吳俊河 潘媛媛 宋建存 王 培 張希荷

（中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司 廣州 510800）

引言

冰箱在現(xiàn)代社會(huì)，隨著生活水平的不斷提高，在人類的生活中，扮演著越來(lái)約重要的角色。但不同的消費(fèi)群體有著對(duì)冰箱性能的不同要求，有控制精確的多點(diǎn)控制方式的電子溫控式冰箱、有注重實(shí)用性的實(shí)用型簡(jiǎn)易控制冰箱。

多點(diǎn)控制方式的電子溫控冰箱，在各個(gè)冰箱間室內(nèi)布置電子感溫探頭，監(jiān)控間室溫度狀況，通過(guò)主控板PCB 進(jìn)行邏輯運(yùn)算控制，對(duì)控制間室溫度的元器件發(fā)出指令，進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，以完成對(duì)間室的溫度控制，達(dá)到精確控溫的效果。但此類冰箱價(jià)格相對(duì)較高，適合消費(fèi)能力較高、要求較高的消費(fèi)群體。

另一種實(shí)用型簡(jiǎn)易控制冰箱，價(jià)格相對(duì)較低，但是溫度控制也相對(duì)簡(jiǎn)單，適合消費(fèi)能力較低、要求不算太高的消費(fèi)群體。

機(jī)械式溫控直冷箱，就是此類冰箱的典型，它的控制方式主要是靠機(jī)械式溫控器對(duì)冰箱的壓縮機(jī)進(jìn)行開(kāi)?？刂?，以達(dá)到控制冰箱箱體內(nèi)部溫度的目的。

其以控制簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，受消費(fèi)能力較低，但又有食物保鮮需求的消費(fèi)群體青睞。

本論文所談及的研究?jī)?nèi)容主要是來(lái)自于在為巴基斯坦客戶設(shè)計(jì)的機(jī)械溫控式直冷冰箱時(shí)，發(fā)現(xiàn)冰箱在平常的運(yùn)轉(zhuǎn)中，出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)周期不穩(wěn)定，出現(xiàn)長(zhǎng)短開(kāi)停周期，箱內(nèi)溫度波動(dòng)過(guò)大等現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是非正常的冰箱運(yùn)行現(xiàn)象，針對(duì)此現(xiàn)象展開(kāi)調(diào)查、研究、分析，并找出合理的解決方案，為后期類似冰箱產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供新的設(shè)計(jì)思路。

1 問(wèn)題現(xiàn)象描述

根據(jù)圖1 測(cè)試數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)的冰箱，有以下幾個(gè)不正常的現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖1 不正常運(yùn)轉(zhuǎn)周期曲線圖

1）冰箱的個(gè)別周期開(kāi)停機(jī)時(shí)間特別長(zhǎng)，造成冷藏室的開(kāi)停溫差Δt 特別大，最大可以達(dá)到15 ℃，這個(gè)對(duì)于正常使用的冰箱來(lái)說(shuō)，是不利于食品保鮮的，容易造成食物損壞，同時(shí)，依據(jù)GBT/8059-2008 家用和類似用途的制冷器具標(biāo)準(zhǔn)中要求，如表1 所示冷藏溫度的每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)平均溫度要在（0～8）℃以內(nèi)[1]。

表1 儲(chǔ)藏溫度要求

2）溫控器的控制參數(shù)出現(xiàn)漂移，處于不可控狀態(tài)，及控制失效。

①本項(xiàng)目選用的溫控器是定溫復(fù)位型溫控器，參數(shù)如表2。

表2 溫控器控制參數(shù)

此種溫控器的特點(diǎn)是當(dāng)感溫部位溫度達(dá)到4 ℃+/-1時(shí)（如圖3 所示），溫控器接通，壓縮機(jī)開(kāi)始工作。

簡(jiǎn)要說(shuō)明一下溫控器與冰箱的交互原理：

溫控器與冰箱的交互，是通過(guò)溫控器毛細(xì)管感溫段，與冰箱的蒸發(fā)器直接或間接接觸，從而感知冰箱蒸發(fā)器的溫度狀態(tài)，判定是否接通壓縮機(jī)電源，進(jìn)而達(dá)到間接控制冰箱的箱內(nèi)溫度的目的。

②在冰箱的測(cè)試過(guò)程中，會(huì)在溫控器的毛細(xì)感溫管端部約（0～150）mm 處，布置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)（sencer 溫度點(diǎn)），這部分也是溫控器直接感受蒸發(fā)器溫度，并控制溫控器觸點(diǎn)接通與斷開(kāi)的溫度，如圖2 所示。

