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APPAREIL ELECTRIQUE.
La présente invention concerne les appareils électriques,et en particulier ceux utilisant un diélectrique fluide pour dissiper la chaleur produite pendant le fonctionnement de l'appareil et pour servir d'isolant à celui-cio
11 est courant,, dans 1?industrie électrique, d'isoler' les appa- reils électriques hermétiques à 1?aide d'un diélectrique liquide dans lequel on plonge les parties électriques pour les refroidir et les isoler entre el- les ainsi que par rapport à la cuve dans laquelle se trouve 1*'appareil. Avec des appareils électriques de ce genre, il faut utiliser de grandes quantités de liquide diélectrique, comme de l'huile ou un diphényle chloré ou l'équi- valent, pour isoler et refroidir l'appareil.
Par exemple des transformateurs de 1000 KVA exigent normalement environ 500 gallons (1900 litres) de liquide diélectrique
A l'emploi,ces diélectriques liquides peuvent déposer de la boue ou se détériorer en réagissant avec de lhumidité et de l'oxygène ou d'autres gaz réactifs présents dans le transformateur et leurs caractéristiques d'iso- lement peuvent, de ce fait saltérer ou diminuero Le danger. d'explosion ou d'incendie est, en outreg réel dans le cas d'huile minérale,, -tandis que le diélectrique liquide chloré peut donner des fumées halogènes nocives qui cor- rodent l'intérieur de l'appareil.
On a réalisé récemment un nouveau type de transformateur sec à rem- plissage gazeux ou refroidi à l'air, lequel évite certains inconvénients de l'appareil à remplissage de diélectrique liquidée Un transformateur sec de ce genre présente le défaut d'exiger l'emploi d'un moyen approprié pour assu- rer une circulation convenable de l'air ou d'un autre gaz sur et entre les
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enroulements, afin d'obtenir le refroidissement voulu de l'appareil électri- que. En outre, les isolants solides de ces transformateurs doivent être né- cessairement plus importants que pour un appareil à diélectrique liquide. En- fin, le transformateur du type sec s'est avéré avoir une très faible capaci- té de surcharge, par opposition aux appareils à diélectrique liquide.
L'invention a pour but de procurer un appareil électrique hermé- tique isolé à l'aide de gaz ininflammables et non explosifs et refroidi par l'évaporation d'un réfrigérant liquide, dans lequel la dissipation par les parois de la cuve de la chaleur du réfrigérant vaporisé est retardée jusqu'au moment où une pression déterminée est atteinte dans la cuve, cette dissipa- tion de la chaleur par les parois de la cuve étant ensuite progressivement accélérée au fur et à mesure que la pression augmente, de manière à mainté- nir automatiquement la pression et la température, à l'intérieur de la cuve, entre des limites déterminéeso
L'invention a aussi pour but de procurer un appareil électrique hermétique contenant un gaz inerte non condensable et un réfrigérant liquide vaporisable servant à en dissiper la chaleur par évaporation du réfrigérant liquide,
dans lequel les parois.latérales de la cuve sont isolées de telle façon, quand la pression du réfrigérant vaporisé est inférieure à une valeur prédéterminée, que l'évacuation de la chaleur des vapeurs par les parois la- térales soit retardée, et ensuite accélérée quand la pression du réfrigérant vaporisé dépasse la valeur prédéterminéeo
L'invention ressortira clairement de la description, donnée ci- dessous, de quelques formes d'exécution représentées à titre d'exemple au dessin annexé, dans lequel :
La figure 1 est une vue schématique d'un transformateur construit suivant l'invention.
La figure 2 est une vue schématique d'un transformateur repré- sentant une autre forme d'exécution de l'invention.
Les figures 3 et 4 sont des coupes, à grande échelle, de par- ties de la cuve de la figure 1, et
La figure 5 est une forme d'exécution d'un réfrigérateur pou- vant être associé à la cuve de la figure 2.
La figure 1 représente un transformateur 10 placé dans une cuve hermétique 12 à parois latérales 14 et 16 qui contient un noyau magnétique 18 entouré d'enroulements électriques 20 et placé sur le fond de la cuve.
Pour simplifier le dessin, les fils de sortie 20 et les isolateurs de passa- ge normalement fixés sur le dessus ou le couvercle de la cuve 12, ne sont pas représentés.
Comme le montre la figure, le fond de la cuve 12 est pourvu d'un puisard 22 contenant une quantité 24 de réfrigérant liquide vaporisable.
La quantité 24 de liquide de refroidissement est relativement réduite compa- rée aux dimensions de la cuve 12, puisque normalement tout le liquide se trou- ve dans le puisard 22, hors de contact du noyau 18 et des enroulements élec- triques 20.
Différents liquides de refroidissement vaporisables sont connus et peuvent être utilisés. En pratique, il est préférable d'utiliser les ré- frigérants liquides vaporisables décrits dans les brevets belges n 492.037 et 498.971 de la Demanderesse.
Comme décrit dans ces brevets, le réfrigérant liquide vaporisa- ble peut être constitué par des composés organiques fluorés liquides choisis dans le groupe des hydrocarbures, éthers d'hydrocarbures et amines d'hydrocar- bures tertiaires dans lesquels au moins la moitié des atomes hydrogène a été remplacée par un halogène du groupe du chlore et du fluor, la moitié au moins étant du fluor.
