Novel Centrifugal compressor concept for Residential and electric vehicle heat pump/air Conditionning systems

Pour les applications avec de très petits débits massiques, principalement de petits cycles de réfrigération pour les pompes à chaleur et climatiseurs résidentiels/automobiles, des compresseurs volumétriques sont actuellement utilisés. Ces compresseurs sont relativement coûteux à fabriquer et nécessitent de l'huile dans le réfrigérant, ce qui réduit considérablement leur rendement isentropique à 50%-63%, les rendant responsables d'environ la moitié des pertes du cycle. L’huile affecte aussi les autres composantes du cycle pour aussi réduire l’efficacité de ce dernier. Les compresseurs de type turbomachine (à écoulement continu) fonctionnent sans huile et peuvent fournir un rendement beaucoup plus élevée (80%). Cependant, un design de compresseur centrifuge conventionnel pour cette application se traduirait par un impulseur 3D très petite taille en métal avec un diamètre de l'ordre de 20 mm et une hauteur d’aube environ 1 mm tournant aux alentours de 200 krpm. Le coût associé à l'usinage et à l'assemblage de haute précision pour obtenir jeu d’aube (jeu entre le bout de l’aube et le carter) assez petit pour des performances adéquates, combiné au coût du moteur électrique à très grande vitesse rend cette technologie non compétitive. L'avènement d'un compresseur de type turbomachine à faible coût et à haut rendement pour les petits cycles de réfrigération élargirait l'utilisation de la pompe à chaleur pour le chauffage domestique et automobile (en remplacement des combustibles fossiles). En particulier, un tel compresseur serait pratique dans les climats froids où les futures pompes à chaleur pourraient nécessiter plusieurs compresseurs pour fonctionner et pour avoir une efficacité optimisée du cycle pour différentes conditions extérieures. L'intégration d'un tel compresseur dans les unités de climatisation résidentielles et automobiles permettrait également d'économiser de l'énergie grâce à une efficacité de cycle améliorée, ce qui est particulièrement important lorsque l'énergie pour faire fonctionner ces unités est produite à partir de centrales thermiques ou de moteurs brûlant des combustibles fossiles. Les deux types d'applications sont importants pour réduire l'utilisation des combustibles fossiles afin de répondre aux préoccupations liées au réchauffement climatique. Cette étude invente et analyse un nouveau concept de compresseur centrifuge qui peut surmonter les défis mentionnés précédemment associées à un compresseur centrifuge de design conventionnel. Ce concept est centré autour d’un impulseur avec une géométrie spéciale mais simple qui permet d’augmenter significativement le diamètre de l’impulseur et réduire sa vitesse rotationnelle bien en dessous de 100 krpm,. La vitesse plus faible et la contrainte mécanique plus basse qui en résulte ainsi que la simplicité de l’impulseur réduisent significativement le coût de fabrication du compresseur (en permettant de le fabriquer en plastique via le moulage par injection) et le coût du moteur électrique, donnant au nouveau concept le potentiel de surpasser les compresseurs volumétriques actuels dans les petits cycles de réfrigération tant au niveau de la performance que du coût.