Brevet FR2925623A1 — publié le 20090626

La présente invention concerne une culasse pour compresseur frigorifique à piston, une unité de compression comprenant cette culasse, ainsi qu'un compresseur frigorifique à piston comprenant cette unité de compression. Une culasse pour compresseur frigorifique à piston comprend de façon connue une chambre d'aspiration de gaz frigorigène et une chambre de refoulement de gaz frigorigène, les chambres d'aspiration et de refoulement étant chacune destinées à être mises en communication avec une chambre de compression ménagée dans le compresseur. Un inconvénient de ce type de culasse réside dans le fait que le gaz frigorigène à comprimer qui est aspiré dans la chambre d'aspiration est réchauffé par le gaz frigorigène comprimé qui est refoulé dans la chambre de refoulement. Ce réchauffement du gaz frigorigène à comprimer provoque une augmentation de la température et de l'enthalpie de ce gaz, et une diminution de sa densité. Cette diminution de la densité du gaz frigorigène à comprimer provoque une diminution de la masse de gaz comprimée par le compresseur, et donc une énergie calorifique réduite, pour un même volume de gaz balayé. Du fait des propriétés intrinsèques du gaz réfrigérant (la pente des isentropiques dans le domaine vapeur sèche évolue avec la surchauffe), le travail de compression par unité de masse augmente suite à cette surchauffe du gaz à comprimé, et de ce fait, le rendement énergétique du compresseur est réduit. Il en résulte ainsi une diminution des performances du compresseur. Un autre inconvénient concernant les compresseurs à piston, notamment ceux devant fonctionner à des pressions de refoulement élevées, est qu'il est nécessaire de réaliser des culasses rigides afin que la pression exercée par la culasse sur les joints disposés respectivement entre celle-ci et la plaque à clapet, et entre la plaque à clapet et le bloc cylindre, soit suffisante pour éviter les fuites du gaz frigorigène. Pour réaliser des culasses rigides pour des applications avec des pressions élevées, il est nécessaire d'avoir des pièces avec de grande inertie, donc de fait massives et lourdes. De plus, l'augmentation de rigidité de la culasse se traduit par une augmentation des surfaces de conduction thermique, et donc une augmentation du réchauffement du gaz frigorigène. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Le problème technique à la base de l'invention consiste donc à fournir une culasse pour compresseur frigorifique à piston qui soit de structure simple et compacte, et qui permette d'éviter un réchauffement du gaz frigorigène à comprimer par le gaz frigorigène comprimé. A cet effet, la présente invention concerne une culasse pour compresseur frigorifique à piston, comprenant une chambre d'aspiration de gaz frigorigène et une chambre de refoulement de gaz frigorigène, les chambres d'aspiration et de refoulement étant chacune destinées à être mises en communication avec une chambre de compression ménagée dans le compresseur, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une première pièce délimitant la chambre d'aspiration et au moins une seconde pièce délimitant la chambre de refoulement, les première et seconde pièces étant distinctes l'une de l'autre, et en ce que des moyens d'isolation thermique sont disposés entre les première et seconde pièces. La réalisation de la culasse à partir de deux pièces distinctes et la disposition de moyens d'isolation thermique entre ces deux pièces permet d'isoler thermiquement les chambres d'aspiration et de refoulement, et donc d'éviter un transfert thermique entre celles-ci. Il en résulte que le gaz frigorigène à comprimer ne peut pas être réchauffé par le gaz frigorigène comprimé. De ce fait, les performances d'un compresseur équipé d'une culasse selon l'invention sont améliorées. La réalisation de la culasse à partir de deux pièces distinctes permet de diminuer les temps d'usinage de la culasse et également d'utiliser 25 des matériaux différents pour les deux pièces. De préférence, les moyens d'isolation thermique comportent une chambre d'isolation délimitée par les première et seconde pièces. La réalisation en deux pièces de la culasse permet d'obtenir des géométries précises de la chambre d'isolation. 