多蒸发回路冰箱提高制冷效能技术综述

郭 静

（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心 北京 100000）

引言

1923年，第一台冰箱问世，利用吸收热量来进行制冷，该单压吸收式冰箱来自于两个瑞典学生的毕业作品[1]。自此以后，冰箱制冷技术全面发展，目前冰箱的制冷方式主要有压缩式制冷、吸收式制冷以及半导体制冷等。与此同时，冰箱也广泛被应用到各个领域，例如家电行业、运输行业、工业领域中例如具有温湿度要求的工厂等。为了保证冰箱冷藏冷冻功能，冰箱同时是电器中运行时间最长的，因其断电后会对储存物温湿度有显著的影响。近年来环保问题和能源消耗问题日益严重，提高冰箱制冷效能，降低能耗，节约能源，具有非常重要的实践意义。

本文主要以冰箱压缩机制冷中多蒸发回路制冷系统如何提高效能为研究对象，主要分析了多蒸发回路制冷系统提高效能技术的专利申请量、技术申请人以及重要技术信息。

1 多蒸发回路制冷系统提高效能技术

1.1 多蒸发回路制冷系统

多蒸发回路制冷系统，采用了压缩机制冷技术，其主要特点是设置多个蒸发回路，以对应冰箱不同间室，从而实现不同间室独立控温的需求。

1.2 多蒸发回路制冷系统提高效能技术

提高多蒸发回路系统效能主要可以通过以下几种方式：压缩机性能设置、制冷剂选择、节流装置性能设置、换热器性能设置、流路切换装置性能设置、系统控制方法优化等。

1）压缩机性能设置

压缩机作为制冷系统的核心部件，其是否处于最佳性能效率点直接决定了制冷系统的整体效能。研究表明当与冰箱的实际系统设计需求的效率点完全相匹配时，压缩机处于最佳性能效率点[2]。因此，可从压缩机级数设置、容量设置、频率转速设置、补气口设置等方面来使得压缩机工作与实际负荷相匹配，从而提高制冷系统的效能。例如，采用复叠制冷技术，其能够实现制冷温度低且压缩机体积更小[3]，从而提高效能。

2）制冷剂选择

从制冷剂选择来提高效能，一般使得制冷剂采用非共沸混合工质，非共沸混合工质具有相变温度滑移特性，采用大温度滑移的混合工质获得宽幅度的连续蒸发曲线，从而有效减少各制冷温区的换热温差，提高冰箱系统能效。

3）节流装置性能设置

节流装置作为整个制冷系统中重要的降压降温部件，且节流前后的压差是系统运行所必须的。节流装置的选择，设置位置以及节流装置的尺寸，节流装置与电磁阀等配合的工作方式等均能够影响蒸发温度、蒸发压力、冷凝压力等，进而影响制冷系统的效能。

4）换热器性能设置

换热器的换热效率主要受传热系数、换热面积以及换热管道的平均温差影响等[4]。因此为了提高换热效率从而提高系统效能，可以从换热器的换热面积改变例如通过设置翅片或者通过管道设置使得换热面积改变、换热器的表面粗糙度、换热器的材料、换热器的设置位置例如将冷凝器设置在箱体壁面相较于外置冷凝器，其换热效果较差[5]以及利用电力错峰将冷量存储于蓄热器中等。

5）流路切换装置性能设置

冰箱多蒸发回路制冷系统中一般均设置有流路切换装置，例如分别设置在并联的蒸发回路上，或者设置在总干路上，或者与节流装置联动工作。通过控制流路切换装置，从而实现分别独立控制各蒸发回路的通断、制冷剂流量流速、制冷剂流动方式，从而调整系统例如蒸发压力、蒸发温度等，使得与冷却对象的蒸发温度相匹配，进而提高冷却效率，实现节能化。

6）系统控制方法优化

控制制冷系统的工作过程，例如根据间室优先级控制制冷，根据温度信号来判断是单独制冷或者共同制冷，系统预开启时间、系统抽空时间的设定，控制参数的选择例如根据环境温度等来确定制冷剂回收的时间等，由于能够将制冷系统根据制冷负荷的实际情况进行变化与调整，从而提高了系统效能。

1.3 多蒸发回路制冷系统提高效能技术领域申请概况

本文数据分析样本通过以下方式获得，在数据库CNABS、ENTXT中，通过分类号F25D11+/IC、F25B5+/IC,并加上关键词效能、能效、效率等进一步进行限定，得到1371篇专利文献。对这些专利申请进行统计与分析，得到如下统计结果。

1.3.1 专利申请量年度变化

从图1可知，1970年，从全球范围内来看，提高多蒸发回路制冷系统能效的专利申请首次出现。直到1981～1982年，出现了该领域申请量的大幅提升。之后，在1999～2004年，又出现了一次大幅度增长。中国是从1986年开始进行专利申请，在2003～2004年专利量开始增长，并在2019年再次达到一次申请量高峰。由此说明，从全球来看，提高多蒸发回路效能很早就已经被关注到。而且，中国申请量的第一次高峰和全球第二次申请量高峰相对应，说明中国在提高效能技术方面紧跟上了全球发展态势，并越来越关注该技术领域，为全球环境保护和节约能源助力发展。

