<Desc/Clms Page number 1>
SYSTEME PERFECTIONNE DE REFROIDISSEMENT POUR APPAREILS ELECTRIQUES OU
ELECTRONIQUESo
La présente invention concerne un système de refroidissement perfectionné destiné aux appareils électro-magnétiques fixes tels que les transformateurs,autotransformateurs, inductances, etc... ou aux tubes électroniques à vide ou à milieu ionisable.
Il est connu de refroidir les transformateurs en les plaçant dans une cuve étanche, remplie d'un liquide diélectrique qui s'échauffe au contact des enroulements et des tôles du circuit magnétique, et circule par effet siphon, pour venir céder la chaleur acquise au contact des parois de la cuve (celle-ci étant éventuellement ondulée afin d'en accroître la surface), ou en passant dans un système de tubulures formant radiateur à l'extérieur de la cuve.
On prévoit, en général, en un point haut de la cuve, une poche remplie d'un gaz inerte et non condensable - dans la gamme des températures de fonctionnement de l'appareil - qui permet d'absorber les variations de' ni- veau du liquide provenant de sa dilatation ou de sa concentration, ainsi que de celles des organes de l'appareil, sous l'effet des variations de la température.
Ge mode de refroidissement conduit à des encombrements importants, du fait que la vitesse qu'acquiert le liquide, par effet thermo-siphon dans la gamme des températures de fonctionnement admissibles, est relativement faible. On a cherché à pallier ce défaut en accroissant la vitesse de circula- tion du fluide réfrigérant par circulation forcée, au moyen d'une pompe, mais ce procédé entraîne la mise en oeuvre d'impedimenta qui peuvent être la source de pannes.
<Desc/Clms Page number 2>
Il est également connu de refroidir les organes d'un appareil @lectro-magnétique par vaporisation d'un liquide diélectrique fluide qui, a la température ambiante, remplit une partie de la c c, le reste étant occupé par un gaz inerte et non condensable. Ce proc-dé s'est révélé jus- qu'alors peu efficace, probablement du fait des propriétés défavorables da mélange de vapeur et de gaz inerte.
La Compagnie demanderesse a trouvé qu' en séparant la vapeur diélectrique d'avec le gaz inerte non condensable, on favorise considérablement le processus de refroidissement par vaporisation et condensation du liquide diélectrique.
La présente invention concerne un système qui offre une soluaux difficultés qui viennent d'être rappelées, consistant à utiliser la chaleur de vaporisation d'un milieu diélectrique fluide qui bout à la température normale de fonctionnement des organes de l'appareil à refroidir, séparer les phases liquide et vapeur du dit milieu et à séparer la vapeur, du gaz inerte complétât le remplissage de la cuve, de façon à assurer une condensation plus efficace de celle-ci sur les parois ex-ternes de la cuve ou dans le réseau des tubulures d'un radiateur, enfin, à utiliser éventuellement 1''énergie cinétique de la vapeur au sein du liquide, avant qu'elle se soit séparée de celui-ci pour en accélérer le mouvement et, partant, le refroidissement.
Du point de vue structure, un appareil conforme à l'invention comprend essentiellement : - une cuve sur la partie inférieure de laquelle repose l'appa- reilà refroidir,lequel est immergé dans le liquide diélectrique vaporisable à la température normale de fonctionnement.
- un diaphragme ou cloison disposé au-dessus de cet appareil et qui sépare la partie inférieure de la cuve de sa partie supérieure, laquelle contient un peu de liquide diélectrique et le gaz inerte non condensable.
Les deux compartiments de la cuve communiquent : - d'une part, au moyen de tubes ou d'une chemise mince permettant à la vapeur de refouler le gaz inerte sans se mélanger sensiblement avec lui et de se condenser en grande partie dans ces tubes ou dans cette chemise.
- d'autre part, au moyen d'un tube affleurant le plancher du compartiment supérieur et débouchant à la partie inférieure de la cuve, en vue d'assurer le retour de la fraction de diélectrique qui se condenserait dans la partie haute de la cuve, sans livrer passage aux bulles de vapeur prenant naissance au contact des surfaces à refroidir.
Les bornée de l'appareil peuvent être disposées soir aans la paroi latérale du compartiment inférieur de la cuve; étant alors noyées dans le liquide, soit, au contraire, sur le couvercle fermant la partie supérieure de la cuve.
