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La présente invention se rapporte à un appareil électrique dans lequel un agent de-refroidissement liquide est vaporisé pour créer un mi- lieu isolant dans l'appareil et en dissiper la chaleur pendant son fonction- nement,et plus spécialement à un dispositif pour faire recirculer l'agent de refroidissement liquide pendant le fonctionnement de 1-'appareil.
Dans un appareil électrique tel qu'un transformateur où le refroidissement d'un élément est obtenu en appliquant un agent de refroidis- sement liquide sur l'élément à refroidir, principalement donc par l'évapo- ration de l'agent de refroidissement liquide appliqué, certains problèmes doivent être résolus. Par exemple, il est nécessaire de prévoir un dispo- sitif pour faire recirculer l'agent de refroidissement liquide de façon à amener une quantité constante d'agent de refroidissement liquide sur l'élé- ment à refroidir. Ce dispositif consistait jusqu'à présent en une pompe rotative fonctionnant de façon continue.
Mais comme l'agent de refroidis- sement liquide n'a que. de très faibles propriétés lubtifiantes., les problè- mes du graissage et de l'entretien de la pompe ainsi que de l'étanchéité requise présentent quelques aspects gênants
Un but de l'invention est de procurer, dans un système de re- froidissement pour transformateurs assurant le refroidissement par évapora- tion et condensation d'un agent de refroidissement liquide, un moyen d'utiliser l'énergie thermique du transformateur pour faire fonctionner un cir- cuit d'élévation par la vapeur afin de faire recirculer l'agent de refroi- dissement liquide condensée
Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, la re- circulation de l'agent de refroidissement,
par exemple d'un liquide- organique fluoré qui entre en contact avec une partie chaude d'un transformateur et est vaporisé, est obtenup en appliquant la pression de vapeur de l'agent de refroidissement liquide vaporisé à l'intérieur du boîtier du transformateur à une extrémité d'un volume enfermé de l'agent de refroidissement liquide et en appliquant une pression inférieure à l'autre extrémité de ce volume enfermé,. et en associant une extrémité d'un élément tubulaire comportant un orifice au volume d'agent de refroidissement liquide de manière à ce que cet orifice soit immergé de façon adéquate,
pour que la différence entre la niveau de l'orifice de l'élément tubulaire et le niveau de l'agent de refroidissement liquide à l'extrémité du volume enfermé à laquelle la pression de vapeur est appliquée, détermine la perte de charge dans l'ori- fice et par conséquent la vitesse dn courant ascendant de l'agent de refroidissement liquide dans l'élément tubulaire, d'où il est appliqué à la partie chaude du transformateur.
L'invention sera mieux comprise en se reportant à la descrip- tion de plusieurs formes de réalisation faites ci-dossous avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
Fige 1 est une vue schématique d'un appareil suivant l'invention, et
Fig. 2 est une vue schématique d'une autre forme d'appareil suivant 1-*invention.
Sur la fig. 1, l'invention est illustrée avec référence à un transformateur 10 comprenant un boîtier hermétique 12 à 1'intérieur duquel se trouvent un noyau magnétique 14 et des bobinages électriques 16 associes à ce noyau, le noyau 14 reposant sur la base du boîtier hermétique 12. Pour simplifier les dessins, les fils aboutissant aux bobines 16 et les joints ou buselures portés normalement par le couvercle du bottier hermétique 12 ne sont pas représentés.
Comme on l'a mentionné plus haut, le refroidissement d'un appareil électrique comme le transformateur 10 est obtenu en appliquant un agent-de refroidissement liquide sur une partie chaude du transformateur, par exemple sur les bobinages 16. Différents agents de refroidissement li-
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quides vaporisables sont connus dans la partie et peuvent être utilisés
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pour la mise en oeuvre de 1, "'invention L'agent de refroidissement liquide vaporisable peut comprendre des composés organiques fluorés liquides choisis dans le groupe formé par les hydrocarbures, les éthers hydrocarbonés et les aminés tertiaires hydrocarbonées,
dans lesquels au moins la moitié des atômes d'hydrogène a été remplacée par au moins un halogène choisi dans le groupe formé par le chlore et le fluor, la moitié au moins des atomes de halogène étant des atomes de fluor. Les hydrocarbures et groupes bydrocarbonés attachés aux atomes d'oxygène ou d'azote peuvent être des groupes aliphatiques, aromatiques, cycloaliphatiques et alkaryliqueso Les perfluo- rocarburès liquides, les éthers perfluorocarbonés et les amines tertiaires perfluorocarbonéés bouillant entre 50 et 225 C possèdent des propriétés supérieures.
Les composés perhalocarbonés ne comportant que du carbone et un halogène choisi parmi au moins un des éléments du groupe formé par le chlore et le fluor, le fluor représentant au moins la moitié des atomes de halogène, se sont révélés extrêmement utiles.
Les vapeurs du composé organique fluoré indiqué plus haut possèdent des propriétés électro-volantes remarquables. Elles sont pratiquement supérieures à tous les autres gaz par leurs caractéristiques électroisolantes telles que résistance à la rupture diélectrique résistance di- électrique, facteur de puissance et résistance à la formation de décharges corona dans des conditions de pression comparables. Ces composés sont remarquables par leur stabilité à la rupture chimique et- thermique., et ne sont surpassés que par les gaz permanentso Les composés fluorés à l'état liquide n'exercent qu'une action solvante ou dégradante négligeable ou nulle sur les matières isolantes ordinaires et sur les vernis utilisés pour la préparation des éléments électriques ordinaires tels que bobinages noyaux et enroulements.
