用于恶劣环境的馈通元件的制作方法
【专利摘要】用于恶劣环境的馈通元件包括具有至少一个检查开口的支撑体，至少一个功能元件布置在检查开口中的电绝缘固定材料中。电绝缘固定材料包含体积电阻在350℃下高于1.0×1010Ω·cm的玻璃或玻璃陶瓷。这样的玻璃或玻璃陶瓷在系统SiO2–B2O3–MO中具有限定的组分范围。
【专利说明】用于恶劣环境的馈通元件
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及一种馈通元件，更具体涉及一种能够用于26(TC之上的高操作 或应急情况温度的恶劣环境的改进馈通元件。具体而言，本发明的馈通元件可W承受 420(K)psi之上的操作和/或应急情况压力。因此，它们可W用于各种应用，尤其是用于井下 (downhole)钻孔设备和用于毒物质的安全罩（contai皿ent) W及用于航空器中。
【背景技术】
[0002] -般而言，馈通元件在现有技术中是公知的，并且集成在许多装置中。一般而言， 该样的馈通元件通常包括电导体，该电导体通过点绝缘材料固定在馈通开口内。表征该样 馈通装置性能的参数主要是绝缘材料的电阻、承受使得绝缘材料和/或导体冲出馈通检查 开口的温度和压力的能力。
[0003] 虽然该样馈通元件代表非常合适的技术，例如用于导引电流通过装置的壳体，但 是该些参数经常限制可能使用包含该样馈通元件的装置的可能应用区域。在US 5, 203, 723 中，描述了由金属销制成的馈通元件，该金属销由作为电绝缘材料的聚合物材料所包 围。包围电导体的聚合材料的几何形状通过凹槽和突起、诸如肩部而适于承受更高的压 力。所述的馈通元件用于在进行井下油井测量或记录工具的探头内进行连接，并且可W 用于26(TC之上的操作温度和高达280(K)psi的操作压力。使用的聚合物的体积电阻为约 8.0X10MQ，皿，因此是相当优异的。但是，该样聚合物的长期稳定性随着暴露到更高操作 温度下、暴露到诸如UV或伽玛福射的电磁福射下W及由于物理磨损引起的机械退化的时 间而降低，
[0004] 包含诸如玻璃的无机材料作为电绝缘材料的馈通元件也是已知的。例如，US 8, 397, 638描述了一种气囊点火器的馈通装置，在该馈通装置中，金属支撑体的检查孔由玻 璃材料密封，该玻璃材料也保持作为电导体的销。该样的馈通元件设计成当点火器点火时 承受爆破性压力，并且可能观察到约lOOObar、对应于145(K)psi的压力。虽然没有描述绝缘 材料的电性能，但是可W想像到，玻璃材料的体积电阻不起主要作用，因为点火器在较短的 电脉冲内仅仅点火一次然后装置被破坏。
[0005] 所述的馈通元件不足W用于恶劣环境的应用中，例如，在井下钻孔装置中，便于在 增大深度情况下勘测和/或开采天然石油和/或天然气源，并且因此在更长时间段内暴露 到更高操作温度下。
【发明内容】
[0006] 针对于【背景技术】，本发明的目的在于提供一种馈通元件，其适于用在26(TC之上的 温度下并且确保导体与其四周的高电绝缘性能。
[0007] 该目的由本发明的馈通元件实现。
[0008] 本发明的馈通元件包括具有至少一个检查开口的支撑体，至少一个功能元件布置 在检查开口中的电绝缘固定材料中。该电绝缘固定材料将功能元件与支撑体电绝缘，并且 由此将功能元件与支撑体物理和电隔离。另外，换而言之，电绝缘材料密封支撑体的检查开 n。
[0009] 优选地，功能元件可W是用于电流的导体。本发明的馈通元件经常集成在装置壳 体内。因此，壳体能够被密封。功能元件经常用于传送诸如信号的信息和/或诸如穿过壳 体的电流的能量。
[0010] 根据本发明，电绝缘固定材料包含在35(TC温度下具有高于1. 0X1(TQ ? cm体积 电阻的玻璃或玻璃陶瓷。术语"包含"主要包括该样的实施例，其中电绝缘固定材料不仅仅 由玻璃或玻璃陶瓷制成，也可W由可能包括上述组分范围内的不同玻璃和/或玻璃陶瓷材 料的夹层或也包括其他组分或诸如聚合物的其他材料的夹层制成。
[0011] 本发明的玻璃或玻璃陶瓷包括氧化物成分的摩尔百分比；25% -55% Si〇2、 0. 1% -15% B203、0% -15% Al2〇3、20% -50% MO W及 2% W下的 M2O,其中 MO 选自由单独的 MgO和/或CaO和/或BaO、或其组合构成的组，其中，M20选自由单独的叫0和/或化2〇和 /或K20或其组合构成的组。
[0012] 就此，关于玻璃材料的性质和成分必须做出一些说明。本发明的电绝缘固定材料 可W是玻璃。玻璃公知为无定形材料，其中，结晶体不是令人满意的。与此相比，玻璃陶瓷 是一种材料，其中结晶区域嵌入在玻璃基质内。结晶区域占整个材料可W高达99%或更多。 玻璃陶瓷经常由玻璃材料生产，玻璃材料然后经过其中降低至少部分结晶的热处理。因为 玻璃陶瓷的结晶区域与无定形玻璃基质相比经常具有不同的CTE(热膨胀系数），结晶区域 的浓度W及它们具体CTE可W用来适用玻璃陶瓷材料的整个CTE。在本发明中，与玻璃陶瓷 材料一样，无定形玻璃材料也是合适的。两者具有作为检查开口中存在的电绝缘固定材料 的上述组分。
