Procédé de réfrigération d'un moteur électrique hermétiquement fermé et dispositif pour sa mise en #uvre La présente invention a pour objets un procédé de réfrigération d'un moteur électrique hermétique ment fermé, comprenant un stator et un rotor séparés par un espace d'air annulaire, et un dispositif pour la mise en #uvre de ce procédé. Elle a notamment pour but de permettre l'utilisation efficace d'une partie d'une installation de réfrigération pour refroidir un moteur entraînant le compresseur d'une telle installa tion.
Un but de l'invention est de fournir un procédé de réfrigération d'un moteur électrique permettant de distribuer des quantités notables de liquide réfri gérant dans les zones du moteur portées aux plus hautes températures, de manière que le moteur puisse absorber une énergie électrique d'entrée nettement plus élevée que ce n'était possible jusqu'ici.
Ce procédé permet de construire une installation de réfrigération comprenant un moteur d'entraîne ment du compresseur dont les dimensions sont plus faibles que celles des moteurs utilisés actuellement pour une capacité de réfrigération donnée de l'instal lation. Il est d'autre part possible de faire circuler l'huile de lubrification des paliers du moteur sans qu'elle soit gênée par le réfrigérant et sans effet défa vorable sur le refroidissement ou sur le fonctionnement du moteur. On peut diminuer ainsi le nombre de dis positifs de contrôle coûteux qui sont nécessaires pour assurer un fonctionnement correct dans diverses conditions de service.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, une mise en #uvre du procédé objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe axiale du moteur électrique refroidi dans cette mise en aeuvre. La fig. 2 est une coupe selon 2-2 de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe selon 3-3 de la fig. 1. La fig. 4 est une vue schématique, partiellement en coupe, d'une installation de réfrigération compre nant le moteur représenté aux fig. 1 à 3.
La fig. 5 est une coupe, à plus grande échelle, d'un organe représenté à la fig. 1.
L'installation de réfrigération représentée à la fig. 4 comprend un compresseur centrifuge de réfrigé ration 10, un condenseur de réfrigération 12 et un évaporateur de réfrigération 14, tous ces dispositifs étant d'un type connu. Ces dispositifs sont reliés entre eux par des conduits 16, 18 et 20 de manière à per mettre la circulation d'un réfrigérant, par exemple un composé organique fluoré. Le condenseur et l'évapo rateur sont tous deux du type à enveloppe, des tubes échangeurs de chaleur 22 et 24 étant disposés longi tudinalement dans des enveloppes respectives de manière à assurer un échange thermique entre un fluide d'échange thermique (de l'eau par exemple) et le réfrigérant.
Le fluide d'échange thermique est évi demment refroidi quand il passe à travers les tubes du condenseur. Un dispositif usuel 26 d'élimination du réfrigérant peut être monté au-dessus des tubes de l'évaporateur.
Le compresseur 10 est entraîné par un moteur élec trique à refroidir 28 qui comprend (fig. 1) une enve loppe hermétiquement fermée 30 reliée directement à une paroi 32 du compresseur. Un carter 33 porté par une extrémité de l'enveloppe délimite une chambre 34 relativement petite dans laquelle est monté un palier 36 du type à pellicule d'huile pour l'arbre 46 du moteur. Un autre palier 38 pour cet arbre est monté dans une seconde chambre 40 limitée par un carter central creux 39 porté par un flasque 42.
Les carters 33 et 39 sont agencés de manière à laisser de légers jeux 43 entre leurs parois et l'arbre 46 du moteur; de sorte que le réfrigérant vaporisé provenant des chambres intérieures 44 de l'enveloppe 30 peut s'écouler dans les petites chambres 34 et 40.
