張威，周蕾，陳昕，陳輝云

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

引言

隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，家用制冷器具在節(jié)能環(huán)保綠色家電的基礎(chǔ)上，開(kāi)始追求智能化和人性化發(fā)展。冰箱更是家用制冷器具發(fā)展的領(lǐng)跑者，形成了以智能化促進(jìn)人性化發(fā)展的良好循環(huán)。劉兆巖[1]等分析了冰箱智能化發(fā)展的大趨勢(shì)，在智能化發(fā)展的依托下，保鮮技術(shù)快速發(fā)展，多功能保鮮冰箱則滿足了消費(fèi)者的人性化需求。劉智潔[2]等人從專利申請(qǐng)方向分析了智能冰箱保鮮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，熊征[3]等人則是從技術(shù)方向?qū)Ρ浔ｕr技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了歸納總結(jié)。

為了進(jìn)益求精，保鮮技術(shù)緊隨消費(fèi)者需求不斷升級(jí)。為解決蔬菜水果控濕保鮮、藥材堅(jiān)果防潮防霉的分類存儲(chǔ)需求，冰箱行業(yè)開(kāi)始注重干儲(chǔ)技術(shù)的研究，冰箱除濕方法則是干儲(chǔ)技術(shù)的核心。面對(duì)種類繁多的冰箱除濕方法，宋蕊[4]進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納總結(jié)，并對(duì)各類方法進(jìn)行了利弊分析，但對(duì)干儲(chǔ)技術(shù)運(yùn)用在產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)的效果缺乏深入研究分析。本文將從干區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外界環(huán)境因素、消費(fèi)者使用習(xí)慣三個(gè)維度對(duì)冰箱干儲(chǔ)性能的可靠性進(jìn)行研究分析，為干區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供方向和建議。

1 干儲(chǔ)技術(shù)的原理分析

冰箱的干儲(chǔ)技術(shù)主要是通過(guò)某種方法使冰箱內(nèi)部干區(qū)抽屜或者子間室的濕度保持在較低的水平狀態(tài)。此類方法種類繁多，但總體可以分為兩大類，一類是通過(guò)某種手段達(dá)到除濕的效果來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的濕度水平，例如，放入干燥劑吸附除濕、開(kāi)通風(fēng)道利用干燥的制冷循環(huán)風(fēng)除濕等；另一類是通過(guò)某種手段隔絕或者阻斷水分的進(jìn)入來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的濕度水平，例如，利用選擇性通過(guò)膜阻斷水分進(jìn)入、采用密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔絕水分進(jìn)入等。

干儲(chǔ)技術(shù)主要是針對(duì)干貨存儲(chǔ)開(kāi)發(fā)的，為的是存儲(chǔ)過(guò)程中更好的保持食材的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法不同，相應(yīng)的控制參數(shù)存在差異，為了更好的評(píng)價(jià)干儲(chǔ)性能的可靠性，需要選擇合理的統(tǒng)一評(píng)價(jià)參數(shù)。

2 干儲(chǔ)性能評(píng)價(jià)參數(shù)的選擇

水分活度是指水分的游離程度，也表示食品中的水分可以被微生物利用的程度，《食品冷凍冷藏原理與技術(shù)》[5]從酶促反應(yīng)、生物化學(xué)反應(yīng)以及食材質(zhì)構(gòu)等方面闡述了水分活度可直接反映食品的儲(chǔ)藏狀態(tài)，控制較低的水分活度能夠抑制食品的化學(xué)反應(yīng)和微生物生長(zhǎng)繁殖、保持食品的質(zhì)構(gòu)，提高食品的穩(wěn)定性。其數(shù)值可用水分活度儀進(jìn)行測(cè)量，常用的測(cè)量原理是平衡相對(duì)濕度法，即水分活度在數(shù)值上等同于密閉環(huán)境的相對(duì)濕度，通過(guò)測(cè)量密閉環(huán)境中的相對(duì)濕度值得到食品的水分活度值[6]。

