CN113030253A - 一种用于制冷系统监测结霜的传感器、冰箱以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于制冷系统监测结霜的传感器、冰箱以及控制方法，涉及制冷设备技术领域，为解决现有技术中除霜时机不合适，导致霜层不能除尽以及浪费能源而发明。所述用于制冷系统监测结霜的传感器，包括振动元件，用于产生振动；感应元件，设置于所述振动元件产生振动的传递范围内，所述感应元件用于将所述振动转化为电信号；其中，所述振动元件与所述感应元件均设置于制冷系统的结霜部件上。本发明的传感器用于监测制冷系统的结霜状况。

Description

一种用于制冷系统监测结霜的传感器、冰箱以及控制方法

技术领域

本发明涉及制冷设备技术领域，尤其涉及一种用于制冷系统监测结霜的传感器、冰箱以及控制方法。

背景技术

结霜是制冷系统在制冷过程中常见的现象，湿空气会在低于露点温度的结霜部件的表面上凝结，随着结霜部件的表面温度降低，凝结水会冻结为冰层，然后在冰层上长出霜晶，并逐步形成严密覆盖的霜层。如果结霜部件的表面温度很低，水蒸气会在结霜部件的表面直接凝华为霜晶。

结霜是影响冰箱等制冷设备能耗的诸多因素之一，霜是热的不良导体，蒸发器或者其他结霜部件的表面霜层越厚，热阻越大，霜层的存在降低了换热效率，造成制冷效率下降，增加损耗，甚至会使系统失效。

目前，在现有技术中一般采用定时除霜的方式，由于定时除霜的化霜时机不能根据实际结霜情况确定，因此导致该方法具有一定的盲目性，如果在除霜时，凝结的霜层太厚，有可能在有限的除霜时间内霜层不能除尽，然后下一个结霜周期内，残留在蒸发器表面的霜层上会继续结霜，由此形成越来越厚的冰块，导致冰箱工作状态恶化甚至故障停机；如果在除霜时，凝结的霜层较薄，则会造成能源浪费。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于制冷系统监测结霜的传感器、冰箱以及控制方法，能够监测结霜情况，从而在合适的时机开始除霜，提高除霜效率，并且节省能源。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

本发明第一方面实施例提供一种用于制冷系统监测结霜的传感器，包括振动元件，用于产生振动；感应元件，设置于所述振动元件产生振动的传递范围内，所述感应元件用于将所述振动转化为电信号；其中，所述振动元件与所述感应元件均设置于制冷系统的结霜部件上。

本发明实施例提供的用于制冷系统监测结霜的传感器，将振动元件和感应元件分别设置于结霜部件上，然后使振动元件上产生机械振动，由于感应元件设置于振动元件产生振动的传递范围内，并且感应元件将该振动转化为电信号输出，由于在结霜时，结霜越多，质量越大，机械振动传播时的振幅越小，因此，结霜越多，感应元件输出的电信号也会越来越弱，从而通过该电信号的强弱，能够判断结霜部件上的结霜状况，然后根据结霜状况，选择合适的时机进行除霜，避免出现结霜过厚时除霜，导致霜层不能除尽，以及结霜过少时除霜，导致能源浪费的情况发生。

本发明第二方面实施例还提供了一种冰箱，包括箱体，内部设置有储藏室；蒸发器，设置于所述储藏室内部的风道内；传感器，为上述技术方案所述的用于制冷系统监测结霜的传感器，所述振动元件与所述感应元件设置于所述蒸发器上；控制装置，用于接收所述电信号，并根据所述电信号的强弱判断是否进行除霜。

本发明实施例提供的冰箱，由于包括上述技术方案所述的用于制冷系统监测结霜的传感器，因此，能够解决相同的技术问题，并取得相同的技术效果。

本发明第三方面实施例提供一种如上技术方案所述冰箱的控制方法，使所述振动元件产生振动，所述感应元件接收所述振动、并将该振动转化为电信号，所述控制装置接收所述电信号，对所述电信号进行频谱分析、并得出反应所述电信号强弱的参数值，当所述参数值减小至设定值时，启动除霜。

