直冷电冰箱节能优化设计

杨春华

摘要:随着科学技术的发展与进步，人们的生活水平不断提高，电冰箱已然成为了家居生活不可缺少的家电，电冰箱由于是保鲜器具，一经使用就需要一直通电运行，具有连续耗电的特点，所以在电冰箱普及使用的情况下，节能降耗是电冰箱在研发过程中的重要课题。而直冷冰箱由于结构简单，故障率低，成本不高等优点，对电冰箱的普及起到了至关重要的作用，文章针对如何进行直冷冰箱节能优化设计提出以下几点观点，以供参考。

关键词:直冷冰箱；微霜；真空隔热板；节能；机械变频

在新时代科学技术的发展下，电冰箱的使用在家家户户已经普及，然而电冰箱具有高能耗的特性，大量使用电冰箱会使21世纪的能源危机持续加重，优化设计高效的制冷系统，较好的保温隔热材料、良好的门封、高效的压缩机都是电冰箱节能减耗的关键所在，在不断提升用户体验的同时，对电冰箱进行节能优化设计对未来经济及环境的发展具有重要意义。

1 制冷系统优化设计

2017年新国标GB/T8059-2016的实施，对电冰箱的制冷功能和能源消耗指标提出了新的要求，新国标不再区分直冷冰箱和无霜冰箱，采用了新耗电量测试方法及全新的能效标识、对于传统直冷式冷藏冷冻箱的能耗是一次巨大的挑战。目前主流直冷式电冰箱为上冷藏下冷冻抽屉式冰箱，由冷冻室蒸发器为搁架式钢丝盘管结构，冷藏室蒸发器是铝板热压粘铝管结构组成。

1.1 冷冻蒸发器的优化设计：

制冷剂在制冷循环中过低的蒸发压力会使单位制冷量和制冷系数减小，据相关文献介绍，提高蒸发温度对提升电冰箱能效有着至关重要的作用。

第一：设计出高效的蒸发器：采用微霜^[1]蒸发器与传统钢丝盘管蒸发器相结合，其结构为传统的丝管蒸发器安装在箱胆内，再在箱胆外套上微霜蒸发器，其结构为套管绕成圈的铝管，将铝管紧绕至冷冻室内胆再用铝箔贴住，此组合成的高效蒸发器可以大幅度增加蒸发器的换热面积，并且蒸发温度显著提高。

第二，增大蒸发器有效面积：在安装位置和空间不变的情况下，丝管冷冻蒸发器制冷管由一般的U型平行走管，可以调整为R型走管，比U型多一根蒸发管。丝管蒸发器考虑加密钢丝布局，由目前主流的6~8 mm在上层加密至3.5mm；丝管蒸发器考虑在上层和低层增加附层，进一步增大蒸发面积，此措施一般高效冰箱均有采用。

1.2 冷藏器优化设计：

目前主流的冷藏蒸发器是板管蒸发器由铝管压偏后由热胶粘在铝板上压贴合成，其优化设计的主要方向是：第一，增大有效蒸发器面积：铝管由U型平行布管，升级为发夹S对角型布管可增加管路数量，另外保证可靠的扁平率，压得更扁，可增加铝管铝板的接触面。

第二，与冷冻蒸发器匹配蒸发面积，理论上节能设计时如果已经大幅度增大冷冻蒸发器面积，必须增大冷藏蒸发器蒸发器面积，其主要设计依据是与冷冻蒸发器的传热面积得到正确匹配，由此减小冰箱工作系数达到节能目的。

1.3 冷凝器及散热优化设计

冷凝压力太高也会引起压缩机功率上升、制冷量减小、压缩机开机率增加，最终功耗增加。根据相关文献介绍，箱外环境温度一定的情况下，将冷凝器与箱外环境的换热温差减小，提高两者换热效率，并在此基础上适当增加冷凝面积，可以降低排气压力，还能提高深冷程度，有利于减小系统能耗。直冷式冰箱在造价和结构的限制下一般采用板管式散热结构，冷凝钢管以U型盘管的形状贴在冰箱两侧板上，再用铝箔黏贴，在优化冷凝器的设计中要在结构允许的情况下，增大冷凝器的有效散热面积可以考虑以下几点，第一，采用D型截面的钢管替代传统的圆型载面钢管，D型面与冰箱侧板的面接触比传统圆管的线接触在面积上有所增加，效率提升较明显。第二，适当缩小U型盘管间的平行间距，由一般的70mm 缩小为50mm。第三，散热优化设计：在压缩机顶上安装接水盘，在接水盘上布置冷凝管，利用冰箱的除霜水冷却冷凝管，以减少系统热量传递至箱体的总量，在满足防凝露需求的前提下，优先考虑散热管先走箱体两侧再走防凝露管。

