肖 劍 王文娟 高 平 牛再山 宋玉榮 李 芳

（安徽康佳同創(chuàng)電器有限公司 滁州 239000）

引言

對于風(fēng)冷冰箱，尤其是本文的研究對象所涉及的單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱，其冷藏和冷凍的回風(fēng)全部都要流經(jīng)冷凍的蒸發(fā)器，制冷過程中所接觸的濕熱空氣更多，相對于多系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱及直冷式冰箱，其結(jié)霜量更多，其結(jié)霜和化霜問題是影響其制冷和制約其節(jié)能降耗水平提高的最主要的因素。為了避免制冷系統(tǒng)因蒸發(fā)器結(jié)霜嚴重而導(dǎo)致整機制冷功能喪失的問題，同時希望能通過研究蒸發(fā)器結(jié)霜的影響因素，確定合理的優(yōu)化方案，提高化霜效率，從而提高產(chǎn)品可靠性，并在一定程度上降低能耗。

本次研究特選取一款在產(chǎn)單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱BCD-409W為研究對象，其結(jié)構(gòu)見圖1所示，制冷循環(huán)過程為：壓縮機開機，通過冷凍室風(fēng)機將蒸發(fā)器冷量直接送至冷凍室以及通過送風(fēng)道送至冷藏室，而后冷藏室熱風(fēng)通過回風(fēng)道到達蒸發(fā)器、冷凍室通過風(fēng)機強制對流使熱氣與蒸發(fā)器換熱完成整個制冷循環(huán)。

1 風(fēng)冷冰箱化霜方案、化霜控制策略

1.1 化霜切入點控制

一個化霜周期一般含三個過程，分別是結(jié)霜期、化霜期、化霜恢復(fù)期，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，結(jié)霜期主要關(guān)注其結(jié)霜的均勻性、結(jié)霜的速度；在化霜期應(yīng)考慮化霜功耗、化霜對箱內(nèi)溫升的變化、除霜率是否能達到100 %、化霜方式的可靠性；化霜恢復(fù)期應(yīng)考慮如何能快速而又高效的對箱體進行降溫。提高化霜效率，需采用高效的化霜控制技術(shù)的支持，其關(guān)鍵是：冰箱產(chǎn)品能夠在在各種工況運行條件下，以安全、可靠、經(jīng)濟的方式，實現(xiàn)冰箱系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和節(jié)能目的。

有關(guān)化霜切入點的控制方法，主要通過四種參數(shù)來控制：

1）壓差控制法。壓差控制法就是通過在蒸發(fā)器兩側(cè)設(shè)置壓力檢測點，當(dāng)兩個檢測點的差值達到設(shè)定值時，開始化霜。這種方法的優(yōu)點是適用于各種環(huán)境工況，但是易受化霜水、化霜滴落的冰塊等異物的干擾，控制不夠精準，容易出現(xiàn)誤化霜，壓差控制器的成本較高，目前還不能廣泛應(yīng)用。

2）霜層厚度檢測法。一類是直接測量，通過設(shè)備或工具對蒸發(fā)器的某幾個點的結(jié)霜厚度進行測量，采用平均值作為評判基準判斷是否需要化霜，目前測量方法有激光測厚方法、探針測厚法、千分尺測厚方法等，但是由于蒸發(fā)器結(jié)霜的不均勻性導(dǎo)致霜層的測試點位置不確定，此類方法并未得到應(yīng)用。另一類是通過光電或電容、圖像分析等直接檢測結(jié)霜層的厚度，達到目標厚度后進行化霜，化霜完成后退出。其中，王偉[1]提出一種用于化霜控制的光電技術(shù)，采用在某一具體點設(shè)置光電傳感器來測量霜層厚度；于兵[2]提出了一種新型圖像分析技術(shù)，對所拍攝的照片進行降噪和灰度圖像二值化，最后通過對應(yīng)的像素數(shù)來確認蒸發(fā)器每個位置的霜層厚度，這種方法在處理較厚霜層時可以達到較大的精準度，但是對于較薄霜層，由于拍照的視覺誤差很容易造成誤判，而且由于受檢測元件成本的限制，很難得到應(yīng)用。

3）壓縮機累計時間—溫度控制法。此方法為早前運用最廣泛的化霜方法，是根據(jù)壓縮機累計運行時間進行定時化霜，根據(jù)蒸發(fā)器上的某一點的溫度判定霜層是否融化完全來退出化霜，在制定壓縮機累計運行時間時，設(shè)計者為了考慮惡劣工況，一般都設(shè)定了較短的化霜間隔，此方法不太適用于所有工況，易產(chǎn)生不必要的化霜從而增加了能耗以及由化霜引起的其他風(fēng)險。

