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APPAREIL ELECTRIQUE.
La présente invention concerne de façon générale les appa- reils électriques, et plus spécialement les appareils isolés par une at- mosphère diélectrique fluide et utilisant un dispositif de réfrigération pour évacuer la chaleur produite par 19appareil en fonctionnement.
Il est connu dans l'industrie électrique, d'isoler au moyen d'un liquide diélectrique des appareils électriques enfermés, en plon- geant les parties électriques actives dans ce liquide, à la fois pour refroidir les parties électriques et pour isoler électriquement les par- ties entre elles et par rapport à la cuve dans laquelle elles sont pla- céeso Cependant la fabrication et l'emploi d'appareils isolés par un diélectrique liquide présentent certains inconvénients. Un inconvénient est la nécessite d'utiliser de grandes quantités de diélectrique liqui- de, comme 1'huile ou un diphényl chloré ou l'équivalent.
Par exemple, des transformateurs d9une puissance nominale d'un millier de KVA utili- sent régulièrement environ cinq cents gallons de diélectrique liquide.
Les diélectriques liquides exigent de la surveillance et de l'entretien, parce qu'ils peuvent déposer de la boue ou se détériorer en réagissant avec 1'humidité et 1'oxygène ou d'autres gaz réactifs pou-. vant pénétrer dans le transformateur,, et subir ainsi une diminution de leurs caractéristiques isolantes. Si un arc électrique se produit à l'in- térieur d'un appareil rempli de diélectrique liquide., il peut provoquer une explosion ou un incendie, si le diélectrique liquide est une huile mi- nérale,ou sinon produire des fumées halogènes corrosives et nocives dans le cas d'un diélectrique liquidechloré qui corrodent, au moins,Pinté- rieur de l'appareil. D'antres inconvénients encore sont bien connus.
Le nouveau transformateur du type "sec" rempli de gaz ou refroidi par l'air évite certains inconvénients de 19appareil rempli d'un diélectrique liquide, mais il en présente dautres qui lui sont propres.
Un de ces inconvénients est la nécessité de prévoir les enroulements de
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façon que 1?air ou un autre gaz puisse pénétrer et circuler-de manière à refroidir suffisamment 19 appareil électrique. On ne peut donc pas placer de parois isolantes solides entre enroulements et terre parce que des cana- lisations d'air doivent passer derrière les enroulements, et en l'absen- ce de ces parois isolantes solides la tension de claquage ou de rupture entre les enroulements et la terre limite les potentiels pouvant être uti- lises. Le noyau et la bobine d'un transformateur à remplissage gazeux sont plus grands que ceux d9un transformateur à refroidissement par li- quide de la même puissance nominale.
La construction de transformateurs du type sec constitue un problème plus difficile que la construction de transformateurs à liquide de réfrigération, et leur calcul est un problè- me considérableo L'isolant solide de leurs enroulements doit être beaucoup plus épais que dans le cas d9un appareil à diélectrique liquide. En pra- tique, le transformateur à remplissage galeux a une faible capacité de surcharge ce qui limite sa marche au-dessus de sa puissance nominale et affecte sa sûreté de fonctionnements à 1?opposé des appareils à remplissa- ge diélectrique liquide.
L'invention a pour but de procurer., dans un appareil électri- que hermétique isolé au moyen de gaz ininflammables et inexplosifs et dont la chaleur produite en fonctionnement est dissipée par la vaporisa- tion d'un réfrigérant liquide, le moyen de régler le degré de dissipation de chaleur des gaz de manière à maintenir automatiquement la pression et la température à 1'intérieur de la cuve,
entre des limites déterminéeso L'invention a aussi pour but de procurer un appareil électrique enfermé sur lequel un réfrigérant liquide vaporisable est répandu pour en éva- cuer la chaleuret de régler le refroidissement du réfrigérant vaporisé en utilisant sa pression pour comprimer et déplacer un gaz non condensa- ble relativement léger contenu dans une cuve auxiliaire communiquant avec 151 appareil enfermé de manière à exposer le réfrigérant vaporisé à 1?influence d'un réfrigérateurs 1'effet refroidissant d'un tel réfrigéra- teur sur le réfrigérant vaporisé augmentant quand ce dernier déplace les gaz non condensableso
D9autres buts de 1?invention ressortiront de la description donnée ci-dessous avec référence aux dessins annexés,
dans lesquels @
La figure 1 est une vue schématique d'un transformateur construit conformément à l'invention.
La figure 2 est une vue schématique d'un transformateur représentant une autre forme d'exécution de l'invention.
La figure 3 est une vue schématique d9un transformateur mon- trant les éléments du transformateur de la figure 2 disposés d'une façon légèrement différente.
La figure 4 est une vue schématique d'un transformateur re- présentant encore une autre forme d'exécution de 1-'invention.
La figure 1 représente 1?invention appliquée à un transfor- mateur 10 comprenant une cuve hermétique 12 contenant un noyau magnétique 14 avec des enroulements électriques associés 16 placés sur le fond de la cuve. Pour simplifier les dessins, les connexions vers les enroulements 16 et les isolateurs de passage normalement montés sur le dessus- ou le cou- vercle de la cuve 12 ne sont pas représentés.
Comme la figure le montre, le fond de la cuve 12 est pourvu d'Un puisard 18 dans lequel se trouve une quantité 20 de réfrigérant li- quide vaporisable. La quantité 20 de réfrigérant liquide est relative- ment faible, comparée au volume de la cuve 12, puisqu'elle ne remplit normalement que le puisant 18,sans être en contact avec le noyau 14, ni avec les enroulements électriques 16.
