用于惡劣環(huán)境的饋通元件的制作方法
【專利摘要】用于惡劣環(huán)境的饋通元件包括具有至少一個檢查開口的支撐體，至少一個功能元件布置在檢查開口中的電絕緣固定材料中。電絕緣固定材料包含體積電阻在350℃下高于1.0×1010Ω·cm的玻璃或玻璃陶瓷。這樣的玻璃或玻璃陶瓷在系統(tǒng)SiO2–B2O3–MO中具有限定的組分范圍。
【專利說明】用于惡劣環(huán)境的饋通元件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及一種饋通元件，更具體涉及一種能夠用于26(TC之上的高操作 或應(yīng)急情況溫度的惡劣環(huán)境的改進(jìn)饋通元件。具體而言，本發(fā)明的饋通元件可W承受 420(K)psi之上的操作和/或應(yīng)急情況壓力。因此，它們可W用于各種應(yīng)用，尤其是用于井下 (downhole)鉆孔設(shè)備和用于毒物質(zhì)的安全罩（contai皿ent) W及用于航空器中。

【背景技術(shù)】
[0002] -般而言，饋通元件在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，并且集成在許多裝置中。一般而言， 該樣的饋通元件通常包括電導(dǎo)體，該電導(dǎo)體通過點(diǎn)絕緣材料固定在饋通開口內(nèi)。表征該樣 饋通裝置性能的參數(shù)主要是絕緣材料的電阻、承受使得絕緣材料和/或?qū)w沖出饋通檢查 開口的溫度和壓力的能力。
[0003] 雖然該樣饋通元件代表非常合適的技術(shù)，例如用于導(dǎo)引電流通過裝置的殼體，但 是該些參數(shù)經(jīng)常限制可能使用包含該樣饋通元件的裝置的可能應(yīng)用區(qū)域。在US 5, 203, 723 中，描述了由金屬銷制成的饋通元件，該金屬銷由作為電絕緣材料的聚合物材料所包 圍。包圍電導(dǎo)體的聚合材料的幾何形狀通過凹槽和突起、諸如肩部而適于承受更高的壓 力。所述的饋通元件用于在進(jìn)行井下油井測量或記錄工具的探頭內(nèi)進(jìn)行連接，并且可W 用于26(TC之上的操作溫度和高達(dá)280(K)psi的操作壓力。使用的聚合物的體積電阻為約 8.0X10MQ，皿，因此是相當(dāng)優(yōu)異的。但是，該樣聚合物的長期穩(wěn)定性隨著暴露到更高操作 溫度下、暴露到諸如UV或伽瑪福射的電磁福射下W及由于物理磨損引起的機(jī)械退化的時 間而降低，
[0004] 包含諸如玻璃的無機(jī)材料作為電絕緣材料的饋通元件也是已知的。例如，US 8, 397, 638描述了一種氣囊點(diǎn)火器的饋通裝置，在該饋通裝置中，金屬支撐體的檢查孔由玻 璃材料密封，該玻璃材料也保持作為電導(dǎo)體的銷。該樣的饋通元件設(shè)計成當(dāng)點(diǎn)火器點(diǎn)火時 承受爆破性壓力，并且可能觀察到約lOOObar、對應(yīng)于145(K)psi的壓力。雖然沒有描述絕緣 材料的電性能，但是可W想像到，玻璃材料的體積電阻不起主要作用，因?yàn)辄c(diǎn)火器在較短的 電脈沖內(nèi)僅僅點(diǎn)火一次然后裝置被破壞。
[0005] 所述的饋通元件不足W用于惡劣環(huán)境的應(yīng)用中，例如，在井下鉆孔裝置中，便于在 增大深度情況下勘測和/或開采天然石油和/或天然氣源，并且因此在更長時間段內(nèi)暴露 到更高操作溫度下。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對于【背景技術(shù)】，本發(fā)明的目的在于提供一種饋通元件，其適于用在26(TC之上的 溫度下并且確保導(dǎo)體與其四周的高電絕緣性能。
[0007] 該目的由本發(fā)明的饋通元件實(shí)現(xiàn)。
[0008] 本發(fā)明的饋通元件包括具有至少一個檢查開口的支撐體，至少一個功能元件布置 在檢查開口中的電絕緣固定材料中。該電絕緣固定材料將功能元件與支撐體電絕緣，并且 由此將功能元件與支撐體物理和電隔離。另外，換而言之，電絕緣材料密封支撐體的檢查開 n。
