FR2693541A1

FR2693541A1 - Système de réfrigération.

Info

Publication number: FR2693541A1
Application number: FR9310292A
Authority: FR
Inventors: Takemasa Kazuo; Yoshida Fukuji; Iwasa Kenji
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1985-09-25
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1994-01-14
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: FR2693541B1

Abstract

La présente Invention est relative à un système de réfrigération. Ce système (R) comprend un premier (2) et un deuxième (3) circuits de réfrigérant comportant chacun un compresseur (4, 10), un condenseur et un évaporateur, caractérisé en ce que le compresseur (10) du deuxième circuit (3) comporte un refroidisseur d'huile (11) formé par la tuyauterie reliant la sortie de l'évaporateur (14A, 14B) du premier circuit à l'entrée de son compresseur (4).

Description

La présente invention se rapporte à un système de réfrigération comprenant des compresseurs, et plus particulièrement à un système de réfrigération qui permet d'obtenir des températures cryogéniques.

Les systèmes de réfrigération pour les réfrigérateurs habituellement utilisés dans les laboratoires physicochimiques ou analogues, par exemple pour conserver des cellules de corps vivant, procurent des basses températures qui sont limitées à -80 C environ. Les cellules peuvent ê- tre conservées à l'état congelé à ces basses températures mais, avec le temps, les noyaux des cristaux de glace à l'intérieur de la cellule congelée se recombinent pour former des cristaux de glace plus grands, ce qui provoque la rupture de la cellule. Ce phénomène est appelé recristallisation de la glace. On sait que la recristallisation de la glace ne se produit pas dans une ambiance inférieure à -1300C qui est le point de recristallisation de la glace.

Par suite, les cellules peuvent etre conservées presque indéfiniment à des températures cryogéniques inférieures à -130 C, de sorte qu'on a essayé de réaliser des systèmes de réfrigération permettant d'atteindre de telles températures cryogéniques.

Avec des systèmes de réfrigération de ce type, en particulier ceux qui comportent un compresseur, un fluide réfrigérant gazeux chaud refoulé par le compresseur est introduit dans un condenseur, liquéfié dans celui-ci par échange de chaleur avec l'air et l'eau, puis il traverse un réducteur de pression pour le réglage de la pression et il est ensuite admis dans un évaporateur pour évaporation. Lorsqu'il s'évapore, le réfrigérant absorbe la chaleur de vaporisation dans le milieu ambiant, pour produire un effet de refroidissement. La température la plus basse atteinte par des systèmes de réfrigération utilisant un réfrigérant unique et comportant un compresseur usuel est limitée à -400C environ.

On connait également des systèmes de réfrigération qui comprennent deux circuits fermés indépendants de fluide réfrigérant qui sont reliés en cascade (c'est-à-dire que l'évaporateur d'un circuit et le condenseur de l'autre circuit sont combinés en échange de chaleur pour constituer un condenseur en cascade). Un réfrigérant à bas point d'ébullition est contenu dans l'un des circuits afin que ce circuit engendre une basse température. Toutefois, la température qu'on peut atteindre est limitée à -800C'environ lorsqu'on utilise des compresseurs usuels.

Le brevet US n" 3 768 273 du 3 Octobre 1973 décrit un système de réfrigération qui utilise un mélange de différents fluides réfrigérants ayant des points d'ébullition différents et dans lequel les réfrigérants de plus hauts points d'ébullition sont évaporés pour condenser les réfrigérants de plus-bas points d'ébullition successivement, de sorte que le réfrigérant de plus bas point d'ébullition est évaporé au stade final pour engendrer une basse température au moyen d'un seul compresseur. La température qui peut finalement être obtenue par ce système est également limitée à -800C environ si le compresseur utilisé est du type usuel, puisque la pression et la température sont limitées.

Afin de pallier les inconvénients des systt,es précités, le brevet US n" 3 733 845 du 22 Mai 1973 décrit un autre système qui comprend deux circuits fermés indépendants de fluide réfrigérant reliés en cascade et dans lequel on utilise un mélange réfrigérant pour le circuit à basse température, de la même manière que ci-dessus, afin d'obtenir des températures cryogéniques.

Le système décrit dans le brevet US n03 733 845 peut être adapté pour obtenir des températures inférieures à -1300C avec utilisation d'un compresseur usuel (par exemple de 1 , 12 kW environ). Toutefois, pour obtenir des températures inférieures à-1300C, le condenseur en cascade doit effectuer un échange de chaleur total et il doit donc être de grande dimension pour assurer une surface suffisante d'échange de chaleur. D'autre part, le circuit de réfrigération à basse température, chargé avec le mélange réfrigérant, est prévu pour condenser successivement les réfrigérants de points d'ébullition inférieurs par évaporation des réfrigérants de points d'ébullition supérieurs, de sorte que le circuit augmente invariablement la dimension du système lui-meme.Ce fait et l'utilisation d'un grand condenseur en cascade rendent le système encore plus grand.

La présente invention procure un système de réfrigération comprenant un premier et un deuxième circuits de réfrigération comportant chacun un compresseur, un condenseur et un évaporateur, la sortie du compresseur étant reliée à l'entrée du condenseur par une conduite, la sortie du condenseur étant reliée à l'entrée de l'évaporateur par une autre conduite, la sortie de l'évaporateur étant raccordée à l'entrée du compresseur par une autre conduite, chacun des circuits de réfrigération étant chargé avec un fluide réfrigérant organique, ledit système étant caractérisé en ce que l'évaporateur du premier circuit de réfrigération est divisé en une pluralité de parties d'évaporateur reliées mutuellement en série relativement à la circulation du réfrigérant, le condenseur du deuxième circuit de réfrigération étant divisé en parties de condenseur en nombre égal au nombre des parties d'évaporateur du premier circuit de réfrigération, les parties de condenseur étant reliées mutuellement en parallèle relativement à la circulation du réfrigérant ; les parties de condenseur du deuxième circuit de réfrigération étant associées en paires avec les parties d'évaporateur du premier circuit réfrigérant pour constituer des échangeurs de chaleur, le réfrigérant du deuxième circuit de réfrigération étant un mélange de réfrigérants qui diffèrent en nature et en point d'ébullition, de sorte que l'évaporateur du deuxième circuit de réfrigération est refroidi à une température cryogénique.

Comme mentionné ci-dessus, l'évaporateur du premier circuit de réfrigération est divisé en parties et le condenseur du deuxième circuit de réfrigération est divisé en parties qui sont en nombre égal au nombre des parties d'évaporateur. Les parties de l'évaporateur sont mutuellement reliées en série, tandis que les parties de condenseur sont mutuellement reliées en parallèle. Les parties d'évaporateur et les parties de condenseur sont associées en paires pour constituer des échangeurs de chaleur, c'est-à-dire des condenseurs en cascade. Ainsi, on réalise des condenseurs en cascade compacts sans entraîner un rendement réduit d'échange de chaleur, ce qui permet d'installer le système plus librement et de le rendre plus petit globalement.

Conformément à l'invention, les parties d'évaporateur du premier circuit et les parties de condenseur du deuxième circuit constituent de préférence deux à quatre, et plus avantageusement, deux échangeurs de chaleur, c'està-dire des condenseurs en cascade. Afin de réduire la dimension totale du système de réfrigération, les condenseurs en cascade sont divisés de manière à être logés, par exemple, dans l'épaisseur d'un isolant thermique. Bien entendu, il est souhaitable que les condenseurs en cascade soient divisés de manière à être identiques en débit de réfrigérant et en dimension, pour assurer facilement l'équilibre entre eux.

De préférence, le système de l'invention est construit comme suit. La conduite ou ligne reliant la sortie de l'évaporateur du deuxième circuit de réfrigération à l'entrée de son compresseur comporte une pluralité d'échangeurs de chaleur intermédiaires reliés les uns aux autres en série. La ligne reliant la sortie du condenseur du deuxième circuit de réfrigération à l'entrée de son évaporateur comporte une pluralité de réducteurs de pression et de séparateurs vapeur-liquide en nombre inférieur au nombre des réducteurs de pression et elle comprend une première partie de ligne pour introduire le réfrigérant circulant à travers le condenseur du deuxième circuit de réfrigération dans l'un des séparateurs vapeur-liquide et pour admettre la partie condensée du réfrigérant dans l'un des échangeurs de chaleur intermédiaires à travers l'un des réducteurs de pression, une pluralité de parties de ligne pour amener la partie non condensée du réfrigérant venant dudit séparateur vapeur-liquide en échange de chaleur avec ledit échangeur de chaleur intermédiaire, puis pour introduire la partie du réfrigérant citée en second dans un autre des séparateurs vapeur-liquide et admettre la partie condensée résultante du réfrigérant dans un autre des échangeurs de chaleur intermédiaires à travers un autre des réducteurs de pression, et une partie de ligne dans l'étage final pour admettre la partie du réfrigérant ayant le plus bas point d'ébullition et traversant les parties de ligne dans l'évaporateur du deuxième circuit de réfrigération par l'intermédiaire du réducteur de pression de l'étage final.