En vue d'accélérer la circulation du liquide, suivant une variante de réalisation, on oblige le mélange liquide-vapeur à traverser, à la partie supérieure du compartiment inférieur, un ou plusieurs passages de section relativement réduite où les bulles de vapeur entraînent le liquide.
Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques de l'invention, on va en décrire deux exemples de réalisation que représentent les figures 1 & 2, étant entendu que ces exemples n'ont aucun caractère limitatif quant aux modes de réalisation de l'invention ou aux applications que l'on peut en faire.
En se reportant à la figure 1, on voit un transformateur avec son noyau magnétique 1 et ses enroulements 2, noyés dans un liquide diélectrique
<Desc/Clms Page number 3>
vaporisable 3, qui remplit environ la moitié de la cuve ;. Des traversées
5 sont montées dans les parois latérales de la cuve et se trouvent en-des- sous du niveau 6 du liquide 3. Jes conducteurs électriques se prolongent depuis les enroulements 2 jusqu'aux traversées 5, qui comportent des bornes pour le transformateur. Dans le cas de transformateurs comportant de nom- brcuses bornes, celles-ci peuvent être disposées sur le dessus de la cuve 4 ou sur les parois latérales, au-dessus du niveau 6 du liquide réfrigérant 3.
A la partie supérieure de la cuve, au-dessus du niveau 6, on met un gaz inerte, non condensable aux températures et aux pressions de fonction- nement de 1-'appareil., par exemple de l'azote ou de l'hexaflu@rure de soufre.
Des moyens sont prévus pour séparer ce gaz de la vapeur du liqui- de diélectrique réfrigérant 3, qui se forme lorsque le transformateur s'é- chauffe pendant son fonctionnement. Ces moyens sont constitués par un réservoir 7, ouvert à sa partie supérieure et comportant un couvercle 8; celui-ci repose simplement sur le dessus du réservoir, grâce 1 un profilé approprié qui ménage une ouverture circulaire 9; le couvercle possède une ouverture circulaire centrale 10, à bord surélevé.
A sa partie inférieure, le réservoir 7 est supporté, à l'intérieur de la cuve 4, par des supports appropriés, la cuve étant fermée, à sa partie supérieure, par un couvercle 11 en forme de dôme.
Les parois latérales de la cuve 4 et du réservoir 7 sont très voisines l'une de l'autre, de manière à ménager entre elles une chemise circulaire 12 ou la vapeur se condense en grande partie.
Une conduite de communication 13 se prolonge depuis le fond du réservoir 7, traverse le liquide 3 et s'arrête au voisinage du fond de la cuve 4. Le système fonctionne si le niveau 6 du liquide est légèrement en- dessous du niveau du fond du réservoir 7,mais il est préférable que le niveau du liquide soit le même que celui de ce fond et même légèrement audessus.
Pendant le fonctionnement du transformateur, une partie de la chaleur produite est transférée par le liquide 3 aux parois latérales de la cuve 4, où elle est cédée à l'air ambiant, selon les procédés connus.
D'autre part, le liquide 3 s'échauffe et se vaporise en partie; la vapeur passe dans la chemise 12, en repoussant devant elle le gaz non condensable, vers sa partie supérieure et le réservoir 7 qu'ils gagnent par les ouvertures 10 & 9; l'ouverture 10 ayant un bord surélevé.
La plupart du liquide vaporisé se condense dans la chemise 12 et retourne vers la masse principale 3 du liquide, d'où il peut repartir pour effectuer un nouveau cycle. Il se peut qu'une certaine quantité de vapeur ne se condensant pas dans le circuit 12, pénètre dans le compartiment 7 contenant le gaz non condensable; elle s'y condense et tombe vers le fond, d'où la conduite 13 la ramène, à l'état liquide, à la partie inférieure du liquide 3.
Cette conduite se prolonge jusqu'au voisinage du fond de la cuve 4 de manière qu'aucune bulle de vapeur formée au contact des organes à refroidir ne puisse passer par la conduite 13 et pénétrer dans le réservoir 7; ces bulles sont obligées de monter jusqu'au niveau 6 et, de là, dans le conduit étroit 12. En effet, les bulles de vapeur s'échappent en circulant dans la partie supérieure du compartiment 3 d'où elles gagnent la chemise 12. ùn voit que la partie inférieure du réservoir 7 et les parois latérales de la cuve 4 et du réservoir 7 constituent un système de cloisons qui dirige un courant riche en bulles de vapeur vers les surfaces de refroidissement.
