Brevet FR2769356A1 — publié le 19990409

La présente invention a trait à un dispositif de séparation d'huile et de gaz pour appareils frigorifiques, du type comprenant une entrée d'un mélange formé de l'huile et du gaz, une zone destinée à recueillir l'huile séparée et des moyens d'évacuation du gaz séparé, ainsi qu'un organe de centrifugation, s'étendant selon un trajet sensiblement hélicoïdal, et un organe de filtration par coalescence. De manière connue, les appareils frigorifiques font appel à un compresseur assurant la compression d'un gaz frigorigène, à un condenseur destiné à refroidir le gaz comprimé de manière à provoquer son passage en phase liquide, ainsi qu'à un évaporateur apte à absorber la chaleur depuis la zone à réfrigérer, lorsque le réfrigérant liquide s'évapore. De tels appareils frigorifiques font également usage d'huile disposée à l'intérieur du carter du compresseur afin d'en assurer une lubrification satisfaisante. Etant donné que cette huile est au contact du gaz frigorigène, on en retrouve une certaine quantité au refoulement du compresseur, mélangée au gaz frigorigène. I1 est nécessaire d'effectuer alors une séparation de ces deux corps, d'une part puisque le gaz frigorigène présente une efficacité moindre lorsqu'il est mélangé à de l'huile, et d'autre part dans la mesure où une telle séparation permet de recycler l'huile au carter du compresseur. A cet effet, il est connu de prévoir, en aval du compresseur, un dispositif de séparation d'huile et de gaz. On connaît, par US-A-5 271 245, un tel dispositif de séparation qui comprend une enceinte cylindrique dont l'entrée est alimentee par le mélange à séparer. A l'intérieur de cette enceinte est disposé un organe de séparation formé par une rampe s'étendant selon un trajet hélicoïdal. Cette rampe assure une séparation primaire de l'huile et du gaz par centrifugation, de sorte que l'huile s'accumule au niveau de la paroi interne de l'enceinte et s'écoule en direction de la sortie de cette dernière. Ce dispositif de séparation inclut en outre un filtre coalescent, disposé en amont de la sortie de l'enceinte, dans le sens d'écoulement du mélange. Ce filtre, qui est de manière habituelle constitué par une grille, assure une sépara tion supplémentaire de l'huile et du gaz, par coalescence. Ce dispositif de séparation présente cependant un certain nombre d'inconvénients. En effet, il est nécessaire de faire appel à deux éléments de séparation distincts, assurant respectivement la centrifugation et la coalescence, de sorte que l'ensemble du dispositif est d'un coût relativement élevé. De plus, l'efficacité de la séparation ainsi réalisée se révèle insuffisante. Une quantité non négligeable d'huile reste donc mélangée au gaz frigorigène, ce qui tend à diminuer les performances du gaz et à induire une consommation d'huile indésirable. Afin de pallier les inconvénients de l'art antérieur évoqués ci-dessus, l'invention se propose de réaliser un dispositif de séparation dont la structure soit simple, qui fasse appel à un nombre limité d'éléments mécaniques et qui assure une séparation satisfaisante de l'huile et du gaz. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de séparation du type précité, caractérisé en ce que les organes de centrifugation et de filtration par coalescence sont formés par un unique organe de séparation assurant ces deux fonctions. Etant donné que l'organe de séparation conforme à l'invention provoque une séparation non seulement par centrifugation, mais également par coalescence, son efficacité globale est nettement supérieure à celle des organes de séparation de l'art antérieur qui assument uniquement une fonction de centrifugation. Le dispositif de séparation conforme à l'invention est donc notablement plus avantageux de ceux de l'art antérieur. En effet, grâce à l'invention, pour un degré de séparation visé, il n'est pas nécessaire d'adjoindre d'élément annexe. De plus, la séparation assurée par le dispositif conforme à l'invention est nettement supérieure si l'on adjoint à l'organe de séparation un élément supplémentaire tel que ceux employés dans l'art antérieur. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'unique organe de séparation comprend plusieurs éléments allongés s'étendant vers l'intérieur, à partir d'une paroi sensiblement cylindrique du dispositif et disposés le long du trajet hélicoïdal, ces éléments allongés définissant des passages par lesquels le mélange est apte à s'écouler par gravité de manière à être séparé au moins partiellement par coalescence. Le terme d'élément allongé désigne notamment un élément filiforme, ou bien encore un élément formé au moins partiellement par une lamelle mince. I1 s'est avéré que, de manière surprenante, le fait de disposer dans l'enceinte plusieurs éléments allongés le long d'un trajet hélicoïdal permet d'assurer, dans le même temps, une séparation de l'huile et du gaz à la fois par centrifugation et par coalescence. Une partie du mélange s'écoule le long du trajet hélicoïdal défini par l'implantation des éléments allongés, et se trouve donc séparée par centrifigation au niveau des parois de l'enceinte, de manière conforme à ce qui s'opère dans les dispositifs de l'art antérieur. De plus, une autre fraction du mélange s'écoule par gravité dans les passages ménagés entre des éléments allongés voisins, ce qui assure une séparation supplémentaire par coalescence au voisinage de ces éléments allongés. La présence de ces derniers provoque également des turbulences favorisant le rendement de la séparation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments allongés s'étendent radialement à partir d'une tige sensiblement verticale. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments allongés sont réalisés en un matériau inerte vis-à-vis de l'huleet du gaz. En particulier, ils peuvent être réalisés en un matériau métallique, par exemple en acier, ou bien encore en un matériau synthétique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les éléments allongés présentent une forme discontinue. En particulier, ils peuvent comprendre une partie sensiblement rectiligne s'étendant radialement à partir de la tige central, prolongée par une partie coudée dirigée vers l'amont ou l'aval. Ils peuvent également comporter des arêtes. Cette discontinuité de formes permet d'augmenter la surface d'impact du mélange au niveau de chaque élément allongé, et donc d'améliorer le rendement de la séparation induite par ces chocs. La densité d'implantation des éléments allongés doit permettre d'une part au mélange de suivre de manière satisfaisante le trajet hélicoïdal imposé par la disposition des éléments allongés tout en assurant sa coalescence, en évitant d'autre part des pertes de charge trop importantes qui seraient susceptibles d'abaisser le rendement de la séparation. Selon un second mode de réalisation de l'invention, l'unique organe de séparation comprend une plaque s'étendant le long dudit trajet hélicoïdal, pourvue de perçages par lequel le mélange est apte à s'écouler par gravité, de manière à être séparé au moins partiellement par coalescence. De la sorte, une partie du mélange s'écoule le long de la plaque et se trouve donc séparée par centrifugation. D'autre part, une autre fraction du mélange s'écoule par gravité au travers des perçages dont est pourvue cette plaque, provoquant une séparation supplémentaire par coalescence au voisinage de ces perçages. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'organe de séparation est disposé dans une enceinte cylindrique comportant une sortie mise en relation avec la zone destinée à recueillir l'huile séparée, et le dispositif comprend un déflecteur disposé en aval de la sortie de l'enceinte, apte à détourner le mélange vers une chambre disposée à la périphérie extérieure de l'enceinte. Ceci a tout d'abord pour effet de provoquer une chute de vitessesensible du mélange en aval de l'enceinte, qui est favorable au rendement de la séparation. De plus, le changement de direction et le choc induits par la présence du déflecteur permettent d'augmenter encore la qualité de la séparation. Enfin, il s'opère une séparation supplémentaire au niveau de la paroi extérieure de la chambre sur laquelle l'huile séparée se dépose et s'écoule par gravité. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le déflecteur est pourvu d'au moins une ouverture disposée en dehors de la trace de l'enceinte sur le déflecteur. On désigne par trace de l'enceinte sur le déflecteur la projection sur ce dernier, selon un axe vertical, de la paroi de l'enceinte. Cette ouverture permet de collecter l'huile séparée qui est évacuée par gravité, afin de la diriger vers la zone du dispositif destinée à la recueillir. De plus, le fait que cette ouverture soit disposée en dehors de la trace de l'enceinte sur le déflecteur permet d'éviter au mélange non séparé de s'écouler par cette ouverture à sa sortie de l'enceinte. L'invention a également pour objet un appareil frigorifique, du type comprenant un compresseur dans lequel est admis un mélange de gaz frigorigène et d'une huile de lubrification, ainsi qu'un dispositif de séparation de ce gaz et de cette huile, disposé en aval du compresseur, caractérisé en ce que le dispositif de séparation est tel que décrit ci-dessus. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale du disposée tif de séparation conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne IIII à la figure 1 et - la figure 3 est une vue en perspective schématique de l'organe de centrifugation dont est pourvu le dispositif de séparation. Le dispositif de séparation représenté aux figures 1 et 2 et désigné dans son ensemble par la référence 2 présente une forme globalement cylindrique. I1 comprend un fût 4 dont les partiestrespectivement inférieure et supérieure sont obturées au moyen d'un fond 6 et d'un couvercle 8 rapportés par tout moyen approprié. Un conduit 10 radial, dont la fonction sera explicitée par la suite, est piqué sur la partie supérieure du fût 4. Une plaque 12, dont la périphérie extérieure est percée d'ouvertures circulaires 12A, est disposée de manière sensiblement transversale, à la partie médiane du fût 4. Cette plaque divise le dispositif de séparation en deux compartiments, à savoir un compartiment supérieur 14 destiné à la séparation proprement dite et un compartiment inférieur 16 destiné à recueillir l'huile séparée. Ce compartiment 16 reçoit un ensemble flotteur 17 connu en soi. Une paroi 18 est rapportée sur le couvercle 8 du fût 4 et s'étend, de manière concentrique à ce dernier en direction de la plaque 12, à distance de cette dernière. Cette paroi 18 définit donc une enceinte 20 centrale disposée selon un axe A sensiblement vertical, ainsi qu'une chambre 22 annulaire, périphérique à cette dernière. Une zone cylindrique 23 est délimitée entre l'extrémité aval de l'enceinte 20 et la plaque 12. Le couvercle 8 est en outre percé d'une ouverture centrale mettant en communication l'intérieur de l'enceinte 20 avec un compresseur non représenté d'un système frigorifique, par l'intermédiaire d'un conduit 24. L'extrémité aval de l'enceinte 20 constitue la sortie 20B de cette dernière. Un organe de centrifugation désigné dans son ensemble par la référence 26 est disposé fixe à l'intérieur de l'enceinte 20. Comme le montre plus précisément la figure 3, cet organe 26 comprend une tige 28 centrale s'étendant selon une direction verticale, à partir de laquelle s'étendent radialement des fils 30 d'acier jusqu'à entrer en contact avec la paroi 18. Ces fils 30 définissent des passages intermédiaires 31 au sein desquels un fluide est apte à s'écouler par gravité, et sont disposés selon le trajet d'une hélice H. L'organe de centrifugation est emmanché à force dans l'enceinte cylindrique 20. Le fonctionnement du dispositif de séparation conforme à l'invention va maintenant être explicité, en référence à l'ensemble des figures. Le mélange constitué d'une huile de lubrification et d'un gaz frigorigène, par exemple du fréon, est admis, par le conduit 24, à l'entrée 20A de l'enceinte 20, qui constitue l'entrée du dispositif 2. Le mélange s'écoule pour partie suivant le trajet de l'hélice H, de sorte que l'huile est séparée et s'accumule au niveau de la paroi 18. De plus, le mélange s'écoule également par les passages 31 ménagés entre des fils voisins, ce qui assure la coalescence de l'huile et permet donc une séparation supplémentaire. L'huile séparée lors de son trajet dans l'enceinte s'y écoule par gravité et se dépose sur la surface supérieure de la plaque 12. Cette huile est alors conduite vers les ouvertures 12A dont cette plaque est pourvue, et se trouve recueillie au niveau de l'ensemble flotteur 17. La fraction non séparée du mélange quitte l'enceinte 20 par sa sortie 20B. Elle s'écoule alors au sein de la zone cylindrique 23. Etant donné que cette dernière présente une section transversale plus importante que celle de l'enceinte, le mélange y subit une perte de vitesse notable qui induit une séparation par inertie entre le gaz et l'huile. Puis, le