綠色設(shè)計(jì)技術(shù)在冰箱中的應(yīng)用

楊 浩 蔡訓(xùn)儒 張 影

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)保的呼聲越來越高，綠色設(shè)計(jì)技術(shù)在冰箱中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。早在2003年，歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家就陸續(xù)頒布了諸多環(huán)境法規(guī)，從而極大地推動(dòng)了產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的發(fā)展。比如：2005年8月13日實(shí)施的WEEE指令《關(guān)于廢棄電子電氣設(shè)備的指令》，2007年8月11日實(shí)施的EUP指令《用能產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)框架指令》。國(guó)內(nèi)有關(guān)綠色設(shè)計(jì)方法及其工具的研究和應(yīng)用起步較晚[2]，全國(guó)工業(yè)綠色產(chǎn)品推進(jìn)聯(lián)盟于2016年推出《綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范—家用電冰箱》，該規(guī)范從多個(gè)維度詳細(xì)闡述了綠色家用電冰箱的符合性要求。2021年3月9日發(fā)布的GB/T 39761.1-2021《綠色產(chǎn)品評(píng)價(jià) 家用電器 第1部分：電冰箱、空調(diào)器和洗衣機(jī)》為綠色電冰箱的未來指明了方向，為綠色設(shè)計(jì)技術(shù)在冰箱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 綠色設(shè)計(jì)技術(shù)

基于材料的選擇、生產(chǎn)、回收，結(jié)合冰箱整機(jī)的性能特點(diǎn)，綠色設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括節(jié)能技術(shù)、降噪技術(shù)、輕量化技術(shù)、環(huán)境友好技術(shù)，現(xiàn)將這四大類技術(shù)介紹如下。

1.1 節(jié)能技術(shù)

1）變頻技術(shù)：變頻對(duì)廣大消費(fèi)者而言已經(jīng)不是一個(gè)陌生的名詞，變頻技術(shù)帶來的優(yōu)點(diǎn)不一而足，但其顯著優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能，變頻技術(shù)幾乎成為所有冰箱企業(yè)打造超級(jí)節(jié)能冰箱的必備技術(shù)方案之一。正因?yàn)槿绱?，各大冰箱品牌均在加碼變頻技術(shù)的研發(fā)力度，不斷降低成本，逐步縮小差距。變頻的核心在于驅(qū)動(dòng)算法，焦點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)主控一體化設(shè)計(jì)，二者融合在一起，便能打造出價(jià)格更低，性能更加穩(wěn)定的變頻板，從而為變頻技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2）保溫技術(shù)：毋庸置疑，真空絕熱板（VIP板）在冰箱中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。這取決于兩個(gè)方面：一是VIP板的生產(chǎn)技術(shù)越來越成熟，二是VIP板的價(jià)格已經(jīng)降到了絕大多數(shù)冰箱企業(yè)可以接受的程度。借助VIP板優(yōu)異的保溫性能，打造更加節(jié)能的冰箱已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)慣用的技術(shù)手段。同時(shí)，VIP板在線涂膠技術(shù)的突破、VIP板在線自動(dòng)化貼合技術(shù)的革新以及異形VIP板的出現(xiàn)，這一切為VIP板在冰箱中實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

3）發(fā)泡技術(shù)：發(fā)泡是實(shí)現(xiàn)冰箱保溫、節(jié)能降耗的最主要的技術(shù)途徑，就現(xiàn)行技術(shù)而言，冰箱可以不使用VIP板，但不能沒有發(fā)泡。行業(yè)內(nèi)多是通過混合發(fā)泡、真空發(fā)泡、多點(diǎn)注料等方式提升發(fā)泡料保溫性能，進(jìn)而達(dá)到降低整機(jī)能耗的目的。近年來，一些新興的發(fā)泡助劑問世，發(fā)泡助劑可以提高黑白料的混合效果，使得泡孔更加細(xì)致緊密，從而獲得更低的泡沫導(dǎo)熱系數(shù)。更為重要的是，發(fā)泡助劑既不改變?cè)信浞襟w系，也不改變?cè)袃x器設(shè)備，正因?yàn)槿绱?，該類發(fā)泡助劑需求量不斷增加。

綜合應(yīng)用變頻技術(shù)、保溫技術(shù)、發(fā)泡技術(shù)可以將整機(jī)能耗降低20～40 %，有效應(yīng)對(duì)更高能效標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 減振降噪技術(shù)