綜上所述，較低的相對(duì)濕度水平是具有良好干儲(chǔ)性能的體現(xiàn)，因此本次研究分析將采用干區(qū)的相對(duì)濕度值來(lái)作為其干儲(chǔ)性能的評(píng)價(jià)參數(shù)。

3 可靠性研究與分析

3.1 儀器與材料

具有干儲(chǔ)功能的冰箱A和B：干區(qū)容積相近但結(jié)構(gòu)不一樣，冰箱A干區(qū)為密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，冰箱B干區(qū)為可實(shí)現(xiàn)氣流循環(huán)的風(fēng)口設(shè)計(jì)；溫濕度記錄儀ZDR-20：杭州澤大儀器有限公司；性能實(shí)驗(yàn)室（溫度：0～50 ℃±0.5 ℃、濕度：45～95 %RH、溫度梯度：≤1 ℃/m、試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速：≤0.25 m/s）；A型實(shí)驗(yàn)托盤：滿足QB/T 5510-2021標(biāo)準(zhǔn)要求；羊毛片：滿足QB/T 5510-2021標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

將樣機(jī)放入性能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室干球溫度為25±0.5 ℃、濕度分別為55±2 %和90±2 %。冰箱在正式試驗(yàn)前先提前24 h通電空載運(yùn)行，冷藏室按照4±1 ℃、冷凍室按照-18±1 ℃調(diào)控間室溫度。

3.3 研究與分析

3.3.1 干區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

將冰箱A和B的干區(qū)放入溫濕度記錄儀，在環(huán)境溫度為25 ℃、環(huán)境濕度為55 %的條件下測(cè)試3天。圖1和圖2分別為兩個(gè)干區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的相對(duì)濕度曲線，對(duì)比發(fā)現(xiàn)冰箱A干區(qū)相對(duì)濕度波動(dòng)很小、較為平穩(wěn)，而冰箱B干區(qū)相對(duì)濕度波動(dòng)幅度較大超過(guò)40 %，因此冰箱A干區(qū)的干儲(chǔ)性能更穩(wěn)定有利于保持食材物質(zhì)穩(wěn)定性。

圖1 冰箱A干區(qū)相對(duì)濕度曲線

圖2 冰箱B干區(qū)相對(duì)濕度曲線

這主要是冰箱B干區(qū)有風(fēng)口設(shè)計(jì)采用干燥的制冷循環(huán)風(fēng)進(jìn)行除濕，在風(fēng)門開(kāi)啟時(shí)冷凍室的干燥冷空氣進(jìn)入，相對(duì)濕度急速下降，風(fēng)門關(guān)閉時(shí)與冷藏室的潮濕空氣交換，相對(duì)濕度迅速上升，導(dǎo)致相對(duì)濕度波動(dòng)較大；而冰箱A干區(qū)利用整體框架搭載密封條設(shè)計(jì)形成相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)，來(lái)隔絕水分進(jìn)入，從而實(shí)現(xiàn)較低的濕度水平，干區(qū)內(nèi)水分含量相對(duì)穩(wěn)定，故相對(duì)濕度較為平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)干儲(chǔ)性能的穩(wěn)定性有著決定性的影響，更關(guān)系著干儲(chǔ)性能可靠性。

3.3.2 外界環(huán)境因素的影響

因冰箱的干區(qū)子間室一般都設(shè)計(jì)在冷藏室內(nèi)，冰箱冷藏室具有自動(dòng)智能控溫系統(tǒng)，溫度對(duì)干區(qū)相對(duì)濕度的影響很小不予以考慮，主要研究外界濕度對(duì)干區(qū)相對(duì)濕度的影響。對(duì)干區(qū)而言，外界濕度包含冰箱外環(huán)境濕度和冷藏室內(nèi)濕度，冷藏室內(nèi)新鮮的蔬菜和水果存在蒸騰現(xiàn)象會(huì)影響冷藏室的濕度，為此我們借鑒QB/T 5510-2021中重量損失率實(shí)驗(yàn)方法[7]，在冷藏室內(nèi)放置A型實(shí)驗(yàn)托盤+羊毛片來(lái)模擬果蔬散發(fā)水分的情況。

