JP2016521451A5 - - Google Patents

Description

モジュール式信号インターフェース装置及び関連する坑井内電力及びデータシステム

概して、坑井内環境中の装置へ電力を供給するシステム及び方法が説明される。

本願は、２０１３年３月１５日に出願された米国出願シリアル番号第１３／８４３，７４６号と、２０１３年１０月８日に出願された米国仮出願シリアル番号第６１／８８８，１３３号とに基づく優先権を主張し、これらの全体は参照によってここに組み込まれる。

人々及び会社が石油の探索及び採掘を続けるとき、炭化水素の探究はますます複雑になってきている。例えば、「容易に採掘できる石油（easy oil）」が概して採り尽くされ、今日の探査では、地中深くへ坑井を掘削することで以前よりもずっと深くまで探索することを必要としているのは周知である。坑井を掘削することにより、個人及び会社が地下の物質を評価して所望の炭化水素を抽出できるようになる一方で、これらの過酷な環境では多くの課題に遭遇する。ここで、坑井内温度は、摂氏３００度まで又はそれよりも高い温度までの範囲にわたる可能性がある。

坑井の掘削及び記録が地殻へより深く進入して行われるとき、坑井内機器の高温環境への露出が増大し続ける。さらに、今日の装置類は、概して、そのような環境で動作するように作られているわけではなく、この範囲内の周囲の温度に達するずっと前に故障するだろう。この複雑な事情により、あらゆる種類の複雑な装置類を生じさせた。技術の他のセグメントと一致して、装置類の複雑さの増大は、増大した電力需要をユーザにもたらす。

特に、上昇した温度は、多くの場合、従来のシステムが故障する技術的な制限をもたらす。例えば、電子回路及びエネルギー貯蔵装置を備える従来の電力システムは、従来のエネルギー貯蔵装置又は従来の電子回路の劣化又は破壊のいずれかに起因して、坑井内環境で生じる温度で故障するだろう。さらに、改善された装置類のシステムは、多くの場合、より大きな能力の電力システムを要求する。

そのため、摂氏約２００度まで又はそれより高い温度の高温環境における坑井内動作のためのエネルギー貯蔵装置を備える電力システムに対する必要性が高まっている。好ましくは、エネルギー貯蔵装置は、従来の装置が有用な電力の供給に失敗する場合、例えば、安全に関連した事項又は機能的制限、例えば電気的特性により、従来のエネルギー貯蔵装置の有効な使用を妨げる場合には、ユーザに電力を供給するだろう。

米国特許公開第２０１３／０２３６７６４Ａ１号明細書。

本発明は、モジュール式信号インターフェース装置及び関連する坑井内電力及びデータシステムを提供する。

従って、様々な実施形態は、エネルギー貯蔵構成要素を含み、ある実施形態ではモジュール式信号インターフェース装置（modular signal interface device：ＭＳＩＤ）を含む坑井内電源システムに関する。本明細書で使用されるように、モジュール式信号インタフェース装置は、多数の目的及び変化した目的のために動作してもよい。例えば、ある実施形態では、ＭＳＩＤは、エネルギー貯蔵構成要素を制御してもよい。ある実施形態では、ＭＳＩＤはデータを記録してもよい。エネルギー貯蔵装置構成要素及び／又はＭＳＩＤは、いくつかの実施形態では、高温で動作するように構成されてもよい。

ＭＳＩＤは、様々な組み合わせで所望の機能を提供するように選択されてもよい、予め組み立てられた構成要素から製造される。

ある実施形態では、エネルギー貯蔵構成要素は、少なくとも１つのウルトラキャパシタを含んでもよい。

１つの態様において、本発明は、ＭＳＩＤと、上記ＭＳＩＤを収容してツールストリングの中へ配置するように構成されたハウジング構造物とを備えるシステムを提供する。

他の態様において、本発明は、ＭＳＩＤと、上記ＭＳＩＤを収容してカラーの上又はカラーの中に装着するように構成されたハウジング構造物とを備えるシステムを提供する。

他の態様において、本発明は電力システムを提供し、上記システムは、本明細書に開示されるようなＭＳＩＤと、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置（「ＨＴＲＥＳ」）と、ツールストリングの中に配置するために上記ＭＳＩＤ及びＨＴＲＥＳをともに収容するハウジング構造物とを備える。

他の態様において、本発明はデータシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたコントローラと、データを受信するように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、データシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、掘削の最適化を行うように構成されたコントローラと、掘削データをリアルタイムで受信するように構成され、掘削動力学の修正に適合した１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、データシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、ビットトルク（ＴＯＢ）を決定するように構成されたコントローラと、データを受信するように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、データシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、ビット荷重（ＷＯＢ）を決定するように構成されたコントローラと、データを受信するように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、データシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、温度センサ（例えば、変化する抵抗によって温度を示す測温抵抗体（ＲＴＤ））によって温度を決定するように構成されたコントローラと、データを受信するように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、ＨＴＲＥＳと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、上記電源からの入力電力と出力ＨＴＲＥＳ電圧とを制御するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、ＨＴＲＥＳと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、バッテリー消費を３０％より大きく低減するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、ＨＴＲＥＳと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、バッテリー動作時間を５０％より大きく増大させるように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、ＨＴＲＥＳと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、動作効率を９０％より大きく増大させるように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、ＨＴＲＥＳと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、上記バッテリーから一定電流を引き出し、及びバッテリー放電時に一定出力電圧を生じさせるように構成されたモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、ＨＴＲＥＳと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、上記電源からの入力電流と出力ＨＴＲＥＳ電圧とを制御するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

他の態様において、本発明は、本明細書で説明した任意のデータシステムを使用することを含む掘削動力学の効率を改善する方法を提供する。

他の態様において、本発明は、電力システムを製造する方法を提供し、上記方法は、ＨＴＲＥＳと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを選択することを含み、上記コントローラは、電源から負荷への電力のバッファリングを制御するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、上記方法は、本明細書で説明した電力システムのように、上記ＨＴＲＥＳ及びコントローラをハウジングに組み込むことを含む。

他の態様において、本発明は、電源から負荷に電力をバッファリングする方法を提供し、上記方法は、電源を、ここで説明した請求項に係る任意の電力システムに電気的に接続することと、電力が電源から負荷にバッファリングされるように、上記電力システムを負荷に電気的に接続することとを含む。

他の態様において、本発明は、データシステムを製造する方法を提供し、上記方法は、電源から電力を受けるように適合し、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたコントローラと、データを受信する（例えばさらに解釈する）ように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを選択することを含み、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合され、上記方法は、ここで説明した請求項に係るデータシステムのように、コントローラ及び上記センサをハウジングに組み込むことを含む。

他の態様において、本発明は、データ記録及び／又は報告を行うための方法を提供し、上記方法は、データ記録及び／又は報告が可能にされるように、電源を、本明細書で説明した任意のデータシステムに電気的に接続することを含む。

他の優位点及び新規な特徴は、添付の図面とともに考慮したとき、様々な非限定的な実施形態についての以下の詳細な説明から明らかになるであろう。本明細書と参照によって含まれた文献とが矛盾及び／又は不整合な開示を含む場合には、本明細書が優先するものとする。

検層装置を含むドリルストリングの例示的な実施形態を示す図である。 ワイヤーラインによって展開される装置で検層を行う例示的な実施形態を示す図である。 例示的なウルトラキャパシタの態様を示す図である。 例示的なウルトラキャパシタに含まれうるカチオンの１次構造の実施形態を示す図である。 例示的なウルトラキャパシタのハウジングの実施形態を表す図である。 例示的なキャパシタの貯蔵セルの実施形態を示す図である。 ハウジングの例示的な本体の内部に配置されたバリアーを示す図である。 ハウジングのための例示的なキャップの態様を示す図である。 ハウジングのための例示的なキャップの態様を示す図である。本明細書では、図８Ａ及び図８Ｂをまとめて図８と呼ぶ。 本明細書のある教示内容に係るウルトラキャパシタの例示的な組み立てを示す図である。 モジュール式ハウジングシステムを組み立てた状態で示す図である。 モジュール式ハウジングシステムを分解した状態で示す図である。本明細書では、図１０Ａ及び図１０Ｂをまとめて図１０と呼ぶ。 ある実施形態に係る、貯蔵セルのまわりにラッパーとして配置されたバリアーを示す図である。 多層材料を含むキャップの例示的な実施形態を示す図である。 多層材料を含むキャップの例示的な実施形態を示す図である。 多層材料を含むキャップの例示的な実施形態を示す図である。本明細書では、図１２Ａ、図１２Ｂ、及び図１２Ｃをまとめて図１２と呼ぶ。 いくつかの実施形態に係る、ガラス−金属シールを含む電極アセンブリの断面図である。 図１２Ｂの例示的なキャップに設置された、図１３の例示的な電極アセンブリの断面図である。 エネルギー貯蔵セルの例示的な構成を組み立て過程において示す図である。 ある実施形態に係る組み立てられたエネルギー貯蔵セルを示す図である。 ある実施形態に係る組み立てられたエネルギー貯蔵セルを示す図である。 ある実施形態に係る組み立てられたエネルギー貯蔵セルを示す図である。本明細書では、図１６Ａ、図１６Ｂ、及び図１６Ｃをまとめて図１６と呼ぶ。 例示的な電極アセンブリ上におけるポリマー絶縁体の使用を示す図である。 エネルギー貯蔵装置のためのキャップの他の実施形態のための例示的なテンプレートの態様を示す図である。 エネルギー貯蔵装置のためのキャップの他の実施形態のための例示的なテンプレートの態様を示す図である。 エネルギー貯蔵装置のためのキャップの他の実施形態のための例示的なテンプレートの態様を示す図である。本明細書では、図１８Ａ、図１８Ｂ、及び図１８Ｃをまとめて図１８と呼ぶ。 ある実施形態に係る、半球形材料を含む電極アセンブリの斜視図である。 図１８Ｃのテンプレートに設置された図１９の電極アセンブリを含む例示的なキャップの斜視図である。 図２０のキャップの断面図である。 円柱形ハウジングに配置された例示的なエネルギー貯蔵セルの等角透視図である。 巻回された貯蔵セルの形態に巻回される前における、例示的なエネルギー貯蔵セルの実施形態の等角図である。 一実施形態の様々な層を示す貯蔵セルの側面図である。 いくつかの実施形態に係る、巻回された貯蔵セルであって、複数のリード線を配置するための基準マークを含む貯蔵セルの等角図である。 巻回される前の、基準マークを有する図２５の例示的な貯蔵セルの等角図である。 複数のリード線を含む、例示的な巻回された貯蔵セルを示す図である。 ある実施形態に係る、貯蔵セルに接続された整列したリード線（すなわち端子）へ与えられたＺ折り曲げを示す図である。 本明細書で説明される例示的なウルトラキャパシタストリングを、アセンブリの所定の構成要素を強調して示す図である。 例示的なウルトラキャパシタストリングを、複数のウルトラキャパシタからなる３本のストランドパックアセンブリとして示す図である。 過大な内部空間がない場合のセルアセンブリを示す図である。 過大な内部空間を有する場合のセルアセンブリを示す図である。 モジュール式ボードスタッカを、ヘッダ及びレセプタクルを備えるバスコネクタとして示す図である。 ウルトラキャパシタ管理システムの態様を示す図である。 本明細書に開示されたシステムの例示的な実施形態を示す図である。 通信プロトコルに関するフロー図を示す図である。 モータの回路モデルを示す図である。 モータ制御に関するフロー図を示す図である。 加速度計の構成を示す図である。 加速度計の構成を示す図である。本明細書では、図３８Ａ及び図３８Ｂをまとめて図３８と呼ぶ。 ハウジングの一部を除去して内部構成要素を示す、坑井内システムを示す図である。 本明細書に開示されたＭＳＩＤに基づく装置、システム、及び方法を示す、例示的な電流及び電圧データを示す図である。 本明細書に開示されたＭＳＩＤに基づく装置、システム、及び方法を示す、例示的な電流及び電圧データを示す図である。本明細書では、図４０Ａ及び図４０Ｂをまとめて図４０と呼ぶ。

本発明とみなされる内容は、特に、本明細書に添付された特許請求の範囲において指摘され、はっきりと記載されている。本発明の上述の及び他の特徴および利点は、添付の図面と一緒に理解される下記の詳細な説明から明らかになる。添付の図面は概略的であり、縮尺どおりに描かれることは意図されない。図面において、図示した同一又はほとんど同一の各構成要素は、典型的には、単一の数字によって表される。明瞭さを目的として、当業者が本発明を理解できるようにするために図解が不要である場合には、すべての図のすべての構成要素にラベルが付与されるわけではなく、また、各実施形態のすべての構成要素が図示されるわけではない。

本明細書に開示されたものは、エネルギー貯蔵装置を含み、ある実施形態ではモジュール式信号インターフェース装置を含む、坑井内システムの様々な実施形態に関する。モジュール式信号インターフェース装置は、例えば、エネルギー貯蔵構成要素を制御するために使用されてもよい。ある実施形態において、モジュール式信号インターフェース装置は、データの記録及び／又は報告を行うことができる。エネルギー貯蔵装置及び／又はモジュール式信号インターフェース装置は、いくつかの実施形態では、高温で動作するように構成されてもよい。一部のシステムは電力システムであってもよい。システムは、以前に達成された坑井より大きな能力をユーザに提供する。そのようなシステムは、坑井内環境で使用する場合について具体的に示しているが、飛行機、自動車などのエンジン区画、又はエネルギー生成プラント／タービンのような、同様の環境が存在する任意の用途で使用されてもよい。しかしながら、坑井内電力システム及び使用方法のコンテキストを提供するために、いくつかの背景情報及び定義が提供される。

１． 定義

本明細書に開示された１つ又は複数の実施形態の坑井要素を導入するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び、「その（ｔｈｅ）」は、１以上の構成要素が存在することを意味することを意図している。同様に、形容詞「もう１つの」は、ある構成要素を導入するために使用されるとき、１以上の構成要素を意味することを意図している。用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図しており、リストされた構成要素以外の付加的な構成要素が存在してもよい。

語句「及び／又は」は、本明細書では慣行により、「及び」と「又は」のいずれかを別個の実施形態として記述するように使用される。例えば、Ａ、Ｂ、及び／又はＣをリストしたものにおいて、それは、Ａ、Ｂ、及びＣと、Ａ、Ｂ、又はＣとの両方を意味することが意図される。ここで、Ａ、Ｂ、又はＣのそれぞれは別個の実施形態とみなされ、リストにおけるそれぞれは単に便宜的に集められている。本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「又は」は、上で定義された「及び／又は」と同じ意味を有するように理解されるべきである。例えば、リストにおける品目を分離するとき、「又は」もしくは「及び／又は」は包括的である、すなわち、多数の構成要素又は構成要素リストのうちの少なくとも１つを含むが、１つよりも多くを含むこともあり、オプションで、リストされていない追加の品目を含む、と解釈されるものとする。そうではないと明確に示した用語、例えば、「…のうちのただ１つ」又は「…のうちのきっかり１つ」、又は、請求項で使用されたときの「…からなる」などの用語は、多数の構成要素又は構成要素リストのうちのきっかり１つを含むことを示す。概して、本明細書に使用された用語「又は」は、「いずれか」、「…のうちの１つ」、「…のうちのただ１つ」、又は「…のうちのきっかり１つ」のような排他的であることを示す用語が先にある場合、排他的な選択肢（すなわち、「一方又は他方であｒが、両方ではない）を示すと解釈されるものとする。「本質的に…からなる」は、請求項で使用されたとき、特許法の分野で使用されるその通常の意味を有するものとする。

用語「アルケニル」や「アルキニル」は当該技術分野において認識され、また、これらの用語は、同様の長さを有し、後述のアルキルに対する可能な置換を含むが、少なくとも１つの二重結合もしくは三重結合をそれぞれ含む飽和脂肪族基を意味する。

用語「アルキル」は当該技術分野において認識され、また、この用語は、直鎖アルキル基、分岐鎖アルキル基、シクロアルキル（脂環式）基、アルキル置換シクロアルキル基、及び、シクロアルキル置換されたアルキル基を含む、飽和脂肪族基を含んでもよい。ある実施形態において、直鎖または分枝鎖アルキルは、その主鎖において約２０個以下の炭素原子を有する（例えば、直鎖ではＣ_１−Ｃ_２０、分枝鎖ではＣ_１−Ｃ_２０）。同様に、シクロアルキルは、それらの環状構造において約３〜約１０個の炭素原子を有し、代替として、環状構造において約５、６、又は７個の炭素を有する。アルキル基の例は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、エチルヘキシル、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル等を含むが、これらに限定するものではない。

本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、１つ又は複数の構成要素のリストに関して使用される語句「少なくとも１つ」は、構成要素のリストにおける構成要素のうちの任意の１つ又は複数から選ばれた少なくとも１つの構成要素を意味するように理解されるべきであるが、構成要素のリスト内に具体的にリストされた全構成要素それぞれのうちの少なくとも１つを必ずしも含まず、また、構成要素のリスト中の構成要素の任意の組み合わせを除外しない。この定義は、語句「少なくとも１つ」が表す構成要素のリスト内で具体的に識別される構成要素以外の構成要素が、それらの具体的に識別された構成要素に関連しているか無関係であるかにかかわらず、オプションで存在してもよいということを許容する。したがって、非限定的な例示として、「Ａ及びＢの少なくとも１つ」（又は同義の「Ａ又はＢの少なくとも１つ」、又は同義の「Ａ及び／又はＢの少なくとも１つ」）は、例えば、ある実施形態では、Ｂを含まず（オプションでＢ以外の構成要素を含み）、オプションで１つよりも多数を含む少なくとも１つのＡを表すことができ、もう１つの実施形態では、Ａを含まず（オプションでＡ以外の構成要素を含み）、オプションで１つよりも多数を含む少なくとも１つのＢを表すことができ、さらにもう１つの実施形態では、オプションで１つよりも多数を含む少なくとも１つのＡと、オプションで１つよりも多数を含む少なくとも１つのＢ（オプションで他の構成要素を含む）とを表すことができる。

表現「逆起電力」は、当該技術分野において認識され、また、この用語は、回転子の速度及び位置に応じて変化する誘導電圧を示す。

本明細書で使用された用語「バッファ」は、本明細書で説明するシステム、例えば本明細書で説明する電力システムのコンテキストで使用されるとき、概して、上記システムの第１の入力又は出力の態様（例えば少なくとも１つ態様を）上記システムの第２の入力又は出力の１つの態様から分離することに関する。例示的な態様は、電圧、電流、電力、周波数、位相などを含む。本明細書で使用されるバッファリング、バッファ、電力バッファ、ソースバッファなどの用語は、概して、上で定義したバッファの概念に関連する。

本明細書で使用されるように、用語「セル」は、ウルトラキャパシタセルを示す。

本明細書で使用されているように、「クラッド」、「クラッディング」等の用語は、異種金属を互いに接合することを意味する。クラッディングはしばしば、ダイ（または金型）を通して２つの金属を押し出すこと、および高圧下でシートを一緒にプレスまたは圧延することにより達成される。レーザクラッディング等の他のプロセスを用いても良い。その結果は、複数の層からなる材料のシートであり、材料の複数の層は、材料が単一のシートとして作用できるように一緒に接合されている（例えば、均一な材料の単一のシートが形成されるように形成される）。

監修的には、「汚染物質」は、導入された場合にウルトラキャパシタ１０の性能に悪影響を及ぼす可能性がある任意の望まれない材料として定義されてよいと考えてよい。また、本明細書において一般に、汚染物質は１００万分の１（ｐｐｍ）等の濃度で評価される可能性があることに注意する。当該濃度は、重量、体積、サンプル重量、もしくは適切であると認められる他の任意の方法により算出されてもよい。

本明細書で使用されるように、電源を参照した用語「制御」の使用は、概して、電源の性能を管理することに関する。しかしながら、いくつかの実施形態において、「制御」は、電源の性能のモニタリングを行うように解釈されてもよい。モニタリングは、例えば、さもないと、電源の使用の態様を制御する（例えば、有用な充電が消費されたことを充電状態が示す場合、電源を回収する）ために、有用である可能性がある。従って、用語「制御」、「制御する」などは、意図されているかさもなければ明示されている可能性があるそのような追加の解釈をカバーするように、広く解釈されるべきである。

用語「シアノ」には、当該技術分野における通常の意味が与えられ、官能基ＣＮを示す。用語「硫酸塩」は、当該技術分野におけるその通常の意味が与えられ、ＳＯ_２基を指す。用語「スルホン酸塩」には、当該技術分野における通常の意味が与えられ、官能基ＳＯ_３Ｘを表す。ここで、Ｘは、電子対、水素、アルキル、シクロアルキルであってもよい。用語「カルボニル」は当該技術分野において認識され、Ｃ＝Ｏ基を表す。

語句「坑井内状態」又は「坑井内環境」は、高温及び／又は衝撃及び振動を有する環境にさらされた機器によって経験される概略的な状態を記述するために本明細書で交換可能に使用されてもよい。ここで、高温は、例えば摂氏７５度を超え、例えば摂氏１００度を超え、例えば摂氏１２５度を超え、例えば摂氏１５０度を超え、例えば摂氏１７５度を超え、例えば摂氏２００度を超える。衝撃及び振動は、例えば５Ｇを超え、例えば１０Ｇを超え、例えば２０Ｇを超え、例えば５０Ｇを超え、例えば１００Ｇを超える。

「エネルギー密度」は、ピーク装置電圧の２乗の半分に装置容量を乗算して、装置の質量もしくは体積で除算したものである。

本明細書において議論しているように、「密閉」とは、その性能（すなわち、漏れレート）が「ａｔｏｍ−ｃｃ／秒」の単位で定義される封止（シール）を示す。これは、周囲の気圧及び温度において、１秒当たりに１立方センチメートルのガス（例えばＨｅ）を意味する。これは、「標準Ｈｅ−ｃｃ／秒」の単位における表現と等価である。さらに、１ａｔｍ−ｃｃ／秒は、１．０１３２５ミリバール−リットル／秒と等しい。

用語「ヘテロアルケニル」および「ヘテロアルキニル」は、当該技術分野において認識され、１以上の原子がヘテロ原子（例えば、酸素、窒素、硫黄等）である本明細書に記載のアルケニルおよびアルキニルアルキル基を指す。

用語「ヘテロアルキル」は、当該技術分野において認識され、１以上の原子がヘテロ原子（例えば、酸素、窒素、硫黄等）である本明細書に記載されたアルキル基を示す。例えば、アルコキシ基（例えば、−ＯＲ）は、ヘテロアルキル基である。

用語「発見的」は、当該技術分野において認識され、概して、問題解決のための経験に基づく技術を表す。

慣行では、用語「内部抵抗」、「実効直列抵抗（effective series resistance）」、及び「ＥＳＲ」、すなわち、装置の抵抗の態様を示すために当該技術分野において知られている用語は、本明細書で交換可能に使用される。

慣行では、用語「漏れ電流」は、概して、予め決められた時間期間の後に測定された、キャパシタによって流れた電流を示す。この測定は、キャパシタ端子が実質的に固定された電位差（端子電圧）に保持されているときに実行される。漏れ電流を評価する際、典型的な時間期間は７２時間であるが、異なる期間を使用してもよい。従来技術に係るキャパシタの漏れ電流は、概して、エネルギー貯蔵媒体の体積及び表面積の増大と、それにともなうハウジングの内側表面積の増大とに応じて増大することに注意する。概して、増大する漏れ電流は、ウルトラキャパシタ１０内の反応レートが徐々に増加することを示していると考えられる。漏れ電流の性能要件は、概して、特定の用途において広く行き渡っている環境状態により定義される。例えば、２０ｃｃの体積を有するウルトラキャパシタ１０に関しては、漏れ電流の事実上のリミットは、２００ｍＡ未満まで低下するであろう。

