Результат интеллектуальной деятельности: Многоконтактный герметичный переход

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для соединения электрических проводников кабельной сети, в том числе ленточных проводов, разделенных герметичной стенкой, через герметичный переход при ограничении по объему места установки, массе и при высокой степени герметичности.

Известны герметичные соединители и переходы:

1. Патент RU 2561608, Н01B 17/26. Кабельный ввод для герметичного прохода электрических цепей / Селиванов А.В. и др. (27.03.2014) Опубл. 27.08.2015. Бюл. №24;

2. Соединители ЭПГ СКНЦ.5523.142ТУ. - 2. Общепромышленные соединители и проходные изоляторы // Режим доступа: http://zapadpribor.com/products/epg-prokhodniki/datasheet/epg-prokhodniki-to.pdf; http://zapadpribor.com/epg-prokhodniki/;

3. Патент US 14106011, H01R 13/52, H01R 43/24, H01R 13/521. Sealed electrical connector assembly / Oscar Max Sittner и др. (13.12.2013) Опубл. 18.06.2015;

4. Патент RU 2538093, Н01B 17/26. Гермоввод / Чумаков А.Е. и др. (01.08.2013) Опубл. 10.01.2015. Бюл. №1;

5. Патент RU 2322718, Н01В 17/26. Гермоввод / Барнашов С.А. и др. (03.10.2006) Опубл. 20.04.2008. Бюл. №11;

6. Патент RU 2532412, Н01В 17/00. Переход низкочастотный / Степанов А.С. и др. (09.01.2013) Опубл. 10.11.2014. Бюл. №31;

7. 280-009 MIL-DTL-24308/9 Type Hermetic D-Subminiature Pin-to-Pin Feedthrough. - GLENAIR, INC // Режим доступа: http://www.radiant.su/other/glenair/eng/hermetic_comectors/pdf/j/280_009.pdf;

8. Патент RU 2433494, Н01В 17/26. Способ изготовления маталлокерамического малогабаритного электрического гермовывода / Вальков А.К. и др. (03.08.2010) Опубл. 10.11.2011. Бюл. №31;

9. Патент RU 2549202, Н01В 17/02. Электрический изолятор с армирующими стержнями / Дзюбин А.С. (26.02.2013) Опубл. 20.04.2015. Бюл. №1;

10. Патент RU 2453008 МПК Н01В 17/26. Кремнийорганический изолятор и способ его изготовления / Ким Ж.М. и др. (03.07.2009) Опубл. 10.06.2012. Бюл. №16.

Кабельный ввод для герметичного прохода электрических цепей [1.] содержит металлический цилиндрический корпус, выполненный единой конструкцией с внутренней упорной пластиной, в которой имеются отверстия для электрических проводников, а токопроводящие контакты между собой и корпусом изолируются путем заполнения полимерным компаундом.

Недостатком данного кабельного ввода является то, что компаунд в качестве герметизирующего элемента не может обеспечить высокую степень герметичности из-за его возможной пористости и старения. При многоразовом быстром циклическом изменении температуры при разных температурных коэффициентах линейного расширения компаунда и корпуса может произойти отслаивание компаунда от корпуса и потеря герметичности. Недостатком также является необходимость введения дополнительных элементов конструкции для фиксации подводимых проводников к токопроводящим контактам.

Соединитель ЭПГ [2.] содержит металлический цилиндрический корпус, выполненный единой конструкцией с внутренней упорной пластиной, в которой имеются отверстия для электрических контактов, позволяющие вести пайку с двух сторон. Контакты между собой и корпусом изолируются путем заполнения стеклянным изолятором.

Недостатком данного соединителя является необходимость введения дополнительных элементов конструкции для фиксации подпаиваемых проводников к токопроводящим контактам и самого соединителя, а также хрупкость стеклянного изолятора, который необходимо размещать в корпусе с более прочными стенками для исключения растрескивания и повреждения изолятора.

Герметичный электрический соединитель [3.] включает корпус соединителя, частично или полностью расположенный в резервуаре высокого давления, сконструированный для ввода электрических проводников в/из резервуара высокого давления. Множество удлиненных проводящих штырей расположено внутри корпуса соединителя, где каждый штырь содержит конец, предназначенный для работы в высоком давлении и конец, предназначенный для работы в низком давлении; полимерная смола, расположенная внутри корпуса соединителя, сформировавшаяся в тело, окружающее концы высокого давления штырей для формирования уплотнения, непроницаемого для жидкостей и газов между полимерной смолой, проводящими штырями и корпусом.

