制冰機落冰流道降噪分析與設計

張丹偉 王利亞 江俊 李語亭

1. 廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311；

2. 合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

目前，消費者對于生活品質的要求在不斷提高，高端冰箱也不斷地走進了普通用戶的家庭。與此同時，制冰技術也被應用到家庭場景。從最初的手動制冰到現(xiàn)在的自動制冰，制冰機在結構設計和邏輯控制等方面都進行了多次的改進。另外，消費者對于健康生活的需求使得廠家更加關注制冰的衛(wèi)生問題。總體來看，家用制冰技術已基本走向成熟。

李玉穩(wěn)等[1]采用仿真分析和實驗相結合的手段對制冰機進風結構進行優(yōu)化，縮短了制冰周期，提高了冰塊質量。李語亭等[2-3]依據(jù)能量守恒原理從降低初始彈性勢能、提高摩擦耗散和門封減振耗散的角度對冰箱抽屜碰撞噪聲進行優(yōu)化，同時定量給出了碰撞噪聲的預測公式。程志明等[4]分析了流水式、浸水式和噴淋式制冰的原理，對該三種制冰方式的制冰性能進行了對比實驗研究。朱建高和張善房[5]介紹了日式制冰機軟件控制、零部件的工作原理和可靠性測試方法，對于提高產品可靠性具有借鑒意義。何四發(fā)等[6]對比測試了使用R290與R134a制冷劑的制冰機，說明了在商業(yè)制冰機中用R290代替R134a的可行性，同時驗證了R290制冷劑壓縮機的可靠性。徐延輝[7]實驗驗證了利用熱氣除霜實現(xiàn)脫冰的過程中可以避免制冰機壓縮機液擊，保證此類制冰機性能可靠。陳秀麗[8]通過對風機的脈沖寬度調制來控制制冷劑的溫度，提高換熱效率，進而提高了制冰效率。王澤普等[9]提出雙蒸發(fā)器優(yōu)化方案，對比了單、雙蒸發(fā)器機組對不同流量的制冰溶液的降溫速度，提高了制冰效率。黃河源和范明升[10]基于對真空制冰原理的分析，提出了真空制冰機的合理化設計要求。楊志威等[11]對導冰通道和取冰盒做了結構上的改進，降低了制冰過程中的噪聲。楊寒星等[12]在儲冰盒內設置用于承接冰塊的減振導軌，在保證制冰過程中冰塊外形規(guī)整度的同時又能夠降低儲冰噪聲。

從上述成果可以發(fā)現(xiàn)，制冰機的研究主要集中于制冰效率和可靠性方面，涉及制冰機降噪的研究相對較少。本文針對制冰機制得的冰塊在落冰流道內下落時產生較大噪聲的問題，通過仿真與實驗相結合的手段，對流道進行改進，最終使得制冰機噪聲大幅下降，改善了用戶的聽感體驗。

1 問題描述

某款高端類冰箱上搭載的制冰機在制冰過程中產生較大的噪聲，用戶聽感體驗差。經(jīng)排查，噪聲主要來源于冰塊下落過程中與落冰流道的撞擊聲。制冰機模型如圖1所示，圖2為對應的流道模型，冰塊自流道進口上方0.2 m高度處自由下落。

圖1 制冰機模型

圖2 原始落冰流道模型

為了了解初始狀態(tài)下制冰過程的噪聲水平，在半消聲實驗室中對制冰機的噪聲進行測試。依據(jù)我司《制冰機噪聲設計規(guī)范》，將傳聲器固定于冰箱出冰口正前方0.3 m、高1.5 m處，如圖3所示。其中，噪聲采集使用西門子聲振信號采集儀和PCB公司的ICP型傳聲器。

圖3 傳聲器測點方位圖

2 改善設計與驗證

觀察原始落冰流道的形狀后推測冰塊在下落過程中產生巨大的噪聲主要是由于冰塊與流道的撞擊力較大，并且冰塊反彈撞擊流道的次數(shù)也較多，因此考慮將原始流道改進為包含更多圓弧面的流道，圖4為改進的落冰流道模型。

