變頻冰箱全制冷周期降噪方案研究

馬長州 魏邦福 陳開松 崔培培

長虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

近年來，變頻冰箱已逐步成為市場上的主流產品。變頻冰箱最大的技術優勢是節能、保鮮、靜音，但是從近幾年的售后反饋來看，部分變頻產品的噪聲投訴率反而會高于普通定頻產品。一方面，由于變頻壓縮機轉速是變化的，可能存在部分轉速下壓縮機與冰箱整機共振等噪聲問題，整機降噪設計難度增大；另一方面，消費者對變頻產品的低噪聲期望值更高，但是變頻冰箱在某些工況運行時其噪聲可能高于定頻產品。

風冷冰箱的噪聲控制主要是針對噪聲超標情況進行測試分析，借助頻譜分析、結構共振改善、減振吸聲材料應用等方法解決噪聲問題[1]。丁龍輝[2]等提出一種噪聲測試程序，通過程序自動運行壓縮機、風機組合運行模式，快速評價各種運行轉速組合下的噪聲，篩查可能出現的異常共振噪聲，提高了變頻冰箱噪聲設計開發效率。除了要降低冰箱穩定運行條件下的噪聲，冰箱運行過程中的異常噪聲也越來越受到關注。江俊[3]等介紹了家用電冰箱非穩定運行噪聲組成、評價方法等，通過非穩定運行噪聲測試，評價冰箱噪聲水平。

在用戶真實的使用場景下，在完整的制冷周期內，除穩態運行噪聲外，變頻冰箱在壓縮機、風機升降速、壓縮機啟停、風門切換、電動閥切換、停機等過程中均可能產生各種持續時間不等的異常噪聲。本文主要通過監測變頻冰箱全制冷周期內的聲功率（聲壓）級的變化規律，開展噪聲測試分析，對降溫階段、穩定制冷階段、停機階段等不同制冷階段產生的各種異常噪聲進行分析及降噪優化方案探索。

2 冰箱噪聲測量標準

冰箱聲功率級的測量，依據的是國家標準GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》[4]。該標準關于冰箱噪聲的計算方法如下：

聲壓級測量從運行階段開始后1 min至運行階段結束。為了確定最終的結果應進行三個連續穩定運行。最終結果為三次測量的對數平均值。如果，任何兩個測量結果的偏差超過2 dB(A)，則應進行三個額外的測量，最終結果為六次測量的對數平均值。

現行的測試方法，測量計算的是冰箱穩定運行后，幾個完整運行周期內測量結果的對數平均值。測量過程中短時的噪聲突然增加對測量結果影響較小。但是此類噪聲明顯會高于穩定運行階段噪聲，會使用戶使用體驗較差。

另一方面，現有的變頻冰箱達到穩定運行條件后，壓縮機、風機運行轉速一般不會再變化。但是在用戶實際使用過程中，由于環溫、開關門、制冷負荷等條件變化，壓縮機、風機等轉速會不斷變化。整機噪聲也會隨轉速的變化而波動。

對于變頻冰箱，現有的冰箱噪聲測試標準，測量結果不能完全反映冰箱整機真實的噪聲變化。作為冰箱生產企業，在變頻冰箱設計過程中，需要充分考慮冰箱不同運行條件下的整機噪聲變化。使產品不僅滿足標準要求，也可在用戶真實使用工況下，減少全制冷周期內的各類異常噪聲，從而降低市場噪聲投訴率。

3 變頻冰箱全制冷周期運行過程分析

在變頻冰箱全制冷周期內，制冷的不同階段產生的噪聲變化可以劃分為以下四階段:（1）冰箱降溫階段噪聲；（2）穩定運行階段噪聲；（3）壓縮機、風機升降速產生的噪聲波動；（4）停機過程中整機噪聲波動。

3.1 箱體初次降溫階段噪聲

如圖1所示，某型號冰箱首次上電后連續100 min內的聲功率級變化數據，在壓縮機、風機轉速均沒有變化的情況下，在40 min～50 min時，聲功率級出現約2 dB(A)的增加，隨著箱內溫度的降低，整機噪聲呈下降趨勢。并且在降溫過程中出現無規律的熱脹冷縮炸裂的聲音，瞬時聲功率級超過40 dB(A)，前50 min內熱脹冷縮的聲音出現次數明顯高于后50 min出現次數。

圖1 冰箱降溫過程整機聲功率級變化

總體來看，在高冷凝溫度、高蒸發溫度工況下，壓縮機單機噪聲會增加，隨著蒸發溫度降低，制冷負荷降低，壓縮機噪聲減小。根據多臺樣機測試結果，不同類型產品出現峰值的階段有差異，根本原因還需要進一步研究。

