風(fēng)冷冰箱排水系統(tǒng)降噪技術(shù)探討

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摘要：冰箱間室關(guān)門后，由于冰箱開門導(dǎo)致熱空氣的流入和室內(nèi)溫度的降低，間室內(nèi)會形成負(fù)壓，排水口作為平衡箱內(nèi)壓力的核心部件，通過排水管吸入空氣進(jìn)行箱內(nèi)外氣壓的平衡，如蒸發(fā)皿中有水就會產(chǎn)生吸水噪聲。通過研究間室內(nèi)壓力和溫度的變化，分析吸水噪聲的影響因素，提出一種可以平衡間室內(nèi)負(fù)壓的排水結(jié)構(gòu)，消除吸水噪聲，同時減少濕熱空氣從排水管中進(jìn)入間室，提升耗電及儲溫性能。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓平衡；排水結(jié)構(gòu)；吸水噪聲；耗電性能；儲溫性能

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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yàn)。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(fù)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(jìn)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“咕嚕”的吸水噪聲。這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(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)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。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(jìn)入，可以平衡箱內(nèi)負(fù)壓，負(fù)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作者簡介：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(fù)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(jìn)入平衡間室內(nèi)負(fù)壓，負(fù)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(jī)理

風(fēng)冷冰箱的原理是利用空氣循環(huán)進(jìn)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(qiáng)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。空氣中存在著水蒸氣，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(jìn)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(qiáng)和體積的乘積是一個常數(shù)，可表示為：PV=C1（1）式中：P是氣體的壓強(qiáng)，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(qiáng)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：（2）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(qiáng)確定的常數(shù)[3]。合并后的理想氣體的克拉伯龍方程：PV=(m/M)RT（3）式中：P是氣體的壓強(qiáng)，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=8.31J/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(fù)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(jìn)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“咕嚕”聲（氣體上升進(jìn)入間室平衡負(fù)壓，水在重力作用下回落）。負(fù)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(fù)壓，通過間室內(nèi)負(fù)壓監(jiān)控，負(fù)壓平衡時間一般在15s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10～15s內(nèi)很容易聽到這種異常的吸水噪聲。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(fù)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(jì)設(shè)計(jì)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(jìn)氣門，并與內(nèi)管聯(lián)通。如圖6所示，空氣可以通過進(jìn)氣門、內(nèi)管、上部排水管路進(jìn)入箱體間室，進(jìn)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(fù)壓，薄膜閥片在氣壓的作用下打開，空氣優(yōu)先通過進(jìn)氣門進(jìn)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(jìn)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。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(yàn)驗(yàn)證為保證初始排水管與設(shè)計(jì)排水管噪聲情況的對比，需保證每次試驗(yàn)箱內(nèi)負(fù)壓相同。使用某一型號冰箱在半消聲室中進(jìn)行試驗(yàn)，使用SIEMENS-SCM202數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)環(huán)境溫度統(tǒng)一設(shè)為22℃，通過實(shí)時檢測間室溫度，保證間室溫度為-21℃時進(jìn)行開門操作，冷凍室開門角度固定為90°，開門后維持15s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(jìn)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(yàn)間室內(nèi)負(fù)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20cm的正前方，高度為排水管中間位置。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(jìn)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(jì)排水管與初始排水管相比，間室負(fù)壓平衡時間由22s降低為11s，前5s噪聲由49.97dB降為46.08dB，前10s噪聲由48.21dB降為43.69dB，峰值噪聲變化不明顯。由于設(shè)計(jì)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(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3設(shè)計(jì)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。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(jì)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(fù)壓時方便空氣進(jìn)入間室。薄膜閥片安裝在內(nèi)管上方，當(dāng)箱內(nèi)形成負(fù)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(jìn)入間室內(nèi)部，平衡間室內(nèi)的負(fù)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(fù)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(jìn)入，從而不會產(chǎn)生吸水噪聲。當(dāng)箱內(nèi)負(fù)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(jìn)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。化霜時，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。3.3.2結(jié)果分析將優(yōu)化方案進(jìn)行不同尺寸的驗(yàn)證，優(yōu)化方案1換氣閥外徑30mm，優(yōu)化方案2換氣閥外徑40mm，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(jìn)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(fù)壓平衡時間由14s降至約8s，前5s噪聲由46.54dB降至約32dB，前10s噪聲由44.20dB降至約30dB，峰值噪聲由48.93dB降至約34dB。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(fù)壓平衡時間由15s降至約9s；前5s噪聲由46.24dB降至約38dB；前10s噪聲由43.97dB降至約36dB；峰值噪聲初始48.22dB，優(yōu)化方案1降至42.01dB，優(yōu)化方案2降至39.92dB。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(fù)壓平衡時間初始22s，優(yōu)化方案1降至10s，優(yōu)化方案2降至6s；前5s噪聲初始49.97dB，優(yōu)化方案1降至41.01dB，優(yōu)化方案2降至30.85dB；前10s噪聲初始48.21dB，優(yōu)化方案1降至38.67dB，優(yōu)化方案2降至28.61dB；峰值噪聲初始52.18dB，優(yōu)化方案1降至42.93dB，優(yōu)化方案2降至33.17dB。

4結(jié)論

通過在冰箱產(chǎn)品上進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行主觀評價，優(yōu)化方案消除了冰箱關(guān)門后負(fù)壓平衡時的“咕嚕”聲。蒸發(fā)皿中有大量水時，增加換氣閥內(nèi)管直徑可以進(jìn)一步降低負(fù)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(fù)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(jì)，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。

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作者：張海鵬 丁龍輝 孫敬龍 潘毅 廣王威