陶 凱 張 波

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

在歐美地區(qū)，人們基本上把速凍食品當(dāng)作家常便飯，冰箱冷凍室的使用頻率較高，所以上冷凍下冷藏的冰箱形式多見于海外出口產(chǎn)品中。近年來海外以風(fēng)冷冰箱為主的高端產(chǎn)品占比持續(xù)增長，銷量迅速提升，但風(fēng)冷冰箱在性能可靠性方面的市場投訴率和質(zhì)量問題明顯高于直冷冰箱，主要體現(xiàn)在高溫高濕地區(qū)冷凍室的調(diào)節(jié)撥桿結(jié)冰、冷藏/冷凍風(fēng)口結(jié)冰、冷藏/冷凍面罩凝露/結(jié)冰、冷藏制冷效果差、風(fēng)扇周圍結(jié)冰等問題。

CFD 作為目前指導(dǎo)風(fēng)冷冰箱性能設(shè)計(jì)的重要手段之一，在新品設(shè)計(jì)初期及老品后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)中都得到了很好的應(yīng)用。在基于CFD 技術(shù)的大容量風(fēng)冷冰箱流場分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[1]一文中，利于CFD 技術(shù)指導(dǎo)大容積風(fēng)冷冰箱新品開發(fā)設(shè)計(jì)，在基于CFD 技術(shù)的小容積風(fēng)冷冰箱流場分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[2]一文中，是借用CFD 仿真技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的一款小容積風(fēng)冷冰箱進(jìn)行分析，結(jié)合仿真結(jié)果并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。借用CFD 仿真手段在新品設(shè)計(jì)初期模具開模之前進(jìn)行分析，不僅縮短了開發(fā)周期同時(shí)也降低了開發(fā)成本；借用CFD 仿真手段對(duì)老產(chǎn)品進(jìn)行分析，為優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向。本文通過利用CFD 仿真技術(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合試驗(yàn)測試驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

1 原型機(jī)概述

本文以一款兩門上冷凍下冷藏風(fēng)冷冰箱作為研究對(duì)象，通過CFD 仿真工作對(duì)該冰箱整機(jī)風(fēng)路系統(tǒng)進(jìn)行流場仿真模擬分析[3]，整機(jī)外形圖如圖1所示。

圖1 整機(jī)示意圖

該類型冰箱冷凍風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器位于冰箱上部，冷藏室的風(fēng)量需回到冷凍間室，所以為便于回風(fēng)，通常將冷藏室的回風(fēng)口置于冷藏室的頂部；冷藏室的風(fēng)量通過在冷凍風(fēng)道中設(shè)置的水平調(diào)節(jié)撥桿來調(diào)節(jié)，如圖2所示。由于冷凍室的使用頻率較高，所以就會(huì)進(jìn)去大量濕氣，造成水平調(diào)節(jié)撥桿結(jié)冰、冷凍風(fēng)罩表面有結(jié)冰的現(xiàn)象，如圖3所示，用戶在使用過程中由于存放物品的無序及品類的繁多，會(huì)存在不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象。

圖2 水平調(diào)節(jié)撥桿結(jié)構(gòu)三維和實(shí)物圖

圖3 冷凍風(fēng)罩結(jié)冰情況

2 風(fēng)道仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

提取出的原型機(jī)的整機(jī)空氣域仿真三維，以及仿真計(jì)算后的整機(jī)流場圖如圖4所示。

圖4 原型機(jī)仿真三維模型和仿真流場圖

結(jié)合仿真分析結(jié)果，冷藏室的回風(fēng)位于間室的頂部，容易造成間室風(fēng)量循環(huán)短路，現(xiàn)提出將正面出風(fēng)改為側(cè)出風(fēng)，即冷藏風(fēng)道一側(cè)送風(fēng)、一側(cè)回風(fēng)，取消原頂部回風(fēng)，通過調(diào)整風(fēng)路循環(huán)形式優(yōu)化冷藏間室的循環(huán)風(fēng)路。

冷凍風(fēng)罩內(nèi)外表面出風(fēng)口的設(shè)計(jì)存在問題，優(yōu)化方案：取消原風(fēng)道模型冷凍出風(fēng)口的飛邊，風(fēng)口與面罩平齊，水珠不易在風(fēng)口邊緣凝結(jié)，如圖5所示。

圖5 冷藏風(fēng)罩和冷凍風(fēng)道出風(fēng)口調(diào)整

原調(diào)節(jié)撥桿為水平方向左右撥動(dòng)，撥桿表面極易積水結(jié)冰，造成其失去功能。將原冷凍風(fēng)道擋片式調(diào)節(jié)桿更改為旋鈕式調(diào)節(jié)桿，旋鈕外側(cè)設(shè)計(jì)一圈凸起翻邊，高度>3 mm，防止面罩上的水珠流到旋鈕導(dǎo)致旋鈕凍堵，將冷凍面罩旋鈕處的表面做磨砂處理，防止在旋鈕附近形成珠狀水滴。旋鈕式風(fēng)量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)：風(fēng)道面罩內(nèi)表面設(shè)計(jì)底座結(jié)構(gòu)，用于裝配調(diào)節(jié)桿與旋鈕，建議底座高度>10 mm；底座結(jié)構(gòu)呈菱形設(shè)計(jì)，上下銳角，面罩表面的水滴流到底座處不易凝結(jié)；調(diào)節(jié)桿與面罩內(nèi)表面筋條的間隙設(shè)計(jì)>3 mm。

