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APPAREIL ELECTRIQUE.
La présente invention concerne de façon générale les appa- reils électriques, et plus spécialement les appareils isolés par une at- mosphère diélectrique fluide et utilisant un dispositif de réfrigération pour évacuer la chaleur produite par 19appareil en fonctionnement.
Il est connu dans l'industrie électrique, d'isoler au moyen d'un liquide diélectrique des appareils électriques enfermés, en plon- geant les parties électriques actives dans ce liquide, à la fois pour refroidir les parties électriques et pour isoler électriquement les par- ties entre elles et par rapport à la cuve dans laquelle elles sont pla- céeso Cependant la fabrication et l'emploi d'appareils isolés par un diélectrique liquide présentent certains inconvénients. Un inconvénient est la nécessite d'utiliser de grandes quantités de diélectrique liqui- de, comme 1'huile ou un diphényl chloré ou l'équivalent.
Par exemple, des transformateurs d9une puissance nominale d'un millier de KVA utili- sent régulièrement environ cinq cents gallons de diélectrique liquide.
Les diélectriques liquides exigent de la surveillance et de l'entretien, parce qu'ils peuvent déposer de la boue ou se détériorer en réagissant avec 1'humidité et 1'oxygène ou d'autres gaz réactifs pou-. vant pénétrer dans le transformateur,, et subir ainsi une diminution de leurs caractéristiques isolantes. Si un arc électrique se produit à l'in- térieur d'un appareil rempli de diélectrique liquide., il peut provoquer une explosion ou un incendie, si le diélectrique liquide est une huile mi- nérale,ou sinon produire des fumées halogènes corrosives et nocives dans le cas d'un diélectrique liquidechloré qui corrodent, au moins,Pinté- rieur de l'appareil. D'antres inconvénients encore sont bien connus.
Le nouveau transformateur du type "sec" rempli de gaz ou refroidi par l'air évite certains inconvénients de 19appareil rempli d'un diélectrique liquide, mais il en présente dautres qui lui sont propres.
Un de ces inconvénients est la nécessité de prévoir les enroulements de
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façon que 1?air ou un autre gaz puisse pénétrer et circuler-de manière à refroidir suffisamment 19 appareil électrique. On ne peut donc pas placer de parois isolantes solides entre enroulements et terre parce que des cana- lisations d'air doivent passer derrière les enroulements, et en l'absen- ce de ces parois isolantes solides la tension de claquage ou de rupture entre les enroulements et la terre limite les potentiels pouvant être uti- lises. Le noyau et la bobine d'un transformateur à remplissage gazeux sont plus grands que ceux d9un transformateur à refroidissement par li- quide de la même puissance nominale.
La construction de transformateurs du type sec constitue un problème plus difficile que la construction de transformateurs à liquide de réfrigération, et leur calcul est un problè- me considérableo L'isolant solide de leurs enroulements doit être beaucoup plus épais que dans le cas d9un appareil à diélectrique liquide. En pra- tique, le transformateur à remplissage galeux a une faible capacité de surcharge ce qui limite sa marche au-dessus de sa puissance nominale et affecte sa sûreté de fonctionnements à 1?opposé des appareils à remplissa- ge diélectrique liquide.
L'invention a pour but de procurer., dans un appareil électri- que hermétique isolé au moyen de gaz ininflammables et inexplosifs et dont la chaleur produite en fonctionnement est dissipée par la vaporisa- tion d'un réfrigérant liquide, le moyen de régler le degré de dissipation de chaleur des gaz de manière à maintenir automatiquement la pression et la température à 1'intérieur de la cuve,
entre des limites déterminéeso L'invention a aussi pour but de procurer un appareil électrique enfermé sur lequel un réfrigérant liquide vaporisable est répandu pour en éva- cuer la chaleuret de régler le refroidissement du réfrigérant vaporisé en utilisant sa pression pour comprimer et déplacer un gaz non condensa- ble relativement léger contenu dans une cuve auxiliaire communiquant avec 151 appareil enfermé de manière à exposer le réfrigérant vaporisé à 1?influence d'un réfrigérateurs 1'effet refroidissant d'un tel réfrigéra- teur sur le réfrigérant vaporisé augmentant quand ce dernier déplace les gaz non condensableso
D9autres buts de 1?invention ressortiront de la description donnée ci-dessous avec référence aux dessins annexés,
dans lesquels @
La figure 1 est une vue schématique d'un transformateur construit conformément à l'invention.
