DE102010048903A1

DE102010048903A1 - Elektrische Durchführung für Hochdruckanwendungen als Träger für Sensoren

Info

Publication number: DE102010048903A1
Application number: DE201010048903
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kurt Brode; Ralf Koppert; André Keiner
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-10-09
Also published as: DE102010048903B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Bereitstellen einer elektrischen Durchführung für Hochdruckanwendungen mit Druckdifferenzen zwischen einer Hochdruckseite (2) und einer Niederdruckseite (4) von mehr als 1.000 bar, insbesondere mehr als 4.000 bar, und vorzugsweise mehr als 10.000 bar, wobei die Vorrichtung (1) einen aus einer Keramik hergestellten Dichtkörper (10) aufweist, und wobei der Dichtkörper (10) einen Dichtabschnitt für das hochdruckfeste Abdichten der Hochdruckseite (2) gegenüber der Niederdruckseite (4) aufweist und außerdem mindestens einen elektrisch leitfähigen Pfad (22) für eine elektrische Durchkontaktierung von der Hochdruckseite (2) auf die Niederdruckseite (4) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer elektrischen Durchführung für Hochdruckanwendungen mit Druckdifferenzen zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite von mehr als 1.000 bar, insbesondere mehr als 4.000 bar und vorzugsweise mehr als 10.000 bar, die gleichzeitig als Trägerfür Sensoren einsetzbar ist.
Elektrische Durchführungen sind beispielsweise aus der Vakuumtechnik bekannt, um die im Inneren einer Vakuumkammer angeordneten elektrischen Komponenten, beispielsweise Sensoren oder Heizelemente, von außerhalb der Vakuumkammer elektrisch kontaktieren zu können. Häufig wird die Dichtung durch einen aus einem aushärtbaren Harz oder aus einem Glas geformten Körper bereitgestellt, wobei für das Erreichen einer vorgegebenen Druckfestigkeit eine ausreichend hohe Wandstärke vorgesehen werden muss. Dadurch weisen elektrische Durchführungen für Hoch- und Höchstdruckanwendungen ein großes Bauvolumen auf. Bei Druckdifferenzen von mehr als 10.000 bar wird außerdem die erreichbare Materialfestigkeit von solchen Materialverbünden weit überschritten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere bei hohen und auch sehr hohen Drücken eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet und dennoch die Möglichkeit bietet, mindestens eine elektrische Verbindung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite dauerhaft zuverlässig bereitzustellen.
Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
In einer Ausführungsart weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen aus einer Keramik hergestellten Dichtkörper auf. Beispielsweise kann der Dichtkörper aus Aluminiumoxyd Al₂O₃ hergestellt sein, vorzugsweise mit einer hohen Reinheit von mindestens 96% Al₂O₃, insbesondere mehr als 98% Al₂O₃ und vorzugsweise 99,8% Al₂O₃, oder aus Siliciumnitrit Si₃N₄ oder aus Zirkonoxyd ZrO₂. Dadurch lassen sich auch mit geringer Baugröße hochdruckfeste Durchführungen bereitstellen.
Für die Abdichtung weist der Dichtkörper einen Dichtabschnitt auf, der in dichtende Anlage an ein Gegenlager beispielweise eines Grundkörpers bringbar ist. Sofern der Grundkörper aus einem Metall hergestellt ist, erfolgt die Abdichtung an der Grenzfläche zwischen der Keramik des Dichtkörpers und dem Metall des Grundkörpers. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass der Grundkörper ebenfalls aus Keramik besteht, so dass an der Dichtfläche Keramik und Keramik dichtend aneinander liegen. Als weitere Alternative kann auf den Dichtabschnitt des Dichtkörpers eine vorzugsweise duktile Beschichtung aufgebracht sein, beispielsweise eine dielektrische oder metallische Beschichtung, so dass die Grenzfläche auch durch eine Kombination Keramik/Metall, Metall/Metall, Keramik/Dielektrikum, Metall/Dielektrikum gebildet sein kann.
Der Dichtkörper weist mindestens einen elektrisch leitfähigen Pfad für eine elektrische Durchkontaktierung von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite auf. Vorzugsweise ist mindestens ein elektrischer Pfad zentrisch im Bezug auf eine Längsachse des Dichtkörpers angeordnet. Es können auch mehrere, vorzugsweise gegeneinander elektrisch isolierte leitfähige Pfade in dem Dichtkörper ausgebildet sein. Mehrere elektrisch leitfähige Pfade können nebeneinander oder übereinander angeordnet sein, in einem Querschnitt zur Längsachse des Dichtkörpers auf einer Kreislinie verteilt angeordnet sein, oder auch koaxial zu einer Längsachse des Dichtkörpers angeordnet sein.
In einer Ausführungsart ist der elektrisch leitfähige Pfad durch einen elektrisch leitfähigen, vorzugsweise linienförmigen, und sich von der Hochdruckseite bis zur Niederdruckseite erstreckenden keramischen Abschnitt des Dichtkörpers gebildet. Der elektrisch leitfähige Abschnitt des Dichtkörpers kann beispielsweise durch eine lokale Variation der keramischen Bestandteile gebildet sein. Vorzugsweise wird jedoch anstelle einer Variation der keramischen Bestandteile der keramische Werkstoff des Dichtkörpers selbst dotiert, um dadurch einerseits eine lokale elektrische Leitfähigkeit zu erhalten und andererseits die Festigkeit des Werkstoffes zu garantieren.