本发明实施例提供的控制方法中，首先，使振动元件产生振动，感应元件接收该振动、并将该振动转化为电信号，控制装置接收该电信号，然后对电信号进行频谱分析、并得出能够反应电信号强弱的参数值，由于在结霜时，结霜越多，质量越大，机械振动传播时的振幅越小，感应元件输出的电信号也会随着振动的振幅减小而减弱，因此，在结霜过程中，该参数值逐渐减小，当该参数值减小至设定值时，启动除霜，从而确保合适的除霜时机，避免参数值大于设定值时，即结霜较少，或者参数值小于设定值时，即结霜较多时开始除霜，造成能源浪费或者霜层不能除尽的情况发生。

附图说明

图1为本发明实施例提供的冰箱整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的冰箱内设置传感器的系统结构图；

图3为本发明实施例提供的冰箱的蒸发器的立体图；

图4为本发明实施例提供的冰箱的蒸发器的主视图；

图5为图4的B区域局部放大图；

图6为图4的A-A剖面图；

图7为本发明实施例提供的测霜实验的谱峰与结霜厚度的实验结果示意图；

图8为本发明实施例提供的对于冰箱蒸发器的测霜实验的谱峰与结霜厚度的实验结果示意图。

附图标记：100、箱体；110、蒸发器；111、翅片；120、控制装置；200、门体；300、传感器；310、振动元件；320、感应元件；330、信号发生器；340、信号采集模块；350、基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例提供的一种用于制冷系统监测结霜的传感器、冰箱以及控制方法进行详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的冰箱具有近似长方体形状。冰箱的外观由限定储存空降的储藏室和设置在储藏室中的多个门体200限定。储藏室为具有开口的箱体100，储藏室被竖直分隔成下方的冷冻室以及上方的冷藏室，所隔开的空间中的每一个可具有独立的储存空间。

详细地，冷冻室限定在储藏室的下侧，并且可以通过抽屉式冷冻室门选择性地覆盖。限定在冷冻室上方的空间被隔成左侧和右侧以分别限定冷藏室。冷藏室通过可枢转地安装在冷藏室上的冷藏室门选择性地打开或者关闭。

本发明实施例提供的冰箱储藏室内设置有蒸发器110，如图3所示，所述蒸发器110上设置有传感器300，该传感器300，如图2所示，包括振动元件310和感应元件320，振动元件310用于产生振动，所述感应元件320设置于所述振动元件310产生振动的传递范围内，并将该振动转化为电信号，所述感应元件320将该电信号发送至控制装置120，控制装置120根据所述电信号的强弱，判断是否启动除霜。

本发明实施例提供的冰箱，如图2、图3所示，由于在蒸发器110上设置有传感器300，从而通过该传感器300能够监测蒸发器110上的结霜状况，该传感器300包括振动元件310以及感应元件320，振动元件310用于产生振动，感应元件320设置于振动元件310产生振动的传递范围内，所述感应元件320用于将所述振动转化为电信号，所述感应元件320将电信号发送至控制装置120，从而控制装置120根据该电信号的强弱启动除霜。

本发明实施例提供的冰箱，由于蒸发器110上设置有用于制冷系统监测结霜的传感器300，通过所述传感器300能够监测蒸发器110上的结霜状况，然后根据结霜的实际状况选择合适的除霜时机，进行除霜工作，从而避免进行除霜时，由于结霜过多而不能除尽，或者结霜过少导致能源浪费的情况发生。

优选地，上述振动元件310与感应元件320均采用压电陶瓷片，压电陶瓷片是在两片铜制电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流信号时，压电陶瓷材料会由于压电材料的逆压电效应，产生相应频率的振动，并且振动元件310与感应元件320之间设置有间隙，即二者相互不接触，从而保证感应元件320上不会产生振动，然后振动传递至感应元件320时，感应元件320会因振动发生形变，由该形变使感应元件320产生电信号，从而根据该电信号判断结霜状况。本发明实施例采用压电陶瓷片为现有技术中常见的元件，因此，更换方便，并且压电陶瓷片价格便宜，能够节省传感器300的成本。