En pratique, l'arbre 46 du moteur est relié à un rotor à aubes non représenté disposé dans l'enveloppe du compresseur. L'arbre 46 s'étend en travers d'un rotor 54 du moteur, de type connu, logé dans un stator 56. Le rotor comprend des barres 58 espacées à sa circonférence et qui s'étendent axialement au- delà des deux extrémités du noyau du rotor pour per mettre le montage de deux canaux annulaires 60 de répartition du réfrigérant. L'arrangement est tel qu'au cours de la rotation du rotor 54,
les canaux 60 reçoi vent le réfrigérant liquide depuis des tuyères 62 et le dirigent dans l'espace d'air annulaire compris entre le rotor et le stator afin de refroidir les surfaces de ces derniers qui sont portées à une température élevée.
Le dispositif assurant l'amenée du réfrigérant liquide aux tuyères 62 est représenté à la fig. 4. Il comprend deux conduites 64 et 66 pour le réfrigérant liquide qui partent d'une conduite de liquide com mune 68 reliée à une chambre 70 située au-dessous du condenseur 12. Grâce à cette construction, une petite partie du réfrigérant liquide sortant du condenseur (1 à 2 % par exemple) est déviée dans les deux tuyères 62.
Chaque tuyère 62 (fig. 2) décharge le réfrigérant liquide directement dans le canal 60 correspondant, d'où le liquide est projeté vers l'extérieur par la force centrifuge sur les barres 58. Les canaux 60 présentent l'avantage de répartir également le réfrigérant liquide tout autour de la périphérie du rotor, de sorte que tous les points périphériques du rotor reçoivent le réfrigé rant nécessaire.
Une joue extérieure 72 (fig. 5) de chaque canal 60 s'étend radialement plus loin vers l'intérieur à partir de la jante 76 qu'une joue inté rieure 74, de sorte que le liquide est projeté en direc tion des barres 58 plutôt qu'en direction des extrémités de l'enveloppe du moteur. Les barres 58 agissent à la manière d'une pompe centrifuge sur le liquide de sorte que ce dernier prend une énergie cinétique rela tivement élevée, même quand le rotor tourne à une vitesse relativement faible.
Cette forte énergie ciné tique est avantageuse parce qu'elle permet un déplace ment rapide du réfrigérant liquide dans l'espace rotor- stator après avoir heurté les parties extrêmes des enroulements 78 du stator, de sorte que le liquide peut pénétrer dans ledit espace avant d'être entièrement vaporisé. Les chambres 44 aux extrémités de l'enve loppe du moteur sont isolées des entrées de l'évapora teur et du compresseur au moyen d'un siphon liquide 80. Par conséquent, l'aspiration produite par l'évapo rateur et le compresseur n'agit pas sur les chambres 44. Toutefois, comme on le verra plus loin, l'aspiration de l'évaporateur agit sur l'espace rotor-stator de manière à en aspirer le réfrigérant.
La limitation de cette aspi ration audit espace est avantageuse en ce sens que les surfaces délimitant cet espace reçoivent certainement les quantités voulues de réfrigérant.
Pour établir une communication entre l'évaporateur et l'espace rotor-stator, le stator présente des passages radiaux 81 qui s'étendent depuis cet espace jusqu'à la surface extérieure périphérique 82 du stator (fig. 3). On voit à la fig. 1 que la surface périphérique 82 est espacée intérieurement de la surface intérieure de l'enveloppe 30 par des pièces d'espacement 84 de manière à délimiter un passage annulaire 86 (fig. 3). Un raccord 88 constituant un prolongement de l'en veloppe 30 sert à amener le réfrigérant pratiquement vaporisé dans un conduit 90 qui débouche dans l'éva porateur 14 (fig. 4).
En ce qui concerne le poids, le débit du réfrigérant à travers le conduit 90 est rela tivement faible et l'effet du conduit 90 sur l'efficacité de l'évaporateur est négligeable. Le conduit 90 pour rait déboucher dans le conduit 20 et non dans l'éva porateur.
