Электрический соединитель

Электрический соединитель

Реферат

Область техники

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим соединителям, и может быть использовано для соединения двух токопроводящих и газопроводящих участков.

Предшествующий уровень техники

Известен электрический соединитель [Авторское свидетельство СССР №1030895 от 02.04.82, кл. H01R 13/44, опубл. 23.07.83, автор Варпаба В.И. «Электрический соединитель»], содержащий два контактных элемента, размещенных в своих корпусах, и защитный элемент с гофрированными стенками.

Функция герметизации в данном соединителе осуществляется при помощи лепестков, образованных прорезями, в защитном элементе обеспечивает уровень герметизации только от пыли и внешнего загрязнения. Защитный элемент не позволяет разделить и герметизировать друг от друга две различные газовые среды, находящиеся во внутреннем канале и снаружи, когда соединение осуществляется в устройстве с высокой температурой эксплуатации и при перепаде давления газовых сред снаружи и во внутреннем канале электрического соединителя. При этом необходимо обеспечить подвижность контактных элементов относительно друг друга в любых произвольных плоскостях с изменением расстояния между ними.

В качестве прототипа был выбран электрический соединитель [Патент РФ №2226730 от 12.03.2003, кл. Н01В 17/26, опубл. 10.04.2004, авторы Бархатов В.В., Бородулин Ю.В., Вольберг М.С. и др. «Линия электрических коммуникаций для регистрации ядерных излучений системы управления и защиты ядерного реактора»], содержащий корпуса в виде гермовводов, герметично соединенные с гофрированным защитным элементом в виде гибкого металлического рукава, внутренняя полость которого заполнена смесью инертных газов и содержит помехозащищенный слаботочный кабель, электрически соединенный с контактными элементами при помощи корпусов.

Данный электрический соединитель не рассчитан на проведение больших токов через агрессивную среду, поэтому гибкость рукава обеспечивается его гофрированностью и тонкостью проходящего внутри рукава кабеля. Кроме того, данный электрический соединитель не рассчитан на изменение расстояния между контактными элементами, которые он соединяет, так как он не растягивается, а только гнется. Это достаточно для монтажа, но недостаточно для эксплуатации, когда контактные элементы смещаются друг относительно друга в произвольных плоскостях с изменением расстояния между собой. Инертные газы в качестве наполнителя защищают малоточный проводник от помех, вызванных радиацией и высокой температурой.

Раскрытие изобретения.

Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости электрического соединителя к механическим и электрическим нагрузкам в агрессивных средах при повышенных температурах.

Технический результат заключается в повышении устойчивости электрического соединителя к взаимным перемещениям контактных элементов относительно друг друга в любых плоскостях за счет выполнения дополнительного контактного элемента в виде многожильного провода, уложенного с запасом внутри сильфона, изменяющего свою длину и форму при перемещении контактных элементов. Повышение устойчивости электрического соединителя к электрическим нагрузкам в агрессивных средах происходит за счет использования многожильного провода в среде нейтрально восстановительных газов, защищающих его от окисления в агрессивной внешней среде при повышенной температуре.

Этот результат достигается тем, что в электрическом соединителе, содержащем герметично соединенный с корпусами гофрированный защитный элемент, во внутренней полости которого содержатся электрические проводники в среде газа, соединенные с токопроводящими контактными элементами посредством корпусов, согласно изобретению, в корпусах сформированы сквозные отверстия, которые объединены с внутренней полостью защитного элемента, выполненного в виде упругого сильфона, общим объемом и заполнены смесью нейтрально восстановительных газов, где уложен с запасом по длине электрический проводник в виде многожильного провода, концы которого сформированы в виде шайб, прижаты и герметично зафиксированы в отверстиях корпусов контактными элементами, при этом корпуса, контактные элементы и сильфон выполнены из токопроводящего материала. В первом варианте исполнения контактные элементы выполнены в виде втулок без отверстий. Во втором варианте исполнения контактные элементы выполнены в виде втулок с отверстиями.