30 La réalisation de la culasse au moyen de deux pièces distinctes permet de réaliser une culasse ayant une masse faible. L'assemblage successif de la première pièce délimitant la chambre d'aspiration et de la seconde pièce délimitant la chambre de refoulement permet d'appliquer une pression suffisante sur les surfaces des joints séparant la zone de basse 35 pression de la zone de haute pression afin d'éviter les fuites de gaz frigorigène. Avantageusement, la chambre d'isolation comporte un volume d'air à pression atmosphérique, un volume de gaz frigorigène, tel que du CO2, à faible ou haute pression, un matériau isolant thermiquement, ou une combinaison de ces différents éléments. Lorsque cette chambre d'isolation est disposée dans une zone d'écoulement de gaz frigorigène, la vitesse de gaz à l'intérieur de celle-ci est quasiment nulle. Dans ce cas, la chambre d'isolation présente une résistance thermique composée d'une paroi de la première pièce, d'un espace de gaz à vitesse quasiment nulle, et d'une paroi de la seconde pièce. La présence de gaz frigorigène à vitesse quasiment nulle entre les parois des première et seconde pièces limite l'effet de convection entre ces deux parois, et donc réduit le transfert thermique entre les première et seconde pièces. La présence de cette chambre d'isolation sous pression de gaz frigorigène permet donc d'éviter un réchauffement du gaz frigorigène à comprimer. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'une des première et seconde pièces comprend une portion tubulaire et dans laquelle l'autre pièce comprend un passage traversant, la portion tubulaire étant agencée pour être insérée dans le passage traversant de manière à délimiter la chambre d'isolation entre la paroi extérieure de la portion tubulaire et la paroi intérieure du passage traversant. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la portion tubulaire présente une gorge s'étendant sur toute sa périphérie. De préférence, la pièce comprenant le passage traversant présente un retour tourné vers l'intérieur du passage traversant, le retour étant agencé 25 pour coopérer avec la portion tubulaire. Avantageusement, le retour s'étend sur toute la circonférence du passage traversant. Selon un mode de réalisation de l'invention, un joint d'étanchéité est disposé entre le retour et la portion tubulaire. 30 Avantageusement, le retour et la portion tubulaire délimitent une gorge destinée à être remplie de gaz frigorigène en conditions de fonctionnement du compresseur frigorifique à piston. De préférence, la chambre d'isolation est sensiblement annulaire. La présente invention concerne également une unité de 35 compression pour compresseur frigorifique à piston, comprenant une plaque à clapet et un bloc cylindre, caractérisée en ce qu'elle comprend une culasse selon l'invention. La présente invention concerne en outre un compresseur frigorifique à piston comprenant une unité de compression selon l'invention. De toute façon l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution d'une unité de compression pour compresseur frigorifique à piston selon l'invention. Figures 1 et 2 en sont deux vues en coupe longitudinale. Figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de figure 1. Figure 4 est une vue d'un détail de figure 1, à l'échelle agrandie. Figure 5 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de figure 2. Les figures 1 à 5 représentent une unité de compression 2 pour compresseur frigorifique à piston. L'unité de compression 2 comprend une culasse 3, une plaque à clapet 4 et un bloc cylindre dont seul le cylindre 5 est montré sur les figures. La culasse 3 comprend une première pièce 6 sensiblement cylindrique. La première pièce 6 est fixée sur la plaque à clapet 4. La première pièce 6 comprend deux entrées radiales de gaz frigorigène 7, 7' et délimite une chambre d'aspiration de gaz frigorigène 8 sensiblement annulaire dans laquelle débouchent les entrées radiales 7. La première pièce 6 comprend un passage traversant axial 9, le passage axial 9 étant délimité par une surface cylindrique. La première pièce 6 présente, au niveau de sa face tournée vers la plaque à clapet 4, un retour radial 11 tourné vers l'intérieur du passage traversant 9, le retour 11 s'étendant sur toute la circonférence du passage traversant 9. La culasse 3 comprend une seconde pièce 12 fixée de manière axiale sur la première pièce 6 par des vis 13. L'assemblage par vissage de la seconde pièce 12 sur la première pièce 6 permet d'avoir un degré de