冰箱取消箱體側(cè)板VIP板性能提升研究

李婷婷 楊志鵬 劉新

長虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

近年來，隨著高端冰箱市場占比上升、全球冰箱能效標準日益提高，真空絕熱板（Vacuum Insulation Panel，簡稱VIP板[1]）逐漸應用于冰箱柜產(chǎn)品，以降低產(chǎn)品的耗電量并增大產(chǎn)品容積。VIP板是一種利用真空絕熱原理生產(chǎn)的新型高效節(jié)能環(huán)保絕熱材料，具有導熱系數(shù)低、體積小的優(yōu)點。以玻璃纖維為芯材的VIP板的導熱系數(shù)僅18 mW/m·k左右，約為發(fā)泡料的10%。但VIP板價格昂貴，每平方米的價格在90元以上，同時還有易破損的缺點，在冰箱制造期間需要采用大量的防護措施。避免VIP板被尖銳物品刺破或劃破，不僅在冰箱結(jié)構(gòu)設(shè)計上要進行規(guī)避，而且在工裝上需特別小心。另外，VIP板和泡沫層變形量不一致，冰箱上貼敷的VIP板存在鼓脹和痕跡問題，尤其是箱體兩側(cè)的VIP板下沿，箱殼外觀越光亮，痕跡越明顯，不利于高端冰箱外觀質(zhì)量提升需要。因此實際應用時需要認真評估其性價比。

對于使用了VIP板的產(chǎn)品，為了實現(xiàn)優(yōu)化成本以提升產(chǎn)品競爭力，行業(yè)內(nèi)的設(shè)計人員一直在對VIP板的使用進行研究，一般是通過減薄VIP板厚度或是減少VIP板面積（僅使用在內(nèi)外溫差更大的冷凍箱殼處）來實現(xiàn)優(yōu)化成本，但這些方案并不能徹底取消VIP板的使用，而且還需要提高制冷效率等措施進行補償。本文以一款使用了VIP板的十字對開門產(chǎn)品作為研究對象，在保持箱體發(fā)泡層厚度不變的情況下，完全取消箱體VIP板結(jié)構(gòu)，對其性能提升進行試驗研究。

若冰箱箱體取消使用VIP板，根據(jù)傳熱學[2]知識，箱體導熱系數(shù)增大，箱體熱負荷也增大。將面臨以下幾個問題：（1）冰箱整機耗電量增大；（2）在高環(huán)境溫度下，壓縮機所提供的制冷量不夠，間室溫度不能滿足國標規(guī)定的特性溫度要求；（3）高溫高濕情況下，箱體外壁溫度低于露點溫度，出現(xiàn)凝露。

本研究采用理論分析和試驗測試相結(jié)合的方法，對理論分析的方案在研究對象上進行試驗驗證。其中通過使用超高效壓縮機和優(yōu)化制冷控制邏輯來提高制冷效率；變頻一體板使用COOLMOS模塊來降低待機功耗；使用超薄門封條減少箱體門封處漏冷量；增加防凝管避免箱殼出現(xiàn)凝露等方案，實現(xiàn)了產(chǎn)品取消VIP板后的性能和可靠性與取消VIP板前相當，而成本大幅降低的效果。本文從提高制冷效率、降低待機功耗、減少漏冷量、增加防凝管這四個方面進行優(yōu)化設(shè)計，旨在為取消VIP板的設(shè)計思路提供參考。

