风冷冰箱排水系统降噪技术研究

张海鹏 丁龙辉 孙敬龙 潘毅广 王威

海信（山东）冰箱有限公司 山东青岛 266000

1 引言

随着人们对高品质生活的不断追求，低噪声、稳定运行已成为用户对冰箱的最基本要求，是衡量冰箱品质的基本因素[1]。而冰箱运行过程中声信号是否稳定，也是用户对声音感知的决定性因素，冰箱运行过程中声信号的突变和毛刺，作为声品质基本参数中的重要评价内容，很大程度上影响着用户对冰箱的体验。冰箱间室关门后，箱内形成一个密闭的空间，由于冰箱开门导致热空气的流入，以及关门后间室内温度的降低，间室内会形成负压，排水口作为间室与外界连通的接口就成为平衡箱内压力的核心部件。通过排水管吸入空气进行箱内外气压的平衡，如蒸发皿中有水就会产生吸水的现象，水和空气的同时吸入，会产生“咕噜”的吸水噪声。这种吸水噪声直接影响用户对冰箱声音的主观感受[2]。

2 现有技术分析

目前冰箱行业内的解决方案有两种，第一种：排水管侧向开孔，此方案可以通过排水管（如图1）侧向开的孔平衡箱体内负压，避免产生吸水噪声。但孔的大小对冰箱性能的影响比较明显，开孔小开门瞬时的负压不容易平衡，会导致开门困难，同时可能会产生很大的啸叫声；开孔过大湿热空气会通过侧向孔进入箱体，使间室内温度升高，增加冰箱的耗电，同时湿热空气的进入还会促使蒸发器结霜，影响冰箱的性能，虽然可以解决吸水噪声的问题，但需要牺牲更多的性能，解决噪声问题代价过大。

图1 侧向开孔排水管

第二种：采用换气阀结构，分为两种结构：（1）如图2，排水口吸气时阀门打开，空气通过预留的气门进入，可以平衡箱内负压，负压平衡后，阀芯在重力作用下回落，气门关闭，化霜水可以从阀芯中间落入蒸发皿，阀芯中空方便化霜水的落下，此阀门结构比较复杂、成本较高；（2）如图3，换气阀组件与排水管连接，形成排水结构，间室内存在负压时换气阀组件的阀板打开，空气通过预留的换气阀组件的气门进入平衡间室内负压，负压平衡后，阀板在重力作用下回落，关闭箱内排水管与外界联通的出口，当化霜时化霜水由阀板旁边的换气阀出水口流入到排水管中，完成化霜水的引流，此结构占用空间较大，不适合多系统冰箱。此两种结构虽然解决了吸水噪声问题，但由于其阀芯和阀板因重力回落，引入了新的噪声（阀芯、阀板回落冲击噪声）。

图2 阀芯式换气阀

图3 阀板式换气阀

3 降噪技术研究

3.1 噪声产生机理

风冷冰箱的原理是利用空气循环进行制冷，高温空气流经内置的冷的蒸发器时，两者发生热交换，空气的温度降低，通过风扇等部件将冷气吹入冰箱间室，形成强制对流，通过这种不断的循环方式，降低冰箱间室内的温度。空气中存在着水蒸气，水蒸气遇冷会凝结，所以冷的蒸发器上就会有霜产生，同时冰箱内食物水分蒸发产生的水蒸气也会加速蒸发器上霜层的形成。风冷冰箱化霜时，通过加热丝加热使翅片蒸发器上的霜融化为化霜水，化霜水滴落到下部的化霜水接水盘内，此部分物态变化全部在箱内进行，化霜水在重力的作用下，通过排水系统流入到间室外部的蒸发皿中，再经过蒸发皿中热的管路来加快化霜水的蒸发。

冰箱间室关门后，箱内形成一个密闭的空间，开门会导致热空气的流入，其过程可用玻意耳定律和盖·吕萨克定律定量描述。

玻意耳定律：一定质量的气体在温度不变的准静态过程中，气体压强和体积的乘积是一个常数，可表示为：

式中：P是气体的压强，单位为Pa；V是气体的体积；C1是一个与气体性质、质量和温度有关的常数。

盖·吕萨克定律：一定质量的气体在压强不变的准静态过程中，气体体积V与热力学温度T之比为一常数，可表示为：

式中：V是气体的体积；T是气体的温度，单位为K（开尔文）；C2是由气体性质、质量和压强确定的常数[3]。

合并后的理想气体的克拉伯龙方程：

式中：P是气体的压强，单位为Pa；V是气体的体积；m是气体的质量；M是气体摩尔质量，(m/M)为摩尔数；R是普适气体常量，R=8.31 J/mol；T是气体的温度，单位为K（开尔文）[4]。

