壁掛式整體熱泵熱水器降噪方法研究與應用

李文明

艾歐史密斯（中國）熱水器有限公司 江蘇南京 210038

1 引言

家用整體熱泵熱水器一般有壁掛式、落地式兩種形式，落地式整體熱泵熱水器，容積一般在120L以上，體積和功率較大，通常放在室外或設備間里，運行噪聲對人的直接影響不大。壁掛式整體熱泵熱水器，以下簡稱壁掛熱泵熱水器，容積在50L～100L，體積和功率小，熱泵單元與儲水箱單元一體設計，結(jié)構(gòu)緊湊、機器外形與普通電熱水器基本相同，安裝位置和方式也與普通電熱水器一樣，通常是在衛(wèi)生間壁掛安裝。壁掛熱泵熱水器是利用空氣能轉(zhuǎn)換為熱能的原理，加熱相同體積熱水所需消耗的電能比普通電熱水器節(jié)約一半以上電能。壁掛熱泵熱水器比普通電熱水器節(jié)能環(huán)保，被越來越多的家庭選擇使用。然而壁掛熱泵熱水器運行噪聲直接在室內(nèi)傳播，對人們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生一定的影響，用戶經(jīng)常抱怨，噪聲問題逐漸成為消費者的痛點之一。如何降低壁掛熱泵熱水器的噪聲問題，減少噪聲污染，筆者通過產(chǎn)品實踐，進行不同實施方法的研究，并成功運用到產(chǎn)品上。

2 壁掛熱泵熱水器的噪聲特點

壁掛熱泵熱水器的噪聲來源主要包括：壓縮機、軸流風機、配管振動等。在半消聲室，測試儀器用Ⅰ型或Ⅰ型以上的聲級計［1］，在環(huán)境溫度20℃條件下，機器穩(wěn)定運行一段時間后開始測試。機器噪聲測試示意圖如圖1所示，為了直觀表示壓縮機等熱泵部件位置，其外面的塑料罩殼在圖上沒有表達，噪聲測試是在有塑料罩殼的情況下進行的。測試儀距離機器表面1m處，分別測試五個點的噪聲（前面、后面、左側(cè)、右側(cè)、上方），取其平均值。改進前壁掛熱泵熱水器噪聲測試值為：單獨運行壓縮機，噪音均值為44.5dB(A)，單獨運行軸流風機，噪音均值是48.2dB(A)，壁掛熱泵熱水器整機工作噪音均值為48.6dB(A)，具體測試數(shù)據(jù)如表1所示。

軸流風機比壓縮機的噪音值高3.7dB(A)，噪聲大但較柔和；壓縮機運行時噪聲值低些，但沉悶有力，穿透力強，會使人心情煩躁；不合理的配管設計，不僅不能減小壓縮機的振動，甚至起到反作用，帶來異常噪聲［2］。壁掛熱泵熱水器一般都掛在衛(wèi)生間的墻上，衛(wèi)生間四周墻體表面是瓷磚，瓷磚對噪聲有反射和疊加作用，會起到放大效果，這是特殊的使用環(huán)境對機器噪聲的影響。

3 不同降噪設計及其效果測試

噪聲控制一般從噪聲源、噪聲傳播路徑和噪聲接受者三方面入手。噪聲控制主要以噪聲的聲學控制方法為主，具體技術一般包括隔聲處理、吸聲處理、振動隔離等［3］。壁掛熱泵熱水器降噪主要從噪聲源和噪聲傳播路徑兩方面進行，根據(jù)壓縮機、軸流風機、配管形式和風道結(jié)構(gòu)等不同特點，采用不同方法進行降噪。

