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APPAREIL'ELECTRIQUE ET PROCEDE POUR LE REFROIDIR.,
La présente invention concerne, de façon générale les appa- reils électriques et elle se rapporte plus particulièrement à un procédé et un appareil permettant d'utiliser une atmosphère diéelctrique fluide pour l'isolation et un dispositif réfrigérateur pour dissiper la chaleur produite par l'appareil en fonctionnement.
Il est connu, dans l'industrie électrique, d'isoler des ap- pareils électriques hermétiques au moyen d'un diélectrique liquideg en immergeant les parties électriques actives dans le liquide., à la fois pour refroidir les parties électriques et pour les isoler électriques entre elles et par rapport à 19 enveloppe qui les entoure. La fabrication et l'emploi d'appareils de ce genre isolés au moyen d'un diélectrique liqui- des, présentent certains inconvénients.
Un de ceux-ci est la nécessité d'utiliser de grandes quantités de diélectrique liquide, comme l'huile ou un diphényl chloré, ou 19'équivalent. Par exemple dss transformateurs d'une puissance nominale d'un millier de KVA utilisent ordinairement en- viron 500 gallons de diélectrique liquide.
Les diélectriques liquides demandent de la surveillance et de l'entretien parce qu'ils peuvent déposer de la boue ou se détériorer par réaction avec toute humidité et l'oxygène ou d'autres gaz réactifs qui pénètrent dans le transformateur, et leurs caractéristiques isolantes peuvent de ce fait devenir moins bonnes. Si un arc électrique se pro- duit dans un appareil rempli de diélectrique liquidele feu ou une explo- sion peut se déclarer dans le cas d'une huile minérale ou., dans le cas d'un diélectrique liquide chlorédes fumées halogénées nocives et corro- sives peuvent se produire, qui corrodent, au moins, l'intérieur de l'appa- reilo D'autres inconvénients sont bien connus.
Le transformateur moderne du type sec,à remplissage gazeux ou réfrigéré à 19 air évite certains des inconvénients de l'appareil à dié- lectrique liquide, mais il en a de nombreux autres qui lui sont propres.
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Un inconvénient est la nécessité de disposer convenablement les enrou1emë s pour que 19 air ou un autre gaz puisse pénétrer et circuler de façon à re- froidir 'suffisamment 19appareil électriqueo On ne peut donc pas prévoir ces parois isolantes solides entre les enroulements et la masse parce qupil faat ménager à Pair des passages à 1-'arrière des enroulements, et., en 1-'absen- ce de ces parois isolantes solidesla tension de claquage ou de rupture entre enroulements et masse limite les potentiels utilisables.
Le noyau
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et les bobinages dgun transformateur à remplissage gazeux d9une puissance donnée sont plus grands que pour un même transformateur à réfrigérant liqpi- deo La construction de transformateurs du type sec pose un problème plus difficile que celle de transformateurs à réfrigérant liquide., et leur cal-
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cul est compliqué.
L-9isolement solide des enroulements doit être beaucoup plus épais que dans les appareils à diélectrique liquidée En pratique, le transformateur à remplissage gazeux a une très faible capacité de surcharge., ce qui limite sa sécurité de fonctionnement et sa marche en surchargeà l'opposé des appareils à diélectrique liquideo
La présente invention a pour buts de permettre de régler le degré de dissipation de la chaleur en fonction de la pression de vapeur à 1?intérieur de 1?enveloppe d'un appa- reil électrique hermétique dont l'isolement est assuré par des gaz inin- flammables et non explosifs et dont la chaleur est dissipée par la vapori- sation d'un réfrigérant liquider procurer un appareil électrique hermétique avec un liquide réfrigérant vaporisable dissipant la chaleur par aspersion le degré de
refroisissement du liquide réfrigérant étant réglé en fonction de la pres- sion des vapeurs dans l'enceinte% prévoir dans un appareil électrique hermétique, un moyen de répandre un réfrigérant liquide vaporisable sur l'appareil de manière à
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dissiper la chaleur de celui-cîp des serpentins de réfrigération associés au réfrigérant pour refroidir celui-ci et un moyen de régler 1?effet de refroidissement des serpentins de réfrigération en fonction de la pression des vapeurs dans 1?enceinte% refroidir des bobinages électriques en appliquant une mince couche ou pellicule de réfrigérant liquide vaporisable sur et autour des bo- binages de manière à refroidir ceux-ci par évaporation du réfrigérant,
ex-
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poser ensuite les vapeurs à 1-leffet de refroidissement de serpentins de réfrigération et régler À'effet de refroidissement des serpentins en fonc- tion de la pression des vapeurs du réfrigérant à 19intêrieur de 19eneeînte.
