機械溫控式直冷冰箱溫控失效問題的研究與解決

吳俊河 潘媛媛 宋建存 王 培 張希荷

（中國電器科學研究院有限公司 廣州 510800）

引言

冰箱在現代社會，隨著生活水平的不斷提高，在人類的生活中，扮演著越來約重要的角色。但不同的消費群體有著對冰箱性能的不同要求，有控制精確的多點控制方式的電子溫控式冰箱、有注重實用性的實用型簡易控制冰箱。

多點控制方式的電子溫控冰箱，在各個冰箱間室內布置電子感溫探頭，監(jiān)控間室溫度狀況，通過主控板PCB 進行邏輯運算控制，對控制間室溫度的元器件發(fā)出指令，進行相應動作，以完成對間室的溫度控制，達到精確控溫的效果。但此類冰箱價格相對較高，適合消費能力較高、要求較高的消費群體。

另一種實用型簡易控制冰箱，價格相對較低，但是溫度控制也相對簡單，適合消費能力較低、要求不算太高的消費群體。

機械式溫控直冷箱，就是此類冰箱的典型，它的控制方式主要是靠機械式溫控器對冰箱的壓縮機進行開?？刂?，以達到控制冰箱箱體內部溫度的目的。

其以控制簡單，方便實用，價格低廉等特點，受消費能力較低，但又有食物保鮮需求的消費群體青睞。

本論文所談及的研究內容主要是來自于在為巴基斯坦客戶設計的機械溫控式直冷冰箱時，發(fā)現冰箱在平常的運轉中，出現運轉周期不穩(wěn)定，出現長短開停周期，箱內溫度波動過大等現象。這種現象是非正常的冰箱運行現象，針對此現象展開調查、研究、分析，并找出合理的解決方案，為后期類似冰箱產品的開發(fā)提供新的設計思路。

1 問題現象描述

根據圖1 測試數據，在實驗室運轉的冰箱，有以下幾個不正常的現象出現。

圖1 不正常運轉周期曲線圖

1）冰箱的個別周期開停機時間特別長，造成冷藏室的開停溫差Δt 特別大，最大可以達到15 ℃，這個對于正常使用的冰箱來說，是不利于食品保鮮的，容易造成食物損壞，同時，依據GBT/8059-2008 家用和類似用途的制冷器具標準中要求，如表1 所示冷藏溫度的每個測溫點平均溫度要在（0～8）℃以內[1]。

表1 儲藏溫度要求

2）溫控器的控制參數出現漂移，處于不可控狀態(tài)，及控制失效。

①本項目選用的溫控器是定溫復位型溫控器，參數如表2。

表2 溫控器控制參數

此種溫控器的特點是當感溫部位溫度達到4 ℃+/-1時（如圖3 所示），溫控器接通，壓縮機開始工作。

簡要說明一下溫控器與冰箱的交互原理：

溫控器與冰箱的交互，是通過溫控器毛細管感溫段，與冰箱的蒸發(fā)器直接或間接接觸，從而感知冰箱蒸發(fā)器的溫度狀態(tài)，判定是否接通壓縮機電源，進而達到間接控制冰箱的箱內溫度的目的。

②在冰箱的測試過程中，會在溫控器的毛細感溫管端部約（0～150）mm 處，布置溫度監(jiān)測點（sencer 溫度點），這部分也是溫控器直接感受蒸發(fā)器溫度，并控制溫控器觸點接通與斷開的溫度，如圖2 所示。

圖2 溫控器感溫控制段

對于運行周期不穩(wěn)定的冰箱，監(jiān)測到溫控器接通時，150 mm 感溫部位有時接通的溫度是5 ℃，有時又是16.7 ℃，如圖1 中sencer 一欄的溫度所示，這完全不是根據定溫復位型的溫控器的控制方式進行控制，溫控器的溫度控制出現了漂移現象，控制失效。

3）控制出現不穩(wěn)定狀態(tài)，會引起周期突變的現象。

從圖1 可以明顯看出，壓縮機的運轉時間是處于一種不正常的規(guī)律運行，正常的運行規(guī)律是冰箱運行穩(wěn)定后，每個壓縮機的開停時間是比較一致的，如圖3、4所示。

