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APPAREILS PRODUCTEURS DE FROID.
La présente invention concerne des appareils producteurs de froid et notamment des circuits générateurs de froid à rendement élevé.
Les appareils producteurs de froid envisagés dans la présente invention sont ceux dans lesquels un circuit frigorifique fermé est parcouru par un agent réfrigérant (par exemple du CH3Cl ou des gaz dits fréons)qui est contenu dans un réservoir, évaporé par détente dans un évaporateur puis comprimé et condensé par passage dans un condenseurs' pour être ramené dans le réservoir, le conder. seur pouvant lui-même servir de réservoir.
Un des objets de l'invention est d'améliorer le rendement de tels circuits générateurs de froid, en prévoyant des dispositifs régulateurs de circuits frigorifiques permettant d'obtenir une augmentation du rendement de ces circuits.
Plus spécifiquement, l'invention a parmi ses objets de prévoie
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des régulateurs ou détendeurs pour circuits frigorifiques permet- tant de maintenir à une valeur constante et déterminée la pression d'aspiration du fluide dans le circuit évaporateur, d'accroître le facteur de puissance frigorifique de l'appareil ou de l'installation et d'obtenir de 'L'évaporateur un rendement sensiblement maximum.
D'autres objets de l'invention résident dans des structures per- fectionnées de détendeurs pour circuits frigorifiques, et notamment dans les structures de presse-étoupe et de soufflet thermostatique utilisées dans ces détendeurs.
Dans un circuit frigorifique incorporant des caractéristiques de l'invention, le liquide provenant du réservoir passe dans un circuit de refroidissement préalable disposé autour d'une chambre froide de détente qui fait partie du régulateur barostatique et qui est en communication avec l'évaporateur, la basse température de cette chambre froide commençant à refroidir le fluide arrivant du réser- voir dans ce circuit de refroidissement préalable, ce qui assure la détente du fluide réfrigérant à un point plus bas du cycle frigori- fique et augmente par suite le rendement.
Un détendeur incorporant des caractéristiques de l'invention com- prend une vanne commandée par un soufflet barostatique maintenant constante la pression d'aspiration du fluide réfrigérant contenu dans le réservoir, cette vanne et ce soufflet étant disposés à l'in- térieur d'une chambre autour de laquelle est placé un circuit de cir culation du fluide avant son passage dans la vanne et dans cette chambre, une telle disposition accroissant le facteur de puissance frigorifique de l'installation, Elle empêche de plus la formation de givre à l'empiècement du joint situé entre le corps de cette cham- bre et le chapeau ou cloche du détendeur,
du fait que ce joint se trouve alors à un endroit 'du circuit frigorifique où le fluide est encore tiède. Un soufflet thermostatique assurant par son contrôle un meilleur rendement de l'évaporateur peut être incorporé dans ce déten deur, ce soufflet thermostatique étant pourvu d'un limiteur de cour- se et d'une liaison de commande du soufflet barostatique. le presse-
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étoupe assurent l'étanchéité de la cloche du détenteur est dispo- sé de manière à permettre la commande axiale d'une tige de régla- ge de la course de l'un et (ou) de l'autre des soufflets.
Ces caractéristiques et d'autres encore seront exposées en dé- tail dans la description suivante donnée en relation avec les des- sins annexés, dans lesquels:
La figure 1 représente schématiquement un circuit frigorifique incorporant des caractéristiques de l'invention, le diagramme en- tropique correspondant étant représenté sur la figure 2 et le ta- bleau de la figure 3 donnant les représentations des divers états du fluide réfrigérant au cours d'un cycle frigorifique;
Les figures 4 et 5 représentent schématiquement une vue d'ex- trémité et une vue en coupe suivant la ligne abcd de la figure 4 d'un exemple de structure de détendeur mettant en oeuvre certaines caractéristiques de l'invention;
et,
Les figures 6 et 7 représentent, avec les mêmes dispositions, un autre exemple de réalisation de détendeur automatique (sans commande thermostatique) selon certaines caractéristiques de l'in- vention.
Le circuit frigorifique représenté schématiquement sur la fi- gure 1 comprend un réservoir 1 de fluide réfrigérant à l'état li- quide sous haute pression, comme indiqué par la représentation C de la figure 3, qui est dirigé vers le détendeur 2 par une canali- sation 3 se terminant dans le détendeur 2, suivant' une caractéris- tique de l'invention, par un circuit de refroidissement préalable 4 entourant la chambre froide 5 ou passant à travers une portion de-cette chambre dans laquelle le fluide pénètre ensuite. De cette chambre 5, le fluide réfrigérant passe après détente par une cana- lisation 6 dans l'évaporateur 7 à l'état de mélange liquide-vapeur basse pression selon la représentation de la courbe B de la figure 3.
A la sortie de l'évaporateur, le fluide sous forme de vapeur surchauffée.(représentation D, figure 3) est transmis par une cana- lisation 8 à un compresseur 9 d'où il ressort sous forme de vapeur
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haute pression (représentation G, figure 3) dans une canalisation 10 qui 1'amène au condenseur 11 dans lequel il se transforme en un mé- lange liquide-vapeur haute pression (A, figure 3) pour retourner an réservoir 1 de liquide réfrigérant haute pression.
Le détendeur thermostatique 2 dont font partie la chambre froi- de 5 et le circuit de refroidissement préalable 4 comprend une double commande barostatique et thermostatique qui=. va maintenant être dé- drite en plus de détails : - lorsque le liquide qui circule dans le circuit 4 arrive à l'orifice 12 de communication entre le circuit de refroidissement préalable 4 et la chambre 5, son passage est commande par un pointeau 13, poussé en permanence pour fermer cet orifice sous l'action du ressort 14, qui agit également dans le même sens par la liaison mécanique rigide 15 sur le soufflet barostatique 16.