[0013] 在优选实施例中，上述玻璃或玻璃陶瓷基本没有BaO和/或SrO和/或Li2〇和/ 或Na2〇和/或K20。此提议包括单独组分W及其任何组合。
[0014] 在另一个优选实施例中，上述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化物成分的摩尔百分比Si化 为38. 8%-55%。Si化的其他适当下限为39%和/或40% (氧化物成分的摩尔百分比）。 该些所有下限可W与51 %和/或50%的优选上限结合。
[0015] B203在上述玻璃或玻璃陶瓷中的优选范围也是0. 1%-13% (氧化物成分的摩尔 百分比）。此范围当然可W与上述的任何范围结合。
[0016] 具有上述成分的电绝缘玻璃或玻璃陶瓷材料为此组材料提供出色的体积电阻。因 为体积电阻是测量体积电阻值时的温度的函数，上面详述了 35CTC温度时的体积电阻。体积 电阻随温度升高而降低。该限制了所述馈通元件的最高操作温度，因为电绝缘固定材料在 某一温度下失去其绝缘性能。通过提供35CTC下该样高的体积电阻最小值，本发明的馈通元 件更优选适合于W前禁止的高温应用。体积电阻在25CTC下的值大约是35CTC下的值的十 倍。
[0017] 除了电绝缘固定材料的体积电阻和馈通元件所暴露的温度之外，功能元件和支撑 体之间待测电阻还基于馈通装置的几何形状，例如嵌入在绝缘材料中的功能元件表面与和 绝缘材料进行接触的检查开口内壁之间的最小距离。因为绝缘材料体积电阻的较高值，可 W将馈通元件设计成比较紧凑的尺寸。该样优选的实施例表征为该样的馈通元件，其中，电 绝缘固定材料W 26(TC下至少500MQ的绝缘电阻将功能元件与支撑体电绝缘。
[0018] 功能元件可W满足本发明馈通元件中的不同功能。最常用的情况是，功能元件为 电导体。在此情况下，功能元件可W是实也或中空销或管。该样的销可W由金属或其它合 适导体制成。但是，功能元件在本说明书的范畴也可W满足其他功能，例如，其可W代表用 于将例如微波或声波导引穿过馈通件的波导。在该些情况下，功能元件主要是管，优选由金 属或陶瓷制成的管。功能元件也可W用于将诸如冷却水或冷却气体之类的冷却流体导引穿 过馈通元件。馈通元件的另一个可能实施例是简单的保持元件，其承载另外功能元件，例如 热电偶或作为光导的光纤。换而言之，在此实施例中，功能元件可W用作用于不能直接固定 在电绝缘玻璃或玻璃陶瓷材料中的功能元件的适配器。在该些情况下，最合适的功能元件 可W是中空元件或管。
[0019] 不仅仅要考虑几何设计，诸如限定本发明馈通元件可W暴露的最大压力的电绝缘 玻璃或玻璃陶瓷固定材料W及检查开口的厚度，而且要考虑检查开口内的玻璃或玻璃陶瓷 材料的结合强度。如果该样的材料用于密封检查开口，在玻璃或玻璃陶瓷材料与检查开口 的内壁或功能元件的外表面的接触区域上存在化学或物理结合现象。该些结合现象可W是 一侧检查开口的内壁的材料W及由此支撑体和/或功能元件的材料与另一侧玻璃或玻璃 陶瓷固定材料的组分之间的化学反应或物理相互作用。如果W最佳方式选择玻璃或玻璃陶 瓷固定材料的成分，该些结合现象显著增加固定材料和待固定元件之间连接的强度。在本 发明上下文中，所述成分的优势可W由26(TC操作温度下本发明馈通元件可W承受的超过 420(K)psi最大压力来证明。此最大压力表示馈通元件可W长时间暴露的操作压力。最大压 力还基于操作温度，在室温下，所述馈通元件可W得到超过650(K)psi的最大压力。短时间 的峰压可W显著超过最大压力。
[0020] 如果所述馈通元件遭受超负荷压力，通常固定材料与功能元件一起或功能元件单 独冲出检查开口。然后，周围物质可能通过检查开口并且可能损坏附近的设备。因此，期望 最大压力的最高可能值。
[0021] 所述电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料能够密闭密封至少一个检查开口。术语"密 闭密封"公知为具体规定密封的质量，在此情况下，密闭是指密封基本完全紧密的，不泄漏 任何可能介质。通常，密闭性使用氮泄漏测试来衡量。该程序在业内是公知的。氮泄漏速 率在室温下低于l.〇Xl(T 8cc/sec (立方厘米每砂）或室温下1.69Xl(Ti%bar 1/s表示，检 查开口的密封是密闭的。
