Высокотемпературный коаксиальный кабельный разъем
Владельцы патента RU 2384922:
Федеральное государственное унитарное предприятие Федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" (RU)
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам считывания информации с объектов, подвергающихся воздействию повышенных температур. Высокотемпературный коаксиальный кабельный разъем состоит из узла подключения к внешнему источнику ВЧ-энергии, содержащего корпус с установленными в нем внешним проводником в виде цанги, внутренним проводником в виде гнезда и узла присоединения кабеля. Между узлами установлен промежуточный коаксиальный узел, состоящий из двух колец, соединенных диаметрально спицами в количестве не менее двух, по оси которого выполнена коаксиальная линия с воздушным диэлектриком, состоящая из внешнего проводника в виде тонкостенной трубки с перфорацией из круглых отверстий диаметром в пределах от 0,001 до 0,01 рабочей длины волны, расположенных по окружности вдоль образующей и внутреннего проводника диаметром в пределах 0,7-1,0 мм. Все элементы промежуточного коаксиального узла выполнены из металла, имеющего коэффициент теплопроводности не выше 15,5 Вт/м°С. Технический результат - возможность снижения температуры в узле присоединения кабеля и сохранении его работоспособности при воздействии повышенных температур на узел подключения прибора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам считывания информации с объектов, подвергающихся воздействию повышенных температур, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например на АЭС, для считывания информации особенно в условиях проектных и нештатных аварийных ситуаций, а также в системах дистанционной идентификации и контроля состояния опасных объектов, транспортируемых в контейнерах.
Одним из основных требований к контейнерам, предназначенным для транспортировки и хранения радиоактивных материалов, является их устойчивость к условиям пожара с температурой 800°С на поверхности контейнера в течение 30 мин. В связи с этим возникает необходимость в высокотемпературном разъеме, устанавливаемом на поверхности контейнера.
Известен коаксиальный кабельный разъем, содержащий корпус, в котором размещен изолятор, внутренний проводник в виде штыря с гнездом и соединительной накидной гайки (Эпштейн А.Г. Измерительная аппаратура сверхвысоких частот. «Судостроение», 1965 г., с. 12-13).
Недостатком данной конструкции является низкая температурная стойкость примененных диэлектрических изоляторов - фторопласт, полиэтилен. Более высокотемпературной конструкцией коаксиального кабельного разъема является герметичный разъем, в котором изолятор выполнен в виде стеклянной вставки, спаянной с корпусом и центральным проводником (Конструирование микроэлектронной аппаратуры. Под ред. В.Ф.Высоцкого. М.: «Советское радио», 1975, с. 87).
Однако состав стекол, применяемых для создания герметичных спаев с металлами в этих разъемах, имеет недостаточно высокую температуру плавления, находящуюся в пределах 350-500°С.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому разъему является коаксиальный кабельный разъем (авторское свидетельство СССР №1001254, H01R 17/12, 1983) (прототип), корпус которого состоит из двух частей. Одна часть разъема подключена к прибору, в другой части расположен узел присоединения кабеля. Обе части корпуса соединяются посредством накидной гайки.
Основным недостатком существующих кабельных разъемов является передача тепла с поверхности изделия элементами корпуса и центральным проводником к узлу присоединения кабеля и нагреву его до температур, приводящих к разрушению уплотнительных элементов, расплавлению диэлектрика кабеля, окислению его центрального проводника и экрана. Перечисленные разрушения приводят к катастрофическим отказам в работе самого разъема и кабеля.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность снижения температуры в узле присоединения кабеля и сохранение его работоспособности при воздействии повышенных температур на узел подключения прибора.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом коаксиальном разъеме между частью корпуса, подключенного к внешнему источнику ВЧ-энергии и узлом присоединения кабеля, установлен промежуточный коаксиальный узел. Узел содержит корпус в виде двух колец, соединенных диаметрально спицами в количестве не менее двух, по оси которого закреплена коаксиальная линия с воздушным диэлектриком, состоящая из внешнего проводника в виде тонкостенной трубки с перфорацией из круглых отверстий диаметром в пределах от 0,001 до 0,01 рабочей длины волны, расположенных по окружности вдоль образующей, и внутреннего проводника диаметром в пределах 0,7-1,0 мм. Элементы промежуточного коаксиального узла выполнены из металла, имеющего коэффициент теплопроводности не выше 15,5 Вт/м°С.
В предложенном высокотемпературном коаксиальном кабельном разъеме все части согласованы по волновому сопротивлению между собой и присоединенным кабелем, за счет того, что соотношения диаметров внешних и внутренних проводников рассчитаны и выполнены с учетом величины диэлектрической проницаемости диэлектриков, размещенных между ними.
В предлагаемом коаксиальном разъеме внешний проводник коаксиальной линии допускается выполнять из фольги титана, причем отверстия перфорации при этом расположены в шахматном порядке.
На чертеже представлено схематическое изображение разреза высокотемпературного коаксиального кабельного разъема. Высокотемпературный коаксиальный кабельный разъем состоит из трех частей:
часть I - узел, присоединяемый к прибору, находящемуся в зоне воздействия высоких температур;
часть II - промежуточный коаксиальный узел;
часть III - узел присоединения кабеля.