Plus avantageusement, conformément à la présente invention, la différence de température entre le réfrigérant qui pénètre dans le réducteur de pression à l'étage final et le réfrigérant qui sort du réducteur de pression à l'étage final est plus petite que la valeur obtenue par division de la différence de température entre le condenseur du deuxième circuit de réfrigération et son évaporateur par le nombre des réducteurs de pression et elle est supérieure à 10 C. Cela évite des variations de la température d'évaporateur et un refroidissement insuffisant, ce qui permet au système de réfrigération de donner des performances de refroidissement stables et d'avoir une plus grande fiabilité et une plus longue durée de vie.

Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre.

L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels
les figures 1 à 9 illustrent un système de réfrigération conforme à la présente invention
la figure 1 est un schéma du circuit de fluide réfrigérant du système de réfrigération
la figure 2 est un schéma d'un circuit électrique de commande de ce système
la figure 3 est un diagramme de temps qui illustre le fonctionnement du système de réfrigération
la figure 4 est une vue en perspective d'un réfrigérateur comportant le système de réfrigération
la figure 5 est une vue de côté en coupe du corps principal du réfrigérateur
la figure 6 est un schéma illustrant spécifiquement la construction du circuit de fluide réfrigérant du système de réfrigération
la figure 7 est une vue en perspective d'unXéchan- geur de chaleur intermédiaire
la figure 8 est une vue en perspective du côté arrière du réfrigérateur
la figure 9 est un diagramme illustrant les variations de la température intérieure de la chambre de stockage, en fonction du temps, après branchement de l'alimentation
la figure 10 est un diagramme illustrant la température de la chambre de stockage, sensiblement à la température engendrée par un circuit de réfrigération à basse température lorsque la quantité de réfrigérant chargé dans le circuit est trop grande ou trop petite
les figures 11 et 12 illustrent un enregistreur de température à auto-enregistrement conforme à l'invention;
la figure 11 est une vue en perspective d'un tube de Bourdon constituant l'enregistreur de température à auto-enregistrement ; et
la figure 12 est un diagramme montrant la relation entre la pression interne du tube de Bourdon,contenant du 2-méthylpentane, et la température d'une partie de détection de température.

Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation.

On décrit ci-après un mode de réalisation de la présente invention, avec référence aux dessins annexés.

La figure 1 illustre le circuit de fluide réfrigérant 1 d'un système de réfrigération R. Le circuit de réfrigération 1 comprend un circuit de réfrigération à haute température 2, constituant un premier circuit (fermé) de réfrigérant, et un circuit de réfrigération à basse température constituant un deuxième circuit (fermé) de réfrigérant, les circuits 2 et 3 étant indépendants l'un de l'autre. Un compresseur électrique 4 est inclus dans le circuit de réfrigération 2 à haute température et il est entraîné par un moteur monophasé ou triphasé alimenté en courant alternatif.Le compresseur 4 comporte une tuyauterie de sortie 4D raccordée à un condenseur auxiliaire 5, qui est lui-même raccordé à un tube 6 pour le chauffage du bord de l'ouverture d'une chambre de stockage d'un réfrigérateur 75, décrit plus loin en détail, afin d'éviter la condensation d'humidité sur ce bord. La tuyauterie 6 est reliée à un refroidisseur d'huile 7 du compresseur 4 et également à un condenseur 8. Un ventilateur 9 sert au refroidissement du condenseur 8.Une canalisation de réfrigérant s'étend du condenseur 8 à un sécheur 12, puis à un réducteur de pression 13 et ensuite à un premier évaporateur 14A et à un deuxième évaporateur 14B qui sont des composants d'une unité d'évaporation à partir de laquelle la tuyauterie de réfrigérant est reliée à un accumulateur 15 et ensuite à une tuyauterie 4S d'entrée vers le compresseur 4, à travers un refroidisseur d'huile 11 pour un compresseur électrique 10 inclus dans le circuit de réfrigérant à basse température 3. Les premier et deuxième évaporateurs 14A et 14B sont reliés l'un à l'autre en série, pour constituer l'unité d'évaporation du circuit de réfrigérant à haute température 2.

Le circuit de réfrigérant à haute température 2 est chargé avec du réfrigérant R-502 (qui est un mélange de 48,8% en poids de R-12 (CCl2F2, dichlorodifluorométhane) et de 51,2% en poids de R-115 (C2ClF5, chloropentafluoroéthane)) et du réfrigérant R-12, qui ont des points d'ébullition différents. Le rapport des réfrigérants est par exemple de 88,0% en poids de R-502 et 12,0% en poids de
R-12.Le mélange réfrigérant refoulé par le compresseur 4 sous la forme d'un gaz chaud est liquéfié dans le condenseur auxiliaire 5, la tuyauterie 6, le refroidisseur d'huile 7 et le condenseur 8 par condensation et abandon de chaleur, puis il est débarrassé de son eau dans le sécheur 12, soumis à une réduction de pression dans le réducteur de pression 13, puis il passe dans les premier et deuxième évaporateurs 14A et 14B, dans lesquels le réfrigérant
R-502 s 'évapore en absorbant la chaleur de vaporisation fournie par le milieu ambiant de manière à refroidir les évaporateurs 14A et 14B. Par l'intermédiaire de l'accumulateur 15 servant de réservoir de réfrigérant, le mélange réfrigérant traverse le refroidisseur d'huile 11 du compresseur 10 du circuit de réfrigérant à basse température 3 et il revient au compresseur 4.

Le compresseur électrique 4 possède une capacité, par exemple, de 1,12 kW et les évaporateurs 14A et 14B sont finalement refroidis à -500C pendant le fonctionnement. A cette basse température, R-12 contenu dans le mélange réfrigérant reste liquide dans les évaporateurs 14A et 14B, sans évaporation, de sorte qu'il ne contribue que peu ou pas au refroidissement, tandis que le lubrifiant du compresseur 4 et l'eau qui n'a pas été éliminée par le sécheur 12 sont renvoyés au compresseur 4, en dissolution dans le fluide réfrigérant R-12.Plus particulièrement, le réfrigérant
R-12 sort de l'accumulateur 15 par un orifice de retour d'huile habituellement prévu à l'extrémité inférieure du tube qui part de l'accumulateur 15 (le tube est inséré dans l'accumulateur 15 par le dessus, coudé à l'extrémité inférieure et il présente une extrémité ouverte au-dessus du niveau de réfrigérant liquide) et il est amené dans le refroidisseur d'huile 11 du circuit de réfrigérant à basse température 3 sous la forme d'un liquide contenant le lubrifiant sus-mentionné, etc. Puisque le compresseur 10 est à une température élevée, le réfrigérant R-12 introduit s 'évapore pour éviter le grippage du compresseur 10 et la dégradation du lubrifiant.Ainsi, R-12 remplit la fonction de retour du lubrifiant dans le circuit à haute température 2 jusqu'au compresseur 4 et la fonction de refroidissement du compresseur 10 du circuit de réfrigérant à basse température 3.