圖3 出現長短運行周期的冰箱運轉曲線

圖4 正常的冰箱運轉曲線

在不正常的運行周期下運行，會造成冷藏箱體的溫度波動變大，不利于食物的存儲。

①機械式冰箱控制原理及機械溫控器的動作原理

本論文研究的冰箱采用的是壓力式機械溫控器，如圖5、6 所示。

圖5 溫控器技術圖紙

壓力式溫控開關主要是利用氣體受熱膨脹，壓力增大來實現開關的功能的。壓力溫控開關在工業(yè)領域應用很廣，主要是因為它的輸出力比較大，而且不用電源，完全是氣體，符合本征安全的要求。但是由于其體積比較大，所以不適合于一般的小家電，家用一般用于冰箱和空調。

一般的冰箱就是利用壓力溫度開關來維持冰箱的恒定溫度的。下面我們通過介紹它，來說明一般的壓力溫控開關的工作原理。

②冰箱溫控器的工作原理

冰箱溫控器的工作，主要是通過調溫旋鈕，可視的將凸輪調至一定的位置，從而達到改變彈簧拉力的作用。在溫控器的膜盒及毛細管中，充有R12 或氯甲烷氣體，受熱容易氣化和膨脹，膨脹后的膜盒形狀改變，將推動電觸點克服彈簧的拉力接觸，從而接通電路，是壓縮機工作。相反，當膜盒與毛細管中的氣體降溫時，膜盒收縮，與彈簧合力使電觸點分開，電路斷開，壓縮機停止工作。如此循環(huán)，把冰箱溫度控制在一定范圍之內，滿足食物儲存的需求。其實這種溫控器控制的精度也不高，現在市場上高檔的冰箱和空調一般利用電子調節(jié)。但是由于價格便宜，原理簡單，老式的調節(jié)方式還是很受歡迎的[2]。

根據圖7、8 所示壓力式溫控器的工作原理分析，溫控器整條毛細管都是它的感溫部位，同時，它將會以最低溫度的那一段做為毛細管的實際控制開關閉合與斷開的感溫部位，因為，只有整條毛細管溫度達到了，毛細管內的氣體壓力才能達到推動膜盒的壓力。因此，此類溫控器有它們自身的缺點，在溫控器感溫部分外界環(huán)境異常的情況下，會有造成溫控器控溫點的變化。

圖7 溫控器結構原理圖

圖8 電冰箱的電路圖

2 原因分析

從壓力式溫控器的工作原理出發(fā)進行分析，當溫控器觸點開閉出現控制溫度，偏離設定的溫度值時，排除一般的溫控器故障原因，那就是溫控器的使用環(huán)境受到了不確定因素的影響，從而造成溫控器控制失效的狀態(tài)。

首先從結構布局上對溫控器的使用環(huán)境進行分析。目前對于采用機械式溫控器設計的冰箱，溫控器的放置位置主要是放置在冰箱冷藏室的側壁和頂部兩種（圖9、10）。

圖9 溫控器在側壁的設計

圖10 溫控器在頂部的設計

本論文研究的冰箱的溫控器，其所放置的位置是冷藏室的頂部，如圖11。

圖11 研究項目溫控器放置位置

單從溫控器的放置位置看，這個位置并沒有什么特別，但從冰箱的整體結構來分析，對于這類冰箱，這個位置就會有其特別之處。

從冰箱的整體結構圖分析，我們不難看出，這類冰箱是上冷凍，下冷藏的結構形式，溫控器盒處于冷藏室的頂部，靠近冷凍一側，溫控器的毛細管將會穿過冷凍間室與冷藏間室之間的泡層（中間泡層），到達冷藏室中冷藏蒸發(fā)器的感溫點位置。

在溫控器毛細管穿過中間泡層的時候，毛細管受到來自冷凍間室冷源和來自冷藏間室熱源的共同影響，使得該段毛細管溫度會出現不穩(wěn)定性。

由上面溫控器的工作原理結合溫控器毛細管所處的周圍環(huán)境，初步分析，原本在冷藏箱中，冷藏蒸發(fā)器受到制冷系統(tǒng)制冷劑的影響，溫度回升是最慢的一個，溫控器的動作溫度是來自蒸發(fā)器的溫度，但此時由于溫控器的毛細管中間段受到了冷凍室傳來的冷源的影響，因此，整條溫控器毛細管中，最遲回升到4 ℃的位置，不再只是毛細管感溫段與蒸發(fā)器接觸的位置，還有可能出現在其他位置的毛細管段。

當最遲回升到4 ℃的毛細管段位置處于泡層內部這一段時，溫控器的開閉動作，將會依據這一段的毛細管溫度進行，這就造成了溫控器不受末端感溫段的溫度控制的現象，從而造成了溫控器控制的溫度出現偏移的假象。反映在冰箱上，就是運行周期不穩(wěn)定，如圖1 所示。