キャパシタの「寿命」もまた一般に、特定の用途によって定義され、典型的には、漏れ電流における所定割合の増加によって、または、容量もしくは内部抵抗などの（与えられた用途で適切であるか又は決定力がある）別のパラメータの劣化によって示される。例えば、一実施形態において、自動車用途におけるキャパシタの寿命は、漏れ電流がその初期（寿命の初期（beginning of life）または「ＢＯＬ」）値の２００％に増大した時間として定義されてよい。他の例においては、石油及びガスの用途におけるキャパシタの寿命は、次のいずれかが起こる時間として定義してもよい：容量がそのＢＯＬ値の５０％まで低下するとき、内部抵抗がそのＢＯＬ値の２００％まで増大するとき、リークがそのＢＯＬ値の２００％まで増加するとき。慣行では、本明細書において使用されている装置の用語「耐久性」及び「信頼性」は、概して、前に定義した装置の寿命に関連する。

用語「モジュール式バス」は、本明細書では慣行により、各回路基板における基板トポロジー及びピン割り当てのプロトコルであって、電力のフローをサポートし、基板を接続する整列したスタッカにより他の回路及び／又は外部ハードウェアに通信する能力を与えるようなプロトコルについて記述するために使用される。

装置の「動作温度範囲」は、概して、あるレベルの性能が維持される温度範囲に関連し、概して、与えられた用途のために決定される。例えば、一実施形態では、石油及びガス用途の動作温度範囲は、装置の抵抗が、摂氏３０度における当該装置の抵抗の約１０００％未満であり、容量が摂氏３０度における容量の約１０％より大きいような温度範囲として定義される。

いくつかの例では、動作温度範囲の仕様は、有用な温度の下限を規定する一方、寿命の仕様は、有用な温度の上限を規定する。

用語「最適化」及び「最適化する」は、本明細書では、最適化を引き起こすものとして述べられている目的又は方法を適用しない場合のシステム又は性能と比較して、改善されたシステム又は性能に向かってシステム又は性能を変化させる過程を記述するために使用される。明確さのために、本明細書では、これらの用語を使用することで、最適値が達成されなければならないと提案することを意図せず、それ自体、最適化された範囲は改善のスペクトル上にあるということが理解されるべきである。

「ピーク電力密度」は、ピーク装置電圧の２乗の４分の１を当該装置の実効直列抵抗により除算し、さらに当該装置の質量もしくは体積により除算したものである。

本明細書で使用された用語「信号」は、所定時間にわたるエネルギー又はデータの転送を示す。
さらに、別途指定されない限り、用語「信号」は、所定時間にわたるエネルギー転送又は所定時間にわたるデータ転送のいずれかを意味するだろう。

本明細書で使用される用語「地下」は、地表下の環境又は同様の特性を有する環境を示す。

用語「１つのシステム」又は「複数のシステム」は、本明細書では、電力システム、データ記録及び／又は報告システム、又はそれらの組み合わせを含むように使用される。

本明細書で使用される用語「ウルトラキャパシタ」は、当該技術分野で認識される電解質二重層容量メカニズムを利用するエネルギー貯蔵装置を示す。

本明細書において述べているように、ウルトラキャパシタ１０の「体積当たりの漏れ電流」は、概して、ウルトラキャパシタ１０の体積で除算した漏れ電流を示し、例えば、ｍＡ／ｃｃの単位で表されてもよい。同様に、ウルトラキャパシタ１０の「体積当たりの容量」は、概して、ウルトラキャパシタ１０の体積で除算したウルトラキャパシタ１０の容量を示し、例えば、Ｆ／ｃｃの単位で表されてもよい。例えば、さらに、ウルトラキャパシタ１０の「体積当たりのＥＳＲ」は、概して、ウルトラキャパシタ１０のＥＳＲにウルトラキャパシタ１０の体積を乗算したものを示し、Ｏｈｍｓ・ｃｃの単位で表されてもよい。

慣行として、本明細書において使用されている用語「てもよい（ｍａｙ）」は、オプションと解釈され、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、他のオプション（例えば、ステップ、材料、構成要素、組成等）を除外しないものと解釈され、「べきである（ｓｈｏｕｌｄ）」は、要件を含意するものではなく、随時の、又は状況による選好を意味する。同様に、他の同じような用語が、一般的な慣行による方法で使用される。

本明細書において議論されているように、用語「適合されている（adapting）」、「構成されている（configuring）」、「組み立てる（constructing）、等は、意図された結果をもたらすため、本明細書において開示された任意の技術並びに他の同様の技術（現在知られているかもしくは後に考案されるもの）の適用を含むと考えられてもよい。

２．所定実施形態のアプリケーション

本明細書に開示されたシステムは、以下に概説されるような様々な非限定的な用途で使用されてもよい。
１）掘削中動作
ａ）掘削中
ｉ）掘削中の測定（Measuring While Drilling：「ＭＷＤ」）
ｉｉ）掘削中の検層（Logging While Drilling：「ＬＷＤ」）
ｂ）ワイヤーライン検層
ｉ）電線
ｉｉ）メモリ検層
２）完成時動作
ａ）ワイヤーライン検層
ｉ）電線
ｉｉ）メモリ検層
３）生産中動作
ａ）永続的検層
ｂ）ワイヤーライン検層
ｉ）電線
ｉｉ）メモリ検層

ここで図１を参照すると、ここでは、検層データを測定しながら、坑井１０１（「wellbore」又は「borehole」ともいう）を掘削するための装置の態様を示す。慣行により、坑井１０１の深さはＺ軸に沿って記述され、横断面が、Ｘ軸及びＹ軸によって記述される平面上に示される。

この例では、坑井１０１は、掘削装置（図示せず）によって駆動されるドリルストリング１１１を用いて地中１０２へ掘削される。掘削装置は、とりわけ、回転エネルギー及び下方への力を提供する。坑井１０１は、概して、地表下物質を横切って進む。地表下物質は、様々な地層１０３（地層１０３Ａ、１０３Ｂ、及び１０３Ｃとして示す）を含む可能性がある。当業者は、地表下環境で遭遇する可能性がある様々な地質学上の特徴が「地層」と呼ばれてもよく、また、坑井（すなわち「borehole」又は「downhole」）を下に進むときに存在する物質のアレイが「地表下物質」と呼ばれてもよいことを認識するだろう。すなわち、地層１０３は地表下物質から形成される。従って、本明細書で使用されるように、用語「地層」は概して地質学上の地層を示し、「地表下物質」は任意の物質を含むが、固体、流体、ガス、液体、などの物質を含んでもよいことは考慮されるべきである。

この例において、ドリルストリング１１１は、ドリルビット１１４を駆動する所定長さのドリルパイプ１１２を含む。ドリルビット１１４はまた、掘削泥水などの掘削流体１０４のフローを提供する。掘削流体１０４は、多くの場合、ドリルパイプ１１２を介してドリルビット１１４にポンプで注入され、ここで、流体は坑井１０１の中へ出ていく。これにより、坑井１０１内で、掘削流体１０４の上向きフローＦが生じる。上向きフローＦは、概して、ドリルストリング１１１及びその構成要素を冷却し、ドリルビット１１４からカッティングスを運び去り、加圧された炭化水素１０５の暴噴を防ぐ。

掘削流体１０４（「掘削泥水」とも呼ぶ）は、概して、環境に固有である可能性がある水、掘削流体、泥水、石油、ガス、及び地層流体のような液体の混合物を含む。掘削流体１０４は掘削動作のために導入される可能性があるが、掘削流体１０４の使用又は存在は、検層動作で必要とされるわけでもなく、必ずしも検層動作から除外されるわけでもない。概して、物質の層は、ドリルストリング１１１の外面と坑井１０１の壁との間に存在するだろう。この層は「スタンドオフ層」と呼ばれ、「スタンドオフＳ」と呼ばれる厚さを含む。

ドリルストリング１１１は、概して、掘削中測定（「ＭＷＤ」）又は掘削中検層（「ＬＷＤ」）を実行するための機器を含む。ＭＷＤ又はＬＷＤを行うことは、概して、ドリルストリング１１１に組み込まれ、掘削中に動作するように設計された検層装置１００の動作を必要とする。概して、ＭＷＤを行うための検層装置１００は、ドリルストリング１１１上に設けられた電子回路パッケージに接続される。従って、この電子回路パッケージは、「坑井内電子回路１１３」と呼ばれる。概して、坑井内電子回路１１３は、動作制御及びデータ分析の少なくとも一方を行う。多くの場合、検層装置１００及び坑井内電子回路１１３は、地上機器１０７に接続される。地上機器１０７は、さらに動作を制御し、より大きな分析能力を提供し、及び／又はデータを記録することなどのために含まれていもよい。地上機器１０７への通信を通信チャネル（図示せず）により行ってもよく、通信チャネルはパルスマッド、有線パイプ、及び／又は当該技術分野において知られた他の技術を介して動作してもよい。

概して、ＭＷＤ装置からのデータは、向上された能力をユーザに提供する。例えば、ＭＷＤの発展から利用可能になったデータは、ジオステアリング（すなわち、掘削処理の間においてドリルストリング１１１のステアリングを行うこと）への入力、などとして有用である可能性がある。

ここで図２を参照して、坑井１０１のワイヤーライン検層のための例示的な検層装置１００を示す。慣行により、坑井１０１の深さはＺ軸に沿って記述され、横断面が、Ｘ軸及びＹ軸によって記述される平面上に示される。検層装置１００による検層前に、坑井１０１は、図１に示すような掘削装置を用いて、地中１０２へ向かって掘削される。

いくつかの実施形態において、坑井１０１は、少なくともある程度まで、掘削流体１０４で充填されている。掘削流体１０４（「掘削泥水」とも呼ぶ）は、概して、環境に固有である可能性がある水、掘削流体、泥水、石油、ガス、及び地層流体のような液体の混合物を含む。掘削流体１０４は掘削動作のために導入される可能性があるが、掘削流体１０４の使用又は存在は、ワイヤーライン検層中の検層動作で必要とされるわけでもなく、必ずしも当該検層動作から除外されるわけでもない。概して、物質の層は、検層装置１０１の外面と坑井１０１の壁との間に存在するだろう。この層は「スタンドオフ層」と呼ばれ、「スタンドオフＳ」と呼ばれる厚さを含む。

概して、検層装置１００は、デリック１０６又は同様の機器によって展開されるワイヤーライン１０８を用いて、坑井１０１の中へ下ろされる。概して、ワイヤーライン１０８は、他の装置に加えて、荷重支持ケーブルのような懸架装置を含む。他の装置は、電源、通信リンク（有線又は光学など）、及び他のそのような機器を含んでもよい。概して、ワイヤーライン１０８は、サービストラック１０９又は他の同様の装置（サービスステーション、基地局など）から運搬される。多くの場合、ワイヤーライン１０８は地上機器１０７に接続される。地上機器１０７は、検層装置１００へ電力を提供し、さらに、動作の制御及びデータの分析の少なくとも一方に計算及び処理能力を提供してもよい。

概して、検層装置１００は電源１１５を含む。電源１１５は、坑井内電子回路１１３（すなわち電力消費装置）へ電力を適切に提供してもよい。概して、坑井内電子回路１１３は、測定値を提供し、及び／又は、サンプリングを実行し、及び／又は、炭化水素１０５の存在を発見し、確認し、定量化するために望まれる他の任意のシーケンスを行う。

モジュール式信号インターフェース装置及び関連した電力システムを含め、本発明は、以下の定義を参照して記載されている。便宜のため、定義を以下に説明している。他に特に規定がなければ、本明細書において用いられている次の用語は、以下のように定義する。

当業者は、本明細書に開示された装置、システム、及び方法が、抵抗、パルス中性子及びガンマ測定及びその他を含む核、核磁気共鳴映像法、音響、及び／又は地震測定、地層サンプリングツール、様々なサンプリングプロトコル、通信、データ処理及び記憶、ジオステアリング、回転ステアリングツール、加速度計、磁力計、センサ、トランスデューサ、ディジタル及び／又はアナログ装置など（以下で列挙されるものを含む）などをサポートする技術及び装置類とともに使用されてもよく、電力使用坑井の要件を有する他の無数のシステムとともに使用されてもよいことを認識するだろう。本明細書に開示された電力システムによって、他の多くの構成要素に電力が供給されてもよい。非限定的な例は、加速度計、磁力計、センサ、トランスデューサ、ディジタル及び／又はアナログ装置（以下で列挙されたものを含む）などを含む。他の例は、回転によりステアリング可能なツールを含む。他の例は、マッドパルステレメトリシステムのようなテレメトリ構成要素又はシステムを含む。マッドパルステレメトリシステムの非限定的な例は、回転マッドパルサー、ソレノイドで駆動されるマッドパルサー、及びモータで駆動されるマッドパルサーを含む。テレメトリシステムの他の非限定的な例は、ＥＭテレメトリシステム、有線のテレメトリシステム、光ファイバーテレメトリシステム、及びその他同種のものを含む。

３． 電源

先の用途に適用可能な所定の実施形態によれば、本明細書に開示された装置、システム、及び方法は電源を含み、それはさまざまなエネルギー入力を含んでもよい。エネルギー入力は、概して３つのカテゴリ、すなわちバッテリー、遠隔システム、及び発電機に分類されてもよい。

いくつかの実施形態において、電源は一次バッテリーを含む。例示的なバッテリーは、過酷な環境中の動作に適合するものを含む。特定の例は、リチウムを有するものを含む、様々な化学バッテリーを含む。より特定の例は、塩化チオニルリチウム（Ｌｉ−ＳＯＣｌ_２）と、同様の技術及び／又は化学的性質に基づくバッテリーを含む。しかしながら、これらの技術のうちの一部は所望の温度定格を達成できない可能性があり、これらの技術のうちの一部は短期間のエネルギー貯蔵のみをサポートできる（すなわち、エネルギー貯蔵装置は、例えば、再充電可能でない構成要素を含んでもよく、又は、他の構成要素と比較して短縮された寿命を有するものを含んでもよい）ということが認識される。包含される可能性がある他の例示的なバッテリーは、リチウム塩化臭素を含み、また、リチウムスルフリルクロリド及び融解塩を含む。

電源は、遠隔の電源への少なくとも１つの接続を含んでもよい。すなわち、エネルギーは、ワイヤーライン経由のように、外部源を介して供給されてもよい。外部エネルギー源が坑井内環境によって制約を受けないならば、エネルギーを受けるための主要な関心事は、エネルギーを坑井に伝達する方法及び装置を含む。開示されたシステムへエネルギーを提供するための例示的な技術は、有線ケーシング、有線パイプ、コイル型チュービング、及び当該技術分野において既知である可能性がある他の技術を含む。

電源は少なくとも１つの発電機を含んでもよい。様々なタイプのエネルギー発生装置が、単独で、又は互いに組み合わせて使用されてもよい。例示的なタイプのエネルギー発電機は、以下に限定するわけではないが、回転発電機、電磁気的変位による発電機、磁歪の変位による発電機、圧電性変位による発電機、熱電発電機、熱光起電力発電機を含み、また、地上で保持された発電機又は電源へのワイヤーライン接続のような遠隔の発電機への接続を含んでもよい。他のタイプの発電機は、慣性エネルギー発電機、リニア慣性エネルギー発電機、回転慣性エネルギー発電機、又は振動エネルギー発電機を含む。

上述のように、他のタイプの発電機は、以下に限定するわけではないが、回転発電機、電磁気的変位による発電機、磁歪の変位による発電機、圧電性変位による発電機、熱電発電機、熱光起電力発電機を含み、また、地上で保持された発電機又は電源へのワイヤーライン接続のような遠隔の発電機への接続と、放射性同位体による電力発電機とを含んでもよい。

回転タイプの発電機は、例えば、流体（液体又はガス又は混合物）により引き起こされた回転、単一ステージの設計、マルチステージに依存する発電機を含んでもよく、余分であってもよい。

電磁気的変位型の発電は、例えば、ドリルストリングの振動（所望されたもの又は望ましくないもの）、音響的振動、地震振動、流動励起振動（例えば、泥、ガス、石油、水などから）に依存してもよく、往復運動に依存する発電を含んでもよい。

磁歪型の発電は磁歪に依存する。磁歪は強磁性体の特性であり、磁化の過程においてそれらの形状又は寸法を変化させる。磁歪材料は、磁気エネルギーを運動エネルギーに、又は逆に変換することができ、アクチュエータ及びセンサを構成するために使用される。電磁気的変位型の発電の場合のように、磁歪型の発電は、例えば、ドリルストリングの振動（所望されたもの又は望ましくないもの）、音響的振動、地震振動、流動励起振動（例えば、泥、ガス、石油、水などから）に依存してもよく、往復運動に依存する発電を含んでもよく、また、運動又は磁気エネルギーの形式で発電するか又は結果的にそれらの形式をもたらす他の技術を含んでもよい。

圧電型の発電は、圧電性特性を示す材料に依存する。圧電気は、加えられた機械的応力に応じて所定の固体材料（特に、水晶、所定のセラミック、など）に蓄積される電荷である。圧電型の発電は、例えば、ドリルストリングの振動（所望されたもの又は望ましくないもの）、音響的振動、地震振動、流動励起振動（例えば、泥、ガス、石油、水などから）に依存してもよく、往復運動に依存する発電を含んでもよく、また、機械的応力の形式で発電するか又は結果的にその形式をもたらす他の技術を含んでもよい。

圧電効果は、力学的エネルギーを電気的なエネルギーに変換するために利用することができる。例えば、圧電素子は、片持ちビームの形式で構成されてもよく、それによって、ビームの端部の運動は振動下のビームを曲げる。圧電素子もプラッタとして構成されてもよく、それによって振動はプラッタの中心に歪みを生じさせる。各構成において、機械的振動の影響を増大させるために、変化する質量の負荷が使用されてもよい。例えば、システムの機械的振動に起因するビームが受けたたわみのレベルを増大するために、片持ちビームの端部に所定質量が配置されてもよい。

いくつかの実施形態において、圧電発電機は、力学的エネルギーを電流に変換するためにそれぞれ提供される１つ乃至多数の圧電素子を含む。圧電発電機は、さらに、電流をエネルギー変換又は貯蔵電子回路に移すために１つ乃至多数の導電素子を含んでもよい。各圧電発電機は、エネルギー発生能力を向上させるために複数で構成されてもよい。機械的振動の様々なモードを取り込むために、圧電発電機は適切な方向に配置されてもよい。例えば、３次元の横振動を取り込むために、圧電発電機は、振動の各次元が少なくとも１組の圧電発電機によって取り込まれるように、互いに直交して配置されてもよい。

概して、圧電発電機は、１ワット以内の電力を発生するのに有用である。しかしながら、追加の電力を生成するために複数の発電機が使用されてもよい。一実施形態において、複数の圧電素子を所定時間に変形するように、単一の質量が構成されてもよい。

電磁気的発電機のように、圧電発電機は、与えられた固有周波数で動作する。機械的振動が圧電発電機の固有周波数で生じる場合、最大の電力が発生される。発生された電力の量を最大化するために、圧電発電機の固有周波数は、以前に議論されたように、導電材料への変化する負荷素子を含むことにより調整されてもよい。もう一つの実施形態において、所定範囲の振動周波数を取り込むために、異なる固定周波数に調整された複数の圧電発電機があってもよい。共振応答を低減しながら圧電発電機の実効取り込みスペクトルを広げるために、圧電素子に取り付けられた材料又は圧電素子を取り囲む流体の形式で減衰させることが使用されてもよい。

力学的エネルギー源が流体フローの形式を有する一実施形態では、回転に基づく圧電発電機が使用されてもよい。例えば、１つ乃至複数の圧電素子は、構造物の回転に起因して変形されてもよい。ある実施形態において、１つ乃至多数の圧電ビームは、回転するホイールに取り付けられた直交ピンによって曲げられてもよい。ホイールがその軸のまわりで回転するとき、ピンは、圧電素子と接触し、ホイールの回転に応じて素子の変形を引き起こす。もう一つの実施形態において、圧電素子は、可変な半径の回転物体に平行に隣接して配置されている。回転物体が回転するとき、圧電素子は、回転物体及び圧電素子の間の接点において、半径に依存する変化する程度まで圧縮される。この実施形態において、追加の電気エネルギーを発生するために回転物体に配置された圧電素子があってもよい。

熱電型の発電は、熱電特性を示す材料に依存する。熱電発電機は、概して、「ゼーベック効果」（又は「熱電効果」）と呼ばれる現象を用いて、熱流（温度差）を直接的に電気エネルギーに変換する。例示的な熱電発電機は、バイメタル接続（複数の材料の組み合わせ）に依存するしてもよく、又は、特定の熱電材料を利用してもよい。熱電材料の一例は、テルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）、すなわち、ミリメートル範囲の厚さを有しうるＰＮ接合を有する半導体である。概して、熱電発電機はソリッドステート装置であり、可動部をもたない。

熱電発電機は、様々な温度勾配を利用するために設けられてもよい。例えば、パイプの内部及びの外部の温度差、ケーシングの内部及び外部の温度差、ドリルストリングに沿った温度差、（電気的及び／又は力学的エネルギーからの）ツール内の電力消費から生じる温度差）は、引き起こされた温度差を利用してもよい。

熱光起電力発電機は、光子を介する熱差から電気へのエネルギー変換を行う。簡単な形式では、熱光起電力システムは、熱放射器及び光起電力ダイオードセルを含む。熱放射器の温度はシステム間で変動するが、原則として、熱光起電力装置は、光起電力装置の温度よりも増大した温度を有する任意の放射器からエネルギーを抽出する（したがって、光学的熱機関を形成する）ことができる。放射器は、１個の固体材料又は特別に構成された構造物であってもよい。熱放射は、材料中の電荷の熱運動に起因する光子の自然放出である。坑井内環境において、周囲の温度は、大部分は近赤外線及び赤外線の周波数において、放射を引き起こす。光起電力ダイオードは、これらの放射された光子の一部を吸収し、それらを電子に変換することができる。

他の形式の発電が使用されてもよい。例えば、イオンを電流に変換するアイソトープ発電が電源に組み込まれてもよい。

上述のタイプの発電機をドリルストリングに組み込むために、さまざまな技術が使用されてもよい。例えば、断続的又は連続的な電力を電子回路に供給するために、圧電素子が設計へ包含されていてもよい。坑井内環境は、音響的、機械的、又は地震の発生源による、所望されたか望ましくない多量の振動に起因する、圧電発電のための多数の機会を提供する。

坑井内ドリルストリングには、振動の３つの主モード、すなわち、ドリルカラーのワーリング、ビットバウンス、及びカラースティックスリップがある。これらのモードのそれぞれは互いに結合することができ、これにより、横方向、ねじれ方向、及び軸方向の振動を引き起こす。

坑井内装置において、環境発電の可能性を提供する多数の場所がある。装置は、剛体のサポートにより直接的に接続されるか、可撓性の接続部により接続されたままにされるか、圧電素子以外の材料によって非接続のままにされた複数の別個のセクションから構成されいてもよい。可撓性の接続は、可撓性の膜で、又はピボット接続された剛体の構造物で構成されてもよい。

ねじれ方向の振動からエネルギーを取り込むために、圧電材料を、装置の長さに沿って垂直に配置することができる。装置のセクション間のねじれ応力は、圧電素子を変形させる可能性がある。発生された電流をエネルギー貯蔵又は変換装置に運ぶために、圧電素子に沿って導電材料を配置することができる。

もう一つの実施形態において、圧電材料は、軸方向の振動からエネルギーを発生するために利用可能である。例えば、圧電素子は、さもないと非接続のままにされる２つ以上のコンパートメント間に配置される可能性があり、又は接続された可撓性の接続である可能性がある。圧電素子の各端部は、軸方向の振動が圧電素子を圧縮又は伸長するように、軸方向及び接線方向に直交する装置の面に接続されてもよい。

