Проходной элемент для тяжелых условий окружающей среды
Проходной элемент для прохода функционального элемента через отверстие электрически изолированным образом, при этом проходной элемент пригоден для использования в условиях окружающей среды с температурами выше 260°С и/или давлением выше 289,6 МПа (42000 фунтов/дюйм2), при этом проходной элемент включает в себя опорный корпус, по меньшей мере, с одним отверстием для прохода, в котором расположен, по меньшей мере, один функциональный элемент в электрически изолирующем фиксирующем материале; электрически изолирующий материал электрически изолирует функциональный элемент от опорного корпуса, при этом электрически изолирующий материал содержит стекло или стеклокерамику с удельным объемным сопротивлением более 1,0·1010 Ом.см при температуре 350°C. Указанное стекло или стеклокерамика имеет определенный диапазон составов в системе SiO2-B2O3-MO. Изобретение обеспечивает высокие электроизоляционные свойства проводника.. 6 н. и 18 з.п. ф-лы, 10 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее раскрытие относится к проходным элементам в общем, но, в частности, к улучшенным проходным элементам, которые можно использовать в тяжелых условиях окружающей среды с высокими эксплуатационными или критическими температурами выше 260°С. В частности, проходные элементы по настоящему изобретению могут выдерживать эксплуатационные и/или критические давления выше 289,6 МПа (42000 фунтов/дюйм2). Следовательно, их можно использовать в разнообразных применениях, в частности, в глубинном буровом оборудовании, также как и в безопасной защите от токсичных материалов, и в космических кораблях.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Проходные элементы, в общем, хорошо известны в уровне техники и включены в состав многих устройств. В общих терминах, проходные элементы обычно включают в себя электрический проводник, который зафиксирован внутри проходного отверстия при помощи электрически изолирующего материала. Параметры, которые характеризуют эффективность таких проходных устройств, в основном, представляют собой электрическое сопротивление изолирующего материала, способности выдерживать нагревание и давление, которые имеют склонность к способствованию изолирующего материала и/или проводника вываливаться из проходного отверстия для прохода.
Хотя такие проходные элементы представляют собой крайне пригодную технологию для проведения, например, электрического тока через корпуса устройств, указанные параметры часто ограничивают возможные области применения, в которых можно использовать устройства, которые содержат такие проходные элементы. В US 5203723 описаны проходные элементы, которые выполнены из металлического штифта, который окружен полимерным материалом в качестве электрически изолирующего материала. Геометрия полимерного материала, который окружает электрический проводник, обеспечивает возможность выдерживать более высокие давления при помощи прорезей и выступов, таких как заплечики. Описанные проходные элементы используют для создания соединений внутри зонда в глубинном инструменте для измерения нефтяной скважины или каротажа, и могут быть использованы при эксплуатационных температурах выше 260°С и давлениях максимум в 193 МПа (28000 фунтов/дюйм2). Объемное сопротивление использованных полимеров составляет примерно 8,0·1014 Ом·см и, следовательно, является весьма высоким. Однако долгосрочная стабильность таких полимеров снижается со временем при воздействии более высоких эксплуатационных температур, воздействия электромагнитного излучения, такого как УФ или гамма-излучение, и также из-за механического разрушения при физическом истирании.
Также известны проходные элементы, которые в качестве электрически изолирующего материала содержат неорганический материал, такой как стекло. В US 8397638 описано, например, проходное устройство для запала подушки безопасности, в котором отверстие для прохода в металлическом опорном корпусе запаяно стеклянным материалом, который также содержит штифт в качестве электрического проводника. Такие проходные элементы сконструированы, чтобы выдерживать давление взрывчатого вещества, когда поджигается запал, при этом можно наблюдать давления около 1000 бар, что соответствует 14500 фунт/дюйм2. Электрические свойства изоляционного материала не описаны, но можно предположить, что электрическое объемное сопротивление стеклянного материала не играет большой роли, так как запал поджигают только один раз коротким электрическим импульсом, и затем устройство разрушается.
Проходные элементы, как описано, не пригодны для применения в тяжелых условиях окружающей среды, например в глубинных буровых устройствах, которые способствуют разведке и/или использованию природных нефтяных и/или газовых ресурсов на увеличивающихся глубинах и, следовательно, подвержены более высоким эксплуатационным температурам в течение более долгого периода времени. По сравнению с этим предшествующим уровнем техники целью настоящего изобретения является создание проходного элемента, который является пригодным для использования при температурах выше 260°С и обеспечивает высокие электроизоляционные свойства проводника по сравнению с его окружением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель достигается при помощи проходного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Проходной элемент в соответствии с настоящим изобретением включает в себя опорный корпус, по меньшей мере, с одним отверстием для прохода, в котором расположен, по меньшей мере, один функциональный элемент в электрически изолирующем фиксирующем материале. Электрически изолирующий фиксирующий материал электрически изолирует функциональный элемент от опорного корпуса и, таким образом, физически и электрически отделяет функциональный элемент от опорного корпуса. Также, другими словами, электрически изолирующий материал герметизирует отверстие для прохода в опорном корпусе.
Функциональный элемент преимущественным образом может представлять собой проводник для электрического тока. Проходной элемент в соответствии с настоящим раскрытием обычно интегрирован в корпус устройства. Таким образом, корпус можно герметизировать. Функциональный элемент обычно используют, чтобы передавать через корпус информацию, такую как сигналы и/или энергию, такую как электрический ток.
В соответствии с настоящим раскрытием электрически изолирующий фиксирующий материал содержит стекло или стеклокерамику с удельным объемным сопротивлением более 1,0·1010 Ом.см при температуре 350°С. Термин “содержит” преимущественно включает в себя варианты осуществления, в которых электрически изолирующий фиксирующий материал изготовлен только из стекла или стеклокерамики, но также и многослойное тело, которое может включать в себя “сандвич” из различных стеклянных и/или стеклокерамических материалов внутри описанного диапазона составов или также включать в себя другие композиции или другие материалы, такие как полимеры.
Стекло или стеклокерамика в соответствии с настоящим раскрытием включает в себя в мольных %, в пересчете на оксиды 25%-55% SiO2, 0,1%-15% В2О3, 0%-15% Al2O3, 20%-50% МО, причем МО выбирают из группы, состоящей из, по отдельности или в комбинации, MgO и/или СаО и/или SrO, и/или BaO, и 0% - менее 2% М2О, где М2О выбирают из группы, состоящей из, по отдельности или в комбинации, Li2O и/или Na2O, и/или K2O.
Здесь следует сделать некоторые комментарии касательно природы и состава стеклянного материала. Электрически изолирующий фиксирующий материал в соответствии с описанием может представлять собой стекло. Известно, что стекло представляет собой аморфный материал, в котором кристаллиты являются нежелательными. Напротив, стеклокерамика представляет собой материал, в котором кристаллизованные зоны погружены в стеклянную матрицу. Кристаллизованные зоны могут насчитывать вплоть до 99% или более от всего материала. Стеклокерамику часто изготавливают из стеклянного материала, который затем подвергают термической обработке, в которой индуцируется, по меньшей мере, частичная кристаллизация. Так как кристаллизованные зоны стеклокерамики обычно обладают иными КТР (коэффициентами теплового расширения), чем аморфная стеклянная матрица, то концентрацию кристаллизованных зон, также как и их конкретные КТР можно использовать для регулирования общего КТР стеклокерамического материала. В настоящем раскрытии аморфный стеклянный материал является таким же пригодным, как и стеклокерамический материал. В качестве электрически изолирующего фиксирующего материала, присутствующего в отверстии для прохода, оба из них обладают составом, описанным выше.
