李偉

美的冰箱事業(yè)部 安徽合肥 230601

1 引言

冰箱作為消費者日常使用頻率極高的電器，基本在每個家庭中均有配置，根據家電市場統(tǒng)計數據，冰箱的百戶保有量已達到了95.3臺[1]，排在消費者擁有的家電品類前列，而在對消費者的調研中，關于冰箱未來幾大改善點中，冰箱使用的高容積率和5G推行下的智能化[2-3]應用逐漸成為消費者比較關心的兩個方向。

其中對高容積率的需要主要是消費者基于以下兩方面考慮的原因：一方面是因為在節(jié)日、打折，或消費習慣的改變（如出門采購次數減少）消費者大量購買物品需要存儲時，冰箱間室內空間無法完全滿足需求；另一方面，因為城鎮(zhèn)化影響的房價不斷攀升[4]，普通消費者家庭中留給固定家具/家電的空間越來越小，且隨著后續(xù)嵌入式冰箱的應用的推廣[5-6]，容納冰箱的櫥柜也限制了冰箱的外形尺寸，對于同樣容積的冰箱，外尺寸越小，占用用戶居家環(huán)境空間將越小，對于用戶而言相當于擁有更大的活動空間。而影響冰箱容積主要有五個因素：發(fā)泡層、風道部件（含蒸發(fā)器）、內飾部件、間室中梁（隔板）和壓機倉；為了追求更大的使用容積，減薄冰箱發(fā)泡層成為最快最有效的方式，但不可避免，發(fā)泡層作為冰箱主要的保溫方式，減小后不僅使箱體的負荷增加引起能耗上升，還將導致局部凝露的風險，這對于用戶使用體驗以及使用的安全性而言是嚴重不利的。

在智能化應用方面，根據2020年3月發(fā)布的2019年中國家電行業(yè)年度報告，家電產品品質升級依然沿著高端化、智能化和健康化的方向進行[7]，而且隨著2020年3月1日發(fā)布的《智能家用電器的智能化技術 電冰箱的特殊要求》標準實施[8]，智能冰箱的占比將越來越大。冰箱的智能化依托于搭載的各種傳感器、攝像頭等進行輸入，輔助一定的控制程序對冰箱的日常使用功能進行控制，為用戶的使用提供便利?，F階段，市場上的冰箱搭載較多的智能化應用除了遠程控制，食材管理等外，自動開門也越來越受到消費者的喜愛。一般控制冰箱自動開門的傳感器是安裝到冰箱的正面區(qū)域，當人走到冰箱的正面，傳感器（攝像頭）檢測到人靠近后，再輔助一定的動作如：輕扣、觸摸等，就可以實現冰箱門體的自動開啟，在一定程度上解決了在用戶雙手被占用時開門的問題。

本文研究的內容是以某公司研發(fā)的一款高端智能單門冷凍冰箱為基礎，如圖1所示，因設計之初要求冰箱保持較高的容積率，所以整體保溫層厚度要求不超過50 mm，同時冰箱需具備自動開門功能，所以在冰箱門體的把手正面放置有3個人感傳感器檢測用戶靠近（傳感器從門內膽面直到門把手正面外部的玻璃下表面），如圖2所示；由于冰箱的把手整體為暗藏設計，局部凹陷，且門體的保溫層較薄，導致把手玻璃面處的發(fā)泡層僅有13.4 mm厚，如圖3所示，經過初步計算（冰箱間室溫度取-18℃），在不做任何防凝露措施時，把手處的溫度僅為23.98℃，遠低于環(huán)溫32℃、85%濕度時29.15℃的露點溫度限值[9]，所以此處會有凝露發(fā)生。而本文就是基于此型號現有門把手結構的凝露問題，對其進行優(yōu)化，通過采用仿真和試驗兩種方式，從模型構建、溫度場仿真、方案對比選擇和方案樣機制作驗證幾個階段，通過對前期預研方案仿真模擬，快速篩選出可行方案，再根據篩選的方案制作樣機進行對比，輔助設計端確定最終方案。