Différents réfrigérants liquides vaporisables sont connus et peuvent être utilisés dans la mise en application de l'invention. On peut citer, comme exemple de réfrigérant liquide vaporisable convenable,
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les perhalocarbures composés d9au moins 85%, en molesde fluoret de chlo-
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re pour le reste, avec de préférence" un atome de chlore par molécule et un point d9êbullition compris entre 5000 et 2000C. Le choix du réfrigérant 1i- quide vaporisable dépend évidemment un peu de la température supportée sans, dommage par 1'isolant des enroulements électriques 16, et il peut même se '
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porter sur des perhalocarbures ayant des points d'ébullition de 1900C et plus.
Comme exemples de perhalocarbures, on peut citer les monochloropenia- décaJ."luorodiméthylcyclohexane (0 8F15 01) et (trifluorométhyl) monochloro- tétrafluorobenzènes ce dernier ayant un point d'ébullition de 137 C et un point de congélation de 0$$AC9 ainsi que le perfluorofluorane ayant un point d9e'bnlution de 190 C et un point de congélation de m60'Co
D'autres réfrigérants liquides vaporisables faisant partie de la classe des perhalocarbures précités et pouvant être utilisés sont les composés fluorocarburés ne comprenant que du fluor et du carbone et bouillant entre 50 C et 150 C à la pression atmosphérique.
On peut citer,, comme exemples de composés fluorocarburés convenables, les perfluoromé-
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thylcyclohexaneg perfluorodiméthylcyc1ohexane 9 perfluoroheptane" per- fluorohexane., perf'luorotoluène perfluoropropyloyolohexane, perfluoro- éthylcyclohexane et perfluorodiéthylcyclohexanea Le point de congélation de ces fluorocarbures liquides est considérablement en-dessous de zéro degré centigrade,, de sorte qu'ils peuvent être utilisés dans presque tou- tes les conditions ambiantes pouvant exister en service.
D'autres perhalocarbures qui peuvent être utilisés sont le
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perfïuoro1rt,hylnaphtaléne ayant un point d'ébullition de 161'C et un point de congélation de -750C. le perfluoro-2-mêthylnaphtalène ayant un point d9ébullition de 1610C et un point de congélation en-dessous de 60oCe le perfluoroéthylcyclohexane ayant un point d9e bulhtian de 10100 et un point de congélation de -900C. le perfluoro-m-diéthylcyclohexane ayant un point d'ébullition de :145 0 et un point de congélation de -76oC, leperfluoropropylcyclohexane ayant un point d9ébullition de 125 C et un point de congélation de -560C et (trifluorométhyl) pentafluorobenzène ayant un point d'ébullition de 105 C et un point de congélation de -860C.
Le perfluorométhylcyclohexane convient particulièrement bien pour Inapplication décrite ici,, ses propriétés physiques étant ex- cellentes dans le cas considère. Par exemplele per±luorométhylcyclohe-
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xane a un point d9 ébulli tion de 76s3 cs une chaleur latente de vaporisa- tion de 22 calories par gramme au point d'ébullition, une chaleur spéci-
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fique de 0s2 calorie par gramme9 une densité de 19$ et un point de con- gélation de -50 ca Il est entendu évidemment qu'on peut utiliser des mélanges de perhalocarbures,
si chaque perhalocarbure a un point d9e bul- lition compris entre 500C et 200 Ca
Le réfrigérant liquide 20 est amené aux enroulements élec- triques 16 par une pompe 22 disposée de façon à tirer le réfrigérant li-
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quide 20 du puisard 18 et à 19 envoyer, par une canalisation 2.f..9 à un dis- positif d'aspersion convenable 26 d'où le réfrigérant liquide tombe en une fine pluie (non représenté) autour du noyau 14 et des enroulements 160 En tombant ainsi, le réfrigérant liquide se répartit de lui-même en une mince couche (non représenté) autour des pièces électriques et s'évapore librement sous 19 effet de la chaleur des parties électriques,
refroi- fissant ainsi le noyau 14 et les enroulements électriques 160
Pour faciliter 19 évacuation- de la chaleur des vapeurs pro- duites dans la cuve 12,une cuve auxiliaire 28 communique par le fond avec le collecteur supérieur 29 d'un réfrigérateur 30 composé de plusieurs tubes de refroidissement 32 constituant des chemins de circulation dont le rôle sera décrit plus en détail ci-dessous, le collecteur inférieur 34 du réfrigérateur communiquant, par une canalisation 36, avec la partie
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supérieure de la cuve 12 et, par la canalisation 38 avec le puisard 180 Si on le désire, un ventilateur 40 peut souffler sur les tubes 32 pour refroidir ceux-ci par air forcé.
La cuve auxiliaire 28 est pourvue d'un
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tube reniflard approprié 42 contenant un bouchon liquide l.h,o Un reniflard
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de ce genre règle automatiquement la pression à une valeur déterminée, en laissant s'échapper un exqès de gaz non condensable tout en évitant tout échange dans toute une gamme de conditions normales de fonctionnement.