A titre d'exemple de composés organiques fluorés possédant une résistance diélectrique efficace et pouvant être utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention, seuls ou en mélange, on peut citer les composés organiques suivants :
Point d'ébullition perfluorophénanthrane 205 C éther perfluorodibtltylique 100 C
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amine perfluorotriéthylique 71 C amine perfluorotributylique 178 G perfluorodimétbyleyclohexane 101 C
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perfluorométby1cyclohexane 76C perfluoro-n-heptane 82 C perfluortoluène 102 C
EMI2.4
éther perfluorocyclique (CSF160) 101 C éther perfluorocyclique (CFO) 52 C monochlorotétrafluoro-(trifluorométhyl)benzène 137 G
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dichlorotrifluoro-(trifluorométhyl)
ben zène 170 C trichlorodifluora-(tri±1uorométhyl)benzène 207 G monochlorapentadécafluoroheptane 96 C 2-chloro-l,4-bis(trifluorométhyl)benzène 148 C
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Point d ébullition.
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2-ohlorotrifluorométhylbenzène 150 C perunorodiéthy1cyclohoxanv 148 C perfluoraéthy1cycl.ohexane. 101 C perfluoropropylcyelohexane 123 C chlorGonaf1uorobis(trifluorométhyl)cyc1ohexane 129 C prt'luoronaphta1aIle 140 0 perfluoro-1-méthylnapht-alane 161 C perf1uorodimétby1naphta1anes 177 à 179 C perfluorindane 116 à 117 C pen'}:aorof1uorane 190 C per±1uorobicyclo-(20201)heptane 70 C (746 mm)
Les amines et éthers peuvent comporter des groupes hydrocarbonés substitués par des halogènes différents, par exemple l'éther 2,2-dichloro-
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1,1,1-trifluoroéthyl-perfluorobutylique et l'amine perfluorodibutyléthvli- que.
Les points de congélation de ces composés liquides sont en dessous de 0 C et de nombreux composés se solidifient en dessous de -50 C, de sorte qu'ils peuvent être utilisés en toute sécurité, individuellement ou en mélange pratiquement dans toutes les conditions ambiantes pouvant être rencontrées en serviceo
Suivant l'invention, un volume d'agent de refroidissement 20, comprenant au moins une partie de l'agent de refroidissement liquide prévu
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pour le transformateur 10, est enfermé dans un conduit 22 et dans un réser- voir 24, ce réservoir étant un prolongement du conduit 220 En outre, comme on l'expliquera avec plus de détails plus loin.,
l'agent de- refroidissement liquide placé dans le conduit 22 paase en service par plusieurs éléments tubulaires 26, 28 et 30, percés respectivement d'orifices 26', 28'
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et 30's pour aboutir à un séparateur hermétique 32. La fonction du séparateur 32 est de séparer la phaee liquide de la phase vapeur lorsqu' elles passent des éléments tubulaires 26, 28 et 30 dans le séparateur 320
Pour appliquer l'agent de refroidissement liquide au noyau 14
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et aux bobinages 16, un conduit z comrauique avec le séparateur 32 et fait passer l'agent de refroidissement liquide se trouvant dans le séparateur vers un dispositif pulvérisateur 38 qui projette l'agent de refroidissement liquide sur le noyau 14 et les bobinages 16.
L'agent de refroidissement liquide ainsi amené se répartit sur le noyau 14 et les bobinages 16 et s'é- vapore librement si ces éléments sont. chauds-, refroidissant ainsi le-noyau 14 et les bobinages électriques 16 et établissant un milieu diélectrique à l'intérieur du boîtier hermétique 12. Pour qu'une différence de pression appropriée puisse être établie entre le bottier hermétique 12 et un dispo- sitif de refroidissement 40, une garde hydraulique 41 est prévue dans le conduit 36.
Afin que la pression de vapeur de l'agent de refroidissement li- quide vaporisé à l'intérieur du bottier hermétique 12 puisse être appliquée à l'extrémité 42 du volume d'agent de refroidissement liquide 20 à l'inté- rieur du conduit 22 et du réservoir 24, une extrémité du conduit 22 est re- liée au boîtier hermétique 12 de façon appropriée., D'autre part, le réser-
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voir 24 qui constitue un prolongement du conduit 22 est mis en aommrmica- tion avec le dispositif de refroidissement 40, ce qui permet d'appliquer en fonctionnement une pression inférieure à l'extrémité 44 du volume d'agent de refroidissement liquide 20 qu'à l'extrémité 42.
Vu la différence de pression entre l'intérieur du bottier hermé-
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tique 12 et le dispositif de refroidissement 40 pendan% le fonctionnement
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de l'appareil, l'extrémité 42 du volume d'agent de refroidissement liquide 20 se trouve par exemple à un niveau de liquide représenté par h1, et l'autre extrémité 44 de ce volume d'agent de refroidissement liquide 20 se trouve par exemple à un niveau de liquide représenté par h3.
Pour que l'agent de refroidissement liquide passe dans chacun dés éléments tubulaires 26, 28 et 30, ces éléments tubulaires sont reliés au conduit 22 de façon à être en communication avec le volume ci' agent de refroidissement liquide 20 se trouvant dans le conduit 22. En pratique, le degré d'immersion h3 -h2 (niveau des orifices 26', 28' et 30') doit être légèrement inférieur à h3-h1. En pratique également, la perte de charge dans les orifices 26', 28' et 30' est déterminée par la différence entre les niveaux h2 et hl.
