电冰箱自动制冰装置的技术研究

李兴书 张慧娟 郭树明

（河南新飞电器有限公司 河南新乡 453000)

电冰箱自动制冰装置的技术研究

李兴书 张慧娟 郭树明

（河南新飞电器有限公司 河南新乡 453000)

自动制冰是高端电冰箱的重要功能之一，本文介绍了一种自动制冰装置的设计与试验，阐述了影响该装置给水、成冰、翻冰的诸多因素和试验分析，以及实现制冰自动控制的方法，为电冰箱自动制冰装置技术研究增添了一些具有一定实际意义的经验。

电冰箱；自动制冰；给水；翻冰

1 引言

制冰装置是电冰箱常见的配置单元，它大致分为手动制冰和自动制冰两大类，其中常见的是手动制冰装置，包括最简单的制冰盒和带基座的制冰装置等多种结构形式，它们被广泛应用于中低档电冰箱中；而自动制冰装置则在高档电冰箱中才被应用，它分为有水源自动制冰装置和无水源自动制冰装置，前者制冰的供水源与市政供水系统相连通，能够实现自动供水，连续自动制冰，但它局限于有纯净水供水系统的国家和地区使用，后者制冰所用水需要使用者人工添加水到装置的储水盒中，然后才能进行自动制冰。本文的研究对象是这种无水源自动制冰装置。

本文介绍了自动制冰装置的给水模块、制冰模块及控制模块等方面的技术研究，提出了在设计和试验中遇到的问题和解决方法。

2 制冰装置

如图1、图2所示，制冰装置的给水模块包括：储水盒、进水管、给水泵、给水管和电加热器（包裹在给水管外壁）；制冰模块包括：制冰盒、翻冰机构、探冰杆、储冰盒，控制模块主要是控制给水泵、电加热器、翻冰机构和探冰杆的工作，其逻辑流程如图9所示。其中给水模块中的储水盒、进水管、给水泵位于冷藏室内，给水管则介于冷冻冷藏室之间，需要采取电加热器对其加热来防止管路被冰冻，制冰模块的制冰盒、翻冰电机、探冰杆、储冰盒在冷冻室内。该自动制冰装置只需要人工往储水盒中添加纯净水至刻度线就可以了，制冰工作在控制模块的控制下能够自动完成。

对于设计这样一套自动制冰装置来说，给水泵和翻冰机构通常由专业厂家生产，真正的难

点在于制冰盒和给水系统的设计，以及电气控制部分的设计。制冰盒冰格（如图3、图4所示）设计涉及冰块大小和美观、脱冰，给水过程中水的流动等。进水管和给水管（如图5所示）直径大小关乎出水量大小、水流状态和速度，入水点位置更是直接影响到能否顺利完成给水。

图1 制冰装置

图2 储水盒

图4 制冰盒结构图

图5 制冰盒图

图6 给水管路图

2.1 制冰盒设计

制冰盒冰格设计为8个最合理（如图4所示），主要考虑入水点能够设在中间十字星处，其优点在溢水试验中得到了验证。冰格的大小决定了冰块的重量，以不大于10克为宜，其周边壁脱冰斜度应大于20°，壁厚取1mm，过渡圆角取R6～R10，分流槽底的高度大于冰格高度的1/2。制冰盒选用食品级的PP材料，弹性好、耐弯曲、注塑流动性好、硬度适宜，这样的结构给脱冰创造了有利条件。

2.2 给水管路设计

给水是制冰的第一步，同时也是关键的环节，它关系到水是否能够准确地注入到制冰盒中。影响给水的主要因素包括：（1）入水点及管路设计与溢水试验；（2）给水管防冻与电加热控制；（3）给水控制。

2.2.1 入水点及管路设计与溢水试验

如果给水过程中发生溢水现象，将使储冰盒中的冰块粘连，影响取冰和用冰。同时由于每次给水量是定值，若出现溢水各个冰格中的水量将会不相同，制成的冰块大小就不一致，影响冰块的美观和使用。因此保证每个冰格中水量相同是件十分重要的事情，在研制过程中必须想办法杜绝溢水现象的发生，进行防溢水设计和溢水试验是非常必要的。

a.入水点设计与试验

入水点是指水流落在制冰盒里的位置，它是造成溢水的关键因素，合理确定制冰盒的入水点至关重要。如图5所示，在制冰盒上分别标定了4点位置A、B、C、D，使入水点分别对准标定点进行试验。试验结果如表1所示。