1）壓縮機(jī)降噪：壓縮機(jī)是冰箱的首要噪音源，壓縮機(jī)產(chǎn)生的噪音一方面來源于自身運(yùn)行中產(chǎn)生的噪音，另一方面來源于因其運(yùn)行帶動(dòng)其他部件產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。為了降低壓縮機(jī)的運(yùn)行噪音，有效的解決方式是在其表面包裹隔音氈，隔音氈切斷了噪音的傳遞路徑，可以顯著降低壓縮機(jī)的運(yùn)行噪聲[3]。同時(shí)，可以在壓縮機(jī)后蓋板正對(duì)壓縮機(jī)位置粘貼高品質(zhì)吸引綿，通過吸收中、高頻率噪音，達(dá)到降低壓縮機(jī)運(yùn)行噪音的目的（如圖1）。針對(duì)由壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，可以在壓縮機(jī)和底板之間使用彈簧橡膠組合減震墊，該減震墊振幅較大，能夠以簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方式將振動(dòng)噪聲轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉，因此具有絕佳的減震效果。

圖1 壓縮機(jī)后蓋板減小噪音輻射設(shè)計(jì)示例

2）風(fēng)扇降噪：冰箱的第二大噪音源來自風(fēng)扇，比如用于壓縮機(jī)表面散熱的冷凝風(fēng)扇，用于冷量傳遞的冷凍風(fēng)扇。根據(jù)風(fēng)機(jī)原理，噪聲大小與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越大，噪聲相應(yīng)的也就越大，同時(shí)，轉(zhuǎn)速也影響著氣流流量的大小，直接關(guān)系到冰箱制冷效率[4]。理論分析表明，風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的噪聲大小呈分段函數(shù)分布。據(jù)此，設(shè)計(jì)出適用于離心風(fēng)扇的高效進(jìn)出風(fēng)結(jié)構(gòu)，匹配最合適轉(zhuǎn)速大小，實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)扇噪聲的目的。

3）振動(dòng)噪聲：事實(shí)證明，振動(dòng)的傳遞與相鄰部件的固有頻率有關(guān)，固有頻率越接近，振動(dòng)傳遞率越大，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，振幅明顯增大，噪聲顯著提升[5]。因此，合理設(shè)計(jì)各組件固有頻率顯得尤為重要。比如：在關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋、溝槽等結(jié)構(gòu)，避開振動(dòng)頻率，以達(dá)到減振隔振、降低噪聲的效果。

4）反射噪聲：聲音在傳播過程中，遇到壁面會(huì)發(fā)生反射。如果在密閉的空間內(nèi)，聲波經(jīng)多次反射會(huì)產(chǎn)生混響，使噪音值顯著增大。通過對(duì)壓縮機(jī)室后蓋板進(jìn)行隔聲設(shè)計(jì)，減弱壓縮機(jī)室向外輻射噪音的能力。對(duì)于冷凍風(fēng)扇而言，通過延長(zhǎng)冷凍風(fēng)機(jī)導(dǎo)風(fēng)圈長(zhǎng)度，減小渦流噪聲在蒸發(fā)器室上方的混響噪音。

通過實(shí)施減震降噪技術(shù)，風(fēng)冷冰箱整機(jī)噪聲可以降低到35 dB(A)以下，為超級(jí)靜音冰箱的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1.3 輕量化技術(shù)

1）鋼板減薄：彩板是家電領(lǐng)域用量較大的鋼板之一，彩板基板多是熱鍍鋅鋼板。早期，熱鍍鋅鋼板的厚度多為0.5～0.7 mm。隨著技術(shù)革新、工藝進(jìn)步，通過調(diào)整屈服強(qiáng)度、表面軋花等方式，可以進(jìn)一步降低板材厚度。尤其是軋花工藝的出現(xiàn)，豐富了產(chǎn)品的形狀和外觀，提升了基板的支撐強(qiáng)度，為更薄的彩板出現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。以冰箱用門殼為例，基板厚度可以做到0.45 mm；冰箱用箱殼基板厚度可以做到0.4 mm。板材厚度減薄，既不犧牲板材性能，又能顯著降低整機(jī)重量，同時(shí)降低采購(gòu)成本。

2）以塑代鋼：以塑代鋼是行業(yè)的永恒話題，更是冰箱輕量化的主要技術(shù)路徑之一。以塑代鋼得以實(shí)現(xiàn)，首先是因?yàn)樗苣z件性能的大幅提升，足矣和鈑金件相媲美；其次是因?yàn)楦甙旱匿摬膬r(jià)格不利于打造高利潤(rùn)的產(chǎn)品。目前，以塑代鋼在冰箱領(lǐng)域已司空見慣。比如：針對(duì)小單門、兩門、三門等容積較小的冰箱，其壓縮機(jī)后蓋普遍采用ABS或HIPS取代熱鍍鋅鋼板，后背板普遍采用PVC合金取代熱鍍鋅鋼板，發(fā)泡支撐架普遍采用PP中空板取代熱鍍鋅鋼板。上述塑料材質(zhì)的使用，提高了零部件生產(chǎn)效率和組裝效率，在降低整機(jī)重量的同時(shí)，降低了零部件采購(gòu)成本。

