密封壓機(jī)艙對(duì)非底置冷凝器冰箱噪聲及能耗影響的實(shí)驗(yàn)研究

楊鵬 張奎

1.青島海爾電冰箱有限公司 山東青島 266103；

2.數(shù)字化家電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266103

0 引言

隨著人民生活和消費(fèi)水平的提高，消費(fèi)者不再僅僅關(guān)注家電產(chǎn)品的基本性能。以冰箱為例，人們對(duì)于冰箱的低噪聲需求越來(lái)越高。因此關(guān)于降低冰箱噪聲的研究不斷增加。

家用電冰箱的噪聲主要有三大來(lái)源：壓縮機(jī)噪聲、風(fēng)機(jī)噪聲、制冷劑噪聲。

壓縮機(jī)噪聲是冰箱整機(jī)噪聲非常重要的來(lái)源。壓縮機(jī)的噪聲主要通過(guò)兩種方式傳遞：（1）通過(guò)壓機(jī)艙的孔隙傳遞到用戶耳中的輻射噪聲；（2）壓縮機(jī)與排、回氣管連接，并通過(guò)底腳固定在壓機(jī)支撐板上，壓縮機(jī)的振動(dòng)通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞引起其他部件振動(dòng)，進(jìn)而傳遞到用戶耳中的結(jié)構(gòu)噪聲。

關(guān)于冰箱整機(jī)噪聲及壓縮機(jī)噪聲的產(chǎn)生原理及消除辦法，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。何靜[1]通過(guò)調(diào)研用戶，發(fā)現(xiàn)冰箱的放置位置會(huì)影響用戶對(duì)噪聲的感知，尤其對(duì)于小戶型人群。其中有將近一半的用戶投訴反饋來(lái)自冰箱壓縮機(jī)噪聲。劉雷[2]對(duì)風(fēng)冷變頻冰箱的噪聲進(jìn)行研究，提出了回氣管路的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。朱小兵[3]等通過(guò)有限元分析及實(shí)驗(yàn)的方法，研究了聲學(xué)超材料對(duì)冰箱整機(jī)噪聲的影響效果。周斌[4]等為解決冰箱壓縮機(jī)艙噪聲問(wèn)題，提出了主動(dòng)降噪的系統(tǒng)及控制方法，通過(guò)降噪單元反向振動(dòng)達(dá)到降噪目的。此外，隨著消聲材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用，行業(yè)也在應(yīng)用消聲材料對(duì)冰箱進(jìn)行降噪。[5]等發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)是冰箱噪聲的主導(dǎo)部分，而壓縮機(jī)的高頻噪聲是造成制冷設(shè)備音質(zhì)較差的主要原因，并使用吸音絕緣材料來(lái)切斷噪聲的傳遞路徑，降低壓縮機(jī)高頻噪聲來(lái)提高聲質(zhì)量。李洪亮[6]對(duì)壓縮機(jī)的噪聲問(wèn)題進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析，將壓縮機(jī)的隔振進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，降低了壓機(jī)的高頻振動(dòng)。孫敬龍[7]等將冰箱壓機(jī)艙蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)穿孔板和吸聲腔，并計(jì)算得到其尺寸結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)可以有效降低壓縮機(jī)艙輻射噪聲。關(guān)于壓縮機(jī)本體噪聲的研究也是冰箱整機(jī)降噪的重要方向。周明龍等[8]總結(jié)了冰箱壓縮機(jī)噪聲產(chǎn)生原因，包括機(jī)械、氣動(dòng)、電磁噪聲，同時(shí)提出了優(yōu)化壓縮機(jī)內(nèi)部組件來(lái)降噪的方法，如抑制吸排氣閥片沖擊，改善摩擦潤(rùn)滑，增加消聲器等。最后展望了冰箱壓縮機(jī)噪聲控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，如采用有源降噪的方法。羅榮邦等[9]通過(guò)模態(tài)測(cè)試找出壓縮機(jī)噪聲源，并通過(guò)優(yōu)化吸氣結(jié)構(gòu)、消聲器和閥片的方法，降低壓縮機(jī)噪聲4.33 dB(A)。壓縮機(jī)本體噪聲的降低由于成本高等原因很難繼續(xù)下降。因此需要探索其他可行性方案。

