汽车空调系统制冷剂流动噪声研究及性能优化
摘要：汽车制冷系统运行初始阶段，从冷凝器到膨胀阀之间的管路存在气液两相流动，由此会产生气泡且伴随着高频异响.从减少气液两相流动及消耗声能2个角度设计并验证了3种不同的消声方案，即加装小孔消音器，阀球与阀体接触处开孔以增加阀的动作值和加装扩张式消音器.通过焓差实验台将室外/内侧温度分别控制在35/27 ℃.通过瀑布图和主观感受对实验进行评价，实验结果表明，小孔消音器消除了9 kHz以上的高频异响；阀球与阀体接触处开孔效果最优，8 kHz以上基本消除，6～8 kHz前半段消除，后半段噪声值降低，在人体可接受范围内；采用扩张式消音器可以消除掉高频异响，主观感受优于原状态.汽车空调制冷系统主要由压缩机、空调箱、冷凝器、膨胀阀等部件组成.目前，国内大多数汽车厂商为了控制整车成本，压缩机采用定排量压缩机.制冷工况下，压缩机需要不断地启停，在启动后的一段时间内会产生高频异响，停止之后也存在异响，但是和启动前相比，异响较小，这里不作研究.这一过程涉及到制冷剂的两相流动、噪声的传递、激励等，是一个多专业交叉的问题.张立军等[1]在台架上研究了斜盘式压缩机在怠速工况下的噪声问题.汽车空调制冷噪声是一个系统的问题，涉及到系统的各个部件.Rodarte等[2]从膨胀阀下游管壁传递噪声的角度研究了热力膨胀阀的噪声问题，由膨胀阀产生的噪声，通过管壁振动，经过蒸发器放大，传递至车内.Ng[3]认为阀内噪声
是由阀后漩涡脱离引起的.Koberstein等[4]对热力膨胀阀制冷系统的噪声源进行了识别，从进气管插入深度方面研究6.00 kHz高频噪声问题.张坻等[5]对管道中的气液两相流进行了模拟，研究发现气泡的产生发展及湍流的压力脉动是噪声产生的根本原因.目前大多数工作主要是从隔音的角度进行研究，本文在隔音减振的基础上，通过减少两相流的流动达到提升汽车冷却系统NVH(Noise、Vibration、Harshness，即噪声、振动与声振粗糙度)性能的目的.减小气液两相流动在本实验中即减小气态和液态制冷剂同时流过膨胀阀.相较于单相流动，两相流湍流会引起压力或者速度的脉动导致噪声的产生.在本实验过程中，通过对阀球与阀体接触处开孔使得在系统启动后，气态制冷剂先通过小孔，之后压力达到一定程度后，液态制冷剂顶开阀球通过膨胀阀，通过这种方式减少两相流，尽可能使得单相流体流过膨胀阀.
1 噪声源识别及产生的机理
1.1 实车噪声源识别
汽车制冷系统由多个部件组成，产生噪声的原因是复杂的.系统的每个部件之间关系紧密，不能仅从某一局部进行分析优化.在实车开空调的瞬间，压缩机启动，制冷系统开始工作，此时会产生高频异响，影响整车的舒适性.本文所采用的噪声识别设备为keyVES-M便携式声学相
机，其工作原理是基于一系列的传声器阵列，利用声波传递到传声器的相位差确定声源的位置，再通过阵列信号处理算法将声音转化为可视化的图，通过照片和视频的形式帮助使用人员迅速地到噪声源.图1为声学相机拍摄的噪声源照片，从照片中可以看出在膨胀阀处出现了彩的等高线图，由中心向周围扩散，噪声值逐渐降低，由此可以判断噪声源为膨胀阀.图2 为膨胀阀的剖切图，原阀采用平行充注的方式，上下顶杆分离、下顶杆偏细.这种分离结构与一体结构相比，容易发生振动，导致膨胀阀的NVH性能偏低.
图1 噪声源定位
Fig.1 Noise location
图2 阀剖切图
汽车消音器Fig.2 Section diagram
1.2 异响产生的机理
高频异响的频率在6 kHz以上，一般机械振动噪声频率很难达到.在整个制冷系统中，压缩机作为系统运行的动力，将蒸发器内的气态制冷剂压缩，送到冷凝器.冷凝器内的液态制冷剂通过热力膨胀阀节流降压后进入蒸发器内蒸发吸热，带走车内的热量.在制冷剂通过膨胀阀节流的过程中，微小气泡破裂会产生高频异响.付英杰等[6]在气泡振荡及噪声仿真中研究了尺度R在146.7 μm左右的气泡.通过谱分析，该尺寸的气泡自然振荡频率为22 kHz，远高于高频异响频率的6 kHz.当单个气泡组合形成气泡之后，且其半径与单个气泡半径比为120时，产生的噪声频率约为6 kHz.实车上的高频噪声产生的机理即气泡气泡振荡.
2 高频异响台架及实验工况
在整车实验测试过程中，一个微小的改动往往需要将整个HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning，即暖通空调)从车内拆除下来，更换完之后又装上去，耗费大量的时间.因此，
本实验在台架上复现进行，管路均采用实车管路，保证工况和实车工况接近.图3所示为已经安装完成的实车管路.图4所示为隔音措施.实验过程中，电机高速运转导致背景噪声过大，需要采取一定的措施对背景噪声进行处理.建筑用玻璃棉具有良好的吸音特性，故将电机用玻璃棉阻隔，将外界噪声影响降到最小，保证背景噪声对测量结果无影响.同时在HVAC处布置隔音罩，内部采用波浪型吸音棉，减少声波在隔音罩里面的反射，保证实验测量的准确性.