从表1可以看出，入水点对准D点是最可靠的选位，其优点是水流可以均匀的向周围冰格流动，不会发生局部集聚而溢水现象。

b.管路设计与水流速度

水流速度大是造成溢水的重要因素之一，在满足水流均匀满管流出的情况下，水流速度越低越好。水流速度与给水泵、水位及进出水管直径有关，在选定给水泵和一定工作电压的条件

下，按照管径比2∶3进行试验可以得出符合要求的管径值，如图6所示。本文研究结果是在进水管内径6mm，出水管内径9mm时水流满管，并且水流速度最低。同时，试验还证实：若水位高度变化在150mm范围内，其对水流速度的影响很小。因此，在进行冰箱自动制冰装置设计时，应考虑给水泵与进出水管径的匹配问题。

图7 冰块示意图

图8 制冰风道示意图

图9 制冰程序逻辑流程图

表1 给水过程溢水试验及原因分析

表2 给水管电加热试验

c.管路设计与水流状态

水流状态直接影响入水点位置和水流速度的稳定性，控制不好极易造成溢水现象。在一定流量的情况下，它与进出水管直径大小有关，与过滤网目数有关。滤网的作用是防止杂物进入给水泵中损坏叶片或产生堵转现象等，一般常用孔径为0.3mm的滤网就能满足使用要求。同时滤网对改善水流状态有明显作用，合适的滤网能使水流变得平缓均匀满管流出。在确定滤网后通过管径配比试验得出合理的给水泵进出管径比值，经试验证实：给水泵进水管直径与出水管直径两者之比为2∶3时效果最好。

2.2.2 给水管防冻与电加热控制

给水管的功能决定了它必须穿越冷藏室和冷冻室之间的隔层，将水从储水盒引入到制冰盒中，只有这样才能完成给水过程。给水管的出水口处在冷冻室，温度低于-18℃，因此必须采取电加热来提高管温，才能确保给水管不会发生冰堵。制定电加热控制方案时既要考虑管温的合理性，又要尽可能地减少电能消耗，正确的做法是首先选择合适的电加热器，再设计几种加热方案并通过试验找出最优者。选择电加热器时，要兼顾其寿命，并根据给水管长度进行综合考虑。表2列举了不同控制方案的试验情况，从表2中分析得出：

（1）在电加热功率相同的条件下，不同控制方案均能满足管温大于8℃的要求，在试验中也未发现给水管冻堵现象。

（2）在通断比相同的情况下，通断频率越高，温度波动越小，考虑到电器元件寿命，选用通30s断30s控制方案更为合理。

（3）为确保给水管通畅，允许制冰机在给水前15分钟和制冰机停止工作后15分钟电加热连续工作。

2.2.3 给水控制

给水量多少不但决定了冰块的大小，同时也应在合理范围内。从制冰盒的结构分析来看，一次给水的高度必须高于分流槽底，否则将造成水无法在冰格间流动而形成各个冰格里的水量不均匀，甚至出现个别冰格无水的现象。相反，若冰格给水太满，则在给水过程中会因水流速度或冰箱不垂直引起的制冰盒倾斜等原因而出现溢水现象，因此合理确定给水量十分重要。通过不同大小给水量试验验证，当冰格中的水位与制

冰盒上平面之间的高度差大于4.5mm时，不发生溢水现象，冰块如图7所示。

给水还可以采用不同的控制方案，一种是一次性连续注满水，另一种是采用间歇性给水。一次性给水的优点是水流稳定，但需要制冰盒的分流槽的分流能力与之匹配，否则会造成给水过程中局部溢水。分段给水是通过控制给水泵的开停分2次或多次来完成一次给水操作，其优点是对分流槽的分流能力要求低，通过中途暂停给水来延长分流时间，避免局部冰格出现溢水。经试验验证，分段给水时开泵时间过短时（小于2秒）会出现水流分叉，水流速度加快，水流状态失稳，甚至造成溅水现象。因此，在选择给水控制方案时，应根据制冰装置的实际情况，通过试验取得最合理的结果。

给水泵具备正反抽的功能，定量给水结束后再进行反抽，使给水管中的水倒流到储水盒中，通过吸干净管中残留水防止发生自吸和冰冻现象。

2.3 制冰风道设计

冷风吹拂是加速形成冰块的必要条件，设计制冰风道时应使冷风均匀地吹过冰格。为达到此目的，在风道内设置分配风量的格栅，冷风沿箭头方向流经该格栅时被分割而均匀地吹拂到冰格上，如图8所示。这样冰块将在相对一致的时间内形成，制冰效率较高。通过试验的方法可以得到理想的结果。

