(57)【要約】  導電体が非導電性プレートと、プレートを通って延びる導電性ピンと、プレートの外縁の周りに取り付けられたフレーム部材とを含む。フレーム部材はプレートに圧縮応力でプレロードを加える。具体的には、フレーム部材は、高圧条件下でプレート内に生成された圧縮応力成分と引張り応力成分と剪断応力成分との和が全体として圧縮性となるのに充分に高い圧縮応力でプレートにプレロードを加えることができる。
2016535389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非導電性プレートと；
該プレートを通って延びる導電性ピンと；
該プレートに圧縮応力でプレロードを加える、該プレートの外縁の周りに取り付けられたフレーム部材と
を含む、導電体。
【請求項２】
前記フレーム部材が、高圧条件下で前記プレート内に生成された圧縮応力成分と引張り応力成分と剪断応力成分との和が全体として圧縮性となるのに充分に高い圧縮応力で前記プレートにプレロードを加えるように取り付けられている、請求項１に記載の導電体。
【請求項３】
前記プレートが電気絶縁セラミック材料を含む、請求項１に記載の導電体。
【請求項４】
前記電気絶縁セラミック材料がセラミック化合物を含み、そして該セラミック化合物が複数のセラミック、又はセラミックを含有する合金元素を含む、請求項３に記載の導電体。
【請求項５】
前記プレートが電気絶縁モノリシック結晶を含む、請求項１に記載の導電体。
【請求項６】
前記ピンが導電性セラミック、超硬合金（cemented carbide）、サーメット、又は金属を含む、請求項１に記載の導電体。
【請求項７】
前記導電性セラミックがホウ化物、炭化物、又は窒化物を含み、そして前記導電性セラミックがさらに、ＩＶ族、Ｖ族、及びＶＩ族元素から選択された少なくとも１種の金属を含む、請求項６に記載の導電体。
【請求項８】
前記サーメットが、異種金属組み合わせ及び異種合金組み合わせのうちの少なくとも１つを含み、そして該サーメットがさらに少なくとも１つのセラミック相を含む、請求項６に記載の導電体。
【請求項９】
前記超硬合金が、
タングステン、タンタル、チタン、及びニオブのうちの少なくとも１種の元素を含むセラミック相と
金属及び金属合金の少なくとも１つを含む金属バインダー相と
を含む、請求項６に記載の導電体。
【請求項１０】
前記ピンが複数のピンを含み、該複数のピンのそれぞれが前記プレートを通って延びる、請求項１に記載の導電体。
【請求項１１】
前記プレートが、前記ピンと同軸的なディスクを含む、請求項１に記載の導電体。
【請求項１２】
前記ピンの先端が前記プレートの少なくとも１つの面と面一である、請求項１に記載の導電体。
【請求項１３】
前記プレートと前記ピンとが互いに結合されている、請求項１に記載の導電体。
【請求項１４】
前記プレートと前記ピンとが熱間加圧、熱間等方加圧（ＨＩＰ）、及び拡散接合のうちの少なくとも１つによって結合されている、請求項１３に記載の導電体。
【請求項１５】
前記プレートがディスクを含み、前記フレーム部材が前記外縁を取り囲んでおり、前記圧縮応力が該外縁の周囲にほぼ均一に加えられるようになっている、請求項１に記載の導電体。
【請求項１６】
金属フレーム部材が前記プレートの周りに収縮嵌めされている、請求項１に記載の導電体。
【請求項１７】
前記フレーム部材の表面に圧力が加えられると、前記フレーム部材によって前記プレートの外縁に加えられる圧縮応力が増大するように、前記フレーム部材が前記プレートの外縁の周りに取り付けられている、請求項１に記載の導電体。
【請求項１８】
前記フレーム部材が前記プレートの面の外側部分を支持する環状ショルダを含む、請求項１に記載の導電体。
【請求項１９】
さらに、前記プレートの外縁と前記フレーム部材との間に配置された境界層を含む、請求項１に記載の導電体。
【請求項２０】
前記フレーム部材が金属を含み、そして境界層が金属を含み、該境界層の金属が該フレーム部材の金属よりも軟質である、請求項１９に記載の導電体。
【請求項２１】
前記境界層が金、白金、パラジウム、タンタル、イリジウム、及びニッケルのうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の導電体。
【請求項２２】
前記プレートの１つの側が第１の環境に晒され、そして前記プレートの別の側が第２の環境に晒され、前記ピンの先端が該第１の環境及び該第２の環境に接触する、請求項１に記載の導電体。
【請求項２３】
導電体を製造する方法であって：
非導電性プレートに対して導電性ピンを冷却し；
該ピンが該プレートを通って延びるようにし；そして
該プレートが該ピンに圧縮応力を加えるように、該ピンの周りに該プレートを収縮嵌めする
ことを含む、導電体を製造する方法。
【請求項２４】
導電体を製造する方法であって：
