冰箱外置冷凝模块换热性能对比分析研究

尚殿波 陈开松

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

目前，冰箱已经成为百姓家最常见的一款家用电器，因其与人们的食用食品联系紧密，成为家庭中每日必须打交道的一种家用电器，冰箱制冷保鲜的功能，确保了人们的健康需求。

风冷冰箱间室内的热量通过蒸发器在间室内吸热，制冷剂的热量输送至冷凝器后，再依靠冷凝器将热量排放至常规环境中，循环往复达到冰箱的制冷功能。但随着人们生活水平的提高以及高房价的限制，对家装的要求也越来越高。将冰箱置于家中房间的凹槽墙面中或者置于橱柜中，因冷凝器需要散热，以冰箱置于家中房间的凹槽墙面中且与墙面距离较小的状态为例，俗称“自由嵌入式”[1]，该种摆放会导致常规的侧帮式冷凝散热不满足设计要求，压缩机会出现频繁跳机，制冷效果不佳等问题。如果侧帮式冷凝散热的冰箱置于橱柜中，因橱柜为密封空间，冰箱两个侧面与橱柜接触更紧密，冷凝器的散热效果会更差，使用较长时间的话，最终可能出现冰箱彻底不制冷的结果，进而导致冰箱起不到制冷保鲜功能，不能很好地满足用户的使用需求。

基于以上存在的问题，以一款侧帮冷凝设计的冰箱为研究载体，设计出一种最佳性价比的外置冷凝模块[2]，确保冰箱自由嵌入式摆放时可靠性满足设计，同时整机性能较原状态不降低，应用新型外置冷凝器的冰箱载体的主要可靠性实验需满足设计要求。

1 具体方案

以BCD-500W*风冷冰箱为研究载体，由侧帮冷凝器配置更换为外置冷凝器设计，确保外置冷凝器具有最佳性价比，整机能耗不升高，同时自由嵌入式状态下的主要可靠性满足设计要求。

1.1 外置冷凝模块的选型与优化设计

当前500 L冰箱主要用的外置冷凝模块分为以下三种，见图1（a）、（b）与（c）。

从图1（a）中可知，该种外置冷凝器为丝管式冷凝器，从图片直接看过去，宽度尺寸较大。为了确保装入压缩机仓中可以与压缩机仓四周有较好的密封性，在丝管式冷凝器四周置有密封材料，同时丝管式冷凝器设计结构的自身特点，在丝管式冷凝器中间位置也需要有密封材料，才可以确保在冷凝风扇扰流作用写的冷凝风可以尽可能多地扫略过丝管冷凝器表面，达到较好地换热效果。丝管式冷凝器本身由丝管与管道组成，丝管之间的间距较大，实际换热效果较差。成本方面，丝管与管道件成本不高，但置于压缩机仓后，丝管冷凝器四周的密封材料与中间的封堵材料成本较高，导致丝管式冷凝器性价比不好。

从图1（b）中可知，该种外置冷凝器为微通道冷凝器，从图片直接看过去，宽度尺寸较小，常规尺寸为10～15 mm。为了确保装入压缩机仓中可以与压缩机仓四周有较好的密封性，也需要有密封材料，置于微通道冷凝器三个面上，才可以确保在冷凝风扇扰流作用写的冷凝风可以尽可能多地扫略过微通道冷凝器表面，达到较好地换热效果。微通道冷凝器由铝材质管道与铝材质翅片构组成，再通过熔炉焊接成一体式结构，确保换热性能更优。成本方面，微通道冷凝器管道材料成本不高，但熔炉焊接成本较高，加之微通道冷凝器在冰箱上才开始应用，故用量较少，成本也偏高，导致微通道冷凝器性价比价比不好。

从图1（c）中可知，该种外置冷凝器为旋翅式冷凝器，从图片直接看过去，宽度尺寸相对丝管冷凝器而言，比较小，但相对微通道冷凝器而言，则比较大。主要由6排旋翅组成。为了确保装入压缩机仓中可以与压缩机仓四周有较好的密封性，也需要有密封材料，置于旋翅式冷凝器三个面上靠近冷凝风机处，才可以确保在冷凝风扇扰流作用写的冷凝风可以尽可能多地扫略过旋翅式冷凝器表面，达到较好地换热效果。旋翅式冷凝器目前主要由铝材质管道与铝材质翅片构组成。成本方面，旋翅式冷凝器成本与丝管式冷凝器相当，稍偏高，比微通道冷凝器便宜，综合而言，6排旋翅式冷凝器性价比较好。

图1 各种冷凝模块结构

但本项目要求开发出性能更优，性价比更好的外置冷凝模块，同时冰箱整机性能与原状态相当即可，基于此，设计出一种5排旋翅式冷凝模块，见图1（d），该款冷凝器状态与6排基本形态，但管道与翅片之间采用拉胀管设计，确保换热性能得到进一步提升。性价比方面，五排旋翅式冷凝器比6排旋翅式冷凝去成本更低，属于以上四款冷凝模块中性价比最优的一款外置冷凝模块。

1.2 冷凝器换热量测试验证

以上四款外置冷凝模块需要进行单体换热量测试验证，通过对比分析以上四款外置冷凝模块的换热量，确保最佳性价比冷凝模块的换热量较优。

换热量测试设备主要有恒温水箱、水泵、流量计等组成，见图2所示。实际在测试验证过程中，采用冰箱压缩机仓为冷凝风道，更加贴近现实设计方案，确保测试结果更准确。换热器进口水温维持在65 ℃左右，冷凝风道进风口温度维持在26 ℃左右，确保初始状态基本一致，测试结果具有可比性。

测试过程中，恒温水箱出来的高温水经过水泵、流量计，再锅台保温管道进入冷凝器入口，经过换热后，再通过回水管返回至恒温水箱中，实现水侧换热的温度，水流量的相关数据测试要求。冷凝器风侧换热，在冰箱压缩机仓中，从图中可知，从右下角进风，冰箱靠内的压机后盖板出风口处出风，实现冷凝器风侧换热要求。

1.3 嵌入式可靠性测试验证

外置冷凝器与侧帮冷凝器对比而言，嵌入式状态下，可靠性更高。依托外置冷凝模块的冷凝风扇的扰流，实现强制对流换热，确保冷凝换热能力更强，换热效果更好。只有具有更优的冷凝换热效果，才可以确保自由嵌入式状态下的整机运行可靠性。该款冰箱载体采用5排旋翅式冷凝器，设计出对应的压缩机后盖板进出风口结构，确保冷凝风循环的换热可靠性。具体冰箱嵌入式状态可靠性测试见图3。

从图3中可知，该款500 L容积的风冷冰箱，四周是木材制作的类似家庭中的凹槽结构，冰箱两侧与木箱两侧的间距为10 mm，后部压缩机仓与后背板距离为15 mm设计。

1.4 接水盘溢水实验

接水盘溢水实验属于化霜可靠性试验，对于风冷冰箱而言，存在不定期的蒸发器自动除霜功能，尤其是在冰箱开关门条件下，同时测试室为高温高湿，结霜量大，化霜水较多，确保接水盘不溢水就显得尤为重要。

图2 换热量测试设备

图3 冰箱载体嵌入式状态

图4 改进前后接水盘实物图

原状态冰箱采用侧帮冷凝方式，接水盘内主要是化霜水的蒸发管，可以确保化霜水可以得到有效蒸发，满足可靠性要求，接水盘结构见图4（a）。但采用外置冷凝模块设计后，接水盘上需要摆放冷凝器与冷凝风机，故接水盘只能做成高度较小、长度较大的结构，确保冷凝器模块化设计要求，接水盘结构见4（b）。

按照企业接水盘溢水实验标准，将该款风冷冰箱载体置于测试台位中，设置好环境室的温湿度，同时自动开关门机按照既定程序完成设定，具体见图5。

1.5 性能验证

载体冰箱由侧帮冷凝更改为外置冷凝模块冷凝，需要进行整机能耗验证，确保整机性能满足技术指标要求。

2 试验结果分析

2.1 冷凝器单体性能测试结果

根据以上实验方法，依托换热器测试设备，在冰箱压缩机仓中进行冷凝器换热量测试，测试数据结果见表1。根据表1中的数据，绘制成曲线图，见图6。

从表1与图6中可知，不同风扇转速下，6排旋翅式冷凝器换热量最高，5排旋翅冷凝器与微通道冷凝器换热量相当。低转速下微通道优于5排旋翅冷凝器，丝管冷凝器换热量最低。风扇为1 018 rpm，5排旋翅与微通道换热量较丝管换热量较丝管式冷凝器的换热量分别提升约4 %与5.5 %。故5排旋翅式冷凝器换热量满足设计要求。

2.2 整机能耗结果

根据能耗测试标准要求，在32 ℃环温下，侧帮冷凝器与外置冷凝器两种状态的测试数据结果如表2所示。

从表2中可知，低特性条件下，外置冷凝模块的载体较原侧帮冷凝状态节能约6 %，高特性条件下，节能约4 %。总体来说，采用外置冷凝模块设计方案，整机能效更优,能耗降低约5 %。

2.3 嵌入式状态可靠性结果

根据前面描述的冰箱载体嵌入式摆放方式，环温43 ℃，按照企业标准要求完成高低压启动测试，见测试曲线图7。从图7中可知，压缩机在高压与低压两种状态下，连续三次均可以正常启动，启动后运行正常，故可靠性结果满足设计要求。

2.4 接水盘溢水结果

图5 溢水实验冰箱摆放示意图

表1 各种换热器测试相关数据

图6 测试数据曲线图

图7 高低压启动运行曲线

根据前面描述的新旧接水盘的设计方案，首先进行接水盘容积对比测试，采用量杯进行接水与往接水盘中注水试验，在两个接水盘水均到达最大存水量时，得出设计存水结果，数据见表3。

从测试结果来看，新设计的接水盘容积较原状态提升约7 %，满足设计要求。

同时按照接水盘溢水实验进行整机可靠性验证，验证结果为，接水盘未溢水，满是溢水实验设计要求。

3 结论

通过对比分析四款外置冷凝器的单体换热量，完成应用5排旋翅式冷凝器的冰箱整机能耗、高低压启动与接水盘溢水等可靠性实验验证。根据验证结果可知5排旋翅式冷凝器模块满足设计要求，且具有最佳性价比特性。

表2 能耗对比结果

表3 接水盘水量结果