ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗЪЕМНЫЙ ВАКУУМНЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
DEMOUNTABLE VACUUM ELECTRIC CONNECTOR FOR PHYSICAL APPLIANCES SEALING

Изобретение относится к электротехнике и к вакуумной технике. Оно может быть использовано, например, в вакуумных установках как вакуумный электрический ввод, а также для герметизации физических приборов с негерметичными стандартными многоштырьковыми разъемами.
В вакуумном оборудовании известны электрические вакуумные вводы [1], [2], [4], для подачи электропитания к различным исполнительным устройствам и снятия с них дискретных сигналов. Разработаны низковольтные, слабо- и сильноточные, высоковольтные, высокочастотные вводы, нестандартных и стандартных исполнений, разборные и неразборные, для непрогреваемых и прогреваемых вакуумных установок. Подавляющее большинство из них имеет герметичную часть, устанавливаемую на герметизируемый объем и, соединяемую с ней, ответную негерметичную часть. В то же время, в точном машиностроении, например, в разработках сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), при использовании для измерений в качестве рабочей среды вакуума или разряженной газовой среды, может возникать проблема герметизации, расположенных рядом на корпусе СЗМ от двух и более многоштырьковых слаботочных и низковольтных разъемов стандартного негерметичного исполнения, при условии сохранения дизайна СЗМ.
2
Известны серийно выпускаемые в России для использования в герметичных объемах, откачанных до высокого вакуума, вакуумно-плотные разъемы типа 2РМГ [3], [4]. Они имеют пустотелый цилиндрический корпус с наружным витоновым уплотнением, внутри корпуса в стеклянной основе герметизированы металлические штыри, образующие в совокупности разъем-вилку, соединяемый с кабельным негерметичным разъемом-розеткой соединителя типа 2РМ. Их недостатками является то, что площадь, занимаемая одним разъемом на 50 контактов, около 25 см, а конструкция и внешний вид разъемов соответствуют уровню 1960-1970 гг.
В современном вакуумном оборудовании широко применяются герметичные металлокерамические и металлостеклянные разъемы на специальных фланцах [5]. Они по геометрическим размерам идентичны аналогичным многоштырьковым разъемам негерметичного исполнения, с тем отличием, что электрические контакты вместо пластмассовых изоляторов установлены в керамической или стеклянной основе. К их недостаткам можно отнести их высокую стоимость, а также то, что технология изготовления современных металлокерамических разъемов требует установки их на промежуточный стандартный стальной фланец, например, типа CF с медным уплотнением, минимальный диаметр которого обычно не менее 70 мм.
Известна конструкция разъема [6], состоящего из пустотелого корпуса прямоугольной формы, в котором установлены электрические контакты одной из частей многоштырькового электрического разъема, и с помощью двухкомпонентного герметика выполнена их защитная герметичная заливка. К недостаткам этой конструкции разъема следует отнести невозможность его использования с герметичным вакуумным объемом и заливку проводов в изоляции из негерметичных и газящих в вакууме материалов.
Известны конструкции вакуумных вводов [1, стр.286], где применена заливка эпоксидной смолой одного или нескольких «голых» проводников без изоляции, которые жестко соединяются с подходящими к вводу проводами. Недостатком их является то, что вся конструкция разрабатывается как стационарный вакуумный соединитель, при этом соединитель является неразъемным, а герметизируемый физический прибор приобретает характерный вакуумный дизайн.
Известны также [4, стр.248] негерметичные комбинированные соединители типа РП15 для объемного монтажа, предназначенные для работы в низкочастотных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного токов. Электрический разъемный соединитель включает в себя первый разъем в первом корпусе, с первыми электрическими контактами, в каждом из которых имеется выемка для соединения с проводом или перемычкой, и второй разъем во втором корпусе, со вторыми электрическими контактами, при этом первый корпус зафиксирован на втором корпусе.
Указанный электрический соединитель выбран в качестве прототипа.
Недостатком этого устройства является невозможность его использования в случае необходимости сохранения перепада давления рабочих сред с двух сторон корпуса разъема, что сужает область использования электрического разъемного соединителя, а также снижает эффективность его использования.