導電性ピンが非導電性プレートを通って延びるようにし；そして
当該収縮嵌め温度を下回る任意の温度ではフレーム部材が該プレートに圧縮応力を加えるような温度で、該プレートの外縁の周りに該フレーム部材を収縮嵌めする
ことを含む、導電体を製造する方法。
【請求項２５】
高圧流体の特性を測定するシステムであって、該システムが：
前記流体に晒されるように形成された非導電性プレートと、
当該ピンが被測定流体と接触状態にあるべく該プレートを通って延びる導電性ピンと、
該プレート内に生成された圧縮応力成分と引張り応力成分と剪断応力成分との和が全体として圧縮性となるのに充分に高い圧縮応力で該プレートにプレロードを加えるように形成された、該プレートの外縁の周りに取り付けられた金属フレーム部材と
を含む、高圧流体の特性を測定するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は2013年10月1日付けで出願された米国出願第61/885,089号の継続出願である。この米国出願はその全体を参照することにより本明細書中に援用される。
【０００２】
本開示は大まかに言えば導電体に関する。より具体的には、本開示は導電体構造、及び導電体構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
石油生産業界は、いかなる場所においても最も過酷な条件のいくつかと取り組まなければならない。このような条件は、熱衝撃、高い圧力、高い腐食性、摩耗性の環境、及び大幅な温度変動を含む。この温度変動は、チョークの近くにある時且つ／又は低温環境（例えばアラスカ）内での使用時のような約−４６℃（約−５０°Ｆ）の温度から、ダウンホール内にある時、又は水蒸気支援排油（steam assisted gravity drainage: ＳＡＧＤ）用途の場合の約２０５℃（約４００°Ｆ）の温度までの範囲に及ぶことがある。さらに別の、そしてしばしば主要な因子は、コネクタの傍らを通り過ぎる流体流による振動に起因する機械的衝撃及び疲労である。
【０００４】
石油・ガス産業は、要求が最も厳しい導体用途のうちの１つであり、これに対して、兵器、ガスタービン、ジェットエンジン、及び核産業のような他の用途及び産業も極めて高度な仕様要件を有している。これらの産業の全てにおいて、導電体、例えばフィードスルー又は電極は、高耐食性、高耐温度性、及び高い圧力支持力を示すことを必要とする。さらに、医療用途のような領域は、潜在的には後者の用途ほど要求が厳しくはないものの、その代わりに導電体構造内に使用される化合物又は材料に対して極めて高度な基準を必要とする。
【０００５】
導電体の構造内に組み込まれるいくつかの技術を利用することができる。例えば、導電体は典型的にはホウケイ酸塩であるガラス絶縁体内部の金属ピンと、金属ハウジングとを含んでよい。金属ハウジング内部で導電体はガラスと金属とを濡らして収縮嵌めすることによりシールされている。しかしこの例の場合、ガラスの耐食性は油・ガス用途に見いだされる化学物質の多くには適さない。そしてさらに最大使用温度はガラス転移温度によって制限される。別の技術は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）絶縁体内部の金属ピンと、Ｏリングを使用してシールされた導電体を有する金属ハウジングとを含むことから成る。しかしながら、このような構造の場合、Ｏリングは、Ｏリングと適合性を有する化学物質、Ｏリングが晒される最小及び最大温度、及び急速にガスが減圧される用途における使用に関して制限される。さらに、ＰＥＥＫ材料のガラス転移温度はかなり低く、典型的には約１５０℃（約３００°Ｆ）であり、これにより高い温度で長時間にわたって使用する際にはクリープ変形の問題を招く。
【０００６】
導電体の別の例は、セラミック絶縁体内部に位置決めされた金属ピンと、金属ハウジングとを含む。金属ハウジング内では導電体は、導電体の金属部分及びセラミック部分の両方をろう付け材料で濡らすことによりシールされている。この例ではろう付けは表面の濡れ性を必要とする。表面の濡れ性はセラミック又は金属上に被膜が施されるのをしばしば必要とする。このような被膜は腐食を被りやすい。さらにろう付けは、セラミック／ガラス中に圧縮応力を発生させずに、代わりに応力集中を発生させる。このことは、セラミックの圧力支持力を低下させる。さらに、ろう付け材料は通常、生体適合性を有しておらず、従って医療用途には適さない。またろう付け材料の耐食性は、例えば油・ガス用途、又は上述の過酷な環境におけるいずれの他の用途にも見いだされるような腐食性環境内で長時間にわたって使用するには十分でない。