學(xué)者們關(guān)于冰箱壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)聲降低有很多的研究，但是對(duì)于壓縮機(jī)輻射聲降低的研究較少，尤其關(guān)于減少壓縮機(jī)噪聲從冰箱壓機(jī)艙傳出的相關(guān)研究很少。因此，本文研究了密封壓機(jī)艙方案對(duì)于非底置冷凝器冰箱的噪聲影響，進(jìn)而為探索靜音冰箱的發(fā)展提出了可行性方案。

1 冰箱整機(jī)噪聲傳遞路徑分析

傳遞路徑分析是制造行業(yè)噪聲問(wèn)題常用的解決方法，通過(guò)傳遞路徑分析可以找出噪聲傳遞的路徑，并針對(duì)主要傳遞路徑進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)最小成本下的最大收益。常見(jiàn)的傳遞路徑分析方法有TPA法和OTPA法。其中OTPA法由于操作簡(jiǎn)單，不需拆卸運(yùn)動(dòng)部件，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較多，本文采用OTPA法對(duì)冰箱整機(jī)噪聲進(jìn)行傳遞路徑的分析。

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備

測(cè)試對(duì)象為某型號(hào)非底置冷凝器冰箱，測(cè)試設(shè)備為某公司的振動(dòng)噪聲采集分析儀及專業(yè)分析軟件。對(duì)于冰箱可能的主要噪聲來(lái)源器件布置振動(dòng)傳感器，目標(biāo)點(diǎn)和參考點(diǎn)位置信息如表1所示。

表1 目標(biāo)點(diǎn)和參考點(diǎn)位置

實(shí)驗(yàn)在噪聲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。將冰箱通電運(yùn)行24 h至穩(wěn)定狀態(tài)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.2 結(jié)果分析

將實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到的結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，壓縮機(jī)的輻射噪聲是該型號(hào)冰箱整機(jī)噪聲的主要來(lái)源，其對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)量占比為42%。其次是風(fēng)機(jī)的輻射噪聲，其對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)量占比為28%。回氣管和排氣管的結(jié)構(gòu)聲也是重要的噪聲來(lái)源，貢獻(xiàn)量占比分別為10.5%與7.6%。

表2 各傳遞路徑貢獻(xiàn)量

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的輻射噪聲是主要噪聲來(lái)源。因此降低冰箱壓縮機(jī)的輻射噪聲，是降低冰箱整機(jī)噪聲的最有效方向。

2 壓機(jī)艙噪聲解決方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)降低冰箱壓縮機(jī)輻射噪聲的目標(biāo)，本文采用了密封壓機(jī)艙的方法。由于非底置冷凝器的冰箱壓機(jī)艙的散熱量需求較小，因此對(duì)其壓機(jī)艙采用密封方案具備可行性。

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備

本文采用兩種測(cè)試工況對(duì)密封冰箱壓機(jī)艙方案的效果進(jìn)行研究。工況一為常規(guī)冰箱壓機(jī)艙方案，其包含壓機(jī)支撐板總成與冰箱箱體之間的裝配空隙，以及帶散熱孔的壓機(jī)艙蓋板，該壓機(jī)艙蓋板的開(kāi)孔率為21%；工況二為全密封冰箱壓機(jī)艙方案，壓機(jī)支撐板總成與冰箱箱體之間的裝配空隙采用膠泥進(jìn)行封堵，并采用無(wú)孔壓機(jī)蓋板。兩種工況下壓機(jī)蓋板采用相同的厚度及外形尺寸。兩種工況下壓機(jī)支撐板總成與冰箱箱體之間的裝配空隙如圖1所示。兩種工況下壓機(jī)蓋板如圖2所示。

