風冷冰箱排水系統降噪技術探討

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摘要：冰箱間室關門后，由于冰箱開門導致熱空氣的流入和室內溫度的降低，間室內會形成負壓，排水口作為平衡箱內壓力的核心部件，通過排水管吸入空氣進行箱內外氣壓的平衡，如蒸發皿中有水就會產生吸水噪聲。通過研究間室內壓力和溫度的變化，分析吸水噪聲的影響因素，提出一種可以平衡間室內負壓的排水結構，消除吸水噪聲，同時減少濕熱空氣從排水管中進入間室，提升耗電及儲溫性能。

關鍵詞：負壓平衡；排水結構；吸水噪聲；耗電性能；儲溫性能

1引言

隨著人們對高品質生活的不斷追求，低噪聲、穩定運行已成為用戶對冰箱的最基本要求，是衡量冰箱品質的基本因素[1]。而冰箱運行過程中聲信號是否穩定，也是用戶對聲音感知的決定性因素，冰箱運行過程中聲信號的突變和毛刺，作為聲品質基本參數中的重要評價內容，很大程度上影響著用戶對冰箱的體驗。冰箱間室關門后，箱內形成一個密閉的空間，由于冰箱開門導致熱空氣的流入，以及關門后間室內溫度的降低，間室內會形成負壓，排水口作為間室與外界連通的接口就成為平衡箱內壓力的核心部件。通過排水管吸入空氣進行箱內外氣壓的平衡，如蒸發皿中有水就會產生吸水的現象，水和空氣的同時吸入，會產生“咕嚕”的吸水噪聲。這種吸水噪聲直接影響用戶對冰箱聲音的主觀感受[2]。

2現有技術分析

目前冰箱行業內的解決方案有兩種，第一種：排水管側向開孔，此方案可以通過排水管（如圖1）側向開的孔平衡箱體內負壓，避免產生吸水噪聲。但孔的大小對冰箱性能的影響比較明顯，開孔小開門瞬時的負壓不容易平衡，會導致開門困難，同時可能會產生很大的嘯叫聲；開孔過大濕熱空氣會通過側向孔進入箱體，使間室內溫度升高，增加冰箱的耗電，同時濕熱空氣的進入還會促使蒸發器結霜，影響冰箱的性能，雖然可以解決吸水噪聲的問題，但需要犧牲更多的性能，解決噪聲問題代價過大。第二種：采用換氣閥結構，分為兩種結構：（1）如圖2，排水口吸氣時閥門打開，空氣通過預留的氣門進入，可以平衡箱內負壓，負壓平衡后，閥芯在重力作用下回落，氣門關閉，化霜水可以從閥芯中間落入蒸作者簡介：發皿，閥芯中空方便化霜水的落下，此閥門結構比較復雜、成本較高；（2）如圖3，換氣閥組件與排水管連接，形成排水結構，間室內存在負壓時換氣閥組件的閥板打開，空氣通過預留的換氣閥組件的氣門進入平衡間室內負壓，負壓平衡后，閥板在重力作用下回落，關閉箱內排水管與外界聯通的出口，當化霜時化霜水由閥板旁邊的換氣閥出水口流入到排水管中，完成化霜水的引流，此結構占用空間較大，不適合多系統冰箱。此兩種結構雖然解決了吸水噪聲問題，但由于其閥芯和閥板因重力回落，引入了新的噪聲（閥芯、閥板回落沖擊噪聲）。圖2閥芯式換氣閥圖3閥板式換氣閥

