改性PBT排氣消音器在旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)上的應(yīng)用

訾進(jìn)蕾， 黃 波， 黃之敏， 耿 瑋， 詹 沖

（上海日立電器有限公司，上海201206）

隨著生活水平的提高，人們對空調(diào)舒適度的要求也越來越高，其中噪音問題已成為客戶選擇空調(diào)的主要關(guān)注點(diǎn)[1]，故一些家用空調(diào)廠家在選擇旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)匹配的過程中，已逐漸將對壓縮機(jī)噪音性能的考核提至與制冷、制熱性能同等的地位。消音器作為旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)降低噪音的主要部件[2－3]，其消音頻段廣、消音效果好，其中剛度、厚度及內(nèi)部型腔對消音性能有著直接的影響。目前，批量消音器多為冷軋鋼板經(jīng)過沖壓制成，由于成本及工藝的限制，消音器不可能做得太厚，且一些內(nèi)部型腔相對復(fù)雜、很難完成。近年來，高性能工程塑料在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是汽車領(lǐng)域[4－6]，塑料不僅具有輕質(zhì)、耐腐蝕、減振、降噪和碰撞回彈性等特點(diǎn)，還具有設(shè)計(jì)自由度化、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜制品一次成型的工藝優(yōu)勢。若使用工程塑料來制作壓縮機(jī)消音器，則可以克服現(xiàn)有金屬消音器的缺點(diǎn)；且由于工程塑料的比重輕，一般不到鋼的25%，若使用塑料消音器還可以降低壓縮機(jī)成本。迄今為止，僅看到塑料消音器，即改性聚對苯二甲酸丁二醇脂（Polybutylene Terephthalate，PBT）用于冰箱壓縮機(jī)上[7]，在空調(diào)壓縮機(jī)（旋轉(zhuǎn)式）上還未見到相關(guān)研究及應(yīng)用先例，故研究塑料消音器用于旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的可行性有很大的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

1 改性PBT材料的性能

PBT結(jié)晶速度快，最適宜加工方法為注塑，其他方法還有擠出、吹塑、涂覆和各種二次加工成型，成型前需預(yù)干燥，水分含量降至0.02%。

2 理論分析

PBT為聚對苯二甲酸丁二醇酯的簡稱，是由1，4－丁二醇（C4H10O2）與對苯二甲酸（C8H6O4）或?qū)Ρ蕉姿狨ィ–10H10O4）縮合而成，為乳白色半透明到不透明、結(jié)晶型熱塑性聚酯。具有高耐熱性、韌性、耐疲勞性、自潤滑等優(yōu)良性能。缺點(diǎn)是缺口沖擊強(qiáng)度低，成型收縮率大，故大部分采用玻璃纖維增強(qiáng)或無機(jī)填充改性，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度可提高100%以上，熱變形溫度也大幅度提高，一般在200℃以上，可以在140℃下長期工作。

2.1 強(qiáng)度計(jì)算

以上海日立生產(chǎn)的某款壓縮機(jī)所用下排氣消音器為例，利用計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）軟件對含30%玻纖的改性PBT消音器進(jìn)行應(yīng)力分析。含30%玻纖的改性PBT與批量消音器用冷軋鋼板的基本性能如表1所示。消音器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括3個(gè)型腔和3個(gè)螺栓孔，壁厚2 mm。

表1 改性PBT與冷軋鋼板基本性能比較

圖1 消音器結(jié)構(gòu)

CAE計(jì)算結(jié)果如圖2所示，在0.2 MPa內(nèi)壓作用下，改性PBT消音器最大應(yīng)力在螺栓孔部位，為44.2 MPa，小于材料的拉伸強(qiáng)度，理論分析表明：改性PBT可以滿足強(qiáng)度要求。

2.2 固有頻率計(jì)算

圖2 應(yīng)力分布云圖

雖然改性PBT消音器壁厚增加至2 mm，但由于其彈性模量低，與批量產(chǎn)金屬消音器相比，固有頻率必然會有一定差異。根據(jù)CAE分析結(jié)果（見圖3），改性PBT消音器與量產(chǎn)金屬消音器的一階、二階、三階固有頻率差異較大，尤其是二階固有頻率較批量產(chǎn)金屬消音器低，實(shí)際消音效果需要通過試驗(yàn)確認(rèn)。另外，消音器的固有頻率不僅與材料相關(guān)，也與結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，因批量產(chǎn)金屬消音器是通過沖壓成型，一些復(fù)雜的內(nèi)部型腔很難完成，而PBT消音器采用注塑方式加工而成，完全可以克服上述問題。在滿足強(qiáng)度的情況下，后續(xù)可做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 固有頻率比較

3 應(yīng)用情況

選用含30%玻纖的改性PBT通過注塑的方式制得上海日立生產(chǎn)的某款壓縮機(jī)所用下排氣塑料消音器，對其進(jìn)行了性能和可靠性考核，與批量產(chǎn)金屬消音器相比，結(jié)構(gòu)相同，僅材質(zhì)作了變更。整機(jī)試驗(yàn)前，進(jìn)行了相容性認(rèn)定。

