家用冰箱制冷劑流動噪音機理與控制研究

孫敬龍，丁龍輝，張海鵬，潘毅廣

（海信（山東）冰箱有限公司，山東青島 266071）

0 引言

壓縮機和風機冰箱的主要振動和噪音源，對整機噪音水平有決定性的影響。許多學者對壓縮機和風機減振降噪進行了廣泛的研究，并提出了一些行之有效的措施方法，如改進壓縮機結構形狀[1-2]和隔振措施[3]、優(yōu)化壓縮機排氣消聲器[4]、優(yōu)化風機風道結構[5-6]和風道吸聲降噪[7]等。隨著壓縮機和風機減振降噪技術的發(fā)展，冰箱噪音水平不斷降低。

但隨著風冷多系統(tǒng)冰箱的推廣應用，制冷管路系統(tǒng)越來越復雜，制冷管路中制冷劑流動噪音問題越發(fā)凸顯，已成為眾多消費者的痛點和投訴的主要原因。制冷劑流動噪音包括：毛細管出口的制冷劑噴發(fā)聲與化霜階段制冷劑“咕嚕”冒泡聲[8-9]。HAN等[10]和 CELIK等[11]探究了噴發(fā)噪音的產生機理，發(fā)現(xiàn)制冷劑氣液兩相流動是噪音產生的根本原因。UMEDA 等[12]和劉益才等[13]就如何降低噴噪音展開研究，發(fā)現(xiàn)使用漸擴管可以有效降低噪音。XIA等[14]和MARTINEZ等[15]實驗驗證了漸擴管可以降低制冷劑流速，穩(wěn)定兩相流流場，從而降低噴發(fā)噪音。此外，文獻[16-19]中的研究表明，制冷劑的氣液兩相流動受系統(tǒng)壓力、制冷劑量及流速差的影響，要改善噴發(fā)噪音還需要優(yōu)化系統(tǒng)壓力和制冷劑灌注量。然而，對化霜階段制冷劑“咕?！泵芭萋暤难芯枯^少，“咕?！泵芭萋暤膩碓磁c產生機理還不明確，需要進一步研究。

本文首先采用聲強法定位“咕?！泵芭萋暤膩碓础Ｈ缓蟛捎檬⒉Ａе谱髦评涔苈?，并代替噪音來源位置的管路，實現(xiàn)制冷劑流動特性的可視化。觀察冰箱化霜階段制冷劑的流動特性，制冷劑流動特性與噪音變化的對應關系，得出化霜階段制冷劑“咕?！泵芭萋暤漠a生機理。在此基礎上，通過優(yōu)化制冷管路系統(tǒng)，有效消除了制冷劑“咕?！泵芭萋?，并在產品上推廣應用。

1 噪音源定位

將冰箱后背面設為測量面，將測量面劃分成行列網格并對網格進行排序，每一網格的中點為測量點，網格劃分如圖1所示。

圖1 聲強法測試網格

圖2 聲強分布云圖

實驗測量時，采用PU聲強探頭對準每個測點進行逐點測量，每測點的測量時間約為10 s，采用聲強分析軟件記錄測試結果，然后對數據進行處理。此外，在測試過程中應保持測試環(huán)境不變，測試人員應盡量遠離探頭，以減小人員對聲場的影響。

圖2所示為冰箱背面的聲強分布云圖。由圖2可知，由于化霜階段冰箱壓縮機和風機停止運行，壓縮機和風機位置聲強分布較小。但化霜階段制冷劑的流動噪音比較明顯，“咕?！泵芭萋晛碓从趦σ浩髦兄评鋭┑牧鲃勇?。

2 儲液器制作

2.1 儲液器制作

基于我司BCD-445W型冰箱搭建了實驗臺。由于冰箱制冷劑為R600a，因此采用與R600a制冷劑不相溶的石英玻璃來制作儲液器。儲液器結構包括回氣管、回油孔及儲存空腔。在石英玻璃儲液器外設置有機玻璃透明罩，有機玻璃透明罩與儲液器外壁之間形成真空腔，起絕熱和保護作用，防止可視化儲液器外壁結霜或者結露而影響觀察。儲液器結構如圖3所示。

圖3 儲液器的結構

將儲液器與制冷系統(tǒng)的管路粘接，將粘接好的儲液器嵌入到有機玻璃腔體中，將有機玻璃腔體的底蓋與石英玻璃管粘接固定，然后安裝并固定有機玻璃腔體的頂蓋。將制作好的透明儲液器代替原有儲液器，焊接好連接管路，形成完整的制冷回路。

對系統(tǒng)進行檢漏和抽真空，檢漏時采用氮氣，用耐壓軟管的兩端分別連接充氮閥和壓縮機工藝口，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，直至真空度達到 10 Pa。然后灌入制冷劑，采用橡膠管連接壓縮機工藝管口與制冷劑存儲罐接口，灌入制冷劑質量為68 g。