气体体积不变，温度降低，间室内会形成负压，此时间室与外界连通的唯一接口排水系统，就成为平衡箱内压力的唯一部件，通过排水管吸气进行箱内外气压的平衡，如果接水盘中有水就会产生吸水的现象，水和空气的同时吸入，在重力作用下就会产生“咕噜”声（气体上升进入间室平衡负压，水在重力作用下回落）。负压大小与间室空间、开关门行程和速度、间室内外温度差有关，夏季间室温度较低，环境温度较高，更容易形成较大负压，通过间室内负压监控，负压平衡时间一般在15 s左右，如图4所示，黑色曲线为间室压力随时间变化曲线[5]，所以在关门后的10～15 s内很容易听到这种异常的吸水噪声。

图4 冰箱冷冻间室压力变化曲线

风冷冰箱排水系统需要一种换气结构消除排水系统平衡箱内负压状态下产生的吸水噪声，同时提升冰箱的制冷、耗电等性能[6]。

3.2 降噪方案

3.2.1 降噪方案设计

设计排水管由上部排水管路、薄膜阀片和下部排水管路组成，如图5所示，下部排水管路为双管结构，分为内管和外管，侧方开有进气门，并与内管联通。如图6所示，空气可以通过进气门、内管、上部排水管路进入箱体间室，进气门两边是气门支撑柱，支撑柱在内管和外管之间，并在竖直方向开有通孔，可以使化霜水顺利流下。薄膜阀片安装在下部排水管路的内管上，由具有弹性的软质材料（例如：橡胶、硅胶）制作而成，当箱内间室形成负压，薄膜阀片在气压的作用下打开，空气优先通过进气门进入箱体，平衡间室内外的气压，而非通过排水管下部平衡气压，避免吸水噪声的产生。当箱内气压与外界气压平衡后，由于薄膜阀片材料的软弹性和自身重力，薄膜阀片恢复原有形状，挡住内管口，将间室与外界隔开，使湿热空气无法进入到箱体间室内，不影响冰箱的耗电和制冷性能，同时薄膜阀片挡住内管口，使化霜水也无法由内管流入。如图7所示，当冰箱化霜时，化霜水由箱内接水盘流入排水管，经上部排水管、气门支撑柱竖向的通孔、下部排水管流入蒸发皿，完成化霜。

图5 排水管结构

图6 下部排水管剖面

图7 排水管剖面

上部排水管路与下部排水管路通过过盈配合、螺纹旋合等方式安装在一起，整个排水管上端与箱内接水盘相连，下端固定在蒸发皿中的限位圆槽内。

3.2.2 试验验证

为保证初始排水管与设计排水管噪声情况的对比，需保证每次试验箱内负压相同。使用某一型号冰箱在半消声室中进行试验，使用SIEMENS-SCM202数据采集仪进行噪声数据采集，试验环境温度统一设为22℃，通过实时检测间室温度，保证间室温度为-21℃时进行开门操作，冷冻室开门角度固定为90°，开门后维持15 s后关闭门体。为保证关门的力度与速度相同，关门依靠助吸器的回复力进行门体的自主关闭，通过保证以上条件的一致可以基本保证每次试验间室内负压相同。如图8，保证声信号的清晰，声压传感器布置在距离排水管20 cm的正前方，高度为排水管中间位置。

图8 排水管噪声测试

3.2.3 结果分析

蒸发皿中化霜水可能出现多种情况，以蒸发皿中有大量水（淹没排水管口）的情况进行测试分析。如表1、图9所示，当蒸发皿中有大量水时，设计排水管与初始排水管相比，间室负压平衡时间由22 s降低为11 s，前5 s噪声由49.97 dB降为46.08 dB，前10 s噪声由48.21 dB降为43.69 dB，峰值噪声变化不明显。

