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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
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