[0009] 優(yōu)選地，功能元件可W是用于電流的導(dǎo)體。本發(fā)明的饋通元件經(jīng)常集成在裝置殼 體內(nèi)。因此，殼體能夠被密封。功能元件經(jīng)常用于傳送諸如信號的信息和/或諸如穿過殼 體的電流的能量。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明，電絕緣固定材料包含在35(TC溫度下具有高于1. 0X1(TQ ? cm體積 電阻的玻璃或玻璃陶瓷。術(shù)語"包含"主要包括該樣的實(shí)施例，其中電絕緣固定材料不僅僅 由玻璃或玻璃陶瓷制成，也可W由可能包括上述組分范圍內(nèi)的不同玻璃和/或玻璃陶瓷材 料的夾層或也包括其他組分或諸如聚合物的其他材料的夾層制成。
[0011] 本發(fā)明的玻璃或玻璃陶瓷包括氧化物成分的摩爾百分比；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 選自由單獨(dú)的 MgO和/或CaO和/或BaO、或其組合構(gòu)成的組，其中，M20選自由單獨(dú)的叫0和/或化2〇和 /或K20或其組合構(gòu)成的組。
[0012] 就此，關(guān)于玻璃材料的性質(zhì)和成分必須做出一些說明。本發(fā)明的電絕緣固定材料 可W是玻璃。玻璃公知為無定形材料，其中，結(jié)晶體不是令人滿意的。與此相比，玻璃陶瓷 是一種材料，其中結(jié)晶區(qū)域嵌入在玻璃基質(zhì)內(nèi)。結(jié)晶區(qū)域占整個材料可W高達(dá)99%或更多。 玻璃陶瓷經(jīng)常由玻璃材料生產(chǎn)，玻璃材料然后經(jīng)過其中降低至少部分結(jié)晶的熱處理。因?yàn)?玻璃陶瓷的結(jié)晶區(qū)域與無定形玻璃基質(zhì)相比經(jīng)常具有不同的CTE(熱膨脹系數(shù)），結(jié)晶區(qū)域 的濃度W及它們具體CTE可W用來適用玻璃陶瓷材料的整個CTE。在本發(fā)明中，與玻璃陶瓷 材料一樣，無定形玻璃材料也是合適的。兩者具有作為檢查開口中存在的電絕緣固定材料 的上述組分。
[0013] 在優(yōu)選實(shí)施例中，上述玻璃或玻璃陶瓷基本沒有BaO和/或SrO和/或Li2〇和/ 或Na2〇和/或K20。此提議包括單獨(dú)組分W及其任何組合。
[0014] 在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，上述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化物成分的摩爾百分比Si化 為38. 8%-55%。Si化的其他適當(dāng)下限為39%和/或40% (氧化物成分的摩爾百分比）。 該些所有下限可W與51 %和/或50%的優(yōu)選上限結(jié)合。
[0015] B203在上述玻璃或玻璃陶瓷中的優(yōu)選范圍也是0. 1%-13% (氧化物成分的摩爾 百分比）。此范圍當(dāng)然可W與上述的任何范圍結(jié)合。
[0016] 具有上述成分的電絕緣玻璃或玻璃陶瓷材料為此組材料提供出色的體積電阻。因 為體積電阻是測量體積電阻值時的溫度的函數(shù)，上面詳述了 35CTC溫度時的體積電阻。體積 電阻隨溫度升高而降低。該限制了所述饋通元件的最高操作溫度，因?yàn)殡娊^緣固定材料在 某一溫度下失去其絕緣性能。通過提供35CTC下該樣高的體積電阻最小值，本發(fā)明的饋通元 件更優(yōu)選適合于W前禁止的高溫應(yīng)用。體積電阻在25CTC下的值大約是35CTC下的值的十 倍。
[0017] 除了電絕緣固定材料的體積電阻和饋通元件所暴露的溫度之外，功能元件和支撐 體之間待測電阻還基于饋通裝置的幾何形狀，例如嵌入在絕緣材料中的功能元件表面與和 絕緣材料進(jìn)行接觸的檢查開口內(nèi)壁之間的最小距離。因?yàn)榻^緣材料體積電阻的較高值，可 W將饋通元件設(shè)計成比較緊湊的尺寸。該樣優(yōu)選的實(shí)施例表征為該樣的饋通元件，其中，電 絕緣固定材料W 26(TC下至少500MQ的絕緣電阻將功能元件與支撐體電絕緣。
