Brevet FR2814226A1 — publié le 20020322

"Dispositif de réfrigération" DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif de réfrigération. Un dispositif de réfrigération est intégré dans un circuit frigorifique qui permet la circulation d'un fluide frigorifique successivement au travers d'un compresseur, d'un condenseur, d'une ligne et d'un évaporateur et son retour au compresseur. La ligne comprend essentiellement des moyens pour détendre le fluide frigorifique, par exemple un détendeur ou un capillaire. La ligne peut aussi comprendre, pour le fluide frigorifique, un réservoir, un voyant, un filtre, un déshydrateur et/ou une électrovanne. Un circuit de chauffage et un circuit de réfrigération sont associés au circuit frigorifique. Le fluide caloporteur à réfrigérer, par exemple de l'eau, circule dans le circuit de réfrigération qui comprend l'évaporateur et s'y refroidit lors d'échanges thermiques au cours desquels le fluide frigorifique est vaporisé. Le fluide caloporteur à chauffer, par exemple de l'eau, circule dans le circuit de chauffage qui comprend le condenseur et s'y réchauffe lors d'échanges thermiques au cours desquels le fluide frigorifique est condensé. Le montage d'un circuit frigorifique dans le lieu de son exploitation nécessite actuellement l'assemblage dans ce lieu de chacun des éléments précités, produits ou achetés individuellement, ce qui est long et coûteux. Les tuyauteries utilisées pour raccorder chacun des éléments du circuit sont généralement façonnées à la demande et leur longueur favorise les pertes thermiques. Outre les pertes thermiques, la circulation du fluide et le fonctionnement du compresseur produisent du bruit et des vibrations. La disparité et la dispersion des éléments dans le lieu d'exploitation rend difficile l'isolation tant thermique que sonore ou vibratoire. Il est souvent nécessaire de concevoir une isolation adaptée à chacun des éléments ce qui est aussi une technique coûteuse. Le but de l'invention est de disposer ou de concevoir une partie au moins du circuit pour supprimer tout ou partie des contraintes décrites aux paragraphes précédents et, en particulier, réduire le nombre d'opérations à effectuer lors de l'assemblage dans le lieu d'exploitation ainsi que le nombre ou la longueur des tuyaux de raccords. Selon l'invention, on utilise dans le circuit frigorifique un dispositif de réfrigération comprenant principalement un compresseur de fluide frigorifique à flux essentiellement vertical, un évaporateur réalisé sous la forme d'un échangeur thermique à plaques entre le fluide frigorifique et un fluide caloporteur définissant pour le fluide frigorifique un trajet d'échange dont une sortie est raccordée à une aspiration du compresseur , caractérisé en ce que l'échangeur est disposé dans un plan de base sensiblement horizontal avec les plaques essentiellement parallèles à ce plan, et en ce que le compresseur est installé au-dessus de l'évaporateur. Le condenseur peut être logé dans un châssis présentant des moyens de fixation et d'appui pour le compresseur. Ceci peut notamment permettre d'utiliser un raccord toujours identique entre ladite sortie et ladite aspiration et de monter le compresseur, l'évaporateur et leur raccord préalablement à leur amenée sur le site de l'installation. Le châssis peut être muni de pieds doués d'une capacité d'absorber des vibrations. Le dispositif peut aussi comprendre un condenseur relié à une sortie pour le fluide frigorifique du compresseur. Un dispositif selon l'invention comprend donc une partie du circuit frigorifique, au moins une partie du circuit de réfrigération définissant à l'intérieur de l'évaporateur un trajet d'échange pour le fluide caloporteur à refroidir et éventuellement une partie du circuit de chauffage définissant à l'intérieur du condenseur un trajet d'échange pour le fluide caloporteur à chauffer. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs. Aux dessins annexés : - la figure 1 est une vue en perspective et partiellement arrachée et coupée d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de réfrigération selon l'invention ; - la figure 2 est une illustration schématique et simplifiée du fonctionnement d'un évaporateur à plaques horizontales ; et - la figure 3 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, le dispositif de réfrigération 1 regroupe essentiellement un compresseur 2 et un évaporateur 3, et forme ainsi ce que l'on peut appeler un bloc d'évaporation, destiné à constituer une partie d'une machine produisant de l'eau froide au moyen d'un circuit frigorifique. Une sortie 4 de l'évaporateur 3 destinée au fluide frigorifique est située sur une face supérieure 5 de l'évaporateur. La sortie 4 est raccordée à une aspiration 6 du compresseur 2 par un tuyau d'aspiration 7. L'évaporateur est un évaporateur à plaques (voir figure 2), ayant une forme sensiblement parallélépipédique. Il se compose d'une plaque supérieure qui définit une face supérieure 5, d'une plaque inférieure qui définit une sous-face 15 de l'évaporateur et de plaques intermédiaires 12 empilées séparant des intervalles 13,14 horizontaux superposés. Les plaques s'étendent dans des plans sensiblement horizontaux et l'évaporateur présente dans son ensemble une configuration plate suivant un plan de base du bloc d'évaporation 1. Chaque plaque 12 est une cloison entre un intervalle 13 dédié à la circulation du fluide frigorifique et un intervalle 14 dédié à la circulation du liquide caloporteur qui est ici de l'eau. Outre la sortie 4, l'évaporateur 3 comprend trois autres orifices sur sa face supérieure, à savoir une entrée 8 pour le fluide frigorifique dans l'évaporateur 3, une entrée 9 et une sortie 11, pour l'eau. L'entrée 8 pour le fluide frigorifique est diagonalement opposée à la sortie 4 pour ledit fluide. L'entrée 9 et la sortie 11 pour l'eau sont aux deux extrémités de l'autre diagonale. Chaque petit côté de la face 5 est adjacent à un orifice d'entrée pour l'un des fluide et un orifice de sortie pour l'autre fluide de sorte que le fluide frigorifique et l'eau s'écoulent essentiellement en sens longitudinaux contraires à travers l'évaporateur suivant le principe des échangeurs dits"à contre-courant". Le fluide frigorifique pénètre, sous la forme d'un liquide frigorifique à une pression basse, dans le dispositif 1 selon la direction A et par l'entrée 8 de l'évaporateur 3 ; il est ensuite conduit le long d'un tube distributeur 16 jusqu'à des orifices de distribution 17 reliant le tube 16 aux intervalles 13. La perte de charge à travers les orifices 17 est telle que les débits de fluide pénétrant selon A1 dans les différents intervalles 13 sont sensiblement égaux. Le trajet du fluide frigorifique au travers de l'intervalle 13 est volontairement perturbé, par exemple par des chicanes, non représentées sur les dessins, afin d'optimiser les échanges thermiques le long des plaques 12. Le fluide frigorifique sort des intervalles 13 selon B1 sous la forme d'un gaz frigorifique à une pression basse, au travers d'orifices d'aspiration 18 dans un collecteur 19 qui conduit le fluide à la sortie 4 de l'évaporateur 3. Dans le même temps l'eau qui est entrée selon C dans l'évaporateur 3 par l'orifice 9 pénètre ensuite selon C1 et à travers des orifices de distribution 22 dans les intervalles 14. Après un trajet au travers des intervalles 14, similaire mais selon une direction sensiblement opposée au trajet du fluide frigorifique dans les intervalles 13, l'eau est évacuée selon D1 au travers d'orifices d'évacuation 23 et ressort de l'évaporateur par l'orifice 11 selon la direction D. Lors de son trajet dans un intervalle 14 l'eau se refroidit en cédant une certaine quantité de chaleur au fluide frigorifique au travers des plaques 12. Cet apport de chaleur provoque l'évaporation du fluide frigorifique, qui quitte donc les intervalles 13 sous forme gazeuse. Dans la configuration des figures 1 et 2, les raccords d'entrée et de sortie pour l'eau dans l'évaporateur sont disposés sur la face supérieure 5 de celui-ci. Ainsi pour permettre la vidange de l'eau dans l'évaporateur, un robinet 10 a été disposé sur un bouchon au fond du tube distributeur d'eau en vis à vis de l'entrée d'eau 9 sur la sous-face 15 de l'évaporateur. Après être sorti de l'évaporateur 3 le fluide frigorifique continue son parcours dans le dispositif 1 au travers du tuyau d'aspiration 7 jusqu'au compresseur 2, réalisé sous la forme d'un moto-compresseur à flux ascendant. Le moto-compresseur 2 comprend dans un carter de forme générale cylindrique à axe vertical un moteur électrique 27,28 à axe également vertical et au-dessus de celui-ci une turbine de compression 32 solidaire de l'arbre du moteur. Le fond du carter forme réserve 16 pour de l'huile de lubrification. Au-delà de l'aspiration 6 le gaz frigorifique pénètre dans le séparateur d'huile 24 qui sert à le débarrasser des gouttelettes d'huile lubrifiante qu'il contient, lesquelles gouttelettes tombent dans la réserve