風(fēng)冷冰箱排水系統(tǒng)降噪技術(shù)研究

張海鵬 丁龍輝 孫敬龍 潘毅廣 王威

海信（山東）冰箱有限公司 山東青島 266000

1 引言

隨著人們對高品質(zhì)生活的不斷追求，低噪聲、穩(wěn)定運行已成為用戶對冰箱的最基本要求，是衡量冰箱品質(zhì)的基本因素[1]。而冰箱運行過程中聲信號是否穩(wěn)定，也是用戶對聲音感知的決定性因素，冰箱運行過程中聲信號的突變和毛刺，作為聲品質(zhì)基本參數(shù)中的重要評價內(nèi)容，很大程度上影響著用戶對冰箱的體驗。冰箱間室關(guān)門后，箱內(nèi)形成一個密閉的空間，由于冰箱開門導(dǎo)致熱空氣的流入，以及關(guān)門后間室內(nèi)溫度的降低，間室內(nèi)會形成負壓，排水口作為間室與外界連通的接口就成為平衡箱內(nèi)壓力的核心部件。通過排水管吸入空氣進行箱內(nèi)外氣壓的平衡，如蒸發(fā)皿中有水就會產(chǎn)生吸水的現(xiàn)象，水和空氣的同時吸入，會產(chǎn)生“咕?！钡奈肼暋＿@種吸水噪聲直接影響用戶對冰箱聲音的主觀感受[2]。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

目前冰箱行業(yè)內(nèi)的解決方案有兩種，第一種：排水管側(cè)向開孔，此方案可以通過排水管（如圖1）側(cè)向開的孔平衡箱體內(nèi)負壓，避免產(chǎn)生吸水噪聲。但孔的大小對冰箱性能的影響比較明顯，開孔小開門瞬時的負壓不容易平衡，會導(dǎo)致開門困難，同時可能會產(chǎn)生很大的嘯叫聲；開孔過大濕熱空氣會通過側(cè)向孔進入箱體，使間室內(nèi)溫度升高，增加冰箱的耗電，同時濕熱空氣的進入還會促使蒸發(fā)器結(jié)霜，影響冰箱的性能，雖然可以解決吸水噪聲的問題，但需要犧牲更多的性能，解決噪聲問題代價過大。

圖1 側(cè)向開孔排水管

第二種：采用換氣閥結(jié)構(gòu)，分為兩種結(jié)構(gòu)：（1）如圖2，排水口吸氣時閥門打開，空氣通過預(yù)留的氣門進入，可以平衡箱內(nèi)負壓，負壓平衡后，閥芯在重力作用下回落，氣門關(guān)閉，化霜水可以從閥芯中間落入蒸發(fā)皿，閥芯中空方便化霜水的落下，此閥門結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本較高；（2）如圖3，換氣閥組件與排水管連接，形成排水結(jié)構(gòu)，間室內(nèi)存在負壓時換氣閥組件的閥板打開，空氣通過預(yù)留的換氣閥組件的氣門進入平衡間室內(nèi)負壓，負壓平衡后，閥板在重力作用下回落，關(guān)閉箱內(nèi)排水管與外界聯(lián)通的出口，當(dāng)化霜時化霜水由閥板旁邊的換氣閥出水口流入到排水管中，完成化霜水的引流，此結(jié)構(gòu)占用空間較大，不適合多系統(tǒng)冰箱。此兩種結(jié)構(gòu)雖然解決了吸水噪聲問題，但由于其閥芯和閥板因重力回落，引入了新的噪聲（閥芯、閥板回落沖擊噪聲）。

圖2 閥芯式換氣閥

圖3 閥板式換氣閥

3 降噪技術(shù)研究

3.1 噪聲產(chǎn)生機理

風(fēng)冷冰箱的原理是利用空氣循環(huán)進行制冷，高溫空氣流經(jīng)內(nèi)置的冷的蒸發(fā)器時，兩者發(fā)生熱交換，空氣的溫度降低，通過風(fēng)扇等部件將冷氣吹入冰箱間室，形成強制對流，通過這種不斷的循環(huán)方式，降低冰箱間室內(nèi)的溫度?？諝庵写嬖谥魵?，水蒸氣遇冷會凝結(jié)，所以冷的蒸發(fā)器上就會有霜產(chǎn)生，同時冰箱內(nèi)食物水分蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣也會加速蒸發(fā)器上霜層的形成。風(fēng)冷冰箱化霜時，通過加熱絲加熱使翅片蒸發(fā)器上的霜融化為化霜水，化霜水滴落到下部的化霜水接水盤內(nèi)，此部分物態(tài)變化全部在箱內(nèi)進行，化霜水在重力的作用下，通過排水系統(tǒng)流入到間室外部的蒸發(fā)皿中，再經(jīng)過蒸發(fā)皿中熱的管路來加快化霜水的蒸發(fā)。