Les hydrocarbures et groupes d'hydrocarbures attachés aux a- tomes d'hydrogène et d'azote peuvent être aliphatiques, aromatiques, cycloa- liphatiques et alkaryleso Les perfluorocarbures, éthers de perfluorocarbures
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et amines tertiaires de perfluorocarbures liquides bouillant'entre 50 C et
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225 C ont des propriétés excellentes., Les composés perhalocarbonés'comprenant uniquement du carbone et un halogène choisi dans le groupe du chlore et au fluor, le fluor prenant au moins la moitié des atomes halogènes;, sont d'ex- cellents liquides de refroidissement aux fins de l'invention,
Les vapeurs des composés organiques fluorés précités ont des pro- priétés d'isolement électrique excellentes.
Leurs propriétés d'isolement é- lectrique, comme la tension de rupture,la rigidité diélectrique, le facteur de puissance et la résistance à l'effet corona sont pratiquement supérieures, dans des conditions semblables de température et de pression, à celles de tous les autres gaze Ces composés ont une excellente stabilité au point de vue chimique et thermique,n'étant dépassés que par les gaz permanents. Lés composés fluorés à l'état liquide ont un effet nul ou négligeable de disso- lution ou de détérioration sur les matériaux et vernis isolants ordinaires intervenant dans la fabrication d'éléments électriques courants comme les en- roulements,les noyaux et les bobinages.
La liste ci-dessous donne des exemples de composés organiques fluo- rés pouvant être utilisés seuls ou mélangés dans la mise à exécution de l'in- vention
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<tb> Point <SEP> d'ébullition
<tb>
<tb> perfluorophenanthrane <SEP> 205 C
<tb>
<tb> perfluorodibutyl <SEP> éther <SEP> 100 C
<tb>
<tb> perfluorotriéthylamine <SEP> 71 C
<tb>
<tb> perfluorotributylamine <SEP> 178 C
<tb>
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perfluorodimethylcyclohexane 101 C
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<tb> perfluorométhylcyclohexane <SEP> 76 C
<tb>
<tb> perfluoro-n-heptane <SEP> 82 C
<tb>
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perfluorotoluène 102 C monochlorotétrafluoro=(trifluorométhyl)benzène 137 C dîchlorotrifluoro-(trifluorométhyl)benzène 170 C trichlorodifluorc-(trifluorométhyl)benzène 207 C monochloropentadecafluoroheptane 96 C chlorol94bis ( tr.fluoromthyl)
benzr.e 148 C 2-chlorotrcluorométhylbenzène 150 C perf1uorodiéthylcyclohexane 148 C
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<tb> perfluoroéthylcyclohexane <SEP> 101 C
<tb>
<tb> perfluoropropylcyclohexane <SEP> 123 C
<tb>
<tb> chlorononafluorobis <SEP> (trifluorométhyl)cyclohexane <SEP> 129 C
<tb> perfluoronaphtalane <SEP> 140 C
<tb>
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perfluorc-1--méthylnaphtalane 161 C perflucrodiméthylmaphtalanes 177 à 179 C
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<tb> perfluoroindane <SEP> 116 <SEP> à <SEP> 117 C
<tb>
<tb> perfluorofluorane <SEP> 190 C
<tb>
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perfluorobicyclo(9291)heptaxe 70 C (746 mm) 'Les amines et les éthers peuvent avoir des groupes d'hydrocarbures à halo- gènes substitués dissymétriques comme;
, par exemple, le 2.2-dichloro-1,1,1-
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trifluoroéthyl-perfluorobutyléther et la periluorodibutylthylam3.n.eo Les points de congélation des composés liquides de la liste ci-dessus sont in-
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férieurs à zéro degré centigrade,de nombreux étant en-dessous de -50 C, de sorte que ces composés peuvent être utilisés, sans danger, individuelle- ment ou mélangés, dans pratiquement toutes les conditions ambiantes pouvant être prévues en service.
Pour appliquer le réfrigérant liquide 24 aux enroulements élec- triques 20, une pompe 26 prélève le réfrigérant liquide 24 du puisard 22 et l'envoie par une conduite 28 à un dispositif arroseur 30, d'où le liquide est répandu sur le noyau 18 et les enroulements 20 Le réfrigérant liquide ainsi répandu se répartit en une mince pellicule ou un ruissellement (non représenté) qui recouvre les parties électriques et s'évapore librement si les parties électriques sont chaudes, refroidissant ainsi le noyau 18 et les enroulements électriques 20.,
Pour retarder l'évacuation de la chaleur des vapeurs remplissant la cuve 12 par les parois latérales 14 et 16 dans le cas de charge nulle ou très faible sur le transformateur, la face intérieure des parois latérales 14,
16 est recouverte sensiblement entièrement par une doublure 32, 34. Les doublures 32 et 34 sont montées dans la cuve de telle façon vis-à-vis des parois latérales 14 et 16, respectivement, qu'un espace sensiblement unifor- me 36, 38 subsiste le long des parois latérales 14, 160
Comme les figures 3 et 4 du dessin le montrent plus clairement, la doublure ou cloison 32 est montée sur plusieurs tétons filetés 40 répar- tis en substance uniformément sur la face intérieure de la paroi latérale 14. Ces tétons 40 sont fixés à la paroi latérale 14 de toute manière convena- ble dans la position voulue, par exemple par brasage. La cloison 32 elle-mê- me est percée d'ouvertures 42 espacées et réparties de façon à recevoir les tétons 40, quand la cloison 32 est appliquée contre la paroi latérale 14.
L'espace 36 entre la cloison 32 et la paroi latérale 14 est ré- servé en intercalant des rondelles 44 et une barrette 46 d'épaisseur déter- minée, faites en une matière fibreuse indéformable comme l'asbeste, qui en- tourent la base des tétons 40 et sur lesquelles la cloison 32 vient se poser.