Ce souf flet barostatique 16 est donc soumis d'une part à la pression de 1' évaporateur qui règne dans la chambre 5 dont il constitue une pardi et à la pression du ressort 14, et d'autre part à la pression atmos- phérique régnant sur son autre face dans le chapeau ou cloche 17 du détendeur et à la pression du ressort de réglage 18 et du soufflet 20 qui lui est transmise par la liaison mécanique rigide 19. La près sion atmosphérique régnant dans la cloche 17 étant supposée constante si la pression de l'évaporateur descend au dessous de la valeur ad- mise par le réglage du ressort 18, la somme des pressions atmosphé- riques et du ressort 18 sur le soufflet barostatique 16 va devenir plus grande que la somme des pressions de l'évaporateur et du res- sort 14.
L'équilibre des pressions sur ses deux faces étant détruit, le soufflet barostatique 16 s'allonge et, par la liaison rigide 15, éloigne le pointeau 13 de son siège, ouvrant ainsi l'orifice 12. Le liquide refroidi dans le circuit 4 passe alors à travers l'orifice 12 et alimente l'évaporateur 7 où il se vaporise. La pression de 1' évaporateur remonte. Le soufflet se contracte progressivement et le pointeau vient de nouveau fermer ou étrangler la vanne 12. On voit que le soufflet 16 tend ainsi à maintenir à une valeur constante et déterminée la pression dans l'évaporateur.
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La tige ou liaison rigide 19 rend solidaire le soufflet baro- statique 16 d'un soufflet thermostatique 20. Ce soufflet 20 est re- lié par un tube capillaire 21 à un bulbe 22 disposé en contact thermique avec la sortie de l'évaporateur 7, comme représenté. L' ensemble 20-21-22 contient un liquide frigorigéne approprié. La température qui règne à la sortie de l'évaporateur 7 détermine dans le système thermostatique une certaine pression. D'autre part, le soufflet 20 est extérieurement soumis à la pression atmosphérique et à l'action des ressorts 14 et 23. Sa hauteur sera par suite mo- difiée par toute variation de sa pression interne sous l'action de variations de température à la sortie de l'évaporateur.
Si le fluide introduit dans l'évaporateur n'a pas été entièrement vapo- risé, le liquide arrive dans la ligne de retour 8 de l'aspiration qui givre. Le soufflet barostatique 16 n'agit pas car la pression demeure constante pendant toute la durée de la vaporisation. ais le fluide contenu dans le bulbe 22 se refroidit et la pression baisse dans le soufflet 20 qui se contracte contre l'action du res- sort 18 et ramène par suite le pointeau 13 sur son siège. L'orifice 12 étant ainsi fermé, il n'y a pas de nouvel apport de fluide dans l'évaporateur, mais le fluide qu'il contient déjà va pouvoir se vaporiser entièrement.
Si au contraire, le fluide est déjà vaporisé avant de quitter l'évaporateur 7, il existe de la vapeur surchauf- fée à hauteur du bulbe 22, le fluide contenu dans le bulbe 22 se réchauffe, la pression s'élève à l'intérieur du soufflet 20 qui se dilate et, au delà de l'écart de température admis par son réglage @ soulève de son siège le pointeau 13. Un nouvel apport de liquide passe par l'ouverture 14 dans l'évaporateur 7. Ce soufflet ther- mostatique tend donc à obtenir de l'évaporateur un rendement maxi- mum.
Le fonctionnement théorique du circuit frigorifique décrit ain- si que les avantages conférés par la mise en oeuvre de l'invention dans ce circuit apparaîtront plus clairement en se référant au diagramme entropique représenté sur la figure 2, dans lequel les
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représentations de la figure 5 ont été adoptées pour les divers é- tats du fluide au cours du cycle, ce qui permet de voir directement d'après les dessins la relation entre le circuit frigorifique de la figure 1 et ce diagramme entropique.
Dans ce diagramme, qui représente les propriétés d'un kilogram- me-masse de fluide pendant son évolution cyclique, les entropies S sont portées en abscisses et les températures en ordonnées. Les quantités de chaleur reçues au cours d'une transformation sont re- présentées par des àires sur ce diagramme. Ce diagramme n'est donné que comme moyen commode de rendre apparentes les différences rela- tives entre des cycles étudiés par le fait qu'il ne représente réel lement que des modifications réversibles donc infiniment lentes, ce qui n'est pas le cas dans les circuits frigorifiques, les frotteme::. et l'hystérésis croissant avec la vitesse de succession des cycles.
/ A sa sortie,¯du compresseur, la valeur du fluide utilisé, par exemple le CH3Cl, se trouve à haute pression au point K (+ 100 C) du diagramme entropique et dans la canalisation 10 suit l'isobare KL qui l'amène en L (à l'entrée du condenseur 11). Dans'le condenseur
11, elle se transforme progressivement en liquide en suivant l'iso- therme LM à la température de + 35 par exemple (représentation A de la figure 3). En M, le liquide est alors refroidi à pression con stante au dessous de la température de liquéfaction, selon l'isoba- re MN de + 35 C à + 15 C (représentation C de la figure 3) en passant du condenseur 11 au détendeur 2.
Avec un détendeur d'un type usuel où le réservoir est directe- ment relié par une canalisation telle que 3 à l'entrée du détendeur, au point N, où l'orifice 12 est découvert par le pointeau 13, le liquide subirait une brusque détente qui l'amènerait, sans produc- tion de vapeur, à la pression correspondant à la température du li- quide + 15 C, puis il se détendrait en suivant la courbe de lami- nage NQ1 à potentiel thermique constant. Ce laminage est un chan- gement d'état irréversible car la pression du fluide diminue sans production de travail et sans échange de chaleur. Cette courbe de
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laminage NQ1 rencontrerait l'isotherme Q1H1 en Q1, et le fluide se vaporiserait progressivement dans l'évaporateur suivant cette isotherme à -20 C. à pression constante.