Le compresseur 10 constituant le circuit de réfrigérant à basse température 3 comporte une tuyauterie de sortie 10D (voir la figure 6) qui est raccordée à un condenseur auxiliaire 17 puis à un séparateur d'huile 18, duquel partent une conduite 19 de retour d'huile raccordée au compresseur 10 et une conduite raccordée à un sécheur 20. Le sécheur 20 est relié à un raccord à trois voies 21. Un tube partant de la jonction 21 est enroulé autour d'un deuxième échangeur de chaleur 22, situé à l'aspiration, du circuit de réfrigérant à basse température 3jeun relation d'échange de chaleur avec cet échangeur, puis il est raccordé à un premier tube de condensation 23 servant de tube à haute pression inséré dans le premier évaporateur 14A.L'autre tube partant de la jonction 21 est de même enroulé autour d'un premier échangeur de chaleur 24, situé du côté de l'aspiration, faisant partie du circuit de réfrigération à basse température 3, en échange de chaleur avec cet échangeur, puis il est raccordé à un deuxième tube de condensation 23B servant de tube à haute pression inséré dans le deuxième évaporateur 14B. Le premier évaporateur 14A et le premier tube de condensation 23A, et le deuxième évaporateur 14B et le deuxième tube de condensation 23B constituent des condenseurs en cascade 25A et 25B, respectivement. Le premier et le deuxième tubes de condensation 23A et 23B sont reliés ensemble à un raccord 27 à trois voies qui est relié à un premier séparateur vapeur-liquide 29, par l'intermédiaire d'un sécheur 28.Une tuyauterie de phase vapeur 30 part du séparateur vapeur-liquide 29, traverse un premier échangeur de chaleur intermédiaire 32 et est raccordée à un deuxième séparateur vapeur-liquide 33. Une tuyauterie de phase liquide 34 partant du séparateur 29 est raccordée à un sécheur 35, puis à un réducteur de pression et ensuite à la jonction entre le premier échangeur de chaleur intermédiaire 32 et un deuxième échangeur de chaleur intermédiaire 42. Une tuyauterie de phase liquide 38 partant du séparateur 33 est raccordée à un sécheur 39 (qui est disposé de préférence en relation d'échange de chaleur avec un troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44, comme représenté sur la figure 1), puis à un réducteur de pression 40 et ensuite à la jonction entre les deuxième et troisième échangeurs de chaleur intermédiaires 42 et 44.Une tuyauterie de phase vapeur 43 partant du séparateur 33 traverse le deuxième échangeur de chaleur intermédiaire 42,puis elle traverse le troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44 et elle est raccordée à un sécheur 45 (qui est disposé de même en relation d'échange de chaleur avec le troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44, comme représenté sur la figure 1) et ensuite à un réducteur de pression 46. Le réducteur de pression 46 est raccordé à un tube d'évaporation 47, servant d'évaporateur et raccordé au troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44. Les troisième, deuxième et premier échangeurs de chaleur intermédiaires 44, 42 et 32 sont reliés les uns aux autres en série.Le premier échangeur 32 est raccordé à un accumulateur 49 qui est relié, par l'intermédiaire des premier et deuxième échangeurs de chaleur du côté aspiration 24 et 22 à une tuyauterie d'entrée 10S du compresseur 10. La tuyauterie d'entrée 10S est reliée, par l'intermédiaire d'un réducteur de pression 52, à un réservoir d'expansion 51 pour stocker le mélange réfrigérant lorsque le compresseur 10 n'est pas en service.

Le circuit de réfrigérant à basse température 3 contient un mélange de quatre réfrigérants qui ont des points d'ébullition différents, à savoir R-12 (CCl2F2, dichlorodifluorométhane), R-13B1 (CBrF3, bromotrifluorométhane), R-14 (CF4, tétra fluorométhane) et R-50 (CH4, méthane) qui sont prémélangés ensemble. Le mélange réfrigérant comprend, par exemple, 4,0% de R-50, 22,0% de R-14, 39,0% de R-13B1 et 35,0% de R-12, ces pourcentages s'entendant en poids. Bien que R-50, qui est du méthane, soit sujet à explosion lorsqu'il se combine à l'oxygène, le risque d'explosion est évité par mélange du R-50 avec des réfrigérants du type Fréon dans les proportions ci-dessus.

Par conséquent, il ne se produit pas d'explosion même en cas de fuite accidentelle du mélange réfrigérant.

Le mélange réfrigérant circule dans le système, de la manière suivante. Le mélange réfrigérant refoulé du compresseur 10 sous la forme d'un gaz à haute température et haute pression est prérefroidi par le condenseur auxiliaire 17 et envoyé au séparateur d'huile 18 dans lequel une grande partie du lubrifiant du compresseur 10 contenu dans le mélange est arrêtée. Le lubrifiant séparé est renvoyé au compresseur 10 par la tuyauterie 19 de retour d'huile, tandis que le-mélange réfrigérant traverse le sécheur 20 et se divise ensuite en deux parties à llen- droit du raccord 21 à trois voies.Les deux parties de réfrigérant sont prérefroidies individuellement par l'échangeur de chaleur du côté aspiration 22 ou 24, puis refroidies par le premier ou le deuxième évaporateur 14A ou 14B du condenseur en cascade 25A ou 25B, de sorte que le ou les réfrigérants à haut point d'ébullition dans le mélange sont liquéfiés par condensation. Les deux parties de réfrigérant se rejoignent à l'endroit du raccord à trois voies 27. De cette manière, le mélange réfrigérant est divisé en deux parties de quantités réduites et il est refroidi de façon divisée par le condenseur en cascade 25A ou 25B. il en résulte un échange de chaleur complet qui assure une condensation satisfaisante.

Le mélange réfrigérant sortant du raccord à trois voies 27 traverse le sécheur 28 et arrive dans le séparateur vapeur-liquide 29. A ce moment, R-14 et R-50, contenus dans le mélange et ayant un très bas point d'ébullition, restent sous la forme d'un gaz,sans condensation, tandis que R-12 et R-13B1 sont seuls sous la forme d'un condensat liquide. Par conséquent, R-14 et R-50 passent dans la tuyauterie de phase vapeur 30, séparément de R-12 et R-13B1 qui s'écoulent par la tuyauterie de phase liquide 34. Le mélange réfrigérant circulant dans la tuyauterie de phase vapeur 30 est soumis à un échange de chaleur pour condensation, dans le premier échangeur de chaleur intermédiaire 32, puis il passe dans le séparateur vapeur-liquide 33. L'échangeur de chaleur 32 est à une température de -80 C environ puisque le réfrigérant de basse température revenant du tube d'évaporation 47 circule dans l'échangeur 32 et également du fait que R-13B1 circulant dans la tuyauterie de phase liquide 34 pénètre et s'évapore dans l'échangeur 32 après passage à travers le sécheur 35 et le ré ducteur de pression 36, ces réfrigérants contribuant ainsi au refroidissement. Par suite, une grande partie de R-14 contenu dans le mélange réfrigérant qui passe dans la tuyauterie de phase vapeur 30 est liquéfiée par condensation.

R-50 dont le point d'ébullition est plus faible reste encore sous la forme d'un gaz. A partir du séparateur vapeurliquide 33, R-14 circule dans la tuyauterie de phase liquide 38, tandis que R-50 séparé de R-14 circule dans ia tuyauterie de phase vapeur 43. R-14 traverse le sécheur 39 puis le réducteur de pression 40, arrive à la jonction entre les deuxième et troisième échangeurs de chaleur intermédiaires 42 et 44 et s'évapore dans le deuxième échangeur 42. L'échangeur 42 est à une température de -1000C environ puisque le réfrigérant à basse température revenant du tube d'évaporation 47 circule dans l'échangeur 42 et en outre du fait que l'évaporation de R-14 contribue au refroidissement.Le troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44, dans lequel le réfrigérant de basse température circule directement en provenance du tube 47, est à une température très basse de -120 C environ, de sorte que le réfrigérant
R-50 ayant le plus bas point d'ébullition est liquéfié par condensation dans l'échangeur 44 après passage dans la tuyauterie de phase vapeur 43 et échange de chaleur dans le deuxième échangeur 42. Le condensat de R-50 traverse le sécheur 45 puis le réducteur de pression 46 et il entre et s'évapore dans le tube d'évaporation 47. A ce moment, la température du tube 47 atteint -150 C. Le système de réfrigération R de la presente invention atteint finalement cette température.La chambre de stockage 76 du réfrigérateur 75 (voir la figure 4) décrit plus loin peut être refroidie à une température cryogénique de -1400C par installation du tube d'évaporation 47 en échange de chaleur dans la chambre 76. Le mélange réfrigérant (qui est principalement du R-50) sortant du tube 47 entre successivement dans les troisième, deuxième et premier échangeurs de cha leur intermédiaires 44, 42 et 32, pour se mélanger à R-14,
R-13B1 et R-12. Le mélange résultant sort de l'échangeur 32 et arrive dans l'accumulateur 49, dans lequel la partie non évaporée est séparée. Le mélange passe ensuite dans l'échangeur de chaleur 24, puis dans l'échangeur de chaleur 22, pour refroidissement, et il est aspiré par le compresseur 10.

R-12 sortant du premier séparateur vapeur-liquide 29 et entrant dans le premier échangeur de chaleur intermédiaire 32 par la tuyauterie de phase liquide 34,dans le processus décrit ci-dessus, reste liquide sans évaporation, ne contribuant pas au refroidissement, puisque le réfrigérant a déjà été refroidi à une très basse température. Toutefois, R-12 contient le lubrifiant dissous qui n'a pas été séparé par le séparateur d'huile 18 et l'eau qui n'a pas été éliminée par les sécheurs, pour renvoyer ces liquides au compresseur 10. Si le lubrifiant du compresseur 10 circulait dans le circuit de réfrigérant à basse température 3, qui est à une température cryogénique, le lubrifiant resterait dans divers endroits du circuit et pourrait obstruer le circuit.Afin d'éviter cet inconvénient, on utilise R-12 pour retourner presque complètement le lubrifiant au compresseur.