La barrette 46 longe tout le bord supérieur et les bords latéraux de la cloi- son 32, de façon que, lorsque les écrous 48 sont serrés contre une entretoi- se ou rebord 50, les bords supérieur et latéraux de la cloison 32 soient ser- rés contre les barrettes 46 de façon à constituer un joint hermétique entre la cloison 32 et la paroi latérale 140 De même, des rondelles 52 entourent les écrous 48 et aident à maintenir la cloison 32 bien appliquée contre les rondelles entretoises 44,de manière à donner à l'espace 36 une profondeur sensiblement uniforme sur toute la surface recouverte de la paroi latérale 14.
La cloison 34 est maintenue écartée, de la même manière, de la paroi la- térale 160
Comme la forme d'exécution de la figure 1 le montre, le bas de chacun des espaces 36 et 38 reste ouvert, en communication avec l'intérieur de la cuve 12 remplie de vapeurso 11 faut remarquer que les cloisons 32 et 34 s'étendent sur toute la largeur des parois latérales 14 et 16 de sorte que les extrémités des cloisons 32 et 34 s'appliquent contre les parois d'ex- trémité de la cuve 12 ou sont scellées comme le bord supérieur de chacune des cloisons 32 et 34.
Afin de pouvoir régler le degré d'évacuation de la chaleur des vapeurs par les parois latérales 14 et 16, une chambre auxiliaire 54 et 56 est prévue le long du bord supérieur extérieur des parois latérales 14 et 16, respectivement, le bord inférieur des chambres auxiliaires 54 et 56 communi- quant directement avec les espaces respectifs 36 et 380 En variante, les chambres auxiliaires 54 et 56 peuvent consister en des réservoirs indépen- dants communiquant avec les espaces 36 et 38 par leurs bords supérieurs. Les chambres auxiliaires 54 et 56 et les espaces correspondants 36 et 38 servent à contenir une quantité de gaz relativement inerte et non condensable 58, com- me de l'azote.
Comme le gaz non condensable 58 est léger comparé aux vapeurs du réfrigérant liquide produites dans la cuve 12, l'azote tend à se mainte- nir normalement dans les chambres auxiliaires 54 et 56 et les espaces corres- pondants 36 et 38 le long des parois latérales 14 et 16, quand les vapeurs
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du liquide de refroidissement remplis sent-la cuve-12.-
Il y a, en pratique;
, assez d'azote dans les chambres auxiliaires 54 et 56 pour que, lorsque le transformateur a sa charge minima' déterminée l'azote remplisse exactement les chambres auxiliaires 54 et'56 et les espa- ces 36 et 38,la pression des vapeurs qui remplissent la cuve 12, dans ces-- conditions de fonctionnement, étant juste suffisante pour maintenir l'azote dans les espaces 36 et 38 et l'empêcher de s'en échapper dans la cuve 12.
Dans ces conditions de charge minima, la surface des parois d'extrémité et du couvercle de la cuve 12 est suffisante pour refroidir efficacement les vapeurs des composés liquides produites dans la cuve 12 en dissipant assez' de chaleur de ces vapeurs pour maintenir une température et une pression don- nées dans la cuve 12, D'autre part, les parois latérales efficacement prot'é- gées par les cloisons d'isolement calorifique 32 et 34, n'interviennent 'pas comme des surfaces de refroidissement utiles dans ce cas de chargé minima.
Quand la charge sur le transformateur augmente avec un accroisse- ment correspondant de la température des enroulements 20,la pression des vapeurs de réfrigérant liquide produites augmente et comprime 1*'azote dans les espaces 36 et 38, ce qui amène les vapeurs de réfrigérant liquide dans ces espaces;, en contact direct avec les parois latérales 14 et 16 et la' chaleur de ces vapeurs est évacuée à travers celles-ci.
Quand la pression,- tend à. augmenter dans la cuve 12, l'azote dans les espaces 36 et 38'se com- prime de plus en plus et les vapeurs viennent en contact avec des parties' de plus en plus étendues des parois latérales 14 et 16 et le degré de dissi- pation de la chaleur à travers les parois latérales 14 et 16 augmente auto- matiquement et progressivemento
L'expérience montre que,si les espaces entre les cloisons et les parois latérales sont bien calculés,la ligne de démarcation entre les vapeurs de réfrigérant liquide et 1-'azote, pour toute charge du transfor- mateur entre le minimum et le maximum, se déplace du bas de l'espace jus- qu'au bord supérieur de cet espace qui communique directement avec la cham- bre auxiliaire 54 ou 560 Donc pour les conditions de charge maximum,
la quantité de-chaleur dissipée par les parois latérales correspond à la capa- cité pleine de l'espace séparant la cloison et la paroi latérale, tandis que, pour des charges intermédiaires, la ligne de démarcation vapeurs-gaz prendra automatiquement sa place, dans une position verticale intermédiaire dans les espaces,de manière que la chaleur évacuée par les parois latérales 14 et 16 de la cuve 12 soit toujours égale aux pertes calorifiques du trans- formateur.