もう一つの実施形態において、圧電材料は、横方向の振動からエネルギーを発生するために利用可能である。例えば、圧電素子は、さもないと非接続のままにされる２つ以上のコンパートメント間に配置されてもよく、又は可撓性の接続を介して接続されてもよい。圧電素子の端部は、接続する圧電素子を各コンパートメントの相対的な剪断移動が曲げるように、各コンパートメントの接平面である壁に取り付けられてもよい。

これらの実施形態のうちの１つ又は多数が、エネルギー発生を向上するために同じ装置へ包含されてもよい。

要するに、電源は、坑井内環境において電力を供給するように適合した可能性がある任意のタイプの発電機を利用してもよい。使用される発電のタイプは、システムユーザ、設計者、製造業者、又は他の当事者のニーズ又は選好に従って選択されてもよい。あるタイプの発電は、単独で使用されてもよく、又はもう一つのタイプの発電と共に使用されてもよい。

振動エネルギー発電機の場合におけるように、環境要因による効率を改善するために、他の形式の発電機の制御（すなわちチューニング）が行われてもよい、ということが注意されるべきである。各場合において、発電機の「チューニング」はこのタスクを達成するように設計されていることは考慮される。ある場合には、組み立て中にチューニングが行われる。いくつかの追加の実施形態において、チューニングは、電源の動作中において、リアルタイムで、又はほぼリアルタイムに基づいて行なわれる。

４．高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置

ある実施形態において、本明細書に開示された装置、システム及び方法は、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置（high temperature rechargeable energy storage：「ＨＴＲＥＳ」）を含んでもよい。ＨＴＲＥＳは、坑井内条件で実用的である任意のタイプの技術を含んでもよい。ある実施形態において、ＨＴＲＥＳは、摂氏７５度を超える温度における動作のために構成され、例えば、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約８５度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約９５度から摂氏約１００度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１１０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１２０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１３０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１４０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１５０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１６０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１７０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１７５度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度における動作のために構成される。

本明細書では、所定の例示的なタイプのＨＴＲＥＳの実施形態、特にウルトラキャパシタが開示される。そのような例示的なタイプのＨＴＲＥＳの開示は、本明細書に開示された実施形態の範囲を、そのような例示的なＨＴＲＥＳに限定しない。ＨＴＲＥＳの追加の実施形態は、以下に限定するわけではないが、化学バッテリー、アルミニウム電解キャパシタ、タンタルキャパシタ、セラミック及び金属フィルムキャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、磁気エネルギー貯蔵装置、例えば、空気コア又は高温コア材料のインダクタを含む。適切でありうる他のタイプのものは、例えば、フライホイール、バネシステム、バネ質量システム、質点システムなどの力学的エネルギー貯蔵装置、熱容量システム（例えば、高い熱容量の液体又は固体又は相変化材料に基づいくもの）、油圧又は空気圧システムを含む。一例は、米国ロードアイランド州プロビデンスのエヴァンスキャパシタカンパニー（Evans Capacitor Company）から入手可能な高温ハイブリッドキャパシタであり、例えば、最大で摂氏１２５度までの定格温度を有する部品番号ＨＣ２Ｄ０６０１２２ ＤＳＣＣ１０００４−１６である。もう一つの例は、米国ロードアイランド州プロビデンスのエヴァンスキャパシタカンパニーから入手可能である、例えば、最大で摂氏２００度までの定格温度を有する部品番号ＨＣ２Ｄ０５０１５２ＨＴの高温タンタルキャパシタである。さらにもう１つの例は、ドイツ国ミュンヘンＥＰＣＯＳ ＡＧから入手可能である、例えば、最大で摂氏１５０度までの温度定格を有する部品番号Ｂ４１６９１Ａ８１０７Ｑのアルミニウム電解キャパシタである。さらにもう１つの例示は、日本国大阪府のパナソニック株式会社から入手可能である、例えば、最大で摂氏１５０度までの温度定格を有する部品番号ＥＴＱ−Ｐ５Ｍ４７０ＹＦＭ、又は、米国カリフォルニア州フラートンのＢＩテクノロジーズ（BI Technologies）から入手可能である、例えば、最大で摂氏１８５度までの温度定格を有する部品番号ＨＭ７０−６０２Ｒ０ＬＦの高温インダクタである。追加の実施形態は、フランス国バニョレのサフトＳ．Ａ．（Saft S.A.）から入手可能である、例えば、３０回の充放電サイクルで最大で摂氏１２５度までの温度定格を有する部品番号Ｌｉ−ｉｏｎ ＶＬ ３２６００−１２５のバッテリーを含む。最大で摂氏約２５０度までの温度定格を有するもう一つの例示的なリチウムイオンバッテリは、米国マサチューセッツ州ウォルサムのソリッドエネルギーシステムズコーポレイション（SolidEnergy Systems Corp.）で実験フェーズにあり、特許文献１に記載され、これの全体は参照によって本明細書に組み込まれる。

所定の実施形態において、ＨＴＲＥＳは、図３〜図９及び図１１〜図２８を参照して下記に述べられる少なくとも１つのウルトラキャパシタを含む。

ａ．ウルトラキャパシタ

本明細書では、広範囲の温度において改善された性能をユーザに提供するために、スーパーキャパシタとしても知られたウルトラキャパシタが、本発明で使用するためにさらに開示される。そのようなウルトラキャパシタは、エネルギー貯蔵セル及び電解質系を備え、これらは密閉して封止されたハウジング内にあってもよい。エネルギー貯蔵セルは、正の接点及び負の接点に電気的に接続される。そのようなウルトラキャパシタは、摂氏約−４０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度において動作するように構成されてもよい。例えば、本発明で使用されるウルトラキャパシタは、改良型電解質系（advanced electrolyte system）を備えてもよく、摂氏約−４０度の低温から摂氏約２１０度の高温までの温度範囲で動作可能であってもよい。そのようなキャパシタは、図３〜図９及び図１１〜図２８を参照して本明細書で説明される。

概して、本明細書に開示されたキャパシタは、従来の装置と比較して、高い信頼性、広い動作温度範囲、高い電力密度、及び高いエネルギー密度の組み合わせを提供するように適合した少なくとも１つのエネルギー貯蔵媒体を含む。キャパシタは、当該温度範囲を超える動作を確実なものとするように構成された構成要素を含み、既知の電解質系から、又は本明細書で開示した改良型電解質系から選択された電解質６を含む。本明細書で説明した構造、エネルギー貯蔵媒体、及び、改良型電解質系の組み合わせは極端な条件下で動作する、本発明で使用するための頑健なキャパシタに、既存のキャパシタを超える改良された特性と、より高い性能及び耐久性とを提供する。

従って、本発明は、以下のようなウルトラキャパシタを備えてもよい。ウルトラキャパシタは、密閉して封止されたハウジング内に、後述するエネルギー貯蔵セル及び改良型電解質系（「ＡＥＳ」）を備え、上記セルは、正の接点及び負の接点に電気的に接続され、上記ウルトラキャパシタは、摂氏約−４０度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−３５度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約２０５度まで、摂氏約−３０度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約２００度まで、摂氏約−２５度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約１９５度まで、摂氏約−２０度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約１９０度まで、摂氏約−１５度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約１８５度まで、摂氏約−１０度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約１８０度まで、摂氏約−５度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約１７５度まで、摂氏約０度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約１７０度まで、摂氏約５度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約１６５度まで、摂氏約１０度から摂氏約２１０度まで、摂氏約−４０度から摂氏約１６０度まで、摂氏約１５度から摂氏約２１０度まで、摂氏約４０度から摂氏約１５５度まで、摂氏約２０度から摂氏約２１０度まで、又は摂氏約−４０度から摂氏約１５０度までの温度範囲内にある温度（「動作温度」）において動作するように構成される。

例えば、図３に、ウルトラキャパシタの例示的な実施形態を示す。この場合、ウルトラキャパシタ１０は、電気二重層キャパシタ（electric double-layer capacitor：「ＥＤＬＣ」）である。ウルトラキャパシタ１０は、いくつかの異なるフォームファクタにおいて具体化されていてもよい（すなわち、ある外形を示す）。潜在的に有用なフォームファクターの例としては、円柱状セル、環状もしくはリング状セル、平面角柱状セル、ボックス状セルを含む平面角柱状セルのスタック、湾曲した空間等の特定の幾何学的形状に合わせて形成された平面角柱状セルが含まれる。円柱状のフォームファクタは、円柱状のシステム、もしくは円柱状のフォームファクタに搭載されたシステム、もしくは円柱状のキャビティを有するシステムとともに使用する際に最も有用であろう。環状もしくはリング状のフォームファクタは、リング状であるシステム、もしくはリング状のフォームファクタに搭載されているシステム、もしくはリング状のキャビティを有するシステムとともに使用する際に最も有用であろう。平面角柱状のフォームファクタは、矩形形状であるシステム、もしくは矩形形状のフォームファクタに搭載されているシステム、もしくは矩形形状のキャビティを有するシステムとともに使用する際に有用であろう。

概して、本明細書では「ゼリーロール」アプリケーション（すなわち、円柱形状に形成されたハウジング７のために構成されている貯蔵セル１２）に関して開示されているが、巻回された貯蔵セル２３（図２５を参照）は任意の所望の形状をとってもよい。例えば、貯蔵セル１２を巻回することとは対照的に、巻回された貯蔵セル２３を提供するために、貯蔵セル１２の折り曲げるを実行してもよい。他のタイプのアセンブリを使用してもよい。一つの例として、貯蔵セル１２は、コイン型、ポーチ型、もしくは角柱型のセルと称される平坦セルであってもよい。したがって、巻回することは、単に、巻回された貯蔵セル２３のアセンブリのための一つの選択肢である。それゆえ、本明細書では「巻回された貯蔵セル２３」であることについて議論しているが、これは限定するものではない。概して、用語「巻回された貯蔵セル２３」は、貯蔵セル１２をパッケージ化もしくはパック化して、与えられた設計のハウジング７内に良好にフィットさせるための任意の適切な形式が含まれると考えられてもよい。

様々な形式のウルトラキャパシタ１０を一緒に組み合わせてもよい。接点を一体に溶接することなどの既知の技術を用いて、少なくとも１つの機械的コネクタを用いて、互いに電気的に接触するように接点を設置することで、様々なフォームを組み合わせてもよい。複数のウルトラキャパシタ１０が、並列接続もしくは直列接続の少なくとも一方で電気的に接続されていてもよい。

本明細書に開示されるウルトラキャパシタ１０は、約０．０５ミリリットル（ｃｃ）から約７．５リットルまでの範囲の体積を有してもよい。

ここで、本明細書に開示されたウルトラキャパシタの構成要素について議論する。

ｉ．電解質系

図３を参照すると、電解質６は、カチオン９及びアニオン１１のペアを含み、さらに溶媒を含んでよい。電解質６は、電極３及びセパレータ５内のボイド空間と、それらの間のボイド空間とを充填する。電解質６の中にあるイオン、具体的にはカチオン９及びアニオン１１は、電極３にわたって電位が印加されたとき、二重の電気二重層を形成し、カチオン９は負極３（ａ）に関連付けられ、アニオン１１は正極３（ｂ）に関連付けられる。概して、本明細書に開示された電解質系は、特有の電解質、精製された改良された電解質、もしくはこれらの組み合わせを含み、電解質６は、例えば、１以上の塩もしくはイオン液体を含む物質であり、電荷を帯びたイオン（例えば、正の電荷を帯びたカチオン及び負の電荷を帯びたアニオン）に分離し、また、溶媒を含んでもよい。本明細書に開示した電解質系において、そのような電解質成分は、ある性能及び耐久性を向上させることに基づいて選択され、１以上の溶媒と組み合わされてもよい。溶媒は、物質を溶解して、新規かつ有用な電気化学的安定性及び性能を備える組成物を生成する。

所定の実施形態において、電解質６は、イオン液体、すなわち、ウルトラキャパシタ１０の動作温度において液体であるイオン化合物であってもよい。それらの実施形態において、電解質６は、イオン液体と混合された溶媒をさらに含んでもよい。所定の実施形態において、電解質６は、ウルトラキャパシタ１０の動作温度において固体であるイオン化合物と、イオン化合物を溶かす溶媒とを含んでもよい。

カチオン９、アニオン１１、及び溶媒の様々な組み合わせが使用されてもよい。ウルトラキャパシタ１０のある実施形態では、カチオン９は、１−（３−シアノプロピル）−３−メチルイミダゾリウム、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウム、１，３−ビス（３−シアノプロピル）イミダゾリウム、１，３−ジエトキシイミダゾリウム、１−ブチル−１−メチルピペリジニウム、１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、１−ブチル−４−メチルピリジニウム、１−ブチルピリジニウム、１−デシル−３−メチルイミダゾリウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、３−メチル−１−プロピルピリジニウム、およびこれらの組み合わせ、ならびに適切であると考えられる他の同等物の少なくとも１つを含んでよい。追加の例示的なカチオン９は、図４に示す構造の種類に含まれるカチオン、例えば、イミダゾリウム、ピラジニウム、ピペリジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピロリジニウム、アンモニウム、オキサゾリウム、ホスホニウム、ピラディジニウム（pyradizinium）、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、グアニジウム、イソキノリニウム、ベンゾトリアゾリウム、又はビオロゲン型のカチオンを含む。例示的なウルトラキャパシタ１０において、アニオン１１は、ビス（トリフルオロメタンスルホナート）イミド、トリス（トリフルオロメタンスルホナート）メチド、ジシアナミド、テトラフルオロボラート、ヘキサフルオロホスファート、トリフルオロメタンスルホナート、ビス（ペンタフルオロエタンスルホナート）イミド、チオシアナート、トリフルオロ（トリフルオロメチル）ボラート、およびこれらの組み合わせ、ならびに適切であると考えられる他の同等物の少なくとも１つを含んでよい。

溶媒は、アセトニトリル、アミド、ベンゾニトリル、ブチロラクトン、環状エーテル、ジブチルカルボナート、ジエチルカルボナート、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジメチルカルボナート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホン、ジオキサン、ジオキソラン、ギ酸エチル、エチレンカルボナート、エチルメチルカルボナート、ラクトン、直鎖状エーテル、ギ酸メチル、メチルプロピオナート、メチルテトラヒドロフラン、ニトリル、ニトロベンゼン、ニトロメタン、ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカルボナート、スルホラン、スルホン、テトラヒドロフラン、テトラメチレンスルホン、チオフェン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、炭酸エステル、γ−ブチロラクトン、ニトリル、トリシアノヘキサン、これらの任意の組み合わせ、又は適切な性能特性を示す他の１または複数の材料を含んでよい。

ここで図４を参照すると、電解質６をもたらすためにイオン液体での使用に適したカチオン９の種々の追加の実施形態が示される。これらのカチオン９は、単独で用いてよく、または互いに組み合わせて用いてよく、カチオン９の上述の実施形態の少なくともいくつかと組み合わせて用いてよく、ユーザ、設計者、製造者、または他の同様の当事者が適合的又は適切であると判断する他のカチオン９と組み合わせて用いてもよい。図４に表したカチオン９は、アンモニウム、イミダゾリウム、オキサゾリウム、ホスホニウム、ピペリジニウム、ピラジニウム、ピラジニウム、ピリダジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピロリジニウム、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、グアニジウム、イソキノリニウム、ベンゾトリアゾリウム、ビオロゲン型、および官能基化イミダゾリウムのカチオンを含むが、これらに限定されない。

図４に示すカチオン９に関して、様々な置換基（例えばＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、…Ｒ_ｘ）が含まれている。カチオン９の場合において、各置換基（Ｒ_ｘ）は、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、ハロ、アミノ、ニトロ、シアノ、ヒドロキシル、サルフェート、スルホナート、またはカルボニル基の１つであってよい。先の置換基（Ｒ_ｘ）のうちの任意のものがオプションで置換されてもよい。

概して、負電荷を有する任意のイオンは、アニオン１１として使用されてもよい。選択されるアニオン１１は、概して、大きな有機カチオン９とペアになって、低温溶融イオン塩を生成する。常温（およびそれより低い温度）溶融塩は、主に、−１の電荷を有する大きいアニオン９によってもたらされる。より一層低温で溶融する塩は、概して、容易に非局在化する電子を有するアニオン１１と共に実現される。イオン間の親和力を低下させるであろうもの（電荷の距離、非局在化）はすべて、その後、融点を低下させる。可能なアニオンの構成は実質的に無限であるが、これらの部分集合のみが低温イオン液体の用途において機能するだろう。これは、イオン液体に係る可能なアニオン生成の非限定的な概説である。

表１に提示されるアニオン１１の使用に適した共通の置換基（α）として以下のものが挙げられる：−Ｆ⁻，−Ｃｌ⁻，−Ｂｒ⁻、−Ｉ⁻、−ＯＣＨ_３ ⁻、−ＣＮ⁻、−ＳＣＮ⁻、−Ｃ_２Ｈ_３Ｏ_２ ⁻、−ＣｌＯ⁻、−ＣｌＯ_２ ⁻、−ＣｌＯ_３ ⁻、−ＣｌＯ_４ ⁻、−ＮＣＯ⁻、−ＮＣＳ⁻、−ＮＣＳｅ⁻、−ＮＣＮ⁻、−ＯＣＨ（ＣＨ_３）_２ ⁻、−ＣＨ_２ＯＣＨ_３ ⁻、−ＣＯＯＨ⁻、−ＯＨ⁻、−ＳＯＣＨ_３ ⁻、−ＳＯ_２ＣＨ_３ ⁻、−ＳＯＣＨ_３ ⁻、−ＳＯ_２ＣＦ_３ ⁻、−ＳＯ_３Ｈ⁻、−ＳＯ_３ＣＦ_３ ⁻、−Ｏ（ＣＦ_３）_２Ｃ_２（ＣＦ_３）_２Ｏ⁻、−ＣＦ_３ ⁻、−ＣＨＦ_２ ⁻、−ＣＨ_２Ｆ⁻、−ＣＨ_３ ⁻、−ＮＯ_３ ⁻、−ＮＯ_２ ⁻、−ＳＯ_３ ⁻、−ＳＯ_４ ^２− 、−ＳＦ_５ ⁻，−ＣＢ_１１Ｈ_１２ ⁻、−ＣＢ_１１Ｈ_６Ｃｌ_６ ⁻、−ＣＨ_３ＣＢ_１１Ｈ_１１ ⁻、−Ｃ_２Ｈ_５ＣＢ_１１Ｈ_１１ ⁻、−Ａ−ＰＯ_４ ⁻、−Ａ−ＳＯ_２ ⁻、Ａ−ＳＯ_３ ⁻、−Ａ−ＳＯ_３Ｈ⁻、−Ａ−ＣＯＯ⁻、−Ａ−ＣＯ⁻。ここで、Ａは、フェニル基（フェニル基又はフェニル環は、化学式Ｃ_６Ｈ_５を有する原子の環状基である）又は置換されたフェニル基、アルキル（アルカンから水素原子を除去することで形成されて、一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋１を有するラジカル）又は置換されたアルキル基、負の電荷を有するラジカルアルカン（アルカンは、水素原子及び炭素原子からのみなり、単結合のみによって結合される化合物である）、ハロゲン化されたアルカン、及びエーテル（２つのアルキル基又はアリール基に接続された酸素原子を含んでいる有機化合物のクラス）である。

電解質６をもたらすイオン液体において用いるのに適したアニオン１１に関して、種々の有機アニオン１１を用いてよい。表１に、例示的なアニオン１１及びその構造を示す。第１の実施形態（Ｎｏ．１）において、例示的なアニオン１１は、上で提示した置換基（α）のリストまたはこれらの同等物から定式化される。追加の実施形態（Ｎｏ．２〜５）において、例示的なアニオン１１は、各塩基構造（Ｙ_２、Ｙ_３、Ｙ_４、…Ｙ_ｎ）と各多数のアニオン置換基（α_１、α_２、α_３、…α_ｎ）とから定式化され、各多数のアニオン置換基（α）は、上で提示した置換基（α）のリストまたはこれらの同等物から選択されてよい。いくつかの実施形態において、複数のアニオン置換基（α）（即ち少なくとも１つの異なるアニオン置換基（α））を、アニオン１１の任意の一の実施形態において用いてよいことに留意されたい。また、いくつかの実施形態において、塩基構造（Ｙ）は単一の原子または（表１に記載の）指定された分子であり、またはその同等物であってよいことに留意されたい。

より具体的に、また、例示として、表１に提示される例示的なアニオンに関して、所定の組み合わせが実現されてよい。一例として、Ｎｏ．２の場合、塩基構造（Ｙ_２）は、２つのアニオン置換基（α_２）に結合された単一の構造（例えば原子または分子）を含む。２つの同一のアニオン置換基（α_２）を有するように示しているが、この通りである必要はない。即ち、塩基構造（Ｙ_２）は、上で列挙したアニオン置換基（α）のいずれか等の様々なアニオン置換基（α_２）に結合されてよい。同様に、塩基構造（Ｙ_３）は、Ｎｏ．３の場合に示すように、３つのアニオン置換基（α_３）に結合される単一構造（例えば原子）を含む。重ねて、アニオンに含まれるアニオン置換基（α）の各々は、種々様々であってよく、表１に示すように繰り返される（反復的または対称的である）必要はない。一般に、表１における表記に関連して、一の塩基構造における下付文字は、各塩基構造がアニオン置換基（α）と共に有してよい結合の個数を意味する。即ち、各塩基構造（Ｙ_ｎ）における下付文字は、各アニオンにおける付随するアニオン置換基（α_ｎ）の個数を意味する。

１．改良型電解質系（ＡＥＳ）

所定の実施形態において、ウルトラキャパシタ１０は、図３に示す電解質６として改良型電解質系（advanced electrolyte system：「ＡＥＳ」）を備える。本明細書に開示されたＡＥＳは、上述の電解質系の特性の多くを共有する。本明細書に開示されたＡＥＳは、既存のエネルギー貯蔵装置（例えば、本明細書に開示されたものではない電解質を含むエネルギー貯蔵装置、もしくは、不十分な純度を有する電解質を含むエネルギー貯蔵装置）に比較して、本明細書に開示されたウルトラキャパシタに特有且つ明確に区別できる利点を提供する。これらの利点は、性能及び耐久性特性の両方における改善を含み、たとえば、以下のものの１つ以上を含む：減少した合計抵抗、増大した抵抗の長期安定性（例えば、与えられた温度における所定時間にわたる材料の抵抗増加量の減少）、増大した合計容量、増加した容量の長期安定性（例えば、与えられた温度における所定時間にわたるウルトラキャパシタの容量低下量の減少）、増大したエネルギー密度（例えば、より高い電圧をサポートすることによる、及び／又は、より大きな容量をもたらすことによる）、増大した電圧安定性、減少した気圧、それぞれのキャパシタについての拡大した温度範囲性能（例えば、２つの温度間で遷移する場合、容量の有意な減少及び／又はＥＳＲの有意な増大が生じないこと、及び／又は、摂氏約＋３０度から摂氏約−４０度に遷移する場合、９０％を越える容量減少及び／又は１０００％を越えるＥＳＲ増大が生じないこと）、それぞれのキャパシタについての増大した温度耐性（例えば、与えられた時間後の与えられた温度において５０％未満の容量低下、与えられた時間後の与えられた温度において１００％未満のＥＳＲ増大、与えられた時間後の与えられた温度において１０Ａ／Ｌ未満の漏れ電流、４０％未満の容量減少及び／又は７５％未満のＥＳＲ増大、５Ａ／Ｌ未満の漏れ電流、３０％未満の容量減少及び／又は５０％未満のＥＳＲ増大、及び／又は、１Ａ／Ｌ未満の漏れ電流）、向上した製造容易性（例えば、減少した気圧を有し、従って、より良好な歩どまり、及び／又は、キャパシタを電解質で充填するより効率的な方法を有すること）、及び、改善された費用効果（例えば、他の材料ほど高価でない材料でボイド空間を充填することによる）。明確さのため、性能特性は、装置の所与の使用時であって、同様の所与の使用時における材料間の比較に適した使用時における装置の有用性に係る特性に関する。一方、耐久特性は、そのような特性を一定時間にわたって維持する能力に係る特性に関する。上記の性能及び耐久性の例は、本明細書で考慮される「性能もしくは耐久性における有意な変化」が何であるかについての文脈を提示するのに役立つはずである。

