用于恶劣环境的馈通元件

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。

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种馈通元件，更具体涉及一种能够用于260℃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 件可以承受42000psi之上的操作和/或应急情况压力。因此，它们可以用于各种 应用，尤其是用于井下(downhole)钻孔设备和用于毒物质的安全罩(containment) 以及用于航空器中。

背景技术

一般而言，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，这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。表征这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。

虽然这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，但是这些参数经常限制可能使用包含这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，并且可以用于260℃之上的操作温度和高达 28000psi的操作压力。使用的聚合物的体积电阻为约8.0×10¹⁴Ω·cm，因此是相 当优异的。但是，这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或伽玛辐射的电磁辐射下以及由于物理磨损引起的机械退化的时间 而降低，

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。这样的馈通元 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1000bar、对应于 14500psi的压力。虽然没有描述绝缘材料的电性能，但是可以想像到，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。

所述的馈通元件不足以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

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260℃ 之上的温度下并且确保导体与其四周的高电绝缘性能。

该目的由本发明的馈通元件实现。

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口。

优选地，功能元件可以是用于电流的导体。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。

根据本发明，电绝缘固定材料包含在350℃温度下具有高于1.0×10¹⁰Ω·cm 体积电阻的玻璃或玻璃陶瓷。术语“包含”主要包括这样的实施例，其中电绝 缘固定材料不仅仅由玻璃或玻璃陶瓷制成，也可以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。

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％SiO₂、 0.1％-15％B₂O₃、0％-15％Al₂O₃、20％-50％MO以及2％以下的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，M₂O选自 由单独的Li₂O和/或Na₂O和/或K₂O或其组合构成的组。

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 定材料可以是玻璃。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 占整个材料可以高达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)，结晶区域的浓度以及它们具体 CTE可以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。

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Li₂O 和/或Na₂O和/或K₂O。此提议包括单独组分以及其任何组合。

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SiO₂为38.8％-55％。SiO₂的其他适当下限为39％和/或40％(氧化物成分的摩 尔百分比)。这些所有下限可以与51％和/或50％的优选上限结合。

B₂O₃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)。此范围当然可以与上述的任何范围结合。

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350℃温度时 的体积电阻。体积电阻随温度升高而降低。这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350℃下这 样高的体积电阻最小值，本发明的馈通元件更优选适合于以前禁止的高温应用。 体积电阻在250℃下的值大约是350℃下的值的十倍。

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，可以将馈通元件设计成比较紧凑的尺寸。这样优选 的实施例表征为这样的馈通元件，其中，电绝缘固定材料以260℃下至少500M Ω的绝缘电阻将功能元件与支撑体电绝缘。

功能元件可以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，功能元件可以是实心或中空销或管。这样的销可 以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以满足 其他功能，例如，其可以代表用于将例如微波或声波导引穿过馈通件的波导。 在这些情况下，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 可以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，功能元件可以用作用于不能直 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。在这些情况下， 最合适的功能元件可以是中空元件或管。

不仅仅要考虑几何设计，诸如限定本发明馈通元件可以暴露的最大压力的 电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料以及检查开口的厚度，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。如果这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。这些结合现象可以是一侧检查开口的内壁的材料以及由此 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。如果以最佳方式选择玻璃或玻璃陶瓷固定材料的成 分，这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，所述成分的优势可以由260℃操作温度下本发明馈通元件可以承受的 超过42000psi最大压力来证明。此最大压力表示馈通元件可以长时间暴露的操 作压力。最大压力还基于操作温度，在室温下，所述馈通元件可以得到超过 65000psi的最大压力。短时间的峰压可以显著超过最大压力。

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。

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，密闭性使用氦泄漏测试来衡量。该 程序在业内是公知的。氦泄漏速率在室温下低于1.0×10^-8cc/sec(立方厘米每秒) 或室温下1.69×10^-10mbar l/s表示，检查开口的密封是密闭的。

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。这意味着，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。

可选地，电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料的成分可以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(以及功能元件) 一起被加热时，玻璃或玻璃陶瓷固定材料熔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坯(slug) 上并且将物理压力提供到玻璃或玻璃陶瓷毛坯上，这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以存在。

