朱裕君 麥豐收

ZHU Yujun MAI Fengshou

佛山通寶華通控制器有限公司 廣東佛山 528000

Foshan Tongbao Huatong Controller Co., LTD Foshan 528000

冰箱作為家庭日用電器，使用已經(jīng)非常普及，但由于全球不同地區(qū)的氣候環(huán)境差異性很大，所以冰箱在設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)不同的氣候環(huán)境條件，設(shè)計(jì)不同的冰箱控溫技術(shù)參數(shù)，保證冰箱的正常運(yùn)行。根據(jù)家用冰箱國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分為4種類型：亞溫帶型（代號為SN，適宜的使用環(huán)境溫度為10℃～32℃）；溫帶型（代號為N，適宜的使用環(huán)境溫度為16℃～32℃）；亞熱帶型（代號為ST，適宜的使用環(huán)境溫度為18℃～38℃）；熱帶型（代號為T，適宜的使用環(huán)境溫度為18℃～43℃），從冰箱需要根據(jù)氣候環(huán)境溫度進(jìn)行分類可以看出，環(huán)境溫度對于冰箱性能的影響是非常大的。

目前冰箱溫度控制的主流方法有兩種，一種是采用電子式溫控器進(jìn)行控制，另外一種是采用機(jī)械式溫控器進(jìn)行控制。采用電子式溫控器控制的冰箱外觀漂亮，功能較多，溫度控制準(zhǔn)確，已經(jīng)越來越受到推廣使用，逐漸成為主要的控制方法，但也由于電子元件復(fù)雜，在極端高溫低溫惡劣環(huán)境下，或電能供應(yīng)不穩(wěn)定的區(qū)域，容易發(fā)生故障，另外成本也比較高。采用機(jī)械式溫控器，由于其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，而且成本低廉，在未來一段時(shí)間內(nèi)，仍然會(huì)有很大的市場，尤其在中低端制冷器具的市場，發(fā)展空間較大。但也由于其控制精度不高，只能滿足一般使用要求，對于高精度要求多門產(chǎn)品，使用受到限制。

機(jī)械式溫控器一般的控制精度可以達(dá)到+/-1.5℃，在控溫精度方面相對電子式較差，冰箱冷藏室溫度一般要求控制在2℃～5℃之間，箱內(nèi)溫度波動(dòng)范圍較小，如果感溫點(diǎn)直接放在箱體內(nèi)控制箱內(nèi)溫度，機(jī)械式溫控器的控制精度往往達(dá)不到要求，所以一般溫控器感溫點(diǎn)都布置在靠近冰箱蒸發(fā)器附近，通過控制蒸發(fā)器溫度來間接控制冰箱箱內(nèi)溫度。目前主流的冰箱采用雙門結(jié)構(gòu)，分冷藏室和冷凍室，溫控器本體部分一般裝在冷藏室內(nèi)，感溫毛細(xì)管通過管道插入靠近蒸發(fā)器附近感溫，當(dāng)溫度升高時(shí)，溫控器接通，壓縮機(jī)開始制冷，蒸發(fā)器和箱內(nèi)溫度逐漸降低，直至達(dá)到溫控器設(shè)定的關(guān)機(jī)溫度，溫控器斷開，壓縮機(jī)停止制冷，在外部溫度影響下蒸發(fā)器和箱內(nèi)溫度逐漸升高，直至升溫到溫控器設(shè)定的接通溫度，溫控器接通，壓縮機(jī)再次開始制冷，如此周而復(fù)始，使冰箱內(nèi)溫度控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。雙門直冷冰箱，一般只有一個(gè)溫控器控制冰箱冷藏室溫度，冷凍室的溫度通過設(shè)計(jì)分配蒸發(fā)器盤管的長度來分配制冷量，在控制冷藏室溫度的同時(shí)也間接控制了冷凍室的溫度。

本文針對普通的機(jī)械式溫控器受環(huán)境溫度的影響進(jìn)行分析，并提出一種解決受環(huán)境溫度影響的方案。冰箱設(shè)計(jì)要求外部環(huán)境溫度一般在16℃～32℃時(shí)，冷藏室溫度控制在0℃以上，冷凍室溫度控制在-18℃以下，但通過控制蒸發(fā)器溫度來間接控制箱內(nèi)溫度方式，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，箱內(nèi)溫度會(huì)隨外部環(huán)境溫度的升高或降低而產(chǎn)生波動(dòng)，對于制冷能力不足或者保溫能力不足的冰箱，甚至?xí)霈F(xiàn)溫度超出范圍的不良情況，典型的市場不良反饋是冰箱冷藏室嚴(yán)重結(jié)冰或者冰箱溫度過高失去保鮮功能。