3.1 壓縮機和風機降噪設計

壓縮機在高速運轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)部壓力和溫度急驟變化，產(chǎn)生強力振動，通過底腳和吸、排氣管向外傳遞，為了減少這種振動傳遞，壓縮機底腳都會用橡膠墊來減振。改進前壓縮機底腳減振墊的材料是丁腈橡膠（NBR），邵氏硬度為60度，減振墊單層結(jié)構(gòu)設計，壓縮機運行振動，在機器其他部位振感明顯，有共振現(xiàn)象，減振效果不理想。為了提高減振墊的減振效果，可以從材料和結(jié)構(gòu)方面進行優(yōu)化。在材料方面，橡膠材料在交變應力作用下，由于所特有的粘彈性，形變的變化落后于應力的變化，發(fā)生滯后現(xiàn)象，形變能量（振動）以熱能或其他形式消耗掉。用丁基橡膠（IIR）代替原來的NBR橡膠，其邵氏硬度降到40度，橡膠變得更軟，從而可以通過橡膠更大的形變來耗散振動能量，達到減振效果。在結(jié)構(gòu)方面，減振墊設計成多層階梯狀緩沖結(jié)構(gòu)，增強減振效果。通過橡膠墊材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，壓縮機運行振動引起的共振現(xiàn)象基本消除，減振降噪效果明顯。

另外，壓縮機底腳固定方式按隔振結(jié)構(gòu)來設計，緊固件用限位螺釘，螺桿外徑與減振墊內(nèi)孔留有0.5mm間隙，螺釘鎖緊后，減振墊上方的平墊片與減振墊表面留有1.5mm間隙；壓縮機固定后，減振墊在軸向和徑向都是無約束自由狀態(tài)；當壓縮機運行時，底腳減振墊有足夠的空間來吸收壓縮機產(chǎn)生的振動位移，這樣能起到很好的隔振降噪效果。底腳減振墊通過減振和隔振方案的改進，噪音值改善約有1dB(A)，效果明顯，對比測試如表2所示。

軸流風機轉(zhuǎn)速越高，風量越大，在提高蒸發(fā)器換熱效果的同時，噪聲也相應增大；改進前風機轉(zhuǎn)速是1550RPM，風機扇葉的扭曲角度是20度，測得風機噪音值48.2dB(A)，風機轉(zhuǎn)速高是噪聲大的主要原因之一。降低轉(zhuǎn)速是改善軸流風機噪聲的一個有效途徑，但是要保證蒸發(fā)器原有的換熱效果，風機風量不能減少。一種方法是增大風機扇葉直徑提高風量，但是由于壁掛熱泵尺寸的限制，風機扇葉直徑不能增加；另一種方法是增大風機扇葉的扭曲角度提高風量，而且扇葉直徑不需要變化。通過不同轉(zhuǎn)速電機與不同扭曲角度扇葉進行效果測試驗證，最終選取一組對降噪效果比較好的參數(shù)，即：電機轉(zhuǎn)速為1200RPM，扇葉扭曲角度為23度，風機的風量與原來基本保持不變，噪音值降低約3dB(A)，降噪效果明顯，風機優(yōu)化前后噪聲對比測試如表3所示。

圖1 機器噪聲測試示意圖

表1 機器改進前噪聲測試

表2 壓縮機底腳橡膠墊優(yōu)化前后噪聲對比測試

表3 風機優(yōu)化前后噪聲對比測試

3.2 管路系統(tǒng)減振設計

圖2 管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 降噪風道結(jié)構(gòu)示意圖

表4 風道優(yōu)化前后噪聲對比測試

管路系統(tǒng)由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、毛細管和配管等組成，管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。壓縮機排氣配管內(nèi)冷媒是高溫高壓狀態(tài)，振動大，排氣配管設計需要充分利用配管U型彎、減振膠泥等措施來減振。壓縮機的排氣配管與冷凝器之間距離較大，排氣配管設計成了一個長的U型彎，壓縮機的振動在長U型彎上逐漸衰減，當傳遞到冷凝器時，振動能量已經(jīng)衰減一部分；把冷凝器設計成螺旋管盤狀，類似于彈簧結(jié)構(gòu)，具有很好的吸振效果，剩余振動能量經(jīng)過冷凝器后基本消除。壓縮機吸氣配管與蒸發(fā)器出口這一段，由于兩者距離較近，壓縮機的振動也容易傳遞到蒸發(fā)器，產(chǎn)生振動噪聲，這段吸氣配管需設計成多個U形彎，來提高減振效果，一般是2到3個U形彎；如果U形彎數(shù)量再增加，不但減振效果沒有明顯提高，反而會增大管路內(nèi)部冷媒流動阻力，帶來其他問題［4］。冷凝器出口與蒸發(fā)器進口之間有一段毛細管，雖然這段管路振動小，但也要考慮振動噪聲問題，如果處理不當，會發(fā)出異常噪聲。為了減小圈與圈之間的振動摩擦，毛細管通常設計成螺旋狀，在加工成螺旋狀前，先在毛細管外表套一層軟的塑料管，用來隔離圈與圈之間的振動摩擦。如果螺旋狀毛細管振動大，可以在螺旋圈上包裹一塊軟的吸振橡膠泥，把振動降到最低；另外，配管振動也可以采用橡膠減振塊等類似處理方法。