Le conduit 90 comprend un plateau 92 percé d'un trou (fig. 4). La dimension du trou dans le plateau 92 est choisie de manière que la pression du réfrigérant dans les chambres 44 soit légèrement supérieure à la pression du lubrifiant dans les chambres 34 et 40. De cette manière, une petite quantité du réfrigérant s'écoule des chambres 44 vers les chambres 34 et 40 et empêche ainsi une perte et une accumulation du lubrifiant dans le moteur.
En fonctionnement, le réfrigérant, en quantité légèrement supérieure à la quantité théorique néces saire pour refroidir le moteur, est amené à travers les conduits 64 et 66, ce qui assure une quantité suffisante de réfrigérant pour empêcher l'établissement de zones locales chaudes. Il existe donc une petite quantité de réfrigérant liquide non vaporisé, particulièrement dans les chambres extrêmes 44 du moteur où les tempéra tures sont relativement basses. Le réfrigérant non vapo risé est drainé depuis les chambres 44 à travers des ouvertures 94 dans le siphon 80 où il est recueilli à l'aide d'une soupape à flotteur usuelle 96.
Le réfrigé rant liquide est renvoyé dans l'installation par un conduit 98 connecté au conduit 90 (fig. 4), dans l'exem ple représenté, ou à tout autre point, par exemple directement à l'évaporateur.
Le dispositif de lubrification du moteur comprend une cuve 100 contenant un lubrifiant dans lequel est immergé un moteur électrique 102 entraînant une pompe de lubrification 104. La sortie de cette pompe est reliée à deux conduits 106 et<B>108</B> qui débouchent dans des canaux de distribution 111 ménagés dans les deux carters 33 et 39 de l'enveloppe 30 (fig. 1). Ces canaux sont reliés à leur tour à des fentes de lubrifi cation 113 formées dans les surfaces de palier des paliers 36 et 38. Pendant le fonctionnement du dispo sitif de lubrification, le lubrifiant est amené auxdites surfaces de paliers par les fentes 113 et passe dans les chambres 34 et 40.
Des conduits de retour 107 et 109 du lubrifiant relient les chambres 34 et 40 à la cuve 100. De petits passages 115 permettent aux parties des chambres 34 et 40 éloignées des conduits 107 et 109 de communiquer avec ces derniers, de sorte que tout le lubrifiant drainé peut atteindre la cuve 100 sans produire une forte contre-pression indésirable au voisinage d'une extrémité de chaque palier.
Comme indiqué précédemment, la pression du réfrigérant dans les chambres 44 est maintenue légèrement au-dessus de la pression d'huile dans les chambres 34 et 40 (grâce au plateau- 92). Par consé quent, les conduits de retour 107 et 109 contiennent un mélange lubrifiant-réfrigérant. Le lubrifiant sur son trajet de retour est chauffé par suite du frottement produit par l'arbre du moteur et le réfrigérant entraîné par le lubrifiant est dans la plupart des cas à l'état de vapeur quand il entre dans la cuve 100. S'il n'est pas complètement vaporisé, un petit corps de chauffe non représenté peut être utilisé pour le vaporiser afin qu'il puisse être séparé du lubrifiant et renvoyé dans le circuit de circulation du réfrigérant.
Le réfrigérant vaporisé revient dans le circuit depuis la cuve 100 par un conduit de ventilation 110. Ce conduit 110 (fig. 4) se divise en deux dérivations <B>1<I>1</I></B>4 et 116. La dérivation 116 contient une soupape 118 à solénoïde qui est normalement fermée pendant le fonctionnement de l'installation. La dérivation 114 contient un plateau 112 percé d'un orifice de la dimen sion voulue pour limiter suffisamment l'écoulement du réfrigérant afin que la pression soit suffisamment élevée pour empêcher le désamorçage de la pompe 104.