圖1 冰箱冷藏室溫度曲線

圖2 環(huán)境溫度16℃時(shí)冷藏室溫度和蒸發(fā)器溫度曲線

圖3環(huán)境溫度32℃時(shí)冷藏室溫度和蒸發(fā)器溫度曲線

圖1 為冰箱冷藏室比較典型的溫度曲線，圖中橫坐標(biāo)為外部環(huán)境溫度的變化，縱坐標(biāo)為冷藏室溫度的變化。正常情況下，當(dāng)環(huán)境溫度固定時(shí)，冰箱運(yùn)行平穩(wěn)后，冷藏室溫度會(huì)固定在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，基本可以認(rèn)為是恒定的，比如圖示環(huán)境溫度為16℃時(shí)，冷藏室溫度大約在5℃左右，隨著環(huán)境溫度的升高，如從16℃上升到32℃，冷藏室溫度會(huì)逐漸降低，直到冰箱箱體散熱和壓縮機(jī)制冷能力達(dá)到平衡，冰箱達(dá)到可獲得的最低溫度，圖示環(huán)境溫度大概在31℃左右，冰箱冷藏室溫度達(dá)到最低，然后隨著環(huán)境溫度的升高，由于冰箱箱體的散熱大于壓縮機(jī)的制冷能力，冷藏室溫度由降低變?yōu)樯摺１涞倪@種特性，在通過控制壓縮機(jī)開停來控制箱內(nèi)溫度的產(chǎn)品上普遍存在，產(chǎn)生的原因主要是在不同環(huán)境溫度時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行制冷的時(shí)間不同造成的。壓縮機(jī)運(yùn)行的時(shí)間與箱體向外部環(huán)境散熱的快慢有關(guān)，低溫環(huán)境時(shí)散熱慢制冷時(shí)間短，高溫環(huán)境時(shí)散熱快制冷時(shí)間長。為了更好的說明這種特性，下文分別說明冰箱在環(huán)境溫度16℃和32℃兩種環(huán)境時(shí)的運(yùn)行情況。

圖2為冰箱處于環(huán)境溫度16℃時(shí)，冷藏室溫度和蒸發(fā)器溫度曲線。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度，上面一條實(shí)線曲線為冷藏室內(nèi)的溫度，下面一條實(shí)線波動(dòng)折線為蒸發(fā)器的溫度，溫控器感溫度點(diǎn)放置在靠近蒸發(fā)器的附近，可以視為和蒸發(fā)器溫度一致，溫控器設(shè)定開機(jī)溫度為5℃，關(guān)機(jī)溫度為-30℃，中間兩條虛線為冷藏室溫度控制的目標(biāo)范圍2℃和5℃。冰箱性能設(shè)計(jì)一般要求在正常環(huán)境溫度25℃下，冷藏室內(nèi)溫度控制在目標(biāo)范圍2℃～5℃之間。如圖2所示，當(dāng)環(huán)境溫度在16℃時(shí)，環(huán)境溫度較低，冰箱運(yùn)行后箱體內(nèi)溫度和環(huán)境溫度相差較小，箱體散熱慢，蒸發(fā)器溫度降到溫控器設(shè)定的停機(jī)溫度-30℃的時(shí)間較短，可能小于30分鐘，停機(jī)后升到溫控器開機(jī)溫度5℃的時(shí)間較長，可能大于30分鐘，由于獲得的制冷時(shí)間相對較短，累積多次循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，冷藏室溫度最終會(huì)處于上差5℃左右，甚至有時(shí)出現(xiàn)高于5℃的情況，使冰箱溫度太高而失去保鮮功能。

圖3為冰箱處于環(huán)境溫度32℃時(shí)，冷藏室溫度和蒸發(fā)器溫度曲線。當(dāng)環(huán)境溫度在32℃時(shí)，環(huán)境溫度比較高，冰箱運(yùn)行后箱體內(nèi)溫度和環(huán)境溫度相差較大，箱體散熱較快，蒸發(fā)器溫度降到溫控器設(shè)定的停機(jī)溫度-30℃時(shí)間較長，可能大于60分鐘，停機(jī)后升到溫控器設(shè)定的開機(jī)溫度5℃的時(shí)間較短，可能小于30分鐘，由于獲得的制冷周期相對較長，累積多次循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，冷藏室溫度會(huì)逐漸低于設(shè)計(jì)希望達(dá)到的2℃，甚至?xí)陀?℃而導(dǎo)致結(jié)冰嚴(yán)重。

