我国经济在改革开放后进入高速发展阶段，人们的生活水平得到了很大提高，电冰箱等家用电器得到了迅速的发展，并已成为我国许多家庭的普通电器用具。随着国内电冰箱市场不断扩大，制造厂商的产量与日俱增，冰箱的种类也十分多样化。但与此同时也伴随着一些耗电量高、部分制冷剂会严重破坏臭氧层和生态环境的问题^[1]。在今天提倡的环保节能的影响下，低能耗、无污染的电冰箱越来越受到市场的认可与追捧。所以电冰箱的制冷正面临着两大挑战，即节能技术的研究和制冷剂的替代研究^[2]。尤其在今天世界能源问题日益凸显和国内空气环境日益恶化的条件下，绿色环保型电冰箱更符合未来的发展潮流。我国作为发展中国家和能源消费大国，必须同时考虑气候变暖和保护臭氧层的问题，加强对高效节能技术和新型制冷剂的研发和利用，从而减少对温室效应和臭氧层破坏的影响。

1.电冰箱的原理与分类

（1）压缩式电冰箱。其制冷系统如图1 所示，其采用压缩机作为制冷动力。系统工作时，制冷剂从压缩机吸入，被压缩后形成高压蒸气后排出，经冷凝器后将热量散发到空气中，再将高温高压气态制冷剂变为高温中压的液态制冷剂，经干燥过滤器送入毛

图1. 电冰箱制冷系统示意图

细管，再经毛细管节流限压后送入蒸发器进行汽化扩散，蒸发器将湿蒸气变成干燥饱和蒸气，吸收箱内空气的热量后变成低温低压气态制冷剂经低压管再次被压缩机吸回，通过这一循环过程，实现了制冷^[3]。压缩式冰箱按制冷方式分为直接冷却式、间接冷却式和混合冷却式三种。

①直冷式电冰箱的工作原理，其蒸发器通过热传导和空气对流方式直接对冰箱内的食物和空气进行冷却，原理是由蒸发器表面低温的自然对流，降低箱内温度^[4]。

在直冷式冰箱中，如图2所示冷气以自然对流方式冷却食品，蒸发器一般直接安装在上部的冷冻室，在下部的冷藏室内另有一个小的蒸发器，或者将冷冻室的冷气分一部分进入冷藏室，冷藏室借助冷冻室来的冷气进行食品冷藏。

图2. 直冷式电冰箱结构图

②间冷式电冰箱的工作原理，其蒸发器上装有一个循环风扇，通过这个风扇，将蒸发器上的冷量传到冰箱内的食品，原理是通过箱内风扇强迫空气循环流动，循环气流与蒸发器连续不断地进行热交换，再通过风道对远离蒸发器的箱、室进行间接冷却。

间冷式冰箱中，如图3所示蒸发器多数位于冷冻室和冷藏室的夹层之间，在箱内看不到蒸发器，只能看到一些风孔。夹层内有一个微型电风扇将冷气吹出，达到制冷效果。这种冰箱有自动除霜装置，因此又叫”无霜”冰箱。无霜冰箱也被称为风冷式冰箱，不被制冷平衡，控温自动化强的特点^[5]。

图3. 间冷式电冰箱结构图

③混合式电冰箱，同时装有间冷式蒸发器和直冷式蒸发器，采用间冷和直冷混合方式进行冷却。

（2）吸收式电冰箱。吸收式冰箱的构造与压缩式冰箱类似，也分为箱体、制冷系统和控制系统三部分。家用吸收式冰箱可以采用各种热源作为动力^[6]，例如天然气、油、煤气、太阳能等。它最大的特点是，利用热源作为制冷原动力，没有运动部件，工作时无噪音和振动、使用寿命长，且不易发生故障。但其制冷效率低，降温速度慢。

图4. 吸收式电冰箱制冷原理图

吸收式电冰箱的工作原理。吸收式电冰箱制冷循环的示意图如图4所示。对系统的发生器进行加热，发生器中的浓氨液产生氨-水混合蒸汽。当热蒸汽上升到精馏管处时，水蒸气凝结成水回到发生器的上部，氨蒸气继续上升到冷凝器中，并放热冷凝为液态氨。液氨由斜管流入储液器然后进入蒸发器吸热后，有部分液氨汽化，并与蒸发器中的氢气混合扩散，使氨的分压力降低而沸腾蒸发，并强制吸热，达到制冷的目的^[7]。

（3）半导体式电冰箱。其是根据法国的珀耳帖发现的半导体温差电效应制成的一种制冷装置，其利用半导体温差电现象，形成温差而实现制冷。半导体电冰箱无机械运动部件，结构简单，体积小，无噪声，使用寿命长，但制造成本高，制冷效率低，且必须使用直流电源，目前仅限用于汽车、实验室等特定场合。