従って導電体の設計及び開発は、上述の産業及び用途のうちの１つ又は２つ以上との導電体の適合性を高めることを依然として優先事項としている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の１態様によれば、導電体は、互いに反対側の第１面及び第２面と、第１面と第２面の間に画定された外縁とを備えた非導電性プレートを含んでいる。導電体はさらに、プレートを通って延びる導電性ピンと、プレートに圧縮応力でプレロードを加える、プレートの外縁の周りに取り付けられたフレーム部材とを含んでいる。フレーム部材は、高圧条件下で前記プレート内に生成された圧縮応力成分と引張り応力成分と剪断応力成分との和が全体として圧縮性となるのに充分に高い圧縮応力で前記プレートにプレロードを加えてよい。１つ又は２つ以上の実施態様では、プレートは電気絶縁セラミック材料を含んでよい。いくつかの実施態様では、絶縁セラミック材料は、いくつかのセラミックから成るセラミック化合物、又はセラミックを含有する合金元素を有する化合物を含んでよい。
【０００８】
１つ又は２つ以上の実施態様では、導電性ピンは導電性セラミック、超硬合金（cemented carbide）、又はサーメットを含んでよい。いくつかの実施態様では、導電性セラミックはホウ化物、炭化物、又は窒化物を含んでよく、そしてさらに、ＩＶ族、Ｖ族、及びＶＩ族元素から選択された少なくとも１種の金属を含んでよい。いくつかの実施態様では、サーメットは、１つ又は２つ以上のセラミック相を含む、金属又は合金の異種組み合わせである。いくつかの実施態様では、超硬合金は、タングステン、タンタル、チタン、ニオブ、このような材料の混合物、及び化合物から成る群から選択された少なくとも１種の元素を含むセラミック相、及び／又は金属又は金属合金を含む金属バインダー相を含んでよい。
【０００９】
いくつかの実施態様では、複数の導電性ピンが非金属プレートを通って延びてよい。
【００１０】
いくつかの実施態様によれば、プレートは導電性ピンと同軸的なディスクであってよい。
【００１１】
別の実施態様によれば、ピンの先端はプレートの第１面及び／又は第２面と面一であってよい。
【００１２】
１つ又は２つ以上の実施態様において、プレートとピンとは結合によって互いに合体されてよい。いくつかの例では、結合は、プレートと導電性ピンとを一緒に熱間加圧、又は熱間等方加圧（ＨＩＰ）することを含む。いくつかの他の例では結合は拡散接合を含んでよい。
【００１３】
いくつかの実施態様によれば、プレートはディスクであるか、又はディスクを含んでよく、そしてフレーム部材は、プレートの外縁の周りに圧縮応力をほぼ均一に加えるように、プレートの外縁を取り囲んでよい。
【００１４】
いくつかの実施態様によれば、プレートとフレーム部材とはプレートの周りにフレーム部材を収縮嵌めすることによって組み立てられてよい。
【００１５】
いくつかの実施態様によれば、流体からの圧力が、金属フレーム部材によってプレートの外縁に加えられる圧縮応力を増大させることができるように、加圧流体がフレーム部材の外面、並びにプレートの第１面と接触する。
【００１６】
いくつかの実施態様によれば、フレーム部材は、プレートの第２面の外側部分を支持する環状ショルダを含んでよく、この環状ショルダでは、第２面を第１面よりも低い圧力に晒すことができる。
【００１７】
いくつかの実施態様によれば、フレーム部材は、プレートの外縁と環状ショルダとの間に配置された境界層を含んでよい。１つ又は２つ以上の実施態様では、境界層は、フレーム部材を形成する金属よりも軟質である金属から形成されていてよい。いくつかの実施態様では、境界層は金、白金、パラジウム、タンタル、イリジウム、又はニッケルから形成されていてよい。
【００１８】
いくつかの実施態様によれば、プレートの第１面が第１の環境に晒されてよく、プレートの第２面が第２の環境に晒されてよく、そしてピンの先端がそれぞれ第１の環境及び第２の環境に晒され接触してよい。
【００１９】
本開示の１態様によれば、導電体を製造する方法は、非導電性プレートを通って延びるように導電性ピンを位置決めし、プレートは互いに反対側の第１面及び第２面と、第１面と第２面との間に画定された外縁とを含み、そして当該収縮嵌め温度を下回る任意の温度ではフレーム部材がプレートに圧縮応力を加えるような収縮嵌め温度で、プレートの外縁の周りにフレーム部材を収縮嵌めすることを含んでよい。
【００２０】
本開示の１態様によれば、流体の特性を測定するシステムは、流体に晒された第１面、第１面と反対の第２面、及びプレートの第１面と第２面との間に画定された外縁を含む非導電性プレートと、被測定流体と接触する、プレートを通って延びる導電性ピンと、プレート内に生成された圧縮応力成分と引張り応力成分と剪断応力成分との和が圧縮性となるのに充分に高い圧縮応力で前記プレートにプレロードを加えるように構成された、プレートの外縁の周りに取り付けられた金属フレーム部材とを含んでよい。
【００２１】
