ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ВАКУУМНОЕ РЕЛЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-TEMPERATURE HIGH-PRESSURE VACUUM RELAY

Уровень техники
[0001] Настоящее изобретение относится к вакуумным реле, предназначенным для применения в высоковольтных цепях. Электромагнитные реле могут использоваться для переключения высоких электрических токов или высоких напряжений. Эти реле обычно имеют неподвижные и подвижные контакты с приводным механизмом, установленным в герметичной камере. Воздух откачивается из камеры при помощи вакуумного оборудования, а затем камера герметично закрывается, таким образом, чтобы неподвижные и подвижные контакты могли замыкаться/размыкаться в вакуумной среде. Такие реле высокого напряжения используются в различных условиях. Однако эти вакуумные реле не могут выдерживать чрезвычайно высоких температур и высоких давлений.
Краткое описание чертежей
[0002] Фиг. 1 - схематический вид сбоку в аксонометрии высокотемпературного вакуумного реле высокого давления в сборе согласно варианту осуществления, раскрытому в данном описании;
[0003] фиг. 2А и 2В - вид снизу и схематический вид в частичном поперечном разрезе, соответственно, армирующей оболочки в сборе реле в сборе с фиг. 1;
[0004] фиг. 3 - схематический вид сбоку в аксонометрии реле в сборе с фиг. 1, показанного без переходной втулки;
[0005] фиг. 4 - схематический вид сбоку реле в сборе с фиг. 1, показанного без переходной втулки;
[0006] фиг. 5 - схематический вид с частичным поперечным разрезом, показывающий заливку смолой реле в сборе с фиг. 1;
[0007] фиг. 6 - схематический вид в поперечном разрезе, показывающий магнитный приводной элемент реле в сборе с фиг. 1;
[0008] фиг. 7 - схематический вид сбоку армирующей оболочки в сборе для реле в сборе согласно другому варианту осуществления;
[0009] фиг. 8 - блок-схема последовательности операций иллюстративного процесса переоборудования стандартного вакуумного реле высокого напряжения в высокотемпературное вакуумное реле высокого давления согласно варианту осуществления, раскрытому в данном описании;
[0010] фиг. 9А и 9В - схематический вид сбоку в аксонометрии и схематический вид в частичном поперечном разрезе высокотемпературного вакуумного реле высокого давления в сборе согласно другому варианту осуществления, раскрытому в данном описании; и
[0011] фиг. 10 - схематический вид в частичном поперечном разрезе высокотемпературного вакуумного реле высокого давления в сборе согласно еще одному варианту осуществления, раскрытому в данном описании.
Подробное раскрытие предпочтительных вариантов осуществления
[0012] Приведенное ниже подробное описание относится к прилагаемым чертежам. Одинаковые или аналогичные элементы на разных чертежах обозначены одинаковыми ссылочными номерами.
[0013] Традиционные высоковольтные реле не могут эффективно функционировать в условиях чрезвычайно высокого давления и чрезвычайно высокой температуры. Термин «условия чрезвычайно высокого давления», используемый в данном описании, может включать в себя окружающее давление до 25000 фунтов на квадратный дюйм (PSI) или выше, а «условия чрезвычайно высокой температуры» могут включать в себя температуру до 200°С или выше. Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, обеспечивают высоковольтное вакуумное реле, способное работать в таких экстремальных условиях. Обмотка вакуумного реле имеет высокую термостойкость и может работать при чрезвычайно высоких температурах. Кроме того, реле герметизируется термостойким эпоксидным клеем для высокого давления, который не образует пор, чтобы защитить реле от действия давления и обеспечить его надлежащее функционирование в экстремальных условиях.