Suivant la présente invention le réfrigérateur 30 et la cu- ve auxiliaire 28 contiennent une quantité d'un gaz inerte, non condensable 46, comme l'azote. Comme le gaz non condensable 46 est léger, comparé aux vapeurs de perhalocarbure produites dans la cuve 12, tout azote présent dans la cuve 12 avant -échauffement de 19 appareil électrique s9 échappera fa- cilement par la grosse canalisation 36 allant vers le réfrigérateur 300
Dans la pratique,1'ensemble hermétique contient assez d'azc- te pour que, lorsque le transformateur travaille sous la charge minimum, cet azote remplisse exactement la cuve auxiliaire 28 et les tubes de re- froidissement 32 du réfrigérateur 30,
la pression des vapeurs de perhalo- carbure produites dans ces conditions à l'intérieur de la euvea étant jus- te suffisante porumaintenir 1-'azote,, dans les tubes de refroidissement 32, au niveau indiqué par la ligne en traits interrompus 48. Dans ce cas, les parois de la cuve 12 et de la canalisation 36 avec le collecteur inférieur 34 suffisent pour refroidir convenablement les vapeurs de perhalocarbure produites dans la cuve 12 de manière à en évacuer assez de chaleur et à maintenir une pression et une température données à l'intérieur de la cu- ve 120
Quand la charge du transformateur et, par conséquent,la tem- pérature des enroulements 16 augmentent, la pression des vapeurs produites de perhalocarbure augmente,
entraînant une compression de 1-'azote dans les tubes de refroidissement 32 et la cuve auxiliaire 28, avec le résultat que les vapeurs de perhalocarbure déplacent 19azote et tendent à remplir les tubes de refroidissement 32. Le réfrigérateur 30 est étudié de façon que, pour toutes les charges pouvant être appliquées au transformateur, allant du minimum au maximum, la frontière entre les vapeurs de perhalocarbure et 1?azote se situe toujours entre les limites des tubes de refroidissement 32, la ligne en traits interrompus 50 représentant la solution de continuité en - tre les vapeurs et 1?azote pour la charge maximum du transformateur.
Pour une charge maximum, la capacité totale des tubes de refroidissement 32 est utilisée, tandis que pour des charges intermédiaires la frontière vapeurs- gaz se placera automatiquement à la hauteur voulue pour que la chaleur dis- sipée par les tubes de refroidissement 32 et par la cuve 12 plus la cana- lisation 36 soit toujours égale aux pertes calorifiques du transformateur.
Il faut noer que la chaleur dissipée par la cuve 12, la canalisation 36 et le collecteur 34 est une constante, tandis que la cha- leur dissipée par les tubes de refroidissement est une variable, 9 19 effet de refroidissement de ces derniers sur les vapeurs, avec ou sans air forcé provenant du ventilateur 40, augmentant au fur et à mesure du refoulement de l'azote. Dans ces conditions, l'accroissement de réfrigération est suf- fisant pour convenablement refroidir et condenser les vapeurs de perhalo- carbure de façon à maintenir une pression et une température sensiblement constantes à 1?intérieur de la cuve du transformateur.
La pression variera évidemment'légèrement quand.. la frontière vapeur-gaz passe de la ligme 48 à la ligne..!50 dans les tubes de refroidissement 32, cette variation de pression se faisant sentir aussi bien dans la cuve au- xiliaire 28 que dans la cuve principale 12. Cette variation de pression dépend du volume relatif des tubes de refroidissement 32 et du volume in- térieur de la cuve 28 remplie de gaz, mais elle est indépendante du volu- me de la cuve principale 12.
En pratique, il est possible de construire des dispositifs qui fonctionnent entre 15 et 17 livres par pouce carré (entre 1050 et 1200 grammes par cm ) de pression absolue, c'est-à-dire un peu au-dessus de la pression atmosphériqueo Un réfrigérateur 30 ayant un volume total de 2 pieds cubes (56 litres) est suffisant pour dissiper par- faitement 10.000 watts, un tel degré de refroidissement étant suffisant pour régler la température d'un transformateur d'un millier de KVA. Dans
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une autre forme d9excution représentée à la figure 29 une cuve auxiliaire' 52 est placée sur le dessus ou couvercle de la cuve 12.
Dans le cas consi-
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déréa la cuve auxiliaire 52 comporte un compartiment supérieur 54 et un compartiment inférieur 56, le compartiment supérieur 54 servant à contenir la quantité d9azote 460 Le compartiment inférieur 56 de la cuve auxiliaire 52 se compose de plusieurs tubes de refroidissement 58 reliant le comparti- ment supérieur 54 à la cuve 12. Le compartiment inférieur 56 contenant les tubes de refroidissement 58 ne communique pas avec le compartiment supé- rieur 54 et la cuve 12, mais un réfrigérant 60 comme de l'eau ou une matiè- re analogue peut y circuler.9 venant du radiateur auxiliaire 62.
Les col- lecteurs supérieur et inférieur du radiateur auxiliaire 62 communiquent., par des canalisations 64 et 669avec le compartiment 56 pour faire circu- ler un réfrigérant et le mettre en contact avec les tubes de refroidisse- ment 58.
