改性PBT排气消音器在旋转式压缩机上的应用

訾进蕾， 黄 波， 黄之敏， 耿 玮， 詹 冲

（上海日立电器有限公司，上海201206）

随着生活水平的提高，人们对空调舒适度的要求也越来越高，其中噪音问题已成为客户选择空调的主要关注点[1]，故一些家用空调厂家在选择旋转式压缩机匹配的过程中，已逐渐将对压缩机噪音性能的考核提至与制冷、制热性能同等的地位。消音器作为旋转式压缩机降低噪音的主要部件[2－3]，其消音频段广、消音效果好，其中刚度、厚度及内部型腔对消音性能有着直接的影响。目前，批量消音器多为冷轧钢板经过冲压制成，由于成本及工艺的限制，消音器不可能做得太厚，且一些内部型腔相对复杂、很难完成。近年来，高性能工程塑料在各行业得到了广泛的应用，尤其是汽车领域[4－6]，塑料不仅具有轻质、耐腐蚀、减振、降噪和碰撞回弹性等特点，还具有设计自由度化、可实现复杂制品一次成型的工艺优势。若使用工程塑料来制作压缩机消音器，则可以克服现有金属消音器的缺点；且由于工程塑料的比重轻，一般不到钢的25%，若使用塑料消音器还可以降低压缩机成本。迄今为止，仅看到塑料消音器，即改性聚对苯二甲酸丁二醇脂（Polybutylene Terephthalate，PBT）用于冰箱压缩机上[7]，在空调压缩机（旋转式）上还未见到相关研究及应用先例，故研究塑料消音器用于旋转式压缩机的可行性有很大的经济性与实用性。

1 改性PBT材料的性能

PBT结晶速度快，最适宜加工方法为注塑，其他方法还有挤出、吹塑、涂覆和各种二次加工成型，成型前需预干燥，水分含量降至0.02%。

2 理论分析

PBT为聚对苯二甲酸丁二醇酯的简称，是由1，4－丁二醇（C4H10O2）与对苯二甲酸（C8H6O4）或对苯二甲酸酯（C10H10O4）缩合而成，为乳白色半透明到不透明、结晶型热塑性聚酯。具有高耐热性、韧性、耐疲劳性、自润滑等优良性能。缺点是缺口冲击强度低，成型收缩率大，故大部分采用玻璃纤维增强或无机填充改性，其拉伸强度、弯曲强度可提高100%以上，热变形温度也大幅度提高，一般在200℃以上，可以在140℃下长期工作。

2.1 强度计算

以上海日立生产的某款压缩机所用下排气消音器为例，利用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）软件对含30%玻纤的改性PBT消音器进行应力分析。含30%玻纤的改性PBT与批量消音器用冷轧钢板的基本性能如表1所示。消音器结构如图1所示，包括3个型腔和3个螺栓孔，壁厚2 mm。

表1 改性PBT与冷轧钢板基本性能比较

图1 消音器结构

CAE计算结果如图2所示，在0.2 MPa内压作用下，改性PBT消音器最大应力在螺栓孔部位，为44.2 MPa，小于材料的拉伸强度，理论分析表明：改性PBT可以满足强度要求。

2.2 固有频率计算

图2 应力分布云图

虽然改性PBT消音器壁厚增加至2 mm，但由于其弹性模量低，与批量产金属消音器相比，固有频率必然会有一定差异。根据CAE分析结果（见图3），改性PBT消音器与量产金属消音器的一阶、二阶、三阶固有频率差异较大，尤其是二阶固有频率较批量产金属消音器低，实际消音效果需要通过试验确认。另外，消音器的固有频率不仅与材料相关，也与结构有较大关系，因批量产金属消音器是通过冲压成型，一些复杂的内部型腔很难完成，而PBT消音器采用注塑方式加工而成，完全可以克服上述问题。在满足强度的情况下，后续可做进一步的优化设计。

图3 固有频率比较

3 应用情况

选用含30%玻纤的改性PBT通过注塑的方式制得上海日立生产的某款压缩机所用下排气塑料消音器，对其进行了性能和可靠性考核，与批量产金属消音器相比，结构相同，仅材质作了变更。整机试验前，进行了相容性认定。