La figure 2 est une vue schématique d'un transformateur représentant une autre forme d'exécution de l'invention.
La figure 3 est une vue schématique d9un transformateur mon- trant les éléments du transformateur de la figure 2 disposés d'une façon légèrement différente.
La figure 4 est une vue schématique d'un transformateur re- présentant encore une autre forme d'exécution de 1-'invention.
La figure 1 représente 1?invention appliquée à un transfor- mateur 10 comprenant une cuve hermétique 12 contenant un noyau magnétique 14 avec des enroulements électriques associés 16 placés sur le fond de la cuve. Pour simplifier les dessins, les connexions vers les enroulements 16 et les isolateurs de passage normalement montés sur le dessus- ou le cou- vercle de la cuve 12 ne sont pas représentés.
Comme la figure le montre, le fond de la cuve 12 est pourvu d'Un puisard 18 dans lequel se trouve une quantité 20 de réfrigérant li- quide vaporisable. La quantité 20 de réfrigérant liquide est relative- ment faible, comparée au volume de la cuve 12, puisqu'elle ne remplit normalement que le puisant 18,sans être en contact avec le noyau 14, ni avec les enroulements électriques 16.
Différents réfrigérants liquides vaporisables sont connus et peuvent être utilisés dans la mise en application de l'invention. On peut citer, comme exemple de réfrigérant liquide vaporisable convenable,
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les perhalocarbures composés d9au moins 85%, en molesde fluoret de chlo-
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re pour le reste, avec de préférence" un atome de chlore par molécule et un point d9êbullition compris entre 5000 et 2000C. Le choix du réfrigérant 1i- quide vaporisable dépend évidemment un peu de la température supportée sans, dommage par 1'isolant des enroulements électriques 16, et il peut même se '
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porter sur des perhalocarbures ayant des points d'ébullition de 1900C et plus.
Comme exemples de perhalocarbures, on peut citer les monochloropenia- décaJ."luorodiméthylcyclohexane (0 8F15 01) et (trifluorométhyl) monochloro- tétrafluorobenzènes ce dernier ayant un point d'ébullition de 137 C et un point de congélation de 0$$AC9 ainsi que le perfluorofluorane ayant un point d9e'bnlution de 190 C et un point de congélation de m60'Co
D'autres réfrigérants liquides vaporisables faisant partie de la classe des perhalocarbures précités et pouvant être utilisés sont les composés fluorocarburés ne comprenant que du fluor et du carbone et bouillant entre 50 C et 150 C à la pression atmosphérique.
On peut citer,, comme exemples de composés fluorocarburés convenables, les perfluoromé-
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thylcyclohexaneg perfluorodiméthylcyc1ohexane 9 perfluoroheptane" per- fluorohexane., perf'luorotoluène perfluoropropyloyolohexane, perfluoro- éthylcyclohexane et perfluorodiéthylcyclohexanea Le point de congélation de ces fluorocarbures liquides est considérablement en-dessous de zéro degré centigrade,, de sorte qu'ils peuvent être utilisés dans presque tou- tes les conditions ambiantes pouvant exister en service.
D'autres perhalocarbures qui peuvent être utilisés sont le
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perfïuoro1rt,hylnaphtaléne ayant un point d'ébullition de 161'C et un point de congélation de -750C. le perfluoro-2-mêthylnaphtalène ayant un point d9ébullition de 1610C et un point de congélation en-dessous de 60oCe le perfluoroéthylcyclohexane ayant un point d9e bulhtian de 10100 et un point de congélation de -900C. le perfluoro-m-diéthylcyclohexane ayant un point d'ébullition de :145 0 et un point de congélation de -76oC, leperfluoropropylcyclohexane ayant un point d9ébullition de 125 C et un point de congélation de -560C et (trifluorométhyl) pentafluorobenzène ayant un point d'ébullition de 105 C et un point de congélation de -860C.
