具有改善的热负荷能力的馈通或连接元件制造技术

本发明专利技术涉及一种馈通或连接元件，其包括组合件，该组合件由包含高温合金的承载体(2)、功能元件(4)和至少部分结晶玻璃(3)构成，其中至少部分结晶玻璃(3)布置在功能元件(4)的一部分与承载体(2)的一部分之间，其中包含高温合金的承载体(2)使至少部分结晶玻璃(3)在从至少20℃至大于450℃的温度下经受大于或大体等于零的压缩应力。本发明专利技术还涉及用于生产馈通或连接元件的方法及其用途，以及还涉及包括这样的馈通或连接元件的测量设备。

Feedthrough or connecting element with improved thermal load capacity

The invention relates to a feedthrough or connecting element, including the assembly, the assembly comprises a high temperature alloy bearing body (2), functional element (4) and at least partially crystalline glass (3), of which at least partially crystallized glass (3) arranged in a functional element (4) and a part of the bearing body (2) between a part of the bearing body comprises a high temperature alloy (2) at least partially crystallized glass (3) in at least 20 DEG to 450 deg. the temperature is greater than or equal to zero is generally subjected to compressive stress. The invention also relates to a method for producing a feedthrough or connection element and its use, and to a measuring device comprising such a feedthrough or connection element.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及馈通或连接元件，并且更特别涉及具有高热负荷能力的馈通或连接元件，所述馈通或连接元件尤其可以用在苛刻工作条件下，所述苛刻工作条件通常是指处于具有260℃以上的高操作温度或应急温度的苛刻环境中。利用本专利技术可以实现的有利上限约为950℃，但特别甚至为1000℃、1100℃和/或1200℃。
技术介绍
馈通或连接元件在本领域中通常是已知的，并且形成了许多设备的一部分。一般而言，这样的馈通或连接元件包括电导体，该电导体借助于电绝缘材料紧固于馈通开口中。表征这样的馈通或连接元件的性能的参数主要包括绝缘材料的电阻及其对易于致使绝缘材料和/或导体从馈通开口剥离的热和压力的耐性。虽然这样的馈通或连接元件例如对于通过设备的外壳馈送电流是非常合适的技术，但是上文提及的参数往往限制了包含这样的馈通元件的设备的可能应用领域。US5,203,723A公开了由作为电绝缘材料的聚合物材料所围绕的金属销制成的馈通元件。围绕电导体的聚合物材料的几何形状适于凭借凹陷或突起(诸如肩部)来承受升高的压力。所描述的馈通元件用于在井下油井测井工具的探测器内建立连接，并且可在260℃以上的操作温度和28000psi的最大压力下使用。所采用的聚合物的体积电阻率约为8.0×1014Ωcm，因此是优异的。然而，这样的聚合物在暴露于升高的操作温度、诸如UV或伽马辐射等电磁辐射以及还暴露于由于物理磨损所造成的机械劣化时，其长期稳定性随时间推移而降低。包括诸如玻璃等无机材料作为电绝缘材料的馈通元件也是已知的。例如，US8,397,638A描述了一种气囊点火器的馈通器件，其中金属支撑体的馈通开口由玻璃材料所密封，该玻璃材料此外保持作为电导体的销。这样的馈通元件适于承受在点火器点火时爆炸物的压力，在该情况下可观察到对应于14500psi的近似1000巴(bar)的压力。未描述绝缘材料的电气性质，但可以假定玻璃材料的体积电阻率不起重要作用，原因在于点火器仅由短电脉冲点火一次，继而该器件就被破坏了。由本申请人先前提交但在本申请的优先权日尚未公开的申请文件DE102014218983公开了一种电绝缘固定材料，其可以是玻璃。如该申请中所教导，玻璃已知是一种不期望有微晶的无定形材料。由于玻璃陶瓷的结晶区域一般具有不同的热膨胀系数(CTE)，因此可以使用无定形玻璃基体、结晶区域的浓度及其特定CTE来适配玻璃陶瓷材料的总体CTE。然而，在该先前提交的申请中另有说明，无定形玻璃材料只与玻璃陶瓷材料一样是合适的，并且提及了约260℃到350℃的温度范围。然而，比所提及的温度范围更大的温度范围往往是有利的。
