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-Appareil électrique.
La présente invention concerne de façon générale un appa- reil électrique inductif et plus particulièrement des procédés per- fectionnés d'isolement et de refroidissement d'appareils électriques inductifs* L'utilisation de résines liquides à couler ou de résines à mouler, telles que des résines phénoliques, polyesters ou époxydes, dont la construction des appareils électriques inductifs, par exem- ple les transformateurs, a permis d'obtenir des transformateurs qui sont plus petits et plus légers que les transformateurs ordinai. res.
Le noyage des enroulements de l'appareil électrique dans des
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résines thermoduroissables exemptes de vides donne un système isolant ou les pannes par cheminement sont impossible et dont les risques de panne par percement disruptif de la résine sont tria faibles parce que les résines ont une très grande rigidité diélectrique.
Les excellentes qualité. d'isolement des résines permettent une réduction marquée de l'épaisseur des isolant. dont résulte la r4duo-, tion de dimension et de poids déjà citée. D'autres avantagea des résines isolantes thermodurcissables solides sont l'amélioration de la résistance mécanique, la simplification de la construction, la résistance aux milieux défavorables et la suppression des risques' et des inconvénients de l'huile,
Bien qu'une résine isolante solide soit idéale du point de vue de l'Isolement électrique et soit un meilleur conducteur de la chaleur que la plupart des autres Isolante,
il est nécessaire de recourir à un refroidissement supplémentaire pour les transtor- mateurs de toutes puissances sauf les petites. Les transformateurs de puissance nécessitent généralement un refroidissement suppléa en taire qui est désirable dans tous les cas. Toutefois, le dispositif de refroidissement doit être introduit sans perdre aucun des avan- tages du système d'isolement à l'aide d'une résine thermodurcissable solide*
De façon générale, l'invention a donc pour but de procurer un appareil électrique inductif nouveau et perfectionné.
L'invention a en particulier pour but de procurer un nou- veau système perfectionné d'Isolement et de refroidissement pour des appareils électriques indue tifs.
En résumé, ces buts sont atteints suivant l'invention en construisant un transformateur qui utilise les qualités d'isolement supérieures des résines thermodurcissables et qui comprend des canaux de refroidissement très efficace ménagés dans ou entre les enroulements du transformateur. Plus spécifiquement, le système isolant à la résine thermodurcissable solide est pourvu de canaux de refroidissement disposés convenablement en communication thermique
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avec le enroulements inductifs noyés.
Dans une forme de réalisation préférée de 1 'invention, on recourt à un système de refroidissement par vaporisation dans lequel un liquide approprié est introduit dans le$ pénaux de refroidissement et la chaleur dégagée par les enroule- ments pendant le fonctionnement de l'appareil électrique provoque la vaporisation du liquide.
La température du liquide, de refroidissement N'élevé jusque sa température de vaporisation et le lipide se vapo- rise en absorbant une grande quantité de chaleur égale à sa chaleur latente de vaporisation* Le liquide absorbe donc la chaleur latente de vaporisation et passe en phase vapeur sans nouvel accroissement de température. La vapeur chemine alors vers une surface de refroi- dissement ou échangeur de chaleur où elle se condense en abandonnant sa chaleur latente de vaporisation, toujours sans modification appré- ciable de la température. Le liquide condensé retourne alors aux canaux de refroidissement pour être recyclé.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de sa description ci-après.
L'invention sera mieux comprise en se référant aux des- sine annexés, dans lesquels!
Fig. 1A, qui représente en perspective et partiellement en coupe un transformateur* illustre une forme de réalisation de l'in- vention
Fig. 1B est une vue en perspective partiellement en coupe d'un assemblage d'enroulements comme le représente la Fig. 1A;
Fig. 2 est une vue de face en élévation et partiellement en coupe d'un transformateur et illustre une autre forme de réalisa- tion de l'invention; Fig. 3@est une vue plongeante des canaux de refroidisse- ment d'une autre forme encore de réalisation de l'invention;
Fig. 3B est une vue en élévation et en coupe des canaux de refroidissement de la Fig. 3A;
et,
Fig. 4 est une vue de face en élévation et en coupe d'un
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transformateur suivant une autre forma de réalisation de l'1Tent1on.