Недостатком данного герметичного соединителя является сконфигурированный для обеспечения электропроводящих путей корпус, увеличивающий массу конструкции. Недостатком также является герметизация за счет полимерной смолы, которая не может обеспечить высокую степень герметичности из-за недостаточной адгезии и смачиваемости при неправильном процентном соотношении смолы и отвердителя, особенно при сложной конфигурации заполняемого объема и при небольших его размерах. При многоразовом быстром циклическом изменении температуры из-за разных температурных коэффициентов линейного расширения смолы и корпуса может произойти отслаивание компаунда от корпуса и потеря герметичности, также это может произойти и при деформации корпуса.

Гермовводы [4., 5.] состоят из контакта, изолятора и втулки. Материалом изолятора является керамика, а соединение составных частей гермоввода происходит посредством активного медно-титанового припоя. Выбор материалов контакта изолятора и втулки осуществляется с учетом температурных коэффициентов линейного расширения.

Герметичные переходы [6., 7.] с высокой степенью герметичности содержат герметично установленные в стенке металлического корпуса при помощи стеклоизолятора электрические проводники в виде электропроводных штырей. Выбор материалов контакта, изолятора и корпуса осуществляется с учетом температурных коэффициентов линейного расширения.

Конструкции [4., 5., 6., 7.] обеспечивают высокую степень герметичности, но имеют недостатки, связанные с ограничениями по выбору материала корпуса и контактов, высокотехнологическими и энергоемкими процессами изготовления и пайки изоляторов. Герметичные переходы [6., 7.] имеют недостаток, связанный с необходимостью подвода проводников через розетки, что приводит к введению дополнительных элементов в конструкцию и, как следствие, к увеличению габаритных размеров. Герметичные переходы [4., 5.] имеют недостатки, связанные с хрупкостью изолятора и требуют размещения в прочных корпусах, стойких к деформациям, что приводит к увеличению массы.

При изготовлении металлокерамического малогабаритного электрического гермовывода по способу [8.] в сборку предварительно подготовленных элементов - изолятора, электрических выводов и вспомогательных материалов - перед установкой электрических выводов на изолятор поверхность предварительно подготовленного керамического диска в качестве изолятора, в котором выполнены сквозные отверстия для электрических токовыводов по числу последних, активируют в растворе PdCh, химическим методом покрывают слоем меди, затем гальваническим способом наносят оловосвинцовое покрытие с последующим удалением слоя покрытия травлением по заданному контуру и окончательно устанавливают электрические токовыводы в отверстия керамического диска с использованием пайки электрических выводов припоем SnPb на керамическом диске. Способ имеет те же недостатки, что и гермовводы [4., 5.], за исключением применения энергоемкого оборудования.

Электрический изолятор с армирующими стержнями [9.] содержит изоляционное тело, выполненное с использованием эластичного диэлектрического материала, по меньшей мере один крепежный узел и армирующие стержни, частично расположенные в изоляционном теле, причем часть армирующих стержней механически соединена между собой. При этом армирующие стержни и/или по меньшей мере один крепежный узел, и/или по меньшей мере один соединительный элемент выполнены с использованием токопроводящего материала. В данном изоляторе эластичным диэлектрическим материалом является кремнийорганическая резина, этиленпропиленовая резина или полиуретан.

Кремнийорганический изолятор и способ его изготовления [10.] содержит токопровод и опорную втулку с металлическим фланцем, охватывающую токопровод с образованием полости, полностью заполненной слоем изоляции из кремнийорганической резины, в качестве которой использован вулканизированный полимерный компаунд на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы.

Недостатками изоляторов [9., 10.] являются большие габаритные размеры и наличие одного токопроводящего контакта, предназначенного для работы в высоковольтных линиях.

Общими недостатками изоляторов из кремнийорганической резины являются высокая цена материала, отсутствие адгезии к металлам для достижения высокой степени герметичности, отсутствие адгезии компаундов широкого применения. Технологические операции по вальцеванию и выдержке резины имеют длинный временной интервал. Для заполнения небольших объемов сложной конфигурации вследствие вязкости резиновой кремнийорганической смеси требуется создание высокого давления.