圖4 改進落冰流道模型

在制作落冰流道樣件之前，借助仿真軟件對冰塊在流道內的下落過程進行動力學仿真研究。為了更接近于實際情況，冰塊模型選定為邊長10 mm的正方體，其密度設定為實際冰塊的密度，冰塊自流道進口上方0.2 m高度處自由下落。圖5為流道改進前后對單個冰塊下落過程中的垂直速度進行仿真的結果。

圖5 單冰塊下落過程垂直速度時域圖

圖5中，冰塊垂直速度時域曲線圖中每出現(xiàn)一個拐點意味著冰塊與落冰流道發(fā)生一次撞擊。從上面的動力學仿真結果可以看出，圖中共有18個拐點，表明該冰塊在下落過程中與原始流道的撞擊次數(shù)為18次，同理可知，該冰塊與改進流道的撞擊次數(shù)降低為12次；并且流道改進后，冰塊與流道發(fā)生撞擊的時間段也大幅減少。

為了更接近于實際情況，仿真工作亦考慮了多冰塊下落的情況。多冰塊下落仿真用六個冰塊作為研究對象，同樣地，使六個冰塊自流道進口上方0.2 m高度處自由下落，如圖6所示。v0為冰塊下落至落冰流道進口處的瞬時速度，其在此處的速度v0約為2 m/s。

圖6 多冰塊下落仿真模型

對于多冰塊下落的情況，采用圖7所示的應力-時間圖描述冰塊與落冰流道的撞擊情況，圖中每出現(xiàn)一個應力單峰意味著冰塊與流道的一次撞擊。從圖7中可以看出，流道改進后，眾多冰塊與流道發(fā)生撞擊的時間段明顯縮減，撞擊應力也有所下降。

圖7 多冰塊下落過程撞擊應力時域圖

結合圖5和圖7所示的冰塊與落冰流道的撞擊情況，推測制冰機使用改進流道后冰塊下落過程的噪聲會有所下降。為驗證推測，制作原始和改進流道的樣件，分別如圖8 a)和b)所示。

圖8 落冰流道樣件對比

將制作的落冰流道樣件安裝于制冰機中進行噪聲測試，傳聲器連續(xù)測試一分鐘得到的噪聲時域結果對比如圖9所示。

圖9 原始與改進流道噪聲時域對比圖

從測試結果看出，使用改進的落冰流道后，制冰機的噪聲有顯著的下降，其噪聲平均值相較改進之前降低了3.9 dB(A)。

另外，單純地改進落冰流道形狀對于降噪具有很大的局限性，因此，考慮在流道內部安裝橡膠圈，吸收削弱冰塊下落過程的動能，從而進一步降低撞擊噪聲，安裝的橡膠圈如圖10所示。

圖10 安裝在流道內部的橡膠圈

將含有橡膠圈的落冰流道樣件安裝于制冰機中進行噪聲測試，測試結果對比如圖11所示。

從圖11可以看出，在改進的落冰流道內安裝橡膠圈后，噪聲較之前有進一步的降低，相較于單純使用改進落冰流道的情況其噪聲平均值降低2.9 dB(A)。同時，用戶的聽感體驗也有大幅提升。

圖11 原始與改進流道（含橡膠圈）噪聲時域對比圖

3 結論

制冰機中冰塊撞擊落冰流道的巨大噪聲嚴重影響用戶的聽感體驗。本文針對某款高端冰箱中制冰機存在的噪聲問題，首先借助仿真手段對冰塊在流道內的下落過程進行動力學仿真研究，對比分析了冰塊在原始與改進流道內的動力學特性。最后制作流道樣件進行實際降噪效果驗證，同時采用在流道內安裝橡膠圈的輔助降噪手段，使得流道噪聲進一步降低2.9 dB(A)，改善后實測用戶聽感良好，達到了預期的改善效果。