Устройство для обеспечения работоспособности приборов в условиях гидростатического давления

Полезная модель относится к устройствам для обеспечения работоспособности приборов в условиях гидростатического давления, в частности, для создания малогабаритных подводных приборов и автономных подводных аппаратов.
Основное назначение подобных устройств в виде подводных корпусов заключается, прежде всего, в разделении сред внутренней полости корпуса и внешней окружающей среды, исключающее их взаимное проникновение друг в друга, способное привести к повышению уровня влажности внутри корпуса, что является критическим фактором при эксплуатации подводных приборов и аппаратов. Разделение сред достигается применением герметичных корпусов и уплотнительных прокладок, обеспечивающих герметичность люков (крышек) и различного рода технологических отверстий, а также электрических разъемов в корпусе.
Для глубоководных приборов также критическим является защита внутренней полости от внешнего гидростатического давления. Совмещенное решение данных задач приводит к использованию прочных герметичных корпусов, обеспечивающих как разделение сред, так и снижение влияния внешнего гидростатического давления. Требование прочности корпуса, особенно для больших глубин, приводит к увеличению его массогабаритных характеристик, и/или увеличению толщины стенок, что отрицательно сказывается как на его эксплуатационных качествах, так и на его минимальных или максимальных размерах при создании глубоководных приборов или подводных аппаратов.
Решение этих задач осуществляется путем изготовления стенок корпусов либо из особо прочных сплавов, либо применения для этих целей различных композиционных материалов. Техническую сложность при этом вызывает герметизация крышек (люков), а также различных технологических отверстий и электрических разъемов. Для вытеснения из корпуса влаги, его внутренняя полость, как правило, заполняется под давлением различными инертными газами, что усложняет технологический процесс изготовления и технологического обслуживания таких корпусов. Для контроля за уровнем влажности в составе помещаемой внутрь такого корпуса аппаратуры включаются различного рода датчики влаги.
С целью уменьшения массогабаритных характеристик подводных корпусов широко применяют композиционные материалы, в частности, известны «Корпус для внешнего давления из композиционных материалов», RU 2441798 C1, В63В 3/13, опубликованный 10.02.2012 г., Бюллетень. №4., и «Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов», RU 2649117 C1, В63В 3/13, В32 1/02, опубликованный 29.03.2018 г., Бюллетень. №10.
В данных патентах рассматриваются различные конструкции корпусов, изготовленных из композиционных материалов, обеспечивающих, прежде всего, снижение массы корпуса и повышение его технологичности и надежности. Их использование позволяет отделить внутренний объем от внешней среды и обеспечить его механическую защиту от внешнего гидростатического давления.
Однако, недостатком этих корпусов является сложность конструкции и технологии изготовления, сложность герметизации крышек (люков), технологических отверстий и электрических разъемов, а также наличие ограничений на минимальные и максимальные размеры корпуса, обусловленные технологическими особенностями применения композиционных материалов.
Известен также корпус подводного аппарата, RU 2133208 C1, В63В 3/13, опубликованный 20.07.1999 г.
Он состоит из ряда обшивок, образующих между собой полости, заполненные жидкостью. Каждая полость обеспечивает снижение давления на определенную величину. В качестве жидкости применено минеральное масло или спирт. Назначение данного корпуса заключается также в отделении внутреннего объема от внешней среды и механическая защита внутренней полости от внешнего гидростатического давления путем снижения его влияния использованием жидкозаполненных оболочек.
Недостатки данного корпуса аналогичны недостаткам корпусов, описанных выше. Кроме того, используемые при этом жидкости огнеопасны и не являются химически нейтральными.
Таким образом, упомянутые выше конструкции обеспечивают разделение внешней и внутренних сред, защиту внутренней среды от внешнего гидростатического давления, а особенности их конструкции требуют применения специальных мер по герметизации крышек (люков), различного рода технологических отверстий и электрических разъемов, а также исключают возможность создавать подводные приборы в различном диапазоне габаритных размеров.
В этой связи, выходом из данной ситуации может стать гидростатическая разгрузка внутреннего объема корпуса от внешней среды путем его полного заполнения жидкостью, что позволит свести функцию корпуса только лишь к разделению внутренней и внешних сред друг от друга и существенно упростить его конструкцию, а также уменьшить массогабаритные характеристики. Заполнение внутреннего объема герметичного корпуса жидкостью обеспечивает его устойчивость устройства к внешнему гидростатическому давлению.
Наиболее близким к заявляемому устройству является «Герметичная камера для наполненных жидкостью приборов» по Авт. свидетельству 319846, G01C 19/20, опубликовано Бюллетень №33.
Камера представляет собой герметичный корпус в виде кожуха, заполненного жидкостью и эластичного элемента, также являющегося элементом герметичного корпуса. Корпус соединен посредством штуцера с источником повышенного давления жидкости или газа. При этом назначение данного корпуса заключается в отделении внутренней полости, заполненной жидкостью, от внешней воздушной среды, а заполняющая жидкость используется для гидростатической разгрузки опор гироскопов и акселерометров, находящихся внутри корпуса.
