CN113540849A - 用于高压应用的馈通件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种馈通件，特别是用于高压应用的馈通件，其包括基体，该基体具有至少一个延伸穿过基体的贯通开口；至少一个第一功能元件，其布置在至少一个贯通开口内并且以流体密封的方式与基体连接；绝缘材料，其至少部分地包围第一功能元件并且建立与基体的流体密封连接；其特征在于，压力传导通道位于第一功能元件内，借助压力传导通道，将由压力产生的压力分量从第一功能元件内向外传导到周围的绝缘材料上，从而提高至少一个第一功能元件与基体的流体密封连接的抗压性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高压应用的馈通件以及其在高压下的用途。
背景技术
对于多种应用，使用可靠地经受住高压的馈通件。特别是当这些馈通件在一侧与处于高压下的流体接触时，这些馈通件的运行可靠的使用和其持久运行完整性从安全角度来看非常重要的。这些应用包括深海中的装置，例如石油钻探和勘探装置等装置；或者其在化学或者辐射的环境中的应用，例如在化学工业或者在能量设备和反应器技术中的应用。其它应用例如还包括有人驾驶的和无人驾驶的水运交通工具、例如潜水机器人和潜艇，以及特殊的气罐，例如用于具有燃料电池的机动车的CO2贮存器或H2储罐。
US 4,797,117公开了一种具有橡胶护套的连接器，在该橡胶护套内，借助具有锥形开口的元件，通过挤压，将具有楔形横截面的密封唇环密封地施加在绝缘的导体上。连接器的这种结构特别是旨在实现现场安装及其维修。
US 2006/0179950 A1示出了一种用于包含压力传感器的组件的壳体馈通件，该壳体馈通件具有横截面基本上楔形的流体环状密封部，该流体环状密封部在壳体的截头锥形开口内部密封地包围组件。为了提供更简单的制造方法，提出了以高的力引入楔形的流体环状密封部，从而至少超过壳体或组件的弹性变形极限。
DE 10 2006 054 843 A1公开了一种电气馈通件，其尤其用于压力应用，所述电气馈通件具有至少在第一壳体端部的区域中的壳体通路，其中，负载压力的壳体侧在壳体外表面的部段上形成至少两个通口。在此，至少两个通口优选被构造为面积相同或基本上面积相同。此外，至少两个通口以均匀的角间距围绕壳体轴线错开，更确切地说优选如此错开，使得通口的轴线进而还有由压力侧上的压力产生的力的力线优选与壳体轴线一同相交于共同的点。通过这种构造旨在在压力应用中补偿作用在通口上的压力。这种馈通件的缺点在于，通过压力负载产生的力被传导穿过包围相应导体的绝缘材料，并且仅能够分别成对地利用两个导体来实现补偿。此外，在这种布置中，相应的导体在壳体开口内部折弯90°，这不仅使制造变得困难，而且也使导体引导部的几何形状变得复杂。此外，几何尺寸比在直的导体引导部的情况下所需的空间位置大许多倍。
DE 10 2016 103 485 A1描述了一种尤其是用于在高的外部压力下的应用的馈通件，其中功能元件布置在基体的贯通开口之内并且借助周围的绝缘材料流体密封地保持在所述贯通开口中。压力补偿装置例如在基体的材料中设置环形的槽或盲孔状的开口，以便将压力分量传导到绝缘材料的边缘区域。然而，根据基体的或功能元件的材料或几何形状而定，这种压力补偿装置有时可能难以制造或不能实现。此外，在基体中形成的槽或盲孔状的开口的深度是受限的，从而压力补偿装置沿着功能元件的纵向方向的作用被限于基体的部分区域。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种馈通件，其中，即使在高压下能够以流体密封的方式安全且持久地保持功能元件。当在基体材料中的凹部例如由于馈通件的材料或几何形状是不期望的或者是不可能的时，这应当也是可行的。
本发明的任务的一个方面是，使高压力稳定地传导，从而沿着功能元件的纵向方向能够实现横跨整个基体的压力稳定。
为了实现该任务，本发明公开了一种馈通件，特别是用于高压应用的馈通件，其包括：基体，该基体具有至少一个延伸穿过基体的贯通开口；此外包括至少一个第一功能元件，该第一功能元件布置在至少一个贯通开口内并且与基体流体密封地连接；以及包括绝缘材料，该绝缘材料至少部分地包围第一功能元件并且与基体建立流体密封连接。