Les Flgn. 1À et 10 des dessin , et op part4oUter "la Fig, 1A., représentent de façon générale un appareil Induotlt eu transformateur 10 appliquant les principes de l'intention* te uana- formateur 10 comprend un noyau magnétique 12 et des asseablifes d'enroulements 14 disposés dans une enceinte ou boîtier 16 en mater ou en un autre matériau approprie* Des conducteurs électriques 18 vont des enroulements électriques 14 aux borne. 20. Ces bornes sont
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montées de façon isolée sur l'enceinte 16. Les dahangeurs de chaleur 22 et les ailettes associées 24 sont montée dan# oe cas au-4"'UI de l'enceinte 16 et disposés dans un logement 26.
Les assemblages d'enroulement. électriques 14 représenté*
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en détail sur la $1g. 1B comprennent des enroulements à banne et à haute tensions 30 et 32e respectivement Les enroulements â'batue et à haute tensions 30 et 32 comprennent des conducteurs électriques 28 complètement ;noyés dans une résine isolante thermoduteiasable cou..
14o exempte de vides 34. La résine solide coulée isole les enrou- lements à basse et à haute tensions 30 et 32 l'un de l'autre et de la masse et constitue le diélectrique interne des enroulements* Des fentes ou canaux de refroidissement 36 sont ménagés dans les
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enroulements à basse et à haute tensions 30 et 2 entre les conducm teurs électriques 28. Les canaux de refroidissement 36 traversent
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dans ce cas de part en part l'assemblage d'enroulements 1411 #>#'! Sur la Ji';1.g. IA encore, des collecteurs 38 coiffent complè- tement les orifices des canaux 36p à chaque extrémité de 1'assem- blage d'enroulements 14. Les collecteurs 38 montés sur les orifices des canaux 36 sont raccordés une canalisation 40 qui débouche dans les échangeurs de chaleur 22.
Une canalisation de retour 44 fait ,
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tri # communiquer les échangeurs de chaleur 22 avec la partie inférieure: des canaux 36.
Dans les transformateurs suivant l'invention.. on peut utiliser l'un ou l'autre système de refroidissement. Toutefois} un
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système de refroidissement préféré du point de vue de l'efficacité et de la simplicité recourt à la vaporisation. Dans un système de refroidissement par vaporisation, un liquide de refroidissement est introduit dans les canaux de refroidissement 36 jusque un niveau sensiblement égal ou supérieur à celui des canaux.
Etant donné que le liquide de refroidissement bout à une température déterminée par la pression régnant dans le système de refroidissement, il est possible de choisir la température d'ébullition en choisissant un liquide et en faisant le vide dans le système de refroidissement Jusqu'à la pression requise pour atteindre la température d'ébulli- tion voulue. Si la pression dans le système de refroidissement est ramenée jusqu'à la tension de vapeur du liquide de refroidissement utilisé, la pression dans le système de refroidissement ae modifie ... avec la température, de sorte.que le liquide de refroidissement est toujours à l'ébullition pour une pression quelconque dans le système.
Par conséquent, la température d'ébullition du liquide de refroidissement est déterminée par la construction au système de refroidissement et par ses pertes plutôt que par les propriétés du liquide de refroidissement. Lorsque cette température est détermi- née, la pression dans le système est définie par la relation tension de vapeur-température du fluide de refroidissement particulier utilité. Ainsi, un liquide à point d'ébullition élevé sous la pres- sion atmosphérique conduit à un système de refroidissement à basse pression et un liquide à bas point d'ébullition sous la pression atmosphérique à un système de refroidissement à haute pression.
En cours de fonctionnement, la chaleur engendrée par le courant électrique circulant dans les conducteurs électriques 28 et transférée au liquide de refroidissement remplissant les canaux
36. Le liquide de refroidissement des canaux s'échauffe, ce qui en provoque sa vaporisation au voisinage des parois de* canaux* Le li- quide de refroidissement vaporise s'élève en bulles dans le liquide restant et pénètre dans les collecteurs. 38, la canalisation 40 et
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dans les échangeurs de chaleur vapeur/a:1.r,22,:
P. refroidissement '!'i \ t 1 dans les échangeurs de chaleur 22, le liquide !de refroidissement se
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condense et retourne par gravité au fond des' anaux 36 par la cana- lisation 44 'It .'' lr
Le passage du liquide de refroidissement l'état de va. peur sous l'effet de la chaleur se fait aveu .élévation de la tempé- rature du liquide jusqu'à sa température de vaporisation où. il
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absorbe une grande quantité de chaleur égale à sa chaleur de vaporisation, sans autre accroissement de température.