En pratique, l'expérience montre que l'échange de chaleur à tra- vers les parois latérales 14 et 16, dans le cas de charge minima, sera très faible, parce que l'échange doit se faire à travers des cloisons 32 et 34, les espaces 36 et 38 remplis de gaz non condensable et la face extérieure des parois latérales 14 et 16, y respectivement. Dans ces conditions de charge mi- nimay on estime que le coefficient de transmission de chaleur de la surface totale d'une paroi ainsi isolée peut s'approcher de h = 2 watts par m2 par degré C quand la cloison 32 ou 34 a une épaisseur d'un demi-pouce (13 mm) et l'épaisseur de la couche de gaz dans l'espace 36 ou 38 est égale à un hui- tième de pouce (392 mm)
Quand la charge augmente et les vapeurs de réfrigérant liquide compriment l'azote dans les espaces 36 et 38 et les chambres auxiliaires 54 et 56, comme il a été expliqué, la transmission de chaleur des vapeurs à tra- vers les parois latérales 14 et 16 devient excellente, la seule résistance notable à l'échange de chaleur dans ces conditions étant présentée par la pellicule d'air recouvrant la face extérieure des parois latérales 14 et 16 Dans ces conditions de fonctionnement, quand toute la surface de la paroi intervient pour dissiper la chaleur, le coefficient de transmission de cha- leur de la surface totale a une valeur approximative h = 12,4 watts par m2 par degré C,
c'est-à-dire environ six fois la valeur correspondant à la charge minima du transformateuro
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Les cloisons 32 et 34 peuvent être faites en diverses matièreso
Pour une certaine application, Inexpérience a montré qu'une matière convena- ble était l'acétate de cellulose alvéolaire qui a une densité de 6 à 7 li- vres par pied cube (96 à 112 kg/ le m3) , cette matière étant imperméable à la valeur, aux liquides et aux gaz,tout en étant très rigide et. thermique- ment stable. Cette matière peut être aisément usinée et forée et, montée comme décrit, elle est insensible aux pressions produites dans la cuve 12.
Il est évident que toute pression produite dans la cuve 12 sera supportée par la paroi même de la cuve,la seule différence de pression, d'ailleurs très légère, qui puisse se produire sur les deux faces de la cloison ne pouvant être provoquée que par le passage de la vapeur dans l'espace 36 ou
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Si on désire accélérer le refroidissement ou la vitesse d'évacua- tion de la chaleur par les parois latérales 14 et 16, des rangées 60 et 62 d'aillettes, représentées en traits interrompus, peuvent être attachées ou fixées sur les parois latérales 14 et 16 respectivement, et des ventilateurs 64 peuvent être ajoutés pour accélérer le refroidissemento On remarquera qu'en utilisant des moyens d'accélération de la réfrigération, comme les ai- lettes ou les ventilateurs 64,
le rapport entre les vitesses de dissipation minimum et maximum sera beaucoup plus élevé que lorsque la cuve 12 n'est pas pourvue de ces réfrigérateurs auxiliaires.
Dans une autre forme d'exécution de 1?invention, représentée à la figure 2, les mêmes références désignent les éléments identiques à ceux utilisés dans la forme d'exécution de la figure 1. La forme d'exécution de la figure 2 ne demande pas de chambres auxiliaires 54 et 56 au haut de la cuve 12. Dans cette forme d'exécution de la figure 2, le gaz inerte non con- densable 58 est logé dans la partie supérieure de la cuve 12.
Dans la forme d'exécution de la figure 2, les cloisons 32 et 34 sont écartées de leurs parois latérales respectives 14 et 16, comme décrit pour la forme d'exécution de la figure l, avec cette différence que les ex- ,trémités supérieures des espaces 36 et 38 communiquent avec la cuve 12. Les extrémités inférieures des cloisons 32 et 34, au contraire,, viennent poser dans des rigoles 66 et 68 constituées par des rebords 70 et 72 et normale- ment remplies de liquide de refroidissemento Celui-ci constitue dans les ri- goles 66 et 68 une garde hydraulique fermant les espaces 36 et 38 au bas des cloisons respectives 32 et 34.
Comme la figure le montre, la quantité 58 d'azote est habituelle- ment suffisante pour déborder l'extrémité supérieure des cloisons 32 et 34 et remplir les espaces 36 et 38, ce qui correspond aux conditions de charge minima du transformateur.Quand la charge du transformateur augmente, la ligne de démarcation gaz-vapeurs remonte à cause de l'augmentation de la pression des vapeurs d'hydrocarbure liquide qui dépassent le bord supérieur des cloisons 32 et 34 et peuvent ainsi pénétrer dans les espaces 36 et 38, où, à cause de leur poids, elles refoulent l'azote contenu vers le haut de la cuve, ce qui permet à la chaleur des vapeurs de s'évacuer plus rapidement à travers les parois latérales 14 et 16, au fur et à mesure que celles-ci sont recouvertes de vapeurs admises dans les espaces 36 et 38 Il faut noter que, dans cette forme d'exécution,
l'arroseur 30 est placé de préférence plus bas que la ligne de démarcation vapeurs-gaz pour conditions de charge minima, a- fin que le réfrigérant liquide, en se répandant., ne dérange pas l'azote et que la ligne de démarcation gaz-vapeurs reste plus ou moins constante pour un fonctionnement donné du transformateur. Cette condition sera mieux remplie, si le liquide est distribué par écoulement au lieu d'être projetée
Pour évacuer plus rapidement la chaleur à travers les parois laté- rales 14 et 16, en charge, les espaces 36 et 38 peuvent être shuntés par une ou plusieurs conduites 74 et 76. Chaque conduite 74 et 76 aboutit, par le bas, dans l'espace associé 36 ou 38, près de l'extrémité inférieure de la cloison 32 ou 34, et, par le haut, dans la cuve 12, au-dessus du bord supérieur de la cloison correspondante.
Quand le gaz non condensable est comprimé dans l'espace 58, les vapeurs de réfrigérant ou ces vapeurs mélangées au gaz non
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condensable sont repoussées vers le bas dans les espaces 36 et 38, par con- vection naturelle, et le gaz non condensable s'échappe -par les conduites 74
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et 76 dans l'espace au-dessus de i?appareil électrique dans là cuve 12.