Avec une perte de charge dans les orifices 26', 28' et 30', l'agent de refroidissement liquide vaporisé passe de l'intérieur du boîtier hermétique 12 par un conduit étanche 50 et par les orifices 26', 28' et 30', créant ainsi un courant ascendant de l'agent de refroidissement liquide dans chacun des éléments tubulaires 26, 28 et 30. L'agent de refroidissement liquide s'élève dans les éléments tubulaires 26, 28 et 30 parce que l'agent de refroidissement liquide vaporisé passant dans les éléments tubulaires 26, 38 et 30 se mélange au liquide contenu dans ces éléments, et détermine par conséquent une réduction de la densité moyenne du mélange liquide/vapeur à l'intérieur des éléments tubulaires 26, 28 et 30.
Pour que le courant ascendant d'agent de refroidissement liquide passant par les éléments tubulaires 26, 28 et 30 puisse être appliqué au noyau 14 et aux bobinages 16, l'extrémité supérieure de chacun des éléments tubulaires 26, 28 et 30 communique avec le séparateur 32. En particulier, les éléments tubulaires 26, 28 et 30 passent vers le haut en traversant le fond du séparateur 32, ces éléments tubulaires étant fixés de façon appropriée au séparateur 32.
En service, l'agent de refroidissement liquide vaporisé venant du boîtier 12 et l'agent de refroidissement liquide remontent par les éléments tubulaires 26, 28 et 30 et passent finalement dans le séparateur 32.
L'agent de refroidissement liquide passe par le conduit 36 pour aboutir au dispositif pulvérisateur 38 qui répartit l'agent de refroidissement liquide sur le noyau 14 et les bobinages électriques 16 de façon connue. Pour assurer l'écoulement de l'agent de refroidissement liquide du séparateur 32 vers le dispositif 38, il est nécessaire que (h4-h5) > (h3-h2),h2,h2, h3, h4 et h5 étant tous mesurés depuis une même ligne de référence (non représentée).
L'agent de refroidissement liquide vaporisé qui passe des éléments tubulaires 26, 28 et 30 dans le séparateur 32, circule dans un conduit 52 pour aboutir au dispositif de refroidissement 40 où il est condensé.
L'agent de refroidissement liquide vaporisé condensé dans le dispositif de refroidissement 40 reflue dans le réservoir 240 Dans ce cas, le conduit 52 est relié au séparateur 32, au réservoir 24 et au collecteur inférieur 54 du dispositif de refroidissement 40, et met ainsi en communication le dispo- sitif de refroidissement 40 avec le réservoir 24 et le séparateur 32.
En résumé, l'appareil illustré sur la Fig. 1 fonctionne de la manière suivante. Dès que les niveaux de liquide h2 et h3 ont été établis, l'agent de refroidissement liquide vaporisé contenu dans le boitier hermétique 12 s'écoule par les orifices 26', 28' et 30' des éléments tubulaires 26, 28 et 30, respectivement. L'agent de refroidissement liquide vaporisé venant du boîtier 12 et qui passe par les orifices 26', 28' et 30' détermine un courant d'agent de refroidissement liquide dans les éléments tubulaires correspondants vers le séparateur 32.
L'agent de refroidissement liquide ain-
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si transmis au séparateur 32 passe ensuite par le conduit 36 vers le dis- positif pulvérisateur 38 qui applique l'agent de refroidissement liquide au noyau 14 et aux bobinages 16, la chaleur du noyau 14 et des bobinages
16 assurant la vaporisation de l'agent de refroidissement liquide., ce qui détermine le refroidissement du noyau 14 et des bobinages 16 et crée un milieu diélectrique constitué par l'agent de refroidissement liquide vapo- risé à l'intérieur du boîtier 12 pour isoler du boîtier hermétique 12 le noyau 14 et les bobinages 16.
L'agent de refroidissement liquide vaporisé remontant par les éléments tubulaires 26, 28 et 30 et passant dans le séparateur 32 passe simultanément par le conduit 52 vers le dispositif de refroidissement 40 où l'agent de refroidissement liquide vaporisé est condensé. Cet agent condensé reflue ensuite dans le réservoir 24. Cette recirculation s'effec- tue dq façon continue pendant le fonctionnement de l'appareil.
Mais avant que ce fonctionnement normal puisse être établi, il est nécessaire de créer les niveaux liquides h3 et h2 d'une façon quelcon- que. Un moyen doit donc être prévu pour créer une pression à l'intérieur du boîtier hermétique 12. Ce moyen peut être un appareil de chauffage auxiliaire 51 appliquant de la chaleur au bottier hermétique 12 pour augmenter la pression intérieure du bottier et porter l'extrémité 42 du volume d'agent de refroidissement liquide 20 à un niveau de liquide indiqué par h1. On établit ainsi la différence de pression nécessaire entre le bottier 12 et le dispositif de refroidissement 40 pour créer un courant d'agent de refroidissement liquide sur le noyau 14 et les bobinages 16.
Lorsque l'agent de refroidissement liquide s'écoule sur le noyau 14 et les bobinage 16,ces éléments étant chauds, la pression régnant à l'intérieur du boîtier hermétique 12 est maintenue et le système fonctionne comme expliqué plus. haut sans l'aide du dispositif de chauffage auxiliaire 51. Evidemment, l'appareil pourrait être amorcé à l'aide d'une pompe auxiliaire (non représentée) qui déterminerait l'écoulement de l'agent de refroidissement liquide sur le noyau 14 et les bobinages 16, augmentant-ainsi la pression à l'intérieur du boîtier hermétique 12. Lorsque la pression à l'intérieur du bottier 12 atteindrait une valeur déterminée d'avance, la pompe auxiliaire serait arrêtée.
