冰箱压缩装置的操控策略与分析

　　目前实现冰箱冷冻室与冷藏室温度独立控制的常用方法有两种：①采用双压缩机结构；②采用旁通双循环结构。对于双压缩机结构而言，能完全实现冷藏室、冷冻室的独立控制，但对于每一个循环而言，由于负荷的减小，需要采用较小的压缩机，而小压缩机的效率较差，将造成系统性能的降低。另外，由于增加了一个压缩机，将使冰箱成本大大增加。旁通双循环结构也能实现冷藏室、冷冻室的

　　单独控制，但由于制冷剂在通过冷藏蒸发器时必须通过冷冻蒸发器，冷藏室的蒸发温度也同样由冷冻室决定，故不能减少冷藏室蒸发器的热力学不可逆损失。为了更好地实现冷藏室、冷冻室的单独控制，减少冷藏室蒸发器的热力学不可逆损失，降低冰箱的成本，蒸发器并联双循环冰箱受到了重视。 Kim与Lavanis等

　　对蒸发器并联的双循环冰箱进行了实验研究，发现该冰箱比蒸发器串联的单循环冰箱节能2. 3 %～8. 5 %.

　　由于蒸发器并联双循环冰箱不能同时对冷藏室、冷冻室供冷，因此箱内温度难以准确控制，大大阻碍了它的应用。虽然冷藏室、冷冻室温度均得到了较准确的控制，但这主要是因为其研究目的是冰箱的节能情况，美国标准A HAM规定的耗电量实验都是在冰箱稳定运行情况下进行。实际上，冰箱经常运行于动态工况，在稳定运行情况下冷藏室、冷冻室温度能控制得较准确，并不能说明在动态运行过程中温度也能控制得较准确。*简单的例子是突然把大量新购买食品放入冷冻室，此时冷冻室需要大量冷量，如果冰箱一直给冷冻室制冷，直到冷冻室温度达到设定的控制温度以下，那么冷藏室将十几个小时得不到冷量，温度将回升得非常高，不利于冷藏室食品的保鲜。因此，合理分配冷藏室、冷冻室的制冷时间对于蒸发器并联的双循环冰箱非常重要。

　　本文提出一种基于温度与分时运行的联合控制策略，以解决冰箱在动态过程中冷藏室、冷冻室的制冷时间分配不合理的问题，从而解决冰箱箱内温度控制不准确的难题。

　　1蒸发器并联双循环冰箱的基本原理及现有控制策略的缺点蒸发器并联的双循环冰箱结构如所示。该冰箱包含两个循环回路，一个是冷藏循环回路：1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 7 - 1 ；另一个是冷冻循环回路：1 - 2 - 3 - 4 - 6 - 8 - 1.三通电磁阀控制制冷剂的流向。电磁阀有3个端口（1个进口，2个出口） ，由电信号控制，使得制冷剂流过2个出口中的一个，而不会同时从2个出口流出。

　　冰箱箱内温度的控制是通过控制箱内的*高、*低温度实现的。当箱内温度高于设定*高温度时，压缩机启动，给冰箱制冷，直到箱内温度低于设定*低温度，压缩机停机。

　　蒸发器并联的双循环冰箱在冷藏室、冷冻室的中部各安装有一个热电阻温度传感器，用于测量箱

　　内空气温度，其控制通过一个微处理器来实现。微处理器把从温度传感器采集来的温度信号与自身内部设定信号进行比较，并按内部设定控制方式决定压缩机的启停及运行哪一个循环。用户可以通过控制面板来设定冷藏室、冷冻室的温度。对于设定的任何一个温度，都**对应着一个*高和*低箱内温度。

　　目前蒸发器并联的双循环冰箱采用的是基于温度控制的控制方式。 Lavanis等

　　采用了一种基于温度控制的冷冻室优先控制方式。其控制原理如下：（1）如果冷冻室温度高于冷冻室设定温度上限，压缩机启动运行冷冻循环，直到冷冻室温度低于冷冻室设定温度下限。