綜合上述情況，采用一般的普通機(jī)械式溫控器，存在以下問題：

（1）當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，冷藏室溫度過高，冰箱失去保鮮功能；

（2）當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，冷藏室溫度過低，甚至出現(xiàn)結(jié)冰問題，同時(shí)能耗增加。

針對此類問題，我司開發(fā)了一種帶有兩個(gè)感溫探頭的溫控器，可以有效消除環(huán)境溫度的影響，如圖4所示。兩個(gè)感溫系統(tǒng)同時(shí)控制一個(gè)開關(guān)，感溫點(diǎn)一安裝在蒸發(fā)器附近，控制壓縮機(jī)接通；感溫點(diǎn)二安裝在冷藏箱內(nèi)，控制壓縮機(jī)斷開。在升溫周期，感溫點(diǎn)一沒有升到開機(jī)溫度前，即使感溫點(diǎn)二達(dá)到開機(jī)溫度，開關(guān)也不接通，直到感溫點(diǎn)一升到開機(jī)溫度，開關(guān)才接通。在降溫周期，感溫點(diǎn)二沒有降到關(guān)機(jī)溫度前，即使感溫點(diǎn)一達(dá)到關(guān)機(jī)溫度，開關(guān)也不斷開，直到感溫點(diǎn)二降到關(guān)機(jī)溫度，開關(guān)才斷開。通過兩個(gè)感溫點(diǎn)的控制，可以有效消除環(huán)境溫度的影響。下面為采用此種溫控器后的冰箱的性能分析。

圖5為采用雙感溫探頭溫控器冰箱在環(huán)境溫度16℃時(shí)的曲線，感溫點(diǎn)一安裝在蒸發(fā)器附近，控制溫控器接通，接通溫度設(shè)定為5℃，感溫點(diǎn)二安裝在冷藏室內(nèi)，控制關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)溫度設(shè)定為2℃。在第一次制冷周期，蒸發(fā)器溫度逐漸下降，冷藏室溫度也逐漸下降，直到冷藏室溫度達(dá)到置于冷藏室的感溫點(diǎn)二斷開溫度2℃才斷開，隨后蒸發(fā)器升溫，達(dá)到置于蒸發(fā)器感溫點(diǎn)一的設(shè)定溫度5℃后溫控器接通，然后壓縮機(jī)又開始運(yùn)行制冷。由于環(huán)境溫度較低，箱體散熱較慢，第二個(gè)制冷周期蒸發(fā)器溫度比第一個(gè)制冷周期的溫度高一點(diǎn)即可使冷藏室溫度達(dá)到斷開溫度2℃，后續(xù)的運(yùn)行周期蒸發(fā)器溫度逐漸升高，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但冷藏室溫度一直穩(wěn)定控制在2℃～5℃之間。此種方式控制系統(tǒng)，第一次制冷周期，冷藏室溫度即可以達(dá)到目標(biāo)范圍2℃～5℃，而普通的機(jī)械式溫控器，需要系統(tǒng)穩(wěn)定后才能達(dá)到目標(biāo)范圍溫度。

圖6為雙感溫探頭溫控器冰箱在32℃環(huán)境溫度時(shí)的溫度曲線，制冷控制過程和在16℃環(huán)境溫度時(shí)的控制過程一樣，只是由于環(huán)境溫度較高，箱體散熱較快，相對于在16℃環(huán)境溫度時(shí)的溫度曲線，其制冷的時(shí)間更長，波動(dòng)的頻率要緩慢，冷藏室也是在第一個(gè)制冷周期就可以穩(wěn)定在目標(biāo)范圍2℃～5℃。

圖4 一種帶有兩個(gè)感溫探頭的溫控器

圖5 采用雙感溫探頭溫控器冰箱在環(huán)境溫度16℃時(shí)的曲線

圖6 采用雙感溫探頭溫控器冰箱在環(huán)境溫度32℃時(shí)的曲線

綜合以上分析，采用雙感溫探頭溫控器的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）可以消除環(huán)境溫度對冰箱溫度控制的影響，能夠準(zhǔn)確的控制冷藏室溫度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，避免了箱內(nèi)溫度過低結(jié)冰和溫度過高的問題。

（2）在高溫環(huán)境使用時(shí)，蒸發(fā)器溫度逐步升高直至穩(wěn)定，在避免冷藏室溫度過低的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能的效果。

（3）設(shè)計(jì)時(shí)由于不用考慮溫控器斷開溫度與壓縮機(jī)最大制冷能力的安全余量，可以用較小的壓縮機(jī)或者用較小面積的蒸發(fā)器，降低了成本。