1 優(yōu)化方案

基于上述理論分析，本研究從四個方面著手進行優(yōu)化并進行試驗驗證：

（1）通過理論計算箱體熱負荷的變化情況，合理選配更大制冷量和更高COP的壓縮機；

（2）通過控制變量法尋求壓縮機和風機最佳適配轉(zhuǎn)數(shù)，同步優(yōu)化控制算法降低控制功耗；

（3）使用超薄門封結(jié)構(gòu)，減少箱體門封結(jié)構(gòu)處的漏熱量；

（4）去掉VIP板的位置適當布局防凝管（注：本措施旨在解決外部凝露問題，但同時會帶來增加箱體熱負荷的負面影響，理論測算熱負荷的時候需同步考慮）。

1.1 重新選配壓縮機

對于目前冰箱的研究來說，為降低冰箱的能耗，提高壓縮機的效率是主要的決定因素。將十字對開門產(chǎn)品進行理論測算，取消箱體VIP板后，箱體整體漏冷量增加了約8%。該產(chǎn)品原狀態(tài)（使用VIP板結(jié)構(gòu)）匹配加西貝拉的VTE1113YA壓縮機，其最高COP為1.95，最大制冷量為215 W。結(jié)合漏冷量測算結(jié)果和性價比等因素，在此基礎(chǔ)上選配更高COP和更大制冷量的壓縮機，包括加西貝拉的VTN1114YA、萬寶的VTL100和華意的HVM100ME壓縮機，這三款壓縮機的最大制冷量提高約10%，均滿足大于箱體整體漏冷量。

在32℃和16℃環(huán)溫下，用這三款壓縮機在同一臺箱體上分別進行耗電量測試，測試結(jié)果如表1所示，匹配VTN1114YA壓縮機能耗值最優(yōu)，后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計方案均在該壓縮機匹配下進行。

表1 壓縮機參數(shù)及能耗測試對比表

1.2 優(yōu)化控制邏輯

1.2.1 優(yōu)化壓縮機和風機轉(zhuǎn)速

本文研究的冰箱包含“四星”級間室，在滿足“四星”級間室要求的特性溫度（-18℃）下，根據(jù)對冰箱壓縮機的理論分析、計算和實際測試，取（-24～-27℃）為最佳蒸發(fā)溫度范圍[3]。若是蒸發(fā)溫度過高，蒸發(fā)器管道兩側(cè)流體溫差過小，影響制冷速度；若是蒸發(fā)溫度過低，制冷劑循環(huán)量降低，制冷系統(tǒng)的制冷量也會降低。通過最佳蒸發(fā)溫度范圍可初步確定壓縮機轉(zhuǎn)數(shù)范圍。

從VTN1114YA壓縮機的“COP-特性曲線”（如圖1）可知，COP隨壓縮機的轉(zhuǎn)速增加出現(xiàn)“先增后減”趨勢，在1600 r/min時達到最大值。在最佳的蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，對該壓縮機“COP-特性曲線”中COP最高值附近收斂，以取得能耗最低壓縮機轉(zhuǎn)速。

圖1 COP-特性曲線

冰箱所用的冷凍風機的作用是將蒸發(fā)器處的冷空氣輸送到各個間室，冷凝風機的作用是給外置冷凝器進行強制對流換熱，提高制冷效率。風機的轉(zhuǎn)速若是過高，冰箱的耗電量和噪聲都會增大；若是轉(zhuǎn)速過低，壓縮機出現(xiàn)不停機且冰箱間室特性溫度不滿足。壓縮機和風機轉(zhuǎn)速經(jīng)過多次組合測試，得到最佳適配轉(zhuǎn)速，使得能耗最低。

1.2.2 降低變頻一體板待機功耗

冰箱的變頻電控一體板通過電信號對壓縮機等電氣元件進行控制，一些工作中的電路實際并未起到作用，若是能節(jié)約這部分電能，會使得變頻電控一體板待機功耗降低。本研究降低變頻一體板待機功耗的措施是改進開關(guān)電源，將IGBT模塊換為COOLMOS模塊。經(jīng)過能耗測試，運行功耗可降低0.5 W，整機耗電量降低0.01 kW·h/24 h，但成本需增加約2元。