Der elektrisch leitfähige Pfad weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf, insbesondere eine kreiszylindrische Form, und erstreckt sich von der Hochdruckseite bis zur Niederdruckseite parallel zur oder deckungsgleich mit der Längsachse des Dichtkörpers. Alternativ oder ergänzend können auch Einlegeteile verwendet werden, beispielsweise Drähte oder zylindrische Stäbe. In Abhängigkeit vom geforderten Druckbereich können beispielsweise auch metallische Einlegeteile als elektrisch leitfähige Pfade in den Dichtkörper eingelegt sein und von dem keramischen Werkstoff des Dichtkörpers mantelförmig und elektrisch isolierend umgeben sein.
In einer Ausführungsart schließt der elektrisch leitfähige Pfad an einer der Hochdruckseite zugeordneten und/oder an einer der Niederdruckseite zugeordneten und mindestens abschnittsweise planen Stirnseite des Dichtkörpers plan und/oder im Wesentlichen bündig ab. Dadurch kann auf der Stirnfläche eine geeignete Aufbautechnik anschließen, beispielsweise um elektrische Komponenten auf der Hochdruckseite anzubringen und/oder um auf der Niederdruckseite einen elektrischen Kontakt anzubringen. Der elektrisch leitfähige Pfad kann an der Stirnfläche auch geringfügig überstehen, um die unmittelbare elektrische Kontaktierung zu vereinfachen, oder zurück versetzt angeordnet sein, um die elektrische Kontaktierung mit einem Kontaktelement zu vereinfachen.
In einer Ausführungsart ist der Dichtabschnitt im Bereich eines kegelförmigen Abschnittes des Dichtkörpers angeordnet. Dadurch lässt sich eine besonders gute Dichtwirkung erzielen. Beim Verbinden erfolgt zunächst eine linienförmige Anlage, die bei höheren Andruckkräften sich zu einer hochdichten flächigen Anlage vergrößert. Der Winkel des kegelförmigen Abschnittes ist dabei ausreichend klein, um eine hohe Dichtwirkung bereitzustellen, andererseits groß genug, um unter Berücksichtigung der Reibkoeffizienten eine Selbstklemmung zu verhindern.
In einer Ausführungsart ist der kegelförmige Abschnitt benachbart oder angrenzend zu einer der Hochdruckseite zugeordneten und mindestens abschnittsweise planen Stirnseite des Dichtkörpers angeordnet. Dadurch ergibt sich an dem stirnseitigen Ende des Dichtkörpers eine ausreichend große Anlagefläche für eine Kontaktierung des elektrisch leitfähigen Pfades. Außerdem kann dadurch die radiale Baugröße der Vorrichtung minimiert werden. Die Oberfläche des Dichtabschnitts kann durch Schleifen und/oder Polieren eine vorgebbare Rauheit aufweisen und/oder es kann eine Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein.
In einer Ausführungsart weist der kegelförmige Abschnitt einen Kegelwinkel auf, der gegenüber einem Kegelwinkel eines ein Gegenlager für den Dichtabschnitt bildenden Kegelabschnitts eine Winkeldifferenz von weniger als 2°, insbesondere weniger als 1°, und vorzugsweise etwa 0,5° aufweist. Durch diese Winkeldifferenz ist eine definierte Position der Dichtfläche gewährleistet. Außerdem kann dadurch ein vorhersagbarer Zusammenhang zwischen der Einschraubkraft und der erreichten Dichtwirkung bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung im Bereich des Dichtabschnitts mindestens einen weiteren elektrisch leitfähigen Pfad auf, der mit einem Gegenlager des Dichtabschnitts des Dichtkörpers elektrisch verbindbar ist. Beispielsweise kann dadurch eine Erdung des Dichtkörpers bereitgestellt werden, weil der weitere elektrisch leitfähige Pfad das elektrische Potential des Gegenlagers annimmt. Der weitere elektrisch leitfähige Pfad kann beispielsweise durch einen elektrisch leitfähigen Abschnitt der Keramik des Dichtkörpers gebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann im Bereich des Dichtabschnittes eine Schicht aus einem duktilen Werkstoff, insbesondere eine Metallschicht, aufgebracht sein, die den weiteren elektrisch leitfähigen Pfad bildet. Die aufgebrachte Schicht kann außerdem ein Dichtmittel bilden, da sie sich beim Verschrauben der Vorrichtung verformt und dichtend anlegt.