实质上，支撑体可以由所述合适材料和/或材料组合制造。但是，支撑体的 优选材料是陶瓷，优选为Al₂O₃陶瓷和/或稳定ZrO₂陶瓷和/或云母(Mica)。

可选地，支撑体优选可以由金属和/或合金制造。此组的优选材料是不锈钢 SAE304SS和/或不锈钢SAE316SS和/或铬镍铁合金。

功能元件优选基本由金属材料和/或优选选自铍铜合金和/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。

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 详细赘述。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 还可以包括上述之外的其他材料，并且/或者可以包含不同材料的夹层结构。

如果某些材料组合用于支撑体和功能元件，则可以调节所述馈通元件的性 能。更优选的是铍铜合金制成的功能元件与不锈钢SAE304SS或不锈钢SAE316 SS制成的支撑体的组合。同样优选的是镍-铁合金制成的功能元件与不锈钢SAE 304SS或铬镍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。还特别优选的是铬镍铁合金制 成的功能元件与铬镍铁合金制成的支撑体的组合。在下表中总结了优选组合。

支撑体材料 功能元件材料 SAE304SS 铍铜合金 SAE316SS 铍铜合金 SAE304SS 铍铜合金 铬镍铁合金 铍铜合金 铬镍铁合金 科伐合金 铬镍铁合金 铬镍铁合金

在电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料的所述成分范围内，其组分的含量当然 存在优选范围。那些优选范围可以为玻璃或玻璃陶瓷固定材料提供优选性能， 当然对于支撑体和/或功能元件的上述材料不是特别必须的。

优选地，电绝缘固定材料包含的玻璃或玻璃陶瓷包括氧化物成分的摩尔百 分比：35％-50％SiO₂、5％-15％B₂O₃、0％-5％Al2O3、30％-50％MO以及少于1％ 的M₂O。

更优选的实施例是，电绝缘固定材料包含的玻璃或玻璃陶瓷包括氧化物成 分的摩尔百分比：35％-50％SiO₂、5％-15％B₂O₃、0％-2％Al₂O₃、30％-50％MO以 及少于1％的M₂O。

如上所述，在另一个优选的实施例中，电绝缘固定材料包含的玻璃或玻璃 陶瓷包括氧化物成分的摩尔百分：39％-55％SiO₂、5％-15％B₂O₃、0％-2％Al₂O₃、 30％-50％MO，并且基本没有BaO和/或SrO和/或Li₂O和/或Na₂O和/或K₂O。

缩写MO和M₂O的意思已经详细描述，并且还必须应用到上述优选成分范 围。

特别优选的实施例是，所述成分范围内的玻璃或玻璃陶瓷基本不含M₂O和 /或PbO和/或氟。基本不含是指不刻意添加所述组分的含量。但是，可以存在 可能由于在用于玻璃生产处理中的原材料的操作和/或人为和/或自然组合过程 中由于玻璃熔融设备的腐蚀而引起的不可避免的杂质。通常，这样杂质不超过 2ppm的量。如果从玻璃成分中除去M₂O，电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料的体 积电阻可以达到最高值。但是，检查开口的密封可能由于要求更高的熔融特性 而变得更困难。由于其对环境的消极影响，PbO和氟是不期望的组分。

额外的组分可以优选改善电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料的玻璃熔融和处 理性能。这样优选的额外组分是ZrO₂和/或Y₂O₃和/或La₂O₃，其可以单独或以 任意可能组合存在于玻璃或玻璃陶瓷组分的初始或优选实施例中，每种组分的 氧化物成分的摩尔百分比为0％-10％，

还优选的是电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料包括高达30％的整个体积的填 充物。这样的填充物通常是无机填充物。最优选地，选择单独的或任意可能组 合的ZrO₂和/或Al₂O₃和/或MgO。

