ГЕРМЕТИЧНЫЙ КОММУТАЦИОННЫЙ РАЗЪЁМ

Полезная модель относится к области электронной промышленности и может использоваться для выпуска радиоэлектронных компонентов, в частности, герметичных многоэлементных разъемов штепсельного типа, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях.
В современных инженерных войсках используется множество современных устройств, скрытых от наружного наблюдателя и предназначенных для сбора информации о противнике. Указанные устройства могут быть соединены между собой в единый комплекс и предназначены, например, для контроля за несанкционированным пересечением границы. Для выполнения указанной задачи, используется специальные устройства, находящиеся непосредственно в контакте с почвой, например сейсмодатчики, соединенные с базовыми устройствами посредством радиоканала. Поскольку участки границ походят через различные геолого-географические зоны (болота, леса, горы и пр.), к датчикам, расположенным в почве предъявляются самые жесткие требования. Не менее жесткие требования предъявляются и к используемым в них герметичным многоэлементным разъемам. К указанным разъемам предъявляется ряд следующих жестких требований.
Во-первых, известно, что все автономные устройства (датчики) нуждаются в периодической замене элементов питания или полной замене вышедших из строя датчиков, а их территориальное размещение жестко привязано к карте местности. Указанная замена всегда происходит непосредственно в полевых условиях и практически в любую погоду (в дождь, в слякоть, стоя в грязи или в луже воды или в болотине). Сначала определяются точные координаты нахождения устройства, затем оно извлекается из почвы, размыкается герметизированный разъем, соединяющий датчик с элементом питания и заменяется сам датчик или его элемент питания. Во время указанной замены, не исключено, что одна из частей разъема может случайно упасть в грязь или в воду, но после ее очистки (протирки) пальцем или подручными средствами, разъем должен сохранять работоспособность и абсолютную надежность.
Во-вторых, для выполнения вышеописанной задачи, разъем должен быть абсолютно герметичным, т.к. датчик длительное время (от нескольких месяцев до нескольких лет) находится в почве в различных природно-климатических условиях, а любое нарушение герметичности, за счет коррозионных процессов, очень быстро приведет к выходу устройства из строя. Это связано с тем, что некоторые контакты разъема используются для соединения устройства с элементом питания. При окислении контактов их сопротивление резко возрастает (практически все окислы металлов являются хорошими диэлектриками) и контакты разъема фактически отключают устройство от источника питания (потребляемый ток устройства становится бесконечно малым).
В-третьих, предполагаемый температурный перепад режима работы разъема, в зонах резко континентального климата, может находиться от минус 50°C зимой до плюс 50°C летом. Разъем в этих условиях должен обеспечивать абсолютную герметичность и надежность.
Известен штепсельный разъем типа «тюльпан» (см. патент RU 2491675, кл. H01H 1/38, 2013 г.), содержащий соединяемые между собой штекерную и гнездовую части. Штекерная часть представляет собой выступающее вперед множество наружных и внутренних контактов. Гнездовая часть содержит контакты, которые зажимаются между наружными и внутренними контактами штекерной части при замыкании разъема. Таким образом, гнездовая и штекерная части плотно соединяются между собой. Устройство разъема имеет в основании штекерной части пару отверстий под шипы (ключи), установленные на гнездовой части в целях замыкания разъема в строго заданном положении. Основными достоинствами такого разъема можно считать простоту процедуры замыкания и размыкания разъема, а так же хорошую вентиляцию для отвода тепла, что позволяет разъему бесперебойно функционировать в условиях высокой температуры окружающей среды.
Основными недостатками известного разъема типа «тюльпан» можно считать, во-первых, отсутствие герметичности, т.к. имеющиеся в разъеме отверстия, обеспечивающие воздушную вентиляцию, исключают возможность герметичности разъема.
Во-вторых, в случае загрязнения любой из частей разъема типа «тюльпан», произвести его очистку можно только при наличии специальных средств, таких, например, как ветошь, спиртовой раствор, шило или другое жесткое приспособление для прочистки труднодоступных мест разъема ветошью.
В третьих, в условиях низких температур (до минус 50°C) и достаточной влажности окружающей среды, на вентиляционных отверстиях разъема будет намораживаться лед, что может привести к замыканию соседних контактов, а также их быстрому окислению.
Известен электрический соединительный разъем, оборудованный устройством защиты от загрязнения (см. патент RU 2446527, кл. H01P 13/52, 2012 г.). Данное изобретение содержит штекерную часть, оборудованную первичными контактами (металлическими штырями) и гнездовую часть, оборудованную вторичными контактами, выполненными с возможностью соединения с первичными контактами (подпружиненными полыми цилиндрами, в которые плотно вставляются штыри штекерной части). Разъем интересен тем, что содержит клапан, закрывающий гнездовую часть от загрязнения, когда разъем разомкнут, и кольцевую муфту, одевающуюся на штекерную и гнездовую части, Когда разъем замкнут.Основным достоинством такого разъема является защита от загрязнения гнездовой части в разомкнутом состоянии, а так же штекерной и гнездовой частей в замкнутом состоянии.
