家用除濕機的總體設(shè)計及重要部件優(yōu)化設(shè)計

關(guān)鍵詞：家用除濕機；葉輪優(yōu)化；抗振性能；模態(tài)分析；除濕效率

中圖分類號：TM925.13文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0047-03

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.012

0 引言

隨著生活水平的提升，室內(nèi)環(huán)境濕度控制逐漸成為人們關(guān)注的重點[]。濕度過高不僅影響舒適性，還可能滋生霉菌、損壞家具電器，甚至危害人體健康。家用除濕機作為調(diào)節(jié)濕度的核心設(shè)備，其性能直接決定了用戶體驗。然而，現(xiàn)有產(chǎn)品在長期運行中常面臨噪聲大、效率衰減、部件壽命短等問題，其中葉輪作為驅(qū)動空氣循環(huán)的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性尤為關(guān)鍵。

傳統(tǒng)葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時易受氣流激勵產(chǎn)生振動[2]，導(dǎo)致噪聲加劇、能耗增加，甚至引發(fā)疲勞失效。盡管已有研究通過材料改進或參數(shù)調(diào)整緩解了部分問題，但對葉輪動態(tài)特性的系統(tǒng)性優(yōu)化仍存在不足。本文基于空氣動力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，提出一種新型葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并通過模態(tài)分析與數(shù)值模擬驗證其抗振性能[3]。

研究旨在解決葉輪高頻振動與疲勞損傷的工程難題，同時提升整機能效與可靠性，為家用除濕機的輕量化、低噪化設(shè)計提供新思路。下文首先系統(tǒng)闡述家用除濕機的總體設(shè)計框架，分析各關(guān)鍵部件的協(xié)同工作機制；隨后聚焦葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合仿真手段量化對比葉輪優(yōu)化前后的動態(tài)特性差異，最終通過實驗驗證優(yōu)化設(shè)計的有效性。

1家用除濕機的總體設(shè)計

家用除濕機由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、風(fēng)機、風(fēng)道、水箱與排水系統(tǒng)等關(guān)鍵部件組成4，如圖1所示。本文將對風(fēng)道流場進行剖析，精準(zhǔn)定位性能問題成因，進而提出針對性優(yōu)化方案。

圖1家用除濕機重要組成部分

壓縮機是家用除濕機的核心動力部件，通過壓縮制冷劑驅(qū)動其循環(huán)流動，將低溫低壓氣體轉(zhuǎn)化為高溫高壓氣體（工作壓力范圍： 0.8～1.5MPa? 。其采用高效渦旋式設(shè)計，能夠在低能耗條件下實現(xiàn)快速制冷，為后續(xù)的吸濕過程提供穩(wěn)定的能量支持。

蒸發(fā)器由密集的鋁制翅片與銅管組成，表面覆蓋親水涂層。低溫制冷劑在此蒸發(fā)吸熱，使流經(jīng)的空氣溫度驟降5，促使空氣中的水分凝結(jié)成水滴（工作溫度： 5～10°C? 。其特殊翅片結(jié)構(gòu)可增大接觸面積，提升冷凝效率。

冷凝器位于蒸發(fā)器后端，通過散熱片與風(fēng)扇協(xié)同作用，將高溫高壓的制冷劑氣體冷卻為液態(tài)（散熱效率 ≥85% ）。其采用多回路盤管設(shè)計，結(jié)合空氣強制對流技術(shù)，確保熱量快速散逸至外界環(huán)境。

風(fēng)機采用無刷直流電機驅(qū)動（轉(zhuǎn)速范圍： 800～ 2 000r/min） ，通過三擋風(fēng)速調(diào)節(jié)推動空氣循環(huán)。其葉輪經(jīng)空氣動力學(xué)優(yōu)化，可在低噪聲（ ≤35dB） 條件下實現(xiàn)高風(fēng)量輸出，確保濕空氣高效流經(jīng)蒸發(fā)器與冷凝器。

風(fēng)道為一體化弧形結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁光滑且截面漸縮，可減少氣流阻力并引導(dǎo)空氣均勻通過蒸發(fā)器與冷凝器。其內(nèi)部導(dǎo)流板設(shè)計能進一步優(yōu)化氣流分布，避免局部渦流，提升整體除濕效率。

水箱與排水系統(tǒng)包括容量為3L的可拆卸水箱（支持滿水自動停機保護）及直排式排水接口。水箱底部采用傾斜設(shè)計，便于冷凝水匯集；排水系統(tǒng)配備智能水位傳感器與電磁閥，可實現(xiàn)連續(xù)排水功能（排水量： 1.5L/h） ，滿足不同場景需求。

通過上述組件的協(xié)同運作，家用除濕器完成了從空氣吸入、水分凝結(jié)到水分排出的一體化流程，從而能夠顯著降低環(huán)境濕度，為用戶提供干爽舒適的室內(nèi)環(huán)境。

2 家用除濕機葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

葉輪在家用除濕機中起著推動空氣循環(huán)的關(guān)鍵作用，具體表現(xiàn)在實現(xiàn)空氣循環(huán)與流動、提高除濕效率以及均勻分布處理后的空氣三大方面。