更进一步地，如图2所示，所述振动元件310与用于发出交变信号的信号发生器330电连接，从而使振动元件310通过信号发生器330发出的交变信号产生振动，感应元件320与用于收集电信号的信号采集模块340电连接，信号采集模块340将电信号发送至控制装置120，从而使控制装置120能够通过电信号的强弱，确定合适的除霜时机。

具体地，如图2、图3所示，通过信号发生器330向振动元件310上施加交变信号，例如简谐波或者方波信号等，基于压电材料的逆压电效应，振动元件310上会产生相应频率的机械振动，由于感应元件320与振动元件310之间设置有间隙，即二者相互不接触，从而防止交变信号施加在感应元件320上，使感应元件320自身不会因为逆压电效应而产生机械振动，并且感应元件320设置于振动元件310产生振动的传递范围内，因此，感应元件320由于该振动会发生形变，基于压电材料的正压电效应，感应元件320由于形变产生电信号、并输出，信号采集模块340收集该电信号、并发送至控制装置120，由于在结霜时，结霜越多，质量越大，机械振动传播时的振幅越小，感应元件320输出的电信号也会越来越弱，因此，由控制装置120根据电信号的强弱，可判断蒸发器110上的结霜状况，从而选择合适的时机进行除霜。

需要指出的是，本发明实施例提供的用于制冷系统监测除霜的传感器300，并不仅仅可以应用于冰箱上，该传感器300能够应用于冰箱、空调以及其他制冷系统中，只需将该传感器300设置于制冷系统的结霜部件上，即可监测结霜部件在制冷过程中的结霜状况，从而根据结霜状况选择合适的除霜时机，能够提高制冷系统的除霜效率，并且节省能源。

优选地，上述传感器300中的感应元件320可以设置多个，多个感应元件320均设置于振动元件310产生振动的传递范围内，多个感应元件320能够对振动元件310产生振动的传递范围内的多个点进行监测，从而能够更加精确的监测传感器300的监测范围内的结霜状况，提供制冷系统的除霜效率，并且节省能源。

在本发明实施例提供的蒸发器110上安装所述传感器300，需要将上述振动元件310以及感应元件320均安装于蒸发器110的蒸发管上，由于蒸发管为管状结构，在安装上述压电陶瓷片时，需要将压电陶瓷片与蒸发管外壁贴合，否则不利于振动的传递，并且在振动过程中压电陶瓷片有脱落的可能，而要将二者完全贴合，则需要将压电陶瓷片弯折，这样会增加安装的工艺难度，也有可能损坏压电陶瓷片，因此，如图4、图5所示，本发明实施例提供的传感器300中还包括基板350，振动元件310与感应元件320均安装于基板350上，然后将基板350与蒸发器110的蒸发管连接即可，由于基板350面积相比于压电陶瓷片要大很多，而且蒸发管为“S”型的弯折结构，因此，将基板350与蒸发管连接时，基板350能够覆盖蒸发管上较大的面积，即基板350与相互平行的多段蒸发管均固定连接，从而保证基板350与蒸发器110的蒸发管连接稳定，并且基板350与蒸发器110的蒸发管连接时不需要弯折，所以，压电陶瓷片与基板350贴合时，不需要将压电陶瓷片弯折，而且振动元件310与感应元件320均提前安装于基板350上，从而将传感器300作为一个整体安装于蒸发器110或者其他结霜部件上，使传感器300的安装更加便捷。

