冰箱壓縮機排氣消音器結構對排氣脈動的研究

賈延旭 朱秀華 曹旭明

（1.景德鎮藝術職業大學，江西 景德鎮 333000；2.長虹華意壓縮機股份有限公司，江西 景德鎮 333000）

作為現代家庭中不可或缺的電器之一，冰箱的噪聲問題一直備受關注。噪聲不僅會影響生活質量，還可能對人們的身體健康產生負面影響。因此，降低冰箱噪聲對提高家庭環境的舒適度、增強身心健康具有至關重要的作用。

作為冰箱的“心臟”，壓縮機是冰箱噪聲最主要的來源之一。在冰箱的制冷過程中，壓縮機需要吸入低溫、低壓的氣體冷媒，經過壓縮后排出高溫、高壓的氣體冷媒[1]。壓縮機會進行周期性吸排氣，并且在排氣過程中形成排氣脈動，排氣脈動會產生聲波，聲波會在排氣管道中傳播，從而產生噪聲，因此排氣脈動與噪聲關系密切[2]。而排氣噪聲的主要來源就是排氣脈動產生的聲波，其頻率和強度與排氣脈動的特性有很大關系[3]。為了實現降低壓縮機噪聲的目標，需要對壓縮機排氣壓力脈動進行深入研究，通過改變氣體流過的路徑來降低其脈動幅值。

1 排氣消聲器結構優化設計

1.1 結構優化

冰箱壓縮機排氣時需要經過排氣消聲器，同時排氣消音器會降低排氣脈動的頻率和強度，從而達到降低噪聲強度的目的。降低噪聲強度的主要手段為干涉和相位差[4]。干涉降噪指的是2 個或多個聲波相互疊加時產生的干涉效應。當2 個聲波的相位差為正或負的整數倍時，會互相增強，而當相位差為半波長的奇數倍時，會互相抵消，從而降低其強度。相位差降噪指的是2 個聲波間的相位差異。當2 個聲波的相位差為0 或2π 的整數倍時，會完全同相疊加，增加噪聲的強度。而當相位差為π 或奇數倍的π 時，會完全反相疊加，使噪聲減弱或消除。聲波的干涉和相位差是消音器降低噪聲強度的重要手段，通過合理設計排氣消音器的尺寸、整體結構和具體特征，可以使聲波相位差達到π 倍或π 的奇數倍，從而降低噪聲強度。另一個重要理論依據是流體動力學原理，也可以通過優化排氣消音器的設計和結構，達到降低流動氣體阻力、優化流動氣體流動路徑、改變流動氣體流動速度分布的目的[5]。例如，通過優化消音器的流道形狀和尺寸，可以使流體的湍流和渦流變小，從而降低噪聲強度[6]。可見排氣消音器的結構設計將直接影響其消聲效果。改進前的排氣消音器結構如圖1所示，通過11 處結構突變來降低排氣脈動的強度。

圖1 改進前的消音器

為了進一步降低壓縮機的排氣脈動，對現有排氣消音器結構進行優化。首先，從整體結構入手進行優化。與改進前的結構相比，優化后的排氣消音器通過改變12 處結構來降低排氣脈動強度。在第二段“U”形彎處增加長度、增大圓弧半徑并改善流通路徑，以達到降低排氣脈動的目的。并從靜力學角度分析入手，在高于蓋板位置10mm 處進行應力分析，通過改變結構來降低此處的應力集中，提高結構的強度，避免結構失效，從而保證更改后的整體結構強度優于改進前的結構強度。其次，從整體長度入手，在原有長度基礎上增加了18mm，使氣流流經的路徑變長，以增加阻力和摩擦，降低噪聲強度，但同時也會造成能量損失。這是由于流體需要克服更長的管路阻力，因此流體的動能會逐漸降低，從而增加了能量損失。但通過合理設計可以將損失控制在允許范圍內。最后，在距離出氣端尾部10mm 處設計縮口結構。該設計可以改變氣流的速度和壓力分布，從而減少噪聲的產生和傳播。當氣流通過縮口時，其速度會增加，而壓力會降低，這種速度和壓力的變化可以使氣流中的湍流和渦旋變小，從而降低噪聲。此外，縮口還可以改變氣流的方向和流向，使氣流更平穩、穩定，進而減少噪聲的傳播。優化后的結構如圖2所示。

