DE19941896A1 - Hermetische Verbindungseinheit - Google Patents

Abstract

Um eine hermetische Verbindungseinheit (1, 2) mit einem Buchseneinsatz (2) zu bilden, wird der mit Aufnahmeorganen (4) versehene Doppelbuchseneinsatz auf einen hermetischen Steckverbinder (1) gesetzt. Damit eine gute elektrische Verbindung gewährleistet ist, werden in den Aufnahmeorganen vorzugsweise kegelstumpfartige Clips oder Buchsen (7, 26) angeordnet, die zum einen auf einer Innenwand eines Aufnahmeorgans aufliegen und einen elektrischen Kontakt mit derselben herstellen und zum anderen auf einer Außenwand eines Stiftes (8) aufliegen und einen elektrischen Kontakt mit derselben herstellen, wenn ein solcher Stift in das Aufnahmeorgan eingefügt ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine hermetische Verbindungs­ einheit, die vor allem für den Einsatz unter harten Umgebungs­ bedingungen in bezug auf Temperatur und Druck geeignet ist. Insbesondere liegt eines ihrer Anwendungsgebiete in der Meeres-Geophysik, und zwar sowohl in der Steuerung von Gerä­ ten, die im Zusammenhang mit Bohrungen verwendet werden und am Meeresboden angeordnet sind, als auch in der Versorgung, Steuerung und Ablesung von Meßgeräten, welche in Bohrlöcher hinabgelassen werden oder ebenfalls am Meeresboden angeordnet sind. Obwohl sie für elektrische Verbindungen gedacht ist, läßt sich die Erfindung auch auf optische oder Fluidik- Verbindungen anwenden.

Die Belastungen, denen die erfindungsgemäßen Verbindungsein­ heiten standhalten müssen, sind vor allem Temperaturen über 180°C und Drücke, die mehrere zig Mega-Pascal übersteigen. Was die Dichtigkeit angeht, wird zwischen dichten und hermetischen Vorrichtungen unterschieden. Während die hermetischen Vor­ richtungen für Umgebungsbedingungen wie zuvor beschrieben konzipiert sind, müssen die dichten Vorrichtungen nur Bela­ stungen aushalten, die eine oder mehrere Größenordnungen darunter liegen. Hermetische Eigenschaften sind erforderlich, damit aggressive Stoffe, Meerwasser oder verschmutzendes Gas die Seele eines Kabels über den Verbinder nicht angreifen oder gar Adern dieses Kabels untereinander kurzschließen können, insbesondere wenn ein Verbinder herausgezogen wird.

Bekanntermaßen besitzen nur die Steckverbinder hermetische Eigenschaften. Solche Verbinder umfassen nur massive und sta­ bile Kontaktteile. Sie werden in der Praxis durch Schmelzen von Glaspulver oder Glaskügelchen hergestellt, wodurch sowohl das Crimpen von (massiven) Metallstiften auf einem durch­ bohrten Isolierträger, etwa aus Keramik, als auch die herme­ tische Abdichtung entlang des Durchgangs des Stiftes im Träger sichergestellt sind. Dadurch daß sie massiv sind, können die Stifte einer Herstellungsweise standhalten, die eine Bestän­ digkeit bei Temperaturen bis zu 900°C erfordert (hohe Schmelz­ temperatur von Glas). Der Träger aus Keramik ist während des Schmelzvorgangs in einem Steckergehäuse, beispielsweise aus nichtoxidierendem Stahl, befestigt. Diese Ausführungsart mit Glasverbindung verleiht der Verbindungseinheit gute herme­ tische Eigenschaften. Kein Fluid kann dann durch den Träger oder die Zwischenräume zwischen dem Träger und den gecrimpten Stiften oder zwischen Träger und Gehäuse dringen.

Dagegen können Verbindungsbuchsen lediglich als dicht be­ zeichnet werden. Denn sie weisen hohle Organe zur Aufnahme der Stifte eines komplementären Verbinders auf. Diese hohlen Organe sind nicht so starr wie die Stifte, sondern müssen im Gegenteil eine gewisse Elastizität aufweisen. Aufgrund dieser Elastizität können die hohlen Organe den Belastungen beim Schmelzen des Glases nicht standhalten. Es muß also eine andere Art des "Crimpens" gewählt werden, was sich negativ auf die hermetischen Eigenschaften auswirkt.