La Figo 2 représente une autre forme d'exécution de l'invention dans laquelle les parties semblables à celles de la Figo 1 ont reçu les mêmes chiffres de -référence. La principale différence entre les appareils représentés sur les Figs. 1 et 2 est que dans l'appareil de la Figo 2 des éléments tubulaires 60, 62, 64 et 66 correspondant aux éléments tubulaires 26, 28 et 30 représentés sur la Fig. 1 sont placés à l'intérieur d'un boîtier étanche de transformateur 68 plut8t qu'à l'extérieur du boîtier du transformateur comme sur la Fig. 1. Comme sur le dessin, ces éléments tubulaires 60, 62, 64 et 66 sont percés d'orifices 60'62', 64' et 66'.
Dans la forme de réalisation représentée sur la Figo 2, le fond du boîtier 68 comprend un puits 70 pour retenir l'agent de refroidissement liquide dans un but expliqué plus loin. Dans ce cas, une extrémité du conduit 72 est reliée au boîtier hermétique 68 près du puits 70 et en communication avec lui, le puits 70 et une partie du conduit 72 contenant au moins une partie de l'agent de refroidissement liquide prévu dans l'appareil il- lustré sur la Fig. 2. En service, la pression de vapeur de l'agent de refroidissement liquide vaporisé à l'intérieur du bottier hermétique 68 est appliquée à l'extrémité 74 de l'agent de refroidissement liquide se trouvant dans le puits 70.
D'autre part, l'extrémité 76 du volume d'agent de refroidissement liquide 78 se trouvant dans le puits 70 et le conduit 72 est soumise à une pression inférieure déterminée par la pression régnant dans le dispositif de refroidissement 80 correspondant au dispositif de re-
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froidissement 40 illustré sur la Figo 1. Dans ce casle dispositif de re- froidissement 80 comprend un distributeur inférieur 82 servant de réservoir en combinaison avec une partie du conduit 72.
Comme sur la figure, le conduit 72 communique avec le disposi- tif de refroidissement 80 et avec un séparateur 86. Plus particulièrement, une extrémité du conduit 72 est fixée de façon appropriée au séparateur 86 pour'permettre le passage de la vapeur du séparateur 86 au dispositif de refroidissement 80, le collecteur 82 du dispositif de refroidissement 80 étant fixé de manière appropriée au conduit 72 entre ses extrémités pour permettre à l'agent de refroidissement liquide condensé de s'écouler dans le conduit 72 et permettre à l'agent de refroidissement liquide vaporisé de passer du conduit 72 au dispositif de refroidissement 80.
Pour que l'agent de refroidissement liquide passe dans les éléments tubulaires 60,62, 64 et 66, une extrémité de chacun de ces élé- ments tubulaires communique avec l'agent de refroidissement liquide dans le puits 70. Il faut noter que les niveaux h1, h2, et h dans la forme re- présentée sur la Fige 2 correspondent aux niveaux h1, h2 et h3 illustrés sur la Fig. 1 et sont dans le même rapport expliqué plus haut pour l'appa- reil de la Fig. 1.
Pour faire passer l'agent de refroidissement liquide s'écoulant par les éléments tubulaires 60, 62, 64 et 66 dans le séparateur 86 de façon que le liquide puisse être appliqué au noyau 14 et aux bobinages 16, l'autre extrémité de chacun des éléments tubulaires 60, 62, 64 et 66 communique avec le séparateur 86. Dans le cas décrit, le dispositif pour appliquer l'agent dé refroidissement liqnide au noyau 14 et aux bobinages 16 comprend un con- duit 90 communiquant avec le séparateur 86 et un dispositif de pulvérisa- tion 92.
Comme sur le dessin, le conduit 90 comprend une garde hydraulique 94 pour qu'une différence de pression appropriée puisse être établie entre le bottier hermétique 68 et le dispositif de refroidissement 80 au début de l'opération. D'autre part, comme c'était le cas pour l'appareil représenté sur la Figo 1, (h4-h5) > (h3-h1), pour assurer l'écoulement de l'agent de refroidissement liquide du séparateur 86 par le conduit 90 au disposi- tif pulvérisateur 92.
Gomme on peut le voir sur la Fig. 2, les orifices 60', 62', 64' et 66' sont verticalement écartés l'un de l'autre à différents niveaux h2, de sorte qu'un ou plusieurs éléments tabulaires 60, 62, 64 et 66 fonction- nent pour alimenter le séparateur 86 en agent de refroidissement liquide suivant la. charge du transformateur 96. Par exemple, si le transformateur 96 travaille sous faible charge tous les orifices à l'exception de l'ori- fice 66' seront immergés dans l'agent de refroidissement liquide se trou- vant dans le puits 70. Dans ces conditions de faible charge, seul l'élé- ment tubulaire 66 alimenta le séparateur 86 en agent de refroidissement liquide.
Toutefois, dans des conditions de charge élevée du transformateur 96, aucun des orifices 60', 62', 64' ou 66' ne sera immergé dans l'agent de refroidissement liquide se trouvant dans le puits 70. Dans ces condi- tions, tous les éléments tubulaires 60, 62, 64 et 66 alimentent le sépara- teur 86 en agent de refroidissement liquide. Cet agent se trouvant dans le puits 70 au niveau de liquide h1 eolnme sur la Fige 2, seuls les éléments tubulaires 64 et 66 alimenteront le séparateur 86 en agent de refroidisse- ment liquide.