Выполнение корпусов соединителя из токопроводящего материала формирует внешний токопровод: контактные элементы - корпуса - сильфон. Однако при использовании соединителя в условиях повышенной температуры упомянутый токопровод имеет большое электрическое сопротивление, что препятствует проведению больших величин токов. Для уменьшения электрического сопротивления соединителя его корпуса внутри сильфона соединяют гибкими электрическими проводниками из материала с большей проводимостью, чем у сильфона, но с меньшей жаростойкостью. Чтобы уберечь эти проводники от воздействия температуры и агрессивной внешней среды, внутрь сильфона подается инертный газ. При этом соединитель пропускает электрический ток по своей внешней и внутренней части. Это обеспечивает дополнительную устойчивость соединителя к электрическим нагрузкам при воздействии на него агрессивной внешней среды и высоких температур.

Гофрированный защитный элемент представлен в виде упругого токопроводящего сильфона, в котором уложены с запасом по длине электрические проводники в виде многожильного провода. Применение гибкого неупругого металлизированного рукава в прототипе обеспечивает гибкость заключенному в рукаве проводу, но не позволяет увеличивать расстояние между корпусами. Провод, уложенный без запаса по длине внутри рукава, не растягивается при приложении механических нагрузок. То есть длина рукава в статике L равна длине уложенного внутри него провода 1. Если в динамике такой рукав применить в установках, где механические нагрузки требуют увеличения расстояния между корпусами, то провод внутри рукава натянется и может порваться под действием этих нагрузок. Если же учитывать увеличение расстояния между корпусами и монтировать с запасом провод и рукав, то запас рукава будет цепляться за соседние части устройства, занимать больше места, замыкать токоведущие части в недопустимых местах. Применение упругого сильфона в данных условиях исключает все перечисленные недостатки. Упругий сильфон в статике не испытывает нагрузки извне. L - длина упругого сильфона. При этом l - длина уложенного внутри него с запасом многожильного провода. l=L+ΔL, где ΔL - изменение длины сильфона при приложении на него механической нагрузки вдоль оси симметрии. При приложении механических нагрузок к такому соединителю корпуса сильфона стремятся отдалиться друг от друга. Сильфон растягивается до рассчитанной заранее длины L+ΔL. Провод внутри сильфона распрямляется за счет запаса по длине, заложенного при монтаже. При снятии нагрузки сильфон за счет упругости принимает свою первоначальную форму и длину L, а провод укладывается внутри сильфона. Это позволяет повысить устойчивость соединителя к механическим нагрузкам.

Объединение внутренней полости сильфона с отверстиями в корпусах позволяет использовать соединитель в двух вариантах:

- когда соединитель наполнен смесью нейтрально восстановительных газов и герметично закрыт от внешней и от внутренней среды устройства,

- когда соединитель герметично закрыт только от внешней среды, а с внутренней средой устройства имеет сообщение.

Заполнение внутренней полости сильфона и отверстий корпусов смесью нейтрально восстановительных газов вместо смеси инертных газов, которая применяется в прототипе, дает предлагаемому соединителю более широкое применение. Температуры, на которые рассчитан предлагаемый соединитель, выше тех, для которых предназначен прототип. Стеклоизоляция, которая применяется в прототипе, разрушается при температурах, близких к температурам плавления металлов. Поэтому в качестве изоляции в предлагаемом соединителе используется смесь нейтрально восстановительных газов. Применение в качестве наполнителя газов, которые не являются инертными, таких как азот N₂, углекислый газ СО₂, защищающих провод в сильфоне от окисления окружающей средой и влияния повышенных температур, расширяет, кроме того, список применяемых защитных газов, дополняя его более дешевыми и промышленно применимыми газами. А применение восстановительных газов, таких как СО и Н₂, позволяет даже восстанавливать оксиды металла, содержащиеся в материале, из которого изготовлен проводник в сильфоне. Это приводит к повышению проводимости материала провода и, следовательно, повышает устойчивость соединителя к электрическим нагрузкам.

