ГЕРМЕТИЧНЫЙ ТЕПЛОСТОЙКИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H01R13/52 

Изобретение относится к энергетике, в частности к коммутационным электрическим аппаратам и может быть использовано в энергетических установках, работающих в условиях вакуума, при повышенных температурах и обеспечивающих получение герметичного соединения, работоспособного при температурах до 800°С, высоких механических нагрузках, при многократных сочленениях и расчленениях в указанных условиях эксплуатации.

Большая часть известных соединителей характеризуется ручным сочленением и расчленением двух обязательных частей соединителя - вилки и розетки, а также работоспособностью в нормальных эксплуатационных и климатических условиях. Некоторые соединители разрабатывались для специальных условий эксплуатации, в частности для диагностики высокотемпературных авиационных двигателей, ядерных и других энергетических установок, для стыкуемых космических объектов, где необходимы как теплостойкое исполнение, так и способность сочленения и расчленения автоматически и многократно.

Известна конструкция герметичного соединителя, защищенная патентом США №3685005, МКИ H 01 R 13/40, опубл. 1972 г., в котором внешняя оболочка из легкого сплава окружает медные контакты, проходящие через стеклянный изолятор, закрепленный внутри оболочки. Оболочка, изолятор и контакты обладают такими коэффициентами линейного теплового расширения (КЛТР), которые в указанном диапазоне температур не допускают нарушения целостности герметизации соединения. Этот и многочисленные разновидности подобных герметичных соединителей выполнены, в основной своей части, по конструктивной одинаковой схеме, которая включает в себя корпус, размещенные в нем вилку, розетку, связанные с кабелями. Указанные конструкции находятся в длительной эксплуатации и зарекомендовали себя с хорошей стороны, т.к. при подборе материалов с близкими КЛТРами конструкция надежно работает при повышенных температурах, где различие КЛТР еще не сказывается и не вызывает напряжений, приводящих к разрушениям или нарушению герметичности.

Конструкция позволяет, соблюдая условия сочетания КЛТР материалов, обеспечивать герметичность, однако номенклатура материалов, КЛТР которых сочетается при больших перепадах температур, мала, кроме того, уровень напряжений в таких конструкциях растет при повышении температуры, т.к. полного совпадения КЛТР достичь практически нельзя. Поэтому эксплуатация таких соединителей возможна в ограниченном диапазоне температур и нагрузок.

Однако дальнейшее развитие техники привело к ужесточению условий эксплуатации устройств, в которых применяются электрические соединители, позволяющие обеспечить электроснабжение аппаратуры. Ужесточение коснулось таких характеристик, как диапазон рабочих температур, уровень давления, механических нагрузок, что, в свою очередь, повлекло за собой ужесточение требований к конструкции электрических соединителей.

Слабым звеном в таких конструкциях является зона соединения кабелей со штырями и герметичное соединение разнородных материалов, т.к. практически невозможен подбор материалов с коэффициентами линейного температурного расширения, позволяющими работать при высоких температурах эксплуатации, многократности циклов нагрев - охлаждение. Кроме того, важно обеспечить защиту элементов соединителя, материалов, из которых они состоят, а также технологическую совместимость созданной защиты с конструктивными элементами соединителя и технологией его изготовления. Несоблюдение указанных выше условий приводит к выводу из строя всей конструкции при экстремальных условиях эксплуатации.

Известна конструкция высокогерметичной вилки электрического соединителя, защищенная а.с. СССР №1508303, МКИ H 01 R 13/52, опубл. 1989 г. Вилка состоит из корпуса, стеклянного изолятора, армированного штырями из ковара, согласно изобретению в корпус вилки введен дополнительный герметизирующий изолятор, армированный металлическими гермовводами, и гибкие проводники, попарно соединяющие соответствующие штыри стеклянного и металлические гермовводы дополнительного герметизирующего изолятора.