除了选择所述成分范围内的电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料的成分，还可 以通过在制造支撑体过程中可以应用的机械措施来改善馈通元件的耐压性。因 此，至少一个检查开口可以适于提供更大的抗压力负荷能力。这样措施优选通 过防止电绝缘固定材料相对于应用到检查开口内壁的支撑体的运动来表征。这 样用于防止运动的装置可以是将电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料互锁在检查开 口内的结构。所有提供这样的互锁功能的几何结构都是合适的，例如检查开口 内壁的凹槽和/或突出区域。突出区域可以是检查开口内局部减小该检查开口直 径的肩部。这样的肩部通常位于支撑体中与预期压力负载的一侧相对的表面附 近。

在大部分情况下，至少一个检查开口至少具有圆柱形轮廓的区域。具有用 于防止电绝缘固定材料相对于支撑体运动的这样措施的检查开口的优选实施例 包括至少具有截顶轮廓的区域的检查开口。截顶轮廓减小检查开口的直径，较 大直径通常位于支撑体中面向预期压力负载的表面附近，而较小直径通常位于 支撑体中与期望负载相反的表面附近。

提高最大压力负载并防止功能元件从电绝缘固定材料中挤出的另一种措施 在于提供至少一个功能元件的周向壁，其具有防止功能元件相对于电绝缘固定 材料和支撑体运动的装置。另外，防止运动的这些装置可是功能元件的直径的 局部变化，例如肩部、凹槽、截顶区域等。这些结构位于功能元件固定在电绝 缘固定材料内的区域中，因此，这些用于防止运动的装置提供与电绝缘固定材 料的互锁。

本发明的馈通元件可以更有利地用于井下钻孔和/或井下勘测装置，具体用 于石油和/或天然气资源的勘测和/或开采。当然，此应用区域当然包括陆上以 及水下应用。那些应用可以特别得益于馈通元件所提供的抗压性和电绝缘能力。

本发明馈通元件的另一个有利应用区域是诸如发电厂的能量生成或能量存 储装置和/或压缩气瓶(gas pressure tank)和/或电化学电池和/或熔盐罐等的安 全罩。这里，尤其是高温下的电隔离性能与安全可靠安全罩相关。

本发明的馈通元件提供如此特征，其还允许各种物质、尤其是有毒和/或至 少对环境和/健康有害的物质的安全罩的应用，例如，本发明的馈通元件可以用 于连接位于安全罩内侧的应急设备和/或感测器和/或致动器与位于安全罩外侧 的操作装置和/或操作人员。这样的安全罩通常存在于化学和/或物理反应器或 例如至少用于核废料的中间存储的存储装置中。

另外，太空中的应用得益于本发明的馈通元件的耐热性和耐压性。诸如行 星轨道中的卫星的太空任务或星际任务以及空间探测车辆经受极端环境，尤其 是高温和低温以及温度变化方面。用于这些装置中的馈通元件的可靠性经常与 任务的成功与否挂钩。

本发明的馈通元件特别适于提供包封感测器和/或致动器的壳体的馈通件。

附图说明

图1a示出本发明的馈通元件的原理图。

图1b示出从上方观察馈通元件的图。

图2示出本发明馈通元件中检查孔具有截顶(truncated)轮廓的原理图，该 截顶轮廓表示用于防止电绝缘固定材料相对于支撑体运动的装置。

图3示出本发明馈通元件中检查开口在其圆柱形轮廓中具有肩部的原理图， 该具有肩部的圆柱形轮廓表示用于防止电绝缘固定材料相对于支撑体运动的装 置。此外，功能元件设置有肩部，该肩部表示防止功能元件相对于电绝缘固定 材料和支撑体运动的装置。

