電場保鮮冰箱的電場優(yōu)化

陳 娜 高冬花 朱忠浩

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引用

冰箱是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚募译?，冰箱最主要最基本的功能是食品保鮮。自二十世紀80年代冰箱逐漸普及以來，其冰箱中應(yīng)用的保鮮技術(shù)在不斷更新，特別是進入二十一世紀后，隨著我國科技水平的不斷發(fā)展，保鮮技術(shù)的更新?lián)Q代也在加快。目前，冰箱中常用的保鮮技術(shù)包括氣調(diào)保鮮、離子保鮮、電場保鮮、速凍保鮮、增濕保鮮、光合保鮮等方法。

其中電場保鮮因具有不改變用戶使用習慣、能耗小、效果明顯、無副作用等優(yōu)點而近年來在冰箱中得到了廣泛的應(yīng)用。在冰箱電場中，一方面，果蔬由于受到外加電場的干擾而改變了原來固有的電荷分布，從而使主要以鐵離子充當電子傳遞體的呼吸酶的活性減弱，最終抑制或減緩了果蔬的呼吸作用，達到保鮮的效果。另一方面，當冰箱空間施加電場時，冰箱中的果蔬以及果蔬中的細菌同樣會受到電場的作用，冰箱中的高壓電場會擊穿細胞使其失去活性，從而起到果蔬保鮮的效果[1]。

1 電場保鮮冰箱的電場發(fā)生裝置及現(xiàn)狀

圖1為冰箱中的電場發(fā)生裝置。其中高壓產(chǎn)生裝置與冰箱的主控板相連，用來將220 V的工頻交流電壓變換為2 000～2 500 V的交流電壓。放電板的作用是改變電場的分布狀態(tài)，使其覆蓋冰箱的整個區(qū)間。

圖1 冰箱中的電場發(fā)生裝置

為了定量的表示電場強弱和保鮮效果的關(guān)系，研究中使用高壓探棒對冰箱中的電場進行測量。根據(jù)以往的研究表明，為了保證冰箱中的食品保鮮效果，測得冰箱空間的感應(yīng)電勢應(yīng)不小于30 mV[2]。以BCD-481冰箱為載體，將兩塊放電板放置于如圖2所示冰箱內(nèi)膽的發(fā)泡層側(cè)。測量空間各點的電場強度如圖2所示。由圖可知，當兩塊放電板放置于冰箱的中間部位時，距離放電板距離較近的中間部位，電場強度較大；而距離放電板距離較遠的四周部位，電場強度較小。最小值在冰箱的右下角，電場強度為3.4 mV，距離有效數(shù)值30 mV差距較大。最小值與最大值的比例為3.4/1070～0.0032，此結(jié)果表明冰箱內(nèi)電場分布極不均勻，因此需要采取相關(guān)措施在保證有效最小值的前期下對冰箱內(nèi)的電場進行優(yōu)化。

圖2 優(yōu)化前冰箱空間的電場分布

2 冰箱內(nèi)電場強度優(yōu)化的理論計算

為了優(yōu)化冰箱中的電場，需先明確冰箱中電場的理論模型。根據(jù)以往的研究，工頻電場具有如下特點：

1）由電荷產(chǎn)生，而幾乎與磁場無關(guān)；

2）其變化產(chǎn)生的磁場幾乎為零。

根據(jù)以上工頻電場的特點我們嘗試用靜電場的理論分析冰箱中的電場分布情況。在靜電理論中，空間一點的電勢為Q/4 πε0r

式中：

Q—空間的電荷量；

r—空間測量點到點電荷的距離；

π、ε0—常數(shù)。

根據(jù)電勢的計算公式可以看出，空間一點的電勢與電荷的電量成正比例關(guān)系，與距離成反比例關(guān)系。若電荷的分布不變，則距離電荷越遠的地方其電勢也越小。在冰箱的電場保鮮應(yīng)用中，為了增大空間一點的電勢，可以采用增大電荷或縮短電荷與測量點距離的辦法?？紤]到產(chǎn)品成本的問題，計劃采用纏繞金屬線的方式改變電荷在冰箱空間的分布，同時縮短測量點和電荷的距離。為了從理論上分析此種方案的可行性，同時為便于計算，纏繞金屬線的冰箱簡化模型如圖3所示。