1）實現(xiàn)空氣循環(huán)與流動：葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生振動，這種振動可能會對空氣的吸入和循環(huán)產(chǎn)生一定影響。適當(dāng)?shù)恼駝涌赡軙箍諝飧菀妆晃氤凉駲C內(nèi)部，因為振動可以增加空氣的湍流程度，打破空氣的層流狀態(tài)，從而使空氣更容易被葉輪捕獲并帶入除濕機。

2）提高除濕效率：振動可能會導(dǎo)致葉輪的葉片與空氣之間的接觸更加充分。當(dāng)葉輪振動時，葉片會不斷地改變與空氣的相對位置和角度，這有助于破壞空氣在葉片表面形成的邊界層，使空氣中的水蒸氣更容易與冷凝器接觸并冷凝。

3）均勻分布處理后的空氣：振動可能會影響干燥空氣從出風(fēng)口排出的方式，使其更加均勻地分布到室內(nèi)環(huán)境中。由于葉輪的振動，空氣在排出時可能會具有更多的方向性和擴散性，而不是簡單地沿著一個固定的方向流動。

然而，需要注意的是，葉輪的振動如果過大，可能會帶來一些負(fù)面影響。例如，過大的振動可能導(dǎo)致除濕機產(chǎn)生噪聲，影響用戶的使用體驗；還可能加速葉輪及相關(guān)部件的磨損，縮短設(shè)備的使用壽命。因此，在設(shè)計和使用家用除濕機時，需要對葉輪的抗振性進行適當(dāng)?shù)目刂坪蛢?yōu)化，以充分發(fā)揮其積極作用，同時盡量減少負(fù)面影響[8]。由此，對如圖2（a）所示的傳統(tǒng)葉輪進行優(yōu)化，優(yōu)化后的葉輪如圖2（b）所示。

將兩種葉輪模型導(dǎo)入AnsysWorkbench9]，賦予葉輪常用的Q235材料后進行網(wǎng)格劃分。由于葉輪的葉片厚度較薄，為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用 2mm 的四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的兩種葉輪模型如圖3所示。

進一步進行模態(tài)分析，在分析設(shè)置中將最大模態(tài)階數(shù)調(diào)節(jié)至十階進行模態(tài)分析，兩種葉輪模態(tài)分析的第一階振型圖如圖4和圖5所示。兩種葉輪模態(tài)分析的模態(tài)頻率如表1所示。

圖3不同葉輪結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

圖4傳統(tǒng)葉輪第一階模態(tài)振型圖

（b）優(yōu)化后葉輪結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

圖5優(yōu)化后葉輪第一階模態(tài)振型圖

表1兩種葉輪模態(tài)分析的模態(tài)頻率表

通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，兩種不同結(jié)構(gòu)的葉輪，其振型呈現(xiàn)出明顯的共性，即主要集中在葉片區(qū)域。具體而言，葉片在不同方向上的擺動構(gòu)成了主要的振動形式，這種振動特點在葉輪運行過程中表現(xiàn)得尤為突出。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，葉輪的模態(tài)頻率呈現(xiàn)出顯著的提升趨勢。與此同時，葉片的振幅則出現(xiàn)了明顯的下降。以第一階模態(tài)為例，優(yōu)化后的葉輪葉片固有頻率較優(yōu)化前提升了 45.7% ，這一提升幅度在工程應(yīng)用中具有重要的實際意義。同時，葉片的最大振幅降低了 86.8% ，表明振動的強度得到了極大程度的削弱。進一步對比優(yōu)化前后的葉輪性能可以發(fā)現(xiàn)，即使是在優(yōu)化之前，傳統(tǒng)葉輪本身也已經(jīng)具備了相對較高的固有頻率，在一定程度上滿足了基本的使用要求。然而，考慮到家用除濕機的實際工作環(huán)境，其主要的振源來自氣體，氣體引發(fā)的振動具有頻率高、頻率范圍廣的特點，這對葉輪的抗振性能提出了更高的要求。綜合以上分析，優(yōu)化后的葉輪結(jié)構(gòu)在應(yīng)對氣體引起的高頻、寬頻振動方面，展現(xiàn)出了更為出色的抗振性能。這一改進不僅提升了葉輪的可靠性和耐久性，還為家用除濕機的整體性能優(yōu)化提供了有力的支持，有助于延長設(shè)備的使用壽命，提高運行穩(wěn)定性，進而為用戶帶來更好的使用體驗。

3 結(jié)論

本文通過優(yōu)化家用除濕機葉輪結(jié)構(gòu)，顯著提升了其抗振性能與運行效率。優(yōu)化后葉輪第一階固有頻率達(dá) 5168.6Hz ，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升 45.7% ，最大振幅降低 86.8% ，有效抑制了"高頻振動引發(fā)的噪聲與疲勞損傷。結(jié)合風(fēng)道、風(fēng)機協(xié)同設(shè)計，整機除濕效率提升，且噪聲控制在 ?35dB .氣流分布更均勻。

研究為家用除濕機的低噪化、高可靠性設(shè)計提供了理論支持，具有重要的工程應(yīng)用價值。

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