Такая конструкция позволяет сохранить герметичность вилки при многократных сочленениях и расчленениях, однако корпус, охватывающий оба изолятора, общий и при значительном повышении температуры эксплуатации разница в значениях КЛТР материалов корпуса и изоляторов будет приводить к значительным напряжениям в теле изоляторов, что будет снижать надежность работы конструкции при силовых нагрузках, например, при разнице давлений со стороны вилки и розетки. Герметизация осуществляется при реализации высокотемпературных процессов, что приводит к нарушению защитных свойств покрытий на штырях и к схватыванию поверхности штырей с поверхностью металлических манжет, установленных в гнездах розетки, приваривание их к поверхности гнезда розетки. Это затрудняет демонтаж или расчленение вилки и розетки, а соединитель становится непригодным к повторному использованию.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является электрический соединитель, защищенный а.с. СССР №1693670, МКИ H 01 R 13/52, опубл. 1991 г., который выбран в качестве прототипа.

Соединитель состоит из герметичной вилки и негерметичной розетки, каждая из которых состоит из корпуса, изолятора и, расположенных в отверстиях изолятора, металлических контактов, при этом оба корпуса выполнены из электроизоляционного керамического материала заодно с изоляторами, а герметичная вилка содержит металлические манжеты, расположенные между поверхностями штыревых контактов и изолятора и герметично соединенные с ними.

Соединитель обеспечивает герметичность и термостойкость при нагреве до 500°С. Однако такая конструкция не является силовой, т.к. отсутствие жесткого силового корпуса исключает эксплуатацию в условиях повышенных давлений или большой разницы давлений. Выбор материала для металлических манжет ограничен материалами, сочетающимися по КЛТР с материалом керамического изолятора, не обеспечивается точность позиционирования штыревых контактов для многоштыревых соединителей, работающих при многократных сочленения и расчленениях.

Заявляемым изобретением решается задача повышения технологичности и надежности электрического соединителя при расширенной номенклатуре используемых материалов.

Поставленная задача решается тем, что в герметичном теплостойком электрическом соединителе, содержащем герметичную вилку и негерметичную розетку, каждая из которых состоит из корпуса, изолятора и расположенных в отверстиях изолятора металлических контактов, при этом герметичная вилка содержит металлические манжеты, расположенные между поверхностями штыревых контактов и изолятора и герметично соединенные с ними, согласно изобретению узел герметичного неразъемного соединения штыревого контакта и манжеты расположен вне зоны установки изолятора со стороны противоположной расположению розетки и содержит втулки, охватывающие каждый штыревой контакт и коническую концевую часть каждой манжеты, внутренняя поверхность втулки является негативной по отношению к охватываемой поверхности манжеты, материалы втулки и штыревого контакта, а также материалы манжеты и изолятора имеют попарно согласованные коэффициенты линейного температурного расширения, но не согласованные между парами, кроме того, рабочая часть штыревого контакта выполнена с многослойным жаростойким и противосхватывающим покрытием, а корпуса вилки и розетки выполнены из металлического материала.

Наличие отличительных признаков указывает на то, что заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности “новизна”.

В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки сходные с отличительными признаками заявляемого способа, что позволяет сделать вывод о соответствии его условию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что разнесение конструктивно по месту, а значит, и технологически, и по времени, двух процессов: герметизации манжеты относительно изолятора и герметизации манжеты относительно штыревого контакта, позволяет использовать в узле материалы, не согласованные по КЛТР, однако получить узлы с минимальным напряжением и исключить создание критических напряжений при работе конструкции в широком диапазоне температур. Конструктивное выполнение создает возможность релаксации напряжений, возникающих в процессе механических и термических нагрузок во время сочленения и расчленения и в процессе эксплуатации элементов конструкции при высоких температурах. Это стало возможным за счет релаксации напряжений, возникающих из-за неточного позиционирования каждого штыревого контакта путем деформации тонкого конического торца манжеты в слое пластичного материала, создающего герметичное неразъемное соединение и релаксации термических напряжений, возникающих за счет разницы в КЛТР.

Новое конструктивное выполнение позволяет проводить герметизацию разнесенных узлов отдельно, что, в свою очередь, позволяет использовать штыревые контакты с покрытием, т.к. обеспечивается реализация технологического процесса соединения, исключающая перегрев покрытия в процессе герметизации узла и нарушение его защитных свойств.