これらは本開示の他の態様、実施態様、及び利点と一緒に、本発明を特徴付ける新規性を有する種々の特徴とともに、本開示の一部を成す添付の特許請求の範囲に具体的に指摘される。上記態様及び利点は包括的なものではなく、また個々に又は一緒にした状態で本開示の思想又は実施に絶対不可欠なものでもない。添付の図面とともに模範的実施態様の下記説明から、本開示の他の態様、実施態様、及び利点が当業者には容易に明らかになる。従って、図面及び説明は制限的なものではなく、本質的に例示的なものと見なされるべきである。
【００２２】
本明細書の対象を製造し使用する際に関連技術分野の当業者を支援するために、添付の図面が参照される。図面において同じ符号は同様のエレメントを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、提案された導電体の１つの実施態様を概略的に示す図である。
【００２４】
【図２】図２は、提案された導電体の別の実施態様を示す図である。
【００２５】
【図３】図３は、提案された導電体の別の実施態様を示す図である。
【００２６】
【図４】図４は、提案された導電体の別の実施態様を示す図である。
【００２７】
【図５】図５は、提案された導電体の別の実施態様を示す図である。
【００２８】
【図６】図６は、提案された導電体の別の実施態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
下記考察は本発明の種々の実施態様に関する。図面は必ずしも原寸に比例してはいない。実施態様のある特定の特徴が比率において誇張した状態で、又は多少概略的な形態で示される場合があり、またコンベンショナルなエレメントのいくつかの詳細が、明確さ及び簡潔さのために示されないこともある。これらの実施態様のうちの１つ又は２つ以上が好ましいが、開示された実施態様は、特許請求の範囲を含む開示の範囲を限定するものとして解釈又は利用されるべきではない。言うまでもなく、下記実施態様の種々異なる教示内容は、望ましい結果を生むために別個に又は任意の適宜な組み合わせで採用することができる。加えて当業者には明らかなように、以下の説明は幅広い用途を有しており、いずれの実施態様の考察内容も、その実施態様の一例にすぎず、特許請求の範囲を含む開示の範囲がその実施態様に限定されることを暗示するものではない。
【００３０】
具体的な特徴又は構成部分に言及するために、下記の記述及び特許請求範囲の全体を通して特定の用語が使用される。当業者には明らかなように、同じ特徴又は構成部分に言及する際に人によって呼び名が異なることがある。本明細書は、名称は異なるが構造又は機能は異ならない構成部分又は機能を区別することを意図しない。さらに種々の図面における同じ数字及び呼称は同じエレメントを示している。
【００３１】
下記考察及び特許請求の範囲において、「含む（including）」及び「含む（comprising）」という用語は非限定的に使用され、ひいては、「一例として〜が挙げられる（including, but not limited to...）」を意味するものと解釈されるべきである。また「カップリングする（couple）又は（couples）」は間接的又は直接的な結合を意味するものと考えられる。加えて、「軸線方向」及び「軸線方向に」という用語は、中心軸線（例えばボディ又はポートの中心軸線）に沿った方向又は中心軸線に対して平行な方向を概ね意味し、これに対して「半径方向」及び「半径方向に」という用語は、中心軸線に対して垂直な方向を概ね意味する。「上（top）」、「下（bottom）」、「上方（above）」、「下方（below）」、及びこれらの用語の変更形が便宜上使用されるが、しかしこのような使用は、構成部分のいかなる具体的な配向も必要としない。
【００３２】
セラミック材料は典型的には曲げ強度及び引張り強度が低いが、しかし全体的に高い圧縮強度を維持する。低い曲げ強度及び／又は引張り強度を高めるために、セラミックに高い圧縮応力でプレロードを加えることができる。セラミックを圧力構造の一部として使用する場合には、流体圧力によって生成された引張り応力と、プレロードによって生成された圧縮応力との和が全体として常に圧縮性であるのに充分に高い圧縮応力でセラミックにプレロードを加えることができる。
【００３３】