La soupape<B>118</B> est reliée à un réseau électrique de manière que lorsque le fonctionnement de l'instal lation est coupé, la soupape 118 soit ouverte pour laisser passer de grandes quantités de réfrigérant de la cuve 100 au conduit 20. Cette action est nécessaire parce qu'au cours de la coupure, la pression dans les chambres 44 tombe plus rapidement que la pression dans la cuve 100. A moins que le débit de ventilation soit augmenté pendant cette période, il se produirait une inversion de pression et l'huile jaillirait à travers les jeux 43 dans les chambres 44. L'emploi de la dériva tion<B>116</B> et de la soupape<B>118</B> permet d'assurer les caractéristiques de ventilation voulues. On pourrait évidemment utiliser d'autres moyens pour obtenir l'augmentation nécessaire de la section transversale de la conduite de ventilation à la coupure.
En résumé, le fonctionnement de l'installation implique la circulation d'une quantité importante de réfrigérant entre le compresseur 10, le condenseur 12 et l'évaporateur 14. Une petite quantité de réfrigérant liquide, par exemple 1 ou 2 %, est prélevée du conden sateur dans les conduits 64 et 66, d'où le réfrigérant est envoyé à travers le moteur. Une petite partie de ce réfrigérant s'échappe à l'état de vapeur dans le conduit 90, à travers le raccord 88, et une fraction est drainée dans le siphon 80 sous forme liquide. Une très petite partie de la vapeur du réfrigérant traversant le moteur s'infiltre dans les chambres 34 et 40 et est éventuellement renvoyée dans le courant principal du réfrigérant par la conduite de ventilation 110.
Le lubrifiant est transporté continuellement de la cuve 100 et vers cette cuve par la pompe 104.
Method of refrigeration of a hermetically closed electric motor and device for its implementation The present invention relates to a method of refrigeration of a hermetically closed electric motor, comprising a stator and a rotor separated by an air space. annular, and a device for implementing this process. Its particular object is to allow the efficient use of a part of a refrigeration installation to cool an engine driving the compressor of such an installation.
An object of the invention is to provide a method of refrigerating an electric motor making it possible to distribute significant quantities of coolant liquid in the areas of the motor brought to the highest temperatures, so that the motor can absorb electrical energy from entry significantly higher than previously possible.
This process makes it possible to construct a refrigeration installation comprising a motor for driving the compressor, the dimensions of which are smaller than those of the motors currently used for a given refrigeration capacity of the installation. On the other hand, it is possible to circulate the lubricating oil of the engine bearings without it being hampered by the coolant and without adverse effect on the cooling or on the operation of the engine. This can reduce the number of expensive control devices which are required to ensure correct operation under various operating conditions.
The accompanying drawing illustrates, by way of example, an implementation of the method which is the subject of the invention.
Fig. 1 is an axial section of the cooled electric motor in this implementation. Fig. 2 is a section on 2-2 of FIG. 1. FIG. 3 is a section on 3-3 of FIG. 1. FIG. 4 is a schematic view, partially in section, of a refrigeration installation comprising the motor shown in FIGS. 1 to 3.
Fig. 5 is a section, on a larger scale, of a member shown in FIG. 1.
The refrigeration installation shown in fig. 4 comprises a centrifugal refrigeration compressor 10, a refrigeration condenser 12 and a refrigeration evaporator 14, all of these devices being of a known type. These devices are interconnected by conduits 16, 18 and 20 so as to allow the circulation of a refrigerant, for example a fluorinated organic compound. The condenser and the evaporator are both of the shell type, the heat exchanger tubes 22 and 24 being arranged lengthwise in respective envelopes so as to ensure heat exchange between a heat exchange fluid (water for example) and refrigerant.
The heat exchange fluid is obviously cooled as it passes through the condenser tubes. A conventional refrigerant removal device 26 can be mounted above the evaporator tubes.