In einer Ausführungsart weist der Dichtkörper einen vorzugsweise ringförmigen Absatz auf, der in formschlüssige Anlage an eine zugeordnete und vorzugsweise ebenfalls ringförmige Anlagefläche eines Verschraubungskörpers bringbar ist. Mit dem Verschraubungskörper ist der Dichtkörper in einen Grundkörper einschraubbar und dadurch der Dichtabschnitt in dichtende Anlage an den Grundkörper bringbar. Durch die Verwendung eines Verschraubungskörpers kann im Bedarfsfall der Dichtkörper einfach ausgetauscht werden. Der Verschraubungskörper kann eine Werkzeugangriffsfläche aufweisen, beispielsweise einen Außenvielkant, insbesondere Außensechskant, und/oder einen Innenvielkant, insbesondere Innensechskant. Die Werkzeugangriffsfläche kann an oder nahe dem der Niederdruckseite zugewandten Ende des Verschraubungskörpers angeordnet sein.
In einer Ausführungsart bildet die Vorrichtung vorzugsweise auf einer mindestens abschnittsweise planaren und/oder elektrisch isolierenden Fläche ein Trägersubstrat für ein Sensorelement, insbesondere für ein Sensorelement, das mindestens einen Parameter eines Mediums auf der Hochdruckseite, beispielsweise Druck, Temperatur, Leitwert, Impedanz, Dielektrizitätskonstante und dergleichen, in ein elektrisches Signal wandelt. Das Sensorelement kann hierfür in montierten Zustand der Vorrichtung in Kontakt mit dem Medium auf der Hochdruckseite sein. Das Sensorelement ist vorzugsweise in Schichttechnik hergestellt.
In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung ein Sensorelement auf, das einen Druck auf der Hochdruckseite in ein elektrisches Signal umwandelt. Dadurch kann die Vorrichtung auch als Drucksensor eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft dabei ist, wenn die Vorrichtung als anflanschbare Komponente beispielsweise in der Art eines Blindstopfens einsetzbar ist und mittels bestehender Hochdruckverbindungselemente montierbar ist.
Das Sensorelement, das beispielsweise auf einer der Hochdruckseite zugewandten Stirnfläche des Dichtkörpers angeordnet sein kann, ist über den elektrisch leitfähigen Pfad elektrisch kontaktierbar, insbesondere von der Niederdruckseite aus kontaktierbar. Dadurch entfällt eine separate Durchführung elektrischer Kontakte und Verbindungsleitungen für das Sensorelement. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Kontaktierung des Sensorelements in Dünnschichttechnik, beispielsweise indem Kontaktflächen des Sensorelements entweder mittels einer in Dünnschichttechnik aufgebrachten Kontaktstruktur oder Leiterbahn oder unmittelbar durch den elektrisch leitfähigen Pfad kontaktierbar ist.
In einer Ausführungsart ist ein weiterer elektrischer Kontakt des Sensorelements über eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem Gegenlager für den Dichtabschnitt des Dichtkörpers bereitstellbar. Beispielsweise ist der weitere elektrische Kontakt über die dichtende Anlage des Dichtkörpers an einem Grundkörper einer Druckeinrichtung möglich. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung auch mehrere elektrisch leitfähige Pfade aufweisen, mit denen eine zwei- oder mehrpolige elektrische Verbindung mit dem Sensorelement hergestellt werden kann.
In einer Ausführungsart ist der Widerstandswert des Sensorelements abhängig von dem auf der Hochdruckseite wirkenden Druck. Besonders vorteilhaft können hierfür Widerstandsmaterialien eingesetzt werden, die einen piezoresistiven Effekt aufweisen, so dass die messbare Widerstandsänderung größer ist als die durch die Geometrieänderung der Widerstandsbahn aufgrund des einwirkenden Drucks verursachte Widerstandsänderung. Besonders vorteilhaft ist, wenn für das Widerstandselement Werkstoffe eingesetzt werden, die ohne einen Verformungskörper, wie beispielsweise eine Membran oder ein Biegebalken, sondern lediglich durch den isostatisch auf den Widerstand einwirkenden Druck eine Widerstandsänderung zeigen. Dadurch kann auf einen Verformungskörper verzichtet werden, was insbesondere bei Hochdruckanwendungen vorteilhaft ist, weil dadurch ein hoher Berstschutz bereitgestellt ist.
In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung auf der Niederdruckseite ein Referenzelement auf. Das Referenzelement kann beispielsweise ebenfalls ein Widerstand sein, dessen Widerstandswert allerdings unabhängig von dem auf der Hochdruckseite wirkenden Druck ist. Das Referenzelement kann mit dem Sensorelement elektrisch verschaltet sein, beispielsweise zu einer Halbbrücke verschaltet sein. Das Referenzelement weist vorzugsweise denselben Temperaturkoeffizienten auf wie das Sensorelement, damit auftretende Temperaturänderungen keinen oder einen möglichst geringen Einfluss auf das Messergebnis haben. Insbesondere kann das Referenzelement im Wesentlichen identisch wie das Sensorelement aufgebaut sein. Vorzugsweise ist der Temperaturkoeffizient des Sensorelements und/oder des Referenzelements vernachlässigbar klein oder jedenfalls konstant über einen vorgegebenen Temperaturbereich von beispielsweise 100 bis 500 Kelvin, insbesondere 200 bis 400 Kelvin.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 zeigt den Ausschnitt II der 1 in vergrößerter Darstellung,
3 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel,
4 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel,
5 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel,
6 zeigt den Ausschnitt VI der 5 in vergrößerter Darstellung,
7 zeigt den Ausschnitt VII der 5 in vergrößerter Darstellung,
8 zeigt einen Schnitt durch ein Sensorelement der Vorrichtung in vergrößerter Darstellung,
9 zeigt ein Cluster in weiter vergrößerter Darstellung, und
10 zeigt einen Schnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensorelements der Vorrichtung in vergrößerter Darstellung.
