CN114068181B - 一种超高压同轴薄膜电容器及并联式电容装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请涉及高能电脉冲储能电容器技术领域，尤其涉及一种超高压同轴薄膜电容器及并联式电容装置和在高能电脉冲储能设备中应用。该同轴电容器包括金属外壳体、导电轴芯和电容本体，导电轴芯同轴设置在金属外壳体的内部，电容本体包括表面分别设置有表面导电层的两层薄膜基板卷绕成筒状，设置在导电轴芯和金属外壳体形成的筒状空腔内，并设置正极端面导电层和负极端面导电层分别连接两层表面导电层构成电容本体的正极和负极，正极一端与所述的导电轴芯相连接，负极一端与所述的金属外壳体相连接。该电容器耐高压、耐高温，可以实现快速充放电，进一步，通过拼接多个电容器，可以极大地降低分布电感损耗，进而在井下流体中实现高能量大功率电脉冲的产生。

Description

一种超高压同轴薄膜电容器及并联式电容装置及其应用

技术领域

本发明涉及高能电脉冲储能电容器技术领域，尤其涉及一种超高压同轴薄膜电容器及并联式电容装置和在高能电脉冲储能设备中应用，具体涉及一种用于油气井下作业的高能电脉冲储能设备。

背景技术

在地下资源开发应用的井下高能电脉冲发生器储能器件中，电容总能量为U 2 ×C/2，所以制约充电时间和脉冲能量大小的重要参数是电压和电容值，而整个充放电回路电感也对充电效率和放电时间及功率有直接影响。现实工程应用时经常需要更多的放电能量和更高的功率，这就需要在储能器件的电容和电压这两个关键参数选择上做相应取舍，并且要在模块化电容器制造和串并联时尽量减少连接回路的总电感量。由于井下仪器的体积限制和高温环境制约，目前的储能电容器都是选择较大电容和常规高压进行充放电，储存电能有限且单次电脉冲能量一直难以提高；在井下仪器狭小的长筒状空间内，传统技术均需要通过多芯控制线缆进行多个电容的串接并联组合以提高总电容量，这些线缆排布后不仅占用了有限的仪器腔体空间，严重影响储能电容器体积的有效扩大，而且这样的多芯缆线排布又严重增加了充放电回路电感，损失了能量也限制了充放电速度和电脉冲最终功率的提高。由于以上井下储能电容器设计制造技术的缺陷和不足，制约了电脉冲技术在地下资源开发方面应用的适用范围，也降低了该技术应用时的地质开发效果。

中国实用新型专利（公开号CN206163322U ，公开日20170510）公开了一种同轴电容，包括中心带穿心孔的薄膜电容芯子，所述薄膜电容芯子设有两个接线端子，接线端子包括内外分布的内接线端子和外接线端子，内接线端子和外接线端子分别与薄膜电容芯子的两端导电连接。该同轴电容的两个接线端子呈内外分布，有效消灭寄生电抗。但该专利电极为同边输出，外壳为抗干扰，无法实现拼接多个电容器，不能用于提高输出电流，因此无法用于油气井下高能脉冲放电。

中国发明专利申请（公开号CN109339727A，公开日20190215）公开了一种用于油气井下疏堵增产的同轴脉冲发生器，包括金属外筒，金属外筒内依次设有储能单元、限流电阻单元、放电开关和放电电极，同轴设置且依次相连，储能单元通过多芯控制电缆与金属外筒外部的充电单元相连，储能单元通过多芯控制电缆实现充电和放电控制，储能单元包括金属弹片和圆柱体电容器，圆柱体电容器的轴心为正极，外壳为负极，其轴向两端设有连接头，连接头通过金属导体与轴心相连，圆柱体电容器通过连接头首尾相连实现并联，其外壳通过金属弹片与金属外筒内壁固定相连。这样同轴的设计方法使得回路电感量极低，可有效增加输出电流峰值，提高输出电流，最大可输出电流峰值大于20kA。

