冰箱机械温控原理与设计.docx

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冰箱机械温控原理与设计

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冰箱机械温控原理与设计

引子

由于电子技术和显示技术的发展日新月异，在家电上新的显示和控制方式的应用令消费者目不暇接。

在这个控制技术电子化和控制操作人性化的时代，讲冰箱温度的机械控制似乎有些不合时宜了。

通过机械式温控器实现温度控制的方法技术落后、控制不精确，在用户操作方面也不够直观和人性化。

但是机械式温度控制的方法由于其控制方式简单易行，价格低廉，而对于大多数消费者来说，并不需要很精确的温度控制。

因此机械式温控仍然普遍地运用于家用电冰箱上。

一、概述

冰箱机械控制的主要部件是温控器。

而温控器的感温对象则是蒸发温度（直冷）或出风温度（风冷），因此，冰箱机械控制的研究对象主要是温控器和蒸发温度（出风温度）。

了解温控器和制冷系统的温度特性是进行冰箱机械控制设计的基础。

二、温控器结构原理与参数特性

常用的冰箱温控器为蒸汽压力式温控器。

其结构原理如图1。

在工作时，温控器的毛细管末端感温部感知温度的变化，由于波纹管－毛细管内的冷媒蒸汽压力随温度变化，这个压力传导给温控器主体内部的杠杆与弹簧机构，从而来控制触点的通断，由此达到以传感温度来控制电路通断的目的。

图1

温控器因参数特性的不同分为定温复位型和普通型。

定位复位型温控器由于接通温度在不同档位均相同而得名，断开温度一般与档位呈线性关系。

普通型温控器接通温度和断开温度一般均与档位呈线性关系，而且大多情况下，它们的温差是一定的。

如图2。

图2（a）　定温复位型温控器

图2（b）　普通型温控器

三、传感温度－时间特性

由于直冷冰箱的机械温控特性具有典型性，而且目前机械温控设计比较普遍地应用于直冷冰箱，下面针对直冷冰箱阐述机械温控中传感温度随冰箱运行变化的特性。

我们知道，机械温控的基本方法仍然是感知冰箱温度变化，然后将这种变化反馈到控制机构，然后再回来控制箱内温度。

同其它温控方式一样，也是一个温度采集－信息反馈－控制动作－温度调整的过程。

那么，为什么在直冷冰箱上温控器传感器没有直接采集箱内间室温度，而是采集蒸发温度呢？

一般情况下，箱内间室温度的波动不过5度左右，而温控器批量制造误差已达到3～4度，再考虑到温控器传感器装配等因素产生的采集误差，取间室温度做为采集温度显然是不合适的。

而蒸发温度的变化特性恰好弥补了温控器制造误差这一缺陷。

首先，在制冷循环中蒸发温度波动很大，波动区间在室温至零下30℃之间；其次，它的变化基本与箱内间室温度同步。

既然对于直冷冰箱，选择蒸发温度做为传感器采集温度，那么了解蒸发温度的变化特性是非常必要的。

在了解蒸发温度之前，我们首先来看看，对于温控器来说，什么样的感温曲线是合适的。

如图2所示，无论对于定温复位型还是普通型温控器，其断开温度随档位的变化一般都是线性的，因此，线性的感温曲线自然是很合适的，优点是使得温控器各档位控制压缩机运行的时间是呈均匀分布的，即控制灵敏度是均匀的。

如图3。

图3

这要求蒸发温度随时间变化也必须是线性的，但这显然行不通。

从冰箱传热角度来看，理想的蒸发温度曲线应该是矩形曲线，这样能够最有效地利用传热温差，提高制冷效率。

实际的蒸发温度和感温温度变化如图4，并不是矩形波形的曲线或线性曲线，而是一种近似双曲线的曲线，为了便于分析，现将曲线分成3段：

速降段、过渡段、平稳段。

这里引入一个概念，曲线斜率。

显然线性感温曲线的斜率在各点上是一样的，而实际蒸发温度曲线的斜率在各点上是不同的，在3个阶段上呈现不同特征，速降段斜率基本一致且很大，平稳段斜率也基本一致且很小。