图4示出根据图1a的馈通元件的轮廓，其中，电绝缘固定材料的表面由保 护层保护。

图5a示出本发明馈通元件的轮廓，其中，支撑体设置有多个检查开口。

图5b示出根据图5a的馈通元件的俯视图。

图6a示出本发明馈通元件的立体图，该馈通元件通常用在能量生成或能量 存储装置的安全罩。

图6b示出图6a的馈通元件的轮廓。

图7示出具有本发明的馈通元件的井下钻孔设备。

图8示出具有本发明的馈通元件的能量生成装置的安全罩。

图9示出具有均包括本发明的馈通元件的壳体和安全罩的能量生成装置。

图10示出本发明的玻璃或玻璃陶瓷固定材料的体积电阻的温度依赖性以及 比较示例。

具体实施方式

图1a和1b示出本发明的馈通元件1的原理。支撑体2在此示例中具有圆 柱形的外轮廓。当然，所有可行的结构、例如盘形元件也包括在本发明中。在 支撑体2中具有检查开口，该检查开口由电绝缘固定材料3所密封。检查开口 限定穿过支撑体2的通道，并且自然具有检查开口内壁，该检查开口内壁与电 绝缘固定材料3接合(interface)。功能元件4布置在检查开口内的电绝缘固定材 料3内并由其保持。在此实施例中，功能元件4是用作电流导体的销。在此示 例中，支撑体2、检查开口和功能元件4布置成同轴构造。在此示例中，检查开 口也具有圆柱形轮廓。检查开口可以是支撑体内的钻孔，这是在一般由实心材 料制成的圆柱支撑体2中生成检查开口的一种合适方法。还可以由铸造材料生 成这样的支撑体2，其中，可以在模铸处理过程中已经生成检查开口。

图2所示的实施例基本对应于图1a和图1b的实施例，但是检查开口具有 截顶的轮廓。这样的截顶的轮廓在馈通元件1的底侧缩小检查开口的直径。在 此示例的原理图中，截顶的轮廓跨越检查开口的整个长度。当然，截顶轮廓还 可以仅仅存在于检查开口的第一区域中，而第二或其他区域可以具有不同轮廓， 例如，圆柱形轮廓。通过局部减小检查开口的直径，因为截顶轮廓与固定材料3 互锁并且实质上在压力施加到馈通元件1的检查开口的直径比较大的顶侧时充 当楔形件，所以将电绝缘固定材料3驱出检查开口所需的压力增大。因此，可 以通过检查开口轮廓的设计来增大馈通元件1可以承受的最大压力。例如通过 使用锥形钻孔器来钻孔并抛光实体材料或通过使用适当的成形工具进行模铸， 可以同样生产这样的截顶轮廓。

局部缩小检查开口的直径的有利的基本原理也可以应用到图3的实施例中。 这里，检查开口包括圆柱形轮廓的第一区域21和具有圆柱形轮廓的第二区域22， 其中，第二区域22中的圆柱形轮廓的直径小于第一区域中的圆柱形轮廓的直径。 因此，在检查开口壁中生成肩部，该肩部又用作防止电绝缘固定材料3相对于 支撑体2产生相对运动的装置。

如图3中还示出，功能元件4具有用于防止功能元件4相对于电绝缘固定 材料3和相对于支撑体2运动的装置。在此示例中，这些装置由功能元件的突 出区域41所表示，在此实施例中，突出区域41在功能元件表面上生成肩部。虽 然没有示出根据图3的实施例的俯视图，但是本领域一般技术人员能够轻易预 见到，功能元件的突出区域不是必须具有盘结构。突出区域41的上下表面也可 以具有边缘，例如方形、十字架形或星形等形式，由此，也为功能元件提供防 止扭力的互锁功能。

当馈通元件1设计有用于防止电绝缘固定材料3和/或功能元件4相对于支 撑体运动的装置时，应当记住，由于检查开口的直径局部减小，馈通元件的电 绝缘固定材料3防止尤其是功能元件4与支撑体2之间的电路短路的整体电阻可 能降低。因此，使用凹槽取代突起作为防止运动的装置可以是有利的。

用作本发明所述的电绝缘固定材料3的玻璃或玻璃陶瓷材料提供优异的体 积电阻。但是，通过引入另外的保护元件31、32，尤其是另外的绝缘体，可以 进一步提高馈通元件1的整体绝缘性能和击穿电压。因此，根据图4的实施例 还包括在电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料3的表面上或至少在其附近的保护元 件31、32。保护元件31、32本质上可以由例如焊接用的玻璃的其他玻璃、和/ 或例如硅酮粘结剂或高温环氧系统的有机复合物或聚合物制成。在没有保护元 件31、32的情况下，馈通元件1的一般击穿电压为1.0kV。对于具有绝缘体31、 32的馈通元件，可以获得2.0kV或更高的击穿电压。

