Brevet FR2620205A1 — publié le 19890310

Il est connu de construire des compresseurs frigorifiques hermétiques dont le compresseur est entraîné par un moteur électrique refroidi par le gaz frigorifique à comprimer. I1 est également connu que ce procédé de refroidissement réduit le rendement du compresseur car le poids spécifique du gaz est réduit par l'échauffement tandis que le travail à faire par le compresseur reste inchangé. Il est par conséquent connu, en particulier dans le cas de compresseurs rotatifs, de refroidir le moteur par du 0 réfrigérant liquide provenant du condenseur, le gaz issu du flash étant dirigé vers un trou d'économiseur pratiqué dans le carter du compresseur à une pression intermédiaire entre celle d'aspiration et celle de refoulement lorsque le compresseur fonctionne à plein régime. Cette méthode est décrite par exemple dans le brevet américain 4 573 324. Cette méthode ne provoque pas de problèmes particuliers avec des frigorigènes tels que le Rll ou le R12 mais dans le cas du R22, en raison des valeurs assez différentes des paramètres électriques et diélectriques de sa phase 3 liquide, une isolation spéciale des fils électriques du moteur se révèle nécessaire, comme un enveloppement des fils par un matériau à base de verre imprégné d'époxyde, tandis qu'un simple revêtement de vernis suffit dans des compresseurs qui ne compriment que du R22 en phase gazeuse; ceci accroit considérablement le poids et le coût d'un tel moteur. I1 est également connu par le brevet FR 2 559 555 comment refroidir le moteur en partie par du liquide et en partie par du gaz, le gaz se trouvant à la pression d'admission ) alors que le liquide peut se trouver à une pression supérieure; cette méthode, bien qu'évitant que les enroulements ne soient en contact avec le R22 n'est pas d'un très grand rendement, car une partie de la chaleur du moteur continue à être évacuée par du gaz d'aspiration. En i outre elle présente le désavantage, lorsque le gaz aspiré contient du liquide, de provoquer les mêmes ennuis que ceux explicités plus haut; en conséquence, cette solution implique que le gaz aspiré doit être surchauffé, ce qui - 2 - conduit à des évaporateurs plus grands, comme on le verra plus loin. La présente invention se rapporte à un compresseur hermétique destiné à comprimer un gaz frigorigène, comprenant un compresseur rotatif entraîné par un moteur électrique refroidi par le frigorigène, ledit moteur électrique étant composé d'un rotor disposé sur un arbre reliant le compresseur et le moteur et entouré d'un stator constitué d'un empilage de tôles magnétiques et de bobinages conducteurs, l'empilage étant de forme cylindrique et les boucles terminales des bobinages dépassant du cylindre à ses deux extrémités, le cylindre étant monté à force dans un carter assujetti à celui du compresseur, la cavité à l'intérieur du moteur étant reliée par au moins une tubulure d'économiseur à un trou pratiqué dans le carter du compresseur à une pression intermédiaire entre la pression d'aspiration et la. pression d'échappement lorsque le compresseur fonctionne à plein régime, et le moteur étant séparé du compresseur par un joint disposé autour de l'arbre reliant le moteur et le compresseur, et caractérisé en ce que, au moins à plein régime, le moteur est refroidi simultanément par du gaz provenant d'un économiseur et par du frigorigène liquide, le gaz'provenant de l'économiseur étant injecté dans le moteur par le côté opposé à ladite tubulure d'économiseur et le liquide étant injecté dans des espaces prévus entre l'empilage-moteur et le carter entourant ledit empilage, lesdits espaces communiquant avec le volume à l'intérieur du carter moteur. En combinant le refroidissement par liquide et par gaz, il est en effet possible d'obtenir quelques résultats impossibles à atteindre avec le seul refroidissement par liquide. D'abord, le gaz peut être employé essentiellement pour refroidir les boucles terminales des