車用空調制冷劑流動噪聲分析和性能改進研究

周滋鋒，王丹瑜，鄭國勝

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

車用空調制冷劑流動噪聲分析和性能改進研究

周滋鋒*，王丹瑜，鄭國勝

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

為了解決汽車空調關閉后的制冷劑流動噪聲問題，本文采用一種簡單易行的噪聲客觀測量方法，結合主觀評價方法，得出噪聲的頻率范圍并將噪聲值定量化；然后基于六西格瑪設計（DFSS）的方法進行了多個設計參數的優化，并得出了最佳的組合。最終的試驗效果驗證指出制冷劑流動噪聲問題得到了解決。

汽車空調；制冷劑噪聲；六西格瑪設計

0　引言

隨著客戶對于汽車舒適性要求的不斷提升，空調工作時的制冷劑噪聲也越來越受到關注，而如何在設計開發中減少和優化制冷劑噪聲，將是擺在汽車研發工程中的一個現實問題。制冷劑噪聲，顧名思義，是由于制冷劑在制冷循環中流動所產生的各類異響，有壓縮機開啟（下文用AC On表示）瞬間的嘶嘶聲，有壓縮機關閉（下文用 AC Off表示）時的汩汩聲等。對于制冷劑流動的嘶嘶聲，很多空調生產制造商和整車廠都進行了比較深入的研究，產生機理以及解決措施已有比較多的闡述和驗證，但是對于制冷劑流動的汩汩聲的研究相對較少。本文以某車型開發過程中發生的壓縮機關閉時制冷劑流動汩汩聲問題為研究對象，旨在探求一種簡單易行的制冷劑噪聲客觀測量和評價方法，同時采用六西格瑪設計（下文稱 DFSS）方法進行優化研究，尋找可行的解決措施。

1　制冷劑噪聲產生機理

根據以前文獻的研究［1-4］，制冷劑噪聲是個系統問題。嘶嘶聲一般發生在壓縮機吸合階段，制冷劑流量迅速增大，沖擊熱力膨脹閥（TXV）閥針振動［5］產生。汩汩聲一般發生在壓縮機關閉階段，制冷劑流量迅速減少，液管上的制冷劑過冷度迅速降低，通過膨脹閥的制冷劑從正常工況下霧化的液滴轉變成部分氣化的兩相流，而高速的兩相流容易產生氣動/液動噪聲如渦流噪聲［6］。

當氣流繞流障礙物時，由于流體分子粘滯摩擦力的影響，具有一定速度的流體與障礙物背后相對靜止的流體相互作用，在障礙物下游區形成兩列渦旋（即卡門渦旋）氣流。這些渦旋在障礙物背后兩側交替出現，并且旋轉方向相反地脫離障礙物。當它所引起的流體壓強的脈動頻率在可聽頻率范圍、且強度足夠大時，則輻射出的噪聲稱為渦流噪聲。

渦流噪聲的頻率或兩相渦街脫落頻率：

式中：

St——斯特勞哈爾數，一般取0.145～0.2；

V——流速的流動速度；

D——特征長度，對圓管內流動， 取管內徑；

I——諧波數。

由公式可見，渦流頻率和特征直徑成反比，和流速成正比。

2　制冷劑噪聲測試

某車型在開發過程中，發現低負荷工況下，關閉壓縮機后數秒鐘內可以清晰聽到汩汩的制冷劑流動聲，主觀GMUTs打分只有5.5分左右（10分滿分），屬于不能接受的程度?？照{系統采用的是定排量壓縮機，在低負荷工況下，壓縮機會頻繁啟停，制冷劑噪聲和壓縮機離合器吸放聲音混雜在一起，更加惡化了乘客的主觀感受。為了解決這個問題，我們在依賴主觀評估的同時，還需要一種可靠易行的試驗方法在整車環境下進行客觀測量，以便識別和鎖定噪聲。

2.1常規測量系統的思路和方法

首先這種聲音屬于異響的范疇，不是穩態的，持續小段時間就消失了，聲音強度比較低（一般壓縮機關閉，最小檔位風量，怠速情況時，車內噪聲大概只有40 dB左右），而且這個噪聲顯然和空調的動態響應有關。由于一般的空調箱制冷實驗臺架系統容量大，壓縮機、冷凝器、空調管等主要部件不能采用同原車相同的零件和布置，并且機房背景噪聲大，根本不可能模擬和檢測到這個瞬態噪聲。理想情況下，只有在有空調箱單獨靜音房［7］，并且能夠布置和采用實車零件的系統臺架才能用來研究這個問題。

圖1所示臺架，除了所有零件都用實車零件之外，需要一個背景噪聲30 dB左右的靜音房單獨布置空調箱和麥克風，目前國內主機廠及空調箱主流供應商都還不具備這個條件。因此，需要尋找另外一種比較簡單易行的基于整車環境的測量方法。