2.2 噪音測試

實驗時設置環(huán)境溫度分別為20℃。選取冰箱冷藏、冷凍和化霜3種運行工況。觀察20℃環(huán)境溫度下儲液器中制冷劑流動特性，分析“咕嚕”冒泡聲產生的機理。

噪音測試按照國家標準[20]，在半消聲室中測試冰箱化霜階段噪音，采用LMS Test Lab軟件收集數據。測試時，冰箱周圍設置6個測點，如圖4所示，取6個測點噪音級的算術平均值作為最終噪音值。

圖4 噪聲測試

3 實驗結果

圖5所示為冷藏、冷凍階段儲液器中制冷劑的流動特性。冷藏、冷凍階段，制冷劑主要以氣態(tài)形式進入回氣管，且流動較穩(wěn)定，沒有制冷劑流動聲。儲液器中液態(tài)制冷劑占儲液器容積的3/4，沒有淹沒回氣彎管，回氣管中液體少，均分布在管壁，儲液器中制冷劑流動噪音小，沒有冒泡聲。

圖6所示為化霜階段儲液器中制冷劑的流動特性。由圖6可知，化霜開始階段，儲液器中液態(tài)制冷劑液面低于回氣管出口。隨著化霜進行，冷凍室蒸發(fā)器內部分液態(tài)制冷劑吸熱氣化，冷凍室蒸發(fā)器中壓力升高，導致蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑回流進入儲液器?；M行到300 s時，液態(tài)制冷劑液面上升淹沒回氣彎管。當蒸發(fā)器中氣態(tài)制冷劑由回氣彎管排出時，產生“咕?！泵芭萋?。

圖7所示為改善前化霜階段的噪音測試結果。由圖7可知，整個化霜階段持續(xù)了900 s?；_始時，由于液態(tài)制冷劑的流動，產生流動噪音?；?00 s后，回氣彎管被淹沒，當氣態(tài)制冷劑排出時，產生“咕?！痹胍?。由于制冷劑流動的復雜性，整個化霜階段噪音測試曲線上存在較多異常峰值，其峰值噪音為47 dB(A)，平均噪音為30.2 dB(A)。

圖5 冷藏、冷凍階段儲液器中制冷劑

圖6 化霜階段儲液器中制冷劑流動特性

圖7 改善前化霜階段的噪聲測試結果

4 儲液器結構優(yōu)化設計

4.1 結構優(yōu)化

化霜階段，儲液器中產生“咕嚕”冒泡聲是由于液態(tài)制冷劑淹沒了回氣管，導致氣態(tài)制冷劑回流。針對這一問題，采取以下兩種改善方案來降低化霜階段噪音：將原始儲液器的內徑由40 mm增加到55 mm，即增大儲液器容積。在儲液器與冷凍室蒸發(fā)器之間安裝微型球閥，起限流作用，球閥設置如圖8所示。

圖8 設置球閥

4.2 降噪效果驗證

圖9所示為增加儲液器容積后制冷劑的流動特性和噪音測試結果。將儲液器內徑由40 mm增加到55 mm后，實驗觀測到整個化霜階段液態(tài)制冷劑不會淹沒回氣彎管，因此不會產生“咕?！甭暋５捎谡舭l(fā)器內壓力增大，迫使制冷劑流動，仍然存在制冷劑流動聲。峰值噪音明顯減少，化霜階段的噪音明顯下降，噪音降至26.1 dB(A)。

圖9 增加儲液器容積后制冷劑流動特性和噪聲結果

圖10所示為設置球閥后制冷劑的流動特性和噪音測試結果?；A段液態(tài)制冷劑不會淹沒回氣彎管，氣態(tài)制冷劑排出穩(wěn)定，異常噪音峰值大大減少。相對于增加回氣管長度和增加儲液器容積，增設球閥能更好地降低噪音水平，可將化霜階段的噪音降至24.4 dB(A)。

圖10 設置球閥后制冷劑的流動特性和噪聲結果

5 結論

本文采用聲強法定位儲液器中制冷劑流動為主要噪音源，然后制作透明儲液器，實現(xiàn)了制冷劑的可視化。通過觀察和對比冷藏、冷凍和化霜階段儲液器中制冷劑的流動特性，得到了化霜階段“咕嚕”冒泡聲的產生機理，并提出了消除冒泡聲的方法，得到如下結論：

1）冷藏、冷凍階段，儲液器中的制冷劑主要以氣態(tài)形式流動。儲液器中液態(tài)制冷劑沒有淹沒回氣管，儲液器中只有制冷劑流動噪音，沒有冒泡聲；

2）化霜階段，溫度升高，蒸發(fā)器中的壓力升高，內部的液態(tài)制冷劑受壓回流入儲液器，淹沒回氣管。氣態(tài)制冷劑由回氣管排出時，產生“咕?！泵芭萋?；

3）增大儲液器容積，峰值噪音明顯降低，化霜階段噪音降至26.1 dB(A)；設置微型球閥，化霜階段液態(tài)制冷劑沒有淹沒回氣管，氣態(tài)制冷劑排出穩(wěn)定，噪音降至24.4 dB(A)?；A段的制冷劑流動噪音得到有效改善。