La puissance frigorifi- que unitaire (quantité de chaleur absorbée par la vaporisation) est alors représentée par la différence des potentiels thermiques au début et à la fin de l'opération, en Q1 et en H1 respectivement
Dans le cas du détendeur schématiquement représenté sur la figure 1, cependant, en raison de la présence du circuit de re- froidissement préalable 4, le liquide arrive au détendeur 2 à + 15 C. par exemple mais en passant d'abord à travers le circuit 4, il se refroidit encore jusqu'à par exemple -2 C.
avant d'arri- ver à l'orifice du pointeau et ce n'est qu'au point F qu'il se détend suivant la courbe de laminage PQ, puis se vaporise suivant l'isotherme QH1 .Dans ce cas également, la puissance frigorifique unitaire est représentée par la différence des potentiels thermi- ques au début et à la fin de l'opération de vaporisation, c'est- à-dire en Q et H1 respectivement. Puisque le potentiel thermique en Q est de toute évidence nettement inférieur au potentiel ther- mique en Q1, la puissance frigorifique unitaire est augmentée, donc le rendement en frigories du circuit. Dans un exemple de réa- lisation pratique, pour les températures supposées ci-dessus à titre d'illustration, la Demanderesse a obtenu une augmentation de 7 % de cette puissance.
De même pour avoir une même puissance fri- gorifique avec une installation comportant un détendeur incorpo- rant des caractéristiques de l'invention qu'avec une installation comportant un détendeur d'un type usuel, le débit en poids du flui de est inférieur à celui qui est nécessaire pour l'installation qui ne présente pas de refroidissement préalable du fluide à dé- tendre, et la puissance absorbée est plus faible.
Deux exemples de réalisation de détendeurs incorporant des caractéristiques de l'invention vont maintenant être décrits en relation avec les figures 4 à 7 inclusivement. Dans ces figures, les références numériques du détendeur de la figure 1 ont été
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reportées aux éléments correspondants. Les figures 5 et 7 représen- tent respectivement, comme sus-indiqué, des coupes des détendeurs suivant la ligne abcd de chqque vue d'extrémité des figures 4 et 6.
Le détendeur représenté sur les figures 4 et 5 est dans son en- semble analogue à celui de la figure 1. Il comprend un corps de van ne 30, en laiton par exemple, abritant la vanne 12-15 et le souf- flet barostatique 16, et une cloche isothermique 31 en une substan- ce telle que la "bakélite", à l'intérieur de laquelle se trouve le soufflet thermostatique 20. Le fluide réfrigérant arrive au corps d vanne 50 par un raccord fileté 32 venant se visser dans une portion de canalisation 33 faisant partie du corps de vanne 30. Un chapeau fileté 54 est représenté sur l'extrémité du raccord fileté 32 afin de protéger le filetage et d'empêcher l'introduction d'humidité dans le détendeur pendant l'entreposage.
Le fluide réfrigérant parcourt alors une gorge ou circuit en hélice 4 autour de la chambre 5 contenant le soufflet barostatique
16, Cette gorge 4 est réalisée dans l'exemple représenté au moyen d'une pièce annulaire 35 dont la forme intérieure est celle d'une rampe hélicoïdale et qui s'adapte autour de la portion du corps de vanne 30 formant la chambre 5. La fixation de cette pièce annulaire
35 est réalisée par des joints étanches, à la soudure par exemple,
35-36', entre cette pièce et le corps de vanne 30. Un conduit 37 fait communiquer cette gorge hélicoïdale 4 avec l'orifice d'entrée
12 de la chambre de détente 5.
Un filtre 38, en toile à mailles fines, en toile de laiton par exemple, est placé dans la canalisation 33 pour retenir les impure- tés qui pourraient se trouver dans le circuit du fluide réfrigérant= 1:'orifice 12 est percé dans une pièce annulaire 39 en un métal dur et inattaquable par les fluides réfrigérants utilisés, par exem ple en un acier de très grande dureté, le pointeau 13 étant consti- tué par la même substance. Cette pièce 39 est scellée dans une por- tion réentrante du corps de vanne 50. L'angle au sommet de la por- tion conique du pointeau 13 est de préférence égal à 45 afin de
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permettre an réglage très précis, cet angle assurant en effet la plus longue course du pointeau compatible avec la précision de l'obturation.
A titre d'exemple, un orifice 12 de 1 mm. de dia- mètre nécessite ainsi pour son ouverture totale une course du pointeau 13 de 1,2 mm.
La pièce 39 est scellée dans une pièce à perçage axial 40 vis- sée dans le moyeu du croisillon central 41 du corps de vanne 30.
Le fluide frigorigéne, après avoir passé par l'orifice 12 dans la chambre 5, ressort de cette chambre par un raccord fileté femelle 42 pour passer dans l'évaporateur.
Le pointeau 13 est solidaire d'une plaque ou assiette 43 entre la face de droite de laquelle et le fond d'un chapeau de fermetu- re 44 du corps de vanne 30 est maintenu comprimé le ressort héli- coïdal 14. Sur cette assiette 43 sont rivées trois tiges 77 dispo- sées suivant les arêtes d'un prisme à base triangulaire équilaté- rale, comme mieux visible sur la figure 4, dans laquelle le cha- peau 44 et la plaque 43 ont été enlevés. Ces tiges 77 passent à travers des découpages 45de la portion centrale en croisillon 41.
A leurs extrémités opposées, ces tiges 77 sont rivées dans le fond 46 du soufflet barostatique 15.
Les trois tmges de liaison entre l'assiette 43 et le soufflet 16 assurent, comme on voit, la stabilité du pointeau 13. De plus, le centrage du pointeau est renforcé par le coulissement de sa queue dans un logement 78 du chapeau 44. Le joint entre ce cha- peau 44 et le corps de vanne 30 est rendu étanche comme indiqué en 47.