liberté d'orientation angulaire entre les première et seconde pièces lors de leur assemblage. La seconde pièce 12 délimite une chambre axiale de refoulement de gaz frigorigène 14 et comprend une sortie de refoulement de gaz frigorigène 35 15 débouchant radialement dans la chambre de refoulement 14. La seconde pièce 12 comprend une première portion en forme de bride 16 comportant la sortie de refoulement 15 et une seconde portion tubulaire 17 insérée dans le passage traversant 9. Comme montré plus particulièrement sur la figure 4, la portion tubulaire 17 comprend, au niveau de son extrémité libre, un épaulement 18 formant butée axiale coopérant avec le retour 11. Un joint annulaire d'étanchéité 19 est disposé entre le retour 11 et la portion tubulaire 17. La seconde portion tubulaire 17 présente une gorge annulaire 21 ménagée sur sa surface extérieure. La paroi extérieure de la portion tubulaire 17 et la paroi intérieure du passage traversant 9 délimitent une chambre annulaire d'isolation thermique 22. La chambre d'isolation 22 comporte un volume d'air à pression atmosphérique. Comme montré plus particulièrement sur la figure 4, la paroi extérieure de la portion tubulaire 17 et la paroi intérieure du passage traversant 9 délimitent une gorge annulaire 23 destinée à être remplie de gaz frigorigène pendant le fonctionnement du compresseur par l'intermédiaire d'un canal d'écoulement 24 relié à une chambre annulaire 25 délimitée par la plaque à clapet 4. Ce canal d'écoulement 24 est réalisé par un jeu entre l'extrémité libre de la portion tubulaire 17 et un joint d'étanchéité adapté 32 disposé entre la plaque à clapet 4 et la culasse 3. La présence de la gorge annulaire 23 et du joint d'étanchéité 19 permet d'isoler thermiquement le retour 11 et la portion tubulaire 17. Les chambres d'aspiration 8 et de refoulement 14 sont chacune destinées à être mises en communication avec une chambre de compression 26 délimitée par le cylindre 5 par l'intermédiaire de la plaque à clapet 4. La plaque à clapet 4 comprend un passage d'aspiration 27 débouchant respectivement dans la chambre d'aspiration 8 et dans la chambre de compression 26, et un clapet annulaire 28 situé sur la face inférieure de la plaque à clapet 4 et agencé pour contrôler l'écoulement de gaz frigorigène par le passage d'aspiration 27. Le clapet annulaire 28 est maintenu en position fermé par un élément flexible 34. La plaque à clapet 4 comprend également un passage de refoulement 29 débouchant respectivement dans la chambre de refoulement 14 et dans la chambre de compression 26, et un clapet annulaire 31 situé sur la face supérieure de la plaque à clapet 4 et agencé pour contrôler l'écoulement de gaz frigorigène par le passage de refoulement 29. Le clapet annulaire 31 est maintenu en position fermé par un élément flexible 35. Un second joint d'étanchéité adapté 33 est disposé entre la plaque 5 à clapet 4 et le bloc cylindre. Il doit être noté que l'assemblage par vissage des première et seconde pièces permet de contrôler de manière précise la pression appliquée sur les joints d'étanchéité 19, 32, 33. Le fonctionnement de l'unité de compression 2 va maintenant être 10 décrit. Lorsque le piston (non représenté sur les figures) du bloc cylindre se déplace dans le cylindre 5 dans le sens de la flèche A, une force d'aspiration est générée dans le cylindre 5. Cette force d'aspiration provoque une aspiration de gaz frigorigène dans la chambre d'aspiration 8 par 15 l'intermédiaire des entrées de gaz frigorigène 7. Le gaz frigorigène est ensuite aspiré dans la chambre de compression 26 par l'intermédiaire du passage d'aspiration 27 délimité par la plaque à clapet 4. Un anneau 36 inséré dans la chambre d'aspiration 8 permet avantageusement de guider le gaz frigorigène vers le passage d'aspiration 27, et donc de limiter les turbulences de 20 l'écoulement. Entre outre, cet anneau 36 réduit la surface d'échange vue par le gaz frigorigène. De préférence, l'anneau 36 est réalisé en un matériau limitant la conduction thermique, tel que des polymères ou une mousse. Lorsque le piston se déplace dans le cylindre 5 dans le sens de la flèche B, une force de refoulement est générée dans le cylindre 5. De ce fait, le 25 gaz frigorigène comprimé et réchauffé est refoulé dans la chambre de refoulement 14 de la culasse 3 par l'intermédiaire du passage de refoulement 29 de la plaque à clapet 4. Le gaz frigorigène s'écoulant dans la chambre d'aspiration 8 ne peut pas être réchauffé par le gaz frigorigène comprimé et réchauffé s'écoulant 30 dans la chambre de refoulement 14 du fait de la présence de la chambre d'isolation 22, du joint d'étanchéité 19 et de la gorge annulaire 23 qui évitent un transfert thermique entre les première et seconde pièces 6, 12. Selon un mode de réalisation de l'invention, le gaz frigorigène s'écoulant dans l'unité de compression est du CO2. Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, la chambre d'isolation 22 pourrait comporter un volume de CO2 à faible ou haute pression, ou un matériau isolant thermiquement. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette culasse, décrite ci-dessus à titre d'exemple, elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. C'est ainsi notamment que le circuit d'aspiration et de refoulement du gaz frigorigène dans la culasse pourrait être inversé. La seconde pièce 12 pourrait donc délimitée une chambre d'aspiration 14 de gaz frigorigène reliée à une entrée d'aspiration 15, et la première pièce 6 pourrait délimitée une chambre de refoulement 8 de gaz frigorigène reliée à deux sortie de refoulement 7. En outre, le passage axial 9 pourrait être délimité par une surface non cylindrique, et l'unité de compression 2 pourrait comprendre un seule entrée de gaz frigorigène 7. REVENDICATIONS 1. Culasse (3) pour compresseur frigorifique à piston, comprenant une chambre d'aspiration de gaz frigorigène (8) et une chambre de refoulement de gaz frigorigène (14), les chambres d'aspiration et de refoulement étant chacune destinées à être mises en communication avec une chambre de compression (26) ménagée dans le compresseur, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une première pièce (6) délimitant la chambre d'aspiration (8) et au moins une seconde pièce (12) délimitant la chambre de refoulement (14), les première et seconde pièces étant distinctes l'une de l'autre, et en ce que des moyens d'isolation thermique (19, 22, 23) sont disposés entre les première et seconde pièces. 2. Culasse selon la revendication 1, dans laquelle les moyens d'isolation thermique comportent une chambre d'isolation (22) délimitée par les première et seconde pièces (6, 12). 3. Culasse selon la revendication 2, dans laquelle la chambre 20 d'isolation (22) comporte un volume d'air à pression atmosphérique, un volume de gaz frigorigène, tel que du CO2, à faible ou haute pression, un matériau isolant thermiquement, ou une combinaison de ces différents éléments. 4. Culasse selon l'une des revendications 2 et 3, dans laquelle 25 l'une (12) des première et seconde pièces comprend une portion tubulaire (17) et dans laquelle l'autre pièce (6) comprend un passage traversant (9), la portion tubulaire (17) étant agencée pour être insérée dans le passage traversant (9) de manière à délimiter la chambre d'isolation (22) entre la paroi extérieure de la portion tubulaire et la paroi intérieure du passage traversant. 30 5. Culasse selon la revendication 4, dans laquelle la portion tubulaire (17) présente une gorge (21) s'étendant sur toute sa périphérie. 6. Culasse selon l'une des revendications 4 et 5, dans laquelle la 35 pièce (6) comprenant le passage traversant présente un retour (11) tourné versl'intérieur du passage traversant (9), le retour étant agencé pour coopérer avec la portion tubulaire (17). 7. Culasse selon la revendication 6, dans laquelle le retour (11) 5 s'étend sur toute la circonférence du passage traversant (9). 8. Culasse selon l'une des revendications 6 et 7, dans laquelle un joint d'étanchéité (19) est disposé entre le retour (11) et la portion tubulaire (17). 9. Culasse selon l'une des revendications 6 à 8, dans laquelle le retour (11) et la portion tubulaire (17) délimitent une gorge (23) destinée à être remplie de gaz frigorigène en conditions de fonctionnement du compresseur frigorifique à piston. 10. Culasse selon l'une des revendications 2 à 9, dans laquelle la chambre d'isolation (22) est sensiblement annulaire. 11. Unité de compression (2) pour compresseur frigorifique à 20 piston, comprenant une plaque à clapet (4) et un bloc cylindre, caractérisée en ce qu'elle comprend une culasse (3) selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Compresseur frigorifique à piston comprenant une unité de compression (2) selon la revendication 11. 10 15