渗透测试国内外研究_【技术探究】冰箱门封技术现状与研究进展

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本文综述了门封的发展趋势、传热传质、材料配方和结构优化研究现状，可为业内开展门封领域的研究提供参考。

摘要

Abstract

门封漏热约占冰箱总热负荷15%，其密封和绝热性能对冰箱的制冷效果和运行能耗产生较大影响。本文讨论了门封的发展趋势、传热传质、材料配方和结构优化研究现状，可为同行开展门封领域的研究提供参考。根据文献资料，常采用CFD技术和反向热平衡测试(RHLM)获取门封传热量，而传质测试一般采用示踪气体技术和对冷凝水的收集。门封材料配方是影响其抗迁移性和力学性能的重要因素。同时，为了提高密封和绝热性能，门封从基础的平直结构逐步优化成适应不同场合的复杂多飞边、多气囊结构。

关键词

Keywords

冰箱门封；传热传质；材料配方；结构优化；密封

1  引言 

门封是一种用在冰箱门体和箱体之间的可拆卸冰箱密封配件，同时还起到保温作用。其密封和绝热效果的好坏直接影响冰箱的使用性能和能耗大小。其中，因吸合力不同，冰箱与冷柜的门封结构略有不同。冰箱、陈列柜等立式门体制冷装置的门封由两部分组成，一部分是胶条，大多为软质聚氯乙烯(SPVC)，另一部分是与箱体相互吸引的磁条，门封处于拉伸状态，装配结构如图1(a)所示。卧式冷柜等制冷设备的门封密封作用力由门体本身的重力提供，门封处于压缩状态，装配结构如图1(b)所示，冷柜门封多为热塑性弹性体材料(TPE)。国内外学者对冰箱展开了大量的研究工作，相比发泡材料保温性能提升、制冷系统优化、箱内空气流场优化，专门对门封进行研究的文献很少。门封研究涉及材料、结构、传热等学科，公开发表的论文中，主要聚焦于传热传质特性研究。本文按照行业发展、传热传质研究、材料配方研究、结构优化研究四个方面分析冰箱门封的发展现状。重点分析关注度最高的传热传质特性研究，希望可为冰箱、门封企业带来一定参考。

图1 门封与冰箱安装截面

2  行业发展趋势 

20世纪20～60年代，冰箱门封是无磁条的橡胶，门体采用门栓连接固定，密封性好，但存在一定的安全隐患，曾发生过幼童捉迷藏躲进冰箱内窒息的事件。到了20世纪60～80年代，门封与箱体间通过磁条吸合连接，门封与门体采用螺钉固定，不易拆装，且PVC材料易老化变硬、易霉变和不环保，尤其是低温冷柜，PVC低温易硬化，密封效果差。至21世纪初，门封与门体采用卡槽固定，易拆装、易清洗，但是PVC材料本身质地硬，必须添加增塑剂才可变软。增塑剂会逐渐挥发，门封也逐渐变硬，密封性有所下降，因此TPE材料应运而生。虽然TPE材料的环保性能、密封效果较好，但是原料成本高、加工工艺复杂、废品率较高，导致TPE材料的应用推广缓慢，目前市场上90%以上的门封还是采用PVC材料，TPE材料占比不足10%。节能、环保是门封未来的发展方向，TPE、硅橡胶等新型环保材料必然会普及，门封结构不断优化，同时有专家提出采用电磁感应控制取缔门封磁条吸合的概念。

3  传热传质研究  

门封的传热量和传质量的精准测量是评价一款门封优劣的基础，也是冰箱开发人员希望得到的数据，一般按照冰箱总漏热的15%来估算门封漏热^[1]，或采用经验漏热系数如0.065～0.080W/m•℃^[2]，甚至因为门封处传热难以获取而忽略门封漏热^[3]。门封漏热计算不准确造成冰箱热负荷计算不准，导致压缩机、换热器等部件的选型与热负荷不匹配，影响冰箱的制冷效果和运行能耗。

3.1 传热特性

门封总漏热量Q_tot由本身传热热量Q_hea和传质引起的热量Q_mas组成。传热热量Q_hea包括热传导Q_cond、热对流Q_conv和热辐射Q_rad三种形式耦合组成，而传质热量更加复杂，与湿空气的相变过程和冰箱压缩机的启停过程有关，总体上可分为显热量Q_sen和潜热量Q_lat两部分。计算公式见(1)～(3)：

门封属于各向异性结构，其传热特性具有以下特征：(1)传热面很多；(2)传热面形状不规则；(3)传热面面积非常小；(4)有些传热面与紧贴箱体、门体，未暴露在空气中；(5)传热方向难以判断。可见，门封传热边界十分复杂，常规测试物体传热量的方法难以适应于门封，国内外学者们大多热衷于借助数值模拟获取传热特性，实验测试方法相对较少。