Применение в качестве электрических проводников многожильного провода позволяет использовать соединитель в сетях с большими величинами электрического тока, где требуется увеличенное поперечное сечение провода при сохранении его гибкости. Это позволяет увеличить устойчивость соединителя к электрическим нагрузкам. Гибкий многожильный провод, уложенный в объединенном внутреннем объеме сильфона и корпусов, должен иметь жесткие концы, чтобы с их помощью можно было закрепить провод в корпусах. Крепление многожильного провода в корпусах должно быть технологичным, надежным, устойчивым к механическим нагрузкам. В то же время, это крепление должно пропускать газ внутрь сильфона. Свойства гибкости и рыхлости многожильного провода применяются для гибкого соединения между корпусами соединителя, а так же пропускания внутрь сильфона газа. Для того что бы закрепить гибкий многожильный провод в жестких корпусах, необходимо придать жесткость его концам. Технологически наиболее выгодным является решение спрессовать из концов провода шайбы. Жилы, из которых составляют шайбы после спрессовывания, плотно прилегают друг к другу, при этом сохраняется пористая структура шайбы, что позволяет газу проходить сквозь шайбу. Для уменьшения сопротивления прохождению газа в шайбе протыкают отверстие в процессе ее прессования.

При работе соединителя в среде повышенных температур между касающимися проводниками, спрессованными в шайбе, происходят процессы точечной сварки, что повышает жесткость шайбы, прочность соединения между шайбой и корпусом. Как следствие, повышается надежность и устойчивость к механическим нагрузкам всего соединителя в целом.

Когда контактные элементы выполнены в виде втулок без отверстий, соединитель наполнен смесью нейтрально восстановительных газов и герметично закрыт от внешней и от внутренней среды устройства контактными элементами. В таком исполнении соединитель монтируется во внешнее устройство любым способом и проводит через себя электрический ток, сохраняя повышенную устойчивость к механическим и электрическим нагрузкам благодаря своему исполнению.

Когда контактные элементы выполнены в виде втулок с отверстиями, соединитель герметично закрыт только от внешней среды, а с внутренней средой устройства имеет сообщение. В таком исполнении соединитель после монтажа во внешнем устройстве проводит через себя электрический ток и смесь нейтрально восстановительных газов. Газы, проходящие через сильфон, на проводник действуют так же, как и в варианте втулок без отверстий. Сам соединитель сохраняет свою герметичность относительно окружающей среды и этого достаточно для сохранения своих характеристик.

Краткое описание фигур и чертежей.

На чертеже представлен вариант электрического соединителя в его продольном сечении.

Варианты осуществления изобретения.

Как показано на чертеже, электрический соединитель состоит из гофрированного защитного элемента, выполненного в виде упругого сильфона 1, герметично закрытого с двух сторон корпусами 2 и 3. Корпуса 2 и 3 имеют сквозные отверстия 4 и 5, образующие с внутренней полостью сильфона 1 общий объем. Этот общий объем заполнен смесью нейтрально восстановительных газов (не показано), в среде которых расположены электрические проводники в виде многожильного провода 6, уложенного с запасом по длине в полости сильфона 1. Концы многожильного провода 6 спрессованы в виде шайб 7 и 8 с отверстиями, прижаты и герметично зафиксированы в корпусах 2 и 3 контактными элементами 9 и 10. Оба конца многожильного провода 6 уложены в отверстиях корпуса 2 и корпуса 3 и зафиксированы в них при помощи запрессовки с возможностью прохождения газа сквозь пространство между жилами провода 6. Длину провода 6, уложенного в рабочей части сильфона 1, можно найти по формуле:

l=L+ΔL,

где l - длина провода 6 в рабочей части сильфона 1,

L - длина рабочей части сильфона 1 без приложения нагрузки,

ΔL - ход сильфона 1 при его максимально допустимом растяжении.

В рабочем состоянии электрический соединитель обеспечивает прохождение электрического тока между двумя токопроводами.

Рассмотрим первый вариант выполнения соединителя, когда его контактные элементы выполнены в виде втулок без отверстий. Перед подключением такого электрического соединителя к внешним токопроводам его наполняют смесью нейтрально восстановительных газов и герметизируют контактными элементами 9 и 10, не имеющими сквозных отверстий. Таким образом, соединитель герметично изолирован от внешней среды и от внутренней среды устройства. При подключении соединителя к внешним токопроводам при помощи любого разъемного (резьбового, штекерного, байонетного и т.д.) или неразъемного (сварка, пайка и т.д.) соединения происходит электрическое соединение внешних токопроводов через контактные элементы 9 и 10, корпуса 2 и 3, сильфон 1 и многожильный провод 6 в нем.

