家用冰箱化霜噪聲的控制研究與可視化模型

孫敬龍，潘毅廣，丁龍輝，張海鵬

（海信（山東）冰箱有限公司，山東 青島266071）

電冰箱已成為必需的家用電器，給人們的生活帶來了極大的便利。但冰箱運(yùn)行時(shí)的噪聲有時(shí)影響人們的生活質(zhì)量。冰箱運(yùn)行時(shí)的噪聲源主要包括壓縮機(jī)[1]、風(fēng)機(jī)風(fēng)道[2]和制冷系統(tǒng)[3]。近年來，相關(guān)研究人員在壓縮機(jī)[4-6]、風(fēng)機(jī)風(fēng)道結(jié)構(gòu)[2,7]減振降噪方面進(jìn)行了大量探索，并給出了非常有效的減振降噪措施。針對(duì)制冷系統(tǒng)噪聲，相關(guān)學(xué)者研究了抑制毛細(xì)管噴發(fā)噪聲的方法[8]及降低制冷劑流動(dòng)噪聲方法[9]，為制冷系統(tǒng)降噪奠定了基礎(chǔ)。

在制冷系統(tǒng)中，儲(chǔ)液器是存儲(chǔ)多余液態(tài)制冷劑的裝置。化霜階段，蒸發(fā)器底端加熱絲工作，融化掉蒸發(fā)器表面結(jié)霜。此時(shí)，儲(chǔ)液器中會(huì)產(chǎn)生制冷劑的流動(dòng)聲和“咕?！甭?。而在冷藏、冷凍階段，不存在此異常噪聲。為研究化霜階段異常噪聲產(chǎn)生的原因，采用石英玻璃制作可視化儲(chǔ)液器，復(fù)現(xiàn)儲(chǔ)液器中制冷劑的流動(dòng)狀態(tài)。分析冰箱化霜、冷藏和冷凍階段儲(chǔ)液器中制冷劑流動(dòng)的差異性，得出化霜階段制冷劑流動(dòng)聲和“咕?！泵芭萋暤漠a(chǎn)生機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，分析引起噪聲的關(guān)鍵因素，通過優(yōu)化儲(chǔ)液器結(jié)構(gòu)，有效降低制冷劑流動(dòng)聲和消除冰箱儲(chǔ)液器“咕?！泵芭萋?，并在產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。

1 可視化儲(chǔ)液器制作

1.1 儲(chǔ)液器制作

采用石英玻璃制作透明儲(chǔ)液器，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部制冷劑流動(dòng)可視化。儲(chǔ)液器尺寸與原有尺寸一致，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括回氣管、回油孔和儲(chǔ)液腔。由于制冷劑溫度較低，為防止石英玻璃儲(chǔ)液器外壁結(jié)霜影響觀察效果，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)液器進(jìn)行保護(hù)，在石英玻璃儲(chǔ)液器外設(shè)置玻璃罩，起絕熱和保護(hù)作用，如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)液器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1.2 儲(chǔ)液器連接與檢漏

截?cái)嗯c原有儲(chǔ)液器連接的管路，拆掉原有儲(chǔ)液器，將石英儲(chǔ)液器與制冷管路連接。采用環(huán)氧樹脂膠將儲(chǔ)液器上預(yù)留的管路與截?cái)嗵幍墓苈氛辰Y(jié)固定，形成完整回路，如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)液器連接示意圖

焊接好儲(chǔ)液器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏和抽真空，檢漏時(shí)采用氮?dú)?，用耐壓軟管的兩端分別連接充氮閥和壓縮機(jī)工藝口，充氮打壓至0.5 MPa，用肥皂水檢查各處有無泄漏。若無泄漏，采用真空泵抽真空，直至真空度達(dá)到10 Pa。然后灌入制冷劑，采用橡膠管連接壓縮機(jī)工藝管口與制冷劑存儲(chǔ)罐接口，灌入制冷劑量為68 g。

2 實(shí)驗(yàn)條件與噪聲測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，設(shè)置10°C和20°C兩種環(huán)境溫度，選取化霜、冷藏和冷凍3種工況。觀察相應(yīng)環(huán)溫下儲(chǔ)液器中制冷劑的流動(dòng)狀態(tài)。

2.2 噪聲測(cè)試

噪聲測(cè)試按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 8059-2016 家用電器噪聲測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》。在半消聲室中測(cè)試冰箱化霜階段噪聲，采用LMS Test Lab 軟件收集數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)，冰箱周圍設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示，取6個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲級(jí)的算術(shù)平均值作為最終噪聲值。

圖3 噪聲測(cè)試

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為冷藏、冷凍階段儲(chǔ)液器中制冷劑的流動(dòng)特性。冷藏、冷凍階段制冷劑主要以氣態(tài)形式進(jìn)入儲(chǔ)液器，儲(chǔ)液器中液態(tài)制冷劑沒有淹沒回氣管，儲(chǔ)液器中沒有出現(xiàn)冒泡聲。另外儲(chǔ)液器外壁沒有出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，說明玻璃外罩隔熱效果良好。