4）模糊化霜控制法。隨著產(chǎn)品智能化發(fā)展，化霜控制除了壓縮機累計時間以及溫度參數(shù)以外，增加了開關(guān)門次數(shù)、開關(guān)門時間以及運行工況等，對冰箱的化霜切入點進行智能分析。諶清平[3]提出根據(jù)壓縮機的累計運轉(zhuǎn)時間和開門時間兩個參數(shù)進行多次測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計來確定結(jié)霜程度，再根據(jù)這兩個輸入變量，利用設(shè)定的控制規(guī)則，發(fā)出化霜的控制指令。模糊化霜控制方法使冰箱的化霜更加智能化，化霜更為可靠，但是如何實現(xiàn)更優(yōu)仍然值得探究。

5）綜合參數(shù)控制法。為累計時間—溫度控制方法和模糊化霜控制法的優(yōu)化，控制中包含了壓縮機累計時間、上電累計時間、環(huán)境溫度、濕度、壓縮機功率、運行模式、開關(guān)門次數(shù)等參數(shù)，根據(jù)不同參數(shù)的變化，制定不同的化霜進入點以及化霜退出點，此方法也是目前應(yīng)用最先進、最廣泛、化霜可靠性較好的一種方法。

BCD-409W采用綜合參數(shù)控制法，化霜切入點的控制方法主要通過壓縮機累計時間、上電累計時間、環(huán)境溫度、運行模式、開關(guān)門次數(shù)等參數(shù)進行智能控制化霜，例如根據(jù)開門次數(shù)化霜切入時間見表1。

表1 不同開門次數(shù)、環(huán)境溫度下的化霜進入條件

另外，當(dāng)冰箱所處的運行模式不同，化霜的進入控制也會有所不同，以及不同參數(shù)同時達到時采取了化霜的優(yōu)先級控制。

1.2 化霜過程控制

目前市場上的化霜均為采用恒功率化霜，當(dāng)進入設(shè)定目標值后，化霜加熱器開啟。有關(guān)于化霜過程的優(yōu)化問題，馬迪[4]提出了一種間歇式的化霜控制方法，為了提高化霜的安全性能，避免因化霜加熱器高溫引起的風(fēng)險，將化霜加熱器的控制過程設(shè)定為接通—斷開—接通的循環(huán)，直到化霜結(jié)束。由于此方案需要使電熱管頻繁的啟動和斷開，考驗了電器件的耐久性能，此方案僅處于研究階段，并未得以應(yīng)用。

1.3 化霜退出控制

目前采用綜合參數(shù)控制法控制化霜進入產(chǎn)品，其化霜退出一般采用溫度控制方法。其化霜退出溫度一般分為兩種：

1）固定溫度：不論其他參數(shù)變量如何變化，均控制在某一特定溫度作為化霜退出溫度。

2）不固定溫度：根據(jù)冰箱的開門情況、設(shè)定檔位、運行模式等綜合參數(shù)變量設(shè)定不同的化霜退出溫度。

本文研究對象所采取的化霜退出控制為第二種—不固定溫度。其化霜退出溫度控制如下：

①在智能節(jié)電模式下：當(dāng)化霜傳感器溫度≥0 ℃時停止化霜；

②在非智能節(jié)電模式下：當(dāng)化霜傳感器溫度≥5 ℃時停止化霜；

另外，為防止箱體損傷以及加熱器故障，特別設(shè)定當(dāng)化霜時間≥90 min時，停止化霜。

2 化霜控制優(yōu)化方案制定

2.1 化霜功率的選用

化霜加熱器功率越大，加熱時間就越短，而隨著加熱器功率的增加，加熱器表面和蒸發(fā)器表面的溫度也會越來越高，而化霜及恢復(fù)期耗電量增量是先隨加熱器功率的增大而減小的，主要是由于化霜時間的縮短，此時霜層吸收的熱量占主要部分，其他零部件吸收熱量較少，化霜恢復(fù)期產(chǎn)生的耗電增量逐步減小所致，當(dāng)達到一定值的化霜功率后，隨著加熱器功率的升高而逐步升高，主要是由于加熱器溫度的升高，其他零部件吸收熱量逐步增大，從而引起化霜及恢復(fù)期耗電增量增加所致，見圖2。

圖2 化霜耗電量增量隨加熱器功率變化圖

以公司單系統(tǒng)風(fēng)冷產(chǎn)品409W產(chǎn)品為例，根據(jù)理論分析以及實際測試，我們提出采用分段式功率的化霜方案。在產(chǎn)品設(shè)計階段為了考慮各種工況下的化霜，采用180 W的化霜功率作為大功率段，本文選取100 W作為小功率段的加熱功率。