所述馈通件的特征在于，在第一功能元件内部存在压力传导通道，借助该压力传导通道，由压力产生的压力分量从第一功能元件内部向外传导到周围的绝缘材料上，从而提高至少一个第一功能元件与基体的流体密封连接的抗压性。
换言之，压力传导通道位于功能元件本身的内部并且例如可以构造为凹部或者功能元件的内部中的自由空间。因此，即使在所述基体的材料中的凹部不是所期望的或者不是可能的时，本发明也能够实现抗压性的提高。因为功能元件通常从基体两侧突出，所以甚至可以横跨整个基体实现压力稳定。
令人惊讶地，通过这些措施，基体和功能元件之间的连接、尤其是绝缘材料与基体的连接，相比于没有压力传导通道的馈通件，以流体密封的方式承受住大于10％、优选大于20％、更优选大于50％、还更优选大于75％并且最优选大于100％的增加的运行压力。以相同的方式，由此可以将馈通件的抗压性提高超过10％，优选超过20％，更优选超过50％，还更优选超过75％，最优选超过100％。
因为这种馈通件可以以多种有利的方式加以使用，尤其是用于深海中的装置，例如用于石油和/或天然气钻探或勘探装置中；和/或用于化学或辐射的环境中，例如在化学工业中或在能量设备和反应器技术中、尤其是在有***危险的区域中；用于具有壳体的能量产生或能量存储装置中；或用于能量产生装置或能量存储装置或反应器或有毒和/或有害物质的存储装置的封装中，尤其是作为在反应器安全壳内的馈通装置或穿过反应器安全壳馈通装置，所述反应器尤其是化学或核反应器；或用于航天器或太空探索运载工具中；或在传感器的和/或致动器的壳体中，因此作用于馈通件的压力可以是内部的压力，例如在反应器，以及其它应用(例如在深海)中可以是外部的压力，因此是外在压力。因此，所述基体的面向压力的一侧应称为所述基体的这样的一侧，即增加的外部压力或内部压力并由此通常是升高的压力作用到该侧上，而另一侧应称为背离压力的一侧。
因此，在面向压力的一侧上的压力通过压力传导通道传导到第一功能元件的内部。因此，从功能元件的内部由面向压力的一侧的压力产生的压力分量向外起作用。优选地，馈通件被设计成使得由压力产生的压力分量垂直于贯通开口的纵向方向从第一功能元件内向外传导到周围的绝缘材料上。
特别地，第一功能元件可以至少部分地是管状的，具有包围内部空腔的管壁，使得内部空腔或内部空腔的部分形成第一功能元件的压力传导通道。
压力传导通道例如可以构造为功能元件内部的盲孔状的开口。然而，压力传导通道例如也可以构造为在例如连续管状的第一功能元件中的贯通开口，其中，在第一功能元件内部可以以间隙来间隔地布置有第二功能元件，该第二功能元件可以在沿着纵向方向的特定位置(例如端侧)与第一功能元件连接，以便闭合所述间隙。
因此，一般而言，可以包括如下第二功能元件，其布置在第一功能元件的内部，特别是布置在管状构造的第一功能元件的内部空腔之内。在此，在第一功能元件和布置在第一功能元件中的第二功能元件之间可以保留中间空间，该中间空间形成压力传导通道。此外，可以包括如下一种连接材料，该连接材料至少部分地包围第二功能元件并且建立与第一功能元件的流体密封连接。所述连接材料例如可以布置在第一功能元件的端部和/或形成压力传导通道的端部。
在本发明的一种优选的实施方式中，第一功能元件是连续的管状构造并且延伸穿过基体的贯通开口。
此外，第二功能元件优选连续地延伸穿过管状构造的第一功能元件的内部空腔。
此外优选地，在第一功能元件和布置在第一功能元件中的第二功能元件之间保留环形的中间空间，该环形的中间空间构成压力传导通道。
第二功能元件可以由连接材料环形地包围，该连接材料形成压力传导通道的端部并且例如与在基体或第一功能元件或第二功能元件的面向压力的一侧相比，其布置得更靠近背离压力的一侧。
当设置至少两个功能元件，即第一和第二功能元件时，第一功能元件可具有比第二功能元件低的热膨胀系数。替代地或附加地，第二功能元件可以具有比第一功能元件高的电导率。又替代地或附加地，第一功能元件和第二功能元件之间的连接材料可以具有比第一功能元件和基体之间的绝缘材料低的硬度。