Le tube plissé 16 utilisé comme soufflet barostatique est en un métal très élastique, tel que l'alliage connu sous la dénomi- nation de "tombac" . Les gorges du soufflet sont prévues très pro- fondes, ce qui augmente sa souplesse. De cette manière, cet élé- ment suit avec exactitude des différences de pression très mini- mes et prend toutes ses positions par une variation continue sans éqmilibre intermédiaire. A son extrémité opposée au fond 46,
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il est fixé sur le corps de vanne 30 au moyen d'une couronne métalli que 48 scellée dans le corps de vanne.
La chambre intérieure du soufflet 16 est fermée du côté de la cloche 31 par une pièce 49, de préférence en "bakélite" ou autre sub stance mauvaise conductrice de la chaleur vissée dans la cloche 31.
Cette pièce en bakélite 49 est percée en son centre d'une ouvertu- re permettant le passage d'une tige 19 scellée dans le centre du fond 46 du soufflet 16. Cette tige 19 représente un palier ou butée 50. Entre cette butée 50 et le fond de la pièce 49 est placé le res- sort de compression 23 enroulé autour de la tige 19. a tige 19 pas-- à travers une plaque 51 fixée dans la cloche 31 et portant contre la pièce 49. Cette pièce assure un peilleur isolement thermique de la chambre intérieure du soufflet 16. L'extrémité libre de la tige 19 vient buter contre une pièce 52 du fond du soufflet thermostatique 20 contenu dans la cloche 31.
Le fond libre du soufflet thermostatique 20 comprend une plaque 53 dans laquelle est fixée centralement la pièce 52, et sur laquelle vient se raccorder périphériquement le tube plissé 20 qui présente les mêmes caractéristiques d'élasticité que le tube plissé 16. Ce soufflet 20 est pourvu intérieurement, d'une part d'un ressort de compression 18 et, d'autre part, d'un dispositif limiteur d'expani
Ce dispositif limiteur d'expansion est constitué de la manière suivante dans l'exemple de réalisation représenté : Le fond 54 oppo- sé au fond 53 est constitué par une plaque fixée en son centre sur une pièce de réglage mécanique 55 dont la structure sera précisée plus loin.
Toutefois, cette pièce de réglage 55 est prolongée par une portion de plus petit diamètre comprenant deux demi-cylindres 56-57 auxquels leur épaisseur réduite confère une certaine élastici- té transversale. Ces demi-cylindres 56-57 se terminent respectivemei., par des extrémités élargies en forme de cames comme représenté en 58 et 59.
La pièce 52 fixée dans le fond 53 du soufflet porte hissée à son extrémité un manchon 60 dont l'extrémité 61 est d'une forme tel- le qu'elle vient s'enclencher avec les extrémités 58-59 des demi-
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cylindres 56-57 lorsqu'elle est poussée à force par dessus ces dômi-cylindres. le verrouillage des pièces 56-57 et 60 est alors assuré par les formes particulières de leurs extrémités 58-59 et 61, puisqu'après s'être momentanément écrasés, les demi-cylindres reviennent par élasticité à leur forme normale. Cette structure évite par suite une dilatation exagérée du soufflet 20 tout en lui permettant de se contracter, contre l'action du ressort 18, car les demi-cylindres 56-57 peuvent coulisser à l'intérieur de la pi- èce 52.
Sut la figure 5, le soufflet 20 est représenté à sa dila- tation maximum et le dispositif limiteur d'expansion est à bout de course.
La pièce de réglage 55 est traversée axialement par l'extré- mité 62 du tube capillaire 21 de l'ensemble thermostatique, qui est scellée de manière étanche comme indiqué en 63. La pièce de réglage 55 peut se visser par un filetage d'extrémité 64 dans un pas de vis métallique 65 scellé dans un chapeau 66. La course de réglage axial de la pièce 55 est de plus limitée par une butée 67 qui coulisse dans une rainure longitudinale 68 du corps de la cloche 31.
Le dispositif de fermeture de la cloche 31 dont font partie la pièce de réglage 55 et le chapeau 66 constitue un joint étan- che permettant un réglage axial de la tige 55, donc de la course du soufflet 20, sans agir sur le presse-loup constitué par un bourrage 69 serré par un écrou axialement percé 70 dans l'extré- mité de la cloche 31.
La tige de réglage 55 peut en effet coulis- ser librement à travers l'écrou 70, mais lorsqu'on fait tourner le chapeau d'extrémité 66, cette tige est entraînée axialement sans tourner du fait que ce chapeau 66 ne peut, lui, se déplacer axialement, en raison des vis telles que 71 qui sont vissées dans des pièces filetées métalliques 72 insérées dans le chapeau et glissent, sans pouvoir en sortir, dans tine rainure périphérique 73 de l'extrémité de la cloche 31. Le réglage de la course du soufflet thermostatique 20 ne réagit donc pas sur le presse-
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étoupe 69-70, et le jeu axial indésirable de cette terminaison est rendu très faible par les vis 71.
Pour enlever le chapeau 66, il sus fit de dévisser les vis 71 et lorsque ces vis sont sorties de la rainure périphérique 73, le chapeau 66 peut être dévissé, la butée 67 empêchant la tige 55 de se déplacer axialement dès que cette butée porte contre le fond de son logement 68.
On voit que cette disposition rend simple le réglage de la sur- chauffe, puisqu'il suffit de tourner le chapeau 66 dont la surface extérieure est prévue en forme de bouton de réglage.
La cloche 31, la tige de commande 19, le chapeau 66 et la pièce 49 avec sa plaque d'extrémité 51 sont de préférence réalisés en une substance mauvaise conductrice de la chaleur, telle que la "bakéli- te", ce qui assure, d'une part d'isolement thermique du soufflet thermostatique 20 par rapport à l'atmosphère extérieure et le pro- tège d'autre part contre l'action du froid qui règne à l'intérieur de la chambre barostatique 5.
