陳開松 尚殿波 劉宏宇

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

目前，冰箱尤其是風冷冰箱，由起初的大容積高端冰箱風冷設計，逐步向小容積風冷冰箱設計轉移，風冷冰箱概念逐步深入到千家萬戶。

風冷冰箱較常規(guī)的直冷冰箱而言，需要進行風道結構、化霜控制、主控板等設計與可靠性驗證，技術難度大，整機成本偏高。高效的風道結構設計需要通過CFD[1]仿真分析軟件進行優(yōu)化與性能驗證研究。當前，小容積風冷冰箱用變頻壓縮機的主流排量中最低的為7 CC，該種7 CC排量變頻壓縮機[2]主要適用于容積段為250～350 L的風冷冰箱，若250 L及以下容積段的風冷冰箱用7 CC排量變頻壓縮機，則經(jīng)濟性較差，故需要需求性價比較優(yōu)的冰箱整機設計。

基于以上存在的問題，設計出一種5 CC排量變頻壓縮機，通過制冷部件、控制邏輯與風道結構等設計方案優(yōu)化，應用5 CC排量變頻壓縮機，確保200 L及以下容積段風冷冰箱可以通用，冰箱整機性能與可靠性滿足要求。

1 具體方案

以BCD-200 W*風冷冰箱為研究載體，從箱體熱負荷計算、制冷部件蒸發(fā)器結構優(yōu)化、風道結構優(yōu)化、控制邏輯優(yōu)化以及壓縮機具體設計參數(shù)等角度出發(fā)，采用5.2 CC排量變頻壓縮機，完成風冷冰箱載體主要性能驗證，確保滿足既定目標要求。

1.1 冰箱載體熱負荷計算[3]

冰箱箱體熱負荷Q總包括箱體漏熱量Q1、開門漏熱量Q2、貯物熱量Q3和其它熱量Q4，即：

箱體漏熱量Q1包括通過箱體隔熱層的漏熱量Qa，通過箱門和門封條的漏熱量Qb，通過箱體結構形成熱橋的漏熱量Qc，故：

1）箱體隔熱層的漏熱量Qa，由于箱體外殼鋼板很薄，而其熱導率λ值很大，所以熱阻很小，可忽略不計。內殼多用ABS等塑料板，最薄的四周部位只有約1.0 mm。塑料熱阻較大，可將其厚度一起計入隔熱層，因此箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過程，故：

式中：

A—箱體外表面，單位為m2；

K—傳熱系數(shù)，單位為W／(m2·K)，

具體K的計算式：

式中：

a1—箱外空氣對箱體外邊面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為 W/(m2·K)；

a2—內箱壁表面對箱內空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為 W/(m2·K)；

δ—隔熱層厚度，單位為m；

λ—隔熱材料的導熱率，單位為W/（m·K）。

2）通過箱門與門封條進入的漏熱量Qb

由于Qb值很難通過計算得到，根據(jù)經(jīng)驗Qb取為Qa的15 %。

3）箱體結構部件的漏熱量Qc

箱體內外殼體之間支撐方法不同，Qc值也不同。一般可取Qc值為Qa值的3%左右。目前聚氨酯發(fā)泡成型隔熱結構的箱體，無支撐架形成的冷橋，因此Qc值可不計算。

關于開門漏熱量Q2、貯物熱量Q3和其它熱量Q4在當前不開門計算性能測試過程中用不到，在此不進行計算。

根據(jù)以上箱體熱負荷的計算公示以及簡化計算設計要求，根據(jù)我司冰箱載體BCD-200W*的結構設計參數(shù)，將冰箱載體的原有參數(shù)列入到該表格中，得出冰箱載體熱負荷。箱體尺寸參數(shù)如表1所示。

新國標需要同時測試兩個環(huán)溫（16 ℃與32 ℃），此處僅計算新國標下的32 ℃環(huán)溫對應的冰箱熱負荷，同時計算出38 ℃高環(huán)溫儲溫對應的冰箱箱體熱負荷，具體結果見表2。根據(jù)熱負荷結果，確認應用5 CC排量變頻壓縮機冷量的可行性。

