壁掛式空調器熱脹冷縮異響機理分析與控制

周偉峰 張帆 熊軍 徐志亮 周孝華 董龍

ZHOU Weifeng ZHANG Fan XIONG Jun XU Zhiliang ZHOU Xiaohua DONG Long

TCL空調器（中山）有限公司 廣東中山 528427

TCL Air Conditioner (ZhongShan) Co., Ltd. Zhongshan 528427

1 引言

家用空調壁掛機的風道零件底座、中框通常由ABS注塑而成，該材料的線膨脹系數較高，遇冷或受熱時變形量較大。當空調在制冷或制熱模式下開、關機時，風道溫度突然降低或升高將引起底座零件的熱脹冷縮，進而在底座與中框配合處產生局部的相對位移，引起不連續的摩擦異響。該異響忽大忽小且無規律，如某機型在室內溫度-15℃時制熱開機，摩擦異響持續15～20分鐘，嚴重影響用戶使用體驗。傳統解決方法是通過在零件裝配接觸面貼海綿或絨布的方式來緩解異響，但該方式影響生產效率且效果不明顯。麥劍章、林勇強通過添加填充劑對PP進行改性，改善其強度、剛性和耐熱性能，降低了收縮率，提高了尺寸穩定性，使其整體綜合性能接近工程塑料的水平，替代傳統材料用于制造空調室內機出風框，解決空調的熱脹冷縮噪聲問題[1]。本文通過防異響結構設計，在不改變注塑材料基礎上，亦可有效改善塑料件熱脹冷縮異響問題。其優勢有：成本低、穩定性好、一致性高，不受材料廠家、批次等因素影響。由于外觀多樣性要求，塑料件注塑時需要增加色母，色母在注塑時分散、熔融狀態、與基材的相容程度都會影響產品的力學特性，目前已發現部分廠家的色母會加劇熱脹冷縮異響，故改性PP材料并不能從根本上解決熱脹冷縮異響問題。

2 熱漲冷縮異響機理分析

如圖1所示，某新設計的壁掛機風道主要由3個零件組成：底座、中框、左右掃風葉片，其中底座背面、接水盤下方有保溫泡沫貼合。從理論上分析，熱脹冷縮異響的重要條件是：（1）溫度驟變；（2）兩零件配合接觸。同時滿足這兩個條件的位置在出風口區域：上、下側由中框、底座、掃風葉片剛性配合組成。這三個零件接觸面較大，配合零件熱脹冷縮后在接觸面形成剪切力而產生摩擦，隨著剪切力逐漸增加，靜摩擦轉為動摩擦時就會在接觸面形成相對位移，引起“咔咔”聲響。而接觸面積大會使異響次數多、頻率高，改善此類摩擦異響可從減小接觸面積入手，使“面與面”的接觸改為“線與面”的接觸，即降低了接觸面摩擦力，即便存在相對位移，其釋放的聲能量也較小。

表1 不同零件熱膨脹變形對比

圖1某新設計掛機的風道構成示意圖

圖2底座上風口側防異響設計（與中框配合）

圖3底座下風口側防異響設計（與中框配合）

2.1 相同材料不同零件間的異響分析

“壁掛機的底座、中框均為ABS材料，ASB樹脂的線膨脹系數為7.38h 10-51/℃[2]”。假設室內環境溫度15℃，室內機制熱開機時風道內部平均溫度約46℃，溫升變化約31℃，底座寬810mm，其寬度方向的受熱膨脹約為1.85mm，由于非均勻溫升，實際膨脹尺寸會更小一點；中框寬820mm，出口上邊緣有部分位置在風道出口，其表面溫度假設為41℃，其受熱膨脹約1.57mm。即兩零件受熱膨脹程度不同，在裝配位置會產生相對位移，即摩擦異響。

2.2 不同材料不同零件間的異響分析

壁掛機的底座為ABS材料，風道背面為保溫泡沫，25℃時，其線膨脹系數約為1.71h 10-51/℃，假設室內環境溫度15℃，室內機制熱開機時風道內部平均溫度約46℃，保溫泡沫熱阻較大，平均約20℃，溫升變化約5℃，泡沫寬455mm，則其寬度方向的受熱膨脹為0.04mm，可見底座與泡沫間的熱膨脹差異較大，易在配合平面產生摩擦異響。

同理，掃風葉片材料為PP+PE材質，其線膨脹系數約為15h 10-51/℃掃風葉片表面溫度約44℃，溫升變化約29℃，掃風葉片寬293mm，則其寬度方向的受熱膨脹1.27mm，掃風葉片同時與底座、中框配合，三個零件變形量不同，在裝配位置會產生相對位移，即摩擦異響。