Comme le joint étanche 69-70 sépare la chambre thermostatique 17 de l'atmosphère, le fonctionnement de l'ensemble sera stable en ce qui concerne les variations de la pression atmosphérique et du de- gré hygrométrique extérieur qui ne peuvent ainsi réagir sur les or- ganes de régulation internes du circuit frigorifique.
Les figures 6 et 7 représentent, suivant la même disposition que les figures 4 et 5, un exemple de réalisation de détendeur automa- tique mettant en oeuvre certaines caractéristiques de l'invention.
Dans cette réalisationp la structure du corps de vanne 31, du circuit de refroidissement préalable 4 et du soufflet barostatique 16 sont les mêmes que dans le cas des figures 4 et 5, et les détails de ces éléments peuvent être par suite désignés par les mêmes réfé- rences, toute description étant, par suite rendu inutile. Cependant, dans ce détendeur, la commande thermostatique est supprimée. Il en résulte que la cloche 31 est de forme plus aplatie, bien qu'étant terminée, de préférence, par un presse-étoupe et un chapeau analo- gues à ceux de la réalisation de la figure 5.
La pièce de réglage
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55 sert à régler la commande barostatique du détendeur, la tige 19 étant modifiée de la manière suivante : la butée 50 est prévue plus près de l'extrémité de la tige 19 vers le fond 46 du soufflet 16 que dans la figure 5, et le ressort de compression 23 est serré entre cette butée 50 et une butée 75 constituée par l'ex- trémité de la pièce 55. Cette pièce 55 est alors prévue avec un canal axial 76 qui ne s'étend que sur une partie de sa longueur.
Dans ce canal 76 peut coulisser l'extrémité de la tige 19 qui suit les dilatations et contractions du soufflet barostatique 16 lors- que ce dernier est soumis à des variations de pression. Le régla- ge est assuré par le déplacement axial de la tige 55 qui règle le degré de compression du ressort 23.
Il est clair que l'invention n'est pas limitée aux exemples spécifiques de réalisation montrés et décrits, mais au contraire susceptible de nombreuses modifications et adaptations sans sor- tir de son domaine. Les dispositions générales des figures 5 et 7 peuvent même être utilisées de toute évidence sens circuit de refroidissement préalable dans des détendeurs thermostatiques ou automatiques usuels.
R E S U M E .
La présente invention concerne des appareils producteurs de froid et prévoit notamment des détendeurs pour circuits frigori- fiques dans lesquels le fluide provenant du condenseur-réservoir passe avant d'arriver à la vanne de détente à travers un circuit de reffoidissement. D'autres caractéristiques de l'invention ré- si4ent dans les modes d'assemblage des diverses parties consti- tuant les détendeurs, notamment dans les structures de presse- étoupe et de limiteur de course de soufflet thermostatique.
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COLD PRODUCING DEVICES.
The present invention relates to cold-producing devices and in particular to high-efficiency cold-generating circuits.
The cold-producing devices envisaged in the present invention are those in which a closed refrigeration circuit is traversed by a refrigerant (for example CH3Cl or so-called freon gases) which is contained in a tank, evaporated by expansion in an evaporator and then compressed. and condensed by passing through a condenser to be returned to the tank, the conder. sor can itself serve as a reservoir.
One of the objects of the invention is to improve the efficiency of such cold generating circuits, by providing refrigeration circuit regulating devices making it possible to obtain an increase in the efficiency of these circuits.
More specifically, the invention has among its objects to provide
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regulators or expansion valves for refrigeration circuits which make it possible to maintain the suction pressure of the fluid in the evaporator circuit at a constant and determined value, to increase the refrigerating power factor of the appliance or installation and to obtain substantially maximum efficiency from the evaporator.
Other objects of the invention reside in improved structures of expansion valves for refrigeration circuits, and in particular in the structures of the gland and thermostatic bellows used in these expansion valves.
In a refrigeration circuit incorporating features of the invention, the liquid coming from the reservoir passes into a pre-cooling circuit arranged around a cold expansion chamber which is part of the barostatic regulator and which is in communication with the evaporator, the low temperature of this cold room starting to cool the fluid arriving from the reservoir in this pre-cooling circuit, which ensures the expansion of the refrigerant fluid to a lower point in the refrigeration cycle and consequently increases the efficiency.
A pressure reducing valve incorporating features of the invention comprises a valve controlled by a barostatic bellows maintaining constant the suction pressure of the refrigerant fluid contained in the reservoir, this valve and this bellows being arranged inside a valve. chamber around which a circuit for circulating the fluid is placed before it passes through the valve and into this chamber, such an arrangement increasing the refrigerating power factor of the installation, It also prevents the formation of frost at the insert the gasket located between the body of this chamber and the regulator cap or bell,
because this seal is then located at a place 'of the refrigeration circuit where the fluid is still lukewarm. A thermostatic bellows ensuring by its control a better performance of the evaporator can be incorporated in this expansion valve, this thermostatic bellows being provided with a current limiter and a connection for controlling the barostatic bellows. the press-
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packing ensure the tightness of the bell of the holder is arranged so as to allow the axial control of a rod for adjusting the stroke of one and (or) of the other of the bellows.
These characteristics and others will be explained in detail in the following description given in connection with the appended drawings, in which:
Figure 1 shows schematically a refrigeration circuit incorporating features of the invention, the corresponding tropic diagram being shown in Figure 2 and the table of Figure 3 giving representations of the various states of the refrigerant during cooling. a refrigeration cycle;
Figures 4 and 5 schematically show an end view and a sectional view along the line abcd of Figure 4 of an example of a regulator structure embodying certain features of the invention;
and,
FIGS. 6 and 7 represent, with the same arrangements, another embodiment of an automatic expansion valve (without thermostatic control) according to certain characteristics of the invention.