ＡＥＳの特性は、容量の増大、等価直列抵抗（equivalent-series-resistance：ＥＳＲ）の減少、高い熱的安定性、低いガラス転位温度（Ｔｇ）、改善された粘性、特定のレオペクシー特性もしくはチキソトロピー特性（例えば、温度に依存するもの）、並びに、高い伝導性から選択された特性における改善の結果、及び／又は、広い温度範囲にわたって良好な電気性能を示すことであってもよい。例えば、ＡＥＳは、高い流動性を有していてもよく、もしくは対照的に、電極３（ａ）及び３（ｂ）の分離を保証する実質的に固体であってもよい。

ＡＥＳは、高温ウルトラキャパシタで使用される本明細書に記載した新規な電解質と、高温ウルトラキャパシタで使用される高度に精製された電解質と、全温度にわたって性能もしくは耐久性の大きな低下なしに摂氏−４０度から摂氏２１０度までの温度範囲における使用に適した改良された電解質の組み合わせとを含む。

ある特定の実施形態では、ＡＥＳは高温ウルトラキャパシタでの使用に適合する。ある実施形態では、ウルトラキャパシタは、摂氏約８０度から摂氏約２１０度までの温度範囲、例えば、摂氏約８０度から摂氏約１５０度までの温度範囲内の温度で動作するように構成されている。

ある特定の実施形態において、ＡＥＳは、高度に精製された電解質を含む。例えば、高度に精製された電解質は、高温ウルトラキャパシタにおいて用いられるように適合されている。ある実施形態では、ウルトラキャパシタは、摂氏約８０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内の温度で動作するように構成されている。

ある特定の実施形態において、ＡＥＳは、改良された電解質の組み合わせを含む。例えば、当該改良された電解質の組み合わせは、高温及び低温のウルトラキャパシタの両方における使用に適合している。ある実施形態では、このウルトラキャパシタは、摂氏約−４０度から摂氏約１５０度までの温度範囲内の温度において動作するように構成されている。

このように、また上述したように、既知のエネルギー貯蔵装置の既存の電解質を超える利点は、次の１以上の改善点から選択される：減少した合計抵抗、増大した抵抗の長期安定性、増大した合計容量、増加した容量の長期安定性、増大したエネルギー密度、増大した電圧安定性、減少した気圧、それぞれのキャパシタについての拡大した温度範囲性能、それぞれのキャパシタについての増大した温度耐性、向上した製造容易性、及び改善された費用効果。

ウルトラキャパシタのある実施形態において、エネルギー貯蔵セルは、正極及び負極を備える。

ウルトラキャパシタのある実施形態において、電極のうちの少なくとも１つは、炭素を含むエネルギー貯蔵媒体を含む。例えば、炭素を含むエネルギー貯蔵媒体はカーボンナノチューブを含む。特定の実施形態において、炭素を含むエネルギー貯蔵媒体は、活性炭、カーボンファイバー、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、カーボンクロス、及びカーボンナノチューブを含んでいてもよい。

ウルトラキャパシタのある実施形態において、それぞれの電極は集電体を含む。

ウルトラキャパシタのある実施形態において、ＡＥＳは、不純物含有量を減少させるように精製される。ある実施形態において、ＡＥＳにおけるハロゲン化物イオンの含有量は、約１０００ｐｐｍ未満、例えば、約５００ｐｐｍ未満、例えば、約１００ｐｐｍ未満、例えば、約５０ｐｐｍ未満である。ある特定の実施の形態において、ＡＥＳにおけるハロゲン化物イオンの含有量は、塩素、臭素、フッ素、及びヨウ素からなるグループから選択されたハロゲン化物イオンのうちの１つ以上から選択される。特定の実施形態において、ＡＥＳにおける不純物の合計濃度は、約１０００ｐｐｍ未満である。ある実施形態において、不純物は、ブロモエタン、クロロエタン、１−ブロモブタン、１−クロロブタン、１−メチルイミダゾール、エチルアセテート、及び塩化メチレンからなるグループのうちの１つ以上から選択される。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、ＡＥＳにおける金属種の合計濃度は、約１０００ｐｐｍ未満である。ある特定の実施形態において、当該金属種は、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｉ、Ｐｂ、及びＺｎからなるグループから選択された１以上の金属から選ばれる。他の特定の実施形態において、当該金属種は、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｉ、Ｐｂ、及びＺｎからなるグループから選択された１以上の金属合金から選ばれる。さらに別の特定の実施形態において、当該金属種は、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｉ、Ｐｂ、及びＺｎからなるグループから選択された１以上の金属酸化物から選ばれる。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、ＡＥＳにおける合計水分含有量は、約５００ｐｐｍ未満であり、例えば、約１００ｐｐｍ未満、例えば、約５０ｐｐｍ未満、例えば、約２０ｐｐｍである。

ウルトラキャパシタの所定の実施形態において、体積当たりの漏れ電流は、当該温度範囲において、約１０アンペア／リットル未満である。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、体積当たりの漏れ電流は、約０ボルト〜約４ボルト、例えば約０ボルト〜約３ボルト、例えば約０ボルト〜約２ボルト、例えば約０ボルト〜約１ボルトの特定の電圧範囲にわたって、約１０アンペア／リットル未満である。ウルトラキャパシタの所定の実施形態において、ハウジング内の水分レベルは、約１０００ｐｐｍ未満、例えば約５００ｐｐｍ未満、例えば約３５０ｐｐｍ未満である。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの電極の水分含有量は、約１０００ｐｐｍ未満、例えば約５００ｐｐｍ未満、例えば約３５０ｐｐｍ未満である。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタのセパレータの水分含有量は、約１０００ｐｐｍ未満、例えば約５００ｐｐｍ未満、例えば約１６０ｐｐｍ未満である。

ウルトラキャパシタの所定の実施形態において、塩化物含有量は、電極、電解質、及びセパレータからなるグループから選択された成分のうちの１つについて、約３００ｐｐｍ未満である。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの体積当たりの漏れ電流（ｍＡ／ｃｃ）は、実質的に一定の温度に維持されている間、約１０ｍＡ／ｃｃ未満であり、例えば、実質的に一定の温度に維持されている間、約１ｍＡ／ｃｃ未満である。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの体積当たりの漏れ電流は、実質的に一定の温度に維持されている間、約０．０００１ｍＡ／ｃｃより大きい。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの体積当たりの容量は、約６Ｆ／ｃｃ〜約１ｍＦ／ｃｃ、約１０Ｆ／ｃｃ〜約５Ｆ／ｃｃ、もしくは、約５０Ｆ／ｃｃ〜約８Ｆ／ｃｃである。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの体積当たりのＥＳＲは、約２０ｍΩ・ｃｃ〜２００ｍΩ・ｃｃ、約１５０ｍΩ・ｃｃ〜２Ω・ｃｃ、約１．５Ω・ｃｃ〜２００Ω・ｃｃ、約１５０Ω・ｃｃ〜２０００Ω・ｃｃである。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタは、実質的に一定の電圧及び動作温度に維持されている間、約９０パーセント未満の容量減少を示す。特定の実施形態において、ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタは、少なくとも１時間、例えば少なくとも１０時間、例えば少なくとも５０時間、例えば少なくとも１００時間、例えば少なくとも２００時間、例えば少なくとも３００時間、例えば少なくとも４００時間、例えば少なくとも５００時間、例えば少なくとも１０００時間にわたって、実質的に一定の電圧及び動作温度に維持されている間、約９０パーセント未満の容量減少を示す。

ＡＥＳを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、ウルトラキャパシタは、少なくとも１時間、例えば少なくとも１０時間、例えば少なくとも５０時間、例えば少なくとも１００時間、例えば少なくとも２００時間、例えば少なくとも３００時間、例えば少なくとも４００時間、例えば少なくとも５００時間、例えば少なくとも１０００時間にわたって、実質的に一定の電圧及び動作温度に維持されている間、約１０００パーセント未満のＥＳＲ増大を示す。

ある実施形態では、ＡＥＳは、高温ウルトラキャパシタで使用される高度に精製された所定の電解質を備える。本明細書に開示されたＡＥＳを含む高度に精製された電解質は、以下に開示する電解質、並びに、本明細書において開示された精製プロセスにより精製された上述の新規な電解質である。本明細書で提示される精製方法は、例えば、摂氏約８０度から摂氏約２１０度まで、摂氏約８０度から摂氏約２００度まで、摂氏約８０度から摂氏約１９０度まで、摂氏約８０度から摂氏約１８０度まで、摂氏約８０度から摂氏約１７０度まで、摂氏約８０度から摂氏約１６０度まで、摂氏約８０度から摂氏約１５０度まで、摂氏約８５度から摂氏約１４５度まで、摂氏約９０度から摂氏約１４０度まで、摂氏約９５度から摂氏約１３５度まで、摂氏約１００度から摂氏約１３０度まで、摂氏約１０５度から摂氏約１２５度まで、又は摂氏約１１０度から摂氏約１２０度まで、の温度範囲で動作する高温ウルトラキャパシタのような高温用途で使用される、向上された特性を有するＡＥＳに適した不純物レベルをもたらす。

ウルトラキャパシタ１０の改善された特性を得るとき、現在入手可能なものより良好な電解質系が必要となる。例えば、動作温度範囲を増大させることが、既知の所定形式の電解質から不純物を大幅に減少／除去することにより達成してもよいことが分かっている。特に懸念される不純物には、水、ハロゲン化物イオン（塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物）、自由アミン（アンモニア）、硫酸塩、及び金属カチオン（Ａｇ、Ａｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｚｎ）が含まれる。したがって、本明細書に開示されたＡＥＳは、未精製の電解質に比較して、驚くほど優れた特性で精製されている、高度に精製された電解質製品を構成する。

特定の実施形態において、本発明は、カチオン９及びアニオン１１及び（ある場合には）溶媒の精製された混合物を提供し、これは、約５０００ｐｐｍ未満の塩化物イオン、約１０００ｐｐｍ未満のフッ化物イオン、及び／又は約１０００ｐｐｍ未満の水を含むＡＥＳとして提供されてもよい。例えば、所定の実施形態において、ＡＥＳは、約２０００ｐｐｍ未満の塩化物イオン、約２００ｐｐｍ未満のフッ化物イオン、及び／又は約２００ｐｐｍ未満の水を含んでもよく、約１０００ｐｐｍ未満の塩化物イオン、約１００ｐｐｍ未満のフッ化物イオン、及び／又は約１００ｐｐｍ未満の水を含んでもよく、約５００ｐｐｍ未満の塩化物イオン、約５０ｐｐｍ未満のフッ化物イオン、及び／又は約５０ｐｐｍ未満の水を含んでもよく、又は、約７８０ｐｐｍ未満の塩化物イオン、約１１ｐｐｍ未満のフッ化物イオン、及び／又は約２０ｐｐｍ未満の水を含んでもよい。

概して、精製された電解質における不純物は、本明細書において開示された精製方法を使用して除去される。例えば、いくつかの実施形態において、ハロゲン化物イオン（塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物）の合計濃度を約１０００ｐｐｍ未満まで低下させてもよい。金属種（例えば、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、それらの合金及び酸化物の少なくとも一方を含む）の合計濃度を約１０００ｐｐｍ未満まで低下させてもよい。さらに、合成プロセスにおいて使用される溶媒及び前駆体からの不純物は、約１０００ｐｐｍ未満まで低下させてもよく、これには、例えば、ブロモエタン、クロロエタン、１−ブロモブタン、１−クロロブタン、１−メチルイミダゾール、酢酸エチル、塩化エチレン等が含まれる。

いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ１０の不純物含有量は、イオン選択電極及びカールフィッシャー滴定法を用いて測定され、これは、ウルトラキャパシタ１０の電解質６に適用されてきた。ある実施形態では、本明細書の教示によるウルトラキャパシタ１０内の合計塩化物含有量は、約２００ｐｐｍ未満の塩化物（Ｃｌ⁻及びＦ⁻）であり、水分含有量が約１００ｐｐｍ未満であることが分かった。

様々な技術、例えば、原子吸光分析法（Atomic Absorption Spectrometry：ＡＡＳ）、誘導結合プラズマ質量分析法（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry：ＩＣＰＭＳ）、若しくは、微量重金属酸化物の粒子を可溶化して電気化学的にセンシングする簡略化された方法を用いて、不純物を測定してもよい。ＡＡＳは、ガス状態の自由原子による光放射（光）の吸収を用いる、化学元素の定量的かつ定性的決定のためのスペクトル分析法である。当該技術は、分析されるべきサンプルにおける特定の元素（被分析物）の濃度を決定するために使用される。ＡＡＳは、溶液において、もしくは固体サンプルにおいて直接に、７０個を越える異なる元素を決定するために使用可能である。ＩＣＰＭＳは、高い感度を有し、１０ ^１２ 分の１（part per trillion）未満の濃度の金属及びいくつかの非金属の範囲を決定することができる質量分析法である。この技術は、イオンを生成する方法（イオン化）としての誘導結合プラズマ法（ＩＣＰ）を、イオンを分離して検出する方法としての質量分析法（ＭＳ）と組み合わせることに基づいている。ＩＣＰＭＳは、選択されたイオンについて、同位体特定をモニタリングすることもできる。

不純物を分析するために、追加の技術を用いてもよい。これらの技術のいくつかは、固体サンプル中における不純物を分析するのに特に有利である。イオンクロマトグラフィー（Ion Chromatography：ＩＣ）は、電解質６（例えばイオン液体）におけるハロゲン化物不純物の微量元素レベルを決定するために使用してもよい。イオンクロマトグラフィーの一つの利点は、単一のクロマトグラフィー分析において、関連のあるハロゲン化物種を測定することができることである。イオン液体からのハロゲン化物を定量化するために使用されうる装置の一例は、２０ｍＭのＮａＯＨ及び１０％（ｖ／ｖ）のアセトニトリルからなる溶離剤を用いるディオネックス（Dionex）ＡＳ９−ＨＣカラムである。別の技術は、蛍光Ｘ線を用いるものである。

固体サンプルにおけるハロゲン含有量を測定するため、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）装置を使用してもよい。この技術において、分析されるべきサンプルはサンプルカップに配置され、次いで、サンプルカップは分析装置に配置される。分析装置において、特定の波長のＸ線により照射される。サンプル中のすべてのハロゲン原子はＸ線の一部を吸収し、その後、所定のハロゲンに特有の波長において放射を反射する。当該装置中の検出器は、ハロゲン原子から戻る放射量を定量化し、放射の強度を測定する。さらされる表面面積がわかれば、サンプル中のハロゲンの濃度を決定することができる。固体のサンプルにおける不純物を評価するためのさらなる技術は、熱分解によるものである。

不純物の吸収は、熱分解及びマイクロクーロメーターを使用することにより効率的に測定することができる。マイクロクーロメーターは、ほとんど全てのタイプの材料で合計塩素含有量をテストすることができる。一例として、少量（１０ミリグラム未満）のサンプルが、石英燃焼管に投入されるか又は配置される。石英燃焼管において、温度は、摂氏約６００度から摂氏約１０００度までの範囲にわたる。純酸素が石英管を通過し、すべての塩素含有成分が完全に燃焼される。結果として得られる燃焼生成物は滴定セルに移動され、滴定セルにおいて、塩素イオンは電解質に捕捉される。電解質は銀イオンを含む。銀イオンは、任意の塩素イオンとすぐに結合し、不溶性の塩化銀として溶液から析出される。滴定セルにおける銀電極は、銀イオン濃度が滴定を始める前の濃度に戻るまで、消費された銀イオンを電気的に置き換える。必要とされる銀の量を発生させるために必要な電流量を追跡することにより、当該装置は、当初のサンプルにどれだけの量の塩素が存在していたかを決定することができる。存在する合計塩素量をサンプルの重量で除算することにより、実際にサンプル中に存在する塩素濃度が得られる。不純物を評価する他の技術を使用してもよい。

電極３における表面特性化及び水分含有量は、例えば、赤外線分光技術により試験されてもよい。約１１３０、１５６０、３２５０、及び２３００ｃｍ^−１の付近における４つの大きな吸収帯は、それぞれ、カルボニルのνＣ＝Ｏ 、アリールのνＣ＝Ｃ、νＯ−Ｈ、及びνＣ−Ｎに相当する。強度及びピーク位置を測定することにより、電極３内の表面不純物を定量的に同定することが可能である。

電解質６及びウルトラキャパシタ１０における不純物を同定するための他の技術は、ラマン分光法である。この分光技術は、通常は可視光、近赤外、もしくは近紫外のレーザからの、単色光の非弾性散乱もしくはラマン散乱に基づく。レーザ光は、当該系における分子振動、フォノン、もしくは他の励起と相互作用し、その結果、レーザフォトンのエネルギーが上下にシフトされる。このように、当該技術は、ウルトラキャパシタ１０内における原子及び分子を特性化するために使用してもよい。ラマン分光法の多数の変形物が使用され、ウルトラキャパシタ１０の内容を特性化する際において有益であることが証明される。

ある特定の実施形態において、上記のカチオン及びアニオンの組み合わせを前提として、ＡＥＳは、トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、１−ブチル−１−メチルピペリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、及びブチルトリメチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドからなるグループから選択されてもよい。所定時間にわたる容量及びＥＳＲの測定により実証される、所定温度範囲で向上した性能特性を支持するデータは、高温での有用性及び長期の耐久性を示す。

ある実施形態において、ＡＥＳは、トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−ブチル−１−メチルピペリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態において、ＡＥＳは、ブチルトリメチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

もう一つの実施形態において、本明細書に開示されたＡＥＳは、イミダゾリウム及びピロリジニウムからなるグループから選択された、図４に示すカチオンの任意の組み合わせを含み、さまざまな各分岐基Ｒ_ｘ（例えばＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、…Ｒ_ｘ）は、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、ハロ、アミノ、ニトロ、シアノ、ヒドロキシル、サルフェート、スルホナート、及びカルボニル基からなるグループから選択されてもよく、これらはいずれもオプションで置換され、少なくとも２つのＲ_ｘはＨではなく（すなわち、Ｒ基の選択及び向きが図４に示すカチオン種を生成する）、アニオンは、テトラフルオロボラート、ビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、テトラシアノボラート、及びトリフルオロメタンスルホン酸からなるグループから選択される。ある特定の実施形態において、２つのＲ_ｘは、Ｈではなく、アルキルである。さらに、記載されたカチオンは、高い熱的安定性並びに高い伝導性を示し、幅広い温度範囲にわたって良好な電気化学的特性を示す。

ある特定の実施形態において、上述のカチオン及びアニオンの組み合わせを前提として、ＡＥＳは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１−ヘキシル３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロリン酸塩、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、及び１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸からなるグループから選択されてもよい。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩である。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩である。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩である。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−ヘキシル３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩である。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロリン酸塩である。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩である。

ある実施形態において、ＡＥＳは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸である。

もう１つの特定の実施形態において、２つのＲ_ｘのうちの一方は、Ｈではなく、アルキル、例えばメチルであり、他方は、アルコキシで置換されたアルキルである。さらに、当該分子において式（１）のＮ，Ｏアセタール骨格構造を有するカチオンが高い電気伝導性を有することと、これらのカチオンに含まれ、ピロリジン骨格及びＮ，Ｏアセタール基を有するアンモニウムカチオンが特に高い電気伝導性及び有機溶媒中の溶解度を有し、比較的に高い電圧をサポートする、ということが分かってきた。そのため、ある実施形態において、ＡＥＳは次式の塩を備える。

ここで、Ｒ_１及びＲ_２は、同じであっても異なっていてもよく、それぞれアルキルである。Ｘ⁻はアニオンである。一部の実施形態において、Ｒ_１は、１〜４個の炭素原子を有する直鎖状もしくは分岐状アルキルである。Ｒ_２はメチルもしくはエチルである。Ｘ⁻はシアノボラートを含むアニオン１１である。特定の実施形態において、Ｘ⁻は［Ｂ（ＣＮ）］_４を含み、Ｒ_２はメチル基又はエチル基の一方である。もう１つの特定の実施形態において、Ｒ_１とＲ_２の両方がメチルである。さらに、ある実施形態において、本明細書に開示されたＡＥＳに適したシアノボラートアニオン１１、Ｘ⁻には、［Ｂ（ＣＮ）_４］⁻もしくは［ＢＦ_ｎ（ＣＮ）_４−ｎ］⁻が含まれる。ここで、ｎ＝０、１、２又は３である。

ある実施形態ではテトラシアノボラートと結合されてもよい、化学式（１）のカチオンの例は、Ｎ−メチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウム、Ｎ−エチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウム、Ｎ−メトキシメチル−Ｎ−ｎ−プロピルピロリジニウム、Ｎ−メトキシメチル−Ｎ−イソプロピルピロリジニウム、Ｎ−ｎ−ブチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウム、Ｎ−イソブチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウム、Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウム、Ｎ−エトキシメチル−Ｎ−メチルピロリジニウム、Ｎ−エチル−Ｎ−エトキシメチルピロリジニウム（Ｎ−エトキシメチル−Ｎ−エチルピロリジニウム）、Ｎ−エトキシメチル−Ｎ−ｎ−プロピルピロリジニウム、Ｎ−エトキシメチル−Ｎ−イソプロピルピロリジニウム、Ｎ−ｎ−ブチル−Ｎ−エトキシメチルピロリジニウム、Ｎ−イソブチル−Ｎ−エトキシメチルピロリジニウム、及びＮ−ｔｅｒｔ−ブチル−Ｎ−エトキシメチルピロリジニウムである。他の例は、Ｎ−メチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウム（Ｎ−メトキシメチル−Ｎ−メチルピロリジニウム）、Ｎ−エチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウム、及びＮ−エトキシメチル−Ｎ−メチルピロリジニウムを含む。

追加のアニオンと組み合わされる化学式（１）のカチオンの追加の例は、Ｎ−メチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウムテトラシアノボラート、Ｎ−エチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウムテトラシアノボラート、Ｎ−エトキシメチル−Ｎ−メチルピロリジニウムテトラシアノボラート、Ｎ−メチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド、（Ｎ−メトキシメチル−Ｎ−メチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド）、Ｎ−エチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド、Ｎ−エトキシメチル−Ｎ−メチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド、Ｎ−メチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウムトリフルオロメタンスルフォレート、及び（Ｎ−メトキシメチル−Ｎ−メチルトリフルオロメタンスルフォレート）から選択してもよい。

電解質として使用されるとき、第四級アンモニウム塩は、適切な有機溶媒と混合して使用してもよい。有用な溶媒には、環状炭酸エステル、直鎖状炭酸エステル、リン酸エステル、環状エーテル、直鎖状エーテル、ラクトン化合物、直鎖状エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、及びスルホン化合物が含まれる。そのような化合物の例が、以下に示されている。しかしながら、使用されるべき溶媒は、これらの化合物に限定されない。

環状炭酸エステルの例は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン等であり、これらの中で炭酸プロピレンが好ましい。

