家用柜机空调平行流蒸发器翅片音改善研究

杨岳 赵若 王伟戈 李大森

海信（山东）空调有限公司 山东青岛 266000

1 引言

随着家用电器行业的不断发展，用户对于空调产品的品质要求不断提升，用户购买时已经不仅仅满足于基本的制冷制热需求，追求性价比、节能绿色、使用舒适性、音品质等新的需求应运而生。一般家用柜机空调内机换热器采用管翅式蒸发器，但是随着材料成本的上升与新能效标准入市门槛的提升，全铝平行流蒸发器以质轻、高效换热以及低成本等特点逐步进入空调行业，但是当蒸发器与吹风式风机气流呈现夹角排布时，高流速局部容易出现翅片异音，听感表现为“嘶～溜～”声，该翅片异音噪声主观评价不合格，亟需在整机研发初期解决。

很多学者与工程人员对于空调异常噪音的主观评价进行了研究，顾开荣、孙晓明、陈风梅等学者强调了噪声声品质评价多维性[1][2]，引入多个噪音声学评价指标并开发评价计算方法与系统[3]；陶建幸介绍了成对比较法与基于Zwicker理论的噪声客观评价方法，并以室外机主观评价应用总结了PC法简单实用的特点[4]；孙康杰等提出铜管翅片式蒸发器翅片音主要是低速多腔体耦合共振产生，气流流速、气流流动方向与换热器夹角为影响翅片音声压级与尖端频率主要因素[5]；冯锦平针对主观评价效率低、评价群体样本对结果影响较大等缺点，提出提取噪声频谱中单频音不可接受的幅值并计算音噪比的方法评判音调的可接受程度，比主观评价更加客观、便捷[6]。本文主要针对某家用柜机平行流蒸发器翅片音探究一种主观评价的方法与结合CFD翅片音改善措施。

2 翅片音原因分析与改善目标要求

某家用柜机风道纵剖图如图1所示，其中风机采用下置离心风机，平行流蒸发器采用倾斜布置，受整机空间限制，蒸发器与垂直面夹角大约为17°，出风口采用上部出风，进风口为正面进风。整机运行时高风档位时出现翅片音，分析造成翅片音的主要原因为蒸发器倾斜放置，风机高速出风流经蒸发器表面，在蒸发器局部缝隙产生脉动涡流，出现多腔体耦合共振，解决该异音的主要方法是控制气流方向或者降低气流流速，考虑在内机局部加导风装置改善异音。

增加导风装置可以局部调整空气气流方向与风速，但是不能对整机性能造成影响，故提出改善目标为：

（1）优化柜机内部风场，消除或者减小翅片音，满足噪音主观评价标准；

（2）通风状态下各档位风量衰减不能超过5%，同档位噪音OA值增加不超过0.5dB(A)。

3 柜机风道CFD分析

通过对内机风道的CFD分析，寻找风速较高的部位与相对位置，为导风板的尺寸与布置位置作指导。柜机流场分析简化模型如图2所示，主要包括进出风口延长流域、风机流域、蒸发器流域，分析设置为采用k-e湍流模型，出风口静压为0Pa，高风档风扇转速570rpm，蒸发器设定为多孔流域介质。

提取蒸发器迎风面与X=70mm截面速度云图如图3所示，可以发现，在蜗壳出风口的局部出现高流速区域，局部风速高于9m/s，故分析该部位的高流速气体冲击翅片为造成翅片音的主要原因，根据仿真结果初步确定导风板的尺寸为300×70mm，导风板中心轴位置距离后壁板150mm，利用仿真手段对导风板角度进行初步探究，分别取导风板0°，17°，30°，45°工况，仿真结果如图4-蒸发器表面风速分布云图和图5-X=70mm截面风速分布云图所示。

由不同工况蒸发器表面流场分布云图可知，导风板0°时，风速较高的区域扩大；导风板45°时，风速较高的区域更为集中；导风板与蒸发器平行以及导风板与垂直面夹角30°时，局部出风风速有所降低，其中导风板与垂直面夹角30°时，局部风速有明显的降低；导风板摆动角度0°，17°和30°度时，X方向风场速度云图没有明显变化，摆动角度45°时在导风板上部形成低速流域，该角度导风板挡风较为严重。

4 实验验证

4.1 主观评价方法

通常噪声主观评价为距离整机1米处各个位置不能出现异常噪音，由于该机型使用的环境要求，主观评价的标准适当放宽，针对该机型设计一种噪音主观评价的方法，采用9个点位进行噪音主观评价，点位距离分别为距离机器左右1米，距离机器前方1米和距离机器前方2米共9点进行测试，如图6所示。

图1 家用柜机风道风道纵剖图

图2 柜机流场分析简化模型

图3 蒸发器迎风面与X=70mm截面速度云图

图4 蒸发器表面风速分布云图

图5 X=70mm截面风速分布云图

图6 主观评价9点位置

图7 试验导风板工装

表1 各点位主观评价打分表A

表2 各点位加权系数表B

主要评价风吹翅片的嘶嘶声，将点位按照行（i）-列（j）位置命名，比如C点位置对应为点13（i=1，j=3）。按照翅片音的听感大小分别给各个点位打分，各点位打分表使用表1-各点位主观评价打分表A。