3.1 相容性認(rèn)定

對于全封閉旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)內(nèi)部材料切換必須進(jìn)行相容性認(rèn)定，以確認(rèn)新材料在使用過程中是否會與系統(tǒng)材料、冷凍機(jī)油或制冷劑發(fā)生反應(yīng)。PBT材料雖然已在冰箱壓縮機(jī)消音器上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但在家用空調(diào)旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)上作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料直接使用還未發(fā)現(xiàn)先例，故在整機(jī)試驗(yàn)前進(jìn)行了相容性認(rèn)定。選擇目前旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)常用的冷媒R22和R410A為環(huán)境介質(zhì)，對PBT材料與4GSI／R22，HAF68／R410A 及a68／R410A 的3組冷凍機(jī)油／冷媒進(jìn)行了相容性試驗(yàn)，結(jié)果如下：

（1）試驗(yàn)前后PBT材料的外觀無變化，如圖4（a）所示，質(zhì)量變化率都在2.1%以內(nèi)；

（2）試驗(yàn)前后3種冷凍機(jī)油的色度、酸值以及低溫析出性符合判定標(biāo)準(zhǔn)，如圖4（b）～（d）所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，PBT 材料與4GSI／R22，HAF68／R410A及a68／R410A的相容性試驗(yàn)通過。

圖4 試驗(yàn)后PBT材料和油品的外觀

3.2 性能考核

塑料消音器與金屬消音器相比，2種材料基本性能差異較大，如導(dǎo)熱性能、固有頻率等；另外，與下缸蓋配合狀態(tài)也不完全一樣，對壓縮機(jī)的冷力和噪音振動(dòng)性能影響較大，尤其是噪音振動(dòng)性能。

選取26.4 cm3排量、R410A冷媒、50 Hz機(jī)種同時(shí)裝配批量產(chǎn)金屬消音器，與PBT下消音進(jìn)行冷力、噪音試驗(yàn)。

3.2.1 冷力試驗(yàn)結(jié)果

按照GB／T 5773—2004中規(guī)定的制冷量試驗(yàn)條件（見表2），對裝有PBT下消音器和批量產(chǎn)金屬消音器的壓縮機(jī)進(jìn)行冷力試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。使用PBT下消音器，壓縮機(jī)的性能與批量產(chǎn)品（使用金屬消音器）基本相當(dāng)。

表2 制冷量試驗(yàn)條件（GB／T 5773—2004） ℃

表3 冷力試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 噪音振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

噪音振動(dòng)試驗(yàn)按照上海日立電器有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行（非聲功率級），試驗(yàn)結(jié)果見表4。采用PBT下消音器的壓縮機(jī)其OA值（Over All，指聲壓級噪音振動(dòng)評價(jià)方法中，各個(gè)頻率下的噪音采用A計(jì)權(quán)計(jì)算出的總噪音值）和振動(dòng)與采用金屬下消音器的量產(chǎn)品相當(dāng)，其中X方向上OA值比量產(chǎn)品高0.72 dB，Y方向上OA值比量產(chǎn)品高0.5 dB。從頻譜圖來看（圖5），各個(gè)頻段上采用PBT下消音器的壓縮機(jī)噪音性能與量產(chǎn)品（采用金屬下消音器）基本相當(dāng)。

表4 噪音振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 可靠性考核

按照GB／T 15765—2006中規(guī)定的定速壓縮機(jī)加速壽命試驗(yàn)條件，對裝配改性PBT下消音器的壓縮機(jī)進(jìn)行2 000 h加速壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后解體調(diào)查發(fā)現(xiàn)，改性PBT下消音器并未發(fā)生破裂或損壞等異?，F(xiàn)象，結(jié)果合格。鑒于塑料對溫度的敏感性，對改性PBT下消音器進(jìn)行了高低溫循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸變化微小，可以接受，且未發(fā)現(xiàn)PBT材料有降解老化現(xiàn)象。

圖5 采用PBT下消與量產(chǎn)金屬下消的壓縮機(jī)噪音頻譜比較

4 結(jié) 語

（1）改性PBT排氣消音器用于旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，整機(jī)性能試驗(yàn)、噪音振動(dòng)試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證合格，結(jié)果可行；

（2）改性PBT消音器型腔可變，后續(xù)可針對噪音降低做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 張文峰.淺談家用空調(diào)的噪音控制[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（19）：39.

[2] 劉 寧，王太勇，尚志武，等.空調(diào)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)消聲器實(shí)驗(yàn)分析及改進(jìn)研究[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2005（4）：28－31.

[3] 袁毅凱，楊涇濤，高 強(qiáng).旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)消音器內(nèi)壓力脈動(dòng)研究[J].家電科技，2005（12）：40－42.

[4] 鄭成剛，張勛生，李冬濱.汽車用高性能工程塑料的發(fā)展動(dòng)向[J].材料應(yīng)用，2011（4）：50－53.

[5] 錢志國，姚新寧，景 肅，等.工程塑料及其合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用，2008，36（11）：45－49.

[6] 朱芝培.國內(nèi)外汽車用塑料的現(xiàn)狀和展望[J].化工新型材料，2001，29（2）：35－37.

[7] 張華俊，蒲 亮，李洪俊，等.冰箱壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢[J].低溫與特氣，2001，19（5）：5－7.