圖2 溫控器感溫控制段

對(duì)于運(yùn)行周期不穩(wěn)定的冰箱，監(jiān)測(cè)到溫控器接通時(shí)，150 mm 感溫部位有時(shí)接通的溫度是5 ℃，有時(shí)又是16.7 ℃，如圖1 中sencer 一欄的溫度所示，這完全不是根據(jù)定溫復(fù)位型的溫控器的控制方式進(jìn)行控制，溫控器的溫度控制出現(xiàn)了漂移現(xiàn)象，控制失效。

3）控制出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)引起周期突變的現(xiàn)象。

從圖1 可以明顯看出，壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間是處于一種不正常的規(guī)律運(yùn)行，正常的運(yùn)行規(guī)律是冰箱運(yùn)行穩(wěn)定后，每個(gè)壓縮機(jī)的開(kāi)停時(shí)間是比較一致的，如圖3、4所示。

圖3 出現(xiàn)長(zhǎng)短運(yùn)行周期的冰箱運(yùn)轉(zhuǎn)曲線

圖4 正常的冰箱運(yùn)轉(zhuǎn)曲線

在不正常的運(yùn)行周期下運(yùn)行，會(huì)造成冷藏箱體的溫度波動(dòng)變大，不利于食物的存儲(chǔ)。

①機(jī)械式冰箱控制原理及機(jī)械溫控器的動(dòng)作原理

本論文研究的冰箱采用的是壓力式機(jī)械溫控器，如圖5、6 所示。

圖5 溫控器技術(shù)圖紙

壓力式溫控開(kāi)關(guān)主要是利用氣體受熱膨脹，壓力增大來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的功能的。壓力溫控開(kāi)關(guān)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用很廣，主要是因?yàn)樗妮敵隽Ρ容^大，而且不用電源，完全是氣體，符合本征安全的要求。但是由于其體積比較大，所以不適合于一般的小家電，家用一般用于冰箱和空調(diào)。

一般的冰箱就是利用壓力溫度開(kāi)關(guān)來(lái)維持冰箱的恒定溫度的。下面我們通過(guò)介紹它，來(lái)說(shuō)明一般的壓力溫控開(kāi)關(guān)的工作原理。

②冰箱溫控器的工作原理

冰箱溫控器的工作，主要是通過(guò)調(diào)溫旋鈕，可視的將凸輪調(diào)至一定的位置，從而達(dá)到改變彈簧拉力的作用。在溫控器的膜盒及毛細(xì)管中，充有R12 或氯甲烷氣體，受熱容易氣化和膨脹，膨脹后的膜盒形狀改變，將推動(dòng)電觸點(diǎn)克服彈簧的拉力接觸，從而接通電路，是壓縮機(jī)工作。相反，當(dāng)膜盒與毛細(xì)管中的氣體降溫時(shí)，膜盒收縮，與彈簧合力使電觸點(diǎn)分開(kāi)，電路斷開(kāi)，壓縮機(jī)停止工作。如此循環(huán)，把冰箱溫度控制在一定范圍之內(nèi)，滿足食物儲(chǔ)存的需求。其實(shí)這種溫控器控制的精度也不高，現(xiàn)在市場(chǎng)上高檔的冰箱和空調(diào)一般利用電子調(diào)節(jié)。但是由于價(jià)格便宜，原理簡(jiǎn)單，老式的調(diào)節(jié)方式還是很受歡迎的[2]。

根據(jù)圖7、8 所示壓力式溫控器的工作原理分析，溫控器整條毛細(xì)管都是它的感溫部位，同時(shí)，它將會(huì)以最低溫度的那一段做為毛細(xì)管的實(shí)際控制開(kāi)關(guān)閉合與斷開(kāi)的感溫部位，因?yàn)椋挥姓麠l毛細(xì)管溫度達(dá)到了，毛細(xì)管內(nèi)的氣體壓力才能達(dá)到推動(dòng)膜盒的壓力。因此，此類溫控器有它們自身的缺點(diǎn)，在溫控器感溫部分外界環(huán)境異常的情況下，會(huì)有造成溫控器控溫點(diǎn)的變化。

圖7 溫控器結(jié)構(gòu)原理圖

圖8 電冰箱的電路圖

2 原因分析

從壓力式溫控器的工作原理出發(fā)進(jìn)行分析，當(dāng)溫控器觸點(diǎn)開(kāi)閉出現(xiàn)控制溫度，偏離設(shè)定的溫度值時(shí)，排除一般的溫控器故障原因，那就是溫控器的使用環(huán)境受到了不確定因素的影響，從而造成溫控器控制失效的狀態(tài)。