Lorsque le liquide de refroidissement se condense dans les échangeurs de chaleur 22 une quantité de chaleur égale à la chaleur de vaporisation est abandonnée par le liquide de refroidissement et absorbée par les échangeurs de chaleur 22, sans modification appréciable de la tem- pérature du liquide de refroidissement*
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Le refroidissement du tranatom4te ar ce procède de vaporisation très efficace ne nécessite qu'une faible quantité de milieu de refroidissement et le cycle de refroidissement est amorce et entretenu sans pompe mécanique.
Etant donne que le refroidisse* ' ment par vaporisation est très efficace, le nombre de canaux de refroidissement 36 nécessaire et leur section peut se réduire à un*
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valeur minimum qui permet de construire de f<ujcn peu onéreuse un transformateur simple et résistant* îù outre, Io refroidissement par vaporisation nécessite un échangeur de chaleur relativement petit, parce qu'un refroidissement efficace se tait avec une petit. modification de la température. De plus,
l'utilisation d'un liquide de refroidissement inerte ininflammable supprime les risques
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d'incendie existant avec un liquide de refroidissement lnflammble.
La résine thermodurcissable isolante 34 peut être un* .
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résine liquide à couler ou une résine 4 mouler, coma. le* 1'4..1011. phénoliques, polyesters ou époxydes. La résine doit avoir une faible
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viscosité lui permettant 4#ixpeégner de$ es4mbl*ges **rrit sans laisser de vides, oeautres exigences physiques du système isolant 34 sont la résistance mécanique, la opacité de se déformer sous on*
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trente sans rupture et un faible coefficient de perte diélectrique dans un intervalle de température étendu.
De nombreuses résines satisfont à ces conditions et conviennent comme milieu Isolant 34 pour rassemblera d'enroulements 14' Par exemple, des résines du type' époxyde conviennent.
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Le,coefficient de dilatation thermique de la résine non chargea si en général beaucoup plus grand que celui des métaux or- dinaires. Par conséquente pour éviter le crevassaient de la résine au cour$ des cycles thermiques de l'appareil inductif sous l'effet de la différence entre les coefficients de dilatation de la résine et des enroulements métalliques, on peut utiliser une résine flexible ou réduire le coefficient de dilatation de la résine en ajoutant à celle-ci des charges inertes inorganiques non friables.
Certaines chargea convenant pour réduire le coefficient de dilata-
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tion des résines ler.moduroi8sables sont le sable, la silice pulvé-. risée, le mica, le silex et le silicate de béryllium et d'aluminium.
Le milieu de refroidissement utilisé doit être inerte et ininflammable et avoir d'excellentes propriétés de transfert de chaleur* Des liquides ayant les propriétés requises, y compris une faible viscosité, une faible tension superficielle et une grande chaleur de vaporisation sont les produits complètement fluorés constitués par un mélange de composés à 8 atomes de carbone. La liaison carbone-fluor est extrêmement solide et confère au produit une excellente stabilité chimique et une grande résistance à la décomposition thermique et à la décharge électrique. Par exemple,
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le perfluoro-propyltétrahydropyrane, CaF16o, ayant un point d'ébul- lition de 101 C sous la pression atmosphérique convient.
Pour ménager les canaux de refroidissement 36 dans les enroulements à basse et à haute tensions 30 et 32, les enroulements 30 et 32 peuvent être bobinés en plaçant des plaques de cire,ou d'une autre matière appropriée à l'endroit requis. Si on utilise de la cire, celle-ci est fondue après le bobinage de l'assemblage
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d'enroulements 14 et la polymérisation de la résine* 81 on utilise d'autres matières, par exemple du caoutchouc enduit de graisse de silicone,
les morceaux de caoutchouc doivent déborder suffisamment des enroulements pour pouvoir en être rôtira après le bobinât de l'enroulement et le durcissement de la résine* La caoutchouc donne d'excellents gabarits pour canaux de refroidissement, parce que sa section diminue lorsqu'il est extrait par traction.
Les assemblages d'enroulements de la Fige 1A peuvent être obtenus en bobinant d'abord les enroulements à basse et haute tensions 30 et 32 en utilisant des rubans de caoutchouc ayant la largeur et l'épaisseur que doivent avoir les canaux 36 et une longueur un peu supérieure à celle de ces canaux Le caoutchouc peut être enduit d'une fine couche de graisse de silicone pour faciliter son extraction ultérieure. Pour éviter le jaillissement d'un arc dans l'isolant à travers Ion canaux,
plusieurs couches de matière isolante peuvent être appliquées sur le caoutchouc et un écran métal- lique peut être replié autour * l'isolante avec un léger recouvre- ment. L'isolant est placé entre les parties de l'écran métallique, qui se recouvrent afin d'empêcher que celui-ci ne constitue un circuit continu et d'éviter ainsi des pertes par circulation de cou- . rant dans le métal.
