膨胀阀冷媒流动音

日本机械学会论文集（B编）24359 卷 557 号（1993-1）论文 No.92-0600膨胀阀引起的冷媒气液双向流的流动音降噪1序言目前的家用空调和店铺机，由压机、换热器以及送风机组成的室外机与由换热器、送风机以 及减压结构组成的室内机分离的分离式空调成为主流。其中安装在房内的室内机，在舒适性方面 对低噪音化的要求尤为强烈。从室内机发出的噪音，大致分为送风音、电磁阀等机器音以及冷媒流动音。此处的冷媒流动 音是冷媒在空调配管内流动时发生的噪音的总称。之前因送风音和机器音比较大，冷媒流动音被 这些声音掩盖了。但随着近来技术的提高，谋求送风音和机器音的降噪的结果使冷媒流动音更加 明显。尤其是室内噪音的低减，使得冷媒流动音的降噪势在必行。一直以来，冷媒通过减压构造部时都会产生流动音，对此做过很多种研究，但主要还是以被 称作毛细管的小径管为对象。另外，虽然进行了很多对气液二相流引起的压力脉动和配管振动的 研究，但却很难找到与噪音相关的研讨。因此，本研究以实用膨胀阀的室内机为对象，对流入膨胀阀的冷媒流动样式与其发生的冷媒 流动音的关系进行实验性的研讨。并以此结果为基础，研讨膨胀阀引起的冷媒流动音的降噪方法。记号X:干燥度Gg:饱和气体冷媒的质量流量（kg/s）G1:饱和液体冷媒的质量流量（kg/s）I：干燥度调整阀前的冷媒的比焓（J/kg）Ig：干燥度调整阀后的饱和气体冷媒的比焓（J/kg）Ii：干燥度调整阀后的饱和液体冷媒的比焓（J/kg）T1:干燥度调整阀前的冷媒温度（C）T2:干燥度调整阀后的冷媒温度（C）T3:干燥度调整阀后的冷媒压力（Pa）2膨胀阀引起的冷媒流动音一般来说，空调室内机的送风量少、送风音小时，来自膨胀阀的冷媒流动音就会显著。空调的冷媒循环是由压机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及连接各机器的配管构成的。用压机 压缩成高温高压的过热气体的冷媒，通过冷凝器冷却，液化成高压液化冷媒。次冷媒通过膨胀阀 减压、膨胀，变为足够低于室内空气温度的气液二相状态的冷媒。然后通过蒸发器将室内空气里 相当于蒸发潜热的热量吸走、蒸发，变为低压气体，再吸入压机。此时从膨胀阀发出的冷媒流动音大致有高频音和间歇发生的低频音（以下简称间歇流动音）， 高频音，比如有“XIA XIA”的声音，这个声音在冷媒流动时经常发生。另一种间歇发生的低频 音，比如“POKO POKO”的声音，这种声音如它的名字一样时而发生时而没有。通常膨胀阀最好 只流液体冷媒，但比如室内机和室外机被分开设置时，因配管的流路阻力产生的压力损失，冷媒 就会在气液两相状态下流入膨胀阀。因此，空调就可能时常发生间歇流动音，再加上它是低频音, 遮音就更加困难。由此，间歇流动音的降噪就成了室内机冷媒流动音降噪里的一个大课题。因此，本研究主要研讨遮音困难的低频音即间歇流动音的降噪。作为研究对象的冷媒流动音， 因其声音是间歇性发生的，所以推测是否是气泡流入膨胀阀时产生的。考虑是否与流入膨胀阀的 冷媒的流动方式有关，通过以下实验进行研讨。3间歇流动音的降噪3.1实验装置及实验方法为了明确冷媒流动方式和冷媒流动音的关系，在观察流入膨胀阀 的冷媒流动方式的同时，对冷媒流动音进行了测定。:CideuierTurbinefj&mietflr 甲 DtrDl talK 聊物丸-Sight pipefbiiinU)ErafcratorH Couprejsor Si ski以卿PreMire JeUctinpoiit曲|恤皿11呛伽郎朮11 rtinl丢1胛jut肝pm 莎ExpansiM nlveViijl t-BBt Flow di reel joRIni図？