Le perfluorométhylcyclohexane convient particulièrement bien pour Inapplication décrite ici,, ses propriétés physiques étant ex- cellentes dans le cas considère. Par exemplele per±luorométhylcyclohe-
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xane a un point d9 ébulli tion de 76s3 cs une chaleur latente de vaporisa- tion de 22 calories par gramme au point d'ébullition, une chaleur spéci-
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fique de 0s2 calorie par gramme9 une densité de 19$ et un point de con- gélation de -50 ca Il est entendu évidemment qu'on peut utiliser des mélanges de perhalocarbures,
si chaque perhalocarbure a un point d9e bul- lition compris entre 500C et 200 Ca
Le réfrigérant liquide 20 est amené aux enroulements élec- triques 16 par une pompe 22 disposée de façon à tirer le réfrigérant li-
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quide 20 du puisard 18 et à 19 envoyer, par une canalisation 2.f..9 à un dis- positif d'aspersion convenable 26 d'où le réfrigérant liquide tombe en une fine pluie (non représenté) autour du noyau 14 et des enroulements 160 En tombant ainsi, le réfrigérant liquide se répartit de lui-même en une mince couche (non représenté) autour des pièces électriques et s'évapore librement sous 19 effet de la chaleur des parties électriques,
refroi- fissant ainsi le noyau 14 et les enroulements électriques 160
Pour faciliter 19 évacuation- de la chaleur des vapeurs pro- duites dans la cuve 12,une cuve auxiliaire 28 communique par le fond avec le collecteur supérieur 29 d'un réfrigérateur 30 composé de plusieurs tubes de refroidissement 32 constituant des chemins de circulation dont le rôle sera décrit plus en détail ci-dessous, le collecteur inférieur 34 du réfrigérateur communiquant, par une canalisation 36, avec la partie
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supérieure de la cuve 12 et, par la canalisation 38 avec le puisard 180 Si on le désire, un ventilateur 40 peut souffler sur les tubes 32 pour refroidir ceux-ci par air forcé.
La cuve auxiliaire 28 est pourvue d'un
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tube reniflard approprié 42 contenant un bouchon liquide l.h,o Un reniflard
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de ce genre règle automatiquement la pression à une valeur déterminée, en laissant s'échapper un exqès de gaz non condensable tout en évitant tout échange dans toute une gamme de conditions normales de fonctionnement.
Suivant la présente invention le réfrigérateur 30 et la cu- ve auxiliaire 28 contiennent une quantité d'un gaz inerte, non condensable 46, comme l'azote. Comme le gaz non condensable 46 est léger, comparé aux vapeurs de perhalocarbure produites dans la cuve 12, tout azote présent dans la cuve 12 avant -échauffement de 19 appareil électrique s9 échappera fa- cilement par la grosse canalisation 36 allant vers le réfrigérateur 300
Dans la pratique,1'ensemble hermétique contient assez d'azc- te pour que, lorsque le transformateur travaille sous la charge minimum, cet azote remplisse exactement la cuve auxiliaire 28 et les tubes de re- froidissement 32 du réfrigérateur 30,
la pression des vapeurs de perhalo- carbure produites dans ces conditions à l'intérieur de la euvea étant jus- te suffisante porumaintenir 1-'azote,, dans les tubes de refroidissement 32, au niveau indiqué par la ligne en traits interrompus 48. Dans ce cas, les parois de la cuve 12 et de la canalisation 36 avec le collecteur inférieur 34 suffisent pour refroidir convenablement les vapeurs de perhalocarbure produites dans la cuve 12 de manière à en évacuer assez de chaleur et à maintenir une pression et une température données à l'intérieur de la cu- ve 120
Quand la charge du transformateur et, par conséquent,la tem- pérature des enroulements 16 augmentent, la pression des vapeurs produites de perhalocarbure augmente,
entraînant une compression de 1-'azote dans les tubes de refroidissement 32 et la cuve auxiliaire 28, avec le résultat que les vapeurs de perhalocarbure déplacent 19azote et tendent à remplir les tubes de refroidissement 32. Le réfrigérateur 30 est étudié de façon que, pour toutes les charges pouvant être appliquées au transformateur, allant du minimum au maximum, la frontière entre les vapeurs de perhalocarbure et 1?azote se situe toujours entre les limites des tubes de refroidissement 32, la ligne en traits interrompus 50 représentant la solution de continuité en - tre les vapeurs et 1?azote pour la charge maximum du transformateur.