3.1.1 数值模拟

早年间，商用CFD仿真软件还未普及时，Boughton^[4]假设门封与箱体、门封与门体的接触面为绝热，热量仅从门封外表面传入箱内，采用FORTAN编写了有限差分二维状态方程^[5]，得到该方向门封传热2.5W，仅占冰箱漏热2.7%。计算的门封漏热量偏小，显然，门封传热路径是多方向的，不仅从外界环境，还会间接通过门体、箱体传递给门封。21世纪开始商用CFD软件广泛后，学者们采用如FLUENT、STAR-CCM+等软件对门封仿真计算。从建立门封局部的二维模型^[6,7]到三维模型^[8,9]，模拟计算的精度也越来越高。无论是二维模型还是三维模型，因冰箱门封的长度太长，不同位置的边界条件不一样，目前普遍采用的是先分段取点建模计算、再求和的方法计算门封传热量。也有学者采用反向热平衡(RHLM)、CFD仿真和实测门封周边热流密度相结合的方法，提高仿真准确度^[10]。

图2 门封传热CFD仿真计算

图3 门封传热实验测试方法

从各仿真案例可知，门封漏热占比在10～20%，传热途径为：①外界空气→门体→门封→间室空气；②外界空气→箱体→门封→间室空气；③外界空气→门封→间室空气；④外界空气→钢板→ABS板→间室空气；等。若安装有防露管和冷凝器在冰箱两侧，此时门封受热情况更加复杂，防露管的开关、压缩机的启停(冷凝器温度变化)、风机启停都会造成门封的传热特性发生较大改变。

采取分段建模、稳态计算的方法可以比较精细地分析门封漏热路径和降低仿真难度，但是与实际相比，会存在较大误差，主要原因如下：(1)各段传热相互耦合，分段计算求和存在误差；(2)冰箱运行过程中，内部温度是在设定值附近波动的，温度边界条件难以确定，目前大多取平均温度；(3)门封局部速度边界条件获取难度大，因空间狭小，难以测试，一般采用CFD仿真整个冰箱流场后再确定局部区域流速；(4)门封实际安装过程中，存在局部变形，目前所建物理模型都是按照装配设计而来，与实际情况不符，会造成一定影响。

3.1.2 实验测试

前述分析可知，门封的传热边界复杂，常规直接测试物体传热的方法难以测试门封传热量。因此，常采用间接测试的方法，总体可分为三种。方法一是在门封位置外加高绝热材料到近似绝热水平，通过对比门封正常安装时和门封改进至近似绝热时冰箱的耗电量差值，近似得到门封位置引起的冰箱能耗，测得为冰箱能耗的3～4%^[11]；方法二是目前使用最多的方法——反向热平衡法，在箱体内置热源，在壁面安装热流密度传感器测试壁面漏热，调节功率加热至冰箱内外温差与实际运行温差时一致，内置热源功率与壁面漏热的差值可近似为门封漏热，测试结果为冰箱总漏热的8.8～13.49%^[12-15]；方法三是采用防护热箱法，测试装置由冷箱、热箱、辅助热箱组成，门封槽安装在冷热箱之间，建立前后两次热箱的热平衡方程，可得到门封漏热，测试结果为冰箱总漏热的13%^[16]。

三种方法各有优劣。方法一简单易操作，但是难以将门封位置改进到绝热水平，故测试值比实际值小；方法二操作较复杂，精度受壁面漏热测试准确度的影响，热流密度传感器的安装位置要考虑到箱体内部温度不均匀、箱壁结构和材料的差异性等因素，且该方法测试得到门封漏热还包括“冷桥传热”，测试值会比实际值大；方法三准确度较高，但是需要制作复杂的防护箱，成本高、温控调试难度大。同时，三种方法均未提及一个箱体如何安装不同结构的门封，因不同冰箱门封安装间隙结构特征均不一致，即门封结构不是标准的，目前很难制作出一个能够与不同结构门封良好装配的测试箱体。

3.2 传质特性

环境湿热空气与冰箱内部干冷空气通过门封进行交换，在压缩机的启停过程下不断进行“呼吸作用”^[17]。其传质特性与传质路径、内外压差和流动类型有关。门封传质包括两个路径，一是门封磁条与箱体接触的吸合面，二是门封卡扣与门封卡槽接触的安装面。上海交大丁国良教授团队采用原子力显微镜测得门封传质路径在微米级，可采用达西公式拟合其传质速率^[18]。湿空气由干空气和水蒸气组成，其中水蒸气相变为引起传质热量的主要为部分，水蒸气进入冰箱间室后，在内壁凝结成露和冰，在蒸发器表面凝华成霜，不仅增大冰箱能耗，还造成滴水、结冰门打不开现象。目前，对于传质量的获得有两种手段，一种是精度较高的示踪气体技术，测试湿空气渗透率；另一种是通过收集内壁的凝露和蒸发器化霜水得到水蒸气渗透率。

3.2.1 湿空气渗透检测——示踪气体技术

示踪气体技术包括浓度衰减法、恒定浓度法、恒定释放法。浓度衰减法在首次充注规定浓度的气体后，只需按时检测即可，后两种还需随时或者定时充注，操作复杂。因此，大部分人都采用浓度衰减法测试[^19-21]，也有学者对比了浓度衰减法和恒定浓度法的实验结果^[21]，有细小差别，两种实验的重复性都在5%以内。采用浓度衰减法时，当冰箱处于稳态时，示踪气体的渗透率如下^[19]：

