冰箱换热器技术发展现状

袁荣胜 晏刚

西安交通大学制冷与低温工程研究所 陕西西安 710049

1 引言

当前，我国冰箱产业正处于一个蓬勃发展的阶段。从实验室、办公大楼到大型商场、文化娱乐场所，从交通运输管理到国防安全建设，冰箱产品无处不在。冰箱技术服务于国民经济的各个领域，在各种产品的研究、开发、保存、运输过程中起着重要的作用。

然而，直至今日，虽然冰箱技术较为成熟，但仍然有一些关键性问题没有得到根本的解决。这些问题包括环保问题、高效节能问题以及智能人性化问题等。在国家节能减排发展战略背景下，如何使得电冰箱更进一步的高效节能已然成为研究者们关注的重点。在新型的冰箱设计过程中，各种高效、节能性技术的应用是未来冰箱设计的重要趋势。而冰箱高效节能技术的核心在很大程度上取决于冰箱换热器的性能[1]。

本文总结了目前最具潜力的几种冰箱换热器技术，包括微通道换热、PCM蓄能、旋转换热、沟槽管、远红外涂层等。对于每种技术在冰箱换热器中具体的应用，本文给出了一些实例以供参考。此外，针对冰箱换热器目前遇到的强化传热、结霜化霜、性能实验平台搭建等技术难点，本文总结了一些最新的研究方法和解决措施。

2 冰箱换热器的技术发展现状

2.1 微通道换热器技术

微通道换热器是水力当量直径在10～1000 µm的一类换热器[2]，它符合当今换热器紧凑化、小型化的发展趋势，是冰箱换热器结构优化的一个重要方向。与传统冰箱换热器相比，微通道换热器具有如下优势[2]：（1）微通道换热器一般由全铝材料制成，成本低，重量轻；（2）传热效果好，传热效率较普通管翅式换热器有较大的提升；（3）结构紧凑，应用于冰箱可显著降低制冷剂的充注量。

微通道换热器在冰箱制冷系统中作为冷凝器使用已经取得了较多进展。图1所示的管带式微通道全铝冰箱用冷凝器开发是目前冰箱冷凝器开发应用研究的一个重要课题。这种微通道冷凝器由集流管、多孔扁管和波纹型百叶窗翅片组成。百叶窗式翅片能够切断散热器上气体边界层的发展，使边界层在各表面不断地被破坏，从而达到强化传热、提高换热器性能的目的。在同样的迎风面下，管带式微通道冷凝器比传统丝管式冷凝器的换热效率提高了30%以上[3]，而空气侧阻力不变，甚至略有降低。根据张成全等人[4]的研究，管带式微通道冷凝器有机会实现对传统家用冰箱丝管式冷凝器的替代，并且通过对制冷系统其他参数进行优化调整，冰箱整体能效还有很大的提升空间，具有良好的应用前景。

图1 管带式微通道冷凝器[3]

虽然微通道冷凝器具有结构紧凑、传热效果好、制冷剂充注量少等优点，但其容易积灰的缺点也同样明显[5]。具有强化换热表面的微通道冷凝器在工作一段时间后，由于其本身结构紧凑且换热表面结构复杂导致大气中的颗粒物在换热器表面大量积聚，使得换热器换热性能出现明显的降低。因此对于这类微通道冷凝器的积灰问题的处理是未来其研究的一个重要技术方向。

微通道换热器在冰箱蒸发器中的应用要远少于其在冰箱冷凝器中的应用，主要原因在于：微通道换热器翅片排片紧密，作为蒸发器使用时，排水较为困难，容易结霜甚至结冰[6]，导致其换热性能受到极大地制约。为了克服上述凝结水排除难的问题，一些特殊翅片排片方式的微通道蒸发器被提出，例如徐剑等人自主设计并制作的一款双螺旋微通道翅片蒸发器[7]。这种蒸发器由两个相对称的单螺旋微通道翅片蒸发器通过中间连接铝管连接而成，如图2所示。双螺旋微通道翅片蒸发器借鉴了铝管拉胀式翅片蒸发器的翅片排片方式，改变传统的蛇形弯管模式，采用螺旋绕管方式成形。这样的蒸发器综合了双排和螺旋的结构方式，翅片排片不会过于贴近，能在一定程度上解决传统微通道蒸发器表面凝结水排除难的问题。

图2 双螺旋微通道翅片蒸发器[7]

