RU2792416C1

RU2792416C1 - Cable end sealing device resistant to pressure and temperature

Info

Publication number: RU2792416C1
Application number: RU2022131534A
Authority: RU
Inventors: Николай Андреевич Ордин; Сергей Петрович Дровосеков; Николай Николаевич Романенко; Асхат Загидуллович Хайбулов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2023-03-22

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: device consists of conductors in the form of metal cores (1) made of heat-resistant metals of the chromel-alumel system. Each core is enclosed in mineral insulation (2) made of magnesium oxide enclosed in a metal sheath (3) made of heat-resistant steel. The body (5) is designed as a cylinder made of heat-resistant steel, with a recess through the holes in the base of which metal shells (3) are passed. The base of the housing (5) is coated on the inside with a metal solder (6) that hermetically covers the metal shells (3). The space inside the metal shell (3) from the side of the free end is filled with solder glass (4).

EFFECT: resistance to high pressure and temperature while simplifying the design implementation of the device.

6 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

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.The claimed invention relates to electrical connectors, in particular to non-separable hermetically sealed connectors. It is used to output an electrical signal from a sealed volume while meeting the requirements for tightness, strength and electrical resistance of insulation at temperatures up to + 900 ° C, under conditions of an impulse increase in temperature and pressure, dynamic loads. Scope - fixing the temperature in nuclear reactors, aircraft, rocket engines, etc.

Предшествующий уровень техникиPrior Art

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.Known device, which received a patent CN No. 107565264 "Mineral insulated cable connector assembly for nuclear power"; Application No. 2017 CN-0557636; IPC: H01R-013/514, H01R-013/52, priority 07/10/2017, published 09/01/2018; applicant: 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. The connector consists of body, dielectric, through pins, metal solder, bushing, screws, gasket, graphite O-ring, metal wires, mineral glass, flange and mineral insulated cable.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются корпус, металлический припой, металлические жилы, минеральное стекло, минеральный изолированный кабель.Features coinciding with the essential features of the claimed invention are the case, metal solder, metal wires, mineral glass, mineral insulated cable.

К недостаткам этого устройства относится:The disadvantages of this device include:

- сложная, многокомпонентная конструкция (разъём состоит из 11 наименований - более 20 частей);- a complex, multi-component design (the connector consists of 11 items - more than 20 parts);

- 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;- graphite sealing ring provides tightness against liquid exposure at the level of 1×10 ^-7 Pa×m ³ /s, 8 hours and 1 MPa, without gas tightness;

- электрическое сопротивление изоляции снижается при повышении температуры с 9 МОм (при нормальных климатических условиях) до 1 MОм при температуре + 425 °С.- the electrical resistance of the insulation decreases as the temperature rises from 9 MΩ (under normal climatic conditions) to 1 MΩ at a temperature of + 425 °C.

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.The patent states that the connector can operate momentarily when
+ 900 °С, but at the same time it has in its design a joint soldered with silver solder (GB/T10046-BAg45CuZn) with a melting point of + 745 °С, and tightness with a graphite sealing ring is provided up to + 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.A patent was chosen as a prototype for the proposed device.
RU No. 2206164 "Tight and heat-resistant sealing of the end of a cable with a metal sheath"; Application No. 2001103015/09; IPC: H02G 15/23, priority 02/05/2001, published 06/10/2003, applicant and patent holders: Pevzner B.Z., Piller M.D., Chepurnykh E.M.

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.Hermetic and heat-resistant sealing of the end of a cable with a metal sheath, the metal cores of which are separated from one another and from the sheath by mineral insulation, containing a sealing element with holes for passing the cores, formed by melting when heated and subsequent solidification when cooling glass-ceramic, as well as a gasket placed close to the inner end of the sealing element, characterized in that a metal sleeve is planted on the end part of the shell and hermetically fixed on the shell, in the cavity of which the sealing element and the gasket are placed.

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.Signs coinciding with the essential features of the claimed invention are hermetic and heat-resistant sealing of a metal core with a metal sheath, the metal core is separated from the metal sheath by mineral insulation, a body with holes for metal sheaths.

К недостатком данного устройства относятся: The disadvantages of this device include:

- применение промежуточных элементов для изоляции и герметизации, так как прокладка из огнеупорного материала, неорганическое расплавляемое покрытие – стеклоэмаль, гидрофобное термостойкое покрытие;- the use of intermediate elements for insulation and sealing, since the gasket is made of refractory material, inorganic meltable coating - glass enamel, hydrophobic heat-resistant coating;

- сложность изготовления выступа на уплотнительном элементе из ситалла выполненного в виде усеченного конуса.- the complexity of manufacturing a ledge on the sealing element made of glass-ceramic made in the form of a truncated cone.

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.The structural elements that make up the connector are: metal conductors, metal sheaths, mineral insulation, a gasket made of refractory material, a sealing element - glass-ceramic, tubes made of steel 12X18H9T, a bushing, an inorganic molten coating - glass enamel, a hydrophobic heat-resistant coating.

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.In addition, the patent states that the connector operates at + 600 °C, but at the same time it has a hydrophobic heat-resistant coating in its design, the maximum temperature at which these coatings retain their properties is + 300 °C. The hydrophobic heat-resistant coating is subject to aging, especially at elevated temperatures, as it is an organic material. In this connection, there is a danger of breakdown between the steel tubes and the bushing.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

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. The task to be solved by the claimed invention is the possibility of withdrawing the end of the cable from a sealed volume under pressure up to 2 MPa and temperatures up to + 900 ° C, as well as simplifying the design.

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. The technical result consists in the use of refractory heat-resistant materials, individual sealing of each metal core, reducing the number of components while maintaining the stability of the device to high pressure and temperature.