Основными недостатками известного электрического соединительного разъема, оборудованного устройством защиты от загрязнения, можно считать, во-первых, высокую вероятность загрязнения в полевых условиях штекерной части, когда разъем разомкнут. Это может исключить возможность использования разъема в полевых условиях, т.к. процедура очистки штекерной части потребует наличия времени и специальных средств (например, ветошь, спиртовой раствор, шило или другое жесткое приспособление для прочистки труднодоступных мест штекерной части разъема ветошью).
Во-вторых, в процессе замыкания разъема в проводящей среде (например, в водоеме или под проливным дождем), под кольцевую муфту может попасть токопроводящая жидкость, что приведет к нарушению герметизации с возможным неконтролируемым замыканием контактов и будущей коррозии.
Известен кабельный разъем для работы в проводящей среде (см. патент RU 2260231, кл. H01K 13/52, 2005 г.). Данный разъем состоит из гнездовой и штекерной части. Штекерная часть представляет собой штык, заостренный на конце. Внешняя поверхность штыка является контактной и поперек штыка разделяется изоляционными кольцами на необходимое количество контактов. Гнездовая часть представляет собой отверстие под штык и заполнена изолирующей жидкостью, выйти наружу которой препятствует эластичная мембрана, герметично закрывающая входное для штыка отверстие. Контакты внутри гнездовой части исполняются в виде колец, обхватывающих штык в разных местах по его длине. Штекерная часть при замыкании разъема пробивает эластичную мембрану и вытесняет изолирующую жидкость из гнездовой части подобно поршню. Часть жидкости после замыкания остается внутри разъема и предохраняет контакты от неконтролируемого замыкания. Основным достоинством данного изобретения является возможность замыкания разъема, погруженного в жидкую проводящую среду (воду, грязь и пр.).
Основным недостатком известного кабельного разъема для работы в проводящей среде является, во-первых, отсутствие возможности повторного размыкания/замыкания разъема. В результате первого замыкания эластичная мембрана будет пробита, следовательно, если разъем разомкнуть, мембрана не сможет препятствовать проникновению внутрь разъема внешней токопроводящей среды, что приведет к неконтролируемому замыканию контактов и будущей коррозии.
Наиболее близким к заявляемому, является разъем Easy-Clean Version, компании ODU AMC (см. Каталог продукции фирмы «ODU для военных целей: http://www.odu.ru/fileadmin/downloadcenter/kataloge/1728_Katalog-AMC_Web.pdf стр. 43-45). Разъем состоит из штекерной и гнездовой частей. Штекерная часть содержит цилиндрический выступ, на торце которого располагаются пятнами поверхности нескольких контактов. Гнездовая часть содержит ответную полость под цилиндр штекерной части, на дне которой располагаются подпружиненные штыри - ответные контакты. Когда штепсельная часть вставляется в гнездовую, подпружиненные штыри топятся на дне полости гнездовой части, упираясь в контактные поверхности на торце цилиндра штекерной части. Чем глубже топятся подпружиненные штыри гнездовой части, тем сильнее усилие, с которым они упираются в ответные контакты на штекерной части. Между внешней поверхностью выступающей цилиндрической части и внутренней поверхностью ответной полости имеется уплотнительное кольцо, обеспечивающее герметичность разъема, а так же его фиксацию в замкнутом состоянии. Чтобы избежать попадания влаги и грязи в разомкнутом состоянии в цилиндрическую полость гнездовой части, имеется возможность закупоривания полости клапаном-пробкой (см. там же, стр. 54). Основным достоинством данного изобретения является возможность очистки штекерной части, используя только руки пользователя. В сочетании с герметичностью разъема данное преимущество позволяет использовать его достаточно эффективно в полевых условиях.
Основным недостатком разъема Easy-Clean Version является утрата работоспособности разъема при случайном попадании жидкости и/или грязи в полость его гнездовой части после размыкания разъема и до того, как его гнездовая часть будет закупорена клапаном-пробкой. В таком случае, особенно с учетом малых габаритов гнездовой части разъема, ее очистка в полевых условиях подручными средствами практически невозможна.
Задачей заявляемого технического решения является устранение вышеуказанного недостатка, а именно, многократное повышение надежности и работоспособности герметичного коммутационного разъема при его эксплуатации в полевых условиях.