2.3 防異響結構設計思路

由表1可見，底座和中框雖然材料相同，但是局部溫差變化不同，導致受熱變形量不同，零件配合處存在相對位移，即摩擦異響；底座與泡沫材料不同，局部溫差變化也不同，受熱變形量差異大，其配合處打膠貼合，膠的材質是松脂，常溫下韌性較好，可在底座與泡沫間形成緩沖帶；如貼合不牢有虛位，底座熱脹冷縮變形時會與泡沫摩擦產生異響。

綜上所述，底座、中框、左右掃風葉片防異響結構的設計思路為：（1）減小配合處接觸面積，將面接觸改為點接觸或線接觸；（2）規范底座打膠走線方式并在完成打膠后確認是否牢固。

3 關鍵零件防異響設計與試驗驗證

根據確定的防異響設計思路，本文通過對某新開發800A機型進行了防異響設計，模具首樣后裝機確認熱脹冷縮異響，與某老機型進行噪音異響試驗對比。

3.1 底座防異響設計

如圖2，在底座出風口上緣與中框配合位置，采用分散布置的8個傾斜小筋條與中框平面線接觸；如圖3，在底座下風口側與中框配合處分散布置7組共21個凸包；如圖4所示，在底座下風口與掃風葉片配合處，均勻設計了9個斜面小筋條與掃風葉片線接觸；這三個位置由傳統的面與面的大面積接觸改為線接觸，極大降低了接觸面積與剪切力。

表2 800XT與800A熱脹冷縮異響測試數據對比

3.2 中框防異響設計

如圖5，在中框內側下出風口處，設計了10個均勻分布的條狀小筋條，與掃風葉片配合時呈小平面式的“點接觸”，即使中框與掃風葉片存在位移，其摩擦力較小，不易產生異響。

3.3 掃風葉片防異響設計

如圖6，在掃風葉片與底座配合處，設計了18個均勻分布的條狀小筋條，與底座配合時呈“線接觸”；如圖7，在掃風葉片與中框配合處，設計了6個均勻分布的條狀小筋條，與中框配合時呈“線接觸”。掃風葉片同時與底坐、中框接觸，這兩個配合位置采用“線接觸”降低了接觸面積與剪切力，可有效改善熱脹冷縮異響。

3.4 底座部件打膠工藝優化

由上文可知，保溫泡沫的受熱變形量最小，其與底座通過松脂粘連，可作為熱脹冷縮的緩沖帶；如貼合不牢有虛位，底座熱脹冷縮變形時會與泡沫摩擦產生異響，需要對底座部件打膠工藝進行規范。圖8中紅色為打膠走線圖，圖9為量產打膠狀態，增加了對底座泡沫的抽檢工序，手工施加壓力，在底座泡沫破損前，底座不會與底座泡沫發生脫離，要求合格率100%。

圖4底座下風口側防異響設計（與掃風葉片配合）

圖5中框下風口側防異響設計（與掃風葉片配合）

圖6掃風葉片防異響設計（與底座配合）

圖7掃風葉片防異響設計（與中框配合）

圖8底座部件打膠工藝

圖10 800XT時域頻譜（制冷轉送風）

圖11 800XT時域頻譜（制熱轉送風）

3.5 熱脹冷縮異響試驗驗證

以兩個典型平臺室內機作為試驗對象：800XT室內機在底座、中位關鍵位置貼海綿作為防異響手段；800A室內機為防異響結構設計，無需貼海綿。在本底噪音為18dB(A)的半消聲室，根GB/T 7725-2004[3]對兩套全新室內機進行結構異響噪音測試。制冷測試工況：內側32℃，外側35℃，制熱測試工況：內側10℃，外側6℃，測試結果匯總見表2。按我司企標要求，制冷或制熱模式下，室內機在室內環境中放置6小時后，開機制冷或制熱運行15分鐘，轉送風5分鐘，圖10～13為時域上的噪聲頻譜。可見，采用防異響結構設計的800A內機，制冷開機15分鐘及轉送風5分鐘內異響次數為0；制熱從開機到轉送風異響僅4聲，較800XT異響次數下降85.2%，防異響效果明顯。制冷、制熱轉送風時由于室外機停機，內、外側壓力突變，導致室內機蒸發器管路中的冷媒狀態不穩定，冷媒流過分配器時可能產生短時異響，非本防異結構響控制范圍。

4 結論

（1）通過底座、中框、左右掃風葉片的防異響結構設計，減小了零件配合處的接觸面積，且將面接觸改為點接觸或線接觸，接觸面積相比某老殼體減小98%；

圖12800A時域頻譜（制冷轉送風）

圖13800A時域頻譜（制熱轉送風）

（2）采用防異響結構設計的800A內機，制冷開機15分鐘及轉送風5分鐘內異響次數為0；制熱從開機到轉送風異響僅4聲，較采用貼海綿作為防異響手段的800XT室內的異響次數下降85.2%，熱脹冷縮異響改善明顯，且在產品上市半年內，未發現熱脹冷縮異響客訴，提升了用戶滿意度與品牌口碑。