d'huile 26. De là, par des moyens non-représentés l'huile est renvoyée dans les paliers du moto-compresseur. Le gaz frigorifique poursuit son cheminement et montant dans l'entrefer 27 entre le stator 28 et le rotor 29 du moteur électrique, jusqu'à une zone d'extraction 31 autour de la turbine 32. Le fluide frigorifique gazeux comprimé par son passage dans la turbine 32, est expulsé du compresseur 2 selon la direction E à travers un tuyau 33 qui le conduit jusqu'à un condenseur 34 qui dans l'exemple de la figure 1 ne fait pas partie du bloc d'évaporation. Dans le condenseur 34, le fluide frigorifique cède une partie de son énergie calorifique et passe de l'état de gaz à pression haute à celui de liquide à pression haute. Le fluide frigorifique sort du condenseur 34 selon la direction F et parcourt ensuite une ligne 35, qui comporte en premier lieu des moyens pour faire chuter la pression du fluide frigorifique. Le liquide frigorifique sort de la ligne selon A sous la forme d'un liquide à pression basse pour entrer de nouveau dans le bloc d'évaporation et plus précisément dans l'évaporateur 3. Les moyens pour faire chuter la pression peuvent être un simple capillaire à l'intérieur duquel les pertes de charge sont suffisantes pour assumer sa fonction ou bien encore un détendeur. Dans ce dernier cas, un bulbe (non-représenté) logé dans un logement en forme de doigt de gant 36 formé dans le tuyau 7 de sortie "fluide frigorifique" de l'évaporateur 4 permet de commander l'ouverture ou la fermeture du détendeur en fonction de la température du fluide frigorifique à la sortie de l'évaporateur. La ligne 35 peut en outre comporter un réservoir tampon de fluide frigorifique, un voyant permettant de s'assurer de la proportion de liquide disponible dans le circuit, un déshydrateur permettant d'éliminer de l'eau qui pourrait s'infiltrer dans le circuit et un filtre pour débarrasser ledit fluide frigorifique des scories qu'il pourrait transporter. La ligne peut aussi avantageusement comprendre une électrovanne. Cette électrovanne, fermée lorsque le compresseur 2 est hors-service, permet d'éviter l'accumulation du fluide frigorifique sous sa forme liquide dans l'évaporateur 3 qui constitue un point bas du circuit. Dans le mode de réalisation de la figure 1, afin que le dispositif 1 forme un ensemble cohérent, l'évaporateur 3 est logé dans un châssis 37 et le moto-compresseur 2 repose sur le même châssis 37. Plus particulièrement, le carter du moto-compresseur 2 comporte des pattes de fixation et d'appui 38 fixées sur deux bords latéraux 37a opposés du châssis 37 de part et d'autre de l'évaporateur 3. Le moto-compresseur 2 est ainsi positionné à faible distance au-dessus de l'évaporateur 3. Le châssis 37 est muni de pieds supports 39 doués d'une capacité d'absorber les vibrations, c'est-à-dire de limiter la transmission par le sol des vibrations produites lors du fonctionnement du dispositif 1 et en particulier du moto-compresseur 2. L'évaporateur 3 s'étend radialement au-delà du pourtour du compresseur 2 et en particulier de son carter cylindrique de part et d'autre de celui-ci et porte de chaque côté du compresseur un raccord d'arrivée pour l'un des fluides et un raccord de départ pour l'autre fluide, respectivement. C'est-à-dire d'un côté l'arrivée du fluide frigorifique par l'orifice 8 et le départ de l'eau par l'orifice 11, et de l'autre côté le départ du fluide frigorifique par l'orifice 4 et l'arrivée de l'eau par l'orifice 9. Le châssis peut être capoté pour isoler, par exemple phoniquement, avec un seul et même capot tout ou partie du dispositif de réfrigération 1. Pour simplifier le capot et améliorer son efficacité, les raccords d'arrivée et de départ d'eau peuvent être placés sur la sous-face 15 de l'évaporateur et non sur la face supérieure 5. Si l'un des raccords d'eau est disposé sur la sous-face d'un échangeur, le robinet de vidange 10 peut être installé sur ce raccord. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le dispositif 1 est entièrement intégré au sein d'une même enceinte 41 formant carter pour le moto-compresseur 2. L'évaporateur forme un fond 42a de l'enceinte, à l'extrémité inférieure de la paroi latérale 42 de l'enceinte. Le trajet d'échange du fluide frigorifique dans l'évaporateur 3 débouche selon B dans le carter par une trompe 43 dirigée vers le haut et présentant un orifice de sortie 44 situé au-dessus d'un niveau maximal d'huile au fond du carter. L'espace intérieur libre de l'enceinte 41 forme un plénum 46 d'aspiration pour le compresseur, c'est-à-dire un volume de gaz important, relativement au volume de gaz dans le circuit. La turbine 32 puise le gaz frigorifique dans ce plénum 46 pour le comprimer. Outre l'évaporateur 3 et le compresseur 2, l'enceinte 41 enveloppe aussi un condenseur 34. Ce condenseur est disposé dans un plan sensiblement parallèle au plan de base de l'évaporateur 3 et forme le sommet 42b de l'enceinte 41, à l'extrémité supérieur de la paroi latérale 42. Le condenseur comprend pour le fluide frigorifique un trajet d'échange raccordé avec la chambre de compression 47 du compresseur par une communication 48 située dans l'enceinte 41. Les deux échangeurs à plaques que constituent l'évaporateur 3 et le condenseur 34 ont une forme sensiblement circulaire et la paroi latérale 42 présente une section transversale, c'est-à-dire sensiblement parallèle au plan de base, essentiellement circulaire correspondant à la forme des échangeurs. Chaque échangeur comprend du côté opposé à l'intérieur du carter un raccord d'arrivée et un raccord de départ pour un fluide caloporteur, ainsi qu'un raccord pour le fluide frigorifique à l'extrémité de son trajet d'échange qui est fonctionnellement opposée au compresseur. Le dispositif de la figure 3 fonctionne comme une pompe à chaleur entre le liquide caloporteur, c'est-à-dire l'eau qui entre selon C et sort selon D de l'évaporateur 3 après s'y être refroidie, et un autre liquide caloporteur qui entre selon G et sort selon H du condenseur 34 après s'y être réchauffé. Le fluide frigorifique sort selon F de son trajet d'échange à l'intérieur du condenseur 34 et entre selon A dans son trajet d'échange à l'intérieur de l'évaporateur 3. Ainsi, dans l'exemple de la figure 3, le dispositif frigorifique inclut le condenseur. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, deux ensembles motocompresseurs peuvent être montés en parallèle au-dessus d'au moins un évaporateur à plaques commun ce qui permet de garantir le fonctionnement d'au moins un des deux ensembles moto-compresseurs ou de faire fonctionner l'un indépendamment de l'autre afin de moduler la puissance du dispositif. Semblablement, dans le mode de réalisation de la figure 3, deux moto-compresseurs peuvent être installés côte à côte, fluidiquement en parallèle, dans une enceinte commune ayant une dimension et une forme appropriées. Dans l'exemple représenté à la figure 3, on peut séparer le condenseur du dispositif frigorifique (comme à la figure 1) et fermer le sommet de l'enceinte par une simple paroi, comme pour le sommet du moto-compresseur de la figure 1. Les entrées et sorties des fluides peuvent être disposées différemment afin de faciliter le raccordement du dispositif. Les dispositifs selon l'invention peuvent être utilisés tant pour produire du froid que de la chaleur. Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, il est possible en disposant une vanne d'inversion entre le raccord d'entrée et le raccord de sortie du fluide frigorifique dans le compresseur de transformer à volonté l'échangeur disposé sous le compresseur en évaporateur ou en condenseur pour respectivement refroidir ou réchauffer le fluide caloporteur qui le parcourt. Le même effet peut-être obtenu, dans l'exemple de la figure 3, ou dans un exemple tel que celui de la figure 1 où le dispositif inclurait le condenseur, en disposant une vanne d'inversion entre les circuits d'eau circulant respectivement dans le condenseur et l'évaporateur. Ainsi, l'eau utile qui est dans ce cas refroidie dans l'évaporateur par exemple pour la climatisation d'un bâtiment, peut en hiver être au contraire réchauffée dans le condenseur afin d'utiliser l'installation de climatisation pour le chauffage du bâtiment, l'autre circuit d'eau étant, par exemple, dans chaque cas de fonctionnement relié à un échangeur avec l'air extérieur. Les flux des fluides caloporteurs et frigorifiques au lieu d'être croisés peuvent être simplement parallèles, c'est à dire que l'entrée et la sortie d'un échangeur pour un même fluide ne sont pas diagonalement opposés mais disposés sur un même côté de l'échangeur. Lesdits flux peuvent être à contre-courant ou pas. Il est avantageux que le dispositif selon l'invention présente un boîtier électrique qui est par exemple fixé au carter du moto-compresseur. Ce boîtier centralise tous les raccordements avec les composants électriques du dispositif, regroupe des commandes, voyants et autres indicateurs, et un câble