直鎖状炭酸エステルの例は、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル等であり、これらの中で炭酸ジメチル及び炭酸エチルメチルが好ましい。

リン酸エステルの例は、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル等である。環状エーテルの例は、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランなどである。直鎖状エーテルの例は、ジメトキシエタンなどである。ラクトン化合物の例は、γ−ブチロラクトン等である。直鎖状エステルの例は、プロピオン酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、蟻酸メチル等である。ニトリル化合物の例は、アセトニトリル等である。アミド合成物の例は、ジメチルホルムアミドなどである。スルホン化合物の例は、スルホラン、メチルスルホラン等である。いくつかの実施形態において、環状炭酸エステル、直鎖状炭酸エステル、ニトリル化合物、及びスルホン化合物は、特に好ましい。

これらの溶媒は、単一で使用してもよいし、もしくは、少なくとも２種の溶媒を混合して使用してもよい。好ましい有機溶媒混合物の例は、環状炭酸エステル及び直鎖状炭酸エステルの混合物、例えば、炭酸エチレンと炭酸ジメチルとの混合物、炭酸エチレンと炭酸エチルメチルとの混合物、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの混合物、炭酸プロピレンと炭酸ジメチルとの混合物、炭酸プロピレンと炭酸エチルメチルとの混合物、及び、炭酸プロピレンと炭酸ジエチルとの混合物、直鎖状炭酸エステルの混合物、例えば、炭酸ジメチルと炭酸エチルメチルとの混合物、並びに、スルホラン化合物の混合物、例えば、スルホランとメチルスルホランとの混合物である。さらに好ましくは、炭酸エチレンと炭酸エチルメチルとの混合物、炭酸プロピレンと炭酸エチルメチルとの混合物、並びに、炭酸ジメチルと炭酸エチルメチルとの混合物である。

いくつかの実施形態において、本発明の第四級アンモニウム塩が電解質として使用されるとき、電解質濃度は少なくとも０．１Ｍであり、一部の場合には少なくとも０．５Ｍであり、少なくとも１Ｍであってもよい。仮に濃度が０．１Ｍ未満である場合、低電気伝導性が得られ、低下した性能を有する電気化学装置をもたらす。電解質が室温で液体の塩である場合、濃度の上限値は分離濃度である。溶液が分離しないとき、リミットの濃度は１００％である。塩が室温で固体である場合、リミットの濃度は、溶液に塩が飽和する濃度である。

ある実施形態では、組み合わせることが、ＡＥＳを利用することによる利点に有意な悪影響を与えない限り、例えば、性能もしくは耐久特性を１０％より大きく変えない限り、ＡＥＳに、本明細書において開示されたもの以外の電解質を混合してもよい。ＡＥＳと混合されるのに適している可能性がある電解質の例は、アルカリ金属塩、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩等である。これらの電解質は、単一で使用されてもよく、それらの少なくとも２種が組み合わされて使用され、本明細書に開示されたＡＥＳと混合される。有用なアルカリ金属塩には、リチウム塩、ナトリウム塩、及びカリウム塩が含まれる。そのようなリチウム塩の例は、六フッ化リン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、過塩素酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、スルホニルイミドリチウム、スルホニルメチドリチウム等であるが、しかしながら、これらに限定されることはない。有用なナトリウム塩の例は、六フッ化リン酸ナトリウム、ホウフッ化ナトリウム、過塩素酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム、スルホニルイミドナトリウム、スルホニルメチドナトリウム等である。有用なカリウム塩の例は、六フッ化リン酸カリウム、ホウフッ化カリウム、過塩素酸カリウム、トリフルオロメタンスルホン酸カリウム、スルホニルイミドカリウム、スルホニルメチドカリウム等である。しかしながら、これらは限定されるものではない。

上述の組み合わせ（すなわち、ＡＥＳの利用により達成される利点に有意な影響を与えない）において使用されうる有用な第四級アンモニウム塩には、テトラアルキルアンモニウム塩、イミダゾリウム塩、ピラゾリウム塩、ピリジニウム塩、トリアゾリウム塩、ピリダジニウム塩等が含まれるが、しかしながら、これらに限定されることはない。有用なテトラアルキルアンモニウム塩の例は、テトラエチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラメチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラプロピルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラブチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、トリエチルメチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩,トリメチルエチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、ジメチルジエチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、トリメチルプロピルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、トリメチルブチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、ジメチルエチルプロピルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、メチルエチルプロピルブチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ，Ｎ−ジメチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−エチル−Ｎ−プロピルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ，Ｎ−ジメチルピペリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−メチル−Ｎ−エチルピペリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピペリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−エチル−Ｎ−プロピルピペリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ，Ｎ−ジメチルテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−メチル−Ｎ−エチルモルホリニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルモルホリニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−エチル−Ｎ−プロピルモルホリニウムテトラシアノホウ酸塩などであるが、これらの例に限定するものではない。

上述の組み合わせ（すなわちＡＥＳの利用により達成される利点に有意な影響を与えない）において使用されうるイミダゾリウム塩の例には、１，３−ジメチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１，３−ジエチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１，２−ジメチル−３−エチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、及び１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩が含まれるが、これらに限定されることはない。ピラゾリウム塩の例は、１，２−ジメチルピラゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１−メチル−２−エチルピラゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１−プロピル−２−メチルピラゾリウムテトラシアノホウ酸塩、及び１−メチル−２−ブチルピラゾリウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。ピリジニウム塩の例は、Ｎ−メチルピリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−エチルピリジニウムテトラシアノホウ酸塩、Ｎ−プロピルピリジニウムテトラシアノホウ酸塩、及びＮ−ブチルピリジニウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。トリアゾリウム塩の例は、１−メチルトリアゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１−エチルトリアゾリウムテトラシアノホウ酸塩、１−プロピルトリアゾリウムテトラシアノホウ酸塩、及び１−ブチルトリアゾリウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。ピリダジニウム塩の例は、１−メチルピリダジニウムテトラシアノホウ酸塩、１−エチルピリダジニウムテトラシアノホウ酸塩、１−プロピルピリダジニウムテトラシアノホウ酸塩、及び１−ブチルピリダジニウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。第四級ホスホニウム塩の例は、テトラエチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラメチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラプロピルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラブチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、トリエチルメチルホスホニウムテトラフルオロホウ酸塩、トリメチルエチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、ジメチルジエチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、トリメチルプロピルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、トリメチルブチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、ジメチルエチルプロピルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、メチルエチルプロピルブチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。

本明細書に開示されたＡＥＳは、所定の実施形態では、性能又は耐久性の有意な低下なしで、摂氏−４０度から摂氏２１０度まで、例えば、摂氏−４０度から摂氏１５０度まで、例えば、摂氏−３０度から摂氏１５０度まで、例えば、摂氏−３０度から摂氏１４０度まで、例えば、摂氏−２０度から摂氏１４０度まで、例えば、摂氏−２０度から摂氏１３０度まで、例えば、摂氏−１０度から摂氏１３０度まで、例えば、摂氏−１０度から摂氏１２０度まで、例えば、摂氏０度から摂氏１２０度まで、例えば、摂氏０度から摂氏１１０度まで、例えば、摂氏０度から摂氏１００度まで、例えば、摂氏０度から摂氏９０度まで、例えば、摂氏０度から摂氏８０度まで、例えば、摂氏０度から摂氏７０度までの温度範囲での使用に適した電解質の所定の組み合わせを備えてもよい。

概して、与えられた温度におけるより高い耐久性は、より低い温度におけるより高い電圧安定性と同時に得られる。従って、電解質の組み合わせを含む高温ＡＥＳの開発は、概して、高電圧ただし低温のＡＥＳを同時に開発することになる。したがって、本明細書で説明した電解質の組み合わせは、より高い電圧、したがってより高いエネルギー密度において、ただしより低い温度でも有用である可能性がある。

ある実施形態では、本明細書で開示した電解質の組み合わせは、第２のイオン液体に混合されるイオン液体と、有機溶媒に混合されるイオン液体と、第２のイオン液体及び有機溶媒に混合されるイオン液体とからなるグループから選択された新規な電解質の混合物を含むエネルギー貯蔵セル、例えばウルトラキャパシタにおける使用に適している。ここで、各イオン液体は、次のカチオン及びアニオンの任意の組み合わせの塩から選択される。カチオンは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、１−ヘキシル３−メチルイミダゾリウム、１−ブチル−１−メチルピペリジニウム、ブチルトリメチルアンモニウム、１−ブチル−１−メチルピロリジニウム、トリヘキシルテトラデシルホスホニウム、及び１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムからなるグループから選択され、アニオンは、テトラフルオロボラート、ビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、テトラシアノボラート、及びトリフルオロメタンスルホナートからなるグループから選択される。有機溶媒は、直鎖状スルホン（例えば、エチルイソプロピルスルホン、エチルイソブチルスルホン、エチルメチルスルホン、メチルイソプロピルスルホン、イソプロピルイソブチルスルホン、イソプロピル ｓ−ブチルスルホン、ブチルイソブチルスルホン、及びジメチルスルホン）、直鎖状炭酸塩（例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、及び炭酸ジメチル）、及びアセトニトリルからなるグループから選択される。

例えば、上述のカチオン及びアニオンの組み合わせを前提とすると、各イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩；１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド；１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩；１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩；１−ヘキシル３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩；１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド；１−ブチル−１−メチルピロリジニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロリン酸塩；１−ブチル−１−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩；トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、１−ブチル−１−メチルピペリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、ブチルトリメチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド、及び１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸からなるグループから選択されてもよい。

ある実施形態では、イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩である。

ある実施形態では、イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態では、イオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩である。

ある実施形態では、イオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩である。

ある実施形態では、イオン液体は、１−ヘキシル３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩である。

ある実施形態では、イオン液体は、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態では、イオン液体は、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロリン酸塩である。

ある実施形態では、イオン液体は、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩である。

ある実施形態では、イオン液体は、トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態では、イオン液体は、１−ブチル−１−メチルピペリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態では、イオン液体は、ブチルトリメチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドである。

ある実施形態では、イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸である。

ある実施形態では、有機溶媒は、エチルイソプロピルスルホン、エチルイソブチルスルホン、エチルメチルスルホン、メチルイソプロピルスルホン、イソプロピルイソブチルスルホン、イソプロピル ｓ−ブチルスルホン、ブチルイソブチルスルホン、若しくはビメチルスルホン、直鎖状スルホンから選択される。

ある実施形態では、有機溶媒は、炭酸ポリプロピレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸エチレンから選択される。

ある実施形態では、有機溶媒はアセトニトリルである。

ある実施形態では、ＡＥＳは、有機溶媒を有するイオン液体であり、当該有機溶媒は、当該組成物の５５体積％〜９０体積％、例えば３７．５体積％である。

ある実施形態では、ＡＥＳは、第２のイオン液体を有するイオン液体であり、一方のイオン液体は、当該組成物の５体積％〜９０体積％、例えば６０体積％である。

本明細書に開示されたＡＥＳ（例えば、本明細書に提示した特有の組み合わせを有する）は、それぞれのキャパシタについての拡大した温度範囲性能（例えば、２つの温度間で遷移する場合、容量の有意な減少及び／又はＥＳＲの有意な増大が生じないこと、例えば、摂氏約＋３０度から摂氏約−４０度に遷移する場合、９０％を越える容量減少及び／又は１０００％を越えるＥＳＲ増大が生じないこと）と、それぞれのキャパシタについての増大した温度耐性（例えば、与えられた時間後の与えられた温度において５０％未満の容量低下、及び／又は与えられた時間後の与えられた温度において１００％未満のＥＳＲ増大、及び／又は与えられた時間後の与えられた温度において１０Ａ／Ｌ未満の漏れ電流、例えば、４０％未満の容量減少及び／又は７５％未満のＥＳＲ増大、及び／又は５Ａ／Ｌ未満の漏れ電流、例えば３０％未満の容量減少及び／又は５０％未満のＥＳＲ増大、及び／又は１Ａ／Ｌ未満の漏れ電流）とを可能にする。

理論により拘泥されることを望まないが、上述の組み合わせは、摂氏−４０度未満の温度まで性能及び耐久性基準内で動作するウルトラキャパシタを提供するために、ＡＥＳの凝固点に影響を与える改良された共晶特性を示す。

所定の実施形態において、ＡＥＳによって提供される優れた特性は、本明細書に開示した電解質を、本明細書に開示されたウルトラキャパシタにそれらを組み込む前に精製することで達成することができる。そのような精製は、当該技術分野において認められている技術もしくは本明細書において提供される技術を用いて実施可能である。この精製は、本明細書で説明したＡＥＳの特性をさらに改善する可能性がある。

ある実施形態では、ＡＥＳは、混入物質を除去するために、また、本明細書において記載された所望の向上された性能特性を提供するために精製される。例えば、本開示は、ＡＥＳを精製する方法を提供し、上記方法は、ＡＥＳに水を混合して第１の混合物を提供するステップと、上記第１の混合物を分離するステップと、上記第１の混合物から上記ＡＥＳを収集するステップと、上記収集された液体に溶媒を加えて第２の混合物を提供するステップと、上記第２の混合物に炭素を混合して第３の混合物を提供するステップと、上記第３の混合物から上記ＡＥＳを分離して、精製されたＡＥＳを取得するステップとを含む。概して、本プロセスは、電解質を選択し、制御された条件下、脱イオン化水及び活性炭素を加えることを要求する。この脱イオン化水並びに活性炭素は後で除去され、それにより、実質的に精製された電解質がもたらされる。精製された電解質は、とりわけ、ウルトラキャパシタにおける使用に適している。

この方法は、ＡＥＳの高い清浄度を保証するために使用されてもよい。本プロセスは、特定のパラメータ（量、定式化、時間等）の観点で提示されているが、この提示は、電解質を精製するためのプロセスの単なる例示及び説明であって、それを制限するものではない。

例えば、本発明は、さらに、次のステップもしくは特徴のうちの１つ以上を含んでいてもよい。本発明は、第１の混合物を加熱するステップを含む。分離することは、水及びＡＥＳが実質的に分離されるまで、第１の混合物を乱されない状態に保たせることを含む。溶媒を加えることには、ジエチルエーテル、ペントン、シクロペントン、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、１−４ジオキサン、及びクロロホルムの少なくとも一種を加えることを含む。炭素を混合することには、炭素粉末を混合することが含まれる。炭素を混合することには、第３の混合物を実質的に一定に撹拌することが含まれる。ＡＥＳを分離することには、第３の混合物から炭素を濾過すること、及び、第３の混合物から溶媒を蒸発させることの少なくとも一方を含む。

電解質を精製するためのプロセスの第１のステップにおいて、電解質６（いくつかの実施形態においては、イオン液体）は、脱イオン化水と混合され、その後、いくらかの期間、中程度の温度まで昇温される。概念実証において、５０ｃｃのイオン液体は８５０ｃｃの脱イオン化水と混合された。混合物は、約１２時間、摂氏６０度の一定温度まで昇温され、一定（毎分１２０回転（ｒｐｍ））の撹拌に供した。

第２のステップにおいて、イオン液体と脱イオン化水との混合物は、分離が可能にされる。この例において、混合物は漏斗を介して移され、約４時間置かれた。

第３のステップにおいて、イオン液体を収集する。この例において、下部に混合物の水の相が存在し、上部にイオン液体の相が存在する。イオン液体の相は、他のビーカーに移される。

第４のステップにおいて、溶媒をイオン液体と混合した。この例において、容積約２５ｃｃの酢酸エチルはイオン液体と混合された。この混合物は、再度、中程度の温度まで昇温され、ある程度の時間にわたって撹拌された。

溶媒としてエチルアセテートを使用しているけれども、溶媒は、ジエチルエーテル、ペントン、シクロペントン、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、１−４ジオキサン、クロロホルムもしくはそれらの任意の組み合わせ、並びに、適切な性能特性を示す他の１つ又は複数の材料のうちの少なくとも１つであってもよい。所望の性能特性の一部には、非極性の溶媒、並びに、高い揮発性のものが含まれる。

第５のステップにおいて、イオン液体と溶媒との混合物に炭素粉末を加える。この例において、この混合物に、約２０質量％（ｗｔ％）の（約０．４５μｍの直径の）炭素を加えた。

第６のステップにおいて、イオン液体を再度混合した。この例において、炭素粉体を含む混合物を、摂氏約７０度で一晩、一定の撹拌（例えば１２０ｒｐｍ）に供した。

第７のステップにおいて、炭素とエチルアセテートとをイオン液体から分離した。この例において、炭素は、ガラスマイクロファイバーフィルターによるブフナー濾過を用いて分離した。多段濾過（３段）を実行した。炭素粒子の実質的にすべてを除去するため、収集されたイオン液体を、その後、０．２μｍシリンジフィルタに通過させた。この例において、その後、回転蒸発を採用することにより、溶媒をイオン液体から分離した。具体的には、イオン液体のサンプルは、温度を摂氏７０度から摂氏８０度まで増加させながら撹拌され、摂氏１００度において終了した。蒸発は、それぞれの温度において、約１５分間にわたって実行された。

電解質を精製するプロセスは、非常に効果的であることが証明された。サンプルのイオン液体について、水分含有量は、米国オハイオ州コロンバスのメトラー−トレドインコーポレイテッド（Mettler-Toledo Inc.）により提供される滴定装置（モデルナンバー：ＡＱＣ２２）を用いた滴定により測定された。ハロゲン化物含有量は、米国ロードアイランド州ウッドソケットのハンナインスツルメンツ（Hanna Instruments）により提供されるＩＳＥ装置（モデルナンバー：ＡＱＣ２２）により測定した。ＩＳＥ装置のための標準的な溶液は、ハンナから得られ、ＨＩ４００７−０３（１０００ｐｐｍ塩化物標準）、ＨＩ４０１０−０３（１０００ｐｐｍフッ化物標準）、ＨＩ４０００−００（ハロゲン化物電極のＩＳＡ）、及びＨＩ４０１０−００（フッ化電極のみのＴＩＳＡＢ溶液）が含まれていた。測定を実行する前において、ＩＳＥ装置は、０．１、１０、１００、及び１０００ｐｐｍの標準を用いて、標準溶液で較正され、脱イオン水と混合された。ＩＳＡバッファは、Ｃｌ−イオンの測定のために、１：５０比で標準に追加された。
結果を表２に示す。

ハロゲン化物イオンを測定するために、４ステップのプロセスが使用された。まず、塩化物（ｃｌ⁻）及びフッ化物（Ｆ⁻）イオンは、脱イオン化水において測定された。次に、０．０１Ｍのイオン液体溶液を脱イオン化水で調製した。続いて、塩化物（ｃｌ⁻）及びフッ化物（Ｆ⁻）イオンが溶液において測定された。その後、当該溶液中のイオンの量から水中のイオンの量を差し引くことにより、ハロゲン化物含有量の評価値が決定された。

また、漏れ電流の分析により、電解質の汚染成分に関して精製標準が試験された。同様の構造を有するウルトラキャパシタ１０における精製された電解質の漏れ電流は、初期漏れ電流では実質的に減少し、測定期間の後の部分では漏れ電流が緩やかに減少する。表３に、各実施形態の構成についてのより多くの情報が与えられている。

ウルトラキャパシタ１０の抵抗及び容量の安定性の改善を含む他の利点も達成される。

漏れ電流は、多数の方法で決定可能である。定性的には、漏れ電流は、一旦装置が平衡状態に達したとき、当該装置内に流れ込む電流であると考えられる。実際、概して漸近的に近づくだけの可能性がある平衡状態として、実際の漏れ電流を概算することが、常にもしくは殆ど常に必要である。そのため、所定の測定における漏れ電流は、ウルトラキャパシタ１０を比較的長い時間期間にわたって実質的に固定された電圧に保持し、かつ、実質的に固定された周囲の温度にさらしている間、ウルトラキャパシタ１０に流れ込む電流を測定することにより概算することができる。いくつかの例において、比較的長い時間期間は、電流時間関数を指数関数で近似し、その後、いくつか（例えば約３〜５個）の特性時定数をわたすことにより決定してもよい。通常、そのような期間は、多くのウルトラキャパシタ技術について、約５０時間から約１００時間におよぶ。別の態様では、このような長い時間期間が何らかの理由で実用的でない場合、再度、ことによると、電流時間関数を指数関数、もしくは適切と認められる任意の近似関数で近似することにより、漏れ電流は単に外挿されてもよい。とりわけ、漏れ電流は、概して、周囲の温度に依存するであろう。ある温度において、もしくはある温度範囲において装置の性能を特徴づけるため、概して、漏れ電流を測定する際に関心対象の周囲温度に装置をさらすことが重要である。

特定の温度において体積当たりの漏れ電流を減少させるための１つのアプローチは、その温度における動作電圧を低下させることである。特定の温度において体積当たりの漏れ電流を減少させるための他のアプローチは、ウルトラキャパシタのボイド体積を増加させることである。また、漏れ電流を減少させるためのさらに別のアプローチは、電極３においてエネルギー貯蔵媒体１の負荷を減少させることである。

電解質及びイオン液体の精製のための実施形態の態様を開示したが、様々な態様を実現してもよいことは認識されるべきである。さらに、様々な技術を実施してもよい。例えば、ステップは、ステップの順番等について調整されてもよい。

ｉｉ．電極

再び図３を参照すると、ウルトラキャパシタ１０は、少なくとも一対の電極３（ここで、各電極３は、単に本明細書での参照を目的として、負極３（ａ）又は正極３（ｂ）として呼ばれることがある）を備える貯蔵セル１２を備える。ウルトラキャパシタ１０に組み込まれ、かつ、貯蔵セル１２にわたって電位Ｖが印加されたとき、各電極３は、電解質界面において電荷二重層をもたらす。一部の実施形態において、複数の電極３が含まれる。例えば、一部の実施形態において、ウルトラキャパシタは２対以上の電極３（ａ）及び３（ｂ）を備える。しかしながら、議論の目的のために、ただ一対の電極３（ａ）及び３（ｂ）を示す。本明細書では慣行として、エネルギー貯蔵を行うために、電極３の少なくとも一方が、炭素に基づくエネルギー貯蔵媒体（本明細書においてさらに議論されている）を使用する。しかしながら、本明細書における議論のため、概して、各電極は炭素に基づくエネルギー貯蔵媒体１を含むことを想定する。

１．集電体

各電極３は各集電体２（「current collector」又は「charge collector」）を含む。いくつかの実施形態において、炭素に基づくエネルギー貯蔵媒体１は、一方もしくは両方の電極３に含まれなくてもよい。換言すれば、いくつかの実施形態において、各電極３は、集電体２のみからなっていてもよい。集電体２を提供するために使用される材料は、その表面領域を増加させるために、粗面化、陽極酸化等の処理が行われてもよい。これらの実施形態において、集電体２のみが電極３として機能してもよい。しかしながら、これを考慮に入れ、本明細書において使用されているように、用語「電極３」は、概して、エネルギー貯蔵媒体と集電体２との組み合わせを意味する（しかしながら、少なくとも前述の理由により、これに限定しない）。集電体は、アルミニウム、銅、又は他の導体金属及び合金のような、当該技術において既知の任意の導体材料も含んでもよい。

２．エネルギー貯蔵媒体

例示的なウルトラキャパシタ１０において、エネルギー貯蔵媒体１は、カーボンナノチューブから構成される。エネルギー貯蔵媒体１は、例えば、活性炭、カーボンファイバー、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、カーボンクロス、及び複数の形態のカーボンナノチューブを含む、他の炭素材料を含んでいてもよい。活性炭電極は、例えば、炭素化合物の炭化により得られる炭素材料に対して第１の活性化処理を行うことによって炭素に基づく材料を生成すること、炭素に基づく材料にバインダーを加えることにより成形体を製造すること、成形体を炭化すること、および最後に、炭化された成形体に第２の活性化処理を行うことにより活性炭電極を生成することによって製造され得る。カーボンファイバー電極は、例えば、大きな表面積を有するカーボンファイバーを含有するペーパーもしくはクロースプレフォームにより製造されてもよい。