図１は提案される導電体の一例を示す。プレート１は非導電性材料、例えば高い電気抵抗又は低い誘電定数を有するセラミックから形成されるか、又はこれを含んでよく、そしてピン２を含んでよい。ピン２は導電性材料、例えばセラミック、超硬合金、又はサーメットから形成されるか、又はこれを含んでよい。図１にはただ１つのピン２が示されているものの、本開示はこれに限定されるものではなく、２つ以上の任意の数を含んでもよい。ピン２は絶縁プレート１の厚さを通って延びていてよく、これにより電子がピン２に沿って、そして低電気抵抗で絶縁材料を通って流れるのを可能にする。図１の実施態様では、ディスク１は円形であってよく、ピン２はディスクの外径と同軸的であってよいが、しかし本開示はこれに限定されるものではない。また図１に示されているように、ピン２の長さはプレート１の厚さよりも長くてよいが、しかし本開示はこれに限定されるものではない。プレート１及びピン２がセラミック、超硬合金、及び／又はサーメットを含む実施態様では、プレート１とピン２とは、これらの間に結合を生じさせるために熱間加圧又は熱間等方加圧によって合体させてよい。これにより、プレート１とピン２との境界面４が漏洩密であることが可能になる。
【００３４】
プレート１は、電気絶縁性且つ耐食性であってよく、少なくとも１つ又は２つ以上のセラミック又はセラミック相、複数のセラミックから成るか又はこれらを含むセラミック化合物、セラミックを含有する合金元素を有する化合物から成るか又はこれを含んでよい。セラミック相は金属酸化物、ホウ化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物、炭素（ダイヤモンドを含む）、又はこのような材料の混合物又は化合物を含んでよい。セラミックは粒界を有してよく、又は単結晶であってもよい。導電性ピン２は導電性且つ耐食性のセラミック、サーメット、又は超硬合金から成るか又はこれを含んでよい。導電性セラミックは、ホウ化物、炭化物、又は窒化物を含むか又はこれから成ってよく、そしてＩＶ族、Ｖ族、及びＶＩ族元素から選択された１種又は２種以上の金属を含むか又はこれから成ってもよい。例えば導電性ピンは二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）から成るか又はこれを含んでよい。
【００３５】
サーメットは、ほぼ１５〜８５体積％を占めてよい１つ又は２つ以上のセラミック相と、バインダー（例えば１種又は２種以上の金属又は合金バインダーの異種組み合わせ）とであるか又はこれを含んでよく、調製温度におけるサーメットの金属相とセラミック相との溶解度は比較的低くてよい。セラミック相は、金属酸化物、ホウ化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物、炭素（ダイヤモンドを含む）、又はこのような材料の混合物又は化合物であるか又はこれを含んでよい。金属バインダーは、金属又は金属合金、例えば主に鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロミウム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及び／又はチタン（Ｔｉ）を含有する金属又は金属合金であるか又はこれを含んでよい。超硬合金はセラミック相及び／又は金属バインダー相であるか又はこれを含んでよい。セラミック相はＷ、例えばＷＢ、タンタル（Ｔａ）、例えばＴａＣ、Ｔｉ、例えばＴｉＣ、及びニオブ（Ｎｂ）、例えばＮｂＣ、又はこのような材料の混合物又は化合物であるか又はこれを含んでよく、そして金属バインダー相は金属又は金属合金、例えばＮｉ及び／又はＣｏを含有する金属又は金属合金であるか又はこれを含んでよい。上述のように、ピン２とプレート１とは、熱間加圧又は熱間等方加圧によって結合してよい。これに加えて又はこの代わりに、拡散接合を用いてピン２とプレート１とを互いに結合することもできる。
【００３６】
図１に示されているように、フレーム部材３、例えば金属フレーム部材の長さはプレート１の長さよりも長くてよい。フレーム部材３の内径は、ショルダを含んでよい。ショルダはプレート１の円形外縁５と形状相補的であるが、しかしこの円形外縁よりも僅かに小さくてよく、これにより、フレーム部材３がプレート１に圧縮応力で圧縮プレロードを加え、例えばプレート１の全ての点に圧縮プレロードを加えることができる。プレート１の外縁５の直径とフレーム３のショルダとの相対寸法、並びにフレームを形成する材料、鋼、又は他の材料、又は金属の強度は、プレート１に加えられる全ての応力（例えば引張り、剪断、及び圧縮）の和が圧縮性であるように選択される。少なくとも１つの実施態様において、例えばさらに説明するように加圧流体に晒されたときに、第１及び／又は第２面のうちの少なくとも一方に加えられた圧力によってプレート内／上に発生した引張り応力を克服するように、プレートには圧縮プレロードが加えられる。
【００３７】