图1 专利全球申请量

1.3.2 各国申请量总变化

从图2可以看出，日本在该领域申请量最多，共有405件专利申请，占比为29 %，其次为中国，其申请量为219件，占比为16 %，韩国和德国的专利申请量紧随其后，分别为166件和151件，占比分别为12 %和11 %。由此可知，日本在该领域发展较快，但中国也非常重视如何提高多蒸发回路效能，申请量从全球范围内看排名第二，足以表面中国创新主体对于提高效能的重视。

图2 各国专利申请量占比

1.3.3 主要申请人申请量

由图3可知，排名前九的申请人主要是冰箱行业里的龙头创新主体企业。其中，日本有四家企业，分别是株式会社东芝、松下冷机株式会社、三洋电机株式会社、三菱电机株式会社。中国有两家企业分别是合肥美的电冰箱有限公司和青岛海尔电冰箱有限公司。由此可知，各大企业非常重视多蒸发回路冰箱提高能效技术，由此也证明了该项技术在实践生产领域和用户体验方面有着重要的意义。

图3 主要申请人申请量

2 冰箱多蒸发回路提高效能重要技术介绍分析

本文所选的重要技术主要从专利申请的技术内容出发，重点选取了对应上述提高多蒸发回路制冷系统效能六种方式的专利申请，重点关注专利被引次数、同族专利数量、法律状态等方面，通过人工筛选得出以下重点专利技术。

2.1 CN2663885Y 一种节能电冰箱

本专利[6]申请人为广东科龙电器股份有限公司，申请日为2004年12月15日。本申请通过采取双级压缩，减小压缩机功耗，解决了普通电冰箱压缩机压缩比大的难题，采取了合理分配冷藏蒸发器和冷冻蒸发器的蒸发压力和蒸发温度，使冰箱制冷效率大大提高。

2.2 CN1084628A实现劳伦兹循环的制冷系统

本专利[7]的申请人为轻工业部北京市家用电器研究所，申请日为1994年3月30日。其采用了非共沸混合工质，从而减少换热温差，提高能量的使用效率。过热蒸汽冷却过程，从2点开始到3点为饱和蒸汽冷凝过程，非共沸混合物为等压变温过程6。图中上面本专利系统工质的换热温差要明显小于单一制冷剂制冷系统的换热温差，从而减小了不可逆损失。

2.3 JP2002181398A 冰箱

本专利[8]申请人为TOSHIBA CORP（东芝株式会社），申请日为2000年12月11日。该专利被引证次数为15次。本专利将低压侧毛细管24与高压侧毛细管16设置的长度不同，因低压侧节流压力相对较小，因此长度短。同时还设置了旁通毛细管。即利用毛细管的长度以及设置位置和换热方式从而提高了换热效率。

2.4 JP2003207250A 冰箱

本专利[9]申请人为MATSUSHITA REFRIGERATION（松下冷机株式会社），申请日为1998年10月15日。该专利被引证次数为21次。本系统通过交替地切换第一蒸发器和第二蒸发器来进行冷却，因此与利用一个蒸发器进行冷却的制冷系统、使制冷剂平行地流过多个蒸发器来进行冷却的制冷系统相比，能够削减冷却系统的配管容量，能够削减制冷剂量。

2.5 US6438978B1制冷系统

本专利[10]申请人为GENERAL ELECTRIC CO,申请日为1998年1月7日。该专利申请被引用次数高达78次。该专利通过流路切换装置即控制阀422的控制，使得冷冻蒸发器424中的制冷剂处于基本上饱和的蒸气出口状态。

2.6 CN101360959A 用于控制冷藏运输装置的多个隔室中的温度的方法

本专利[11]的申请人为开利公司，申请日为2009年2月4日，该专利被引证次数高达130次。其重点阐述了系统优化控制中，根据优先级顺序进行不同间室制冷的控制。优先级排序算法通过在至少一个有限冷却隔室中保持ΔT(介于供应空气温度与返回空气温度之间的温差)而不是保持设定点温度而限制了所述至少一个有限冷却隔室可用的制冷剂流的最大量。

3 结束语

本文针对多蒸发回路冰箱提高制冷效能技术分类，以及该领域全球范围内的专利申请量、技术申请人国别及核心企业进行了统计与分析；并针对该技术内容的重点专利进行了介绍。从压缩机性能设置、制冷剂选择、节流装置性能设置、换热器性能设置、流路切换装置性能设置、系统控制方法优化等方面对如何提高多蒸发回路冰箱制冷效能进行了梳理和分析。压缩机性能设置方面重点介绍了双级压缩系统，制冷剂选择方面重点介绍了非共沸混合制冷剂，节流装置性能设置重点介绍了毛细管的尺寸选择以及布置方式，换热器性能设置方面重点介绍了多蒸发回路冰箱蒸发器交替运行的工作方式，流路切换装置性能方面重点介绍了控制之制冷剂流速等以及系统控制方法优化方面重点介绍了根据制冷优先级控制间室制冷的控制方法。从多角度梳理和总结了提高多蒸发回路冰箱效能技术，为相关创新主体进一步挖掘该领域技术提供了技术基础，也为知识产权从业者例如法官、审查员等在司法审判和行政审查该领域知识产权案件时提供技术支持。