The refrigeration circuit shown schematically in FIG. 1 comprises a reservoir 1 of refrigerant fluid in the liquid state under high pressure, as indicated by representation C of FIG. 3, which is directed towards the expansion valve 2 by a channel. - Station 3 ending in the expansion valve 2, according to a feature of the invention, by a pre-cooling circuit 4 surrounding the cold chamber 5 or passing through a portion of this chamber into which the fluid then enters. From this chamber 5, the refrigerant fluid passes after expansion through a pipe 6 in the evaporator 7 in the state of a low pressure liquid-vapor mixture according to the representation of curve B in FIG. 3.
At the outlet of the evaporator, the fluid in the form of superheated vapor (representation D, figure 3) is transmitted through a pipe 8 to a compressor 9 from which it comes out in the form of vapor.
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high pressure (representation G, figure 3) in a pipe 10 which leads it to the condenser 11 in which it transforms into a high pressure liquid-vapor mixture (A, figure 3) to return to tank 1 of high refrigerant liquid pressure.
The thermostatic expansion valve 2 of which the cold chamber 5 and the pre-cooling circuit 4 form part comprises a dual barostatic and thermostatic control which =. will now be described in more details: - when the liquid circulating in circuit 4 arrives at the orifice 12 for communication between the pre-cooling circuit 4 and chamber 5, its passage is controlled by a needle 13, permanently pushed to close this orifice under the action of the spring 14, which also acts in the same direction by the rigid mechanical connection 15 on the barostatic bellows 16.
This barostatic bellows 16 is therefore subjected on the one hand to the pressure of the evaporator which prevails in the chamber 5 of which it constitutes a pardi and to the pressure of the spring 14, and on the other hand to the atmospheric pressure prevailing. on its other face in the cap or bell 17 of the regulator and to the pressure of the adjustment spring 18 and of the bellows 20 which is transmitted to it by the rigid mechanical connection 19. The atmospheric pressure prevailing in the bell 17 being assumed to be constant if the evaporator pressure drops below the value allowed by the adjustment of the spring 18, the sum of the atmospheric pressures and the spring 18 on the barostatic bellows 16 will become greater than the sum of the pressures of the evaporator and spring 14.
The pressure balance on its two faces being destroyed, the barostatic bellows 16 lengthens and, by the rigid connection 15, moves the needle 13 away from its seat, thus opening the orifice 12. The cooled liquid in the circuit 4 passes. then through the orifice 12 and feeds the evaporator 7 where it vaporizes. The pressure in the evaporator rises. The bellows contracts progressively and the needle again closes or throttles the valve 12. It can be seen that the bellows 16 thus tends to maintain the pressure in the evaporator at a constant and determined value.
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The rod or rigid connection 19 makes the barostatic bellows 16 integral with a thermostatic bellows 20. This bellows 20 is connected by a capillary tube 21 to a bulb 22 arranged in thermal contact with the outlet of the evaporator 7, as shown. Set 20-21-22 contains suitable refrigerant. The temperature which prevails at the outlet of the evaporator 7 determines a certain pressure in the thermostatic system. On the other hand, the bellows 20 is externally subjected to atmospheric pressure and to the action of the springs 14 and 23. Its height will consequently be modified by any variation in its internal pressure under the action of variations in temperature. the evaporator outlet.
If the fluid introduced into the evaporator has not been entirely vaporized, the liquid arrives in the return line 8 of the suction which freezes. The barostatic bellows 16 does not act because the pressure remains constant throughout the duration of the vaporization. However, the fluid contained in the bulb 22 cools and the pressure drops in the bellows 20 which contracts against the action of the spring 18 and consequently brings the needle 13 back to its seat. The orifice 12 being thus closed, there is no new supply of fluid to the evaporator, but the fluid which it already contains will be able to vaporize entirely.
If, on the contrary, the fluid is already vaporized before leaving the evaporator 7, there is superheated vapor at the height of the bulb 22, the fluid contained in the bulb 22 heats up, the pressure rises inside bellows 20 which expands and, beyond the temperature difference allowed by its adjustment @ lifts needle 13 from its seat. A new supply of liquid passes through opening 14 in evaporator 7. This thermal bellows mostatique therefore tends to obtain maximum efficiency from the evaporator.
The theoretical operation of the refrigeration circuit described so that the advantages conferred by the implementation of the invention in this circuit will appear more clearly by referring to the entropy diagram represented in FIG. 2, in which the
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The representations of FIG. 5 have been adopted for the various states of the fluid during the cycle, which makes it possible to see directly from the drawings the relationship between the refrigeration circuit of FIG. 1 and this entropy diagram.
In this diagram, which represents the properties of a kilogram-mass of fluid during its cyclic evolution, the entropies S are plotted on the abscissa and the temperatures on the ordinate. The quantities of heat received during a transformation are represented by areas in this diagram. This diagram is given only as a convenient means of making apparent the relative differences between the cycles studied by the fact that it really only represents reversible modifications and therefore infinitely slow, which is not the case in the cycles. refrigeration circuits, frotteme ::. and the hysteresis increasing with the rate of succession of the cycles.
/ At its outlet, ¯ from the compressor, the value of the fluid used, for example CH3Cl, is at high pressure at point K (+ 100 C) of the entropy diagram and in pipe 10 follows the isobar KL which brings it in L (at the inlet of condenser 11). In the condenser
11, it is gradually transformed into liquid by following the LM isotherm at a temperature of + 35 for example (representation A in FIG. 3). At M, the liquid is then cooled to a constant pressure below the liquefaction temperature, according to the isobar MN from + 35 C to + 15 C (representation C in figure 3) passing from the condenser 11 to the expansion valve. 2.