在示例性的实施方式中，馈通件例如可以构造为电力馈通件，以便将高电流传导通过馈通件。为此，第一功能元件例如可以设计为借助玻璃在基体中融化的熔接管(Einschmelzrohr)，其中，铜触头延伸穿过熔接管。因为铜和玻璃具有相对不同的热膨胀系数，所以熔接管例如可以配备有低延展性的合金，以便补偿热膨胀系数的这种不匹配。例如，熔接管可在一端处借助硬焊料(Hartlot)与铜触头接合，例如同时进行熔接工艺。
与功能元件流体密封地连接的基体优选可以包括金属，尤其是钢、不锈钢、 FeCo合金、钛、钛合金、铝以及铝合金、可伐合金(Kovar)或因康镍合金(Inconel)，例如因康镍合金690和/或因康镍合金625，或者由以上金属构成。
建立流体密封连接的绝缘材料优选能够包括玻璃、玻璃陶瓷材料和/或陶瓷材料或者由以上材料构成。所述馈通件尤其可以包括压力装配玻璃部 (Druckeinglasung)，其中，玻璃和/或玻璃陶瓷材料和/或陶瓷材料分别至少在某些区域流体密封地连接基体和第一功能元件。
布置在基体的贯通开口中的第一功能元件尤其可以包括金属或者由金属构成。
例如布置在第一功能元件内部的第二功能元件(如果存在)尤其可以包括金属或者由金属构成，所述金属例如铜。将第一功能元件与第二功能元件连接的连接材料尤其可以包括金属或合金或者由金属或合金构成，所述连接材料例如为硬焊料的形式。
特别是在仅包括第一功能元件的情况下，但是原则上也与此无关，第一功能元件可以包括上文针对第二功能元件所提及的材料之一或者由其构成。
特别是在具有第一管状的功能元件和延伸穿过第一管状功能元件的第二功能元件的实施方式中，所述馈通件优选具有至少400巴，特别优选至少500巴，并且非常特别优选至少600巴的抗压性。
本发明还涉及如上所述的馈通件之一在具有至少400巴，优选至少500巴，特别优选至少600巴的压力下的用途。
最后，本发明也涉及上述馈通件之一的用途，其用于深海中的装置、例如用于石油和/或天然气钻探或勘探装置中；和/或用于化学或辐射的环境中、例如在化学工业中或在能量设备和反应器技术中、尤其是在有***危险的区域中；用于具有壳体的能量产生或能量存储装置中；或用于能量产生装置或能量存储装置或反应器或有毒和/或有害物质的存储装置的封装中，尤其是用作在反应器安全壳内的馈通装置或穿过反应器安全壳的馈通装置，所述反应器尤其是化学反应器或核反应器；或用于航天器具或太空探索运载工具中；或用于传感器的和/ 或致动器的壳体中；用于有人驾驶的或者无人驾驶的水运交通工具中或其上的装置，例如潜水机器人和潜艇；以及气罐、尤其是优选也用于具有燃料电池的机动车的CO2贮存器或H2储罐。
根据本发明的馈通件尤其可以用于基于GTMS(玻璃-金属封装)的电力馈通件，通过熔接管而玻璃嵌入(einglasen)铜导体。应用领域例如可以是用于核反应器的馈通、液化气罐、石油/天然气勘探和生产、和/或能量产生的线缆馈通件。
附图说明
下面借助优选的实施方式并且参照附图对本发明进行更详细的描述。为此示出：
图1示出了具有第一功能元件的馈通件的优选的实施方式的横截面图，
图2示出了具有另一优选实施方式的馈通件的容器的横截面图，所述馈通件具有第一和第二功能元件，其中，馈通件以两种配置方式安装。
具体实施方式
图1示出了具有基体20的馈通件10，该基体特别是壳体的形式，贯通开口 22延伸穿过该基体。在延伸穿过基体20的贯通开口22内布置有特别构造为电触头的功能元件30。功能元件30与基体20借助绝缘材料40流体密封地连接。绝缘材料40被构造为熔接玻璃并且位于基体的贯通开口22内，更准确地说，位于基体20和功能元件30之间。
压力传导通道32位于功能元件30内，该压力传导通道例如可以构造为中心孔。利用压力传导通道32可以将压力分量从第一功能元件30内部向外传导到周围的绝缘材料40上，从而使具有提高的抗压性的功能元件30容纳在绝缘材料40中和/或使具有提高的抗压性的绝缘材料40容纳在基体20内部。
压力传导通道32尤其可以在绝缘材料40的和/或基体20的整个纵向方向 (轴向方向)上延伸，从而使得沿着整个纵向方向实现压力稳定。
如图2所示，容器100包围内部空间200，外部空间300与内部空间200相对。现在，在内部空间200和外部空间300之间，馈通件10和另一馈通件10'布置在容器壁部中，特别地以便在内部空间200和外部空间300之间交换电信号或其他信号。