3.1 相容性认定

对于全封闭旋转式压缩机，压缩机内部材料切换必须进行相容性认定，以确认新材料在使用过程中是否会与系统材料、冷冻机油或制冷剂发生反应。PBT材料虽然已在冰箱压缩机消音器上实现了产业化应用，但在家用空调旋转式压缩机上作为内部结构材料直接使用还未发现先例，故在整机试验前进行了相容性认定。选择目前旋转式压缩机常用的冷媒R22和R410A为环境介质，对PBT材料与4GSI／R22，HAF68／R410A 及a68／R410A 的3组冷冻机油／冷媒进行了相容性试验，结果如下：

（1）试验前后PBT材料的外观无变化，如图4（a）所示，质量变化率都在2.1%以内；

（2）试验前后3种冷冻机油的色度、酸值以及低温析出性符合判定标准，如图4（b）～（d）所示。

由试验结果可知，PBT 材料与4GSI／R22，HAF68／R410A及a68／R410A的相容性试验通过。

图4 试验后PBT材料和油品的外观

3.2 性能考核

塑料消音器与金属消音器相比，2种材料基本性能差异较大，如导热性能、固有频率等；另外，与下缸盖配合状态也不完全一样，对压缩机的冷力和噪音振动性能影响较大，尤其是噪音振动性能。

选取26.4 cm3排量、R410A冷媒、50 Hz机种同时装配批量产金属消音器，与PBT下消音进行冷力、噪音试验。

3.2.1 冷力试验结果

按照GB／T 5773—2004中规定的制冷量试验条件（见表2），对装有PBT下消音器和批量产金属消音器的压缩机进行冷力试验，结果如表3所示。使用PBT下消音器，压缩机的性能与批量产品（使用金属消音器）基本相当。

表2 制冷量试验条件（GB／T 5773—2004） ℃

表3 冷力试验结果

3.2.2 噪音振动试验结果

噪音振动试验按照上海日立电器有限公司企业标准进行（非声功率级），试验结果见表4。采用PBT下消音器的压缩机其OA值（Over All，指声压级噪音振动评价方法中，各个频率下的噪音采用A计权计算出的总噪音值）和振动与采用金属下消音器的量产品相当，其中X方向上OA值比量产品高0.72 dB，Y方向上OA值比量产品高0.5 dB。从频谱图来看（图5），各个频段上采用PBT下消音器的压缩机噪音性能与量产品（采用金属下消音器）基本相当。

表4 噪音振动试验结果

3.3 可靠性考核

按照GB／T 15765—2006中规定的定速压缩机加速寿命试验条件，对装配改性PBT下消音器的压缩机进行2 000 h加速寿命试验。试验结束后解体调查发现，改性PBT下消音器并未发生破裂或损坏等异常现象，结果合格。鉴于塑料对温度的敏感性，对改性PBT下消音器进行了高低温循环往复试验，试验结束后，产品结构尺寸变化微小，可以接受，且未发现PBT材料有降解老化现象。

图5 采用PBT下消与量产金属下消的压缩机噪音频谱比较

4 结 语

（1）改性PBT排气消音器用于旋转式压缩机，整机性能试验、噪音振动试验和可靠性试验验证合格，结果可行；

（2）改性PBT消音器型腔可变，后续可针对噪音降低做进一步的优化设计。

[1] 张文峰.浅谈家用空调的噪音控制[J].科技创新导报，2011（19）：39.

[2] 刘 宁，王太勇，尚志武，等.空调转子压缩机消声器实验分析及改进研究[J].压缩机技术，2005（4）：28－31.

[3] 袁毅凯，杨泾涛，高 强.旋转式压缩机消音器内压力脉动研究[J].家电科技，2005（12）：40－42.

[4] 郑成刚，张勋生，李冬滨.汽车用高性能工程塑料的发展动向[J].材料应用，2011（4）：50－53.

[5] 钱志国，姚新宁，景 肃，等.工程塑料及其合金在汽车工业上的应用[J].工程塑料应用，2008，36（11）：45－49.

[6] 朱芝培.国内外汽车用塑料的现状和展望[J].化工新型材料，2001，29（2）：35－37.

[7] 张华俊，蒲 亮，李洪俊，等.冰箱压缩机的发展趋势[J].低温与特气，2001，19（5）：5－7.