圖3 纏繞金屬線的冰箱模型

2.1 均勻帶電直線在任意點產(chǎn)生的電勢

如圖4所示帶電直線，電荷線密度為 λ，長度為 2 l，取帶電直線的中點為坐標原點，建立平面坐標系oxy，取無窮遠處為電勢零點，根據(jù)靜電場理論，則該帶電直線上的dx′在任意P（x，y）點產(chǎn)生的電勢為：

圖4 均勻帶電直線在二維空間任意點產(chǎn)生的電勢

該直線在P點產(chǎn)生的電勢為：

2.2 擴展到帶電直線不在坐標軸的情況

如圖5所示，設(shè)均勻帶電直線AB位于oxy平面內(nèi)，兩端點的坐標分別為 A(x1，y1，0)，B(x2，y2，0)，P 的坐標為P(x，y，z)，則有：

圖5 均勻帶電直線在三維空間任意點產(chǎn)生的電勢

根據(jù)余弦定理：

下式中x表示P到直線的法線的距離，y表示P到直線的垂直距離，則：

2.3 四邊形電極電勢計算

如圖3所示，對本方案的四邊形電極在P點產(chǎn)生的空間電勢為：

2.4 化簡

為方便計算，忽略電極貼裝誤差，以冰箱冷藏室為例，將冰箱冷藏室及電極簡化為正方形。電極四頂點ABCD所在平面為oxy平面，將o點定義在ABCD中心點位置，ABCD四點坐標簡化為A（l，l，0）、B（-l，l，0）、C（-l，-l，0）、D（l，-l，0），冷藏室空間中任意一點P（x，y，z）的空間電勢：

2.5 驗證

由于金屬線上的電荷密度不容易測量，采取數(shù)值對比的方式對以上理論進行驗證。為了方便計算，取中心點O和靠近邊緣A點的Q（0.9l，0.9l，0）點進行驗證：

即邊緣點與中心點的空間電勢比例為2.72/1.76=1.54。此結(jié)果表明冰箱內(nèi)部電勢的均勻性有了明顯的提升。

3 實際優(yōu)化結(jié)果

為了驗證此方案的實際可行性，在冰箱內(nèi)膽口四周纏繞了金屬線。金屬線的截面為0.5 mm2，材質(zhì)為銅。纏繞金屬線的冰箱內(nèi)膽實物如圖6所示。經(jīng)實際測量，在高壓產(chǎn)生裝置的輸出電壓為降為1 100 V AC時，冰箱空間各點測量的感應(yīng)電勢如圖7所示?？梢钥闯觯诮档碗妷旱那疤嵯?，冰箱空間各點的電勢和整個冰箱空間的電場均勻性都得到了明顯的提升。 取與理論模型相近的邊緣點數(shù)值59和中心點數(shù)值37，其比值為59/37=1.59?？紤]測量誤差和計算的簡化，實際值與理論值基本相符。

圖6 纏繞金屬線的冰箱內(nèi)膽

圖7 優(yōu)化后冰箱空間的電場分布

4 總結(jié)

保鮮是冰箱不斷研究的技術(shù)課題之一。本文針對電場保鮮冰箱中存在的場強分布不均以及冰箱邊緣空間場強較小的問題進行了研究?；谝酝难芯砍晒疚牟捎渺o電場的理論對冰箱的電場進行分析，提出通過在冰箱內(nèi)膽四周纏繞金屬線的方式來改變空間的電荷分布并縮短和測量點的距離，從而達到優(yōu)化冰箱空間的場強分布和數(shù)值的目的。理論計算表明，此種方式可以很好的起到優(yōu)化冰箱空間電場的效果。同時，本文通過實物樣機的制作和測量，證明了此種方案的真實有效性。