除制冷工況的影響，變頻壓縮機的噪聲隨轉速降低而降低。通過規避高轉速、高制冷負荷工況疊加，在冰箱首次降溫前1到2小時內，讓壓縮機以低速運行，待蒸發溫度降低后，壓縮機再升速，對比改進前后，降溫過程中的最大噪聲降低1.8 dB(A)，如圖2所示。

圖2 壓縮機不同轉速控制降溫過程噪聲

進一步對比25度環溫冰箱整機降溫速度，箱內溫度達到相同溫度時，兩種控制規則下時間僅相差不到10 min，降溫前期的低轉速運行對整機降溫速度影響較小，如圖3所示。

圖3 25度環溫降溫速度對比

3.2 穩定運行階段噪聲

在壓縮機、風機轉速不變的情況下，該階段的噪聲波動主要是壓縮機啟停噪聲、電動風門運行噪聲、電動旋轉閥運行噪聲、制冷系統噪聲、熱脹冷縮噪聲等。此類噪聲波動一般持續時間約為幾秒到幾十秒不等，對用戶使用體驗有著非常重要的影響。

3.2.1 壓縮機啟動噪聲[5]

壓縮機啟動瞬時峰值噪聲受停機時間、制冷系統高低壓端壓差等因素影響，平衡時間長，啟動階段的瞬時峰值噪聲相對較小。啟動瞬間產生的峰值噪聲，主要是壓縮機自身振動及其帶動的管路振動傳遞出的機械振動噪聲，主要噪聲頻率一般分布在200 Hz以下。啟動后1 min內持續性的噪聲，主要來自制冷劑的吸排氣脈動噪聲，一般為630 Hz、800 Hz排氣脈動噪聲大，250 Hz、315 Hz、400 Hz吸氣脈動噪聲大，如圖4所示。2 min～3 min后，高低壓端建立穩定的壓差，壓縮機進入穩定運行階段。

圖4 壓縮機啟動過程聲壓級及頻率分布

對于變頻壓縮機，啟動階段的振動噪聲可以從轉速控制規則方面開展優化工作，如：啟動慣量、啟動扭矩、啟動階段的上油轉速等參數調整。對于吸排氣脈動噪聲，通過優化壓縮機內部吸排氣結構等方法可實現較好的改善效果。

3.2.2 風門運行噪聲

風冷冰箱中，電動風門負責風量分配，根據不同間室的制冷需求，每隔一段時間風門會執行開啟、關閉動作。冰箱企業在設計中考慮可靠性要求，當風門長時間保持一種狀態時，風門會執行一次復位動作（打開、關閉），防止風門被凍住。單風門一次開啟或關閉動作一般需要6～10秒。雙風門一個完整的開啟或關閉動作需要持續6～30秒不等。風門齒輪箱內部結構如圖5所示。正常情況下，風門運行噪聲小于35 dB(A)（距離風門100 mm處測得聲壓級大小）。其頻率分布如圖6所示，主要聲源：步進電機1 kHz～10 kHz 高頻噪聲；次要聲源：齒輪箱內齒輪轉動的80 Hz低頻振動噪聲。

圖5 風門齒輪箱內部結構

圖6 單風門噪聲頻率分布

筆者通過大量的測試發現，同一型號風門與冰箱風道裝配后，進行冰箱整機測試時，在只運行風門的情況下，噪聲頻率分布與單風門明顯不同。如圖7所示，圖7a）對開門冰箱及圖7b）法式多門冰箱，風道設計使用的是同一型號風門，單機噪聲相當。但是在整機測試中，風門運行時的主要噪聲源均變至500 Hz以下，且聲壓級大小有明顯差別。分析來源于風門動作時，齒輪振動通過風道、箱體傳遞放大。我司現有的風門裝配結構，在只運行風門的情況下，整機噪聲普遍在35 dB(A)～38 dB(A)，個別異常情況下，噪聲甚至可能超過40 dB(A)。

圖7 整機測試中風門運行噪聲典型頻率分布

風門運行噪聲的主要優化方向：風門與風道裝配結構優化，隔離振源，減小齒輪傳動噪聲放大；密封設計與減振設計綜合考慮，風門與風道應避免過松或過緊的裝配尺寸。如圖8所示，通過優化風門與風道裝配尺寸，增加減振海綿設計。冰箱整機測試狀態下，風門運行噪聲可實現小于32 dB(A)的目標。這時，風門與壓縮機、風機的疊加噪聲基本可以忽略。

