冰箱压缩机排气消音器结构对排气脉动的研究

贾延旭 朱秀华 曹旭明

（1.景德镇艺术职业大学，江西 景德镇 333000；2.长虹华意压缩机股份有限公司，江西 景德镇 333000）

作为现代家庭中不可或缺的电器之一，冰箱的噪声问题一直备受关注。噪声不仅会影响生活质量，还可能对人们的身体健康产生负面影响。因此，降低冰箱噪声对提高家庭环境的舒适度、增强身心健康具有至关重要的作用。

作为冰箱的“心脏”，压缩机是冰箱噪声最主要的来源之一。在冰箱的制冷过程中，压缩机需要吸入低温、低压的气体冷媒，经过压缩后排出高温、高压的气体冷媒[1]。压缩机会进行周期性吸排气，并且在排气过程中形成排气脉动，排气脉动会产生声波，声波会在排气管道中传播，从而产生噪声，因此排气脉动与噪声关系密切[2]。而排气噪声的主要来源就是排气脉动产生的声波，其频率和强度与排气脉动的特性有很大关系[3]。为了实现降低压缩机噪声的目标，需要对压缩机排气压力脉动进行深入研究，通过改变气体流过的路径来降低其脉动幅值。

1 排气消声器结构优化设计

1.1 结构优化

冰箱压缩机排气时需要经过排气消声器，同时排气消音器会降低排气脉动的频率和强度，从而达到降低噪声强度的目的。降低噪声强度的主要手段为干涉和相位差[4]。干涉降噪指的是2 个或多个声波相互叠加时产生的干涉效应。当2 个声波的相位差为正或负的整数倍时，会互相增强，而当相位差为半波长的奇数倍时，会互相抵消，从而降低其强度。相位差降噪指的是2 个声波间的相位差异。当2 个声波的相位差为0 或2π 的整数倍时，会完全同相叠加，增加噪声的强度。而当相位差为π 或奇数倍的π 时，会完全反相叠加，使噪声减弱或消除。声波的干涉和相位差是消音器降低噪声强度的重要手段，通过合理设计排气消音器的尺寸、整体结构和具体特征，可以使声波相位差达到π 倍或π 的奇数倍，从而降低噪声强度。另一个重要理论依据是流体动力学原理，也可以通过优化排气消音器的设计和结构，达到降低流动气体阻力、优化流动气体流动路径、改变流动气体流动速度分布的目的[5]。例如，通过优化消音器的流道形状和尺寸，可以使流体的湍流和涡流变小，从而降低噪声强度[6]。可见排气消音器的结构设计将直接影响其消声效果。改进前的排气消音器结构如图1所示，通过11 处结构突变来降低排气脉动的强度。

图1 改进前的消音器

为了进一步降低压缩机的排气脉动，对现有排气消音器结构进行优化。首先，从整体结构入手进行优化。与改进前的结构相比，优化后的排气消音器通过改变12 处结构来降低排气脉动强度。在第二段“U”形弯处增加长度、增大圆弧半径并改善流通路径，以达到降低排气脉动的目的。并从静力学角度分析入手，在高于盖板位置10mm 处进行应力分析，通过改变结构来降低此处的应力集中，提高结构的强度，避免结构失效，从而保证更改后的整体结构强度优于改进前的结构强度。其次，从整体长度入手，在原有长度基础上增加了18mm，使气流流经的路径变长，以增加阻力和摩擦，降低噪声强度，但同时也会造成能量损失。这是由于流体需要克服更长的管路阻力，因此流体的动能会逐渐降低，从而增加了能量损失。但通过合理设计可以将损失控制在允许范围内。最后，在距离出气端尾部10mm 处设计缩口结构。该设计可以改变气流的速度和压力分布，从而减少噪声的产生和传播。当气流通过缩口时，其速度会增加，而压力会降低，这种速度和压力的变化可以使气流中的湍流和涡旋变小，从而降低噪声。此外，缩口还可以改变气流的方向和流向，使气流更平稳、稳定，进而减少噪声的传播。优化后的结构如图2所示。