首先從結(jié)構(gòu)布局上對(duì)溫控器的使用環(huán)境進(jìn)行分析。目前對(duì)于采用機(jī)械式溫控器設(shè)計(jì)的冰箱，溫控器的放置位置主要是放置在冰箱冷藏室的側(cè)壁和頂部?jī)煞N（圖9、10）。

圖9 溫控器在側(cè)壁的設(shè)計(jì)

圖10 溫控器在頂部的設(shè)計(jì)

本論文研究的冰箱的溫控器，其所放置的位置是冷藏室的頂部，如圖11。

圖11 研究項(xiàng)目溫控器放置位置

單從溫控器的放置位置看，這個(gè)位置并沒(méi)有什么特別，但從冰箱的整體結(jié)構(gòu)來(lái)分析，對(duì)于這類冰箱，這個(gè)位置就會(huì)有其特別之處。

從冰箱的整體結(jié)構(gòu)圖分析，我們不難看出，這類冰箱是上冷凍，下冷藏的結(jié)構(gòu)形式，溫控器盒處于冷藏室的頂部，靠近冷凍一側(cè)，溫控器的毛細(xì)管將會(huì)穿過(guò)冷凍間室與冷藏間室之間的泡層（中間泡層），到達(dá)冷藏室中冷藏蒸發(fā)器的感溫點(diǎn)位置。

在溫控器毛細(xì)管穿過(guò)中間泡層的時(shí)候，毛細(xì)管受到來(lái)自冷凍間室冷源和來(lái)自冷藏間室熱源的共同影響，使得該段毛細(xì)管溫度會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性。

由上面溫控器的工作原理結(jié)合溫控器毛細(xì)管所處的周?chē)h(huán)境，初步分析，原本在冷藏箱中，冷藏蒸發(fā)器受到制冷系統(tǒng)制冷劑的影響，溫度回升是最慢的一個(gè)，溫控器的動(dòng)作溫度是來(lái)自蒸發(fā)器的溫度，但此時(shí)由于溫控器的毛細(xì)管中間段受到了冷凍室傳來(lái)的冷源的影響，因此，整條溫控器毛細(xì)管中，最遲回升到4 ℃的位置，不再只是毛細(xì)管感溫段與蒸發(fā)器接觸的位置，還有可能出現(xiàn)在其他位置的毛細(xì)管段。

當(dāng)最遲回升到4 ℃的毛細(xì)管段位置處于泡層內(nèi)部這一段時(shí)，溫控器的開(kāi)閉動(dòng)作，將會(huì)依據(jù)這一段的毛細(xì)管溫度進(jìn)行，這就造成了溫控器不受末端感溫段的溫度控制的現(xiàn)象，從而造成了溫控器控制的溫度出現(xiàn)偏移的假象。反映在冰箱上，就是運(yùn)行周期不穩(wěn)定，如圖1 所示。

3 解決方案

通過(guò)上面的分析，我們了解到了溫控器控制溫度點(diǎn)發(fā)生漂移的內(nèi)在原因，是因?yàn)闇乜仄鞯淖钸t回升到4 ℃動(dòng)作溫度的感溫段發(fā)生了轉(zhuǎn)移。為了使溫控器的感溫段，在末端150 mm 處，符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求，我們需要消除這種外界因素的影響。

基于上面的分析，做出以下幾種可行性的對(duì)策方案，同時(shí)選取最優(yōu)方案做為最終的解決方案。

方案1：將溫控器盒的位置變更，如將溫控器盒的位置調(diào)整為冰箱側(cè)面，使感溫導(dǎo)管不穿過(guò)中間泡層，不受冷凍室的冷源影響。

經(jīng)評(píng)估，由于箱體的模具已經(jīng)開(kāi)好，如果調(diào)整溫控器盒的位置，將會(huì)廢掉原有的吸塑模具，造成大量的金錢(qián)損失，同時(shí)，原有的內(nèi)觀設(shè)計(jì)將被推翻。因此，此方案不可行。

方案2：最直接的方法，增加加熱器，對(duì)溫控器盒及泡層內(nèi)的感溫導(dǎo)管進(jìn)行熱補(bǔ)償，使溫控器泡層內(nèi)的那一段毛細(xì)管處于一種比較“熱”的狀態(tài)，最冷點(diǎn)自然落在在與蒸發(fā)器接觸的毛細(xì)管末端上，如圖12、13。

圖12 補(bǔ)償加熱器

圖13 補(bǔ)償加熱器安裝圖片

通過(guò)增加補(bǔ)償加熱器，冰箱的長(zhǎng)短周期問(wèn)題得到改善，溫度控制穩(wěn)定，問(wèn)題得到解決，結(jié)果對(duì)比如圖14。