Задачей предлагаемого изобретения является реализация возможности герметизации рабочих объемов физических приборов в вакууме, с сохранением первоначальных потребительских свойств, схемы электрических соединений и внешнего дизайна герметизируемых объектов, на основе использования электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов, стыкуемого особым образом с негерметичным стандартным многоштырьковым разъемом, установленным на герметичный вакуумный объем.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении области использования и в повышении эффективности использования негерметичных стандартных многоштырьковых разъемов на основе применения электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов.
Указанный технический результат достигается тем, что в электрическом разъемном вакуумном соединителе для герметизации физических приборов первый разъем в первом корпусе, с первыми электрическими контактами, в каждом из которых имеется выемка для соединения с проводом или перемычкой, и третий разъем в третьем корпусе, установленные на плату с токоведущими дорожками, вместе образуют переходную плату, причем между первым корпусом и платой имеется зазор около 1 мм. Переходная плата жестко установлена на стойках внутри фланца, а внутренняя полость фланца с переходной платой, выше уровня выемок в электрических контактах первого разъема, заполнена герметиком. На третий корпус третьего разъема установлена крышка, закрепленная на стойках и фланце. Во фланце, вдоль нижней кромки боковой стенки, по всему периметру внутренней полости сформирована канавка, а снаружи, по бокам, фланец имеет приливы с отверстиями. На поверхности фланца вокруг первого корпуса предусмотрена площадка для фиксации уплотнения. Ответная часть электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов выполнена на плите герметизируемого прибора и включает в себя обнижение для уплотнения, крепежные отверстия для фланца и второй разъем, установленный в обнижении. Причем габаритные размеры обнижения меньше соответствующих размеров площадки, а глубина обнижения меньше толщины уплотнения.
Предусмотрен вариант, где во фланец введена самоустанавливающаяся площадка, которая образована продлением существующей площадки до центровых линий отверстий в приливах фланца, при этом вокруг каждого отверстия сделана выборка и образованы четыре упорных выступа.
Существует также вариант, в котором для части стойки, соприкасающейся с первым корпусом, на половине длины стойки введена накатка.
Возможен вариант, в котором в стойку введен стопорный винт, для чего в средней части стойки выполнено резьбовое отверстие, при этом в боковой стенке фланца, на соответствующей высоте, выполнено сквозное отверстие, через которое в стойку вкручен стопорный винт так, что при этом часть винта остается в отверстии во фланце.
Целесообразны также варианты, где в электрическом разъемном вакуумном соединителе для герметизации физических приборов введена величина зазора, между первым корпусом и платой, равная 1,0-1,5 миллиметрам, а габаритные размеры обнижения в ответной части вакуумного соединителя выполнены меньше соответствующих размеров площадки на поверхности фланца на величину в 1,0-1,5 миллиметра.
В отдельных случаях целесообразен вариант электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов, в котором на плите в отверстия для фланца установлены втулки с внутренней резьбой для крепежных винтов, а на боковой поверхности фланца, с двух сторон каждого крепежного отверстия предусмотрены откосы.
На фиг.1 изображен в общем виде электрический разъемный вакуумный соединитель для герметизации физических приборов.
На фиг.2 изображен вид снизу (фиг.1), без ответной части.
На фиг.3 изображен вид снизу (фиг.1) с самоустанавливающейся площадкой, без ответной части соединителя.
На фиг.4 представлены варианты исполнения соединителя.
На фиг.5 показана вакуумная заглушка.
На фиг.6 показана схема для определения размеров высоты платы.
Электрический разъемный вакуумный соединитель для герметизации физических приборов (фиг.1, фиг.2) включает в себя первый разъем 1 в первом корпусе 2, с первыми электрическими контактами 3, в каждом из которых имеется выемка 4 для соединения с проводом или перемычкой 5. Второй разъем 6 во втором корпусе 7 со вторыми электрическими контактами 8 при помощи винтов 9 с гайками 10 установлен в обнижении 11 на ответной части 12 электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов, выполненной на плите 13 герметизируемого прибора, на которой предусмотрены также крепежные отверстия 14.