1.4 毛细管优化设计

毛细管的流量控制，对制冷系统起到非常重要的影响，尤其是直冷冰箱。 当流量过大时，可能冰箱达不到要求的温度，反之流量过小，则出现流量不足，制冷速度慢。在冰箱系统中，毛细管与回气管通过铝箔包裹在一起，作为简易的回热装置，毛细管长度也要有一定的要求，太短回热效率差，且回气管出箱部分会出现结霜现象，太长成本增加明显。最佳的毛细管流量和足够的回热长度，对冰箱的节能起着非常重要的作用。一般厂家会有初始经验长度和流量值的毛细管，再通过理论与实验相结合对多种规格的毛细管进行实际测试比较确认。

2 冰箱的保温优化设计

要降低冰箱的耗电，除了制冷性能的提升，另外保温层的绝热性也是至关重要的，冰箱主要是以发泡作为绝热层，按冰箱的设计经验对绝热层（泡层）厚度都有设计经验，特别是直冷箱，冷藏泡层和冷冻泡层都必须在一个合理的范围，并进行配对。在冰箱外观尺寸和容积确定的情况下，各部分的泡层厚度基本确定。发泡目前冰箱行业主流采用环戊烷发泡，经过冰箱发泡技术的发展目前的30～80mm厚度的泡层导热系数K值 一般在0.0195～0.0025W/m.℃之间。而行业内都采用真空隔热板

^[2]改善冰箱的保温性能，进一步减少冰箱的热负荷。真空隔热板俗称VIP板，其导热系数K值，12～20 mm厚的一般在0.0018～0.0025W/m.℃。 实际使用效果VIP板的厚度比原泡层厚度是 1：3。VIP板在直冷冰箱主要用于箱体两侧和门体。箱体两侧用支架支撑起来避免与侧板的冷凝器接触，然后按VIP板容积减少泡料再发泡。门体直接用3M胶直接贴在门壳内侧，适当减少泡料后发泡成型。以12mm 厚度为参考采用VIP板的冰箱，门体节约耗电约2～3%，箱体节约6～10%。

3 超薄门封设计

据文献资料门封漏热约占冰箱总热负荷^[3]15%,其密封和绝热性能对冰箱的制冷效果和运行能耗产生较大影响。门封厚度和截面形状影响门封绝热性能，门封槽型结构与截面选型及其气囊数量与门封厚度是密切相关的，如现有的R型、U型、J型、U-R型截图，最终体现到门封厚度是绝热性能的最关键因素。随着冰箱制作水平的不断提升，已经由20mm 发展到12mm， 而超级节能冰箱甚至采用8mm超薄门封。据相关资料显示，当采用8mm门封对比12mm 门封，实验结果可下降耗电达量5%

4 机械变频压缩机

在新国标的实施以来，各厂商都对原有产品进行能效升级，冲击1级能效甚至于出现比1级能效还要低20%的节能领跑者产品，为争当第一梯队。在以上节能措施都已经实施的情况下，有部分厂商采用了机械变频压缩机。其原理：是根据冰箱的运行情况，以压缩机的开机率R%，来调整压缩机的运行频率(转速)，要求压缩机的开机率R%尽量保证在70%。当开机率R%＞70% 说明目前压缩机的制冷量不足，要升频提升压缩机转速，增大制冷量；当开机率R%＜70% 说明目前压缩机的制冷量过高，需要降频节能。对于变频压缩机在正常转速1000~4500转范围时，转速越低越节能。通过冰箱运行为信号，压缩机自行调整运行频率，在稳定运行时以较小的功率满足制冷需求，达到节能目的。

结束语

在科学技术不断发展的进程中，电冰箱的使用范围愈加广泛，同时节能减排的社会问题也逐步增加，通过优化电冰箱的蒸发器、冷凝器、选配更佳的毛细管及采用真空隔板、超薄技术，高效的机械变频压缩机技术可以改善电冰箱在使用过程中带来的能源消耗问题，使电冰箱在满足社会多样化需求的情况下，还能实现节能降耗，为实现环境的可持续发展尽一份绵薄之力。

参考文献

[1]孙好雷, 肖世海, 冯铁良. 一种微霜、匀冷直冷式冰箱冷冻室设计[J]. 家电科技, 2015, 000(006):52-54.

[2]段焕林, 李刚, 王冰,等. 真空隔热板在电冰箱隔热保温中应用分析[J]. 真空, 2005(06):73-77.

[3]李俊松, 杨永英. 冰箱门封的节能设计[J]. 家用电器, 2001(07):19-19