3 制冰控制

自动制冰机逻辑控制如图9所示。

3.1 制冰机自检

自检主要完成以下功能，通电进行初始化动作．将制冰格调整到水平位置，若调整不到水平位置将进行报警显示，另外还可通过人为开启自检功能进行制冰机好与坏的检查。通过自检判断冰箱制冷工作时间是否大于60min，冷冻室温度是否达标等，只有满足设定条件的情况下才能进入制冰程序。

3.2 有水无水判断

制冰盒的冰格中有无水是自动制冰机的控制核心。对冰格有水无水判别要考虑很多因素，例如：水温度的高低、电冰箱冷冻室温度的高低以及化霜与开关门对其判别的影响，还有抽水量的多少等因素，采用模糊推理方法，可以达到比较完美的控制效果。其方法是：模糊输入量为制冰感温头感知制冰机冰格的温度与冷冻室的温度经过模糊化处理成模糊量，然后按照模糊规则进行推理，求出输出变量的隶属度，最后将这些输出模糊量进行反模糊化处理，得到实际输出值，输出量分别为有水无水和制冰完成与否。

通过试验得知，由于采用模糊逻辑的控制技术，使整个系统运行效率明显提高。对于有水无水判别也非常准确，大于5毫升的水（即冰格额定水量的一半）都能准确判定为有水。

3.3 制冰量判断

采用探杆检测储冰盒中的冰块是否满：若满，等待冷冻室开门，一旦开门后再关上门，系统自动返回上层程序工作，若没有开门，则停止翻冰，制冰盒保持水平位置；如果冰不满，翻冰机构驱动制冰盒旋转使冰块落入储冰盒中，完成后自动进行下一次制冰程序。通过这样的程序控制，可以有效预防储冰盒的冰已满时强制翻冰，避免挤坏冰格或烧坏翻冰电机。

3.4 翻冰控制

当满足翻冰条件时，程序自动下达翻冰命令，翻冰电机正转，当冰格翻转到最大位置时，冰格中的冰由于冰格变形而被挤出冰格，倒入储冰盒，此动作每次连续3次，然后制冰盒反转，恢复水平位置，做好下次制冰准备。

3.5 制冰完成判别

判断制冰是否已完成是自动制冰机控制的关键。要对其进行准确判断，要考虑很多因素，例如：水质的情况，有的水硬，含盐量高，成冰时间就长。还有其他因素，如水温的高低、冰箱冷冻能力等等，都会影响成冰时间。通过试验制定合理的控制程序，兼顾制冰质量和效率，使之达到相对理想的状态。

3.6 夜间停止功能

夜间翻冰时，翻冰机构和冰块掉落冰盒时会有一定的声音，影响主人的休息，因此设计一个选择夜间停止功能，它能控制冰箱 8个小时不制冰，且每天此时开始8个小时内不制冰，直到取消此工作状态为止。

4 结语

本文介绍的电冰箱自动制冰装置技术研究从设计要求、技术研究及试验方法等方面进行总结，介绍了在设计过程中应注意的要点和问题，以及进行试验验证的具体方法，得出了制冰盒、给水管路及防冻、入水点和给水控制、制冰控制等设计试验方面的研究成果。研究表明：

（1）给水是实现自动制冰的关键和基础，包括科学的确定制冰盒冰格的数量与入水点，合理匹配管径，使给水过程不发生溢水现象；对给水管进行电加热防冻，兼顾电能损耗和管温等，通过这些合理的设计确保准确可靠地完成给水过程。

（2）通过设置格栅使制冰风道的风量能均匀地吹拂到冰格上，在时间上提高成冰的一致性，增大制冰能力。

（3）电气控制是实现自动制冰的保证，通过对给水判断、冰量判断、成冰判断、翻冰等环节的控制，使制冰装置按照预设程序自动完成的制冰全过程。

[1] 章勤忠，谭琦.《电冰箱自动制冰机的设计与研究》. 2004年4月.家电电器科技

Study on the automatic ice making device for refrigerator technology

LI Xingshu ZHANG Huijuan GUO Shuming
（Henan Xinfei Electric Co., Ltd. Xinxiang 453000）

Automatic ice making is one of the most important functions of top-end refrigerators. This paper describes a type of automatic ice maker’s design and test，which explains the impact of water supply, ice-making, stirring and test analysis of the ice maker, as well as the way to realize controlling ice making automatically. This adds a certain extent significant experience of refrigerator's automatic ice maker in its technical research.

Refrigerator; Automatic ice making; Water supply; Turn the ice