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Comme dans la forme doexécution précédente, la cuve auxi- liaire 52 est calculée de façon que, pour une charge mininjum du transfor- mateur de la cuve 12, la pression des vapeurs de perhalocarbure produites dans la cuve 12 soit suffisante pour maintenir 19azote dans le comparti- ment 54 et les tubes de refroidissement 58,de manière à maintenir la li-
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gne frontière séparant les vapeuradu gaz au niveau indiqué par la ligne en traits interrompus 680 Dans ces conditions, les parois de la cuve 12 suf- fisent à dissiper la chaleur des vapeurs chaudes de perhalocarbure dans la cuve 12, de fagon.à maintenir une pression et une température sensible- ment constantes à 1'intérieur de la cuve 120
Quand la charge du transformateur et par conséquente la température des enroulements 16 augmente,
la pression des vapeurs de per- halocarbure augmente et tend à comprimer 1'azote dans le tube de refroi- dissement 58 de fagon que de plus en plus de vapeur de perhalocarbure vienne en contact avec les tubes de refroidissement 58 et se condense, sous 1?influence du réfrigérant 60 dans le compartiment inférieur 56.
La frontière vapeurs-gaz monte dans les tubes de refroidissement 58 jus- qu'à atteindre la limite correspondant à la charge maximum du transfor- mateur et représentée par la ligne en traits interrompus 70 au haut des
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tubes de refroidissement 5$o Quand la pression à 1?intéÔieur de la cuve 12 tend à augmenter, l'effet de refroidissement du réfrigérant 60 sur les vapeurs augmente aussi de façon à dissiper leur chaleur et à maintenir une pression et une température sensiblement constantes dans la cuve de transformateur 12.
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Il est essentiel, dans la forme d9exécution de la figure 2, que les tubes de refroidissement 58 du réfrigérateur 52 soient placés à un niveau plus bas que la majeure partie du radiateur 62, pour assurer
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une circulation d'eau par convectiono Il faut donc, dans la forme dgexé- cution de la figure 2, placer le radiateur 62 au-dessus de la cuve prin- cipale de transformateur 12,,ce qui peut présenter des inconvénients dans
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une installation ralle.
La figure 3 représente une forme d'exécution de l'invention qui supprime les inconvénients de la position élevée du radiateur 62 dans la forme d 9 exécution de la fi.gure 2. Dans la figure 3,la cuve auxiliai- re 52 est placée près de la cuve 12 à hauteur du fond de celle-ciavec le radiateur 62 sensiblement au même niveau que-la cuve 12. Dans ces con-
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di tions la cuve auxiliaire 52 comprend un collecteur inférieur communi- quant avec les tubes de refroidissement 58 et relié au haut de la cuve 12
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par une grosse canalisation 36, comme dans la forme dgexécution utilisée à la figure 1.
Le collecteur 72 est aussi connecté au puisard 18 par une plus petite canalisation 38 permettant le retour du perhalocarbure liqui- de condensé de la cuve auxiliaire 52 vers le puisard 18 et le réemploi du liquidée La cuve auxiliaire 52 dissipe la chaleur des vapeurs de perha-
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locarbure de la même maniera, que dans le cas de la forme dgexécution de la figure 2, la ligne en traits interrompus 68 représentant la frontière vapeurs-gaz pour la charge minimum du transformateur et la ligne en traits
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interrompus 70 représentant-la même frontière dans le cas de charge maxi- mum du transformateur.
Si on le désire la cuve auxiliaire 52 peut aussi être munie d'un tube reniflard 74 avec un bouchon liquide 76 fonctionnant
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de manière connueo Comme dans la forme d9excution précédente, le réfri- gérant liquide intermédiaire 60 circulant dans le compartiment 56 et le ra- diateur 62 se déplace par convection pour évacuer la chaleur des vapeurs de perhalocarbure, 1?effet de refroidissement du réfrigérant augmentant au fur et à mesure que les vapeurs délogent 19 azote des tubes de refroi- dissement 58.
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Dans une autre forme dgexécution de 1?invention représentée à la figure 4? on utilise un double réservoir d?expansion 78 au lieu de la cuve auxuliaire 28 de la forme d exécution de la figure 10 Dans ce cas, le réservoir d9expansion double 78 comporte deux compartiments 80 et 82 contenant un liquide 84 et ne communiquant entre eux que par le bas, le liquide, huile ou 1'équivalents étant pousse d'un compartiment à 1-'autre, quand la pression dans la cuve 12 refoule 19 azote du réfrigérateur 30 dans le compartiment 80, le compartiment 82 communiquant avec 19 air extérieur.
Le volume de la chambre de réczption de 19 azote constituée par le compar- timent 80, varie de façon à s'adapter au volume de gaz refoulé par la va-
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peur du réfrigérateur 30o Le volume du réservoir d8expansion double 78 peut être proportionné au volume des tubes de refroidissement 32 du réfri- gérateur 30 de fagon que la ligne de frontière vapeurs-gaz voyage entre les lignes 48 et 50, suivant les conditions de fonctionnement du transforma- teur dans la cuve 12 allant de charge minimum à charge maximum, 1-'effet de refroidissement des tubes 32 augmentant quand les vapeurs des composés per- halocarburés refoulent 1-'azote dans le compartiment 800
On peutsi on le désire, associer aux tubes de refroidisse- ment 32 un ventilateur (non représenté)
pour la réfrigération forcée de ces tubes.
L'invention procure un dispositif entièrement enfermé qui maintient une pression et une température sensiblement constantes à l'intz-
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rieur de la cuve 12. Lgexprience montre quoen pratique, une variation de pression de une à deux livres par pouce carré (70 à 140 grammes par cm ) suffit dans la cuve 12 pour efficacement dissiper la chaleur produite par 1?appareil électrique de charge minimum à maximum, 1?effet de refroidisse- ment étant lié à la pression dans la cuve 12.
