膨脹閥冷媒流動(dòng)音

1、日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集（B編） 243 59卷557號(hào)（1993-1） 論文No.92-0600膨脹閥引起的冷媒氣液雙向流的流動(dòng)音降噪1. 序言 目前的家用空調(diào)和店鋪機(jī)，由壓機(jī)、換熱器以及送風(fēng)機(jī)組成的室外機(jī)與由換熱器、送風(fēng)機(jī)以及減壓結(jié)構(gòu)組成的室內(nèi)機(jī)分離的分離式空調(diào)成為主流。其中安裝在房內(nèi)的室內(nèi)機(jī)，在舒適性方面對低噪音化的要求尤為強(qiáng)烈。從室內(nèi)機(jī)發(fā)出的噪音，大致分為送風(fēng)音、電磁閥等機(jī)器音以及冷媒流動(dòng)音。此處的冷媒流動(dòng)音是冷媒在空調(diào)配管內(nèi)流動(dòng)時(shí)發(fā)生的噪音的總稱。之前因送風(fēng)音和機(jī)器音比較大，冷媒流動(dòng)音被這些聲音掩蓋了。但隨著近來技術(shù)的提高，謀求送風(fēng)音和機(jī)器音的降噪的結(jié)果使冷媒流動(dòng)音更加明顯。尤其是室內(nèi)噪音

2、的低減，使得冷媒流動(dòng)音的降噪勢在必行。一直以來，冷媒通過減壓構(gòu)造部時(shí)都會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)音，對此做過很多種研究，但主要還是以被稱作毛細(xì)管的小徑管為對象。另外，雖然進(jìn)行了很多對氣液二相流引起的壓力脈動(dòng)和配管振動(dòng)的研究，但卻很難找到與噪音相關(guān)的研討。因此，本研究以實(shí)用膨脹閥的室內(nèi)機(jī)為對象，對流入膨脹閥的冷媒流動(dòng)樣式與其發(fā)生的冷媒流動(dòng)音的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性的研討。并以此結(jié)果為基礎(chǔ)，研討膨脹閥引起的冷媒流動(dòng)音的降噪方法。記號(hào)X:干燥度Gg:飽和氣體冷媒的質(zhì)量流量（kg/s）G1:飽和液體冷媒的質(zhì)量流量（kg/s）I:干燥度調(diào)整閥前的冷媒的比焓（J/kg）Ig:干燥度調(diào)整閥后的飽和氣體冷媒的比焓（J/kg）Ii:干

3、燥度調(diào)整閥后的飽和液體冷媒的比焓（J/kg）T1:干燥度調(diào)整閥前的冷媒溫度（）T2:干燥度調(diào)整閥后的冷媒溫度（）T3:干燥度調(diào)整閥后的冷媒壓力（Pa）2. 膨脹閥引起的冷媒流動(dòng)音一般來說，空調(diào)室內(nèi)機(jī)的送風(fēng)量少、送風(fēng)音小時(shí)，來自膨脹閥的冷媒流動(dòng)音就會(huì)顯著?？照{(diào)的冷媒循環(huán)是由壓機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及連接各機(jī)器的配管構(gòu)成的。用壓機(jī)壓縮成高溫高壓的過熱氣體的冷媒，通過冷凝器冷卻，液化成高壓液化冷媒。次冷媒通過膨脹閥減壓、膨脹，變?yōu)樽銐虻陀谑覂?nèi)空氣溫度的氣液二相狀態(tài)的冷媒。然后通過蒸發(fā)器將室內(nèi)空氣里相當(dāng)于蒸發(fā)潛熱的熱量吸走、蒸發(fā)，變?yōu)榈蛪簹怏w，再吸入壓機(jī)。此時(shí)從膨脹閥發(fā)出的冷媒流動(dòng)音大致有高頻音

4、和間歇發(fā)生的低頻音（以下簡稱間歇流動(dòng)音），高頻音，比如有“XIA XIA”的聲音，這個(gè)聲音在冷媒流動(dòng)時(shí)經(jīng)常發(fā)生。另一種間歇發(fā)生的低頻音，比如“POKO POKO”的聲音，這種聲音如它的名字一樣時(shí)而發(fā)生時(shí)而沒有。通常膨脹閥最好只流液體冷媒，但比如室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)被分開設(shè)置時(shí)，因配管的流路阻力產(chǎn)生的壓力損失，冷媒就會(huì)在氣液兩相狀態(tài)下流入膨脹閥。因此，空調(diào)就可能時(shí)常發(fā)生間歇流動(dòng)音，再加上它是低頻音，遮音就更加困難。由此，間歇流動(dòng)音的降噪就成了室內(nèi)機(jī)冷媒流動(dòng)音降噪里的一個(gè)大課題。因此，本研究主要研討遮音困難的低頻音即間歇流動(dòng)音的降噪。作為研究對象的冷媒流動(dòng)音，因其聲音是間歇性發(fā)生的，所以推測是否是氣泡流

5、入膨脹閥時(shí)產(chǎn)生的?？紤]是否與流入膨脹閥的冷媒的流動(dòng)方式有關(guān)，通過以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研討。3.間歇流動(dòng)音的降噪3.1實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法 為了明確冷媒流動(dòng)方式和冷媒流動(dòng)音的關(guān)系，在觀察流入膨脹閥的冷媒流動(dòng)方式的同時(shí)，對冷媒流動(dòng)音進(jìn)行了測定。 圖1為用于本研究的循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置概略圖。循環(huán)由壓機(jī)、冷凝器、作為供試體的膨脹閥和蒸發(fā)器構(gòu)成，其中，壓機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器設(shè)置在抑制空氣溫度變動(dòng)的塑料帳篷內(nèi)，作為供試體的膨脹閥使用電子控制膨脹閥（圖2 為其基本結(jié)構(gòu)），配管使用3/8英寸的管（內(nèi)徑9.38mm），配置在隔音箱中。使用渦輪流量計(jì)測量冷媒循環(huán)流量，使用油面鏡觀察流動(dòng)方式。油面鏡是長138mm的耐熱硬質(zhì)玻璃管。管

6、內(nèi)徑與使用的配管的內(nèi)徑相同。同時(shí)，流入膨脹閥的冷媒的流動(dòng)狀態(tài)通過設(shè)置在膨脹閥上流的干燥度調(diào)整閥（針閥）調(diào)整干燥度進(jìn)行設(shè)定。另外管內(nèi)冷媒的溫度設(shè)定使用直徑為0.3mm的銅-康銅熱電偶。同時(shí)，管內(nèi)冷媒的壓力測定，通過在管壁設(shè)置測壓孔，用壓力變換器和壓力表進(jìn)行。噪音通過在距供試體配管50mm的位置設(shè)置噪音計(jì)麥克進(jìn)行測定。 另，使用的冷媒為HCFC22。膨脹閥入口的干燥度使用干燥度調(diào)整閥的干燥度。即，干燥度X為干燥度調(diào)整閥前后的比焓，用比能表示，通過以下公式定義。但是，比焓為溫度和壓力的函數(shù)。另，干燥度的精度為±23。3.2使用配管模型的再現(xiàn)試驗(yàn)及其研討 為了降低間歇流動(dòng)音，明確其發(fā)生條件很

7、重要。如圖3所示，使用U型配管模型進(jìn)行間歇流動(dòng)音的再現(xiàn)試驗(yàn)。此時(shí)的冷媒通過垂直上升流入膨脹閥。通過再現(xiàn)試驗(yàn)，研討膨脹閥的有無與流動(dòng)方式以及冷媒流量的關(guān)系。其結(jié)果如表1所示。從此表可以看出，在配管上沒有膨脹閥時(shí)不會(huì)產(chǎn)生間歇音。另外，即使裝有膨脹閥，也只在氣泡流和熔渣流這種氣相液相不連續(xù)流動(dòng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生間歇流動(dòng)音，氣泡流為“POKO POKO”的聲音，熔渣流為“BOKO BOKO”的聲音。尤其是也了解了作為本次研究對象的間歇流動(dòng)音的“BOKO BOKO”的聲音，是在熔渣流流入膨脹閥時(shí)產(chǎn)生的。還有，冷媒流量對間歇流動(dòng)音的發(fā)生沒有影響。 以上總結(jié)的話，間歇流動(dòng)音的發(fā)生條件為：（1）膨脹閥（節(jié)流）在配管系

8、上。（2）氣相和液相分別按不連續(xù)的流動(dòng)樣式流入膨脹閥（節(jié)流）。如上明確了間歇流動(dòng)音的發(fā)生條件后，也就明確了它的降噪方法。即，避開熔渣流這種氣相液相不連續(xù)的流動(dòng)方式，按照氣相和液相分別流動(dòng)的方式流入膨脹閥的話會(huì)好一些。此處著眼的是，在相同的流量、相同的干燥度下，氣相和液相能夠很簡單的分別按連續(xù)流動(dòng)方式進(jìn)行的水平流的流動(dòng)方式。通過觀察圖4的流動(dòng)樣式可以看出，即使是相同的干燥度，垂直上升流和水平流的流動(dòng)方式完全不同。且，相對于垂直上升流這種氣相和液相分別不連續(xù)流動(dòng)的熔渣流，水平流是氣相和液相分別連續(xù)流動(dòng)的波狀流。因此，可以考慮通過讓冷媒按波狀流的流動(dòng)方式流入膨脹閥，來降低間歇流動(dòng)音。如圖5所示，使用

9、U字形配管模型，對按垂直上升流流入膨脹閥與按水平流流入的方式進(jìn)行噪音比較。另外，以圖1所示的垂直及水平方向的油面鏡內(nèi)的流動(dòng)方式的觀察結(jié)果為基礎(chǔ)，如圖5所示，推測膨脹閥入口配管的流動(dòng)方式。 其結(jié)果如圖6所示，冷媒量為1.36×kg/s(50kg/h)。從此圖可以看書，整體上水平流流入的噪音水平比較低。此傾向在干燥度為0.02左右時(shí)尤為明顯。另外，干燥度在0.02左右時(shí)，垂直上升流為熔渣流的流動(dòng)方式。干燥度為0，即，即使在只有液體冷媒流入膨脹閥的情況下，按水平流動(dòng)方式流入膨脹閥時(shí)的噪音比較低。這與流入膨脹閥的冷媒流動(dòng)方式相同，所以考慮到是受冷媒的流動(dòng)方向以及膨脹閥內(nèi)的節(jié)流位置不同的影響。

10、即如圖7所示，冷媒按垂直上升流流入膨脹閥時(shí)，流入方向與節(jié)流閥孔軸的方向一致，但按水平流流入時(shí)，其流入方向與節(jié)流閥孔軸的方向垂直。即，如圖7所示，按垂直上升流的方式，流入節(jié)流的冷媒通過節(jié)流后，變成直角彎曲的流動(dòng)。在此彎管部因流動(dòng)方向發(fā)生急劇變化而成為流動(dòng)被強(qiáng)制打亂的主要原因。而按水平流流入方式，通過節(jié)流后的冷媒，因沒改變其流動(dòng)方向流出，與垂直上升流流入方式比較，錯(cuò)亂發(fā)生的幾率變小。這一點(diǎn)可以通過后述圖9所示的頻率分析結(jié)果來證明。圖9干燥度為零即僅液體流入時(shí)，在低頻域幾乎在同音壓水平，但在5kHz左右的高頻域的音壓水平垂直上升流的流入方式更大些。其結(jié)果是相對于水平流流入方式，垂直上升流流入方式的干

11、燥度0的噪音水平更高一些。但即使考慮其噪音水平的差，干燥度在0.02左右時(shí)，水平流即氣相和液相分別按連續(xù)流動(dòng)的方式流入時(shí)的噪音變小，且“BOKO BOKO”的間歇流動(dòng)音消失。以上結(jié)果可以看出，通過水平流的方式流入膨脹閥可降低噪音水平。3.3實(shí)機(jī)使用形狀的配管試驗(yàn)以及研討 以上述通過U型配管模型得到的見解為基礎(chǔ)，使用下圖8顯示的實(shí)機(jī)上使用的配管形狀，按照其效果以及流入方式的不同研討冷媒流動(dòng)音的特點(diǎn)。圖8中按垂直上升流流入膨脹閥的形狀配管是實(shí)際用在實(shí)機(jī)上的形狀。同時(shí)，按水平流流入形狀的配管，在垂直配管的下流設(shè)置水平配管部，可以按水平流流入膨脹閥。在噪音的測定方面，將噪音計(jì)麥克安裝在從配管上升部水平