圖1 冰箱外觀結構

圖2 冰箱門體結構

圖3 冰箱截面結構

2 凝露問題分析

2.1 方案選擇

為解決門把手凝露的問題，采用的方案是基于現階段已成熟的冰箱防凝露措施：增加導熱（設置除露管、貼敷加熱絲），增強保溫和增加風循環(huán)的方式進行驗證，其中對于增加風循環(huán)的方式，在本案例中不借助外部條件（如風機）較難實現，故不做考慮；對于方案的制定，考慮此型號冰箱外形及保溫尺寸已經確定，存在局部厚度較薄的情況，所以方案中的增強保溫層是采用貼敷VIP降低導熱系數的方式進行。

同時為了更加有效形成參照，在仿真階段，增加原機狀態(tài)作為對照組，且為了增加預設方案的針對性，提前已對本案例的原機方案進行了仿真，得知凝露風險較高的地方除了門體和箱體側部，主要還有門把手面和把手上3個人感開關盒及周邊部位，考慮到門面和箱體側面的凝露較容易解決，因此在后續(xù)仿真階段，預設的所有改善方案全部基于已在門體和箱體側部面做了保溫的基礎上（門面，箱體側部面貼敷10 mm VIP），再對具體的門把手和人感開關盒處進行防凝露優(yōu)化，更加有針對性的解決本案例的凝露問題。此外，因為人感開關盒是從門內膽面直到門把手正面外部的玻璃下表面，開關盒的豎直空間內無法貼敷VIP等保溫部件，但分析可知冷量勢必沿著開關盒進行豎直傳導，因此與開關盒對應的局部門把手玻璃面的防凝露措施需要單獨進行防護處理。為了驗證這種猜想，在方案選擇之初，也對原機方案在門把手玻璃面增加VIP和門把手玻璃面使用大功率加熱絲方案進行仿真，得到和分析相近的結果，如圖4所示，可以看出以上兩個方案中：與開關盒對應的局部門把手玻璃面低于露點溫度，而且使用大功率加熱絲方案門把手玻璃面其他區(qū)域溫度已達36℃以上，存在一定風險，故不采用。另外，為了加快仿真效率，采用加熱絲的方案中，加熱絲均按照100%開機率模擬運行，而在樣機驗證階段按照實際開機率進行折算；基于以上情況，本案例共規(guī)劃如下5種方案進行凝露風險仿真對比，如表1所示。

圖4 VIP方案仿真（左），大功率加熱絲方案仿真（右）

表1 5種凝露驗證方案描述

2.2 方案仿真

2.2.1 仿真軟件介紹

對于本文方案仿真采用軟件為Icepak，Icepak是一款通用與電子散熱領域的仿真軟件，同時也被廣泛用于通訊、電源設備、電器和家電等與熱設計有關的領域。該軟件有自帶的各種模型（箱體、塊、風扇、PCB板、通風口等），配合多種幾何形狀（六面體、棱柱、圓形、多邊形等）用于自建模，在這些基本模型的基礎上可以構建各種復雜形狀的幾何模型，同時支持外部建模軟件（Catia、Proe、Solidworks等）導入異型3D模型計算。軟件同時還包含有豐富的材料庫（氣體、液體、金屬與非金屬）以及不同廠家的風扇模型供設計者選擇，同時支持使用自建材料進行計算。計算類型方面Icepak支持自然對流和強制對流，同時可以進行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)的仿真計算模擬。

網格劃分方面，Icepak支持對計算的模型自動劃分網格，選用合適的網格類型生成網格貼合幾何形狀，可以很好地提高計算精度。同時Icepak具有參數優(yōu)化的能力，可用來進行多參數優(yōu)化尋求最優(yōu)設計方案；計算方面，Icepak以行業(yè)內成熟的Fluent作為求解器，求解自動進行，收斂后自動退出；后處理方面，Icepak既可以使用自帶的模塊對監(jiān)測點，選取的面、體與部件進行流場，云圖、跡線等進行分析，也可以借助于Workbench平臺中的CFD-post進行后處理。