Pour une charge maximum, la capacité totale des tubes de refroidissement 32 est utilisée, tandis que pour des charges intermédiaires la frontière vapeurs- gaz se placera automatiquement à la hauteur voulue pour que la chaleur dis- sipée par les tubes de refroidissement 32 et par la cuve 12 plus la cana- lisation 36 soit toujours égale aux pertes calorifiques du transformateur.
Il faut noer que la chaleur dissipée par la cuve 12, la canalisation 36 et le collecteur 34 est une constante, tandis que la cha- leur dissipée par les tubes de refroidissement est une variable, 9 19 effet de refroidissement de ces derniers sur les vapeurs, avec ou sans air forcé provenant du ventilateur 40, augmentant au fur et à mesure du refoulement de l'azote. Dans ces conditions, l'accroissement de réfrigération est suf- fisant pour convenablement refroidir et condenser les vapeurs de perhalo- carbure de façon à maintenir une pression et une température sensiblement constantes à 1?intérieur de la cuve du transformateur.
La pression variera évidemment'légèrement quand.. la frontière vapeur-gaz passe de la ligme 48 à la ligne..!50 dans les tubes de refroidissement 32, cette variation de pression se faisant sentir aussi bien dans la cuve au- xiliaire 28 que dans la cuve principale 12. Cette variation de pression dépend du volume relatif des tubes de refroidissement 32 et du volume in- térieur de la cuve 28 remplie de gaz, mais elle est indépendante du volu- me de la cuve principale 12.
En pratique, il est possible de construire des dispositifs qui fonctionnent entre 15 et 17 livres par pouce carré (entre 1050 et 1200 grammes par cm ) de pression absolue, c'est-à-dire un peu au-dessus de la pression atmosphériqueo Un réfrigérateur 30 ayant un volume total de 2 pieds cubes (56 litres) est suffisant pour dissiper par- faitement 10.000 watts, un tel degré de refroidissement étant suffisant pour régler la température d'un transformateur d'un millier de KVA. Dans
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une autre forme d9excution représentée à la figure 29 une cuve auxiliaire' 52 est placée sur le dessus ou couvercle de la cuve 12.
Dans le cas consi-
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déréa la cuve auxiliaire 52 comporte un compartiment supérieur 54 et un compartiment inférieur 56, le compartiment supérieur 54 servant à contenir la quantité d9azote 460 Le compartiment inférieur 56 de la cuve auxiliaire 52 se compose de plusieurs tubes de refroidissement 58 reliant le comparti- ment supérieur 54 à la cuve 12. Le compartiment inférieur 56 contenant les tubes de refroidissement 58 ne communique pas avec le compartiment supé- rieur 54 et la cuve 12, mais un réfrigérant 60 comme de l'eau ou une matiè- re analogue peut y circuler.9 venant du radiateur auxiliaire 62.
Les col- lecteurs supérieur et inférieur du radiateur auxiliaire 62 communiquent., par des canalisations 64 et 669avec le compartiment 56 pour faire circu- ler un réfrigérant et le mettre en contact avec les tubes de refroidisse- ment 58.
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Comme dans la forme doexécution précédente, la cuve auxi- liaire 52 est calculée de façon que, pour une charge mininjum du transfor- mateur de la cuve 12, la pression des vapeurs de perhalocarbure produites dans la cuve 12 soit suffisante pour maintenir 19azote dans le comparti- ment 54 et les tubes de refroidissement 58,de manière à maintenir la li-
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gne frontière séparant les vapeuradu gaz au niveau indiqué par la ligne en traits interrompus 680 Dans ces conditions, les parois de la cuve 12 suf- fisent à dissiper la chaleur des vapeurs chaudes de perhalocarbure dans la cuve 12, de fagon.à maintenir une pression et une température sensible- ment constantes à 1'intérieur de la cuve 120
Quand la charge du transformateur et par conséquente la température des enroulements 16 augmente,
la pression des vapeurs de per- halocarbure augmente et tend à comprimer 1'azote dans le tube de refroi- dissement 58 de fagon que de plus en plus de vapeur de perhalocarbure vienne en contact avec les tubes de refroidissement 58 et se condense, sous 1?influence du réfrigérant 60 dans le compartiment inférieur 56.