冰箱間室關(guān)門后，箱內(nèi)形成一個密閉的空間，開門會導(dǎo)致熱空氣的流入，其過程可用玻意耳定律和蓋·呂薩克定律定量描述。

玻意耳定律：一定質(zhì)量的氣體在溫度不變的準(zhǔn)靜態(tài)過程中，氣體壓強和體積的乘積是一個常數(shù)，可表示為：

式中：P是氣體的壓強，單位為Pa；V是氣體的體積；C1是一個與氣體性質(zhì)、質(zhì)量和溫度有關(guān)的常數(shù)。

蓋·呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體在壓強不變的準(zhǔn)靜態(tài)過程中，氣體體積V與熱力學(xué)溫度T之比為一常數(shù)，可表示為：

式中：V是氣體的體積；T是氣體的溫度，單位為K（開爾文）；C2是由氣體性質(zhì)、質(zhì)量和壓強確定的常數(shù)[3]。

合并后的理想氣體的克拉伯龍方程：

式中：P是氣體的壓強，單位為Pa；V是氣體的體積；m是氣體的質(zhì)量；M是氣體摩爾質(zhì)量，(m/M)為摩爾數(shù)；R是普適氣體常量，R=8.31 J/mol；T是氣體的溫度，單位為K（開爾文）[4]。

氣體體積不變，溫度降低，間室內(nèi)會形成負壓，此時間室與外界連通的唯一接口排水系統(tǒng)，就成為平衡箱內(nèi)壓力的唯一部件，通過排水管吸氣進行箱內(nèi)外氣壓的平衡，如果接水盤中有水就會產(chǎn)生吸水的現(xiàn)象，水和空氣的同時吸入，在重力作用下就會產(chǎn)生“咕?！甭暎怏w上升進入間室平衡負壓，水在重力作用下回落）。負壓大小與間室空間、開關(guān)門行程和速度、間室內(nèi)外溫度差有關(guān)，夏季間室溫度較低，環(huán)境溫度較高，更容易形成較大負壓，通過間室內(nèi)負壓監(jiān)控，負壓平衡時間一般在15 s左右，如圖4所示，黑色曲線為間室壓力隨時間變化曲線[5]，所以在關(guān)門后的10～15 s內(nèi)很容易聽到這種異常的吸水噪聲。

圖4 冰箱冷凍間室壓力變化曲線

風(fēng)冷冰箱排水系統(tǒng)需要一種換氣結(jié)構(gòu)消除排水系統(tǒng)平衡箱內(nèi)負壓狀態(tài)下產(chǎn)生的吸水噪聲，同時提升冰箱的制冷、耗電等性能[6]。

3.2 降噪方案

3.2.1 降噪方案設(shè)計

設(shè)計排水管由上部排水管路、薄膜閥片和下部排水管路組成，如圖5所示，下部排水管路為雙管結(jié)構(gòu)，分為內(nèi)管和外管，側(cè)方開有進氣門，并與內(nèi)管聯(lián)通。如圖6所示，空氣可以通過進氣門、內(nèi)管、上部排水管路進入箱體間室，進氣門兩邊是氣門支撐柱，支撐柱在內(nèi)管和外管之間，并在豎直方向開有通孔，可以使化霜水順利流下。薄膜閥片安裝在下部排水管路的內(nèi)管上，由具有彈性的軟質(zhì)材料（例如：橡膠、硅膠）制作而成，當(dāng)箱內(nèi)間室形成負壓，薄膜閥片在氣壓的作用下打開，空氣優(yōu)先通過進氣門進入箱體，平衡間室內(nèi)外的氣壓，而非通過排水管下部平衡氣壓，避免吸水噪聲的產(chǎn)生。當(dāng)箱內(nèi)氣壓與外界氣壓平衡后，由于薄膜閥片材料的軟彈性和自身重力，薄膜閥片恢復(fù)原有形狀，擋住內(nèi)管口，將間室與外界隔開，使?jié)駸峥諝鉄o法進入到箱體間室內(nèi)，不影響冰箱的耗電和制冷性能，同時薄膜閥片擋住內(nèi)管口，使化霜水也無法由內(nèi)管流入。如圖7所示，當(dāng)冰箱化霜時，化霜水由箱內(nèi)接水盤流入排水管，經(jīng)上部排水管、氣門支撐柱豎向的通孔、下部排水管流入蒸發(fā)皿，完成化霜。

