Brevet FR2559555A1 — publié le 19850816

I1 a été propose dans la demande de brevet française 7.604.418 du 10 février 1976, qui a été publiée, de lubrifier par un brouillard d'huile les roulements de compresseurs rotatifs utilisés dans un circuit bouclé tel que circuit frigorifique, notamment ceux du type à vis tels que décrits, par exemple, dans les brevets français 1.331.998 et 1.586.832. On rappelle sur les figures 1 et 2 les éléments de cette solution. On a représenté figure 1 le schéma d'un circuit frigorifique type, utilisé pour la réfrigération ou le conditionnement d'air. Un compresseur 1 débite dans un condenseur 2 et le gaz liquéfié s'accumule dans un réservoir 3, d'où il part par une canalisation 4, vers une valve d'expansion 5, un evaporateur 6, et retourne à l'aspirateur du compresseur par la canalisation 7. Une partie du liquide condensé est prélevée dans le réservoir 3, par une canalisation auxiliaire 8, et est reinjectée en 9 dans le compresseur pour le refroidir. Une dérivation, 10, entraine un peu de liquide vers des tubes capillaires tels que 11, 12 ou 13 plongés dans une enceinte 14 contenant un fluide, par exemple de l'eau, chauffée par une résistance 15. Dans les capillaires, le liquide se vaporise et comme figuré par les flèches 16, 17, 18 le produit de la vaporisation est envoyé dans les roulements des différentes parties tournantes du compresseur. On voit sur la figure 2 un montage type d'un tel roulement. Celui-ci est monte à l'intérieur du carter 21 du compresseur et baigne dans le gaz frigorifique. A son interieur pivote un arbre 22 solidaire par exemple de la vis ou d'un pignon de l'un des brevets précités. Ce roulement est maintenu dans le carter par un écrou 23, qui comporte au centre un filetage 24, qui présente peu de jeu avec l'arbre 22. Les produits de la distillation, par exemple, ceux du capillaire 11, pénètrent par la canalisation 25 et le raccord 26 a l'arrière du roulement, lubrifient le roulement, passent dans le jeu entre l'arbre 22 et l'écrou 23 et arrivent dans l'espace 27 qui est en communication avec l'aspiration du compresseur et sont donc réaspirés et recomprimés. Le fluide frigorigène contient en général de 0,5 à 3 % d'huile en solution. Au cours de la vaporisation dans les capillaires, cette huile se présente comme un brouillard en suspension dans le gaz ; elle se centrifuge dans les roulements et est en partie retenue par le filetage 24 qui joue le rôle de barrière centrifuge. Ce filetage évite également au réfrigérant liquide qui circule dans le compresseur de pénétrer dans le roulement. Cette disposition parfaitement connue est efficace mais présente de multiples inconvenients. Tout d'abord, il n'est pas nécessaire d'envoyer beaucoup de fluide dans certains roulements peu chargés, l'on aboutit à des diamètres de capillaires si petits qu'ils ont facilement tendance à s'obstruer d'où risque de destruction du roulement ou obligation de prévoir un filtrage et autant de dispositifs de sécurité qu'il y a de capillaires, En second lieu, on ne peut contrôler si le gaz contient bien de l'huile et si celle-ci n'est pas accumulée dans une zone du circuit. En troisième lieu, comme il n'y a pas de réservoir d'huile, on ne peut la renouveler lorsqu'elle a servi un nombre d'heures élevé. Certes l'on pourrait prevoir un seul capillaire débouchant dans un réservoir mais le problème est alors de répartir les produits de la distillation entre les différents roulements de façon sûre et précise, de ne pas avoir, par exemple, toute l'huile qui parte vers un roulement et rien dans les autres. La présente invention a pour objet un dispositif de lubrification de roulements de machine rotative utilisée en compresseur ou machine d'expansion dans un circuit bouclé dans lequel circule au moins un gaz liquéfiable additionné d'un faible pourcentage d'huile, dispositif comprenant un réservoir (30) qui en fonctionnement est rempli partiellement d'huile et dans lequel débouche une canalisation d'amenée de gaz liquéfiable (31) caractérisé en ce que ledit réservoir est relié à plusieurs canalisations de lubrification (51, 52, 53) dont une extrémité débouche dans au moins un roulement, l'autre extrémité étant localisée dans le réservoir au-dessus du niveau d'huile et comportant au moins un micro-orifice (54) disposé au-dessous du niveau d'huile. Ce dispositif présente en effet de multiples avantages - il assure fondamentalement une répartition précise de l'huile entre les différents roulements : celle-ci est en effet définie par le diamètre du micro-orifice et sa profondeur en dessous du niveau d'huile ; il suffit donc de jouer sur l'un ou l'autre ou les deux paramètres à la fois pour assurer la répartition souhaitée. - il assure un refroidissement contrôlé des roulements ; ce refroidissement est en effet produit par le gaz beaucoup plus que par l'huile et le débit de gaz peut être contrôle avec précision par le choix de la section de la canalisation. - il fournit à la fois la possibilité de changer l'huile puisque celle-ci est accumulée en grande partie dans le réservoir mais aussi permet d'avoir une sécurité sur le niveau d'huile et une sécurité de pression garantissant que le réservoir est sous pression relative par rapport à l'aspiration. - dans la mesure où le niveau d'huile baisse dans le réservoir, le débit à travers le micro-orifice est automatiquement réduit et vice-versa s'il monte, ce qui assure une auto-stabilisation du niveau. Mais il offre de plus un avantage précieux pour une lubrification dans un compresseur frigorifique ; on sait en effet qu'à l'arrêt, il arrive qu'un compresseur frigorifique se remplisse de liquide frigorigène ce qui a pour effet d'enlever toute l'huile des roulements et au démarrage ceux-ci se trouvent alors complètement secs. Dans le dispositif objet de l'invention, pendant l'arrêt, l'huile sourd à travers le micro-orifice et remplit toute la partie de la canalisation en dessous du niveau ; au démarrage la pression qui s'établit dans le réservoir chasse cette huile dans le roulement qui se trouve immédiatement avec une charge d'huile fraiche, charge que l'on peut d'ailleurs doser en dimensionnant convenablement le volume de la canalisation placée en dessous du niveau d'huile. Dans une première variante de l'invention, lion remplace un seul microorifice par un très grand nombre de micro-orifices, réalisés en formant une partie de la paroi de la canalisation avec du matériau poreux, par exemple du fritte. Cette solution présente l'avantage de permettre de contrôler facilement la section de passage offerte à l'huile par la surface du matériau, également d'offrir une grande surface beaucoup moins sujette à occlusion par des impuretes qu'un micro-orifice. Dans une seconde variante de l'invention applicable au cas des compresseurs semi-hermetiques, c'est-a-dire des compresseurs mus par un moteur electrique à 11 intérieur duquel circule le gaz frigorigène, la canalisation d'amenée du gaz liquéfiable chargé d'huile dans le réservoir est reliee a une canalisation de liquide et entoure partiellement le stator du moteur, tandis qu'une autre partie du stator forme avec le carter entourant le stator des passages dans lesquels circule le gaz aspiré par le compresseur. Cette disposition, du fait de la grande quantité de chaleur disponible au moteur, assure un excès de gaz au réservoir et accélère le retour de l'huile tout en laissant l'essentiel du refroidissement du moteur être assuré par des moyens conventionnels. Dans une troisième variante, le réservoir est relié par une canalisation à un orifice du carter du compresseur située en vis-à-vis d'-un filet déjà fermé L'avantage de cette disposition est de réduire le travail de recompression du gaz vaporisé, donc en particulier de permettre l'utilisation de la seconde variante sans pénalité énergétique. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après et du dessin ci-annexé, donné à titre d'exemple non limitatif et où - la figure 3 représente un circuit frigorifique à compresseur, utilisant un dispositif conforme à l'invention, - la figure 4 représente en coupe un dispositif conforme à l'invention, - la figure 5 représente une vue en perspective éclatée d'un détail de la figure 4, - la figure 6 représente une variante de la figure 1 incorporant l'invention, - les figures 7, 8 et 9 présentent différentes découpes possibles de la plaque médiane de la figure 5, - la figure 10 represente un autre mode de réalisation de la figure 5, - la figure 11 représente une vue partielle en coupe d'un moteur électrique de compresseur de réfrigération semi-hermétique suivant l'invention, - la figure 12 represente une vue partielle en coupe suivant XII-XII de la figure 11, - la figure 13 représente une vue schématique en perspective de la canalisation obtenue par différentes gorges ménagées dans le carter du moteur des figures 11 et 12. - la figure 14 représente le schéma d'un circuit bouclé où le dispositif est utilisé avec une machine d'expansion. On voit sur la figure 3 un schema d'un circuit frigorifique utilisant le dispositif de l'invention et où un réservoir 30 contenant de l'huile visible en 32 est muni de plusieurs sorties 51, 52, 53 et se substitue aux capillaires 16,17,18 de la figure 1. On voit sur la figure 4 une coupe plus detaillée de ce réservoir. Le réservoir 30 est relié par un capillaire 31 à une canalisation telle que 10 de la figure 1 dans laquelle se trouve du liquide frigorigène sous pression, provenant par exemple du condenseur. Dans le réservoir se trouve une réserve d'huile 32 chauffée par la résistance thermostatique 33. La paroi 34 du ballon comporte une zone perforée de trous 35 sur laquelle sont serres trois plaques 36, 37 et 38 au moyen de boulons 39, plaques présentees en vue éclatée, figure 5. La plaque 37 porte des découpages en forme d'U 40, 41, 42 qui, serrés entre les plaques 36 et 38, vont matérialiser des tubes en U. L'une des extrémités superieures de chacun des tubes en U est placée en face d'un orifice large dans la plaque 36, tels que 43, 44, 45 qui, à travers les perforations 35, communiquent avec l'intérieur du ballon. On remarquera qu'ils sont disposés au-dessus du niveau de l'huile figuré par les lignes pointillées 46 et 47. L'autre branche de chaque U a son extrémité supérieure disposee en face de trous tels que 48, 49, 50 dans la plaque 38 sur laquelle sont fixés les départs 51, 52, 53 de canalisations dont l'autre extrémité aboutit aux différents roulements à lubrifier.L'on a représenté trois canalisations mais le dispositif pourrait être utilisé pour deux canalisations ou pour plus de trois suivant le nombre de roulements à lubrifier, étant entendu qu'il est parfois possible de lubrifier plusieurs roulements en série sur la même canalisation. On voit egalement que la plaque 36 porte des micro-orifices 54, 55 et 56 sensiblement disposé chacun au niveau de la partie inférieure du U qui lui fait vis-à-vis et en dessous du niveau de l'huile. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Du liquide arrive par le capillaire 31 et tombe dans huile 32, chauffée par la résistance 33 où il se vaporise. Une partie de l'huile qu'il contenait en solution reste accumulée tandis que le gaz vaporise part par les orifices 43, 44 et 45 puis les U et enfin les canalisations 51, 52, 53 vers les roulements. Au passage dans les U, le gaz se charge d'huile qui sourd à travers chacun des micro-orifices. On remarquera que la hauteur de chaque micro-orifice en dessous du niveau d'huile n'est pas la même ; corme le débit d'huile varie avec la racine carrée de la hauteur, il y a là une methode pour créer des débits différents de façon plus simple qu'en réalisant des micro-orifices de diamètres différents ce qui crée un difficile problème d'usinage. On remarquera aussi que si le niveau de l'huile vient à baisser, la réduction du débit est proportionnellement plus importante sur les microorifices les plus hauts ; on placera donc en position basse les micro-orifices qui alimentent les roulements