2大最新技术：空调外机防淋雨技术&冰箱降噪技术
本期我们来看一看业界最新的技术研究。一项技术来源于青岛海尔股份，是基于声学超材料的冰箱降噪方案设计。另一项技术来自于珠海格力，这项技术主要是基于空调防雨淋而设计的空调外机防水结构。
基于声学超材料的冰箱降噪方案设计
1、技术背景
冰箱的压缩机是冰箱的主要噪声源。现在降低压缩机噪声的主要方法是在压缩机上包裹隔音棉，而隔音棉对低频噪声的吸收和隔声效果差，降噪效果非常有限；传统的结构声抑制材料为阻尼材料，依靠自身结构随贴敷背板的振动产生剪切形变耗能，因此其主要抑振作用频段为中高频，而对于低频结构振动的抑制作用则不够理想；传统的吸振结构器件主要为动力吸振器，其主要是针对单一频率的结构振动，但作动器的输出响应频率、控制线路的设计以及整体系统长期服役的可靠性等因素成为制约其大面积实际应用的主要障碍，更多是停留在实验室模型研究阶段。为了在有效降低压缩机噪声的同时保证产品的可靠性和能效，需要找到一种低频隔声效果好同时具有较好散热性能的隔声降噪材料。
声学超材料作为一种新型隔声材料，其隔声基于局域共振原理，即当设计频段的声波入射到声学超材料上时，会激励声学超材料发生形变，产生局域共振。声学超材料一半左右的部分产生与声波相同方向的振动变形，另一半产生与声波相反方向的振动变形，因此透过声学超材料的声波在远场产生干涉，进而出现正负叠加抵消的现象，实现了隔声效果。研究基于声学超材料方案的冰箱低频降噪技术具有显著的工程应用价值。
2 、 隔声机理分析
为了研究声学超材料的声学特性，本文模拟驻波管中的隔声性能试验，利用COMSOL建立了声学超材料有限元仿真模型，如图1所示，图中方形圆孔结构即为声学超材料单元。声学超材料结构边缘部分设置为固定约束条件，两端使用了完全吸收边界以防止声波的反射，入射声源设定为幅值为1Pa的平面波，从管子的一侧入射。
图1 声学超材料声学特性仿真边界条件设置
以主要隔声频段在440Hz为例，通过COMSOL仿真，分别作出隔声峰值左右相邻频率（420Hz、460Hz）的声场声强分布图，图中的箭头指向和疏密代表声强的方向和强弱。从云图可以看出，方形圆孔结构的声学超材料单元，其通过四周膜的声场分量和通过中间孔的声场分量相互干扰，声波能量传播呈现出漩涡状。如图2所示，420Hz（<440Hz）时声波能量通过孔向下传播；如图3所示，当频率为460Hz（>440Hz）时，声波能量透过薄膜向下传播；在中间频率（440Hz），这两部分声波的相互抵消干扰达到最大，它们叠加形成的总声场声功率最小，因而隔声量最大。
图2 隔声峰值频率左侧420Hz频率处的声强分布
图3 隔声峰值频率右侧460Hz频率处的声强分布
3 、 噪声源分析及方案设计
压缩机是冰箱的主要噪声源，其主要由机械噪声、气流脉动噪声及电磁噪声构成。机械噪声是内部往复运动或者旋转运动部件本身运动的力不平衡、力矩不平衡以及摩擦付之间的摩擦，甚至动作件之间间隙碰撞等导致；气流脉动噪声是压缩机间歇性吸排气的工作方式导致的；电磁噪声是由于电机运转时的径向交变电磁力激发的噪声。这三种噪声和冰箱系统耦合，最终通过结构或声辐射传递出去，表现出复杂的声源特性。
3.1 噪声源分析
消声室中，在距离冰箱的前、后、左、右1m处的四个测点对冰箱进行测试，取其后侧测点的噪声频谱进行分析，如图4所示。
图4 冰箱后面测点噪音频谱
通过频域定位，可以看出，630Hz是冰箱最突出的噪声频段。为了判断该频段噪声的发声位置，使用声学照相机对630Hz噪声频段进行声源定位，其结果显示，该款冰箱630Hz噪声频段主要从冰箱压机仓位置辐射出来。
3.2 超材料降噪方案设计
超材料典型几何参数如图5所示，使用COMSOL仿真软件，对超材料进行参数设计。将超材料的隔声峰值频率设定在600Hz附近，加工驻波管测试样件如图6所示。
图5 声学超材料单元几何参数
图6 声学超材料测试样件
利用驻波管测试，声学超材料样件的隔声量曲线如图7所示，其隔声峰值在609Hz，与仿真数据基本一致。
图7 声学超材料隔声量实验曲线
3.3 超材料降噪效果验证
将图6所示的超材料样件，加工在原压机散热格栅处，如图8所示。搭载冰箱进行噪音测试，计算冰箱的声功率，声学超材料降噪样机相比原始样机噪声改善了3.6 dB(A)。
图8 搭载声学超材料的压缩机盖板
取冰箱后侧测点的噪声数据，降噪前后频谱对比如图9所示，在630Hz频段降噪6dB以上，频谱上凸出异常的频段消失。从人耳主观听感判断，冰箱的异音消失，听感显著改善。
图9 冰箱后面测点频谱对比
3.4 超材料散热效果验证
声学超材料满足降噪效果的同时，也需要保证压机仓有足够的散热量，不能对整机能耗产生大的影响。
由于声学超材料的等效穿孔率低于压机仓盖板散热窗口处的等效穿孔率，为了保证搭载声学超材料后的压机仓盖板与原始盖板具有相似的散热性能，将压机仓盖板整个后部设计成声学超材料，如图8所示，其有效开孔面积为原始格栅开孔面积的95%。