Признаки полезной модели, совпадающие с признаками данного прототипа:
герметичный корпус;
жидкость;
штуцер.
Помимо непрофильного функционального назначения (не рассматривается подводная эксплуатация), недостатком данного прототипа является его сложность, обусловленная, в свою очередь, наличием прочного герметичного корпуса, наличием эластичного элемента в его составе и источником повышенного давления.
Техническим результатом заявляемого устройства является упрощение конструкции корпуса с одновременным обеспечением работоспособности находящейся внутри него широкой номенклатуры элементов.
3
Это достигается тем, что устройство для обеспечения работоспособности приборов в условиях гидростатического давления содержащее герметичный корпус, заполненный жидкостью, и штуцер, отличается тем, что корпус образован шестью прямоугольными и двумя шестиугольными плоскими гранями в форме упругих мембран одинаковой жесткости, при этом заполняющая жидкость является диэлектриком, негигроскопична, химически нейтральна, нетоксична, негорюча, имеет плотность большую 1 г/см, оптически прозрачна с коэффициентом преломления света не более 1,3 и допускает эксплуатацию при температуре менее минус 60 градусов Цельсия.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 изображен внешний вид устройства, а на фиг. 2 - продольное сечение А-А устройства с установленным прибором.
Устройство (см. фиг. 1) состоит из герметичного корпуса 1 со штуцером 2, образованного в данном случае шестью прямоугольными 3 и двумя торцевыми шестиугольными 4 гранями с упругими гофрированными мембранами.
На фиг. 2 показано продольное сечение устройства А-А, заполняющая кожух жидкость 5 и условно показан прибор 6 с элементами конструкции и элементами его крепления 7, установленный в устройство 1. Стрелками показано направление действия внешнего гидростатического давления.
Конструкция устройства должна, в условиях действия внешнего гидростатического давления, обеспечивать работоспособность находящейся внутри него широкой номенклатуры элементов, образующих малогабаритные приборы и аппараты. Эти элементы могут быть оптическими, электрическими, механическими и другими.
Решение этой задачи достигнуто следующим образом:
защита элементов от внешней среды и гидростатического давления выполнена их погружением в практически несжимаемую жидкость 5 герметичного корпуса 1, (см. фиг. 1, 2), заполняемого через штуцер 2;
работоспособность электронных компонентов обеспечена высокими диэлектрическими свойствами жидкости, ее негорючестью, а также химической нейтральностью;
диэлектрические свойства жидкости, а также возможность изготовления стенок герметичного кожуха тонкими из диэлектрических материалов, обеспечивают возможность применения беспроводных технологий для электропитания аппаратуры и передачи информации, что исключает необходимость применения дополнительных герметичных разъемов;
работоспособность оптических элементов обеспечена оптической прозрачностью жидкости с коэффициентом преломления менее 1.3;
работоспособность устройства при изменении внутреннего объема жидкости, как при изменении температуры жидкости за счет тепла, выделяемого элементами, так и при изменении внешней температуры эксплуатации, обеспечена выполнением граней 3 и 4 корпуса 1 (см. фиг.1, 2) в виде упругих гофрированных мембран с равной жесткостью, а также формой корпуса, образованного шестью прямоугольными и двумя шестиугольными гранями;
герметичность устройства и отсутствие необходимости контроля уровня влажности внутри него обеспечена негигроскопичностью заполняющей жидкости и ее плотностью большей 1,3 г/мл, что выше плотности воды;
работоспособность устройства в не погруженном состоянии, то есть в атмосфере, когда температура может достигать минус 60 градусов Цельсия, что является минимально допустимой температурой работоспособности для большинства оптических и электронных элементов, обеспечивается ее температурой эксплуатации, меньшей минус 60 градусов Цельсия.
Предлагаемая конструкция устройства обеспечивает также возможность достижения его нулевой плавучести путем включения в его состав корректирующих балластов 8 в виде упругих и герметичных резервуаров, заполняемых жидкими или сыпучими веществами различной плотности, имеющих либо положительную, либо отрицательную плавучесть.
Практически корпус устройства изготавливается из легкого, тонкого, но прочного и упругого материала, например, из оргстекла, а в качестве заполняющей жидкости может использоваться сжиженный газ Novec 1230 фирмы 3М. Для дополнительной упругости стенки могут иметь цилиндрические гофрированные фрагменты, показанные на фиг. 1. При этом электронные элементы приборов могут быть как в бескорпусном, так и в корпусном исполнении, при этом они не должны содержать в своей конструкции герметичных внутренних полостей, например, воздушных. Оптические элементы должны быть изготовлены из материала с коэффициентом преломления ориентировочно 1.8 для того, чтобы его отношение к коэффициенту преломления жидкости Novec 1230, равному 1.26, соответствовало отношению коэффициентов преломления оптического стекла и воздуха, равному 1.5. Таким материалом выбран лейкосапфир, однако может быть использовано и стекло марки тяжелый флинт.
Таким образом, промышленная реализация предлагаемого устройства возможна.