[0014] Согласно одному из вариантов осуществления реле в сборе содержит корпус реле, переходную втулку, проходное основание и герметизирующую смолу. Корпус реле содержит, по существу, цилиндрический кожух, в котором расположены обмотка и другие внутренние переключающие элементы. Корпус реле содержит фланец, выходящий из части кожуха перпендикулярно к ней, а также множество выводов обмотки, выходящих из конца цилиндрического кожуха. Реле в сборе содержит также, по существу, цилиндрическую переходную втулку, в стенке которой выполнено одно или более отверстий. Первый конец переходной втулки окружает по меньшей мере часть корпуса и соединяется с фланцем. Проходное основание соединяется со вторым концом переходной втулки, закрывая второй конец переходной втулки. Проходное основание содержит множество отверстий, через которые проводник проходит изнутри переходной втулки наружу от переходной втулки, множество контактов, расположенных внутри переходной втулки, соединяя каждый проводник с одним из множества выводов обмотки, и множество изоляторов, примыкающих к каждому из указанных отверстий, через которые проходит по одному проводнику. Фланец, переходная втулка и проходное основание образуют камеру вокруг части кожуха реле, множества контактов и множества выводов обмотки. Смола герметизирует указанную часть кожуха реле, множество контактов и множество выводов обмотки, расположенных в камере.
[0015] На фиг. 1 представлен схематический вид сбоку в аксонометрии высокотемпературного вакуумного реле 100 высокого давления в сборе. Как показано на фиг. 1, реле 100 в сборе содержит корпус 10 реле, в котором имеется фланец 50. Согласно одному варианту осуществления корпус 10 реле частично окружен армирующей оболочкой 110 в сборе.
[0016] На фиг. 2А и 2В показан вид снизу и схематический вид в частичном поперечном разрезе армирующей оболочки 110 в сборе. Как видно на фиг. 2А и 2В, армирующая оболочка 110 в сборе содержит переходную втулку 102, проходное основание 104, множество контактов 106-1 - 106-4 (вместе называемых в настоящем документе «контактами 106», а обобщенно - «контактом 106»), множество проводников 108-1 - 108-4 (вместе называемых в настоящем документе «проводниками 108», а обобщенно - «проводником 108»), множество изоляторов 112-1 - 112-4 (вместе называемых в настоящем документе «изоляторами 112», а обобщенно - «изолятором 112»), множество отверстий 114-1 и 114-2 в переходной втулке 102 (вместе называемых в настоящем документе «отверстиями 114», а обобщенно - «отверстием 114») и фланец 116.
[0017] Переходная втулка 102 может в общем представлять собой открытый цилиндр с фланцем 116, выполненным на одном конце, и с проходным основанием 104, присоединенным к другому концу. Проходное основание 104 может иметь форму диска и может быть приварено, припаяно или иным способом присоединено к переходной втулке 102 во время изготовления реле 100 в сборе. В одном из вариантов осуществления переходная втулка 102 и проходное основание 104 могут быть выполнены из прочного коррозионно-стойкого материала с хорошей свариваемостью, в частности, из низкоуглеродистой нержавеющей стали. Например, переходная втулка 102 и проходное основание 104 могут быть изготовлены из нержавеющей стали марки 304L по классификации Института железа и стали США (AISI).
[0018] Проходное основание 104 может содержать множество отверстий, через которые могут проходить проводники 108. Каждый проводник 108 может содержать контакт 106, который расположен внутри армирующей оболочки 110 в сборе (например, внутри переходной втулки 102). Каждый контакт 106 может быть выполнен с возможностью приема выводов (например, выводов 60 на фиг. 3 и 4), выходящих из корпуса 10. Так, например, каждый из контактов 106 может быть выполнен с возможностью скользящей посадки на вывод стандартного размера (например, для вывода диаметром 0,025 дюйма), чтобы обеспечивать электрическое соединение между выводом и соответствующим проводником 108. Скользящая посадка может создавать электрический контакт, что обеспечивает перемещение за пределы начальной точки касания. Каждый контакт 106 может представлять собой гибкий трубчатый контакт, поверхность которого скользит вдоль соответствующего вывода 60 при его вставлении. Каждый проводник 108 может содержать электропроводный штифт, который проходит от одного из контактов 106 через проходное основание 104. В одном из вариантов осуществления контакты 106 и проводники 108 могут быть выполнены из прочных коррозионно-стойких электропроводных материалов. Например, контакты 106 могут быть выполнены из нержавеющей стали марки AISI 17-7, а проводники 108 - из нержавеющей стали марки AISI 330.