3降噪技術研究

3.1噪聲產生機理

風冷冰箱的原理是利用空氣循環進行制冷，高溫空氣流經內置的冷的蒸發器時，兩者發生熱交換，空氣的溫度降低，通過風扇等部件將冷氣吹入冰箱間室，形成強制對流，通過這種不斷的循環方式，降低冰箱間室內的溫度。空氣中存在著水蒸氣，水蒸氣遇冷會凝結，所以冷的蒸發器上就會有霜產生，同時冰箱內食物水分蒸發產生的水蒸氣也會加速蒸發器上霜層的形成。風冷冰箱化霜時，通過加熱絲加熱使翅片蒸發器上的霜融化為化霜水，化霜水滴落到下部的化霜水接水盤內，此部分物態變化全部在箱內進行，化霜水在重力的作用下，通過排水系統流入到間室外部的蒸發皿中，再經過蒸發皿中熱的管路來加快化霜水的蒸發。冰箱間室關門后，箱內形成一個密閉的空間，開門會導致熱空氣的流入，其過程可用玻意耳定律和蓋•呂薩克定律定量描述。玻意耳定律：一定質量的氣體在溫度不變的準靜態過程中，氣體壓強和體積的乘積是一個常數，可表示為：PV=C1（1）式中：P是氣體的壓強，單位為Pa；V是氣體的體積；C1是一個與氣體性質、質量和溫度有關的常數。蓋•呂薩克定律：一定質量的氣體在壓強不變的準靜態過程中，氣體體積V與熱力學溫度T之比為一常數，可表示為：（2）式中：V是氣體的體積；T是氣體的溫度，單位為K（開爾文）；C2是由氣體性質、質量和壓強確定的常數[3]。合并后的理想氣體的克拉伯龍方程：PV=(m/M)RT（3）式中：P是氣體的壓強，單位為Pa；V是氣體的體積；m是氣體的質量；M是氣體摩爾質量，(m/M)為摩爾數；R是普適氣體常量，R=8.31J/mol；T是氣體的溫度，單位為K（開爾文）[4]。氣體體積不變，溫度降低，間室內會形成負壓，此時間室與外界連通的唯一接口排水系統，就成為平衡箱內壓力的唯一部件，通過排水管吸氣進行箱內外氣壓的平衡，如果接水盤中有水就會產生吸水的現象，水和空氣的同時吸入，在重力作用下就會產生“咕嚕”聲（氣體上升進入間室平衡負壓，水在重力作用下回落）。負壓大小與間室空間、開關門行程和速度、間室內外溫度差有關，夏季間室溫度較低，環境溫度較高，更容易形成較大負壓，通過間室內負壓監控，負壓平衡時間一般在15s左右，如圖4所示，黑色曲線為間室壓力隨時間變化曲線[5]，所以在關門后的10～15s內很容易聽到這種異常的吸水噪聲。風冷冰箱排水系統需要一種換氣結構消除排水系統平衡箱內負壓狀態下產生的吸水噪聲，同時提升冰箱的制冷、耗電等性能[6]。

3.2降噪方案

3.2.1降噪方案設計設計排水管由上部排水管路、薄膜閥片和下部排水管路組成，如圖5所示，下部排水管路為雙管結構，分為內管和外管，側方開有進氣門，并與內管聯通。如圖6所示，空氣可以通過進氣門、內管、上部排水管路進入箱體間室，進氣門兩邊是氣門支撐柱，支撐柱在內管和外管之間，并在豎直方向開有通孔，可以使化霜水順利流下。薄膜閥片安裝在下部排水管路的內管上，由具有彈性的軟質材料（例如：橡膠、硅膠）制作而成，當箱內間室形成負壓，薄膜閥片在氣壓的作用下打開，空氣優先通過進氣門進入箱體，平衡間室內外的氣壓，而非通過排水管下部平衡氣壓，避免吸水噪聲的產生。當箱內氣壓與外界氣壓平衡后，由于薄膜閥片材料的軟彈性和自身重力，薄膜閥片恢復原有形狀，擋住內管口，將間室與外界隔開，使濕熱空氣無法進入到箱體間室內，不影響冰箱的耗電和制冷性能，同時薄膜閥片擋住內管口，使化霜水也無法由內管流入。如圖7所示，當冰箱化霜時，化霜水由箱內接水盤流入排水管，經上部排水管、氣門支撐柱豎向的通孔、下部排水管流入蒸發皿，完成化霜。上部排水管路與下部排水管路通過過盈配合、螺紋旋合等方式安裝在一起，整個排水管上端與箱內接水盤相連，下端固定在蒸發皿中的限位圓槽內。3.2.2試驗驗證為保證初始排水管與設計排水管噪聲情況的對比，需保證每次試驗箱內負壓相同。使用某一型號冰箱在半消聲室中進行試驗，使用SIEMENS-SCM202數據采集儀進行噪聲數據采集，試驗環境溫度統一設為22℃，通過實時檢測間室溫度，保證間室溫度為-21℃時進行開門操作，冷凍室開門角度固定為90°，開門后維持15s后關閉門體。為保證關門的力度與速度相同，關門依靠助吸器的回復力進行門體的自主關閉，通過保證以上條件的一致可以基本保證每次試驗間室內負壓相同。如圖8，保證聲信號的清晰，聲壓傳感器布置在距離排水管20cm的正前方，高度為排水管中間位置。3.2.3結果分析蒸發皿中化霜水可能出現多種情況，以蒸發皿中有大量水（淹沒排水管口）的情況進行測試分析。如表1、圖9所示，當蒸發皿中有大量水時，設計排水管與初始排水管相比，間室負壓平衡時間由22s降低為11s，前5s噪聲由49.97dB降為46.08dB，前10s噪聲由48.21dB降為43.69dB，峰值噪聲變化不明顯。由于設計排水管與現有排水管吸水噪聲相比，降噪效果不明顯，主觀聽取僅噪聲產生時間有所減短，噪聲大小并無明顯變化，需進行進一步優化。