　　（2）如果冷藏室温度高于冷藏室设定温度上限，压缩机启动运行冷藏循环。如果在冷藏循环运行中，冷冻室温度高于冷冻室设定温度上限，那么电磁阀将切换到冷冻循环，给冷冻室制冷，直到冷冻室温度低于冷冻室设定温度下限。

　　对于上述控制策略，当冷藏室、冷冻室同时需要冷量时，将首先满足冷冻室的要求，造成冷冻室优先制冷。对于该控制方式，会出现如下两种情况：①当某一时刻给冷冻室放入大量食品时，冷冻循环将运行十几个小时才能使冷冻室温度降到设定点，冷藏室则十几个小时得不到冷量，冷藏室温度必将大幅度上升；②当冷冻室温度设定的过低或环境温度过高时，冷冻室与环境的换热温差大，冷冻室热负荷大，将造成冷冻循环运行时间非常长，甚至一直运行冷冻循环的情况，这样冷藏室将长时间得不到冷量，其温度将急遽上升，甚至回升到与环境温度接近。这两种情况都将导致冷藏室食品变质。

　　相对于冷冻室优先控制方式的是基于温度控制的冷藏室优先控制方式。对于冷藏室优先控制方式，当在冷藏室内放入大量食品或环境温度过高时，冷冻室温度将回升的过高，冷冻室食品容易变质。

　　2基于温度与分时运行控制的控制策略2. 1控制策略基于温度与分时运行控制的控制策略如所示。为了防止冷藏循环（或冷冻循环）运行时间过长，导致冷冻室（或冷藏室）温度回升得过高，有必要设定冷藏循环、冷冻循环的*长运行时间。当冷藏循环（或冷冻循环）运行时间达到冷藏循环（或冷冻循环）*长设定运行时间时，无论冷藏室（或冷冻室）温度怎样，只要冷冻室（或冷藏室）需要冷量，系统将切换到冷冻循环（或冷藏循环） ，给冷冻室（或冷藏室）制冷，保证冷冻室（或冷藏室）温度在合理范围内。

　　为冷藏室温度，θFFC 2 U为冷藏室温度上限，θFFC 2 L为冷藏室温度下限，t FFC为冷藏循环运行时间，t FFC 2 Max为冷藏循环*大运行时间；θFZC为冷冻室温度，θFZC 2 U为冷冻室温度上限，θFZC 2 L为冷冻室温度下限，t FZC为冷冻循环运行时间，t FZC 2 Max为冷冻循环*大运行时间。

　　θFFC 2 U、θFFC 2 L、θFZC 2 U、θFZC 2 L由控制面板按钮设定，θFFC 2 U2 =θFFC 2 U - 0. 5.

　　为了方便说明问题，设定如下参数：冷藏室温度回升时间t FFC 2 Rec：即冷藏室从温度θFFC回升到θFFC 2 U所需要的时间。冷藏室温度从θFFC 2 L回升到θFFC 2 U所需要的时间设定为t FFC 2 Rec 2 Max。

　　冷冻室温度回升时间t FZC 2 Rec：即冷冻室从温度θFZC回升到θFZC 2 U所需要的时间。冷冻室温度从θFZC 2 L回升到θFZC 2 U所需要的时间设定为t FZC 2 Rec 2 Max。

　　冷藏室降温时间t FFC 2 Cool：冷藏室温度从θFFC 2 U降到θFFC所需要的时间。冷藏室温度从θFFC 2 U降到θ所需时间设定为t FFC 2 Cool 2 Max。冷冻室降温时间t FZC 2 Cool：冷冻室温度从θFZC 2 U降到θFZC所需要的时间。冷冻室温度从θFZC 2 U降到θFZC 2 L所需时间设定为t FZC 2 Cool 2 Max。

　　对于图2所示的控制策略，在冰箱插电后，（1）检测冷藏室温度θFFC。如果θFFC >θFFC 2 U，那么压缩机启动，运行冷藏循环，转（4） .

　　（2）检测冷冻室温度θFZC。如果θFZC >θFZC 2 U，那么压缩机启动，运行冷冻循环，转（5） .

　　（3）转（1） .