В преимущественном варианте осуществления вышеуказанное стекло или стеклокерамика являются, по существу, свободными от BaO и/или SrO, Li2O, и/или Na2O, и/или K2O. Эта рекомендация включает в себя отдельные компоненты, также как и любую их комбинацию.
В другом преимущественном варианте осуществления вышеуказанное стекло или стеклокерамика включает в себя в мольных %, в пересчете на оксид от 38,8%-55% SiO2. Другие подходящие нижние пределы, в пересчете на оксид SiO2, представляют собой 39% и/или 40% (все в мольных %, в пересчете на оксид). Все эти нижние пределы можно комбинировать с преимущественными верхними пределами в 51% и/или 50%.
Преимущественный диапазон для В2О3 в указанном стекле или стеклокерамике также составляет от 0,1%-13% (в мольных %, в пересчете на оксид). Этот диапазон, конечно, можно комбинировать с любыми диапазонами, описанными выше.
Электрически изолирующий стеклянный или стеклокерамический материал с описанным составом обеспечивает превосходное объемное удельное сопротивление для этой группы материалов. Так как объемное удельное сопротивление является функцией от температуры, при которой измеряют объемное удельное сопротивление, объемное удельное сопротивление при температуре в 350°С указано выше. Объемное удельное сопротивление снижается при увеличении температуры. Это ограничивает максимальную эксплуатационную температуру описанных проходных элементов, так как электрически изолирующий фиксирующий материал теряет свои изоляционные свойства при определенной температуре. Путем обеспечения такого высокого минимального значения для объемного удельного сопротивления при температуре в 350°С проходные элементы в соответствии с настоящим раскрытием являются наиболее пригодными для применений при высоких температурах, которые были недоступны ранее. Значение объемного удельного сопротивления при 250°С приблизительно в десять раз больше значения при 350°С.
Электрическое сопротивление, измеряемое между функциональным элементом и опорным корпусом, также зависит, кроме объемного удельного сопротивления электрически изолирующего фиксирующего материала и температуры, воздействию которой подвержен проходной элемент, от геометрии проходного устройства, например, от минимального расстояния между поверхностью функционального элемента, погруженной в изолирующий материал, и внутренней стенкой отверстия для прохода, которая находится в контакте с изолирующим материалом. Благодаря высокому значению объемного удельного сопротивления изолирующего материала является возможным сконструировать проходной элемент со сравнительно компактным размером. Такой предпочтительный вариант осуществления представлен проходным элементом, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал электрически изолирует функциональный элемент от опорного корпуса с удельным сопротивлением электрической изоляции, по меньшей мере, в 500 МОм при эксплуатационной температуре в 260°С.
Функциональный элемент может выполнять различные функции в проходном элементе в соответствии с настоящим раскрытием. Наиболее общий случай - когда функциональный элемент представляет собой электрический проводник. В этом случае функциональный элемент может представлять собой цельный или полый штифт или трубку. Такой штифт может быть изготовлен из металла или других подходящих проводников. Однако функциональный элемент в содержании настоящего описания может также выполнять другие функции, например он может представлять собой волновод, например, для микроволн или звуковых волн для проведения через проход. В этих случаях функциональный элемент может, в большинстве своем, представлять собой трубку, предпочтительно, изготовленную из металла или керамики. Функциональный элемент можно также использовать для проведения охлаждающей жидкости, такой как охлаждающая вода или охлаждающие газы, через проходной элемент. Другой возможный вариант осуществления функционального элемента представляет собой просто крепежный элемент, который несет дополнительные функциональные элементы, например, термоэлементы или волокна в качестве световодов. Другими словами, в этом варианте осуществления функциональный элемент может служить в качестве переходника для функциональных элементов, которые нельзя напрямую зафиксировать в электрически изолирующем стеклянном или стеклокерамическом материале. В этих случаях функциональный элемент может наиболее пригодным образом представлять собой полый элемент или трубку.
Не только геометрическая форма, такая, как толщина электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала и отверстия для прохода определяют максимальное давление, воздействию которого может быть подвергнут проходной элемент в соответствии с изобретением, но также и прочность сцепления стеклянного или стеклокерамического материала в отверстии для прохода. Если такой материал используют для запаивания отверстия для прохода, существуют физические и химические явления связывания в области контакта стеклянного или стеклокерамического материала и внутренней стенки отверстия для прохода, или внешней поверхности функционального элемента. Эти явления связывания могут представлять собой химические реакции или физические взаимодействия между материалом внутренней стенки отверстия для прохода и, следовательно, материалом опорного корпуса и/или функционального элемента с одной стороны, и компонентов стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала с другой стороны. Если состав стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала выбран наилучшим образом, эти явления связывания вносят значительный вклад в прочность соединения между фиксирующим материалом и фиксируемыми элементами. В контексте настоящего описания эффект от описанной композиции можно продемонстрировать при помощи максимального давления, превышающего 289,6 МПа (42000 фунтов/дюйм2) при эксплуатационной температуре в 260°С, которые может выдерживать проходной элемент в соответствии с описанием. Это максимальное давление указывает на эксплуатационное давление, воздействию которого можно подвергать проходной элемент в течение более долгого периода времени. Максимальное давление также зависит от эксплуатационной температуры, при комнатной температуре с описанным проходным элементом можно создать максимальные давления, превышающие 448,2 МПа (65000 фунтов/дюйм2). Краткосрочные пиковые давления могут значительно превышать эти максимальные давления.
Если описанный проходной элемент пострадает от перегрузки давления, обычно фиксирующий материал вместе с функциональным элементом или только функциональный элемент вываливается из отверстия для прохода. При этом окружающая среда может пройти через отверстие для прохода и может разрушить находящееся рядом оборудование. Следовательно, желательными являются наибольшие возможные значения для максимального давления.
Описанный электрически изолирующий стеклянный или стеклокерамический фиксирующий материал способен герметически изолировать, по меньшей мере, одно отверстие для прохода. Известно, что термин “герметичное изолирование” обозначает качество изоляции, в этом случае герметичное означает, что изоляция является, по существу, полностью непроницаемой для протекания всех возможных сред. Обычно герметичность измеряют путем испытания гелием на утечку. Процедура является известной в промышленности. Скорости утечки гелия ниже 10×10-8 см3/с (кубических сантиметров в секунду) при комнатной температуре или 1,69×10-10 мбар.л/с при комнатной температуре указывают на то, что изоляция отверстия для прохода является герметичным.
Описанный диапазон составов электрически изолирующего фиксирующего материала обеспечивает возможность, по существу, совпадения КТР электрически изолирующего фиксирующего материала и КТР опорного корпуса. Это означает, что значения КТР электрически изолирующего фиксирующего материала и опорного корпуса, по существу, одинаковы или, по меньшей мере, являются похожими. В этом случае присутствует так называемая согласованная герметизация. Силы, которые удерживают электрически изолирующий фиксирующий материал внутри отверстия для прохода, представляют собой преимущественно химические и/или физические силы, вызванные описанным взаимодействием стеклянных или стеклокерамических компонентов и материала опорного корпуса на поверхности раздела между стеклянным или стеклокерамическим материалом на внутренней стенке отверстия для прохода.