2.2 化霜過程控制

理論上可以通過化霜傳感器監(jiān)測蒸發(fā)器溫度變化的方法來實現(xiàn)對功率的調(diào)整，即通過調(diào)整冰箱控制板，設(shè)置過零檢測電路，增加可控硅元器件，操縱可控硅對工頻交流電進行斬波，從而達到化霜加熱器的輸出功率變化的目的，見圖3。

圖3 可控硅斬波調(diào)整輸出功率控制示意圖

考慮到經(jīng)濟性，本文采取外接化霜加熱器的方法進行化霜，根據(jù)軟件，將原化霜加熱器電源接出、接入端外接一個警報器，化霜傳感器溫度達到化霜退出溫度時警報響，對化霜加熱器進行手動化霜。

2.3 方案驗證

本文所采用的分段式化霜控制，前段采用180 W大功率，后段采用100 W小功率，根據(jù)時間參數(shù)的變化對化霜功率進行調(diào)整，沿用原方案的化霜退出溫度進行試驗。試驗中記錄箱內(nèi)及蒸發(fā)器各點的溫度變化及化霜水的量來計算化霜效率的變化。

為研究蒸發(fā)器的化霜過程中各點溫度的變化，對蒸發(fā)器結(jié)霜情況進行分析，試驗中采用T型熱電偶對蒸發(fā)器以及化霜加熱器布測試點，根據(jù)蒸發(fā)器上溫度的變化，可將其化霜過程劃分為初加熱、化霜和排水三個階段。

原方案在32 ℃下化霜周期為96 h，化霜時間為35.5 min，由于原方案在12 min進入化霜期。26 min化霜期結(jié)束進入排水期，故可以將大功率運行時間控制在化霜期后期或者排水期。故本文將大功率的運行時間分別控制在24 min、26 min、28 min、30 min、32 min進行試驗。

經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，測試結(jié)果如表2 。

1）化霜加熱熱量的變化對比

隨著大功率運行時間的減少，小功率段的運行時間逐漸增加，總的化霜加熱熱量呈先減小后增加的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因為隨著大功率時間的減少，越來越多的小功率被用來融化蒸發(fā)器上的霜層，在相同的排水期情況下，大功率運行時間越短，用于化霜的小功率運行時間增加的越多導(dǎo)致的。

2）各處溫升的變化對比（圖4）

圖4 分段式化霜不同方案各處溫升變化曲線

隨著大功率運行時間的減少，箱內(nèi)溫度的升高呈先減小后增大的趨勢。原因是因為隨著大功率時間的減少，越來越多的小功率被用來融化蒸發(fā)器上的霜層，在相同的排水期情況下，大功率運行時間越短，用于化霜的小功率運行時間增加的越多，效率越低，導(dǎo)致其他部位隨時間的變化，溫度逐步上升。

3）霜的吸熱效率的變化對比（圖5）

圖5 分段式化霜不同方案化霜效率和化霜及恢復(fù)期耗電量增量變化曲線

霜的吸熱效率即體現(xiàn)了化霜效率，隨著大功率運行時間的減少，霜的吸熱效率呈先增大后減小的趨勢，由于在30 min，小功率主要用于排水階段，加熱器的低溫在一定程度上降低了箱內(nèi)以及蒸發(fā)器的溫升，化霜效率的增加，使總的化霜效率增加；而在化霜階段，小功率運行時間越多，加熱時間越長，箱內(nèi)各處吸收熱量越多，導(dǎo)致化霜階段的化霜效率越低，使總的化霜效率降低。

4）化霜及化霜恢復(fù)期耗電量增量的變化對比（圖5）

化霜及化霜恢復(fù)期耗電量增量隨著大功率的時間減少先變小后增大的，是因為在大功率運行相對時間較長的32 min和30 min，進入排水階段后，采用小功率運行有效的減少了其他部位的溫度升高帶來的耗電量影響，而隨著大功率的運行時間的減少，小功率段開始參與化霜階段，運行時間逐步增加，總的加熱功耗增加導(dǎo)致化霜及恢復(fù)期耗電量增量的增加較大。

綜上所述，在32 ℃標準工況下選用合適的分段式化霜是可以達到化霜效率的提升以及能耗減小的目的。但是由于化霜需要考慮不同工況的結(jié)霜情況，仍然需要綜合各種工況進行大量的測試驗證來選擇最優(yōu)的化霜功率。

4 總結(jié)

本文通過采取不同方案的分段式化霜功率的化霜方案，驗證了分段式化霜對改善化霜溫升、優(yōu)化化霜能力以及降低能耗的有效性。其中，化霜加熱熱量、箱內(nèi)溫度的變化、化霜及化霜恢復(fù)期耗電量增量隨大功率的運行時間呈先減小后增大的趨勢，化霜效率呈先增大后減小的趨勢，此研究成果為單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱提高化霜可靠性、降低能耗提供了參考。