On remarquera que, dans cette forme d'exécution, les vapeurs de réfrigérant liquide se condensent dans les espaces 36 et 38, le réfrigérant condensé étant recueilli dans les rigoles 66 et 68 contenant le liquide de refroidis- sement, ce qui déborde des rigoles retournant au puisard 22 où la pompe le reprend et le renvoie au noyau 18 et aux enroulements 200
Les conduites simples ou indépendantes 74 ou 76 représentées à la figure 2 peuvent être remplacées par un réfrigérateur plus grand 80 muni de plusieurs cloisons 82 constituant des chemins de circulation 84 communi- quant avec un collecteur supérieur 86 et un collecteur inférieur 88,
ceux- ci communiquant eux-mêmes avec la cuve 12 comme les conduites 74 et 76.On voit clairement que le réfrigérateur 80 et l'espace entre la cloison et la paroi latérale de la cuve 12 régleront le degré de refroidissement en fonction de la position ou du niveau de la ligne de démarcation gaz-vapeurs, puisque la vapeur chaude ne peut entrer dans l'ensemble du dispositif de re- froidissement,y compris le réfrigérateur 80, qui par son extrémité supé- rieure
La présente invention procure un appareil entièrement hermétique qui maintient une gamme réglée de températures et de pressions à l'intérieur de la cuve 12.
L'expérience montre qu'il ne faut qu'une variation de quel- ques livres par pouce carré (une fraction d'atmosphère) à l'intérieur de la cuve 12, pour évacuer efficacement la chaleur produite par l'appareil élec- trique dans la cuve 12, de charge minima à pleine charge, la vitesse de re- froidissement étant bien liée à la pression règnant dans la cuve 12 Avec cet appareil, la grande partie des parois de la cuve peut être soustraite à la dissipation de chaleur dans le cas de charges faibles,et aide donc à maintenir une pression de vapeur,dans la cuve 12,qui permet de jouir de toutes les propriétés isolantes de la vapeur, même aux faibles charges et aux températures ambiantes basses.
Quoique la description ci=dessus concerne les transformateurs, il est évident que l'invention peut être appliquée à d'autres types d'ap- pareils électriques, par exemple disjoncteurs, générateurs, etc.., dont la construction comprend des parois d'enveloppe hermétiqueo Le réfrigérant li- quide peut être répandu sur l'appareil électrique de nombreuses façons dif- férentes, de manière à bien couvrir l'appareil électrique ou que celui-ci soit en contact direct avec le liquide de refroidissement, de façon que les vapeurs du réfrigérant liquide se produisent facilement et extraient ou dis- sipent efficacement la chaleur de 1?appareil électriqueo
L'appareil décrit ci-dessus permet à un système hermétique de fonctionner à une pression et à une température sensiblement constantes,
ce qui donne tous les avantages d'un système à basse pression,tout en gardant la pleine rigidité diélectrique de la vapeur à cette pression, pour des conditions de charge variables.'Une excellente transmission de chaleur et un excellent refroidissement des vapeurs sont obtenus, dans des conditions de charge variables avec un minimum d'appareillage.
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R E Ü E N D T C A T I 0 N S
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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ELECTRICAL APPLIANCE.
The present invention relates to electrical appliances, and in particular to those using a fluid dielectric to dissipate the heat produced during operation of the appliance and to serve as an insulation therefor
It is common in the electrical industry to insulate hermetic electrical apparatus with the aid of a liquid dielectric in which the electrical parts are immersed in order to cool them and insulate them between them as well as by relative to the tank in which the apparatus is located. With such electrical devices, large amounts of dielectric liquid, such as oil or chlorinated diphenyl or the like, must be used to insulate and cool the device.
For example 1000 KVA transformers normally require about 500 gallons (1900 liters) of dielectric liquid
In use, these liquid dielectrics may deposit sludge or deteriorate by reacting with moisture and oxygen or other reactive gases present in the transformer and their insulation characteristics may therefore deteriorate. or decrease the danger. Explosion or fire is, in addition real in the case of mineral oil, - whereas the liquid chlorinated dielectric can give off harmful halogen fumes which corrode the interior of the appliance.
Recently a new type of gas-filled or air-cooled dry transformer has been realized which obviates certain drawbacks of the liquid dielectric-filled apparatus. A dry transformer of this kind has the drawback of requiring the use. an appropriate means to ensure proper circulation of air or other gas over and between the
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windings, in order to obtain the desired cooling of the electrical apparatus. In addition, the solid insulators of these transformers must be necessarily greater than for a device with a liquid dielectric. Finally, the dry type transformer was found to have a very low overload capacity, as opposed to liquid dielectric devices.
The object of the invention is to provide a hermetic electrical apparatus insulated with the aid of non-flammable and non-explosive gases and cooled by the evaporation of a liquid refrigerant, in which the heat dissipation through the walls of the vessel vaporized refrigerant is delayed until a given pressure is reached in the tank, this heat dissipation through the walls of the tank then being progressively accelerated as the pressure increases, so as to maintain - automatically limit the pressure and temperature, inside the tank, between determined limits o
Another object of the invention is to provide a hermetic electrical apparatus containing a non-condensable inert gas and a vaporizable liquid refrigerant serving to dissipate the heat therefrom by evaporation of the liquid refrigerant,
in which the side walls of the vessel are insulated in such a way, when the pressure of the vaporized refrigerant is lower than a predetermined value, that the discharge of heat from the vapors through the side walls is delayed, and then accelerated when the vaporized refrigerant pressure exceeds the predetermined value o
The invention will emerge clearly from the description, given below, of some embodiments shown by way of example in the accompanying drawing, in which:
Figure 1 is a schematic view of a transformer constructed according to the invention.
FIG. 2 is a schematic view of a transformer showing another embodiment of the invention.