The compressor 10 is driven by an electric motor to be cooled 28 which comprises (Fig. 1) a hermetically sealed casing 30 connected directly to a wall 32 of the compressor. A housing 33 carried by one end of the casing defines a relatively small chamber 34 in which is mounted an oil film type bearing 36 for the shaft 46 of the motor. Another bearing 38 for this shaft is mounted in a second chamber 40 limited by a hollow central casing 39 carried by a flange 42.
The housings 33 and 39 are arranged so as to leave slight play 43 between their walls and the shaft 46 of the motor; so that the vaporized refrigerant from the inner chambers 44 of the casing 30 can flow into the small chambers 34 and 40.
In practice, the shaft 46 of the motor is connected to a blade rotor, not shown, arranged in the casing of the compressor. The shaft 46 extends across a rotor 54 of the motor, of known type, housed in a stator 56. The rotor comprises bars 58 spaced at its circumference and which extend axially beyond the two ends of the rotor. rotor core to allow the mounting of two annular channels 60 for distributing the coolant. The arrangement is such that during the rotation of the rotor 54,
the channels 60 receive the liquid refrigerant from the nozzles 62 and direct it into the annular air space between the rotor and the stator in order to cool the surfaces of the latter which are brought to a high temperature.
The device ensuring the supply of liquid refrigerant to the nozzles 62 is shown in FIG. 4. It comprises two conduits 64 and 66 for the liquid refrigerant which leave from a common liquid line 68 connected to a chamber 70 located below the condenser 12. Thanks to this construction, a small part of the liquid refrigerant leaving the condenser. condenser (1 to 2% for example) is deflected in the two nozzles 62.
Each nozzle 62 (fig. 2) discharges the liquid refrigerant directly into the corresponding channel 60, from where the liquid is projected outwards by centrifugal force on the bars 58. The channels 60 have the advantage of evenly distributing the fluid. liquid refrigerant all around the periphery of the rotor, so that all peripheral points of the rotor receive the necessary refrigerant.
An outer cheek 72 (Fig. 5) of each channel 60 extends radially further inward from the rim 76 than an inner cheek 74, so that the liquid is sprayed in the direction of the bars 58. rather than towards the ends of the motor casing. The bars 58 act like a centrifugal pump on the liquid so that the latter takes up a relatively high kinetic energy, even when the rotor is rotating at a relatively low speed.
This high kinetic energy is advantageous because it allows rapid movement of the liquid refrigerant in the rotor-stator space after striking the end parts of the windings 78 of the stator, so that the liquid can enter said space before d. 'be fully vaporized. The chambers 44 at the ends of the motor casing are isolated from the inlets of the evaporator and the compressor by means of a liquid siphon 80. Consequently, the suction produced by the evaporator and the compressor is not does not act on the chambers 44. However, as will be seen later, the suction of the evaporator acts on the rotor-stator space so as to suck the refrigerant therefrom.
Limiting this suction to said space is advantageous in that the surfaces delimiting this space certainly receive the desired quantities of refrigerant.
To establish communication between the evaporator and the rotor-stator space, the stator has radial passages 81 which extend from this space to the peripheral outer surface 82 of the stator (FIG. 3). We see in fig. 1 that the peripheral surface 82 is internally spaced from the interior surface of the casing 30 by spacers 84 so as to define an annular passage 86 (FIG. 3). A connector 88 constituting an extension of the casing 30 serves to bring the refrigerant practically vaporized into a duct 90 which opens into the evaporator 14 (FIG. 4).
In terms of weight, the flow rate of refrigerant through line 90 is relatively low and the effect of line 90 on evaporator efficiency is negligible. The duct 90 could open out into the duct 20 and not into the evaporator.
The duct 90 comprises a plate 92 pierced with a hole (FIG. 4). The size of the hole in the plate 92 is chosen so that the pressure of the refrigerant in the chambers 44 is slightly higher than the pressure of the lubricant in the chambers 34 and 40. In this way, a small amount of the refrigerant flows from the chambers. 44 to chambers 34 and 40 and thus prevents loss and buildup of lubricant in the engine.