因為本文主要是分析冰箱門把手表面的溫度分布情況，鑒于冰箱的使用環(huán)境一般是處在用戶家中，通常來說所處空間的氣流速度＜0.2 m/s，基本可以認為是自然對流狀態(tài)，故本案例仿真也基于自然對流進行模擬。

2.2.2 本文仿真流程

本文的具體仿真模擬流程包括如下五部分：

（1）模型構建。因本案例主要是模擬冰箱門把手周邊區(qū)域的溫度，參照冰箱的結構示意圖5，構建的模型主要包括三部分：a.門體部分（包括門面、內部保溫層、門襯內部）；b.和門體搭接的箱體（包含門封、箱體側壁面、箱體內部保溫層）；c.間室內部（此處箱體內部設置為空氣）；考慮到上述結構都可拆分為幾何形狀，故本案例建模全部采用Icepak自帶功能模塊進行，建立的模型如圖6所示。

圖5 建模部分示意圖

圖6 本案例Icepak建模模型

（2）計算條件設置。此部分主要包括了建立計算域（使網格劃分更貼合，保證計算精度），求解條件設置（流態(tài)選擇、求解方程選擇，步數設定，收斂條件設定），冷/熱源功率設置，壁面溫度和邊界條件等設置，以模擬冰箱真實使用環(huán)境參數；其中部分參數設置如下：

a.冷凍室外部溫度32℃，空氣對流導熱系數 10 W/m2?℃；

b.冷凍室內溫度設置-18℃，空氣對流導熱系數 10 W/m2?℃；

c.門體發(fā)泡層厚度50 mm，含2 mm玻璃，10 mm VIP（在原機方案中，此部分設定參數和發(fā)泡層相同）；

d.箱體側壁泡層厚度50 mm，含1 mm鋼板，10 mm VIP（在原機方案中，此部分設定參數和發(fā)泡層相同）；

e.泡料導熱系數0.0188 W/（m?k），VIP導熱系數0.002 W/（m?k），門封導熱系數0.05 W/（m?k），其余材料特性取Icepak軟件自帶參數；

f.除露管溫度36℃。

（3）網格劃分。本案例中主要通過計算域的建立，各部件優(yōu)先級的設定進行自動網格劃分，網格類型采用非連續(xù)網格。

一般情況下，豎直模擬對網格的要求是：在滿足精確性要求情況下，減少對計算資源浪費。良好的網格應該在固體壁面區(qū)域進行加密，以使得計算結果更加精確，而不必要一定追求過密的網格。采用不同網格數對本文方案的同一模型進行數值計算，檢驗重點關注的門把手玻璃面平均溫度隨網格數目的變化，驗證網格無關性。圖7是基于方案5，對采用不同網格數量進行數值計算的結果，可以看出當網格數大于1320040時，所選門把手玻璃面平均溫度變化不超過0.05℃，考慮到本方案模型較為簡單，故選用相對較大的網格數2467952進行數值計算。

同時對上述網格通過Icepak軟件中網格質量檢查工具的檢查，網格貼體，按照3種判斷網格質量的方式：a.面對齊率大于0.15；b.體積應大于1e×10-12m3；c.扭曲率應大于0.02，進行判定，部件面、體的網格質量滿足上述判定要求，網格質量較好，可以符合數值模擬計算的要求。

圖7 網格數的影響

（4）計算求解。此步驟是對上述方案運行Icepak軟件進行求解，軟件自動啟用Fluent進行求解，求解完成或計算收斂后Fluent自動退出，本案例的5個方案收斂圖如圖8所示，可以看出仿真收斂較好。