半导体式电冰箱工作原理如图5所示。把一个P型和一个N型半导体元件用金属连接起来，就构成了一个半导体电偶。电流由N型元件流向P型元件时，其PN结合处吸取热量成为冷端。反之，其PN结合处释放热量成为热端^[8]。冷端紧贴在蒸发器置于冰箱内用于制冷，热端装在箱背用冷却水或空气对流冷却。

图5. 半导体式电冰箱制冷原理图

3.电冰箱的发展历程

制冷最早的主要作用是用来保存食品和降低房间温度的，在我国明清时代出现了一种类似冰箱空调两用机的制冷装置-琉璃釉竹节方冰桶，通过放置冰块来保存食品或散发冷气消暑，箱体有冰化泄水和散发冷气的孔洞，但其只是对天然冰的简单利用，还不能称之为制冷技术。现代的制冷技术起源于18世纪中叶，苏格兰人观察到乙醚蒸发会

引起温度下降；1875年，Carre和Linde 用氨作制冷剂，使得蒸汽压缩式制冷机在制冷装置的生产和应用中占了统治地位。1910年，M.Lehlanc发明了蒸汽喷射式制冷系统。随着科学技术与社会文明的进步，制冷技术的应用几乎渗透到工业、农业、建筑、医疗卫生、国防及科学研究等各个领域，并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大的作用。而与我们日常生活息息相关的空调和冰箱是我们最熟悉的制冷设备。空调可以对室内空气进行温度、湿度的调节。而电冰箱主要应用则是对易腐食品（如鱼、肉、蛋、蔬菜等食品）进行冷加工、冷藏，以减少食品的损耗。

图6. 卡尔#183;维纳特公司的E#183;J科伯兰德工程师设计制造的电冰箱

从1913年出现的第一台人工操作的家用冰箱，仅在5年后，美国的卡尔维纳特公司首次成功试制出商业和家用自动电冰箱。在1926年美国奇异公司推出了世界上第一台密封式制冷系统的电冰箱^[9]。一年后，第一台家用吸收式冰箱也成功问世。而我国冰箱起步较迟，第一台冰箱是1954年由沈阳医疗器械厂生产的200升单门冰箱。1956年开始，卫生部门的一些医疗器械厂开始具备了电冰箱生产能力，北京雪花冰箱厂成功研

图7. 1956年北京雪花冰箱厂生产的冰箱

制出了国内第一台冰箱，并投入了小批量生产，80年代初电冰箱产量连年翻番。目前国产冰箱种类繁多，规格已有50升到200升以上大型冰箱的多种系列，品种有单门、双门、多门，型式有直冷式，还有间冷式。

图8. TCK酒店客房半导体式电冰箱

4.电冰箱的发展现状

（1）国内电冰箱的产量，随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，电冰箱也已经成为生活的必需品。 近年来在我国得到了迅速的发展，虽然增长率由于市场的饱和其他原因出现不同波动，但整体基数是十分可观的。我国家用电冰箱产量从2010年的7546万台增长至2014年的9337万台。产量呈现缓慢增长趋势。2014年，我国家用电

图9. 2006-2014全国家用电冰箱产量及其增长年度统计

冰箱行业产量呈现微跌态势，同比下降0.04%。整体而言，我国家用电冰箱市场处于较稳态势。

（2）产品类型。三开门成为关注主流，2014年中国冰箱市场上，从产品的数量占比来看，市场上3/4的冰箱产品为双开门和三开门类型，其中，双开门冰箱的数量占比相对最高，达四成以上。可是，从用户的关注情况来看，传统双开门冰箱的关注占比却只有22.4%。可以预计三开门冰箱将在未来的冰箱市场占据很大的比重。

图10. 2014年冰箱市场不同类型产品占比和关注分布

5.电冰箱的发展新趋势

电冰箱制冷技术也从简单的制冷需求转向高效率、智能化和多门多温多功能的方向

发展。发展新趋势将通过节能环保和智能化两个方面进行阐述。

5.1 节能环保

随着我国居民生活水平的提高，家用电冰箱的使用率也越来越高，减少电冰箱的耗电量、提升电冰箱的节能水平是电冰箱发展的重要方向^[10]。在我国的政策激励与扶持下，现在我国电冰箱节能技术发展的非常快速，我国节能领域出现了翻天覆地的改变。现在的节能电冰箱日耗电量已经从1.4度电降低到了0.4度电。降幅超过70%^[11]。

（1）国外吸收式、吸附式冰箱发展迅速。日本三洋公司在吸收式冰箱方面突破了一些技术难关，发展到耗电量可与压缩式冰箱相近的水平。太阳能冰箱、半导体冰箱也是今年来较引人注目的新产品。^[12]