実験装置概略図图1为用于本研究的循环实验装置概略图。循环由压机、冷凝器、作为供试体的膨胀阀和蒸 发器构成，其中，压机、冷凝器和蒸发器设置在抑制空气温度变动的塑料帐篷内，作为供试体的 膨胀阀使用电子控制膨胀阀（图2为其基本结构），配管使用3/8英寸的管（内径9.38mm）,配置 在隔音箱中。使用涡轮流量计测量冷媒循环流量，使用油面镜观察流动方式。油面镜是长138mm 的耐热硬质玻璃管。管内径与使用的配管的内径相同。同时，流入膨胀阀的冷媒的流动状态通过 设置在膨胀阀上流的干燥度调整阀（针阀）调整干燥度进行设定。另外管内冷媒的温度设定使用 直径为0.3mm的铜-康铜热电偶。同时，管内冷媒的压力测定，通过在管壁设置测压孔，用压力变 换器和压力表进行。噪音通过在距供试体配管50mm的位置设置噪音计麦克进行测定。図2電子制御臆強弁基本描逍另，使用的冷媒为HCFC22。膨胀阀入口的干燥度使用干燥度调整阀的干燥度。即，干燥度X为干燥度调整阀前后的比焓, 用比能表示，通过以下公式定义。G! + Gg I g- I I但是,I = I (Tl i g= I (P2* T2)(3)I 1 - I (T 2)(4)比焓为温度和压力的函数。 另，干燥度的精度为23%。3.2使用配管模型的再现试验及其研讨为了降低间歇流动音，明确其发生条件很重要。如图3所示，使用U型配管模型进行间歇流动音的再现试验。此时的冷媒通过垂直上升流入膨胀 阀。通过再现试验，研讨膨胀阀的有无与流动方式以及冷媒流量的关系。其结果如表1所示。从 此表可以看出，在配管上没有膨胀阀时不会产生间歇音。另外，即使装有膨胀阀，也只在气泡流 和熔渣流这种气相液相不连续流动时才会产生间歇流动音，气泡流为“POKO POKO”的声音，熔 渣流为“BOKO BOKO”的声音。尤其是也了解了作为本次研究对象的间歇流动音的“ BOKO BOKO”的声音，是在熔渣流流入膨胀阀时产生的。还有，冷媒流量对间歇流动音的发生没有影 响。理valveFIm direcLion図3 U字形配肯壬宁儿表1問欠流動音再現実験Fj ofp 白 I I * r uSjbD L|WbtapL，riGERS 1 1LiquiddJj Bubbh (q1Shi fhr Ananlar fkfEI P 止dXAOXvalve n a L u$dXXXXXAOxH：f 50k,/hXAOx100k.?/hXAOxSynhl OiNdjse 黑碓苗 2d Mot consNErd) X； Nd no iceEip+:EifintiDi riLveQ*懈 flf for mte : Micq lbs eipanjj oq rd畔 fn used,以上总结的话，间歇流动音的发生条件为：(1) 膨胀阀(节流)在配管系上。(2) 气相和液相分别按不连续的流动样式流入膨胀阀(节流)。如上明确了间歇流动音的发生条件后，也就明确了它的降噪方法。即，避开熔渣流这种气相 液相不连续的流动方式，按照气相和液相分别流动的方式流入膨胀阀的话会好一些。此处着眼的是，在相同的流量、相同的干燥度下，气相和液相能够很简单的分别按连续流动 方式进行的水平流的流动方式。通过观察图4的流动样式可以看出，即使是相同的干燥度，垂直 上升流和水平流的流动方式完全不同。且，相对于垂直上升流这种气相和液相分别不连续流动的 熔渣流，水平流是气相和液相分别连续流动的波状流。因此，可以考虑通过让冷媒按波状流的流 动方式流入膨胀阀，来降低间歇流动音。如图5所示，使用U字形配管模型，对按垂直上升流流 入膨胀阀与按水平流流入的方式进行噪音比较。