La gaine, de matière isolante établit un isolant solide entre le canal et l'écran métallique., La couche de native isolante et l'écran métallique ont une longueur correspondant la largeur de bobinage de l'enroulement, de sorte qu'elles ne pénè- trent pas dans l'isolant principal. Pour en faciliter l'extraction, les rubans de caoutchouc débordent de quelques centimètres à chaque extrémité des- enroulements.
Il convient de remarquer que les canaux de reforidisse- , ment peuvent être forcés en disposant des tûtes métalliques ou non . métalliques en des endroits appropriés dans du entre les enroule- ments électriques* Toutefois, le transfert d chaleur au liquide de refroidissement dans les canaux n'est pas aussi satisfaisant que
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lorsque l'isolant lui-même forme les parois des canaux de refroidisse- Ment*
Les enroulements 30 et 32 sont donc bobinée après que des rubans de caoutchouc aient été placés aux endroits judicieux pour former le canaux de refroidissement.
Les enroulements contenant les gabarits pour les canaux sont suspendus dans un récipient de dimension appropriée afin que les enroulements n'entrent pas en contact avec les parois du récipient. Une charge telle que du sable ou au silicate d'rluminium et de béryllium est introduite dans le récipient puis Imprégnée de résine ajoutée de façon à remplir le récipients La résine est alors polymérisée pour donner un assemblage d'enroulements isoles rigides exempts de vides.
Si on le désire, au lieu de suspendre les enroulements dans le récipient, une petite quantité de charge et de résine peut être ajoutée dans le récipient et polymérisée* Les assemblages d'enroulements peuvent être ensuite déposés sur cette résine durcie et le reste du récipient peut être rempli de charge et de résine qui est polymérisée. L'ensemble est alors retiré du récipient et les gabarits de caoutchouc formant lois canaux peuvent être retirés. Lorsque la résine est dure les rubans de caoutchouc sont extraits par traction. La graisse de silicone évite l'adhérence au caoutchouc à la résine.
Dans le transformateur polyphasé de la Fig. 1A, les @ssem- blagua d'enroulements 14 peuvent être placés dans une enceinte ou boîtier 16. Si on le désire, l'enceinte 16 peut être rendue étanche aux gaz et remplie d'un liquide ou d'un gaz inerte à haute rigidité diélectrique pour assurer l'isolement des conducteurs sortant de l'isolant solide 34.
Par exemple, un gaz électronégatif comme SF6 peut servir à isoler les conducteurs menant aux bornes 18, les conducteurs interphase. (non représentes) et les conducteurs des priées Intermédiaires (non représentés):
La Fig. 2 est un schéma représentant une autre forme de réalisation de l'invention recourant à un autre agencement des canaux
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de refroidissement* Dans ce cas, le transformateur 50 comprend un . noyau magnétique 52 et des enroulements à haute et à basse tensions 54 et 56 disposés de façon appropriée dans une enceinte 58, Les anaux de refroidissement 60 ménages dans les enroulements à haute et à basse tensions 54 et 56 communiquent avec un collecteur 62 à leur ;
partie supérieure et sont fermés à leur partie Inférieur* par la matière isolante 64, qui peut être une résine thermodurcissable comprenant une charge appropria connu décrit ci-dessus. La matière isolante 64 entoure complètement et noie les enroulements 54 et 56, Le collecteur 62 communique avec un éohangeur de chaleur 66 par des tubes d'admission 68 et de sortie 70.
Un liquide de refroidissement, qui peut être un fluorocarbure cornue décrit ci-dessus, est introduit dans ces canaux de refroidissement 60 jusqu'à un niveau voisin du sommet des canaux 60 ou même plus élevé.
En cours de fonctionnement, la chaleur engendrée par le courant circulant dans les enroulements 54 et 56 est transférée vers les canaux 60 où le milieu de refroidissement voisin des parois des canaux se vaporise. Le milieu de refroidissement vaporisé ,'élève en bulles dans le liquide restant, entre dans le collecteur 62 et dans le condenseur ou échangeur de chaleur 56 par le tube d'admission 68 de l'échangeur ae chaleur.
