制冰机落冰流道降噪分析与设计

张丹伟 王利亚 江俊 李语亭

1. 广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311；

2. 合肥美的电冰箱有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

目前，消费者对于生活品质的要求在不断提高，高端冰箱也不断地走进了普通用户的家庭。与此同时，制冰技术也被应用到家庭场景。从最初的手动制冰到现在的自动制冰，制冰机在结构设计和逻辑控制等方面都进行了多次的改进。另外，消费者对于健康生活的需求使得厂家更加关注制冰的卫生问题。总体来看，家用制冰技术已基本走向成熟。

李玉稳等[1]采用仿真分析和实验相结合的手段对制冰机进风结构进行优化，缩短了制冰周期，提高了冰块质量。李语亭等[2-3]依据能量守恒原理从降低初始弹性势能、提高摩擦耗散和门封减振耗散的角度对冰箱抽屉碰撞噪声进行优化，同时定量给出了碰撞噪声的预测公式。程志明等[4]分析了流水式、浸水式和喷淋式制冰的原理，对该三种制冰方式的制冰性能进行了对比实验研究。朱建高和张善房[5]介绍了日式制冰机软件控制、零部件的工作原理和可靠性测试方法，对于提高产品可靠性具有借鉴意义。何四发等[6]对比测试了使用R290与R134a制冷剂的制冰机，说明了在商业制冰机中用R290代替R134a的可行性，同时验证了R290制冷剂压缩机的可靠性。徐延辉[7]实验验证了利用热气除霜实现脱冰的过程中可以避免制冰机压缩机液击，保证此类制冰机性能可靠。陈秀丽[8]通过对风机的脉冲宽度调制来控制制冷剂的温度，提高换热效率，进而提高了制冰效率。王泽普等[9]提出双蒸发器优化方案，对比了单、双蒸发器机组对不同流量的制冰溶液的降温速度，提高了制冰效率。黄河源和范明升[10]基于对真空制冰原理的分析，提出了真空制冰机的合理化设计要求。杨志威等[11]对导冰通道和取冰盒做了结构上的改进，降低了制冰过程中的噪声。杨寒星等[12]在储冰盒内设置用于承接冰块的减振导轨，在保证制冰过程中冰块外形规整度的同时又能够降低储冰噪声。

从上述成果可以发现，制冰机的研究主要集中于制冰效率和可靠性方面，涉及制冰机降噪的研究相对较少。本文针对制冰机制得的冰块在落冰流道内下落时产生较大噪声的问题，通过仿真与实验相结合的手段，对流道进行改进，最终使得制冰机噪声大幅下降，改善了用户的听感体验。

1 问题描述

某款高端类冰箱上搭载的制冰机在制冰过程中产生较大的噪声，用户听感体验差。经排查，噪声主要来源于冰块下落过程中与落冰流道的撞击声。制冰机模型如图1所示，图2为对应的流道模型，冰块自流道进口上方0.2 m高度处自由下落。

图1 制冰机模型

图2 原始落冰流道模型

为了了解初始状态下制冰过程的噪声水平，在半消声实验室中对制冰机的噪声进行测试。依据我司《制冰机噪声设计规范》，将传声器固定于冰箱出冰口正前方0.3 m、高1.5 m处，如图3所示。其中，噪声采集使用西门子声振信号采集仪和PCB公司的ICP型传声器。

图3 传声器测点方位图

2 改善设计与验证

观察原始落冰流道的形状后推测冰块在下落过程中产生巨大的噪声主要是由于冰块与流道的撞击力较大，并且冰块反弹撞击流道的次数也较多，因此考虑将原始流道改进为包含更多圆弧面的流道，图4为改进的落冰流道模型。

图4 改进落冰流道模型

在制作落冰流道样件之前，借助仿真软件对冰块在流道内的下落过程进行动力学仿真研究。为了更接近于实际情况，冰块模型选定为边长10 mm的正方体，其密度设定为实际冰块的密度，冰块自流道进口上方0.2 m高度处自由下落。图5为流道改进前后对单个冰块下落过程中的垂直速度进行仿真的结果。

图5 单冰块下落过程垂直速度时域图

图5中，冰块垂直速度时域曲线图中每出现一个拐点意味着冰块与落冰流道发生一次撞击。从上面的动力学仿真结果可以看出，图中共有18个拐点，表明该冰块在下落过程中与原始流道的撞击次数为18次，同理可知，该冰块与改进流道的撞击次数降低为12次；并且流道改进后，冰块与流道发生撞击的时间段也大幅减少。

为了更接近于实际情况，仿真工作亦考虑了多冰块下落的情况。多冰块下落仿真用六个冰块作为研究对象，同样地，使六个冰块自流道进口上方0.2 m高度处自由下落，如图6所示。v0为冰块下落至落冰流道进口处的瞬时速度，其在此处的速度v0约为2 m/s。

图6 多冰块下落仿真模型

对于多冰块下落的情况，采用图7所示的应力-时间图描述冰块与落冰流道的撞击情况，图中每出现一个应力单峰意味着冰块与流道的一次撞击。从图7中可以看出，流道改进后，众多冰块与流道发生撞击的时间段明显缩减，撞击应力也有所下降。

图7 多冰块下落过程撞击应力时域图

结合图5和图7所示的冰块与落冰流道的撞击情况，推测制冰机使用改进流道后冰块下落过程的噪声会有所下降。为验证推测，制作原始和改进流道的样件，分别如图8 a)和b)所示。

图8 落冰流道样件对比

将制作的落冰流道样件安装于制冰机中进行噪声测试，传声器连续测试一分钟得到的噪声时域结果对比如图9所示。

图9 原始与改进流道噪声时域对比图

从测试结果看出，使用改进的落冰流道后，制冰机的噪声有显著的下降，其噪声平均值相较改进之前降低了3.9 dB(A)。

另外，单纯地改进落冰流道形状对于降噪具有很大的局限性，因此，考虑在流道内部安装橡胶圈，吸收削弱冰块下落过程的动能，从而进一步降低撞击噪声，安装的橡胶圈如图10所示。

图10 安装在流道内部的橡胶圈

将含有橡胶圈的落冰流道样件安装于制冰机中进行噪声测试，测试结果对比如图11所示。

从图11可以看出，在改进的落冰流道内安装橡胶圈后，噪声较之前有进一步的降低，相较于单纯使用改进落冰流道的情况其噪声平均值降低2.9 dB(A)。同时，用户的听感体验也有大幅提升。

图11 原始与改进流道（含橡胶圈）噪声时域对比图

3 结论

制冰机中冰块撞击落冰流道的巨大噪声严重影响用户的听感体验。本文针对某款高端冰箱中制冰机存在的噪声问题，首先借助仿真手段对冰块在流道内的下落过程进行动力学仿真研究，对比分析了冰块在原始与改进流道内的动力学特性。最后制作流道样件进行实际降噪效果验证，同时采用在流道内安装橡胶圈的辅助降噪手段，使得流道噪声进一步降低2.9 dB(A)，改善后实测用户听感良好，达到了预期的改善效果。