Таким образом, предложенный электрический соединитель отвечает требованиям повышенной надежности работы при высоких температурах, что позволяет его использовать в тех отраслях техники, где показатель надежности является одним из основных требований к эксплуатации конструкции.

Изобретение поясняется чертежом соединителя, представляющим конструкции вилки и розетки.

Электрический соединитель состоит из двух частей: герметичной вилки 1 и розетки 2. Каждая из них состоит из цилиндрического корпуса 3 и 4 соответственно, контактных головок, устанавливаемых внутри корпусов 3 и 4, и состоящих из деталей изолятора 5 и 6 соответственно, с отверстиями для элементов металлических контактов (металлических манжет 7 и штыревых контактов 8 у вилки 1 и металлических контактов 9 у розетки 2) с хвостовиками 10, к которым подсоединяют технологически концы проводов или кабелей (на чертеже не показаны). Вилка 1 состоит из корпуса 3 изолятора 5, размещенного в нем. В изоляторе 5 герметично закреплены манжеты 7, штыревые контакты 8 проходят через отверстия манжет 7. Конструкция розетки содержит в корпусе 4 изолятор 6, где выполнены ответные контактные гнезда, направляющие каналы с электропроводными металлическими контактами 9.

Металлические контакты 9 закреплены в гнездах изоляторов 6 розетки 2. Штыревые контакты 8 закреплены в отверстиях изолятора 5 вилки 1 с помощью манжет 7. Манжеты 7 выполнены в виде полых втулок с конической концевой поверхностью 11. Соединение манжеты 7 осуществляется с помощью неразъемного соединения, например, пайкой, со стенками изолятора 5. Манжеты 7 выступают из отверстий изолятора со стороны, противоположной установке розетки 2. В зоне расположения конических концов 11 манжет 7, охватывающих штыревые контакты 8, установлены втулки 12. Внутренняя поверхность 13 каждой втулки 12, в месте контакта с конической частью манжеты 7, выполнена негативной по отношению к охватываемой поверхности. Между внутренней поверхностью 13 втулки 12, наружной конической поверхностью 11 манжеты 7 и наружной поверхностью штыревого контакта 7 образовано герметичное соединением, например паяное. На конец штыревого контакта 8 нанесено многослойное покрытие 15, обеспечивающее жаростойкость соединителя. Наружный слой 16 покрытия 15 выполнен из материала, исключающего схватывание и тем самым обеспечивающее многократное сочленение и расчленение после эксплуатации при высоких температурах или после многократных циклов нагрев - охлаждение.

Благодаря такому конструктивному выполнению удалось совместить выполнение двух функций тонким легкодеформируемым коническим элементом, с одной стороны, обеспечение точного позиционирования штырей в гнездах розетки с минимальными механическими напряжениями, возникающими при этом, с другой стороны, возможность снятия термических напряжений, возникающих при нагреве конструкции из-за разности КЛТР материалов, и при термоциклах в процессе эксплуатации соединителя.

При отработке заявляемой конструкции в институте была изготовлена многоштыревая вилка, корпус которой был выполнен из титана, в корпусе расположен изолятор из керамики с отверстиями для установки металлических манжет из тантала, которые соединялась неразъемным соединением с изолятором с помощью пайки стеклоприпоем, одновременно с фиксацией манжет в отверстиях изолятора осуществляют фиксацию изолятора в корпусе с помощью пайки.

Затем в имитатор розетки устанавливали штыревые контакты из сплава меди, на которые было предварительно нанесено сложное многослойное покрытие. В качестве покрытия использовали, например, покрытие из платины через подслой никеля, обеспечивающее жаропрочность соединения и исключение его схватывания с поверхностью металлических контактов розетки при высоких температурах. Такая установка обеспечивала точность позиционирования свободных концов штыревых контактов с покрытием в отверстиях розетки. Противоположные концы штыревых контактов размещали через манжеты к месту подстыковки. В месте взаимодействия штыревого контакта с конической частью манжеты устанавливали втулку из стали с негативной внутренней поверхностью по отношению к охватываемым поверхностям и осуществляли неразъемное соединение, заполняя зазоры между манжетой, штыревым контактом и втулкой, материал которой согласован по КЛТР с материалом штыревого контакта, выполненным из сплава меди. Материал манжеты согласован по КЛТР с материалом изолятора, но не согласован с материалами втулки и манжеты и корпуса, которые согласованы между собой.

