劉 殿 芮群娜

（惠而浦（中國）股份有限公司 合肥 231283）

引言

從最初的直冷冰箱到如今市場上更常見的間冷冰箱，人們不僅見證了冰箱技術(shù)的發(fā)展，也側(cè)面印證了人們對更高生活品質(zhì)的追求。間冷冰箱又叫無霜風(fēng)冷冰箱，依靠風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制對流達(dá)到降溫速度快的優(yōu)點，最初的風(fēng)冷冰箱更多的是采用直流風(fēng)機(jī)，而如今離心風(fēng)機(jī)由于噪聲小、效率高等特點，已經(jīng)呈現(xiàn)出逐步替代軸流風(fēng)機(jī)的趨勢。

風(fēng)機(jī)作為風(fēng)冷冰箱的關(guān)鍵部件，對冰箱的制冷效率和噪音都起著至關(guān)重要的作用。為了離心風(fēng)機(jī)能夠更好的應(yīng)用，眾多學(xué)者和生產(chǎn)商都做了大量的理論和試驗研究。其中羅國樞[1]通過分析論述提出離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計關(guān)鍵是其蝸殼的設(shè)計。向同瓊[2]對針對離心風(fēng)機(jī)性能影響較明顯的蝸殼型線和截面形狀等因素進(jìn)行總結(jié)分析，對離心風(fēng)機(jī)蝸殼型線設(shè)計方法的改進(jìn)提供了一定的工程設(shè)計借鑒價值和學(xué)術(shù)價值。但他們的研究均未結(jié)合冰箱實際使用進(jìn)行分析，冰箱的離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用空間受限，風(fēng)道空間小，風(fēng)道阻力大，現(xiàn)有的有關(guān)冰箱離心風(fēng)機(jī)的研究成果有很多，如謝從虎[3]通過對離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)道各出風(fēng)口風(fēng)向進(jìn)行調(diào)整，使出風(fēng)更加的均勻。陳慶濤[4]通過優(yōu)化風(fēng)道導(dǎo)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)，使其出風(fēng)風(fēng)量提高了5.9 %，同時使噪音降低了0.4 dB。朱宇龍[5]對電機(jī)支架距離心風(fēng)機(jī)入口距離、支架支撐腿數(shù)量、布置方式、風(fēng)機(jī)入口直徑等離心風(fēng)機(jī)的入口關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)通過測試和CFD仿真相結(jié)合的方式進(jìn)行分析和驗證。得出電機(jī)支架距離心風(fēng)機(jī)入口距離、支架支撐腿數(shù)量、風(fēng)機(jī)入口直徑三個因素對風(fēng)量的影響都將超過5%，應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注。但他們的研究成果更偏重于離心風(fēng)道進(jìn)出風(fēng)位置以及風(fēng)機(jī)安裝參數(shù)的設(shè)計，如何設(shè)計蝸殼成為一個很重要的課題。本文將結(jié)合冰箱實際使用對離心風(fēng)機(jī)的蝸殼型線進(jìn)行設(shè)計，為冰箱的風(fēng)道設(shè)計提供依據(jù)。

1 參數(shù)確定

本文以一款雙系統(tǒng)冰箱為研究對象，蒸發(fā)器和離心風(fēng)機(jī)位于冷藏室的底部，離心風(fēng)機(jī)由一個總的送風(fēng)口通過風(fēng)道的不同出口向冷藏室送風(fēng)。

1.1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

其離心風(fēng)機(jī)的葉輪形式為后向葉輪，其風(fēng)扇電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)扇電機(jī)參數(shù)表

風(fēng)機(jī)的圓周速度的計算公式Cu2=π*D2*n/60，帶入后可得到圓周速度Cu2為14.44 m/s。

1.2 蝸殼寬度B

據(jù)王樹立[6]研究可得，風(fēng)道蝸殼寬度B的設(shè)計不宜過大，過大的話與葉輪寬度相差較多，可能會造成部分區(qū)域渦流區(qū)域的產(chǎn)生，產(chǎn)生較大的噪音同時也會造成局部損失較大；若蝸殼寬度B的設(shè)計過小，則與葉輪寬度相差較小，則風(fēng)道內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的損失較大，同樣會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率的降低。

由經(jīng)驗公式B=（1.3～2.2）b，綜合效率和噪音，取系數(shù)為1.5，得出B為0.034 5 m，即34.5 mm。

1.3 最大張開度A和出口寬度C

風(fēng)道蝸殼的最大張開度A和出口寬度C即為送風(fēng)口的出口外形尺寸，如圖1所示。

圖1 風(fēng)道蝸殼的最大張開度和出口寬度

風(fēng)道蝸殼的最大張開度A計算公式如下：

常數(shù)取值0.65，將已知數(shù)值帶入式（1）后，計算得最大張開度A為0.124 m，即124 mm。

出口寬度C經(jīng)驗公式為C=（1.3～1.4）*A，長度系數(shù)取1.4，得出出口寬度為173.6 mm。另外若考慮空間高度受限，為了減少出口長度，亦可考慮在A基礎(chǔ)上使用兩側(cè)增加角度θ來降低出口高度（如圖1（b）），θ取值一般建議值在（6～8）°之間。