圖8 本案例5種方案仿真收斂圖

（5）結果后處理。本案例是采用Icepak自帶的后處理功能對監(jiān)測點，選取的面與部件進行流場、云圖等分析；通過對本案例上述5種方案進行仿真，得到如圖9、圖10各方案凝露風險較高部位的溫度分布情況，同時利用軟件統(tǒng)計了各個方案幾個重點凝露部位的溫度值進行對比，如表2所示。

圖9 本案例5種方案門面和門把手面溫度云圖及各點溫度

圖10 本案例5種方案側部溫度云圖

2.2.3 本案例仿真結果分析

（1）根據方案1的仿真結果：原機純發(fā)泡層的方案，門面、把手部位、門封和箱體側部溫度均低于露點溫度，有凝露風險；

（2）根據方案2的仿真結果：使用VIP可有效提升門體、箱體側面保溫效果，使用防露管對門封和箱體側部溫度有明顯提升；但僅靠除露管的熱量無法阻擋箱內的冷量傳遞到把手玻璃面板處；其中3個人感盒區(qū)域，冷量傳遞尤為明顯，且擴散影響到了周邊區(qū)域，最終，門面玻璃靠近把手區(qū)域、把手內部鋁合金、把手玻璃和把手側部鋁合金均有部分區(qū)域溫度低于露點溫度，有凝露風險；

（3）根據方案3的仿真結果：人感盒處使用加熱絲可有效增加人感盒及周邊溫度，使之高于露點溫度，但對于其他有凝露風險區(qū)域改善作用不大；

表2 各部位仿真溫度統(tǒng)計

（4）根據方案4的仿真結果：在把手玻璃面增加加熱絲，有效地阻隔了間室內的冷量向門把手處傳遞，上述門面、把手等部位存在的凝露情況得到有效解決，但同時把手表面局部溫度較高達到38℃，考慮到不同用戶的接受程度，需對加熱絲功率進行調整；

（5）根據方案5的仿真結果：采用把手玻璃面采用貼VIP，可以起到阻隔間室內冷量向門把手處傳遞的作用，輔助人感盒局部貼加熱絲的方案，可使上述門面、把手等部位存在的凝露情況得到有效解決，同時沒有出現局部溫度過高的情況。

2.3 實驗驗證

2.3.1 樣機方案選擇

基于上述5種方案的仿真結果，在接下來的樣機階段，選取方案4和方案5作為樣機的制作方案進行驗證即可。但從上述方案的仿真結果也可以看出，存在凝露風險較大的位置主要是門把手人感盒位置，冷凍室內的冷量沿著人感盒向門把手外表面?zhèn)鬟f，導致把手上人感盒及周邊的溫度降低，從而導致凝露，因此為了參照，在樣機制作階段，在方案5的基礎上取消人感盒處的加熱絲進行對照（對照方案命名為方案6）；同時為了避免不同樣機個體差異對實驗的干擾，以上3種方案僅制作門體部位樣件，箱體部分不變，進一步減少測試誤差。

2.3.2 樣機制作

圖11 VIP和加熱絲制作，貼敷方案

在樣機制作階段，門體上增加的VIP和加熱絲的區(qū)域主要是貼敷在把手玻璃面區(qū)域，但因3個人感盒的存在，把手玻璃面區(qū)域被分割，所以VIP采用分為3段的形式貼附在人感盒之間的把手玻璃面區(qū)域；而加熱絲方案可根據實際形狀制作成異型，在人感盒處根據盒子外圈的周長預留一小段加熱絲，在貼敷時對人感盒進行纏繞包裹即可，但考慮到廠家在制作樣件時更加方便，將加熱絲分為上、下兩段，測試時再連接在一起；VIP和加熱絲的制作，貼敷方案如圖11所示，樣件完成如圖12所示。

圖12 VIP和加熱絲樣件

接著再在門體分別按照3種方案貼敷完VIP和加熱絲后，繼續(xù)完成后續(xù)組裝（門面、內膽、端蓋等），然后進行發(fā)泡，檢查發(fā)泡無問題后，裝配門封、鉸鏈等部件就可以安裝到箱體上進行測試，如圖13。