ショルダに加えて、フレーム部材３はさらに、プレート１のエッジ５とフレームの支持ショルダとの間に配置された環状の境界層を含んでよい。境界層は、フレーム部材を形成する金属よりも軟質の金属から成るか又はこれを含んでよく、これにより境界層は、フレーム部材からの圧縮プレロードに晒されたときに僅かに変形する。境界層のこのような変形は外縁５の周りに加えられた圧縮プレロードが全ての点でほぼ均一であるのを可能にする。加えて、境界層は、支持ショルダとプレート３との間に配置された環状リムを含んでもよく、これによりプレート面に加えられた流体圧力に応じてプレート１をさらに保持することができる。境界層の材料は、フレーム内に使用されるセラミック及び硬質金属よりもかなり軟質であってよいが、しかしプレートとフレームとの間の開口から境界層が流出するほどには軟質ではない。境界層の好適な材料は金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、及び／又はＮｉを含んでよい。
【００３８】
１つ又は２つ以上の実施態様において、フレーム３内部のプレート１の構造及び取り付けは、漏洩密性を可能にする軟質金属境界を提供することができる。軟質金属境界は耐食性を提供するように（例えば金のような）純貴金属を含んでよい．ショルダ５はセラミックが極圧下でハウジング内部で摺動且つ／又は移動するのを防止することができる。
【００３９】
図５に示された実施態様において、フレーム３はセラミックディスク１の周りのリング３１と、例えば高圧下でホルダ３３（例えば金属ホルダ）上に着地する薄い可撓性壁３２とを含んでよい。このような構造は、シーリング及び応力分布にとって不都合な角隅内の応力集中を防止することができる。この構造はまた、フレーム３が圧力下で自己付勢される（self-energized）ことによって、フレーム３とホルダ３３との嵌め合い安全性を高めることもできる。この装置は高い差圧及び高い温度に耐えることができ、そして耐食性でもあるので、この構造はピン及びプレートが非金属材料、例えばセラミック、サーメット、又は超硬合金から成るか又はこれを含むことを可能にする。例えば、本開示に基づく１つ又は２つ以上の実施態様は高圧及び／又は高温環境内で使用することができる。このような環境は次の特徴、すなわち３００°Ｆ（１４９℃）の未攪乱坑底温度、少なくとも０．８ｐｓｉ／ｆｔ（ほぼ１５．３  ｌｍｂ／ｇａｌ）の間隙圧（pore pressure）という特徴のうちの１つ又は２つ以上を有する油井、及び／又は１０，０００ｐｓｉ（６８．９５  ＭＰａ）を超える定格を有する噴出防止装置を必要とする油井として定義することができる。
【００４０】
本開示の１つ又は２つ以上の実施態様に基づく導電体は、流体又はガスの特性を測定するためのセンサとして、高圧、高温、及び腐食性の媒体がセンサの側方を横切って分離される必要がある悪環境内で使用することができる。例えば導電体はアンテナとして、又は伝導性測定値を集めるために使用することができる。導電体は高圧、高温、及び腐食性の媒体がフィードスルーの側方を横切って分離される必要があるような悪環境を通してデータ又は出力を伝送するために、電気的フィードスルーとして使用することもできる。例えば、本開示の１つ又は２つ以上の実施態様に基づく導電体は、ダウンホール用途のコネクタとして、又は冗長又は接液プロセスバリアとしてクリスマスツリー（例えば生産ツリー）上で使用することができる。
【００４１】
油・ガス用途において見いだすことができる環境が図１に示されている。図１において矢印が、最高圧力から最低圧力へ向かって導電体を横切る差圧方向を示している。この実施態様では、プレート１の１つの面が高圧環境に面している。この高圧環境では実線の波形の印が示されている。これに対して、プレート１の反対面は低圧環境に面している。この低圧環境では点線の波形の印が示されている。高圧環境内の加圧流体はフレーム部材３の外面、並びにプレート１の面に接触することができるので、流体からの圧力は、フレーム部材３によってプレート１の外縁に加えられる圧縮応力を増大させる。
【００４２】
図２は第２の提案される実施態様を示している。この実施態様では、ピン２はプレート１の面と面一の一方又は両方の先端（例えば端部）を有してよい。図３が示す実施態様の場合、ピン２はプレート１の面から突出した一方又は両方の先端を有してよい。図４が示す別の実施態様の場合、プレート１の一方の面は湾曲してよく、ピン２の先端はこの湾曲面と面一の状態で形成されてよい。
【００４３】
図６は、本開示の１つ又は２つ以上の実施態様に基づく、耐圧能力が高められた導電体の別の実施態様を示している。ピン２は絶縁プレート１の厚さを通って延びていてよい。さらに、この実施態様では、フレーム部材３は壁３２（外管又は第１管形状と呼ぶこともある）を含んでよい。壁３２はホルダ３３（内管又は第２管形状と呼ぶこともある）に密に、そして同心的に被さっている。管３２及び３３は種々の適宜の接合法、例えば溶接、電子ビーム溶接、又はレーザービーム溶接によって互いに接合することができる。フレーム部材３のリング端部３１は内管３３の遠位端３０を超えて延びていてよく、これにより内管３３の遠位端３０は支持ショルダ３４を画定する。支持ショルダ３４を設けることにより、高圧条件下でプレート１を支持するフレーム部材３の能力を大幅に高めることができる。