　　（4）在冰箱运行冷藏循环时，①当t FFC < t FFC 2 Max时，如果θFFC >θFFC 2 L，冰箱将一直运行冷藏循环，直到t FFC > t FFC 2 Max，控制程序转（4）②；如果某时刻θFFC已经达到θFFC 2 L，控制程序进入（4）③。

　　②当t FFC > t FFC 2 Max时，如果θFZC >θFZC 2 U，冰箱将切换到冷冻循环，转（5） ；否则，冰箱将一直运行冷藏循环，直到θFFC <θFFC 2 L。

　　③当θFFC =θFFC 2 L时，如果θFZC >θFZC 2 L，冰箱将切换到冷冻循环，转（5） .之所以这样设定，是因为冷冻室的温度回升较快，这样可以防止压缩机频繁启动，同时减少冷藏室、冷冻室同时需要冷量的情况发生。

　　（5）在冰箱运行冷冻循环时，①当t FZC < t FZC 2 Max时，如果θFZC >θFZC 2 L，一直运行冷冻循环，直到t FZC > t FZC 2 Max，控制程序转（5）②；如果某一时刻θFZC <θFZC 2 L，控制程序转（5）③。

　　②当t FZC > t FZC 2 Max时，如果θFFC >θFFC 2 U，那么，冰箱将切换到冷藏循环，控制程序转（4） ；否则，冰箱将一直运行冷冻循环，直到θFZC <θFZC 2 L。

　　③θFZC <θFZC 2 L后，如果冷藏室温度高于θFFC 2 U2，冰箱将切换到冷藏循环，控制程序转（4） ，否则压缩机停机，控制程序转（1） .之所以这样设定，也是为了防止压缩机的频繁启动。

　　2. 2控制策略分析在冰箱实际使用过程中，主要有如下3种动态情况发生：①突然向冷冻室内放置大量食品；②突然向冷藏室内放置大量食品；③环境温度过高及冷藏室、冷冻室温度设定的非常低。

　　（1）突然向冷冻室内放置大量食品。此时，θFZC急遽上升，高于θFZC 2 Max，因此压缩机启动，运行冷冻循环。在冷冻循环运行期间，θFFC渐渐回升。当θFFC回升到θFFC 2 Max时，电磁阀**次切换到冷藏循环，给冷藏室制冷（如果此时t FZC没有达到t FZC 2 Max，那么冷藏室将处于等待状态。由于t FZC = t FFC 2 Rec，故冷藏室等待时间等于t FZC 2 Max - t FFC 2 Rec。如果冷冻循环刚启动时，θFFC就回升到θFFC 2 Max，那么t FFC 2 Rec = 0 ，冷藏室等待时间*长，等于t FZC 2 Max，这种情况只可能在第1次切换时遇到） .当θFFC <θFFC 2 L时，电磁阀将切换到冷冻循环，第2次给冷冻室制冷。此时θFFC回升。当θFFC再次回升到θFFC 2 Max，电磁阀再次切换到冷藏循环，给冷藏室制冷（如果此时t FZC没有达到t FZC 2 Max，那么冷藏室将处于等待状态。等待时间等于t FZC 2 Max - t FFC 2 Rec 2 Max） .经过几次反复切换，冷冻室温度将达到其设定温度。

　　为了保证θFFC回升得不会过高，首先应该保证在t FFC 2 Max时间内，冷藏室能从θFFC 2 U降到θFFC 2 L。同时，应该尽可能避免出现冷藏室等待时间，因此，一般t FZC 2 Max需要设定的比t FFC 2 Rec 2 Max小。虽然在第1次切换可能出现冷藏室等待时间等于t FZC 2 Max的情况，此时，θFFC会回升得比θFFC 2 U稍微高一些，但这种情况只能出现一次，时间也不长，因此，对于冷藏室温度的影响只是瞬间的，对于食品保鲜也不会有影响。在设定t FZC 2 Max时，也要考虑t FZC 2 Cool 2 Max。一般而言，t FZC 2 Max应与t FZC 2 Cool 2 Max接近，*好能稍微大一些。

