Brevet FR2807825A1 — publié le 20011019

Dispositif de séparation d'une huile lubrifiante gaz frigorigène dans un circuit frigorifique à compresseur. La présente invention concerne un dispositif de séparation d'une huile lubrifiante d'un gaz frigorigène, non-miscibles, sous forme d'un aerosol circulant dans un circuit frigorifique qui comprend un compresseur frigorifique . De façon usuelle, un circuit frigorifique tel que celui d'un refrigérateur, se compose d'un compresseur qui comprime un réfrigérant à l'état gazeux, d'un condenseur qui refroidit ce réfrigerant à l'etat liquide et d'un évaporateur qui absorbe la chaleur de la zone à refroidir par l'expansion et l'évaporation du liquide réfrigérant. Les compresseurs frigorifiques les plus utilisés sont les compresseurs à piston et se répartissent en trois types : hermétique, semi-ouvert et ouvert. Dans un compresseur frigorifique, l'huile de graissage a pour rôle d'assurer la lubrification du point de vue hydrodynamique et le refroidissement des paliers, des pistons et du cylindre, des clapets et des garnitures d'étanchéité, ainsi que d'evacuer particules solides diverses résultant des phénomènes d'abrasion. Le lubrifiant n'est utile qu'au niveau du compresseur. Or, il se produit au cours du fonctionnement, une migration d'une certaine quantité de lubrifiant avec le gaz frigorigène, en mélange, causant de nombreux problèmes, tels que des colmatages et des dépôts, ainsi qu'une diminution de l'efficacité du système au niveau du condenseur. Afin de reduire au minimum ces problèmes, on a cherché soit à ameliorer le plus possible la miscibilité du couple gaz/huile lubrifiante soit à enlever l'huile contenue dans le gaz par un dispositif séparateur (ou piège) placé entre le compresseur et le condenseur. De nombreux dispositifs ont été proposés pour séparer l'huile du notamment le brevet EP 0 583 770 qui décrit un dispositif multi- étagé forçant le mélange huile/gaz réfrigérant à s'écouler à travers deux élements filtrants différents. Ce dispositif comprend un boîtier forme générale cylindrique, divisé en une chambre supérieure et une chambre inférieure, une paroi hélicoïdale entourée par un tamis disposé à l'intérieur de l'une des chambres et un filtre coalesceur, poreux et amovible, disposé dans l'autre chambre, les chambres étant reliées par organe de passage de gaz. On rappelle que dans la filtration coalescente, les particules liquides sont captées au moyen d'un entrelacs dense de fibres de faible diamètre. Un inconvénient important de ce dispositif est la perte de charge produite par le filtre coalesceur ; de plus, ce dispositif comprend une zone de collecte de l'huile mais ne prévoit pas son recyclage au compresseur. La demande de brevet WO 97/38776 décrit un dispositif intégral membrane-filtre coalesceur servant à filtrer un flux de gaz contenant des particules liquides et solides et fournir un échantillon de gaz purifié pour un analyseur. Ce dispositif comporte un tube filtrant muni d'une couche extérieure de coalescence en fibres de verre, qui est traversé par gaz et permet de filtrer les particules solides et de coalescer les gouttelettes de liquide contenues dans le gaz, et membrane hydrophobe poreuse qui achève la filtration d'éventuelles particules liquides. Ce dispositif ne comporte pas d'élément déflecteur provoquant première séparation de l'huile et présente aussi comme inconvénient majeur la perte de charge provoquée par le passage du gaz. La réglementation adoptée par lUnion Européenne pour satisfaire les contraintes environnementales sur les gaz frigorigènes a entraîné le retrait des gaz CFC (chloro-fluoro-carbone, codés R-12) depuis 1995 et prévoit le retrait des gaz HCFC (hydro-chloro-fluoro-carbone, codés R- 22) pour 2015. Ces gaz sont progressivement remplacés par les gaz HFC (hydro-fluoro-carbone, codés R-134a) ou des mélanges de ceux-ci (codés R-404a), ainsi que par des gaz dits " naturels " (propane, isobutane, ammoniac, C02, air); or, si les premiers gaz étaient miscibles avec les huiles minérales, les HFC eux ne sont miscibles qu'avec des huiles synthétiques du type esters. D'où la décroissance progressive des ventes d'huiles minérales au profit des esters dans le futur. Cependant, les esters ont un inconvénient majeur qui est leur sensibilité l'eau, ce qui est gênant dans le cas des compresseurs semi-ouverts ou ouverts. Les problèmes liés à ces substitutions de gaz sont évoqués dans le brevet US 5 636 520, qui décrit un procédé de séparation d'un lubrifiant non-miscible d'un gaz réfrigérant dans un circuit réfrigérant comportant un compresseur, lorsque on veut