（2）冰箱节电的技术。①控制器的应用^[13]，在原有节能性能的基础之上，再安装一个控制器，对冰箱的使用时间段进行不同温度控制，可以随时开关控制器，既可以达到冰箱的使用低温，又避免不必要的电能消耗。②改变传统冰箱结构达到节电目的^[14]，将冰箱的融热层有效利用起来，减少制冷过程，节约电能。③变频技术，通过改变冰箱制冷压缩机的转速，以满足不同情况下的制冷效果。这种变频技术不仅提高了冰箱的冷冻能力，也比普通冰箱节能近60%左右^[15]。④多循环系统，对于采用双循环制冷系统的冷藏室和冷冻室是两个独立分开的制冷循环系统，它能精确控制各间室的温度，既可以满足食物分类保存也可以做到静音节能。^[16] ⑤合量选择压缩机，采用高效压缩机, 合理匹配;采用变频压缩机, 提高部分负荷的效率。^[17]

（3）在环保方面，制冷剂的选择使用尤为重要，上世纪90年代，家用电冰箱常用制冷剂R12具有优越的制冷性能和物理性质，安全性好，技术成熟且价格低廉，但因其对臭氧层具有破坏作用并产生温室效应。目前国产大部分电冰箱所用的R134a和R600a等制冷剂成功替代R12， R134a的热物性^[18]与R12十分接近，传热性好，化学稳定性好，低毒，不燃烧。但由于R134a制冷剂的使用要求要比R12制冷剂要高，所以对制冷系统的设计和制造提出了更高的要求，造成R134a制冷剂的使用成本远高于R12。R600a是天然制冷剂，其ODP值和GWP值均为0，环保性能好，成本低，经济性好，但其安全性差，易燃易爆。^[19]随着时代的进步，制冷剂的发展也经历了一个逐步完善的过程，替代制冷剂从无到有在不断更新和完善。每一种替代制冷剂的出现都是朝着制冷性能不断提高的方向发展的。在当今环境问题日益突出的大背景下，零ODP 和低GWP 制冷剂被积极开发^[20]。

当前新型制冷剂在HFC（氢氟烃）替代物的研究上，其中R407C、R410A及一些非共沸制冷剂的使用，收到了一些节能效果，也满足了一些特定的需求。HFC替代物虽然解决了臭氧层的消耗问题，但产生的较高的温室效应仍是困扰人们的一个不可忽视的问题。如果从环境的可接受性考虑，天然制冷剂无疑是解决问题最彻底而又最完满的途径。目前，在天然制冷剂中，以NH₃和C₃H₈与其他烃的混合物，以及CO₂制冷技术最有可能成为R22的长期替代物，具有良好的发展前景。

目前制冷剂的替代主要有两种方向^[21]: 一种是以欧盟国家为代表的自然工质替代物，如R744、R717 等；另一种是以美国和日本为代表的HCFC 替代物，如R1234yf。自然工质对大气环境无害，重新利用自然工质是可取的；研发环境友好型的合成制冷剂也是未来发展的一个重要方向。自然工质R744和新型合成制冷剂R1234yf都具有零ODP和小GWP值，而且R1234yf具有与当前使用最多的R134a类似的性能，完全有可能在不更新设备的情况下完成替代^[22]。

5.2 智能化

随着居民生活水平的提高以及城市生活节奏的加快，消费者对于冰箱产品的选择也从最初要求保鲜、制冷等单一功能转向至节能、无霜、智能等精细化功能上。

（1）多功能冰箱开发方面，为了更科学地储存和保鲜食品，现在电冰箱还增加了快速冷冻和快速解冻的功能。快速冷冻是使冷冻室地面温度达#8212;40℃左右的低温，让食品迅速通过#8212;1~#8212;5℃冰结晶生成区，以防营养成分的破坏，保持食品原有的鲜度；快速解冻是在冰箱内增设快速解冻室，通过解冻风扇，把冷藏室内的空气吹入到解冻室，使解冻室内的食品快速解冻，以适应短期保鲜储存的需要。

（2）无霜冰箱，无霜冰箱具有自动除霜、制冷均匀、温控准确等特点，收到很多消费者的追捧^[23] 。另外，家用冰箱装有低噪音双扇叶风扇要比普通风扇低1分贝到2.2分贝^[24]。

（3）制冷方式。传统的直冷技术已无法满足消费者日益提升的需求，温度均匀性较差和结霜严重需手动除霜等诟病，让越来越多消费者看好风冷技术。直冷技术成本较低，噪音小，但温度均匀性较差，制冷速度慢，需手动除霜；而风冷技术冷冻速度快，能够自动除霜，温度均匀性较好。