Quelques bulles de vapeur, qui ne se condensent pas dans le con-
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
L..:"'J..-'G 1, s-'rivcit vers le couvercle 11 qui est relativement froid et s'y con- 6sent; e-1; = s= caulEnt le long de la surface incurvée du couvercle et retombent le lûl1 Jeu parois laté-res de la cuve , en ;:;e refroidissant encore, :ù. li;"- c -ston.jer directement sur le couvercle à. i-es gouttes de condensation, qui pot1:.'.1.'..-:.ient néanaoins tomber sur ce couvercle, retombent finalement dans le ca.¯¯;, 1 et retournent à la nasse principale du liquide 3. L'ouverture 10 .. bord surélevé eopêdTLe le liquide de condensation de retomber dans le réservoir zut, un-Ls le gaz non condens,-:ole qui se trouve dans la partie supérieure en foras de dôme de 3 . cuve 4, est, lui, libre de passer dans le ré- 5elloir 7.
' pc.isseur de la chemise 1 doit être de valeur appropriée afin Je réaliser la séparation du gaz et de la vapeur. Cette dimension varie avec celles de l'appareil à refroidir et peut même varier suivant ses dimen-
EMI4.2
sions. Par e emple, dans un transformateur ordinaire de 10 kVA, une largeur d'environ li :JI:'. donne de bons résultats.
.avec une chemise aussi étroite, la vapeur peut repousser le gaz non condel1J<:,Jl:, sans s'y mélanger. Les parois latérales du transformateur sont âc cette :4;o.i, balayées par un courant intense de vapeur, qui se condense 0 :.û parois latérales de refroidissement de la cuve, sans que le ;az non coaaenssbie ait une action nuisible.
.!.I2..figure représente -un transformateur comprenant un noyau magnétique 1 et des enroulements 2, noyés dans un liquide diélectrique de ret'roßd.ssE¯,¯E j, contenus dans une cuve 4.. Des tubes verticaux extérieurs 15 iarL....ï. radiateurs, sont raccordés en haut et en bas de la cuve.
Une cloison horizontale la divise la cuve en deux parties de VOlU...1E.S sensiblement éaux, la raoitié inférieure contenant du liquide et la moitie supérieure contenant principalement un gaz non condensable.
EMI4.3
Juste en-dessous de la cloison lé, des passades écroits 17 relient les tubes 15 à la moitié inférieure, pleine de liquide, de la cuve. un tU0E de co1EiaimieaÉion 13 se prolonge depuis la cloison jusqu'au voisinage du. T'o de la. cuve. Comme on le voit sur le dessin, le liquide 3 remplit toune 1 loitié inférieure de la cuve 4 et, de préférence, remplit partiel- lement la moitié supérieure de la cuve 4 et des tubes 15. Le liquide 3 rem-
EMI4.4
plit 8;ale:2.ent les passades étroits 17.
Au-dessus de la surface supérieure a du liquide z, on prévoit un baz inerte non condensable, c'est-à-dire un gaz qui ne se condense pas dans la game des températures de fonctionnement de l'appareil, aomme, par exemple 1-'azote ou l'hexafluorure de soufre. Ce gaz remplit partiellement la moitié supérieure de la cuve 4 et des tubes 15.
Des conducteurs électriques se prolongent depuis les enroulements
EMI4.5
&jusqu'à des traversées isolées Je la cloison 16. Ces traversées sont scellées ermétiquenent cette cloison, de manière que le liquide, qui se trouve dans la moitié supérieure de la cuve, ne puisse atteindi<e la moitié in- férieure qu'en passant à travers le tube 13.
Des conducteurs électriques se prolongent depuis les traversées
EMI4.6
Li juscu'a des traversées 5, supportées par le couvercle 11 de la cuve 4 ces traversées comportant des bornes de connexion pour le trcinsiormateur. toutefois, si on le désirait, ces bornes pourraient être disposées sur les parois latérales de la cuve.
-ne fonctionnement du système est le suivant :
Pendant le fonctionnement,le transformateur s'échauffe et cette chaleur se transmet au liquide 3, dont une partie se vaporisa . Il se forme alors des bulles de vapeur. Celles-ci montent vers la partie supérieure de la moitié inférieure de la cuve,au voisinage immédiat de la cloison 16,
EMI4.7
et .ne peuvent ,:' .3ciJ2.pper crue par les pass2.;es étroits iî. Gon#e ceux-ci sont
<Desc/Clms Page number 5>
étroits,les bulles les traversent à une vitesse relativement élevée, en entraînant avec elles une certaine quantité du liquide 3, qui se trouve au voisinage de la cloison 16 et des passages 17.