[0019] В каждом отверстии проходного основания 104, через которое проходит проводник 108, могут быть предусмотрены изоляторы 112. Каждый изолятор 112 может предотвращать электрический контакт между соответствующим проводником 108 и проходным основанием 104. Каждый изолятор 112 может быть выполнен, например, из неэлектропроводного стеклянного/керамического материала, полимерного или пластикового материала и т.п. В одном из вариантов осуществления каждый изолятор 112 может быть припаян к проходному основанию 104, примыкающему к отверстиям проходного основания 104.
[0020] Как раскрыто ниже в настоящем документе, отверстия 114, выполненные в переходной втулке 102, могут обеспечивать вход для эпоксидной смолы и выход для воздуха после соединения оболочки 110 в сборе с фланцем 50. Отверстия 114 могут быть в общем ориентированы между проводниками 108 на противоположных сторонах переходной втулки 102 (например, смещены на 180°). Фланец 116 в общем может проходить в боковом направлении от открытого конца переходной втулки 102, чтобы обеспечить поверхность сварки/пайки, которая может быть присоединена к фланцу 50.
[0021] На фиг. 3 показан схематический вид сбоку в аксонометрии реле 100 в сборе с удаленной для наглядности переходной втулкой 102, а на фиг. 4 - вид сбоку реле 100 в сборе также с удаленной для наглядности переходной втулкой 102. Как видно на фиг. 3 и 4, корпус 10 может содержать кожух 20 обмотки, изоляторы 30, контакты 40, фланец 50 и выводы 60-1 - 60-4 (вместе называемые в настоящем документе «выводами 60», а обобщенно - «выводами 60»). Кожух 20 обмотки может содержать магнитный приводной элемент (например, магнитный приводной элемент 22, показанный на фиг. 6). Кожух 20 обмотки может быть соединен с одним из изоляторов 30 на фланце 50. Изоляторы 30 могут содержать коммутационную арматуру и другие элементы, которые обеспечивают селективные электрические соединения с контактами 40 (например, с нормально разомкнутыми и/или нормально замкнутыми контактами). Фланец 50 может проходить перпендикулярно в наружном направлении за пределы диаметра кожуха 20 обмотки и/или изоляторов 30. Фланец 50 может обеспечивать точку соединения кожуха 20 обмотки с одним из изоляторов 30. Как раскрыто ниже со ссылкой на фиг. 5, фланец 50 может также обеспечивать точку соединения для сопряжения переходной втулки 102 с фланцем 116. Множество выводов 60 могут выходить из нижней части (например, в ориентации, показанной на фиг. 3 и 4) кожуха 20 обмотки. Контакты 106 оболочки 110 в сборе могут совмещаться с выводами 60, при этом в каждый из контактов 106 может входить соответствующий вывод 60.
[0022] Как показано на фиг. 1-4, кожух 20 обмотки, изоляторы 30, фланец 50, переходная втулка 102 и проходное основание 104 могут быть расположены симметрично относительно общей центральной оси. Переходная втулка 102 в общем может иметь цилиндрическую форму. Оболочка 110 в сборе может быть открытой на одном конце переходной втулки 102, при этом фланец 116 проходит перпендикулярно в наружном направлении от переходной втулки 102. Проходное основание 104 может быть присоединено к другому концу переходной втулки 102, чтобы закрывать один конец оболочки 110 в сборе.
[0023] Оболочка 110 в сборе выполнена так, чтобы покрывать нижнюю часть корпуса 10. Более конкретно, переходная втулка 102 может окружать кожух 20 обмотки и выводы 60 корпуса 10. В одном варианте осуществления переходная втулка 102 выполнена с возможностью скольжения по концу кожуха 20 обмотки, чтобы обеспечить контакт фланца 116 с фланцем 50. При этом оболочка 110 в сборе может быть присоединена к фланцу 50 на фланце 116. В одном аспекте фланец 116 может быть припаян к фланцу 50. В другом аспекте фланец 116 может быть приварен к фланцу 50.