La Tapeur abandonne sa chaleur de vapo- risation dans l'échangeur de chaleur et se condense puis retombe par gravité dans le collecteur 62 en passant par le tube de sortie 70 de l'échangeur de chaleur, Du collecteur 62, le liquide condensa retourne dans les canaux de refroidissement 60. Ainsi, s'établit un cycle continu de vapeur quittant les canaux de refroidissement 60 et de liquide de refroidissement condensé retournant. ces canaux.
Il convient de re&arquer que dans ce cas la vapeur sortant* et le liquide rentrant passent par la même extrémité des canaux de refroi- crissement: 60.
L'écoulement du liquide et de la vapeur dans les canaux de refroidissement peut être améliora per un monta,. que représentent
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' lea Fige. 3A et 3B. La yig. représente une vue plongeante de ,( ,1 '... . ' '4.," ' . la disposition des cana= de old1'8ement et la 718, 3B'-Ost' mm vue en '14vat10n et en coups représentant plu. en détenu la diapo- :,' .1t:t.on des canaux.
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unnsystème de refroidissement ayant aussi d'excellente)) caractéristi- ques, et de les combiner dans un seul appareil électrique* Telle est la chose réalisée suivant l'invention. L'isolement par la résine thermodurcissable comme décrit ci-dessus, est excellent et le système de refroidissement par vaporisation décrit est très efficace sans être onéreux, étant donné qu'aucune pompe n'est nécessaire et que l'échengeur de chaleur peut être relativement petit parce qu'il ne doit réduire que de quelques degrés la température du liquide de re- froidissement.
Le système de refroidissement par vaporisation décrit ci- dessus est la forme de réalisation préférée de l'invention, parce que le nouvel agencement des enroulements et de l'isolement décrit ici permet d'utiliser facilement ce dispositif de refroidissement très efficace. Toutefois il convient de remarquer que d'autres dispo- sitifs de refroidissement peuvent être utilisés.
Par exemple, des liquides de refroidissement, tels que de l'huile, peuvent être mis en circulation dans les canaux de refroidissement représentés- sur les Figs. 1A et 1B, par circulation naturelle ou forcée, et refroidis dans des échangeurs de chaleur appropriés. En outre, des gaz tels que le gaz électronégatif SF6 peuvent servir de milieu de refroidit- siéent et être mis en circulation dans les canaux de refroidissement du transformateur. Le gaz doit alors être refroidi également à l'aide d'un échangeur de chaleur approprié* De plus, étant donné que les canaux de refroidissement sont ménagés dans une résine insensi- ble à la corrosion,
de l'eau peut évidemment servir d'agent de @ refroidissement liquide. L'eau peut être vaporisée et condensée dans l'échangeur de chaleur, ou simplement mise en circulation dans le transformateur et l'échangeur de chsieur en restant à l'état liquide.
Jbtant donné que la résine dans laquelle sont ménagés les canaux n'introduit pas d'agent contaminant dans l'eau, l'eau chauffée dans les canaux peut être déversée dans un réservoir (non représenté) et utilisée à des fins industrielles ou domestiques, de l'eau étant ajoutée suivant les nécessités pour maintenir la température du
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transformateur entre les limites voulues.
Bien que divers modes et détails de réalisation aient été décrits pour illustrer l'Invention, il vu de soi que celle-ci est - susceptible de nombreuses varlantes et modifications sans sortirde son cadre.
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-Electrical appliance.
The present invention relates generally to inductive electrical apparatus and more particularly to improved methods of isolating and cooling inductive electrical apparatus. The use of liquid casting resins or molding resins, such as phenolic resins, polyesters or epoxies, of which the construction of inductive electrical devices, for example transformers, has made it possible to obtain transformers which are smaller and lighter than ordinary transformers. res.
The flooding of the windings of the electrical apparatus in
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Thermosetting resins free of voids give an insulating system where failures by routing are impossible and whose risks of failure by disruptive piercing of the resin are tria low because the resins have a very high dielectric strength.
The excellent quality. insulation resins allow a marked reduction in insulation thickness. from which results the r4duo-, tion of dimension and weight already mentioned. Other advantages of solid thermosetting insulating resins are the improvement of the mechanical resistance, the simplification of the construction, the resistance to adverse environments and the elimination of the risks and disadvantages of oil,
Although a strong insulating resin is ideal from an electrical insulation standpoint and is a better conductor of heat than most other insulators,
additional cooling is necessary for all power transformers except small ones. Power transformers generally require additional cooling which is desirable in all cases. However, the cooling device must be introduced without losing any of the advantages of the isolation system using a solid thermosetting resin *
In general, the object of the invention is therefore to provide a new and improved inductive electrical device.