1.2 風道結構優(yōu)化設計

風冷冰箱需要風道結構配合制冷風扇將制冷蒸發(fā)器所產(chǎn)生的冷量帶入到冰箱各個制冷間室中去，實現(xiàn)各個制冷間室的制冷需求。故風道結構設計的優(yōu)劣直接關系到風冷冰箱整機性能的優(yōu)劣。采用CFD仿真分析軟件分析風道流場的方法是目前行業(yè)中采用比較普遍的一種方法。

表1 箱體各部位具體尺寸

表2 箱體熱負荷計算值

該款冰箱載體為兩門結構，從上到下依次為冷藏間室與冷凍間室。蒸發(fā)器位于冷凍間室蒸發(fā)器倉內，置于冰箱后背中。通過制冷風扇、風道與風門的配合，實現(xiàn)冷凍間室上部冷藏間室制冷需求。

應用CFD仿真分析軟件，重點分析冷凍風道結構改進前后的冷凍風道流場，針對有旋渦與短路的部位進行優(yōu)化設計，確保采用較小冷量的壓縮機條件下，通過風道效率的提升，可以強化整個風道循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)效率。

表3 6CC壓機性能參數(shù)

1.3 壓縮機改進設計

該款冰箱載體原先采用的壓縮機為6 CC排量，具體參數(shù)見表3。

更換為5 CC排量變頻壓縮機，具體參數(shù)如表4。

從6 CC與5 CC排量壓縮機參數(shù)中可以看出，在38度環(huán)溫下，對比6 CC所采用的變頻壓縮機冷量，同等轉速冷量降低約10 %，考慮到5 CC壓縮機既定設計轉速以及可靠性要求，綜合考慮高環(huán)溫儲藏溫度要求，該款壓縮機采用4 380 RPM設計，基本可以滿足整機的。

1.4 控制邏輯優(yōu)化

壓縮機采用2.3中的描述所制定的既定轉速進行運行控制。

儲藏溫度方面：38 ℃環(huán)溫下，冰箱載體原來設計的，所采用的壓縮機在3 900 RPM條件下，對應的壓縮機冷量約為123 W，高效點在1 800～2 400 RPM之間。新國標能耗測試中，需要分別測試32 ℃與16環(huán)溫下的整機能耗，其中32 ℃環(huán)溫下，壓縮機運行轉速為1 800 RPM，16 ℃環(huán)溫下，壓機轉速為1 200 RPM。

能耗測試方面：對比6 CC排量采用的壓縮機轉速與效率值，5 CC排量壓縮機的效率（COP）至少與原6 CC持平。從壓縮機的設計參數(shù)來看，高效點在1 800 RPM及以上，如考慮采用相近的開機率，同等轉速下，應用5 CC排量壓縮機的冰箱載體開機率將提高，實際冰箱匹配中，適當提高開機率更有利于節(jié)能，但開機率不易過高，建議開機率80 %～85 %比較好。基于以上分析結果，實際設計的32度環(huán)溫對應的壓機轉速為1 980 RPM，16度環(huán)溫為1 320 RPM。

1.5 制冷部件優(yōu)化

制冷部件主要除壓縮機，主要為兩器即蒸發(fā)器與冷凝器。

蒸發(fā)器需要提高換熱性能，將常規(guī)斜插結構更換為扭角拉賬結構換熱性能更優(yōu)。

冷凝器為側幫冷凝器，采用D型管冷凝器，確保冷凝器與側幫接觸面更大，換熱更強，換熱效果更好。

1.6 噪音驗證

基于該款冰箱載體從6 CC壓縮機更換為5 CC壓縮機載體，實際運行過程中，最高運行轉速由3 900 RPM更改為4 380 RPM，需要驗證改進后的整機噪音，確保整機噪音滿足標準要求。