Работа электрического соединителя осуществляется в следующем порядке.

При сочленении вилки и розетки штыри располагаются в гнездах розетки. Наличие защитного покрытия позволяет исключить схватывание материала штырей и гнезд при повышении температуры в процессе эксплуатации до температур 500-800°С, а также предотвращает затруднения расчленения вилки и розетки, обусловленные возможным схватыванием после нагрева до таких температур.

В то же время, в процессе сочленения возможно смещение штыревого контакта при его размещении в гнездах розетки, обусловленное наличием допуска на изготовление, такое смещение вызывает напряжения в месте фиксации штыревого контакта, однако поскольку штыревой контакт в данной конструкции имеет возможность деформационного смещения без нарушения герметичности, это позволяет компенсировать механические напряжения, возникающие за счет смещения отдельных контактов. Напряжения, вызываемые неточностью позиционирования, не передаются на изолятор и корпус, а передаются на манжету, в месте ее герметичного соединения со штыревым контактом компенсируются смещением штыря и легкодеформируемого пояска.

Таким образом, в предложенном электрическом соединителе удалось решить проблему по соединению кабелей потребителя с контактами вилки и розетки, обеспечить возможность эффективного многократного сочленения и расчленения последних, даже после эксплуатации при высоких температурах и многочисленных циклах нагрев - охлаждение с одновременным устранением проблемы сочетания по КЛТР сразу трех и более материалов, контактирующих в герметичной вилке соединителя.

Наличие утоненного легкодеформируемого пояска позволяет компенсировать и напряжения, возникающие за счет разницы в КЛТР материалов штыревых контактов, манжеты, втулки и изолятора, возникающие при нагреве в процессе эксплуатации соединителя. Такое конструктивное выполнение одновременно позволяет компенсировать механические смещения, возникающие в процессе стыковки вилки и розетки, за счет неточности позиционирования.

Изобретение относится к энергетике, в частности к коммутационным электрическим аппаратам, и может быть использовано в энергетических установках, работающих в условиях вакуума, при повышенных температурах и обеспечивающих получение герметичного соединения, работоспособного при температурах до 800°С, высоких механических нагрузках. Технический результат - повышение технологичности и надежности электрического соединителя при расширенной номенклатуре используемых материалов. Соединитель содержит герметичную вилку и негерметичную розетку, каждая из которых состоит из корпуса, изолятора и расположенных в отверстиях изолятора металлических контактов, при этом герметичная вилка содержит металлические манжеты, расположенные между поверхностями штыревых контактов и изолятора и герметично соединенные с ними. Каждый узел герметизации штыревого контакта и манжеты расположен вне зоны установки изолятора со стороны противоположной расположению розетки и содержит дополнительную втулку, охватывающую штыревой контакт и концевую часть манжеты, имеющую коническую форму. 1 ил.

1. Герметичный теплостойкий электрический соединитель, содержащий герметичную вилку и негерметичную розетку, каждая из которых состоит из корпуса, изолятора и расположенных в отверстиях изолятора металлических контактов, при этом герметичная вилка содержит металлические манжеты, расположенные между поверхностями штыревых контактов и изолятора и герметично соединенные с ними, отличающийся тем, что каждый узел герметизации штыревого контакта и манжеты расположен вне зоны установки изолятора со стороны, противоположной расположению розетки, и содержит дополнительную втулку, охватывающую штыревой контакт и концевую часть манжеты, имеющую коническую форму, внутренняя поверхность втулки является негативной по отношению к охватываемой поверхности манжеты, детали узла соединены неразъемным соединением, материалы втулки и штыревого контакта и материалы манжеты и изолятора имеют попарно согласованные коэффициенты линейного температурного расширения.2. Герметичный теплостойкий электрический соединитель по п.1, отличающийся тем, что рабочая часть штыревого контакта выполнена с многослойным жаростойким и противосхватывающим покрытием.3. Герметичный теплостойкий электрический соединитель по п.1, отличающийся тем, что корпус вилки выполнен из металлического материала, например титана.