在冷凍風(fēng)扇下部設(shè)計(jì)一擋水結(jié)構(gòu)，將風(fēng)扇的化霜水引流至兩排排水槽內(nèi)。

將原冷凍面罩底部回風(fēng)道外凸式結(jié)構(gòu)調(diào)整為內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)，使面罩表面水沿面罩流入接水盤內(nèi)，并保證內(nèi)凹深度大于等于外凸式結(jié)構(gòu)深度。

冷凍風(fēng)道組件三維結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的冷凍風(fēng)道三維

優(yōu)化后的冷藏風(fēng)道溫度場、速度矢量仿真分析如下圖7所示。

圖7 優(yōu)化后冷藏風(fēng)道側(cè)出風(fēng)設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)測試

為驗(yàn)證優(yōu)化后的方案是否可行，選擇較為嚴(yán)格的高溫高濕可靠性試驗(yàn)進(jìn)行測試，試驗(yàn)要求如下：

環(huán)境溫度：35 ℃、90 %Rh（開門段，模擬白天），25 ℃、90 %Rh（不開門段，模擬夜晚）。

放包方法：

1）冷凍室每層擱架的左半部分放負(fù)載包，且每層擱架的負(fù)載包頂部各放1 個(gè)M 包。右半部分放冰盒，冰盒里面加水。

2）冷藏室每層擱架上放兩個(gè)水盒，每個(gè)盒子中加入1.8 L 水，并在3/4H,1/2H,1/3H 處各布置1 個(gè)銅質(zhì)圓柱。

開門方法：

1）冷藏門：每45 min 開一次，共20 次，每次開門維持40 s。

2）冷凍門：每90 min 開一次，共10 次，每次開門維持20 s。

實(shí)驗(yàn)周期：7+2 天（開關(guān)門7 天，不開門2 天）。

經(jīng)上述可靠性試驗(yàn)測試：優(yōu)化后的冷藏側(cè)出風(fēng)風(fēng)道，風(fēng)罩表面溫度有明顯提升，風(fēng)口周圍凝水結(jié)水現(xiàn)象有明顯改善，冷藏室底部無積水；冷凍風(fēng)道風(fēng)口處無積水結(jié)冰，面罩表面無積水結(jié)冰；開門階段，冷凍風(fēng)道的旋鈕微動(dòng)，用力可撥動(dòng)；在恢復(fù)階段，旋鈕旋轉(zhuǎn)通暢。經(jīng)試驗(yàn)判定可靠性試驗(yàn)合格。

4 結(jié)論

本文主要通過對(duì)現(xiàn)有市場反饋上冷凍下冷藏類型的風(fēng)冷冰箱存在的可靠性問題進(jìn)行分析，對(duì)相關(guān)的冷藏風(fēng)罩組件、冷凍風(fēng)罩組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1）冷藏風(fēng)道的循環(huán)風(fēng)路形式，由原來的頂部回風(fēng)改為一側(cè)出風(fēng)一側(cè)回風(fēng)；

2）將原冷凍風(fēng)道擋片式調(diào)節(jié)桿更改為旋鈕式調(diào)節(jié)桿，旋鈕外側(cè)設(shè)計(jì)一圈凸起翻邊，高度>3 mm，防止面罩上的水珠流到旋鈕導(dǎo)致旋鈕凍堵，將冷凍面罩旋鈕處的表面做磨砂處理，防止在旋鈕附近形成珠狀水滴；風(fēng)道面罩內(nèi)表面設(shè)計(jì)底座結(jié)構(gòu)，用于裝配調(diào)節(jié)桿與旋鈕，建議底座高度>10 mm；底座結(jié)構(gòu)呈菱形設(shè)計(jì)，上下銳角，面罩表面的水滴流到底座處不易凝結(jié)；調(diào)節(jié)桿與面罩內(nèi)表面筋條的間隙設(shè)計(jì)>3 mm。

3）在冷凍風(fēng)扇下部設(shè)計(jì)一擋水結(jié)構(gòu)，將風(fēng)扇的化霜水引流至兩排排水槽內(nèi)；

4）將原冷凍面罩底部回風(fēng)道外凸式結(jié)構(gòu)調(diào)整為內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)，使面罩表面水沿面罩流入接水盤內(nèi)，并保證內(nèi)凹深度大于等于外凸式結(jié)構(gòu)深度。

優(yōu)化后的風(fēng)道經(jīng)高溫高濕可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，冷藏風(fēng)道改善了原冷藏間室風(fēng)量短路的情況，降低了冷藏面罩表面的溫度，風(fēng)口周圍凝水結(jié)水現(xiàn)象有明顯改善，冷藏室底部無積水。冷凍風(fēng)道風(fēng)口無積水結(jié)冰；面罩表面無積水結(jié)冰；開門階段，旋鈕微動(dòng)，用力可撥動(dòng)；在恢復(fù)階段，旋鈕旋轉(zhuǎn)通暢。經(jīng)試驗(yàn)判定可靠性試驗(yàn)合格。