[0024] На фиг. 5 показан схематический вид в частичном поперечном разрезе реле 100 в сборе, демонстрирующем камеру 118. Оболочка 110 в сборе может образовывать камеру 118 вокруг кожуха 20 обмотки, выводов 60, контактов 106 и частей проводников 108, которые не проходят через проходное основание 104. Камера 118 может образовать область герметизации эпоксидной смолой части релейного переключателя 10, выводов 60, контактов 106 и/или проводников 108 в камере 118. Камера 118 может быть открыта для доступа воздуха через отверстия 114 (фиг. 2В). В конфигурациях, раскрытых в данном описании, отверстия 114 в переходной втулке 102 могут быть использованы для впрыскивания смолы 120 в камеру 118. В одном из вариантов осуществления смола 120 (показанная заштрихованной областью на фиг. 5) может содержать термопластичную полиэфиримидную смолу, которая после впрыскивания в камеру 118 и отверждения может выдерживать высокие температуры (например, по меньшей мере 200°С) и высокие давления (например, по меньшей мере 25000 фунтов на квадратный дюйм).
[0025] На фиг. 6 показан схематический вид в поперечном разрезе магнитного приводного элемента 22 реле 100 в сборе. Магнитный приводной элемент 22 может быть расположен в корпусе 10 внутри кожуха 20 обмотки. Как показано на фиг. 6, магнитный приводной элемент 22 может содержать внутреннюю обмотку 24 и наружную обмотку 26, расположенные в герметике 28. Магнитный приводной элемент 22 может перемещать внутренние переключающие элементы для селективной коммутации электрических контактов 40 (см., например, фиг. 4) и/или выводов 60. Внутренняя обмотка 24 и наружная обмотка 26 могут содержать провод с высокой термостойкостью и максимальной рабочей температурой по меньшей мере 200°С. В иллюстративном варианте осуществления обе обмотки 24 и 26 могут иметь номинальное напряжение 26,5 В постоянного тока и сопротивление около 80 Ом. Внутренняя обмотка 24 может содержать 1400 витков провода размера 39 по американскому стандарту проводов (AWG), в то время как наружная обмотка 26 может содержать 525 витков провода размера 41,5 AWG. Герметик 28 может содержать термореактивный материал, в частности, смолу 9405 FIBERITE EPON, или аналогичный термореактивный материал. Герметик 28 может быть отвержден, и собранный магнитный приводной элемент 22 может быть вставлен в кожух 20 обмотки перед установкой переходной втулки 102 на кожух 20 обмотки. При этом следует понимать, что исходя из данного варианта осуществления, могут быть использованы обмотки 24 и 26, имеющие другие характеристики.
[0026] На фиг. 7 показан схематический вид сбоку армирующей оболочки в сборе 710 для реле 100 в сборе, согласно другому варианту осуществления, раскрытому в данном описании. Армирующая оболочка 710 в сборе содержит верхнюю переходную втулку 702, нижнюю переходную втулку 704, проходное основание 104, множество контактов 106, множество проводников 108, множество изоляторов 112, множество отверстий 114 и фланец 116. Армирующая оболочка 710 в сборе может быть выполнена аналогично армирующей оболочке 110 в сборе, раскрытой выше, за исключением того, что верхняя переходная втулка 702 и нижняя переходная втулка 704 могут быть установлены отдельно и соединены при помощи сварного шва 706. Верхняя переходная втулка 702 может содержать отверстия 114 и фланец 116 с конфигурацией, аналогичной конфигурации в переходной втулке 102, раскрытой выше. Нижняя переходная втулка 704 может быть присоединена к проходному основанию 104 с контактами 106, проводниками 108 и изоляторами 112, выполненными, как раскрыто выше, например, применительно к фиг. 2А-В.
[0027] Таким образом, в конфигурации, показанной на фиг. 7, нижняя переходная втулка 704 и проходное основание 104 могут быть собраны в виде чашки 708, содержащей контакты 106, проводники 108 и изоляторы 112. Верхняя переходная втулка 702 может быть присоединена по фланцу 116 к корпусу 10 на фланце 50 (например, аналогично показанному на фиг. 1); контакты 108 могут быть совмещены с выводами 60, выходящими из корпуса 10, и соединяться с ними, при этом чашка 708 может быть присоединена к открытому концу (например, к концу, противоположному фланцу 116) верхней переходной втулки 702 путем отдельной сварочной операции.