unique part de ce boîtier pour relier le dispositif avec le reste de l'installation. Outre l'évaporateur, le compresseur et le condenseur, un dispositif selon l'invention peut aussi intégrer le détendeur et éventuellement l'ensemble de la ligne fluide entre la sortie du condenseur et l'entrée de l'évaporateur pour le fluide frigorifique. Dans cette configuration, un dispositif selon l'invention et particulièrement adapté pour être intégré dans un ensemble d'alimentation hydraulique tel que représenté aux figures 6 à 9 du document PCT/FR99/01998. REVENDICATIONS 1-Dispositif de réfrigération comprenant : - un compresseur (2) de fluide frigorifique à flux essentiellement vertical ; - un évaporateur (3) réalisé sous la forme d'un échangeur thermique à plaques (5,12, 15) entre le fluide frigorifique et un fluide caloporteur, l'échangeur définissant pour le fluide frigorifique un trajet d'échange dont une sortie (4) est raccordée à une aspiration (6) du compresseur, caractérisé en ce que - l'échangeur est disposé dans un plan de base sensiblement horizontal avec les plaques essentiellement parallèles à ce plan ; - le compresseur (2) est installé au-dessus de l'évaporateur (3). 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évaporateur (3) est logé dans un châssis (37) présentant des moyens (38) de fixation et d'appui pour le compresseur (2). 3-Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (38) de fixation et d'appui sont prévus sur deux bords latéraux (37a) opposés du châssis (37), de part et d'autre de l'évaporateur (3). 4-Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le châssis (37) est muni de pieds supports (39) doués d'une capacité d'absorber les vibrations. 5-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'évaporateur (3) s'étend radialement au-delà du pourtour du compresseur (2) de part et d'autre de celui-ci et porte de chaque côté du compresseur (2) un raccord d'arrivée (8,9) pour l'un des fluides et un raccord de départ (4,11) pour l'autre fluide, respectivement. 6-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évaporateur (3) forme le fond (42a) d'un carter (42,42a, 42b) du compresseur (2). 7-Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la sortie (44) du trajet d'échange débouche dans le carter (42, 42a, 42b), formant plénum d'aspiration pour le compresseur (2). 8-Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le trajet d'échange débouche dans le carter (42, 42a, 42b) par une trompe (43) dirigée vers le haut et présentant un orifice de sortie (42) situé au-dessus d'un niveau maximal d'huile au fond du carter. 9-Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un condenseur (34) réalisé sous la forme d'un échangeur à plaques disposé dans un plan sensiblement parallèle audit plan de base et formant le sommet du carter (42b). 10-Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le condenseur (34) comprend pour le fluide frigorifique un trajet d'échange raccordé avec la chambre de compression (47) du compresseur (2) par une communication (48) située dans le carter (42, 42a, 42b). 11-Dispositif selon l'une des revendication 6 à 10, caractérisé en ce que le ou chaque échangeur (3, 34) a une forme sensiblement circulaire et le carter (42, 42a, 42b) comprend une paroi latérale (42) essentiellement cylindrique ayant une section transversale circulaire correspondante. 12-Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le carter (42, 42a, 42b) comprend un paroi latérale (42) ayant une section transversale dont la forme correspond au contour du ou de chaque échangeur (3, 34). 13-Dispositif selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que le ou chaque échangeur (3, 34) comprend, du côté opposé à l'intérieur du carter, un raccord arrivée (9) et un raccord départ (11) pour le fluide caloporteur et un raccord (8) pour le fluide frigorifique à l'extrémité de son trajet d'échange respectif qui est fonctionnellement opposée au compresseur. 14-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le compresseur (2) fait partie d'un ensemble comprenant : - un moteur électrique (27,28) à axe vertical, comprenant un stator et un rotor qui sont balayés par le fluide frigorifique gazeux aspiré à la sortie (4) de l'évaporateur (3) ; - une turbine (32) reliée à l'arbre du moteur (27,28) au-dessus du moteur. 15-Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux ensembles moto-compresseurs montés en parallèle au-dessus d'au moins un évaporateur (3) à plaques commun.