Es ist nicht möglich, die hohlen Organe starrer zu gestalten, denn derartige Verbindungseinheiten können in der Größen­ ordnung von hundert bis mehreren hundert Verbindungspunkten aufweisen. Ihr Platzbedarf sowie der der Vorrichtungen für die hermetische Abdichtung muß also so weit wie möglich gesenkt werden. Daher liegen die hohlen Organe aus Gründen der Miniaturisierung nahe aneinander und sind von geringer Dicke sowie wenig widerstandsfähig.

Zur Lösung der Aufgabe der hermetischen Abdichtung wurde erfindungsgemäß eine Verbindungseinheit verwirklicht, die zum einen einen hermetischen Steckverbinder und zum anderen einen elektrischen Doppelbuchseneinsatz aufweist, der auf beiden Seiten Stifte aufnehmen kann und vorzugsweise dicht und sehr klein ist. Dieser Doppelbuchseneinsatz gelangt mittels erster Zugänge von Aufnahmeorganen auf vorspringende Stifte des Steckverbinders. Weitere, den ersten gegenüberliegende Zugänge dieser Aufnahmeorgane bieten die Möglichkeit einer Buchsen­ verbindung. Diese Machart zieht eine Verlängerung des Ver­ binders nach sich. Das ist nicht störend, denn die Verlän­ gerung erfolgt in Richtung eines anzuschließenden Kabels. Dagegen besteht der Haupteffekt dieser Lösung darin, daß eine hermetische Abdichtung (des Steckverbinders) geschaffen wird, ohne dadurch den Durchmesser der Buchseneinheit zu erhöhen und unter gleichzeitiger Minimierung der Gesamtlänge dieser Einheit. Die völlige Kompatibilität mit den bestehenden Verbindern bleibt erhalten. Die Tatsache, daß der Steck­ verbinder hermetisch ist, macht also das Ganze hermetisch.

Der Buchseneinsatz ist charakteristisch für die Erfindung, weil er einen Satz von Aufnahmeorganen mit doppeltem Zugang aufweist. Gemäß einer bevorzugten Variante ist einer dieser Zugänge innen mit einer elastischen leitenden Röhre bzw. einem elastischen leitenden Clip versehen. Ein Stift des Steckverbinders ist dann in der Röhre im Aufnahmeorgan eingefügt.

Die Erfindung hat also eine Buchsenverbindungseinheit zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen hermetischen Steckverbinder mit vorspringenden Stiften und einen Doppelbuchseneinsatz umfaßt, der im Verbinder plaziert ist und einen Satz leitfähiger Aufnahmeorgane mit doppeltem Zugang aufweist.

Die Erfindung wird besser verständlich durch die nachfolgende Beschreibung und die begleitende Zeichnung. Diese dient nur als Beispiel und schränkt die Erfindung in keiner Weise ein. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b jeweils einander entsprechende Dar­ stellungen einer Vorder- und einer Profilansicht, wobei letztere eine teilgeschnittene Ansicht einer erfindungs­ gemäßen Verbindungseinheit umfaßt;

Fig. 2: eine Vergrößerung der teilgeschnittenen Ansicht von Fig. 1b.

Fig. 1a und 1b zeigen eine erfindungsgemäße Verbindungs­ einheit. Diese Einheit weist einen Buchseneinsatz 2 in einem Steckverbinder 1 auf. In einem Beispiel besitzt der Steck­ verbinder 1 ein Gehäuse aus nichtoxidierendem Stahl. Der Buchseneinsatz 2 dient zur Aufnahme von einem oder mehreren Stiften 3 des Steckverbinders 1. Die Stifte sind entsprechend der Kalibrierungen 16 oder 22 gezeigt, aber natürlich sind auch andere Maße denkbar. Die Verbindungseinheit umfaßt vorzugsweise im Buchseneinsatz 2 Mittel zum Verbinden mit einer Vielzahl an Stiften 3, beispielsweise in der Größen­ ordnung von hundert oder mehreren hundert Stiften. Die dargestellte Verbindungseinheit besitzt eine externe Ver­ bindungsschnittstelle, die in Fig. 1a sichtbar ist und in den Fig. 1b und 2 im rechten Abschnitt gelegen ist. Die Ver­ bindungseinheit dient außerdem dazu, innen mit einer Schaltung oder einem vorzugsweise mehradrigen Kabel verbunden zu werden, das von der anderen Seite - in den Fig. 1b und 2 von links - kommt.