Общими недостатками изоляторов из этиленпропиленовой резины является отсутствие адгезии к металлам для достижения высокой степени герметичности.

Прототипом заявляемого герметичного перехода является устройство для герметичного ввода токопроводящих элементов [11. Патент на ПМ RU 177141, H02G 3/22. Устройство для герметичного ввода токопроводящих элементов / Копейкин А.Н. и др. (14.11.2017) Опубл. 12.02.2018. Бюл. №5.], содержащее корпус, выполненный с полостью, заполненной компаундом, и выступом, отличающееся тем, что полость изготовлена сквозной. По периметру корпуса выполнена замкнутая канавка, в которую установлено уплотнительное кольцо. Внутри корпуса выполнен уступ, на котором установлен резиновый уплотнитель, зафиксированный прижимом, закрепленным на корпусе. В резиновом уплотнителе выполнены сквозные отверстия, через которые сквозь корпус проходят токопроводящие элементы.

Недостатком устройства является герметизация за счет упругой деформации резинового уплотнения и компаунда. Учитывая форму уплотнительного элемента, расчет коэффициента обжатия и коэффициента деформации для каждого контакта является невозможным. Без учета этих коэффициентов невозможно гарантировать высокую степень герметичности на протяжении долгого времени. Недостатком также является наличие дополнительных элементов в виде прижима и крепежных деталей. Выступающие за корпус проводящие элементы увеличивают габаритные размеры, массу устройства за счет введения дополнительных элементов конструкции для фиксации подводимых проводников.

Задачей, на решение которой направленно предлагаемое изобретение, является создание простого в производстве, легкого, малогабаритного, многоконтактного герметичного перехода, обеспечивающего высокую степень герметичности на протяжении долгого периода времени.

Предлагаемый многоконтактный герметичный переход состоит из тонкостенного металлического корпуса с герметично закрепленным в нем изолятором, в котором на равноудаленном расстоянии герметично закреплены электропроводные контакты. Контакты утоплены относительно торцов корпуса и имеют с обеих сторон отверстия и срезы под пайку проводов, развернутые на 90° относительно длинной стенки корпуса. Изолятор, выполненный из резины из изопренового каучука горячей вулканизации, имеет высоту меньше высоты контакта.

Устройство поясняется чертежом. На фиг. 1 изображен многоконтактный герметичный переход с тонкостенным металлическим корпусом 1 прямоугольной формы и изолятором 2 из завулканизированной резиновой смеси из изопренового каучука горячей вулканизации, с контактной группой контактов 3 с отверстиями и срезами с двух сторон для пайки припоем с разной температурой плавления.

Изолятор 2 из резины из изопренового каучука горячей вулканизации, обладающей хорошей адгезией к металлу (не менее 12 кгс/см²) и выбранной с учетом электроизоляционных свойств, формируется путем горячей вулканизации непосредственно в корпусе 1 с установленными контактами 3 в пресс-форме под заданную форму. При этом поверхности корпуса 1 и контактов 3, подлежащие к закреплению резиной из изопренового каучука горячей вулканизации, предварительно подготавливают для обеспечения высокопрочного соединения. Монолитный корпус 1 многоконтактного герметичного перехода выполнен с тонкими стенками в районе изолятора и фланца, что позволяет уменьшить массу, а за счет эластичности резины из изопренового каучука горячей вулканизации и ее хорошей адгезии к металлу возможные деформации корпуса и циклические изменения температуры не приведут к потере герметичности. Утолщение корпуса в районе фланца необходимо для установки перехода через резиновое уплотнение для сохранения герметичности по месту установки. Контакты 3 с отверстиями и срезами под пайку, утопленные относительно торцов корпуса 1, позволяют вести подпайку проводов внутри корпуса с обеих сторон при разной температуре плавления припоя с последующей фиксацией проводов в корпусе путем заливки компаундом. Срезы на контактах развернуты на 90° относительно длинной стенки корпуса для облегчения процесса пайки. Фиксация проводов компаундом внутри корпуса позволяет защитить место пайки и обеспечить фиксацию проводов без введения дополнительных крепежных элементов и сохранить минимальные габаритные размеры.

Герметичность многоконтактного герметичного перехода на протяжении долгого времени службы обеспечивается за счет отсутствия обжатия и деформации изолятора из резины из изопренового каучука горячей вулканизации и не требует проведения ускоренных климатических испытаний.