Die 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Bereitstellen einer elektrischen Durchführung für Hochdruckanwendungen mit Druckdifferenzen zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite, im vorliegenden Fall für eine Druckdifferenz von mehr als 10.000 bar und insbesondere für Anwendungen von Druckdifferenzen bis zu 25.000 bar. Die Vorrichtung 1 weist einen Dichtkörper 10 auf, der aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist, im Ausführungsbeispiel aus Siliziumnitrid Si₃N₄. Der Dichtkörper 10 weist an seinem der Hochdruckseite 2 zuweisenden Ende eine im Wesentlichen plane Stirnfläche 12 auf, an die sich ein kegelförmiger Abschnitt 14 anschließt, dessen Außenfläche 16 mit der Längsachse 6 des Dichtkörpers 10 einen Winkel zwischen 20 und 40° einschließt, insbesondere zwischen 25 und 35° und vorzugsweise etwa 27,5°. Auf der Niederdruckseite 4 schließt der Dichtkörper 10 mit einer planen und rechtwinklig zur Längsachse 6 verlaufenden Stirnfläche 24 ab.
An den kegelförmigen Abschnitt 14 schließt ein im Wesentlichen zylindrischer, insbesondere kreiszylindrischer Abschnitt 18 an, dessen Erstreckung in Längsachse zwischen 20 und 50% der gesamten Länge des Dichtkörpers 10 beträgt. Daran schließt sich in Richtung auf die Niederdruckseite 4 ein zweiter zylindrischer Abschnitt 20 an, insbesondere ein zweiter kreiszylindrischer Abschnitt, dessen Erstreckung in Längsrichtung zwischen 30 und 60% der gesamten Länge des Dichtkörpers 10 beträgt. Im Ausführungsbeispiel beträgt die gesamte Länge des Dichtkörpers 10 zwischen 15 und 60 mm, insbesondere zwischen 20 und 40 mm. Die größte radiale Erstreckung 52, die zwischen 20 und 50% der Länge des Dichtkörpers 10 betragen kann und im Ausführungsbeispiel zwischen 12 und 20 mm beträgt, weist der Dichtkörper 10 im Bereich des ersten zylindrischen Abschnitts 18 auf.
Im Zentrum des Dichtkörpers 10 erstreckt sich über seine gesamte axiale Länge ein elektrisch leitfähiger Pfad 22, mit dem eine elektrische Verbindung zwischen der Hochdruckseite 2 und der Niederdruckseite 4 bereitgestellt ist. Der elektrisch leitfähige Pfad 22 ist im Ausführungsbeispiel durch eine elektrisch leitfähige Keramik gebildet, bei einer Si₃N₄-Keramik beispielsweise durch dotiertes unstöchiometrisches Si₃N_x oder bei einer Al₂O₃-Keramik durch geringe Metalldotierung von Molybdän, derart, dass eine ausreichende Leitfähigkeit erzielt wird und die hochfeste Gefügestruktur des Materials erhalten bleibt. An dem hochdruckseitigen Ende schließt der elektrisch leitfähige Pfad 22 plan und vorzugsweise bündig mit der umgebenden Stirnfläche 12 des Dichtkörpers 10 ab. Auf der Niederdruckseite 4 schließt der elektrische leitfähige Pfad 22 plan und vorzugsweise bündig mit der ihn umgebenden Stirnfläche 24 des Dichtkörpers 10 ab.
Im Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 einen vorzugsweise metallischen Verschraubungskörper 30 auf, der ein Außengewinde 32 aufweist, mittels dem der Verschraubungskörper 30 in einen beispielsweise zu einer Hochdruckkammer zugehörigen Grundkörper 34 einschraubbar ist. Der Grundkörper 34 weist hierzu einen ersten Bohrungsabschnitt mit einem Innengewinde auf. An den ersten Bohrungsabschnitt schließt unter Ausbildung eines Absatzes 36 in Richtung auf die Hochdruckseite 2 ein kegelförmige Abschnitt an, dessen Kegelfläche 38 mit der Längsachse 6 einen Winkel einschließt, der von dem Winkel der Außenfläche 16 des Dichtkörpers 10 abweicht und im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 27° beträgt. Daran schließt sich ein vergleichsweise kurzer Abschnitt mit einer bis zur Hochdruckseite 2 reichenden zylindrischen Bohrung 40 an.
An oder nahe seinem der Niederdruckseite 4 zugewandten Ende weist der Verschraubungskörper 30 außenseitig eine Werkzeugangriffsfläche 42 auf, im Ausführungsbeispiel einen Außensechskant, der einen größeren Außenumfang aufweist als der daran anschließende Abschnitt mit dem Außengewinde 32. Der Verschraubungskörper 30 ist hülsenförmig ausgebildet mit einer durchgehenden Bohrung 44, die ausgehend von der Niederdruckseite 4 zunächst zylindrisch verläuft und den zweiten zylindrischen Abschnitt 20 des Dichtkörpers 10 aufnimmt. Die lichte Weite ist in diesem Abschnitt ist größer als der Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Abschnitts 20 des Dichtkörpers 10, so dass der Dichtkörper 10 ohne Verklemmen in den Verschraubungskörper 30 einsetzbar ist.
