，冷藏室設定5℃，冷凍室設定-18℃，變溫室設定-12℃，穩(wěn)定運行24小時。此時設定變溫室加熱溫度45℃，變溫室此時停止制冷，加熱器按上述控制方法開始工作。

從圖3中可以看出，在快速加熱段，從平均溫度-12℃加熱到45℃耗時42分鐘，溫差控制在最大30℃，加熱速度較為平穩(wěn)；在恒溫加熱段，溫度波動小于5℃，且內襯溫度控制在了60℃以內，對于冰箱而言具有很好的安全性；在保溫加熱段，可以維持在45℃左右內波動，波動范圍不超過3℃，穩(wěn)定性良好。

3.2 仿真模擬

使用仿真軟件對冰箱變溫室進行建模并加載加熱溫度，分別截取快速加熱段和保溫加熱段的瞬時溫度場分布圖形。

圖4所示為快速加熱段時，間室內平均溫度達到30℃時的溫度場分布圖，冰箱變溫室內襯溫度在50℃左右，由于熱空氣上浮的作用，變溫室上部溫度略高于下部溫度，間室內部空氣溫度最大溫差在5℃左右，均溫性較好。

圖5所示為保溫加熱段時，間室內溫度達到平衡時的溫度場分布，變溫室內襯溫度在50℃左右，間室內整體溫度趨于均勻，最大溫差在3℃左右。仿真結果與實際試驗的測試結果基本相符。

圖1 鋁箔加熱器安裝示意圖

圖2 安裝有鋁箔加熱器的變溫室內襯

圖3 樣機試驗曲線

圖4 快速加熱段溫度場分布圖

圖5 保溫加熱段溫度場分布圖

4 結論

通過CFD仿真以及樣機試驗摸底，驗證了超寬溫區(qū)冰箱的間室加熱的可行性，加熱過程分為快速加熱段、恒溫加熱段和保溫加熱段，因為鋁箔加熱器的表面加熱溫度較低，很好的保護了冰箱的內襯，防止冰箱內襯材料發(fā)生開裂、老化等問題。

通過試驗表明使用鋁箔加熱器對變溫室進行加熱時，變溫室內空氣溫度均勻性好、溫差小、穩(wěn)定性較優(yōu)，驗證了超寬溫區(qū)冰箱的間室加熱可行性，具備-18℃至45℃之間調溫的條件。如果冰箱內襯采用不銹鋼等耐溫耐熱材質，變溫室內空氣可以加熱到更高溫度。

[1] 賈守濤,黃永壽,劉雷等.冰箱溫度跨溫區(qū)調整的控制[J].日用電器.2015.39(12):39-41.

[2] 曹俊哲,王雙,許明.冷熱復合系統(tǒng)在風冷冰箱中的可行性實驗研究[A].2016年中國家用電器技術大會論文集[C].2016.

[3] 姚南飛.冰箱冷藏膽及冰箱[P].中國專利:205897654,2017-01-18.

[4] 姚君,耿秀華.冰箱箱體及冰箱[P].中國專利:204478621,2015-07-15.