Узел I, присоединяемый к прибору, состоит из корпуса 1, цанги 2, являющейся внешним проводником и гнезда 3, являющегося внутренним проводником, выполненных из высокотемпературной нержавеющей стали. Корпус 1 соединен резьбовым соединением и зафиксирован лазерной сваркой со второй частью разъема.
Промежуточный коаксиальный узел II состоит из двух колец 4, 5, соединенных диаметрально спицами 6 в количестве не менее двух. По оси узла установлена коаксиальная линия, состоящая из тонкостенной трубки 7, выполняющая роль внешнего проводника. По окружности вдоль образующей трубки 7 выполнены отверстия 8. В кольце 4 вакуумной пайкой закреплен керамический изолятор 9 и внутренний проводник 10, соединенный с гнездом 3. В кольце 5 устанавливается керамический изолятор 11, фиксирующий внутренний проводник 10 в узле присоединения кабеля 12.
Узел присоединения кабеля III состоит из втулки 13, выполненной из нержавеющей стали, которая вворачивается в резьбовую часть 14 кольца 5. Экран 15 и центральный проводник 16 присоединяемого кабеля 12 фиксируются методом пайки 17 припоем ПСр2,5.
С целью повышения технологичности изготовления внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии и обеспечения гарантированного воздушного зазора между ними, а также ограничения передачи температуры диаметр внутреннего проводника должен быть в пределах 0,7-1,0 мм.
С целью снижения потерь ВЧ-энергии из-за наличия переотражений, вызываемых конструктивными неоднородностями, все части разъема согласованы по волновому сопротивлению между собой и подключенным кабелем. Это достигается тем, что диаметры внешних и внутренних проводников выполнены с учетом диэлектрической проницаемости диэлектриков, расположенных между ними и рассчитаны по формуле
где W - волновое сопротивление узла коаксиального разъема, Ом;
D - диаметр внешнего проводника, мм;
d - диаметр внутреннего проводника, мм;
ε - диэлектрическая проницаемость материала изолятора.
Снижение передачи тепла от части разъема, подключенного к прибору, к узлу присоединения кабеля достигается малой площадью поперечного сечения деталей, по которым осуществляется передача тепла и применением для их изготовления материала, имеющего низкий коэффициент теплопроводности. В качестве такого материала выбран титановый сплав ВТ-3, имеющий коэффициент теплопроводности 15,5 Вт/м°С, что в 5,5 раз ниже теплопроводности, обычно используемой латуни - 85 Вт/м°С. Материал, из которого изготовлены керамические изоляторы 9 и 10 имеет коэффициент теплопроводности 25 Вт/м°С, а на участке коаксиальной линии между кольцами 4, 5 диэлектриком служит воздух, являющийся плохим проводником тепла. Кроме того, по диаметру трубки 7 вдоль его образующей выполнена перфорация круглыми отверстиями 8 диаметром в пределах от 0,001 до 0,01 рабочей длины волны ВЧ-энергии, передаваемой по разъему. Выполнение круглых отверстий и ограничение их диаметров связано с исключением возникновения резонансных областей, которые могут привести к переизлучению сигнала и увеличению его потерь.
Повышение технологичности изготовления тонкостенной трубки 7, выполняющей функцию внешнего проводника коаксиальной линии, достигается выполнением ее из фольги титана, свернутой на оправке в трубку и зафиксированной лазерной сваркой, при этом отверстия перфорации располагаются в шахматном порядке для обеспечения механической прочности.
Для снижения степени окисления и повышения электропроводности на поверхности цанги 2 и гнезда 3 может быть нанесено покрытие из золота или палладия.
Проведенные испытания разъема с подключенным кабелем типа РК-50-22-2 показали, что при нагреве части подключаемой к прибору до 800°С температура в точке подключения кабеля не превышает 250°С.
Таким образом, конструктивные решения, реализованные в предлагаемом разъеме, позволяют снизить температуру в узле подключения кабеля и сохранить его работоспособность при воздействии повышенных температур на узел подключения прибора, что подтверждает достижение заявленного технического результата.
1. Высокотемпературный коаксиальный кабельный разъем, состоящий из узла подключения к внешнему источнику ВЧ-энергии, содержащего корпус с установленными в нем внешним проводником в виде цанги, внутренним проводником в виде гнезда и узла присоединения кабеля, отличающийся тем, что между узлами установлен промежуточный коаксиальный узел, состоящий из двух колец, соединенных диаметрально спицами в количестве не менее двух, по оси которого выполнена коаксиальная линия с воздушным диэлектриком, состоящая из внешнего проводника в виде тонкостенной трубки с перфорацией из круглых отверстий диаметром в пределах от 0,001 до 0,01 рабочей длины волны, расположенных по окружности вдоль образующей и внутреннего проводника диаметром в пределах 0,7-1,0 мм, причем все элементы промежуточного коаксиального узла выполнены из металла, имеющего коэффициент теплопроводности не выше 15,5 Вт/м°С.
2. Высокотемпературный коаксиальный кабельный разъем по п.1, отличающийся тем, что диаметры внешних и внутренних проводников всех узлов разъема рассчитаны и выполнены с учетом величин диэлектрической проницаемости диэлектриков, расположенных между ними, и волнового сопротивления присоединяемого кабеля.
3. Высокотемпературный коаксиальный кабельный разъем по п.1, отличающийся тем, что внешний проводник коаксиальной линии выполнен из фольги титана, а отверстия перфорации расположены в шахматном порядке.