圖14 裝加熱絲與不裝加熱絲開(kāi)停參數(shù)對(duì)比

1）溫控器感溫部溫度在5 ℃復(fù)位，符合溫控器設(shè)計(jì)預(yù)期；

2）開(kāi)停機(jī)時(shí)間明顯縮短；

3）箱內(nèi)開(kāi)停機(jī)溫差明顯縮小。

裝補(bǔ)償加熱器前，冰箱在檢測(cè)線上的運(yùn)行曲線，如圖15。

圖15 安裝補(bǔ)償加熱器前，非正常運(yùn)轉(zhuǎn)曲線

裝配補(bǔ)償加熱器后，冰箱在檢測(cè)線上的運(yùn)行曲線，如圖16。

圖16 安裝補(bǔ)償加熱器后正常運(yùn)轉(zhuǎn)曲線

從曲線和數(shù)據(jù)上看，裝配補(bǔ)償加熱器后，冰箱箱體運(yùn)轉(zhuǎn)正常，能夠解決冰箱出現(xiàn)長(zhǎng)短周期的問(wèn)題。

此解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)是，能夠快速有效的解決冰箱長(zhǎng)短周期的問(wèn)題，但是會(huì)增加后期的生產(chǎn)成本，同時(shí)，加熱器如果發(fā)生損壞，無(wú)法進(jìn)行更換維修，不利于后期的長(zhǎng)期使用，也不利于市場(chǎng)的銷(xiāo)售。

方案3：考慮利用冷藏間室的自身熱量，對(duì)感溫導(dǎo)管進(jìn)行加溫，使中間泡層段的感溫導(dǎo)管的溫度與箱體內(nèi)的溫度同步回升，針對(duì)此思考，對(duì)溫控器盒及冰箱生產(chǎn)工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整如下：

1）將舊的溫控器盒感溫導(dǎo)管的走向設(shè)計(jì)，調(diào)整為緊貼內(nèi)膽的走向設(shè)計(jì)，使感溫導(dǎo)管盡量遠(yuǎn)離來(lái)自冷凍間室的冷源，同時(shí)降低溫控器盒底座嵌入泡層的厚度，從而增加溫控器盒底座到冷凍間室的泡層厚度，如圖17、18。

圖17 舊溫控器盒設(shè)計(jì)

圖18 新溫控器盒設(shè)計(jì)

2）調(diào)整中間泡層內(nèi)，感溫導(dǎo)管的裝配工藝，由原先的自由裝配，調(diào)整為讓感溫導(dǎo)管貼這冷藏間室內(nèi)膽壁走，充分吸收冷藏間室的熱量，如圖19、20。

經(jīng)過(guò)以上兩點(diǎn)的調(diào)整后，冰箱箱體運(yùn)轉(zhuǎn)正常（圖20），能夠解決冰箱出現(xiàn)長(zhǎng)短周期的問(wèn)題。

圖21 冰箱正常運(yùn)轉(zhuǎn)曲線

此解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)是，需要對(duì)溫控器盒模具進(jìn)行

4 結(jié)論

通過(guò)壓力式機(jī)械溫控器的工作原理分析，以及對(duì)冰箱整體的結(jié)構(gòu)分析，成功找出冰箱了出現(xiàn)長(zhǎng)短運(yùn)行周期的問(wèn)題根源，此箱體的特點(diǎn)是：

1）冰箱的結(jié)構(gòu)形式是上冷凍下冷藏；

2）使用壓力式機(jī)械溫控器做為冰箱運(yùn)行的控制部件；

3）溫控器盒設(shè)計(jì)在冷藏間室的頂部。

本項(xiàng)目的研究，對(duì)后期進(jìn)行具有上述3 個(gè)特點(diǎn)的冰箱設(shè)計(jì)時(shí)，具有較好的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義。調(diào)整，時(shí)間相對(duì)略長(zhǎng)，但能夠解決后期冰箱成本的問(wèn)題，同時(shí)增加了長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免后期還會(huì)面臨到的加熱器損壞無(wú)法維修的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)三種方案的比較，最終選擇方案3 做為解決冰箱運(yùn)行長(zhǎng)短后期問(wèn)題的最終解決方案，該方案實(shí)施容易，同時(shí)節(jié)約了1 大筆冰箱成本，以生產(chǎn)40 萬(wàn)臺(tái)冰箱為例，每件加熱器單價(jià)為7 元/件，采用方案3，將直接節(jié)約成本280 萬(wàn)元。