Устройство для герметичной заделки конца кабеля, устойчивое к действию давления и температуры Российский патент 2023 года по МПК H02G15/23 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к электрическим соединителям, в частности к неразборным герметично запаянным соединителям. Применяется для вывода электрического сигнала из герметичного объёма при обеспечении требований по герметичности, прочности и электрическому сопротивлению изоляции при температуре до + 900°С, в условиях импульсного возрастания температуры и давления, динамических нагрузок. Область применения – фиксация температуры в ядерных реакторах, авиационных, ракетных двигателях и т.д.

Предшествующий уровень техники

Известно устройство, на который получен патент CN № 107565264 «Минеральный изолированный кабельный разъем в сборе для ядерной энергетики»; Заявка № 2017 CN-0557636; МПК: H01R-013/514, H01R-013/52, приоритет 10.07.2017г., опубликовано 01.09.2018г.; заявитель: CHINA AVIATION OPTICAL TECHNOLOGY.

Разъем состоит из корпуса, диэлектрика, транзитных штифтов, металлического припоя, втулки, винтов, прокладки, графитового уплотнительного кольца, металлических жил, минерального стекла, фланца и минерального изолированного кабеля.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются корпус, металлический припой, металлические жилы, минеральное стекло, минеральный изолированный кабель.

К недостаткам этого устройства относится:

- сложная, многокомпонентная конструкция (разъём состоит из 11 наименований - более 20 частей);

- графитовое уплотнительное кольцо обеспечивает герметичность от воздействия жидкости на уровне 1×10^-7 Па×м³/с, 8 часов и 1 МПа, без обеспечения герметичности по газу;

- электрическое сопротивление изоляции снижается при повышении температуры с 9 МОм (при нормальных климатических условиях) до 1 MОм при температуре + 425 °С.

В патенте заявлено, что разъем может работать кратковременно при
+ 900 °С, но при этом имеет в своей конструкции соединение запаянное серебряным припоем (GB/T10046-BAg45CuZn) с температурой плавления + 745 °С, а герметичность графитовым уплотнительным кольцом обеспечивается до + 400 °С.

В качестве прототипа к предлагаемому устройству был выбран патент
RU № 2206164 «Герметичная и термоустойчивая заделка конца кабеля с металлической оболочкой»; Заявка № 2001103015/09; МПК: H02G 15/23, приоритет 05.02.2001г., опубликовано 10.06.2003г., заявитель и патентообладатели: Певзнер Б.З., Пиллер М.Д., Чепурных Е.М.

Герметичная и термоустойчивая заделка конца кабеля с металлической оболочкой, металлические жилы которого отделены одна от другой и от оболочки минеральной изоляцией, содержащая уплотнительный элемент с отверстиями для пропускания жил, образованный расплавлением при нагревании и последующим затвердеванием при охлаждении ситалла, а также прокладку, размещенную впритык к внутреннему торцу уплотнительного элемента, отличающаяся тем, что на концевую часть оболочки посажена и герметично закреплена на оболочке металлическая втулка, в полости которой размещены уплотнительный элемент и прокладка.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются герметичная и термоустойчивая заделка металлической жилы с металлической оболочкой, металлическая жила отделена от металлической оболочки минеральной изоляцией, корпус с отверстиями для металлических оболочек.

К недостатком данного устройства относятся:

- применение промежуточных элементов для изоляции и герметизации, так как прокладка из огнеупорного материала, неорганическое расплавляемое покрытие – стеклоэмаль, гидрофобное термостойкое покрытие;

- сложность изготовления выступа на уплотнительном элементе из ситалла выполненного в виде усеченного конуса.

Элементами конструкции, из которых состоит разъем, являются: металлические жилы, металлические оболочки, минеральная изоляция, прокладка из огнеупорного материала, уплотнительный элемент – ситалл, трубки из стали 12Х18Н9Т, втулка, неорганическое расплавляемое покрытие – стеклоэмаль, гидрофобное термостойкое покрытие.