式中，I是示踪气体渗透率，h^-1；t是采样间隔时间，h；c₀是示踪气体初始浓度，ppm；c是经过时间t后示踪气体浓度，ppm。

进而，可推算出湿空气渗透质量流率：

式中，V是冰箱间室体积，m³；是湿空气密度，kg/m³。

测试结果发现^[19]：旧门封的湿空气渗透率是新门封的5倍以上，使用旧门封的冰箱能耗是使用新门封冰箱能耗的3.4倍。对于新门封，传质热量、传热热量分别占门封总传热量3.6%、96.4%；对于新门封，传质热量、传热热量分别占门封总传热量18.5%、81.5%。

3.2.2 水蒸气渗透检测——凝露、化霜水收集

在冰箱产品中对水蒸气的实验测试比较成熟，冰箱开机、关门状态下，收集冰箱内部的水蒸气质量即可，为了模拟冰箱内部食物也会产生水蒸气的情况，可在冰箱内部布置了水盘^[22-24]。因此，某时间段内，水蒸气的平均渗透速率可表示为：

式中，是化霜水质量，g；是水盘质量变化，g；是冰箱开启时间，s，至少运行48h以上；是冰箱内胆的冷凝水，g；是间室内干空气密度，kg/m³；是间室内空气含湿量变化量，可通过检测相对湿度和温度进行计算，g/kg；其它参数同前。

Stein等^[17]通过测试发现门封水蒸气渗透率与箱体内外水蒸气分压差呈接近线性关系。Saidur等^[23]测得某460L冷冻-冷藏冰箱的水蒸气渗透率为1.703×10^-4g/s，估算得出年传质量为5.36kg。Hasanuzzaman等^[24]通过测试发现环境温度和温控器档次对通过门封的水蒸气渗透率的影响很大，而负载大小和箱内水盘面积对通过门封的水蒸气渗透率几乎没影响。

4  材料配方研究  

材料是决定门封性质的关键因素，也是门封生产厂家的核心技术。国外暂无公开文献，国内公开发表的论文单位均为企业。门封胶条用料粒配方主要由胶料、填料、增塑剂、热稳定剂、颜料和其他助剂组成，磁条主要原料是磁粉，配方的优化也是围绕上述几个成分的变化对力学性能、迁移性性能影响展开的。此外，还要满足欧盟法规REACH和RoHS的规定，对人体和环境无害。本文仅展示3篇代表性文献，如表1所示。

5  结构优化研究 

门封结构的优化也决定了门封的密封和绝热效果。基础门封结构为平直型，如图4(a)所示。磁条、胶条和空气的导热系数分别为0.20W/m•℃、10W/m•℃、0.02W/m•℃。如果只考虑降低热传导，空气的体积占比应该增大，磁条和胶条的体积占比应减小，但是单个大气囊内的对流传热系数大。有四个优化方向，一是减小胶条和磁条的宽度^[8]；二是设计飞边、辅助气囊增加空气的体积，增大门封热阻^[28]；三是增加波纹管，补偿冰箱箱体与门体间隙的安装、加工误差，提高门封密封性能^[29]；四是将大体积气囊分成几个体积相对均匀的小气囊，可减小内部对流传热，同时加强机械强度，与卡扣位置的加强筋所起功能类似^[30,31]。

图4 门封结构优化截面

6  总结与展望 

门封作为箱体和门体间装配的连接枢纽部件，其行业关注热度不足。究其原因，一是因为冰箱企业更追求产品的稳定性和低成本，门封生产厂家必须迎合下游冰箱厂家的需求和保持自身的利润，对产品的研发更注重于产品实际开发，理论研究较少；二是学者们普遍认为门封是比较成熟、简单的产品，没有太多的研究价值，实际上门封产品的开发较缺乏理论支撑。门封未来的发展离不开深度的理论研究，尤其是在制定门封标准和面对国外客户时，缺乏科学的理论支撑，就难以在行业中具有说服力。希望可以通过本文增加冰箱行业人员对门封的了解和关注。以下为门封待提高的方向：

(1)更稳定的自动化生产线和更节能生产机械的开发与自动控制，特别是TPE门封加工成本的降低和工艺稳定性的提高。

(2)传热传质是目前门封研究相对较多的方向，但缺乏门封传热传质的权威测量方法，导致难以准确判断门封的材料、结构优化后的效果，合理精细的冰箱门封热质传递实验测量和仿真计算方法、冰箱门封热质传递的机理建模与动态过程是未来的研究重点；

(3)目前门封复杂的结构是参照门封基础结构上改进的，改进的依据也是根据需求凭经验改进，缺乏理论依据，门封结构又与热质传递、凝露紧密联系，冰箱(冷柜)门封结构设计机理、“温度效应”和“尺寸效应”下冰箱门封的结构变形对传热传质的影响也应是未来的研究方向。

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本文作者：刘国强¹  晏刚¹  汪昌勇²

刘朋²  陈林²  李双生²

1.西安交通大学

2.安徽万朗磁塑股份有限公司

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