但是上述的同轴脉冲发生器也存在以下的缺陷：1、圆柱体电容器单个电容为并联式的电容器，储能有限；2、负极还需要通过设置金属弹片与金属外筒内壁相连，这样就需要增加金属弹片与金属外筒内壁连接的结构，增加了生产的成本也降低了连接的可靠性，金属外筒一旦确定好之后，不能再增加电容器，不利电容器的更换和增减；3、为了保护放电开关，在储能单元后端设置限流电阻单元，这样也限制了放电电流不利于放电功率的提高。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种超高压同轴薄膜电容器，该电容器耐高压、耐高温，可以实现快速充放电，进一步，通过拼接多个电容器，可以极大地降低分布电感损耗，进而在井下流体中实现超高压（10 kV-100kV）、高能量大功率电脉冲的产生。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种超高压同轴薄膜电容器，该同轴电容器包括金属外壳体、导电轴芯和电容本体，导电轴芯设置在金属外壳体的内部，并与金属外壳体呈同轴设置，电容本体设置在导电轴芯和金属外壳体形成的筒状空腔内，电容本体和导电轴芯之间设置有第一绝缘隔离层，电容本体和金属外壳体设置有第二绝缘隔离层；所述的电容本体包括两层薄膜基板，两层薄膜基板层叠以导电轴芯为轴心卷绕成筒状，两层薄膜基板分别具有一个表面设置有表面导电层，两层表面导电层相互隔离设置，并在电容本体的两个端面分别设置有正极端面导电层和负极端面导电层，正极端面导电层和负极端面导电层分别连接两层表面导电层构成电容本体的正极和负极，正极一端与所述的导电轴芯相连接，负极一端与所述的金属外壳体相连接。

作为优选，所述的第一绝缘隔离层套设在导电轴芯的外侧，第一绝缘隔离层的上侧端面与电容本体的端面平齐，正极端面导电层延伸至第一绝缘隔离层的端面并与所述的导电轴芯相连接；所述的金属外壳体下部内圆周设置有金属托台，所述的负极端面导电层与金属托台相连接。上述的结构实现了正极端面导电层和负极端面导电层分别与导电轴芯和金属外壳体的连接，具有实施方便，连接可靠的特点。

作为优选，所述的导电轴芯采用Al、Cu、Ag、Au、Ni、Mo、Ta、Ti、V、Cr、Fe、Co、导电性金属合金、导电性金属氧化物、石墨或表面镀Al、Cu、Ag、Au、Ni、Mo、Ta、Ti、V、Cr、Fe、Co、或石墨烯的陶瓷或高分子材料。

作为优选，所述的薄膜基板采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯和聚酰亚胺材质中的一种或多种混合；所述的表面导电层采用Al、Cu、Ag、Au、Ni、Mo、Ta、Ti、V、Cr、Fe、Co、导电性金属合金、导电性金属氧化物、石墨、碳纳米管、炭黑和石墨烯中的一种或多种混合。

作为优选，所述的表面导电层设置在薄膜基板的表面一侧，并在该表面另一侧留有未金属化空白，未金属化空白的宽度为薄膜基板宽度的1-20%；优选为5-10%。

作为优选，所述的正极端面导电层和负极端面导电层采用Al、Cu、Ag、Au、Ni、Mo、Ta、Ti、V、Cr、Fe、Co、导电性金属合金、导电性金属氧化物、石墨、碳纳米管、炭黑和石墨烯中的一种或多种混合。

作为优选，该同轴电容器还包括绝缘端盖，绝缘端盖由绝缘漆或柔性绝缘材料，绝缘端盖隔离金属外壳体和导电轴芯。

作为优选，所述的导电轴芯中心设置有贯通上、下端的中孔。

作为优选，所述的导电轴芯和金属外壳体的上、下端分别设置有能相互拼接的公头和母头；优选，导电轴芯上、下端分别设置相适配的公头和母头，金属外壳体的上、下端分别设置相适配的螺纹公头和螺纹母头。

作为优选，所述的螺纹公头外端加工有安装密封高压流体的盘根槽，螺纹母头螺纹段内侧加工有密封面。

进一步，本发明还公开了一种并联式同轴电容器装置，该装置包括多个如上述的电容器，多个电容器上、下拼接设置，上、下相邻的两个电容器的金属外壳体上、下相互拼接，两个电容器的导电轴芯上、下相互拼接构成并联式电容电路。