bobinages dépassant de l'empilage tandis que le liquide est utilisé uniquement pour refroidir l'empilage - o l'essentiel de la chaleur est dissipé - de sorte que le liquide peut être totalement vaporisé avant d'atteindre le bobinage et que le risque de voir du R22 liquide atteindre ces bobinages se trouve pratiquement éliminé. Ensuite, le fait d'utiliser du gaz et du liquide, et non seulement du liquide, donne plus de marge de sécurité pour s'assurer que le liquide se vaporise complètement; lorsqu'il n'y a que du liquide, la plus grande partie de la chaleur est dissipée par vaporisation, puisque la chaleur spécifique du gaz est très réduite en comparaison avec sa chaleur de vaporisation; ainsi, s'il y a un petit manque de liquide, cela conduira & surchauffer le gaz issu de la vaporisation; la quantité exacte de liquide est très difficile à régler, et c'est pourquoi on se trouve en général devant un excès de liquide, ce qui conduit au problème cité ci-dessus. Lorsque du gaz d'économiseur est LS utilisé en conjonction avec du liquide, le poids de gaz d'économiseur disponible pour le refroidissement est considérablement supérieur au poids de liquide dans le cas précédent, et l'essentiel du refroidissement provient de l'échauffement du gaz, un petit complément seulement doit être fourni par le liquide, ce qui en rend le réglage aisé et assure que ce qui atteint le bobinage avant de retourner au trou d'économiseur est surchauffé, mais dans des limites tolérables. Ceci est particulièrement vrai si le gaz d'économiseur !5 entrant dans le moteur n'est lui-même pas surchauffé, ce qui peut être obtenu en utilisant un économiseur centrifuge comme enseigné par le brevet FR 2 541 437. Il faut aussi remarquer que le gaz aspiré peut se trouver sans surchauffe, et même humide et contenant du liquide, sans créer de problèmes au bobinage électrique, comme ce serait le cas si le moteur était refroidi en totalité ou en partie par du gaz aspiré et ceci, comme on l'expliquera, crée des économies substantielles quant au dimensionnement de l'économiseur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après et du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif et o: - la figure 1 représente une coupe d'un compresseur hermétique selon l'invention -4 - - la figure 2 est une coupe simplifiée selon II-II' de la figure 1 - la figure 3 est une représentation tridimensionnelle des canaux 20, 21, etc... de la figure 2 - la figure 4 est une vue perspective partielle d'une section du carter moteur 10 de la figure 1 - la figure 5 est une section selon V-V' de la figure 4 - la figure 6 est une coupe partielle du moteur et du carter selon le canal 23 de la figure 3 - la figure 7 est un schéma d'une partie du circuit frigorifique montrant le réglage de l'injection liquide dans le moteur - la figure 8 est une variante vue selon la même coupe que la figure 2 - la figure 9 est une vue similaire & celle de la figure 4 pour les canaux représentés figure 8 On voit sur la figure 1 un compresseur rotatif constitué par exemple d'une vis 1 coopérant de façon connue, telle que décrite dans des brevets tels le brevet FR 1 331 998 avec des pignons non représentés, tournant à l'intérieur d'un carter 2 et formant avec les pignons et le carter le compresseur proprement dit; les orifices d'aspiration et de refoulement sont bien connus et n'ont pas non plus été représentés. La vis 1 est entraînée en rotation par un arbre 3 sur lequel est monté le rotor 4 d'un moteur électrique constitué de ce rotor 4, d'un stator 5 composé d'un empilage de tôles magnétiques et de bobinages conducteurs dépassant en 8 et 9 à chaque extrémité de l'empilage, l'empilage étant lui-même monté à force dans un carter 10 fixé au carter 2 du compresseur. L'intérieur du moteur est séparé de l'aspiration 40 du compresseur par un labyrinthe 41. La cavité à l'intérieur du carter moteur est reliée par la conduite 11 à un trou 12 - dénommé trou d'économiseur - pratiqué