With a regulator of a conventional type where the reservoir is directly connected by a pipe such as 3 to the inlet of the regulator, at point N, where the orifice 12 is uncovered by the needle 13, the liquid would undergo a sudden expansion which would bring it, without production of steam, to the pressure corresponding to the temperature of the liquid + 15 C, then it would expand following the rolling curve NQ1 at constant thermal potential. This rolling is an irreversible change of state because the pressure of the fluid decreases without production of work and without exchange of heat. This curve of
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rolling NQ1 would encounter the isotherm Q1H1 in Q1, and the fluid would vaporize progressively in the evaporator following this isotherm at -20 C. at constant pressure.
The unit cooling capacity (quantity of heat absorbed by the vaporization) is then represented by the difference of the thermal potentials at the start and at the end of the operation, in Q1 and in H1 respectively.
In the case of the expansion valve schematically represented in FIG. 1, however, due to the presence of the pre-cooling circuit 4, the liquid arrives at the expansion valve 2 at + 15 C. for example, but passing first through the circuit 4, it still cools down to e.g. -2 C.
before reaching the orifice of the needle and it is only at point F that it relaxes following the rolling curve PQ, then vaporizes according to the isotherm QH1. In this case also, the power unit refrigeration is represented by the difference of the thermal potentials at the start and at the end of the vaporization operation, that is to say in Q and H1 respectively. Since the thermal potential in Q is obviously much lower than the thermal potential in Q1, the unit cooling capacity is increased, and therefore the cooling efficiency of the circuit. In an exemplary practical embodiment, for the temperatures assumed above by way of illustration, the Applicant has obtained a 7% increase in this power.
Likewise, in order to have the same refrigerating power with an installation comprising a pressure reducing valve incorporating characteristics of the invention as with an installation comprising a pressure reducing valve of a conventional type, the flow rate by weight of the fluid is less than that. which is necessary for the installation which does not have prior cooling of the fluid to be released, and the power absorbed is lower.
Two exemplary embodiments of regulators incorporating characteristics of the invention will now be described in relation to FIGS. 4 to 7 inclusive. In these figures, the reference numerals of the regulator of figure 1 have been
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carried over to the corresponding elements. Figures 5 and 7 show respectively, as indicated above, cross-sections of the regulators along the line abcd of each end view of Figures 4 and 6.
The regulator shown in Figures 4 and 5 is generally similar to that of Figure 1. It comprises a valve body 30, in brass for example, housing the valve 12-15 and the barostatic bellows 16. , and an isothermal bell 31 in a substance such as "bakelite", inside which is the thermostatic bellows 20. The refrigerant fluid arrives at the valve body 50 via a threaded connection 32 which is screwed into a a portion of line 33 forming part of the valve body 30. A threaded bonnet 54 is shown on the end of the threaded fitting 32 to protect the thread and to prevent moisture from entering the regulator during storage.
The refrigerant then travels through a groove or helical circuit 4 around the chamber 5 containing the barostatic bellows
16, This groove 4 is produced in the example shown by means of an annular part 35, the internal shape of which is that of a helical ramp and which fits around the portion of the valve body 30 forming the chamber 5. The fixing of this annular part
35 is produced by watertight joints, for example by welding,
35-36 ', between this part and the valve body 30. A duct 37 communicates this helical groove 4 with the inlet orifice
12 of the relaxation room 5.
A filter 38, of fine mesh cloth, of brass cloth for example, is placed in the pipe 33 to retain the impurities which could be found in the refrigerant circuit = 1: the orifice 12 is drilled in a part annular 39 in a hard metal and unassailable by the refrigerant fluids used, for example in a steel of very great hardness, the needle 13 being formed by the same substance. This part 39 is sealed in a reentrant portion of the valve body 50. The angle at the apex of the conical portion of the needle 13 is preferably equal to 45 in order to
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allow a very precise adjustment, this angle in fact ensuring the longest stroke of the needle compatible with the precision of the shutter.
For example, an orifice 12 of 1 mm. diameter thus requires for its total opening a stroke of the needle 13 of 1.2 mm.
The part 39 is sealed in an axial bore part 40 screwed into the hub of the central spider 41 of the valve body 30.
The refrigerant, after having passed through the orifice 12 into the chamber 5, leaves this chamber through a female threaded connection 42 to pass into the evaporator.
The needle 13 is integral with a plate or plate 43 between the right face of which and the bottom of a closing cap 44 of the valve body 30 is kept compressed, the coil spring 14. On this plate 43 three rods 77 arranged along the edges of a prism with an equilateral triangular base are riveted, as best seen in FIG. 4, in which the cap 44 and the plate 43 have been removed. These rods 77 pass through cutouts 45 of the central cross section 41.
At their opposite ends, these rods 77 are riveted to the bottom 46 of the barostatic bellows 15.
The three connecting rods between the plate 43 and the bellows 16 ensure, as can be seen, the stability of the needle 13. In addition, the centering of the needle is reinforced by the sliding of its tail in a housing 78 of the cap 44. The the seal between this cap 44 and the valve body 30 is sealed as indicated at 47.
The pleated tube 16 used as the barostatic bellows is made of a very elastic metal, such as the alloy known as "tombac". The grooves of the bellows are provided very deep, which increases its flexibility. In this way, this element follows very small pressure differences with exactitude and takes all its positions by a continuous variation without intermediate equilibrium. At its end opposite the bottom 46,
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it is fixed to the valve body 30 by means of a metal crown 48 sealed in the valve body.
The inner chamber of the bellows 16 is closed on the side of the bell 31 by a part 49, preferably of "bakelite" or other poor heat conductor substance screwed into the bell 31.
This bakelite piece 49 is pierced in its center with an opening allowing the passage of a rod 19 sealed in the center of the bottom 46 of the bellows 16. This rod 19 represents a bearing or stop 50. Between this stop 50 and the bottom of the part 49 is placed the compression spring 23 wound around the rod 19. a rod 19 not-- through a plate 51 fixed in the bell 31 and bearing against the part 49. This part provides a peilleur thermal insulation of the inner chamber of the bellows 16. The free end of the rod 19 abuts against a part 52 of the bottom of the thermostatic bellows 20 contained in the bell 31.