作为优选，所述的导电轴芯中心设置有贯通上、下端的中孔，各个电容器的中孔相互连接，中孔内设置有控制放电的导线。

作为优选，所述的导电轴芯和金属外壳体的上、下端分别设置有能相互拼接的公头和母头；上、下相邻的两个电容器的金属外壳体通过公头和母头相互拼接，上、下相邻的两个电容器的导电轴芯通过公头和母头相互拼接。

作为再优选，所述的导电轴芯上、下端分别设置相适配的公头和母头，金属外壳体的上、下端分别设置相适配的螺纹公头和螺纹母头。作为再优选，所述的螺纹公头外端加工有安装密封高压流体的盘根槽，螺纹母头螺纹段内侧加工有密封面。

进一步，本发明还公开了所述的电容器或所述的并联式同轴电容器装置在高能电脉冲储能设备中的应用。优选，该应用为在油气井地下高压电脉冲放电管道清垢和/或岩层压裂增产设备中的应用。

本发明由于采用了上述的技术方案，具有以下的优点：

1、本发明采用两层薄膜基板层叠以导电轴芯为轴心卷绕成筒状，设置在导电轴芯和金属外壳体形成的筒状空腔内，这样可以在尽量小的体积下，获得容量更小的电容量；

2、当以导电轴芯为正极，以电容金属外壳为负极，连接50kV超高压充电器以后，密封在壳体内的金属化薄膜卷绕电容被快速充电；

3、当多个本发明电容器被串接形成同轴并联电容后，可以接续增加电容器的总电容值；

4、本发明同轴电容器的正负两极使用的是同一个导电轴芯和相同的金属外壳体做为接线端子，电容之间连接不再需要其它导线和金属触点，极大地降低了回路电感，与普通电容器的μH级数值相比，本发明电容器可以控制在纳亨级别，放电电流峰值可达100kA以上；

5、本发明通过公头和母头可以实现多个电容器快速拼接，可以用于更换或增减电容器，进一步，通过导电轴芯中心的中孔设置控制放电的导线，避免了控制管线外漏；

6、本发明电容器制作完成后每支电容量不小于0.1μF，耐压可达50kV以上,实际应用时根据放电能量需要，可以多个串接形成并联电容器使用，当串接20个本电容器时，单次脉冲释放能量接近5000J，脉宽可以控制在几个μS范围，瞬时功率可达到GW级。

附图说明

图1为本发明超高压同轴薄膜电容器的剖面结构示意图。

图2为两层薄膜基板的结构示意图。

图3为本发明并联式同轴电容器装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

实施例1

如图1所示的一种超高压同轴薄膜电容器，该同轴电容器包括金属外壳体1、导电轴芯2和电容本体3，导电轴芯2采用厚壁铜管设置在金属外壳体1的内部，并与金属外壳体1呈同轴设置，电容本体3为筒状设置在导电轴芯2和金属外壳体1形成的筒状空腔内，电容本体3和导电轴芯2之间设置有第一绝缘隔离层4，电容本体3和金属外壳体1设置有第二绝缘隔离层5；第一绝缘隔离层4套设在导电轴芯2的外侧，第一绝缘隔离层4的上侧端面与电容本体3的端面平齐，正极端面导电层6延伸至第一绝缘隔离层4的端面并与所述的导电轴芯2相连接；所述的金属外壳体1下部内圆周设置有金属托台8，所述的负极端面导电层7与金属托台8相连接。并在同轴电容器的端部还设置有绝缘端盖9，绝缘端盖9由绝缘漆或柔性绝缘材料，绝缘端盖9隔离金属外壳体1和导电轴芯2。

如图2所示，所述的电容本体3包括两层薄膜基板31，两层薄膜基板31层叠以导电轴芯2为轴心卷绕成筒状，两层薄膜基板31的一个表面分别设置有表面导电层32，表面导电层32设置在薄膜基板31的表面一侧，并在该表面另一侧留有未金属化空白，未金属化空白的宽度为薄膜基板31宽度的10%。两层表面导电层32相互隔离设置。所述的薄膜基板31采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺材质；所述的表面导电层32采用Cu材质，成膜法包括干式制膜法、化学镀法或电镀法，干式制膜法包括溅射法、离子镀法、蒸镀法中的任意一种方法；优选采用蒸镀法。