En utilisant un appareil du type décrit, la dimension du transformateur est réduite comparée aux trans- formateurs normaux à auto-refroidissement, et 11'huile, entièrement exclue, est remplacée par des matières inertes ininflammables et inexplosives, par opposition aux transformateurs à remplissage d'h$ile.
Quand on utilise dans la cuve 12 des composés perhalocarbu- rés comme réfrigérant liquide,, on a constaté que de tels composés produi- sent des vapeurs ayant des propriétés d'isolement électrique excellentes.
Elles sont supérieures à sensiblement tous les gaz en ce qui concerne les caractéristiques d9isolement électrique comme la tension de rupture,la rigidité diélectrique, le facteur de puissance etla résistance à 19effet corona. Ces perhalocarbures ont une stabilité chimique et thermique excel- lente surpassée uniquement par celle des gaz permanents.
Leur effet de détérioration sur les matières et vernis ordinaires utilisés dans la fa- brication de pièces électriques classiquescomme les bobinages et enroule-
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ments, est négligeable sinon nulo L9expêrience a montré que Inapplication de perhalocarbures comme réfrigérant à 19appareil décrit ci-dessus, permet d9augmenter les KVA nominaux des appareils ininflammables et inexplosifso
Quoique 1?invention ait été décrite dans son application aux transformateurs:, il est entendu quelle peut aussi être appliquée à d'au-
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tres genres d'aPPareil8 électriques, comme par exemple, des commutateurs., condensateurs générateurs, selfs et analogues.
Le réfrigérant liquide peut être appliqué à 19 appareil électrique de nombreuses façons différentes pour couvrir réellement tout 1?appareil électrique d9une mince couche de réfrigérant liquide qui se transforme efficacement en vapeurs de manière à
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bien évacuer ou dissiper la chaleur de 1?appareil électrique.
L'appareil décrit ci-dessus constitue un système entièrement hermétique pouvant fonctionner à une pression et une température sensible- ment constantesayant tous les avantages d'un système à basse pression tout en maintenant la pleine rigidité diélectrique de la vapeur à cette pression pour les conditions de charge variables. On obtient, avec,un mi- nimum d'appareillage, un excellent transfert de chaleur et un bon refroi- dissement des vapeurs dans des conditions de charge variableso
REVENDICATIONS.
@
1.- Appareil électrique comprenant une cuve hermétique., une source de chaleur à 1?intérieur de la cuve, un moyen de dissiper la chaleur de ladite source comprenant une quantité de réfrigérant liquide et un moyen d'appliquer une mince couche de réfrigérant liquide sur la source de chaleur pour la refroidir par évaporation du réfrigérant en une vapeur condensables, une cuve auxiliaire communiquant avec la tapeur cpnden- sable à l'intérieur de la cuve hermétiques un gaz non condensable dans la cuve auxiliaire constituant un matelas compressible pour la vapeur conden- sable de la cuve hermétique,
et un moyen associé à la cuve auxiliaire et avec lequel la vapeur condensable vient en contact quand elle comprime le gaz non condensable pour refroidir la vapeur condensable en un liquide.
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ELECTRICAL APPLIANCE.
The present invention relates generally to electrical apparatus, and more especially to apparatus isolated by a fluid dielectric atmosphere and using a refrigeration device to remove the heat produced by the apparatus in operation.
It is known in the electrical industry to insulate enclosed electrical devices by means of a dielectric liquid, by immersing the active electrical parts in this liquid, both to cool the electrical parts and to insulate them electrically. - ties between them and with respect to the tank in which they are placed. However, the manufacture and use of devices insulated by a liquid dielectric have certain drawbacks. One drawback is the need to use large amounts of liquid dielectric, such as oil or chlorinated diphenyl or the like.
For example, transformers rated at a thousand KVA routinely use about five hundred gallons of liquid dielectric.
Liquid dielectrics require monitoring and maintenance, because they can deposit sludge or deteriorate by reacting with moisture and oxygen or other reactive gases. before entering the transformer, and thus undergo a reduction in their insulating characteristics. If an electric arc occurs inside a device filled with liquid dielectric, it may cause an explosion or fire, if the liquid dielectric is mineral oil, or otherwise produce corrosive halogen fumes and harmful in the case of a liquid-chlorinated dielectric which corrode, at least, the interior of the apparatus. Still other disadvantages are well known.
The new gas-filled or air-cooled "dry" type transformer avoids certain drawbacks of an apparatus filled with a liquid dielectric, but has others of its own.
One of these drawbacks is the need to provide the windings of
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so that air or some other gas can enter and circulate so as to sufficiently cool the electrical apparatus. It is therefore not possible to place solid insulating walls between windings and earth because air ducts must pass behind the windings, and in the absence of these solid insulating walls the breakdown or breaking voltage between the windings. windings and earth limits the potentials that can be used. The core and coil of a gas-filled transformer are larger than those of a liquid-cooled transformer of the same rated power.
The construction of dry type transformers is a more difficult problem than the construction of coolant transformers, and their calculation is a considerable problem. The solid insulation of their windings must be much thicker than in the case of a refrigerating device. liquid dielectric. In practice, the gall-filled transformer has a low overload capacity which limits its operation above its rated power and affects its operational reliability as opposed to liquid dielectric filled devices.