dans le carter du compresseur, face auquel la pression, lorsque le compresseur fonctionne à plein régime, est intermédiaire entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement. -5- A l'extrémité de l'arbre 3 est monté un rotor & lames 13 tournant dans une enceinte 14 qui fonctionne selon les enseignements du brevet FR 2 541 437; un mélange de gaz et de liquide provient du condenseur 15; le liquide D5 centrifugé part vers l'évaporateur par la conduite 16 et le gaz séparé du liquide par le rotor 13 entre dans la cavité moteur par l'espace 17 entre l'enceinte 14 et le rotor 13. L'empilage est maintenu fermement dans le sens axial entre deux faces 18 et 19 dépassant vers l'intérieur pratiquées respectivement sur le carter moteur et le carter compresseur. On voit sur la figure 2, coupe selon IIII' de la figure 1, que des tranchées telles que 20, 21, 22, 23, 21', 22', L5 23' sont pratiquées dans le carter entourant l'empilage et qu'elles sont reliées entre elles à leur extrémité par des canaux.tels que 24 représentés figure 4 et 5 (coupe de la figure 4 selon V-V') de sorte à créer dans le carter, autour de l'empilage, un cheminement tel que montré en !0 perspective sur la figure 3. Le dernier canal tel 23 se trouve communiquer avec l'intérieur du carter moteur par un passage 25 pratiqué dans la face 19. On voit aussi sur les figures 1 et 2 que le carter possède !5 un passage 26 connectant les deux côtés de l'espace à chaque extrémité de l'empilage et qu'une conduite 27 est reliée au canal 20, et une conduite 28 au passage 26. Quand le compresseur fonctionne la conduite 27 est alimentée en frigorigène liquide qui peut provenir de 0 toute source de liquide à une pression supérieure & celle régnant dans la chambre du moteur, par exemple le condenseur, ou bien la conduite 16 d'évacuation de l'économiseur centrifuge. Le liquide refroidit l'empilage et son débit est limité de sorte qu'il soit totalement vaporisé avant de s'échapper. Par exemple, ainsi que représenté figure 7, du liquide provenant du condenseur est amené au tube 27 & travers un orifice 30 qui en limite le débit; mais une vanne électrique 31 peut s'ouvrir si un capteur thermique 32, -6-- disposé dans un bobinage du moteur, détecte une température moteur excessive et ceci augmente la quantité de liquide entrant dans le tube 27. A titre d'exemple pratique, sur un compresseur débitant environ 2800 1/minute, comprimant du frigorigène R22 de 7 C à 55 C, la quantité de gaz provenant de l'économiseur centrifuge représente environ 120 N/minute en poids, ce gaz entre dans le moteur autour de 27 C, en sort vers 47 C pour des enroulements à environ 610C - ce qui enlève sensiblement 3,4 kW des 4 kW calorifiques à dissiper; le reste de la chaleur, soit 0,6 kW est rejeté par vaporisation du liquide qui représente uniquement 2 N/minute. On notera que si le moteur devait être refroidi par du liquide uniquement, un peu plus de 10 N/minute auraient été suffisants, soit près de 10 fois moins en poids; mais après vaporisation, la chaleur latente du gaz étant bien plus faible que la chaleur de vaporisation du liquide, le moindre manque de liquide aurait dû être compensé par une grande élévation de la température du gaz qui aurait entrainé cette dernière à des valeurs inacceptables (car des gaz fluocarbonés comme le R22 commencent à se décomposer chimiquement vers 130 C); inversement un faible excès de liquide conduirait à du liquide non totalement vaporisé. Ainsi, refroidir le moteur par du liquide seulement tout en évitant l'excès de liquide se révèle très difficile; cette difficulté s'élimine si l'on combine le refroidissement par du gaz d'économiseur avec le refroidissement par liquide. Simultanément, refroidir uniquement avec du gaz d'économiseur conduirait à des températures de gaz trop élevées dans certains cas o la quantité de gaz d'économiseur est limitée, comme lorsque le compresseur travaille à bas taux de compression. Même dans des