In Richtung auf die Hochdruckseite 2 schließt sich ein Bohrungsabschnitt mit einem vergrößerten Außendurchmesser an, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des ersten zylindrischen Abschnitts 18 des Dichtelements 10 entspricht und nur geringfügig größer ist. Dadurch ist eine Führung des Dichtkörpers 10 in dem Verschraubungskörper 30 gewährleistet. Der Übergang der beiden Abschnitte ist durch eine ringförmig verlaufende Anlagefläche 46 gebildet, die sich radial rechtwinklig zur Längsachse 6 erstreckt. In angepasster Weise weist der Dichtkörper 10 am Übergang von dem ersten zylindrischen Abschnitt 18 zum zweiten zylindrischen Abschnitt 20 einen ringförmigen Absatz 26 auf, der beim Einschrauben des Verschraubungskörpers 30 in den Grundkörper 34 in formschlüssige Anlage an die ringförmige Anlagefläche 46 kommt. Dadurch sind beim Einschrauben des Verschraubungskörpers 30 hohe Kräfte auf den Dichtkörper 10 übertragbar.
Die 2 zeigt den Ausschnitt II der 1 in vergrößerter Darstellung. In dieser Darstellung ist die nicht maßstäblich, sondern vergrößert dargestellte Winkeldifferenz 28 zwischen dem Kegelwinkel der Außenfläche 16 des Dichtkörpers 10 und dem Kegelwinkel der Kegelfläche 38 des Grundkörpers 34 erkennbar, die im Ausführungsbeispiel weniger als 2°, insbesondere weniger als 1°, und vorzugsweise etwa 0,5° beträgt.
Die 3 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 101. Ein wesentliche Unterschied gegenüber dem in der 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der Dichtkörper 110 zwei elektrisch leitfähige Pfade 122A, 122B aufweist, die exzentrisch aber parallel zur Längsachse 6 verlaufen und dadurch eine zweiadrige Verbindung zwischen der Hochdruckseite 2 und der Niederdruckseite 4 bereitstellen. Beide elektrisch leitfähigen Pfade 122A, 122B weisen dieselbe Querschnittsfläche auf und sind daher in gleichem Maße stromtragfähig. Alternativ hierzu können die beiden Pfade 122A, 122B auch eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen, so dass unterschiedliche Stromtragfähigkeiten und/oder unterschiedliche Widerstandswerte realisierbar sind.
An dem der Hochdruckseite 2 zugewandten Ende ist auf den Dichtkörper 110 eine elektrisch leitfähige Beschichtung 148 aufgebracht, beispielsweise eine Metallschicht. Diese Beschichtung 148 kann sich dabei mindestens teilweise im Bereich der Außenfläche 116 des kegelförmigen Abschnitts 114 erstrecken, so dass in dem dargestellten eingeschraubten Zustand die Beschichtung 148 in elektrischer Verbindung mit dem beispielsweise aus einem Metall hergestellten Grundkörper 134 ist. Dadurch kann die Beschichtung 148 beispielsweise auf Erdpotential gelegt sein. Für den Fall, dass der Grundkörper 134 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist, oder jedenfalls im Bereich der Kegelfläche 138 eine elektrisch isolierende Oberfläche aufweist, kann durch die Beschichtung 148 eine weitere Durchkontaktierung von der Hochdruckseite 2 auf die Niederdruckseite 4 erfolgen. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die elektrische Beschichtung 148 auch auf die Stirnfläche 112 erstreckt. In diesem Fall können an der Stirnfläche 112 angebrachte elektrische oder elektronische Komponenten zusätzlich zu dem Pfad 122A, 122B auch durch die Beschichtung 148 kontaktiert werden.
Alternativ oder ergänzend zu der elektrischen Beschichtung 148 kann der Dichtkörper 110 im Bereich des Übergangs von dem kegelförmigen Abschnitt 114 zur Stirnfläche 112 auch einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 150 aufweisen, mittels dem ebenfalls ein weiteres elektrisches Potential in den Bereich der Stirnfläche 112 geführt werden kann.
Der elektrisch leitfähige Abschnitt 150 kann sich auch rotationssymmetrisch um die Längsachse 6 herum auf der Außenfläche 116 erstrecken.
