李文明

艾歐史密斯（中國(guó)）熱水器有限公司 江蘇南京 210038

1 引言

家用整體熱泵熱水器一般有壁掛式、落地式兩種形式，落地式整體熱泵熱水器，容積一般在120L以上，體積和功率較大，通常放在室外或設(shè)備間里，運(yùn)行噪聲對(duì)人的直接影響不大。壁掛式整體熱泵熱水器，以下簡(jiǎn)稱(chēng)壁掛熱泵熱水器，容積在50L～100L，體積和功率小，熱泵單元與儲(chǔ)水箱單元一體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)器外形與普通電熱水器基本相同，安裝位置和方式也與普通電熱水器一樣，通常是在衛(wèi)生間壁掛安裝。壁掛熱泵熱水器是利用空氣能轉(zhuǎn)換為熱能的原理，加熱相同體積熱水所需消耗的電能比普通電熱水器節(jié)約一半以上電能。壁掛熱泵熱水器比普通電熱水器節(jié)能環(huán)保，被越來(lái)越多的家庭選擇使用。然而壁掛熱泵熱水器運(yùn)行噪聲直接在室內(nèi)傳播，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生一定的影響，用戶(hù)經(jīng)常抱怨，噪聲問(wèn)題逐漸成為消費(fèi)者的痛點(diǎn)之一。如何降低壁掛熱泵熱水器的噪聲問(wèn)題，減少噪聲污染，筆者通過(guò)產(chǎn)品實(shí)踐，進(jìn)行不同實(shí)施方法的研究，并成功運(yùn)用到產(chǎn)品上。

2 壁掛熱泵熱水器的噪聲特點(diǎn)

壁掛熱泵熱水器的噪聲來(lái)源主要包括：壓縮機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、配管振動(dòng)等。在半消聲室，測(cè)試儀器用Ⅰ型或Ⅰ型以上的聲級(jí)計(jì)［1］，在環(huán)境溫度20℃條件下，機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后開(kāi)始測(cè)試。機(jī)器噪聲測(cè)試示意圖如圖1所示，為了直觀表示壓縮機(jī)等熱泵部件位置，其外面的塑料罩殼在圖上沒(méi)有表達(dá)，噪聲測(cè)試是在有塑料罩殼的情況下進(jìn)行的。測(cè)試儀距離機(jī)器表面1m處，分別測(cè)試五個(gè)點(diǎn)的噪聲（前面、后面、左側(cè)、右側(cè)、上方），取其平均值。改進(jìn)前壁掛熱泵熱水器噪聲測(cè)試值為：?jiǎn)为?dú)運(yùn)行壓縮機(jī)，噪音均值為44.5dB(A)，單獨(dú)運(yùn)行軸流風(fēng)機(jī)，噪音均值是48.2dB(A)，壁掛熱泵熱水器整機(jī)工作噪音均值為48.6dB(A)，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

軸流風(fēng)機(jī)比壓縮機(jī)的噪音值高3.7dB(A)，噪聲大但較柔和；壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲值低些，但沉悶有力，穿透力強(qiáng)，會(huì)使人心情煩躁；不合理的配管設(shè)計(jì)，不僅不能減小壓縮機(jī)的振動(dòng)，甚至起到反作用，帶來(lái)異常噪聲［2］。壁掛熱泵熱水器一般都掛在衛(wèi)生間的墻上，衛(wèi)生間四周墻體表面是瓷磚，瓷磚對(duì)噪聲有反射和疊加作用，會(huì)起到放大效果，這是特殊的使用環(huán)境對(duì)機(jī)器噪聲的影響。

3 不同降噪設(shè)計(jì)及其效果測(cè)試

噪聲控制一般從噪聲源、噪聲傳播路徑和噪聲接受者三方面入手。噪聲控制主要以噪聲的聲學(xué)控制方法為主，具體技術(shù)一般包括隔聲處理、吸聲處理、振動(dòng)隔離等［3］。壁掛熱泵熱水器降噪主要從噪聲源和噪聲傳播路徑兩方面進(jìn)行，根據(jù)壓縮機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、配管形式和風(fēng)道結(jié)構(gòu)等不同特點(diǎn)，采用不同方法進(jìn)行降噪。