图2 改进后的消音器

1.2 LMSVirtual 软件分析

为了比较优化前、后的排气消音器降低排气脉动的效果，使用LMSVirtual 软件对前、后2 种结构的排气消音器进行模拟分析。分析时设置相同的技术参数和条件，排除其他因素对分析结果的影响，更准确地模拟和评估排气消音器优化前、后对降低排气脉动的影响。分析结果如图3所示。可见改进后消音器的传递损失显著大于改进前，表明与优化前的排气消音器相比，优化后的排气消音器能更有效地降低排气脉动，从而降低压缩机噪声。但也会在一定程度上降低压缩机制冷量。

图3 改进前、后对比图

2 试验验证

2.1 试验环境

为了比较排气消音器改进前、后的实际降噪效果，应用上述优化方法制造优化后的排气消音器，将其安装在压缩机上进行性能和噪声测试。测试的压缩机被放置在满足GB/T4214.1—2017 测试环境标准的设施中，采用半球测量面上直接测量A 计权声功率级的测试方法进行测量。测试位置如图4所示。通过12 个传感器测量各点的A 计权声功率级噪声值，并通过测量表面的个点平均A 计权声功率级噪声值LPi，计算出压缩机的A 计权声功率级噪声值LP，单位为dB，如公式（1）所示。

图4 A 计权测试示意图

测试性能时使用的是第二制冷剂量热器法，是一种利用制冷剂的热传导性质来实现热量传递的方法。在该方法中，制冷剂被用作传热介质，通过制冷剂的循环流动来实现热量传递。其工作原理如下：制冷剂在蒸发器中吸收外部热源的热量并蒸发，呈蒸汽或气体状态。蒸汽或气体状态的制冷剂进入压缩机，其温度和压力升高。高温、高压的制冷剂进入冷凝器，与冷却介质（如水或空气）接触，将热量传递给冷却介质，使制冷剂冷却并凝结成液体状态。冷凝成液体状态的制冷剂经过节流阀（或膨胀阀）时压力降低，并进入蒸发器，重新开始循环。在这种方式下，制冷剂在蒸发器和冷凝器间循环流动，进行热量传递。

2.2 试验过程

对装有改进前排气消音器的压缩机进行测试，并记录测试结果，包括压缩机的制冷量、功率、COP、噪声和振动。

噪声测试条件见表1。

表1 噪声测试条件

制冷量测试条件见表2。

表2 制冷量测试条件

然后在已经测试过的压缩机中更换改进后的排气消音器，不更改其他零件，并按照相同顺序对压缩机再次进行测试，测试条件、参数与第一次测试相同，并记录测试结果。

2.3 测试结果分析

2 次测试后的数据见表3。从表3 可以得知，装有优化后排气消音器结构的压缩机制冷量降低约为4.06W，COP 约降0.05，噪声约降2.97dB。通过分析数据可知，虽然压缩机的制冷量有所下降，但下降的幅度约为1%，在允许范围内，而COP 约降0.3%，几乎可以忽略，但噪声降低的幅度为6.6%，影响较大（以上数据取平均值）。

表3 改进前、后数据比较

3 结果与讨论

通过软件模拟计算可知，冰箱压缩机排气消音器的结构对排气脉动的影响较大，进而影响压缩机噪声强度。不同结构的消音器对排气脉动的抑制效果存在差异，通过合理设计消音器的长度、拐角半径和局部结构特征等参数，可有效降低压缩机噪声强度。试验结果表明，优化后的排气消音器的结构能够有效降低排气脉动的幅值和频率，从而达到减少噪声的目的。

本文进一步探讨了能够有效降低排气脉动的消音器结构的工作原理。通过分析消音器内部的流场和声学特性可知，改进后的消音器能够通过改变气流的流动路径和速度分布来减少排气脉动的产生。

最后本文对其效果进行了评估。试验结果表明，改进后的方案在保证排气脉动抑制效果的同时，对其他方面的性能影响较小，能满足实际应用要求。

4 结论

本文研究表明，合理设计排气消音器的结构特征能够改变气流的流动路径和速度分布并降低排气脉动，从而达到减少噪声的目的。LMSVirtual 软件模拟分析和试验验证表明，优化后的消音器可使噪声约降2.97dB（A），约降6.6%。同时，优化后的排气消音器还能保证压缩机其他方面的性能，满足人们对降低冰箱噪声的要求。