祝珍勇，潘天琪，林明正，甄金朋，闫嘉鹏
（燕山大学，机械工程学院，秦皇岛，066004）
摘要: 文章描述了家用冰箱霜层过厚容易导致传热及制冷效率降低、耗电量增加等问题。针对市场上直冷式冰箱仍需要定期做除霜处理的特点，提出了一种应变式结霜传感器及对应除霜方法，通过引入桥式电路优化了传统检测电路，并搭建了除霜控制系统以及制冷控制系统以进行实验，实验结果表明该方法可行，有利于能量的高效利用。
关键词:桥式电路；电阻丝；自动除霜；温度补偿
1 引言
由于冰箱内空气含有水蒸气和食物存在含水量，在冰箱制冷系统作用下极易在冷冻室内产生结霜现象。当霜层较薄时，对冰箱冷凝管的制冷效果影响并不明显，但霜层逐渐增厚甚至将冷凝管全部包裹时，就会严重影响冰箱制冷系统的运行，据测定，冷凝管表面结霜厚度大于10mm时，传热效率约下降30%，制冷效率约下降41%，耗电量是额定数值的1.6-1.8倍。此外霜层过厚还会造成交叉污染、损坏冰箱部件、占据使用空间等问题。
目前市场上的冰箱主要有风冷式和直冷式两种，风冷式冰箱内有风扇和化霜加热器，能够自带除霜装置，虽不需定期除霜但耗电量较高，并且食物的保鲜效果较差。直冷式冰箱保鲜效果优于风冷式，其无法进行自动除霜，需要人工对冷冻室进行定期除霜。直冷式冰箱的除霜多采取对冰箱停止供电，使霜缓慢融化的方法。该方法虽然保证了制冷系统免于霜层过厚带来的种种问题，但冰箱多次的停电以及热空气的进入不利于冰箱保养以及食品保鲜。所以提出一种适用于直冷式冰箱的自动除霜设备具有很高的社会价值。
2 实验装置简介
本作品一种适用于直冷式冰箱的除霜装置，结构分为两部分，即应变式结霜传感器部分及电阻丝除霜部分。
2.1 应变式结霜传感器
应变式结霜传感器是一种用于检测霜层厚度的传感器，它是自动除霜装置的检测部分。应变式结霜传感器主要由应变片与惠斯通电桥组成。基本运行原理为:冰箱平膜上结霜时，霜层逐渐变厚，使应变片受到的拉伸力变大，通过惠斯通电桥，将应变片的变化转化为电压输出。
2.2 温度及引线补偿策略
由于外界测试环境对应变片的影响，从而对测试结果造成误差，所以我们必须寻找一种温度补偿策略。首先对应变片温度补偿的方法是采用平衡应变桥路的方案，即将应变片相邻桥臂的完充电阻用应变片相同温度场中的应变片来替代，这样就可以根据电桥输出电压的和差规律，可以实现温度的补偿。另一方面，当导线所处的环境温度发生变化时，该桥臂上的电阻也会发生较大程度变化，从而会引入环境温度变化引起的测量失真。
为减小测量失真对自动除霜产生的影响，我们选择的做法是将相邻桥臂上的导线也引出来，与应变片桥臂的引线具有相当的长度并处于同一个温度场中，这样就可以实现差动平衡。
3 除霜系统设计
本装置的除霜部分主要通过电阻丝循环加热-冷却实现，主要应用模块为UDKA1电阻丝（加热工作）、12706双管散热器及二级风扇，12V的小导冷块、12706制冷片、隔热膜及泡沫箱（模拟冰箱环境），12VDC电源（供电），硅脂（绝热），亚克力板（支撑）等材料。
该装置是为了模拟冰箱环境，待导冷块生霜后启动检测-除霜装置，观测霜层厚度及温度-时间曲线，验证除霜设备的可行性。下面进行实验分析：
为了加快实验进度，使实验现象更加明显，提前对实验空气进行加湿处理，启动制冷设备约20min后可以观测到明显的结霜现象。
之后启动除霜装置，开始观测温度及霜层变化，为初始温度，装置启动5min后的温度，装置启动7min后的温度，此时很明显地可以看到导冷块表面大部分霜层已经除去。
自动除霜方案及优势对比，主要对比风冷式除霜设备及其他压电材料控制下的除霜装置。
在冰箱蒸发器结霜后，因为霜层有阻碍传热的作用，冰箱里的热量传到冷凝管上的速度变慢，即制冷速度变慢，所以冰箱压缩机会长时间运行，直到冰箱内温度达到设定值才会停止工作，压缩机运行的时间变长，耗电量增加，对食品贮藏也不利。
应变式传感器控制下的冰箱自动除霜装置，能够及时消除霜层，缩短压缩机运行的时间。
4 结语
本装置设计了一种基于应变检测的除霜装置，并进行了实验分析，实验结果表明此温度控制补偿策略可以实现自动除霜性能指标，并为以后的研究提供了重要参考依据。
在下一阶段，本研究将通过在霜冷冰箱内实验来进一步验证自动除霜装置的可行性。由于真实霜层环境与模拟霜层环境有较大的差异，因此在今后的研究中，可能需要进一步改进该协调控制方法，减少实验误差，以实现自动除霜装置下霜冷冰箱带来的优势。
参考文献:
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