Der Buchseneinsatz 2 umfaßt eine Vielzahl von Aufnahmeorganen mit doppeltem Zugang und auf jeden Fall mindestens ein Auf­ nahmeorgan 4 mit doppeltem Zugang (Fig. 2). Das Aufnahmeorgan 4 besitzt einen ersten Zugang zur Aufnahme des Stiftes 3. Für eine elektrische Anwendung ist das Aufnahmeorgan 4 aus leitfähigem Material. Es besitzt einen zweiten Zugang, der bezüglich des ersten Zugangs auf der anderen Seite des Auf­ nahmeorgans liegt, in Fig. 2 rechts. Dieser zweite Zugang dient zur elektrischen (oder optischen) Verbindung mit einem Stift eines anderen, nicht gezeigten Steckverbinders, der an die dargestellte erfindungsgemäße Verbindungseinheit gekoppelt würde.

Als ersten Zugang weist das Aufnahmeorgan 4 eine Aushöhlung 5 auf. In einem Beispiel ist die Aushöhlung 5 nur nach einer Seite hin offen, und zwar nach links. Es wäre jedoch auch denkbar, daß das Aufnahmeorgan 4 ein Element aus einer hohlen Röhre ist, die über den vorspringenden Teil des Stifts 3 über­ steht, um über einen zweiten Zugang an ihrem anderen Ende eine Buchse zu bilden.

In einem bevorzugten Beispiel ist das Aufnahmeorgan 4 kreis­ förmig zylindrisch geformt. Es wird zum Beispiel durch eine nicht durchgehende Bohrung einer massiven Röhre, beispiels­ weise aus Kupfer oder Bronze, oder durch Gießen erhalten. Daher umfaßt ein Aufnahmeorgan 4 eine hintere Zwischenwand, die die beiden Zugänge voneinander trennt. Für eine optische Anwendung wäre die hintere Zwischenwand durchbohrt. Das Aufnahmeorgan 4 ist mittels einer Hülse 6 im Verbinder 1 befestigt. Die Hülse 6 ist elektrisch isolierend. Sie ist beispielsweise aus Hartgummi oder Plastik. In der Praxis dient die Hülse 6 nur zum Plazieren verschiedener Aufnahmeorgane 4 im Verbinder 1. Der Buchseneinsatz 2 wird auf diese Weise hauptsächlich von den Aufnahmeorganen 4 und der Hülse 6 gebil­ det. Vorzugsweise sind die Aufnahmeorgane 4 in dichter Weise im Verbinder 1 befestigt. Zu diesem Zweck sind sie in dichter Weise in der Hülse 6 befestigt.

Gemäß einer Verbesserung der Erfindung ist ein Aufnahmeorgan 4 mit einer leitfähigen elastischen Röhre bzw. einem leitfähigen elastischen Clip 7 versehen, die bzw. der mit den Wänden des Aufnahmeorgans 4 elektrisch verbunden ist. Aufgrund seiner Elastizität stützt sich der Clip 7 auf eine Innenwand des Aufnahmeorgans 4 und tritt in elektrischen Kontakt mit derselben. Wenn der Einsatz im Verbinder 1 befestigt ist, wird ein Metallstift 8 in die Aushöhlung 5 des Aufnahmeorgans eingefügt. Der Clip 7 steht auch mit der Außenwand des Stiftes 8 in elektrischem Kontakt. Hierzu weist der Clip 7 eine leicht kegelstumpfartige Form auf (einige Winkelgrade). Als Variante kann der Clip 7 aus einem zylindrischen Teilstück hergestellt sein, das auf beiden Seiten längliche Schlitze aufweist und dessen auf diese Weise ausgebildete Flügel an einem Ende leicht nach außen und an einem anderen Ende nach innen gekrümmt sind. Im ausgebildeten Kegel ist die breitere Basis vorzugsweise auf der Seite der Öffnung der Aushöhlung 5 gelegen. Der Clip 7 kann an seinem größeren Außendurchmesser im Aufnahmeorgan 4 befestigt sein, damit er sich nicht verschiebt.