圖5 排水管結(jié)構(gòu)

圖6 下部排水管剖面

圖7 排水管剖面

上部排水管路與下部排水管路通過過盈配合、螺紋旋合等方式安裝在一起，整個排水管上端與箱內(nèi)接水盤相連，下端固定在蒸發(fā)皿中的限位圓槽內(nèi)。

3.2.2 試驗驗證

為保證初始排水管與設(shè)計排水管噪聲情況的對比，需保證每次試驗箱內(nèi)負壓相同。使用某一型號冰箱在半消聲室中進行試驗，使用SIEMENS-SCM202數(shù)據(jù)采集儀進行噪聲數(shù)據(jù)采集，試驗環(huán)境溫度統(tǒng)一設(shè)為22℃，通過實時檢測間室溫度，保證間室溫度為-21℃時進行開門操作，冷凍室開門角度固定為90°，開門后維持15 s后關(guān)閉門體。為保證關(guān)門的力度與速度相同，關(guān)門依靠助吸器的回復(fù)力進行門體的自主關(guān)閉，通過保證以上條件的一致可以基本保證每次試驗間室內(nèi)負壓相同。如圖8，保證聲信號的清晰，聲壓傳感器布置在距離排水管20 cm的正前方，高度為排水管中間位置。

圖8 排水管噪聲測試

3.2.3 結(jié)果分析

蒸發(fā)皿中化霜水可能出現(xiàn)多種情況，以蒸發(fā)皿中有大量水（淹沒排水管口）的情況進行測試分析。如表1、圖9所示，當(dāng)蒸發(fā)皿中有大量水時，設(shè)計排水管與初始排水管相比，間室負壓平衡時間由22 s降低為11 s，前5 s噪聲由49.97 dB降為46.08 dB，前10 s噪聲由48.21 dB降為43.69 dB，峰值噪聲變化不明顯。

表1 蒸發(fā)皿中有大量水時設(shè)計方案的噪聲對比

圖9 蒸發(fā)皿中有大量水設(shè)計方案噪聲曲線對比

由于設(shè)計排水管與現(xiàn)有排水管吸水噪聲相比，降噪效果不明顯，主觀聽取僅噪聲產(chǎn)生時間有所減短，噪聲大小并無明顯變化，需進行進一步優(yōu)化。

3.3 設(shè)計優(yōu)化方案

3.3.1 優(yōu)化方案

排水系統(tǒng)由箱內(nèi)接水盤、換氣閥組件和排水管組成，換氣閥組件安裝在箱內(nèi)接水盤與下部排水管之間，換氣閥組件與下部排水管通過過盈配合、螺紋旋合、凹凸槽插接等方式連接，如圖10所示。

圖10 排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

換氣閥組件由排水管轉(zhuǎn)接盤、薄膜閥片、換氣閥組成，如圖11所示，排水管轉(zhuǎn)接盤與箱內(nèi)接水盤相連，換氣閥設(shè)計為雙管結(jié)構(gòu)，外管和內(nèi)管上設(shè)有氣門，內(nèi)管與氣門連通，可以在箱內(nèi)形成負壓時方便空氣進入間室。薄膜閥片安裝在內(nèi)管上方，當(dāng)箱內(nèi)形成負壓時，薄膜閥片上下的壓差會使薄膜閥片產(chǎn)生形變，空氣從氣門經(jīng)內(nèi)管管口和薄膜閥片的間隙進入間室內(nèi)部，平衡間室內(nèi)的負壓。由于下部排水管安裝到蒸發(fā)皿內(nèi)的安裝槽中，箱內(nèi)形成負壓時，空氣不會通過下部排水管路與蒸發(fā)皿內(nèi)的安裝槽進入，從而不會產(chǎn)生吸水噪聲。當(dāng)箱內(nèi)負壓平衡后，空氣對薄膜閥片的壓力消失，薄膜閥片在重力和回復(fù)力（薄膜閥片材料的軟彈性）的作用下回落，封閉內(nèi)管管口，使?jié)駸峥諝鉄o法進入箱內(nèi)，減慢霜層的形成，降低間室的溫升，提升冰箱的耗電和保鮮水平?；獣r，化霜水由冰箱內(nèi)部接水盤經(jīng)內(nèi)換氣閥外管間中空的氣門支撐柱、下部排水管流入蒸發(fā)皿中完成化霜。