Par circulation répétée des mélanges réfrigérants, comme ci-dessus, le circuit de réfrigération 1 fonctionne en régime établi de sorte que le tube d'évaporation 47 engendre une température cryogénique de -150 C. Pour cette fonction, les compresseurs 4 et 10 peuvent être d'unecapacité de 1,12 kW environ et ils nront pas besoin d'une capacité particulièrement grande, principalement parce que les condenseurs en cascade 25A et 25B effectuent un échange de chaleur satisfaisant et en outre parce qu'on utilise des mélanges réfrigérants appropriés. Les compresseurs fonctionnent donc avec un bruit plus faible et une consommation d'énergie réduite.En outre, des échantillons de corps vivant (par exemple des cellules, du sang et du sperme) peuvent être refroidis à une température inférieure àu point de recristallisation de la glace, pour une conservation presque éternelle lorsqu'ils sont stockés dans le réfrigérateur 75 qui peut être refroidi à -150 C. Le mélange réfrigérant dans le circuit de réfrigération à haute température 2 circule du premier évaporateur 14A au deuxième évaporateur 14B sans circuler de façon divisée dans ces évaporateurs, de sorte que même si les deux évaporateurs 14A et 14B sont mis en déséquilibre de température pour une raison ou une autre, il ne se produit pas d'écoulement irrégulier du réfrigérant.Par conséquent, les premier et deuxième tubes de condensation 23A et 23B du circuit de réfrigération à basse température 3 peuvent tous deux être refroidis avec une bonne stabilité pour obtenir une condensation satisfaisante.

La figure 2 illustre schématiquement le circuit électrique de commande du système de réfrigération R suivant la présente invention. Le compresseur 4 du circuit de réfrigération à haute température 2 est entraîné par un moteur 4M qui est branché entre des bornes d'alimentation AC et AC en courant alternatif monophasé ou triphasé.

Le moteur 4M tourne de façon continue lorsque l'alimentation AC est en service. Le compresseur 10 du circuit de réfrigération à basse température 3 est entraîné par un moteur 10M qui est raccordé à l'alimentation AC par l'intermédiaire du contact 60A d'un relais électromagnétique 60. Le contact 60A est fermé lorsque la bobine 60C du relais 60 est excitée,pour actionner le moteur 10M. Le repère 61 désigne un régulateur de température pour la chambre de stockage 76 du réfrigérateur, décrit plus loin. Le régulateur 61, qui est raccordé à l'alimentation AC détecte sensiblement la température de la chambre de stockage. On fixe des températures limites supérieure et inférieure pour le régulateur, avec une différence appropriée entre ces limites. A la température limite supérieure, une tension est fournie aux bornes de sortie 61A et 61B.La production de tension s'interrompt à la température limite inférieure.

La plage de température de réglage va de -1450C à -1500C.

La bobine 62C d'un relais 62 de réglage de température et le contact 63A d'une minuterie 63 sont reliés en série avec les bornes de sortie 61A et 61B. Lorsqu'elle est excitée, la bobine 62C ferme le contact 62A du relais 62.

La tuyauterie de sortie 10D du compresseur 10 du circuit à basse température 3 représenté sur la figure 1 comporte un contact à haute pression 65, placé avant l'entrée du condenseur auxiliaire 17. Le contact à haute pression 65 est raccordé à l'alimentation AC en série avec la minuterie 63.

Lorsque la pression au refoulement du compresseur 10 monte, 5 par exemple, à 26.10 Pa de sorte que la charge du compres- seur 10 devient excessive, le contact 65 s'ouvre. Le contact se ferme lorsque la pression descend à une valeur de sécurité totale, par exemple 8.105 Pa. La minuterie 63 ferme son contact 63A 3 à 5 minutes après la fermeture du contact 65 et elle ouvre le contact 63A lorsque le contact de pression 65 s'ouvre. Le repère 66 désigne un thermostat de départ à basse température, pour détecter la température de l'accumulateur 15 du circuit 2. Bien que l'accumulateur 15 soit presque à la même basse température que les évaporateurs 14A et 14B puisque le réfrigérant qui s 'évapore dans ces évaporateurs et le réfrigérant non évaporé passent dans l'accumulateur 15, le thermostat 66 ferme son contact lorsque la température de l'accumulateur 15 descend, par exemple, à -35 C et il ouvre son contact lorsque la température monte à -100C. Le thermostat 66 est raccordé, de part et d'autre, au contact 62A du relais 62 de réglage de température et à une minuterie 68 en série avec lui et également avec l'alimentation AC.Un commutateur 69 pour la minuterie 68 possède une borne commune raccordée entre la minuterie 68 et le thermostat 66, une borne 69A raccordée à l'alimentation AC par l'intermédiaire de la bobine 60C du relais 60, et une autre borne 69B reliée à l'alimentation AC à travers des réchauffeurs 70 et 71 disposés en parallèle et prévus à l'avant et à l'arrière du réducteur de pression 46 représenté sur la figure 1, en relation d'échange de chaleur avec ce dernier. La minuterie 68 maintient normalement le commutateur 69 fermé sur la borne 69A et elle est alimentée pour compter les heures. Lorsque le compte atteint, par exemple, 12 heures, la minuterie ferme le commutateur 69 alternativement sur la borne 69B, par exemple pendant 15 minutes. La borne 69A est ensuite à nouveau fermée.

On décrit maintenant le fonctionnement du circuit de commande, avec référence au diagramme de temps de la figure 3. A l'instant tO, on branche l'alimentation ACpour démarrer le moteur 4M et mettre en service le compresseur 4, de sorte que le mélange réfrigérant commence à circuler dans le circuit de réfrigérant à haute température 2. A cet instant, l'accumulateur 15 est presque à la température ambiante, de sorte que le contact du thermostat de départ à basse température 66 reste ouvert. Par conséquent, indépendamment de la présence du régulateur de température 61, la bobine 60C du relais 60 n'est pas excitée et son contact 60A est ouvert, ce qui maintient à l'arrêt le moteur 10M et donc le compresseur 10 du circuit de réfrigérant à basse température.Le circuit 2 de réfrigérant à haute température étant seul en service continu pour le refroidissement de cette façon, le réfrigérant s'accumule dans les premier et deuxième évaporateurs 14A et 14B à l'état liquide, pour engendrer une température plus basse. De ce fait, la température de l'accumulateur 15 s'abaisse également et atteint -350C à l'instant t1, de sorte que le thermostat 66 ferme alors son contact. Immédiatement avant cette fermeture, le compresseur 10 est encore à l'arrêt, de sorte que le contact de haute pression 65 reste bien entendu fermé.

Le contact 63A de la minuterie 63 est également fermé puis que l'alimentation est en service depuis 3 à 5 minutes. En outre, comme la température intérieure de la chambre de stockage 76 est bien entendu supérieure à la consigne de température, le régulateur de température 61 fournit une sortie, fermant le contact 62A du relais 62 de réglage de température. Par conséquent, lors de la fermeture du thermostat 66, la bobine 60C du relais 60 est excitée pour fermer son contact 60A, ce qui démarre le moteur 10M et provoque le refoulement par le compresseur 10 du mélange réfrigérant pour commencer la circulation dans le circuit 3. A ce moment, les composants du circuit 3 ont encore une température élevée, ce qui permet au mélange réfrigérant de rester presque entièrement à l'état gazeux et engendre une pression interne élevée.Puisque le compresseur 10 refoule le mélange réfrigérant dans cet état, la pression de la tuyauterie de sortie 10D augmente brusquement. Si on permettait au circuit de rester dans cet état, la pression élevée détériorerait les composants du compresseur 10. Toutefois, lorsque la pression accrue atteint la limite admissible de 26.105 Pa à l'instant t2, le contact de haute pression 65 s'ouvre par détection de la valeur de pression maximale, pour ouvrir le contact 63A, de sorte que le contact 62A du relais 62 de réglage de température s'ouvre. Cela désexcite la bobine 60C qui ouvre le contact 60A et arrête le moteur 10M pour empêcher la pression d'augmenter au refoulement du compresseur 10 et éviter la détérioration du compresseur.

La pression dans la tuyauterie de sortie 10D diminue à 8.105 Pa du fait de l'arrêt du compresseur 10, mais la présence de la minuterie 63 destinée à empêcher les battements maintient le contact 63A ouvert pendant 3 à 5 minutes après la fermeture du contact de haute pression 65, avec le résultat que le moteur 1OM est maintenu à l'arrêt.