remplacer le gaz réfrigérant du type CFC par du HFC. L'élimination du lubrifiant de type minéral restant dans le circuit s'obtient en ralentissant la vitesse d'écoulement du mélange lubrifiant minéral/gaz réfrigérant HFC et lubrifiant polyolester, qui circule dans une boucle dérivée du circuit réfrigérant, provoquant une séparation en deux phases en fonction des densités respectives ; cette séparation peut se réaliser dans une chambre pourvue de plaques de coalescence. Toutefois, ce document ne suggère pas l'utilisation en fonctionnement permanent d'un gaz réfrigérant et d'un lubrifiant non-miscibles dans un circuit frigorifique. C'est donc de manière surprenante qu'il a été envisage, par la Demanderesse, de combiner les propriétés de non-miscibilité entre une huile lubrifiante et un gaz frigorigène circulant dans circuit frigorifique, avec une solution technique simple permettant de piéger l'huile lubrifiante entraînée avec le gaz frigorigène sous forme d'aérosol, et la recycler au compresseur. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de séparation d'une huile lubrifiante d'un gaz frigorigène, non-miscibles, arrivant sous forme d'un aérosol, dans un circuit frigorifique, qui comprend principalement un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur, ledit dispositif étant disposé en aval du compresseur et comprenant un boîtier pourvu d'un conduit d'entrée de l'aérosol huile/gaz, d'un conduit de sortie du gaz purifié en huile, à sa partie superieure, et d'un conduit d'évacuation de l'huile séparée du gaz, à sa partie inférieure, permettant son recyclage directement au compresseur, caractérisé en ce que ce boîtier comporte au moins un élément déflecteur, un élément coalesceur remplissant une partie volume intérieur du boîtier et au moins une membrane séparatrice oléophobe disposée avant le conduit de sortie. Un tel dispositif permet d'obtenir séparation optimale de l'huile et du gaz, sans entraîner pertes de charges importantes. Selon un mode de réalisation préféré, dans le dispositif selon l'invention, le boîtier est de forme générale allongée et d'axe vertical. En particulier, l'élément déflecteur se présente sous la forme d'une ou plusieurs chicanes augmentant la surface de contact avec le huile/gaz et provoquant une première séparation par coalescence des gouttelettes d'huile du gaz. De préférence, l'élément déflecteur est de forme cylindrique, disposé concentriquement dans le boîtier. De façon avantageuse, l'élément coalesceur est constitué d'un amas de fibres oléophobes qui, au contact des gouttelettes d'huile de l'aérosol huile/gaz, provoquent leur coalescence et leur ecoulement par gravité au fond du boîtier. Dans une variante de réalisation, l'élément coalesceur est constitué d'un faisceau de fibres ou d'un garnissage constitué de cellules orientant de façon sensiblement radiale la circulation de l'aérosol huile/gaz par rapport au boîtier. Ce garnissage peut être un melangeur statique, formé en particulier par l'assemblage de tôles ou plaques plissées, coupées transversalement par rapport à leurs plans, tôles étant assemblées de façon telle que l'arête plissure de chaque tôle forme un angle de sensiblement 45 à 135 degrés avec l'arête de plissure de la tôle adjacente. En particulier, les cellules forment un réseau de canaux croisés à section sensiblement uniforme. Plus particulièrement, la membrane séparatrice est constituée d'une grille à mailles fines en tissu métallique, revêtu d'un produit oléophobe, s'étendant sur toute la section du boîtier de façon à débarrasser le gaz frigorigène la traversant d'une quantité substantielle de l'huile restante. De préférence, l'huile lubrifiante est minérale, et le gaz frigorigène est du type HFC ou un mélange de HFC. Selon un autre mode de réalisation, le boîtier est pourvu en outre d'un élément déshydrateur tel que des zéolithes. De préférence, le boîtier est positionné du côté refoulement du compresseur et avant le condenseur, le gaz frigorigène étant en phase gazeuse, l'huile étant en phase liquide, la température étant comprise entre 60 et 80 C et la pression étant comprise entre 1 et 1,2 MPa. Dans une variante de réalisation, le boîtier est positionné à la sortie du condenseur, le gaz frigorigène et l'huile étant en phase liquide, la température étant comprise entre 20 et 60 C et la pression étant d'environ 1 MPa. En outre, le conduit d'évacuation de l'huile séparée est constitué par un tube capillaire qui retourne au compresseur. L'invention sera décrite à présent en détail en regard des dessins annexés dans lesquels la figure 1 illustre de façon schématique un circuit