particulièrement chargés. On notera également que les roulements sont surtout refroidis par le courant gazeux et que l'on peut en prenant des sections différentes pour les ouvertures telles que 43, 44, 45 créer des débits différents. On notera que lorsque le compresseur est à l'arrêt, il n'y a plus de circulation à travers les tubes et les U. Par gravité, l'huile continue de sourdre dans les tubes en U et le niveau dans chaque tube tend à rejoindre le niveau général dans le réservoir. Au moment de la remise en marche du compresseur, la première bouffée de gaz pénétrant dans chaque tube entraîne l'huile qui s'y est accumulée et crée une charge initiale d'huile dans le roulement qui est extremement appréciable si le compresseur s'est rempli de réfrigérant liquide pendant l'arrêt et si les roulements sont secs. On remarquera que la mise en mouvement du gaz est créée dans l'exemple précite, par la différence de pression entre le liquide condensé et l'aspiration ; la plus grande partie de cette différence est usuellement perdue dans le capillaire et il n'y a plus entre le réservoir 30 et l'aspiration du compresseur qu'une différence de pression de quelques dixièmes de bar. Mais on pourrait sans modifier l'invention créer cette différence de pression et prélever le mélange de gaz et d'huile de toutes autres manieres. On voit par exemple figure 6 que le réservoir 30a peut être place sur le circuit d'aspiration entre la canalisation 7 et le compresseur 1. Entre le réservoir et le compresseur figure une restriction 60 qui crée une légère perte de charge. Le gaz arrivant dans le réservoir, chargé de gouttelettes d'huile apres vaporisation par exemple dans un évaporateur sec, se sépare d'une partie de son huile. La différence de pression créée par la restriction 60 assure la différence de pression necessaire à la circulation du gaz dans les tubes en U. On notera que le gaz liquéfiable pénetre dans le réservoir cette fois sous forme gazeuse et non plus liquide comme dans l'exemple précédent. Dans une variante préférée de l'invention la plaque 36 est réalisée en matériau poreux par exemple du métal fritté ; on remplace ainsi un seul micro-orifice par un très grand nombre. Ceci presente l'avantage d'une réalisation plus facile, l'usinage de micro-orifices étant délicate pour obtenir un diamètre précis ; d'autre part cette solution évite les risques d'occlusion par les impuretés en offrant une très grande surface de filtrage. Un autre avantage est de permettre de mieux ajuster le débit en fonction du niveau d'huile ; en effet si le niveau baisse, il peut être intéressant de reduire plus que proportionnellement le débit dans certains roulements au profit d'autres. On voit par exemple, figures 7, 8 et 9 différentes découpes que l'on peut créer dans la plaque 37 pour réaliser les tubes en U, le côté gauche de chaque figure étant la branche descendante du tube. Si l'on désigne par x la hauteur du niveau 46 de l'huile au-dessus de la base du tube, le débit d'huile est proportionnel sensiblement à x3/2 dans le cas de la figure 7, x5/2 dans le cas de la figure 9 et proche de x1/2 c'est-à-dire du débit offert par un seul micro-orifice - dans le cas de la figure 8. La sensibilité à la hauteur du niveau d'huile est donc infiniment plus grande dans le cas de la figure 9 ou même celui de la figure 7 que dans celui de la figure 8. On notera également qu'il n'est pas indispensable d'utiliser des tubes en U. On a représenté figure 10 une solution utilisant une seule branche verticale pour chaque tube, les departs Sla, 52a, 53a étant à la partie inférieure. La plaque 36a est en matériau poreux, par exemple du bronze fritté dont on a étamé a l'étain la tranche 61, pour éviter des fuites par la périphérie. Cette solution assure les mêmes résultats que la solution décrite figure 5 à la seule exception de l'accumulation d'huile dans les tubes à l'arrêt ; il suffit toutefois, si on le désire, soit de créer un point haut dans chacun des tubes issus de 51a, 52a, ou 53a au-dessus