噪音是冰箱的一個重要指標，實際噪音測試采用新國標6點法進行測試驗證。

2 試驗結果分析

2.1 兩器新結構設計結果

冰箱載體用蒸發(fā)器由常規(guī)的常規(guī)斜插結構更換為扭角拉脹結構，具體如圖1（a）所示，扭角拉脹結構可以確保斜插條件下的蒸發(fā)器管道與翅片可以更加充分的接觸，確保換熱性能更優(yōu)。經(jīng)過實驗測試驗證，對于200 L左右冰箱用蒸發(fā)器，扭角拉脹蒸發(fā)器較常規(guī)結構的換熱性能提升約3.8 %。

冰箱載體用冷凝器由常規(guī)結構修改為“D型”管結構，具體如圖1（b）所示，確保冷凝管道的扁管部位與側幫接觸更充分，換熱性能更優(yōu)。經(jīng)過實驗測試驗證，對于200 L左右冰箱用冷凝器，“D型”管結構冷凝器較常規(guī)結構的換熱性能提升約3.5 %。

冷凝器與蒸發(fā)器換熱效果均得到提升，才可以確保整機性能得到提升。

2.2 冷凍風道優(yōu)化結果對比分析

冷凍風道結構改進前后的流場見圖2（a）與圖2（b）。從圖2（a）流線圖可看出，紅圈圈位置存在渦流，阻力大，耗能高。該種結構模型的六個出風口的風量分配均勻性較差，導致各間室風量分配不佳。需要對風道結構再優(yōu)化設計，如圖2（b）所示，優(yōu)化流線圖有較大好轉，優(yōu)化后各出風口風量較為均勻，風量分配均勻性較好。

表4 5CC壓機性能參數(shù)

圖1 冰箱載體用冷凝器

圖2 冷凍風道結構

2.3 整機性能結果

新國標下，測試16 ℃與32 ℃的冰箱整機耗電量，具體測試曲線見圖3、4。

耗電量測試：32 ℃環(huán)溫下，6 CC壓縮機采用2 040 RPM，開機率約為88 %，16 ℃環(huán)溫為1 320 RPM，開機率約為69 %。兩種環(huán)溫對應的壓縮機轉速可以較好地發(fā)揮變頻壓縮機與整個制冷系統(tǒng)的匹配優(yōu)勢，確保制冷系統(tǒng)性能得到提升。

圖3 16 ℃環(huán)溫下整機能耗測試曲線圖

圖4 32 ℃環(huán)溫下整機能耗測試曲線圖

圖5 38 ℃環(huán)溫下整機儲藏溫度測試曲線圖

表5 兩款冰箱載體整機噪音實測結果

儲藏溫度測試：38 ℃環(huán)溫下，儲藏溫度測試曲線見圖5。從測試曲線可以看出，應用5 CC排量變頻壓縮機，冷藏室與冷凍室的溫度均滿足儲藏溫度測試要求，測試曲線滿足控制邏輯運行要求。

2.4 噪音測試結果

按照新國標噪音測試方法，采用6點法進行噪音測試，整機測試結果見表5。從測試數(shù)據(jù)結果來看，5 CC壓縮機在4 320 RPM，噪音與6 CC排量壓縮機3 900 RPM時的噪音值相當。整機噪音滿足項目指標要求。

通過以上整機耗電量、儲藏溫度與噪音測試結果來看，此款更小排量的變頻壓縮機可以滿足200 L及以下冰箱載體的性能要求。整機噪音值在標準范圍內，滿足既定指標要求。

3 結論

通過對BCD-200W*風冷冰箱載體的風道結構優(yōu)化設計、5 CC壓縮機參數(shù)設計以及控制邏輯改進設計，實現(xiàn)5 CC變頻壓縮機代替6 CC變頻壓縮機的設計要求。冰箱整機主要性能與噪音均滿足標準要求，與6 CC排量壓縮機配的整機性能相當。