圖8 風門、風道裝配結構優化示意

3.2.3 制冷系統噪聲

制冷劑流動、噴射等噪聲隨冰箱制冷系統工況變化，降溫階段蒸發溫度高，大流量情況下，制冷系統噪聲通常會變大。毛細管出口噴射噪聲頻率分布如圖9所示，主要噪聲分布在250 Hz～400 Hz，500 Hz～2000 Hz兩個頻率段[6]。通過對毛細管出口處加丁基橡膠減震處理，250 Hz、315 Hz噪聲降低明顯。制冷系統噪聲出現異常時，可以從工藝、零件符合性等方面進行排查，差異化因素較多。

圖9 毛細管出口噴射噪聲頻率分布

壓縮機停機后的制冷系統噪聲，主要噪聲來自儲液罐位置，其次是高低壓端壓力平衡帶來的制冷劑流水聲。從聲功率級上來說，其大小一般低于穩定運行階段的噪聲。但是由于其頻率分布與冰箱穩定運行時不同，人耳可以明顯感知到噪聲的變化，用戶對此類噪聲的投訴也集中在背景噪聲比較低的夜間。一般集中在停機后3 min～5 min出現，隨著停機時間的延長，出現頻率及噪聲大小均呈降低的趨勢，如圖10所示。

圖10 停機過程聲壓級變化及峰值時刻頻率分布

3.3 壓縮機、風機升降速噪聲

壓縮機、風機雙變頻目前已經成為市場上變頻冰箱的標準配置，產品設計階段，需要對每個使用到的轉速進行詳細測試評估。通過測試排查壓縮機在不同轉速下是否與箱體共振，風機與風道是否在某些轉速下存在耦合共振，從設計端避開異常噪聲頻率（轉速）段。對于壓縮機升降速過程中有短時異常共振的轉速，建議在變頻壓縮機驅動端予以規避。即，在升速、降速過程中，盡量縮短在共振轉速下的運行時間。如圖11、圖12所示為冰箱冷凍風機、冷凝器風機不同轉速下整機聲功率級波動范圍。

圖11 冷凍風機不同轉速下整機聲功率級波動范圍

圖12 冷凝器風機不同轉速下整機聲功率級波動范圍

此外，目前市場上的多循環產品也越來越多，比如帶外置冷凝器風扇的三循環產品，有1個壓縮機、3個制冷風機、1個冷凝風機，共計5個噪聲源。

在冰箱制冷的不同階段，存在多種組合運行模式。如圖13所示為某三循環冰箱一個制冷周期內的聲功率級變化。

圖13 三循環冰箱一個制冷周期內噪聲變化

冷藏制冷階段（0～20 min），該階段冷藏風機、冷凍風機、冷凝風機、壓縮機運行，整機噪聲約34.5 dB(A)。

變溫制冷階段（20 min～23 min），該階段變溫、冷凍、冷凝風機、壓縮機同時運行，整機噪聲增加至35.3 dB(A)。

冷凍單獨制冷階段（23 min～34 min），該階段冷凍、冷凝風機、壓縮機同時運行，整機噪聲約34 dB(A)。

不同的轉速組合、不同的聲源數量可能引起整機噪聲較大的變化。設計中需要充分考慮冰箱在一個制冷周期內的噪聲波動范圍。

4 結論

在變頻冰箱的設計中，除了采用標準測試方法評估冰箱穩定運行的聲功率級外，還需要充分考慮到標準測試以外的各種運行工況噪聲及非穩態運行噪聲，通過聲壓監測的方式獲取冰箱全制冷周期內的噪聲波動范圍、頻率分布，指導產品降噪設計。基本原則是：持續時間長，瞬時聲壓級高、出現頻率高的噪聲需要優先進行降噪設計。

（1）冰箱降溫過程中整機噪聲隨著蒸發溫度降低，制冷負荷降低，壓縮機噪聲、制冷系統噪聲逐漸減小。通過規避高轉速、高制冷負荷工況疊加，優化降溫過程壓縮機轉速控制，可以有效降低降溫過程冰箱整機最大噪聲。

（2）通過優化風門與風道裝配結構，風門運行噪聲可降低超過2 dB(A)，整機狀態下，風門運行噪聲小于32 dB(A)。

（3）多循環冰箱由于存在多種聲源組合，產品設計中同時需要考慮不同轉速組合時，整機噪聲波動范圍，避免用戶實際使用中，不同制冷階段噪聲忽大忽小，使用體驗差。

（4）筆者在進行冰箱降溫階段噪聲對比測試中發現，在壓縮機、風機轉速都不變的情況下，整機噪聲增加的幅度，持續的時間段每次測試都有差別。與環境溫度、冷凝溫度、蒸發溫度等多種因素相關，建議冰箱生產企業與壓縮機生產企業開展聯合研究工作，指導整機噪聲改進方向。