[0018] 功能元件可W滿足本發(fā)明饋通元件中的不同功能。最常用的情況是，功能元件為 電導(dǎo)體。在此情況下，功能元件可W是實(shí)也或中空銷或管。該樣的銷可W由金屬或其它合 適導(dǎo)體制成。但是，功能元件在本說明書的范疇也可W滿足其他功能，例如，其可W代表用 于將例如微波或聲波導(dǎo)引穿過饋通件的波導(dǎo)。在該些情況下，功能元件主要是管，優(yōu)選由金 屬或陶瓷制成的管。功能元件也可W用于將諸如冷卻水或冷卻氣體之類的冷卻流體導(dǎo)引穿 過饋通元件。饋通元件的另一個可能實(shí)施例是簡單的保持元件，其承載另外功能元件，例如 熱電偶或作為光導(dǎo)的光纖。換而言之，在此實(shí)施例中，功能元件可W用作用于不能直接固定 在電絕緣玻璃或玻璃陶瓷材料中的功能元件的適配器。在該些情況下，最合適的功能元件 可W是中空元件或管。
[0019] 不僅僅要考慮幾何設(shè)計，諸如限定本發(fā)明饋通元件可W暴露的最大壓力的電絕緣 玻璃或玻璃陶瓷固定材料W及檢查開口的厚度，而且要考慮檢查開口內(nèi)的玻璃或玻璃陶瓷 材料的結(jié)合強(qiáng)度。如果該樣的材料用于密封檢查開口，在玻璃或玻璃陶瓷材料與檢查開口 的內(nèi)壁或功能元件的外表面的接觸區(qū)域上存在化學(xué)或物理結(jié)合現(xiàn)象。該些結(jié)合現(xiàn)象可W是 一側(cè)檢查開口的內(nèi)壁的材料W及由此支撐體和/或功能元件的材料與另一側(cè)玻璃或玻璃 陶瓷固定材料的組分之間的化學(xué)反應(yīng)或物理相互作用。如果W最佳方式選擇玻璃或玻璃陶 瓷固定材料的成分，該些結(jié)合現(xiàn)象顯著增加固定材料和待固定元件之間連接的強(qiáng)度。在本 發(fā)明上下文中，所述成分的優(yōu)勢可W由26(TC操作溫度下本發(fā)明饋通元件可W承受的超過 420(K)psi最大壓力來證明。此最大壓力表示饋通元件可W長時間暴露的操作壓力。最大壓 力還基于操作溫度，在室溫下，所述饋通元件可W得到超過650(K)psi的最大壓力。短時間 的峰壓可W顯著超過最大壓力。
[0020] 如果所述饋通元件遭受超負(fù)荷壓力，通常固定材料與功能元件一起或功能元件單 獨(dú)沖出檢查開口。然后，周圍物質(zhì)可能通過檢查開口并且可能損壞附近的設(shè)備。因此，期望 最大壓力的最高可能值。
[0021] 所述電絕緣玻璃或玻璃陶瓷固定材料能夠密閉密封至少一個檢查開口。術(shù)語"密 閉密封"公知為具體規(guī)定密封的質(zhì)量，在此情況下，密閉是指密封基本完全緊密的，不泄漏 任何可能介質(zhì)。通常，密閉性使用氮泄漏測試來衡量。該程序在業(yè)內(nèi)是公知的。氮泄漏速 率在室溫下低于l.〇Xl(T 8cc/sec (立方厘米每砂）或室溫下1.69Xl(Ti%bar 1/s表示，檢 查開口的密封是密閉的。
[0022] 電絕緣固定材料的所述成分范圍提供了基本上匹配電絕緣固定材料的CTE和支 撐體的CTE的可能性。該意味著，電絕緣固定材料和支撐體的CTE的值基本相同或至少相 似。在此情況下，存在所謂的匹配密封。將電絕緣固定材料保持在檢查開口內(nèi)的力主要是 玻璃或玻璃陶瓷組分與支撐體的材料在玻璃或玻璃陶瓷材料在檢查開口內(nèi)壁處的界面處 的所述相互作用所引起的化學(xué)和/或物理力。
[0023] 可選地，電絕緣玻璃或玻璃陶瓷固定材料的成分可W在支撐體的所述范圍和/或 材料內(nèi)選擇，使得得到所謂的壓縮密封。在此情況下，支撐體材料的CTE大于電絕緣玻璃或 玻璃陶瓷固定材料的CTE。在制造饋通裝置過程中，當(dāng)插入到至少一個檢查開口中的支撐起 與玻璃或玻璃陶瓷固定材料（W及功能元件）一起被加熱時，玻璃或玻璃陶瓷固定材料烙 融并且與該檢查開口的內(nèi)壁連接。當(dāng)冷卻此組件時，支撐體幾乎收縮到檢查開口內(nèi)的玻璃 或玻璃陶瓷毛逐（slug)上并且將物理壓力提供到玻璃或玻璃陶瓷毛逐上，該增大了將電 絕緣玻璃或玻璃陶瓷固定材料保持在至少一個檢查開口內(nèi)的力。因此，支撐體向電絕緣固 定材料施加額外的保持力。此額外的保持力至少存在于室溫下，并且優(yōu)選將至少一個檢查 開口的緊固密封提高到饋通元件制造時的溫度。當(dāng)然，在匹配密封的上下文中所提及的化 學(xué)或物理分子力還仍然可W存在。
[0024] 實(shí)質(zhì)上，支撐體可W由所述合適材料和/或材料組合制造。但是，支撐體的優(yōu)選材 料是陶瓷，優(yōu)選為Al2〇3陶瓷和/或穩(wěn)定Zr〇2陶瓷和/或云母（Mica)。
[00巧]可選地，支撐體優(yōu)選可W由金屬和/或合金制造。此組的優(yōu)選材料是不鎊鋼 SAE304SS和/或不鎊鋼SAE316SS和/或鉛媒鐵合金。