In operation, the refrigerant, in an amount slightly greater than the theoretical amount necessary to cool the engine, is supplied through conduits 64 and 66, which provides a sufficient amount of refrigerant to prevent the establishment of hot local zones. There is therefore a small amount of unvaporized liquid refrigerant, particularly in the end chambers 44 of the engine where the temperatures are relatively low. Non-vaporized refrigerant is drained from chambers 44 through openings 94 in siphon 80 where it is collected using a conventional float valve 96.
The liquid refrigerant is returned to the installation via a pipe 98 connected to the pipe 90 (FIG. 4), in the example shown, or at any other point, for example directly to the evaporator.
The motor lubrication device comprises a tank 100 containing a lubricant in which is immersed an electric motor 102 driving a lubrication pump 104. The output of this pump is connected to two conduits 106 and <B> 108 </B> which open out. in distribution channels 111 formed in the two casings 33 and 39 of the casing 30 (FIG. 1). These channels are in turn connected to lubrication slots 113 formed in the bearing surfaces of the bearings 36 and 38. During operation of the lubrication device, the lubricant is supplied to said bearing surfaces through the slots 113 and passes through. rooms 34 and 40.
Lubricant return conduits 107 and 109 connect chambers 34 and 40 to vessel 100. Small passages 115 allow portions of chambers 34 and 40 remote from conduits 107 and 109 to communicate therewith, so that all lubricant drained can reach vessel 100 without producing an undesirable high back pressure near one end of each bearing.
As previously indicated, the pressure of the refrigerant in the chambers 44 is maintained slightly above the oil pressure in the chambers 34 and 40 (thanks to the plate 92). Therefore, the return lines 107 and 109 contain a lubricant-coolant mixture. The lubricant on its return path is heated as a result of the friction produced by the motor shaft, and the coolant entrained by the lubricant is in most cases in the vapor state when it enters the vessel 100. If it enters the vessel 100, it is vaporized. is not completely vaporized, a small heater, not shown, can be used to vaporize it so that it can be separated from the lubricant and returned to the refrigerant circulation circuit.
The vaporized refrigerant returns to the circuit from the tank 100 through a ventilation duct 110. This duct 110 (fig. 4) is divided into two branches <B>1<I>1</I> </B> 4 and 116 The bypass 116 contains a solenoid valve 118 which is normally closed during plant operation. The bypass 114 contains a plate 112 pierced with an orifice of the desired size to sufficiently restrict the flow of refrigerant so that the pressure is high enough to prevent the pump 104 from being deactivated.
The valve <B> 118 </B> is connected to an electrical network so that when the operation of the installation is cut off, the valve 118 is opened to allow large quantities of refrigerant to pass from the tank 100 to the duct 20. This action is necessary because during the shutdown the pressure in chambers 44 drops faster than the pressure in vessel 100. Unless the ventilation rate is increased during this period, there would be a reverse flow. pressure and oil would spurt out through the clearances 43 in the chambers 44. The use of the bypass <B> 116 </B> and the valve <B> 118 </B> ensures the characteristics of required ventilation. Obviously, other means could be used to obtain the necessary increase in the cross section of the ventilation duct at cut-off.
In summary, the operation of the installation involves the circulation of a large quantity of refrigerant between the compressor 10, the condenser 12 and the evaporator 14. A small quantity of liquid refrigerant, for example 1 or 2%, is taken from the condenser. condenser in conduits 64 and 66, from where the coolant is sent through the engine. A small part of this refrigerant escapes in the vapor state in the conduit 90, through the fitting 88, and a fraction is drained into the siphon 80 in liquid form. A very small portion of the refrigerant vapor passing through the engine infiltrates chambers 34 and 40 and is eventually returned to the refrigerant mainstream through vent line 110.
The lubricant is continuously transported from the tank 100 and to this tank by the pump 104.