The free bottom of the thermostatic bellows 20 comprises a plate 53 in which the part 52 is fixed centrally, and on which is peripherally connected the pleated tube 20 which has the same elastic characteristics as the pleated tube 16. This bellows 20 is provided with internally, on the one hand, a compression spring 18 and, on the other hand, an expansion limiting device
This expansion limiting device is made up as follows in the exemplary embodiment shown: The bottom 54 opposite the bottom 53 is constituted by a plate fixed at its center on a mechanical adjustment part 55, the structure of which will be specified. further.
However, this adjusting part 55 is extended by a portion of smaller diameter comprising two half-cylinders 56-57 to which their reduced thickness confers a certain transverse elasticity. These half-cylinders 56-57 end respectively., With widened ends in the form of cams as shown at 58 and 59.
The part 52 fixed in the bottom 53 of the bellows carries hoisted at its end a sleeve 60, the end 61 of which is of such a shape that it engages with the ends 58-59 of the halves.
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cylinders 56-57 when forcibly pushed over these domi-cylinders. the locking of the parts 56-57 and 60 is then ensured by the particular shapes of their ends 58-59 and 61, since after being momentarily crushed, the half-cylinders return by elasticity to their normal shape. This structure consequently avoids an exaggerated expansion of the bellows 20 while allowing it to contract, against the action of the spring 18, since the half-cylinders 56-57 can slide inside the part 52.
In FIG. 5, the bellows 20 is shown at its maximum expansion and the expansion limiting device is exhausted.
The adjuster 55 is axially traversed by the end 62 of the capillary tube 21 of the thermostatic assembly, which is sealed as indicated at 63. The adjuster 55 can be screwed on by an end thread. 64 in a metal screw thread 65 sealed in a cap 66. The axial adjustment stroke of the part 55 is further limited by a stop 67 which slides in a longitudinal groove 68 of the body of the bell 31.
The closure device of the bell 31, of which the adjustment part 55 and the cap 66 form part, constitutes a tight seal allowing axial adjustment of the rod 55, and therefore of the stroke of the bellows 20, without acting on the wiper. consisting of a stuffing 69 tightened by an axially drilled nut 70 in the end of the bell 31.
The adjustment rod 55 can in fact slide freely through the nut 70, but when the end cap 66 is rotated, this rod is driven axially without rotating because this cap 66 cannot itself. move axially, due to screws such as 71 which are screwed into metal threaded pieces 72 inserted in the cap and slide, without being able to come out, in a peripheral groove 73 of the end of the bell 31. The adjustment of the stroke of the thermostatic bellows 20 therefore does not react on the
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packing 69-70, and the unwanted end play of this termination is made very low by screws 71.
To remove the cap 66, it was necessary to unscrew the screws 71 and when these screws have come out of the peripheral groove 73, the cap 66 can be unscrewed, the stop 67 preventing the rod 55 from moving axially as soon as this stop bears against the bottom of its housing 68.
It can be seen that this arrangement makes it simple to adjust the overheating, since it suffices to turn the cap 66, the outer surface of which is provided in the form of an adjustment knob.
The bell 31, the control rod 19, the cap 66 and the part 49 with its end plate 51 are preferably made of a poor heat conductor substance, such as "bakelite", which ensures, on the one hand, thermal insulation of the thermostatic bellows 20 from the external atmosphere and, on the other hand, protects it against the action of the cold which prevails inside the barostatic chamber 5.
As the tight seal 69-70 separates the thermostatic chamber 17 from the atmosphere, the operation of the assembly will be stable with regard to the variations of the atmospheric pressure and of the external hygrometric degree which cannot thus react on the gold. - internal regulation ganes of the refrigeration circuit.
FIGS. 6 and 7 represent, according to the same arrangement as FIGS. 4 and 5, an exemplary embodiment of an automatic expansion valve implementing certain characteristics of the invention.
In this embodiment, the structure of the valve body 31, of the pre-cooling circuit 4 and of the barostatic bellows 16 are the same as in the case of FIGS. 4 and 5, and the details of these elements can therefore be designated by the same references. - references, any description being therefore rendered unnecessary. However, in this expansion valve, the thermostatic control is suppressed. As a result, the bell 31 is of a more flattened shape, although it is terminated, preferably, by a gland and a cap similar to those of the embodiment of FIG. 5.
The adjustment piece
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55 is used to adjust the barostatic control of the pressure reducer, the rod 19 being modified as follows: the stop 50 is provided closer to the end of the rod 19 towards the bottom 46 of the bellows 16 than in Figure 5, and the compression spring 23 is clamped between this stop 50 and a stop 75 formed by the end of the part 55. This part 55 is then provided with an axial channel 76 which extends only over part of its length.
In this channel 76 can slide the end of the rod 19 which follows the expansions and contractions of the barostatic bellows 16 when the latter is subjected to variations in pressure. The adjustment is ensured by the axial displacement of the rod 55 which regulates the degree of compression of the spring 23.
It is clear that the invention is not limited to the specific embodiments shown and described, but on the contrary capable of numerous modifications and adaptations without departing from its field. The general arrangements of FIGS. 5 and 7 can obviously even be used in the sense of a pre-cooling circuit in conventional thermostatic or automatic expansion valves.
ABSTRACT .
The present invention relates to cold-producing devices and in particular provides for expansion valves for refrigeration circuits in which the fluid coming from the condenser-tank passes before reaching the expansion valve through a cooling circuit. Other characteristics of the invention reside in the methods of assembly of the various parts constituting the pressure reducers, in particular in the structures of the packing and of the thermostatic bellows stroke limiter.