A particular object of the invention is to provide a new improved insulation and cooling system for industrial electrical appliances.
In summary, these objects are achieved according to the invention by constructing a transformer which utilizes the superior insulation qualities of thermosetting resins and which includes highly efficient cooling channels provided in or between the windings of the transformer. More specifically, the solid thermosetting resin insulation system is provided with cooling channels suitably disposed in thermal communication.
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with the inductive windings embedded.
In a preferred embodiment of the invention, a spray cooling system is used in which a suitable liquid is introduced into the cooling pen and the heat given off by the windings during operation of the electrical appliance. causes the liquid to vaporize.
The temperature of the cooling liquid N'is raised to its vaporization temperature and the lipid vaporizes by absorbing a large quantity of heat equal to its latent heat of vaporization * The liquid therefore absorbs the latent heat of vaporization and goes into phase steam without further increase in temperature. The steam then travels to a cooling surface or heat exchanger, where it condenses, releasing its latent heat of vaporization, again without appreciable change in temperature. The condensed liquid then returns to the cooling channels to be recycled.
Other objects and advantages of the invention will emerge from its description below.
The invention will be better understood by reference to the accompanying drawings, in which!
Fig. 1A, which shows in perspective and partially in section a transformer * illustrates an embodiment of the invention
Fig. 1B is a perspective view partially in section of a winding assembly as shown in FIG. 1A;
Fig. 2 is a front elevational view partially in section of a transformer and illustrates another embodiment of the invention; Fig. 3 is a bird's eye view of the cooling channels of yet another embodiment of the invention;
Fig. 3B is an elevational view in section of the cooling channels of FIG. 3A;
and,
Fig. 4 is a front elevational view in section of a
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transformer according to another forma of realization of the 1Tent1on.
The Flgn. 1A and 10 of the drawings, and op part4oUter Fig, 1A., Show generally an Induotlt transformer apparatus 10 applying the principles of the intention * uana- trainer 10 comprises a magnetic core 12 and assemblies of windings 14 arranged in an enclosure or casing 16 of mater or other suitable material * Electrical conductors 18 run from the electrical windings 14 to the terminals 20. These terminals are
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mounted in isolation on the enclosure 16. The heat exchangers 22 and the associated fins 24 are mounted dan # oe case at-4 "'UI of the enclosure 16 and disposed in a housing 26.
Winding assemblies. electrical 14 shown *
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in detail on the $ 1g. 1B include arm and high voltage windings 30 and 32e respectively. Batue and high voltage windings 30 and 32 include electric conductors 28 completely; embedded in a heat-resistant insulating resin neck.
14o void-free 34. The cast solid resin insulates the low and high voltage windings 30 and 32 from each other and from ground and forms the internal dielectric of the windings * Cooling slots or channels 36 are spared in the
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low and high voltage windings 30 and 2 between the electrical conductors 28. The cooling channels 36 pass through
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in this case through and through the assembly of windings 1411 #> # '! On the Ji '; 1.g. 1A again, manifolds 38 completely cover the orifices of the channels 36p at each end of the coil assembly 14. The manifolds 38 mounted on the orifices of the channels 36 are connected to a pipe 40 which opens into the heat exchangers. heat 22.
A return line 44 made,
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tri # communicate the heat exchangers 22 with the lower part: channels 36.
In the transformers according to the invention, one or the other cooling system can be used. However} a
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The preferred cooling system from the point of view of efficiency and simplicity uses vaporization. In a spray cooling system, coolant is introduced into the cooling channels 36 to a level substantially equal to or greater than that of the channels.
Since the coolant boils at a temperature determined by the pressure in the cooling system, it is possible to choose the boiling temperature by choosing a liquid and evacuating the cooling system until the pressure required to reach the desired boiling point. If the pressure in the cooling system is reduced to the vapor pressure of the coolant being used, the pressure in the cooling system ae changes ... with temperature, so that the coolant is always at boiling for any pressure in the system.
Therefore, the boiling temperature of coolant is determined by the construction to the cooling system and its losses rather than the properties of the coolant. When this temperature is determined, the pressure in the system is defined by the vapor pressure-temperature relationship of the particular coolant utility. Thus, a high boiling point liquid at atmospheric pressure leads to a low pressure cooling system and a low boiling point liquid at atmospheric pressure to a high pressure cooling system.