При работе соединителя происходит перемещение контактного элемента 9 и корпуса 2 относительно контактного элемента 10 и корпуса 3 в разных плоскостях. При этом сильфон 1 деформируется, растягивается, многожильный провод 6 в нем изгибается, распрямляется, вырабатывая уложенный во внутренней полости сильфона 1 и рассчитанный заранее запас по длине. Этот запас позволяет не испытывать проводу 6 механические нагрузки, направленные на его разрыв. При этом сохраняется электрический контакт между внешними токопроводами через соединитель. Воздействие высокой температуры на соединитель нагревает его. Электрическое сопротивление сильфона 1, по которому идет ток, повышается. Если такая температура действовала бы на многожильный провод 6 без защиты сильфоном 1, то он бы нагрелся, его электрическое сопротивление увеличилось бы, он окислился бы под действием агрессивной внешней среды вплоть до разрушения. Помещенный внутрь сильфона 1 многожильный провод 6 защищен от окисления смесью нейтрально восстановительных газов, закаченной предварительно в полость сильфона 1, который, кроме того, сдерживает повышение температуры внутри сильфона 1, так как имеет малую теплопроводность.

Рассмотрим второй вариант выполнения соединителя, когда его контактные элементы выполнены в виде втулок с отверстиями. В этом случае происходит подключение соединителя в систему, одновременно наполняющую соединитель смесью нейтрально восстановительных газов и передающую через нее электрический ток. Соединитель подключается контактными элементами 9 и 10 в виде втулок со сквозными отверстиями при помощи любого вида герметичного соединения к внешним токопроводам в виде труб, по которым может поступать газ (не показано). В данном случае рассматривается система, проводящая электрический ток и газ одновременно. Таким образом, соединитель герметично изолирован только от внешней среды, а с внутренней средой устройства он соединен. При подаче газа в систему под давлением через соединитель газ проходит по сквозному отверстию в контактном элементе 9, по сквозному отверстию в корпусе 2 за счет того, что уложенный в нем многожильный провод 6 пропускает между жилами газ. Газ проходит по внутренней полости сильфона 1 за счет герметичного соединения сильфона 1 с корпусами 2 и 3. После этого газ проходит по сквозному отверстию в корпусе 3 по тому же принципу, что и в корпусе 2, и через контактный элемент 10 снова попадает в систему, проводящую электрический ток и газ. Газ, наполняющий при этом внутреннюю полость соединителя, не дает многожильному проводу 6 внутри сильфона 1 окисляться. Во время работы системы происходит вибрация отдельных ее частей, в частности токопроводов. При работе соединителя происходит перемещение контактного элемента 9 и корпуса 2 относительно контактного элемента 10 и корпуса 3 в разных плоскостях. При этом сильфон 1 деформируется, сохраняя герметичность и целостность внутреннего общего объема, образованного отверстиями в корпусах 2 и 3 и внутренней полостью сильфона 1, смягчая за счет своей упругости механические толчки. Электрическая цепь при этом не разрывается потому, что многожильный провод 6 в рабочей части сильфона 1 уложен с заранее рассчитанным запасом. При ходе ΔL сильфона 1 изменяется расстояние между корпусом 2 и корпусом 3, а запас провода 6 дает ему возможность оставаться ненатянутым.

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано в системах, где требуется сохранить электрическое и газовое соединение от агрессивной среды, при вибрации и механических нагрузках, например при создании топливных элементов, в металлургии, в машиностроении.

1. Электрический соединитель, содержащий герметично соединенный с корпусами гофрированный защитный элемент, во внутренней полости которого содержатся электрические проводники в среде газа, соединенные с токопроводящими контактными элементами посредством корпусов, отличающийся тем, что в корпусах сформированы сквозные отверстия, которые объединены с внутренней полостью защитного элемента, представленного в виде упругого сильфона, общим объемом, заполненным смесью нейтрально восстановительных газов, где уложен с запасом по длине электрический проводник в виде многожильного провода, концы которого сформированы в виде шайб, прижаты и герметично зафиксированы в отверстиях корпусов контактными элементами, при этом корпуса и сильфон выполнены из токопроводящего материала.

2. Электрический соединитель по п.1, отличающийся тем, что контактные элементы выполнены в виде втулок без отверстий.

3. Электрический соединитель по п.1, отличающийся тем, что контактные элементы выполнены в виде втулок с отверстиями.