frigorifique dans lequel peut être utilisé le dispositif de séparation selon l'invention ; la figure 2 illustre un premier mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention ; et la figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention permet la séparation efficace sans entraîner de pertes de charges importantes, d'une huile lubrifiante d'un gaz frigorigène, non-miscibles, sous forme d'un aérosol, circulant dans un circuit frigorifique, tel que représenté de façon schématique sur la figure 1. Ce circuit est constitué principalement d'un compresseur 1, du type à piston 2, avec chauffage d'une l'huile lubrifiante minérale 3, d'un condenseur 4, d'un détendeur 5 et d'un évaporateur 6. Le gaz frigorigène 7, qui est dans cet exemple du gaz R134a, circule de la sortie du compresseur vers le condenseur 4, tout d'abord sous forme d'un aérosol 8 contenant de l'huile 3, puis après être passé dans un dispositif de piégeage ou de séparation 9, selon l'invention, où il se trouve débarrasse de la majeure partie de lbuile 3 entraînée, ce gaz traverse le condenseur 4 et, après détente, il passe dans l'évaporateur 6 d'où il retourne compresseur 1. Par ailleurs, l'huile 3 séparée dans le dispositif de piégeage, retourne au compresseur 1 par un tube capillaire 10. Selon un premier mode de réalisation, tel que représenté par la figure 2, le dispositif de séparation selon l'invention comprend un boîtier 11 de forme générale allongée, et en particulier de forme cylindrique, disposé verticalement et pourvu d'un conduit d'entrée 12 de l'aérosol gaz/ huile, formant un angle d'environ 90 degrés avec l'axe du boîtier, ce qui provoque une déflection brutale du flux d'aérosol et un début de séparation de l'huile du gaz. Le boîtier comprend en outre, à proximité d'une de ses extrémités, un premier conduit 13 pour l'évacuation du gaz purifié en huile, formant un angle aigu avec l'axe du boîtier et se termine à sa partie inférieure par un second conduit 14 qui peut avoir la forme d'un tube capillaire, pour l'évacuation de l'huile séparée du gaz et pour son recyclage directement au compresseur. Le changement important de direction imposé au flux d'aérosol lorsqu'il quitte le boîtier 11 par le premier conduit d'évacuation 13, et donc l'augmentation impacts sur les surfaces des parois, provoque la poursuite de la coalescence des gouttelettes d'huile. Le flux huile/gaz traverse ensuite élément coalesceur 15 qui remplit une partie du volume intérieur du conduit 13, et qui se présente sous forme d'un amas de fibres oléophobes, ou d'un garnissage structuré. L'élément coalesceur poursuit la séparation des gouttelettes d'huile gaz, celles- ci s'écoulant par gravité vers le second conduit d'évacuation 14 du boîtier 11. Le premier conduit 13 est pourvu à proximité de son extrémité de sortie 17 d'une membrane séparatrice oléophobe 16, qui retient l'huile laisse passer le gaz frigorigène purifié. Dans un second mode de réalisation, tel que representé par la figure 3, le dispositif de séparation selon l'invention comprend un boîtier 21 forme générale allongée, et en particulier de forme cylindrique, disposé verticalement et pourvu d'un conduit d'entrée 22 de l'aérosol gaz/ huile, d'un conduit de sortie 23 du gaz purifié en huile, formé à l'extrémité supérieur du boîtier, et d'un conduit d'évacuation 24 de l'huile séparée du gaz, sous la forme d'un tube capillaire, permettant le recyclage de l'huile directement au compresseur et qui est formé à l'extrémité inférieure du boîtier. A l'intérieur du boîtier est disposé concentriquement un élément déflecteur 25 en forme de couronne, qui, en augmentant la longueur du trajet du flux d'aérosol huile/gaz introduit par le conduit d'entrée 22, et donc la surface de contact, provoque un début de coalescence des gouttelettes d'huile 26. Le flux huile/gaz traverse ensuite un élément coalesceur 27 remplissant une partie du volume intérieur du boîtier 21, et se présentant sous forme d'un amas de fibres oléophobes. Cet élément coalesceur poursuit la séparation des gouttelettes d'huile du gaz, celles-ci ecoulant par gravité vers le conduit d'évacuation 24. L'une des extrémités du boîtier 21 est pourvue d'une membrane séparatrice oléophobe 28 disposée avant l'extrémité de sortie du conduit de sortie 23 du frigorigène purifié en huile, de façon à obtenir une séparation optimale de l'huile du gaz. Dans le mode de réalisation représenté, cette membrane 28 présente une forme conique, mais toute autre forme, notamment plane et adaptée à la section du boîtier 1, est envisageable. La membrane peut être réalisée notamment en tissu métallique