改性PBT排氣消音器在旋轉式壓縮機上的應用

訾進蕾， 黃 波， 黃之敏， 耿 瑋， 詹 沖

（上海日立電器有限公司，上海201206）

隨著生活水平的提高，人們對空調舒適度的要求也越來越高，其中噪音問題已成為客戶選擇空調的主要關注點[1]，故一些家用空調廠家在選擇旋轉式壓縮機匹配的過程中，已逐漸將對壓縮機噪音性能的考核提至與制冷、制熱性能同等的地位。消音器作為旋轉式壓縮機降低噪音的主要部件[2－3]，其消音頻段廣、消音效果好，其中剛度、厚度及內部型腔對消音性能有著直接的影響。目前，批量消音器多為冷軋鋼板經過沖壓制成，由于成本及工藝的限制，消音器不可能做得太厚，且一些內部型腔相對復雜、很難完成。近年來，高性能工程塑料在各行業得到了廣泛的應用，尤其是汽車領域[4－6]，塑料不僅具有輕質、耐腐蝕、減振、降噪和碰撞回彈性等特點，還具有設計自由度化、可實現復雜制品一次成型的工藝優勢。若使用工程塑料來制作壓縮機消音器，則可以克服現有金屬消音器的缺點；且由于工程塑料的比重輕，一般不到鋼的25%，若使用塑料消音器還可以降低壓縮機成本。迄今為止，僅看到塑料消音器，即改性聚對苯二甲酸丁二醇脂（Polybutylene Terephthalate，PBT）用于冰箱壓縮機上[7]，在空調壓縮機（旋轉式）上還未見到相關研究及應用先例，故研究塑料消音器用于旋轉式壓縮機的可行性有很大的經濟性與實用性。

1 改性PBT材料的性能

PBT結晶速度快，最適宜加工方法為注塑，其他方法還有擠出、吹塑、涂覆和各種二次加工成型，成型前需預干燥，水分含量降至0.02%。

2 理論分析

PBT為聚對苯二甲酸丁二醇酯的簡稱，是由1，4－丁二醇（C4H10O2）與對苯二甲酸（C8H6O4）或對苯二甲酸酯（C10H10O4）縮合而成，為乳白色半透明到不透明、結晶型熱塑性聚酯。具有高耐熱性、韌性、耐疲勞性、自潤滑等優良性能。缺點是缺口沖擊強度低，成型收縮率大，故大部分采用玻璃纖維增強或無機填充改性，其拉伸強度、彎曲強度可提高100%以上，熱變形溫度也大幅度提高，一般在200℃以上，可以在140℃下長期工作。

2.1 強度計算

以上海日立生產的某款壓縮機所用下排氣消音器為例，利用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）軟件對含30%玻纖的改性PBT消音器進行應力分析。含30%玻纖的改性PBT與批量消音器用冷軋鋼板的基本性能如表1所示。消音器結構如圖1所示，包括3個型腔和3個螺栓孔，壁厚2 mm。

表1 改性PBT與冷軋鋼板基本性能比較

圖1 消音器結構

CAE計算結果如圖2所示，在0.2 MPa內壓作用下，改性PBT消音器最大應力在螺栓孔部位，為44.2 MPa，小于材料的拉伸強度，理論分析表明：改性PBT可以滿足強度要求。

2.2 固有頻率計算

圖2 應力分布云圖

雖然改性PBT消音器壁厚增加至2 mm，但由于其彈性模量低，與批量產金屬消音器相比，固有頻率必然會有一定差異。根據CAE分析結果（見圖3），改性PBT消音器與量產金屬消音器的一階、二階、三階固有頻率差異較大，尤其是二階固有頻率較批量產金屬消音器低，實際消音效果需要通過試驗確認。另外，消音器的固有頻率不僅與材料相關，也與結構有較大關系，因批量產金屬消音器是通過沖壓成型，一些復雜的內部型腔很難完成，而PBT消音器采用注塑方式加工而成，完全可以克服上述問題。在滿足強度的情況下，后續可做進一步的優化設計。

圖3 固有頻率比較

3 應用情況

選用含30%玻纖的改性PBT通過注塑的方式制得上海日立生產的某款壓縮機所用下排氣塑料消音器，對其進行了性能和可靠性考核，與批量產金屬消音器相比，結構相同，僅材質作了變更。整機試驗前，進行了相容性認定。

3.1 相容性認定

對于全封閉旋轉式壓縮機，壓縮機內部材料切換必須進行相容性認定，以確認新材料在使用過程中是否會與系統材料、冷凍機油或制冷劑發生反應。PBT材料雖然已在冰箱壓縮機消音器上實現了產業化應用，但在家用空調旋轉式壓縮機上作為內部結構材料直接使用還未發現先例，故在整機試驗前進行了相容性認定。選擇目前旋轉式壓縮機常用的冷媒R22和R410A為環境介質，對PBT材料與4GSI／R22，HAF68／R410A 及a68／R410A 的3組冷凍機油／冷媒進行了相容性試驗，結果如下：

（1）試驗前后PBT材料的外觀無變化，如圖4（a）所示，質量變化率都在2.1%以內；

（2）試驗前后3種冷凍機油的色度、酸值以及低溫析出性符合判定標準，如圖4（b）～（d）所示。

由試驗結果可知，PBT 材料與4GSI／R22，HAF68／R410A及a68／R410A的相容性試驗通過。

圖4 試驗后PBT材料和油品的外觀

3.2 性能考核

塑料消音器與金屬消音器相比，2種材料基本性能差異較大，如導熱性能、固有頻率等；另外，與下缸蓋配合狀態也不完全一樣，對壓縮機的冷力和噪音振動性能影響較大，尤其是噪音振動性能。

選取26.4 cm3排量、R410A冷媒、50 Hz機種同時裝配批量產金屬消音器，與PBT下消音進行冷力、噪音試驗。

3.2.1 冷力試驗結果

按照GB／T 5773—2004中規定的制冷量試驗條件（見表2），對裝有PBT下消音器和批量產金屬消音器的壓縮機進行冷力試驗，結果如表3所示。使用PBT下消音器，壓縮機的性能與批量產品（使用金屬消音器）基本相當。

表2 制冷量試驗條件（GB／T 5773—2004） ℃

表3 冷力試驗結果

3.2.2 噪音振動試驗結果

噪音振動試驗按照上海日立電器有限公司企業標準進行（非聲功率級），試驗結果見表4。采用PBT下消音器的壓縮機其OA值（Over All，指聲壓級噪音振動評價方法中，各個頻率下的噪音采用A計權計算出的總噪音值）和振動與采用金屬下消音器的量產品相當，其中X方向上OA值比量產品高0.72 dB，Y方向上OA值比量產品高0.5 dB。從頻譜圖來看（圖5），各個頻段上采用PBT下消音器的壓縮機噪音性能與量產品（采用金屬下消音器）基本相當。

表4 噪音振動試驗結果

3.3 可靠性考核

按照GB／T 15765—2006中規定的定速壓縮機加速壽命試驗條件，對裝配改性PBT下消音器的壓縮機進行2 000 h加速壽命試驗。試驗結束后解體調查發現，改性PBT下消音器并未發生破裂或損壞等異常現象，結果合格。鑒于塑料對溫度的敏感性，對改性PBT下消音器進行了高低溫循環往復試驗，試驗結束后，產品結構尺寸變化微小，可以接受，且未發現PBT材料有降解老化現象。

圖5 采用PBT下消與量產金屬下消的壓縮機噪音頻譜比較

4 結 語

（1）改性PBT排氣消音器用于旋轉式壓縮機，整機性能試驗、噪音振動試驗和可靠性試驗驗證合格，結果可行；

（2）改性PBT消音器型腔可變，后續可針對噪音降低做進一步的優化設計。

[1] 張文峰.淺談家用空調的噪音控制[J].科技創新導報，2011（19）：39.

[2] 劉 寧，王太勇，尚志武，等.空調轉子壓縮機消聲器實驗分析及改進研究[J].壓縮機技術，2005（4）：28－31.

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