[0026] 功能元件優(yōu)選基本由金屬材料和/或優(yōu)選選自被銅合金和/或媒鐵合金和/或科 伐合金和/或鉛媒鐵合金所構(gòu)成的組的合金制成。
[0027] 基于陶瓷和金屬的材料是本領(lǐng)域一般技術(shù)人員公知的，并且因此在此不再詳細(xì)費(fèi) 述。支撐體和功能元件兩者例如在檢查開口附近之外的其他區(qū)域中當(dāng)然還可W包括上述之 外的其他材料，并且/或者可W包含不同材料的夾層結(jié)構(gòu)。
[0028] 如果某些材料組合用于支撐體和功能元件，則可W調(diào)節(jié)所述饋通元件的性能。更 優(yōu)選的是被銅合金制成的功能元件與不鎊鋼SAE304SS或不鎊鋼SAE316SS制成的支撐體的 組合。同樣優(yōu)選的是媒-鐵合金制成的功能元件與不鎊鋼SAE304SS或鉛媒鐵合金制成的支 撐體的組合。另一個優(yōu)選組合由科伐合金制成的功能元件與基本由科伐合金制成的支撐體 的組合。還特別優(yōu)選的是鉛媒鐵合金制成的功能元件與鉛媒鐵合金制成的支撐體的組合。 在下表中總結(jié)了優(yōu)選組合。 _

【權(quán)利要求】
1. 一種用于惡劣環(huán)境的饋通元件，該饋通元件包括： 具有至少一個檢查開口的支撐體，至少一個功能元件布置在所述檢查開口中的電絕緣 固定材料中； 所述電絕緣固定材料將所述功能元件與所述支撐體電絕緣； 其中，電絕緣固定材料包含體積電阻在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爾百分比： SiO2 25-55 B2O3 0.1-15 AI2O3 0-15 MO 20-50 M2O 0-<2， 其中，MO選自由單獨(dú)的MgO和/或CaO和/或BaO或其組合構(gòu)成的組，M2O選自由單獨(dú) 的Li2O和/或Na20和/或K2O或其組合構(gòu)成的組。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的饋通元件，其中，所述電絕緣固定材料將所述功能元件與所 述支撐體電絕緣，所述支撐體在260°C的操作溫度下具有至少500ΜΩ的絕緣電阻。
3. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述功能元件是電導(dǎo)體或波導(dǎo) 或冷卻液線路或熱電偶的殼體或承載另外功能元件的中空元件。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，將所述至少一個功能元件布置 在所述至少一個檢查開口內(nèi)的所述電絕緣固定材料內(nèi)可以在260°C的操作穩(wěn)定下承受超過 42000psi的壓力。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述電絕緣固定材料密閉密封 所述至少一個檢查開口。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述電絕緣固定材料的CTE與 所述支撐體的CTE基本匹配。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述電絕緣固定材料的CTE值 小于所述支撐體的CTE，由此，至少在室溫下，所述支撐體向所述電絕緣固定材料施加額外 的保持壓力。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述支撐體由選自Al2O3陶瓷和 /或穩(wěn)定ZrO2陶瓷和/或云母所構(gòu)成的組的陶瓷制成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述支撐體由金屬材料和/或選 自不銹鋼SAE304SS和/或不銹鋼SAE316SS和/或鉻鎳鐵合金所構(gòu)成的組的合金制成。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述功能元件基本由金屬材料 和/或選自鈹銅合金和/或鎳-鐵合金和/或科伐合金和/或鉻鎳鐵合金所構(gòu)成的組的合 金制成。