2 蝸殼型線作圖軌跡確定

目前廣泛采用的蝸殼外型線有兩種：對數(shù)螺旋線和阿基米德螺旋線。由于受傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制，工程應(yīng)用中需對兩種螺旋線進(jìn)行簡化，常以等邊基元或不等邊基元方法由四段圓弧來繪制蝸殼型線[7]。冰箱所用離心風(fēng)機(jī)一般比轉(zhuǎn)速都較小，采用等邊基元法來繪制蝸殼型線更為適用[2]，所涉及參數(shù)如表2所示。

表2 蝸殼繪制參數(shù)表

由式（2）～式（6），可得出基方邊長a為31 mm，取值為30 mm，則RⅠ為90 mm，RⅡ為120 mm，RⅢ為150 mm，RⅣ為180 mm。

離心式通風(fēng)機(jī)蝸殼與出氣口的連接處常有一種由殼壁形成,狀如舌頭的“舌狀”結(jié)構(gòu),稱為蝸舌。其作用是用來防止部分氣體在蝸殼內(nèi)循環(huán)流動。當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉輪葉片通道出口處的氣流掠過蝸舌附近時,蝸舌的舌頭就把它們一分為二:大部分氣流順著通道流向了風(fēng)機(jī)的出口；少部分氣流則通過蝸舌、葉輪之間的間隙流回蝸殼,在蝸殼內(nèi)隨葉輪旋轉(zhuǎn)達(dá)一周后重返蝸舌處參與新的分流。

與蝸舌相關(guān)的兩個參數(shù)，一個是蝸舌與葉輪間隙t，蝸舌與葉輪間隙t過小，會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率降低，噪音過大，故蝸舌與葉輪間隙t系數(shù)取上限值0.10，得出t為15 mm；另一個相關(guān)的參數(shù)是蝸舌半徑r，蝸舌半徑r同樣對噪音的影響也很大，但是只要間隙t較大,當(dāng)r大于12 mm時,對離心風(fēng)機(jī)的噪音基本無太多影響，而大型離心風(fēng)機(jī)通常采用下限值，小型離心風(fēng)機(jī)通常采用上限值，結(jié)合式8及其對噪音影響，取值12 mm。

根據(jù)所得的數(shù)據(jù)，可得到對應(yīng)的蝸殼型線作圖軌跡，如圖2所示。

圖2 等邊基元法蝸殼繪圖軌跡

3 試驗驗證

根據(jù)作出的蝸殼型線，考慮冰箱的實際結(jié)構(gòu)，制作出最終的風(fēng)道如圖3，冷藏室的回風(fēng)通過蒸發(fā)器冷卻進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)的集流圈后，經(jīng)過蝸殼后被送入到上部的送風(fēng)口，再通過分流后送至冷藏室內(nèi)各個位置。經(jīng)過測試，此產(chǎn)品能耗指數(shù)為23.6 %，滿足開發(fā)要求低于25 %的要求，噪音為38.5 dB滿足開發(fā)要求低于40 dB的要求。

圖3 冷藏風(fēng)道風(fēng)機(jī)蝸殼實物圖

4 結(jié)論與展望

本文通過運用等邊基元法設(shè)計出了雙系統(tǒng)冰箱冷藏室的風(fēng)道蝸殼，通過測試驗證其可以滿足產(chǎn)品要求，證明了等邊基元法可以用來作為設(shè)計冰箱風(fēng)道的蝸殼的方法，但是要注意的是在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計時需結(jié)合冰箱空間小，對噪音要求高的特點對其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

目前現(xiàn)有的研究更多的針對的是大型離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化，以及冰箱離心風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)位置和風(fēng)機(jī)安裝參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化，作為冰箱設(shè)計者，應(yīng)該更偏重核心的蝸殼設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)有的大型風(fēng)機(jī)研究成果，對其進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，設(shè)計出高效率、低噪音的離心風(fēng)機(jī)風(fēng)道，使離心風(fēng)機(jī)在冰箱產(chǎn)品上得到更好的運用。

本文對冷藏室單一出口的風(fēng)道蝸殼進(jìn)行了設(shè)計和驗證，但是無論是目前市場上更多的單系統(tǒng)產(chǎn)品還是冷凍室風(fēng)道，其離心風(fēng)機(jī)的使用均為多出口的蝸殼設(shè)計，下一步，我們應(yīng)以多出口離心風(fēng)機(jī)蝸殼設(shè)計作為研究方向，使離心風(fēng)機(jī)在冰箱產(chǎn)品上能夠得到更加高效、可靠的使用。同時，本文缺少風(fēng)道的仿真分析數(shù)據(jù)，因此，在后期的風(fēng)道蝸殼優(yōu)化中可通過仿真分析的手段來進(jìn)一步驗證改蝸殼設(shè)計方法的有效性。