風冷冰箱離心風機風道蝸殼設計

劉 殿 芮群娜

（惠而浦（中國）股份有限公司 合肥 231283）

引言

從最初的直冷冰箱到如今市場上更常見的間冷冰箱，人們不僅見證了冰箱技術的發展，也側面印證了人們對更高生活品質的追求。間冷冰箱又叫無霜風冷冰箱，依靠風機的強制對流達到降溫速度快的優點，最初的風冷冰箱更多的是采用直流風機，而如今離心風機由于噪聲小、效率高等特點，已經呈現出逐步替代軸流風機的趨勢。

風機作為風冷冰箱的關鍵部件，對冰箱的制冷效率和噪音都起著至關重要的作用。為了離心風機能夠更好的應用，眾多學者和生產商都做了大量的理論和試驗研究。其中羅國樞[1]通過分析論述提出離心風機的設計關鍵是其蝸殼的設計。向同瓊[2]對針對離心風機性能影響較明顯的蝸殼型線和截面形狀等因素進行總結分析，對離心風機蝸殼型線設計方法的改進提供了一定的工程設計借鑒價值和學術價值。但他們的研究均未結合冰箱實際使用進行分析，冰箱的離心風機應用空間受限，風道空間小，風道阻力大，現有的有關冰箱離心風機的研究成果有很多，如謝從虎[3]通過對離心風機的風道各出風口風向進行調整，使出風更加的均勻。陳慶濤[4]通過優化風道導風圈結構，使其出風風量提高了5.9 %，同時使噪音降低了0.4 dB。朱宇龍[5]對電機支架距離心風機入口距離、支架支撐腿數量、布置方式、風機入口直徑等離心風機的入口關鍵設計參數通過測試和CFD仿真相結合的方式進行分析和驗證。得出電機支架距離心風機入口距離、支架支撐腿數量、風機入口直徑三個因素對風量的影響都將超過5%，應當重點關注。但他們的研究成果更偏重于離心風道進出風位置以及風機安裝參數的設計，如何設計蝸殼成為一個很重要的課題。本文將結合冰箱實際使用對離心風機的蝸殼型線進行設計，為冰箱的風道設計提供依據。

1 參數確定

本文以一款雙系統冰箱為研究對象，蒸發器和離心風機位于冷藏室的底部，離心風機由一個總的送風口通過風道的不同出口向冷藏室送風。

1.1 風機參數

其離心風機的葉輪形式為后向葉輪，其風扇電機參數如表1所示。

表1 風扇電機參數表

風機的圓周速度的計算公式Cu2=π*D2*n/60，帶入后可得到圓周速度Cu2為14.44 m/s。

1.2 蝸殼寬度B

據王樹立[6]研究可得，風道蝸殼寬度B的設計不宜過大，過大的話與葉輪寬度相差較多，可能會造成部分區域渦流區域的產生，產生較大的噪音同時也會造成局部損失較大；若蝸殼寬度B的設計過小，則與葉輪寬度相差較小，則風道內部摩擦產生的損失較大，同樣會導致風機效率的降低。

由經驗公式B=（1.3～2.2）b，綜合效率和噪音，取系數為1.5，得出B為0.034 5 m，即34.5 mm。

1.3 最大張開度A和出口寬度C

風道蝸殼的最大張開度A和出口寬度C即為送風口的出口外形尺寸，如圖1所示。

圖1 風道蝸殼的最大張開度和出口寬度

風道蝸殼的最大張開度A計算公式如下：

常數取值0.65，將已知數值帶入式（1）后，計算得最大張開度A為0.124 m，即124 mm。

出口寬度C經驗公式為C=（1.3～1.4）*A，長度系數取1.4，得出出口寬度為173.6 mm。另外若考慮空間高度受限，為了減少出口長度，亦可考慮在A基礎上使用兩側增加角度θ來降低出口高度（如圖1（b）），θ取值一般建議值在（6～8）°之間。

2 蝸殼型線作圖軌跡確定

目前廣泛采用的蝸殼外型線有兩種：對數螺旋線和阿基米德螺旋線。由于受傳統制造技術的限制，工程應用中需對兩種螺旋線進行簡化，常以等邊基元或不等邊基元方法由四段圓弧來繪制蝸殼型線[7]。冰箱所用離心風機一般比轉速都較小，采用等邊基元法來繪制蝸殼型線更為適用[2]，所涉及參數如表2所示。

表2 蝸殼繪制參數表

由式（2）～式（6），可得出基方邊長a為31 mm，取值為30 mm，則RⅠ為90 mm，RⅡ為120 mm，RⅢ為150 mm，RⅣ為180 mm。

離心式通風機蝸殼與出氣口的連接處常有一種由殼壁形成,狀如舌頭的“舌狀”結構,稱為蝸舌。其作用是用來防止部分氣體在蝸殼內循環流動。當旋轉葉輪葉片通道出口處的氣流掠過蝸舌附近時,蝸舌的舌頭就把它們一分為二:大部分氣流順著通道流向了風機的出口；少部分氣流則通過蝸舌、葉輪之間的間隙流回蝸殼,在蝸殼內隨葉輪旋轉達一周后重返蝸舌處參與新的分流。

與蝸舌相關的兩個參數，一個是蝸舌與葉輪間隙t，蝸舌與葉輪間隙t過小，會導致風機效率降低，噪音過大，故蝸舌與葉輪間隙t系數取上限值0.10，得出t為15 mm；另一個相關的參數是蝸舌半徑r，蝸舌半徑r同樣對噪音的影響也很大，但是只要間隙t較大,當r大于12 mm時,對離心風機的噪音基本無太多影響，而大型離心風機通常采用下限值，小型離心風機通常采用上限值，結合式8及其對噪音影響，取值12 mm。

根據所得的數據，可得到對應的蝸殼型線作圖軌跡，如圖2所示。

圖2 等邊基元法蝸殼繪圖軌跡

3 試驗驗證

根據作出的蝸殼型線，考慮冰箱的實際結構，制作出最終的風道如圖3，冷藏室的回風通過蒸發器冷卻進入離心風機的集流圈后，經過蝸殼后被送入到上部的送風口，再通過分流后送至冷藏室內各個位置。經過測試，此產品能耗指數為23.6 %，滿足開發要求低于25 %的要求，噪音為38.5 dB滿足開發要求低于40 dB的要求。

圖3 冷藏風道風機蝸殼實物圖

4 結論與展望

本文通過運用等邊基元法設計出了雙系統冰箱冷藏室的風道蝸殼，通過測試驗證其可以滿足產品要求，證明了等邊基元法可以用來作為設計冰箱風道的蝸殼的方法，但是要注意的是在進行參數設計時需結合冰箱空間小，對噪音要求高的特點對其參數進行調整。

目前現有的研究更多的針對的是大型離心風機的設計和優化，以及冰箱離心風機進出風位置和風機安裝參數的設計和優化，作為冰箱設計者，應該更偏重核心的蝸殼設計，結合現有的大型風機研究成果，對其進行優化和改進，設計出高效率、低噪音的離心風機風道，使離心風機在冰箱產品上得到更好的運用。

本文對冷藏室單一出口的風道蝸殼進行了設計和驗證，但是無論是目前市場上更多的單系統產品還是冷凍室風道，其離心風機的使用均為多出口的蝸殼設計，下一步，我們應以多出口離心風機蝸殼設計作為研究方向，使離心風機在冰箱產品上能夠得到更加高效、可靠的使用。同時，本文缺少風道的仿真分析數據，因此，在后期的風道蝸殼優化中可通過仿真分析的手段來進一步驗證改蝸殼設計方法的有效性。