另外，以图1所示的垂直及水平方向的油面镜内 的流动方式的观察结果为基础，如图5所示，推测膨胀阀入口配管的流动方式。111(b)水平流圜4流動様式觀噥3)垂直上昇流Fl oi ttAm流 &G-1. 54X10Ekg/3 (55.3kg/h) Figdi recti讪2)垂直上昇涼流人方式(b水平流流入方式図5膨悵弁仏血冷殊流入方式其结果如图6所示，冷媒量为1.36x kg/s(50kg/h)。从此图可以看书，整体上水平流流入 的噪音水平比较低。此倾向在干燥度为0.02左右时尤为明显。另外，干燥度在0.02左右时，垂直 上升流为熔渣流的流动方式。干燥度为0,即，即使在只有液体冷媒流入膨胀阀的情况下，按水 平流动方式流入膨胀阀时的噪音比较低。这与流入膨胀阀的冷媒流动方式相同，所以考虑到是受 冷媒的流动方向以及膨胀阀内的节流位置不同的影响。即如图7所示，冷媒按垂直上升流流入膨 胀阀时，流入方向与节流阀孔轴的方向一致，但按水平流流入时，其流入方向与节流阀孔轴的方向垂直。即，如图7所示，按垂直上升流的方式，流入节流的冷媒通过节流后，变成直角弯曲的 流动。在此弯管部因流动方向发生急剧变化而成为流动被强制打乱的主要原因。而按水平流流入 方式，通过节流后的冷媒，因没改变其流动方向流出，与垂直上升流流入方式比较，错乱发生的 几率变小。这一点可以通过后述图9所示的频率分析结果来证明。图9干燥度为零即仅液体流入 时，在低频域几乎在同音压水平，但在5kHz左右的高频域的音压水平垂直上升流的流入方式更大 些。其结果是相对于水平流流入方式，垂直上升流流入方式的干燥度0的噪音水平更高一些。但 即使考虑其噪音水平的差，干燥度在0.02左右时，水平流即气相和液相分别按连续流动的方式流 入时的噪音变小，且“BOKO BOKO”的间歇流动音消失。以上结果可以看出，通过水平流的方式流入膨胀阀可降低噪音水平。50Rep reset t live fhv rate 50kgA403 屮3000.02 0.04 0*06 0,08 0J図6各流人方式【二/后乾色度七冷膜流動音七開孫(代表冷39x10 akg/s(50kg/b)Fk direttioD3）垂直上昇流流入方式 5）水平流流人方述図了腕耳帚媒流入仕方3.3实机使用形状的配管试验以及研讨以上述通过U型配管模型得到的见解为基础，使用下图8显示的实机上使用的配管形状，按照其效果以及流入方式的不同研讨冷媒流动音的特 点。图8中按垂直上升流流入膨胀阀的形状配管是实际用在实机上的形状。同时，按水平流流入 形状的配管，在垂直配管的下流设置水平配管部，可以按水平流流入膨胀阀。在噪音的测定方面，将噪音计麦克安装在从配管上升部水平方向5cm的位置。图9显示的是冷媒流量为贰心肘口时的膨胀阀通过垂直上升流以及水平流 流入的频率分析结果。从图中可以看书，与干燥度=0 （单相流）、干燥度=0.023、0.024 （气液二相流），以及垂直上 升流流入方式、水平流流入方式无关，在5kHz出现高峰。而且，流动方式上，垂直上升流时为熔 渣流，水平流时为波状流。另外，垂直上升流的方式仅气液二相流时在5kHz以外的低频域50 100, 300Hz上出现高峰，我们认为这是间歇流动音的频率带。这是以干燥度=0 （单相流）入流时 不发生间歇流动音的试验结果为基础，通过比较频率分析结果就可以推断出来的。同时，我们判 断5kHz的高峰是因冷媒在配管中流动而时常发生的冷媒流动音的频率带。它的存在与干燥度无 关，而且，所用配管的固有振动数通过打击锤进行敲打试验的调查结果，可以推测在5kHz左右不 存在高峰。