【００４４】
支持ショルダ３４に加えて、プレート１とフレーム部材３との間に配置され、例えば外管３２の内径内部と支持ショルダ３４とで位置決めされた環状の境界層３５が含まれてよい。境界層３５は金属フレーム部材３の少なくとも外管３２を形成する金属よりも軟質の金属から成るか又はこれを含んでよく、これにより層３５はリング３１及びフレーム部材３によって加えられた圧縮プレロードに晒されると僅かに変形する。境界層３５のこのような変形は、プレート１の外縁の周りに加えられた圧縮プレロードが全ての点でほぼ均一であることを保証し得る。加えて境界層３５は、支持ショルダ３４とプレート１の外側部分との間に配置された環状リム３６を含んでもよく、これによりプレート１の面に加えられた流体圧力に応じてプレート１をさらに保持することができる。
【００４５】
１実施態様では、加圧流体が導入されると、結果として生じる圧力は下方に向かってプレート１の上面を押圧するだけでなく、フレーム部材３の部分を形成する外管３２の外径に対して作用することもでき、これにより、プレート１の外縁の周りに加えられる圧縮応力を増大させ、そしてさらに、プレート１の外縁と境界層３５とフレーム部材３のリング３１の内径との間の摩擦グリップを増大させる。従って導電体は自己付勢性（self-energizing）であり得る。もちろん、プレート１の外縁の直径と、境界層３５と、管３２の遠位端の内径との相対寸法、並びに管３２を形成する鋼又は他の金属の強度は、プレート１に加えられる全ての応力（すなわち引張り、剪断、及び圧縮）の和が導電体の操作中に常に圧縮性となるように選択される。
【００４６】
１つ又は２つ以上の実施態様に基づく導電体の製作中に、金属はセラミックよりも高い熱膨張を有する。導電体の部分は、フレーム部材の内径が周囲温度でプレートの外径よりも小さいような寸法及び許容誤差で製造することができる。周囲温度は、フレーム部材が使用される環境として定義されるが、しかしフレーム部材が製造される環境を除く。例えば周囲温度は、約−１００℃（−１４８°Ｆ）〜約３００℃（５７２°Ｆ）であってよい。周囲温度におけるこれらの直径の差は締め代として知られている。締め代量はプレートのプレロードを決定する。フレーム部材を形成する材料、又はフレーム部材の部分の強度は最終的に、生成し得るプレロード量を決定且つ／又は制限することができる。
【００４７】
フレーム部材又はその部分は、（より低い温度で保持することができる）プレートがフレーム部材の内径内に挿入されるのを可能にする程度まで、熱膨張を介して内径のサイズを増大させる温度に加熱することができる。金属が過度に加熱されると、フレーム部材が相転移温度を通過し、特性が変化する。本開示のこの実施態様では、プロセス全体にわたる金属の温度を制御して、このことが発生するのを防止することができる。高強度鋼、並びに他の候補である高強度ニッケル及びコバルト合金の場合、５００℃（９３２°Ｆ）を上回る熱に晒すと、機械特性に影響を与えることがある。この影響の有意性は暴露の長さに関連する。金属の局所的加熱を適宜な形式、例えば誘導加熱によって達成することができる。極めて高熱の部分の取り扱いを回避するために、組み立て固定具及び治具を使用することにより組み立てを容易にすることができる。次いでプレート及びフレーム部材を冷却して周囲温度に戻し、これによりフレーム部材の内径内部にプレートを収縮嵌めすることができる。フレーム部材の結果として生じる収縮によって、前述の所定の且つ／又は所望の圧縮応力量でプレートの外縁にプレロードが加えられる。
【００４８】
さらに、１つ又は２つ以上の実施態様に基づく導電体の製作中、内管及び外管は中間嵌めを介して正確に組み立てることができる。内管を取り囲む外管部分の内径は、周囲温度で内管の外径よりも僅かに大きいか又はこれと同一であるように選択してよい。外管は内管と組み立てて、管及びフレーム部材を互いに溶接又は他の形式で接合する前に所定の位置に保持することができる。例えば接合は、例えばＴＩＧ溶接、電子ビーム溶接、及びレーザービーム溶接を含む種々の接合方法によって達成することができる。
【００４９】
境界層が使用されない場合、金属部分（外管及び内管）を所要温度まで加熱し、プレートが内管の上端部に載置するように、プレートをフレーム部材のリング端部の内径内に挿入することができる。プレート及び外管のリング状遠位端に関して、上記のように、より低い温度に冷却することにより収縮嵌めを達成することができる。次いで、プレートとフレーム部材の端部の金属との収縮嵌め力及び摩擦力によって、プレートを所定の位置に保持することができる。さらにプレートを内管の端部によって支持することができ、これにより導電体が図６の矢印によって示された方向の圧力に晒されると、プレートは内管の端部に載置することによって所定の位置に保持される。