Первый разъем 1 и третий разъем 15 в третьем корпусе 16 с третьими электрическими контактами 17 установлены с сохранением адресации электрических цепей на плату 18 с токоведущими дорожками 19 и вместе с платой 18 образуют переходную плату 20, причем между первым корпусом 2 и платой 18 имеется зазор 21 размером около 1 мм. Переходная плата 20 винтами 22 жестко установлена на стойках 23 внутри фланца 24, причем первая полость 25 внутри фланца имеет в сечении форму прямоугольника со скругленными углами, в которых выполнены резьбовые отверстия 26 для винтов 27. Первая полость 25 фланца 24 с переходной платой 20 выше уровня выемок 4 первого разъема 1 заполнена герметиком 28. На фиг.1 условно показан фрагмент заливки герметиком внутренней полости фланца 24, а верхний уровень герметика показан штриховой линией с двойным пунктиром. На третий корпус 16 третьего разъема 15 установлена крышка 29 со второй полостью 30, имеющей в сечении форму прямоугольника со скругленными углами, в которых выполнены отверстия 31 для винтов 27. Крышка 29 закреплена на стойках 23 винтами 32 и на фланце 24 винтами 27. Внутри фланца 24, вдоль нижней кромки боковой стенки, по всему периметру сформирована канавка 33 для создания ступеньки, заполняемой герметиком 28. Снаружи, по бокам, фланец 24 имеет приливы 34 с отверстиями 35 под крепежные винты 36, которыми он фиксируется на ответной части 12 электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов. На поверхности фланца 24 вокруг первого корпуса 2 предусмотрена площадка 37 с четырьмя выступами 38, необходимыми для направления в рабочее положение уплотнения 39. Каждый из габаритных размеров обнижения 11 на 1,0-1,5 мм меньше соответствующего размера площадки 37 на фланце 24, а глубина обнижения 11 на 20-25% меньше диаметра уплотнения 39.
В собранном электрическом разъемном вакуумном соединителе для герметизации физических приборов часть обнижения 11 между вторым корпусом 7 второго разъема 6 и внешней стенкой обнижения 11, сверху ограниченная площадкой 37 на фланце 24, а вокруг винтов 9 - выступами 38, образует составную канавку вакуумного уплотнения 39. Это позволяет получить ширину фланца 24 не более 24 мм для плотного трехрядного расположения электрических контактов в разъемах и диаметре уплотнения 3,5 мм.
Для исключения возможности образования неравномерного зазора при прижиме фланца 24 к плите 13 возможно введение в электрический разъемный вакуумный соединитель для герметизации физических приборов самоустанавливающейся площадки 40 (фиг.3). Площадка 40 образована продлением площадки 37 до центровых линий отверстий 35. Для устранения влияния на равномерность прижима фланца 24 возможного вспучивания металла на плите 13 около отверстия 14, вокруг каждого отверстия 35 в площадке 40 выполнена выборка 41, в результате чего на площадке 40 образованы четыре упорных выступа 42.
Возможен вариант соединителя (фиг.4), где для исключения возможного проворачивания в герметике 28 стойки 23 при откручивании винта 32, для части стойки 23, соприкасающейся с первым корпусом 2, на половине длины стойки выполнена накатка 43.
Для исключения возможного проворачивания в герметике 28 стойки 23 возможен также вариант соединителя (фиг.4), где использован стопорный винт 44, для чего в средней части стойки 23 выполнено резьбовое отверстие 45, при этом в боковой стенке фланца 24 на соответствующей высоте выполнено сквозное отверстие 46, через которое в стойку вкручен стопорный винт 44 так, что при этом часть винта остается в отверстии 46 и тем самым ограничивает проворачивание стойки 23.
Возможен также вариант соединителя, где величина зазора 21 между первым корпусом 2 и платой 18 выполнена равной 1,0-1,5 миллиметрам.