6.电冰箱的未来展望

现代制冷工业正处于一个飞速发展的时期。在市场迅猛增长、国际竞争激烈、节能和环保迫切要求背景下，受微电子、计算机、新型材料和其他相关工业领域技术进步的渗透和促进，现代制冷技术取得了一些突破性的进展，并具备了新的发展前景。而在2014年中国冰箱市场上，一级能效产品的关注占比已接近九成，达到86.2%。二级能效产品的关注占比相对较小，仅为12.5%。三级能效产品已趋近于无。可以看出，相对节能省电的高能效冰箱受到广大消费者的重点关注。

计算机技术的迅猛发展，大大地推动了制冷技术的发展和应用^[25]。另一方面，随着新材料在制冷领域的应用，提高了制冷产品性能、寿命和成本效益。为满足制冷需要，制冷产品的种类、形式不断丰富，新品种层出不穷。新的制冷理论及实践方面也取得了一些突破性进展，代表性的有热声制冷技术的研究和应用。

参考文献：

[1]郭辉.制冷剂对环境的影响及发展趋势[J].技术与管理创新,2013.9,34(5):497-499

[2]马一太,梁兆惠,芦苇,苏维诚.我国冰箱行业节能的必要性和可行性[J].制冷技术,2014,1: 40-43

[3]孟范成.简述各种电冰箱工作原理[J].家电检修技术,2014,2:43-44

[4]王建强,王文红,任晓芬,贾玉青.蒸汽压缩式制冷系统的能耗分析[J].河北工程大学学报,2008,

25(1):71-73

[5]周小倩.浅谈无霜冰箱现代化霜技术的研究进展[J].科技前沿,2015,11:57

[6]Luis Fernando,Lira Barran, Jos Mara Ponce Ortega,Medardo Serna‐Gonzlez,Mahmoud M.El Halwagi Optimum Heat Storage Design for Solar-Driven Absorption.Refrigerators Integrated with Heat Exchanger Networks.[J]. AIChE Journal., 2014, Vol.60 (3):909-930

[7]余明华,李玉春,廖勇.小型制冷装置系统设计指导[M].北京:北京师范大学出版社,2012.4

[8]张小松,王铁军,金苏敏.制冷技术与装置设计[M].重庆:重庆大学出版社,2008.4

[9]吴业正.小型制冷装置设计指导[M].北京:机械工业出版社,1998.8

[10]段焕林,陈爱东,苗翠平,张凤林.电冰箱制冷循环优化措施[J].计量与测试技术,2007,34(3):18-20

[11]章伟富.提高家用电冰箱能效水平的探讨[J].科技创新导报,2013,16:31

[12]任兆麟,翟洪轩,张向明.节能冰箱的设计应用[J].家电科技,2009,13:47-48

[13]Kenton Graviss, Jacek M. Zurada. A Neural Network Controller for Optimal Temperature Control of

Household Refrigerators[J]. Intelligent Automation amp; Soft Computing, 1998, Vol.4 (4):357-371

[14]隆莹.浅谈冰箱节电的新技术[J].中华民居,2011,10:29-30

[15]赵亚丽,王瑞.变频冰箱的节能效益研究[J].电器,2012,增刊:16-20

[16]刘益才,曹立宏,杨智辉,刘振利,曹谦.目前冰箱节能技术分析[J].家电科技,2006.5,5：42-44

[17]Clito F. Afonso.Household refrigerators: Forced air ventilation in the compressor and its positive

environmental impact. International Journal of Refrigeration, 2012,36(6):904-912

[18]王洪利,黄杰,刘慧琴.常用制冷剂及其替代物性能[J].河北联合大学学报,2013.7,3:1-3

[19]朱德英.浅议制冷剂替代品的发展[J].安徽化工,2007.6,33(3):62-63

[20]杨海线，蔡冬华，李茂道.电冰箱节能改进措施研究[J].制冷与空调,2012.6,12(3):39-41

[21]王如竹.制冷学科进展研究与发展报告[M].北京:科学出版社,2007.

[22]James M .Calm.Next generation of refrigerants-historical review,considerations and outlook[J].

International Journal of Refrigeration, 2008, 31 (7):1123-1133

[23]李玉祥,李洪涛,尹凤福,刘振宇,周晓东.无霜冰箱现代化霜技术的研究进展[J].电器,2011,

增刊:48-50

[24]Feng Gue, Cheolung Cheong, Taehoon Kim.Development of low-noise axial cooling fans in a

household refrigerator[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2011,25(12):.2995-3004

[25]王铁军.电冰箱行业发展与节能技术[J].流体机械,2006.2,11:86-88