技术实现思路
通过根据本公开内容的馈通或连接元件以及特别是通过独立权利要求的主题来实现提供更大的操作温度范围的目的。根据从属权利要求以及根据本申请中的陈述优选实施方式将会是显而易见的。本专利技术人已经发现，结晶或至少部分结晶玻璃和高温合金的组合允许在非常宽的操作温度范围上、特别是远远超出DE102014218983中所提及的温度范围上提供高稳定性地优异的CTE比率。术语“至少部分结晶玻璃”通常是指至少部分结晶的玻璃基材料。这不仅包括根据常规理解的包括按体积计占50％至90％的晶体含量的玻璃陶瓷，还包括结晶到100％或接近100％(即，其中晶体含量按体积计高达100％或接近100％)的材料。特别地，本专利技术的馈通或连接元件甚至能够承受42,000psi以上的操作压力和/或意外压力。因此，它们可以用于众多应用中，特别是诸如核反应堆等发电反应堆中，特别是在其容器内或者作为横跨其容器延伸的馈通，以及在地下和/或勘探钻井工具中，以及用于有毒物质的安全包封，以及在航天器中。因而，特别有利的应用是核反应堆的初级电路中的馈通，例如穿过反应堆的压力容器的馈通，特别是用于向控制棒馈送电功率的馈通。有利地，一种馈通或连接元件包括组合件，所述组合件由包含高温合金的承载体、优选的功能元件以及至少部分结晶玻璃构成，其中所述至少部分结晶玻璃优选地布置在所述功能元件的一部分与所述承载体的一部分之间或者所述承载体的至少一部分之内。根据本专利技术将所述馈通或连接元件实现成使得包含高温合金的承载体对所述至少部分结晶玻璃在从至少20℃至大于450℃的温度下施加大于或基本等于零的压缩应力。此压缩应力基本上确保了在温度升高的情况下，至少在从至少20℃至大于450℃的范围内承载体将不会从至少部分结晶玻璃脱离，并且优选地至少部分结晶玻璃将不会从功能元件脱离。这例如在附加装置确保功能元件得以在机械上可靠地保持的实施方式中可以是非常有利的。即使提供了用于减少施加于至少部分结晶玻璃的压力的另外装置，举例而言，诸如通过另外的功能单元，特别是布置在馈通或连接元件上的压力屏蔽功能单元来提供的情况下亦如此。在特别且还优选的实施方式中，本专利技术的馈通或连接元件不需要附加的功能元件，例如如果光学、声学和/或电磁信号穿过至少部分结晶玻璃自身的主体的话。在这样的情况下，通过将至少部分结晶玻璃的厚度适配到特定应用，即使至少部分结晶玻璃对信号传送具有削弱性或散射效应，足够强的信号也能够从其穿过。例如，光谱测量可以提供关于热条件或某些化学物质存在的信息。此外，可以利用其随着时间推移的性质来例如检测加热处理以及还检测反应动力学处理。例如，可以使用在每种情况下沿轴向方向在两侧布置在至少部分可结晶玻璃上的压电致动器和/或传感器来传输声学信号，例如用于水下应用。另外或备选地，电容和/或电感耦合此外允许单向或双向地传递复信号形式，例如用于控制和/或监视处理中的信号传送。在有热负荷的应用中，可以促使至少部分可结晶玻璃进一步结晶，使得其结晶程度增加，并且特别是还在特别地加载温度的区域中进一步局部地增加。因此，例如在事故预备的意义上可以提供附加的操作安全性。例如由于结晶增加而导致的与数周至数年的长期运行相关联的不透明或散射性质的改变可以此外用作长期运行期间经历的热负荷的量度。如果包含高温合金的承载体对所述至少部分结晶玻璃优选地在从至少20℃至大于550℃的温度下、更优选地在从至少20℃至大于650℃的温度下、并且还更优选地在从至少10℃至大于750℃的温度下、以及最优选地在从至少10℃至大于900℃的温度下施加大于或基本等于零的压缩应力，则其此外是有利的。因此，只要维持此压缩应力，就可以例如通过上文提及或本描述中下文进一步提及的措施来确保在这些温度范围内将馈通或连接元件气密地密封。在特别优选的实施方式中，包含高温合金的承载体优选地在从至少10℃直至高达至少部分结晶玻璃的结晶温度TK的温度下施加大于或基本等于零的压缩应力，这允许基本永久地确保馈通或连接元件的气密性不会被损害。由于对于许多至少部分可结晶玻璃来说，结晶温度可能远高于例如通常用于压缩玻璃密封的玻璃软化温度，因此可以以这种方式实现显著更高的操作温度。利用本专利技术可实现的有利上限约为950℃，但特别是还为1000℃、1100℃和/或1200℃。另一非常重要的温度是转化温度。转化温度是在压缩玻璃密封的情况下由金属承载元件施加在玻璃材料上的压缩应力反转成拉伸应力的温度。