在压缩机吸排气管上部、下部，布置4个温度测点进行对比监控，冰箱搭载声学超材料后的温升以及耗电量对比如表1所示。四个测点平均温度上升1.4℃，整机耗电量恶化1.3%，在可以接受的范围。
关于空调外机防淋雨设计现状与改进
1 、 技术背景
随着我国经济的发展和社会不断进步，人们生活质量越来越好，空调几乎成为了家居必需品。但是空调品牌良莠不齐，部分品牌的空调质量令人担忧。因此空调的电气安全问题也成为了消费者越来越重视的因素。现阶段，相比产品的舒适性，产品的使用安全性更容易成为消费者首选产品的理由。电气安全与空调产品的竞争力以及市场占有率息息相关。
2 、 现状以及失效模式分析
近年来，极端天气日益频发，对放于室外的空调外机带来了严峻的考验。外机的防水结构变成电气安全的重中之重。因为雨水进入外机内会造成各种恶劣状况，甚至造成生命安全隐患。
2.1 对爬电距离的影响
雨水进入外机内，打在带电零部件上，易造成带电部间的电气间隙和爬电距离减小，造成电气强度减小，绝缘性能下降。严重的时候甚至造成外机短路起火，威胁着消费者的生命财产安全。如果雨水聚集在接线板上，会造成零火端子间的电气间隙减小，引发电气安全事故。
2.2 对元器件功能性的影响
雨水进入外机内，易造成元器件的误动作或者功能性的失效，比如外机风叶运行时容易把雨水甩到隔板上，雨水通过隔板预留装配孔，进入压缩机腔，凝结在压力开关上，因此造成压力开关的端子连通，引发功能性的失效。
2.3 对元器件使用寿命的影响
雨水进入外机内，雨水本身的属性会与机内的物料发生化学反应，造成元器件的损坏。比如：售后发现部分客户外机压缩机机脚出现锈蚀的情况。经分析，是含杂质的雨水进入外机内与压缩机的隔音棉发生化学反应破坏了压缩机外表面的涂漆，造成压缩机机脚锈蚀的发生。对消费者使用空调的安全性造成了影响，消费者对公司产品的信任也会大打折扣。
图1 水溅在基本绝缘和元器件上
图2 水溅在压力开关上导致触点一直保持联通
3 、外机的淋雨检测方法
（1）试样放置：使试验顶部到手持喷头喷水口的平行距离在300～500mm之间；
（2）试验条件：试验时应安装带平衡重物的挡板，水流量为10L/min；
（3）试验时间：按被检样品外壳面积计算，每平方米1min（不包括安装面积），最少5min；
（4）试验方法：本次试验进行时应装上活动挡板。调节水压使流量为每分钟（10±0.5）L(压力约为50kPa～150kPa)；外壳表面积计算误差应为±10%内。
4 、 现有空调外机淋雨防水结构的缺点及改善措施
经过研究发现，目前市场上的外机壳体淋雨隐患位置多出现在如下区域：
4.1 外机侧板的转角位置
因方便钣金件成型，同时避免折弯处产生堆料，故将转角的钣金降低，但是导致在淋雨实验时容易进水，如图3右图红色区域。
图3 侧板折边低易进水三维与实测示意图
（1）现有整改方案：在顶盖的转角粘贴海绵，将顶盖与侧板的装配间隙堵住，防止水进入，如图4右图所示因为存在缺口所以导致顶盖与侧板间，雨水的行程减短，雨水仍有足够的动力沿着红色箭头进入空调腔体。虽然粘贴海绵可以防止雨水进入，但由于海绵粘贴，在装配过程中容易变形或者移位，导致防水效果不佳。
图4 顶盖拐角增加海绵以及与侧板装配示意图
（2）新的改善措施：增加侧板转角的高度，但是同时避免产生堆料，阻碍顶盖与侧板的装配。所以在折弯平面增加反向凸包，如图5涂红位置所示。不仅能解决堆料问题，还可以起到让位的作用。这样在安装顶盖的时候，就会变得简单、便捷。
图5 侧板板拐角加高后
4.2 侧板的卡扣孔即面板与侧板的装配间隙
此处离进水面很近，水容易从卡扣孔进入机子内。
（1）现有的整改方案：在卡扣孔上粘贴海绵，减小面板与侧板装配后的间隙，但面板的卡扣与侧板的卡扣孔装配时容易将海绵捅破，防水效果不佳，如图6所示。
图6 海绵装配后易被捅破，防水效果不佳
（2）针对上述第四点结构缺点，笔者设计了一款“隐蔽式”的卡扣结构。本设计创造性发明面板与右侧板防水的结构见图7、8所示，该面板与右侧板防水的结构包括了面板拐角结构、右侧板拐角结构。
图7 新面板局部拐角结构示意图
图8 新右侧板局部卡扣示意图
该结构设计：①将面板的拐角做两个折弯，将卡扣垂直与侧板的面；②将右侧板做两个折弯，在与面板装配的面上做个卡扣孔。与传统防水结构对比，如图9所示装配示意图，卡扣孔离进水面近，因水的爬行距离较短，无法削弱水压，且卡扣孔的位置受到的是水柱的正面冲击，防水效果差。本次设计把卡扣孔隐藏在机子内，卡扣孔所在面与进水面形成90°角。当水从进水处进入后，利用水柱是沿直线喷射的原理，少量的水通过折射到达折弯口时，水压已被有效削弱，在受到重力的作用下水会沿着侧板边缘滑下，没有足够压力的水柱是到达不了卡扣孔，防水性能比传统的更好，使整机的安全性能更佳。采用该结构可以取消卡扣孔的防水海绵，更加方便生产，从而提高了生产效率。
图9 新面板拐角结构和新右侧板拐角结构装配俯视图示意图
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