圖1 壓機(jī)支撐板總成與冰箱箱體之間的裝配

圖2 壓機(jī)蓋板

為有效降低整機(jī)的高頻噪聲，工況二采用200 mm×150 mm×20 mm吸聲材料消音棉，放置于壓機(jī)艙內(nèi)部的兩端。消音棉的形狀與位置如圖3。

圖3 消音棉形狀與位置

測(cè)試在噪聲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。測(cè)試時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)四點(diǎn)法，在冰箱前、后、左、右1 m距離處布置聲壓傳感器，采集測(cè)試點(diǎn)聲壓級(jí)。將冰箱通電運(yùn)行24 h至穩(wěn)定狀態(tài)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 測(cè)試結(jié)果

表3為兩種測(cè)試工況下不同位置測(cè)點(diǎn)的冰箱整機(jī)噪聲聲功率值。測(cè)試工況一的整機(jī)聲功率平均值為34.3 dB(A)；測(cè)試工況二的整機(jī)聲功率平均值為30.0 dB(A)。與工況一相比，工況二冰箱整機(jī)聲功率平均值降低4.3 dB(A)，整機(jī)噪聲水平改善明顯。

表3 不同測(cè)點(diǎn)的噪聲功率值

對(duì)不同位置測(cè)點(diǎn)噪聲值進(jìn)行分析。測(cè)試工況一后部測(cè)試點(diǎn)聲功率值最高，為36.3 dB(A)，測(cè)試工況二后部測(cè)試點(diǎn)聲功率值最高，為31.2 dB(A)。工況二后測(cè)試點(diǎn)噪聲聲功率降低5.1 dB(A)，降低幅度最大。冰箱前部噪聲測(cè)試點(diǎn)改善值為3.9 dB(A)，冰箱左部噪聲測(cè)試點(diǎn)改善值為4.2 dB(A)，冰箱右部噪聲測(cè)試點(diǎn)改善值為4.1 dB(A)。這說(shuō)明密封冰箱壓機(jī)艙方案對(duì)整機(jī)后部的噪聲值改善作用最大。分析原因是測(cè)試冰箱型號(hào)的壓縮機(jī)位于冰箱后側(cè)，因此對(duì)冰箱后部的噪聲值改善最大。冰箱在用戶家中使用時(shí)多為靠墻放置，后部的噪聲會(huì)通過(guò)墻壁反射至前方，因此降低冰箱后部噪聲值也有十分重要的作用。

圖4為兩種測(cè)試工況下的冰箱整機(jī)噪聲頻譜。

圖4 兩種測(cè)試工況下的整機(jī)噪聲頻譜

從頻域圖上來(lái)看，采用密封壓機(jī)艙方案后，所有頻段的噪聲均有改善；低頻及中頻區(qū)（0 Hz～3500 Hz）對(duì)整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量大，主要頻率改善明顯，高頻區(qū)（3500 Hz～4300 Hz）對(duì)整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量較小，但從單頻譜看改善較大。這主要取決于結(jié)構(gòu)本身的隔聲和內(nèi)部的吸聲材料，吸聲材料對(duì)于1000 Hz以上的噪聲吸收能力強(qiáng)，但對(duì)低于1000 Hz的噪聲吸收能力較弱。

從圖5中的1/3倍頻程數(shù)據(jù)來(lái)看，采用密封冰箱壓機(jī)艙方案后，100 Hz以上的噪聲均有改善；低頻區(qū)域100 Hz～500Hz頻帶為主要噪聲貢獻(xiàn)區(qū)，噪聲改善尤為明顯，中頻區(qū)3150 Hz對(duì)整體噪聲也有一定貢獻(xiàn)，該方案也有較好的改善效果；高頻區(qū)4000 Hz以上對(duì)整體噪聲貢獻(xiàn)雖然較小，但也有一定改善。該方案的降噪效果主要取決于結(jié)構(gòu)本身的隔聲和內(nèi)部的吸聲材料。吸聲材料對(duì)于1000 Hz以上的噪聲吸收能力強(qiáng)，但對(duì)低于1000 Hz的噪聲吸收能力較弱。