[0022] 电绝缘固定材料的所述成分范围提供了基本上匹配电绝缘固定材料的CTE和支 撑体的CTE的可能性。该意味着，电绝缘固定材料和支撑体的CTE的值基本相同或至少相 似。在此情况下，存在所谓的匹配密封。将电绝缘固定材料保持在检查开口内的力主要是 玻璃或玻璃陶瓷组分与支撑体的材料在玻璃或玻璃陶瓷材料在检查开口内壁处的界面处 的所述相互作用所引起的化学和/或物理力。
[0023] 可选地，电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料的成分可W在支撑体的所述范围和/或 材料内选择，使得得到所谓的压缩密封。在此情况下，支撑体材料的CTE大于电绝缘玻璃或 玻璃陶瓷固定材料的CTE。在制造馈通装置过程中，当插入到至少一个检查开口中的支撑起 与玻璃或玻璃陶瓷固定材料（W及功能元件）一起被加热时，玻璃或玻璃陶瓷固定材料烙 融并且与该检查开口的内壁连接。当冷却此组件时，支撑体几乎收缩到检查开口内的玻璃 或玻璃陶瓷毛逐（slug)上并且将物理压力提供到玻璃或玻璃陶瓷毛逐上，该增大了将电 绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料保持在至少一个检查开口内的力。因此，支撑体向电绝缘固 定材料施加额外的保持力。此额外的保持力至少存在于室温下，并且优选将至少一个检查 开口的紧固密封提高到馈通元件制造时的温度。当然，在匹配密封的上下文中所提及的化 学或物理分子力还仍然可W存在。
[0024] 实质上，支撑体可W由所述合适材料和/或材料组合制造。但是，支撑体的优选材 料是陶瓷，优选为Al2〇3陶瓷和/或稳定Zr〇2陶瓷和/或云母（Mica)。
[00巧]可选地，支撑体优选可W由金属和/或合金制造。此组的优选材料是不镑钢 SAE304SS和/或不镑钢SAE316SS和/或铅媒铁合金。
[0026] 功能元件优选基本由金属材料和/或优选选自被铜合金和/或媒铁合金和/或科 伐合金和/或铅媒铁合金所构成的组的合金制成。
[0027] 基于陶瓷和金属的材料是本领域一般技术人员公知的，并且因此在此不再详细费 述。支撑体和功能元件两者例如在检查开口附近之外的其他区域中当然还可W包括上述之 外的其他材料，并且/或者可W包含不同材料的夹层结构。
[0028] 如果某些材料组合用于支撑体和功能元件，则可W调节所述馈通元件的性能。更 优选的是被铜合金制成的功能元件与不镑钢SAE304SS或不镑钢SAE316SS制成的支撑体的 组合。同样优选的是媒-铁合金制成的功能元件与不镑钢SAE304SS或铅媒铁合金制成的支 撑体的组合。另一个优选组合由科伐合金制成的功能元件与基本由科伐合金制成的支撑体 的组合。还特别优选的是铅媒铁合金制成的功能元件与铅媒铁合金制成的支撑体的组合。 在下表中总结了优选组合。 _
【权利要求】
1. 一种用于恶劣环境的馈通元件，该馈通元件包括： 具有至少一个检查开口的支撑体，至少一个功能元件布置在所述检查开口中的电绝缘 固定材料中； 所述电绝缘固定材料将所述功能元件与所述支撑体电绝缘； 其中，电绝缘固定材料包含体积电阻在350°C下高于I.OxlOlOΩcm的玻璃或玻璃陶瓷 并且所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化物成分的摩尔百分比： SiO2 25-55 B2O3 0.1-15 AI2O3 0-15 MO 20-50 M2O 0-<2， 其中，MO选自由单独的MgO和/或CaO和/或BaO或其组合构成的组，M2O选自由单独 的Li2O和/或Na20和/或K2O或其组合构成的组。
2. 根据权利要求1所述的馈通元件，其中，所述电绝缘固定材料将所述功能元件与所 述支撑体电绝缘，所述支撑体在260°C的操作温度下具有至少500ΜΩ的绝缘电阻。
3. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述功能元件是电导体或波导 或冷却液线路或热电偶的壳体或承载另外功能元件的中空元件。
4. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，将所述至少一个功能元件布置 在所述至少一个检查开口内的所述电绝缘固定材料内可以在260°C的操作稳定下承受超过 42000psi的压力。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述电绝缘固定材料密闭密封 所述至少一个检查开口。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述电绝缘固定材料的CTE与 所述支撑体的CTE基本匹配。
7. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述电绝缘固定材料的CTE值 小于所述支撑体的CTE，由此，至少在室温下，所述支撑体向所述电绝缘固定材料施加额外 的保持压力。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述支撑体由选自Al2O3陶瓷和 /或稳定ZrO2陶瓷和/或云母所构成的组的陶瓷制成。
9. 根据权利要求1-7中任一项所述的馈通元件，其中，所述支撑体由金属材料和/或选 自不锈钢SAE304SS和/或不锈钢SAE316SS和/或铬镍铁合金所构成的组的合金制成。
10. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述功能元件基本由金属材料 和/或选自铍铜合金和/或镍-铁合金和/或科伐合金和/或铬镍铁合金所构成的组的合 金制成。
11. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，下列用于所述功能元件和所述 支撑体的材料组合如下： 所述功能元件基本由铍铜合金制成，并且所述支撑体基本由不锈钢SAE204SS或不锈 钢SAE316SS制成，并且/或者 所述功能元件基本由镍-铁合金合金制成，并且所述支撑体基本由不锈钢304SS或铬 镍铁合金制成，并且/或者 所述连接器元件基本由科伐合金制成，并且所述支撑体基本由铬镍铁合金制成，并且/ 或者 所述连接器元件基本由科伐合金制成，并且所述支撑体基本由铬镍铁合金制成。
12. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化 物成分的摩尔百分比： Si〇2 35 - 50 巳2〇3 5 - 15 八丨2〇3 0 - 5 MO 30-50 M2O 0 _ <1〇
13. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化 物成分的摩尔百分比： SiO2 35-50 B2O3 5-15 八丨2〇3 〇 - <2 MO 30-50 M2O 0 _ <1。
14. 根据权利要求1-12中任一项所述的馈通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧 化物成分的摩尔百分比： SiO2 39-55 B2O3 5-15 八丨2〇3 0 - 5 MO 30-50 M2O 0 _ <1〇
15. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷基本不含 单独的M20和/或PbO和/或氟或其任意组合。
16. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化 物的摩尔百分比： ZrO2 0-10Y2O3 0-10 La2O3 0_10〇
17. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括高达 30 %体积的填充物，所述填充物优选选自由单独的ZrO2和/或Al2O3和/或MgO或其组合 所构成的组。
18. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述至少一个检查开口具有检 查开口内壁，所述检查开口内壁具有防止所述电绝缘固定材料相对于所述支撑体运动的装 置。
19. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，所述至少一个检查开口具有至 少一个具有圆柱形或截顶的轮廓的区域。
20. 根据上述权利要求中任一项所述的馈通元件，其中，至少一个连接器元件具有在压 力施加到所述馈通元件上时防止所述至少一个连接器元件相对于所述电绝缘固定材料和 所述支撑体运动的装置。
21. -种井下石油和或天然气钻孔或勘测装置，包括根据权利要求1-20中任一项所述 的馈通元件。
22. -种具有壳体的能量生成或能量存储装置，包括根据权利要求1-20中任一项所述 的馈通元件。
23. -种有毒和/或能量生成装置或能量存储装置或有害物质的反应器或存储装置的 安全罩，包括根据权利要求1-20中任一项所述的馈通元件。
24. -种航天器或空间探测车，包括根据权利要求1-20中任一项所述的馈通元件。
25. -种包封在壳体内的感测器或致动器，包括根据权利要求1-20中任一项所述的馈 通元件。
【文档编号】H01R13/533GK104466520SQ201410471331
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2013年9月20日
【发明者】查尔斯·里德克, 大卫·菲尔金斯, 延斯·沙佛, 爱伦·凯·雷特, 朱里奥·卡斯蒂略, 萨宾·皮克勒威廉 申请人:肖特股份有限公司