Il faut noter toutefois que même lorsqu'un seul de ces élé- ments tubulaires alimente le séparateur 86 en agent de refroidissement li- quide, cet élément tabulaire débite sa pleine capacité avec une efficacité normale. En service, la perte de charge dans un orifice, 60', 62', 64' ou 66' qui n'est pas immergé dans l'agent de refroidissement liquide du puits 70 est proportionnelle à la différence entre le niveau h2 de cet orifice et
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le niveau h1. La perte de charge dans les autres orifices non immergés dé- termine la vitesse d'écoulement de l'agent de refroidissement liquide par l'élément tubulaire ou les éléments tubulaires vers le séparateur 86.
Comme pour l'appareil représenté sur la Fige 1, il est néces- saire de prévoir un dispositif de chauffage auxiliaire 98 ou une pompe au- xiliaire (non représentée) pour amorcer l'appareil et augmenter la pression régnant dans le bottier hermétique 68 jusqu'à une valeur établissant une différence de pression représentée par (h3-h1).
Une fois que cette diffé- rence de pression est établie, l'agent de refroidissement liquide vaporisé se trouvant dans le boîtier hermétique 68 s'écoule par les orifices 60', 62', 64' et 66' qui ne sont pas immergés dans le liquide de refroidissement se trouvant dans le puits 70 et crée ainsi un courant ascendant de l'agent de refroidissement liquide dans les éléments tubulaires dont les orifices ne sont pas immergés jusqu'au séparateur 860 L'agent de refroidissement liqui- de se trouvant dans le séparateur 86 passe ensuite par le conduit 90 au dispositif pulvérisateur 92 qui applique l'agent de refroidissement liquide au noyau 14 et aux bobinages 16.
Lorsque l'agent de refroidissement liqui- de est appliqué au noyau 14 et aux bobinages 16 se trouvant à une tempéra- ture élevée,il se vaporise et crée un milieu diélectrique dans le boîtier hermétique 680 L'agent de refroidissement liquide vaporisé qui remonte par l'élément tubulaire ou les éléments tubulaires vers le séparateur 86 passe simultanément par le conduit 72 vers le dispositif de refroidissement 80 où il se condense. L'agent de refroidissement liquide condensé retourne alors au volume 78 de l'agent de refroidissement liquide.
Cette opération se répète continuellement pendant le fonctionnement de l'appareil représenté sur la Figo 20
Bien qu'un seul conduit 72 ait été représenté sur la Fig. 2, deux conduits (non représentés) pourraient être utilisés, un des conduits (non représenté) pouvant être placé entre le boîtier hermétique 68 et le distributeur inférieur 82 et l'autre conduit (non représenté) entre le séparateur 86 et le distributeur inférieur 82 du dispositif de refro-idissement 80. Ces deux conduits (non représentés) seraient équivalents au conduit unique 72 représenté sur la Figo 2.
D'autre part, sur la Figo 1, le conduit 22, le réservoir 24 et le conduit 52 pourraient être former d'un seul conduit (non représenté), et ce seul conduit (non représenté) serait équivalent aux conduits 22 et 52 et au réservoir 240 REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates to an electrical apparatus in which a liquid coolant is vaporized to create an insulating medium in the apparatus and to dissipate heat therefrom during its operation, and more especially to a device for recirculating. the liquid cooling agent during the operation of the apparatus.
In an electrical apparatus such as a transformer where the cooling of an element is obtained by applying a liquid cooling agent to the element to be cooled, mainly therefore by the evaporation of the liquid cooling agent applied , some issues need to be resolved. For example, it is necessary to provide a device for recirculating the liquid cooling agent so as to supply a constant quantity of liquid cooling agent to the element to be cooled. Until now, this device consisted of a rotary pump operating continuously.
But as the liquid coolant has only. very low lubricating properties., the problems of lubrication and maintenance of the pump as well as the required tightness present some annoying aspects
An object of the invention is to provide, in a cooling system for transformers providing cooling by evaporation and condensation of a liquid cooling agent, a means of using the thermal energy of the transformer to operate. a vapor lift circuit in order to recirculate the condensed liquid coolant
According to a preferred embodiment of the invention, the recirculation of the cooling agent,
for example a liquid- organic fluorinated which comes into contact with a hot part of a transformer and is vaporized, is obtained by applying the vapor pressure of the vaporized liquid coolant inside the transformer housing to one end of an enclosed volume of liquid coolant and applying a lower pressure to the other end of that enclosed volume ,. and by associating one end of a tubular element comprising an orifice with the volume of liquid cooling agent so that this orifice is adequately submerged,
so that the difference between the level of the orifice of the tubular member and the level of the liquid coolant at the end of the enclosed volume to which the vapor pressure is applied, determines the pressure drop in the the orifice and hence the speed of the upward flow of liquid coolant through the tubular member, from where it is applied to the hot part of the transformer.
The invention will be better understood by referring to the description of several embodiments given below with reference to the accompanying drawings in which:
Fig 1 is a schematic view of an apparatus according to the invention, and
Fig. 2 is a schematic view of another form of apparatus according to the invention.
In fig. 1, the invention is illustrated with reference to a transformer 10 comprising a hermetic housing 12 within which there is a magnetic core 14 and electrical coils 16 associated with this core, the core 14 resting on the base of the hermetic housing 12. To simplify the drawings, the wires terminating in the coils 16 and the seals or nozzles normally carried by the cover of the hermetic housing 12 are not shown.