如还可以从图4中看出，保护元件31、32防止电绝缘固定材料的玻璃或玻 璃陶瓷表面与其他介质进行任何接触。本发明的玻璃或玻璃陶瓷固定材料针对 空气和大部分气态介质是化学稳定的。但是，在恶劣环境下，更具有侵蚀性的 介质可能与电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料3的表面进行接触。这些介质的腐 蚀能力经常随着温度的升高而增大。因此，根据图4的实施例还包括在电绝缘 玻璃或玻璃陶瓷固定材料3的表面上或至少在其附近的保护元件31、32。这些 保护元件31、32防止玻璃或玻璃陶瓷表面与其他介质进行任何接触。例如，保 护元件31、32可以由与上述绝缘体相同的材料制成。同样，可以使用任何其他 合适的材料。当然，保护元件31、32也可以仅仅存在于电绝缘玻璃或玻璃陶瓷 固定材料3的一侧。包括至少一个保护元件31、32的实施例更有利地用于井下 勘测和/或开采应用中。

如还可以从图4看出，在此示例中，电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固定材料3的 表面与支撑体2的顶表面和/或底表面不一致。由于施加了保护元件31、32，此 实施例可以是有利的。但是，也可以预见，本发明包括这些凹陷表面水平面也 可以存在于没有保护元件31、32的实施例中，并且具有保护元件31、32的实施 例也可以具有与支撑体2的顶表面和/或底表面一致的电绝缘玻璃或玻璃陶瓷固 定材料3的表面。

图5a示出本发明的馈通元件1的轮廓，其中，在支撑体2内具有多个检查 开口。这个所谓的平坦元件具有大于高度的宽度尺寸。如可以从示出馈通元件1 的俯视图的图5b中可以看出，可以以矩阵形式布置检查开口。矩阵本身是可变 的，这意味着，可以根据期望应用选择检查开口的位置。例如，此实施例可以 用于提供具有电流的多个电和/或电子部件，例如为其供电和/或引导这些部件 所生成的信号穿过支撑体2。支撑体可以或可以不密封涉及装置的壳体。支撑体 2可以由金属和/或合金、或陶瓷材料制成。

在图6a中，示出所谓较大馈通元件1的立体图。这样的馈通元件1通常用 作发电厂的安全罩的馈通元件或气体容器的安全罩的馈通元件。此示例中的支 撑体是盘形元件，优选由不锈钢制成。支撑体具有钻孔25，用于将馈通元件1 固定在其他部件、例如壳体和安全罩中。支撑体2因此在此示例中表示凸缘。 在此实施例中，具有用电绝缘固定材料3密封的三个检查开口，功能元件4固 定在电绝缘固定材料3中。此示例中的功能元件4是用于电流的导体，该导体 专用于高功率和高电压。功能元件4在其端部也具有可以用于提供连接器能力 的区域45，其尤其用于连接电源线和/或插头。

图6b示出根据图6a的馈通元件1沿切割线A所示的轮廓。钻孔25穿过支 撑体2。但是，也可以使用将馈通元件1固定到另一元件和/或装置的所有其他 措施。如还可以看出，功能元件4包括两个主要元件。一个是与电绝缘固定材 料3进行接触并且由电绝缘固定材料3保持在检查开口内的管44。功能元件4 的第二个元件43是用于电流的导体。导体43和管44经常例如使用铜焊或焊接 连接固定在一起。管44和导体43在此示例中由不同材料、例如金属构成。如果 导体43由于其材料成分而不能与电绝缘固定材料3建立密闭连接，则这种构造 是有利的。然后，使用能够密闭密封在电绝缘固定材料3中的金属构成的管44。 例如，对于导体43，可以使用铜，这特别是因为其作为电流导体的良好能力。 但是，铜难以固定在基于玻璃或玻璃陶瓷的电绝缘固定材料3内。然后，例如 基本由不锈钢构成的管44可以密封在电绝缘固定材料3内，并且导体43与管 44焊接。