D'autres buts de l'invention ressortiront clairement de la description donnée ci-après avec référence au dessin annexa dans lequel
La figure 1 est une vue schématique d'un transformateur con=
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struit conformément à 1-linvention.
La figure 2 est une vue schématique d-une partie de la cuve du transformateur de la figure 1 montrant une variante dans le dispositif de réfrigération.
La figure 3 est une vue schématique d'un transformateur re-
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présentant une autre forme ddexêcutïon de 19învention., et La figure 4 est une vue schématique d?un transformateur re- présentant encore une autre forme d9ex6outîon de 1?inventiono
La figure 1 représente un transformateur 10 comprenant une cuve hermétique 12 contenant un noyau magnétique 14 et des enroulements électriques 16 y associésplacés sur le fond de la cuve. Pour simplifier le dessin, les connexions des enroulements 16 et les isolateurs de passage normalement montés sur le dessus ou le couvercle de la cuve 12, ne sont pas reproduits.
Comme la figure le montre, le fond de la cuve 12 est pourvu d'un puisard 18 contenant une quantité 20 de réfrigérant liquide vaporisa-
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ble. La quantité 20 de réfrigérant liquide est relativement faible;,compa- rée au volume de la cuve 12, puisqu'elle ne remplit normalement que le
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puisard 18, hors de contact du noyau 14 et des bobinages électriques lion
Plusieurs réfrigérants liquides vaporisables sont connus et peuvent être utilisés dans l'exécution de l'invention. Comme exemple de' réfrigérant liquide vaporisable convenable on peut citer les perhalocar- bures dont les atomes halogènes sont constitués par au moins 85% de fluor,
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en moles le reste étant du chlore9 avec de préférence au maximum un seul atome de chlore par molécules le point d'ébullition se situant entre 50 C
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et 20000. Le choix du réfrigérant liquide vaporisable dépend évidemment un peu de la température supportée sans dommage par l'isolant des bobina- ges électriques 16; il peut s'étendre aux perhalocarbures ayant des points
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d'ébullition allant jusqu9à 1900C et plus.
On peut citer comme perhalo- carbures le monochloropentadéoafluorodiméthyleyclohexane (08FJ.501) ou (trifluorométhyl) monochlorotétrafluorobenzènee ce dernier ayant un point d'ébullition de 137100 et un point de congélation de 8g Ca et le perfluo- rofluorane ayant un point d'ébullition de 1900G et un point de congéla- tion de =60Cfl
D'autres réfrigérants liquides vaporisables de la même classa peuvent être utiliséso Les fluorocarbures liquides utilisables dans le but décrit sont les composés de carbone et de fluor qui ont un point d'é-
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bullition compris entre zig et 150 'C à la pression atmosphérique. Des exemples de composés fluoroearburés sont les perfluorométhylcyclohexaneg perfluorod3mthrlooloheanea perfluoroheptane, perfluorohexane perfluo- rotoluène perfluoropropylcyclohexane, perfluoroéthylcyclohexane et per- fluorodiéthylcyclohexane.
Le point de congélation de ces fluorocarbures liquides est considérablement inférieur à zéro degré Centigrade de sorte qu'ils peuvent être utilisés presque dans toutes les conditions de tempé- rature ambiante prévisibles.