Die 4 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 201. Der Dichtkörper 210 weist zwei elektrisch leitfähige Pfade 222A, 222B auf, die koaxial zueinander angeordnet sind. Ein zentrisch zur Längsachse 6 verlaufender erster Pfad 222A ist als Innenleiter ausgebildet, und entspricht im Wesentlichen dem Pfad 22 des ersten Ausführungsbeispiels der 1. In einem vergleichsweise geringen radialen Abstand hierzu verläuft der im Querschnitt zur Längsachse 6 ringförmige zweite Pfad 222B, der von dem ersten Pfad 222A durch den Werkstoff des Dichtkörpers 210 elektrisch isoliert ist. Der zweite Pfad 222B kann beispielsweise eine Abschirmfunktion für den ersten Pfad 222A bilden. Dadurch können auch hochfrequente Signale zwischen der Hochdruckseite 2 und der Niederdruckseite 4 übertragen werden. Der wirksame Wellenwiderstand der elektrischen Durchführung ist durch die Wahl der Geometrie und des Werkstoffes der elektrisch leitfähigen Pfade 222A, 222B vorwählbar.
Abhängig von der erforderlichen Stromtragfähigkeit und dem maximal möglichen Durchmesser des Dichtkörpers 10 können auch mehrere elektrisch leitfähige Pfade, insbesondere auch mehrere Koaxialleitungen, in dem Dichtkörper 210 integriert sein. Dadurch können mehrere elektrisch leitfähige Verbindungen von der Vorrichtung 1 realisiert werden.
Die 5 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1, die hinsichtlich des Dichtkörpers 10 im Wesentlichen identisch ausgeführt ist wie das erste Ausführungsbeispiel der 1, weshalb auf die zugehörige Beschreibung Bezug genommen wird.
Die 6 zeigt einen Ausschnitt VI der Vorrichtung 1 der 5, und die 7 zeigt einen Ausschnitt VII der Vorrichtung 1 der 5, jeweils in vergrößerter Darstellung.
Auf einer der Hochdruckseite 2 zugewandten Stirnfläche 12 des Dichtkörpers 10 sind im Ausführungsbeispiel zwei Sensorelemente 60, 62 angeordnet, deren Kontaktierung in der 7 dargestellt ist. Auf einer der Niederdruckseite 4 zugewandten Stirnfläche 24 des Dichtkörpers 10 sind zwei Referenzelemente 64, 66 angeordnet, deren elektrische Kontaktierung in der 6 dargestellt ist. Das Sensorelement 60 kann mit einer Elektrode bzw. mit einem Pol oder einem Anschluss unmittelbar mit dem elektrisch leitfähigen Pfad 22 verbunden sein, beispielsweise indem das Sensorelement 60 unmittelbar im Bereich des elektrisch leitfähigen Pfades 22 an der Stirnfläche 12 angelegt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine erste Elektrode des Sensorelements 60 über eine Leiterbahn 68 mit dem Pfad 22 elektrisch verbunden. Eine zweite Elektrode des Sensorelements 60 ist über eine elektrisch leitfähige Beschichtung 48 in elektrischer Verbindung mit dem Verschraubungskörper 30, wie dies im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 3 beschrieben ist.
Ein weiteres Sensorelement 62 ist im Bereich der Stirnfläche 12 angeordnet. Ein erster Anschluss des weiteren Sensorelements 62 kann beispielsweise über einen weiteren elektrischen Pfad mit der Niederdruckseite 4 verbunden sein, beispielsweise über einen der im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 beschriebenen weiteren elektrischen Pfade 122b, 222b. Ein zweiter elektrischer Anschluss des weiteren Sensorelements 62 kann beispielsweise über einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 50 des Dichtkörpers 10 mit der Niederdruckseite verbunden sein, wie dies im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 3 beschrieben ist. Der elektrisch leitfähige Abschnitt 50 kann dabei auf der Niederdruckseite 4 durch eine weitere Leiterbahn 70 elektrisch kontaktiert und weitergeführt werden.
Auf der Niederdruckseite 4 ist ein Referenzelement 64 angeordnet, insbesondere an der dortigen Stirnfläche 24 angebracht. Ein erster Pol des Referenzelements 64 ist über den Pfad 22 in elektrischer Verbindung mit dem Referenzelement 60. Ein zweiter Pol des Referenzelements 64 ist über eine weitere Leiterbahn 72 elektrisch kontaktierbar. Ein weiteres Referenzelement 66 ist ebenfalls über Leiterbahnen 74, 76 kontaktierbar und kann insbesondere mit dem weiteren Sensorelement 62 verbunden sein. Das Referenzelement 64 kann unmittelbar oder, wie in der 6 dargestellt, über eine Leiterbahn 78 mit dem Pfad 22 verbunden sein.
Sowohl die Sensorelemente 60, 62 als auch die Referenzelemente 64, 66 und die Leiterbahnen 68, 70, 72, 74, 76, 78 können mindestens teilweise in Dünnschichttechnik auf die Stirnflächen 12, 24 aufgebracht sein. Die Sensorelemente 60, 62 können beispielsweise piezoresistive Widerstände sein, insbesondere solche, die bei isostatischer Druckeinwirkung, d. h. bei Druckeinwirkung auf allen frei liegenden Flächen des Sensorelements 60, 62, eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstandswertes von der Höhe des Drucks aufweisen. Die Referenzelemente 64, 66 können dementsprechend ebenfalls Widerstände sein, die vorzugsweise identisch wie die Sensorelemente 60, 62 aufgebaut sind.
In dem in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 60 mit dem Referenzelement 64 zu einer Halbbrücke verschaltet, wobei im einfachsten Fall eine Spannung zwischen der weiteren Leiterbahn 72 und dem Verschraubungskörper 30 bzw.