3）薄壁技術(shù)：薄壁注塑、薄壁吸塑引領(lǐng)著家電塑膠零部件成型的方向。薄壁技術(shù)解決了絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)面臨的實(shí)際問題，即對(duì)注塑件或吸塑件厚度沒有要求，甚至于越薄越好。薄壁技術(shù)并不是單純的將厚度減薄，這其中牽涉到模具的設(shè)計(jì)、工藝的調(diào)整以及零部件裝配質(zhì)量的要求。不難相信，薄壁技術(shù)的推廣應(yīng)用，一定會(huì)實(shí)現(xiàn)減重的目的，同時(shí)為變革塑膠成型技術(shù)加注一劑強(qiáng)心針。

以600 L冰箱為例，采用輕量化技術(shù)，整機(jī)重量可以降低10～25 %，減重14～35 kg，有效控制和降低能源消耗，提高產(chǎn)品價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。圖2為抽屜薄壁注塑設(shè)計(jì)示例。

圖2 抽屜薄壁注塑設(shè)計(jì)示例

1.4 環(huán)境友好技術(shù)

1）免噴涂材料：傳統(tǒng)噴涂技術(shù)能豐富塑膠件外觀色彩，提升塑膠件表面質(zhì)量，但技術(shù)本身既容易對(duì)環(huán)境造成污染，又容易對(duì)人體造成傷害，是一項(xiàng)十分不環(huán)保的表面處理技術(shù)。免噴涂技術(shù)通過塑料配方優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)、工藝調(diào)整等方式，使注塑件達(dá)到或接近噴涂的效果，一次成型實(shí)現(xiàn)靚麗產(chǎn)品外觀，具有更高的設(shè)計(jì)自由度。免噴涂技術(shù)生產(chǎn)效率高，制品顏色形狀不受限，生產(chǎn)過程無(wú)環(huán)境污染，是一項(xiàng)應(yīng)用前景十分廣闊的新興技術(shù)。目前，冰箱用把手飾條普遍由免噴涂技術(shù)制作而成。

2）生物基材料：通用工程塑料因其良好的加工性能、優(yōu)異的機(jī)械性能被廣泛應(yīng)用在冰箱零部件上，然而塑料制品面臨著回收難，自然降解更難的問題。正常情況下，ABS、HIPS、PP、PVC等制品，很難通過土壤掩埋的方式實(shí)現(xiàn)自然降解。生物基材料的出現(xiàn)看到了塑料降解的希望。生物基材料在塑料基體中添加木質(zhì)纖維素，不影響塑料本身的加工性能，不犧牲塑料本身的力學(xué)性能，使塑料制品更易于與土壤中和，提高了塑料制品自然降解的速度，是當(dāng)下受眾度較高的環(huán)境友好材料之一[6]。抽屜是冰箱中最常見的功能附件，抽屜主要作用是實(shí)現(xiàn)收納，對(duì)承重能力要求較高，對(duì)物理、化學(xué)性能要求不是很苛刻。正因?yàn)槿绱耍锘牧隙嘤糜谥谱鞅涑閷稀?/p>

3）透明包裝材料：冰箱用包裝材料多集中在兩大類：一是EPS泡沫，二是紙板（蜂窩紙板或瓦楞紙板）。EPS使用過程中容易造成白色污染，而且很難回收再利用。紙板容易降解且容易回收，但造紙過程污染較為嚴(yán)重。氣柱袋的出現(xiàn)較好的克服了EPS和紙板的缺陷，是一種性價(jià)比較高的透明緩沖包裝材料。氣柱袋多由PE和PA復(fù)合而成，在氣囊內(nèi)沖入空氣即可實(shí)現(xiàn)減震緩沖的目的。氣柱袋生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、可回收反復(fù)使用。氣柱袋因其卓越的性能被用作冰箱側(cè)條和保護(hù)板。

圖3 生物基材料制作的冷凍抽屜

通過環(huán)境友好技術(shù)的應(yīng)用，目前綠色冰箱可再生利用率已從最初的75 %提升至90 %，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、碳中和的目標(biāo)做出了突出貢獻(xiàn)。

2 結(jié)論

減少環(huán)境污染、降低能源消耗、促進(jìn)產(chǎn)品和零部件回收再生循環(huán)是綠色設(shè)計(jì)技術(shù)遵循的三大原則。隨著國(guó)家法律、法規(guī)的出臺(tái)及完善，綠色設(shè)計(jì)的理念一定會(huì)逐漸被社會(huì)接受和認(rèn)可，綠色設(shè)計(jì)的方法一定會(huì)越來越科學(xué)、越來越嚴(yán)謹(jǐn)，綠色產(chǎn)品的評(píng)價(jià)一定會(huì)越來越規(guī)范[7]。而這一切，一定會(huì)促使冰箱企業(yè)研發(fā)綠色設(shè)計(jì)支持工具，創(chuàng)新應(yīng)用綠色設(shè)計(jì)方法，開發(fā)出更加節(jié)能、更加質(zhì)輕、更加環(huán)保的綠色家電產(chǎn)品，進(jìn)而全面提升家電制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力及影響力。