1.3 使用超薄門封條

冰箱箱體和門體之間裝配后形成的縫隙通過門封條來進行保溫和密封，它由軟質(zhì)膠條和磁條兩部分組成。冰箱關(guān)閉門時，利用磁條吸力，吸附在箱體上，進行密封。

門封條的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)對箱體保溫起到關(guān)鍵作用，行業(yè)內(nèi)門封條一般采用SPVC、GPPS等材質(zhì)，結(jié)構(gòu)由磁條、氣囊、飛邊、卡扣等組成。可以通過減小膠條和磁條的寬度、設(shè)計飛邊和輔助氣囊增加空氣的體積、增加波紋管、將大體積氣囊分成幾個體積相對均勻的小氣囊等方案來優(yōu)化門封條的結(jié)構(gòu)，從而提高保溫效果[4-5]。本文門封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化采取了減小氣囊高度的措施。由于門封寬度減小，門體和箱體裝配距離也變小，箱體對應的上合頁、中合頁、下合頁也需重新進行設(shè)計，保證門封的密封性。

圖2 a) 為原門封條截面圖，圖2 b) 為優(yōu)化后門封條截面圖。如圖所示：優(yōu)化后門封條較原門封條氣囊的高度從10 mm減小到6.5 mm，經(jīng)過試驗測試，整機耗電量降低2%左右。

圖2 門封條截面圖

1.4 增加內(nèi)置防凝管

高溫高濕環(huán)境下為避免箱體外表面出現(xiàn)凝露，可在箱殼上適當布局防凝管，因防凝管會帶來增加箱體熱負荷的負面影響，所以在保證箱體外表面不凝露的情況下，防凝管應設(shè)計的盡可能少。又因冷凍的箱內(nèi)空氣溫度較冷藏更低，在防凝管的設(shè)計中，冷凍箱體側(cè)幫可比冷藏更“密”。

本研究設(shè)計了兩種防凝管結(jié)構(gòu)，如圖3所示（由于防凝管為對稱結(jié)構(gòu)，僅對比一側(cè)），結(jié)構(gòu)一是“冷藏和冷凍均為3根管”結(jié)構(gòu)，防凝管間距為150 mm；結(jié)構(gòu)二是“冷藏3根管、冷凍5根管”結(jié)構(gòu)，冷凍箱體側(cè)幫比冷藏更“密”，冷藏防凝管間距為150 mm，冷凍防凝管間距為150 mm和50 mm。測試情況如表2所示，采用“冷藏3根管、冷凍5根管”結(jié)構(gòu)的進口溫度約為：36.0℃，出口溫度約為：34.8℃，箱殼平均溫度約為：30.2℃。大于露點溫度（29.3℃）。該措施能夠很好地抑制箱體外表面凝露產(chǎn)生。

圖3 防凝管結(jié)構(gòu)對比

表2 不同防凝管結(jié)構(gòu)溫度測試對比表

表3 優(yōu)化后與原點狀態(tài)測試對比表

2 試驗驗證結(jié)果

將本研究冰箱的原點狀態(tài)、取消VIP板狀態(tài)、優(yōu)化后狀態(tài)依據(jù)GB/T 8059—2016[6]標準，進行比對測試。

由表3所示的測試結(jié)果可知，經(jīng)過采用系列優(yōu)化方案后：（1）耗電量值與原狀態(tài)相當；（2）32℃、85%濕度環(huán)境下未出現(xiàn)任何凝露；（3）43℃環(huán)境下的開機率由100%降到了90%，有效提升了產(chǎn)品的可靠性。

3 結(jié)論

通過本文的研究可知：

（1）可以通過使用高效壓縮機、降低變頻一體板功耗、使用超薄門封條等優(yōu)化方案來取消箱體VIP板結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品成本，且在產(chǎn)品性能方面還能略有提升。

（2）在使用的四個優(yōu)化方案中，使用高效壓縮機對能耗優(yōu)化貢獻值最大，約占50%，其次是使用薄門封結(jié)構(gòu)，約占25%。