du niveau 46, soit de disposer sur chacune de ces canalisations une vanne d'arrêt que l'on ferme au moment de l'arrêt du compresseur pour aboutir au même résultat. On notera que pour séparer l'huile du gaz, il est nécessaire de gazéifier le fluide frigorigène ; ceci est obtenu soit en prélevant l'huile sur le fluide déjà gazéifié arrivant au compresseur comme montré figure 6, soit en prelevant du liquide et en le chauffant pour le gazéifier comme montré à propos de la figure 4. On pourrait sans changer l'invention prendre un mélange de gaz et de liquide, par exemple sur l'échappement du compresseur et compléter sa gazéification par chauffage. On peut aussi de la même manière réaliser la distillation du liquide non seulement en utilisant une résistance comme montré figure 4 mais en utilisant d'autres sources de chaleur, par exemple celle de l'échappement en faisant circuler le gaz comprimé sortant du compresseur dans des tubes plongés dans l'huile du réservoir. A cet égard, une variante préférée dans le cas des compresseurs hermétiques ou semi-hermétiques consiste à utiliser la chaleur du moteur électrique pour cette distillation. On a représenté une telle solution sur les figures 11, 12 et 13. On voit figure 11 la coupe d'un moteur électrique semi-hermetique suivant l'invention avec, en 62, l'arbre du moteur - entraînant le compresseur non représente -, en 63 le rotor, en 64 le stator, en 65 le carter enveloppant le stator, carter formé de 3 parties 66, 67, 68 fixées ensemble par les boulons tels que 69 et 70. La partie 66 comporte une série de bossages longitudinaux, tels que 71, 72 qui maintiennent le stator et entre lesquels existent des évidements axiaux tels que 73, 74 dans lesquels circule le gaz aspiré par le compresseur pénétrant par l'orifice 75 de la figure il dans le sens de la flèche 76. Le gaz passant dans le moteur le refroidit de façon connue. Chaque bossage comporte une gorge telle que 77 qui revient en 78 en formant un U. Les différentes gorges de chaque bossage communiquent entre elles par des gorges moulées dans la pièce 67 visible en 80 sur la figure 11 et représentées en pointillés sur la figure 12. Chaque gorge 80 ne couvre qu'une fraction de cercle de façon à joindre deux gorges axiales telle que 77 pratiquées dans deux bossages longitudinaux voisins. L'une des gorges telle que 77 est raccordée à un trou et une canalisation d'amenée telle que 81 et de même il existe un trou et une canalisation d'échappement telle que schématisée en 82 sur la figure 13. L'on aboutit à former ainsi une canalisation dans le carter et entre carter et stator qui a la forme représentée en perspective figure 13. L'amenée 81 est liée à la canalisation 10 de la figure 3 et l'échappement 82 au réservoir 30. Ce dispositif permet d'envoyer du liquide au contact du stator, de refroidir le stator en vaporisant le liquide tout en conservant un système classique de refroidissement du moteur par passage du gaz aspiré. L'avantage d'utiliser la chaleur du moteur pour vaporiser le liquide est que cette chaleur est abondante, qu'il est possible de vaporiser en excès le liquide ce qui accélère le retour de l'huile dans le réservoir et permet de réduire la quantité d'huile inutilisée restant dans le circuit. Une variante améliorée consiste à relier par une canalisation auxiliaire un point du réservoir 30 situé au-dessus du niveau d'huile à un point du carter du compresseur situé à une pression intermédiaire entre la pression d'aspiration et la pression d'échappement. Ceci réduit très sensiblement le travail de recompression du gaz vaporise pour séparer l'huile et permet donc de vaporiser de plus grandes quantités de liquide sans affecter le rendement. On notera que le dispositif peut être utilisé, que l'huile soit totalement miscible dans le fluide frigorigène par exemple du R22, partiellement miscible ou non miscible comme dans le cas de l'ammoniaque. Dans ce dernier cas, il n'est pas besoin de réaliser une distillation poussée puisque l'huile peut être