冰箱壓縮機室蓋板結構降噪分析與設計

呂劍喬　張建潤

摘要：基于仿真分析提出了冰箱壓縮機室蓋板設計的方法和原則，并通過計算和試驗證明了通過等壓梯度線設計和流場優化的方法重新設計蓋板可以降低壓縮機室產生的噪聲，為壓縮機室降噪工作提供了新的思路和方法。

關鍵詞：壓縮機室蓋板設計;CFD分析;冰箱降噪

0 引言

風冷冰箱整機噪聲最主要的噪聲源是壓縮機和冷凝風扇，壓縮機工作時產生的振動產生振動噪聲，冷凝風扇轉動時產生壓縮機室氣動噪聲[1]。冷藏室、冷凍室內部的氣動噪聲相對于壓縮機室的噪聲強度更低，因此，壓縮機室降噪是風冷冰箱整機降噪工作的重點。在空氣流量即冷凝器冷卻能力不變的情況下，如何降低噪聲，又是冰箱壓縮機室降噪工作的關鍵所在。

1 壓縮機結構仿真模型分析與模型準確性試驗驗證

1.1? ? 幾何模型的建立與簡化

本文的研究對象是某型號冰箱的壓縮機室。壓縮機室主要工作部件是壓縮機、冷凝器和冷凝器風扇，其他功能部件包括蓋板、接水盤、電氣控制元件、部件連接件、壓縮機隔振結構、水管等。壓縮機室主要結構如圖1所示。

由于壓縮機室部件結構復雜，部分復雜的結構不僅對流場影響甚微，還有可能降低網格質量，而網格質量直接決定后續仿真分析的結果精度以及計算效率，所以在網格劃分前必須簡化原三維模型，以保證結果準確。

主要簡化的結構部位有：電氣元件周圍的電線等小部件，壓縮機輪廓上的非規則幾何形狀，冷凝器形狀。其中，在保證冷凝器形狀與原有冷凝器形狀基本不變的前提下，將其作為一個整體而非裝配體建模，整體看作為一個熱源。

1.2? ? 計算模型

壓縮機室內部空氣流場和傳熱模型建立可描述如下：

對建立的模型進行網格劃分以后，使用FLUENT進行流場計算，以得到壓縮機室內部的流場特性。將空氣按照不可壓縮流體分析，無熱量交換，空氣流動一般忽略力場，采用RNG k-epsilon模型模擬;MRF模型和混合面模型可以高效計算旋轉體中定子和轉子的相互作用，因此對包含風扇的可動流體區域采用MRF模型;設置靠近左側蓋板出口部分為壓力出口，靠近右側蓋板出口部分為壓力入口;計算中主要采用SEGREGATED分離式解算器;采用SIMPLE壓力修正算法來計算速度和壓力間的耦合方程，收斂精度為1e-4。

1.3? ? 流場仿真結果

仿真計算得到速度云圖、速度矢量圖和溫度場云圖，分別如圖2、圖3、圖4所示。在風扇附近靠近內壁面處風速較大，入口處風速分布較為均勻，而出口處中部出口風速較大。冷凝器靠近內壁面一側渦流現象較明顯，壓縮機靠近內壁面一側流場渦流現象較少，而靠近外蓋板一側渦流現象較多，對散熱不利。冷凝器中心最高溫度點溫度為92 ℃，位于遠離風扇一側中心;最低溫度點溫度為73 ℃，位于靠近風扇一側，遠離風扇中心。可以看到，在長度方向上，同位置下風速越大，溫度越低;在寬度方向上，蓋板與風扇軸線區間內，越靠近蓋板，溫度越低。

1.4? ? 模型準確性試驗驗證

表1對同區域下風速計算值和試驗值進行了對比。

從表1可以看出，壓縮機流場模型風速分布與試驗測得風速值基本吻合，模型對壓縮機室流場的計算準確性高。

2 壓縮機室噪聲分析及降噪措施

2.1? ? 噪聲源特性及降噪手段

根據噪聲源特性分析試驗，得到壓縮機室噪聲源有[2]：

（1）風扇的空氣動力性噪聲（630 Hz、1 000 Hz）主要有旋轉噪聲和渦流噪聲。

（2）壓縮機噪聲（630 Hz、1 000 Hz）主要有進氣與排氣噪聲、機械噪聲和電磁噪聲。

（3）結構聲（315 Hz）。

導流板前后壁附近區域的流場不均勻、不穩定且有渦旋產生，導致噪聲場與流場發生耦合。根據噪聲源特性得到降噪的主要方法有：

（1）減小壓縮機艙內壓力脈動，降低偶極子噪聲強度。

（2）將開口遠離壓縮機及風扇，減少內部噪聲的向外傳播。

（3）出口部分有擴散角可有效提高出口部分負壓，提高整體風量。出口處擴散角的合理范圍為10°～15°，風量得到增加，噪聲得到降低。

（4）增加導流板，減少壓縮機室內的渦旋現象，從而降低渦流噪聲。

2.2? ? 等壓梯度線蓋板風道設計

蓋板通過空氣的部分稱之為“蓋板風道”，蓋板風道的導向作用可以類比離心風扇、呼吸機等設備的內部風道，可以對內部的氣流進行導向，達到完成設備工作任務和降低噪聲的目的。