As mentioned above, the cooling of an electrical device such as transformer 10 is achieved by applying a liquid cooling agent to a hot part of the transformer, for example to the coils 16. Various coolants li-
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which vaporisables are known in the game and can be used
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for the implementation of the invention, the vaporizable liquid cooling agent can comprise liquid fluorinated organic compounds chosen from the group formed by hydrocarbons, hydrocarbon ethers and hydrocarbon tertiary amines,
in which at least half of the hydrogen atoms has been replaced by at least one halogen chosen from the group formed by chlorine and fluorine, at least half of the halogen atoms being fluorine atoms. Hydrocarbons and bydrocarbon groups attached to oxygen or nitrogen atoms can be aliphatic, aromatic, cycloaliphatic and alkaryl groups o Liquid perfluorocarbons, perfluorocarbon ethers and perfluorocarbon tertiary amines boiling between 50 and 225 C have superior properties .
Perhalocarbon compounds containing only carbon and a halogen chosen from at least one of the elements of the group formed by chlorine and fluorine, fluorine representing at least half of the halogen atoms, have proved to be extremely useful.
The vapors of the fluorinated organic compound indicated above have remarkable electro-flying properties. They are practically superior to all other gases in their electro-insulating characteristics such as resistance to dielectric breakdown, dielectric strength, power factor and resistance to the formation of corona discharges under comparable pressure conditions. These compounds are remarkable for their stability to chemical and thermal rupture., And are only surpassed by permanent gases o Fluorinated compounds in the liquid state exert only negligible or no solvent or degrading action on insulating materials ordinary and on varnishes used for the preparation of ordinary electrical elements such as coils, cores and windings.
By way of example of fluorinated organic compounds possessing an effective dielectric strength and which can be used for the implementation of the invention, alone or as a mixture, the following organic compounds may be mentioned:
Boiling point perfluorophenanthran 205 C perfluorodibtyl ether 100 C
EMI2.2
perfluorotriethyl amine 71 C perfluorotributyl amine 178 G perfluorodimetbyleyclohexane 101 C
EMI2.3
perfluorometby1cyclohexane 76C perfluoro-n-heptane 82 C perfluortoluene 102 C
EMI2.4
perfluorocyclic ether (CSF160) 101 C perfluorocyclic ether (CFO) 52 C monochlorotetrafluoro- (trifluoromethyl) benzene 137 G
EMI2.5
dichlorotrifluoro- (trifluoromethyl)
ben zene 170 C trichlorodifluora- (tri ± 1uoromethyl) benzene 207 G monochlorapentadecafluoroheptane 96 C 2-chloro-1,4-bis (trifluoromethyl) benzene 148 C
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Boiling point.
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2-ohlorotrifluoromethylbenzene 150 C perunorodiethy1cyclohoxanv 148 C perfluoraethy1cycl.ohexane. 101 C perfluoropropylcyelohexane 123 C chlorGonaf1uorobis (trifluoromethyl) cyc1ohexane 129 C prt'luoronaphthalaIle 140 0 perfluoro-1-methylnapht-alane 161 C perf1uorodimetby1naphtha1anes 177 to 179 C perfluoruoruane 116 to 190 Cicycloro-111 Cicycloro-01anes 177 to 179 C perfluoru-fluoru} a) heptane 70 C (746 mm)
Amines and ethers may have hydrocarbon groups substituted with different halogens, for example 2,2-dichloro-ether.
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1,1,1-trifluoroethyl-perfluorobutyl and perfluorodibutylethyl amine.
The freezing points of these liquid compounds are below 0 C, and many compounds solidify below -50 C, so they can be used safely individually or in combination in virtually any ambient condition that can to be met in service
According to the invention, a volume of cooling agent 20, comprising at least part of the liquid cooling agent provided
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for the transformer 10, is enclosed in a conduit 22 and in a reservoir 24, this reservoir being an extension of the conduit 220. In addition, as will be explained in more detail later.,
the liquid cooling agent placed in the duct 22 passes in service by several tubular elements 26, 28 and 30, respectively pierced with orifices 26 ', 28'
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and 30's to result in a hermetic separator 32. The function of the separator 32 is to separate the liquid phase from the vapor phase as they pass from the tubular elements 26, 28 and 30 through the separator 320.
To apply liquid coolant to the core 14
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and to the coils 16, a conduit z comrauique with the separator 32 and passes the liquid cooling agent located in the separator to a spray device 38 which projects the liquid cooling agent on the core 14 and the coils 16.
The liquid cooling agent thus supplied is distributed over the core 14 and the coils 16 and evaporates freely if these elements are. hot-, thereby cooling the-core 14 and the electrical windings 16 and establishing a dielectric medium inside the hermetic housing 12. So that an appropriate pressure difference can be established between the hermetic housing 12 and a device of cooling 40, a hydraulic guard 41 is provided in the duct 36.
In order that the vapor pressure of the liquid coolant vaporized inside the hermetic housing 12 can be applied to the end 42 of the volume of liquid coolant 20 inside the duct 22. and from the reservoir 24, one end of the conduit 22 is suitably connected to the hermetic housing 12., On the other hand, the reservoir
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see 24 which constitutes an extension of the duct 22 is brought into contact with the cooling device 40, which makes it possible to apply in operation a lower pressure at the end 44 of the volume of liquid cooling agent 20 than end 42.