Pendant ce temps, une petite quantité de réfrigérant refroidi par le premier ou le deuxième condenseur 23A ou 23B est extraite du premier ou du deuxième évaporateur 14A ou 14B pour circulation dans le circuit à basse température 3, de sorte que le circuit 3 est à une température et une pression plus basses que lors du démarrage précédent du moteur.

Lorsque la temporisation fixée sur la minuterie 63 est écoulée à l'instant t3, le contact 63A se ferme et démarre à nouveau le moteur 10M comme déjà indiqué. Lorsque la pression de la tuyauterie de sortie 10D atteint 26.105 Pa, le contact de haute pression 65 s'ouvre à nouveau pour arrêter le moteur 10M. De cette façon, le moteur 10M est répétitivement mis en service et arrêté, de sorte que les réfrigérants à haut point d'ébullition s'évaporent et exercent progressivement une action de refroidissement. Ainsi, la température du système est progressivement abaissée, d'abord dans le premier échangeur de chaleur intermédiaire 32. Lorsque la valeur de pointe de la pression accrue de la tuyauterie de sortie 10D après le démarrage du moteur 5 10M devient inférieure à 26.10 Pa, le moteur 10M reste en fonctionnement continu.

Avec le compresseur 10 en fonctionnement continu, les réfrigérants à plus bas point d'ébullition subissent une condensation, exerçant progressivement une action de refroidissement et abaissant progressivement la température des échangeurs de chaleur intermédiaires 32, 42, 44 et du tube d'évaporation 47 jusqu'à obtenir finalement la température recherchée de -150 C. Lorsque la température de la chambre de stockage atteint ensuite la limite inférieure fixée par le régulateur de température 61, la tension entre les bornes de sortie 61A et 61B n' existe plus, ce qui ouvre le contact 62A et ouvre également le contact 60A pour arrêter le moteur 10M et interrompre l'opération de refroidissement.Ensuite, la température intérieure de la chambre de stockage s'élève progressivement et atteint la limite supérieure fixée par le régulateur 61, après quoi le contact 62A se ferme à nouveau. En outre, le moteur 10M est démarré par la fermeture du contact 60A, pour reprendre l'opération de refroidissement. Le cycle de refroidissement décrit ci-dessus est répété pour maintenir la chambre de stockage à la température de consigne, par exemple de -1400C en moyenne.

La minuterie 68 compte les heures pendant lesquelles le contact 62A et le thermostat 66 sont fermés, c'est-à-dire pendant lesquelles le moteur 10M est en service. Lorsque le compte atteint 12 heures, la minuterie 68 ferme le commutateur 69 sur la borne 69B, maintenant le moteur 10M à l'arrêt et activant les réchauffeurs 70 et 71 pour une production de chaleur. Le réfrigérant R-50 sortant du troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44 et pénétrant dans le réducteur de pression 46 a une très basse température de -120 C. Si le réfrigérant contient une très petite quantité d'eau (qui risque d'être incorporée dans le réfrigérant, par exemple pendant son renouvellement d'appoint), il se produit une formation de glace dans la tuyauterie.Comme le réducteur de pression 46 est généralement constitué d'un tube très mince, la croissance de la glace dans le réducteur de pression 46 obstrue le tube et empêche la circulation du réfrigérant. Conformément à la présente invention, onchauffe périodiquement le réducteur de pression 46 au moyen des réchauffeurs 70 et 71, pour empêcher la croissance des cristaux de glace par fusion et éviter ainsi l'inconvénient précité. Les réchauffeurs 70 et 71 sont alimentés pendant 15 minutes et le commutateur 69 est à nouveau fermé sur la borne 69A pour démarrer le moteur 10M et mettre le circuit à basse température 3 en fonctionnement de refroidissement, de la même manière que ci-dessus.

La figure 4 est une vue en perspective montrant la face avant du réfrigérateur 75 conforme à l'invention.

La figure 5 est une vue partielle et en coupe de ce réfrigérateur et la figure 6 est un schéma illustrant spécifique ment la construction du circuit de réfrigérant 1 du système de réfrigération R. Le réfrigérateur 75, qui doit être installé dans un laboratoire physicochimique ou analogue, comprend un corps principal 74 comportant à l'intérieur la chambre de stockage 76 précitée, qui s'ouvre sur le dessus.

L'ouverture supérieure est fermée de façon ouvrable par une porte thermiquement isolée 77 qui pivote sur le bord arrière du corps principal. Le corps principal 74 comporte sur un côté un compartiment de machine 78 qui contient le régulateur de température 61, les compresseurs 4, 10, etc.

Le compartiment de machine 78 porte sur sa face avant un enregistreur de température 79 à auto-enregistrement, pour détecter la température intérieure de la chambre de stockage 76 et enregistrer les variations de température en fonction du temps sur un papier, une alarme de type connu 80 pour fournir une alarme lors de la détection d'une température anormalement haute de la chambre de stockage 76, et un bouton 81 pour changer les réglages du régulateur de température 61. Le repère 82 désigne des ouïes de ventilation.

La figure 5 est une vue de côté et en coupe du corps principal 74. Le réfrigérateur comprend un caisson extérieur 83 en acier comportant une ouverture supérieure, et un caisson intérieur 84 en aluminium comportant de même une ouverture supérieure. Dans l'espace défini entre les deux caissons 83 et 84 est prévue une double couche d'isolation thermique comprenant un isolant thermique extérieur 85 et un isolant thermique intérieur 86 qui sont indépendants l'un de l'autre et sont chacun sous la forme d'une boîte comportant une ouverture supérieure. Les bords des ouvertures des deux caissons 83 et 84 sont reliés mutuellement par une jonction épaulée 87. Le tube d'évaporation 47 est prévu en relation de conduction thermique autour du caisson intérieur 84 et il est noyé dans l'isolant thermique intérieur 86.Le tube de dégivrage 6 est prévu en relation de conduction thermique le long du bord de ltou- verture du caisson extérieur 83, à l'intérieur de celui-ci.

L'isolant thermique intérieur 86 est simplement placé dans l'isolant thermique extérieur 85 et il en est complètement séparé, de sorte que même si l'isolant intérieur 86 se contracte sous l'effet du refroidissement du tube d'évaporation 47, l'isolant extérieur 85 reste exempt de fissure et sans être influencé d'aucune façon, de sorte qu'il conserve des propriétés d'isolation thermique satisfaisantes.

Le caisson extérieur 83 comporte une ouverture 88 dans sa face arrière, tandis que l'isolant extérieur 85 comporte une découpe 89 correspondant à l'ouverture 88. Les condenseurs en cascade 25A, 25B, etc. recouverts par un moulage de matière thermiquement isolante 90, comme décrit plus loin, sont placés dans la découpe 89, à travers l'ouverture 88 qui est fermée par une plaque de couvercle 91. Le repère 92 désigne une fermeture intérieure en polystyrène expansé et le repère 93 désigne un joint d'étanchéité prévu le long de la périphérie de la porte 77, à l'intérieur de celle-ci.

Le corps principal 74 est muni de roulettes 94.

Le circuit de réfrigérant 1 du système de réfrigération R est décrit plus spécifiquement avec référence à la figure 6. Sur les figures 1 à 6, les composants semblables sont désignés par les mêmes repères. Le condenseur auxiliaire 17 du circuit de réfrigérant à basse température 3 est placé à l'amont du condenseur 8 du circuit de réfrigérant à haute température 2, par rapport au flux d'air aspiré dans le système par le ventilateur 9. Les deux condenseurs sont refroidis en même temps par l'air aspiré. Le premier (deuxième) évaporateur 14A (14B) est sous la forme d'un réservoir creux contenant le premier (deuxième) tube de condensation 23A (23B) sous la forme d'un enroulement hélicoldal inséré dans le réservoir par le dessus. Un tube 66Aest directement fixé à l'accumulateur 15, pour tenir le thermostat 66 de départ à basse température.Un échan geur de chaleur intermédiaire 96 comprend les échangeurs de chaleur intermédiaires 32, 42, 44, etc. décrits plus loin, qui sont moulés en un boîtier utilisant une matière thermiquement isolante 97. Le tube d'évaporation 47 est fixé en zigzag à la surface extérieure du caisson intérieur 84, au moyen d'un ruban d'aluminium, d'un adhésif ou analogue. Afin que l'intérieur de la chambre de stockage 76 ait une température aussi uniforme que possible, le tube 47 est prévu autour du caisson 84 de sorte que le réfrigérant dans ce tube circule d'abord autour du caisson intérieur 84, du haut vers le bas, puis circule sur sa face inférieure.

La figure 7 illustre la construction de l'unité d'échange de chaleur intermédiaire 96. L'unité 96,qui est représentée dans un cadre en pointillé, comprend les premier à troisième échangeurs de chaleur intermédiaires 32, 42, 44, le deuxième séparateur vapeur-liquide 33, les sécheurs 39, 45, le réducteur de pression 40 et l'accumulateur 49. Les échangeurs de chaleur 32, 42 et 44 comprennent des tubes extérieurs 98, 99 et 100 d'un diamètre relativement grand, enroulés hélicoïdalement sur plusieurs tours et en une configuration aplatie, les enroulements étant reliés ensemble l'un au-dessus de l'autre. Les tuyauteries de phase vapeur 30 et 43 passent à l'intérieur des tubes, avec un intervalle entre les tuyauteries et les tubes. Ainsi, les échangeurs de chaleur ont une structure tubulaire hélicoïdale double.Sur la figure 7, le premier échangeur de chaleur intermédiaire 32 est indiqué en A, le deuxième échangeur 42 en B et le troisième échangeur 44 en C. Le deuxième séparateur vapeur-liquide 33, les sécheurs 39,45, le réducteur de pression 40 et l'accumulateur 49 sont logés à l'intérieur des enroulements hélicoïdaux, pour diminuer l'espace mort et rendre l'unité 96 plus compacte.

On décrit maintenant plus en détail la construc tion de l'unité 96. Le repère 101 désigne une tuyauterie reliant le sécheur 28 au premier séparateur vapeur-liquide 29. La tuyauterie de phase vapeur 30 s'étendant vers le haut à partir du séparateur 29 entre dans le tube extérieur 98 par une entrée étanche IN1, elle s'étend hélicol- dalement dans le tube , puis sort à une sortie OUT1 et pénètre dans le deuxième séparateur vapeur-liquide 33. Les réfrigérants gazeux qui circulent vers le bas dans la tuyauterie de phase vapeur 30 sont condensés par les réfrigérants à basse température qui circulent vers le haut dans l'espace compris entre la tuyauterie 30 et le tube extérieur 98. La tuyauterie de phase vapeur 43 partant du deuxième séparateur 33 pénètre dans le tube extérieur 99 à une entrée
IN2.Les réfrigérants liquides séparés par le premier séparateur 29 traversent le réducteur de pression 36 pour une réduction de pression, puis ils passent dans une partie intermédiaire d'une tuyauterie de communication 102 reliant la sortie OUT1 du tube extérieur 98 à l'entrée IN2 du tube 99 et ils s'évaporent à l'intérieur du tube 98, en coopération avec le réfrigérant provenant du tube d'évaporation 47 pour condenser les réfrigérants gazeux à l'intérieur de la tuyauterie 30. La tuyauterie de phase vapeur 43 qui passe dans le tube 99 sort de celui-ci à une sortie OUT2, pénètre dans le tube extérieur 100 à une entrée IN3, s'étend héli coidalement dans le tube 100 et sort de celui-ci à une sortie OUT3. Les tubes extérieurs sont scellés aux sorties et aux entrées. Le réfrigérant liquide séparé par le deuxième séparateur 33 traverse le sécheur 39 prévu en relation d'échange de chaleur avec le tube extérieur 100, il traverse le réducteur 40 pour une réduction de pression, puis il arrive dans une partie intermédiaire d'un tube de communication reliant la sortie OUT2 du tube extérieur 99 à l'entrée IN3 du tube 100 et il s'évapore dans le tube extérieur 99 entouré par le réfrigérant qui revient du tube d'évaporation, pour condenser le réfrigérant gazeux à l'intérieur de la tu yauterie de phase vapeur 43. Le réfrigérant R50 qui circule vers le bas dans la tuyauterie 43 est presque entièrement condensé en un liquide qui passe dans le tube extérieur 100 et arrive dans le réducteur de pression 46, par l'intermédiaire du sécheur 45 prévu en relation d'échange de chaleur avec le tube extérieur 100.Une tuyauterie 105 raccordée entre l'extrémité de sortie du tube d'évaporation 47 et la sortie OUT3 du tube extérieur 100 est en communication avec l'espace autour de la tuyauterie de phase vapeur 43 à l'intérieur du tube 100. A l'entrée du tube IN1 du tube extérieur 98, l'espace autour de la tuyauterie de phase vapeur 30 est maintenu en communication avec l'accumulateur 49 par une tuyauterie 106. Ainsi, le réfrigérant revenant du tube d'évaporation 47 circule dans la tuyauterie 105, dans l'espace compris entre le tube extérieur 100 et la tuyauterie de phase vapeur 43, monte dans cet espace tout en condensant le réfrigérant qui circule vers le bas dans la tuyauterie de phase vapeur 43 et il rejoint à l'endroit de la tuyauterie de communication 103 le réfrigérant venant du réducteur de pression 40.Le mélange réfrigérant circule dans l'espace compris entre le tube extérieur 99 et la tuyauterie de phase vapeur 43, il monte dans cet espace tout en condensant le réfrigérant à l'intérieur de la tuyauterie 43 et il rejoint dans la tuyauterie de communication 102 les réfrigérants venant du réducteur de pression 36. Le mélange résultant circule vers le haut dans l'espace compris entre le tube extérieur 98 et la tuyauterie de phase vapeur 30 tout en condensant les réfrigérants à l'intérieur de la tuyauterie 30, puis il atteint l'accumulateur 49 par l'intermédiaire de la tuyauterie 106 et il passe ensuite dans l'échangeur de chaleur du côté aspiration 24, par l'intermédiaire d'une tuyauterie 108.Ainsi, le réfrigérant descendant qui circule dans la tuyauterie de phase vapeur 30 ou 43 est à contrecourant du réfrigérant qui monte dans les espaces définis dans les tubes extérieurs 100, 99 et 98 au tour de la tuyauterie 30 ou 34 venant du tube d'évaporation 47.

On décrit maintenant la procédure d'installation du système de réfrigération R dans le corps principal 74, avec référence à la figure 8 qui est une vue en perspective montrant le côté arrière du réfrigérateur 75. Le caisson extérieur 83 comporte, sur sa face arrière, une ouverture 110 d'un côté de l'ouverture 88. L'isolant thermique extérieur 85 est formé avec une découpe 111 correspondant à l'ouverture 110. Par moulage, l'isolant thermique 90 contient à l'intérieur les condenseurs en cascade 25A, 25B, les échangeurs de chaleur du côté aspiration 22, 24, l'accumulateur 15 et le sécheur 28. Pour mouler les isolants 90 et 97, on place les composants dans un sac de résine, on place le sac dans un moule en forme de boîte, on remplit le sac d'une matière thermiquement isolante à base d'uréthane et on provoque l'expansion de la matière.Le réducteur de pression 46 et la tuyauterie 105 qui sont prévus pour s'étendre à l'extérieur de l'isolant 97 sont raccordés par soudage au tube d'évaporation 47 qui sort par des orifices 112 et 112 ménagés dans la partie intérieure de la découpe 111. Les tuyauteries pour le réducteur de pression 13, etc., prévues pour s'étendre extérieurement à travers l'isolant 90,sont raccordées par soudage aux tuyauteries qui sortent à travers la paroi adjacente au compartiment de machine 78 et définissant la découpe 89.Le premier séparateur vapeur-liquide 29 et le sécheur 35 étant placés à l'extérieur de l'isolant 90,les isolants 90 et 97 interconnectés par les tuyauteries sont logés dans les découpes 89 et 111, on garnit les jeux restants avec de la laine de verre ou analogue et on ferme les découpes 89 et 111 avec la plaque de couvercle 91, de sorte que le système est complètement maintenu en place. On installe les compresseurs 4, 10, le condenseur 8, le ventilateur 9, le réservoir d'expansion 51, etc., dans le compartiment de machine 78, avant la procédure ci-dessus. Ainsi, le réfrigérateur 75 est terminé.

Bien que le fonctionnement idéal du système de réfrigération R suivant la présente invention ait déjà été décrit, l'étage final du système, c'est-à-dire la zone comprenant le troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44 jusqu'au tube d'évaporation 47,est refroidi à une très basse température de -120 à -1500C, comme décrit ci-dessus, de sorte que même si le système est rigoureusement isolé thermiquement comme déjà indiqué, le réfrigérant liquide qui traverse le troisième échangeur 44 tend à s'évaporer dans le réducteur de pression 46 du fait de la transmission de chaleur venant de l'ambiance. Le réfrigérant non condensé venant du deuxième séparateur vapeur-liquide 33, bien que contenant une petite quantité de R-14, est presque entièrement du R-50. La figure 9 illustre la relation entre la pression du réfrigérant R-50 et sa température d'évaporation.Le diamètre intérieur du tube du réducteur de pression 46 est très petit (habituellement moins de 1 millimètre) comme déjà indiqué, de sorte que, lorsque le réfrigérant
R-50 s'évapore dans le réducteur 46, l'intérieur du réducteur 46 est immédiatement rempli par la vapeur du réfrigérant et engendre donc une très grande résistance à la circulation du réfrigérant et empêche l'écoulement du réfrigérant liquide. Par suite, la température du tube d'évaporation 47 s'élève, ce qui nuit au refroidissement total de la chambre de stockage 76.