圖5 兩種測(cè)試工況下的整機(jī)噪聲頻譜

3 密封壓機(jī)艙方案對(duì)整機(jī)能耗的影響

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備

為保證壓縮機(jī)的性能及效率，冰箱壓機(jī)艙有一定的散熱需求。采用密封冰箱壓機(jī)艙的方案對(duì)壓縮機(jī)的散熱有負(fù)面影響，可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)效率下降，整機(jī)制冷性能降低，能耗增加。本文對(duì)兩種工況下的冰箱進(jìn)行耗電量測(cè)試，以確定密封冰箱壓機(jī)艙的方案對(duì)冰箱能耗的影響。

耗電量實(shí)驗(yàn)在32℃環(huán)溫下進(jìn)行，分別在回氣管（出箱體處）、干燥過(guò)濾器入口（干燥過(guò)濾器與冷凝器的焊點(diǎn)前2 cm）布置溫度測(cè)點(diǎn)。在壓縮機(jī)殼體的頂部上方、蒸發(fā)皿的上方布置空氣溫度測(cè)點(diǎn)，如圖6。在冷藏間室的上、中、下布置3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，在冷凍室兩個(gè)抽屜布置5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。記錄冰箱運(yùn)行時(shí)制冷系統(tǒng)以及冰箱內(nèi)空氣的溫度變化；通過(guò)對(duì)冰箱溫度的平均值進(jìn)行內(nèi)插法，獲得在5/-18℃特征溫度下對(duì)應(yīng)的耗電量。

圖6 壓機(jī)艙空氣溫度點(diǎn)位置

3.2 測(cè)試結(jié)果

兩種工況下壓縮機(jī)的開(kāi)機(jī)率和整機(jī)耗電量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。測(cè)試工況一冰箱在高耗狀態(tài)運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)率為74%，低耗狀態(tài)運(yùn)行時(shí)開(kāi)機(jī)率為83%，插值耗電量為0.996 kW·h/24 h；測(cè)試工況二高耗狀態(tài)運(yùn)行時(shí)開(kāi)機(jī)率增加7%，低耗狀態(tài)運(yùn)行開(kāi)機(jī)率增加4%，耗電量增加0.8%，這說(shuō)明密封冰箱壓機(jī)艙對(duì)整機(jī)能耗有一定的影響。

表4 不同工況下壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)率及整機(jī)耗電量

密封冰箱壓機(jī)艙對(duì)整機(jī)系統(tǒng)溫度點(diǎn)的影響見(jiàn)表5。測(cè)試工況一冰箱在高耗狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，干燥過(guò)濾器進(jìn)口溫度為32.9℃，在低耗狀態(tài)運(yùn)行時(shí)溫度為32.2℃；測(cè)試工況二冰箱在高耗與低耗狀態(tài)下運(yùn)行，干燥過(guò)濾器進(jìn)口溫度增加1.8℃。干燥過(guò)濾器進(jìn)口溫度表征冰箱制冷系統(tǒng)的熱端散熱效果，因此密封冰箱壓機(jī)艙不利于制冷系統(tǒng)高溫端的散熱。

表5 不同工況下系統(tǒng)點(diǎn)溫度

測(cè)試工況一冰箱在高耗狀態(tài)運(yùn)行下回氣管溫度為34.8℃，在低耗狀態(tài)運(yùn)行下回氣管溫度為31.1℃；測(cè)試工況二冰箱在高耗狀態(tài)運(yùn)行下回氣管溫度升高0.2℃，低耗狀態(tài)運(yùn)行下回氣管溫度升高3.4℃?；貧夤軠囟缺碚鞅渲评湎到y(tǒng)的冷端吸熱效果，回氣管溫度上升說(shuō)明系統(tǒng)制冷量下降，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)率增加。