　　（2）突然向冷藏室内放置大量食品。此时，θFFC急遽上升，θFFC >θFFC 2 U，因此压缩机启动，运行冷藏循环。在冷藏循环运行期间，θFZC渐渐回升。当θFZC回升到θFZC 2 U时，电磁阀第1次切换到冷冻循环，给冷冻室制冷（如果此时t FFC没有达到t FFC 2 Max，那么冷冻室将处于等待状态。由于t FFC = t FZC 2 Rec，故等待时间等于t FFC 2 Max - t FZC 2 Rec。如果冷藏循环刚启动时，θFZC就回升到θFZC 2 U，那么t FZC 2 Rec = 0 ，冷冻室等待时间*长，等于t FFC 2 Max，这种情况只可能在第1次切换时遇到） .当θFZC <θFZC 2 L时，电磁阀将切换到冷藏循环，第2次给冷藏室制冷。此时，θFZC回升。当θFZC再次回升到θFZC 2 U时，电磁阀再次切换到冷冻循环，给冷冻室制冷（如果此时t FFC没有达到t FFC 2 Max，那么冷冻室将处于等待状态。等待时间等于t FFC 2 Max - t FZC 2 Rec 2 Max） .

　　经过几次反复切换，冷藏室温度将达到其设定温度。

　　为了保证θFZC回升得不会过高，首先应该保证θFZC在t FZC 2 Max时间内，能从θFZC 2 U降到θFZC 2 L。同时，应该尽可能避免出现冷冻室等待时间，因此，一般t FFC 2 Max需要设定得比t FZC 2 Rec 2 Max小一些。虽然在第1次切换时，可能出现冷冻室等待时间等于t FFC 2 Max的情况，此时，θFZC会回升得比θFZC 2 U稍微高一些，但这种情况只能出现一次，时间也不很长，因此，对于冷冻室温度的影响只是瞬间的，对于食品保鲜不会有影响。在设定t FFC 2 Max时，也要考虑冷藏室降温时间t FFC 2 Cool 2 Max。一般而言，t FFC 2 Max应与t FFC 2 Cool 2 Max接近，*好能稍微大一些。

　　（3）环境温度过高或冷藏室、冷冻室温度设定得非常低。这种情况将使得冷藏室、冷冻室与环境的换热温差大，热负荷大，冷藏室温度、冷冻室温度在冷藏、冷冻循环切换时间内均达不到其设定的*低温度，出现压缩机不停机现象。此时，冷藏循环、冷冻循环将出现分时运行的情况，即冷藏循环运行t FFC 2 Max后，切换到冷冻循环，冷冻循环运行t FZC 2 Max后，又切换到冷藏循环制冷，冷藏循环、冷冻循环依次交替运行。这样，虽然冷藏室、冷冻室的温度都比设定温度高，但冷藏室、冷冻室的温度得到了兼顾，冷藏室、冷冻室的温度都不至于过高。

　　综上所述，冷藏循环t FFC 2 Max*好能比t FFC 2 Cool 2 Max稍微大一些，比t FZC 2 Rec 2 Max小一些；冷冻循环t FZC 2 Max*好能比t FZC 2 Cool 2 Max大一些，比t FFC 2 Rec 2 Max小一些。这样，如果向冷冻室、冷藏室突然加入大量食品或环境温度过高或冷藏、冷冻室温度设定得过低时，冷藏室、冷冻室温度均不会回升得过高，从而保证了冷藏室、冷冻室内食品的保鲜质量。

　　实际上，如果把t FZC 2 Max设置为无限大，把t FFC 2 Max设定为0，那么该控制策略就是基于温度的冷冻室优先控制策略。如果把t FFC 2 Max设定为无限大，把t FZC 2 Max设置为0 ，那么该控制策略就是基于温度的冷藏室优先控制策略。

　　3结语目前的蒸发器并联双循环冰箱采用的都是基于温度控制的冷冻室优先或冷藏室优先的控制策略，本文分析了该种控制策略存在的缺点。在此基础上，提出了基于温度与分时运行联合控制的控制策略。

　　分析了突然向冷冻室内放置大量食品、突然向冷藏室内放置大量食品及环境温度过高3种情况下，只要冷藏、冷冻循环*大运行时间设置得合理，都能保证冷藏室、冷冻室温度控制在合理的范围内。