Эластичность, текучесть и теплопроводность при вулканизации резины из изопренового каучука горячей вулканизации позволяет изготавливать изоляторы различной конфигурации при минимальных объемах. Для подачи резиновой смеси из изопренового каучука горячей вулканизации в пресс-форму не требуется большого давления и применения специального дорогостоящего оборудования.

Преимущество данного многоконтактного герметичного перехода заключается в более простом, чем аналоги, конструктивном исполнении, т.к. контакты вулканизируются непосредственно резиновой смесью из изопренового каучука горячей вулканизации без промежуточных деталей. Следовательно, переход более прост и экономичен в изготовлении.

Многоконтактный герметичный переход может быть выполнен как в круглом, так и в прямоугольном исполнении без упора под изолятор.

Многоконтактный герметичный переход надежен в обеспечении герметичности соприкасаемых полостей изделия при давлении не менее 29,4×10⁴ Па (3 кгс/см²) со степенью герметичности не менее 1×10^-3 л мкм рт. ст./с.

Техническим результатом является сохранение высокой степени герметичности многоконтактного герметичного перехода на протяжении долгого периода времени.

Технические характеристики предлагаемого многоконтактного герметичного перехода улучшены по сравнению с прототипом и аналогами в части снижения массы, габаритных размеров при минимальных производственных затратах, характеризующихся оснащением и энергоемкостью.

Многоконтактный герметичный переход может быть применен в изделиях различных областей промышлености, где необходимо провести сигнальные и слаботочные электрические провода из одного объема в другой, между которыми существует разница в давлении газа или воды, при наличии габаритных ограничений по установке и креплению подводимых проводников и требований по герметичности на протяжении долгого времени в нормальных климатических условиях, при повышенной и пониженной температурах среды в зависимости от марки применяемой резины. К примеру, это могут быть герметичные корпуса летательных аппаратов, надводных и подводных аппаратов, помещения с заданными климатическими условиями, емкости испытательных камер.

Источники, принятые во внимание

1. Патент RU 2561608, Н01B 17/26. Кабельный ввод для герметичного прохода электрических цепей / Селиванов А.В. и др. (27.03.2014). Опубл. 27.08.2015. Бюл. №24.

2. Соединители ЭПГ СКНЦ.5523.142ТУ. - 2. Общепромышленные соединители и проходные изоляторы // Режим доступа: http://zapadpribor.com/products/epg-prokhodniki/datasheet/epg-prokhodniki-to.pdf; http://zapadpribor.com/epg-prokhodniki/.

3. Патент US 14106011, H01R 13/52, H01R 43/24, H01R 13/521. Sealed electrical connector assembly / Oscar Max Sittner и др. (13.12.2013). Опубл. 18.06.2015.

4. Патент RU 2538093, Н01B 17/26. Гермоввод / Чумаков А.Е. и др. (01.08.2013). Опубл. 10.01.2015. Бюл. №1.

5. Патент RU 2322718, Н01В 17/26. Гермоввод / Барнашов С.А. и др. (03.10.2006). Опубл. 20.04.2008. Бюл. №11.

6. Патент RU 2532412, Н01В 17/00. Переход низкочастотный / Степанов А.С. и др. (09.01.2013). Опубл. 10.11.2014. Бюл. №31.

7.280-009 MIL-DTL-24308/9 Type Hermetic D-Subminiature Pin-to-Pin Feedthrough. - GLENAIR, INC // Режим доступа: http://www.radiant.su/other/glenair/eng/hermetic_connectors/pdf/j/280_009.pdf.

8. Патент RU 2433494, H01B 17/26. Способ изготовления маталлокерамического малогабаритного электрического гермовывода / Вальков А.К. и др. (03.08.2010). Опубл. 10.11.2011. Бюл. №31.

9. Патент RU 2549202, Н01В 17/02. Электрический изолятор с армирующими стержнями / Дзюбин А.С. (26.02.2013). Опубл. 20.04.2015. Бюл. №1.

10. Патент RU 2453008 МПК Н01В 17/26. Кремнийорганический изолятор и способ его изготовления / Ким Ж.М. и др. (03.07.2009). Опубл. 10.06.2012. Бюл. №16.

11. Патент на ПМ RU 177141, H02G 3/22. Устройство для герметичного ввода токопроводящих элементов / Копейкин А.Н. и др. (14.11.2017). Опубл. 12.02.2018. Бюл. №5.