Toutefois, l'empêchement du passage du réfrigérant liquide dans le réducteur de pression 46 engendre une pression accrue avant l'entrée du réducteur 46,ce qui élève donc la température d'évaporation du réfrigérant R-50, comme représenté sur la figure 9. Le réfrigérant cesse donc de s'évaporer dans le réducteur 46 et il en résulte que l'introduction de réfrigérant liquide dans le tube d'évaporation 47 recommence, pour effectuer un refroidissement nor mal. Néanmoins, lorsque la température s'abaisse en conséquence, l'évaporation se produit à nouveau dans le réducteur 46 comme indiqué plus haut et le processus se répète.

Dans une telle situation, la chambre de stockage 76 n'est pas complètement refroidie, tandis que les charges sensiblement variables exercées sur le compresseur 10 réduisent la vie du compresseur et provoquent des bruits importants.

Conformément à la présente invention, le sécheur 45 est donc prévu en relation d'échange de chaleur avec le troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44 pour refroidir le réfrigérant R-50 à nouveau après passage à travers l'échangeur 44 et pour empêcher l'élévation de température due à la transmission de chaleur venant de l'ambiance. Cela sert à empêcher l'évaporation du réfrigérant dans le réducteur de pression 46, pour éviter un refroidissement insuffisant.

La situation anormale décrite ci-dessus est également rencontrée lorsque la quantité de réfrigérant chargée dans le circuit de réfrigérant à basse température 3 est incorrecte. La figure 9 illustre les variations de la température intérieure de la chambre de stockage 76 en fonction du temps écoulé après branchement de l'alimentation du système de réfrigération R. La courbe L1 représente une situation dans laquelle une quantité correcte de réfrigérant est chargée dans le système, la courbe L2 représente une situation dans laquelle une quantité excessive de réfrigérant est chargée et la courbe L3 représente une situation dans laquelle la quantité de réfrigérant est insuffisante. La figure 10 illustre la température intérieure L2 de la chambre de stockage 76 lorsque la quantité de réfrigérant chargée dans le système est excessive, approximative- ment à la température désirée, la température correspondante L3 lorsque la quantité est insuffisante, la température
L4 du réfrigérant qui pénètre dans le réducteur de pression 46, c'est-à-dire sa température à l'entrée P1 du réducteur 46 représenté sur la figure 1, lorsque la quantité de réfrigérant est excessive, la température L5 du réfrigérant qui sort du réducteur 46, c'est-à-dire sa température à l'entrée P2 du tube d'évaporation représenté sur la figure 1, lorsque la quantité de réfrigérant est également excessive, la température L6 à l'entrée P1 du réducteur 46 lorsque la quantité de réfrigérant est insuffisante et la température L7 de l'entrée P2 du tube 47 lorsque la quantité est insuffisante.

Lorsque la quantité de réfrigérant chargée dans le système est excessive, la vitesse à laquelle la température de la chambre de stockage 76 s'abaisse après le démarrage de l'opération de refroidissement est plus grande que lorsque la quantité est normale. Toutefois, lorsqu'un excès de réfrigérant liquide est envoyé au tube d'évaporation 47, une quantité importante de réfrigérant liquide ne peut pas s'évaporer dans le tube 47 et elle pénètre et s 'évapore dans le troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44, après que l'intérieur de la chambre de stockage 76 ait atteint la température désirée, avec le résultat que l'échangeur de chaleur 44 est refroidi à la même température que le tube d'évaporation 47.La température à l'entrée P1 du réducteur de pression 46 s'abaisse donc à un niveau qui est très différent de la température ambiante. Cela permet la pénétration d'une plus grande quantité de chaleur dans le réducteur 46, en provenance de l'ambiance, pour provoquer l'évaporation du réfrigérant liquide. Ainsi, le réfrigérant liquide commence à s'évaporer dans le réducteur 46, ce qui augmente la pression intérieure du réducteur 46, gêne l'écoulement du réfrigérant liquide et diminue l'envoi de réfrigérant liquide au tube d'évaporation 47. La température intérieure de la chambre de stockage 76 augmente donc,avec une élévation de la température à l'entrée P2.

Lorsque la circulation du réfrigérant liquide à travers le réducteur de pression 46 est gênée, la pression du réfrigé rant liquide augmente, comme déjà indiqué, la température d'évaporation augmente de façon correspondante et le réfrigérant liquide cesse de s'évaporer, ce qui permet ensuite le passage du réfrigérant dans le réducteur 46 à nouveau pour un refroidissement normal. Toutefois, la même situation que ci-dessus se répète lorsque l'opération de refroidissement provoque ensuite la présence d'un excès de réfrigérant liquide dans le tube 47. Par suite, les températures fluctuent de façon pulsatoire instable, comme représenté par les courbes L2, L4 et L5 sur la figure 10.

La température intérieure de la chambre de stockage 76 varie avec un léger retard. De ce fait, la température intérieure de la chambre de stockage 76 dépasse périodiquement le niveau normal L1, comme indiqué sur la figure 9, et le refroidissement est donc insuffisant. En outre, le compresseur 10 vibre alors davantage et engendre un bruit et une usure de façon anormale.

Dans la situation décrite ci-dessus, la température du réfrigérant qui entre dans le réducteur de pression 46 s'approche de la température du réfrigérant qui en sort.

Plus précisément, la température à l'entrée P1 du réducteur 46 descend à une valeur proche de la température à l'entrée
P2 du tube d'évaporation 47. Les essais ont montré que, approximativement à la température à obtenir, la différence entre ces températures n'est pas supérieure à 10 C. Conformément à la présente invention, on charge donc le réfrigérant dans le système en une quantité telle que la différence de température entre les points P1 et P2 est supérieure à 10 C. Cela évite la présence d'un excès de réfrigérant, ce qui supprime les pulsations de température et assure un refroidissement stable.De plus, le sécheur 45 est disposé en échange de chaleur avec le troisième échangeur thermique intermédiaire 44, pour réduire l'influence de la pénétration de chaleur ambiante et pour obtenir des températures plus stables.

Ensuite, lorsque la quantité de réfrigérant est insuffisante, il en résulte naturellement une vitesse de refroidissement plus faible, comme représenté par la courbe
L3 sur la figure 9. En outre et bien qu'en petite quantité, le réfrigérant circule dans le circuit de réfrigérant à basse température 3, de sorte qu'une petite quantité de réfrigérant liquide pénètre dans le tube d'évaporation 47 en provenance du réducteur de pression 46 et s'évapore immédiatement dans le tube 47, abaissant par conséquent la température à l'entrée P2 du tube 47 comme représenté par la courbe L7 sur la figure 10. Toutefois, puisque la quantité de réfrigérant liquide est petite, l'évaporation s'arrête immédiatement et il en résulte que la vapeur de réfrigérant passe seulement du tube 47 dans le troisième échangeur de chaleur intermédiaire 44.En conséquence, l'intérieur de la chambre de stockage 76 devient insuffisamment refroidi, la température s'élève et atteint une valeur élevée, comme représenté par la courbe L3, et la température du troisième échangeur thermique 44 s'élève également. Comme représenté par la courbe L6, cela élève la température à l'entrée P1 du réducteur de pression 46 à travers lequel le réfrigérant passe après échange de chaleur dans l'échangeur 44, ce qui augmente fortement la différence de température entre les points P1 et P2.

Avec le système de réfrigération R de la présente invention, la différence de 100 C entre la température (-500C) des condenseurs en cascade 25A, 25B et la température (-1500C) du tube d'évaporation 47 est engendrée par étapes, par création de différences de température à travers les réducteurs de pression 36, 40 et 46. La différence de température à fournir par chacun des réducteurs de pression 36, 40 et 46 est de 33"C lorsque la différence totale est également répartie (habituellement, la différence de température est établie de manière à diminuer lorsque la température diminue, afin de réduire la charge autant que possible).Le circuit est dans un état anormal si la différence de température entre l'entrée P1 du réducteur 46 et l'entrée P2 du tube d'évaporation 47 est supérieure à la différence de 330C,autour de la température désirée.

L'anomalie peut être attribuée à l'insuffisance de la charge de réfrigérant. Par conséquent, avec la présente invention, le réfrigérant est chargé en une quantité telle que la différence de température entre les points P1 et
P2 est inférieure à 330C, pour éviter une réfrigération insuffisante due à une quantité insuffisante de réfrigérant.