Die hermetischen Eigenschaften der Verbindungseinheit werden vorzugsweise durch einen Verschluß 9 sichergestellt, der sich zum einen auf einer Innenwand des Verbinders 1 und zum anderen auf den Außenwänden der Stifte 3 und 8 abstützt. In einer be­ vorzugten Ausführung besitzt der Verschluß 9 einen Träger 10 und ein Einlagekissen 11 zum Abfangen von Drücken und Gegen­ drücken. Der Träger 10 ist beispielsweise aus Keramik. Er ist, wie oben erwähnt, am Gehäuse des Verbinders 1 und an den Stiften 8 und 3 durch Schmelzen von Glaspulver angecrimpt. Das Einlagekissen 11 wird dann auf den Träger 10 plaziert. Es weist eine Einheit von Perforierungen gegenüber und ent­ sprechend den Aushöhlungen 5 der Aufnahmeorgane 4 in der Verbindungseinheit auf. Diese Perforierungen entsprechen in Zahl und Größe den gewählten Kalibrierungen.

Das Einlagekissen 11 besteht aus einem dicken elastischen Blatt, das rund ist, wenn die Verbindungseinheit rund ist, und Perforierungen sowie ringförmige Wulste 12 und 13 auf beiden Seiten an der Stelle jeder Perforierung aufweist. Die ring­ förmigen Wulste 12 greifen in die Löcher der Hülse 6, durch die die Aufnahmeorgane 4 eingefügt wurden. Die ringförmigen Wulste 13 sind dazu vorgesehen, sich auf dem Träger 10, um jeden Stift herum, abzustützen. Das Einlagekissen 11 kann insbesondere eine Markierung zur Kennzeichnung der Stifte aufweisen.

Das Ganze wird auf folgende Weise montiert: Die Aufnahmeorgane 4 werden in die Hülse 6 eingeführt, in die Löcher, die ihrer Kalibrierung entsprechen. Vor oder nach dem Einführen werden die Clips 7 in die Aushöhlungen 5 gesetzt. Dann wird die so ausgestattete Hülse 6 in den Verbinder 1 gesetzt. Dieser wurde zuvor mit dem Träger 10 und dem Einlagekissen 11 versehen. Letzteres wird so im Verbinder plaziert, daß die Perforie­ rungen den Aufnahmeorganen 4 zugewandt sind. Der Träger 10 könnte auch mit Kraft in den Verbinder 1 eingefügt sein, so daß er über seine Kanten eine hermetische Verbindung mit dem Gehäuse des Verbinders 1 herstellt. Über Wulste 13 und 12 wird die dichte Verbindung des Verbinders 1 mit dem Einlagekissen 11 zum einen an das Aufnahmeorgan 4 und zum anderen eventuell an die Hülse 6 übertragen.

Ebenso wie der Träger 10 und das Einlagekissen 11 ist die Hülse 6 nicht aus leitfähigem Material. Vorzugsweise wird der Buchseneinsatz 2 von rechts in den Verbinder 1 eingeführt. Nach dem Einsetzen und Zusammendrücken werden der Buchsen­ einsatz 2 und die Hülse 6 insbesondere mittels einer elasti­ schen Scheibe 14 gecrimpt, die sich auf einer Schulter 15 des Verbinders 1 abstützt. Das Ganze wird durch einen Deckel oder eine Ringdichtung 16 versiegelt.