During operation, the heat generated by the electric current flowing in the electrical conductors 28 and transferred to the coolant filling the channels
36. The coolant in the channels heats up, causing it to vaporize in the vicinity of the * channel walls. * The vaporized coolant bubbles up in the remaining liquid and enters the manifolds. 38, line 40 and
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in steam / a heat exchangers: 1.r, 22 ,:
P. cooling '!' I \ t 1 in the heat exchangers 22, the cooling liquid!
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condenses and returns by gravity to the bottom of the 36 'anals through the 44' It pipe. '' lr
Passage of coolant state goes. fear under the effect of heat is confessed .elevation of the temperature of the liquid to its vaporization temperature where. he
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absorbs a large amount of heat equal to its heat of vaporization, without further increase in temperature.
When the coolant condenses in the heat exchangers 22, a quantity of heat equal to the heat of vaporization is given up by the coolant and absorbed by the heat exchangers 22, without appreciable change in the temperature of the coolant. cooling*
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The cooling of the tranatom 4te by this very efficient vaporization process requires only a small amount of cooling medium and the cooling cycle is initiated and maintained without a mechanical pump.
Since the cooling by vaporization is very efficient, the number of cooling channels 36 required and their cross section can be reduced to one.
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minimum value which allows to build from a very inexpensive a simple and resistant transformer. In addition, the cooling by vaporization requires a relatively small heat exchanger, because effective cooling is silent with a small one. change in temperature. Furthermore,
the use of an inert non-flammable coolant eliminates the risks
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existing fire with ignitable coolant.
The insulating thermosetting resin 34 may be a *.
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liquid resin to cast or resin 4 cast, coma. the * 1'4..1011. phenolics, polyesters or epoxies. The resin should have a low
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viscosity allowing it 4 # ixpeégner of $ es4mbl * ges ** rrit without leaving voids, other physical requirements of the insulating system 34 are mechanical resistance, opacity to deform under on *
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thirty without breaking and a low coefficient of dielectric loss over a wide temperature range.
Many resins meet these conditions and are suitable as the Insulating medium 34 to collect windings 14 '. For example, epoxy type resins are suitable.
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The coefficient of thermal expansion of uncharged resin is generally much greater than that of ordinary metals. Therefore to avoid the cracking of the resin during the thermal cycles of the inductive device under the effect of the difference between the expansion coefficients of the resin and the metal windings, one can use a flexible resin or reduce the coefficient. expansion of the resin by adding inert non-friable inorganic fillers thereto.
Some charges are suitable for reducing the coefficient of expansion.
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tion of ler.moduroi8sables resins are sand, silica powder. rised, mica, flint and silicate of beryllium and aluminum.
The cooling medium used must be inert and non-flammable and have excellent heat transfer properties * Liquids with the required properties including low viscosity, low surface tension and high heat of vaporization are the fully fluorinated products made up of by a mixture of compounds with 8 carbon atoms. The carbon-fluorine bond is extremely strong and gives the product excellent chemical stability and resistance to thermal decomposition and electric shock. For example,
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perfluoro-propyltetrahydropyran, CaF16o, having a boiling point of 101 ° C. at atmospheric pressure is suitable.
To provide the cooling channels 36 in the low and high voltage windings 30 and 32, the windings 30 and 32 can be wound by placing plates of wax, or other suitable material in the required location. If wax is used, it is melted after winding the assembly
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of windings 14 and the polymerization of the resin * 81 other materials are used, for example rubber coated with silicone grease,
the pieces of rubber must protrude enough from the windings to be able to be roasted after the winding of the winding and the hardening of the resin * The rubber gives excellent templates for cooling channels, because its section decreases when it is extracted by pulling.
The winding assemblies of Fig. 1A can be obtained by first winding the low and high voltage windings 30 and 32 using rubber tapes having the width and thickness that the channels 36 should have and a length of one. slightly higher than that of these channels The rubber can be coated with a thin layer of silicone grease to facilitate its subsequent extraction. To prevent an arc bursting into the insulation through ion channels,
several layers of insulation material can be applied over the rubber and a metal screen can be folded around the insulation with a slight overlap. The insulation is placed between the parts of the metal screen, which overlap in order to prevent the latter from constituting a continuous circuit and thus to avoid losses by circulation of cut. rant in metal.
The sheath, of insulating material establishes a solid insulator between the channel and the metal screen., The layer of native insulator and the metal screen have a length corresponding to the winding width of the winding, so that they do not penetrate - three steps in the main insulation. To facilitate extraction, the rubber bands protrude a few centimeters at each end of the windings.