Указанная задача в герметичном коммутационном разъеме, содержащем штекерную и гнездовую части, герметично соединяемые между собой с возможностью фиксации в строго заданном положении, решена тем, что штекерная часть представляет собой наконечник, на наружной поверхности которого размещены контакты, а гнездовая часть выполнена в форме полости, обхватывающей наконечник, на внутренней поверхности которой установлены ответные контакты, при этом либо наконечник, либо охватывающая его полость, либо наконечник и охватывающая его полость, выполнены из упругого материала, а на их сопрягаемых поверхностях герметично залиты и/или установлены контакты.
Выполнение разъема из двух частей, в виде наконечника и охватывающего его полости, позволяет разместить на их сопрягаемых поверхностях несколько пар легко очищаемых контактов, а выполнение хотя бы одной из сопрягаемых частей разъема из упругого материала позволяет обеспечить гарантированный герметичный прижим контактов друг к другу. Для выполнения этого условия либо наконечник штекерной части либо охватывающая его полость гнездовой части разъема либо наконечник и полость одновременно должны быть выполнены из упругого материала, в качестве которого может быть использован силикон или полиуретан. В случае применения силикона или полиуретана, контакты герметично заливаются в форме с образованием единого монолитного тела.
Допустимо совместное использование упругой части разъема с сопрягаемой с ней частью из неупругого (жесткого) материала, типа полиамида или стеклотекстолита. В этом случае контакты в неупругую часть разъема устанавливаются по плотной посадке в отфрезерованные пазы.
Для различных реализаций разъема, наконечник его штекерной части может иметь различную форму и типоразмеры: в виде цилиндра, либо полусферы, либо усеченного конуса, либо усеченной пирамиды, либо многогранной призмы, а форма полости ответной части разъема соответственно повторяет форму и типоразмеры наконечника. Различная форма и типоразмеры наконечников разъемов позволяют на одном и том же устройстве использовать несколько разных типов разъемов, что полностью исключает случайное неправильное подключение отдельных частей устройства между собой.
Заявляемый разъем для различных реализаций может быть выполнен как симметричным, так и ассиметричным. В случае его выполнения в виде симметричного разъема продольная ось наконечника штекерной части и охватывающей его полости гнездовой части совпадают с продольной осью разъема, при этом на сопрягаемых поверхностях обеих частей расположен один или несколько ключей положения, позволяющих их зафиксировать в строго заданном положении друг относительно друга.
В случае выполнения разъема ассиметричным, продольная ось наконечника штекерной части и охватывающей его полости гнездовой части установлена эксцентрично относительно продольной оси разъема. При таком выполнении разъема отпадает необходимость применения ключей положения, позволяющих зафиксировать наконечник в строго заданном положении относительно охватывающей его полости. Отсутствие ключей положения позволяет увеличить количество контактов разъема.
На фиг. 1-12 представлены различные варианты выполнения заявляемого разъема.
На фиг. 1 представлен схематичный разрез заявляемого разъема с упругим наконечником и неупругой (жесткой) охватывающей его полостью, где: 1 - штекерная часть разъема с упругим наконечником 2, на наружной поверхности которого размещены контакты 3; внутри штекерной части от контактов 3 отходят проводники 4, которые собираются в кабель 5; соединение штекерной и гнездовой частей разъема осуществляется при помощи накидной гайки 6 (показана условно штрихпунктиром), которая удерживается кольцевым буртиком 7 кольцевой втулки 8; 9 - элементы штекерной части разъема, выполненные из жесткой пластмассы; 10 - фрагмент штекерной части, выполненный из упругой пластмассы; 11 - гнездовая часть разъема, внутри которой из жесткой пластмассы 12 сформирована охватывающая наконечник 2 жесткая полость 13, на внутренней поверхности которой установлены ответные контакты 14, соединенные проводниками 15 с кабелем 16; для навинчивания накидной гайки 6 использована кольцевая втулка 17 с резьбой 18.
На фиг. 2 представлен схематичный разрез заявляемого разъема с жестким наконечником и упругой охватывающей его полостью, где: 19 - жесткий наконечник; 20 - фрагменты штекерной части, выполненные из жесткой пластмассы; 11 - гнездовая часть разъема, внутри которой из упругой пластмассы 21 сформирована охватывающая наконечник 19 полость 22; 23 - элементы гнездовой части, которые выполнены из жесткой пластмассы.
На фиг. 3 представлен схематичный разрез заявляемого разъема с упругим наконечником и упругой охватывающей его полостью.
На фиг. 4 и 5 представлен вариант выполнения заявляемого разъема, части которого 1а и 11а соединяются строго в заданном положении при помощи элементов ключа 24а и 24б, а затем в данном положении фиксируются накидной гайкой 6.
На фиг. 6 представлен вариант выполнения заявляемого разъема, части которого 1б и 11б соединяются строго в заданном положений при помощи ключа 24 и байонетного замка, при котором соединение частей разъема происходит посредством осевого перемещения частей 1б и 11б за счет поворота фиксирующего кольца 25 с профильным пазом 26 и входящим в него выступом 27, расположенного на гнездовой части разъема.
На фиг. 7-12 представлены различные варианты выполнения штекерной части заявляемого разъема (накидная гайка 6 или байонетное кольцо 25, условно не показаны).
На фиг. 7 наконечник 28 выполнен в форме цилиндра, продольная ось которого совпадает с продольной осью разъема, а для соединения частей разъема в строго заданном положении используется элемент ключа 24а.
На фиг. 8 наконечник 29 выполнен в форме полусферы, продольная ось которой совпадает с продольной осью разъема, а для соединения частей разъема в строго заданном положении используется элемент ключа 24а.
На фиг. 9 наконечник 30 выполнен в форме усеченного конуса, продольная ось которого не совпадает с продольной осью разъема (установлена эксцентрично относительно продольной оси разъема), что позволяет соединять части разъема в строго заданном положении без использования ключа положения.
На фиг. 10 наконечник 31 выполнен в форме полусферы, продольная ось которой не совпадает с продольной осью разъема, что позволяет соединять части разъема в строго заданном положении без использования ключа положения.
На фиг. 11 наконечник 32 выполнен в форме усеченной шестигранной пирамиды, продольная ось которой не совпадает с продольной осью разъема, что позволяет соединять части разъема в строго заданном положении без использования ключа положения.
На фиг. 12 наконечник 33 выполнен в форме шестигранной призмы, продольная ось которой не совпадает с продольной осью разъема, что позволяет соединять части разъема в строго заданном положении без использования ключа положения.
Операции соединения и рассоединения частей 1а и 11а заявляемого разъема рассмотрим на примере фиг. 4 и 5. Оператор одной рукой удерживает гнездовую часть 11а разъема, а другой - вставляет в нее наконечник 2 штекерной части разъема 1а с соблюдением положения элементов ключа 24а и 24б. Сопряжение обеих частей разъема происходит по плотной посадке, что требует от оператора приложения определенных физических усилий. После этого фиксация соединения частей 1а и 11а разъема завершается навинчиваемой накидной гайки 6. Поскольку наконечник 2 штекерной части 1 разъема (см. фиг. 1) выполнен из упругого пластика 10, а охватывающая наконечник 2 полость 13 из жесткого пластика 12 или (см. фиг. 3) охватывающая наконечник 2 полость 22 выполнена из упругого пластика 21, обеспечивается плотный охват наконечника 2 и гарантированное соединение между собой пар контактов 3 и 14. Рассоединение частей 1а и 11а разъема происходит в обратном порядке. Сначала отвинчивается накидная гайка 6, а затем усилием обеих рук оператор выдергивает наконечник 2 штекерной части 1а из гнездовой части 11а разъема.
Аналогичным образом соединяется и рассоединяется разъем с байонетным соединителем, представленный на фиг. 6. Основным отличием является то, что финишное соединение частей 1б и 11б завершается поворотом кольца 25 с профильным пазом 2б, в котором находится выступ 27. Рассоединение обеих частей 1б и 11б разъема происходит в обратном порядке. Сначала поворачивается кольцо 25 таким образом, чтобы из зацепления вышел выступ 27, а затем оператор выдергивает наконечник 2 штекерной части 16 разъема из гнездовой части 11б.
Работоспособность заявляемого разъема была опробована на макете заявляемого устройства, представленного на фиг. 3 и 4. Макет был выполнен с 12 контактами, расположенными на цилиндрическом наконечнике диаметром 16 мм, при общем диаметре разъема 22 мм. В качестве упругого материала для наконечника штекерной части использовался силикон, для остальной части - полиамид. Для накидной гайки 6, а также кольцевых втулок 8 и 15 использовалась сталь Д16Т, прошедшая анодное оксидирование. Каждый из 12 контактов был выполнен в форме четырехгранного штыря из позолоченной латуни. С помощью литьевой формы контакты заливались в цилиндрический силиконовый наконечник штекерной части так, чтобы верхняя грань контакта выступала на поверхностью наконечника на 0.1-0.15 мм. Гнездовая часть выполнялась из полиамида на станке с числовым программным управлением (ЧПУ). В ней установлены аналогичные контакты путем их запрессовки. Макет разъема успешно прошел испытания:
- на вибропрочность;
- на ударостойкость;
- на воздействие солнечного излучения в везерометре;
- на воздействие соляного тумана в камере соляного тумана;
- на герметичность в резервуаре с водой;
- климатические испытания на +50°C, +60°C, -20°C иней роса, -40°C, -50°C, влажность 20%, влажность 95% в климатической камере.
9
-3
Во всем вышеуказанном диапазоне внешних условий, образец показал следующие параметры: электрическая прочность изоляции - не менее 500 В; сопротивление изоляции - не менее 10 Ом; сопротивление контакта - не более 10 Ом.