La frontière vapeurs-gaz monte dans les tubes de refroidissement 58 jus- qu'à atteindre la limite correspondant à la charge maximum du transfor- mateur et représentée par la ligne en traits interrompus 70 au haut des
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tubes de refroidissement 5$o Quand la pression à 1?intéÔieur de la cuve 12 tend à augmenter, l'effet de refroidissement du réfrigérant 60 sur les vapeurs augmente aussi de façon à dissiper leur chaleur et à maintenir une pression et une température sensiblement constantes dans la cuve de transformateur 12.
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Il est essentiel, dans la forme d9exécution de la figure 2, que les tubes de refroidissement 58 du réfrigérateur 52 soient placés à un niveau plus bas que la majeure partie du radiateur 62, pour assurer
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une circulation d'eau par convectiono Il faut donc, dans la forme dgexé- cution de la figure 2, placer le radiateur 62 au-dessus de la cuve prin- cipale de transformateur 12,,ce qui peut présenter des inconvénients dans
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une installation ralle.
La figure 3 représente une forme d'exécution de l'invention qui supprime les inconvénients de la position élevée du radiateur 62 dans la forme d 9 exécution de la fi.gure 2. Dans la figure 3,la cuve auxiliai- re 52 est placée près de la cuve 12 à hauteur du fond de celle-ciavec le radiateur 62 sensiblement au même niveau que-la cuve 12. Dans ces con-
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di tions la cuve auxiliaire 52 comprend un collecteur inférieur communi- quant avec les tubes de refroidissement 58 et relié au haut de la cuve 12
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par une grosse canalisation 36, comme dans la forme dgexécution utilisée à la figure 1.
Le collecteur 72 est aussi connecté au puisard 18 par une plus petite canalisation 38 permettant le retour du perhalocarbure liqui- de condensé de la cuve auxiliaire 52 vers le puisard 18 et le réemploi du liquidée La cuve auxiliaire 52 dissipe la chaleur des vapeurs de perha-
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locarbure de la même maniera, que dans le cas de la forme dgexécution de la figure 2, la ligne en traits interrompus 68 représentant la frontière vapeurs-gaz pour la charge minimum du transformateur et la ligne en traits
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interrompus 70 représentant-la même frontière dans le cas de charge maxi- mum du transformateur.
Si on le désire la cuve auxiliaire 52 peut aussi être munie d'un tube reniflard 74 avec un bouchon liquide 76 fonctionnant
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de manière connueo Comme dans la forme d9excution précédente, le réfri- gérant liquide intermédiaire 60 circulant dans le compartiment 56 et le ra- diateur 62 se déplace par convection pour évacuer la chaleur des vapeurs de perhalocarbure, 1?effet de refroidissement du réfrigérant augmentant au fur et à mesure que les vapeurs délogent 19 azote des tubes de refroi- dissement 58.
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Dans une autre forme dgexécution de 1?invention représentée à la figure 4? on utilise un double réservoir d?expansion 78 au lieu de la cuve auxuliaire 28 de la forme d exécution de la figure 10 Dans ce cas, le réservoir d9expansion double 78 comporte deux compartiments 80 et 82 contenant un liquide 84 et ne communiquant entre eux que par le bas, le liquide, huile ou 1'équivalents étant pousse d'un compartiment à 1-'autre, quand la pression dans la cuve 12 refoule 19 azote du réfrigérateur 30 dans le compartiment 80, le compartiment 82 communiquant avec 19 air extérieur.