3.1 壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，內(nèi)部壓力和溫度急驟變化，產(chǎn)生強(qiáng)力振動(dòng)，通過(guò)底腳和吸、排氣管向外傳遞，為了減少這種振動(dòng)傳遞，壓縮機(jī)底腳都會(huì)用橡膠墊來(lái)減振。改進(jìn)前壓縮機(jī)底腳減振墊的材料是丁腈橡膠（NBR），邵氏硬度為60度，減振墊單層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)運(yùn)行振動(dòng)，在機(jī)器其他部位振感明顯，有共振現(xiàn)象，減振效果不理想。為了提高減振墊的減振效果，可以從材料和結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化。在材料方面，橡膠材料在交變應(yīng)力作用下，由于所特有的粘彈性，形變的變化落后于應(yīng)力的變化，發(fā)生滯后現(xiàn)象，形變能量（振動(dòng)）以熱能或其他形式消耗掉。用丁基橡膠（IIR）代替原來(lái)的NBR橡膠，其邵氏硬度降到40度，橡膠變得更軟，從而可以通過(guò)橡膠更大的形變來(lái)耗散振動(dòng)能量，達(dá)到減振效果。在結(jié)構(gòu)方面，減振墊設(shè)計(jì)成多層階梯狀緩沖結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)減振效果。通過(guò)橡膠墊材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，壓縮機(jī)運(yùn)行振動(dòng)引起的共振現(xiàn)象基本消除，減振降噪效果明顯。

另外，壓縮機(jī)底腳固定方式按隔振結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，緊固件用限位螺釘，螺桿外徑與減振墊內(nèi)孔留有0.5mm間隙，螺釘鎖緊后，減振墊上方的平墊片與減振墊表面留有1.5mm間隙；壓縮機(jī)固定后，減振墊在軸向和徑向都是無(wú)約束自由狀態(tài)；當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，底腳減振墊有足夠的空間來(lái)吸收壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)位移，這樣能起到很好的隔振降噪效果。底腳減振墊通過(guò)減振和隔振方案的改進(jìn)，噪音值改善約有1dB(A)，效果明顯，對(duì)比測(cè)試如表2所示。

軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)量越大，在提高蒸發(fā)器換熱效果的同時(shí)，噪聲也相應(yīng)增大；改進(jìn)前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是1550RPM，風(fēng)機(jī)扇葉的扭曲角度是20度，測(cè)得風(fēng)機(jī)噪音值48.2dB(A)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高是噪聲大的主要原因之一。降低轉(zhuǎn)速是改善軸流風(fēng)機(jī)噪聲的一個(gè)有效途徑，但是要保證蒸發(fā)器原有的換熱效果，風(fēng)機(jī)風(fēng)量不能減少。一種方法是增大風(fēng)機(jī)扇葉直徑提高風(fēng)量，但是由于壁掛熱泵尺寸的限制，風(fēng)機(jī)扇葉直徑不能增加；另一種方法是增大風(fēng)機(jī)扇葉的扭曲角度提高風(fēng)量，而且扇葉直徑不需要變化。通過(guò)不同轉(zhuǎn)速電機(jī)與不同扭曲角度扇葉進(jìn)行效果測(cè)試驗(yàn)證，最終選取一組對(duì)降噪效果比較好的參數(shù)，即：電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200RPM，扇葉扭曲角度為23度，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與原來(lái)基本保持不變，噪音值降低約3dB(A)，降噪效果明顯，風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后噪聲對(duì)比測(cè)試如表3所示。

圖1 機(jī)器噪聲測(cè)試示意圖

表1 機(jī)器改進(jìn)前噪聲測(cè)試

表2 壓縮機(jī)底腳橡膠墊優(yōu)化前后噪聲對(duì)比測(cè)試

表3 風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后噪聲對(duì)比測(cè)試

3.2 管路系統(tǒng)減振設(shè)計(jì)

圖2 管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 降噪風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

表4 風(fēng)道優(yōu)化前后噪聲對(duì)比測(cè)試

管路系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、毛細(xì)管和配管等組成，管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。壓縮機(jī)排氣配管內(nèi)冷媒是高溫高壓狀態(tài)，振動(dòng)大，排氣配管設(shè)計(jì)需要充分利用配管U型彎、減振膠泥等措施來(lái)減振。壓縮機(jī)的排氣配管與冷凝器之間距離較大，排氣配管設(shè)計(jì)成了一個(gè)長(zhǎng)的U型彎，壓縮機(jī)的振動(dòng)在長(zhǎng)U型彎上逐漸衰減，當(dāng)傳遞到冷凝器時(shí)，振動(dòng)能量已經(jīng)衰減一部分；把冷凝器設(shè)計(jì)成螺旋管盤(pán)狀，類(lèi)似于彈簧結(jié)構(gòu)，具有很好的吸振效果，剩余振動(dòng)能量經(jīng)過(guò)冷凝器后基本消除。壓縮機(jī)吸氣配管與蒸發(fā)器出口這一段，由于兩者距離較近，壓縮機(jī)的振動(dòng)也容易傳遞到蒸發(fā)器，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，這段吸氣配管需設(shè)計(jì)成多個(gè)U形彎，來(lái)提高減振效果，一般是2到3個(gè)U形彎；如果U形彎數(shù)量再增加，不但減振效果沒(méi)有明顯提高，反而會(huì)增大管路內(nèi)部冷媒流動(dòng)阻力，帶來(lái)其他問(wèn)題［4］。冷凝器出口與蒸發(fā)器進(jìn)口之間有一段毛細(xì)管，雖然這段管路振動(dòng)小，但也要考慮振動(dòng)噪聲問(wèn)題，如果處理不當(dāng)，會(huì)發(fā)出異常噪聲。為了減小圈與圈之間的振動(dòng)摩擦，毛細(xì)管通常設(shè)計(jì)成螺旋狀，在加工成螺旋狀前，先在毛細(xì)管外表套一層軟的塑料管，用來(lái)隔離圈與圈之間的振動(dòng)摩擦。如果螺旋狀毛細(xì)管振動(dòng)大，可以在螺旋圈上包裹一塊軟的吸振橡膠泥，把振動(dòng)降到最低；另外，配管振動(dòng)也可以采用橡膠減振塊等類(lèi)似處理方法。