tel que de l'inox recouvert de Téflon, dont le diamètre de maille peut être compris entre 10 et 63 pm, un diamètre d'environ 25 pm semblant donner efficacité optimale. Un élément déshydrateur, sous forme par exemple de particules de zéolithes, peut aussi être intégré dans ce dispositif, entre la membrane séparatrice 28 et le conduit de sortie 23 du Dans autre mode de réalisation, l'élément déflecteur 25 peut se présenter sous la forme d'une ou plusieurs chicanes augmentant la surface de contact avec le flux huile/gaz et provoquant une première séparation coalescence des gouttelettes d'huile du gaz. Le boîtier peut être positionné dans le circuit frigorifique d'un réfrigérateur, de préférence au refoulement du compresseur et avant le condenseur, le gaz frigorigène étant en phase gazeuse, l'huile étant en phase liquide, la température étant comprise entre 60 et 80 C et la pression étant comprise entre 1 et 1,2 MPa. Toutefois, dans une variante de réalisation, le boîtier peut aussi être positionné à la sortie du condenseur, le gaz frigorigène et l'huile étant en phase liquide, la température étant comprise entre environ 20 et 60 C et pression entre environ et 1,2 MPa. Des essais mesurant la quantité d'huile véhiculée dans circuit frigorifique pilote dont le gaz est de l'air, ont montré que l'incorporation au boîtier éléments déflecteur et coalesceur et de la membrane selon l'invention, permettait d'améliorer l'efficacité de piégeage l'huile de plus de 86 % en poids. Revendications Dispositif de séparation d'une huile lubrifiante d'un gaz frigorigène, non-miscibles, arrivant sous forme d'un aérosol, dans un circuit frigorifique, qui comprend principalement un compresseur (1), un condenseur (4), un détendeur (5) et un évaporateur (6), ledit dispositif étant disposé en aval du compresseur, et comprenant un boîtier (11 ; 21) pourvu d'un conduit d'entrée (12 ; 22) de l'aérosol gaz/huile, d'un conduit de sortie (13 ; 23) du gaz purifié en huile à sa partie supérieure, et d'un conduit d'évacuation (14 ; 24) de l'huile séparée du gaz à sa partie inférieure, permettant son recyclage directement au compresseur, caractérisé en ce que ledit boîtier (11 ; 1) comporte au moins un élément déflecteur (25), un élément coalesceur (15 ; ) remplissant une partie du volume intérieur du boîtier (1) et moins une membrane séparatrice oléophobe (16 ; 28) disposée avant l'extrémité de sortie du conduit de sortie (13 ; 23). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que boîtier (11 ; 21) est de forme générale allongée et d'axe vertical. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé ce que l'élément déflecteur se présente sous la forme d'une ou plusieurs chicanes augmentant la surface de contact avec le flux huile/gaz et provoquant une première séparation par coalescence des gouttelettes d'huile du gaz. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé ce que l'élément déflecteur (25) est de forme cylindrique et est disposé concentriquement dans le boîtier. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce l'élément coalesceur (15 ; 27) est constitué d'un amas de fibres oléophobes qui, au contact des gouttelettes d'huile de l'aérosol huile/gaz, provoquent leur coalescence et leur écoulement par gravite au fond du boîtier. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la membrane séparatrice (16 ; 28) est constituée d'une grille à mailles fines en tissu métallique, revêtu d'un produit oléophobe, s'étendant sur toute la section du boîtier ou de son conduit de sortie, de façon à débarrasser le gaz frigorigène qui la traverse d'une quantité substantielle de l'huile restante. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'huile lubrifiante est minérale, et le gaz frigorigene est du type HFC ou un mélange de HFC. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que boîtier est pourvu d'un élément déshydrateur, tel que zéolithes. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé que le boîtier est positionné du côté refoulement du compresseur et avant le condenseur, le gaz frigorigène étant en phase gazeuse, l'huile étant phase liquide, la température étant comprise entre 60 et et la pression étant comprise entre environ 1MPa et 1,2 MPa. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le boîtier est positionné à la sortie du condenseur, le gaz frigorigène et l'huile étant en phase liquide, la température étant comprise entre environ 20 et 60 C et la pression entre 1 et 1,2 MPa. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d'évacuation (14 ; 24) de l'huile séparée est un tube capillaire qui retourne au compresseur.