表1 蒸发皿中有大量水时设计方案的噪声对比

图9 蒸发皿中有大量水设计方案噪声曲线对比

由于设计排水管与现有排水管吸水噪声相比，降噪效果不明显，主观听取仅噪声产生时间有所减短，噪声大小并无明显变化，需进行进一步优化。

3.3 设计优化方案

3.3.1 优化方案

排水系统由箱内接水盘、换气阀组件和排水管组成，换气阀组件安装在箱内接水盘与下部排水管之间，换气阀组件与下部排水管通过过盈配合、螺纹旋合、凹凸槽插接等方式连接，如图10所示。

图10 排水系统结构图

换气阀组件由排水管转接盘、薄膜阀片、换气阀组成，如图11所示，排水管转接盘与箱内接水盘相连，换气阀设计为双管结构，外管和内管上设有气门，内管与气门连通，可以在箱内形成负压时方便空气进入间室。薄膜阀片安装在内管上方，当箱内形成负压时，薄膜阀片上下的压差会使薄膜阀片产生形变，空气从气门经内管管口和薄膜阀片的间隙进入间室内部，平衡间室内的负压。由于下部排水管安装到蒸发皿内的安装槽中，箱内形成负压时，空气不会通过下部排水管路与蒸发皿内的安装槽进入，从而不会产生吸水噪声。当箱内负压平衡后，空气对薄膜阀片的压力消失，薄膜阀片在重力和回复力（薄膜阀片材料的软弹性）的作用下回落，封闭内管管口，使湿热空气无法进入箱内，减慢霜层的形成，降低间室的温升，提升冰箱的耗电和保鲜水平。化霜时，化霜水由冰箱内部接水盘经内换气阀外管间中空的气门支撑柱、下部排水管流入蒸发皿中完成化霜。

图11 换气阀结构图

3.3.2 结果分析

将优化方案进行不同尺寸的验证，优化方案1换气阀外径30 mm，优化方案2换气阀外径40 mm，换气阀外径的增大可以增加气门和内管口的面积。蒸发皿中化霜水可能出现多种情况，分别以蒸发皿中无水、有少量水（未淹没排水管口）和有大量水（淹没排水管口）的情况进行测试分析。

如表2和图12所示，当蒸发皿中无水时，两组优化方案基本相同，间室负压平衡时间由14 s降至约8 s，前5 s噪声由46.54 dB降至约32 dB，前10 s噪声由44.20 dB降至约30 dB，峰值噪声由48.93 dB降至约34 dB。

表2 蒸发皿中无水各方案噪声对比

图12 蒸发皿中无水各方案噪声曲线对比

如表3和图13所示，当蒸发皿中有少量水（未淹没排水管口）时，两组优化方案相差不大，间室负压平衡时间由15 s降至约9 s；前5 s噪声由46.24 dB降至约38 dB；前10 s噪声由43.97 dB降至约36 dB；峰值噪声初始48.22 dB，优化方案1降至42.01 dB，优化方案2降至39.92 dB。

图13 蒸发皿中有少量水时各方案噪声曲线对比

表3 蒸发皿中有少量水时各方案噪声对比

如表4和图14所示，当蒸发皿中有大量水（淹没排水管口）时，间室负压平衡时间初始22 s，优化方案1降至10 s，优化方案2降至6 s；前5 s噪声初始49.97 dB，优化方案1降至41.01 dB，优化方案2降至30.85 dB；前10 s噪声初始48.21 dB，优化方案1降至38.67 dB，优化方案2降至28.61 dB；峰值噪声初始52.18 dB，优化方案1降至42.93 dB，优化方案2降至33.17 dB。

表4 蒸发皿中有大量水时各方案噪声对比

图14 蒸发皿中有大量水时各方案噪声曲线对比

4 结论

通过在冰箱产品上进行验证，可以看出优化方案可以有效降低噪声，通过声信号录制进行主观评价，优化方案消除了冰箱关门后负压平衡时的“咕噜”声。蒸发皿中有大量水时，增加换气阀内管直径可以进一步降低负压平衡阶段的时间和噪声，当换气阀内管口面积与接水盘出箱口面积相同时，负压平衡时间最小、噪声最低，继续增加换气阀内管直径对平衡时间和噪声不产生影响。换气阀的结构形式不局限于本设计，类似结构的单向阀、逆止阀等随气压压差打开，气压平衡后随重力或材料弹性关闭的换气阀结构，都可以解决风冷冰箱排水系统吸水噪声问题。