Le volume de la chambre de réczption de 19 azote constituée par le compar- timent 80, varie de façon à s'adapter au volume de gaz refoulé par la va-
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peur du réfrigérateur 30o Le volume du réservoir d8expansion double 78 peut être proportionné au volume des tubes de refroidissement 32 du réfri- gérateur 30 de fagon que la ligne de frontière vapeurs-gaz voyage entre les lignes 48 et 50, suivant les conditions de fonctionnement du transforma- teur dans la cuve 12 allant de charge minimum à charge maximum, 1-'effet de refroidissement des tubes 32 augmentant quand les vapeurs des composés per- halocarburés refoulent 1-'azote dans le compartiment 800
On peutsi on le désire, associer aux tubes de refroidisse- ment 32 un ventilateur (non représenté)
pour la réfrigération forcée de ces tubes.
L'invention procure un dispositif entièrement enfermé qui maintient une pression et une température sensiblement constantes à l'intz-
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rieur de la cuve 12. Lgexprience montre quoen pratique, une variation de pression de une à deux livres par pouce carré (70 à 140 grammes par cm ) suffit dans la cuve 12 pour efficacement dissiper la chaleur produite par 1?appareil électrique de charge minimum à maximum, 1?effet de refroidisse- ment étant lié à la pression dans la cuve 12.
En utilisant un appareil du type décrit, la dimension du transformateur est réduite comparée aux trans- formateurs normaux à auto-refroidissement, et 11'huile, entièrement exclue, est remplacée par des matières inertes ininflammables et inexplosives, par opposition aux transformateurs à remplissage d'h$ile.
Quand on utilise dans la cuve 12 des composés perhalocarbu- rés comme réfrigérant liquide,, on a constaté que de tels composés produi- sent des vapeurs ayant des propriétés d'isolement électrique excellentes.
Elles sont supérieures à sensiblement tous les gaz en ce qui concerne les caractéristiques d9isolement électrique comme la tension de rupture,la rigidité diélectrique, le facteur de puissance etla résistance à 19effet corona. Ces perhalocarbures ont une stabilité chimique et thermique excel- lente surpassée uniquement par celle des gaz permanents.
Leur effet de détérioration sur les matières et vernis ordinaires utilisés dans la fa- brication de pièces électriques classiquescomme les bobinages et enroule-
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ments, est négligeable sinon nulo L9expêrience a montré que Inapplication de perhalocarbures comme réfrigérant à 19appareil décrit ci-dessus, permet d9augmenter les KVA nominaux des appareils ininflammables et inexplosifso
Quoique 1?invention ait été décrite dans son application aux transformateurs:, il est entendu quelle peut aussi être appliquée à d'au-
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tres genres d'aPPareil8 électriques, comme par exemple, des commutateurs., condensateurs générateurs, selfs et analogues.
Le réfrigérant liquide peut être appliqué à 19 appareil électrique de nombreuses façons différentes pour couvrir réellement tout 1?appareil électrique d9une mince couche de réfrigérant liquide qui se transforme efficacement en vapeurs de manière à
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bien évacuer ou dissiper la chaleur de 1?appareil électrique.
L'appareil décrit ci-dessus constitue un système entièrement hermétique pouvant fonctionner à une pression et une température sensible- ment constantesayant tous les avantages d'un système à basse pression tout en maintenant la pleine rigidité diélectrique de la vapeur à cette pression pour les conditions de charge variables. On obtient, avec,un mi- nimum d'appareillage, un excellent transfert de chaleur et un bon refroi- dissement des vapeurs dans des conditions de charge variableso
REVENDICATIONS.
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1.- Appareil électrique comprenant une cuve hermétique., une source de chaleur à 1?intérieur de la cuve, un moyen de dissiper la chaleur de ladite source comprenant une quantité de réfrigérant liquide et un moyen d'appliquer une mince couche de réfrigérant liquide sur la source de chaleur pour la refroidir par évaporation du réfrigérant en une vapeur condensables, une cuve auxiliaire communiquant avec la tapeur cpnden- sable à l'intérieur de la cuve hermétiques un gaz non condensable dans la cuve auxiliaire constituant un matelas compressible pour la vapeur conden- sable de la cuve hermétique,
et un moyen associé à la cuve auxiliaire et avec lequel la vapeur condensable vient en contact quand elle comprime le gaz non condensable pour refroidir la vapeur condensable en un liquide.