圖5為化霜階段儲(chǔ)液器中制冷劑的流動(dòng)特性?；_始時(shí)儲(chǔ)液器中液態(tài)制冷劑占儲(chǔ)液器容積的一半，制冷劑液面沒有淹沒回氣管。隨著化霜進(jìn)行，間室溫度升高，系統(tǒng)壓力也升高，液態(tài)制冷劑回流進(jìn)入儲(chǔ)液器。化霜進(jìn)行到300 s時(shí)，液態(tài)制冷劑淹沒回氣管，此時(shí)氣態(tài)制冷劑由回氣管排出時(shí)產(chǎn)生冒泡聲。

圖6為化霜階段噪聲測(cè)試結(jié)果?？梢钥吹交A段持續(xù)了900 s，化霜開始階段系統(tǒng)壓力升高，液態(tài)制冷劑回流產(chǎn)生流動(dòng)聲。化霜進(jìn)行到300 s時(shí)，液態(tài)制冷劑淹沒回氣管，氣態(tài)制冷劑由回氣管排出時(shí)產(chǎn)生冒泡聲?；A段由于制冷劑流動(dòng)復(fù)雜性，噪聲曲線上存在較多峰，峰值噪聲47 dB(A)，平均噪聲30.2 dB(A)。

4 儲(chǔ)液器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 儲(chǔ)液器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

化霜階段制冷劑回流淹沒回氣管，氣態(tài)制冷劑由回氣管排出時(shí)產(chǎn)生冒泡聲。針對(duì)此問題，有3 種解決方案，一是增加回氣管的長(zhǎng)度，二是增加儲(chǔ)液器容積，三是安裝微型球閥限流。本文將回氣管由27 mm 增加到42 mm，儲(chǔ)液器內(nèi)徑由40 mm 增加到55 mm，球閥設(shè)置如圖7所示。

圖4 冷藏、冷凍階段制冷劑流動(dòng)特性

圖5 化霜階段制冷劑流動(dòng)特性

圖6 改善前化霜階段噪聲測(cè)試結(jié)果

4.2 降噪效果驗(yàn)證

圖8為增加回氣管長(zhǎng)度后制冷劑的流動(dòng)特性和噪聲測(cè)試結(jié)果。化霜開始階段出現(xiàn)制冷劑流動(dòng)聲，化霜進(jìn)行到480 s 時(shí)，液態(tài)制冷劑淹沒回氣彎管，然后產(chǎn)生“咕?！泵芭萋暋Ｒ虼嗽黾踊貧夤荛L(zhǎng)度不能消除“咕?！甭?。相較于改善前的儲(chǔ)液器，噪聲測(cè)試曲線上仍然存在較多的峰值噪聲，峰值噪聲為48 dB(A)。整個(gè)化霜階段的平均聲功率級(jí)下降為29.1 dB(A)，制冷劑流動(dòng)聲沒有得到較好的改善。

圖7 設(shè)置球閥后儲(chǔ)液器結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 增加回氣管長(zhǎng)度后噪聲測(cè)試結(jié)果

圖9為增加儲(chǔ)液器容積后制冷劑的流動(dòng)特性和噪聲測(cè)試結(jié)果。將儲(chǔ)液器內(nèi)徑由40 mm 增加到55 mm 后，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到整個(gè)化霜階段液態(tài)制冷劑不會(huì)淹沒回氣彎管，因此不會(huì)產(chǎn)生“咕?！甭暋５捎谡舭l(fā)器內(nèi)壓力增大，迫使制冷劑流動(dòng)，仍然存在制冷劑流動(dòng)聲。峰值噪聲明顯減少，整個(gè)化霜階段的噪聲有了明顯下降，聲功率級(jí)降低為26.1 dB(A)。

圖10為設(shè)置球閥后制冷劑的流動(dòng)特性和噪聲測(cè)試結(jié)果。整個(gè)化霜階段液態(tài)制冷劑不會(huì)淹沒回氣彎管，氣態(tài)制冷劑排出穩(wěn)定，異常噪聲峰值大大減少。相對(duì)于增加回氣管長(zhǎng)度和增加儲(chǔ)液器容積，增設(shè)球閥能更好的降低噪聲水平，可將化霜階段的聲功率級(jí)降低到24.4 dB(A)。

圖9 增加儲(chǔ)液器容積后噪聲測(cè)試結(jié)果

圖10 設(shè)置球閥后噪聲測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過制作可視化儲(chǔ)液器，觀測(cè)到了冷藏、冷凍和化霜工況下儲(chǔ)液器中制冷劑的流動(dòng)特性，得到了化霜階段流動(dòng)聲和“咕?！泵芭萋暤漠a(chǎn)生機(jī)理，并提出了抑制方法。結(jié)論如下：

（1）冷藏、冷凍階段，制冷劑主要以氣態(tài)形式流動(dòng)。儲(chǔ)液器中液態(tài)制冷劑沒有淹沒回氣彎管，儲(chǔ)液器中噪聲較小，無異常噪聲。

（2）化霜階段，蒸發(fā)器內(nèi)部分液態(tài)制冷劑流入儲(chǔ)液器，淹沒回氣管。氣態(tài)制冷劑由回氣彎管排出時(shí)，產(chǎn)生“咕?！泵芭萋?。

（3）增加回氣管長(zhǎng)度不能消除流動(dòng)聲“咕?！泵芭萋?。增加儲(chǔ)液器容積和設(shè)置微型球閥可以消除“咕?！泵芭萋暎⒖梢杂行Ц纳苹A段制冷劑流動(dòng)噪聲。設(shè)置微型球閥對(duì)改善制冷劑流動(dòng)噪聲的效果更為明顯。