Кроме того, в патенте заявлено, что разъем работает при + 600 °С, но при этом имеет в своей конструкции гидрофобное термостойкое покрытие, максимальная температура, при которой сохраняют свои свойства эти покрытия, составляет + 300 °С. Гидрофобное термостойкое покрытие подвержено старению, особенно при повышенных температурах, так как является органическим материалом. В связи с чем, возникает опасность пробоя между стальными трубками и втулкой.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является возможность вывода конца кабеля из герметичного объёма, находящегося под действием давления до 2 МПа и температуры до + 900 °С, а так же упрощение конструкции.

Технический результат заключается в использовании тугоплавких жаропрочных материалов, индивидуальной герметизации каждой металлической жилы, уменьшении количества составных частей при сохранении устойчивости устройства к повышенным давлению и температуре.

Технический результат достигается тем, что устройство для герметичной заделки конца кабеля, устойчивое к действию давления и температуры, содержащее металлические жилы, заключенные в металлические оболочки и отделённые от них минеральной изоляцией, металлические оболочки герметично соединены с корпусом, согласно изобретению, каждая металлическая жила заключена в индивидуальную металлическую оболочку. Пространство внутри оболочки со стороны свободного торца частично заполнено стеклоприпоем, герметично охватывающим металлическую жилу. Корпус выполнен в форме цилиндра с углублением, сквозь отверстия в основании которого пропущены металлические оболочки. При этом основание корпуса с внутренней стороны покрыто металлическим припоем, герметично охватывающим металлические оболочки.

Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата – использование тугоплавких жаропрочных материалов, индивидуальная герметизация каждой металлической жилы в металлической оболочке, уменьшение количества составных деталей. Это позволяет решить задачу вывода конца кабеля из герметичного объёма, находящегося под действием давления
до 2 МПа и температуры до +900°С, при упрощении конструкции.

Достигаемый результат, обеспечивается не только наличием известных отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия их с другими существенными признаками заявляемого устройства. Это позволяет устройству расширить функциональные возможности и обеспечить решение задачи увеличения диапазона рабочих температур и давления для вывода конца кабеля из герметичного объёма, упрощение конструкции.

Краткое описание фигур чертежа

На фигуре показано устройство для вывода электрического сигнала в разрезе.

Вариант осуществления изобретения

Как показано на фиг. 1, устройство содержит кабель, разделённый на металлические жилы 1, минеральную изоляцию 2, металлическую оболочку 3, стеклоприпой 4, корпус 5 и металлический припой 6.

Металлические жилы 1, выполненные из жаростойких металлов системы хромель-алюмель, служат непосредственно проводниками электрического сигнала. Каждая металлическая жила 1 заключена в индивидуальную минеральную изоляцию 2 из оксида магния MgO для предотвращения контакта между металлической жилой 1 и металлической оболочкой 3. Внешняя боковая поверхность изоляции 2 заключена в металлическую оболочку 3, выполненную из жаропрочной стали 20Х23Н18, для защиты металлической жилы 1 и минеральной изоляции 2 от механических повреждений и повышенной температуры.

Пространство внутри металлической оболочки 3 со стороны свободного торца частично заполнено стеклоприпоем 4 из материала на основе оксидной системы BaO-MgО-Al₂O₃-SiO₂. Стеклоприпой 4 герметично охватывает металлическую жилу 1 для герметизации места соединения металлической жилы 1 и металлической оболочки 3, с сохранением электрического сопротивления между ними. Для этого закладывают стеклоприпой 4 внутрь металлической оболочки 3 на глубину не менее 5 мм.

Корпус 5 выполнен в форме цилиндра из жаропрочной стали 15Х28, с углублением, сквозь отверстия в основании которого пропущены металлические оболочки 3 с изоляцией 2 и жилой 1 внутри. Корпус 5 служит для фиксации устройства при монтаже в стенке герметичного объема (на фигуре не показано). Основание корпуса 5 с внутренней стороны покрыто металлическим припоем 6, выполненного на основе системы Cu-Ni, герметично охватывающим металлические оболочки 3.