В качестве альтернативы состав электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала и/или материала опорного корпуса можно выбирать внутри описанного диапазона так, что результатом является компрессионная герметизация. В этом случае КТР материала опорного корпуса является большим, чем КТР электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала. Когда во время изготовления проходного устройства опорный корпус вместе со стеклянным или стеклокерамическим фиксирующим материалом (и функциональным элементом), вставленные, по меньшей мере, в одно отверстие для прохода, нагревают, стеклянный или стеклокерамический фиксирующий материал плавится и соединяется с внутренней стенкой соответствующего отверстия для прохода. Когда эту сборку охлаждают, опорный корпус фактически садится на стеклянный или стеклокерамический шлак внутри отверстия для прохода и создает физическую силу давления на стеклянный или стеклокерамический шлак, что делает вклад в силы, удерживающие электрически изолирующий стеклянный или стеклокерамический фиксирующий материал внутри, по меньшей мере, одного отверстия для прохода. Таким образом, опорный корпус создает дополнительное фиксирующее давление в отношении электрически изолирующего фиксирующего материала. Фиксирующее давление присутствует, по меньшей мере, при комнатной температуре и, предпочтительно, вносит вклад в безопасную герметизацию, по меньшей мере, одного отверстия для прохода вплоть до температуры, при которой проходной элемент изготавливали. Конечно, вышеуказанные химические или физические молекулярные силы, упомянутые в контексте согласованного спая, также могут все еще присутствовать.
По существу, опорный корпус можно изготавливать изо всех пригодных материалов и/или комбинаций материалов. Однако преимущественным материалом для опорного корпуса является керамика, предпочтительно, керамика из Al2O3 и/или стабилизированная ZrO2 керамика и/или слюда.
Альтернативным образом опорный корпус можно преимущественным образом изготавливать из металлов и/или сплавов. Предпочтительными материалами из этой группы являются нержавеющая сталь SAE 304 SS и/или нержавеющая сталь SAE 316 SS, и/или инконель.
Функциональный элемент, предпочтительно, изготовлен, по существу, из металлического материала и/или сплава, предпочтительно, выбранного из группы, состоящей из бериллиево-медного, и/или никелево-железного сплава, и/или ковара, и/или инконеля.
Керамика и материалы на металлической основе известны специалисту в данной области техники и, следовательно, не описаны более подробно. И опорный корпус, и функциональный элемент, конечно, могут включать в себя материалы, иные, нежели описанные, например, в других областях, которые находятся рядом с отверстиями для прохода и/или могут содержать сандвичевую структуру из различных материалов.
Эффективность описанного проходного элемента можно настроить, если использовать определенные комбинации материалов для опорного корпуса и функционального элемента. Особенно предпочтительной является комбинация функционального элемента, изготовленного из бериллиево-медного сплава, скомбинированного с опорным корпусом, изготовленным из нержавеющей стали SAE 304 SS и/или нержавеющей стали SAE 316 SS. Также предпочтительной является комбинация функционального элемента, изготовленного из никелево-железного сплава, скомбинированного с опорным корпусом, изготовленным из нержавеющей стали SAE 304 SS или инконеля. Другая предпочтительная комбинация представлена функциональным элементом, изготовленным из ковара, скомбинированного с опорным корпусом, по существу, изготовленным из инконеля. Также особенно предпочтительной является комбинация функционального элемента, изготовленного из инконеля, скомбинированного с опорным корпусом, изготовленным из инконеля. Предпочтительные комбинации просуммированы в следующей таблице.
| Материал опорного корпуса | Материал функционального элемента |
| SAE 304 SS | Бериллиево-медный сплав |
| SAE 316 SS | Бериллиево-медный сплав |
| SAE 304 SS | Никелево-железный сплав |
| Инконель | Никелево-железный сплав |
| Инконель | Ковар |
| Инконель | Инконель |
Внутри описанного диапазона составов электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала, конечно, существуют предпочтительные диапазоны содержания его компонентов. Эти предпочтительные диапазоны могут придать предпочтительные свойства электрически изолирующему стеклянному или стеклокерамическому фиксирующему материалу, в особенности (но не обязательно) с указанными материалами для опорного корпуса и/или функционального элемента.
Предпочтительно, электрически изолирующий фиксирующий материал содержит стекло или стеклокерамику, включающую в себя, в мольных %, в пересчете на оксиды 35%-50% SiO2, 5%-15% B2О3, 0%-5% Al2O3, 30%-50% MO и 0%-менее 1% М2О.
Наиболее предпочтительным является вариант осуществления, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал содержит стекло или стеклокерамику, включающую в себя, в мольных %, в пересчете на оксиды 35%-50% SiO2, 5%-15% B2О3, 0%-<2% Al2O3, 30%-50% MO и 0%-менее 1% М2О.
Как описано выше, в другом предпочтительном варианте осуществления электрически изолирующий фиксирующий материал содержит стекло или стеклокерамику, включающую в себя, в мольных %, в пересчете на оксиды 39%-55% SiO2, 5%-15% B2О3, 0%-<2% Al2O3, 30%-50% MO и является, по существу, свободным от ВаО, и/или SrO, и/или Li2O, и/или Na2O, и/или K2O.
Значения аббревиатур МО и М2О уже подробно описаны и также должны применяться к вышеуказанным предпочтительным диапазонам составов.
Особенно предпочтительным является вариант осуществления, в котором стекло или стеклокерамика внутри описанных диапазонов составов является, по существу, свободным от М2О и/или PbO, и/или фторопластов. “По существу, свободный” означает, что отсутствует преднамеренное содержание указанных компонентов. Однако могут присутствовать неизбежные примеси, которые могут быть вызваны эрозией оборудования для плавления стекла во время его эксплуатации и/или искусственным, и/или природным загрязнением сырьевых материалов, использованных в процессе изготовления стекла. Обычно такие примеси не превышают количества в 2 ч/млн. Если М2О удалить из композиции стекла, объемное удельное сопротивление электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала может достигать наивысших значений. Однако герметизация отверстий для прохода может быть более трудоемкой из-за более требовательных свойств по плавлению стекла. PbO и фторопласты являются нежелательными компонентами из-за их отрицательного влияния на окружающую среду.
Дополнительные компоненты могут являться предпочтительными для улучшения свойств плавления и обработки стекла электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала. Такими предпочтительными дополнительными компонентами являются ZrO2 и/или Y2O3, и/или La2O3, которые могут присутствовать либо в исходных, либо в предпочтительных вариантах осуществления композиции стекла или стеклокерамики, каждый от 0% вплоть до 10% в мольных %, в пересчете на оксид, либо по отдельности, либо в любой возможной комбинации.
Также является предпочтительным, чтобы электрически изолирующий стеклянный или стеклокерамический фиксирующий материал включал в себя вплоть до 30% наполнителей от общего объема. Такие наполнители обычно представляют собой неорганические наполнители. Наиболее преимущественно выбирают ZrO2 и/или Al2O3, и/или MgO, либо по отдельности, либо в любой возможной комбинации.
Кроме выбора состава электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала внутри раскрытого диапазона составов, также является возможным улучшить сопротивление давлению проходного элемента при помощи механических мер, которые можно применить во время изготовления опорного корпуса. Следовательно, по меньшей мере, одно отверстие для прохода можно приспособить для обеспечения еще большего сопротивления нагрузкам давления. Такие меры преимущественно представлены средствами предотвращения движения электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала относительно опорного корпуса, которые выполняют на внутренней стенке отверстия для прохода. Такие средства предотвращения движения могут представлять собой структуры, которые находятся в зацеплении с электрически изолирующим стеклянным или стеклокерамическим фиксирующим материалом внутри отверстия для прохода. Пригодными являются все геометрические структуры, которые обеспечивают такую функциональность сцепления, например, канавки и/или выступающие области внутренней стенки отверстия для прохода. Выступающая область может представлять собой заплечик внутри отверстия для прохода, который локально уменьшает диаметр отверстия для прохода. Такой заплечик наиболее часто расположен около поверхности опорного корпуса, которая противоположна стороне, где ожидается нагрузка давлением.