[0028] На фиг. 8 показана блок-схема последовательности операций иллюстративного процесса 800 переоборудования стандартного вакуумного реле высокого напряжения в высокотемпературное вакуумное реле высокого давления согласно варианту осуществления, раскрытому в настоящем документе. Как показано на фиг. 8, процесс 800 может содержать обеспечение стандартного высоковольтного релейного переключателя, рассчитанного на требуемое напряжение (блок 810), и замену обмотки в сборе стандартного высоковольтного реле на термостойкую обмотку в сборе (блок 820). Так, например, может быть выбрано высоковольтное реле, предназначенное для определенного применения, в частности, релейный переключатель 10. Стандартную обмотку высоковольтного реле можно заменить магнитным приводным элементом 22, содержащим внутреннюю обмотку 24 и наружную обмотку 26 из термостойкой проволоки с максимальной рабочей температурой по меньшей мере 200°С.
[0029] Процесс 800 может также содержать обеспечение армирующей оболочки в сборе, предназначенной для стандартного высоковольтного релейного переключателя (блок 830), и соединение выводов стандартного высоковольтного релейного переключателя с контактами в армирующей оболочке (блок 840) в сборе, а также присоединение оболочки в сборе через часть высоковольтного релейного переключателя, чтобы получить камеру между внутренней частью оболочки в сборе и частью высоковольтного релейного переключателя (блок 850). Для обеспечения требуемых физических размеров (в частности, осевой длины, диаметра цилиндра, количества/размеров выводов и т.п.) релейного переключателя 10 можно выбрать, например, оболочку 110 в сборе или оболочку 710 в сборе. Оболочка 110/710 в сборе может содержать цилиндрическую переходную втулку (например, переходную втулку 102/верхнюю переходную втулку 702) с отверстиями 114 в ее стенке. Цилиндрическая переходная втулка может также содержать проходное основание 104, которое содержит ряд проводников 108 с контактами 106. Оболочка 110/710 в сборе может перемещаться по концу релейного переключателя 10, чтобы соединять контакты 106 с выводами 60. Как показано, например, на фиг. 5, верхняя часть камеры в сборе может быть соединена (например, приварена/припаяна) на границе фланцев 50 и 116. В другом варианте осуществления фланцы 50 и 116 могут быть соединены до соединения контактов 106 с выводами 60 и проходного основания 104/чашки 708 с переходной втулкой 102/верхней переходной втулкой 702. Если оболочка 110/710 в сборе прикреплена к релейному переключателю 10, то образуется воздушная камера 118, доступ к которой является открытым через отверстия 114.
[0030] Процесс 800 может также содержать впрыскивание через одно из отверстий в камере термостойкой и высокоустойчивой к давлению эпоксидной смолы для герметизации части высоковольтного релейного переключателя, выводов и контактов (блок 860). Так, например, через одно из отверстий 114 может быть осуществлен впрыск термопластичной полиэфиримидной смолы 120. Воздух может выходить через другие отверстия 114, чтобы обеспечивать беспористую герметизацию. Если термопластичная полиэфиримидная смола 120 впрыскивается и отверждается в камере 118, то реле 100 в сборе может работать при высоких температурах (например, по меньшей мере 200°С) и высоких давлениях (например, по меньшей мере 25000 фунтов на квадратный дюйм).
[0031] На фиг. 9А и 9В показаны схематический вид сбоку в аксонометрии и схематический вид в частичном поперечном разрезе высокотемпературного вакуумного реле 900 высокого давления в сборе согласно другому варианту осуществления, раскрытому в данном описании. На фиг. 9А и 9В видно, что в одном варианте осуществления, реле 900 в сборе может содержать все элементы реле 100 в наружном корпусе 910. Наружный корпус 910 может содержать, например, цилиндрическую трубку 912, закрытую на обоих концах крышками 914 и 916. Могут быть также использованы и другие формы наружного корпуса 910.
[0032] Наружный корпус 910 может быть изготовлен из термостойкого пластичного материала, в частности, из термопластичного материала, стойкого к деформации при температуре до 200°С. В одном из вариантов осуществления наружный корпус 910 может быть  сформован из термопластичной полиэфиримидной смолы 120 или из аналогичного материала. Трубка 912, крышка 914 и крышка 916 могут быть изготовлены из одного материала или из различных материалов. В одном из вариантов осуществления крышки 914 и 916 могут быть прикреплены к трубке 912, например, посредством резьбового соединения, склеивания, сварки и т.п.