D'autres perhalocarbures spécialement adaptés à l'invention sont le perfluoro-1-méthylnaphtalène ayant un point d'ébullition de 161 C
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et un point de congélation inférieur à m75Ca le perfluoro-29méthy1naphta- lène ayant un point d'ébullition de 161 C et un point de congélation en-
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dessous de -60 Cn le perfluoroéthylcyclohexane ayant un point d'ébullition de 1010C et un point de congélation de -90C, le perfluoro-m-diéthylcyclo- hexane ayant un point d'ébullition à 115C et un point de congélation à 76Cg le perfluoropropylcyolohexane ayant un point d'ébullition de 125aC et un point de congélation de -5600 et (trifluorométhyl) pentafluoroben- Tiene ayant un point d'ébullition de 10500 et un point de congélation de -86oc.
Le perfluorométhyleyalohexane convient spécialement bien pour l'application décrite ici,ses propriétés physiques étant excellen- tes. Par exemple, le perfluorométhylcyclohexane a un point d'ébullition à 76,3 C,une chaleur latente de vaporisation de 22 calories par gramme au point d'ébullition une chaleur spécifique de 0,2 calorie par gramme
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une densité de lp8 et un point de congélation inférieur à -50 Go Il est évident que des mélanges de perhalocarbures peuvent être utilisés, si chaque perhalocarbure a un point d'ébullition compris entre 50 C et 20000.
Le réfrigérant liquide 20 est appliqué sur les enroule- ments électriquesau moyen d'une pompe 22 servant à enlever le réfrigé- rant liquide 20 du puisard 18, la pompe 22 étant reliée,, par un tuyau 24 par exemple,, à un dispositif d'aspersion 26 qui répand le réfrigérant liquide en une fine pluie (non représenté) sur le noyau 14 et les enrou- lements 16. Ainsi divisé,, le réfrigérant liquide se répand de lui-même en une mince couche (non représenté) sur les pièces électriques et s'éva- pore librement si les composants électriques sont chauds refroidissant ainsi le noyau 14 et les enroulements électriques 16.
Il est entendu que la douche 26 peut être remplacée par un réseau de canalisations qui diri-
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gent le réfrigérant sur des endroits déterminés des enroulements 16 auxquels s'applique la mince couche de réfrigérante -
Pour accélérer la dissipation de la chaleur des vapeurs pro- duites à !l'intérieur de la cuve 12, un radiateur 28 est monté sur la cuve 12, par exemple au moyen de canalisations 30 et 32. Lorsque le transformateur' est peu charge, les vapeurs de réfrigérant liquide lèchent les parois de--la cuve 12 et la radiateur 28, où une certaine condensation se faitle perha- locarbure liquide revenant dans le puisard 18 d'où il est renvoyé au dispo- sitif dispersion 26.
Cependant dans les cas de pleine charge et de surchargea les parois de la cuve 12 et du radiateur 28 ne suffisent plus à dissiper con- venablement la chaleur des vapeurs. C'est pourquoi afin de pouvoir dis- siper efficacement la chaleur dans toutes les conditions de travail pou- vant se rencontrer des ventilateurs 34 et 36 comportant des moteurs 38 et 40 sont montés sur la cuve 12 de façon à refroidir le radiateur 28 par air forcée
Comme la figure le montre les moteurs 38 et 40 des ventila- teurs respectifs 34 et 36 sont connectés de façon à être alimentés simul- tanément par une source d'énergie appropriée (non représentée), un rhéostat 42 étant mis en série pour régler la vitesse des ventilateurs et.,
par conséquente 1?effet de refroidissement des serpentins ou tubes réfrigé- rants du radiateur 28 sur le réfrigérant vaporiséo
Suivant la présente inventions on désire régler l'effet de refroidissement du radiateur 28 sur le réfrigérant vaporisé de manière à maintenir une pression déterminée à 1?intérieur de la cuve 120 Comme on le sait, quand la pression dans une enveloppe contenant un liquide vapo- risable augmentela température d'zbullition de ce liquide augmente.