В большинстве случаев, по меньшей мере, одно отверстие для прохода имеет, по меньшей мере, область с цилиндрическим вертикальным сечением. Преимущественные варианты осуществления отверстий для прохода с такими мерами предотвращения движения электрически изолирующего фиксирующего материала относительно опорного корпуса включают в себя отверстие для прохода, которое имеет, по меньшей мере, область с усеченным вертикальным сечением. Усеченное вертикальное сечение уменьшает диаметр отверстия для прохода, больший диаметр наиболее часто расположен рядом с поверхностью опорного корпуса, которая направлена в сторону ожидаемой нагрузки давлением, а уменьшенный диаметр наиболее часто расположен рядом с поверхностью опорного корпуса, которая противоположна ожидаемой нагрузке давлением.
Другой мерой для увеличения максимальных нагрузок давлением и для предотвращения выталкивания функционального элемента из электрически изолирующего фиксирующего материала является создание кольцевой стенки вокруг, по меньшей мере, одного функционального элемента со средствами предотвращения движения функционального элемента относительно электрически изолирующего фиксирующего материала и опорного корпуса. И снова эти средства предотвращения движения могут представлять собой локальные изменения диаметра функционального элемента, например, заплечик, канавки, усеченные области и т.д. Эти структуры расположены в области функционального элемента, которая зафиксирована внутри электрически изолирующего фиксирующего материала; следовательно, эти средства предотвращения движения обеспечивают сцепление с электрически изолирующим фиксирующим материалом.
Проходной элемент в соответствии с настоящим раскрытием можно наиболее преимущественно использовать в устройства для глубинного бурения и/или для глубинной разведки, в особенности для разведки и/или разработки ресурсов нефти и/или природного газа. Эта область применения, конечно, включает в себя как наземные, так и подводные применения. Для этих применений особенно благоприятны устойчивости к давлению и электроизоляционные свойства, которые обеспечивает проходной элемент.
Другой преимущественной областью применения проходного элемента в соответствии с настоящим раскрытием является защита устройства генерации энергии или хранения энергии, такого как электростанции и/или баллоны со сжатым газом, и/или электрохимические ячейки, и/или емкости с расплавом соли и т.д. Здесь электроизоляционные свойства при высоких температурах являются особенно значимыми для безопасной и надежной защиты.
Проходной элемент в соответствии с настоящим раскрытием обеспечивает свойства, которые также делают возможным применение для безопасной защиты от всех типов веществ, в особенности, веществ, которые являются токсичными и/или, по меньшей мере, вредными для окружающей среды, и/или здоровья. Например, проходной элемент в соответствии с настоящим раскрытием можно использовать для соединения аварийного оборудования и/или датчиков, и/или приводов внутри области защиты с эксплуатационными устройствами и/или персоналом вне области защиты. Такие области защиты обычно присутствуют в химических и/или физических реакторах или устройствах для хранения, например, используются для, по меньшей мере, промежуточного хранения радиоактивных отходов.
Также применения в космосе могут получить преимущества от устойчивости к температуре и давлению проходного элемента в соответствии с настоящим раскрытием. Полеты в космос, такие как спутники на орбите планеты или межпланетных полетах, так же, как машины-планетоходы подвержены воздействию крайне жестких окружающих сред, в особенности, ввиду высоких и низких температур, и изменений температур. Надежность проходных элементов, используемых в этих устройствах, часто имеет отношение к успеху полета.
Проходной элемент в соответствии с настоящим раскрытием является особенно пригодным для обеспечения прохода в корпусе, который окружает датчик и/или привод.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ НА ЧЕРТЕЖАХ
На фиг. 1а показано вертикальное сечение основы проходного элемента в соответствии с настоящим раскрытием.
На фиг. 1b показан вид сверху проходного элемента.
На фиг. 2 показано вертикальное сечение основы проходного элемента в соответствии с настоящим раскрытием с отверстием для прохода, имеющим усеченное вертикальное сечение, которое представляет собой средство предотвращения движения электрически изолирующего фиксирующего материала относительно опорного корпуса.
На фиг. 3 показано вертикальное сечение основы проходного элемента в соответствии с настоящим раскрытием с отверстием для прохода, имеющим заплечик в ее цилиндрическом профиле, который представляет собой средство предотвращения движения электрически изолирующего фиксирующего материала относительно опорного корпуса. Более того, функциональный элемент снабжен заплечиком, который представляет собой средство предотвращения движения функционального элемента относительно электрически изолирующего фиксирующего материала и опорного корпуса.
На фиг. 4 показано вертикальное сечение проходного элемента в соответствии с фиг. 1а, где поверхность электрически изолирующего фиксирующего материала защищена защитным слоем.
На фиг. 5а показано вертикальное сечение проходного элемента в соответствии с настоящим описанием, где опорный корпус снабжен множеством отверстий для прохода.
На фиг. 5b показан вид сверху проходного элемента в соответствии с фиг. 6а.
На фиг. 6а показан перспективный вид проходного элемента в соответствии с настоящим описанием, который обычно используют в защите устройств для генерации энергии или для хранения энергии.
На фиг. 6b показано вертикальное сечение проходного элемента в соответствии с фиг. 6а.
На фиг. 7 показана глубинная буровая установка с проходным элементом в соответствии с настоящим описанием.
На фиг. 8 показана защита устройства для генерации энергии проходным элементом в соответствии с настоящим описанием.
На фиг. 9 показано устройство для генерации энергии с корпусом и защитой, каждый из которых включает в себя проходной элемент в соответствии с настоящим описанием.
На фиг. 10 показана температурная зависимость объемного удельного сопротивления стеклянных или стеклокерамических фиксирующих материалов в соответствии с изобретением и сравнительные примеры.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1а и фиг. 1b представляют собой основу проходного элемента 1 в соответствии с настоящим раскрытием. Опорный корпус 2 в этом примере имеет внешний контур цилиндра. Конечно, возможными являются все структуры, например элементы в форме диска также включены в состав изобретения. В опорном корпусе 2 присутствует отверстие для прохода, которое герметизировано электрически изолирующим фиксирующим материалом 3. Отверстие для прохода определяет канал через опорный корпус 2 и, само собой, имеет внутреннюю стенку отверстия для прохода, которая соединяется с электрически изолирующим фиксирующим материалом 3. Функциональный элемент 4 расположен внутри и удерживается внутри отверстия для прохода электрически изолирующим фиксирующим материалом 3. В этом варианте осуществления функциональный элемент 4 представляет собой штифт, который служит в качестве проводника для электрического тока. В этом примере опорный корпус 2, отверстие для прохода и функциональный элемент 4 расположены в соосной конфигурации. В этом примере отверстие для прохода также имеет цилиндрический профиль. Отверстие для прохода может представлять собой отверстие внутри опорного корпуса, что является подходящим способом изготовления отверстия для прохода внутри, в общем, цилиндрического опорного корпуса 2, изготовленного из монолитного материала. Также является возможным изготовить такой опорный корпус 2 из литого материала, при этом отверстие для прохода может быть создано уже во время процесса отливки.