在图6b的示例中，还具有在馈通元件1的一侧覆盖检查开口的保护元件33。 此保护元件可以如图4中所述的保护元件31、32相同。当然，也可以使用其他 种保护元件。在此示例中，保护元件33用于机械保护检查开口内的电绝缘固定 材料3，并提高击穿电压。保护元件33在此示例中与电绝缘固定材料3的表面 不进行接触。因此，在电绝缘固定材料3的表面和保护元件33的底侧之间具有 空腔35。此空腔可以或可以不填充有特定介质，例如保护性流体或气体。根据 图4，功能元件4进一步由帽46保护，该帽46可以有助于防止对功能元件4、 尤其是突出到支撑体水平面上方的导体43和管44的机械损伤。当然，在本发明 的馈通元件1的其他实施例中，可以不存在空腔35和/或帽46。

图7示出所述的馈通元件在井下勘测和/或开采设备中的有利使用的原理 图。在此示例中，钻孔装置用于抵达例如石油或天然气的蓄积器。现有技术公 知，钻孔装置可以沿不同方向操纵(steer)。在没有这样操纵能力情况下，不可 能抵达相关的蓄积器。为了促进这样的操纵能力，钻孔装置包括必须通过本发 明的馈通元件10接触的部件。

在图8中，示出能量生成装置的安全罩20。发电机也必须在紧急状态和故 障状态下安全包封在安全罩内。有利使用本发明的馈通元件1，以在安全罩内提 供与发电机和/或装置的接触。这样的装置例如是监控发电机的运行状况和/或 操纵发电机的装置或其他装置。

在图9中，示出诸如发电机的能量生成装置21。能量生成装置21具有壳体， 该壳体具有本发明的馈通元件1。能量生成装置中所生成的能量可以通过馈通元 件1传送到外部和/或能量生成装置21中的操纵系统和/或感测器和/或致动器设 备等可以通过馈通元件1连接。此示例的能量生成装置21位于安全罩20内。如 根据图8上下文所述，安全罩也可以设置有馈通元件1。

示例

如可以从上述解释中可以看出，本发明的馈通元件由于电绝缘玻璃或玻璃 陶瓷材料的成分而改进其性能。大量示例的玻璃或玻璃陶瓷材料已经被熔融并 施加到所述的馈通元件。在表1中总结了六种优选玻璃材料的成分和其对应的 体积电阻。

表1：固定材料成分和体积电阻

所有固定材料成分列出了氧化物成分的摩尔百分比。所有固定材料Ex.1 到Ex.6是无定形玻璃材料。当这些用于本发明的馈通元件时，本发明示例Ex.1 到Ex.6当其与已知玻璃材料相比时的优点是显而易见的。在图2中总结了这样 的比较性示例，并且称为CE1到CE3。

表2：比较固定材料成分和体积电阻

成分[摩尔百分比] CE1 CE2 CE3 SiO₂63.4 58.0 67.1 B₂O₃- 1.8 1.5 Al₂O₃0.3 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 - Sb₂O₃0.2 0.01 - P₂O₅- - - ZnO - - - CaO - - - 350℃下的体积电阻[Ωcm] 4.0x10⁹3.2x10⁷6.0x10⁵

如从比较示例中可以看出，这些材料的最好的体积电阻的数量级比本发明 的固定材料的最小的体积电阻小。

在图10的图表中以对数标度示出示例性固定材料Ex.1到Ex.6的体积电阻 的温度依赖性。在图表中还示出指定的比较示例的图表。如从图9的图表中还 可以看出，最佳的比较示例是CE1。但是，还必须强调的是，使用对数标度， 即使CE1也不能够接近本发明的电绝缘固定材料的体积电阻性能。固定材料在 350℃的操作温度下具有1.0×10¹⁰Ω·cm的体积电阻的情况下，不能够制造在260℃ 的操作温度下具有至少500MΩ的整体电阻的馈通元件。这些性能只能由这里所 述的固定材料提供。

根据Ex.1到Ex.6的玻璃系统当用于馈通元件中时显示优异的机械稳定性。 获得了高于42000psi(260℃下)和高于65000psi(室温下)的最大操作压力值。 这很显然，可以获得更高的最大压力，但是上述的值表示可用测量设备的上限。