Given the pressure difference between the inside of the hermetic casing
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tick 12 and the cooling device 40 during operation
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of the apparatus, the end 42 of the volume of liquid coolant 20 is for example at a liquid level represented by h1, and the other end 44 of this volume of liquid coolant 20 is at example at a liquid level represented by h3.
In order for the liquid coolant to pass through each of the tubular elements 26, 28 and 30, these tubular elements are connected to the duct 22 so as to be in communication with the volume of the liquid coolant 20 located in the duct 22. In practice, the degree of immersion h3 -h2 (level of orifices 26 ', 28' and 30 ') must be slightly less than h3-h1. Also in practice, the pressure drop in the orifices 26 ', 28' and 30 'is determined by the difference between the levels h2 and hl.
With a pressure drop in the orifices 26 ', 28' and 30 ', the vaporized liquid cooling agent passes from the interior of the hermetic housing 12 through a sealed duct 50 and through the orifices 26', 28 'and 30' thereby creating an upward flow of the liquid coolant in each of the tubular members 26, 28 and 30. The liquid coolant rises in the tubular members 26, 28 and 30 because the liquid coolant vaporized passing through the tubular elements 26, 38 and 30 mixes with the liquid contained in these elements, and consequently determines a reduction in the average density of the liquid / vapor mixture inside the tubular elements 26, 28 and 30.
In order that the upflow of liquid coolant passing through the tubulars 26, 28 and 30 can be applied to the core 14 and coils 16, the upper end of each of the tubulars 26, 28 and 30 communicates with the separator. 32. In particular, the tubular elements 26, 28 and 30 pass upwards through the bottom of the separator 32, these tubular elements being suitably attached to the separator 32.
In service, the vaporized liquid cooling agent coming from the housing 12 and the liquid cooling agent ascends through the tubular elements 26, 28 and 30 and finally passes into the separator 32.
The liquid cooling agent passes through the conduit 36 to end at the spray device 38 which distributes the liquid cooling agent over the core 14 and the electrical windings 16 in a known manner. To ensure the flow of liquid coolant from separator 32 to device 38, it is necessary that (h4-h5)> (h3-h2), h2, h2, h3, h4 and h5 all being measured from a same reference line (not shown).
The vaporized liquid cooling agent which passes from the tubular elements 26, 28 and 30 in the separator 32, circulates in a duct 52 to terminate in the cooling device 40 where it is condensed.
The vaporized liquid cooling agent condensed in the cooling device 40 flows back into the reservoir 240 In this case, the duct 52 is connected to the separator 32, to the reservoir 24 and to the lower manifold 54 of the cooling device 40, and thus brings communication between the cooling device 40 and the reservoir 24 and the separator 32.
In summary, the apparatus illustrated in FIG. 1 operates as follows. As soon as the liquid levels h2 and h3 have been established, the vaporized liquid cooling agent contained in the hermetic case 12 flows through the orifices 26 ', 28' and 30 'of the tubular elements 26, 28 and 30, respectively . The vaporized liquid cooling agent coming from the housing 12 and passing through the orifices 26 ', 28' and 30 'determines a flow of liquid cooling agent in the corresponding tubular members towards the separator 32.
The liquid coolant as well as
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if transmitted to separator 32 then passes through conduit 36 to spray device 38 which applies liquid coolant to core 14 and coils 16, heat from core 14 and coils
16 ensuring the vaporization of the liquid cooling agent., Which determines the cooling of the core 14 and the coils 16 and creates a dielectric medium constituted by the liquid cooling agent vaporized inside the housing 12 to insulate of the hermetic case 12 the core 14 and the coils 16.
The vaporized liquid cooling agent ascending through the tubular elements 26, 28 and 30 and passing through the separator 32 simultaneously passes through the conduit 52 to the cooling device 40 where the vaporized liquid cooling agent is condensed. This condensed agent then flows back into tank 24. This recirculation takes place continuously during operation of the apparatus.
But before this normal operation can be established, it is necessary to create the liquid levels h3 and h2 in some way. A means must therefore be provided to create a pressure inside the hermetic casing 12. This means may be an auxiliary heater 51 applying heat to the hermetic casing 12 to increase the internal pressure of the casing and carrying the end 42. from the volume of liquid coolant 20 to a liquid level indicated by h1. The pressure difference necessary between the casing 12 and the cooling device 40 is thus established to create a stream of liquid cooling agent on the core 14 and the coils 16.
When the liquid cooling medium flows over the core 14 and the coils 16, these elements being hot, the pressure prevailing inside the hermetic housing 12 is maintained and the system operates as explained further. high without the aid of the auxiliary heater 51. Obviously, the apparatus could be primed with the aid of an auxiliary pump (not shown) which would determine the flow of liquid coolant over the core 14 and the coils 16, thus increasing the pressure inside the hermetic casing 12. When the pressure inside the casing 12 reaches a predetermined value, the auxiliary pump will be stopped.
Figo 2 shows another embodiment of the invention in which parts similar to those of Figo 1 have been given the same reference digits. The main difference between the devices shown in Figs. 1 and 2 is that in the apparatus of Fig. 2 tubular elements 60, 62, 64 and 66 corresponding to the tubular elements 26, 28 and 30 shown in Fig. 1 are placed inside a waterproof transformer housing 68 rather than outside the transformer housing as in FIG. 1. As in the drawing, these tubular elements 60, 62, 64 and 66 are pierced with holes 60'62 ', 64' and 66 '.