カーボンナノチューブを製造するための例示的な方法において、整列されたカーボンナノチューブ凝集体を生成するための装置は、その表面に触媒を有するベース材料上に、整列されたカーボンナノチューブ凝集体を合成させる装置を含む。当該装置は、触媒を取り囲む環境を還元ガスの環境として、少なくとも触媒及び還元ガスのいずれかを加熱する形成ステップを行う形成ユニットと、触媒を取り囲む環境を未処理の材料ガスの環境として、少なくとも触媒及び未処理の材料ガスのいずれかを加熱することにより、整列されたカーボンナノチューブ凝集体を合成する成長ステップを行う成長ユニットと、少なくとも形成ユニットから成長ユニットまでベース材料を搬送する搬送ユニットとを含む。整列されたカーボンナノチューブ凝集体を提供するため、他の様々な方法及び装置を採用してもよい。

いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵媒体１を形成するために使用される材料には、純粋な炭素（現在存在しているか、もしくは後で開発される様々な形態の炭素）以外の材料が含まれていてもよい。換言すれば、他の材料の様々な形成物がエネルギー貯蔵媒体１内に含まれていてもよい。より具体的には、非限定的な例として、少なくとも１つのバインダー材料をエネルギー貯蔵媒体１において使用してもよい。しかしながら、これは、他の材料（バインダー材料等）を加えることを提案もしくは要求するものではない。しかしながら、概して、エネルギー貯蔵媒体１は実質的に炭素から形成され、それゆえ、本明細書においては、「炭素材料」、「炭素層」、及び他の同様の用語で呼ぶことがある。端的に言えば、大部分が炭素で形成されているけれども、エネルギー貯蔵媒体１は、エネルギー貯蔵媒体１として所望の機能を提供するため、任意の形態の炭素（適切もしくは許容可能とみなされる任意の添加物もしくは不純物）を含んでいてもよい。

一組の実施形態において、炭素材料には、少なくとも約６０質量％の炭素原子を含む。他の実施形態において、少なくとも約７５％、８５％、９０％、９５％、もしくは９８％の炭素原子を含む。

炭素材料は、カーボンブラック、グラファイト、及びその他を含む、様々な形態の炭素を含みうる。炭素材料は、ナノチューブ、ナノロッド、グラフェンシートなどを含む炭素粒子を含んでいてもよい。グラフェンシートは、シート状、及び／又は円錐状、ロッド状、球状（バッキーボール）等に形成される。

エネルギー貯蔵媒体１における使用に適した様々な形態の炭素材料のいくつかの実施形態が、本明細書において例として提供されている。これらの実施形態は、頑健なエネルギー貯蔵装置を提供し、電極３における使用に適している。これらの例は例示であり、エネルギー貯蔵媒体１における使用に適した炭素材料の実施形態を限定するものではないことに留意すべきである。

ある実施形態では、各電極のエネルギー貯蔵媒体１の多孔率は、キャパシタの性能を改善するため、それぞれの電解質のサイズに依存して選択されてもよい。

ここで、電極３を提供するためエネルギー貯蔵媒体１に集電体２を付加する例示的なプロセスを提示する。ここで図２を参照すると、カーボンナノチューブ凝集体（ＣＮＴ）の形態の炭素材料のホストとなる基板１４が示されている。示された実施形態において、基板１４には、その上に配置された触媒１８の薄い層を有するベース材料１７が含まれる。

概して、基板１４は、少なくともいくから可撓性を有し（すなわち、基板１４は脆弱ではない）、エネルギー蓄積媒体１（例えばＣＮＴ）の析出のため環境に耐えうる成分から構成される。例えば、基板１４は、摂氏約４００度から摂氏約１１００度の高温環境に耐えることができる。様々な材料が、適切であると決定されて基板１４のために使用可能である。

エネルギー貯蔵媒体１（例えばＣＮＴ）を基板１４上に形成した後、その上に集電体２を配置してもよい。いくつかの実施形態において、集電体２は、約０．５マイクロメートル（μｍ）〜約２５マイクロメートル（μｍ）の厚さを有する。いくつかの実施形態において、集電体２は、約２０マイクロメートル（μｍ）〜約４０マイクロメートル（μｍ）の厚さを有する。集電体２は、化学気相成長法（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）、スパッタリング、電子ビーム、熱蒸着、もしくは他の適切な技術により塗布される層等の薄層として現れてもよい。概して、集電体２は、導電性、電気化学的に不活性であること、及びエネルギー貯蔵媒体１（例えばＣＮＴ）と化学反応を起こさないこと、などのその特性のために選択される。いくつかの例示的な材料には、アルミニウム、プラチナ、金、タンタル、チタンが含まれ、他の材料並びに様々な合金が含まれていてもよい。

集電体２がエネルギー蓄積媒体１（例えばＣＮＴ）の上に配置されると、電極素子１５が実現される。各電極素子１５をそれぞれ電極３として使用してもよく、又は、少なくとももう１つの電極素子と接続して電極３をとしてもよい。

いったん集電体２が所望の基準にしたがって製造されると、製造後処理を行ってもよい。例示的な後処理には、わずかな酸化環境においてエネルギー貯蔵媒体１（例えばＣＮＴ）を加熱及び冷却することが含まれる。製造（及びオプションの後処理）の後、移送ツールを集電体２に適用してもよい。

集電体２へ移送ツール１３を適用する一実施形態において、移送ツール１３は、「ドライ」な移送方法において使用される熱解放テープである。典型的な熱解放テープは、米国カリフォルニア州フリーモント及び日本国大阪の日東電工により製造されている。１つ適切な転送テープはＲＥＶＡＬＰＨＡとして販売されている。この解放テープは、室温でしっかりと接着し、加熱により剥離されうる接着テープとして特徴づけられうる。このテープ、及び他の適切な実施形態の熱解放テープは、予め決められた温度において解放される。好ましくは、解放テープは、電極素子１５上に化学的に活性な残留物を残さない。

「ウェット」な移送方法と称される他のプロセスでは、化学的に解放されるように設計されたテープを使用してもよい。いったん貼り付けられると、テープは、その後、溶媒中に浸漬することにより除去される。当該溶媒は、接着剤を溶解するように設計されている。

他の実施形態では、移送ツール１３は、例えば集電体２に吸気力を適用すること等、「空気式」の方法を用いる。吸気力は、例えば、吸引力を分配するための複数の孔を有する、わずかに大きなサイズを有するパドルを介して適用される。もう１つの例において、吸引力は、吸引を分配するための複数の孔を有するローラーによって適用される。吸引力駆動の実施形態は、電気的に制御され、移送プロセスの一部として消費材料が使用されないので経済的であるという利点を提供する。移送ツール１３の他の実施形態を使用してもよい。

いったん移送ツール１３が集電体２に一時的に接続されると、電極素子１５は、基板１４から徐々に除去される。当該除去は、概して、エネルギー貯蔵媒体１（例えばＣＮＴ）を基板１４から剥離すること、基板１４及びエネルギー貯蔵媒体１（例えばＣＮＴ）の一の端部において開始することを含む。

続いて、移送ツール１３は電極素子１５から分離されてもよい。いくつかの実施形態において、電極素子１５を設置するために移送ツール１３が使用される。例えば、移送ツール１３は、電極素子１５をセパレータ５上に配置するために使用してもよい。概して、いったん基板１４から除去されると、電極素子１５は使用可能になる。

大きな電極３が望まれる場合には、複数の電極素子１５が一体化されてもよい。複数の素子１５は、例えば、複数の電極素子１５のうちの各電極素子１５に接続部５２を接続することにより一体化されてもよい。一体化された電極素子１５は、電極３の一実施形態となる。

いくつかの実施形態において、接続部２２は、各電極素子１５と溶接部２１で接続されている。各溶接部２１は、超音波溶接部２１として提供されてもよい。超音波溶接技術は、各溶接部２１を提供することに特に適していることが分かってきた。すなわち、概して、エネルギー貯蔵媒体１（例えばＣＮＴ）の凝集体は、溶接部と化学反応を起こさない。溶接部においては、本明細書において開示されたような名目上の集電体のみが用いられる。結果として、電極素子１５を接合するための多くの技術は破壊的であり、素子１５に損傷を与える。しかしながら、他の実施形態では他の形態の接続が使用され、接続部２２は溶接部２１でない。

接続部２２は、薄膜、メッシュ、複数のワイヤ、もしくは他の形態であってもよい。概して、接続部２２は、導電性、及び電気化学的に不活性であること、などの特性から選択される。いつかの実施形態において、接続部２２は、集電体２に存在するものと同じ１つ又は複数の材料から製造される。

いくつかの実施形態において、接続部２２は、その上の酸化物層を除去することにより調製される。酸化物は、例えば、溶接部２１を提供する前に、接続部２２をエッチングすることにより除去してもよい。エッチングは、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）により達成されてもよい。電極３は、ウルトラキャパシタ１０の様々な実施形態で使用されてもよい。例えば、電極３は巻回されて、「ゼリーロール」タイプのエネルギー貯蔵装置内に配置されてもよい。

ｉｉｉ．セパレータ

本明細書に開示されたウルトラキャパシタの所定の実施形態において、電極３（ａ）及び３（ｂ）はセパレータ５によって分離される。概して、セパレータ５は、正極３（ｂ）から負極３（ａ）を分離するために使用される薄型構造材料（通常はシート）である。セパレータ５はさらに、各ペアの電極３を他のペアの電極３から分離するように作用してもよい。セパレータ５は、様々な材料から製造されてもよい。いくつかの実施形態において、セパレータ５は不織布ガラスである。セパレータ５は、ガラスファイバー、セラミックス、及び、例えばドイツ国ウィルミントンのデュポンケミカルズ（DuPont Chemicals）によりテフロン（登録商標）として販売されているポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の、フッ素ポリマーから製造されていてもよい。例えば、不織布ガラスを用いて、セパレータ５は、主ファイバーとバインダーファイバーとを含んでいてもよい。ここで、バインダーファイバーは、各主ファイバーのものより小さなファイバー直径をそれぞれ有し、主ファイバーを一体に結合させる

ウルトラキャパシタ１０の長寿命化のため、そして、高温において性能を確保するため、セパレータ５は、減少した量の不純物を有し、特に非常に限られた水分含有量を有するべきである。特に、化学反応を減少させ、ウルトラキャパシタ１０の寿命を改善し、高温の用途において良好な性能を提供するため、約２００ｐｐｍの水分の制約が望ましいことがわかっている。セパレータ５において使用される材料のいくつかの実施形態は、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ガラスファイバー、及びガラス強化プラスティック（ＧＲＰ）、又はそれらの組み合わせを含む。

概して、セパレータ５のために使用される材料は、水分含有量、多孔率、融点、不純物含有量、結果として得られる電気的性能、厚さ、コスト、入手可能性等に従って、選択される。いくつかの実施形態において、セパレータ５は、疎水性材料から形成される。

したがって、各セパレータ５から過剰な水分を排除することを確実なものとするための手順を採用してもよい。他の技術の中で、真空乾燥手順を用いてもよい。表４に、セパレータ５において使用される材料の選択を示す。表５に、いくつかの関連する性能データがを示す。

表４に示すデータを収集するために、炭素材料に基づく２つの電極３（ａ）及び３（ｂ）が設けられた。電極３（ａ）及び３（ｂ）は対向して、互いに向かい合って配置された。各セパレータ５は、短絡を防ぐために電極３の間に配置された。次いで、３つの構成要素は電解質６で浸漬され、互いに圧縮された。２つのアルミニウムバーとＰＴＦＥ材料とを外部構造として使用し、結果として得られたウルトラキャパシタ１０を囲んだ。

表５に示されるデータを収集するために、ＥＳＲ第１テストおよびＥＳＲ第２テストを同じ構成で順々に行った。第２テストは、電解質６を構成要素にさらに浸透させる時間のために、第１テストの５分後に行った。

ある実施形態において、ウルトラキャパシタ１０はセパレータ５を含まない。例えば、構造の幾何学的形状により電極３の物理的分離が保証される特定の実施形態では、電極３間に電解質６のみを有するだけで十分である。さらに具体的に、また物理的分離の例として、ある一つのウルトラキャパシタ１０は、分離が連続的に保証されるようにハウジング内に配置されている電極３を含んでいてもよい。ベンチ上の例は、ビーカー内に与えられたウルトラキャパシタ１０を含む。

ｉｖ．貯蔵セル

いったん組み立てられると、電極３及びセパレータ５は、貯蔵セル１２を提供する。概して、貯蔵セル１２は、巻かれた形態もしくは角柱の形態のいずれかで形成され、その後、円柱状もしくは角柱状のハウジング７にパッケージ化される。いったん電解質６が注入さると、ハウジング７は密封して封止すされてもよい。様々な例において、パッケージは、レーザ、超音波、及び／又は溶接技術を利用する技術により、密閉して封止される。貯蔵セル１２の頑健な物理的保護を与えることに加えて、ハウジング７は、ハウジング７内の各端子８との電気的な連絡を提供するための外部接点を有して構成されている。そして、各端子８は、概して、エネルギー貯蔵媒体１に接続されている電気的リード線を介して、エネルギー貯蔵媒体１に貯蔵されているエネルギーへの電気的アクセスを提供する。

概して、本明細書に開示されたウルトラキャパシタ１０は、約５．０×１０^−６ ａｔｍ−ｃｃ／秒以下の漏れレートを有し、約５．０×１０^−１０ ａｔｍ−ｃｃ／秒以下の漏れレートを示してもよい密閉シールを提供することができる。良好な密閉シールの性能は、ユーザ、設計者、もしくは製造者により適切と判断され、「密閉」は、最終的には、ユーザ、設計者、製造者、もしくは他の当事者により定義される標準を意味すると考えられる。

漏れ検出は、例えば、トレーサーガスを使用することにより行ってもよい。漏れテストのため、ヘリウム等のトレーサーガスを使用することは、乾燥し、速く、正確で、かつ非破壊的な方法であるので有利である。この技術の一例において、ウルトラキャパシタ１０はヘリウム環境に置かれる。ウルトラキャパシタ１０は、圧力が加えられたヘリウムに供される。その後、ウルトラキャパシタ１０は、ヘリウムの存在をモニタリングできる検出器（例えば原子吸光装置など）に接続される真空チャンバー内に配置される。加圧時間、圧力、及び内部体積についての知識により、ウルトラキャパシタ１０の漏れレートを決定してもよい。

いくつかの実施形態において、集電体２の各１つに、少なくとも１つのリード線（本明細書において「タブ」とも称される）が電気的に接続される。複数のリード線（したがってウルトラキャパシタ１０の極性に従う）は、ともにグループ化されて各端子８に接続されていてもよい。また、端子８は、「接点」と称される電気的アクセス（例えば、ハウジング７及び外部電極（本明細書において慣行として「フィードスルー」もしくは「ピン」とも称される）のいずれか一方）に接続されていてもよい。

ｖ．ウルトラキャパシタハウジング

図５は、例示的なハウジング７の態様を示している。ハウジング７は、とりわけ、ウルトラキャパシタ１０のための構造及び物理的保護を与える。この例において、ハウジング７は、環状かつ円柱状に形成された本体１０及び相補的なキャップ２４を含む。この例において、キャップ２４は、その中央部において除去されて電気的絶縁体２６で充填されている。キャップのフィードスルー１９は、電気的絶縁体２６を貫通して、ユーザに、貯蔵されたエネルギーへのアクセスを提供する。さらに、ハウジングは、内部バリアー３０を有していてもよい。

この例は、キャップ２４上に１つのフィードスルー１９のみを示しているけれども、ハウジング７の構造は、本明細書に開示された実施形態に限定されないことを認識すべきである。例えば、キャップ２４は、複数のフィードスルー１９を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、本体１０は、環状の円柱の反対側の端部において、第２の同様のキャップ２４を含む。さらに、ハウジング７は、環状かつ円柱形状の本体１０を有する実施形態に限定されないことを認識すべきである。例えば、ハウジング７は、クラムシェルデザイン、角柱デザイン、ポーチ、又は、設計者、製造者、もしくはユーザのニーズに適した他の任意のデザインであってもよい。

ここで図６を参照すると、例示的なエネルギー貯蔵装置セル１２が示されている。この例において、エネルギー貯蔵セル１２は、「ゼリーロール」タイプのエネルギー貯蔵装置である。これらの実施形態において、エネルギー貯蔵材料は巻回されタイトなパッケージに入れられている。複数のリード線は、概して、各端子８を形成し、エネルギー貯蔵セル１２の適切な層への電気的なアクセスを提供する。概して、組み立てられたとき、各端子８は、ハウジング７に（例えば、各フィードスルー１９に、及び／又は、直接にハウジング７に）電気的に接続される。エネルギー貯蔵セル１２は、様々な形態を取ってもよい。概して、各集電体２について１つの、少なくとも２つの複数のリード線（例えば端子８）が存在する。

非常に効率的に封止するハウジング７が望ましい。すなわち、外部環境（例えば、空気、湿気等）の侵入を防ぐことは、エネルギー貯蔵セル１２の構成要素の清浄度を維持する助けとなる。さらに、これは、エネルギー貯蔵セル１２から電解質６が漏れるのを防ぐ。

この例において、本体１０の内部直径とぴったりフィットするように設計されている外部直径を有するキャップ２４が製造される。組み立て時、キャップ２４は、本体１０に溶接されてもよく、これにより、ユーザに密閉シールを提供する。例示的な溶接技術には、レーザ溶接及びＴＩＧ溶接が含まれ、適切と認められる他の形態の溶接が含まれていてもよい。

ハウジング７のための一般的な材料には、ステンレススチール、アルミニウム、タンタル、チタン、ニッケル、銅、錫、様々な合金、積層体等が含まれる。何らかのポリマーに基づく材料等の構造材料を（概して、少なくとも何らかの金属成分と組み合わせて）ハウジング７に使用してもよい。

いくつかの実施形態において、本体１０を作製するために使用される材料には、アルミニウムが含まれる。このアルミニウムは、設計者もしくは製造者により適切であると認められた任意のタイプのアルミニウムもしくはアルミニウム合金を含みうる（本明細書では、これらの全てが広く単に「アルミニウム」と称される）。様々な合金、積層体等が、アルミニウム（当該アルミニウムは本体１０の内部に露出されている）上に（例えばこれをクラッドで覆うように）配置されていてもよい。本体及び／又はハウジング７を補うように、追加の材料（例えば、何らかのポリマーに基づく材料等の構造材料もしくは電気的絶縁材料等）を使用してもよい。同様に、アルミニウム上に配置される材料は、設計者もしくは製造者により適切であると認められたものにより選択されてもよい。

いくつかの実施形態において、内部構成要素のために多層材料が使用される。例えば、端子８のうちの少なくとも１つにおいて多層材料を提供するため、アルミニウムはステンレススチールのクラッドで覆われていてもよい。これらの実施形態のうちいくつかにおいて、アルミニウムの一部は、ステンレススチールを露出させるために除去されてもよい。次いで、露出されたステンレススチールは、単純な溶接法を用いることにより端子８をフィードスルー１９に取り付けるために使用されてもよい。

内部構成要素のためクラッド材料を使用することは、クラッド材料の特定の実施形態を要求してもよい。例えば、アルミニウム（下層）、ステンレススチール及び／又はタンタル（中間層）、及びアルミニウム（上層）を含むクラッド材料を使用し、ウルトラキャパシタ１０の内部環境にステンレススチールをさらすことを制限することは有益であろう。これらの実施形態は、例えば、ＰＥＦＥ等のポリマー材料で追加的に被覆することにより拡張されてもよい。

したがって、多層材料を利用するハウジング７を提供することは、従来技術に対して、比較的低い初期値と、所定時間にわたる実質的にゆっくりとして漏れ電流の増加とを有する漏れ電流を示すエネルギー貯蔵装置を提供する。重要なことであるが、エネルギー貯蔵装置の漏れ電流は、従来のキャパシタであれば非常に大きな初期値の漏れ電流及び／又は所定時間にわたる非常に急速な漏れ電流の増大を示すような周囲の温度にウルトラキャパシタ１０がさらされるとき、実用的な（すなわち、望ましくは低い）レベルに維持される。

さらに、ウルトラキャパシタ１０は、ハウジング７とエネルギー貯蔵セル１２との間の反応が減少する結果としての、他の利点を示す可能性がある。例えば、エネルギー貯蔵の実効直列抵抗（effective series resistance：ＥＳＲ）は、所定時間にわたって比較的低い値を示しうる。さらに、従来技術のキャパシタにおいて起こりうる望ましくない化学反応は、しばしば、ガス放出、もしくは密閉して封止されたハウジングの場合にはハウジング７の膨張、などの望ましくない影響をもたらす。両方の場合において、これは、ハウジング７の構造的完全性及び／又はエネルギー貯蔵装置の密閉シールを損なうことになる。最終的には、これは、従来技術のキャパシタのリークもしくは破滅的故障をもたらしうる。これらの影響は、開示されたバリアーを適用することにより、実質的に減少もしくは除去されるであろう。

多層材料（クラッド材料）を使用することにより、ステンレススチールをハウジング７に組み込んでもよく、したがって、ガラス−金属シールを有する構成要素を使用してもよい。当該構成要素は、レーザーもしくは抵抗溶接等の技術を用いることによりクラッド材料のステンレススチールの側に溶接してもよい。一方、クラッド材料のアルミニウムの側を他のアルミニウム部品（例えば本体１０）と溶接してもよい。

いくつかの実施形態において、絶縁ポリマーを使用して、ハウジング７の部分をコーティングしてもよい。このようにして、エネルギー貯蔵装置の構成要素が許容可能なタイプの金属（例えばアルミニウム）のみにさらされることを保証することが可能である。例示的な絶縁ポリマーには、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＴＦＥ、及びＰＴＦＥが含まれる。適切なポリマー（もしくは他の材料）は、システムの設計者もしくは製造者のニーズ及び各材料の特性のみにより制限される。図１７を参照する。図１７においては、少量の絶縁材料３９がスリーブ５１のステンレススチール及びフィードスルー１９に対して電解質６をさらすことを制限するために含まれている。この例では、端子８は、例えば溶接等によりフィードスルー１９に接続され、次いで、絶縁材料３９でコーティングされる。

１．ハウジングキャップ

この例は、キャップ２４上において１つのフィードスルー１９のみを示しているけれども、ハウジング７の構造は、本明細書に開示された実施形態に限定されないことを認識すべきである。例えば、キャップ２４は、複数のフィードスルー１９を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、本体１０は、環状の円柱の反対側の端部において、第２の同様のキャップ２４を含む。さらに、ハウジング７は、環状かつ円柱形状の本体１０を有する実施形態に限定されないことを認識すべきである。例えば、ハウジング７は、クラムシェルデザイン、角柱デザイン、ポーチ、又は、設計者、製造者、もしくはユーザのニーズに適した他の任意のデザインであってもよい。

ここで図１２を参照する。キャップ２４のためのブランク３４の実施形態の態様が示されている。図１２Ａにおいて、ブランク３４は多層材料を含む。第１の材料４１の層は、アルミニウムであってもよい。第２の材料４２は、ステンレススチールであってもよい。図１２の実施形態において、ステンレススチールは、アルミニウムを覆うクラッドとして設けられる。それにより、金属特性の所望の組み合わせを示す材料が提供される。すなわち、本明細書で提示する実施形態において、アルミニウムは、エネルギー貯蔵セルの内部（すなわち、ハウジング）にさらされ、一方、ステンレススチールは外部にさらされる。この方法では、製造のためにステンレススチールの構造特性及び金属特性（例えば溶接可能性）を当てにしつつ、アルミニウムの有利な電気的特性を享受する。多層材料は、適切と認められる追加の層を含んでいてもよい。

