КЛАПАН ДЛЯ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Полезная модель относится к электронной и космической технике и может быть использована для разгерметизации внутренних объемов приборов, в частности СВЧ-аппаратуры.
Клапан должен надежно срабатывать при перепаде давлений в интервале от 0,3 атм (~0,03 МПа) до 0,7 атм (~0,07 МПа) в интервале температур от -60°С до +100°С без использования управляющих сигналов и иметь небольшие габаритные размеры.
Известны устройства активной разгерметизации, содержащие мембрану, перекрывающую герметизированный объем, и управляемый механизм разрушения мембраны, выполненный в виде ножа, который приводится в действие под давлением газов, образующихся при срабатывании пиротехнического заряда [Веселов А.И., Мешман Л.М. Автоматическая пожаро- и взрывозащита предприятий химической и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1975 - с. 241]. Недостатком конструкции подобных устройств является наличие дистанционно управляемого механизма разрушения, кроме того, подобные устройства не могут быть использованы в электронной технике из-за наличия пиротехнического заряда.
Известно устройство для разгерметизации внутренних объемов радиоаппаратуры [авт. св. СССР № 270852], содержащее мембрану и дистанционно управляемый механизм разрушения мембраны, состоящий из иглы, снабженной заплечиками, на которые опирается пружина и проволочный держатель, соединенный через ключ с источником тока.
Недостатками этой конструкции являются применение внешних электрических управляющих сигналов, сложность тарирования пружины для использования в заданном узком диапазоне перепада давлений, риск случайного срабатывания при вибронагрузках.
Известны мембранные предохранительные устройства, применяющиеся на газообразных средах [Правила разработки, изготовления и применения мембранных предохранительных устройств (ПБ 03-583-03)]. Например, мембранное предохранительное устройство (МПУ) с разрывной мембраной. Устройство с разрывной мембраной, применяемое при отсутствии колебаний противодавления со стороны сбросной системы, содержит плоскую мембрану, работающую на разрыв под давлением, действующим на ее поверхность [ПБ 03-583-03, Приложение 2, рис. 1а].
В подобных устройствах разрушение мембраны происходит без использования управляемого механизма разрушения, в результате изменения давления с одной стороны мембраны (со стороны сбросной системы).
Основным недостатком этой конструкции является то, что она рассчитываются на изменение давления внутри прибора при неизменном давлении снаружи (со стороны сбросной системы), при этом рабочий интервал давлений составляет не менее 0,1 МПа, что не позволяет использовать подобные устройства для разгерметизации электронных приборов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство с «хлопающей» мембраной, работающее на потерю устойчивости, применяемое при отсутствии колебаний противодавления со стороны сбросной системы. Куполообразная мембранная перегородка, работающая на потерю устойчивости (хлопок) под давлением, действующим на выпуклую поверхность. Теряя устойчивость, мембрана разрезается на ножевых лезвиях либо разрывается по предварительно ослабленному сечению.
В подобных устройствах разрушение мембраны также происходит без использования управляемого механизма разрушения в результате изменения давления с одной стороны мембраны (со стороны сбросной системы). Такие устройства просты по конструкции и являются надежными.
Недостатками «хлопающей» мембраны является то, что давление срабатывания определяется не прочностью материала, а устойчивостью ее сферического купола. Таким образом, точный расчет давления срабатывания для обеспечения надежной разгерметизации прибора в узком интервале перепада давлений в устройстве для разгерметизации электронной аппаратуры не представляется возможным.
Задача полезной модели - усовершенствование устройства для разгерметизации электронных приборов, в том числе и в космической технике, и улучшение его эксплуатационных характеристик.
Техническим результатом является надежность разгерметизации электронного прибора при перепаде давлений «внутри/снаружи» в интервале от 0,3 атм (~0,03 МПа) до 0,7 атм (~0,07 МПа) в интервале температур от -60°С до +100°С без использования управляющих сигналов.
Технический результат достигается тем, что в заявленном клапане, содержащем корпус, разрушаемую мембрану и механизм разрушения мембраны, дополнительно имеется сетка, расположенная перед мембраной, механизм разрушения, расположенный за мембраной и выполненный в виде ножа, причем сетка и нож неподвижны, при этом мембрана выполнена из металлической фольги толщиной не более 0,1 мм. Материал мембраны должен одновременно удовлетворять ряду требований, в частности, по сохранению физических свойств в широком диапазоне температур, технологичности, коррозионностойкости.
Корпус клапана служит для монтажа всех деталей и присоединения клапана к прибору, требующему разгерметизации.
Сетка расположена перед мембраной, со стороны прибора, требующего разгерметизации, и представляет собой пластину толщиной не менее 1 мм с перфорацией со смещением отверстий от центральной области, причем суммарная площадь перфорированных отверстий в сетке не менее чем в 2 раза превышает площадь канала соединения с прибором.