本发明和上述说明书也可以用以下句子来表征。

句子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；

其中，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 或玻璃陶瓷并且所述玻璃或玻璃陶瓷包括氧化物成分的摩尔百分比

其中，MO选自由单独的MgO和/或CaO和/或BaO以及M₂O或其组合构 成的组，M₂O选自由单独的Li₂O和/或Na₂O和/或K₂O或其组合构成的组。

句子2：根据句子1所述的馈通元件，其中，电绝缘固定材料将功能元件与 支撑体电绝缘，该支撑体在260℃的操作温度下具有至少500MΩ的绝缘电阻。

句子3：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，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。

句子4：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，将至少一个功能 元件布置在至少一个检查开口内的电绝缘固定材料内可以在260℃的操作稳定 下承受超过42000psi的压力。

句子5：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，电绝缘固定材料 密闭密封至少一个检查开口。

句子6：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，电绝缘固定材料 的CTE与支撑体的CTE基本匹配。

句子7：根据句子1-5任一项所述的馈通元件，其中，电绝缘固定材料的 CTE值小于支撑体的CTE，由此，至少在室温下，支撑体向电绝缘固定材料施 加额外的保持压力。

句子8：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，支撑体由选自由 Al₂O₃陶瓷和/或稳定ZrO₂陶瓷和/或云母所构成的组的陶瓷制成。

句子9：根据句子1-7中任一项所述的馈通元件，其中，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。

句子10：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，功能元件基本由 金属材料和/或选自由铍铜合金和/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。

句子11：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，用于功能元件和 支撑体的下列材料组合如下：

功能元件基本由铍铜合金制成，并且支撑体基本由不锈钢SAE204SS或不 锈钢SAE316SS制成，并且/或者

功能元件基本由镍-铁合金合金制成，并且支撑体基本由不锈304SS或铬镍 铁合金制成，并且/或者

连接器元件基本由科伐合金制成，并且支撑体基本由铬镍铁合金制成，并 且/或者

连接器元件基本由铬镍铁合金制成，并且支撑体基本由铬镍铁合金制成。

句子12：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，玻璃或玻璃陶瓷 包括氧化物成分的摩尔百分比：

句子13：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，玻璃或玻璃陶瓷 包括氧化物成分的摩尔百分比：

句子14：根据句子1-12中任一项所述的馈通元件，其中，玻璃或玻璃陶瓷 包括基于氧化物成分的摩尔百分比：

句子15：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，玻璃或玻璃陶瓷 基本不含单独的M₂O和/或PbO和/或氟和/或其任意组合。

句子16：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，玻璃或玻璃陶瓷 额外包括氧化物成分的摩尔百分比：

ZrO₂    0–10

Y₂O₃    0–10

La₂O₃   0–10。

句子17：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，玻璃或玻璃陶瓷 包括高达30％体积的填充物，该填充物优选选择由单独的ZrO₂和/或Al₂O₃和/ 或MgO或其组合所构成的组。

句子18：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，至少一个检查开 口具有检查开口内壁，该检查开口内壁具有防止电绝缘固定材料相对于支撑体 运动的装置。

句子19：根据上述句子中任一项所述的馈通元件，其中，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。

句子20：根据上述句子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馈通元件上时防止至少一个连接器元件相对于电绝缘固 定材料和支撑体运动的装置。

句子21：一种井下石油和或天然气钻孔或勘测装置，包括根据句子1-20中 任一项所述的馈通元件。

句子22：一种具有壳体的能量生成或能量存储装置，包括根据句子1-20 中任一项所述的馈通元件。

句子23：一种能量生成或能量存储装置的安全罩，包括根据句子1-20中 任一项所述的馈通元件。

句子24：一种有毒和/或有害物质的反应器或存储装置的安全罩，包括根 据句子1-20中任一项所述馈通元件。

句子25：一种航天器或空间探测车，包括根据句子1-20中任一项所述的 馈通元件。

句子26：一种包封在壳体内的感测器或致动器，包括根据句子1-20中任 一项所述的馈通元件。