圖1　測量制冷劑噪聲的臺架示意圖

2.2基于整車環境的比較測試法

通過摸索我們發現，可以使用 B&K 2250聲級計或者 Head-Acoustic聲壓四通道設備在非試驗室條件下測量和對比噪聲，就可以很好地解決這個問題。首先把車輛放置到相對空曠的環境，整體背景噪聲30 dB以下。然后把測量設備布置在駕駛員右耳位置（同整車鼓風機噪聲測試標準）進行測量。以B&K 2250為例，調整聲級計到加強型時序測量檔位，這樣可以同時輸出時序整體噪聲和1/3倍頻程圖，記錄下從發動機起動到壓縮機吸合以及壓縮機關閉整個過程的數據。

圖2　聲級計測量位置圖

測量方法：停車到空曠區域，四門車窗緊閉，發動機起動后，同時用 VSPY3診斷儀監控發動機轉速數據，待發動機轉速穩定后，開始用噪聲設備測量，測量過程需要保證沒有進入怠速轉速提升狀態（idle boost），前端風扇保持在低檔位，否則噪聲的基準會變化，導致無法進行壓縮機吸合和斷開的比較。鼓風機設定在 1檔，氣流模式吹臉，內循環，按 AC On按鈕啟動壓縮機，保持測量至少15 s以上，再按AC Off，如此往復幾個回合，以得到音頻時序和1/3倍頻程數據。

3　數據分析及問題識別

基于一輛有制冷劑異響問題的車，通過如上方法測量得到數據如圖3～圖5。

圖3　時序測量圖

圖4　1/3倍頻程分析圖

圖5　噪聲隨加注量變化圖（截取頻率1000 Hz到20000 Hz）

在AC On的區域和AC Off的區域各取一個時刻點，比較1/3倍頻譜發現，在藍線1，600 Hz以上區域，AC Off時反而幅值比AC On時高，這個和AC Off 時出現制冷劑噪聲相符。

同時，在同車型的另外一些車輛發現，如果整車加注量少于名義值 580 g，噪聲加劇。同樣地，對于同一輛車，分別加注 400 g，580 g，700 g，進行3次試驗。發現如下規律（見圖5）。

制冷劑越少，1，600 Hz以上反竄越大，噪聲越大，到加注 700 g，噪聲基本消失。至此說明噪聲就是 1，600 Hz以上的流體渦流產生的，并且制冷劑充注量影響很大。但是我們不能把增加充注量作為解決措施。如果把這個系統的充注量增加到700 g，已經很接近警戒線，很容易造成壓縮機出口壓力過高，損害壓縮機和系統其他零件［8］。

4　噪聲解決策略

圖6是制冷劑系統圖，主要包含冷凝器、管路、壓縮機、空調箱（包含膨脹閥）等。其中空調箱主體，壓縮機和冷凝器都是長周期零件，已經完成了各自的設計和驗證工作，調整它們代價太大，因此對于此次的制冷劑噪聲問題，我們考慮的對象是膨脹閥、空調管以及膨脹閥的密封墊等短周期零件。

圖6　空調系統圖

由于噪聲是產生于膨脹閥后的流體渦流，根據本文段落1中渦流公式，D特征長度（膨脹閥頂針直徑）為定值，要降低由于這種兩相渦流引起的聲場強度，可以考慮降低膨脹閥關閉后的制冷劑流速以及一些噪聲隔絕工作。

由于改進措施是多方面的，為了以最小的代價獲知設計參數的最優組合以及各個設計參數的貢獻大小，我們可以借助DFSS理論和工具進行實驗設計和驗證。

5　使用DFSS方法優化設計

5.1DFSS優化理論簡述

DFSS，簡而言之是基于六西格瑪理論的設計工具，其主要目的是通過一定的設計組合，通過相應的統計工具，設計正交試驗項目，找到最優的控制因子組合，使其對于外在噪聲因子的影響輸出變化最穩定（即信噪比 S/N最大），并且對應最優的控制因子組合的能量輸出最大或者最小（即Mean值）。

5.2實驗設計和數據分析

為了減少壓縮機關閉后的制冷劑流速，可以把膨脹閥沖注方式［9-10］（影響閥關閉后的流體動作）作為一個主要的控制變量來設計實驗；另外考慮到空調管的設計對于系統壓力的作用進而對于壓縮機關閉后的瞬態流速有影響，可以作為第二個控制因子；由于噪聲發生在膨脹閥附近，膨脹閥上采用阻尼層［7，11］作為第三個控制因子，驗證其隔聲效果。