Вариант осуществления, представленный на фиг. 2, в общем, соответствует варианту осуществления в соответствии с фиг. 1а и фиг. 1b, но отверстие для прохода имеет усеченный профиль. Этот усеченный сужающийся профиль уменьшает диаметр отверстия для прохода на нижней стороне проходного элемента 1. В этом чертеже усеченный профиль проходит по всей длине отверстия для прохода. Конечно, также является возможным, что усеченный профиль присутствует только в первой области отверстия для прохода, тогда как вторая или дополнительная область могут иметь иные профили, например цилиндрический профиль. Путем локального уменьшения диаметра отверстия для прохода давление, которое требуется для выдавливания электрически изолирующего фиксирующего материала 3 из отверстия для прохода, увеличивается, так как усеченное вертикальное сечение находится в зацеплении с фиксирующим материалом 3 и практически действует в качестве клина, когда давление прикладывается с верхней стороны проходного элемента 1, где диаметр проходного отверстия сравнительно больше. Таким образом, максимальное давление, которое может выдерживать проходной элемент 1, можно увеличить при помощи конструкции профиля отверстия для прохода. Такие усеченные вертикальные сечения также можно изготовить путем сверления или шлифовки монолитного материала, например путем использования конической развертки или путем отливки с использованием подходящего инструмента для формования.
Имеющий преимущества общий принцип локального уменьшения диаметра отверстия для прохода также применен в варианте осуществления в соответствии с фиг. 3. Здесь отверстие для прохода имеет первую область 21 с цилиндрическим вертикальным сечением и вторую область 22 с цилиндрическим вертикальным сечением, тогда как диаметр цилиндрического вертикального сечения во второй области 22 меньше, чем диаметр цилиндрического вертикального сечения в первой области 21. Таким образом, в стенке отверстия для прохода создается заплечик, который снова служит в качестве средства предотвращения относительного движения электрически изолирующего фиксирующего материала 3 относительно опорного корпуса 2.
Как показано на фиг. 3, функциональный элемент 4 имеет также средство 41 предотвращения движения функционального элемента 4 относительно электрически изолирующего фиксирующего материала 3 и относительно опорного корпуса 2. В этом примере это средство представлено выступающей областью 41 функционального элемента, которая в этом варианте осуществления создает заплечик на поверхности функционального элемента. Хотя вид сверху на вариант осуществления в соответствии с фиг. 3 не показан, специалисту в данной области техники легко предвидеть, что выступающая область 41 функционального элемента не должна иметь строение диска. Также является возможным, что верхняя и нижняя поверхности выступающей области 41 имеют края, например, в форме квадрата, креста, звезды и т.д., и таким образом также можно обеспечить функциональность сцепления против вращения функционального элемента 4.
При конструировании проходного элемента 1 со средством предотвращения движения электрически изолирующего фиксирующего материала 3 и/или функционального элемента 4 относительно опорного корпуса, конечно, следует иметь в виду, что из-за локального уменьшения диаметра отверстия для прохода можно уменьшить общее электрическое сопротивление электрически изолирующего фиксирующего материала 3 в проходном элементе против электрических замыканий, особенно между функциональным элементом 4 и опорным корпусом 2. Следовательно, может являться благоприятным использовать канавки вместо выступов в качестве средства предотвращения движения.
Стеклянный или стеклокерамический материал, используемый в качестве электрически изолирующего фиксирующего материала 3, описанного в настоящих раскрытиях, обеспечивает превосходное объемное удельное сопротивление. Однако общая эффективность изоляции и напряжение пробоя проходного элемента 1 можно дополнительно улучшить путем ввода дополнительных защитных элементов 31, 32, особенно, дополнительных изоляторов. Следовательно, вариант осуществления в соответствии с фиг. 4 также включает в себя защитные элементы 31, 32 на или, по меньшей мере, рядом с поверхностью стеклянного или стеклокерамического электрически изолирующего фиксирующего материала 3. Защитные элементы 31, 32 можно, по существу, изготовить из других стекол, например, припойного стекла и/или органических соединений или полимеров, например, кремнийорганических клеев или высокотемпературных эпоксидных систем. Проходной элемент 1 без защитных элементов 31, 32 обладает обычным напряжением пробоя 1,0 кВ. Для проходного элемента с изоляторами 31, 32 можно достигнуть напряжений пробоя 2,0 кВ и более.
Как также можно видеть на фиг. 4, защитные элементы 31, 32 предотвращают какой-либо контакт стеклянных или стеклокерамических поверхностей электрически изолирующего фиксирующего материала с другими средами. Стеклянные или стеклокерамические фиксирующие материалы в соответствии с настоящим изобретением являются химически устойчивыми к воздуху и большинству газовых сред. Однако в жестких условиях окружающей среды более агрессивные среды могут контактировать с поверхностью стеклянного или стеклокерамического электрически изолирующего фиксирующего материала 3. Коррозионные свойства этих сред часто также увеличиваются с увеличением температуры. Следовательно, вариант осуществления в соответствии с фиг. 4 также включает в себя защитные элементы на, или, по меньшей мере, рядом с поверхностью стеклянного или стеклокерамического электрически изолирующего фиксирующего материала 3. Эти защитные элементы 31, 32 предотвращают какой-либо контакт стеклянных или стеклокерамических поверхностей с другими средами. В качестве примера: защитные элементы 31, 32 можно также изготовить из тех же самых материалов, что и изоляторы, описанные выше. Можно также использовать все другие пригодные материалы. Конечно, также является возможным, что защитные элементы 31, 32 присутствуют только на одной стороне стеклянного или стеклокерамического электрически изолирующего фиксирующего материала 3. Вариант осуществления, включающий в себя, по меньшей мере, один защитный элемент 31, 32, наиболее благоприятно использовать в применениях для глубинной разведки и/или разработки.
Как также можно видеть на фиг. 4, в этом примере поверхность электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала 3 не находится на одной прямой с верхней и/или нижней поверхностью опорного корпуса 2. Этот вариант осуществления может являться благоприятным для применения защитных элементов 31, 32. Однако изобретением также предусмотрено, что эти уровни поверхностей с выемкой также могут присутствовать в вариантах осуществления без защитных элементов 31, 32, и что вариант осуществления с защитными элементами 31, 32 также может иметь поверхности электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического фиксирующего материала 3, находящиеся на одной прямой с верхней и/или нижней поверхностью опорного корпуса 2.
На фиг. 5а показано вертикальное сечение проходного элемента 1 в соответствии с настоящим раскрытием с множеством отверстий для прохода внутри опорного корпуса 2. Этот так называемый планарный элемент имеет размеры, которые больше в ширину, чем в высоту. Как можно видеть на фиг. 5b, на которой показан вид сверху на проходной элемент 1, отверстия для прохода можно расположить в матрице. Сама матрица является варьируемой, что означает, что расположение отверстий для прохода можно выбрать в соответствии с желаемым применением. Этот вариант осуществления можно использовать, например, для снабжения многочисленных электрических и/или электронных компонентов электрическим током, например, питать их и/или проводить сигналы, сгенерированные этими компонентами, в опорный корпус 2. Опорный корпус может герметизировать или не герметизировать корпус указанного устройства. Опорный корпус 2 можно изготавливать из металла и/или сплава, или из керамического материала.
На фиг. 6а показан перспективный вид так называемого большого проходного элемента. Такие проходные элементы 1 обычно используются в качестве проводника для защиты электрической установки или проводника в защите газового баллона. Опорный корпус в этом примере представляет собой элемент в форме диска, предпочтительно, изготовленного из нержавеющей стали. Опорный корпус имеет каналы 25, которые можно использовать для закрепления проходного элемента 1 на других компонентах, например, корпусах и защитах. Опорный корпус 2 в этом примере, следовательно, представляет собой фланец. В этом варианте осуществления три отверстия для прохода уплотнены электрически изолирующим фиксирующим материалом 3, в котором закреплены функциональные элементы 4. Функциональный элемент 4 в этом примере представляет собой проводник электрического тока, который является особенно приспособленным к большой мощности и высокому напряжению. Функциональный элемент 4 также имеет область 45 на своем конце, которую можно использовать для обеспечения соединительных возможностей, в особенности, для соединения линий электросети и/или вилок.