Les flèches, dirigées vers les passages 17 et s'éloignant de ces passages, montrent de manière généra- le le sens de la circulation des bulles de vapeur et du liquide isolant 3 de refroidissement.
Dans un appareil électrique fixe à induction, refroidi par con- vexion naturelle, la circulation du liquide réfrigérant dans les tubes 15 est plutôt lente. La partie la plus chaude du liquide monte vers le haut, entre dans les tubes, s'y refroidit, redescend par gravité dans ces tubes et rentre dans le liquide en condition refroidie, apte à réabsorber de la clin-leur, et le cycle recommence.
Dans la présente invention, la cloison 16, les passages étroits
17 et la vaporisation du liquide 3 coopèrent pour accélérer la circulation dans ce cycle de refroidissement. Cette accélération se produit d'elle-même, par des moyens naturels, et il n'y a pas besoin d'énergie extérieure pour la provoquer dans les tubes 15. Comme le liquide 3 se vaporise et que les bul- les de vapeur se précipitent à travers les passages étroits 17, en entraî- nant du liquide avec elles, on a en réalité à faire à un transformateur re- froidir par circulation forcée de liquide.
Après que les bulles de vapeur sont entrées dans les tubes 15, elles montent jusqu'à la surface 6 du liquide et s'élèvent, en un courant continu et concentré, vers le haut des tubes, repoussant ainsi le gaz non condensable dans la moitié supérieure de la cuve qui le contient. On évite ainsi sensiblement tout mélange du liquide vaporisé et du gaz non condensable.
Le liquide vaporisé et concentré à l'intérieur des tubes 15, qui est séparé du gaz non condensable, se condense dans ces tubes et, par gravité, retombe par ces mêmes tubes 15 vers la partie inférieure de la cuve, où il se réchauffe à nouveau et recommence le même cycle. La vapeur condensée dans les tubes 15 s'y refroidit encore avant d'atteindre le bas de la cuve.
Quelques bulles de vapeur, qui s'élèvent dans les tubes 15, peuvent ne pas s'y condenser et passer dans la moitié supérieure de la cuve où se trouve le gaz non condensable. Cette vapeur s'y condense éventuellement le long des parois latérales froides de la cuve et contre le couvercle, pour retomber dans la partie inférieure de la moitié supérieure de la cuvé.
La conduite 18 conduit cette vapeur condensée, la maintenant à l'état liquide, vers la partie inférieure de la cuve, où elle peut être à nouveau vaporisée. On remarquera que la conduite 28 se prolonge jusqu'au voisinage du fond de la cuve 4; comme dans le cas précédent, les bulles de vapeur, qui se forment dans le liquide 3, ne peuvent pas passer directement dans la moitié supérieure de la cuve.
Une autre considération importante, en ce qui concerne l'efficacité de la présente invention, est relative aux dimensions des passages étroits 17. Pour obtenir une circulation forcée, dans un système de refroidissement par vaporisation d'un liquide, les passages 17 doivent évidement être étroits de manière que, lorsque les bulles de vapeur traversent ces passages à une vitesse élevée, elles entraînent, en raison de leur vitesse élevée, une certaine quantité du liquide diélectrique.
Si les passages 17 ont une section droite circulaire, leur diamètre intérieur peut être de 12 à 50 mm pour un transformateur de puissance moyenne, par exemple de 10 kVA. Mais les dimensions des passages 17 sont également fonction des pressions de fonctionnement, des dimensions de l'appareil, et, par conséquent, des pertes calorifiques à évacuer, ainsi que du nombre des tubes 15 et des passages 17. Plus ces derniers sont étroits, plus grande est la vitesse des bulles qui les traversent, ainsi que la quan-
<Desc/Clms Page number 6>
cité de liquide entraînée par elles. De même, si on le désire, on peut prévoir un plus petit nombre de passages 17, reliés à un collecteur hori- zontal auquel seront reliés également les tubes 15.
On voit, à la lumière de ce qui vient d'être lit, les avantages du système perfectionné de refroidissement conforme a l'invention.