上述したように、第１の材料４１の層は、第２の層４２の層を覆うクラッドとして設けられる（もしくは、第２の層４２のクラッドで覆われている）。更に図１２Ａを参照すると、一実施形態において、（図示されるように）平坦なストックのシートが、平坦なキャップ２４を作製するためのブランク３４を提供するのに用いられる。キャップ２４を本体１０に取り付けることを容易にするため、第２の材料４２の層の一部を（例えば、キャップ２４の外周の周りにおいて）除去してもよい。図１２Ｂにおいて、ブランク３４の他の実施形態が示されている。この例において、ブランク３４は、クラッド材料のシートとして与えられ、これは、凹状構成に形成されている。図１２Ｃにおいて、ブランク３４は、クラッド材料のシートとして与えられ、これは、凸状構成に形成されている。様々な実施形態のブランク３４（図１２に示されたもの等）から製造されているキャップ２４は、ハウジング７の本体１０に対する溶接をサポートするように構成されている。より具体的には、図１２Ｂの実施形態は、本体１０の内径内にフィットするように適合され、一方、図１２Ｃの実施形態は、本体１０の外径のまわりにフィットするように適合されている。様々な代替の実施形態において、シート内のクラッド材料の複数の層を反転させてもよい。

ここで図１３を参照し、電極アセンブリ５０の実施形態を示す。電極アセンブリ５０は、ブランク３４に設置されるように、かつ、エネルギー貯蔵媒体からユーザへの導通を提供するように設計されている。概して、電極アセンブリ５０は、スリーブ５１を含む。スリーブ５１は絶縁体２６を囲み、次いで、絶縁体２６はフィードスルー１９を囲む。この例において、スリーブ５１は、フランジが付された上部を有する環状の円柱である。

キャップ２４を組み立てるため、ブランク３４に孔（図示せず）が形成されている。孔は、電極アセンブリ５０に合うサイズを有する幾何学的形状を有する。したがって、電極アセンブリ５０は、ブランク３４の孔に挿入される。いったん電極アセンブリ５０が挿入されると、電極アセンブリ５０は、溶接等の技術によりフランク３４に固定されてもよい。溶接は、スリーブ５１のフランジの外周の周りにおいて溶接するレーザー溶接であってもよい。図１４を参照すると、溶接が行われる点６１が示されている。この実施形態において、点６１は、ステンレススチールをステンレススチールに溶接するための適切な位置、比較的簡単な溶接法を提供する。したがって、本明細書における教示により、ブランク３４上の場所に電極アセンブリ５０をしっかりと溶接することができる。

スリーブ５１を構成するための材料には、様々なタイプの金属もしくは金属合金を含んでいてもよい。概して、スリーブ５１のための材料は、例えば、構造的完全性及び（ブランク３４に対する）接合可能性（bondability）にしたがって選択される。スリーブ５１のための例示的な材料には、３０４ステンレススチールもしくは３１６ステンレススチールが含まれる。フィードスルー１９を構成するための材料には、様々なタイプの金属もしくは金属合金が含まれていてもよい。概して、フィードスルー１９のための材料は、例えば、構造的完全性及び電気伝導度にしたがって選択される。電極のための例示的な材料には、４４６ステンレススチールもしくは５２合金が含まれる。

概して、絶縁体２６は、既知の技術（すなわち、ガラス−金属接合）によってスリーブ５１及びフィードスルー１９と接合される。絶縁体２６を構成するための材料には、以下に制限される訳ではないが、様々なタイプのガラスが含まれていてもよい。これには、高温ガラス、セラミックガラス、もしくはセラミック材料が含まれる。概して、絶縁体のための材料は、例えば、構造的完全性及び電気抵抗（すなわち、電気的絶縁特性）にしたがって選択される。

ガラス−金属接合に依存する構成要素（例えば、電極アセンブリ５の前述の実施形態等）を使用すること、並びに、様々な溶接技術を使用することは、エネルギー貯蔵装置の密閉シールを提供する。同様に密閉シールを提供するために、他の構成要素を使用してもよい。本明細書において使用されているように、用語「密閉シール」は、概して、本明細書において定義されているもの以下の漏れレートを示すシールを意味する。しかしながら、実際のシールの有効性は、この標準よりも良好に機能してもよいと考えられる。

電極アセンブリ５０をブランク３４に接続するための追加のもしくは他の技術には、そのような技術が適切であると考えられるときは、スリーブ５１のフランジの下において（フランジと第２の材料４２の層との間において）接着剤を使用することが含まれる。

ここで図１５を参照すると、エネルギー貯蔵セル１２は本体１０内に配置される。少なくとも１つの端子８は、（例えば、フィードスルー１９に対して）適切に接続されている。そして、キャップ２４は本体１０と合わされて、ウルトラキャパシタ１０を提供する。

いったん組み立てられると、キャップ２４及び本体１０は封止されてもよい。図２２は、組み立てられたエネルギー貯蔵装置の様々な実施形態（この場合、ウルトラキャパシタ１０）を示している。図１６Ａにおいて、平坦なキャップ２４を作製するために、平坦なブランク３４（図１２Ａを参照）が使用される。いったんキャップ２４が本体１０上に設置されると、キャップ２４及び本体１０は溶接されて、シール６２が作製される。この場合、本体１０は環状の円柱であるので、溶接は、本体１０及びキャップ２４の外周のまわりに進行して、シール６２を提供する。第２の実施形態において、図１６Ｂに示すように、凹状のキャップ２４を作製するために、凹状のブランク３４（図１２Ｂを参照）が使用される。いったんキャップ２４が本体１０上に設置されると、キャップ２４及び本体１０は溶接されて、シール６２が作製される。第３の実施形態においては、図１６Ｃに示すように、凸状のキャップ２４を作製するため、凸状のブランク３４（図１２Ｃを参照）が使用される。いったんキャップ２４が本体１０上に設置されると、シール６２を作製するため、キャップ２４と本体１０とは溶接されてもよい。

必要に応じて、多層材料における他の金属を露出するため、（例えば、機械加工もしくはエッチング等の技術により）クラッド材料を除去してもよい。したがって、いくつかの実施形態において、シール６２には、アルミニウム−アルミニウム溶接が含まれていてもよい。アルミニウム−アルミニウム溶接は、必要に応じて、他の固定具により補完されてもよい。

他の技術を使用してハウジング７を封止してもよい。例えば、レーザー溶接、ＴＩＧ溶接、抵抗溶接、超音波溶接、及び他の形態の機械的シールを使用してもよい。しかしながら、概して、ウルトラキャパシタ１０において提供される頑健な密閉シールを提供するためには、伝統的な形態の機械的シールだけでは十分ではないことに留意すべきである。

ここで図１２を参照する。このアセンブリの態様では、キャップ２４の他の実施形態が示されている。図１２Ａは、キャップ２４の本体を提供するために使用されるテンプレート（すなわち、ブランク３４）を示す。概して、テンプレートは、適切なタイプのエネルギー貯蔵セル（例えば、ウルトラキャパシタ１０等）のハウジング７に合うサイズで形成されている。キャップ２４は、最初、テンプレートを形成するテンプレートを提供し、当該テンプレート（図１２Ｂに図示）内にドーム３７を含め、その後、ドーム３７に孔を開けてスルーウェイ３２（図１２Ｃに図示）を提供することにより形成してもよい。勿論、ブランク３４（例えばストックの円状片）は押圧してもよく、さもなければ、上述の複数の特徴が同時に提供されるように製造されてもよい。

概して、及び、これらの実施形態に関して、キャップは、アルミニウム、もしくはその合金から形成されていてもよい。しかしながら、キャップは、製造者、ユーザ、設計者等により適切であると認められる任意の材料により形成されていてもよい。例えば、キャップ２４は、スチールから製造され、不動態化されてもよく（すなわち、不活性のコーティングで覆われ）、さもなければ、ハウジング７において使用するために調製されてもよい。

ここで図１９を参照すると、電極アセンブリ５０の他の実施形態が示されている。これらの実施形態において、電極アセンブリ５０は、フィードスルー１９と、フィードスルー１９の周りに配置された半球形状の材料とを含む。この半球形状の材料は、絶縁体２６として機能し、概して、ドーム３７に合うように形成されている。半球状の絶縁体２６は、電解質６の化学的な影響に耐えつつ、密閉シールを提供するための適切な材料から製造されていてもよい。例示的な材料には、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシポリマー）、ＦＥＰ（フッ素化チレンプロピレン）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）、ＴＦＥ（テトラフルオロエチレン）、ＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＴＦＥ（ポリエチレンテトラフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、他のフルオロポリマーに基づく材料、（様々な程度で）同様の特性を示し、十分な性能（例えば、とりわけ、高温で溶媒、酸、及び塩基に対する高い耐性を示すこと、低いコスト、など）を提供しうる任意の他の材料を含む。

フィードスルー１９は、アルミニウム、もしくはその合金により形成されてもよい。しかしながら、フィードスルー１９は、製造者、ユーザ、設計者等により適切であると認められる任意の材料から形成されてもよい。例えば、フィードスルー１９は、スチールから製造され、不動態化され（すなわち、シリコン等の不活性コーティングにより覆われ）、さもなければ、電極アセンブリ５０において使用するために調製されてもよい。不動態化のための例示的な技術は、基板の表面上に水素化されたアモルファスシリコンのコーティングを堆積し、有効な時間長にわたって圧力及び上昇させた温度の下で少なくとも１つの不飽和炭酸水素基を有する結合剤に基板を露出することによりコーティングされた基板を官能基化することを含む。水素化されたアモルファスシリコンコーティングは、有効な時間長にわたって圧力及び上昇させた温度の下で、水素化ケイ素ガスに対して基板を露出することにより堆積される。

半球状の絶縁体２６は、キャップ２４に組み立てられたときぴったりフィットさせること（すなわち、密閉シール）が達成されるように、ドーム３７に対するサイズを有していてもよい。半球状の絶縁体２６は、完全に対称でなくても、典型的な半球のプロポーションを有していなくてもよい。すなわち、半球状の絶縁体２６は、実質的に半球状であり、例えば、プロポーションのわずかな調整、適切なフランジ（例えば、基部におけるもの）、及び適切と認められる他の特徴を含む。半球状の絶縁体２６は、概して、同質の材料から形成されるが、しかしながら、これは必須ではない。例えば、半球状の絶縁体２６は、所望の膨張性もしくは圧縮性を提供するため、空気もしくはガスにより充填されたトーラス（図示せず）が内部に含まれていてもよい。

図２０に示されているように、電極アセンブリ５０は、半球状の密閉シールを含むキャップ２４の実施形態を提供するため、テンプレート（すなわち、形成されたブランク３４）内に挿入されてもよい。

図２１に示すように、様々な実施形態において、リテイナー４３は、キャップ２４の下部（すなわち、ハウジング７の内部と対向し、エネルギー貯蔵セル１２と対向するキャップ２４の一部）に接合されてもよく、さもなければ 、これに合わされてもよい。リテイナー４３は、アルミニウム溶接（例えば、レーザー、超音波等）などの様々な技術によってキャップ２４に接合されていてもよい。例えば、スタンピング（すなわち、機械的接合）及びろう付け等を含む他の技術をボンディングのために使用してもよい。例えば、リテイナー４３の周に沿って接合してもよい。概して、ボンディングは、所望のシール７１を作製するため、少なくとも１つの接合点に提供される。リテイナー４３内において絶縁体２６を封止するために、複数のリベット等少なくとも１つの固定具を使用してもよい。

図２１の例において、キャップ２４は、凹状デザインのものである（図１２Ｂ参照）。しかしながら、他のデザインを使用してもよい。例えば、凸状キャップ２４を提供してもよく（図１２Ｃ）、オーバー−キャップ２４を使用してもよい（図１２Ｃの実施形態の変形例であり、これは、図１６Ｃに示すように載置されるように構成される）。

キャップ及びフィードスルー１９のために使用される材料は、半球状の絶縁体２６の熱膨張の観点から選択されてもよい。さらに、熱膨張に対処するように製造技術を改良してもよい。例えば、キャップ２４を組み立てるとき、製造者は、半球状の絶縁体２６に圧力を加え、それにより、半球状の絶縁体２６を少なくともいくぶん圧縮してもよい。このようにして、密閉シールの有効性を損なうことなく、キャップ２４をすくなくともいくぶん熱膨張させる。

組み立てられたウルトラキャパシタをさらに明らかにするため、図２２を参照する。ここでは、ウルトラキャパシタ１０の切り取り図が示されている。この例においては、貯蔵セル１２が本体１０に挿入され、本体１０内に包含されている。複数のリード線のそれぞれは、一体に結束され、端子８の一方としてハウジング７に接続されている。いくつかの実施形態において、複数のリード線が本体１０の下部に（内部で）接続され、それにより、本体１０を負の接点５５とする。同様に、他方の複数のリード線を結束してフィードスルー１９に接続し、正の接点５６を提供する。負の接点５５及び正の接点５６の電気的絶縁は、電気的絶縁体２６により維持される。概して、リード線を接続することは、レーザー溶接及び超音波溶接の少なくとも一方などの溶接により達成される。適切であると考えられる他の技術が使用されてもよい。

図３１に、本明細書に開示したウルトラキャパシタの所定の追加の実施形態を示す。図３１Ａ及び３１Ｂは、ウルトラキャパシタハウジングの２つの代替の設計を示す。ここで、ハウジングの上カバー３１１は、内部又は外部空間の制約と所望の端子設計とに依存して、金属容器３１２に関して異なる向きを有する。図３１Ａは所定の実施形態による例示的なハウジング設計を示す。ここで、ガラス−金属シール３１０の大部分は、ゼリーロール２３と同様であるウルトラキャパシタのゼリーロール３１３を含んでいるハウジングの外側の外部空間に面するような向きを有する。所定の他の実施形態において、ガラス−金属シール３１０の大部分は、ゼリーロール２３と同様であるウルトラキャパシタのゼリーロール３１３を含んでいるハウジングの内部空間に面するような向きを有する。

２．内部バリアー

ここで図７を参照すると、ハウジング７は、内部バリアー３０を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、バリアー３０はコーティングである。この例において、バリアー３０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から形成される。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は、この組成をバリアー３０に適したものにする様々な特性を示す。ＰＴＦＥは、摂氏約３２７度の融点を有し、優れた誘電特性を有し、既知のすべての固体材料のうちで３番目に最低である約０．０５〜０．１０の摩擦係数を有し、高い耐食性、及び他の有益な特性を有する。概して、キャップ２４の内部は、その上に配置されたバリアー３０を含んでいてもよい。

バリアー３０には他の材料を使用してもよい。これらのうちで、他の材料は、セラミックの形態（適切に適用され、性能基準を満たしうる任意のタイプのセラミック）、他のポリマー（好ましくは高温ポリマー）等である。例示的な他のポリマーには、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）及びフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）並びにエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）が含まれる。

バリアー３０は、エネルギー貯蔵セル１２と、ハウジング７もしくはその構成要素との間の電気化学反応もしくは他のタイプの反応を減少させる任意の材料もしくは材料の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態において、この組み合わせは、単一の層内における異なる材料の均質分散として明示される。他の実施形態において、この組み合わせは、複数の層内における異なる材料として明示される。他の組み合わせを用いてよい。端的に言えば、バリアー３０は、少なくとも１つの電気的絶縁体であり、化学的に不活性（すなわち、低い反応性を示す）であり、それゆえ、貯蔵セル１２とハウジング７との間の電気的及び化学的な相互作用の少なくとも一方に対して実質的に耐性を有するか妨げるものとみなされてもよい。いくつかの実施形態において、用語「低い反応性」及び「低い化学反応性」は、概して、当事者にとって懸念のレベル未満の化学的相互作用のレートを意味する。

概して、ハウジング７の内部は、バリアー３０のホストとなり、ハウジング７の内部にさらされる表面全体が覆われてもよい。少なくとも１つの未処理領域３１が、本体１０内に含まれていてもよいし、キャップ２４の外面３６の上に含まれていてもよい（図８Ａを参照）。いくつかの実施形態において、アセンブリ要求を満たすため、未処理領域３１（図８Ｂを参照）、例えば、（溶接などにより）シールされもしくは接続された領域等が含まれていてもよい。

バリアー３０は、従来技術を用いて内部部分に適用されてもよい。例えば、ＰＴＦＥの場合、バリアー３０は、バリアー３０を内部表面上にコーティングとしてペイントもしくはスプレーすることにより適用してもよい。未処理領域３１が所望の完全性を保持することを確実なものとするためのプロセスの一部として、マスクを使用してもよい。端的に言えば、様々な技術を用いてバリアー３０を提供してもよい。

例示的な実施形態において、バリアー３０は、約３ミリ〜約５ミリの厚さを有する。一方、バリアー３０のために使用される材料はＰＦＡに基づく材料である。この例において、バリアー３０を構成する材料を受けるための表面は、酸化アルミニウム等によるグリットブラスティング（grit blasting）で調製される。いったん表面が洗浄されると、材料が、最初は液体として塗布され、その後は粉末として塗布される。当該材料は、熱処理プロセスにより硬化される。いくつかの実施形態において、加熱サイクルは、摂氏約３７０度の温度において、約１０分〜約１５分の継続時間を有する。これにより、ピンホールサイズの欠陥もしくはそれより小さい欠陥が実質的に存在しないバリアー３０の連続的な仕上げを行うことができる。図９は、本明細書における教示に係るある実施形態のウルトラキャパシタ１０のアセンブリを示している。この実施形態において、ウルトラキャパシタ１０は、そこに配置されたバリアー３０と、そこに配置されたバリアー３０を有するキャップ２４と、エネルギー貯蔵セル１２とを備える本体１０を含む。組み立ての間、キャップ２４は、本体１０の上に設置される。端子８のうちの第１のものは、キャップのフィードスルー１９に電気的に接続され、一方、端子８のうちの第２のものは、典型的には、下部、側部、もしくはキャップ２４において、ハウジング７と電気的に接続されている。いくつかの実施形態において、端子８のうちの第２のものは、（例えば、反対側のキャップ２４等の）他のフィードスルー１９に接続されている。

ハウジング７の１つ又は複数の内面に配置されたバリアー３０により、ハウジング７と電解質との間の電気化学的及び他の反応が大きく減少し、もしくは実質的に除去される。これは、化学的及び他の反応のレートが概して増大する、より高温の場合において特に重要である。

特に、バリアー付きのウルトラキャパシタ１０の漏れ電流は、比較的低い初期値を示し、所定時間にわたって実質的に増加しない。一方、バリアーなしのウルトラキャパシタ１０の漏れ電流は、比較的高い初期値を示し、所定時間にわたって実質的に増加する。

概して、バリアー３０は、エネルギー貯蔵セル１２とハウジング７との間の適切な材料の適切な厚さを与える。バリアー３０は、均一の混合物、不均一の混合物、及び／又は少なくとも１つの層の材料を含んでいてもよい。バリアー３０は、完全なカバー（すなわち、電極接点を除く、ハウジングの内部表面領域のカバーを提供する）を提供してもよく、もしくは部分的なカバーを提供してもよい。いくつかの実施形態において、バリアー３０は、複数の構成要素から構成されてもよい。

図１１を参照すると、追加の実施形態の態様が示されている。いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵セル１２は、エンベロープ７３内に堆積されている。すなわち、エネルギー貯蔵セル１２は、その上に配置されたバリアー３０を有し、その上を覆うようにラッピングされ、さもなければ、いったん組み立てられるとハウジング７からエネルギー貯蔵セル１２を分離するように適用される。エンベロープ７３は、エネルギー貯蔵セル１２をハウジング７内にパッケージ化するよりもずっと前に適用されてもよい。それゆえ、エンベロープ７３の使用は、例えば製造者等にある利点をもたらす可能性がある。（説明のため、エネルギー貯蔵セル１２上に緩く配置されているエンベロープ７３が示されていることに留意すべきである）。

いくつかの実施形態において、エンベロープ７３は、コーティングとともに使用される。コーティングは、内面の少なくとも一部の上に配置される。例えば、ある実施形態では、コーティングは、エンベロープ７３が少なくとも部分的に損なわれうる領域（例えば、突出する端子８）のみにおいて、ハウジング７の内部に配置されている。エンベロープ７３及びコーティングは、一緒に、効果的なバリアー３０を形成する。

したがって、バリアー３０を組み込むことにより、従来技術に比して、漏れ電流が比較的低い初期値を有し、所定時間にわたって漏れ電流が実質的によりゆっくりと増大するウルトラキャパシタを提供しうる。重要なことであるが、ウルトラキャパシタの漏れ電流は、従来技術のキャパシタであれば非常に大きな漏れ電流の初期値を示し、及び／又は所定時間にわたって非常に急速な漏れ電流の増大を示すであろう周囲温度にウルトラキャパシタがさらされるとき、実用的な（すなわち、望ましくは低い）レベルに維持される。

このようにバリアー３０の実施形態及びその様々な態様を開示したとき、ハウジング７とエネルギー貯蔵媒体１との間の反応が減少した結果、ウルトラキャパシタ１０は他の利点を示しうると認識されるべきである。例えば、ウルトラキャパシタ１０の実効直列抵抗（ＥＳＲ）は、所定時間にわたって比較的低い値を示しうる。さらに、従来技術のキャパシタにおいて起こりうる望ましくない化学反応は、しばしば、ガス放出、もしくは密閉して封止されたハウジングの場合にはハウジングの膨張、などの望ましくない影響をもたらす。両方のケースにおいて、これは、ハウジングの構造的完全性及び／又はキャパシタの密閉シールを損なうことになる。最終的には、これは、従来技術のキャパシタのリークもしくは破滅的故障をもたらしうる。いくつかの実施形態において、これらの効果は、開示されたバリアー３０を適用することにより、実質的に減少もしくは排除されうる。

用語「バリアー」及び「コーティング」は、本明細書における教示の限定と認識すべきではない。すなわち、適切な材料をハウジング７、本体１０、及び／又はキャップ２４の内部に適用するための任意の技術を使用してもよい。例えば、他の実施形態において、バリアー３０は、ハウジング本体１０を構成する材料内にもしくはその上に実際に組み込まれる。その後、当該材料は、適切に加工もしくは形成され、ハウジング７の様々な構成要素が形成される。バリアー３０を適用するための多くの可能な技術のいくつかを検討する際、ロールオンすること、スパッタリングすること、焼成すること、積層すること、印刷すること、さもなければ、１つ又は複数の材料を塗布することは同様に適切でありうる。端的には、バリアー３０は、製造者、設計者、及び／又はユーザにより適切と認められる任意の技術を用いて適用してもよい。

バリアー３０において使用される材料は、反応度、誘電値、融点、ハウジング７の材料への接着性、摩擦係数、コスト、他のそのようなファクター等の特性にしたがって、選択することができる。所望の特性を提供するために、材料の組み合わせ（例えば、多層化された、混合された、さもなければ組み合わせ）を使用してもよい。

バリアー３０を備えるハウジング７等の改良されたハウジング７を用いることにより、いくつかの実施形態において、ＡＥＳの劣化が制限されうる。バリアー３０は、改良されたハウジング７を提供するための１つの技術を示しているけれども、他の技術を用いてもよい。例えば、アルミニウムから作製されたハウジング７を使用することは、電解質６の存在下におけるアルミニウムの電気化学的特性のため、好適であろう。しかしながら、アルミニウムの製造上の困難を前提として、アルミニウムを利用するハウジング７の実施形態を構成することは（現在まで）可能ではなかった。