cas, tels que l'exemple numérique cité plus haut, o le liquide ne serait pas absolument indispensable, une faible injection de liquide aide à réduire la température, ce qui est favorable à la longévité du moteur. -7- Il convient de signaler maintenant que la présente invention peut s'appliquer à toute machine acceptant un orifice d'économiseur, telle un compresseur & double vis, un compresseur à palettes, etc... L'économiseur centrifuge peut également être remplacé par un économiseur classique disposé à l'extérieur du compresseur, par exemple un sousrefroidisseur o du frigorigène issu du condenseur est sous-refroidi par détente d'une partie du liquide dans un échangeur de chaleur; mais dans ce procédé, le gaz produit est surchauffé et il lui reste donc une moindre capacité de refroidissement. Il est aussi possible de mieux imbriquer le refroidissement par gaz et le refroidissement par liquide de l'empilage en ne pratiquant pas seulement un canal 26 mais un certain nombre tels que 33, 34, 35, 36 etc... tout autour du moteur avec, entre ceux-ci, des canaux 20, 21, 22, 23, 21', 22', 23' comme représenté figure 8, une connexion étant prévue dans le carter aux extrémités 18 et 19 de l'empilage par des canaux tels que 24' et 24" passant au-dessus des canaux de gaz 33 ou 36. L'avantage de la présente invention est d'utiliser des moteurs hermétiques classiques sans protection spéciale contre le liquide, mais de les refroidir à la pression d'économiseur, c'est-à-dire en économisant beaucoup d'énergie. Mais en outre, elle permet au compresseur d'aspirer du gaz humide, puisque le gaz aspiré ne passe plus par le moteur pour le refroidir mais va directement au compresseur. Cet avantage est extrêmement significatif parce qu'il élimine le besoin de surchauffer le gaz, ceci conduisant à des économies substantielles; un évaporateur avec 10 C de surchauffe est en effet presque deux fois plus important que l'évaporateur de même capacité de refroidissement à 0 C de surchauffe; l'évaporateur coûtant environ 50 % à % de la valeur du compresseur lui-meme, c'est une économie majeure de pouvoir faire fonctionner un compresseur avec du gaz humide à l'aspiration. Un autre avantage réside en ce que, si un peu d'huile se - 8 - trouve mélangée au frigorigène, elle peut être récupérée au bas du compresseur par la tubulure 28 et envoyée sous pression - en raison de la pression d'économiseur - aux roulements du compresseur. -9- REVENDICATION Compresseur hermétique destiné à comprimer un gaz frigorigène, comprenant un compresseur rotatif entrainé. par un moteur électrique refroidi par le frigorigène, ledit moteur électrique étant composé d'un rotor (4) disposé sur un arbre (3) reliant le compresseur et le moteur et entouré d'un stator (5) constitué d'un empilage (7) de tôles magnétiques et de bobinages conducteurs, l'empilage étant de forme cylindrique et les boucles terminales des bobinages dépassant du cylindre à ses deux 0 extrémités (8) et (9), le cylindre étant monté à force dans un carter (10) assujetti à celui (2) du compresseur, la cavité à l'intérieur du moteur étant reliée par au moins une tubulure d'économiseur (11) à un trou (12) pratiqué dans le carter du compresseur à une pression intermédiaire entre la pression d'aspiration et la pression d'échappement lorsque le compresseur fonctionne à plein régime, et le moteur étant séparé du compresseur par un joint (41) disposé autour de l'arbre (3) reliant le moteur et le compresseur, et caractérisé en ce que, au ) moins à plein régime, le moteur est refroidi simultanément par du gaz provenant d'un économiseur (14) et par du frigorigène liquide, le gaz provenant de l'économiseur étant injecté dans le moteur par le côté opposé à ladite tubulure d'économiseur (11) et le liquide étant injecté i dans des espaces (20) prévus entre l'empilage- moteur (7) et le carter (10) entourant ledit empilage, lesdits espaces communiquant avec le volume à l'intérieur du carter moteur.