The object of the invention is to provide., In a hermetic electrical apparatus insulated by means of non-flammable and inexplosive gases and whose heat produced in operation is dissipated by the vaporization of a liquid refrigerant, the means of regulating the temperature. degree of heat dissipation of the gases so as to automatically maintain the pressure and temperature inside the vessel,
Another object of the invention is to provide an enclosed electrical apparatus on which a vaporizable liquid refrigerant is spread to remove heat therefrom and to regulate the cooling of the vaporized refrigerant by using its pressure to compress and displace non-gas. A relatively light condensate contained in an auxiliary vessel communicating with the apparatus enclosed so as to expose the vaporized refrigerant to the influence of a refrigerator the cooling effect of such a refrigerator on the vaporized refrigerant increasing as the latter moves non-condensable gases
Other objects of the invention will become apparent from the description given below with reference to the accompanying drawings,
wherein @
Figure 1 is a schematic view of a transformer constructed in accordance with the invention.
Figure 2 is a schematic view of a transformer showing another embodiment of the invention.
Figure 3 is a schematic view of a transformer showing the elements of the transformer of Figure 2 arranged in a slightly different fashion.
Figure 4 is a schematic view of a transformer showing yet another embodiment of the invention.
Figure 1 shows the invention applied to a transformer 10 comprising a sealed vessel 12 containing a magnetic core 14 with associated electrical windings 16 placed on the bottom of the vessel. To simplify the drawings, the connections to the windings 16 and pass insulators normally mounted on the top- or cover of the tank 12 are not shown.
As the figure shows, the bottom of the vessel 12 is provided with a sump 18 in which there is a quantity of vaporizable liquid refrigerant. The quantity of liquid refrigerant is relatively small compared to the volume of the vessel 12, since it normally only fills the pulser 18, without being in contact with the core 14, nor with the electrical windings 16.
Various vaporizable liquid refrigerants are known and can be used in the practice of the invention. There may be mentioned, as an example of a suitable vaporizable liquid refrigerant,
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perhalocarbons composed of at least 85%, by moles of fluorine and chlorine
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re for the rest, preferably with "one chlorine atom per molecule and a boiling point between 5000 and 2000C. The choice of vaporizable liquid refrigerant obviously depends a little on the temperature withstood without damage by the insulation of the windings. electric 16, and it can even be '
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relate to perhalocarbons with boiling points of 1900C and above.
As examples of perhalocarbons, mention may be made of the monochloropenia-decaJ. "Luorodimethylcyclohexane (0 8F15 01) and (trifluoromethyl) monochlorotetrafluorobenzenes, the latter having a boiling point of 137 C and a freezing point of 0 $$ AC9 as well as perfluorofluorane having a melting point of 190 ° C and a freezing point of m60 ° C
Other vaporizable liquid refrigerants belonging to the class of the aforementioned perhalocarbons and which can be used are fluorocarbon compounds comprising only fluorine and carbon and boiling between 50 C and 150 C at atmospheric pressure.
As examples of suitable fluorocarbon compounds, mention may be made of the perfluorom
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thylcyclohexaneg perfluorodimethylcyc1ohexane 9 perfluoroheptane "per-fluorohexane., perfluorotoluene perfluoropropyloyolohexane, perfluoro-ethylcyclohexane and perfluorodiethylcyclohexane" The freezing point of these fluids-below centigrade is almost zero cent centigrade that they can be used in almost zero cent centigrade fluorocarbons in centigrade liquids is almost zero cent centigrade in centigrade fluids that are used in almost zero cent centigrade fluids. - the ambient conditions which may exist in service.
Other perhalocarbons which can be used are
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perfïuoro1rt, hylnaphthalene having a boiling point of 161 ° C and a freezing point of -750C. perfluoro-2-methylnaphthalene having a boiling point of 1610C and a freezing point below 60oC; perfluoroethylcyclohexane having a bulhtian point of 10100 and a freezing point of -900C. perfluoro-m-diethylcyclohexane having a boiling point of: 145 0 and a freezing point of -76oC, perfluoropropylcyclohexane having a boiling point of 125 C and a freezing point of -560C and (trifluoromethyl) pentafluorobenzene having a d point 'boiling 105 C and a freezing point of -860C.
Perfluoromethylcyclohexane is particularly suitable for the application described herein, its physical properties being excellent in the present case. For example per ± luoromethylcyclohe-
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xane has a boiling point of 76s3 cs a latent heat of vaporization of 22 calories per gram at the boiling point, a specific heat.
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fic of 0s2 calories per gram9 a density of 19 $ and a freezing point of -50 ca. It is obviously understood that mixtures of perhalocarbons can be used,
if each perhalocarbon has a boiling point between 500C and 200 Ca
Liquid refrigerant 20 is supplied to the electric windings 16 by a pump 22 arranged to draw liquid refrigerant.
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quide 20 of the sump 18 and 19 to send, by a pipe 2.f..9 to a suitable sprinkler device 26 from where the liquid refrigerant falls in a fine rain (not shown) around the core 14 and windings 160 Falling in this way, the liquid refrigerant distributes itself in a thin layer (not shown) around the electrical parts and evaporates freely under the effect of the heat from the electrical parts,
thus cooling the core 14 and the electric windings 160
To facilitate the removal of the heat from the vapors produced in the tank 12, an auxiliary tank 28 communicates via the bottom with the upper manifold 29 of a refrigerator 30 composed of several cooling tubes 32 constituting circulation paths, the bottom of which is role will be described in more detail below, the lower manifold 34 of the refrigerator communicating, by a pipe 36, with the part
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upper tank 12 and, through pipe 38 with sump 180 If desired, a fan 40 can blow on the tubes 32 to cool them by forced air.