圖11 換氣閥結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 結(jié)果分析

將優(yōu)化方案進行不同尺寸的驗證，優(yōu)化方案1換氣閥外徑30 mm，優(yōu)化方案2換氣閥外徑40 mm，換氣閥外徑的增大可以增加氣門和內(nèi)管口的面積。蒸發(fā)皿中化霜水可能出現(xiàn)多種情況，分別以蒸發(fā)皿中無水、有少量水（未淹沒排水管口）和有大量水（淹沒排水管口）的情況進行測試分析。

如表2和圖12所示，當(dāng)蒸發(fā)皿中無水時，兩組優(yōu)化方案基本相同，間室負壓平衡時間由14 s降至約8 s，前5 s噪聲由46.54 dB降至約32 dB，前10 s噪聲由44.20 dB降至約30 dB，峰值噪聲由48.93 dB降至約34 dB。

表2 蒸發(fā)皿中無水各方案噪聲對比

圖12 蒸發(fā)皿中無水各方案噪聲曲線對比

如表3和圖13所示，當(dāng)蒸發(fā)皿中有少量水（未淹沒排水管口）時，兩組優(yōu)化方案相差不大，間室負壓平衡時間由15 s降至約9 s；前5 s噪聲由46.24 dB降至約38 dB；前10 s噪聲由43.97 dB降至約36 dB；峰值噪聲初始48.22 dB，優(yōu)化方案1降至42.01 dB，優(yōu)化方案2降至39.92 dB。

圖13 蒸發(fā)皿中有少量水時各方案噪聲曲線對比

表3 蒸發(fā)皿中有少量水時各方案噪聲對比

如表4和圖14所示，當(dāng)蒸發(fā)皿中有大量水（淹沒排水管口）時，間室負壓平衡時間初始22 s，優(yōu)化方案1降至10 s，優(yōu)化方案2降至6 s；前5 s噪聲初始49.97 dB，優(yōu)化方案1降至41.01 dB，優(yōu)化方案2降至30.85 dB；前10 s噪聲初始48.21 dB，優(yōu)化方案1降至38.67 dB，優(yōu)化方案2降至28.61 dB；峰值噪聲初始52.18 dB，優(yōu)化方案1降至42.93 dB，優(yōu)化方案2降至33.17 dB。

表4 蒸發(fā)皿中有大量水時各方案噪聲對比

圖14 蒸發(fā)皿中有大量水時各方案噪聲曲線對比

4 結(jié)論

通過在冰箱產(chǎn)品上進行驗證，可以看出優(yōu)化方案可以有效降低噪聲，通過聲信號錄制進行主觀評價，優(yōu)化方案消除了冰箱關(guān)門后負壓平衡時的“咕?！甭暋Ｕ舭l(fā)皿中有大量水時，增加換氣閥內(nèi)管直徑可以進一步降低負壓平衡階段的時間和噪聲，當(dāng)換氣閥內(nèi)管口面積與接水盤出箱口面積相同時，負壓平衡時間最小、噪聲最低，繼續(xù)增加換氣閥內(nèi)管直徑對平衡時間和噪聲不產(chǎn)生影響。換氣閥的結(jié)構(gòu)形式不局限于本設(shè)計，類似結(jié)構(gòu)的單向閥、逆止閥等隨氣壓壓差打開，氣壓平衡后隨重力或材料彈性關(guān)閉的換氣閥結(jié)構(gòu)，都可以解決風(fēng)冷冰箱排水系統(tǒng)吸水噪聲問題。