【００５０】
フレーム部材の構造は遠位端がリングとして作用するのを可能にする。具体的には導電体が図面において上方からの加圧流体に晒されると、リングは、プレートの外縁の周りで圧縮される。フレーム部材のより薄い壁は、リング状遠位端の半径方向内側に向かう圧縮運動を容易にする。これは構造の「自己付勢性（self-energizing)」のシーリング・応力補償特性と言える。リングと外管の壁との遷移点の下方で、より薄い壁は、極めて高い圧力においても変形されないように内管の外壁によって支持される。
【００５１】
境界層が設けられる場合、外管及び内管は１つの実施態様において中間嵌め及び溶接によって互いに取り付けられてよい。次に、フレーム部材のリングの内径の周りに、そして内管の支持ショルダに被さるように界面層を被着することができる。界面層の材料は、収縮嵌めプロセス中に境界面に加えられる力が境界層の変形を可能にするように選択することができる。このような実施態様では、リングの内径はプレートの外径よりも大きく、例えば辛うじて大きくてよく、これにより境界層の余地を提供する。
【００５２】
界面層を形成する軟質金属は、例えば蒸着、電気めっき、又は予め形成された形状との融合を含む種々の方法によって、外管及び内管を形成する硬質金属上に堆積されてよい。境界層の軟質金属が、指示された表面上に堆積された後、室温及び所期の操作温度でプレートの外縁の直径よりも小さい内径を有するように、境界層を機械加工することができる。
【００５３】
次いで、プレートと境界層との収縮嵌めを前記と同様に達成することができる。境界層の内径が熱膨張を介してプレートを受容するのに充分に大きくなるように、管及び境界層を加熱することができる。次いで、結果として生じた導電体を周囲温度まで冷やしておくことができる。こうすると、結果として生じた熱収縮が、前述の構成部分全てを摩擦嵌め又は締まり嵌めの形で互いに収縮嵌めする。プレートと境界層との収縮嵌め力及び摩擦力によって、今やプレートを所定の位置に保持することができる。フレーム部材の外管が冷却によって収縮するのに伴って、境界層を形成する軟質材料は、外管を形成する硬質金属によって加えられる圧力によって変形させることができる。これにより軟質金属は、プレートの外縁の表面、又は外管の遠位リング端部の内径の表面に形成された任意の微視的なコルゲーションを満たすように流れるようになる。このような金属流動は、金属管の表面仕上げの欠陥によってもたらされたプレート表面の局所的な応力集中を低減することができ、またセラミックと金属との間のシール作用を改善することもでき、特に、シールをヘリウム漏洩密にし、又は密封状態にする。プレートはさらに内管の支持ショルダ及び境界層のリムによって支持することができるので、導電体が図面に示された方向の圧力に晒されると、プレートは内管の端部に載置し、ひいては所定の位置に保持することができる。
【００５４】
さらに、１つ又は２つ以上のピンと、プレートとの収縮嵌めを用いて、ピンとプレートとを互いにカップリングすることができる。例えば、ピンをプレートに対して冷却することができ（例えばプレートをピンに対して加熱することもできる）、これにより、プレートを通って形成された孔のサイズをピンに対して増大させる。次いで、ピンをプレート内に形成された孔内に位置決めし、且つ／又はプレート内に形成された孔を通って延びるようにしてよく、次いでこの孔内でピンをプレートに対して加熱させておいてよい。ピンとプレートとが同じ温度に調節されるのに伴って、プレートはピンの周りに収縮嵌めされ、これにより締まり嵌めを形成し、ピンをプレートにカップリングすることができる。
【００５５】
前記説明を読んだ後で、本発明の数多くの変更形及び改変形が当業者に明らかになるにちがいないが、言うまでもなく、例示のために示され記述された特定の実施態様を制限的なものと決して考えてはならない。なお、前記例は説明を目的としたものにすぎず、本発明を限定するものとは決して解釈するべきではない。模範的実施態様を参照しながら本発明を説明してきたが、言うまでもなく、本明細書中に使用された文言は説明及び例示の文言であって、限定文言ではない。現在記載された、そして補正された添付の請求項の範囲内で、本発明の態様の範囲及び思想を逸脱することなしに変更を加えることができる。特定の手段、材料、及び実施態様を参照しながら本発明をここに説明してきたが、本発明は、本明細書中に開示された詳細に限定されるものではなく、むしろ本発明は、機能的に同等のあらゆる構造、方法、及び用途にまで及び、このような構造、方法、及び用途は添付の請求の範囲内に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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