双螺旋微通道翅片蒸发器仍然具备微通道换热器传热效果好的优点。为了具体说明其性能的优越性，徐剑团队进行了如下冰箱蒸发器性能测试实验：采用控制变量法，测试用的两台冰箱样机除蒸发器（双螺旋微通道翅片蒸发器和斜插式翅片蒸发器）外，其余各个部分均保持一致，测试方法按照GB 12021.2-2015分别在32℃和16℃环境温度下进行耗电量测试。测试结果如表1所示[7]：与装有斜插式翅片蒸发器的原冰箱相比，装有双螺旋微通道翅片蒸发器的冰箱在32℃和16℃环境温度下平均功率分别降低4.6%和13.0%，日平均耗电量减少了15.7%。这一结果充分说明了双螺旋微通道蒸发器相比一般的斜插式翅片蒸发器，确实能够很好的提升冰箱系统的能效，具备良好的应用前景。

表1 装有两种蒸发器冰箱的测试数据[7]

2.2 PCM蓄能技术

PCM蓄能技术[8]是利用相变材料的蓄能特性实现冰箱换热器与外界环境连续换热，从而延长压缩机的关闭周期，降低冰箱能耗的一种技术手段。根据Joybari等[8]的PCM蓄冷、蓄热冰箱实验结果：蒸发器侧使用相变材料有一定优势；冷凝器侧使用相变材料，相关耗能测试结果不够理想，还需要进一步的研究证明相变材料在冷凝器上使用的有效性。因此，当前阶段PCM蓄能技术在冰箱中的应用集中体现在冰箱蒸发器侧。

低能耗、高效能的冰箱往往要求具有一个高换热性能的蒸发器。以蓄冷型相变材料（PCM）作为储能材料，将蒸发器和蓄冷型储能材料结合组建的蓄冷型蒸发器能够有效地增强换热[9]（如图3）。蓄冷型蒸发器使用的蓄冷材料相变温度一般低于冰箱室内设定温度[10]，这样在冰箱开机后，蒸发器可将冷量传递给蓄冷材料使得一部分相变材料从液态转变为固态，此时相变材料利用潜热将一部分冷量存储起来；当冰箱停机后，一部分相变材料从固态转变为液态，此时存储在材料中的冷量会释放给箱内空气，从而实现蒸发器与箱内空气的连续换热。这种方式提升了蒸发器整体蓄热性能，延长了冰箱停机时间并降低了开机率，实现了冰箱耗电量的降低。

图3 蓄冷型蒸发器二维结构简图（A和B为边界）

蓄冷型蒸发器实现了蒸发器从间断式换热到连续性换热的转变[11]。相比传统蒸发器，应用蓄冷型蒸发器的冰箱的性能提升较大，耗电量也有一定降低。虽然蓄冷相变材料会占用冰箱内容积，但瑕不掩瑜，配备有蓄冷型蒸发器的新型冰箱具有较好的节能效果。因此蓄冷型蒸发器具有非常好的应用前景，值得进一步深入研究。

PCM蓄能技术在冰箱蒸发器的应用可以大大提高冰箱的效能，但截至目前，该技术在推广中仍然面临一定的阻碍。最典型的问题是由于相变材料热焓值固定[12]，若要长时间储冷需要相变材料的量很大，这一方面会带来较高的使用成本，另一方面其占用空间也会增大从而减小了冰箱自身内容积。因此，对于新型高热焓值相变材料的开发、制备和研究，是推广使用PCM蓄能技术的一个重要方向。

2.3 新型旋转换热器—桑迪亚冷却器

新型旋转换热器是一种完全不同的空冷换热器。桑迪亚国家实验室在这个方面做出了突出的贡献，他们开发了一种称之为桑迪亚冷却器的新型旋转换热器[13]（图4），并尝试将这种换热器技术应用于家用冰箱冷凝器和蒸发器。

图4 桑迪亚冷却器[14]

这项技术的关键在于热沉叶轮。叶轮为圆盘形，上表面嵌有翅片。这个叶轮功能类似于传统金属翅片热沉与风扇的混合。空气从冷却器下方被吸入到没有翅片的中心区域，然后沿着密集的翅片半径方向排出。高效率的无刷电机提供热沉叶轮的旋转动力（～2000 rpm）。桑迪亚冷却器的基板的下方安装在热源侧。热量流经冷却器基板，薄弱的流体动力空气轴承间隙，叶轮底板以及叶轮翅片之后与周围气流换热。翅片表面的空气流动具有径向加速度，与传统的风扇和翅片设备比较可以使得边界层厚度变薄，强化空气侧传热。桑迪亚冷却器由于换热表面在旋转，可以大大阻止内部污垢的形成。