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.The technical result is achieved by the fact that the device for hermetically sealing the end of the cable, resistant to pressure and temperature, containing metal cores enclosed in metal sheaths and separated from them by mineral insulation, the metal sheaths are hermetically connected to the body, according to the invention, each metal core is enclosed in individual metal sheath. The space inside the shell from the side of the free end is partially filled with solder glass, hermetically covering the metal core. The body is made in the form of a cylinder with a recess through the holes in the base of which metal shells are passed. At the same time, the base of the housing is covered from the inside with a metal solder, tightly covering the metal shells.

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.The combination of essential features provides a technical result - the use of refractory heat-resistant materials, individual sealing of each metal core in a metal sheath, reducing the number of component parts. This allows us to solve the problem of removing the end of the cable from a sealed volume under pressure.
up to 2 MPa and temperatures up to +900°C, while simplifying the design.

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.The achieved result is ensured not only by the presence of known distinguishing features, but also depends on their interaction with other essential features of the claimed device. This allows the device to expand the functionality and provide a solution to the problem of increasing the range of operating temperatures and pressure to remove the end of the cable from the sealed volume, simplifying the design.

Краткое описание фигур чертежаBrief description of drawing figures

На фигуре показано устройство для вывода электрического сигнала в разрезе.The figure shows a device for outputting an electrical signal in a section.

Вариант осуществления изобретенияEmbodiment of the invention

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.As shown in FIG. 1, the device contains a cable divided into metal cores 1, mineral insulation 2, metal sheath 3, glass solder 4, housing 5 and metal solder 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.Metal conductors 1, made of heat-resistant metals of the chromel-alumel system, serve directly as conductors of an electrical signal. Each metal core 1 is enclosed in an individual mineral insulation 2 made of magnesium oxide MgO to prevent contact between the metal core 1 and the metal sheath 3. insulation 2 from mechanical damage and high temperature.

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.The space inside the metal shell 3 from the side of the free end is partially filled with solder glass 4 made of a material based on the oxide system BaO-MgO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ . Glass solder 4 hermetically covers the metal core 1 to seal the junction of the metal core 1 and the metal sheath 3, while maintaining the electrical resistance between them. To do this, lay glass solder 4 inside the metal shell 3 to a depth of at least 5 mm.

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.The body 5 is made in the form of a cylinder made of heat-resistant steel 15X28, with a recess, through the holes in the base of which metal shells 3 are passed with insulation 2 and residential 1 inside. Housing 5 serves to fix the device during installation in the wall of a sealed volume (not shown in the figure). The base of the body 5 on the inside is covered with a metal solder 6, made on the basis of the Cu-Ni system, tightly covering the metal shells 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.The form of execution of the body 5 allows to solve the problem of sealing the metal shells 3 in the body 5 with metal solder 6 while maintaining the required operating ranges of pressure and temperature. The developed device was tested when operating under conditions of temperature up to + 900 ° C, pressure up to 2 MPa, while maintaining tightness no worse than 3.6 × 10 ^-8 m ³ × Pa / s and electrical resistance between metal conductors 1 and metal shells 3 not less than 2 MΩ.

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. The refractory materials used, heat-resistant steels 15X28 and 20X23H18, heat-resistant metals of the chromel-alumel system, make it possible to obtain a technical result in the form of an increase in the operating temperature and pressure range, due to the physical properties of these materials and simplify the design.

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. In the proposed device, in comparison with the prototype, additional coatings and auxiliary elements are excluded - a gasket placed close to the inner end of the sealing element, an inorganic fusible coating of glass enamel, a hydrophobic heat-resistant coating. This greatly simplifies the design, while maintaining operability and tightness under conditions of temperatures up to + 900 ° C and pressures up to 2 MPa.

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.Individual sealing of each metal core 1 in a metal sheath 3 makes it possible to obtain a technical result in the form of an increase in the operating temperature and pressure range, due to the possibility of intermediate sealing quality control, as well as simplifying the design by eliminating additional coatings compared to the prototype.

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».When analyzing the prior art, including searching through patent and scientific and technical sources of information, and identifying sources containing information about analogues of the claimed invention, no analogues were found that are characterized by a set of features identical to all the essential features of this invention. This confirms that the claimed invention meets the requirement of "novelty".

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».As a result of the search, no technical solutions were found that contain features that match the set of distinctive essential features of the claimed device. On this basis, it can be concluded that the claimed invention complies with the "inventive step" condition.

Промышленная применимостьIndustrial Applicability

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.The proposed invention can be used to output an electrical signal from a sealed volume in a wide range of temperatures and pressures for use in aviation, space technology, nuclear energy, etc. The proposed version of the device was tested on currently existing equipment using available materials. The tests proved the technical result, the operability of the device and confirmed its industrial applicability.

Claims

1. A device for hermetically sealing the end of a cable, resistant to pressure and temperature, containing metal cores enclosed in metal sheaths and separated from them by mineral insulation, metal sheaths are hermetically connected to the body, characterized in that each metal core is enclosed in an individual metal sheath , the space inside which from the side of the free end is partially filled with solder glass, hermetically enveloping the metal core, the body is made in the form of a cylinder with a recess, metal shells are passed through the holes in the base of which, while the base of the body is coated on the inside with metal solder, hermetically enclosing the metal shells.

2. The device according to claim 1, characterized in that the metal cores are made of Pt-Rh alloy.

3. The device according to claim 1, characterized in that the glass solder is made of a material based on the oxide system BaO-MgO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ .

4. The device according to claim 1, characterized in that the metal solder is made of Cu-Ni material.

5. The device according to claim 1, characterized in that the body is made of steel 15X28.

6. The device according to claim 1, characterized in that the metal shell is made of heat-resistant steel 20X23H18.