由于振动元件310产生振动的传递范围有限，对于一些体积较大的蒸发器110或者其他结霜部件，即使在振动元件310产生振动的传递范围内设置多个感应元件320，对该范围内的多个点进行监测，也仅能监测蒸发器110或者其他结霜部件上的局部区域的结霜状况，因此，本发明实施例提供的冰箱中，在蒸发器110上可以设置多个传感器300，即蒸发器110的表面上分布多个基板350，在每个基板350上分别设置振动元件310以及感应元件320，使多个传感器300的监测范围能够覆盖蒸发器110的大部分或者全部区域，从而精确监测蒸发器110的结霜状况。

另外，如图4、图6所示，现有技术中的蒸发器110，为了增加换热面积，提高换热效率，会在蒸发器110的蒸发管上设置翅片111，对于设置有翅片111的蒸发器110，可以直接将振动元件310与感应元件320安装在翅片111上，由于翅片111为板状结构，因此，压电陶瓷片与翅片111相互贴合并固定即可，不需要使压电陶瓷片弯折，不会损坏压电陶瓷片，并且减少了基板350，能够降低该传感器300的生产成本。

更进一步地，蒸发器110上设置的翅片111如果是相互独立的矩形板状结构的翅片111，则可以在多个翅片111上分别设置振动元件310以及感应元件320，如果蒸发器110上设置的翅片111是连续的螺旋式结构的翅片111，则可以在翅片111的不同位置上设置多组振动元件310以及感应元件320，从而实现传感器300的监测范围覆盖蒸发器110的大部分区域或者全部区域，对蒸发器110的结霜状况进行监测。

本发明实施例还提供了一种上述冰箱的控制方法，如图2所示，通过信号发生器330向振动元件310施加交变信号，使所述振动元件310产生振动，所述感应元件320接收该振动，所述感应元件320由于该振动发生形变，使所述感应元件320产生电信号并输出至信号采集模块340，信号采集模块340将收集的电信号发送至控制装置120，控制装置120接收所述电信号，然后对所述电信号进行频谱分析、并得出能够反应所述电信号的参数值，当所述参数值减小至设定值时，则控制装置120启动除霜。

本发明实施例提供的控制方法，通过信号发生器330向振动元件310施加交变信号，基于压电材料的逆压电效应，振动元件310可产生机械振动，该机械振动传递至感应元件320，使感应元件320发生形变，基于压电材料的正压电效应，感应元件320由于形变而产生电信号、并输出至信号采集模块340，信号采集模块340收集该电信号并发送至控制装置120，控制装置120对该电信号进行频谱分析、并得出能够反应电信号强弱的参数值，由于在结霜时，结霜越多，质量越大，机械振动传播时的振幅越小，感应元件320输出的电信号也会随着振幅的减小而减弱，因此，在结霜过程中，该参数值也会逐渐减小，当该参数值减小至设定值时，控制装置120启动除霜，从而确保合适的除霜时机，避免参数值大于设定值时，即结霜较少，或者参数值小于设定值时，即结霜较多时开始除霜，造成能源浪费或者霜层不能除尽的情况发生。

另外，上述设定值是根据不同的制冷系统、不同的使用环境以及不同的工作状态来确定的，该设定值可以设置为具体的数值，当上述参数值减小至该参数值时，即可启动除霜，也可以将设定值设置为该参数值的减小比例，例如，将设定值设置为百分之五十，无霜状态下输出的参数值为最大值，在结霜过程中，当该参数值相比于最大值减小的比例达到百分之五十时，即达到设定值，此时开始进行除霜，从而确定除霜时机。

优选地，由于外界干扰存在，对于上述感应元件320输出的电信号需要做合理的滤波处理，滤除噪声的影响，该滤波处理采用现有技术中常用的滤波技术即可。

优选地，上述参数值包括谱峰、幅值、功率谱以及能量谱，并且对于电信号进行频谱分析后得出的其他能够反应电信号的强弱的其他参数值均可以用于评价结霜状况的参数。

例如，对电信号进行频谱分析，在相同驱动信号情况下，监测不同结霜状况下感应电信号的谱峰，通过电信号的谱峰值判断结霜状况。

具体地，对于本发明实施例提供的传感器300进行如下实验，信号发生器330发出的驱动信号是幅值为5V，占空比为50％，频率分别为8KHz、9KHz、10KHz的三个方波信号，振动元件310与感应元件320之间的间距为20mm，压电陶瓷片型号为PZT52，外形尺寸为40*12*1，采样频率为100KHz，每组采样时间为5s，然后经过上述滤波处理和频谱分析，最后以谱峰作为评价参数，如图7所示，该图7为不同结冰厚度下的处理结果。

