空调配管对其振动噪音影响的研究与应用

张国元

广东美的制冷设备有限公司　广东佛山　528311

1　引言

随着生活水平的提高，消费者对于空调的需求已经从简单的制冷、制热功能向多维度、高标准的品质体验转化[1]。除了正常的换热功能外，还要从性能、能耗、舒适性、振动噪音等多个方面去评价空调的品质。其中振动噪音正逐渐成为评价空调品质优劣的重要指标[2]。

目前，针对空调振动噪音的研究主要集中于压缩机的结构隔振、阻尼减振研究，空调系统减振结构和减振器设计，振动源、噪声源诊断，薄板结构阻尼减振研究，压机腔隔音棉、隔音罩设计等方面，侧重于从噪音源头解决振动问题进而减小空调系统振动噪音[3]。但是，单纯依靠优化压缩机、优化压机脚垫来解决振动噪音问题会带来较大试错、试验工作量，同时也无法完全保证优化后的空振振动噪音能够满足系统目标，甚至还可能影响空调系统的换热性能。

所以工程师逐渐考虑从振动传播路径上解决振动噪音问题，即靠优化配管系统进行空调的减振降噪[4]。

配管是空调系统振动噪音的主要传播路径，可以直接决定内外机音质和外机噪音值。合理优良的配管可以阻隔压缩机振动的传播进而减小空调振动噪音，反之会放大压缩机的振动，造成室外机噪音值变大，甚至断管[5]。探究空调配管对振动噪音的影响具有一定的理论意义和实用价值。

2　空调振动噪音与配管模态

2.1　空调振动噪音简析

对于分体空调来说，噪音来源分为室内机噪音和室外机噪音，噪音属性主要有噪音值（dBA）和音品质（异音）。

影响室内机噪音值的核心模块是贯流风道，风噪的大小决定了室内机运行噪音值的大小。然而，如果压缩机不稳定、配管消声器选取不合理，则会引起室内机异音：低频压缩机共振声、高频啸叫声。除了正常风噪、高低频异音，空调正常运行时会时常伴随冷媒流动声即冷媒音。冷媒音跟系统压力有关，同一台变频空调，在不同频率下运行时，如果恰逢其分配器分流不合适，就会引起该频率下的冷媒流路不均，进而导致湍流严重冷媒音加大[6]。通常，解决室内机噪音问题的方法无非两种，一是针对噪音值，优化贯流风道；二是针对音品质，优化消声器。

决定室外机噪音值的模块主要有压缩机、配管、隔音棉和外机钣金等。如果压缩机在设计制造过程中，动平衡没能得到保证或者消声腔设计不合理，则会造成压缩机本体的振动噪音恶化，即空调外机的振动源变大，进而使外机噪音值增大、音质变差。配管是整个空调系统振动噪音的核心模块，如果配管设计不合理，将无法控制室外机噪音值、致使异音严重，甚者会与室内机产生共振。隔音棉是隔绝压缩机本体噪音的有效部件，一套优良的隔音棉可以阻隔、吸收绝大部分压缩机腔体内的空气噪音，但是如果隔音棉没有包裹合适或者经过跌落运输发生错位抵到压缩机、钣金则会造成一定异音，同时加大室外机噪音值。室外机钣金是隔绝噪音的最后一道屏障，如果钣金密封性足够好确实会在一定程度上降低噪音值，但是过薄的钣金亦有很大几率造成壳体共振[7]。

综上，影响空调振动噪音的核心模块应为风道、压缩机和配管，其中风道、压缩机均与系统的换热性能有关，牵一发而动全身，所以解决空调振动噪音问题的最直接有效的手段即为优化配管[8]。

2.2　配管结构的模态分析

从如图1所示的空调外机振动噪音路径上分析，压缩机作为振动源，其动不平衡衍生的本体扭转/摆动，一方面通过配管或底盘传递到壳体上再由壳体辐射噪音，一方面通过空气振动直接传递本体噪音。无论以哪种方式辐射噪音，都与配管有着密切的关系。假设配管柔性足够大或者固有频率可以避开压缩机运行频率，则可以保证减小压缩机传递到壳体的振动，进而减小噪音辐射值。这样既可以保证外机的噪音值又可以优化其音品质。

空调配管模态受管路状态影响，主要因素有：长度、形态、空间角等。利用ANSYS建模分析得到不同长度长U铜管的前6阶模态。由图2可以看出，管路越长，其固有频率越小。而且，在配管可控的长度范围内，其固有频率与长度的平方成一定反比关系。在设计配管时，考虑成本与效果，单纯利用加长管路不是最优的解决方案，当管路达到一定长度时应考虑优化管路的空间形态和调整最优的空间角。

表1　原型机噪音值

表2　优化机噪音值

图1　空调外机振动噪音路径

图2　配管长度模态分析

图3　配管形态模态分析

建模分析不同空间形态管路固有频率的差别，结果如图3所示。当管路空间角较多，结构更立体时，其低阶固有频率更低，管路柔性更大，就经验来讲振动噪音效果也更好。

图4　配管空间角模态分析

图5　问题外机模型

图6　配管优化分析

除了管路长度及形态，各部分之间的空间角大小、分布对其模态也有一定的影响。如图4所示，两条管路的长度、形态都相同，但是空间角不同。大空间角的管路两个U之间有一定夹角，而无空间角管路所有路径都在同一平面内。由仿真结果得知，有一定空间角或者空间角合适的管路，其固有频率更低，柔性更大。

管路长度、形态、空间角等决定了配管在系统里的模态。合适的长度、形态及空间角可以最大程度降低固有频率、加大配管柔性，进而使系统的振动噪音更加优良。

3　优化分析

市场反馈有几台35定频单冷机出现断管现象，而且同型号批产机的外机噪音都不怎么理想。

如图5所示，断管位置在排气下U处。通过实地考察运行观测，确定排气管振动过大致使外机噪音不理想，加上定频机频繁起停导致断管。

建模分析得到原型机排气管的一阶固有频率为50.2Hz，而定频机的运行频率为48.5Hz左右。越是低阶固有频率，蕴含的能量越大，一阶固频及其接近压缩机的运行频率，故而产生共振，导致噪音值异常，甚至断管。

通过优化排气管，降低其固有频率，进而消除共振，降低噪音值，根除断管现象。由图6可知，优化后排气管的二阶固有频率只有43.6Hz，其耗散的能量不仅变少，传递的振动更是大大减小。

半消音室测试样机噪音得到，噪音值在原型机的53.1dBA的基础上，降低到52.1dBA，降低了1dBA。

凭借优化配管的手段降低了外机噪音值，消除了断管隐患，大大提高了系统可靠性。

4　结论

通过调整管路长度、空间形态及空间角的方法可以合理的优化配管，进而减小振动噪音，增加可靠性。CAE手段可以有效、正确指导配管的设计开发，大大缩短设计、整改周期，减少冗余工作。确定合理准确的边界条件，是CAE辅助设计的重要前提，后面空调振动噪音的仿真分析工作还有待工程师继续探索。