在上述两段上，温控器灵敏度不是很大就是很小。

这就是为什么出现有时候温控器微调引起压缩机开机时间的剧烈变化，而有时候大幅调温控器，压缩机运行时间变化也不明显的原因。

在过渡段上，曲线斜率不断变化但较适中，因此在这一段上较容易实现压缩机运行时间的调控。

由于冰箱必须适应一定气候带的要求，即能够运行于一定范围的高温和低温环境中，这使得冰箱压缩机的开机时间在高温和低温时有很大差别，温控器的断开点因此不可避免地要分布在3段上：

高温时位于平稳段而低温时位于速降段。

图4　环境温度对温控的影响

四、影响温控的主要因素

1.　环境温度

我们知道，在一定环境温度下，冰箱温度越低，需要压缩机开机时间越长，温控器断开温度也越低，对应档位越高（数值大）。

而在不同环温下，为满足相同储藏温度要求，压缩机的开机时间也是不同的，在高温下压缩机开机时间长，低温下开机时间短。

那么是否可以对应地推断，同样储藏温度要求下，高环温下温控器档位高，低环温下温控器档位低呢？

通过试验发现，事实并不是这样。

实验数据表明，在实现相同储藏温度的前提下，温控器档位在高低环温下并不呈现上述规律，有很多温控器在高环温时档位低，而在低环温时档位高。

这是什么原因呢？

仍参见图4，实验发现，传感温度随环温变化而变化。

这很容易理解，传感温度直接受蒸发温度影响，而蒸发温度又因环温升降而升降。

通过图4的实验模拟图可以发现，同样的温控器档位在高环温时可以使压缩机开机时间很长，使得储藏温度合格，在低环温时压缩机的开机时间却大幅减少，这时储藏温度是否合格就要看具体情况了。

很多情况是同样的档位在低温下压缩机开机时间却不足，必须调整温控器到更高的档位才能满足要求。

2.　温控器制造误差

既然不同环温下，要获得同样的储藏温度对于温控器可能对应不同的档位，那么，在相同的环温下，相同型号的每台冰箱是否可以有一致的温控器档位呢？

事实上，由于温控器的制造误差，每台冰箱仍然呈现不同的控制档位。

这是什么原因呢？

见图5，我们发现，由于温控器的制造误差，在相同的温控器档位下，由于断开温度的差异，导致压缩机开机时间不尽相同。

这种情况下，只有通过调整温控器档位实现压缩机所需要的开机率。

图5　温控器制造误差对温控的影响

3.　冰箱制造误差

由于冰箱本身的制造误差会使得每台冰箱的蒸发温度在同样的运行条件下也不尽相同，导致传感温度的差异，也会影响温控器的温度控制。

例如蒸发器贴敷的密封性、温控器感温管的安装位置等等。

图6　冰箱制造误差对温控的影响

五、温度控制模拟

了解了温控器传感温度的时间特性及其影响因素，就可以有针对性地对各种不同的制冷系统设计出合适的温控器。

通过温度控制模拟的试验方法是获得传感温度时间特性和设计参数的最佳途径之一。

例如，可以在试验软件中添加温度控制功能，通过试验软件控制测试冰箱的开停机。

试验时，输入温控器设计参数，然后通过试验模拟来进行验证。

也可以利用现有的温控器进行模拟，再对参数进行调整来满足设计要求。

六、温控器参数设计指南

在进行温控器参数设计时，为了使冰箱能够运行于设计气候类型所规定的范围，必须考虑环温对温控的影响。

以定温复位型温控器为例，确定合适的中点停机温度至关重要，最佳的温度莫过于可以适用于从低温到高温的所有环温，这样做的好处就是用户只要将温控器置于中档，无论冬季还是夏季，冰箱都可以获得大致相同的温度。