在冰箱A和冰箱B的干區(qū)放入溫濕度記錄儀，分別在55 %和90 %環(huán)境濕度條件下測(cè)試?yán)洳厥铱蛰d狀態(tài)與放置A型實(shí)驗(yàn)托盤+羊毛片兩種情況，測(cè)試周期為3天，統(tǒng)計(jì)結(jié)果（因兩個(gè)干區(qū)的相對(duì)濕度曲線差異較大，相對(duì)濕度最大值和最小值不具有整體濕度水平的代表性，故采用相對(duì)濕度積分均值進(jìn)行評(píng)判）如圖3所示。

圖3 不同外界濕度條件下的干區(qū)相對(duì)濕度

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：相同外界濕度條件下，冰箱A干區(qū)相對(duì)濕度均比冰箱B干區(qū)相對(duì)濕度低，且隨著環(huán)境濕度和冷藏室濕度的增加，兩種干區(qū)相對(duì)濕度的差距在逐漸加大，由2.25 %增加至11.69 %。

綜上所述：①冰箱所在環(huán)境濕度和冷藏室濕度會(huì)影響干區(qū)的相對(duì)濕度水平，并呈正相關(guān)關(guān)系，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行干區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮不同地區(qū)濕度水平差異對(duì)干儲(chǔ)功能的影響；②密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有利于降低外界濕度對(duì)干區(qū)相對(duì)濕度水平的影響程度。

3.3.3 消費(fèi)者使用習(xí)慣的影響

因冷藏室或者干區(qū)在開(kāi)門過(guò)程中會(huì)因?yàn)閮?nèi)外溫濕度差異，直接導(dǎo)致冷藏室和干區(qū)的濕度產(chǎn)生變化，而不同使用習(xí)慣決定了開(kāi)門頻次的不同，故驗(yàn)證冷藏室和干區(qū)的不同開(kāi)門頻次對(duì)兩種干區(qū)相對(duì)濕度的影響程度，分析兩種干區(qū)的干儲(chǔ)性能可靠性。

在25 ℃/90 %的條件下，冷藏室放置A型實(shí)驗(yàn)托盤+羊毛片，干區(qū)放入溫濕度記錄儀，測(cè)試周期7天，分別驗(yàn)證不同開(kāi)門頻次組合（如表1）對(duì)干區(qū)相對(duì)濕度的影響。

表1 冷藏室和干區(qū)的不同開(kāi)門頻次組合

驗(yàn)證結(jié)果如圖4（a）、（b）所示，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：

圖4 驗(yàn)證結(jié)果

1）在只開(kāi)冷藏門時(shí)，冰箱A干區(qū)相對(duì)濕度與冰箱B干區(qū)相對(duì)濕度相比一直保持在較低的水平，雖然隨著冷藏室開(kāi)門頻次的增加，冰箱A、B的干區(qū)相對(duì)濕度分別增加了0.8 %和2.1 %，但冰箱A、B的干區(qū)相對(duì)濕度并沒(méi)有隨著時(shí)間的累加而遞增，仍保持平穩(wěn)趨勢(shì)；

2）當(dāng)干區(qū)存在開(kāi)門操作時(shí)，冰箱B干區(qū)相對(duì)濕度仍然保持在45 %左右的平穩(wěn)趨勢(shì)，而冰箱A干區(qū)相對(duì)濕度卻產(chǎn)生巨大變化，在1次/天的開(kāi)門頻次下，第一天相對(duì)濕度即由31 %增加至44 %，且隨著時(shí)間的累加呈明顯遞增趨勢(shì)，最終平衡在74 %，在3次/天的開(kāi)門頻次下，第一天相對(duì)濕度高達(dá)83 %以上，后隨著時(shí)間的累加緩慢增加直至平衡在88 %左右。