Имеется вариант соединителя, где габаритные размеры обнижения 11 ответной части 12 электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов выполнены меньше соответствующих размеров площадки 37 на поверхности фланца 24 на величину в 1,0-1,5 миллиметра.
В отдельных случаях использования соединителя (фиг.4) в отверстие 14 на плите 13 может быть установлена втулка 47 с внутренней резьбой для винта 36.
Предусмотрен также вариант соединителя, фиг.4, где на боковой поверхности фланца 24, с двух сторон каждого отверстия 35 предусмотрены откосы 48.
Для возможности оперативной проверки герметичности электрического разъемного герметичного соединителя для герметизации физических приборов, в комплект к нему может изготавливаться плоская заглушка 49 (фиг.5), повторяющая форму части фланца 24 с площадкой 37 или самоустанавливающейся площадкой 40. Третья полость 50 предназначена для выступающего на ответной части 12 второго корпуса 7 второго разъема 6.
На фланце 24 и крышке 29 могут быть предусмотрены углубления для размещения шильдиков.
Электрический разъемный вакуумный соединитель для герметизации физических приборов может быть представлен как самостоятельный комплект, где ответная часть 12 изготовлена в виде отдельного переходного фланца, герметично устанавливаемого любым известным способом на плите 13 физического прибора.
В случае изготовления в электрическом разъемном вакуумном соединителе для герметизации физических приборов фланца 24 и плиты 13 из нержавеющей стали возможно использование герметичного соединения типа CF с медными (металлическими) уплотнениями, для чего во фланце 24 должны быть предусмотрены дополнительные отверстия под крепежные винты.
Для возможности использования герметичного соединения типа CF с медными (металлическими) уплотнениями при монтаже электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов на плите 13 из любого вакуумно-плотного материала ответная часть 12 может быть изготовлена на дополнительном переходном фланце из нержавеющей стали, который любым известным способом герметично установлен на плите 13.
Вместо переходной платы 20 для соединения электрических контактов первого разъема 1 и третьего разъема 15 могут быть использованы провода, которые должны быть одножильные и не иметь изоляции в месте контакта с герметиком 28 на разъеме 1.
Переходная плата 20 может быть использована для размещения каких-либо электрических и радиоэлектронных элементов или для переадресации цепей первого разъема 1 при их разводке на плате 18 для присоединения на третий разъем 15.
Герметизируемый физический прибор может не иметь внутри электрических блоков, например, в приспособлении для измерения сверхпроводимости сразу нескольких образцов материалов, с использованием двух электрических разъемных вакуумных соединителей для герметизации физических приборов.
На фланце 24 часть площадки 37 или 40 может быть оформлена в виде возвышения вокруг первого разъема 1, в котором выполнена канавка под уплотнение 39, причем, обнижение 11 в плите 13 сохраняется, а габаритные размеры возвышения должны быть меньше соответствующих ответных размеров обнижения 11.
В ответной части 12 часть обнижения 11 может быть выполнена в виде канавки под уплотнение 39, при этом в центре обнижения 11 сохраняется второй разъем 6.
В зависимости от типа используемых разъемов фланец 24 может быть любой формы, обеспечивающей размещение внутри него переходной платы 20, например прямоугольной.
Количество отверстий 35 во фланце 24 в разумных пределах может быть любым, для чего должно быть предусмотрено соответствующее количество приливов 34 и крепежных отверстий 14.
Для сборки электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов (фиг.1, фиг.2), перед распайкой переходной платы 20, должна быть выполнена подгонка размера высоты платы 18 для правильной работы сконструированного узла. На фиг.6 показаны имеющиеся зависимости размерных цепей, которые необходимо обеспечивать до монтажа и герметизации переходной платы 20.
На фиг.6 обозначены:
А - суммарная высота первой 25 и второй 30 полостей между фланцем 24 и крышкой 29;
B1 - высота первой полости 25 во фланце 24;
B2 - высота второй полости 30 в крышке 29;
C1 - высота герметизируемой части первого разъема 1;
С2 - высота аналогичной части третьего разъема 15;
з
Н - высота зазора между нижним краем платы 18 и верхней частью первого разъема 1;
пл
Н - требуемая высота платы 18 в миллиметрах.