На фиг. 6b показано вертикальное сечение проходного элемента 1 в соответствии с фиг. 6а по линии разреза А. Каналы 25 проходят через опорный корпус 2. Однако также возможны все другие меры закрепления проходного элемента 1 на другом элементе и/или устройстве. Как также можно видеть, функциональный элемент 4 включает в себя два основных элемента. Один представляет собой трубку 44, которая находится в контакте с электрически изолирующим фиксирующим материалом 3, и которая удерживается электрически изолирующим фиксирующим материалом 3 внутри отверстия для прохода. Второй элемент 43 функционального элемента 4 представляет собой проводник 43 электрического тока. Проводник 43 и трубка 44 обычно скреплены вместе, например, сварным или паяным соединением. Трубка 44 и проводник 43 в этом примере состоят из различных материалов, например металлов. Эта конструкция является благоприятной, если проводник 43 из-за состава его материала не может образовывать герметичного соединения с электрически изолирующим фиксирующим материалом 3. Тогда используют трубку 44, состоящую из металла, способного к герметичному уплотнению в электрически изолирующем фиксирующем материале 3. Например, для проводника 43 можно использовать медь, в особенности из-за ее хороших свойств в качестве проводника электрического тока. Но медь трудно закреплять внутри электрически изолирующего фиксирующего материала 3 на стеклянной или стеклокерамической основе. Тогда трубку 44, состоящую, по существу, например, из нержавеющей стали, можно герметизировать в электрически изолирующем фиксирующем материале 3, а проводник 43 припаивать к трубке 44.
В примере в соответствии с фиг. 6b также присутствует защитный элемент 33, который закрывает отверстие для прохода с одной стороны проходного элемента 1. Этот защитный элемент может являться таким же, что и защитные элементы 31, 32, как описано в связи с фиг. 4. Конечно, можно также использовать другие виды защитных элементов 33. В этом примере защитный элемент 33 используют для механической защиты электрически изолирующего фиксирующего материала 3 внутри отверстия для прохода и для увеличения разрядного напряжения. Защитный элемент 33 в этом примере не находится в контакте с поверхностью электрически изолирующего фиксирующего материала 3. Следовательно, присутствует полость 35 между поверхностью электрически изолирующего фиксирующего материала 3 и нижней частью защитного элемента 33. Эта полость может быть заполнена или не заполнена конкретной средой, например, защитными жидкостями или газами. В соответствии с фиг. 4 функциональный элемент 4 дополнительно защищен крышкой 46, которая может помочь в предотвращении механического повреждения функционального элемента 4, в особенности, проводника 43 и трубки 44, выступающих над уровнем опорного корпуса. Конечно, полость 35 и/или крышка 46 могут отсутствовать в других вариантах осуществления проходного элемента 1 в соответствии с настоящим раскрытием.
На фиг. 7 показан принцип благоприятного использования раскрытого проходного элемента в глубинной установке для разведки и/или разработки. В этом примере для достижения пласта, например, нефти или природного газа используют буровое устройство. Известно и является уровнем техники то, что буровое устройство можно поворачивать в различных направлениях. Без таких возможностей к поворачиванию было бы невозможно достичь нужных пластов. Для способствования поворачиванию буровое устройство включает в себя компоненты, с которыми необходимо поддерживать контакт через проходные элементы 10 в соответствии с настоящим раскрытием.
На фиг. 8 показана защита 20 устройства для генерации энергии. Генератор необходимо безопасно закрывать оболочкой внутри защиты, также и в экстренных условиях и условиях отказа. Проходной элемент 1 в соответствии с настоящим раскрытием преимущественно используют для обеспечения контакта с генератором и/или устройствами внутри защиты. Такие устройства представляют собой, например, устройства для отслеживания эксплуатационных условий генератора и/или поворачивания генератора, или другие устройства.
На фиг. 9 показано устройство 21 генерации энергии, такое, как реактор. Устройство 21 генерации энергии имеет корпус с проходным элементом 1 в соответствии с настоящим раскрытием. Энергия, производимая в устройстве генерации энергии, может переноситься через проходной элемент 1 наружу и/или оборудование для поворачивания, и/или датчик, и/или привод и т.д. внутри корпуса устройство 21 генерации энергии может быть соединено с использованием проходного элемента 1. Устройство 21 генерации энергии в соответствии с этим примером расположено внутри защиты 20. Как описано в контексте фиг. 8, защиту также можно снабдить проходным элементом 1.
ПРИМЕРЫ
Как можно видеть из пояснений выше, проходной элемент в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает улучшенную эффективность благодаря составу электрически изолирующего стеклянного или стеклокерамического материала. Большое количество примеров стеклянных или стеклокерамических материалов плавили и применяли к описанному проходному элементу. Составы шести предпочтительных стеклянных материалов и значение их соответствующего объемного удельного сопротивления просуммированы в таблице 1.
| Таблица 1 Составы и объемное удельное сопротивление фиксирующих материалов |
||||||
| Состав [мольных %] |
Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 | Пример 5 | Пример 6 |
| SiО2 | 42,5 | 42,5 | 38,7 | 44,5 | 45,0 | 47,0 |
| B2O3 | 13,0 | 13,0 | 8,9 | 8,9 | 12,0 | 6,4 |
| Al2O3 | 1,5 | 1,5 | 1,6 | 1,6 | 0,0 | 1,6 |
| BaO | 33,0 | 33,0 | 0,0 | 34,6 | 33,0 | 17,3 |
| CaO | 0,0 | 0,0 | 36,7 | 0,0 | 0,0 | 16,5 |
| MgO | 7,0 | 10,0 | 6,7 | 7,3 | 7,0 | 8,1 |
| Y2O3 | 3,0 | 0,0 | 3,4 | 3,1 | 3,0 | 3,1 |
| ZrO2 | 0,0 | 0,0 | 4,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| Удельное объемное сопротивление при 350°С [Ом·см] | 1,5×1011 | 1,4×1011 | 3,9×1011 | 6,0×1010 | 1,8×1011 | 3,8×1010 |
Все составы фиксирующих материалов приведены в мольных %, в пересчете на оксид. Все фиксирующие материалы из Примеров 1-6 представляют собой аморфные материалы. Преимущества Примеров 1-6 в соответствии с изобретением очевидны, когда их сравнивают со свойствами известных стеклянных материалов, когда они используются для проходного элемента в соответствии с настоящим раскрытием. Такие сравнительные примеры просуммированы в Таблице 2 и названы СЕ 1-СЕ 3.
| Таблица 2 Cравнительные составы и объемное удельное сопротивление фиксирующих материалов |
|||
| Состав [мольных %] | СЕ 1 | СЕ 2 | СЕ 3 |
| SiO2 | 63,4 | 58,0 | 67,1 |
| B2O3 | - | 1,8 | 1,5 |
| Al2O3 | 0,3 | 1,1 | 3,1 |
| PbO | 29,4 | - | - |
| BaO | 0,1 | 2,0 | - |
| Fe2O3 | - | 0,8 | - |
| Li2O | - | 21,8 | 22,8 |
| Na2O | 0,2 | 3,0 | 0,4 |
| K2O | 6,5 | 6,9 | 2,3 |
| F | - | 4,6 | - |
| Sb2O3 | 0,2 | 0,01 | - |
| P2O5 | - | - | - |
| ZnO | - | - | - |
| CaO | - | - | - |
| объемное сопротивление при 350°C [Ом·см] |
4,0×109 | 3,2×107 | 6,0×105 |
Как можно видеть из сравнительных примеров, наилучшее объемное удельное сопротивление этих материалов на порядок величины ниже, чем наименьшее объемное удельное сопротивление фиксирующих материалов в соответствии с изобретением.