進(jìn)一步分析，測(cè)試工況一冰箱壓縮機(jī)頂部溫度45.4℃，測(cè)試工況二在高耗狀態(tài)運(yùn)行下壓縮機(jī)頂部溫度升高10.3℃，低耗狀態(tài)運(yùn)行下升高11.5℃。由于溫度升高后壓縮機(jī)線圈熱量增加，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率下降，進(jìn)而降低壓縮機(jī)運(yùn)行效率。

綜上分析，密封冰箱壓機(jī)艙使整機(jī)的能耗增加。增加的原因?yàn)橄到y(tǒng)熱端散熱、冷端吸熱效果降低，壓縮機(jī)運(yùn)行效率降低。

由于本文耗電量測(cè)試采用32℃環(huán)溫工況，對(duì)于更惡劣的運(yùn)行工況，冰箱的性能預(yù)期會(huì)下降更多，甚至帶來(lái)安全隱患。因此在超高環(huán)溫（＞43℃）下需對(duì)壓機(jī)艙采用輔助散熱。半導(dǎo)體制冷因其無(wú)噪聲的優(yōu)勢(shì)，在家電領(lǐng)域發(fā)展迅速。且半導(dǎo)體制冷技術(shù)已經(jīng)十分成熟。下面對(duì)超高環(huán)溫（＞43℃）下，采用半導(dǎo)體制冷對(duì)壓機(jī)艙輔助散熱的理論耗電量進(jìn)行計(jì)算。

3.3 超高環(huán)溫下壓機(jī)艙輔助散熱理論計(jì)算

假設(shè)壓機(jī)艙內(nèi)外側(cè)均為對(duì)流換熱，壓機(jī)艙的幾何尺寸為600 mm×224 mm×200 mm，各壁面的導(dǎo)熱系數(shù)λi，各壁面厚度δi，各壁面外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)αi1；內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)αi2；各壁面的內(nèi)外溫差ΔTi，各壁面的熱流量qi，壓機(jī)艙總熱流量qt。

各壁面的參數(shù)值見(jiàn)表6。

表6 壓機(jī)艙各壁面的參數(shù)

壓機(jī)艙各壁面的等效換熱系數(shù)：

各壁面的熱流值：

按照上述計(jì)算公式，分別計(jì)算每個(gè)面的熱流量，得到工況一壓機(jī)艙熱流量結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 工況一壓機(jī)艙熱流量

工況二壓機(jī)艙熱流量結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 工況二壓機(jī)艙熱流量

可以看出，壓機(jī)艙的熱流量在測(cè)試工況一時(shí)為5 W，工況二為9.4 W。按照80%開(kāi)機(jī)率計(jì)算，假設(shè)半導(dǎo)體制冷的COP為0.5，若要使工況二達(dá)到工況一的壓機(jī)艙溫度時(shí)，需半導(dǎo)體制冷的額外耗電量為0.08 kW·h/24 h，約占整機(jī)耗電量的8%。因此采用半導(dǎo)體對(duì)壓機(jī)艙輔助制冷產(chǎn)生的能耗增加較多。考慮到經(jīng)濟(jì)性，只有在極端惡劣的工況，如環(huán)溫超過(guò)43℃時(shí)，才開(kāi)啟半導(dǎo)體制冷模塊進(jìn)行壓機(jī)艙的輔助散熱。

4 結(jié)論

本文全面分析了冰箱噪聲來(lái)源，對(duì)某型號(hào)非底置冷凝器的冰箱進(jìn)行了傳遞路徑分析，獲取了噪聲來(lái)源，并提出密封壓機(jī)艙的方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整機(jī)噪聲水平改善及性能損失情況，獲得以下結(jié)論：壓縮機(jī)的輻射噪聲是整機(jī)主要噪聲來(lái)源；密封壓機(jī)艙可以有效改善壓縮機(jī)的輻射噪聲，冰箱整機(jī)聲功率平均值降低4.3 dB(A)；密封壓機(jī)艙在32℃環(huán)溫下會(huì)使耗電量增加0.8%。這為實(shí)現(xiàn)超靜音冰箱提供了一種可行的解決方案。