Figures 3 and 4 are cross-sections, on a large scale, of parts of the tank of figure 1, and
Figure 5 is an embodiment of a refrigerator that can be associated with the tank of Figure 2.
Figure 1 shows a transformer 10 placed in a hermetic tank 12 with side walls 14 and 16 which contains a magnetic core 18 surrounded by electrical windings 20 and placed on the bottom of the tank.
To simplify the drawing, lead wires 20 and pass insulators normally attached to the top or cover of vessel 12, are not shown.
As shown in the figure, the bottom of the tank 12 is provided with a sump 22 containing a quantity 24 of vaporizable liquid refrigerant.
The quantity 24 of coolant is relatively small compared to the dimensions of the vessel 12, since normally all the liquid is in the sump 22, out of contact with the core 18 and the electrical windings 20.
Various vaporizable coolants are known and can be used. In practice, it is preferable to use the vaporizable liquid refrigerants described in Belgian Patents Nos. 492,037 and 498,971 of the Applicant.
As described in these patents, the vaporizable liquid refrigerant can be constituted by liquid fluorinated organic compounds selected from the group of hydrocarbons, hydrocarbon ethers and tertiary hydrocarbon amines in which at least half of the hydrogen atoms have been replaced by a halogen from the group of chlorine and fluorine, at least half of it being fluorine.
Hydrocarbons and hydrocarbon groups attached to hydrogen and nitrogen atoms can be aliphatic, aromatic, cycloa- liphatic and alkaryleso Perfluorocarbons, ethers of perfluorocarbons
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and tertiary amines of liquid perfluorocarbons boiling between 50 C and
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225 C have excellent properties., Perhalocarbon compounds' comprising only carbon and a halogen selected from the group of chlorine and fluorine, fluorine taking at least half of the halogen atoms ;, are excellent coolants for the purposes of the invention,
The vapors of the above-mentioned fluorinated organic compounds have excellent electrical insulation properties.
Their electrical insulating properties, such as breakdown voltage, dielectric strength, power factor and corona resistance are practically superior, under similar conditions of temperature and pressure, to those of all other gauze These compounds have excellent chemical and thermal stability, being exceeded only by permanent gases. Fluorinated compounds in the liquid state have no or negligible dissolving or damaging effect on ordinary insulating materials and varnishes used in the manufacture of common electrical components such as windings, cores and coils.
The list below gives examples of fluorinated organic compounds which can be used alone or in admixture in carrying out the invention.
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<tb> Boiling point <SEP>
<tb>
<tb> perfluorophenanthrane <SEP> 205 C
<tb>
<tb> perfluorodibutyl <SEP> ether <SEP> 100 C
<tb>
<tb> perfluorotriethylamine <SEP> 71 C
<tb>
<tb> perfluorotributylamine <SEP> 178 C
<tb>
EMI3.3
perfluorodimethylcyclohexane 101 C
EMI3.4
<tb> perfluoromethylcyclohexane <SEP> 76 C
<tb>
<tb> perfluoro-n-heptane <SEP> 82 C
<tb>
EMI3.5
perfluorotoluene 102 C monochlorotetrafluoro = (trifluoromethyl) benzene 137 C dîchlorotrifluoro- (trifluoromethyl) benzene 170 C trichlorodifluorc- (trifluoromethyl) benzene 207 C monochloropentadecafluoroheptane 96 C chlorol94bis (tr.fluoromthyl)
benzr.e 148 C 2-chlorotrcluoromethylbenzene 150 C perf1uorodiethylcyclohexane 148 C
EMI3.6
<tb> perfluoroethylcyclohexane <SEP> 101 C
<tb>
<tb> perfluoropropylcyclohexane <SEP> 123 C
<tb>
<tb> chlorononafluorobis <SEP> (trifluoromethyl) cyclohexane <SEP> 129 C
<tb> perfluoronaphthalane <SEP> 140 C
<tb>
EMI3.7
perfluorc-1 - methylnaphthalane 161 C perflucrodimethylmaphthalanes 177 to 179 C
EMI3.8
<tb> perfluoroindane <SEP> 116 <SEP> to <SEP> 117 C
<tb>
<tb> perfluorofluorane <SEP> 190 C
<tb>
EMI3.9
perfluorobicyclo (9291) heptax 70 C (746 mm) Amines and ethers can have unsymmetrical halogen substituted hydrocarbon groups such as;
, for example, 2.2-dichloro-1,1,1-
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trifluoroethyl-perfluorobutyl ether and periluorodibutylthylam3.n.eo The freezing points of the liquid compounds of the above list are in-
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less than zero degrees centigrade, many being below -50 ° C, so that these compounds can be used, without danger, singly or in combination, under virtually any ambient conditions which may be expected in service.
In order to apply the liquid refrigerant 24 to the electric windings 20, a pump 26 takes the liquid refrigerant 24 from the sump 22 and sends it through a line 28 to a sprinkler device 30, from where the liquid is spread over the core 18 and the windings 20 The liquid refrigerant thus spilled is distributed in a thin film or a trickle (not shown) which covers the electrical parts and evaporates freely if the electrical parts are hot, thus cooling the core 18 and the electrical windings 20.,
To delay the evacuation of heat from the vapors filling the tank 12 through the side walls 14 and 16 in the case of zero or very low load on the transformer, the inner face of the side walls 14,
16 is covered substantially entirely by a liner 32, 34. The liners 32 and 34 are mounted in the vessel in such a manner vis-à-vis the side walls 14 and 16, respectively, that a substantially uniform space 36, 38 remains along the side walls 14, 160
As Figures 3 and 4 of the drawing show more clearly, the liner or partition 32 is mounted on several threaded studs 40 distributed substantially evenly on the inner face of the side wall 14. These studs 40 are attached to the side wall. 14 in any suitable manner in the desired position, for example by soldering. The partition 32 itself is pierced with openings 42 spaced apart and distributed so as to receive the studs 40, when the partition 32 is applied against the side wall 14.
