熱力膨脹閥流動噪聲試驗研究

葉奇昉 陳江平

(上海交通大學(xué)制冷研究所 上海 200240)

1 引 言

熱力膨脹閥噪聲是當(dāng)前汽車空調(diào)行業(yè)消費者投訴的重要問題之一。特別是在變工況條件下產(chǎn)生的瞬態(tài)“嘯叫”，經(jīng)常令人難以忍受。2005年國際汽車空調(diào)協(xié)會將熱力膨脹閥的流動噪聲問題列為市場反饋問題之首。

當(dāng)前，中國國內(nèi)外針對熱力膨脹閥流動噪聲的研究還不成熟。Fuchs等［1］對節(jié)流短管的穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行了研究，獲得了節(jié)流短管內(nèi)徑、長度與噪聲特性的關(guān)系。Amini［2］對以空氣為工質(zhì)的節(jié)流閥進(jìn)行了實驗研究。對閥的閥頭，閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，噪聲降低了約10%。目前對熱力膨脹閥噪聲的研究還剛剛起步，大多數(shù)研究都見于一些廠家的專利申請中。對熱力膨脹閥噪聲產(chǎn)生的機(jī)理以及控制方法都沒有明確的結(jié)論。在可查的文獻(xiàn)中，只有美國Illnois大學(xué)制冷空調(diào)中心對熱力膨脹閥在不同工況下的穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行了實驗研究［3－5］，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了初步分析，獲得了熱力膨脹閥的穩(wěn)態(tài)噪聲與系統(tǒng)工作條件關(guān)系的定性結(jié)果。然而，熱力膨脹閥“嘯叫”是伴隨著空調(diào)系統(tǒng)的瞬態(tài)變化而出現(xiàn)(如系統(tǒng)機(jī)啟動、關(guān)閉過程，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速突變等)，持續(xù)時間在5 s內(nèi)。目前針對熱力膨脹閥瞬態(tài)噪聲的研究還很薄弱，沒有查到公開發(fā)表的文獻(xiàn)。

本文建立了熱力膨脹閥瞬態(tài)噪聲試驗臺，對制冷系統(tǒng)開機(jī)過程中熱力膨脹閥嘯叫噪聲進(jìn)行了試驗研究。獲得了不同的溫包充注，不同閥內(nèi)結(jié)構(gòu)的熱力膨脹閥振動的噪聲特性。結(jié)果表明:溫包內(nèi)采取交叉充注、低蒸干壓力充注、閥內(nèi)安裝碟形彈簧有利于降低膨脹閥嘯叫噪聲。

2 試驗臺簡介

測試系統(tǒng)如圖1所示，測試系統(tǒng)主要測量壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、制冷劑流量、系統(tǒng)各處的制冷劑溫度、壓力、管路與熱力膨脹閥振動、膨脹閥噪聲等參數(shù)。壓縮機(jī)出口制冷劑流量采用質(zhì)量流量計測量，測量精度在±1%。制冷劑溫度采用經(jīng)過標(biāo)定的0.15 mm的OMEGA熱電偶測量，其測試精度在±0.2%;制冷劑壓力采用高頻響應(yīng)壓電式壓力傳感器，其響應(yīng)頻率為50 kHz，測量精度為±0.1%;空氣干濕球溫度采用鉑電阻測量，測量誤差在±0.2℃之內(nèi);熱力膨脹閥與管路振動加速度采用K.S型加速度傳感器測量，將加速度傳感器的X方向定為制冷劑沿管路的流動方向，Y方向定為垂直向內(nèi)的方向，Z方向定義為平行于熱力膨脹閥進(jìn)口平面朝上的方向;膨脹閥噪聲采用聲級計測量。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental rig

3 結(jié)果分析

3.1 開機(jī)過程膨脹閥振動特性

壓縮機(jī)由停機(jī)到轉(zhuǎn)速突變至1 900 r/min時，膨脹閥產(chǎn)生嘯叫，膨脹閥振動情況如圖2。如圖所示:壓縮機(jī)突然開機(jī)后膨脹閥振動加速度劇烈增加，達(dá)到±4.5 m/s2，此時膨脹閥產(chǎn)生嘯叫。嘯叫持續(xù)大約4 s后，膨脹閥振動加速度幅值突降，幅值大小逐漸穩(wěn)定，嘯叫消失。