En résumé, la quantité correcte de réfrigérant à charger dans le circuit est telle que la différence entre la température du réfrigérant qui pénètre dans le réducteur de pression 46 et celle du réfrigérant qui en sort, déterminée à partir de la température à l'entrée P1 du réducteur 46 et de la température à l'entrée P2 du tube 47, soit, au voisinage de la température à atteindre, dans la plage de plus de 100C à moins que la valeur obtenue par division de la différence de température entre les condenseurs en cascade 25A, 25B et le tube d'évaporation 47 par le nombre de réducteurs de pression 36, 40, 46, c'est-à-dire 330C.

Le système de réfrigération R est influencé également par la température ambiante. Lorsqu'on charge le réfrigérant en une quantité permettant d'obtenir les performances maximales, à une température ambiante élevée, on rencontre l'objection suivante. Si la température ambiante diminue,la température des condenseurs en cascade 25A, 25B et des échangeurs de chaleur intermédiaires 32, 42, 44 s'abaisse également de sorte que, en plus du réfrigérant à condenser par les échangeurs de chaleur intermédiaires, la partie de réfrigérant- à condenser par l'échangeur de chaleur suivant est également condensée partiellement et revient au compresseur 10. Cela diminue la quantité de réfrigérant R-50 qui pénètre finalement dans le tube d'éva poration 47 et il en résulte une réfrigération insuffisante.

Si on utilise une quantité accrue de réfrigérant pour supprimer cet inconvénient, il se produit la variation pulsée de température susmentionnée lorsque la température ambiante s'élève.

Ces difficultés ont été vaincues par la présente invention qui utilise le réfrigérant en une quantité telle que la différence de température entre les points P1 et P2 soit supérieure à 10 C mais inférieure à 330C. Celaassure une caractéristique de refroidissement stable,des températures ambiantes élevées jusqu'aux basses températures ambiantes.

L'enregistreur de température 79 à auto-enregistrement est prévu pour enregistrer la température intérieure de la chambre de stockage 76 et il constitue un composant important des réfrigérateurs du type décrit. L'enregistreur 79 comprend principalement un tube de Bourdon 120 sous la forme connue d'une vis d'Archimède, comme représenté sur la figure 1 et un papier d'enregistrement ou analogue, non représenté, qui est déplacé automatiquement en fonction du temps. Avec référence à la figure 11, un capteur de température 121 est disposé de manière à détecter la température intérieure de la chambre de stockage 76. L'élément sensible 121 est relié au tube de Bourdon 120, en communication avec celui-ci par un tube mince 122. Un axe d'entraînement vertical 123 est fixé au tube de Bourdon 120, par exemple au centre O de sa spirale.Un stylet d'enregistrement 124 est fixé à l'extrémité supérieure de l'axe 123.

Le tube de Bourdon 120 est creux et il contient une substance liquide sensible à la température, par exemple de l'alcool éthylique ou de l'alcool n-propylique. Le tube de
Bourdon 120 se déforme en raison de la variation de la pression intérieure due à une variation de la température autour de l'élément sensible 121, ce qui fait tourner l'arbre d'entraînement 123 sur son axe. On sait que l'angle de rotation e est proportionnel à la variation de la pression intérieure du tube de Bourdon 120. La température intérieure de la chambre de stockage 76 est enregistrée en terme de position du stylet 124.

On utilise la substance courante sensible à la température, par exemple l'alcool éthylique ou l'alcool n-propylique,à une température de -800C environ, mais cette substance gèle à une température cryogénique de -1500C atteinte avec la présente invention et elle n'est pas utilisable pour l'enregistreur de température. La demanderesse a effectué des recherches et a réussi à enregistrer des températures cryogéniques de -1500C environ, par utilisation de 2-méthylpentane (isohexane) comme substance sensible à la température. La figure 12 illustre la relation entre la température T autour de l'élément sensible 121 et la pression intérieure P du tube de Bourdon 120 contenant du 2-méthylpentane. Le diagramme montre que la pression P est sensiblement proportionnelle à la température T dans la plage de température de -150 C à +500C.L'angle de rotation e du stylet 124 est proportionnel à la pression P, comme déjà indiqué, et il est donc sensiblement proportionnel à la température T. Ainsi, on peut enregistrer la température intérieure de la chambre de stockage 76 dans toute la plage de -1500C à +500C.

Comme décrit ci-dessus, le système de réfrigération R conforme à l'invention atteint une très basse température, avec utilisation de compresseurs électriques de capacité usuelle, sans nécessiter des compresseurs de plus grande capacité. Avec la disposition de l'invention,on peut combiner l'évaporateur du premier circuit (fermé) de réfrigérant avec la ligne (tuyauterie) à haute pression du deuxième circuit (fermé) de réfrigérant, en relation d'échange de chaleur avec celle-ci, pour constituer une pluralité de condenseurs en cascade séparés. Cela permet d'installer le système de réfrigération plus librement et de réduire son encombrement total.En outre,les parties d'évaporateur du premier circuit sont reliées en série, en ce qui concerne la circulation de réfrigérant, tandis que la ligne (tuyauterie) à haute pression du deuxième circuit comprend une pluralité de parties de ligne (tuyauterie) en parallèle. Même si les parties d'évaporateur sont amenées en déséquilibre de température, cette disposition empêche un écoulement irrégulier des réfrigérants, puisque les réfrigérants ne traversent pas les parties d'évaporateur de façon divisée, ce qui permet aux parties d'évaporateur de présenter une caractéristique de condensation stable et soumet en outre le mélange réfrigérant dans la ligne (tuyauterie) à haute pression à un échange de chaleur satisfaisant. Par conséquent, on peut atteindre des températures cryogéniques avec une bonne stabilité.

La pluralité de condenseurs en cascade séparés est obtenue par division de l'évaporateur du premier circuit (fermé) de réfrigérant en une pluralité de parties d'évaporateur et agencement de la ligne (tuyauterie) à haute pression du deuxième circuit (fermé) de réfrigérant en relation d'échange de chaleur avec lesdites parties d'évaporateur. Si les parties d'évaporateur du premier circuit sont reliées en parallèle en ce qui concerne la circulation de réfrigérant et lorsque la température d'une des parties d'évaporateur s'élève, la pression de vapeur dans cette partie augmente pour ralentir l'entrée de réfrigérant, avec le résultat que la température de la partie d'évaporateur s'élève davantage.De cette façon, lorsque l'équilibre de température est initialement perturbé dans l'agencement en parallèle des parties d'évaporateur, le déséquilibre s'amplifie à un déséquilibre plus grand pour engendrer l'inconvénient que les parties d'évaporateur diffèrent en capacité de condensation du mélange réfrigérant qui circule dans la ligne (tuyauterie) à haute pression du deuxième circuit.D'autre part, si les parties de ligne (tuyauterie) à haute pression du deuxième circuit, reliées en série en ce qui concerne la circulation de réfrigérant, sont combinées avec les parties d'évaporateur, cette disposition engendre une différence de température entre les parties d'évaporateur (élévation de la température de la partie d'évaporateur amont) qui provoque le déséquilibre susmentionné, empêchant encore d'obtenir un rendement d'échange de chaleur plus élevé qu'avec la disposition dans laquelle l'évaporateur du premier circuit n'est pas divisé.

Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de réfrigération (R) comprenant un premier (2) et un deuxième (3) circuit de réfrigérant comportant chacun un compresseur (4,10), un condenseur et un évaporateur, la sortie du compresseur étant raccordée à l'entrée du condenseur par une tuyauterie, la sortie du condenseur étant raccordée à l'entrée de l'évaporateur par une autre tuyauterie, la sortie de l'évaporateur étant raccordée à l'entrée du compresseur par une autre tuyauterie, chacun des circuits de réfrigérant étant chargé avec un réfrigérant organique, caractérisé en ce que le condenseur du deuxième circuit de réfrigérant est relié à l'évaporateur du premier circuit réfrigérant pour constituer un échangeur thermique, en ce qu'un refroidisseur d'huile (11) du compresseur, compris dans le deuxième circuit de réfrigérant, se compose de ladite tuyauterie raccordant la sortie de l'évaporateur du premier circuit de réfrigérant à l'entrée de son compresseur, et en ce que le réfrigérant sortant de l'évaporateur du premier circuit de réfrigérant entre dans ledit refroidisseur d'huile, où ledit réfrigérant s'évapore, le réfrigérant du deuxième circuit de réfrigérant étant un mélange de réfrigérants qui diffèrent en nature et en point d'ébullition, de sorte que l'évaporateur du deuxième circuit de réfrigérant est refroidi à une température cryogénique.