3.3 降噪風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了方便噪聲處理，將壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等噪聲源設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊，置于塑料罩殼內(nèi)，塑料罩殼的兩側(cè)設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，塑料罩殼內(nèi)部設(shè)計(jì)成專(zhuān)門(mén)降噪風(fēng)道結(jié)構(gòu)來(lái)降低噪聲，降噪風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在進(jìn)風(fēng)口處蒸發(fā)器周邊設(shè)有內(nèi)消音隔板，蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口正前方設(shè)有外消音隔板，內(nèi)、外消音隔板之間保留足夠?qū)挾群烷L(zhǎng)度的風(fēng)道，盡量減小風(fēng)量損失［5］，兩種隔板上都貼有吸音材料。蒸發(fā)器出風(fēng)口處有導(dǎo)流圈，風(fēng)機(jī)扇葉與導(dǎo)流圈有部分重疊，這樣使扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)形成一個(gè)圓柱形風(fēng)道，并能產(chǎn)生足夠的軸向風(fēng)力，增加出風(fēng)量；此處風(fēng)機(jī)葉片與導(dǎo)流圈重疊尺寸不宜太多，否則會(huì)影響噪聲，在設(shè)計(jì)時(shí)需充分驗(yàn)證最佳重疊尺寸。在出風(fēng)口處罩殼增加擾流擋板，其表面貼有吸音材料。

當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處，風(fēng)從罩殼右側(cè)面進(jìn)入，轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入消音通道，然后再轉(zhuǎn)90°進(jìn)入蒸發(fā)器，噪聲開(kāi)始衰減。由于蒸發(fā)器的翅片縫隙小，空氣流速突然增大，氣流噪聲變得尖銳，尖銳噪聲在內(nèi)、外隔音板之間來(lái)回反射減弱，消音隔板起到很好的吸音和隔音效果。風(fēng)機(jī)傳出噪聲傳到罩殼反射板后被返回，再躍過(guò)中間的擾流擋板，最后從罩殼的兩個(gè)直角口傳出來(lái)；噪聲在風(fēng)道中迂回曲折，出風(fēng)路徑軌跡類(lèi)似于正弦波，起到間接延長(zhǎng)風(fēng)道作用，噪聲在長(zhǎng)距離傳播過(guò)程中得到有效衰減。通過(guò)優(yōu)化風(fēng)道使噪音值下降約5dB(A)，對(duì)比測(cè)試如表4所示。

3.4 整機(jī)降噪聲效果測(cè)試

測(cè)試場(chǎng)所、測(cè)試儀器和測(cè)試方法等與前面所述相同。整機(jī)經(jīng)過(guò)降噪處理后平均噪音值為38.3dB(A)，未降噪處理的噪音值是48.6dB(A)，降噪效果明顯，具體噪音值對(duì)比測(cè)試如表5所示。

表5 整機(jī)降噪前后效果對(duì)比測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，首先對(duì)壁掛式整體熱泵熱水器的噪聲源進(jìn)行減振、降噪等處理，如壓縮機(jī)減振墊優(yōu)化、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扇葉扭曲角度調(diào)整、管路系統(tǒng)減振設(shè)計(jì)等；然后對(duì)噪聲傳播路徑進(jìn)行二次降噪處理，采用降噪風(fēng)道結(jié)構(gòu)，并配合吸聲材料的運(yùn)用，使噪聲能量在傳播過(guò)程中得到有效衰減，進(jìn)一步降低噪聲。通過(guò)上述措施，整機(jī)噪音值下降約10dB(A)，降噪效果明顯，滿(mǎn)足壁掛熱泵熱水器在室內(nèi)安裝要求，基本消除噪聲對(duì)人的影響。由于降噪方式主要采用設(shè)計(jì)優(yōu)化和降噪風(fēng)道結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其成本增加較少，經(jīng)濟(jì)性好，可以在熱泵產(chǎn)品或其他類(lèi)似產(chǎn)品的降噪設(shè)計(jì)中推廣使用。