FR2551190A1

FR2551190A1 - Device for compressing a refrigerating fluid in a fluidtight cooler.

Info

Publication number: FR2551190A1
Application number: FR8313657A
Authority: FR
Inventors: Gerard Lucien Jaecques
Original assignee: ABG Semca SA
Current assignee: ABG Semca SA
Priority date: 1983-08-24
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1985-03-01

Abstract

The present invention relates to an fluidtight cooler comprising means for compressing a refrigerating fluid, contained in an fluidtight enclosure 10, using a piston 8 and cylinder 9. These compression means are driven by a rotary electric motor with a rotor 1 and stator 2 whose air gap is in communication with the fluidtight enclosure 10 containing the refrigerating fluid. Means 12 are provided to prevent the fluid from coming into contact with the windings in order to stop the impregnation products of the various windings from becoming mixed with the refrigerating fluid. In a preferred embodiment, the electric motor is of the type having a rotor 1 with permanent magnets and a wound stator 2 and the insulation means are realised by means of a wall 12 connected in a sealed fashion to the fluidtight enclosure 10. The stator 2 is in contact with the outside air.

Description

DISPOSITIF DE COMPRESSION D'UN FLUIDE FRICORIGENE
DANS UN REFROIDISSEUR HERMETIQUE
La présente invention est relative à un refroidisseur hermétique, et plus particulièrement à un dispositif utilisé dans ce refroidisseur pour compresser un fluide frigorigène.COMPRESSION DEVICE FOR A FRICORIGENE FLUID
IN A HERMETIC COOLER
The present invention relates to a hermetic cooler, and more particularly to a device used in this cooler to compress a refrigerant.

Un refroidisseur est dit hermétique lorsque le fluide circule selon un cycle fermé et n'est renouvelé par aucun apport extérieur. A cooler is said to be hermetic when the fluid circulates in a closed cycle and is not renewed by any external supply.

Le fluide, stocké dans une enceinte étanche, est un gaz.The fluid, stored in a sealed enclosure, is a gas.

Dans un refroidisseur, le froid est obtenu par la détente du gaz frigorigène préalablement compressé. Selon le niveau de froid à obtenir, dans les mêmes conditions ambiantes, la détente doit être plus ou moins importante. Par exemple, dans un dispositif cryogénique, c'est-à-dire un dispositif destiné à produire une très basse température, le fluide frigorigène contenu dans l'ensemble du dispositif est sous pression même au repos. On prévoit, dans un tel dispositif, des moyens permettant des variations de pression du fluide afin que la détente soit plus importante. In a cooler, cold is obtained by expanding the previously compressed refrigerant gas. Depending on the level of cold to be obtained, under the same ambient conditions, the relaxation must be more or less important. For example, in a cryogenic device, that is to say a device intended to produce a very low temperature, the refrigerant contained in the entire device is under pressure even at rest. Means are provided in such a device for variations in fluid pressure so that the expansion is greater.

Dans un refroidisseur hermétique, les moyens de compression ou de variation de pression sont constitués généralement d'au moins un cylindre et un piston. Le piston est mu de façon alternative grace à un embiellage entraîné par un vilebrequin accouplé à l'arbre d'un moteur électrique rotatif. Pour des raisons de facilité, le moteur électrique d'entraînement du vilebrequin est placé a l'intérieur de l'enceinte hermétique: en effet, si l'on désire placer le moteur à l'extérieur de l'enceinte, il faut prévoir le passage de l'arbre et du vilebrequin à travers la paroi de cette enceinte. II faut également qu'au niveau de ce passage, le fluide frigorigène ne puisse s'échapper à l'extérieur.Une liaison étanche autour de l'arbre en rotation présente certaines difficultés, d'autant plus importantes lorsque le fluide contenu dans l'enceinte est sous pression. On préfère donc disposer le moteur à l'intérieur de l'enceinte hermétique, mais le fluide frigorigène occupe alors tout le volume de ladite enceinte et vient tout particulièrement au contact des bobinages du moteur électrique, et une telle disposition présente des inconvénients. In a hermetic cooler, the compression or pressure variation means generally consist of at least one cylinder and one piston. The piston is moved alternately thanks to a connecting rod driven by a crankshaft coupled to the shaft of a rotary electric motor. For reasons of convenience, the electric motor driving the crankshaft is placed inside the airtight enclosure: in fact, if one wishes to place the engine outside the enclosure, the passage of the shaft and the crankshaft through the wall of this enclosure. It is also necessary that at this passage, the refrigerant cannot escape to the outside. A tight connection around the rotating shaft presents certain difficulties, all the more important when the fluid contained in the pregnant is under pressure. It is therefore preferred to have the motor inside the hermetic enclosure, but the refrigerant then occupies the entire volume of said enclosure and very particularly comes into contact with the windings of the electric motor, and such an arrangement has drawbacks.