圖13 樣機制作方案

2.3.3 樣機方案測試

樣機測試階段，本案例樣機方案中的加熱絲均采用外接電源加獨立的控制程序控制運行，加熱絲的控制采用不同開機率進行驗證，經過測試，最終的測試數據如表3所示。

表3 3種樣機方案測試溫度

（1）根據方案6的實驗結果：使用VIP和除露管的方案對提升門體、箱體側面保溫有效果，但3個人感盒區(qū)域，溫度較低，說明還是有部分箱內的冷量沿著人感盒傳遞到把手玻璃面板處，并擴散影響到了周邊區(qū)域，門面玻璃靠近把手區(qū)域、把手內部鋁合金、把手玻璃和把手側部鋁合金均有部分區(qū)域出現凝露現象，和仿真結果相同，局部凝露如圖14所示。

圖14 方案6（左）和方案4（右）門把手凝露情況對比

（2）根據方案4的實驗結果：在把手玻璃面增加加熱絲，人感盒纏繞加熱絲的方案，確實有效的阻隔了間室內的冷量向門把手處傳遞，在加熱絲的開機率控制在25%以上時，門面、把手等部位的溫度在測試過程中均高于露點溫度，也沒有觀測到門體、箱體部位凝露情況的出現，而且因為加熱絲是控制開機率的運行方式，各溫度檢測點的溫度最高為36.2℃（開機率35%），避免了仿真時出現加熱絲100%運行導致局部點溫度過高的情況，滿足了防凝露要求（方案6和方案4相同部位的凝露對比，如圖14所示）。

（3）根據方案5的實驗結果：在把手玻璃面采用貼VIP，輔助人感盒局部貼加熱絲的方案，在測試過程中，當加熱絲的開機率控制在35%以上時，各檢測點的溫度均高于露點溫度，沒有觀測到門體、箱體部位出現凝露現象，也沒有出現溫度過高的情況（開機率45%時，各溫度監(jiān)測點最高溫度35.4℃），同樣達到了防凝露的要求，而且此方案是僅在人感盒上增加加熱絲，總的電能消耗相比方案4更小。

3 結論

基于上述研究，本文對于某公司研發(fā)設計過程中遇到的門把手凝露的具體問題，通過初步仿真，先辨別出凝露風險較高部位，有針對性的再對這些部位制定預設改善的凝露方案進一步仿真確認，確定下一階段實驗驗證方案，再制作實際樣機進行驗證；通過采用仿真模擬和試驗驗證結合的方式進行研究，篩選出具有可行的兩種方案：便捷制造方案——方案4（加熱絲方案）和低能耗方案——方案5（VIP+加熱絲方案），解決了本案例冰箱門把手凝露的問題，減少了樣機制作數量，并縮短了驗證周期，從而快速為設計端提供設計建議。為后續(xù)同類問題提供了解決思路和參考，有一定的借鑒意義。

但不可避免，在本文的撰寫過程中因為個人水平有限，本文還存在一些不足待后續(xù)改進：首先，本案例的仿真采用的是穩(wěn)態(tài)模擬，但冰箱及加熱絲實際運行工況為開停模式，雖等效開機率可以折算，但如改為瞬態(tài)仿真模擬，更貼合實際情況；其次，考慮到相變引入對仿真結果的影響，仿真時沒有加入空氣濕度的影響，在技術完善后，可將這一因素引入進一步進行優(yōu)化；最后，在樣機階段加熱絲功率的選取參考的是現有冷藏翻轉梁的功率，根據長度關系等效選擇的實驗功率，根據測試結果可知，因功率選擇較大導致實際開機率?。ǎ?0%），后續(xù)在保證不凝露的情況下，可以適當減小功率，使加熱絲的工作情況更符合實際。