Форма выполнения корпуса 5 позволяет решить задачу герметизации металлических оболочек 3 в корпусе 5 металлическим припоем 6 с сохранением необходимых рабочих диапазонов давления и температуры. Разработанное устройство было испытано при работе в условиях воздействия температуры до + 900°С, давления до 2 МПа, сохраняя при этом герметичность не хуже 3,6×10^-8 м³×Па/c и электрическое сопротивление между металлическими жилами 1 и металлическими оболочками 3 не менее 2 МОм.

Используемые тугоплавкие материалы жаропрочные стали 15Х28 и 20Х23Н18, жаростойкие металлы системы хромель-алюмель позволяют получить технический результат в виде повышения диапазона рабочих температур и давления, за счет физических свойств этих материалов и упрощение конструкции.

В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом исключены дополнительные покрытия и вспомогательные элементы - прокладка, размещенная впритык к внутреннему торцу уплотнительного элемента, неорганическое расплавляемое покрытие стеклоэмаль, гидрофобное термостойкое покрытие. Это значительно упрощает конструкцию, сохраняя при этом работоспособность и герметичность в условиях воздействия температуры до + 900 °С и давления до 2 МПа.

Индивидуальная герметизация каждой металлической жилы 1 в металлической оболочке 3 позволяют получить технический результат в виде повышения диапазона рабочих температур и давления, за счет возможности промежуточного контроля качества герметизации, а так же упрощения конструкции за счет исключения дополнительных покрытий по сравнению с прототипом.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не были обнаружены аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественной всем существенным признакам данного изобретения. Это подтверждает, что заявленное изобретение соответствует требованию «новизна».

В результате поиска не были выявлены технические решения, содержащие признаки, совпадающие с совокупностью отличительных существенных признаков заявленного устройства. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Промышленная применимость

Предложенное изобретение может быть применимо для вывода электрического сигнала из герметичного объема в широких диапазонах температур и давлений для использования их в авиационной, космической технике, в атомной энергетике и т.д. Были проведены испытания предложенного варианта устройства на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Испытания доказали технический результат, работоспособность устройства и подтвердили его промышленную применимость.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение устойчивости к повышенным давлению и температуре при упрощении конструктивной реализации устройства. Устройство состоит из проводников в виде металлических жил (1) из жаростойких металлов системы хромель-алюмель. Каждая жила заключена в минеральную изоляцию (2) из оксида магния, которая заключена в металлическую оболочку (3) из жаропрочной стали. Корпус (5) выполнен в форме цилиндра из жаропрочной стали, с углублением, сквозь отверстия в основании которого пропущены металлические оболочки (3). Основание корпуса (5) с внутренней стороны покрыто металлическим припоем (6), герметично охватывающим металлические оболочки (3). Пространство внутри металлической оболочки (3) со стороны свободного торца заполнено стеклоприпоем (4). 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для герметичной заделки конца кабеля, устойчивое к действию давления и температуры, содержащее металлические жилы, заключенные в металлические оболочки и отделённые от них минеральной изоляцией, металлические оболочки герметично соединены с корпусом, отличающееся тем, что каждая металлическая жила заключена в индивидуальную металлическую оболочку, пространство внутри которой со стороны свободного торца частично заполнено стеклоприпоем, герметично охватывающим металлическую жилу, корпус выполнен в форме цилиндра с углублением, сквозь отверстия в основании которого пропущены металлические оболочки, при этом основание корпуса с внутренней стороны покрыто металлическим припоем, герметично охватывающим металлические оболочки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлические жилы выполнены из сплава Pt-Rh.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стеклоприпой выполнен из материала на основе оксидной системы BaO-MgО-Al₂O₃-SiO₂.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлический припой выполнен из материала Cu-Ni.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из стали 15Х28.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлическая оболочка выполнена из жаропрочной стали 20Х23Н18.