其中，打分原则为：

1分——听不到；

3分——隐约可以听见，听感不连续；

5分——听感较明显，听感连续。

参加主观评价的人员按照9点站位与打分标准填写不同工况的9点打分表格，每个位点平均得分与不同点位的加权系数乘积再求和作为该工况的主观评价综合得分，其中每个点位的加权系数表使用表2-各点位加权系数表B，各个点位的加权系数分别为对应点位所在行列的加权系数乘积，根据柜机特点，整机前部方向（列向）距离越远、听感越明显，表示翅片音越严重；整机左右方向（行向），由于正对机器，高风风声响度较高，对翅片音烦躁度不高，左右两侧对翅片音烦躁度更高，故综合制定各点位该加权系数表。

最终的主观评价分数如下，分数越高表示主观评价越差，分数越低表示主观评价越好：

其中：

i,j——行，列，点位行列位置；

Aij——打分表各点位分数平均值；

Bij——各点位该加权系数。

4.2 实验设计

实验采用离散分组设计，根据仿真初步结果，主要验证导风板的尺寸（长度与宽度）以及导风板的摆动角度对翅片音、整机风量、噪音、功率参数的影响，在满足性能指标条件下选择消除翅片音最佳方案，实验方案为在整机背部开孔加装导风板封闭后测试，如图7所示。

4.2.1 主观评价实验

（1）第一组试验采用300mm×70mm导风板，导风板距离后壁板距离为150mm，采用高风档位测试，分别取导风板0°，17°，30°，45°工况进行噪音主观评价，主观评价人数为5人，主观评价得分如表3所示。

分析发现，高风档位时当导风板角度与垂直平面夹角30°时，主观噪音评价最好，其中多数人在机器正前方1米处可以隐约听到翅片音，正前方1米左右1米处没有听到异常音，机器前方2米处左右位置听不到异常音，故300×70mm导风板，垂直面夹角30°时，噪音主观评价最好。

（2）第二组试验采用不同尺寸导风板进行噪音主观评价，采用尺寸为300×50mm、300×70mm、300×100mm、350×70mm以及400×70mm的导风板进行主观评价，导风板夹角与垂直面为30°，主观评价结果如表4所示。

分析发现，300×70mm风板、30°夹角工况下噪音主观评价最好，其次为350×70mm风板、30°夹角，再次为300×50mm风板、30°夹角。

4.2.2 风道性能参数实验

（1）导风板宽度影响

对比尺寸为300×50mm、300×70mm、300×100mm导风板同样摆动30°与无风板通风状态下风道性能，风量-噪音-功率曲线如图8所示，风量衰减曲线如图9所示。

由风量-噪音-功率曲线可知，导风板宽度越宽，同风量下噪音越高，功率越高，风量衰减越严重。

（2）导风板长度影响

对比尺寸为300×70mm、350×70mm、400×70mm导风板同样摆动30°与无风板通风状态下风道性能，风量-噪音-功率曲线如图10所示，风量衰减曲线如图11所示。

由风量-噪音曲线可知，同风量下350×70mm导风板噪音最高，300×70mm、400×70mm导风板同风量噪音值相当；由风量-功率曲线可知，导风板长度对风量功率曲线影响较小，同风量下功率比无导风板高5w～7w左右；导风板长度对风量衰减影响较小。

（3）导风板摆动角度影响

对比300×70mm导风板0°，17°，30°，45°工况与无风板通风状态下风道性能，风量-噪音-功率曲线如图12所示，风量衰减曲线如图13所示。

由风量-噪音-功率曲线可知，同风量摆动角度越大，噪音越高，功率越高，风量衰减越严重，其中45°导风板同风量下比无导风板噪音高2dB(A)左右，同风量下比无导风板功率高12w左右，高中低风档风量衰减分别为4.3%、3.8%、4.1%。

表3 导风板摆动角度主观评价分值

表4 导风板尺寸主观评价分值

图8 导风板宽度风道性能曲线

图9 导风板宽度风量衰减曲线

图10 导风板长度风道性能曲线

图11 导风板长度风量衰减曲线

图12 导风板摆动角度风道性能曲线

综上，300×70mm尺寸、摆动30°的导风板同档位噪音值比无导风板高0.2dB(A)～0.6dB(A)，同档位功率低5w～11.2w，高中低风档风量衰减分别为2.8%、2.5%、2.7%均小于5%目标值，该导风板与摆动角度从听感主观评价得分最优，同档位噪音达标，风量衰减在接受范围内，故300×70mm尺寸摆动30°的导风板在解决该款空调柜机平行流蒸发器翅片音为最优方案。

5 结论

（1）当平行流蒸发器与吹风式风机风向非平行布置时，较容易局部出现翅片音，翅片音的主要原因为流经蒸发器的空气冲击角度与流动速度，结合CFD仿真结果与实际实验，局部调整气流方向与流速为改善平行流蒸发器翅片音的良好工程方法。

（2）导风板宽度与摆动角度对风道性能参数影响比导风板长度要严重，宽度过宽、摆动角度过大挡风严重，局部涡流涡量提高了整机噪音OA值；本文通过多组实验验证300×70mm尺寸摆动30°的导风板在解决该款空调柜机平行流蒸发器翅片音为最优方案，但是依然没有完全消除翅片音，只是改善了该翅片音听感。

（3）本文设计的主观评价9点加权打分方法可以较为有效地将主观评价指标量化，但是该方法随着调研样本数量提升计算量因此增大，样本数量较少又不足以完全反映主观评价有效性，因此该方法还需要继续改进。

图13 导风板摆动角度风量衰减曲线