mélange percute la plaque 12 qui assume donc une fonction de déflecteur, et se trouve entraîné en direction de la chambre périphérique 22. Le choc contre la plaque 12 provoque une séparation supplémentaire au terme de laquelle l'huile ainsi isolée s'écoule par gravité au niveau des ouvertures 12A. I1 s'opère également une séparation au niveau des parois de la chambre 22, qui sont constituées par la face intérieure du fût 4 et la face extérieure de la paroi 18. L'huile ainsi séparée est évacuée par gravité par les ouvertures 12A. Le gaz frigorigène libéré de la fraction d'huile qui y était mélangée, s'échappe par le conduit de sortie 10 et se trouve dirigé vers un condenseur non représenté. On va maintenant décrire un exemple non limitatif de mise en oeuvre du dispositif de séparation conforme à l'invention. Dans l'exemple considéré, le fût du dispositif de séparation possède un diamètre intérieur d'environ 96 mm. La plaque de séparatton est disposée à environ 150 mm du couvercle du dispositif. La paroi concentrique, qui présente un diamètre extérieur d'environ 50 mm, s'étend sur une hauteur d'environ 130 mm. Elle est pourvue de fils d'acier s'étendant à partir d'une tige centrale dont le diamètre est de 10 mm et la longueur est de 130 mm. Ces fils, dont le diamètre est d'environ 0,25 mm, sont disposés selon une hélice dont le pas est d'environ 20 mm, à raison d'environ 4400 fils par révolution. REVENDICATIONS 1. Dispositif de séparation (2) d'huile et de gaz, pour appareils frigorifiques, du type comprenant une entrée (20A) d'un mélange formé de l'huile et du gaz à séparer, une zone (16) destinée à recueillir l'huile séparée et des moyens d'évacuation (10) du gaz séparé, ainsi qu'un organe de centrifugation s'étendant selon un trajet sensiblement hélicoïdal et un organe de filtration par coalescence, caractérisé en ce que lesdits organes de centrifugation et de filtration par coalescence sont formés par un unique organe de séparation (26) assurant ces deux fonctions. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit unique organe de séparation (26) comprend plusieurs éléments allongés (30) s'étendant vers l'intérieur à partir d'une paroi (18) sensiblement cylindrique du dispositif, et disposés le long dudit trajet hélicoïdal, ces éléments allongés (30) définissant des passages (31) par lesquels le mélange est apte à s'écouler par gravité, de manière à être séparé au moins partiellement par coalescence. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits éléments allongés (30) s'étendent radialement à partir d'une tige (28) sensiblement verticale. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits éléments allongés (30) sont réalisés en un matériau inerte vis-à-vis de l'huile et du gaz. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits éléments allongés (30) présentent une forme discontinue. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits éléments allongés (30) comprennent une partie sensiblement rectiligne s'étendant radialement à partir de la tige (28), prolongée par une partie coudée. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit unique organe de séparation comprend une plaque s'étendant le long dudit trajet hélicoïdal, pourvue de perçages par lequel le mélange est apte à s'écouler par gravité, de manière à être séparé au moins partiellement par coelescence. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit unique organe de séparation (26) est disposé dans une enceinte cylindrique (20) comportant une sortie (20B) mise en relation avec ladite zone (16) destinée à recueillir l'huile séparée, et en ce que le dispositif comprend un déflecteur (12) disposé en aval de la sortie (20B) de l'enceinte (20), apte à détourner le mélange vers une chambre (22) disposée à la périphérie extérieure de 1 enceinte (20). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit déflecteur (12) est pourvu d'au moins une ouverture (12A) disposée en dehors de la trace de l'enceinte (20) sur le déflecteur (12A). 10. Appareil frigorifique, du type comprenant un compresseur dans lequel est admis un mélange de gaz frigorigène et d'une huile de lubrification, ainsi qu'un dispositif de séparation (2) du gaz et de l'huile, disposé en aval du compresseur, caractérisé en ce que le dispositif de séparation (2) est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.