另一方面，按水平流流入方式可以看出，即使在气液二相流时也不存在低频域的高峰, 其频率分析结果与单相流时类似。由此，流入膨胀阀的冷媒流动方式由垂直上升流流入方式变为 水平流流入方式，即通过气相、液相分别连续流动的流动样式来降低间歇流动音（噪音水平上降 低 5dB）skrainerfFl輯 direction3）垂直上昇潦流人方式FIot patternLiquid 、driven eipension valveScreen strainerMicraplim of mud level 庇1取fFl弭 direction（册水平流流入方式曹8実機配管形伏gCrg-t iat rer4 f In-roFl rili.WMir* k/H7.4k.cAl* JiIm 1mlFl*w rnLStXiCT kt/t SMttA)DMm 1ml4J+仙o o O4-3 2Hri F0Bl 1 rivAF. rtl.SSxifl Lr/iiNita IffrsJg 74 bFkA-T TAt3,iaio-T kzvDNfriM l*v*lO.OB1/3 Octjvc-bind ceitcr【”叮粧订(lit)團I o周波数分析結杲(代表冷媒流SG=2,7SxL0-ikg/s(0kg/h):戢附图10显示的是冷媒流量在2.78Xkg/s(100kg/h)时的频率分析结果。此时也与干燥度以及流入方式无关，在5kHz存在高峰。但若着眼与1kHz以下的频率域，与图9显示的冷媒量为1.39 Xkg/s(50kg/h)时不同，垂直上升流流入方式和水平流流入方式在低频域都不存在高峰，而且干燥度相同的情况下，整体上保持同音压水平的值。我们认为这是冷媒流量在1.39 Xkg/s(50kg/h)时和在2.78Xkg/s(100kg/h)时的流动方式不同引起的。即，用油面镜观察流动方式的结果，相对于冷媒流量为1.39Xkg/s(50kg/h )时，垂直上升流为熔渣流，水平流为波状流的流动，冷媒流量为2.78 Xkg/s(100kg/h)时，垂直上升流环状流，水平流为波状流，均为气相、液相分别连续的流动方式。其结果显示了冷媒流量在2.78Xkg/s(100kg/h)时，按垂直上升流流入和按水平流流入在50-300HZ为同样的频率分布。由此可以认为气相和液相分别按连续的流动方式流入对减低间歇流动音是有效的。另外，膨胀阀按图8所示的设置方向弯90度水平设置时，也与流入方向无关，与图9和图 10显示的水平流流入方式时得到了相同的频率构成结果。这是通过将膨胀阀配置成水平状态，将 通过节流的冷媒配管变为水平配置。其结果如图7所示，因任何一种流入方式都是气相液相分别 连续流动，所以得到了与本研究所显示的水平流流入方式相同的状态。4结论本研究研讨的是膨胀阀引起的冷媒流动音(间歇流动音)的降噪。推测该间歇流动音与流入 膨胀阀的冷媒的流动方式有关，在观察流入膨胀阀的冷媒的流动方式的同时，对当时发生的冷媒 流动音的关系进行了实验性的研讨。得出结论如下：(1) 低频冷媒流动音的间歇流动音在气相液相分别按不连续的流动方式流入膨胀阀时产生。(2) 为了降低间歇流动音，气相和液相分别按连续的流动方式流入膨胀阀有效。(3) 通过将冷媒的流动方式由垂直上升流方式转变为水平流流入方式，可以降低冷媒流动音 的低频音(间歇流动音)的音压水平。(冷媒量流量为1.39X kg/s(50kg/h)时，噪音水平(近 声)约降低5dB)。(4) 高频冷媒流动音流入膨胀阀的冷媒流动方式与冷媒流量无关，时常发生。最后，关于与本研究结果相关的研讨以及今后的研究方向，感谢九州大学工学部的深野撤教 授的从旁指导。