Grundkörper 34 angelegt werden kann. Das weitere Sensorelement 62 und das weitere Referenzelement 66 können zu einer Halbbrücke verschaltet sein; die beiden Halbbrücken können zu einer Vollbrücke verschaltet sein.
Als Widerstandsmaterial für die Referenzelemente 64, 66 können beispielsweise Chrom/Nickel-Schichten mit einer hohen Langzeitstabilität und einem vergleichsweise geringem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes eingesetzt werden oder Widerstände aus einer Legierung aus etwa 55% Kupfer, 44% Nickel und 1% Mangan mit einem über weite Temperaturbereiche geringen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes.
Alternativ oder ergänzend kann mindestens ein Teil der Widerstandsbahnen der Referenzelemente 64, 66 aus einem Kompositwerkstoff hergestellt sein, der eine Matrix 80 (8) aus einem ersten, elektrisch schlecht leitfähigen Bestandteil aufweist, beispielsweise kohlenstoffhaltig oder kohlenwasserstoffhaltig ist. In dieser Matrix 80 sind Cluster 82 und/oder Partikel 84 aus einem zweiten, elektrisch gut leitfähigen Bestandteil eingebettet, beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Nickel. Die Cluster 82 und/oder Partikel 84 können eine kohlenstoffhaltige Hülle 86, 87 aufweisen, welche die elektrisch gut leitfähigen Bestandteile umhüllen. Vorzugsweise sind die Cluster 82 und/oder Partikel 84 innerhalb der Matrix 80 voneinander beabstandet. Die Referenzelemente 64, 66 können dadurch im Wesentlichen die gleichen Temperatureigenschaften aufweisen wie die Sensorelemente 60, 62, insbesondere den gleichen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes.
Die 8 zeigt einen Schnitt durch ein Sensorelement 60 der Vorrichtung 1 in vergrößerter Darstellung. Das Sensorelement 60 ist als piezoresistiver Widerstand 61 ausgebildet, dessen elektrischer Widerstand abhängig ist von dem auf der Hochdruckseite 2 wirkenden Druck, ohne dass ein Verformungskörper erforderlich ist. Der Widerstand 61 ist aus einem Kompositwerkstoff hergestellt, der eine Matrix 80 aus einem ersten, elektrisch schlecht leitfähigen Bestandteil aufweist, im Ausführungsbeispiel eine amorphe kohlenstoffhaltige oder kohlenwasserstoffhaltige Matrix 80. In der Matrix 80 sind Cluster 82 aus einem zweiten, elektrisch gut leitfähigen Bestandteil eingebettet, beispielsweise Cluster von Metallpartikeln 84, insbesondere Nickelpartikeln. Die drucksensitive Bahn des Widerstandes 61 ist durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) eines vorzugsweise metallischen Targets in kohlenstoffhaltiger reaktiver Atmosphäre ganzflächig auf die Stirnfläche des Dichtkörpers 10 aufgebracht und anschließend strukturiert. Der Widerstand 61 weist eine Passivierung 88 auf, beispielsweise aus SiO₂, Si₃N₄ oder Al₂O₃ oder einer Kombination von zwei oder mehreren solcher Schichten, die ebenfalls durch Kathodenzerstäubung mit anschließender Strukturierung aufgebracht sein können.
Die 9 zeigt ein Cluster 82 in weiter vergrößerter Darstellung. Die zweiten elektrisch leitfähigen Bestandteile, die von metallischen Partikeln 84 gebildet sind, sind jeweils von einer vorzugsweise kohlenstoffhaltigen Hülle 87 umgeben. Ergänzend ist im Ausführungsbeispiel auch das gesamte Cluster 82 von einer vorzugsweise kohlenstoffhaltigen Hülle 86 umgeben. Alternativ hierzu können auch nur die zweiten elektrisch leitfähigen Bestandteile oder nur das gesamte Cluster 82 von einer Hülle 86, 87 umgeben sein.
Die 10 zeigt einen Schnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensorelements der Vorrichtung in vergrößerter Darstellung. Die einzelnen metallischen Partikel 84 sind mit einer Graphenhülle 87 umgeben und in eine mindestens größtenteils amorphe Kohlenwasserstoffmatrix 80 eingebettet. Die in den 8 und 9 dargestellte Hülle 86 ist in diesem Fall nicht vorhanden. Benachbarte, mit der Graphenhülle 87 umhüllte Partikel 84 können mit ihrer jeweiligen Graphenhülle 87 aneinander in Anlage sein oder es kann jedenfalls teilweise zwischen den Graphenhüllen 87 der Partikel 84 der Werkstoff der Matrix 80 angeordnet sein, beispielsweise amorpher Kohlenstoff. Die Partikel 84 sind beispielsweise aus Nickelpartikeln gebildet. In einer Ausführungsart sind die Partikel 84 derart klein, dass sie nicht durch eine Anhäufung von metallischen Partikeln gebildet sind, sondern dass mindestens ein Teil der Partikel 84, beispielsweise mindestens 50%, insbesondere mehr als 65% und vorzugsweise mehr als 80% der Partikel 84 jeweils durch einen einzigen metallischen Partikel gebildet ist, insbesondere durch einen einkristallinen Partikel.