L'effet de refroidissement du radiateur 28 doit donc augmenter, quand la pression des vapeurs à !l'intérieur de la cuve 12 tend à croître., de ma- nière à maintenir les vapeurs à une pression déterminée dans la quveo
A cet effet,, un soufflet Sylphon 44 est monté sur la cu- ve 12 et relié au curseur pivotant 46 du rhéostat 42 qui met un plus ou moins grand nombre de sections du rhéostat 42 dans le circuit des moteurs des ventilateurs 34 et 36.
Quand la pression des vapeurs à l'intérieur de la cuve 12 et du radiateur 28 tend à dépasser une valeur déterminée, par exemple la pression atmosphérique, le soufflet 44 s'allonge et dimi- nue le nombre de sections du rhéostat 42 en circuit avec les moteurs 38 et 40,de manière à augmenter la vitesse des moteurs et des ventilateurs 34 et 36 qu'ils entraînent.
En tournant plus vite, les ventilateurs 34 et 36 produisent un refroidissement par air forcé du radiateur 28 dont les serpentins ou tubes sont mieux refroidisce qui augmente la réfrigéra- tion des vapeurs y contenueso En faitquand la pression et la tempé- rature à l'intérieur de la cuve 12 augmentent à partir d'une valeur don- née, la vitesse des ventilateurs 34 et 36 augmentepour augmenter l'ef- fet de refroidissement du radiateur 28 de manière à limiter la variation de pression et de température à l'intérieur de la cuve à une valeur dé- terminée par rapport à la valeur de départ donnée.
Comme le montre la forme d'exécution de la figure 2,on peut obtenir., au lieu d'une variation continue de 1?effet de réfrigéra- tion du radiateur 28 sur les vapeurs du réfrigérant comme dans la forme d'exécution de la figure 1, un nombre défini de degrés de refroidisse- ment en connectant plusieurs ventilateurso Comme la figure le montre, les moteurs 38 et 40 des ventilateurs 34 et 36 respectivement,, sont mon- tés sur la cuve 12 de manière que les ventilateurs 34 et 36 puissent agir sur les serpentins de réfrigération du radiateur 28. Quoique deux ventilateurs seulement aient été représentés il est évident que les deux formes d'exécution de la figure 1 et de la figure 2 peuvent utili- ser un nombre quelconque de ventilateurs.
Gomme la figure 2 le montres les moteurs 38 et 40 peuvent
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être alimentés par une source d'énergie convenable (non représente);, chaque moteur étant relié par un conducteur approprié à un contact fixe comme 48 et 50, qui peut être ponté par un contact 52 mobile porté par le curseur pivotant 46.
Dans le cas considérée le curseur 46 peut être actionné par le soufflet Sylphon 44 monté sur la cuve 12 de façon semblable à la comman- de du curseur 46 par le soufflet 44 dans la forme d'exécution de la figure 10 Quand la pression de vapeur augmente, par exemple, dans la cuve 12,les moteurs 38 et 40 sont mis en route l'un après 1?autre suivant la pression de la vapeur, de manière à établir des degrés déterminés d9évacuation de chaleur du radiateur 28 et à limiter ainsi, en fait, la variation de la pression et de la température à 1?intérieur de la cuve 12 à un niveau dé- terminé au-dessus d'une valeur donnéeo
Dans la forme d'"xécution représentée à la figure 3,
la pression à 1?intérieur de la cuve 12 est réglée par la présence d'un ser- pentin de refroidissement 54 placé à 1?intérieur de la cuve 12 et commu- niquant par un clapet 56 avec un radiateur convenable 58 extérieur à la cuve 12. Le radiateur 58 est pourvu d'un orifice d9expansion approprié 60, le radiateur et les serpentins de refroidissement étant remplis d'un li- quide de réfrigération convenable, comme de l'eau ou l'équivalent.