За счет перфорации в сетке обеспечивается легкий проход газа, заполняющего герметичный прибор, к мембране. Благодаря специальному выполнению и смещению отверстий от центральной области, создается лабиринтная защита компонентов разгерметизируемого прибора от прямого проникновения внешних потоков заряженных частиц.
Сетка также служит ограничителем перемещения мембраны в нерабочем направлении, зазор от сетки до мембраны находится в диапазоне 0,6-0,8 мм.
Нож в виде уголка, расположенный за мембраной, монтируется в крышку с заданным зазором (в диапазоне 0,3-0,5 мм, зазор зависит от материала и толщины мембраны) до мембраны и служит для гарантированного вскрытия мембраны. Лезвие ножа смещено относительно оси симметрии основания ножа и центра мембраны, нож выполнен с обратным скосом под углом, лежащим в интервале от 30° до 60°, что позволяет обеспечить гарантированное вскрытие мембраны без залипания на ноже.
Сетка и нож неподвижны, что повышает надежность устройства и исключает случайное срабатывание устройства при хранении и при прохождении испытаний на вибростойкость.
Мембрана выполнена из металлической фольги толщиной не более 0,1 мм из пластичного материала с низкой удельной прочностью.
Конструкция полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 представлено устройство в разрезе.
Клапан для разгерметизации электронных приборов содержит корпус (1), в котором размещены сетка (2), металлическая мембрана (3), нож (4), крышка (5).
На фиг. 2 представлен график скорости падения давления воздуха в тонкостенной оболочке объема V с маленьким отверстием площадью S в условиях внешнего вакуума.
Принцип работы клапана следующий. Корпус клапана (1) соединен с герметизированным прибором. Область слева от мембраны (3) сообщается с внутренним пространством герметизированного прибора, область справа через крышку (5) - с наружной средой. Если наружное давление выше внутреннего, мембрана упирается в сетку (2) и остается целой. Если наружное давление ниже внутреннего, то мембрана начинает прогибаться в сторону пониженного давления и, достигая режущей кромки ножа (4), прорывается, что обеспечивает разгерметизацию присоединенного электронного прибора.
Корпус клапана и нож выполнены из латуни, крышка и сетка - из алюминиевого сплава Д16. Все детали покрыты никелем. Сетка монтируется в корпус клапана, а нож - в крышку с помощью припоя ПОС61. Мембрана с корпусом и крышка с корпусом монтируются вакуум-плотно припоем ПОИн-50. При соединении крышки и корпуса мембрана автоматически располагается на расстоянии 0,6-0,8 мм от сетки. На время хранения прибора в крышку клапана вкручивается пробка с уплотнителем, для этого в крышке предусмотрено резьбовое отверстие под пробку со специальным углублением для уплотнения. По обе стороны мембраны оказываются замкнутые объемы газа, которые при перепадах температур ведут себя одинаково и не нагружают мембрану без необходимости. В качестве уплотнителя используется вакуумная резина толщиной 1 мм.
К материалу мембраны выдвигается ряд требований. Во-первых, материал мембраны должен выдерживать эксплуатационные перепады температур в диапазоне от -60°С до +100°С. Во-вторых, в силу малого рабочего перепада давлений усилие разрыва мембраны должно быть невелико, то есть материал мембраны должен иметь низкую удельную прочность. В-третьих, материал мембраны должен быть технологичным в обработке, обеспечивать возможность вакуум-плотного соединения с другими деталями, обладать необходимыми прочностью и коррозионно-стойкостью, быть газонепроницаемым, обеспечить возможность изготовления клапана, существенно не изменяющего габаритные размеры герметизированного прибора. Наиболее хорошо себя показали образцы фольги из чистого индия, чистого свинца, оловянно-свинцовых сплавов (например, ПОС61).
Скорость разгерметизации прибора при срабатывании клапана зависит от размера отверстия прорыва мембраны и объема прибора.
Для оценки достаточности размеров проколов использовано уравнение Хиггинса, описывающее скорость падения давления воздуха в тонкостенной оболочке объема V с маленьким отверстием площадью S в условиях внешнего вакуума:
Р=Ро⋅ехр(-S/V⋅t⋅200).
2
При объеме прибора в 0,5-0,6 л даже отверстие площадью 0,1 мм достаточно для падения давления на 3 порядка за время около 5 минут (фиг. 2).
Конструкция клапана является универсальной, а размеры и выбор материала мембраны зависят от объема разгерметизируемого прибора.
Таким образом, использование клапана предложенной конструкции позволит повысить надежность разгерметизации электронных приборов в космической технике без использования управляющих сигналов.