Die Länge der Aufnahmeorgane 4 ist der Länge des Gehäuses des Verbinders 1 angepaßt. Im dargestellten Beispiel fluchten die Kanten der zweiten Zugänge der erfindungsgemäßen Verbindungs­ einheit mit dem Ende dieses Gehäuses. In der Praxis kann die Länge des Verbinders um die Länge der Aufnahmeorgane 4 erhöht werden. Diese Verlängerung ist nicht störend, da sie in Richtung der zu verbindenden Kabel erfolgt und aufgrund der geringen Länge des Einsatzes minimal ist. Ansonsten kann sie erforderlichenfalls auch dadurch verringert werden, daß Stifte 3 und 8 mit einem Vorsprung geringer Länge gewählt werden.

Das Einlagekissen 11 besitzt runde Perforierungen, die jedem Aufnahmeorgan zugewandt angeordnet sind und deren Durchmesser geringer ist als ein Außendurchmesser des Clips 7. In der Praxis wird der kegelstumpfartige Clip 7 so in die Aushöhlung 5 eingesetzt, daß seine Spitze in den hinteren Abschnitt der Aushöhlung zeigt. Der größere Außendurchmesser des Clips 7 liegt somit den Wulsten 12 des Einlagekissens 11 gegenüber und kann mit ihnen in Kontakt kommen. Deren Durchmesser ist klei­ ner als dieser größere Außendurchmesser, wodurch ein Heraus­ ziehen verhindert wird. Der Durchmesser der Perforierungen ist jedoch größer oder gleich einem Innendurchmesser des Clips, der nötig ist, damit die Stifte 3 und 8 hindurchpassen.

Der Verbinder 1 ist mit einem Bedienungsring 17 versehen, der insbesondere Kerben 18 zum Festklammern eines Spannwerkzeugs aufweist. Der Ring 17 umfaßt in seinem vorderen Teil, zur rechten Seite der Fig. 1b hin, eine Verankerungsvorrichtung 19, die das Eingreifen der erfindungsgemäßen Verbindungs­ einheit in einer entsprechenden komplementären Vorrichtung ermöglicht. Zum Beispiel weist die Verankerungsvorrichtung 19 Gewinde auf, die sich in eine hohle männliche Schraube ein­ fügen, die den äußeren Umfang eines gegenüberliegenden kom­ plementären Verbinders bildet. Der Ring 17, der sich bezüglich dem Verbinder 1 frei drehen kann, treibt unter der Wirkung der von der Verankerungsvorrichtung 19 ausgeübten Anziehung den Verbinder 1 mit Hilfe einer kreisförmigen Druckvorrichtung 20 an, über die er sich auf dem Verbinder 1 abstützt.

Zur Befestigung der Aufnahmeorgane 4 an der Hülse 6 wird diese zum Beispiel durch Gießen hergestellt, mit Löchern an den Stellen, wo die Aufnahmeorgane 4 plaziert werden. Diese Löcher umfassen an einem hinteren Ende 23 kreisförmige Elemente 24, deren Durchmesser kleiner ist als die Löcher und auf denen die hinteren Fundamente der Aufnahmeorgane 4 zur Auflage kommen. Diese Aufnahmeorgane weisen in ihrem hinteren Fundament als zweiten Zugang leitfähige Muffen 25 auf, die Schutzrohre für Verbindungsbuchsen bilden, mit denen die Muffen elektrisch verbunden werden. In Fig. 2 sind die Buchsen 26 in den Aus­ höhlungen 27 der Muffen 25, die die zweiten Zugänge bilden, dargestellt.

Ein Steckverbinder wird folgendermaßen mit der erfindungs­ gemäßen Verbindungseinheit verbunden: Ein Stift des Steck­ verbinders wird durch ein Hülsenloch 23 in eine Muffe 25 eingeführt. Innerhalb dieser Muffe dringt der Stift über eine Öffnung 28 ins Innere einer leitfähigen Buchse 26. Die elek­ trische Verbindung zwischen dem Stift und der Buchse 26 wird dadurch erreicht, daß die Buchsen 26 spitzbogenförmig und hohl sind. Diese Spitzkegel werden beispielsweise aus Rohrelementen hergestellt, in denen längliche Ausschnitte es ermöglichen, Flügel zu bilden, die zur Achse des Rohrs hin umgebogen sind. Über ihre Außenwand tritt eine Buchse 26 mit Buckeln 29 in Kontakt, die ins Innere der Aushöhlung 27 der Muffe gerichtet sind.

Die elektrische Verbindung der Muffen 25 mit den Aushöhlungen. 5 in den Aufnahmeorganen 4 wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß diese Aufnahmeorgane jeweils aus einem Stück sind. Es ist jedoch nicht nötig, daß die Kalibrierungen der Muffen 25 die gleichen sind wie diejenigen der gegenüberliegenden Aushöh­ lungen 5. Denn es ist innerhalb der Toleranzgrenze bezüglich Platzbedarf und Verteilung möglich, verschiedene Kalibrie­ rungen vorzusehen, so daß beispielsweise ausgehend von einem einzigen hermetischen Steckverbinder verschiedene Arten von Buchsenverbindungseinheiten verwirklicht werden können.

Der Verbinder 1 weist weiter in seinem hinteren Abschnitt eine zylindrische vorspringende Ausstülpung 21 auf, die sich in eine Schaltung oder die Hülle eines an den Verbinder anzu­ schließenden Kabels einfügt. Die Adern des Kabels oder die Anschlüsse der Schaltung sind zum Beispiel an die linken Enden der Stifte 8 und 3 gelötet. Sobald die Verbindung aller Kabel­ adern hergestellt ist, kann der hintere Abschnitt 30 des Ver­ binders 1, in den Fig. 1b und 2 links, mit einem herme­ tischen elastischen Material vergossen werden, das sich außer­ dem mit einer äußeren Hülle des Kabels verbindet, welches elektrisch mit der Verbindungseinheit verbunden ist. Dieser vergossene Abschnitt kann hermetische Eigenschaften besitzen, da er ebenfalls aus einem Stück ist.

Durch die Wirkung der Verankerungsvorrichtung 19 und eventuell einer Dichtung im hinteren Teil der Aushöhlung, die die Aus­ stülpung 21 aufnimmt, kann der Verbinder 1 in seiner Verbin­ dung mit einer Schaltung oder einem Kabel hermetisch vom um­ gebenden Raum isoliert sein. Die dichte Befestigung der Ein­ sätze im Verbinder 1 ändert nichts an dieser hermetischen Ab­ dichtung. Mit Hilfe von Unverwechselbarkeitsnuten 22 lassen sich zwei komplementäre Verbinder beim Zusammenfügen in eine vorbestimmte Position einander gegenüber ausrichten.

Claims (10)

1. Buchsenverbindungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen hermetischen Steckverbinder (1) mit vorstehenden Stiften und einen Doppelbuchseneinsatz (2) aufweist, der im Verbinder (1) plaziert ist und einen Satz leitfähiger Aufnahmeorgane (4) mit doppeltem Zugang aufweist.

2. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Zugang eines Aufnahmeorgans einen leitfähigen elastischen Clip aufweist, der im Aufnahmeorgan plaziert ist und sich auf eine Innenwand desselben sowie eine Außenwand eines vorspringenden Stifts abstützt.

3. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Clip kegelstumpfartig ist.

4. Einheit nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Clip zur Bildung von Kontakt­ flügeln einen ausgeschnittenen Zylinder aufweist.

5. Einheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Clip im Aufnahmeorgan befestigt ist, damit er sich nicht verschiebt.

6. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Verschluß (9) aufweist, der hermetisch auf einer Innenwand und auf Stiften des Verbinders aufliegt.

7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (9) einen Träger (10) aufweist, der durch Glas­ verbindungen an die Stifte und den Verbinder gecrimpt ist.

8. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Zugang eines Aufnahme­ organs eine Muffe bildet, die einen Vorsprung (29) auf­ weist, um eine Aufnahmebuchse eines Stifts zu halten.

9. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz eine Hülse (6) mit Löchern aufweist, die an einem Ende ein Element (24) zum Halten eines Aufnahmeorgans mit doppeltem Zugang aufweisen.

10. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein doppeltes Aufnahmeorgan eine hintere Zwischenwand aufweist, die die beiden Zugänge voneinander trennt.