The space 36 between the partition 32 and the side wall 14 is reserved by interposing washers 44 and a bar 46 of determined thickness, made of a non-deformable fibrous material such as asbestos, which surround the base. nipples 40 and on which the partition 32 comes to rest.
The bar 46 runs along the entire top edge and the side edges of the partition 32, so that when the nuts 48 are tight against a spacer or flange 50, the top and side edges of the partition 32 are tightened. res against the bars 46 so as to form an airtight seal between the partition 32 and the side wall 140 Likewise, washers 52 surround the nuts 48 and help to keep the partition 32 tightly applied against the spacers 44, so as to give at the space 36 a substantially uniform depth over the entire covered surface of the side wall 14.
The partition 34 is kept apart, in the same manner, from the side wall 160
As the embodiment of Figure 1 shows, the bottom of each of the spaces 36 and 38 remains open, in communication with the interior of the tank 12 filled with vapors 11 it should be noted that the partitions 32 and 34 extend across the full width of sidewalls 14 and 16 so that the ends of partitions 32 and 34 rest against the end walls of vessel 12 or are sealed like the top edge of each of partitions 32 and 34.
In order to be able to adjust the degree of removal of heat from the vapors through the side walls 14 and 16, an auxiliary chamber 54 and 56 is provided along the outer upper edge of the side walls 14 and 16, respectively, the lower edge of the chambers. auxiliaries 54 and 56 communicating directly with the respective spaces 36 and 380. Alternatively, the auxiliary chambers 54 and 56 may consist of independent reservoirs communicating with the spaces 36 and 38 by their upper edges. The auxiliary chambers 54 and 56 and the corresponding spaces 36 and 38 serve to contain a relatively inert and non-condensable gas quantity 58, such as nitrogen.
Since the non-condensable gas 58 is light compared to the liquid refrigerant vapors produced in the vessel 12, the nitrogen tends to hold normally in the auxiliary chambers 54 and 56 and the corresponding spaces 36 and 38 along the walls. side 14 and 16, when the vapors
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coolant to fill the tank-12.-
There is, in practice;
, enough nitrogen in the auxiliary chambers 54 and 56 so that, when the transformer has its determined minimum load, the nitrogen exactly fills the auxiliary chambers 54 and 56 and the spaces 36 and 38, the pressure of the vapors which fill the tank 12, under these operating conditions, being just sufficient to keep the nitrogen in the spaces 36 and 38 and prevent it from escaping into the tank 12.
Under these minimum load conditions, the area of the end walls and lid of vessel 12 is sufficient to effectively cool the vapors of liquid compounds produced in vessel 12 by dissipating enough heat from these vapors to maintain a temperature and pressure given in the tank 12, On the other hand, the side walls effectively protected by the heat-insulating partitions 32 and 34, do not act as useful cooling surfaces in this case. charged minimum.
As the load on the transformer increases with a corresponding increase in the temperature of the windings 20, the pressure of the liquid refrigerant vapors produced increases and compresses the nitrogen in spaces 36 and 38, which causes the liquid refrigerant vapors to rise. in these spaces ;, in direct contact with the side walls 14 and 16 and the heat of these vapors is carried away through them.
When the pressure, - tends to. increase in the vessel 12, the nitrogen in the spaces 36 and 38 'compresses more and more and the vapors come into contact with the more and more extensive parts of the side walls 14 and 16 and the degree of dissipation. - heat transfer through the side walls 14 and 16 increases automatically and gradually.
Experience shows that, if the spaces between the partitions and the side walls are calculated correctly, the line of demarcation between the vapors of liquid refrigerant and 1-nitrogen, for any load of the transformer between the minimum and the maximum, moves from the bottom of the space to the upper edge of this space which communicates directly with the auxiliary chamber 54 or 560 So for maximum load conditions,
the quantity of heat dissipated by the side walls corresponds to the full capacity of the space separating the partition and the side wall, while, for intermediate loads, the vapor-gas demarcation line will automatically take its place in an intermediate vertical position in the spaces, so that the heat discharged through the side walls 14 and 16 of the tank 12 is always equal to the heat losses of the transformer.
In practice, experience shows that the heat exchange through side walls 14 and 16, in the case of minimum load, will be very low, because the exchange must be done through partitions 32 and 34 , the spaces 36 and 38 filled with non-condensable gas and the outer face of the side walls 14 and 16, y respectively. Under these minimum load conditions it is estimated that the heat transfer coefficient of the total surface of a wall thus insulated can approach h = 2 watts per m2 per degree C when the partition 32 or 34 has a thickness half an inch (13 mm) and the thickness of the gas layer in space 36 or 38 is equal to one eighth of an inch (392 mm)
As the charge increases and the vapors of liquid refrigerant compress the nitrogen in spaces 36 and 38 and the auxiliary chambers 54 and 56, as has been explained, the heat transfer of the vapors through the side walls 14 and 16 becomes excellent, the only noticeable resistance to heat exchange under these conditions being presented by the air film covering the outer face of the side walls 14 and 16 Under these operating conditions, when the entire surface of the wall intervenes to dissipate heat, the heat transmission coefficient of the total surface has an approximate value h = 12.4 watts per m2 per degree C,
i.e. approximately six times the value corresponding to the minimum transformer load
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Partitions 32 and 34 can be made of various materials.