Температурная зависимость объемного удельного сопротивления примерных фиксирующих материалов Примеров 1-6 в логарифмической шкале показана на графике в соответствии с фиг. 10. Также показан соответствующий график для сравнительных примеров, указанных на графике. Как можно видеть из графика в соответствии с фиг. 9, наилучшим сравнительным примером является СЕ 1. Однако следует подчеркнуть, что даже если используют логарифмическую шкалу, то СЕ 1 не может и близко подойти к удельному объемному сопротивлению электрически изолирующего фиксирующего материала в соответствии с изобретением. С фиксирующими материалами с объемным удельным сопротивлением ниже 1,0×1010 Ом·см при эксплуатационных температурах 350°С было невозможно изготовить проходной элемент с общим электрическим удельным сопротивлением, по меньшей мере, в 500 МОм при эксплуатационной температуре 260°С. Эти свойства обеспечиваются только фиксирующим материалом, раскрытым в настоящем описании.
Стеклянные системы в соответствии с Примерами 1-6 демонстрировали превосходную механическую прочность при использовании в проходном элементе. Достигались значения максимального эксплуатационного давления более 289,6 МПа (42000 фунтов/дюйм2) (при 260°С) и значения более 448,2 МПа (65000 фунтов/дюйм2) (при комнатной температуре). Стало очевидным, что возможны даже большие максимальные давления, но указанные значения отражают верхний предел доступного измерительного оборудования.
Изобретение и вышеуказанное описание также можно охарактеризовать следующими решениями.
Решение 1: Проходной элемент для тяжелых условий окружающей среды, при этом проходной элемент включает в себя:
опорный корпус, по меньшей мере, с одним отверстием для прохода, в котором расположен, по меньшей мере, один функциональный элемент в электрически изолирующем фиксирующем материале; электрически изолирующий материал электрически изолирует функциональный элемент от опорного корпуса;
при этом электрически изолирующий фиксирующий материал содержит стекло или стеклокерамику с удельным объемным сопротивлением более 1,0·1010 Ом·см при температуре 350°С и указанное стекло или стеклокерамика включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид
| SiO2 | 25-55, преимущественно, 38,8-55, более преимущественно 39-55 или 39-51, или 39-50, наиболее преимущественно 40-55 или 40-51, или 40-50 |
| В2О3 | 0,1-15, преимущественно, 0,1-13 |
| Al2O3 | 0-15 |
| МО | 20-50 |
| М2О | 0-<2, |
где МО выбирают из группы, состоящей из, по отдельности или в комбинации, MgO и/или СаО и/или SrO, и/или BaO, и М2О выбирают из группы, состоящей из, по отдельности или в комбинации, Li2O и/или Na2O, и/или K2O.
Решение 2: Проходной элемент по решению 1, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал электрически изолирует функциональный элемент от опорного корпуса с удельным сопротивлением электрической изоляции, по меньшей мере, 500 МОм при эксплуатационной температуре 260°С.
Решение 3: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором функциональный элемент представляет собой электрический проводник или волновод, или линию для охлаждающей жидкости, или корпус термоэлемента, или полый элемент, который несет дополнительные функциональные элементы.
Решение 4: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором сборный узел, по меньшей мере, одного функционального элемента с электрически изолирующим фиксирующим материалом внутри, по меньшей мере, одного отверстия для прохода может выдерживать давления, превышающие 289,6 МПа (42000 фунтов/дюйм2) при эксплуатационной температуре 260°С.
Решение 5: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал герметически изолирует, по меньшей мере, одно отверстие для прохода.
Решение 6: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал имеет КТР, который, по существу, совпадает с КТР опорного корпуса.
Решение 7: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-5, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал имеет КТР, который имеет меньшее значение, чем КТР опорного корпуса, причем, по меньшей мере, при комнатной температуре опорный корпус оказывает дополнительное фиксирующее давление в отношении электрически изолирующего фиксирующего материала.
Решение 8: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором опорный корпус изготовлен из керамики, выбранной из группы, состоящей из Al2O3 керамики и/или стабилизированной ZrO2 керамики и/или слюды.
Решение 9: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-7, в котором опорный корпус изготовлен из металлического материала и/или сплава, выбранного из группы, состоящей из нержавеющей стали SAE 304 SS и/или нержавеющей стали SAE 316 SS, и/или инконеля.
Решение 10: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором функциональный элемент изготовлен, по существу, из металлического материала и/или сплава, выбранного из группы, состоящей из бериллиево-медного и/или никелево-железного сплава, и/или ковара, и/или инконеля.
Решение 11: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором присутствуют следующие комбинации материалов для функционального элемента и опорного корпуса:
функциональный элемент изготовлен, по существу, из бериллиево-медного сплава, и скомбинирован с опорным корпусом, изготовленным, по существу, из нержавеющей стали SAE 304 SS и/или нержавеющей стали SAE 316 SS, или
функциональный элемент изготовлен, по существу, из никелево-железного сплава, и скомбинирован с опорным корпусом, изготовленным, по существу, из SAE 304 SS и/или инконеля, или
соединительный элемент изготовлен, по существу, из ковара, и скомбинирован с опорным корпусом, изготовленным, по существу, из инконеля, и/или
соединительный элемент изготовлен, по существу, из инконеля, и скомбинирован с опорным корпусом, изготовленным, по существу, из инконеля.
Решение 12: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором стекло или стеклокерамика включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид:
| SiO2 | 35-50 |
| В2О3 | 5-15 |
| Al2O3 | 0-5 |
| МО | 30-50 |
| M2O | 0-<1 |
Решение 13: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором стекло или стеклокерамика включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид:
| SiO2 | 35-50 |
| В2О3 | 5-15 |
| Al2O3 | 0-<2 |
| МО | 30-50 |
| M2O | 0-<1 |
Решение 14: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-12, в котором стекло или стеклокерамика включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид:
| SiO2 | 38,8-55, преимущественно 39-55 или 39-51, или 39-50, более преимущественно 40-55 или 40-51, или 40-50 |
| В2О3 | 5-15 |
| Al2O3 | 0-5 |
| МО | 30-50 |
| M2O | 0-<1 |
Решение 15: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором стекло или стеклокерамика являются, по существу, свободными от М2О и/или PbO, и/или фторопластов, по отдельности и/или в любой их комбинации.
Решение 16: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором стекло или стеклокерамика дополнительно включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид:
| ZrO2 | 0-10 |
| Y2O3 | 0-10 |
| La2O3 | 0-10 |
Решение 17: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором стекло или стеклокерамика включает в себя вплоть до 30% по объему наполнителей, которые, предпочтительно, выбирают из группы, состоящей из, по отдельности или в комбинации, ZrO2 и/или Al2O3, и/или MgO.
Решение 18: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором, по меньшей мере, одно отверстие для прохода имеет внутреннюю стенку отверстия для прохода, которая имеет средство предотвращения движения электрически изолирующего фиксирующего материала относительно опорного корпуса.