馈通件10、10'分别具有基体20，贯通开口22延伸穿过该基体。在贯通开口22中引入管状的第一功能元件30，其中，绝缘材料40在它们之间建立流体密封连接。第一功能元件30在此构造为管，其中，第二功能元件50延伸穿过其内部空腔36，该第二功能元件用作电导体。在第一和第二功能元件之间保留环形的中间空间52或间隙，压力可以从面向压力的一侧渗透到该中间空间或间隙中。在背离压力的一侧上，通过连接材料60来封闭中间空间52。因此，中间空间52形成进入到第一功能元件30内部的压力传导通道32，使得高压能够从那里向外作用，并且因此将管向外压靠到绝缘材料40上。由此使该馈通件稳定，尤其是防止第一功能元件30沿着其纵向方向从基体中压出。
在图2中区分两种情况。在外部空间300具有比内部空间200更高的压力的情况下，根据馈通件10(左侧)进行安装。因此，高的外部压力能够渗透到压力传导通道32中并且稳定馈通件。在相反的情况下，即，内部空间200具有比外部空间300更高的压力，根据馈通件10'(右侧)进行安装。因此，高的内部压力可以渗透到压力传导通道32并且稳定馈通件。
因此，本发明提供了一种用于增加抗压性的解决方案，其中，布置第一功能元件30的敞开侧暴露于压力，以便实现随着压力增加而自增强的布置。功能元件30的、从绝缘材料40伸出的敞开区域经历等压的压力情况，而随着压力的增大，绝缘材料40中的区域越来越强地压向绝缘材料40。因此，利用本发明可以以令人惊讶的简单方式实现馈通件的抗压性的极大增加。
在该示例中，馈通件10、10'被构造为电力馈通件，其中借助具有压力装配玻璃部40的熔接管30将铜导体50玻璃装配到基体20中。在此，熔接管30用于与熔接玻璃40的膨胀配合，因为铜导体50在热膨胀系数方面与玻璃40相比具有相对高的差别。借助硬焊料60将铜触头50连接在熔接管30的端部。
在试验中，发现馈通件10在存在压力传导通道32的情况下无损地经受680 巴的压力，相反在不存在压力传导通道32的情况下馈通件的紧密性从380巴的压力起失效。在没有压力传导通道32的情况下，甚至可能铜触头连同熔接管被从装配玻璃部(Einglasung)压出。
在图2中示出的容器100包括至少一个馈通件10、10'，所述馈通件具有第一以及第二功能元件30、50，也可以设置，容器100包括至少一个馈通件，所述馈通件仅具有例如根据图1所示的第一功能元件。
Claims (14)
1.一种馈通件(10)，特别是用于高压应用的馈通件(10)，包括：
基体(20)，所述基体具有至少一个延伸穿过所述基体的贯通开口(22)；
至少一个第一功能元件(30)，其布置在所述至少一个贯通开口(22)内并且与所述基体(20)流体密封地连接；以及
绝缘材料(40)，其至少部分地包围所述第一功能元件(30)并且建立与所述基体(20)的流体密封连接；
其特征在于，在所述第一功能元件(30)的内部存在压力传导通道(32)，借助所述压力传导通道，将由压力产生的压力分量从所述第一功能元件(30)的内部向外传导到周围的绝缘材料(40)上，从而提高所述第一功能元件(30)与所述基体(20)的流体密封连接的抗压性。
2.根据前述权利要求所述的馈通件(10)，其中，将通过压力产生的压力分量垂直于所述贯通开口(22)的纵向方向从所述第一功能元件(30)的内部向外传导到周围的绝缘材料(40)上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，其中，第一功能元件(30)至少部分地是管状的，具有包围内部空腔(36)的管壁(34)，并且
其中，所述内部空腔(36)或所述内部空腔(36)的部分形成所述第一功能元件(30)的压力传导通道(32)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，还包括第二功能元件(50)，其布置在所述第一功能元件(30)内，尤其布置在管状构造的所述第一功能元件(30)的内部空腔(36)内；
优选地，在所述第一功能元件(30)和布置在所述第一功能元件中的所述第二功能元件(50)之间保留有中间空间(52)，所述中间空间形成所述压力传导通道(32)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，还包括连接材料(60)，该连接材料至少部分地包围所述第二功能元件(50)并且建立与所述第一功能元件(30)的流体密封连接；