Les serpentins de refroidissement 54 sont placés de préférence dans le fond de la cuve 12 et à hauteur du fond du radiateur 58 pour avoir le plus grand effet de refroidissement sur les vapeurso
Pour régler 1?effet de réfrigération des serpentins 54, le clapet 56 est commandé par le soufflet Sylphon 44 qui réagit à la pression et à la température à 1?intérieur de la cuve 12.
Quand la pression dépasse une valeur déterminée le clapet 56 est actionné de manière à permettre 1?écoulement d'une quantité déterminée de liquide réfrigérant dans le système de refroidissement constitué par les ser- pentins 54 et le radiateur 58, la circulation de ce liquide de réfrigé- ration étant une fonction directe de la pression dans la cuve 120 En marche normale du transformateur par exemple, le clapet 56 est maintenu fermé pour empêcher la circulation du réfrigérant liquide dans les ser- pentins 54, les parois de la cuve 12 étant suffisantes pour condenser les vapeurs et pour dissiper la chaleur de 1?appareil électrique dans la cuve 12.
Quand la charge du transformateur augmente, provoquant une augmentation de la température des enroulements et un accroisse- ment des vapeurs du réfrigérant liquide, un refroidissement forcé des vapeurs est nécessaire pour maintenir la température et la pression dans des limites données. Le soufflet 44 et le clapet 56 coopèrent, en réponse à un tel accroissement de la pressions et de la quantité de va- peurspour refroidir efficacement les vapeurs de manière à maintenir la pression et la température dans des limites données.
Comme le montre la forme d'exécution de la figure 4, si on le désire, les serpentins de refroidissement 54 peuvent être placés dans une chambre séparée 62. Dans ce casles serpentins de réfrigé- ration 54 communiquent par un clapet 56 avec une source convenable de liquide réfrigérant (non représenté). Dans ce casg le clapet 56 peut être commandé par le soufflet Sylphon 44 monté sur la paroi latérale de la chambre auxiliaire 620
Quand le liquide de réfrigération 20 produit des vapeurs celles-ci tendent à remplir la cuve 12 et la chambre auxiliaire 62 et se condensent, en fonctionnement normal de 1?appareil électrique, sur les parois de ces enveloppes, Devenant au puisard 18.
Quand la tempé- rature de 1?appareil électrique monte quand la charge augmente, la pres- sion de la vapeur produite augmente jusqu'à forcer le soufflet 44 à ac- tionner le clapet 56 de façon à permettre à un réfrigérant liquide ap- proprié de circuler dans les serpentins 54 qui refroidissent les vapeurs dans la chambre auxiliaire 62. L'effet réfrigérant des serpentins de re- froidissement 54 dépend donc directement de la pression des vapeurs pro- duitesl'actionnement du clapet 56 dépendant directement de la dilata-
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tion du soufflet 440
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Dans la forme daexécution de la figure 4 un clapet 66 est monte sur le couvercle de la chambre auxiliaire 62.
Le clapet 66 est du type connu ous le nom commercial *7entor" à air fabrique par la "'Hoffman Specialty Company of Indianapolisplndianaoop ou est constitue par une sou- pape semblable qui permet l'échappement de l'air ou des gaz non condensa- bles de la chambre 62 tout en se fermant en présence des vapeurs chaudes qui sont ainsi retenues dans le dispositifo
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Dans la forme d9excution de l'invention représentée à la figure 4, Inexpérience a montré quflil est possible de commander la ircu- lation du réfrigérant liquide intermédiaire dans les serpentins de refroi- dissement 54 pour une variation de pression dans la cuve 12 de une à deux livres par pouce carré (70 à 140 grammes par cm ).