3 解決方案

通過上面的分析，我們了解到了溫控器控制溫度點發(fā)生漂移的內在原因，是因為溫控器的最遲回升到4 ℃動作溫度的感溫段發(fā)生了轉移。為了使溫控器的感溫段，在末端150 mm 處，符合我們設計的要求，我們需要消除這種外界因素的影響。

基于上面的分析，做出以下幾種可行性的對策方案，同時選取最優(yōu)方案做為最終的解決方案。

方案1：將溫控器盒的位置變更，如將溫控器盒的位置調整為冰箱側面，使感溫導管不穿過中間泡層，不受冷凍室的冷源影響。

經評估，由于箱體的模具已經開好，如果調整溫控器盒的位置，將會廢掉原有的吸塑模具，造成大量的金錢損失，同時，原有的內觀設計將被推翻。因此，此方案不可行。

方案2：最直接的方法，增加加熱器，對溫控器盒及泡層內的感溫導管進行熱補償，使溫控器泡層內的那一段毛細管處于一種比較“熱”的狀態(tài)，最冷點自然落在在與蒸發(fā)器接觸的毛細管末端上，如圖12、13。

圖12 補償加熱器

圖13 補償加熱器安裝圖片

通過增加補償加熱器，冰箱的長短周期問題得到改善，溫度控制穩(wěn)定，問題得到解決，結果對比如圖14。

圖14 裝加熱絲與不裝加熱絲開停參數對比

1）溫控器感溫部溫度在5 ℃復位，符合溫控器設計預期；

2）開停機時間明顯縮短；

3）箱內開停機溫差明顯縮小。

裝補償加熱器前，冰箱在檢測線上的運行曲線，如圖15。

圖15 安裝補償加熱器前，非正常運轉曲線

裝配補償加熱器后，冰箱在檢測線上的運行曲線，如圖16。

圖16 安裝補償加熱器后正常運轉曲線

從曲線和數據上看，裝配補償加熱器后，冰箱箱體運轉正常，能夠解決冰箱出現長短周期的問題。

此解決方案的優(yōu)缺點是，能夠快速有效的解決冰箱長短周期的問題，但是會增加后期的生產成本，同時，加熱器如果發(fā)生損壞，無法進行更換維修，不利于后期的長期使用，也不利于市場的銷售。

方案3：考慮利用冷藏間室的自身熱量，對感溫導管進行加溫，使中間泡層段的感溫導管的溫度與箱體內的溫度同步回升，針對此思考，對溫控器盒及冰箱生產工藝進行適當調整，調整如下：

1）將舊的溫控器盒感溫導管的走向設計，調整為緊貼內膽的走向設計，使感溫導管盡量遠離來自冷凍間室的冷源，同時降低溫控器盒底座嵌入泡層的厚度，從而增加溫控器盒底座到冷凍間室的泡層厚度，如圖17、18。

圖17 舊溫控器盒設計

圖18 新溫控器盒設計

2）調整中間泡層內，感溫導管的裝配工藝，由原先的自由裝配，調整為讓感溫導管貼這冷藏間室內膽壁走，充分吸收冷藏間室的熱量，如圖19、20。

經過以上兩點的調整后，冰箱箱體運轉正常（圖20），能夠解決冰箱出現長短周期的問題。

圖21 冰箱正常運轉曲線

此解決方案的優(yōu)缺點是，需要對溫控器盒模具進行

4 結論

通過壓力式機械溫控器的工作原理分析，以及對冰箱整體的結構分析，成功找出冰箱了出現長短運行周期的問題根源，此箱體的特點是：

1）冰箱的結構形式是上冷凍下冷藏；

2）使用壓力式機械溫控器做為冰箱運行的控制部件；

3）溫控器盒設計在冷藏間室的頂部。

本項目的研究，對后期進行具有上述3 個特點的冰箱設計時，具有較好的設計指導意義。調整，時間相對略長，但能夠解決后期冰箱成本的問題，同時增加了長期運行的穩(wěn)定性，避免后期還會面臨到的加熱器損壞無法維修的問題。

通過對三種方案的比較，最終選擇方案3 做為解決冰箱運行長短后期問題的最終解決方案，該方案實施容易，同時節(jié)約了1 大筆冰箱成本，以生產40 萬臺冰箱為例，每件加熱器單價為7 元/件，采用方案3，將直接節(jié)約成本280 萬元。