It should be noted that the reforestation canals can be forced by having metal heads or not. metal in suitable places in between the electrical windings * However, the heat transfer to the coolant in the channels is not as good as
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when the insulation itself forms the walls of the cooling channels - Ment *
Windings 30 and 32 are therefore wound after rubber bands have been placed in the appropriate places to form the cooling channels.
The coils containing the templates for the channels are suspended in a container of suitable size so that the coils do not come into contact with the walls of the container. A filler such as sand or beryllium aluminum silicate is introduced into the container and then impregnated with resin added so as to fill the container. The resin is then polymerized to give an assembly of rigid insulated windings free of voids.
If desired, instead of hanging the coils in the container, a small amount of filler and resin can be added to the container and cured * The coil assemblies can then be deposited onto this cured resin and the rest of the container. can be filled with filler and resin which is polymerized. The assembly is then removed from the container and the rubber channel templates can be removed. When the resin is hard the rubber tapes are pulled out. Silicone grease prevents rubber adhesion to resin.
In the polyphase transformer of FIG. 1A, the coil assemblies 14 can be placed in an enclosure or housing 16. If desired, the enclosure 16 can be made gas-tight and filled with a liquid or a high inert gas. dielectric strength to ensure the insulation of the conductors coming out of the solid insulator 34.
For example, an electronegative gas like SF6 can be used to insulate the conductors leading to terminals 18, the interphase conductors. (not shown) and the conductors of the Intermediaries (not shown):
Fig. 2 is a diagram showing another embodiment of the invention using another arrangement of the channels
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cooling * In this case, the transformer 50 includes a. magnetic core 52 and high and low voltage windings 54 and 56 suitably disposed in an enclosure 58, The household cooling anals 60 in the high and low voltage windings 54 and 56 communicate with a collector 62 at their;
upper part and are closed at their lower part * by the insulating material 64, which may be a thermosetting resin comprising an appropriate known filler described above. The insulating material 64 completely surrounds and floods the windings 54 and 56. The manifold 62 communicates with a heat exchanger 66 through inlet 68 and outlet 70 tubes.
A cooling liquid, which may be a fluorocarbon retort described above, is introduced into these cooling channels 60 to a level close to the top of the channels 60 or even higher.
During operation, the heat generated by the current flowing in the windings 54 and 56 is transferred to the channels 60 where the cooling medium adjacent to the walls of the channels vaporizes. The vaporized cooling medium, bubbles up in the remaining liquid, enters the manifold 62 and the condenser or heat exchanger 56 through the inlet tube 68 of the heat exchanger.
The mixer gives up its heat of vaporization in the heat exchanger and condenses then falls back by gravity into the manifold 62 passing through the outlet tube 70 of the heat exchanger, From the manifold 62, the condensed liquid returns to the cooling channels 60. Thus, a continuous cycle of steam leaving the cooling channels 60 and condensed cooling liquid returning is established. these channels.
It should be noted that in this case the outgoing vapor * and the incoming liquid pass through the same end of the cooling channels: 60.
The flow of liquid and steam in the cooling channels can be improved per un monta ,. what represent
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a cooling system also having excellent)) characteristics, and to combine them in a single electrical device * This is the thing achieved according to the invention. The insulation by the thermosetting resin as described above is excellent and the vaporization cooling system described is very efficient without being expensive, since no pump is needed and the heat exchanger can be relatively. small because it should only reduce the temperature of the coolant by a few degrees.
The vaporization cooling system described above is the preferred embodiment of the invention, because the novel arrangement of windings and insulation described herein allows easy use of this very efficient cooling device. However, it should be noted that other cooling devices can be used.
For example, coolants, such as oil, can be circulated through the cooling channels shown in Figs. 1A and 1B, by natural or forced circulation, and cooled in suitable heat exchangers. In addition, gases such as the electronegative SF6 gas can serve as a cooling medium and be circulated through the cooling channels of the transformer. The gas must then also be cooled using a suitable heat exchanger * In addition, since the cooling channels are formed in a resin which is insensitive to corrosion,
water can of course be used as a liquid cooling agent. The water can be vaporized and condensed in the heat exchanger, or simply circulated through the transformer and the heat exchanger while remaining in the liquid state.
Since the resin in which the channels are formed does not introduce any contaminating agent into the water, the water heated in the channels can be poured into a tank (not shown) and used for industrial or domestic purposes, water being added as needed to maintain the temperature of the
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transformer between the desired limits.
Although various embodiments and details of embodiment have been described to illustrate the invention, it will be seen that the latter is capable of numerous variations and modifications without departing from its scope.