从图7中的实验结果可知，对于感应元件320输出的电信号，随着结冰厚度的增加，施加的驱动信号为8KHz时，其谱峰从0.21949下降至0.03015；驱动信号为9KHz时，其谱峰从0.42731下降至0.04331；驱动信号为10KHz时，其谱峰从0.89039下降至0.05234。

由此可知，感应信号在未结冰状态下最大，随着结霜厚度(thickness)的增加，输出的谱峰值(peak)越来越小，因此，通过感应元件320输出的电信号值的强弱可以判断结霜部件上的结霜状况。

本发明实施例将上述传感器300固定于冰箱的蒸发器110上进行结霜测试，冰箱通电，然后间隔一端时间采集信号并将记录，当驱动信号为6000Hz的方波激励信号时，不同结霜状态下谱峰如图8所示，由图8可以看出，随着结霜厚度(thickness)的增多，输出的谱峰值(peak)越来越小。

通过上述实验可以看出，冰层的厚度与感应元件320输出的电信号成反比，冰层越厚，输出的电信号值越弱，通过该传感器300监测结霜状况的过程中，只需要提前设定合适的设定值，当监测到电信号值下降至设定值时，即可启动除霜，从而确定除霜时机，即能够确保结霜除尽，又能够节省能源。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于制冷系统监测结霜的传感器，其特征在于，包括：

振动元件，用于产生振动；

感应元件，设置于所述振动元件产生振动的传递范围内，所述感应元件用于将所述振动转化为电信号；

其中，所述振动元件与所述感应元件均设置于制冷系统的结霜部件上。

2.根据权利要求1所述的用于制冷系统监测结霜的传感器，其特征在于，所述振动元件与所述感应元件均采用压电陶瓷片，所述振动元件与所述感应元件之间设置有间隙。

3.根据权利要求1所述的用于制冷系统监测结霜的传感器，其特征在于，还包括基板，所述振动元件与所述感应元件均设置于所述基板上，所述基板与所述结霜部件连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于制冷系统监测结霜的传感器，其特征在于，所述感应元件设置有多个，多个所述感应元件均设置于所述振动元件产生振动的传递范围内。

5.一种冰箱，其特征在于，包括：

箱体，内部设置有储藏室；

蒸发器，设置于所述储藏室内部；

传感器，为权利要求1-4任一项所述的用于制冷系统监测结霜的传感器，所述振动元件与所述感应元件设置于所述蒸发器上；

控制装置，用于接收所述电信号，并根据所述电信号的强弱判断是否进行除霜。

6.根据权利要求5所述的冰箱，其特征在于，所述振动元件与用于发出交变信号的信号发生器电连接、并通过所述交变信号产生振动，所述感应元件与信号采集模块电连接，所述信号采集模块与所述控制装置电连接。

7.根据权利要求5所述的冰箱，其特征在于，所述蒸发器上设置有多个所述传感器。

8.根据权利要求5-7任一项所述的冰箱，其特征在于，所述蒸发器的蒸发管上设置有翅片，所述振动元件与所述感应元件均设置于所述翅片上。

9.一种根据权利要求5-8任一项所述冰箱的控制方法，其特征在于，使所述振动元件产生振动，所述感应元件接收所述振动、并将该振动转化为电信号，所述控制装置接收所述电信号，对所述电信号进行频谱分析、并得出反应所述电信号强弱的参数值，当所述参数值减小至设定值时，启动除霜。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述参数值包括谱峰、幅值、功率谱以及能量谱。

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