使用桑迪亚冷却器技术应用于家用冰箱冷凝器蒸气压缩循环的循环性能与使用翅片管冷凝器的循环性能相当，但是总体积要小得多，只有采用翅片管冷凝器体积的40.5%[13]，能大大增加冰箱内容积；而将桑迪亚冷却器技术应用于家用冰箱蒸发器，如图5所示，可以大大改善蒸发器的性能，减少13%的冰箱能耗[14]，并且可以大大提高空气侧的传热，阻止霜层增加从而减少化霜过程。

图5 桑迪亚冷却器技术应用于冰箱蒸发器[15]

2.4 其他冰箱换热器技术

换热管开沟槽技术和远红外涂层技术在冰箱换热器设计方面也有一定的应用。

沟槽（内螺纹）管是新型换热器换热管开发的一个重要方向。在蒸发器中应用沟槽管，可使得蒸发器的换热效率比光管蒸发器高的多，并且使用沟槽管蒸发器系统的COP也更高。尽管沟槽管蒸发器的压降比光管蒸发器的要稍高一些，但是沈贵可团队的研究表明[15]，这部分压力的增长对压缩机的需求而言影响很小。

远红外涂层是一种应用在双温冰箱冷凝器上的技术手段[16]。远红外涂层是一种富含远红外线放射功能的涂抹物。将其涂于冰箱冷凝器所在附近的界面处，冰箱的耗电量会有一定下降，性能系数会有一定提升。但这种技术目前研究还不够充分，如果涂层位置不当，反而会加大冰箱耗电量，因此远红外涂层技术具有较好的研究前景。

3 冰箱换热器问题的解决方法

3.1 纵向涡发生器强化传热

冰箱换热器在设计时要尽可能强化其换热能力，这对于减少冰箱系统的能耗，提升冰箱系统的总体性能意义重大。对于采用翅片管换热器的冰箱，在其翅片上布置纵向涡发生器是一种新型有效的强化换热措施，如图6所示。纵向涡发生器[17]是一种特殊型式的扩展表面，常用的涡发生器包括三角形翼、矩形翼、三角小翼和矩形小翼四种，如图7所示。当流体流过布置的涡发生器时, 会产生强烈的二次涡流，这些二次涡流具有很高的速度。高速的二次涡流一方面促进了主流与边缘区流体的混合，另一方面高速流体会直接冲击边界层，导致边界层变薄，温度梯度提升，最终达到强化换热的目的。

图6 纵向涡发生器在冰箱翅片管换热器中的布置[18]

图7 四种纵向涡发生器[18]

在冰箱翅片管换热器中特殊地布置纵向涡发生器（包括纵向涡发生器的类型、数目、布置方向、布置位置等），能够在较大幅度提升换热器换热能力的同时，较小幅度地增加其流动阻力。何雅玲团队[18]利用三维数值模拟的方法，对纵向涡发生器在翅片管换热器布置的一些关键参数（攻角、数目）进行了优化。结果表明：纵向涡发生器的攻角为15°，采用3对矩形小翼时，翅片管换热器的空气侧换热能力的提升幅度超过了其流动阻力增加的幅度；SONG等[19]详细研究了纵向涡发生器的布置位置对翅片管换热器传热特性的影响，得到靠近管壁的纵向涡发生器有利于低雷诺数流动强化传热，远离管壁的纵向涡发生器有利于高雷诺数流动强化传热的结论。

3.2 蒸发器结霜问题

蒸发器结霜是影响冰箱制冷系统运行效率的重要因素之一，结霜现象会导致换热器传热效率下降、风阻增加，尤其像微通道蒸发器这种翅片间距很小的换热器，其所存在的霜堵问题极为严重，大大限制了它们的使用范围。因此在换热器结霜达到一定程度时，必须进行除霜操作。

国内外许多学者对蒸发器的结霜和除霜进行了研究。按照研究内容的不同，相关研究主要分为三类[20]。第一类是对结霜和化霜现象本质进行研究，为后续化霜控制及换热器优化等提供理论基础；第二类是对改善和减少结霜现象的具体措施进行研究；第三类是对化霜系统控制逻辑进行研究，以准确判断化霜的时机，减少化霜所需的时间成本。

总结各种文献，目前冰箱行业采用的化霜技术主要有铝管加热器化霜技术、箱胆后背贴加热丝技术和冷藏自然回风化霜技术三种[21]。这些化霜技术对应的化霜过程均分为化霜启动、加热化霜、化霜结束三个阶段，通过自动检测冰箱运行时间、环境温度、湿度等自动启动化霜过程，并根据化霜传感器的温度来判定退出条件，最终达到冷藏蒸发器化霜的目的。三种化霜技术中的冷藏自然回风化霜技术由于是完全利用冷藏室的回风来融化蒸发器表面的结霜，相对能耗较小，目前应用较为广泛，其具体过程如图8所示。

