单系统风冷冰箱冷冻后背泡层薄壁化设计方法

单系统风冷冰箱冷冻后背泡层薄壁化设计方法

张魁仓

1.长虹美菱股份有限公司安徽合肥230000

将一款现有的后背蒸发器单系统风冷冰箱的冷藏回风风道由后背改至蒸发器室两侧，结合CFD仿真工具对使用两侧回风的整机风道系统进行仿真优化设计，并制作原理样机进行试验测试。结果显示，在后背不使用VIP板及防凝管的情况下，对比原型机，两侧回风方案冷冻后背泡层由原来80mm减薄至55mm，容积率增加1.2%；冷藏回风更均匀且整机风量略有提升；能耗与原型机基本持平；蒸发器结霜均匀性更好。

关键词

单系统风冷冰箱；后背蒸发器；CFD仿真；侧回风

中图分类号：TB6 

1引言

后疫情时代，消费者对大容积冰箱的需求强烈，大容积、巨能装是消费者最看重的功能点之一。在冰箱消费升级中，容积率的升级尤为激烈，相同的外形尺寸下，更大容积率的产品更受消费者的欢迎。

针对市场需求及冰箱行业保温技术发展，大容积率薄保温层冰箱应运而生，其采用的新型VIP板的保温材料大大地减薄了冰箱的壁厚[1]。在冰箱产品中VIP板多是放置在冰箱两侧的泡层中，对应的两侧泡层也相应的减薄。现阶段，多系统的冰箱后背也已有使用VIP板的产品，使冷冻后背泡层薄壁化。

但是现有的单系统风冷冰箱产品，冷藏回风风道大多是放置在箱体后背保温层内，回风风道具有一定的厚度，且为避免冰箱后背凝露和回风风道内结冰，其距离后背及内胆都有一定的间距要求，且不宜使用VIP板。后背式的回风风道结构导致冰箱后背保温层厚度在80mm以上，占用冰箱大量的空间，尤其对于浅箱体产品过厚的后背泡层造成产品深度空间不足，严重影响用户使用体验。

为了进一步提升产品容积率，需要合理布局发泡层内的零部件，提升空间利用率。本文借用CFD仿真计算对单系统风冷冰箱的风道系统进行研究，提出冷藏回风优化方向，并结合试验验证，为单系统风冷冰箱冷冻后背薄壁化设计提供新的设计方法[2-3]。

2物理模型

选择某型号500L大容积风冷冰箱做为研究对象，如图1（a）。该冰箱采用后背式蒸发器，单制冷循环系统，冷藏回风风道布置在冷冻室后背保温层内。后背式蒸发器的冰箱，因蒸发器及冷冻风道的安装，蒸发器室两侧需要有足够的空间，其两侧泡层厚度多在90mm以上，造成这部分空间的浪费。

侧式冷藏回风冰箱，如图1（b），将冷藏回风风道移至蒸发器室两侧，合理利用蒸发器室两侧空间，同时令冷冻后背泡层内再无零部件的限制，使冷冻后背的泡层在不使用VIP板的情况下可以减薄至55mm，提升冷冻室容积10L以上。

（a）后背式冷藏回风示意图（b）侧式冷藏回风示意图

图1 单系统风冷冰箱冷藏回风结构示意图

3 CFD仿真分析

3.1后背式冷藏回风和侧式冷藏回风CFD仿真模型

为了进一步分析流场，通过对后背式冷藏回风冰箱和侧式冷藏回风冰箱进行仿真建模。如图2（a）和图2（b）所示分别是后背式冷藏回风冰箱和侧式冷藏回风冰箱的仿真模型。图2（a）中，冷藏室的空气经过后背风道进入冷冻蒸发器室进行空气循环及热量交换。图2（b）中，冷藏室的空气经过两侧风道进入冷冻蒸发器室进行空气循环及热量交换。

（a）后背式冷藏回风冰箱（b）侧式冷藏回风冰箱

图3单系统风冷冰箱CFD仿真模型

3.2流场仿真分析

为了对比两款冰箱内部流场，本文给出两款冰箱流场仿真模型的前提假设：冰箱内部空气为理想的气体，具有不可压缩性。

流场仿真中，将后背式冷藏回风冰箱和侧式冷藏回风冰箱内空气流动循环的总风量大小及稳定换热状态做为目标，使用star ccm+流体仿真软件，对整机的空气循环流体区域进行多面体网格划分，并采用k-ε混合湍流模型进行计算。冰箱采用直径同为140mm的离心风扇，设置风机转速为1300rpm，对比分析两款冰箱的总风量及风量分配情况。