Кроме того, учитывается суммарная высота выпуклостей на развальцовке крепежных отверстий первого 1 и третьего 15 разъемов, которая принимается равной 0,2 мм. Размеры С1 и С2 могут меняться в зависимости от партии поставки разъемов или фирмы-производителя разъемов.
пл
Необходимый размер в миллиметрах высоты Н платы 18 определяется для каждой партии разъемов по формуле (1):
з
В практически реализованной конструкции электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов, размер А=40,5 мм, B1=26,5 мм, B2=14 мм. Высота зазора Н выбрана равной 1 мм, что обеспечивает надежную герметизацию электрических контактов 3 первого разъема 1 и исключает из зоны герметизации текстолитовую плату 18.
Кроме того, расчетная ширина платы 18 должна быть такой, чтобы боковые торцы платы 18 в составе переходной платы 20 находились на расстоянии не менее 1 мм от стоек 23.
Перед установкой переходной платы 20 в первой полости 25 фланца 24 герметиком 28 [7] промазываются все контактирующие с фланцем 24 поверхности первого корпуса 2 первого разъема 1 и часть платы 18, примерно до уровня перемычек 5. В отверстия в стойках 23 под винты 22 также наносится герметик 28. В канавку 33 внутри первой полости 25 тщательно наносится слой герметика 28. После чего переходная плата 20 устанавливается на место и закрепляется винтами 22. Сразу после установки переходной платы 20 первая полость 25 фланца 24 с переходной платой 20 заполняется герметиком 28, примерно до верха перемычек 5. После чего устанавливается крышка 29, винты 32 вкручиваются в стойки 23, а винты 31 - во фланец 24 для придания всем элементам конструкции рабочего положения.
Для использования электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов (фиг.1, фиг.2) необходимо в обнижении 11 ответной части 12 разместить уплотнение 39 вокруг второго разъема 6 и вдоль внешней стенки обнижения 11 плиты 13 и затем совместить первый разъем 1 со вторым разъемом 6, установив сверху фланец 24 с герметизированной переходной платой 20 и закрепив его винтами 36 на плите 13.
В случае исполнения фланца 24 с площадкой 37 необходимо визуально контролировать параллельное положение уплотняемых поверхностей. В случае исполнения фланца 24 с самоустанавливающейся площадкой 40 (фиг.3) параллельное положение уплотняемых поверхностей обеспечивается за счет упорных выступов 42.
Выполнение накатки 43 на половине длины стойки 23 со стороны стойки, соприкасающейся с первым корпусом 2, или использование в стойке 23 стопорного винта 44 (фиг.4), вкручиваемого в резьбовое отверстие 45 в средней части стойки 23 через отверстие 46 в боковой стенке фланца 24, так что при этом часть стопорного винта 44 остается в отверстии 46, обеспечивает более надежную фиксацию стойки 23 в герметике 28.
Выбор величины зазора 21 между первым корпусом 2 и платой 18, равной 1,0-1,5 миллиметрам, обеспечивает надежную герметизацию первых электрических контактов первого разъема 1 и позволяет исключить из герметичного соединения пористую текстолитовую плату 18.
Выполнение габаритных размеров обнижения 11 ответной части 12 электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов меньше соответствующих размеров площадки 37 на величину в 1,0-1,5 миллиметр обеспечивает равномерный прижим уплотнения 39 площадкой 37 или самоустанавливающейся площадкой 40.
Установка в отверстие 14 на плите 13 втулки 47 с внутренней резьбой для крепежного винта 36 и выполнение на боковой поверхности фланца 24 с двух сторон каждого из отверстий 35, откосов 48 (фиг.4) позволяет использовать более жесткие уплотнения, требующие больших усилий при затягивании крепежных винтов 36.