Comme la chaleur latente de vaporisation de la plupart des liquides est relativement élevée,un système de refroidissement par vaporisation et condensation d'un liquide réfrigérant est évidemment capable d'éva- cuer de grandes quantités de chaleur, si l'on ménage des surf aces de refroidissement appropriées.
Je même, si la circulation du milieu réfrigérant est accélérée dans les tubes extérieurs de refroidissement, on peut évacuer une plus grande quantité de chaleur.
Ces deux moyens de refroidissement sont combinés de manière nouvelle par l'invention, selon unevariante de laquelle le phénomène de vaporisation sert également à accélérer la circulation du milieu réfrigérant, pour une faible dépense supplémentaire, puisqu'aucun pompage n'est nécessaire pour l'accélération de la circulation dans les tubes. Ces deux moyens de refroidissement peuvent évacuer une plus grande quantité de chaleur que dans le cas de la seule convexion naturelle.
Un autre facteur qui doit être considéré, pour profiter de tous les avantages de l'invention, est le choix du liquide isolant et réfrigérant dont la température d'ébullition doit tomber dans la gamme des températures de fonctionnement du transformateur, et, de préférence, il doit se vaporiser avant que les enroulements ou le circuit magnétique ne soient exagérément chaude, de manière qu'une grande quantité de chaleur soit constamment éva- @ par vaporisation et condensation. Par exemple , le fréon ou les matières fluorocarbonées peuvent être utilisées pour refroidir des transforma- teurs quand leur point d'ébullition est égal ou légèrement inférieur à la tempéra/cure désirée de fonctionnement.
Ce sont aussi bien les types d'isolants rentrant dans la construction (le l'appareil à refroidir que des considérations d'ordre économique, qui fixent le choix de la température de fonctionnement et du liquide réfrigérant à utiliser, en tenant compte du fait que les pertes augmentent quand s'élève la température en raison de l'augmentation de la résistance des enroulements avec la température.
Le système de refroidissement conforme à l'invention présente de nombreux avantages, c'est ainsi qu'en appliquant l'invention à un transformateur ordinaire de 10 kVA, on a pu porter la puissance à 150% de sa valeur nominale, sans dépasser l'élévation de température normale des enrou- lements qui, pour un tel transformateur, est d'environ 45 C. On peut donc réaliser un transformateur de 15 kVA avec les éléments d'un transformateur de 10 kVA.
Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que le poids des transformateurs habituels peut être diminue, parce que le système de refroidissement permet de ne remplir la cuve de fluide diélectrique qu'à moitié environ, au lieu des trois quarts; l'appareil s'en trouve donc allégé.
C'est ainsi que grâce à l'invention, un transformateur de 10 kVA pourra supporter une charge de 15 1:VA, en ne pesant que 100 Kg environ, alors qu'un transformateur de même type de 15 kVA pèserait environ 160 kg. On a réali- sé, en outre, évidemment, une économie sur L'encombrement.
Un peut signaler, de plus, comme autre avantage, que les pressions de fonctionnement dans les cuves des transformateurs conforma à l'invention étant plus faibles que dans les appareils ordinaires; leur- résistance mécanique peut être réduite par rapport aux appareils n'utilisant
<Desc/Clms Page number 7>
pas la présente invention.
Enfin, cornue avantage supplémentaire, on peut remarquer que le liquide, dont on utilise la vaporisation et la condensation, sert également de diélectrique pour les enroulements. Dans certaines formes connues de refroidissement par vaporisation, la vapeur seule entoure les enroulements et agit cornue diélectrique gazeux. En général, une vapeur possède une rigi- dité diélectrique inférieure à celle du liquide correspondant.
Cet abaisse- ment de rigidité est particulièrement sensible et désavantageux tant que la pression de la vapeur n'est entièrement établie, consécutivement à l'appli- cation de la puissance, il s'en suit que ces systèmes de refroidissement par vaporisation nécessitent un chauffage initial auxiliaire avant la mise en service, ou l'utilisation de gaz additionnel à forte rigidité diélectri- que, mélangé à la vapeur. La présente invention supprime toutes ces compli- cations.
Le système de l'invention fonctionne sans pompe et sans autres appareils mobiles auxiliaires que nécessitent certains systèmes de refroidis- sement par vaporisation, ce qui est important dans le cas de petits transfor- mateurs de distribution, installés généralement en des régions où leur surveillance ne peut pas être constante.