圖2 系統(tǒng)開機(jī)時膨脹閥振動情況Fig.2 Vibrations of expansion valve during start-up process

圖3 給出了系統(tǒng)開機(jī)時一號膨脹閥產(chǎn)生嘯叫和嘯叫消失后的噪聲頻譜圖。由圖可知:當(dāng)膨脹閥產(chǎn)生嘯叫時，噪聲的峰值頻率分別148 Hz、543 Hz、1 628 Hz，其中543 Hz為最高峰值;嘯叫消失后，543 Hz的噪聲峰值隨之消失。

圖3 系統(tǒng)開機(jī)過程膨脹閥噪聲特性Fig.3 Noise of expansion valve during start-up process

3.2 膨脹閥充注方式對噪聲的影響

當(dāng)壓縮機(jī)由停機(jī)到1 900 r/min時，不同的氣箱頭充注方式下膨脹閥嘯叫噪聲的頻譜特性如圖4。由圖可知:對于兩種不同的充注方式的制冷系統(tǒng)，氣體充注的嘯叫噪聲的峰值頻率大約在528 Hz，交叉充注的嘯叫噪聲峰值頻率約為518 Hz，嘯叫頻率越高，聲音越尖，人體越不適應(yīng);而氣體充注的噪聲峰值遠(yuǎn)高于交叉充注噪聲峰值。當(dāng)系統(tǒng)啟動時壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速瞬時達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，此時壓縮機(jī)吸入制冷劑蒸氣比容較小，壓縮機(jī)吸排氣壓差小，容積效率高，故壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量很大，其啟動瞬時的最大制冷劑流量可以達(dá)到正常運行時制冷劑質(zhì)量流量的3－4倍［6］，而過熱度在啟動后的短時間內(nèi)也將比正常運行時高15℃以上［6］。而交叉充注的溫度－壓力曲線斜率較小，在過熱度劇烈升高時，與氣體充注相比閥門開度相對較小，也使得流經(jīng)膨脹閥的制冷劑質(zhì)量流量與機(jī)械能相對較小，從而使得制冷劑的聲能降低。

圖4 不同的充注方式對嘯叫噪聲的影響Fig.4 Effect of charge in bulb on whistle noise

圖5 給出了不同充注方式對膨脹閥振動的影響。由圖可知:制冷系統(tǒng)啟動時，氣體充注的膨脹閥振動加速度幅值以及嘯叫的延續(xù)時間都大于交叉充注的膨脹閥。顯然，氣體充注對于防止熱力膨脹閥嘯叫是不利的。

圖5 不同的充注方式對膨脹閥振動的影響Fig5 Effect of charge in bulb on vibration of TXV

3.3 蒸干壓力對噪聲的影響

當(dāng)汽車空調(diào)熱力膨脹閥溫包內(nèi)充注工質(zhì)為氣液兩相時，溫包內(nèi)壓力由溫度決定;隨著溫度的逐漸升高，溫包內(nèi)充注工質(zhì)將在某一特定溫度由氣液兩相變?yōu)闅庀?。?dāng)溫度繼續(xù)升高后，溫包內(nèi)工質(zhì)呈現(xiàn)過熱狀態(tài)。此時溫包內(nèi)的溫度壓力曲線與沒有蒸干時相比更加平緩，斜率更低。

當(dāng)壓縮機(jī)由停機(jī)到1 900 r/min時，不同的氣箱頭蒸干壓力值的膨脹閥嘯叫噪聲的頻譜特性如圖6，圖6a中蒸干壓力約為0.56 MPa，圖6b中蒸干壓力約為0.42 MPa。由圖6可知:當(dāng)pMOP=0.56 MPa時，嘯叫噪聲的峰值頻率約為518 Hz，噪聲峰值大約為68 dB;當(dāng)pMOP=0.42 MPa時，嘯叫噪聲的峰值頻率約為508 Hz，噪聲峰值大約為64 dB。