在蓋板風道設計中應保持風量不變，通過增大高氣流速度區的開口面積，減少低速度區的開口面積可保持風量不變，同時減少壓縮機振動噪聲的傳播。蓋板處流道應按等壓梯度線方向設計，可有效降低壓力脈動，增加流場均勻性，從而降低偶極子噪聲。

3 壓縮機室蓋板設計及試驗驗證

3.1? ? 尺寸約束條件

蓋板尺寸的選擇與實際使用情況下的各種尺寸約束有關，主要尺寸約束條件為：

（1）冰箱壓縮機室輪廓尺寸910 mm×252 mm;

（2）蓋板孔槽距離邊緣最小尺寸18 mm，由壓縮機室接水盤及安裝尺寸決定;

（3）壓縮機左邊緣距離壓縮機室左側邊緣190 mm，風扇右邊緣距離壓縮機室右側邊緣245 mm，以上兩個尺寸決定蓋板長度方向上的孔槽分布;

（4）壓縮機側零件距離蓋板外端20.5 mm，冷凝器側距離蓋板外端20.0 mm;

（5）根據冰箱外形最大尺寸，取蓋板最大厚度為18 mm。

3.2? ? 蓋板結構設計

根據上述設計思路及約束條件，并結合企業實際工藝成本及使用需求，蓋板設計結構如圖5所示。蓋板結構為外側柵格板、內側柵格板加開口板，內外蓋板的出口、入口均錯開一定距離，內外蓋板中間用吸聲材料填充。內側兩邊為兩開口，承擔進風口和出風口的功能，中間無開口部分為柵格，兩層板中間的吸聲材料與壓縮機室通過柵格相連。

外側為柵格結構，此結構按照原蓋板的企業安全規范設計，槽長度76 mm，寬度6 mm，長度方向上間距13 mm，寬度方向上間距10 mm。除了蓋板以外，應在冷凝器附近入口處加裝導流板，減少冷凝器內部渦旋。

吸聲材料要與周圍傳聲介質的聲特性阻抗匹配，使聲能無反射進入吸聲材料，吸收大部分聲能。由于壓縮機室噪聲頻率在400～1 000 Hz，因此，為了盡可能吸收噪聲，選取薄膜吸聲材料粘貼于蓋板靠壓縮機一側，蓋板中間填充多孔吸聲材料。

3.3? ? 仿真計算驗證與試驗驗證

對新設計蓋板結構進行仿真計算，得到結果如圖6、圖7、圖8所示。與原蓋板結構進行比較，壓縮機流場分布由原來的繞流壓縮機兩側的形式變為主要由壓縮機與蓋板間隙流動，速度最大值降低;壓縮機室內部渦流明顯減少;最大溫度由92 ℃降低至84 ℃，散熱效果更好。取蓋板外側對應風扇位置為測點，測點聲壓值由58.7 dB降至55.2 dB，降低3.5 dB，如圖9所示。仿真計算結果表明，無論是流場特性、溫度場特性，還是噪聲特性，都在采用了新的設計方案后得到了改善。

將設計的蓋板加工出來安裝于冰箱上，在半消聲室進行聲功率測試，整機聲功率相比原設計下降1.8 dB，實物驗證證明了仿真結論的正確性。

4 結語

本文以某型號冰箱壓縮機室為研究對象建立了CFD仿真模型，分析了冰箱壓縮機室的流場特性，并根據噪聲源特性確定了壓縮機室蓋板降噪設計所需要遵循的設計方法和原則;通過對新設計蓋板進行仿真計算和實物加工驗證的方法，確定了該設計方法能夠達到提升流場特性，降低壓縮機室噪聲的目的。本文針對壓縮機室蓋板的設計方案，在目前的冰箱蓋板設計工作中屬于創新結構，并且其設計方法可有效指導未來蓋板的設計工作，有著較強的應用價值和創新性。

[參考文獻]

[1] 馬艷峰，李加威，陸冬.冰箱噪聲的聲強測試與噪聲源分析[J].實驗室科學，2014，17（6）：19-23.

[2] 李加威.電冰箱風冷系統的噪聲分析研究[D].南京：東南大學，2015.

收稿日期：2021-02-22

作者簡介：呂劍喬（1994—），男，甘肅人，碩士，研究方向：振動與噪聲控制。