這主要是冰箱A干區(qū)設(shè)計(jì)密封性良好，冷藏室開(kāi)門引起的濕度波動(dòng)對(duì)干區(qū)相對(duì)濕度基本無(wú)影響，但相對(duì)密閉結(jié)構(gòu)在隔絕水分進(jìn)入的同時(shí)也阻礙了水分的移出，隨著干區(qū)開(kāi)門次數(shù)的增加進(jìn)入干區(qū)的水分越多，相對(duì)濕度迅速上升，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。冰箱B干區(qū)設(shè)計(jì)密封性不佳，干區(qū)相對(duì)濕度在冷藏室開(kāi)門時(shí)刻受影響較大，但因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，隨著風(fēng)門的開(kāi)啟干區(qū)相對(duì)濕度又快速恢復(fù)，從而導(dǎo)致相干區(qū)對(duì)濕度會(huì)因開(kāi)門而增加，但卻不會(huì)隨時(shí)間而遞增。

上述表明：密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效降低冷藏室濕度波動(dòng)對(duì)干區(qū)相對(duì)濕度的影響；而氣流循環(huán)除濕設(shè)計(jì)在干區(qū)頻繁開(kāi)門的情況下更有利干區(qū)相對(duì)濕度的平衡。

4 優(yōu)化方案

基于上述研究分析，相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)可以有效隔絕外界水分的進(jìn)入，有利于維持干區(qū)濕度的穩(wěn)定性，循環(huán)除濕的技術(shù)設(shè)計(jì)可以快速移除干區(qū)內(nèi)部的多余的水分，有利于干區(qū)濕度的平衡，因此相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)搭載循環(huán)除濕的技術(shù)可以有效提升干儲(chǔ)性能可靠性。

以冰箱A為例，在其干區(qū)密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)計(jì)并在風(fēng)口處增加控濕膜，達(dá)到既可以隔絕外界水分的進(jìn)入又不影響干燥的制冷循環(huán)風(fēng)除濕的效果，以此來(lái)優(yōu)化干區(qū)的設(shè)計(jì)缺陷，增加干儲(chǔ)性能可靠性。并在25 ℃/90 %的環(huán)境條件下、冷藏室放置A型實(shí)驗(yàn)托盤+羊毛片、對(duì)干區(qū)進(jìn)行3次/天的開(kāi)門操作驗(yàn)證7天，記錄干區(qū)的相對(duì)濕度變化。

由圖5（a）發(fā)現(xiàn)，冰箱A優(yōu)化后的干區(qū)相對(duì)濕度存在7 %左右的小幅度波動(dòng)，較同樣具有風(fēng)口的冰箱B干區(qū)相對(duì)濕度40 %左右的波動(dòng)幅度有了明顯改善；由圖5（b）發(fā)現(xiàn)，冰箱A優(yōu)化后的干區(qū)在相同的開(kāi)門操作下，相對(duì)濕度保持在31%左右且不隨時(shí)間的累加而遞增，具有很強(qiáng)的濕度平衡能力，優(yōu)化后的冰箱A干區(qū)的干儲(chǔ)性能可靠性得到明顯提升。

圖5 冰箱A優(yōu)化后濕度變化

5 結(jié)論與建議

本研究通過(guò)對(duì)兩種容積相近但結(jié)構(gòu)不一樣的干區(qū)，從干區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外界環(huán)境因素、消費(fèi)者使用習(xí)慣3個(gè)方面進(jìn)行干儲(chǔ)性能可靠性的驗(yàn)證分析，并為提高干儲(chǔ)性能可靠性提供了優(yōu)化方案與建議。

1）環(huán)境濕度、冷藏室濕度以及開(kāi)關(guān)門等因素會(huì)影響干區(qū)干儲(chǔ)性能，在進(jìn)行干儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些因素對(duì)干儲(chǔ)性能可靠性的影響；

2）相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)可以有效隔絕外界水分的進(jìn)入，有利于維持干區(qū)濕度的穩(wěn)定性，循環(huán)除濕的技術(shù)設(shè)計(jì)可以快速移除干區(qū)內(nèi)部的多余的水分，有利于干區(qū)濕度的平衡。將密閉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與循環(huán)除濕技術(shù)相結(jié)合，可以有效提升干儲(chǔ)性能可靠性。