3.3設計優化方案

3.3.1優化方案排水系統由箱內接水盤、換氣閥組件和排水管組成，換氣閥組件安裝在箱內接水盤與下部排水管之間，換氣閥組件與下部排水管通過過盈配合、螺紋旋合、凹凸槽插接等方式連接，如圖10所示。換氣閥組件由排水管轉接盤、薄膜閥片、換氣閥組成，如圖11所示，排水管轉接盤與箱內接水盤相連，換氣閥設計為雙管結構，外管和內管上設有氣門，內管與氣門連通，可以在箱內形成負壓時方便空氣進入間室。薄膜閥片安裝在內管上方，當箱內形成負壓時，薄膜閥片上下的壓差會使薄膜閥片產生形變，空氣從氣門經內管管口和薄膜閥片的間隙進入間室內部，平衡間室內的負壓。由于下部排水管安裝到蒸發皿內的安裝槽中，箱內形成負壓時，空氣不會通過下部排水管路與蒸發皿內的安裝槽進入，從而不會產生吸水噪聲。當箱內負壓平衡后，空氣對薄膜閥片的壓力消失，薄膜閥片在重力和回復力（薄膜閥片材料的軟彈性）的作用下回落，封閉內管管口，使濕熱空氣無法進入箱內，減慢霜層的形成，降低間室的溫升，提升冰箱的耗電和保鮮水平。化霜時，化霜水由冰箱內部接水盤經內換氣閥外管間中空的氣門支撐柱、下部排水管流入蒸發皿中完成化霜。3.3.2結果分析將優化方案進行不同尺寸的驗證，優化方案1換氣閥外徑30mm，優化方案2換氣閥外徑40mm，換氣閥外徑的增大可以增加氣門和內管口的面積。蒸發皿中化霜水可能出現多種情況，分別以蒸發皿中無水、有少量水（未淹沒排水管口）和有大量水（淹沒排水管口）的情況進行測試分析。如表2和圖12所示，當蒸發皿中無水時，兩組優化方案基本相同，間室負壓平衡時間由14s降至約8s，前5s噪聲由46.54dB降至約32dB，前10s噪聲由44.20dB降至約30dB，峰值噪聲由48.93dB降至約34dB。如表3和圖13所示，當蒸發皿中有少量水（未淹沒排水管口）時，兩組優化方案相差不大，間室負壓平衡時間由15s降至約9s；前5s噪聲由46.24dB降至約38dB；前10s噪聲由43.97dB降至約36dB；峰值噪聲初始48.22dB，優化方案1降至42.01dB，優化方案2降至39.92dB。如表4和圖14所示，當蒸發皿中有大量水（淹沒排水管口）時，間室負壓平衡時間初始22s，優化方案1降至10s，優化方案2降至6s；前5s噪聲初始49.97dB，優化方案1降至41.01dB，優化方案2降至30.85dB；前10s噪聲初始48.21dB，優化方案1降至38.67dB，優化方案2降至28.61dB；峰值噪聲初始52.18dB，優化方案1降至42.93dB，優化方案2降至33.17dB。

4結論

通過在冰箱產品上進行驗證，可以看出優化方案可以有效降低噪聲，通過聲信號錄制進行主觀評價，優化方案消除了冰箱關門后負壓平衡時的“咕嚕”聲。蒸發皿中有大量水時，增加換氣閥內管直徑可以進一步降低負壓平衡階段的時間和噪聲，當換氣閥內管口面積與接水盤出箱口面積相同時，負壓平衡時間最小、噪聲最低，繼續增加換氣閥內管直徑對平衡時間和噪聲不產生影響。換氣閥的結構形式不局限于本設計，類似結構的單向閥、逆止閥等隨氣壓壓差打開，氣壓平衡后隨重力或材料彈性關閉的換氣閥結構，都可以解決風冷冰箱排水系統吸水噪聲問題。

參考文獻

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作者：張海鵬 丁龍輝 孫敬龍 潘毅 廣王威