优选地，所述连接材料(60)布置在所述第一功能元件(30)上的端部、特别是馈通件的背离压力的一侧的端部，和/或形成所述压力传导通道(32)的端部。
6.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，其中，所述第一功能元件(30)是连续的管状构造并且延伸穿过所述基体(20)的所述贯通开口(22)，和/或
其中，所述第二功能元件(50)连续地延伸穿过管状构造的所述第一功能元件(30)的内部空腔(36)，和/或
其中，在所述第一功能元件(30)和布置在该第一功能元件中的所述第二功能元件(50)之间保留环形的中间空间(52)，所述中间空间形成所述压力传导通道(32)，和/或
其中，所述第二功能元件(50)由连接材料(60)环形地包围并且所述连接材料(60)形成所述压力传导通道(32)的端部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，其中，所述第一功能元件(30)具有比所述第二功能元件(50)低的热膨胀系数，和/或
其中，所述第二功能元件(50)具有比所述第一功能元件(30)高的电导率，和/或
其中，所述第一功能元件(30)和所述第二功能元件(50)之间的连接材料(60)具有比所述第一功能元件(30)和所述基体(20)之间的绝缘材料(40)低的硬度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，其中，所述基体(20)包括金属，尤其钢、不锈钢、FeCo合金、钛、钛合金、铝以及铝合金、可伐合金或因康镍合金、例如因康镍合金690和/或因康镍合金625。
9.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，其中绝缘材料(40)包括玻璃、玻璃陶瓷材料和/或陶瓷材料，并且
其中，所述馈通件(10)优选包括压力装配玻璃部，其中玻璃和/或玻璃陶瓷材料和/或陶瓷材料分别至少在某些区域流体密封地连接所述基体(20)和所述第一功能元件(30)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，其中，所述第一功能元件(30)包括金属，和/或，其中所述第一功能元件包括在针对所述第二功能元件的随后的权利要求中所提及的材料中的一种。
11.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，其中，所述第二功能元件(50)包括金属、尤其铜，和/或
其中所述连接材料(60)包括金属或合金，尤其是硬焊料。
12.根据前述权利要求中任一项所述的馈通件(10)，其中所述馈通件(10)具有至少400巴，优选至少500巴，特别优选至少600巴的抗压性。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的馈通件(10)在压力至少400巴、优选至少500巴、特别优选至少600巴的应用中的用途。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的馈通件(10)的用途，其用于在深海中的装置、例如用于石油和/或天然气钻探或勘探装置中；和/或在化学或辐射的环境中、例如在化学工业中或在能量设备和反应器技术中、尤其是在有***危险的区域中；用于具有壳体的能量产生或能量存储装置中；或用于能量产生装置或能量存储装置或反应器或有毒和/或有害物质的存储装置的封装中，尤其是用作在反应器安全壳内的馈通装置或穿过反应器安全壳的馈通装置，所述反应器尤其是化学反应器或核反应器；或者是用于航天器具或太空探索运载工具中；或用于传感器的和/或致动器的壳体中；用于有人驾驶的或者无人驾驶的水运交通工具中或其上的装置，例如潜水机器人和潜艇；以及燃气罐、尤其是优选也用于具有燃料电池的机动车的CO2贮存器或H2储罐。
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