Un moteur électrique est constitué d'une partie fixe ou stator, solidaire de la carcasse du moteur, et constitué de bobines électriques, et d'une partie mobile ou rotor qui peut être constitué de bobines ou d'aimants permanents. Le rotor est placé à l'intérieur du stator, et est en rotation sur un arbre solidaire du vilebrequin d'entraînement du piston. Entre le rotor et le stator subsiste un espace appelé entrefer. Afin d'isoler les différents conducteurs d'un bobinage entre eux, on dispose, avant de réaliser le bobinage, sur ces conducteurs un vernis isolant et, afin de maintenir les conducteurs en position lorsque le bobinage est réalisé, on dispose un produit d'imprégnation et de maintien de ces conducteurs.Mais il peut arriver qu'au contact du fluide frigorigène les produits d'imprégnation ou d'isolement des divers bobinages se dissolvent et viennent polluer le fluide frigorigène. Or, la pollution du fluide frigorigène fait diminuer le rendement du dispositif et est particulièrement néfaste dans le cas des ensembles cryogéniques. De plus, le dispositif étant hermétique il n'est pas possible de remplacer le fluide au cas où il serait pollué. Il faut donc que les produits d'isolement et d'imprégnation ne puissent pas se dissoudre dans le fluide frigorigène. An electric motor is made up of a fixed part or stator, integral with the motor casing, and made up of electric coils, and of a movable part or rotor which can be made up of coils or permanent magnets. The rotor is placed inside the stator, and is rotated on a shaft secured to the piston drive crankshaft. Between the rotor and the stator there remains a space called air gap. In order to isolate the various conductors of a winding between them, there is, before carrying out the winding, on these conductors an insulating varnish and, in order to keep the conductors in position when the winding is carried out, a product of impregnation and maintenance of these conductors. But it may happen that in contact with the refrigerant the impregnation or insulation products of the various windings dissolve and pollute the refrigerant. However, pollution of the refrigerant reduces the efficiency of the device and is particularly harmful in the case of cryogenic assemblies. In addition, the device being sealed it is not possible to replace the fluid in case it is polluted. Insulation and impregnation products must therefore not be able to dissolve in the refrigerant.

Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir ce résultat. The device according to the invention makes it possible to obtain this result.

Selon l'invention, un refroidisseur hermétique possède des moyens de compression à cylindre et à piston d'un fluide frigorigène, ces moyens de compression étant entrainés par un moteur électrique rotatif, et est caractérisé en ce qu'il possède des moyens pour que les produits d'imprégnation et d'isolement des bobinages du moteur ne soient pas en contact avec le fluide frigorigène contenu dans l'enceinte hermétique, afin de ne pas polluer le fluide frigorigène. According to the invention, a hermetic cooler has means for compressing a cylinder and piston of a refrigerant, these compression means being driven by a rotary electric motor, and is characterized in that it has means so that the impregnation and insulation products from the motor windings are not in contact with the refrigerant contained in the hermetic enclosure, so as not to pollute the refrigerant.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de modes de réalisation possibles faîte en regard de la figure unique qui représente une vue schématique en coupe du mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention. Other characteristics and advantages of the invention will appear with the description of possible embodiments made with reference to the single figure which represents a schematic sectional view of the preferred embodiment of the device according to the invention.

Un refroidisseur hermétique comporte; pour l'entraînement des moyens de compression ou de variation de pression du fluide frigorigène, un moteur électrique constitué d'un rotor 1 et d'un stator 2. Le rotor l est solidaire d'un arbre 3, d'axe A, porté par des paliers 4, 5. A une extrémité de l'arbre 3, un vilebrequin 6 entraîne, par l'intermédiaire d'une bielle 7, un piston 8 à l'intérieur d'un cylindre 9 de compression. Une tubulure 14 partant du cylindre conduit le fluide vers la zone de production de froid. Le vilebrequin et la bielle 7 se trouvent à l'intérieur d'une enceinte 10 étanche dans laquelle se trouve le fluide frigorigène sous pression, dans le cas d'un ensemble cryogénique. A hermetic cooler includes; for driving the means for compressing or varying the pressure of the refrigerant, an electric motor consisting of a rotor 1 and a stator 2. The rotor l is integral with a shaft 3, of axis A, carried by bearings 4, 5. At one end of the shaft 3, a crankshaft 6 drives, by means of a connecting rod 7, a piston 8 inside a compression cylinder 9. A tube 14 starting from the cylinder conducts the fluid towards the cold production zone. The crankshaft and the connecting rod 7 are inside a sealed enclosure 10 in which the refrigerant under pressure is located, in the case of a cryogenic assembly.

Une ouverture est pratiquée dans la paroi de l'enceinte 10 étanche afin de permettre le passage de l'extrémité de l'arbre 3 du moteur portant le vilebrequin 6 ainsi que le passage de ce vilebrequin à l'intérieur de l'enceinte. Ainsi, le fluide frigorigène vient, à travers les paliers et l'entrefer entre le rotor 1 et le stator 2. An opening is made in the wall of the sealed enclosure 10 in order to allow the passage of the end of the shaft 3 of the engine carrying the crankshaft 6 as well as the passage of this crankshaft inside the enclosure. Thus, the refrigerant comes through the bearings and the air gap between the rotor 1 and the stator 2.

Selon l'invention, afin que fluide frigorigène ne se mélange pas avec les produits d'imprégnation et d'isolement des bobinages, on prévoit des moyens empêchant le contact de ces produits avec le fluide frigorigène. According to the invention, so that the refrigerant does not mix with the impregnation and insulation products of the windings, means are provided preventing contact of these products with the refrigerant.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise un moteur du type à courant continu sans balais dans lequel le rotor est constitué d'aimants permanents. Le stator 2 est du type bobiné. In a preferred embodiment of the invention, a motor of the brushless direct current type is used in which the rotor consists of permanent magnets. The stator 2 is of the wound type.

Ce type de moteur, dont le fonctionnement n'entre pas dans le cadre de la présente invention, présente l'avantage que le rotor ne comporte pas d'enroulements et peut donc être au contact du fluide sans provoquer de pollution de celui-ci.This type of motor, the operation of which does not come within the scope of the present invention, has the advantage that the rotor does not have windings and can therefore be in contact with the fluid without causing pollution of the latter.

Un moteur à courant continu sans balais présente une possibilité intéressante qui est utilisée pour résoudre le problème à la base de la présente invention: l'entrefer, c'est-à-dire la distance au rayon entre le rotor et le stator peut être important sans que les performances d'un tel moteur soient affectées. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise donc un moteur à courant continu sans balais avec un entrefer important, et les moyens permettant d'isoler le bobinage du stator 2 du fluide frigorigène sont réalisés à l'aide d'une paroi 12 d'étarichéité disposée dans l'entrefer, entre le rotor et le stator, laissant le rotor 1 en communication avec l'enceinte 10 étanche.Cette paroi 12 d'étanchéité est reliée à l'enceinte 10 étanche autour de l'ouverture ménagée dans celle-ci grâce à une liaison Il elle-même étanche. Ainsi, seul le rotor constitué d'aimants permanents se trouve au contact du fluide frigorigène et le stator 2 se trouve isolé de celui-ci en étant à l'extérieur de l'enceinte hermétique. A brushless DC motor presents an interesting possibility which is used to solve the problem underlying the present invention: the air gap, that is to say the distance to the radius between the rotor and the stator can be significant without affecting the performance of such an engine. In the preferred embodiment of the invention, therefore, a brushless DC motor is used with a large air gap, and the means making it possible to isolate the winding of the stator 2 from the refrigerant are produced using a wall 12 of tightness disposed in the air gap, between the rotor and the stator, leaving the rotor 1 in communication with the sealed enclosure 10. This sealing wall 12 is connected to the sealed enclosure 10 around the opening formed therein by a connection II which is itself sealed. Thus, only the rotor consisting of permanent magnets is in contact with the refrigerant and the stator 2 is isolated from the latter while being outside the hermetic enclosure.

Afin de ne pas perturber le fonctionnement du moteur, on prévoit de réaliser la paroi 12 d'étanchéité dans un matériau amagnétique qui ne coupe pas le champ magnétique entre le stator et le rotor. De plus, ce matériau constitutif de la paroi d'étanchéité doit posséder une grande résistivité afin de limiter les courants de
Foucault qui sont susceptibles de se créer et de freiner le moteur
Différents matériaux présentent ces caractéristiques, en particulier les matières plastiques ou céramiques et les matériaux en acier inoxydable. Dans un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, c'est l'acier inoxydable qui est choisi car son utilisation est plus facile que celle des autres matériaux.In order not to disturb the operation of the motor, provision is made to produce the sealing wall 12 in a non-magnetic material which does not cut the magnetic field between the stator and the rotor. In addition, this material constituting the sealing wall must have a high resistivity in order to limit the currents of
Eddy which are likely to create and brake the engine
Different materials have these characteristics, in particular plastics or ceramics and stainless steel materials. In a preferred embodiment of the device according to the invention, stainless steel is chosen because its use is easier than that of other materials.

De plus, cette. disposition permet de conserver un avantage qui existe dans les dispositifs où le moteur est totalement compris dans l'enceinte 10 hermétique: le flux de fluide frigorigène dans l'entrefer permet le refroidissement du moteur. Dans le dispositif selon l'invention, puisqu'on n'empêche pas le fluide de passer dans l'entre- fer entre le rotor et la paroi il s'ensuit qu'un refroidissement partiel du moteur électrique est assuré par ce flux de fluide frigorigène. En outre, avec cette configuration, le stator 2 et la carcasse 13 se trouvent hors de l'enceinte 10 hermétique et de la paroi 12 d'étanchéité: ils sont à l'air libre et sont refroidis par celui-ci. In addition, this. this arrangement makes it possible to retain an advantage which exists in devices where the engine is completely included in the hermetic enclosure: the flow of refrigerant in the air gap allows the engine to cool. In the device according to the invention, since the fluid is not prevented from passing through the gap between the rotor and the wall, it follows that partial cooling of the electric motor is ensured by this flow of fluid refrigerant. In addition, with this configuration, the stator 2 and the carcass 13 are located outside the sealed enclosure 10 and the sealing wall 12: they are in the open air and are cooled by the latter.

Une telle disposition est donc particulièrement avantageuse puisqu'en interdisant la pollution du fluide, tout en conservant les avantages de l'art antérieur, elle permet d'obtenir un rendement frigorifique optimum. Such an arrangement is therefore particularly advantageous since, by prohibiting pollution of the fluid, while retaining the advantages of the prior art, it makes it possible to obtain optimum refrigeration efficiency.

Claims

1. Hermetic cooler comprising on the one hand inside a sealed enclosure (10) a gaseous refrigerant, compression means with piston (8) and cylinder (9) of this fluid, and on the other hand a rotary electric motor for driving this piston (8), characterized in that it includes means (12) for preventing contact of the refrigerant with the motor windings.

2. Hermetic cooler according to claim 1, characterized in that the means (12) for preventing contact of the refrigerant and coils allow the circulation of the fluid in the air gap.

3. Hermetic cooler according to claim 2, characterized in that the electric motor has a rotor (1) with permanent magnets and a wound stator (2) and in that the means for preventing contact of the refrigerant with the windings are constituted by a wall (12), connected by a tight connection (11) to the hermetic enclosure (10), and arranged in the air gap, between the rotor (1) and the stator (2), so that the volume in which is enclosed the rotor communicates with the volume of the airtight enclosure (10), and that the rotor is in the refrigerant.

4. Hermetic cooler according to claim 3, characterized in that the stator (2) is outside the wall (12) sealed and communicates with the outside air, in order to cool it.

5. Hermetic cooler according to any one of the preceding claims, characterized in that the sealing wall (12) is made of a non-magnetic material and of high electrical resistivity.