The auxiliary tank 28 is provided with a
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suitable breather tube 42 containing a liquid plug l.h, o A breather
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of this type automatically regulates the pressure to a determined value, allowing an excess of non-condensable gas to escape while avoiding any exchange under a whole range of normal operating conditions.
In accordance with the present invention, refrigerator 30 and auxiliary vessel 28 contain an amount of an inert, non-condensable gas 46, such as nitrogen. As the non-condensable gas 46 is light, compared to the perhalocarbon vapors produced in the tank 12, any nitrogen present in the tank 12 before the heating of the electrical appliance s9 will easily escape through the large pipe 36 going to the refrigerator 300
In practice, the hermetic assembly contains enough azote so that, when the transformer is working under the minimum load, this nitrogen exactly fills the auxiliary tank 28 and the cooling tubes 32 of the refrigerator 30,
the pressure of the perhalocarbon vapors produced under these conditions inside the chamber being sufficient enough to maintain the nitrogen in the cooling tubes 32 at the level indicated by the dashed line 48. In in this case, the walls of the tank 12 and of the pipe 36 with the lower manifold 34 are sufficient to adequately cool the perhalocarbon vapors produced in the tank 12 so as to remove enough heat from them and to maintain a given pressure and temperature at inside the tank 120
As the load on the transformer and hence the temperature of the windings 16 increases, the pressure of the produced perhalocarbon vapors increases,
causing compression of the nitrogen in the cooling tubes 32 and the auxiliary tank 28, with the result that the perhalocarbon vapors displace the nitrogen and tend to fill the cooling tubes 32. The refrigerator 30 is designed so that, for all the loads being able to be applied to the transformer, going from the minimum to the maximum, the border between the perhalocarbon vapors and the nitrogen is always located between the limits of the cooling tubes 32, the dashed line 50 representing the solution of continuity in - be the vapors and nitrogen for the maximum load of the transformer.
For a maximum load, the total capacity of the cooling tubes 32 is used, while for intermediate loads the vapor-gas boundary will automatically be placed at the desired height so that the heat dissipated by the cooling tubes 32 and by the tank 12 plus pipe 36 is always equal to the heat losses of the transformer.
It should be noted that the heat dissipated by the tank 12, the pipe 36 and the collector 34 is a constant, while the heat dissipated by the cooling tubes is a variable, 9 19 cooling effect of the latter on the vapors , with or without forced air coming from the fan 40, increasing as the nitrogen discharge. Under these conditions, the increase in refrigeration is sufficient to properly cool and condense the perhalocarbon vapors so as to maintain a substantially constant pressure and temperature within the transformer tank.
The pressure will obviously vary slightly as the vapor-gas boundary passes from line 48 to line 50 in cooling tubes 32, this pressure variation being felt both in auxiliary tank 28 and. in the main tank 12. This pressure variation depends on the relative volume of the cooling tubes 32 and on the internal volume of the tank 28 filled with gas, but it is independent of the volume of the main tank 12.
In practice, it is possible to construct devices that operate between 15 and 17 pounds per square inch (between 1050 and 1200 grams per cm) of absolute pressure, that is, a little above atmospheric pressure. Refrigerator 30 having a total volume of 2 cubic feet (56 liters) is sufficient to dissipate 10,000 watts perfectly, such a degree of cooling being sufficient to regulate the temperature of a 1000 KVA transformer. In
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In another embodiment shown in Figure 29 an auxiliary vessel 52 is placed on the top or cover of vessel 12.
In the case considered
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behind the auxiliary tank 52 has an upper compartment 54 and a lower compartment 56, the upper compartment 54 serving to contain the quantity of nitrogen 460 The lower compartment 56 of the auxiliary tank 52 consists of several cooling tubes 58 connecting the upper compartment 54 to vessel 12. Lower compartment 56 containing cooling tubes 58 does not communicate with upper compartment 54 and vessel 12, but coolant 60 such as water or the like may flow therein. 9 from the auxiliary radiator 62.
The upper and lower manifolds of the auxiliary radiator 62 communicate, by pipes 64 and 669 with the compartment 56 to circulate a refrigerant and bring it into contact with the cooling tubes 58.
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As in the previous embodiment, the auxiliary tank 52 is calculated so that, for a minimum load of the transformer in the tank 12, the pressure of the perhalocarbon vapors produced in the tank 12 is sufficient to maintain the nitrogen in the tank. compartment 54 and the cooling tubes 58, so as to maintain the
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gne boundary separating the vapor from the gas at the level indicated by the dashed line 680 Under these conditions, the walls of the vessel 12 are sufficient to dissipate the heat from the hot perhalocarbon vapors in the vessel 12, so as to maintain a pressure and a substantially constant temperature inside the vessel 120
When the load of the transformer and consequently the temperature of the windings 16 increases,
the pressure of the perhalocarbon vapors increases and tends to compress the nitrogen in the cooling tube 58 so that more and more perhalocarbon vapor comes into contact with the cooling tubes 58 and condenses, under 1 - influence of the refrigerant 60 in the lower compartment 56.
The vapor-gas boundary rises in the cooling tubes 58 until it reaches the limit corresponding to the maximum load of the transformer and represented by the dashed line 70 at the top of the
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cooling tubes $ 5 As the pressure inside vessel 12 tends to increase, the cooling effect of refrigerant 60 on the vapors also increases so as to dissipate their heat and maintain substantially constant pressure and temperature. in the transformer tank 12.