图8 冷藏自然回风化霜过程[21]

3.3 测量换热器性能的相关实验平台

对冰箱换热器的实验分析方法有冰箱整机实验和换热器部件实验两种[22]。整机实验考察的是冰箱整个系统性能的优劣，并不能直接反映出换热器的具体换热性能；而换热器部件实验可以排除系统中其他部件性能的干扰，单一的对换热器性能进行具体评估，这对于新型换热器的设计、开发和测试，具有重大的意义。基于换热器部件实验的分析方法，需要开发的换热器性能测试实验台应满足如下要求[22]：1）可以测试不同结构形式的冰箱蒸发器和冷凝器的换热系数、换热量等表征性能的参数；2）可以测量得到换热器表面温度场的分布，从而为冰箱换热器的结构优化设计提供必要的数据。

为了满足上述要求，开发一个冰箱换热器性能测试实验台需要完成以下工作[22]：1）建立冰箱换热器环境模拟室，以模拟冰箱换热器在冰箱运行过程中所处的环境；2）设计供液/供气机组，满足对相应换热器性能进行测量时的制冷剂供应；3）开发测量和控制系统，完成数据采集、分析和系统运行控制任务。冰箱换热器性能测试实验台的技术力主要体现在第三步工作——测量、控制系统的开发。对于实验台控制系统，目前应用最广的技术是自动测试技术，而将人工智能与自动控制相结合的智能控制技术，是未来实验控制系统开发的重要方向。

自动测试技术通过运行编制的测试软件自动实施测试执行过程，这样很好地避免了人为因素对系统稳定性和测量结果的影响。例如陈丽等[23]以西门子WinCCV6.0作为测试系统的开发平台，为风机盘管机组和冰箱板管式换热器实验测试平台开发的自动测量与控制系统，可以快速准确的测量出多种环境温度、制冷剂充注量下的换热器换热量。但是，这样的一种实验控制系统在环境温度不断发生变化时，会出现大惯性、大时滞的问题，控制、测量精度均会变得很差，需要经常进行校准。

智能控制技术的出现为上述变参数复杂实验系统的控制问题的解决提供了新的思路。智能控制技术涵盖模糊控制、定性控制、神经元控制等，具有复杂的体系结构[24]，如图9所示。夏远等[25]研究了基于智能控制技术的换热器实验系统平台。他们重点对换热器出口水温控制器的主要环节做了改进, 提出了基于自调整加权因子的智能积分模糊控制器，并加入了Smith预估控制技术，最终成功实现了换热器出口水温的准确控制，并取得了良好的动静态特性。夏远的研究表明了基于智能控制技术的换热器实验平台相比传统的自动控制技术实验平台，测量稳定性和非滞后性更强。虽然当前智能控制技术没有自动控制技术在换热器性能实验平台开发上应用的广泛，但多项研究表明，智能控制技术是未来换热器性能测试平台发展的必然趋势[24]。

4 结论

本文是对于冰箱中换热器技术发展现状的一个综述，通过总结大量的文献，得出了有关冰箱换热器技术发展的以下结论：

（1）有关冰箱换热器的技术应用主要有：微通道换热技术、PCM蓄能技术、新型旋转换热器技术、换热管开沟槽技术和远红外涂层技术等。其中：微通道换热技术可以有效提升冰箱换热器传热效率，降低制冷剂充注量；PCM蓄能技术对于冰箱换热器的效能有显著地提升；新型旋转换热器技术打破了传统冰箱换热器的局限性，大大减少了换热器污垢热阻；沟槽管、远红外涂层技术的使用，对于冰箱性能系数有不同程度的提升。

图9 智能控制技术的体系结构[25]

（2）冰箱换热器在设计时要尽可能强化其换热能力，在使用时要尽量克服结霜化霜的问题，在试验时要注意性能实验平台的搭建。对于换热器的强化传热，可应用纵向涡发生器强化换热器空气侧热传递；对于蒸发器结霜化霜问题的解决，可采用冷藏自然回风法等化霜技术；对于实验平台的搭建，目前广泛应用的是自动测试技术，而人工智能与自动控制相结合的智能控制方法，是未来换热器实验平台搭建研究的重要方向。

冰箱换热器的良好设计是冰箱高效节能性能的基础。伴随着冰箱行业进一步提高能效的要求，重量轻、紧凑和低成本的高效换热器是当前行业内最重要的研究发展方向。未来的研究可以依照《中国家用电冰箱产业技术路线图》（2019年版），继续在高效节能换热器研究、微通道换热器升级、标准化换热器性能测试平台开发等项目[26]上努力，以进一步提高家用电冰箱中的技术力，并提高家用电冰箱的效能。