因此，由于压缩玻璃密封仅能容忍小范围的拉伸应力而不会使该压缩玻璃密封损坏，因此转化温度是压缩玻璃密封的最高操作温度的量度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种馈通或连接元件，包括组合件，所述组合件由包含高温合金的承载体(2)、优选的功能元件(4)以及至少部分结晶玻璃(3)构成，其中所述至少部分结晶玻璃(3)优选地布置在所述功能元件(4)的一部分与所述承载体(2)的一部分之间、或者所述承载体的至少一部分内；其中包含高温合金的所述承载体(2)对所述至少部分结晶玻璃(3)在从至少20℃至大于450℃的温度下施加大于或基本等于零的压缩应力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.22 DE 102014119372.51.一种馈通或连接元件，包括组合件，所述组合件由包含高温合金的承载体(2)、优选的功能元件(4)以及至少部分结晶玻璃(3)构成，其中所述至少部分结晶玻璃(3)优选地布置在所述功能元件(4)的一部分与所述承载体(2)的一部分之间、或者所述承载体的至少一部分内；其中包含高温合金的所述承载体(2)对所述至少部分结晶玻璃(3)在从至少20℃至大于450℃的温度下施加大于或基本等于零的压缩应力。2.如权利要求1所述的馈通或连接元件，其中，优选地在从至少20℃至大于550℃的温度下、更优选地在从至少20℃至大于650℃的温度下、并且又更优选地在从至少10℃至大于750℃的温度下、以及最优选地在从至少10℃至大于900℃的温度下，包含高温合金的所述承载体(2)对所述至少部分结晶玻璃(3)施加大于或基本等于零的压缩应力。3.如权利要求1或2所述的馈通或连接元件，其中其最高操作温度在偏差为+/-20％的情况下基本对应于所述馈通或连接元件的转化温度，其中所述转化温度为所述承载体施加于所述至少部分结晶玻璃材料的压缩应力呈现为零值所处的温度，并且其中所述最高操作温度处于450℃以上的范围内，特别是高达950℃，以及优选地高达1000℃或更高，优选地高达1100℃，特别优选地高达1200℃。4.如前面权利要求中任一项所述的馈通或连接元件，其中在从至少20℃至大于450℃的温度下，优选地在从至少20℃至大于550℃的温度下，更优选地在从至少20℃至大于650℃的温度下，在从至少10℃至大于750℃的温度下，更优选在大于900℃的温度下，有利地在大于950℃的温度下，所述至少部分结晶玻璃的热膨胀系数CTEG比所述高温合金的热膨胀系数CTEH小一个系数FCTE，撇开约5％的偏差，FCTE大于1.06。5.如前面权利要求中任一项所述的馈通或连接元件，其中所述至少部分结晶玻璃(3)为包括至少一个晶体相和至少一个无定形残余玻璃相并具有玻璃转变温度Tg的部分结晶玻璃，其中在操作状态下和/或发生意外事件时，所述馈通或连接元件暴露于比Tg大的温度，其中所述至少一个晶体相以此方式支撑所述至少部分结晶玻璃(3)，使得所述至少部分结晶玻璃(3)不被所述压缩应力和/或周围环境状况从所述承载体压出。6.如前面权利要求中任一项所述的馈通或连接元件，其中所述至少部分结晶玻璃(3)是在350℃的温度下体积电阻率大于1.0×1010Ωcm的玻璃或玻璃陶瓷或玻璃基结晶材料，并且其中所述玻璃或玻璃陶瓷或玻璃基结晶材料包含基于氧化物以摩尔％计的以下组分：其中MO选自由MgO和/或CaO和/或SrO和/或BaO单个或任意组合所构成的组，并且其中M2O选自由Li2O和/或Na2O和/或K2O单个或任意组合所构成的组。7.如前面权利要求中任一项所述的馈通或连接元件，包括组合件，所述组合件由包含高温合金的承载体(2)、优选的功能元件(4)以及至少部分结晶玻璃(3)构成，其中所述至少部分结晶玻璃(3)优选地布置在所述功能元件(4)的一部分与所述承载体(2)的一部分之间、或者所述承载体的至少一部分之内；其中所述承载体(2)具有与其关联的用于另外功能单元的紧固装置。8.如权利要求7所述的馈通或连接元件，其中在所述承载体(2)上布置另外功能单元，所述另外功能单元具有与设置在所述承载体(2)上的所述紧固装置相关联的紧固装置。9.如权利要求7或8所述的馈通或连接元件，其中布置在所述承载体(2)上的所述另外功能单元的所述紧固装置通过材料结合和/或以形状配合的方式与所述紧固装置连接。10.如权利要求8或9所述的馈通或连接元件，其中布置在所述承载体(2)上的所述另外功能单元包括矿物绝缘线缆...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·弗里茨，G·迈耶，T·芬克，
申请(专利权)人：肖特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE