用于水下设备应用的绝缘衬套制造技术

一种用于在水下设备的内部电子单元与5水下设备的外壳体之间提供屏障的套筒，其中，所述套筒由包含弹性体基体材料和颗粒填充材料的复合材料组成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于水下设备应用的绝缘衬套
本专利技术涉及用于水下设备(诸如海底电信放大器、交换机、复用器或解复用器)的绝缘衬套。
技术介绍
向更高容量的海缆系统发展的趋势增加了水下设备中的电功率耗散，这又要求优化设备的所有零部件的传热效率，以便使关键部件的工作温度最小化。需要使诸如海底中继器的设备中的关键部件(特别是诸如泵浦激光器的部件)的最高长期工作温度最小化和确定化，以保证水下设备所需的高可靠性。对于内部电子单元，高于海底环境水平的温度增加与耗散的电功率成比例。特别需要关注的热流路径是中继器的外部壳体与中继器内部单元之间的热流路径，中继器的外部壳体处于局部地电位，而中继器内部单元可以处于与外部壳体不同的数千伏的电压下操作。当前解决方案使用位于中继器的外部壳体与中继器内部电子模块之间的电绝缘套筒。此类套筒通常设置为低密度聚乙烯(LDPE)的挤出成型的圆筒形壳。LDPE具有大约20KV/mm的介电强度和在0.30至0.33W/mK范围内的热导率。或者，可以使用高密度聚乙烯(HDPE)，其提供边际改进，具有约70KV/mm的介电强度和0.40到0.45W/mK范围内的热导率。因此，虽然这样的壳具有良好的电绝缘性能，但其热导率低，导致中继器结构内部存在显著的热梯度。套筒的制造是困难的，并且尺寸的控制对于组装和性能效率是至关重要的。PE绝缘套筒的当前制造方法是将材料挤出为管。这种工艺需要将聚合物加热直到熔融为止，然后在真空下通过模具挤出以形成管，然后将管通过一系列水冷槽拉出，以产生连续的筒体。随着高容量中继器的尺寸增加以容纳更多的电子器件，形成更大直径的薄壁结构变得更加难以实现。此外，内部电子模块和绝缘套筒以及绝缘套筒和外部压力壳体之间的接触面积由于聚合物材料的刚性而受到限制。当前的PE衬套被制造成一旦被插入中继器壳体中就确保它与外部压力套筒之间的过盈配合。然后，电子模块动态地扩张以夹紧抵靠该绝缘套筒的内径以形成用于热传递的紧密接触。尽管由电子模块施加径向夹紧力，但是接触面积百分比由配合零部件的尺寸精度和绝缘套筒材料自身的顺应性决定，接触效率最大也不超过50％。因为衬套材料热导率的限制，考虑到诸如中继器的设备的传统低电功率输出，其通常在0.65A的线路电流和12KV直流(DC)的系统电压下操作，其中每个放大器产生35W的功率。然而，如今新的更高的容量要求对水下设备的热性能提出了更高的要求。高功能性/高光纤数系统的当前趋势推动了对高功率中继器的需求，所述高功率中继器通常处于0.65到1.5A的线路电流和高达20KVDC的电压下运行，其中每个中继器产生80W或更多的功率。这些新中继器设计内的温度上升需要被尽可能地降低，以确保关键部件在系统的寿命期间的性能和可靠性。为了在更高容量的系统中实现关键部件温度的必要降低，需要超过1.5W/mK的热导率。这通过目前使用的诸如LDPE的绝缘材料是不能实现的。已知，通过添加诸如氮化硼的陶瓷填料可实现更高的热导率。这样的填料可能难以分布在聚合物基材内并且可能对部件的制造工艺具有有害影响。向诸如聚乙烯化合物的绝缘聚合物中添加填料会增加制造难度。由于挤出工艺，填料的分散和分布是随机的，因此材料的热性能和电性能在整个筒体结构中会发生变化。由于粘度和比热的变化，填料显著改变聚合物的挤出工艺参数。这会导致管的尺寸稳定性差，表面光洁度差，材料内应力过大和模具内的过早冷却，导致堵塞和粘结。填料也可能具有磨蚀性，引起过多的模具和工具磨损。使用高百分比的填充材料也会降低基材的弹性，制成的套筒脆性太大无法使用且容易损坏。期望开发一种用于水下电信中继器电子器件的套筒，其具有改进的传热效率，同时保持高压绝缘。
技术实现思路
根据第一方面，提供了一种用于在水下设备的内部电子单元与水下设备的外壳体之间提供屏障的套筒，其中，该套筒包含复合材料或由复合材料组成，所述复合材料包含弹性体基体材料和颗粒填充材料。该颗粒填充材料与该弹性体基体材料的比率可以被选择成使得：复合材料的热导率是至少1W/mK，并且复合材料的介电强度是至少80KV/mm。所得到的套筒可以提供双重功能，既用作高压DC电绝缘体，又在25年的使用寿命内使内部电子组件和外部中继器壳体之间的热梯度减小。弹性体基体材料可以是硅弹性体，并且颗粒填充材料可以是氮化硼。这种材料的组合已经显示出产生具有用于这种应用的良好性质的复合材料。对于给定的功率耗散，这种材料的使用降低了中继器内关键部件的稳态操作温度，同时允许在增加的更高系统电压下操作，并具有改善的HV老化/寿命特性和可靠性。颗粒填充材料的量可以小于或等于复合材料的重量的45％(％)。这种组分的比率已经显示出产生特别好的性能。套筒可以使用压缩模制来制造。使用压缩模制来生产套筒可以使填充材料在复合材料中的分布改善。水下设备可以是或包含海底电信放大器、交换机、复用器或解复用器。因此，套筒可以与多种湿式设备兼容使用。例如，海底中继器、分支单元和可重新配置的光分插复用器(ROADM)。水下设备可以被配置成接收至少0.5KV的系统电压。因此，在25年的使用寿命内，套筒可以为处于高压操作的部件提供屏障。复合材料的热导率可以为至少1.5W/mK。复合材料的介电强度可以为至少90KV/mm。套筒可以是呈周向连续的中空管的形式。这对于海底设备的内部电子单元的保护而言是一种方便的配置。根据第二方面，提供一种制造用于水下设备的套筒的方法，该套筒包含复合材料或由复合材料组成，所述复合材料包含弹性体基体材料和颗粒填充材料，该方法包含：将复合材料的预成型件放入模腔中；以及向预成型件施加压力，以使预成型件塑性变形以形成套筒。与挤出所述材料相比，该方法可以使填充材料在复合材料中的分布改善。由于该材料既没有被挤出为管，并且材料也没有被注射入模腔，所以弹性体材料表现得更均匀。这导致材料内残余应力更小并且产品尺寸更稳定。将材料的预成型件放入模腔中的步骤可以包含：将复合材料的预成型件放入模腔的下部中；将预成型件缠绕在芯上；以及将模腔的上半部施加在被缠绕的芯上。这可以允许生产中空且连续的套筒部件。该方法可以进一步包含：在向预成型件施加压力以使预成型件塑性变形以形成套筒的步骤之后，从模腔移除所形成的套筒；以及固化该塑性变形的材料。这可以使模制稳定。该方法可以进一步包含：在施加压力的同时施加热量，以使预成型件塑性变形以形成套筒。这可以允许预成型件更有效的变形。所形成的套筒可以是呈周向连续的中空管的形式。这对于海底设备的内部电子单元的保护而言是一种方便的配置。弹性体基体材料可以是硅弹性体，并且颗粒填充材料可以是氮化硼。这种材料的组合已经显示出产生具有用于这种应用的良好性能的复合材料。附图说明现在将参照附图通过示例来描述本专利技术。在附图中：图1(a)示出了海底中继器的示例。图1(b)示出了中继器的中心区域的展开图，在中继器的内部电子模块和外部壳体之间具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在水下设备的内部电子单元与所述水下设备的外壳体之间提供屏障的套筒，其中，所述套筒包含复合材料或由复合材料组成，所述复合材料包含弹性体基体材料和颗粒填充材料。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在水下设备的内部电子单元与所述水下设备的外壳体之间提供屏障的套筒，其中，所述套筒包含复合材料或由复合材料组成，所述复合材料包含弹性体基体材料和颗粒填充材料。


2.如权利要求1所述的套筒，其中，所述颗粒填充材料与所述弹性体基体材料的比率被选择成使得：所述复合材料的热导率是至少1W/mK，并且所述复合材料的介电强度是至少80KV/mm。


3.如权利要求1或权利要求2所述的套筒，其中，所述弹性体基体材料是硅弹性体，并且所述颗粒填充材料是氮化硼。


4.如任一项前述权利要求所述的套筒，其中，所述颗粒填充材料的量小于或等于所述复合材料的重量的45％。


5.如任一项前述权利要求所述的套筒，其中，所述套筒是使用压缩模制来制造的。


6.如任一项前述权利要求所述的套筒，其中，所述水下设备是或包含海底电信放大器、交换机、复用器或解复用器。


7.如任一项前述权利要求所述的套筒，其中，所述水下设备被配置成接收至少0.5KV的系统电压。


8.如权利要求2至7中任一项所述的套筒，其中，所述复合材料的热导率是至少1.5W/mK。


9.如权利要求2至8中任一项所述的套筒，其中，所述复合材料的介电强度是至少90KV/mm。


10.如任一项前...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊恩·沃特森，
申请(专利权)人：华为海洋网络有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12