经过仿真计算1000步后，两种冰箱模型的计算残差值均在10-4以内，数据监测稳定，判定仿真已经收敛。后背式冷藏回风冰箱和侧式冷藏回风冰箱各出风口风量及总风量数据如表1。相比后背式冷藏回风冰箱，侧式冷藏回风冰箱总风量提升7.2%。

表1后背回风和两侧回风的风量对比

图3（b）是侧式冷藏回风冰箱速度迹线在箱体内的分布图。通过分析侧式冷藏回风冰箱的仿真数据和流场迹线，发现：当采用侧式冷藏回风时，整机风道的效率不仅得到提升，且回风扫过的蒸发器表面更均匀；侧式冷藏回风的设计方案更有利于减小冷藏回风道的风阻，消除回风短路问题，提升箱室内部换热效率。通过流场仿真可以判定侧式冷藏回风的方案可以满足单系统风冷产品的风量需求。

（a）后背式冷藏回风速度流场（b）侧式冷藏回风速度流场

图3风道速度流场分布图

4试验测试分析

为了进一步对侧式冷藏回风冰箱的换热效率进行充分验证。在通过新国标16℃标准工况及32℃标准工况下的标准耗电量（如表2所示）、43℃标准工况下的储温性能试验（如表3所示）的同时，还进行了35℃环温、85%环湿下的蒸发器结霜均匀性的试验测试。

表2标准耗电量对比

表3侧式冷藏回风43℃储藏温度数据（单位：℃）

注：LC代表冷藏室平均温度，LD代表冷冻室各层抽屉内部的平均温度。

（a）蒸发器结霜（b）蒸发器化霜

图4冷藏侧回风蒸发器结霜分布及化霜后的情况

如表2所示，侧式冷藏回风冰箱在后背保温层减薄25mm，整机热负荷升高的情况下，标准耗电量略高于后背式冷藏回风冰箱。但冷藏侧回风冰箱冷冻蒸发器结霜均匀、化霜效率高，化霜时间短、功率低，且侧式冷藏回风冰箱冷冻室容积加大10L，依据《GB12021.2-2015家用电冰箱耗电量限定值及能效等级》的标准，测定能效指数为23.15%要优于后背式冷藏回风冰箱的能效指数23.22%，小于25%，满足一级能效标准。

如表3所示，侧式冷藏回风冰箱在43℃储藏温度试验下，冷藏室、冷冻室温度满足国标要求且有较大的余量。如图6所示，在高温高湿环境下，冷藏侧回风冰箱的冷冻蒸发器结霜均匀，化霜后蒸发器表面、回风口位置等无残余冰霜，满足可靠性的要求。

5 结论

本文基于单系统风冷冰箱冷冻后背泡层薄壁化、提升冰箱有效容积的需要，设计了一种侧式冷藏回风的风道结构，结合CFD仿真及相关试验验证，对比两种回风方式，相比后背式冷藏回风冰箱，本文探究具有以下结论：

（1）侧式冷藏回风冰箱的后背保温层减薄25mm，有效容积提升10L。

（2）通过CFD仿真，侧式冷藏回风冰箱总风量提升7.2%。

（3）经性能试验测试，侧式冷藏回风冰箱能效指数更低，满足一级能效标准，满足43℃储藏温度要求。

（4）经过可靠性试验测试，侧式冷藏回风冰箱蒸发器结霜均匀，化霜干净，满足可靠性要求。

参考文献

[1] 崔培培,刘鹏. 热负荷仿真在冰箱保温层优化中的应用[J]. 家电科技 2018(S1):89-91+100.

[2] 邱向伟,林竹,肖小凡. 高效换热器与风道耦合技术的实验研究[J]. 家电科技2016(S1):149-152.

[3] 王瑶,张波,崔培培等. 上冻下藏风冷冰箱风道优化提效研究[J]. 日用电器2019, 000(008):78-81.

作者简介：张魁仓，合肥工业大学机械设计及理论专业，硕士学位，长虹美菱股份有限公司CAE及结构工程师，安徽省合肥市经开区莲花路2163号。