风冷冰箱离心风机风道蜗壳设计

刘 殿 芮群娜

（惠而浦（中国）股份有限公司 合肥 231283）

引言

从最初的直冷冰箱到如今市场上更常见的间冷冰箱，人们不仅见证了冰箱技术的发展，也侧面印证了人们对更高生活品质的追求。间冷冰箱又叫无霜风冷冰箱，依靠风机的强制对流达到降温速度快的优点，最初的风冷冰箱更多的是采用直流风机，而如今离心风机由于噪声小、效率高等特点，已经呈现出逐步替代轴流风机的趋势。

风机作为风冷冰箱的关键部件，对冰箱的制冷效率和噪音都起着至关重要的作用。为了离心风机能够更好的应用，众多学者和生产商都做了大量的理论和试验研究。其中罗国枢[1]通过分析论述提出离心风机的设计关键是其蜗壳的设计。向同琼[2]对针对离心风机性能影响较明显的蜗壳型线和截面形状等因素进行总结分析，对离心风机蜗壳型线设计方法的改进提供了一定的工程设计借鉴价值和学术价值。但他们的研究均未结合冰箱实际使用进行分析，冰箱的离心风机应用空间受限，风道空间小，风道阻力大，现有的有关冰箱离心风机的研究成果有很多，如谢从虎[3]通过对离心风机的风道各出风口风向进行调整，使出风更加的均匀。陈庆涛[4]通过优化风道导风圈结构，使其出风风量提高了5.9 %，同时使噪音降低了0.4 dB。朱宇龙[5]对电机支架距离心风机入口距离、支架支撑腿数量、布置方式、风机入口直径等离心风机的入口关键设计参数通过测试和CFD仿真相结合的方式进行分析和验证。得出电机支架距离心风机入口距离、支架支撑腿数量、风机入口直径三个因素对风量的影响都将超过5%，应当重点关注。但他们的研究成果更偏重于离心风道进出风位置以及风机安装参数的设计，如何设计蜗壳成为一个很重要的课题。本文将结合冰箱实际使用对离心风机的蜗壳型线进行设计，为冰箱的风道设计提供依据。

1 参数确定

本文以一款双系统冰箱为研究对象，蒸发器和离心风机位于冷藏室的底部，离心风机由一个总的送风口通过风道的不同出口向冷藏室送风。

1.1 风机参数

其离心风机的叶轮形式为后向叶轮，其风扇电机参数如表1所示。

表1 风扇电机参数表

风机的圆周速度的计算公式Cu2=π*D2*n/60，带入后可得到圆周速度Cu2为14.44 m/s。

1.2 蜗壳宽度B

据王树立[6]研究可得，风道蜗壳宽度B的设计不宜过大，过大的话与叶轮宽度相差较多，可能会造成部分区域涡流区域的产生，产生较大的噪音同时也会造成局部损失较大；若蜗壳宽度B的设计过小，则与叶轮宽度相差较小，则风道内部摩擦产生的损失较大，同样会导致风机效率的降低。

由经验公式B=（1.3～2.2）b，综合效率和噪音，取系数为1.5，得出B为0.034 5 m，即34.5 mm。

1.3 最大张开度A和出口宽度C

风道蜗壳的最大张开度A和出口宽度C即为送风口的出口外形尺寸，如图1所示。

图1 风道蜗壳的最大张开度和出口宽度

风道蜗壳的最大张开度A计算公式如下：

常数取值0.65，将已知数值带入式（1）后，计算得最大张开度A为0.124 m，即124 mm。

出口宽度C经验公式为C=（1.3～1.4）*A，长度系数取1.4，得出出口宽度为173.6 mm。另外若考虑空间高度受限，为了减少出口长度，亦可考虑在A基础上使用两侧增加角度θ来降低出口高度（如图1（b）），θ取值一般建议值在（6～8）°之间。

2 蜗壳型线作图轨迹确定

目前广泛采用的蜗壳外型线有两种：对数螺旋线和阿基米德螺旋线。由于受传统制造技术的限制，工程应用中需对两种螺旋线进行简化，常以等边基元或不等边基元方法由四段圆弧来绘制蜗壳型线[7]。冰箱所用离心风机一般比转速都较小，采用等边基元法来绘制蜗壳型线更为适用[2]，所涉及参数如表2所示。

表2 蜗壳绘制参数表

由式（2）～式（6），可得出基方边长a为31 mm，取值为30 mm，则RⅠ为90 mm，RⅡ为120 mm，RⅢ为150 mm，RⅣ为180 mm。

离心式通风机蜗壳与出气口的连接处常有一种由壳壁形成,状如舌头的“舌状”结构,称为蜗舌。其作用是用来防止部分气体在蜗壳内循环流动。当旋转叶轮叶片通道出口处的气流掠过蜗舌附近时,蜗舌的舌头就把它们一分为二:大部分气流顺着通道流向了风机的出口；少部分气流则通过蜗舌、叶轮之间的间隙流回蜗壳,在蜗壳内随叶轮旋转达一周后重返蜗舌处参与新的分流。

与蜗舌相关的两个参数，一个是蜗舌与叶轮间隙t，蜗舌与叶轮间隙t过小，会导致风机效率降低，噪音过大，故蜗舌与叶轮间隙t系数取上限值0.10，得出t为15 mm；另一个相关的参数是蜗舌半径r，蜗舌半径r同样对噪音的影响也很大，但是只要间隙t较大,当r大于12 mm时,对离心风机的噪音基本无太多影响，而大型离心风机通常采用下限值，小型离心风机通常采用上限值，结合式8及其对噪音影响，取值12 mm。

根据所得的数据，可得到对应的蜗壳型线作图轨迹，如图2所示。

图2 等边基元法蜗壳绘图轨迹

3 试验验证

根据作出的蜗壳型线，考虑冰箱的实际结构，制作出最终的风道如图3，冷藏室的回风通过蒸发器冷却进入离心风机的集流圈后，经过蜗壳后被送入到上部的送风口，再通过分流后送至冷藏室内各个位置。经过测试，此产品能耗指数为23.6 %，满足开发要求低于25 %的要求，噪音为38.5 dB满足开发要求低于40 dB的要求。

图3 冷藏风道风机蜗壳实物图

4 结论与展望

本文通过运用等边基元法设计出了双系统冰箱冷藏室的风道蜗壳，通过测试验证其可以满足产品要求，证明了等边基元法可以用来作为设计冰箱风道的蜗壳的方法，但是要注意的是在进行参数设计时需结合冰箱空间小，对噪音要求高的特点对其参数进行调整。

目前现有的研究更多的针对的是大型离心风机的设计和优化，以及冰箱离心风机进出风位置和风机安装参数的设计和优化，作为冰箱设计者，应该更偏重核心的蜗壳设计，结合现有的大型风机研究成果，对其进行优化和改进，设计出高效率、低噪音的离心风机风道，使离心风机在冰箱产品上得到更好的运用。

本文对冷藏室单一出口的风道蜗壳进行了设计和验证，但是无论是目前市场上更多的单系统产品还是冷冻室风道，其离心风机的使用均为多出口的蜗壳设计，下一步，我们应以多出口离心风机蜗壳设计作为研究方向，使离心风机在冰箱产品上能够得到更加高效、可靠的使用。同时，本文缺少风道的仿真分析数据，因此，在后期的风道蜗壳优化中可通过仿真分析的手段来进一步验证改蜗壳设计方法的有效性。