For one application, experience has shown that a suitable material is cellular cellulose acetate which has a density of 6 to 7 pounds per cubic foot (96 to 112 kg / m3), this material being impermeable. to value, liquids and gases, while being very rigid and. thermally stable. This material can be easily machined and drilled and, mounted as described, is insensitive to the pressures produced in the vessel 12.
It is obvious that any pressure produced in the tank 12 will be supported by the wall of the tank itself, the only pressure difference, moreover very slight, which can occur on the two faces of the partition can only be caused by the passage of steam through space 36 or
38
If it is desired to accelerate the cooling or the rate of heat removal from side walls 14 and 16, rows 60 and 62 of fins, shown in phantom, can be attached or secured to side walls 14 and 16 respectively, and fans 64 can be added to accelerate the cooling. Note that by using means for accelerating the refrigeration, such as fins or fans 64,
the ratio between the minimum and maximum dissipation speeds will be much higher than when the tank 12 is not provided with these auxiliary refrigerators.
In another embodiment of the invention, shown in Figure 2, the same references designate elements identical to those used in the embodiment of Figure 1. The embodiment of Figure 2 does not require no auxiliary chambers 54 and 56 at the top of the tank 12. In this embodiment of FIG. 2, the non-condensing inert gas 58 is housed in the upper part of the tank 12.
In the embodiment of Figure 2, the partitions 32 and 34 are spaced from their respective side walls 14 and 16, as described for the embodiment of Figure 1, with the difference that the upper ends spaces 36 and 38 communicate with the tank 12. The lower ends of the partitions 32 and 34, on the contrary, come to rest in the channels 66 and 68 formed by rims 70 and 72 and normally filled with cooling liquid. This constitutes in the rules 66 and 68 a hydraulic guard closing the spaces 36 and 38 at the bottom of the respective partitions 32 and 34.
As the figure shows, the amount 58 of nitrogen is usually sufficient to overflow the upper end of partitions 32 and 34 and fill spaces 36 and 38, which corresponds to the minimum load conditions of the transformer. of the transformer increases, the gas-vapor demarcation line rises again because of the increase in the pressure of the liquid hydrocarbon vapors which exceed the upper edge of the partitions 32 and 34 and can thus enter the spaces 36 and 38, where, because of their weight, they force the nitrogen contained upwards in the tank, which allows the heat of the vapors to escape more quickly through the side walls 14 and 16, as they these are covered with vapors admitted into spaces 36 and 38 It should be noted that, in this embodiment,
the sprinkler 30 is preferably placed lower than the vapor-gas dividing line for minimum load conditions, so that the liquid refrigerant, by spilling out., does not disturb the nitrogen and that the gas dividing line -vapor remains more or less constant for a given operation of the transformer. This condition will be better fulfilled if the liquid is distributed by flow instead of being projected.
To dissipate the heat more quickly through the side walls 14 and 16, under load, the spaces 36 and 38 can be bypassed by one or more pipes 74 and 76. Each pipe 74 and 76 ends, from below, in the 'associated space 36 or 38, near the lower end of the partition 32 or 34, and, from above, in the tank 12, above the upper edge of the corresponding partition.
When the non-condensable gas is compressed in space 58, the refrigerant vapors or those vapors mixed with the non-condensable gas
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condensable are pushed down into spaces 36 and 38, by natural convection, and the non-condensable gas escapes through pipes 74
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and 76 in the space above the electrical appliance in the tank 12.
It will be noted that, in this embodiment, the liquid refrigerant vapors condense in spaces 36 and 38, the condensed refrigerant being collected in channels 66 and 68 containing the cooling liquid, which overflows from the return channels. to the sump 22 where the pump picks it up and returns it to the core 18 and the windings 200
The single or independent conduits 74 or 76 shown in Figure 2 can be replaced by a larger refrigerator 80 provided with several partitions 82 constituting circulation paths 84 communicating with an upper manifold 86 and a lower manifold 88,
these communicating themselves with the tank 12 like the pipes 74 and 76. It is clearly seen that the refrigerator 80 and the space between the partition and the side wall of the tank 12 will regulate the degree of cooling according to the position or from the level of the gas-vapor demarcation line, since the hot vapor cannot enter the whole of the cooling device, including the refrigerator 80, which by its upper end
The present invention provides a fully sealed apparatus which maintains a controlled range of temperatures and pressures within vessel 12.
Experience shows that it only takes a variation of a few pounds per square inch (a fraction of atmosphere) inside vessel 12 to effectively remove the heat produced by the electrical apparatus. in tank 12, from minimum load to full load, the cooling speed being well linked to the pressure prevailing in the tank 12 With this device, the large part of the walls of the tank can be removed from the heat dissipation in the case of low loads, and therefore helps to maintain a vapor pressure, in the tank 12, which makes it possible to enjoy all the insulating properties of the vapor, even at low loads and at low ambient temperatures.
Although the above description relates to transformers, it is obvious that the invention can be applied to other types of electrical apparatus, for example circuit breakers, generators, etc., the construction of which comprises walls of. hermetic envelope The liquid refrigerant can be poured onto the electrical appliance in many different ways, so as to cover the electrical appliance well or so that it is in direct contact with the cooling liquid, so that the liquid refrigerant vapors are readily produced and effectively extract or dissipate heat from electrical equipment.
The apparatus described above allows a sealed system to operate at substantially constant pressure and temperature,
which gives all the advantages of a low pressure system, while keeping the full dielectric strength of the vapor at this pressure, for varying load conditions. '' Excellent heat transmission and excellent cooling of the vapors are obtained, under variable load conditions with a minimum of equipment.
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R E Ü E N D T C A T I 0 N S
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