directement récupérée à la haute pression mais lin certain réchauffage de l'huile demeure néanmoins préférable pour éliminer la plus grande partie du gaz adsorbé par l'huile. On notera également que le dispositif reste utilisable s'il circule dans le circuit plus d'un gaz. On notera aussi que ce dispositif est applicable non seulement à des roulements à bille tels que décrits mais aussi à tout autre type de roulement tel que roulement à galet, palier lisse, etc. On notera enfin que ce dispositif a été décrit dans le cas d'une application à un compresseur mais il pourrait sans changement s'appliquer à une machine d'expansion, utilisée par exemple dans un circuit bouclé pour produire de l'énergie, l'évaporateur étant alors à la haute pression et le condenseur à la basse pression, et le liquide destiné à être distillé étant alors prélevé à la haute pression entre la pompe nécessaire pour remonter la pression du liquide de la pression du condenseur à celle de l'évaporateur, et l'évaporateur. On a représenté figure 14 un tel circuit où une machine d'expansion 90 est disposée entre un évaporateur 91 à la haute pression et un condenseur 92 à la basse pression. Le liquide condensé dans un condenseur 92 tombe dans un accumulateur 93, est aspiré à travers une canalisation 94 par une pompe 95 qui envoie ce liquide se vaporiser dans l'évaporateur 91. Une partie du liquide peut être injectée par la canalisation 96 dans la machine d'expansion pour la refroidir et la lubrifier. Une derivation 31b permet d'envoyer une petite partie du liquide dans un réservoir 30b similaire au réservoir 30 de la figure 4 et contenant un dispositif conforme à l'invention d'où partent les canalisations 51b, 52b, 53b vers le roulement à lubrifier de la machine d'expansion 90. Revendications 1. Dispositif de lubrification de roulements de machine rotative utilisée en compresseur ou machine d'expansion dans un circuit bouclé dans lequel circule au moins un gaz liquéfiable additionné d'un faible pourcentage d'huile, dispositif comprenant un réservoir (30) qui en fonctionnement est rempli partiellement d'huile et dans lequel débouche une canalisation d'amenée de gaz liquéfiable (31) caractérisé en ce que ledit réservoir est relié à plusieurs canalisations de lubrification (51, 52, 53) dont une extrémité debouche dans au moins un roulement, l'autre extrémité étant localisée dans le réservoir au-dessus du niveau d'huile et comportant au moins un microorifice (54) disposé au-dessous du niveau d'huile. 2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que dans une canalisation de lubrification, l'extrémité localisée du côté du réservoir présente la forme d'un U et que ledit micro-orifice (54) est localisé au point bas du U. 3. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que dans une canalisation de lubrification, l'extrémité localisée du coté du réservoir présente en position de fonctionnement une direction descendante. 4. Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que ladite canalisation de lubrification comporte une vanne d'arrêt. 5. Dispositif suivant l'une des revendications de 1 à 4, caractérisé en ce que dans l'extrémité localisée du côté du réservoir d'une canalisation de lubrification, la paroi de la canalisation est constituée au moins pour partie d'un matériau poreux (36a) constituant de nombreux micro-orifices. 6. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5 utilisé dans un circuit frigorifique avec un compresseur entraîné par un moteur semihermétique, caractérisé en ce que ladite canalisation d'amenée de gaz liquéfiable est pour partie formée par des gorges situées entre le carter (65) et la stator électrique (64) du moteur. 7. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 6 utilisé- avec un compresseur, caractérisé en ce qu'en outre un point du réservoir (30) situé au dessus du niveau d'huile est relié à un point du carter du compresseur situé i une pression intermédiaire entre la pression d'aspiration et la pression d'échappement.