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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
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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.
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