Avec une cuve et des serpentine de refroidissement construits de façon qu9une pression mi- nimum de vapeur boréale règne dans la cuve 12 sans chargeavec les seu- les pertes dues au courant magnétisant de 19 appareil électrique les ap- pareils des figures 3 et 4 permettent à une variation de charge totale de 0 à 100% sur un transformateur dans un système complètement fermée de ne
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provoquer, à 1?intérieur de la cuve 12, cu9une variation de pression de une ou deux livres par pouce carré (70 à 140 grammes par centimètre car- ré)
Quand on utilise comme réfrigérant liquide 20 dans la cuve
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12 des composés perhalocarburése on constate que ces derniers donnent des vapeurs ayant des propriétés isolantes électriques excellentes.
Elles sont supérieures à pratiquement tous les autres gaz en ce qui concerne les caractéristiques isolantes électriques coe la tension de rupture,
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la rigidité diélectriques le facteur de puissance et la résistance à 1-'effet couronneo Les perhalocarbures du type décrit ont une stabilité chimique et thermique extraordinaire au point de vue tension de rupture, dépassée seulement par les gaz permanentso Ces composés perhalocarburés exercent un effet négligeable ou même nuls de dissolution ou de dété- riçration sur les matières isolantes ordinaires et les vernis utilisés dahs la fabrication des pièces électriques courantes comme les enroule- ments et les bobinageso En outre.,
on a constaté que l'emploi de perha- locarbures comme réfrigérant d'une des manières décrites ci-dessus., augmente la capacité possible en KVA des appareils ininflammables et non explosifs. Ils permettent aussi de relever la tension nominale limite
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permise d 1) environ 13 o000 volts pour les transformateurs refroidis par air à 69.000 volte et plus.
Quoique 1-'învention ait été décrite en se référant spé- cialement aux transformateurs il est entendu qu9elle peut être appli- quée à d 1) autres types daappareils électriques comme par exemples des commutateurs, condensateurs, générateurs, selfs et 1?équivalento Le réfrigérant liquide peut être appliqué sur 19 appareil. électrique de nom- breuses façons différentes pour bien couvrir 1?appareil électrique d'une mince couche de réfrigérant liquidede façon que les vapeurs de réfri- gérant liquide puissent se former efficacement pour bien évacuer ou dis- siper la chaleur de 1 appareil électrique.
Il ressort clairement que 1?appareil décrit permet le fonc- tionnement d'un système entièrement hermétique à une pression constante un peu au-dessus de la pression atmosphérique, ce qui donne tous les avantages d'un système à basse pression tout en maintenant toute la rigidité diélectrique à cette pressionpour des conditions de charge va- riableso Un excellent échange de chaleur et un bon réglage de 1?effet réfrigérant des surfaces de refroidissement sont obtenus avec un minimum
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daappareillageo' Dahs tous les cas le procédé décrit en relation avec 1?appareillage représenté permet un fonctionnement des appareils utili- sant efficacement la chaleur latente de vaporisation d'un liquide réfri- gérant à une pression sensiblement constante,
quelle que soit la charge du transformateurs ce.qui maintient un niveau maximum de la rigidité
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diélectrique de la vapeur du réfrigérant liquide.
REVENDICATIONS.
1. Appareil électrique devant fonctionner à une pression in- férieure à une pression déterminée, comprenant une cuve hermétique conte- nant une source de chaleur, un perhalocarbure vaporisable réfrigérant li- quide à 1?intérieur de la cuve pour dissiper la chaleur de la dite source., un moyen pour appliquer le réfrigérant liquide sur la source de'chaleur en une mince couche grâce à quoi cette source est refroidie principalement par la vaporisation du réfrigérant appliqué,,des serpentins de refroidissement pour refroidir le réfrigérant vaporisé en le ramenant à 1?état liquide, un radiateur communiquant avec les serpentins de refroidissement pour y en-' voyer une matière réfrigérante? et un moyen répondant à la pression'du ré- frigérant vaporisé,
pour régler la circulation de la matière réfrigérante du radiateur aux serpentins de refroidissement.