冰箱用日式自动制冰机的脱冰时机研究

芮群娜 刘 殿 李嘉琦 刘雨翔 李玉稳

（惠而浦（中国）股份有限公司 合肥 231283）

引言

最初利用冰箱来制造规则的冰块，是最简单的在冰箱的冷冻室放置一个塑料冰格模具，在使用时进行人工脱模和加水，到后面随着人们对冰块需求的提高，出现了自动制冰机。自动制冰机可以自动注水、自动脱冰，从而实现了全自动、高效制冰的目的。目前市场上的制冰机主要有美式制冰机和日式制冰机，美式制冰机又称为铝壳式制冰机，因其脱冰需要对其进行高温加热，所以一定程度上增加了冰箱能耗，且相较于日式制冰机其安全性能和成本都不占优势，故日式制冰机将会是将来的发展趋势[1]。

本文将针对日式制冰机，结合理论和测试，来选择最优的脱冰时机。

1 现有产品制冰现状

冰箱制冰机的制冰性能由两大决定要素，分别是制冰效率和制冰质量。制冰效率顾名思义就是单位时间内可以制得的冰的质量，如何获得更高的制冰效率一直是近些年人们和各大冰箱生产商最为关注的对象，制冰质量则是制得的冰块的完好情况，比较常见的问题冰有空冰、碎冰、小冰、桥接、粘连，这其中最严重的问题冰块就是空冰。如图1 所示，空冰是因为冰块冻结不实从而导致冰块中出现固液两种状态，在制冰机完成脱冰动作后，液态水进入储存冰块的容器中可能会造成冰块的大面积粘连，从而影响用户的正常使用。在制冰机其他参数一定的情况下，制冰质量和制冰效率一般呈反比的关系，如何在保证制冰质量的前提下获得最大的制冰效率是制冰机控制的关键，而如何减少空冰的产生则显得重中之重了。

图1 空冰示例

一个完整的制冰周期包括供水→制冰等待→脱冰→复位，沈永燕、吴刚[2]等已经对细节进行了详细描述，本文不再一一赘述[2,3]。空冰的形成归根结底是因为制冰等待的时间不够，所以如何在保证制冰效率的前提下减少空冰的发生，寻找合适的脱冰时机尤为重要。本文选取一款冷藏门上制冰的产品作为研究对象，所使用的制冰机如图2 所示，此制冰机是由两排5 格的冰格构造而成，每个冰格可制得（10±0.5）g的冰，冰格正下部贴敷有温度传感器，制冰机的脱冰时机由制冰格的温度传感器和制冰时间两大要素来决定。本文通过控制不同的制冰时间结合温度变化来验证如何选定最佳的脱冰时机。

图2 制冰机照片

图3 制冰机制冰过程传感器温度变化曲线

2 制冰机脱冰控制验证

2.1 制冰机冰块形成过程分析

制冰机中冰块的形成过程即为液态水变为固态冰块的变化过程，这个过程中包含了水的三个形态：液态-固液混合态-固态；假设在制冰过程中冰箱单位时间内对制冰机送的冷风的风量、冷量为一个恒定的值，一个完成制冰周期所需时间如下式：

式中：

T1—液态水降至0 ℃所需时间；

c1—液态水的比热容；

m—注入冰格的水的质量；

t0—注入冰格的水的初始温度；

Q—单位时间内蒸发器提供给制冰机的冷量；

T2—水从液态到固态相变的时间；

Q0—水从液态到固态的凝固潜热，其中水的凝固潜热是334 kJ/kg；

T3—冰从0 ℃降到脱冰时的时间；

C2—冰的比热容；

t1—制冰格脱冰时的温度；

Ttotal—一个完成制冰周期所需时间。

本文所涉及计算及测试验证，均在测试工况为21 ℃，冰箱内部温度为冷藏3 ℃及冷冻-18 ℃的条件下来进行，冰块的目标温度设为-18 ℃，因制冰机的水是由放置于冷藏的水箱中注入的水，故t0则与冷藏温度一致，由式（1）～（4）可以得出，T1∶T2∶T3的值为4∶83∶13，从结果可以看出，水的相变过程占用了大部分时间，而水和冰的降温所占用的时间很少，所以，在实际测试中，我们应尽可能的找出所有的水均在冰格中完成相变的时机，以此作为最佳的脱冰节点。

2.2 实验设计

因实际制冰过程与理论计算总是存在一定差异，且制冰机传感器位置并非与水直接接触，故先对制冰机的制冰过程进行测试后再制定测试计划。

测试工况设为21 ℃ ，冰箱内部温度为冷藏3 ℃、冷冻-18 ℃，冰箱温度平稳后，打开制冰机进行首次制冰，但不翻冰。经测试，结果如图1 所示，从注水开始计时，制冰机传感器温度达到-18 ℃ 所用时间为84 min。a 为注水节点，a b段注水后制冰格的温度开始明显升高，同时冰格内水温开始降低；b c 段温度变化趋势较平稳，此阶段为冰格内所有水均处于相变阶段；c d 段温度变化趋势较b c 段变化较大，说明在此阶段已经有部分冰格内部的水已经完成相变的过程；d e 段温度急剧下降，说明大多数冰格内已经完成相变。故在进行验证时，从c d 段中选取一个时间点为基准，每次增加相应的时间作为脱冰节点，对制冰质量和制冰效率进行验证。

其中，本文中所涉及的制冰质量及制冰效率用以下公式进行计算:

式中：

Icequailty—制冰质量，单位为百分比；

N—制得的空冰冰块数量；

Ntotal—制得的总的冰块数量；

Icerate—制冰效率，单位为 kg/24 h；

M—制得的冰块重量，单位为 kg；

T—制冰所用的总时间。

2.3 测试验证及结果

通过冰箱主控板进行控制，单控制制冰时间分别为50 min、55 min、60 min、65 min、70 min、75 min、80 min 进行对比验证，测试工况与2.2 保持一致，经测试，由式（5）、（6）可得测试结果如表1、图4 所示，不同制冰周期所制得的冰块空冰表现也有所不同，如图5 所示。

表1 不同制冰周期的制冰性能测试结果

图5 不同制冰周期空冰照片

图5 不同制冰周期的制冰质量和制冰效率曲线

从测试结果可以看出，随着制冰周期的增加，制冰效率呈下降趋势，空冰的数量逐渐减少，空冰的中空面积也越来越小，制冰质量呈增加趋势。当制冰时间为65 min 时，正对应图3 对应d e 段，空冰的数量明显下降，制冰质量开始明显的提高，冰块的缺失变少，呈现为较为完整的冰块。

因制冰过程中可能遇到其他异常情况导致温度并不稳定，为了保证用户的正常使用，结合温度控制在相同的测试条件下进行验证，要求必须同时满足表1 中对应的单次制冰时间和制冰格传感器温度。经验证，如表2 所示，在同时满足制冰周期和制冰格传感器温度两个条件时，制冰质量与制冰效率均能得到保证。

表2 不同制冰周期的制冰性能测试结果

结合理论和测试，可得出在选定制冰机的脱冰时机时，应在d e 段进行选取，结合时间和温度数据制定控制方案，并权衡制冰质量和制冰效率后得出最佳的控制策略。

3 结论

日式制冰机因其安全性和成本优势将会成为制冰机的趋势，为了更好的开发含制冰机的冰箱产品，本文通过对比不同的制冰周期对日式制冰机的制冰效率和制冰质量的影响并结合最终的测试验证，为选择脱冰时机提供了一种测试验证方法，也得出脱冰时机应在d e 段中选取，为含日式制冰机的冰箱产品的控制设计提供了参考和依据。