但是如前所述，中点温度往往不能兼顾高低环温的要求，这时，选择一个适中的中点停机温度使得这些能够满足高低温要求的位置尽量位于中点附近是非常有必要的。

而在确定冷点的停机温度时，需要充分考虑的则是低环温的停机情况。

由于蒸发温度的降低使得满足一定开机率的停机温度点下移，因此足够低的冷点是其次要考虑的。

因为温控器停机温度的线性特性，一般确定中点和冷点后，暖点就可以得出了。

另外，在参数公差的设计上，基于各点的控制重要性，作者倾向于将中点停机温度公差控制严一些，而对于暖点的停机温度仅仅确定一个参考值即可，对其公差可不做具体要求。

七、冰箱温控适用性的探讨

在温控器的设计要求中，有一个问题似乎一直困扰着温控器设计人员，有些客户要求温控器置于中间某个区间下，冰箱温度满足标准要求，甚至直接要求温控器置于中档位置储藏温度符合标准。

我们知道，由于环温、温控器制造误差、冰箱系统制造误差，上述要求往往是无法满足的。

国标GB8059.2中提到，可以将温控器调至某一点（任意一点），使得储藏温度符合标准要求。

而在澳洲标准AS/NZS4474.1中也提到，或者存在某个控制设置的测试运行，使得储藏温度合格，或者存在两个不同控制设置的试验运行，其储藏温度的连线长度的一半以上在标准区域内。

如图7。

图7

在考查温控器对温度控制的适用性方面，澳洲标准AS/NZS4474.1提供了一个值得参考的方法。

通过图7的评价方法，我们可以判定温控器可调节的温度范围在多大程度上满足标准的要求。

九、冰箱温控常见案例分析

1.　不停机问题

案例一：

BCD-135CN高环温不停机问题

BCD-135CN是一款使用R600a制冷剂，N型气候类型，针对温带地区设计的冰箱。

从去年在荣事达工厂复产以来，一直有出口英国的订单。

批量生产开始，研发中心即收到荣事达工厂反馈信息，该机型在环温32℃甚至25℃下出现一定比例3～5档均不停机的问题。

而英国客户要求：

温控器在3～5档范围内调整时，冷藏温度范围3～7℃，冷冻室范围-16～-24℃，如图8所示。

图8

虽然国标甚至其它国家或地区的标准没有对中档位置的停机要求做出规定，但从用户使用角度来说，3～5档均不停机仍然是不合适的。

研发中心在收到工厂的反馈后，对原温控器做了改进设计，而原图仅仅对暖点和冷点停机温度和公差做了给定，对中点停机温度没有要求，这次改进也仅仅将原温控器冷点停机温度做了提高。

到今年年初，仍然有工厂方面的不停机反馈，后研发根据反馈，针对中档参数做了相应的改进设计，适当地提高了中档停机温度，并给出合适的公差，同时，为了满足低环温下开机率的需要，对冷点停机温度不做调整。

如图9。

2.低环温制冷不足问题

案例二：

板管式蒸发器冰箱低环温制冷不足

　　由于铝板管式蒸发器装配操作简单，成本较低，从06年开始在批量产品和新产品中陆续得到应用。

但在进行试验过程中却发现，一些使用这种型式蒸发器的冰箱在低温环境中制冷运行不足，甚至将温控器置于冷点位置仍无法满足压缩机开机率的需要。

经过研究发现，由于温控器感温管过于靠近蒸发器盘管又紧贴铝板，感温温度基本与蒸发温度相同，而低环温时，蒸发温度下降较显著，在借用公司现有的温控器时，由于温控器停机温度与感温温度不匹配，导致了压缩机开机率不足。

针对这个问题，提出两项改进措施，其一，将温控器的感温管固定位置与蒸发管的距离加大，提高感温温度；其二，适当降低中点和冷点停机温度。

通过这两项措施，制冷不足的问题得到了有效地解决。

图9

（提示：

亲爱的读者，请尊重作者的劳动，如需摘录或引用，请注明出处并通知作者，谢谢！

另：

由于作者水平有限，加上时间仓促，文中论述难免有偏颇的地方，仅是作者的一家之言，欢迎交流。

）