In the embodiment shown in Figo 2, the bottom of the housing 68 comprises a well 70 for retaining the liquid coolant for a purpose explained later. In this case, one end of the duct 72 is connected to the hermetic housing 68 near the well 70 and in communication with it, the well 70 and a part of the duct 72 containing at least a part of the liquid cooling agent provided in the well. apparatus illustrated in FIG. 2. In use, the vapor pressure of the liquid coolant vaporized inside the sealed housing 68 is applied to the end 74 of the liquid coolant in the well 70.
On the other hand, the end 76 of the volume of liquid cooling agent 78 located in the well 70 and the duct 72 is subjected to a lower pressure determined by the pressure prevailing in the cooling device 80 corresponding to the recovery device. -
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cooling 40 illustrated in FIG. 1. In this case the cooling device 80 comprises a lower distributor 82 serving as a reservoir in combination with part of the duct 72.
As in the figure, the duct 72 communicates with the cooling device 80 and with a separator 86. More particularly, one end of the duct 72 is suitably attached to the separator 86 to allow the passage of steam from the separator 86. to the cooling device 80, the manifold 82 of the cooling device 80 being suitably attached to the conduit 72 between its ends to allow the condensed liquid cooling medium to flow into the conduit 72 and to allow the medium to flow. vaporized liquid cooling to pass from duct 72 to the cooling device 80.
In order for the liquid coolant to pass through the tubular elements 60, 62, 64 and 66, one end of each of these tubular elements communicates with the liquid coolant in the well 70. It should be noted that the levels h1, h2, and h in the form shown in Fig. 2 correspond to the h1, h2 and h3 levels shown in Fig. 1 and are in the same relationship explained above for the apparatus of FIG. 1.
To pass the liquid coolant flowing through the tubular members 60, 62, 64 and 66 into the separator 86 so that the liquid can be applied to the core 14 and the coils 16, the other end of each of the tubular elements 60, 62, 64 and 66 communicate with the separator 86. In the case described, the device for applying the liquid cooling agent to the core 14 and to the coils 16 comprises a conduit 90 communicating with the separator 86 and a spraying device 92.
As in the drawing, the duct 90 includes a hydraulic guard 94 so that an appropriate pressure difference can be established between the hermetic housing 68 and the cooling device 80 at the start of the operation. On the other hand, as was the case for the apparatus shown in Fig. 1, (h4-h5)> (h3-h1), to ensure the flow of the liquid coolant from the separator 86 through the conduit 90 to the spray device 92.
As can be seen in FIG. 2, the ports 60 ', 62', 64 'and 66' are vertically spaced from each other at different levels h2, so that one or more tabular elements 60, 62, 64 and 66 function to supplying the separator 86 with liquid cooling agent according to the. load of transformer 96. For example, if transformer 96 is operating at a low load all ports except port 66 'will be submerged in the liquid coolant in well 70. In In these low load conditions, only the tubular element 66 supplied the separator 86 with liquid cooling medium.
However, under high load conditions of transformer 96, none of ports 60 ', 62', 64 'or 66' will be submerged in the liquid coolant in well 70. Under these conditions, all the tubular elements 60, 62, 64 and 66 supply the separator 86 with liquid cooling medium. This agent being in the well 70 at the level of liquid h1 eolnme on the Fig 2, only the tubular elements 64 and 66 will supply the separator 86 with liquid cooling agent.
Note, however, that even when only one of these tubular elements supplies separator 86 with liquid coolant, this tubular element delivers its full capacity with normal efficiency. In service, the pressure drop in an orifice, 60 ', 62', 64 'or 66' which is not immersed in the liquid cooling agent of the well 70 is proportional to the difference between the level h2 of this orifice and
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level h1. The pressure drop in the other non-submerged orifices determines the rate of flow of the liquid cooling medium through the tubular member or the tubular members to the separator 86.
As for the apparatus shown in Fig. 1, it is necessary to provide an auxiliary heating device 98 or an auxiliary pump (not shown) to prime the apparatus and increase the pressure prevailing in the hermetic housing 68 up to 'to a value establishing a pressure difference represented by (h3-h1).
Once this pressure difference is established, the vaporized liquid coolant in the sealed housing 68 flows through ports 60 ', 62', 64 'and 66' which are not submerged in the chamber. coolant in the well 70 and thus creates an upward flow of liquid coolant in the tubular members whose orifices are not submerged up to the separator 860 The liquid coolant in the separator 86 then passes through conduit 90 to spray device 92 which applies liquid cooling agent to core 14 and coils 16.
When the liquid coolant is applied to the core 14 and the coils 16 at an elevated temperature, it vaporizes and creates a dielectric medium in the sealed housing 680 The vaporized liquid coolant which rises upwards. the tubular element or the tubular elements towards the separator 86 simultaneously passes through the duct 72 towards the cooling device 80 where it condenses. The condensed liquid coolant then returns to volume 78 of the liquid coolant.
This operation is repeated continuously during the operation of the apparatus shown in Fig. 20
Although only one duct 72 has been shown in FIG. 2, two conduits (not shown) could be used, one of the conduits (not shown) being able to be placed between the hermetic housing 68 and the lower distributor 82 and the other conduit (not shown) between the separator 86 and the lower distributor 82 of the cooling device 80. These two conduits (not shown) would be equivalent to the single conduit 72 shown in FIG. 2.
On the other hand, in Figo 1, the duct 22, the reservoir 24 and the duct 52 could be formed from a single duct (not shown), and this single duct (not shown) would be equivalent to the ducts 22 and 52 and to the reservoir 240 CLAIMS.
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