對于上文提到的3個設計參數（A膨脹閥參數；B空調吸氣管材質和走向；C膨脹閥處隔聲措施）做了幾種組合設計，同時選取外界溫濕度的組合作為噪聲因子，按照正交列表 L4，進行實驗，最終計算出3個設計參數的貢獻值。

控制因子A、B和C的設定如表1。噪聲因子設定如表2。

表1　DFSS控制因子及水平

表2　DFSS噪聲因子和水平

根據前期研究，噪聲集中在 1，600 Hz以上頻率。故把 DFSS原始數據設定為 1，600 Hz到20，000 Hz各頻率下的 AC On噪聲水平與 AC Off噪聲水平的加權差值。

加權計算公式為：

其中：dBn為1，600 Hz～20，000 Hz間1/3倍頻程中心頻率聲壓。

差值數值越大，表明1，600 Hz以上的振幅AC Off時相對于AC On削減越大，流動噪聲越小。試驗數據見表3。

表3　DFSS原始數據

3個設計因子，各2個水平，總共有8種組合，按照正交列表，只需要實驗四種組合就可以通過Mean圖和 S/N圖找到最優組合。由于我們選取的參數是AC On和AC Off的噪聲差值，因此選用的是望大特性，Mean值越大越好，另外希望系統對于外界噪聲的抗干擾性越大越好，因此 S/N也取大值。圖7數據表明，配置A1（系統沖注）、B2（3層管）和 C1（TXV包覆）的組合為最優設計，并且發現膨脹閥的設定（A控制因子）對于噪聲貢獻最大。

圖7　DFSS項目Mean和S/N（信噪比）圖

由于采用了系統沖注的膨脹閥，在 AC Off之后閥可以完全關閉，從根本上杜絕了壓縮機關閉時，制冷劑從閥到液管的流動，阻止了流動音的發生。

6　最優方案驗證結果

6.1噪聲驗證

上述最優措施對應的噪聲復測結果如圖8?？梢钥吹?，1，600 Hz以上頻率的數據完全分離，主觀評價同時可以達到7.5分（10分最優），基本聽不到汩汩聲。

圖8　新措施噪音測量結果

6.2其他方面影響驗證

為了驗證新措施是否對于系統的其他性能有不良影響，增做了零件級制冷能力試驗以及臺架級別的蒸發器表面溫度分布試驗。

6.2.1零件級制冷試驗報告

對應不同的膨脹閥，在不同的風量測試工況下，制冷能力相當?？照{箱制冷能力對比見表3。

表3　空調箱制冷能力對比

6.2.2蒸發器表面溫度分布試驗結果

如圖9在蒸發器下風向用K型熱電偶均布16個溫度測點，不同的膨脹閥對應的溫度測點數據在各個工況下作對比（風量 280 kg/h，進風溫度38 ℃和 25 ℃）。蒸發器表面溫度分布表明，用系統沖注的TXV相比較交叉沖注的TXV，無論在高溫低溫都變化很小，無結霜風險。

圖9　蒸發器表面測點圖和數據對比

7　結論

1）通過對本案問題的解決，找到一種簡單有效的整車測量制冷劑流動噪聲的方法，不僅可以定性而且可以定量比較制冷劑流動噪聲的大小。

2）壓縮機關閉時的水流聲不同于一般的制冷劑嘶嘶聲，采用膨脹閥包覆效果不明顯，所以處理不同制冷劑噪聲要區分對待。

3）制冷劑沖注量對于制冷劑流水聲影響顯著，反過來可以作為判斷系統沖注是否足夠的標志。分析系統匹配對于制冷劑噪聲的影響首先需要排除沖注量的影響。

4）對于定排量壓縮機應該盡量匹配系統沖注膨脹閥，否則有汩汩聲的風險。

5）DFSS是一個有效的設計工具，可以幫助我們通過有限的實驗找到最優組合，并且計算出各個設計因子的貢獻值，值得應用推廣。

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Investigation on Refrigerant Flow Noise Analysis and Performance Improvement for Automotive Air Conditioner

ZHOU Zi-feng*， WANG Dan-yu， ZHENG Guo-sheng
（Pan Asia Technical Automotive Center， Shanghai 201201， China）

In order to solve the refrigerant flow noise problem after the automotive air conditioner is turned off， a simple and practical objective measurement method combining with subjective evaluation method was adopted and the noise frequency range was obtained and the noise level was quantitatively analyzed. Then based on Design for Six Sigma（DFSS）tool， several design factors were optimized and the best design combination was obtained. The final validation result shows that the problem of refrigerant flow noise was solved.

Automotive air conditioner； Refrigerant noise； Design for Six Sigma

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.201

*周滋鋒（1975-），男，碩士。研究方向：汽車空調系統。聯系地址：上海龍東大道 3999號，郵編：201201。聯系電話：021-50161483，E-mail：Zifeng_zhou@patac.com.cn。