如图1所示，在电容本体3的两个端面分别设置有正极端面导电层6和负极端面导电层7，正极端面导电层6和负极端面导电层7分别连接两层表面导电层32构成电容本体3的正极和负极，正极一端与所述的导电轴芯2相连接，负极一端与所述的金属外壳体1相连接。正极端面导电层6和负极端面导电层7采用Cu材质。

如图1所示，导电轴芯2中心设置有贯通上、下端的中孔10。导电轴芯2上、下端分别设置相适配的公头11和母头12，金属外壳体1的上、下端分别设置相适配的螺纹公头13和螺纹母头14。螺纹公头13外端加工有安装密封高压流体的盘根槽，螺纹母头14螺纹段内侧加工有密封面。

实施例2

如图3所示一种并联式同轴电容器装置，该装置包括多个实施例1所示的电容器，多个电容器上、下拼接设置，上、下相邻的两个电容器的金属外壳体1上、下相互拼接，两个电容器的导电轴芯2上、下相互拼接构成并联式电容电路。上、下相邻的两个电容器的金属外壳体1通过公头和母头相互拼接，上、下相邻的两个电容器的导电轴芯2通过公头和母头相互拼接。螺纹公头13外端加工有安装密封高压流体的盘根槽，螺纹母头14螺纹段内侧加工有密封面。并在导电轴芯2中心设置有贯通上、下端的中孔10，各个电容器的中孔10相互连接，中孔10内设置有控制放电的导线15。

本发明实施例以厚壁铜管为正极，以电容金属外壳体为负极，连接50kV超高压充电器以后，密封在金属外壳体内的金属化薄膜卷绕电容被快速充电；当多个本电容器被串接形成同轴并联电容后，可以接续增加电容器的总电容值；由于同轴电容器的正负两极使用的是同一个厚壁铜管和相同的金属外壳体做为接线端子，电容之间连接不再需要其它导线和金属触点，极大地降低了回路电感，与普通电容器的μH级数值相比，本电容器可以控制在纳亨级别，放电电流峰值可达100kA以上。

本发明实施例电容器制作完成后每支电容量不小于0.1μF，耐压可达50kV以上,实际应用时根据放电能量需要，可以多个串接形成并联电容器使用，当串接20个本电容器时，单次脉冲释放能量接近5000J，脉宽可以控制在几个μS范围，瞬时功率可达到GW级。

因此，本发明所述的并联式同轴电容器装置在高能电脉冲储能设备中的应用。特别是在油气井地下高压电脉冲放电管道清垢和/或岩层压裂增产设备中的应用。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (18)

1.一种超高压同轴薄膜电容器，该同轴电容器包括金属外壳体（1）、导电轴芯（2）和电容本体（3），导电轴芯（2）设置在金属外壳体（1）的内部，并与金属外壳体（1）呈同轴设置，其特征在于，电容本体（3）设置在导电轴芯（2）和金属外壳体（1）形成的筒状空腔内，电容本体（3）和导电轴芯（2）之间设置有第一绝缘隔离层（4），电容本体（3）和金属外壳体（1）设置有第二绝缘隔离层（5）；所述的电容本体（3）包括两层薄膜基板（31），两层薄膜基板（31）层叠以导电轴芯（2）为轴心卷绕成筒状，两层薄膜基板（31）上分别具有一个表面设置有表面导电层（32），两层表面导电层（32）相互隔离设置，并在电容本体（3）的两个端面分别设置有正极端面导电层（6）和负极端面导电层（7），正极端面导电层（6）和负极端面导电层（7）分别连接两层表面导电层（32）构成电容本体（3）的正极和负极，正极一端与所述的导电轴芯（2）相连接，负极一端与所述的金属外壳体（1）相连接；

第一绝缘隔离层（4）套设在导电轴芯（2）的外侧，第一绝缘隔离层（4）的上侧端面与电容本体（3）的端面平齐，正极端面导电层（6）延伸至第一绝缘隔离层（4）的端面并与所述的导电轴芯（2）相连接；