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，下列用于所述功能元件和所述 支撐體的材料組合如下： 所述功能元件基本由鈹銅合金制成，并且所述支撐體基本由不銹鋼SAE204SS或不銹 鋼SAE316SS制成，并且/或者 所述功能元件基本由鎳-鐵合金合金制成，并且所述支撐體基本由不銹鋼304SS或鉻 鎳鐵合金制成，并且/或者 所述連接器元件基本由科伐合金制成，并且所述支撐體基本由鉻鎳鐵合金制成，并且/ 或者 所述連接器元件基本由科伐合金制成，并且所述支撐體基本由鉻鎳鐵合金制成。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化 物成分的摩爾百分比： 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. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化 物成分的摩爾百分比： SiO2 35-50 B2O3 5-15 八丨2〇3 〇 - <2 MO 30-50 M2O 0 _ <1。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧 化物成分的摩爾百分比： SiO2 39-55 B2O3 5-15 八丨2〇3 0 - 5 MO 30-50 M2O 0 _ <1〇
15. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷基本不含 單獨(dú)的M20和/或PbO和/或氟或其任意組合。
16. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化 物的摩爾百分比： ZrO2 0-10Y2O3 0-10 La2O3 0_10〇
17. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷包括高達(dá) 30 %體積的填充物，所述填充物優(yōu)選選自由單獨(dú)的ZrO2和/或Al2O3和/或MgO或其組合 所構(gòu)成的組。
18. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述至少一個檢查開口具有檢 查開口內(nèi)壁，所述檢查開口內(nèi)壁具有防止所述電絕緣固定材料相對于所述支撐體運(yùn)動的裝 置。
19. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，所述至少一個檢查開口具有至 少一個具有圓柱形或截頂?shù)妮喞膮^(qū)域。
20. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的饋通元件，其中，至少一個連接器元件具有在壓 力施加到所述饋通元件上時防止所述至少一個連接器元件相對于所述電絕緣固定材料和 所述支撐體運(yùn)動的裝置。
21. -種井下石油和或天然氣鉆孔或勘測裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述 的饋通元件。
22. -種具有殼體的能量生成或能量存儲裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述 的饋通元件。
23. -種有毒和/或能量生成裝置或能量存儲裝置或有害物質(zhì)的反應(yīng)器或存儲裝置的 安全罩，包括根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述的饋通元件。
24. -種航天器或空間探測車，包括根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述的饋通元件。
25. -種包封在殼體內(nèi)的感測器或致動器，包括根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述的饋 通元件。
【文檔編號】H01R13/533GK104466520SQ201410471331
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月20日
【發(fā)明者】查爾斯·里德克, 大衛(wèi)·菲爾金斯, 延斯·沙佛, 愛倫·凱·雷特, 朱里奧·卡斯蒂略, 薩賓·皮克勒威廉 申請人:肖特股份有限公司