Zwischen den Clustern 82 bzw. Partikeln 84 sind damit sogenannte turbostratische Graphenebenen 87 angeordnet. Es können mehrere Ebenen hüllenartig das jeweilige Cluster 82 bzw. den jeweiligen Partikel 84 umgeben. Die Ladungsträger tunneln von Ebene zu Ebene. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes ist negativ. Durch den Tunneleffekt stellt sich eine hohe Dehnungsempfindlichkeit ein.
In den metallischen Clustern 82 bzw. Partikeln 84 liegt metallische Leitfähigkeit vor. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes ist positiv. Im Metall, insbesondere innerhalb der metallischen Cluster 82 bzw. Partikel 84, ist die elektrische Leitfähigkeit nicht von der Stromflussrichtung abhängig. Im Graphit bzw. turbostratischen Graphit, das die Cluster 82 bzw. Partikel 84 umgibt, ist die elektrische Leitfähigkeit von der Stromflussrichtung abhängig.

Claims

Vorrichtung (1) zum Bereitstellen einer elektrischen Durchführung für Hochdruckanwendungen mit Druckdifferenzen zwischen einer Hochdruckseite (2) und einer Niederdruckseite (4) von mehr als 1.000 bar, insbesondere mehr als 4.000 bar, und vorzugsweise mehr als 10.000 bar, wobei die Vorrichtung (1) einen aus einer Keramik hergestellten Dichtkörper (10) aufweist, und wobei der Dichtkörper (10) einen Dichtabschnitt für das hochdruckfeste Abdichten der Hochdruckseite (2) gegenüber der Niederdruckseite (4) aufweist und außerdem mindestens einen elektrisch leitfähigen Pfad (22) für eine elektrische Durchkontaktierung von der Hochdruckseite (2) auf die Niederdruckseite (4) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Pfad (22) durch einen elektrisch leitfähigen, vorzugsweise linienförmigen, und sich von der Hochdruckseite (2) bis zur Niederdruckseite (4) erstreckenden keramischen Abschnitt des Dichtkörpers (10) gebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Pfad (22) mantelförmig von einem elektrisch isolierenden keramischen Abschnitt des Dichtkörpers (10) umgeben ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Pfad (22) an einer der Hochdruckseite (2) zugeordneten und mindestens abschnittsweise planen Stirnseite des Dichtkörpers (10) plan und/oder im wesentlichen bündig abschließt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtabschnitt im Bereich eines kegelförmigen Abschnitts (14) des Dichtkörpers (10) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelförmige Abschnitt (14) benachbart oder angrenzend zu einer der Hochdruckseite (2) zugeordneten und mindestens abschnittsweise planen Stirnseite (12) des Dichtkörpers (10) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelförmige Abschnitt (18) einen Kegelwinkel aufweist, der gegenüber einem Kegelwinkel eines ein Gegenlager für den Dichtabschnitt bildenden Kegelabschnitts eine Winkeldifferenz (28) von weniger als 2°, insbesondere weniger als 1°, und vorzugsweise etwa 0,5° aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) im Bereich des Dichtabschnitts mindestens einen weiteren elektrisch leitfähigen Pfad (148, 150) aufweist, der mit einem Gegenlager für den Dichtabschnitt des Dichtkörpers (10) elektrisch verbindbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Dichtabschnitts eine elektrisch leitfähige Schicht (148) aufgebracht ist, insbesondere eine Metallschicht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper (10) einen vorzugsweise ringförmigen Absatz (26) aufweist, der in formschlüssige Anlage an eine zugeordnete und vorzugsweise ebenfalls ringförmige Anlagefläche (46) eines Verschraubungskörpers (30) bringbar ist, mittels dem der Dichtkörper (10) in einen Grundkörper (34) einschraubbar ist und dadurch der Dichtabschnitt in dichtende Anlage an den Grundkörper (34) bringbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) vorzugsweise auf einer mindestens abschnittsweise planaren und/oder elektrisch isolierenden Fläche ein Trägersubstrat für ein Sensorelement (60) bildet, insbesondere für ein Sensorelement (60), das mindestens einen Parameter eines Mediums auf der Hochdruckseite (2), beispielsweise Druck, Temperatur, Leitwert, Impedanz, Dielektrizitätskonstante und dergleichen, in ein elektrisches Signal wandelt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Sensorelement (60) aufweist, das den Druck auf der Hochdruckseite (2) in ein elektrisches Signal umwandelt, und dass das Sensorelement (60) über den elektrisch leitfähigen Pfad (22) elektrisch kontaktierbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer elektrischer Kontakt des Sensorelements (60) über eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem Gegenlager für den Dichtabschnitt des Dichtkörpers (10) bereitstellbar ist
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des Sensorelements (60) verformungskörperfrei eine Abhängigkeit von dem auf der Hochdruckseite (2) wirkenden Druck aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Referenzelement (64) aufweist, dessen elektrisches Signal unabhängig von dem auf der Hochdruckseite (2) wirkenden Druck ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (60) in Schichttechnik hergestellt ist.