冰箱超小型外置冷凝模块设计及性能研究

邓萍萍 崔培培 刘全义 马长州

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230000）

引言

随着消费升级的发展，冰箱逐渐成为现代人类生活中不可或缺的重要部分。自2018年开始，用户对大容积风冷冰箱的关注度越来越高，以往普通的三门冰箱显然已经不能满足人民日益增长的物质需求，大容积已然成为当下冰箱产品的标配，如何有效提升冰箱容积率成为冰箱设计中一个关键问题。针对这一问题，VIP板优化设计、保温层分布优化设计等薄壁技术应运而生[1]，但过度减薄箱体发泡层厚度会引发冰箱保温性能变差、箱体表面凝露等问题，在保证冰箱保温性能的基础上箱体薄壁化、压缩机仓小型化，是未来实现超大容积率的主要途径。冰箱压缩机仓在行业中一般均为标准化尺寸221 mm（深）*236 mm（高），同时压缩机仓内的冷凝模块总尺寸过大[2]，这一部分容积无法为用户所使用，造成冰箱容积率较低，不能很好地满足用户的使用需求。现有研究主要围绕冰箱大尺寸外置冷凝模块的散热智能算法、选型分析、风量与换热量耦合等[3-5]，涉及到超小型冷凝模块的换热性能研究很少，根据用户日益增长的大容积率需求，研究小压缩机仓下外置冷凝模块的换热性能显得尤为必要。

基于以上问题，以一款400 L风冷冰箱为研究载体，设计出一种具有最佳性价比的超小型外置冷凝模块，且该模块满足170 mm（深）*200 mm（高）的压缩机仓尺寸要求，实现风冷冰箱大容积率设计，同时换热性能满足400 L载体冰箱性能要求。

1 冷凝模块系统方案

以BCD-406 W薄壁风冷冰箱为研究载体，压缩机仓尺寸为595 mm（宽）*170 mm（深）*200 mm（高），采用盒式风机（直径110 mm）+新设计风机支架+微通道冷凝器+新结构接水盘+蒸发管，配合侧帮与后背进、出风道，创新设计出超小型外置冷凝换热模块，新冷凝模块的换热性能满足400 L载体冰箱性能要求。

1.1 冷凝模块选型

冷凝模块结构主要由冷凝风机、冷凝器、蒸发管和接水盘等组成，如图1所示。本方案选用的冷凝风机为125*125小尺寸盒式风机，额定转速均为1750RPM。通过风量测试台测试结果表明，小尺寸盒式风机转速为目前行业中广泛应用的150*150一体式冷凝风机转速的1.7～1.8倍时，风量相当，满足小尺寸、低噪音、大风量的设计要求。冷凝器设计选型主要依托仿真软件，设计出外形尺寸为140 mm（长）*140 mm（高）*25.4 mm（厚）的微通道冷凝器，其中每英寸翅片数量由理论计算得出的换热量确定，考虑实际使用过程中翅片密度大会导致积灰影响换热等问题，本项目方案选用每英寸翅片数量为8个的微通道冷凝器设计方案。接水盘实现大容积率创新设计，改变原有风机装配方式，同时减小冷凝器底座占据空间，新方案接水盘容积能做到1.47 L，容积率高达79 %。

图1 冷凝模块结构图

1.2 冷凝风循环设计

基于压缩机仓小型化设计条件，选用的盒式风机风量较我司常规冷凝风机偏小，为确保该款超小型冷凝模块满足400 L载体冰箱性能要求，采用冰箱载体侧帮与压缩机后盖板均开孔的组合设计方案，提升风道效果，确保技术方案的可行性，冷凝风循环图详见图2。冰箱压缩机仓风循环方案主要包括低温气流从冰箱右侧和冰箱背部右面进入压缩机仓，高温气流由冰箱左侧和冰箱背部左面排出。

图2 冷凝风循环图

2 性能验证分析

2.1 整机能耗

根据新国标GB 12021.2-2015的能效测试要求，分别在（16±0.5）℃和（32±0.5）℃两种环温下进行耗电量试验，测得的冰箱稳态时的整机能耗对比结果见表1。在同等热负荷条件下，压缩机仓越小对应的冷凝模块尺寸越小，要达到与原型机同样的性能，则要求冷凝模块单位体积下的换热性能及换热效率提升。由表1可以看出，当压缩机仓变小并使用超小型冷凝模块方案后，16℃耗电量测试条件下可通过调整压缩机和风扇转速达到比原型机节能，32℃稳态耗电量略微增加，标准能效指数与原型机的标准能效指数相当，均满足一级能效。同时使用小尺寸压缩机仓后冷冻室容积可增加约为6 L，冰箱整机的容积率提升1.5 %。

表1 冷凝模块系统方案对比测试结果

2.2 接水盘溢水实验

现有风冷冰箱的化霜水存放于冰箱压缩机仓室内的接水盘内，接水盘内存放的化霜水蒸发速度需要大于化霜水排放速度，以保证接水盘内的化霜水不会逐渐积累增多而导致溢出接水盘；接水盘化霜水蒸发能力与接水盘的表面积、连接管散热能力、接水盘容积、冰箱化霜周期等悉悉相关。从市场上用户投诉信息收集分析，冰箱接水盘时常会出现化霜水无法及时蒸发而导致的蒸发水从接水盘中溢出的现象，发生该现象的原因与冰箱压缩机仓内接水盘化霜水蒸发能力不足以保证化霜水及时蒸发有关，最终化霜水过多，从接水盘中溢出，引起用户的投诉。对于风冷冰箱而言，在冰箱开关门条件下，室外高温高湿的空气进入冰箱内引起结霜量变大，化霜水较多，确保接水盘在运行时不溢水显得尤为重要。表2为测得的冰箱在开关门过程中的接水盘内水量结果。

由表2可以看出，超小型冷凝模块方案的接水盘在冰箱开关门过程中均未出现水溢出现象，满足整机可靠性要求。

表2 接水盘水量结果

2.3 冷凝模块噪音

对于风冷变频冰箱而言，风扇是冰箱噪音生成的一个重要来源，同时风机、冷凝器的安装方式与压缩机仓管路设计都能在一定程度上影响整机的噪音值。超小型冷凝模块方案通过优化管路设计减弱箱体共振、优化风扇转速和压缩机转速等降噪方式，根据冰箱整机噪声测试方法得到不同冷凝风扇转速下超小型冷凝模块的噪音结果见表3。从表3可以看出，超小型冷凝模块的噪音均小于39 dB（A），满足方案设计要求。

表3 冷凝模块噪声值

3 结论

对于风冷变频冰箱产品，采用超小型冷凝模块可使得冷冻间室容积增大，同时也能增大冰箱容积率，提升产品竞争力。本文设计出的超小型冷凝模块，通过对比分析原型机外置冷凝模块与超小型冷凝模块的换热性能，完成冰箱整机能耗、接水盘溢水实验、噪声等试验验证。根据验证结果可知，超小型冷凝模块方案的冰箱载体各项主要性能均合格，可作为实现冰箱容积率提升、同时整机性能不降低的主要实现途径之一。