圖2 改進后的消音器

1.2 LMSVirtual 軟件分析

為了比較優化前、后的排氣消音器降低排氣脈動的效果，使用LMSVirtual 軟件對前、后2 種結構的排氣消音器進行模擬分析。分析時設置相同的技術參數和條件，排除其他因素對分析結果的影響，更準確地模擬和評估排氣消音器優化前、后對降低排氣脈動的影響。分析結果如圖3所示。可見改進后消音器的傳遞損失顯著大于改進前，表明與優化前的排氣消音器相比，優化后的排氣消音器能更有效地降低排氣脈動，從而降低壓縮機噪聲。但也會在一定程度上降低壓縮機制冷量。

圖3 改進前、后對比圖

2 試驗驗證

2.1 試驗環境

為了比較排氣消音器改進前、后的實際降噪效果，應用上述優化方法制造優化后的排氣消音器，將其安裝在壓縮機上進行性能和噪聲測試。測試的壓縮機被放置在滿足GB/T4214.1—2017 測試環境標準的設施中，采用半球測量面上直接測量A 計權聲功率級的測試方法進行測量。測試位置如圖4所示。通過12 個傳感器測量各點的A 計權聲功率級噪聲值，并通過測量表面的個點平均A 計權聲功率級噪聲值LPi，計算出壓縮機的A 計權聲功率級噪聲值LP，單位為dB，如公式（1）所示。

圖4 A 計權測試示意圖

測試性能時使用的是第二制冷劑量熱器法，是一種利用制冷劑的熱傳導性質來實現熱量傳遞的方法。在該方法中，制冷劑被用作傳熱介質，通過制冷劑的循環流動來實現熱量傳遞。其工作原理如下：制冷劑在蒸發器中吸收外部熱源的熱量并蒸發，呈蒸汽或氣體狀態。蒸汽或氣體狀態的制冷劑進入壓縮機，其溫度和壓力升高。高溫、高壓的制冷劑進入冷凝器，與冷卻介質（如水或空氣）接觸，將熱量傳遞給冷卻介質，使制冷劑冷卻并凝結成液體狀態。冷凝成液體狀態的制冷劑經過節流閥（或膨脹閥）時壓力降低，并進入蒸發器，重新開始循環。在這種方式下，制冷劑在蒸發器和冷凝器間循環流動，進行熱量傳遞。

2.2 試驗過程

對裝有改進前排氣消音器的壓縮機進行測試，并記錄測試結果，包括壓縮機的制冷量、功率、COP、噪聲和振動。

噪聲測試條件見表1。

表1 噪聲測試條件

制冷量測試條件見表2。

表2 制冷量測試條件

然后在已經測試過的壓縮機中更換改進后的排氣消音器，不更改其他零件，并按照相同順序對壓縮機再次進行測試，測試條件、參數與第一次測試相同，并記錄測試結果。

2.3 測試結果分析

2 次測試后的數據見表3。從表3 可以得知，裝有優化后排氣消音器結構的壓縮機制冷量降低約為4.06W，COP 約降0.05，噪聲約降2.97dB。通過分析數據可知，雖然壓縮機的制冷量有所下降，但下降的幅度約為1%，在允許范圍內，而COP 約降0.3%，幾乎可以忽略，但噪聲降低的幅度為6.6%，影響較大（以上數據取平均值）。

表3 改進前、后數據比較

3 結果與討論

通過軟件模擬計算可知，冰箱壓縮機排氣消音器的結構對排氣脈動的影響較大，進而影響壓縮機噪聲強度。不同結構的消音器對排氣脈動的抑制效果存在差異，通過合理設計消音器的長度、拐角半徑和局部結構特征等參數，可有效降低壓縮機噪聲強度。試驗結果表明，優化后的排氣消音器的結構能夠有效降低排氣脈動的幅值和頻率，從而達到減少噪聲的目的。

本文進一步探討了能夠有效降低排氣脈動的消音器結構的工作原理。通過分析消音器內部的流場和聲學特性可知，改進后的消音器能夠通過改變氣流的流動路徑和速度分布來減少排氣脈動的產生。

最后本文對其效果進行了評估。試驗結果表明，改進后的方案在保證排氣脈動抑制效果的同時，對其他方面的性能影響較小，能滿足實際應用要求。

4 結論

本文研究表明，合理設計排氣消音器的結構特征能夠改變氣流的流動路徑和速度分布并降低排氣脈動，從而達到減少噪聲的目的。LMSVirtual 軟件模擬分析和試驗驗證表明，優化后的消音器可使噪聲約降2.97dB（A），約降6.6%。同時，優化后的排氣消音器還能保證壓縮機其他方面的性能，滿足人們對降低冰箱噪聲的要求。