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It is essential, in the embodiment of Figure 2, that the cooling tubes 58 of the refrigerator 52 be placed at a lower level than the major part of the radiator 62, to ensure
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circulation of water by convection o It is therefore necessary, in the embodiment of FIG. 2, to place the radiator 62 above the main tank of transformer 12, which may present drawbacks in
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an installed installation.
Figure 3 shows an embodiment of the invention which overcomes the drawbacks of the high position of the radiator 62 in the embodiment of Figure 2. In Figure 3 the auxiliary tank 52 is placed. near the tank 12 at the height of the bottom thereof with the radiator 62 substantially at the same level as the tank 12. In these con-
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di tions the auxiliary tank 52 comprises a lower manifold communicating with the cooling tubes 58 and connected to the top of the tank 12
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by a large pipe 36, as in the form of execution used in Figure 1.
The collector 72 is also connected to the sump 18 by a smaller pipe 38 allowing the return of the condensed liquid perhalocarbon from the auxiliary tank 52 to the sump 18 and the reuse of the liquid. The auxiliary tank 52 dissipates the heat of the perhalocarbon vapors.
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look in the same way as in the case of the embodiment of figure 2, the dashed line 68 representing the vapor-gas boundary for the minimum load of the transformer and the dashed line
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interrupted 70 representing the same boundary in the case of maximum transformer load.
If desired the auxiliary tank 52 can also be provided with a breather tube 74 with a liquid plug 76 operating.
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As in the previous embodiment, the intermediate liquid refrigerant 60 circulating in compartment 56 and the radiator 62 moves by convection to remove heat from the perhalocarbon vapors, the cooling effect of the refrigerant increasing with increasing frequency. as the vapors dislodge the nitrogen from the cooling tubes 58.
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In another embodiment of the invention shown in Figure 4? a double expansion tank 78 is used instead of the auxiliary tank 28 of the embodiment of FIG. 10 In this case, the double expansion tank 78 has two compartments 80 and 82 containing a liquid 84 and only communicating with each other. from below, liquid, oil or the like being pushed from one compartment to another, when the pressure in the tank 12 pushes 19 nitrogen from the refrigerator 30 into the compartment 80, the compartment 82 communicating with 19 outside air .
The volume of the nitrogen reception chamber formed by the compartment 80 varies so as to adapt to the volume of gas discharged by the va-
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fear of the 30o refrigerator The volume of the double expansion tank 78 can be proportioned to the volume of the cooling tubes 32 of the refrigerator 30 so that the vapor-gas boundary line travels between lines 48 and 50, depending on the operating conditions of the refrigerator. transformer in tank 12 going from minimum load to maximum load, 1 - cooling effect of tubes 32 increasing when the vapors of perhalocarburized compounds push 1 - nitrogen back into compartment 800
If desired, combine the cooling tubes 32 with a fan (not shown)
for the forced refrigeration of these tubes.
The invention provides a fully enclosed device which maintains substantially constant pressure and temperature throughout.
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inside tank 12. Experience shows that in practice, a pressure variation of one to two pounds per square inch (70 to 140 grams per cm) is sufficient in tank 12 to effectively dissipate the heat produced by the minimum load electrical appliance. at maximum, the cooling effect being linked to the pressure in the tank 12.
By using an apparatus of the type described, the size of the transformer is reduced compared to normal self-cooling transformers, and the oil, entirely excluded, is replaced by inert non-flammable and non-explosive materials, as opposed to gas-filled transformers. 'h $ ile.
When perhalocarbon compounds are used in vessel 12 as a liquid refrigerant, it has been found that such compounds produce vapors having excellent electrical insulating properties.
They are superior to substantially all gases in electrical insulation characteristics such as breakdown voltage, dielectric strength, power factor, and corona resistance. These perhalocarbons have excellent chemical and thermal stability surpassed only by that of permanent gases.
Their deteriorating effect on ordinary materials and varnishes used in the manufacture of conventional electrical parts such as windings and windings.
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ments, is negligible if not zero. Experience has shown that the application of perhalocarbons as a refrigerant to the apparatus described above allows the nominal KVA of non-flammable and inexplosive devices to be increased.
Although the invention has been described in its application to transformers: it is understood that it can also be applied to other
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very kinds of electrical devices, such as, for example, switches, capacitors, generators, chokes and the like.
Liquid refrigerant can be applied to electrical appliance in many different ways to actually cover the entire electrical appliance with a thin layer of liquid refrigerant which effectively transforms into vapors so as to protect the entire electrical appliance.
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properly remove or dissipate heat from electrical equipment.
The apparatus described above constitutes a fully sealed system capable of operating at substantially constant pressure and temperature having all the advantages of a low pressure system while maintaining the full dielectric strength of the vapor at that pressure for the conditions. variable load. With a minimum of equipment, an excellent heat transfer and good cooling of the vapors are obtained under varying load conditions.
CLAIMS.
@
1.- Electrical apparatus comprising an airtight vessel., A heat source inside the vessel, a means for dissipating heat from said source comprising a quantity of liquid refrigerant and a means for applying a thin layer of liquid refrigerant on the heat source to cool it by evaporation of the refrigerant into a condensable vapor, an auxiliary tank communicating with the condenser inside the hermetic tank a non-condensable gas in the auxiliary tank constituting a compressible mattress for the vapor condensate from the airtight tank,
and means associated with the auxiliary vessel and with which the condensable vapor contacts when it compresses the non-condensable gas to cool the condensable vapor to a liquid.