[0033] Наружный корпус 910 может образовывать камеру 918, окружающую реле 100 в сборе. Согласно одному варианту осуществления камера 918 может быть заполнена одной или более эпоксидными смолами, которые при отверждении образуют термореактивный полимер 920. Термореактивный полимер 920 может окружать, в частности, проводники 108, изоляторы 112 и контакты 40 внутри камеры 918. В некоторых вариантах осуществления одна или более из следующих деталей: трубка, 912, крышка 914 или крышка 916, могут содержать отверстие для ввода эпоксидной смолы. В других вариантах осуществления крышка 914 и/или крышка 916 могут прикрепляться к трубке 912 после добавления эпоксидной смолы для образования термореактивного полимера 920.
[0034] Как показано на фиг. 9В, провода 922 обмотки могут проходить через наружный корпус 910 (например, через крышку 916) и присоединяться к проводникам 108 на соединителях 924. При этом соединители 924 и часть проводов 922 обмотки также могут быть герметизированы в термореактивном полимере 920 внутри камеры 918. Аналогично этому провода 926 могут быть соединены с контактами 40, таким образом, часть проводов 926 и контакты 40 могут быть герметизированы в термореактивном полимере 920 внутри камеры 918. В одном из вариантов осуществления сквозные отверстия (не обозначены) могут быть просверлены в части корпуса 910 для прохождения проводов 922/926. Провода 922 обмотки могут быть соединены с проводниками 108, а провода 926 могут быть соединены с контактами 40 перед вводом эпоксидной смолы для образования термореактивного полимера 920 в камеру 118.
[0035] В одном из вариантов осуществления, наружный корпус 910 может быть установлен на реле 100 в сборе, например, после окончания операций процесса 800. В другом варианте осуществления, показанном на фиг. 10, наружный корпус 910 и термореактивный полимер 920 могут быть выполнены поверх корпуса 10 без использования армирующей оболочки 110 в сборе. В этом варианте осуществления выводы 60 могут быть присоединены непосредственно к проводам 922 обмотки (например, через соединители 924), таким образом, переходную втулку 102, проходное основание 104, контакты 106, проводники 108, изоляторы 112 и смолу 120 можно исключить из конфигурации, показанной на фиг. 9А и 9В.
[0036] Приведенное выше раскрытие примерных вариантов осуществления служит в качестве иллюстрации и пояснения, однако, оно не является исчерпывающим и не ограничивает варианты осуществления изобретения, представленные в настоящем документе, конкретным раскрытым видом. Различные модификации и изменения возможны в свете вышеуказанных положений или могут быть получены из практической реализации вариантов осуществления. Так, например, варианты осуществления, представленные в настоящем документе, раскрыты применительно к высокотемпературной среде с высоким давлением. В других случаях варианты осуществления могут быть также использованы в сочетании с другими устройствами и при других окружающих условиях, в частности, для средне- или низковольтного оборудования и/или для средне-/низкотемпературной окружающей среды или для окружающей среды со средним/низким давлением.
[0037] Варианты осуществления раскрыты в настоящем документе, главным образом, в контексте переоборудования стандартного релейного переключателя в релейный переключатель, пригодный для использования в условиях высокой температуры и высокого давления. В других вариантах осуществления аналогичный релейный переключатель для высокой температуры и высокого давления может быть изготовлен в виде оригинального элемента.
[0038] Выше приведено подробное описание изобретения, однако, для специалистов в данной области техники очевидно, что это изобретение может быть модифицировано без отклонения от его сути. Различные изменения формы, дизайна или конструкции могут быть внесены в изобретение без отклонения от его сути и объема. Поэтому вышеуказанное описание следует рассматривать как иллюстративное, а не как ограничительное, при этом действительный объем изобретения определяется следующей далее формулой изобретения.
[0039] Никакой элемент, действие или указание, используемые в описании настоящей заявки, не следует рассматривать как критичные или важные для изобретения, если это не указано в явной форме. Кроме того, при указании одного элемента может подразумеваться использование одного или более элементов. Используемый в описании термин «исходя из» следует понимать как «исходя по меньшей мере частично из» если иного не указано в явной форме.