3.3 降噪風道結(jié)構(gòu)設計

為了方便噪聲處理，將壓縮機、風機等噪聲源設計成一個模塊，置于塑料罩殼內(nèi)，塑料罩殼的兩側(cè)設計有進風口和出風口，塑料罩殼內(nèi)部設計成專門降噪風道結(jié)構(gòu)來降低噪聲，降噪風道結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在進風口處蒸發(fā)器周邊設有內(nèi)消音隔板，蒸發(fā)器進風口正前方設有外消音隔板，內(nèi)、外消音隔板之間保留足夠?qū)挾群烷L度的風道，盡量減小風量損失［5］，兩種隔板上都貼有吸音材料。蒸發(fā)器出風口處有導流圈，風機扇葉與導流圈有部分重疊，這樣使扇葉旋轉(zhuǎn)時形成一個圓柱形風道，并能產(chǎn)生足夠的軸向風力，增加出風量；此處風機葉片與導流圈重疊尺寸不宜太多，否則會影響噪聲，在設計時需充分驗證最佳重疊尺寸。在出風口處罩殼增加擾流擋板，其表面貼有吸音材料。

當風機運轉(zhuǎn)時，在進風口處，風從罩殼右側(cè)面進入，轉(zhuǎn)90°后進入消音通道，然后再轉(zhuǎn)90°進入蒸發(fā)器，噪聲開始衰減。由于蒸發(fā)器的翅片縫隙小，空氣流速突然增大，氣流噪聲變得尖銳，尖銳噪聲在內(nèi)、外隔音板之間來回反射減弱，消音隔板起到很好的吸音和隔音效果。風機傳出噪聲傳到罩殼反射板后被返回，再躍過中間的擾流擋板，最后從罩殼的兩個直角口傳出來；噪聲在風道中迂回曲折，出風路徑軌跡類似于正弦波，起到間接延長風道作用，噪聲在長距離傳播過程中得到有效衰減。通過優(yōu)化風道使噪音值下降約5dB(A)，對比測試如表4所示。

3.4 整機降噪聲效果測試

測試場所、測試儀器和測試方法等與前面所述相同。整機經(jīng)過降噪處理后平均噪音值為38.3dB(A)，未降噪處理的噪音值是48.6dB(A)，降噪效果明顯，具體噪音值對比測試如表5所示。

表5 整機降噪前后效果對比測試

4 結(jié)語

通過實踐驗證，首先對壁掛式整體熱泵熱水器的噪聲源進行減振、降噪等處理，如壓縮機減振墊優(yōu)化、風機轉(zhuǎn)速和扇葉扭曲角度調(diào)整、管路系統(tǒng)減振設計等；然后對噪聲傳播路徑進行二次降噪處理，采用降噪風道結(jié)構(gòu)，并配合吸聲材料的運用，使噪聲能量在傳播過程中得到有效衰減，進一步降低噪聲。通過上述措施，整機噪音值下降約10dB(A)，降噪效果明顯，滿足壁掛熱泵熱水器在室內(nèi)安裝要求，基本消除噪聲對人的影響。由于降噪方式主要采用設計優(yōu)化和降噪風道結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其成本增加較少，經(jīng)濟性好，可以在熱泵產(chǎn)品或其他類似產(chǎn)品的降噪設計中推廣使用。