导电轴芯（2）和金属外壳体（1）的上、下端分别设置有能相互拼接的公头和母头。

2.根据权利要求1所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，所述的金属外壳体（1）下部内圆周设置有金属托台（8），所述的负极端面导电层（7）与金属托台（8）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，所述的导电轴芯（2）采用Al、Cu、Ag、Au、Ni、Mo、Ta、Ti、V、Cr、Fe、Co、导电性金属合金、导电性金属氧化物、石墨或表面镀Al、Cu、Ag、Au、Ni、Mo、Ta、Ti、V、Cr、Fe、Co或石墨烯的陶瓷或高分子材料。

4.根据权利要求1所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，所述的薄膜基板（31）采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯和聚酰亚胺材质中的一种或多种混合；

所述的表面导电层（32）采用Al、Cu、Ag、Au、Ni、Mo、Ta、Ti、V、Cr、Fe、Co、导电性金属合金、导电性金属氧化物、石墨、碳纳米管、炭黑和石墨烯中的一种或多种混合。

5.根据权利要求1所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，表面导电层（32）设置在薄膜基板（31）的表面一侧，并在该表面另一侧留有未金属化空白，未金属化空白的宽度为薄膜基板（31）宽度的1-20%。

6.根据权利要求5所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，未金属化空白的宽度为薄膜基板（31）宽度的5-10%。

7.根据权利要求1所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，正极端面导电层（6）和负极端面导电层（7）采用Al、Cu、Ag、Au、Ni、Mo、Ta、Ti、V、Cr、Fe、Co、导电性金属合金、导电性金属氧化物、石墨、碳纳米管、炭黑和石墨烯中的一种或多种混合。

8.根据权利要求1所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，该同轴电容器还包括绝缘端盖（9），绝缘端盖（9）由绝缘漆或柔性绝缘材料，绝缘端盖（9）隔离金属外壳体（1）和导电轴芯（2）。

9.根据权利要求1所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，导电轴芯（2）中心设置有贯通上、下端的中孔（10）。

10.根据权利要求1所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，导电轴芯（2）上、下端分别设置相适配的公头（11）和母头（12），金属外壳体（1）的上、下端分别设置相适配的螺纹公头（13）和螺纹母头（14）。

11.根据权利要求10所述的一种超高压同轴薄膜电容器，其特征在于，螺纹公头（13）外端加工有安装密封高压流体的盘根槽，螺纹母头（14）螺纹段内侧加工有密封面。

12.一种并联式同轴电容器装置，其特征在于，该装置包括多个如权利要求1-8任意一项权利要求所述的电容器，多个电容器上、下拼接设置，上、下相邻的两个电容器的金属外壳体（1）上、下相互拼接，两个电容器的导电轴芯（2）上、下相互拼接构成并联式电容电路。

13.根据权利要求12所述的一种并联式同轴电容器装置，其特征在于，导电轴芯（2）中心设置有贯通上、下端的中孔（10），各个电容器的中孔（10）相互连接，中孔（10）内设置有控制放电的导线（15）。

14.根据权利要求13所述的一种并联式同轴电容器装置，其特征在于，所述的导电轴芯（2）和金属外壳体（1）的上、下端分别设置有能相互拼接的公头和母头；上、下相邻的两个电容器的金属外壳体（1）通过公头和母头相互拼接，上、下相邻的两个电容器的导电轴芯（2）通过公头和母头相互拼接。

15.根据权利要求14所述的一种并联式同轴电容器装置，其特征在于，所述的导电轴芯（2）上、下端分别设置相适配的公头（11）和母头（12），金属外壳体（1）的上、下端分别设置相适配的螺纹公头（13）和螺纹母头（14）。

16.根据权利要求15所述的一种并联式同轴电容器装置，其特征在于，所述的螺纹公头（13）外端加工有安装密封高压流体的盘根槽，螺纹母头（14）螺纹段内侧加工有密封面。

17.权利要求1-11任意一项权利要求所述的电容器或权利要求12所述的并联式同轴电容器装置在高能电脉冲储能设备中的应用。

18.根据权利要求17所述的应用，其特征在于，该应用为在油气井地下高压电脉冲放电管道清垢和/或岩层压裂增产设备中的应用。