Заглушка 49 (фиг.5), устанавливаемая взамен фланца 24, для проверки его герметичности, позволяет оперативно дифференцировать вакуумную течь по ее наличию во фланце 24 или в герметизируемом физическом приборе.
Технические эффекты изобретения.
1. Использование негерметичных стандартных многоштырьковых разъемов в составе электрического разъемного вакуумного соединителя для герметизации физических приборов расширяет область использования разъемов и повышает эффективность их использования.
2. Введение в электрический разъемный вакуумный соединитель для герметизации физических приборов ответной части (12), включающей второй разъем (6), установленный в обнижении (11) на плите (13) герметизируемого прибора, и жестко установленной на стойках (23) внутри фланца (24) переходной платы (20), включающей первый разъем (1) и третий разъем (15) в третьем корпусе (16), установленные на плату (18) с токоведущими дорожками (19), обеспечивает возможность герметизации электрического соединителя и тем самым повышает эффективность использования негерметичных стандартных многоштырьковых разъемов.
3. Исполнение в электрическом разъемном вакуумном соединителе для герметизации физических приборов величины зазора (21) между первым корпусом (2) и платой (18), равным 1,0-1,5 миллиметрам, формирование внутри фланца (24) вдоль нижней кромки боковой стенки по всему периметру внутренней первой полости (25) канавки (33) и заполнение герметиком (28) выше уровня выемок (4) первого разъема (1) внутренней первой полости (25) фланца (24) с переходной платой (20) обеспечивает надежность герметизации электрического соединителя и тем самым повышает эффективность использования и расширяет область использования негерметичных стандартных многоштырьковых разъемов.
4. Исполнение в электрическом разъемном вакуумном соединителе для герметизации физических приборов во фланце (24) боковых приливов (34) с отверстиями (35), введение на поверхности фланца (24) вокруг первого корпуса (2) площадки (37) для фиксации уплотнения (39) в обнижении (11) плиты (13) фланцем (24) и выполнение габаритных размеров обнижения (11) меньше соответствующих размеров площадки (37) на поверхности фланца 24 на величину в 1,0-1,5 миллиметр обеспечивает надежность конструкции соединителя и тем самым повышает эффективность использования негерметичных стандартных многоштырьковых разъемов.
5. Исполнение в электрическом разъемном вакуумном соединителе для герметизации физических приборов фланца (24) с самоустанавливающейся площадкой (40) повышает надежность конструкции соединителя и тем самым повышает эффективность использования негерметичных стандартных многоштырьковых разъемов.
6. Введение в электрический разъемный вакуумный соединитель для герметизации физических приборов накатки (43) или стопорного винта (44) на стойке (23) повышает надежность конструкции соединителя и тем самым повышает эффективность использования негерметичных стандартных многоштырьковых разъемов.
7. Введение в электрический разъемный вакуумный соединитель для герметизации физических приборов втулки (47) с внутренней резьбой для винта (36) и откосов (48) с двух сторон каждого из отверстий (35) на боковой поверхности фланца (24) увеличивает жесткость конструкции соединителя и расширяет его возможности, например для использования химически стойких уплотнений повышенной жесткости, а тем самым повышает эффективность использования и расширяет область использования негерметичных стандартных многоштырьковых разъемов.
Литература.
1. А.Рот. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М.: Энергия, 1971 г.
2. Вакуумная техника: Справочник / Е.С.Фролов, В.Е.Минайчев, А.Т.Александрова и др.; под общ. ред. Е.С.Фролова, В.Е.Минайчева. - М.: Машиностроение, 1985. - 360 с., ил.
3. Вакуумная техника: Справочник / Е.С.Фролов, В.Е.Минайчев, А.Т.Александрова и др.; под общ. ред. Е.С.Фролова, В.Е.Минайчева. - М.: Машиностроение, 1985. - 360 с., ил., - стр.136.
4. Лярский В.Ф., Мурадян О.Б. Электрические соединители: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.
5. e-mail: mfo@allectra.com.
6. Патент DE 19513914 A1.
7. Torr Seal Low Vapor Pressure Resin Sealant, ф.Varian, www.varianinc.com/vacuum.