這是由于系統(tǒng)剛剛冷啟動時蒸發(fā)壓力與蒸發(fā)溫度維持在較高值，而系統(tǒng)過熱度常常達(dá)到20℃ －25℃。對于圖6a，蒸干壓力較低，當(dāng)膨脹閥下方膜片溫度超過對應(yīng)的蒸干溫度時，氣箱頭內(nèi)充注工質(zhì)變?yōu)檫^熱狀態(tài)。此時溫度－壓力曲線斜率大為減小，膨脹閥開啟速度也大為降低，流經(jīng)膨脹閥的制冷劑質(zhì)量流量的增長速度也隨之降低，制冷劑流動聲能也減小，導(dǎo)致噪聲聲壓也降低。

圖6 蒸干壓力對嘯叫噪聲的影響Fig.6 Effect of evaporated pressure on whistle noise

3.4 閥內(nèi)結(jié)構(gòu)對膨脹閥嘯叫噪聲的影響

本文采用了兩個不同結(jié)構(gòu)的膨脹閥作為研究對象，其閥內(nèi)運動部件如圖7所示。其主要區(qū)別在于一號膨脹閥加入碟形彈簧以限制閥座在閥內(nèi)水平方向振動。

在閥座周圍安裝碟形彈簧是為了限制閥座與閥球在水平方向的運動，從而降低閥內(nèi)運動部件的振動幅度。當(dāng)壓縮機(jī)由停機(jī)到1 900 r/min時，安裝碟形彈簧與沒有安裝碟形彈簧的膨脹閥嘯叫噪聲的頻譜特性如圖8。由圖8可知:安裝碟形彈簧的膨脹閥嘯叫頻率與沒有安裝碟形彈簧膨脹閥嘯叫頻率一致，都在538 Hz左右，但噪聲幅值降低大約4.5 dB。安裝碟形彈簧有利于降低膨脹閥噪聲。

圖7 膨脹閥運動部件示意圖Fig.7 Schematic diagram of moving parts of expansion valves

圖8 碟形彈簧對嘯叫噪聲的影響Fig.8 Effect of butterfly spring on whistle noise

4 結(jié) 論

對制冷系統(tǒng)啟動過程的熱力膨脹閥的噪聲問題進(jìn)行了試驗研究，獲得了熱力膨脹閥參數(shù)對瞬態(tài)噪聲的影響，獲得如下結(jié)論:

(1)系統(tǒng)啟動過程中熱力膨脹閥將產(chǎn)生嘯叫，嘯叫噪聲頻率在530 Hz左右，持續(xù)時間4 s左右。

(2)系統(tǒng)啟動過程中產(chǎn)生的嘯叫受到熱力膨脹閥溫包充注方式的影響。采用交叉充注以及低蒸干壓力充注能夠有效的降低膨脹閥噪聲頻率與幅值。

(3)在熱力膨脹閥中安裝碟形彈簧可限制閥內(nèi)運動部件在水平方向振動，有利于降低膨脹閥嘯叫噪聲。

1 Fuchs H V.Generation and control of noise in water supply installations Part 2:sound source mechanisms［J］.Applied Acoustics，1993，38:59-85.

2 Amini，Owen I.A practical solution to the problem of noise and vibration in a pressure-reducing valve［J］.Experimental Thermal＆ Fluid Science，1995，10(1):136-141.

3 Rodarte E，Miller N R，Hrnjak P，et al.Use of stereolithography as a design tool for developing quiet plate mobile air conditioning evaporators［C］.1998 SAE International Congress and Exposition，Detroit:1998.

4 Rodarte E，Miller N R，Hrnjak P.Refrigerant expansion noise propagation through downstream tube walls［C］.1999 SAE International Congress and Exposition，Detroit:1999.

5 Rodarte E，Miller N R，Hrnjak P.Noise generation from expansion devices in refrigerant［C］.1999 SAE International Congress and Exposition，Detroit:1999.

6 陳文勇，陳芝久，陳佑華.冷柜啟動過程中電子膨脹閥的控制［J］.流體機(jī)械，2005，33(10):77-80.