12、方向5cm的位置。圖9顯示的是冷媒流量為時(shí)的膨脹閥通過垂直上升流以及水平流流入的頻率分析結(jié)果。從圖中可以看書，與干燥度=0（單相流）、干燥度=0.023、0.024（氣液二相流），以及垂直上升流流入方式、水平流流入方式無關(guān)，在5kHz出現(xiàn)高峰。而且，流動(dòng)方式上，垂直上升流時(shí)為熔渣流，水平流時(shí)為波狀流。另外，垂直上升流的方式僅氣液二相流時(shí)在5kHz以外的低頻域50100，300Hz上出現(xiàn)高峰，我們認(rèn)為這是間歇流動(dòng)音的頻率帶。這是以干燥度=0（單相流）入流時(shí)不發(fā)生間歇流動(dòng)音的試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，通過比較頻率分析結(jié)果就可以推斷出來的。同時(shí)，我們判斷5kHz的高峰是因冷媒在配管中流動(dòng)而時(shí)常發(fā)生的冷媒流動(dòng)音

13、的頻率帶。它的存在與干燥度無關(guān)，而且，所用配管的固有振動(dòng)數(shù)通過打擊錘進(jìn)行敲打試驗(yàn)的調(diào)查結(jié)果，可以推測在5kHz左右不存在高峰。另一方面，按水平流流入方式可以看出，即使在氣液二相流時(shí)也不存在低頻域的高峰，其頻率分析結(jié)果與單相流時(shí)類似。由此，流入膨脹閥的冷媒流動(dòng)方式由垂直上升流流入方式變?yōu)樗搅髁魅敕绞剑赐ㄟ^氣相、液相分別連續(xù)流動(dòng)的流動(dòng)樣式來降低間歇流動(dòng)音（噪音水平上降低5dB）。 圖10顯示的是冷媒流量在2.78×kg/s(100kg/h)時(shí)的頻率分析結(jié)果。此時(shí)也與干燥度以及流入方式無關(guān)，在5kHz存在高峰。但若著眼與1kHz以下的頻率域，與圖9顯示的冷媒量為1.39×kg

14、/s(50kg/h)時(shí)不同，垂直上升流流入方式和水平流流入方式在低頻域都不存在高峰，而且干燥度相同的情況下，整體上保持同音壓水平的值。我們認(rèn)為這是冷媒流量在1.39×kg/s(50kg/h)時(shí)和在2.78×kg/s(100kg/h)時(shí)的流動(dòng)方式不同引起的。即，用油面鏡觀察流動(dòng)方式的結(jié)果，相對于冷媒流量為1.39×kg/s(50kg/h)時(shí)，垂直上升流為熔渣流，水平流為波狀流的流動(dòng)，冷媒流量為2.78×kg/s(100kg/h)時(shí)，垂直上升流環(huán)狀流，水平流為波狀流，均為氣相、液相分別連續(xù)的流動(dòng)方式。其結(jié)果顯示了冷媒流量在2.78×kg/s(100

15、kg/h)時(shí)，按垂直上升流流入和按水平流流入在50-300Hz為同樣的頻率分布。由此可以認(rèn)為氣相和液相分別按連續(xù)的流動(dòng)方式流入對減低間歇流動(dòng)音是有效的。另外，膨脹閥按圖8所示的設(shè)置方向彎90度水平設(shè)置時(shí)，也與流入方向無關(guān)，與圖9和圖10顯示的水平流流入方式時(shí)得到了相同的頻率構(gòu)成結(jié)果。這是通過將膨脹閥配置成水平狀態(tài)，將通過節(jié)流的冷媒配管變?yōu)樗脚渲?。其結(jié)果如圖7所示，因任何一種流入方式都是氣相液相分別連續(xù)流動(dòng)，所以得到了與本研究所顯示的水平流流入方式相同的狀態(tài)。4. 結(jié)論 本研究研討的是膨脹閥引起的冷媒流動(dòng)音（間歇流動(dòng)音）的降噪。推測該間歇流動(dòng)音與流入膨脹閥的冷媒的流動(dòng)方式有關(guān)，在觀察流入膨脹閥的冷媒的流動(dòng)方式的同時(shí)，對當(dāng)時(shí)發(fā)生的冷媒流動(dòng)音的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性的研討。得出結(jié)論如下： （1）低頻冷媒流動(dòng)音的間歇流動(dòng)音在氣相液相分別按不連續(xù)的