Решение 19: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором, по меньшей мере, одно отверстие для прохода имеет, по меньшей мере, область с цилиндрическим или усеченным вертикальным сечением.
Решение 20: Проходной элемент, по меньшей мере, по одному из предшествующих решений, в котором, по меньшей мере, один соединительный элемент имеет средство предотвращения движения, по меньшей мере, одного соединительного элемента относительно электрически изолирующего фиксирующего материала и корпуса, когда на проходной элемент оказывается давление.
Решение 21: Устройство для глубинного бурения или разведки газа и/или нефти, включающее в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-20.
Решение 22: Устройство генерации энергии или генерации энергии, имеющее корпус, включающий в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-20.
Решение 23: Защита для устройства генерации энергии или хранения энергии, включающая в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-20.
Решение 24: Защита для реактора или устройства хранения токсичных и/или вредных веществ, включающая в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-20.
Решение 25: Устройство для полета в космос и/или планетоход, включающее в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-20.
Решение 26: Датчик или привод, заключенный в оболочку внутри корпуса, включающий в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из решений 1-20.
1. Проходной элемент для прохода функционального элемента через отверстие электрически изолированным образом, при этом проходной элемент пригоден для использования в условиях окружающей среды с температурами выше 260°С и/или давлением выше 289,6 МПа (42000 фунтов/дюйм2), при этом проходной элемент включает в себя:
опорный корпус, по меньшей мере, с одним отверстием для прохода, в котором расположен, по меньшей мере, один функциональный элемент в электрически изолирующем фиксирующем материале; электрически изолирующий материал электрически изолирует функциональный элемент от опорного корпуса;
при этом электрически изолирующий фиксирующий материал содержит стекло или стеклокерамику с удельным объемным сопротивлением более 1,0·1010 Ом·см при температуре 350°С и указанное стекло или стеклокерамика включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид
| SiO2 | 25-55 |
| B2O3 | 0,1-15 |
| Al2O3 | 0-15 |
| МО | 20-50 |
| M2O | 0-<2, |
где МО выбран из группы, состоящей из, по отдельности или в комбинации, MgO и/или СаО и/или SrO, и/или ВаО, и M2O выбран из группы, состоящей из, по отдельности или в комбинации, Li2O и/или Na2O, и/или K2O.
2. Проходной элемент по п. 1, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал электрически изолирует функциональный элемент от опорного корпуса с удельным сопротивлением электрической изоляции, по меньшей мере, 500 МОм при эксплуатационной температуре 260°С.
3. Проходной элемент по п. 1, в котором функциональный элемент представляет собой электрический проводник или волновод, или линию для охлаждающей жидкости, или корпус термоэлемента, или полый элемент, который несет дополнительные функциональные элементы.
4. Проходной элемент по п. 1, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал герметически изолирует, по меньшей мере, одно отверстие для прохода.
5. Проходной элемент по п. 1, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал имеет КТР, который, по существу, совпадает с КТР опорного корпуса.
6. Проходной элемент по п. 1, в котором электрически изолирующий фиксирующий материал имеет КТР, который имеет меньшее значение, чем КТР опорного корпуса, причем, по меньшей мере, при комнатной температуре опорный корпус оказывает дополнительное фиксирующее давление в отношении электрически изолирующего фиксирующего материала.
7. Проходной элемент по п. 1, в котором опорный корпус изготовлен из керамики, выбранной из группы, состоящей из Al2O3 керамики и/или стабилизированной ZrO2 керамики, и/или слюды.
8. Проходной элемент по п. 1, в котором опорный корпус изготовлен из металлического материала и/или сплава, выбранного из группы, состоящей из нержавеющей стали SAE 304 SS и/или нержавеющей стали SAE 316 SS, и/или инконеля.
9. Проходной элемент по п. 1, в котором функциональный элемент изготовлен, по существу, из металлического материала и/или сплава, выбранного из группы, состоящей из бериллиево-медного и/или никелево-железного сплава, и/или ковара, и/или инконеля.
10. Проходной элемент по п. 1, в котором присутствуют следующие комбинации материалов для функционального элемента и опорного корпуса:
функциональный элемент изготовлен, по существу, из бериллиево-медного сплава, и скомбинирован с опорным корпусом, изготовленным, по существу, из нержавеющей стали SAE 304 SS и/или нержавеющей стали SAE 316 SS, или
функциональный элемент изготовлен, по существу, из никелево-железного сплава, и скомбинирован с опорным корпусом, изготовленным, по существу, из SAE 304 SS и/или инконеля, или
соединительный элемент изготовлен, по существу, из ковара, и скомбинирован с опорным корпусом, изготовленным, по существу, из инконеля, и/или
соединительный элемент изготовлен, по существу, из инконеля и скомбинирован с опорным корпусом, изготовленным, по существу, из инконеля.
11. Проходной элемент по п. 1, в котором стекло или стеклокерамика включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид:
| SiO2 | 35-50 |
| B2O3 | 5-15 |
| Al2O3 | 0-5 |
| МО | 30-50 |
| M2O | 0-<1 |
12. Проходной элемент по п. 11, в котором стекло или стеклокерамика включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид:
| SiO2 | 35-50 |
| B2O3 | 5-15 |
| Al2O3 | 0-<2 |
| МО | 30-50 |
| M2O | 0-<1 |
13. Проходной элемент по п. 1, в котором стекло или стеклокерамика включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид:
| SiO2 | 39-55 |
| B2O3 | 5-15 |
| Al2O3 | 0-5 |
| МО | 30-50 |
| M2O | 0-<1 |
14. Проходной элемент по пп. 1, 11, 12 или 13, в котором стекло или стеклокерамика являются, по существу, свободными от M2O и/или PbO, и/или фторопластов.
15. Проходной элемент по пп. 1, 11, 12 или 13, в котором стекло или стеклокерамика дополнительно включает в себя, в мольных %, в пересчете на оксид:
| ZrO2 | 0-10 |
| Y2O3 | 0-10 |
| La2O3 | 0-10 |
16. Проходной элемент по пп. 1, 11, 12 или 13, в котором стекло или стеклокерамика включает в себя вплоть до 30% по объему наполнителей, которые, предпочтительно, выбраны из группы, состоящей из, по отдельности или в комбинации, ZrO2 и/или Al2O3, и/или MgO.
17. Проходной элемент по п. 1, в котором, по меньшей мере, одно отверстие для прохода имеет внутреннюю стенку отверстия для прохода, которая имеет средство предотвращения движения электрически изолирующего фиксирующего материала относительно опорного корпуса.
18. Проходной элемент по п. 1, в котором, по меньшей мере, одно отверстие для прохода имеет, по меньшей мере, область с цилиндрическим или усеченным вертикальным сечением.
19. Проходной элемент по п. 1, в котором, по меньшей мере, один соединительный элемент имеет средство предотвращения движения, по меньшей мере, одного соединительного элемента относительно электрически изолирующего фиксирующего материала и корпуса, когда на проходной элемент оказывается давление.
20. Устройство для глубинного бурения или разведки газа и/или нефти, включающее в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из пп. 1-19.
21. Устройство генерации энергии или генерации энергии, имеющее корпус, включающий в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из пп. 1-19.
22. Защита для устройства генерации энергии или хранения энергии, или реактора, или устройства хранения токсичных и/или вредных веществ, включающая в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из пп. 1-19.
23. Устройство для полета в космос и/или планетоход, включающее в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из пп. 1-19.
24. Датчик или привод, заключенный в оболочку внутри корпуса, включающий в себя проходной элемент, по меньшей мере, по одному из пп. 1-19.