ハウジング７の追加の実施形態には、内部表面全体にアルミニウムを提供するものが含まれる。ハウジングを溶接する能力及び密閉して封止する能力をユーザに提供しつつ、内部表面は電解質にさらされてもよい。ウルトラキャパシタ１０の改善された性能は、内部腐食の低減、伝導性媒体における異種金属を使用することに関連する問題の除去、及び他の理由により達成してもよい。好適には、ハウジング７は、ガラス−金属シールを含み（ステンレススチール、タンタル、もしくは他の有利な材料及び成分から製造されたものを含みうる）、それゆえ経済的に製造できるような利用可能な電極挿入物などの、既存の技術を用いる。

本明細書では、ウルトラキャパシタ１０に適したハウジング７の実施形態として開示しているが、これらの実施形態は、（バリアー３０の場合と同様に）適切であると認められる任意のタイプのエネルギー貯蔵装置とともに使用してもよく、実用できる任意のタイプの技術を含んでもよい。例えば、電気化学的バッテリー、特に、リチウムに基づくバッテリーを含む他の形態のエネルギー貯蔵装置を使用してもよい。

３．ウルトラキャパシタハウジングの他の構成要素

ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、ハウジングは、その内部表面の実質的に一部を覆うように配置されたバリアーを含む。特定の実施形態においては、当該バリアーは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）の少なくとも１つを含む。特定の実施形態において、バリアーはセラミック材料を含む。当該バリアーは、また、耐食性、所望の誘電特性、及び低い電気化学反応性を示す材料を含んでいてもよい。バリアーの特定の実施形態において、バリアーは多層材料を含む。

ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、当該ハウジングは、複数層の材料を含む。例えば、当該複数層の材料には、第２の材料上を覆うクラッドとして設けられた第１の材料が含まれる。特定の実施形態において、当該複数層の材料は、スチール、タンタル、及びアルミニウムの少なくとも１種を含む。

ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、当該ハウジングは少なくとも１つの密閉シールを含む。

ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、当該ハウジングは、少なくとも１つのガラス−金属シールを含む。例えば、当該ガラス−金属シールのピンは接点のうちの１つを提供する。ある特定の実施形態において、当該ガラス−金属シールは、鉄−ニッケル−コバルト合金、ニッケル鉄合金、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、ならびに、ステンレス及びチタンの形態からなるグループから選択された材料で構成されるフィードスルーを備える。他の特定の実施形態において、当該ガラス−金属シールは、ニッケル、モリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素、及びタングステン、並びにそれらの合金からなるグループから選択された少なくとも一種の材料から構成される本体を備える。

ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、密閉シールは、約５．０×１０^−６ ａｔｍ−ｃｃ／秒以下、例えば約５．０×１０^−７ ａｔｍ−ｃｃ／秒以下、例えば約５．０×１０^−８ ａｔｍ−ｃｃ／秒以下、例えば約５．０×１０^−９ ａｔｍ−ｃｃ／秒以下、例えば約５．０×１０^−１０ ａｔｍ−ｃｃ／秒以下の漏れレートを示す。

ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、少なくとも１つの接点が、他のウルトラキャパシタの他の接点と合わされるように構成されている。

ある態様のウルトラキャパシタにおいて、当該貯蔵セルは、その外部を覆うように配置されたラッパーを含む。例えば、当該ラッパーは、ＰＴＦＥ及びポリイミドの一方を含む。

概して、ハウジング７の内部にさらされる１つ又は複数の材料は、電解液６、例えばＡＥＳにさらされるとき、十分に低い反応性を示す。これは、実施形態のいくつかを単に例示したものであり、本明細書の教示を制限するものではない。

ｖｉ．ウルトラキャパシタ用の製造技術

本明細書では、不純物を低減させるか、開示したＨＴＲＥＳを製造する方法を含む、本明細書に開示された装置、システム、及び方法で利用されてもよいウルトラキャパシタを生成するための所定の方法が提供される。本明細書に開示された精製方法は、例えば電解質（例えばＡＥＳ）、電極、又はセパレータなどの、本明細書に開示したＨＴＲＥＳの任意の構成要素に適用可能であってもよい。

本明細書に開示されたウルトラキャパシタの構成で考慮される重要な態様は、良好な化学的衛生状態を維持することである。構成要素の清浄度を確保するため、さまざまな実施形態では、エネルギー貯蔵媒体１の２つの電極３を構成する活性炭素、カーボンファイバー、レーヨン、カーボンクロス、及び／又はナノチューブが、真空環境下、高温で乾燥させる。セパレータ５はまた、真空環境下で、高温で乾燥される。電極３及びセパレータ５が真空下で乾燥されると、それらは、５０ｐｐｍ未満の水を含む雰囲気において、最終的なシールもしくはキャップなしに、ハウジング７内にパッケージ化される。キャップされていないウルトラキャパシタ１０は、例えば、摂氏約１００度から摂氏約３００度の温度範囲にわたって、真空下において、乾燥されてもよい。いったん最終乾燥が完了すると、電解質６が加えられてもよく、ハウジング７は、比較的乾燥した雰囲気（約５０ｐｐｍ未満の水分を含む雰囲気等）において封止される。勿論、他の組み立て方法を用いてもよく、前述の事項は、単にウルトラキャパシタ１０のアセンブリの例示的な態様を提供するだけである。

さらに、本明細書に開示されたウルトラキャパシタの高効率のエネルギー貯蔵装置を提供するために、所定の頑健な組み立て技術が要求されうることを認識すべきである。したがって、組み立て技術のいくつかを以下に議論する。

いったんウルトラキャパシタ１０が製造されると、それは、漏れ電流をほとんど発生させないかもしくはまったく発生させることなく、また、抵抗をほとんど増大させることなく、高温用途で使用されてもよい。本明細書において記載されているウルトラキャパシタ１０は、摂氏約−４０度から摂氏２１０度までの温度において、効率的に動作しうる。当該装置の体積で正規化された漏れ電流は、全動作電圧範囲及び全動作温度範囲にわたって、当該装置の体積について１リットルあたり１０ミリアンペア（Ａ／Ｌ）未満であった。ある実施形態では、キャパシタは、摂氏−４０度から摂氏２１０度の温度にわたって動作可能である。

概略すると、円柱状に形成されたウルトラキャパシタ１０の組み立て方法が提供されている。電極３から始めて、いったんエネルギー貯蔵媒体１が集電体と接続されると、各電極３が製造される。その後、複数のリード線が適切な位置において各電極３と接続される。その後、複数の電極３は、所定方向に向きづけられて、適切な個数のセパレータ５とともに組み立てられてそれらの間に配置され、貯蔵セル１２が形成される。貯蔵セル１２は、その後、円柱状に巻回されてもよく、ラッパーで固定されてもよい。概して、正及び負の各リード線は、その後、束ねられて各端子８を形成する。

電解液６、すなわち、上述のＡＥＳをウルトラキャパシタ１０に注入する前（例えば、貯蔵セル１２の組み立ての前もしくはその後）、ウルトラキャパシタ１０の各構成要素は、水分を除去するように乾燥されてもよい。これは、組み立てられていない構成要素（即ち、空のハウジング７ならびに各電極３および各セパレータ５）で行ってよく、後に組み立てられた構成要素（貯蔵セル１２等）で行ってよい。

乾燥は、例えば、真空環境下、高温で実行してもよい。いったん乾燥させると、貯蔵セル１２は、その後、最終的なシールもしくはキャップを有しないハウジング７内にパッケージ化されてもよい。いくつかの実施形態において、パッケージ化は、５０ｐｐｍ未満の水を含む雰囲気において実行される。キャップなしのウルトラキャパシタ１０は、その後、再度乾燥させてもよい。例えば、ウルトラキャパシタ１０は、摂氏約１００度から摂氏約３００度までの温度範囲にわたって真空下で乾燥されてもよい。いったん最終乾燥が完了すると、その後、ハウジング７は、例えば、５０ｐｐｍ未満の水分を含む雰囲気において封止されてもよい。

いくつかの実施形態において、乾燥プロセス（「焼成」プロセスとも称される）が完了すると、当該構成要素を取り囲む環境は、不活性ガスにより充填されてもよい。例示的なガスには、アルゴン、窒素、ヘリウム、及び同様の特性を示す他のガス（並びにこれらの組み合わせ）が含まれる。

概して、注入口（ハウジング７の表面の孔）はハウジング７に含まれる。もしくは、注入口は後で追加されてもよい。ウルトラキャパシタ１０が電解質６、例えばＡＥＳで満たされると、注入口を閉じてよい。注入口の閉止は、例えば、注入口の中または上に材料（例えば、ハウジング７と化学反応を起こさない金属）を溶接することにより達成してよい。いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ１０を他の環境に移して、その後で再び開き、充填し、閉じるために、充填の前に注入口を一時的に閉じてもよい。しかしながら、本明細書において議論しているように、ウルトラキャパシタ１０は、同じ環境において、乾燥及び充填されると考えられる。

所望の量のＡＥＳでハウジング７を満たすために多数の方法を用いてよい。概して、充填プロセスを制御することは、とりわけ、容量の増大と、等価直列抵抗（equivalent-series-resistance：ＥＳＲ）の減少と、電解質のむだの制限とを提供しうる。真空充填方法は、ハウジング７を充填し、電解質８で貯蔵セル１２を湿潤させる技術の非限定的な例として与えられる。

しかしながら、まず、ウルトラキャパシタ１０の構成要素を汚染する可能性を有する任意の材料が清浄であり、化学反応を起こさず、乾燥していることを確実なものとするように対処されてもよいことに留意すべきである。慣行として、「良好な衛生状態処理」が、アセンブリプロセス及び構成要素が汚染物質をウルトラキャパシタ１０にもちこまないことを確実なものとするため実行されると考えられてもよい。

「真空法」では、コンテナが、ハウジング７の上であって注入口の周りに配置される。その後、電解液６、例えば本明細書に開示されたＡＥＳが、実質的に酸素及び水（すなわち水分）が存在しない環境で、コンテナ内に配置される。その後、この環境において真空が生成され、ハウジングからすべての空気が引き抜かれ、それにより、同時に、電解質系６がハウジング７内に引き込まれる。その後、必要であれば、周りの環境は、不活性ガス（アルゴンガス、窒素等、もしくは不活性ガスの何らかの組み合わせ）により再充填されてもよい。ウルトラキャパシタ１０は、所望の量の電解質６が引き込まれたか否かをみるために確認されてもよい。当該プロセスは、必要であれば、所望の量の電解質６がウルトラキャパシタ１０内に入るまで繰り返されてもよい。

所定の実施形態では、電解液６、例えばＡＥＳにより充填した後、ウルトラキャパシタ１０を封止するために注入口に材料を充填してもよい。当該材料には、例えば、ハウジング７及び電解質６と化学反応を起こさない金属であってもよい。ある例において、材料は注入口に対して力をかけてはめこまれ、本質的に、注入口に対してプラグの「冷間圧接」を実行する。特定の実施形態において、力をかけてはめこむことは、本明細書においてさらに議論されている他の溶接技術により補われてもよい。

概して、ハウジングの組み立てはしばしば、貯蔵セル１２を本体１０内に設置すること、および本体１０をＡＥＳで充填することを伴う。他の乾燥プロセスを実行してもよい。例示的な乾燥は、しばしば減圧（例えば真空）下で、貯蔵セル１２およびＡＥＳを中に備える本体１０を加熱することを含む。いったん十分な（オプションの）乾燥ステップを実行した後に、最終の組み立てステップを実行してもよい。最終ステップにおいて、内部電気接続を行い、キャップ２４を組み込み、例えばキャップ２４を本体１０に溶接することにより、本体１０にキャップ２４を密閉して封止する。

いくつかの実施形態において、ハウジング７とキャップ２４の少なくとも一方を、複数の層が含まれる材料を含むように製造する。例えば、第１の材料層はアルミニウムを含有してもよく、第２の材料層はステンレススチールであってもよい。この例において、ステンレススチールは、アルミニウムを覆うクラッドとして設けられ、それにより、金属特性の所望の組み合わせを示す材料を提供する。すなわち、本明細書において与えられる実施形態において、アルミニウムは、エネルギー貯蔵セルの内部（すなわち、ハウジング）にさらされ、一方、ステンレススチールは外部にさらされる。この方法では、製造のためにステンレススチールの構造特性及び金属特性、すなわち溶接可能性をあてにしながら、アルミニウムの有利な電気特性が享受される。多層材料は、適切と認められる追加の層を含んでいてもよい。好適には、これは、ステンレススチールとステンレススチールとの溶接、比較的簡単な溶接法を提供する。

本体１０の製造のために使用される材料にはアルミニウムが含まれるが、設計者もしくは製造者により適切と認められる任意のタイプのアルミニウムもしくはアルミニウム合金を含み得る（それらの全てが本明細書においては広く「アルミニウム」と称される）。種々の合金、積層体等がアルミニウムの上に配置されてよい（例えば、アルミニウムを覆うクラッドとして設けられてよい）（アルミニウムはボディ１０の内部に曝される）。本体及び／又はハウジング７を補うため、追加の材料（例えば、何らかのポリマーに基づく材料等の構造材料もしくは電気的絶縁材料等）を使用してもよい。同様に、アルミニウム上に配置される材料は、設計者もしくは製造者により適切であると認められたものにより選択されてもよい。

アルミニウムの使用は、必要であるわけではなく、また、要求されるわけではない。端的に言えば、材料選択は、設計者、製造者、もしくはユーザ等により適切であると認められる任意の材料の使用をもたらしてもよい。様々なファクター、例えば、電解質６との電気化学的相互作用の減少、構造特性、コスト等を考慮してもよい。

比較的小さい体積を示すウルトラキャパシタ１０の実施形態は、角柱のフォームファクタで製造してもよい。これにより、ウルトラキャパシタ１０の電極３が互いに対向し、少なくとも一方の電極３は、ガラス−金属シールに対する内部接点を有し、他方は、ハウジングもしくはガラス−金属シールに対する内部接点を有する。

特定のウルトラキャパシタ１０の体積は、１つのハウジング内においていくつかの貯蔵セルを接続すること（例えばいくつかのゼリーロールを一体に溶接すること）により拡張されてもよい。このとき、貯蔵セルは、並列又は直列に電気的に接続される。

様々な実施形態において、複数のウルトラキャパシタ１０を一緒に使用して電源を提供することは有用である。信頼性のある動作を提供するため、それぞれのウルトラキャパシタ１０は使用前に試験されてもよい。様々なタイプの試験を実行するため、ウルトラキャパシタ１０のそれぞれを、複数のウルトラキャパシタ１０が直列もしくは並列に取り付けられた単一のセルとして試験してもよい。様々な技術により（例えば、溶接等により）接続された異なる金属を使用することは、接続のＥＳＲを減少させるとともに、接続の強度を増大させることができる。ウルトラキャパシタ１０間の接続のいくつかの態様を、以下、説明する。

いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ１０は、２つの接点を含む。この２つの接点は、ガラス−金属シールピン（すなわち、フィードスルー１９）及びハウジング７の残りの全部である。複数のウルトラキャパシタ１０を直列に接続した場合、（円柱形態のハウジング７の場合）内部リード線への距離が最小化されてそれにより抵抗が最小となるように、ハウジング７の下部の間を相互接続部を接続することがしばしば望まれる。これらの実施形態において、相互接続部の反対の端部は、通常、ガラス−金属シールのピンに接続される。

相互接続に関して、共通の溶接タイプには、並列チップ電極抵抗溶接機の使用が含まれる。ピンの上において相互接続部の端部を整列させ、当該ピンに直接に相互接続部を溶接することにより、溶接を行ってもよい。数多くの溶接を用いることは、相互接続部とピンとの間の強度及び接続を増大させるであろう。概して、ピンに溶接する際、ピンとよく合うように相互接続部の端部を形成することは、短絡を引き起こすであろうピンに重なる過剰な材料が実質的に存在しないことを確実なものとするように作用する。

相互接続部をピンに溶接するため、対向チップ（opposed tip）の電気抵抗溶接機を使用してもよい。一方、相互接続部をハウジング７の下部に溶接するために超音波溶接機を使用してもよい。含まれる金属が化学反応を起こさない場合は、はんだ技術を使用してもよい。

相互接続部において使用される材料に関して、相互接続部に使用される一般的タイプの材料は、ニッケルである。ニッケルは、ステンレススチールと良好に溶接されて強固な界面を有するので、使用可能である。例えば、相互接続部の抵抗を減少させるため、ニッケルに代えて、他の金属及び合金を使用してもよい。

概して、相互接続部のために選択される材料は、ピンの材料並びにハウジング７の材料と化学反応を起こさないことにより選択される。例示的な材料には、銅、ニッケル、タンタル、アルミニウム、ニッケル銅クラッドが含まれる。使用されうる別の金属には、銀、金、真鍮、プラチナ、及び錫が含まれていてもよい。

ピン（すなわち、フィードスルー１９）がタンタルから形成されている場合等いくつかの実施形態において、相互接続部には、短いブリッジ接続を用いること等によって、中間金属を使用してもよい。例示的なブリッジ接続には、タンタルのストリップが含まれる。これは、アルミニウム／銅／ニッケルのストリップをブリッジに溶接するため、対向チップの電気抵抗溶接機を使用することにより改良されてきた。その後、タンタルストリップをタンタルピンに溶接するために並列電気抵抗溶接機を使用する。

ブリッジは、また、ハウジング７である接点上において使用してもよい。例えば、ニッケル片は、ハウジング７の下部に電気抵抗溶接されてもよい。その後、同ストリップがニッケルブリッジに超音波溶接されてもよい。この技術は、セルの相互接続部の抵抗を減少させる助けとなる。各接続部に異なる金属を使用することで、セル間の直列に接続された相互接続部のＥＳＲを減少させることができる。

このように、高温環境（すなわち、最大で摂氏約２１０度まで）で有用である頑健なウルトラキャパシタ１０の態様を説明したとき、いくつかの追加の態様を以下に提供及び／又は定義する。

様々な材料を、ウルトラキャパシタ１０の構成において使用してもよい。酸素及び水分が排除されるべきであり、かつ、電解質６の漏れが防止されるべき場合には、ウルトラキャパシタ１０の完全性は必須である。これを達成するため、シーム溶接及び他の任意の封止点は、動作の意図された温度範囲にわたって密閉標準を満たすべきである。また、選択された材料は、イオン液体、およびＡＥＳの形成において用いられてよい溶媒等のような、他の材料とは、化学反応を起こさないものであるべきである。

いくつかの実施形態において、フィードスルー１９は、例えば、ＫＯＶＡＲ（商標）（ペンシルバニア州リーディングのカーペンターテクノロジーコーポレイション（Carpenter Technology Corporation）の商標であり、ＫＯＶＡＲは、真空溶解された鉄−ニッケル−コバルト低膨張合金であり、その化学組成は、正確で均一な熱膨張特性を保証するように、狭い範囲で制御される）、Ａｌｌｏｙ５２（金属に対するガラス及びセラミックシールに適しているニッケル鉄合金）、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、ステンレススチール４４６（高温腐食及び酸化性に対する良好な耐性を提供する非加熱処理可能なフェライトステンレススチール）、及びチタンの少なくとも一種のような金属から形成される。

上述の事項を利用するガラス−金属シールの本体は、３００シリーズのステンレススチール、例えば、３０４、３０４Ｌ、３１６、及び３１６Ｌ合金から製造されてもよい。この本体は、インコネル（Inconel）（圧力及び熱に供される極端な環境における使用に適した耐酸化性及び耐食性材料であるオーステナイトニッケル−クロム系超合金のファミリー）、及びハステロイ（Hastelloy）（ニッケル及び様々な割合のモリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素、及びタングステンを含む高い耐食性を有する金属合金）等の様々なニッケル合金のうちの少なくとも１つ等の金属から構成されていてもよい。

ガラス−金属シールにおけるフィードスルー１９と周りの本体との間の絶縁材料は、典型的にはガラスである。その組成は、シールの各製造者のプロプライエタリな資産であり、シールが圧縮下にあるか、それとも適合した状態にあるかに依存する。ガラス−金属シールにおいて他の絶縁材料を使用してもよい。例えば、シールにおいて様々なポリマーを使用してもよい。したがって、用語「ガラス−金属」シールは、単にシールの種類を示すものであり、当該シールがガラスを含まなければならないことが意味されているわけではない。

ウルトラキャパシタ１０のためのハウジング７は、例えば、タイプ３０４、３０４Ｌ、３１６、及び３１６Ｌステンレススチールから構成されていてもよい。それらは、１１００、３００３、５０５２、４０４３、及び６０６１等のアルミニウム合金のうちの一部から構成されていてもよいが、これらに限定されない。様々な多層材料を使用してもよいし、例えば、ステンレススチールに対するアルミニウムクラッド等を含んでいてもよい。使用されうる化学反応を起こさない他の非限定的な金属には、プラチナ、金、ロジウム、ルテニウム、及び銀が含まれる。

ウルトラキャパシタ１０において用いられるガラス−金属シールの特定の例には、２つの異なるタイプのガラス−金属シールが含まれる。最初のものは、ニューヨーク州エルムスフォールドに米国支部を有するショット（SCHOTT）から得られるものである。この実施形態は、ステンレススチールピン、ガラス絶縁体、及びステンレススチール本体を使用する。第２のものは、オハイオ州シンシナティーのハーマティックシールテクノロジー（HERMETIC SEAL TECHNOLOGY）から得られるものである。この第２の例は、タンタルピン、ガラス絶縁体、及びステンレススチール本体を使用する。様々なサイズの様々な実施形態を提供してもよい。

ガラス−金属シールの追加の例は、アルミニウムシール及びアルミニウム本体を使用する実施形態を含む。ガラス−金属シールのさらに別の例には、エポキシ、しくは他の絶縁材料（例えば、セラミックスもしくはシリコン等）を使用するアルミニウムシールが含まれる。

所望により、多数くのガラス−金属シールの態様が構成されていてもよい。例えば、ハウジング及びピンの寸法と、ピン及びハウジングの材料とは、適切に変更してもよい。ピンは、また、中空又は中実のピンであってもよく、一のカバーにおいて複数のピンを有していてもよい。ピンに使用される最も一般的なタイプの材料はステンレススチール合金、銅コアのステンレススチール、モリブデン、プラチナ−イリジウム、様々なニッケル−鉄合金、タンタル、及び他の金属であるが、何らかの非伝統的な材料を使用してもよい（例えば、アルミニウム）。ハウジングは、通常、ステンレススチール、チタン、及び／又は様々な他の材料から形成されていてもよい。

ウルトラキャパシタ１０の組み立てにおいて、様々な固定技術を使用してもよい。例えば、溶接に関して、様々な溶接技術を使用してもよい。以下は、それぞれのタイプの溶接を使用する溶接のタイプ及び様々な目的を例示的に列挙するものである。

超音波溶接が使用されてもよく、とりわけ、集電体にアルミニウムタブを溶接すること、下部クラッドカバーにタブを溶接すること、ガラス−金属シールピンに接続されたクラッドブリッジにジャンパタブを溶接すること、及び複数のゼリーロールタブを互いに溶接することを含む。パルス又は抵抗溶接が使用されてもよく、とりわけ、金属容器の下部又はピンにリード線を溶接すること、集電体にリード線を溶接すること、クラッドブリッジにジャンパを溶接すること、端子８へクラッドブリッジを溶接すること、下部カバーにリード線を溶接することを含む。レーザー溶接が使用されてもよく、とりわけ、ステンレススチール金属容器にステンレススチールカバーを溶接すること、ステンレススチールガラス−金属シールピンへのステンレススチールブリッジを溶接すること、及び注入口にプラグを溶接することを含む。ＴＩＧ溶接が使用されてもよく、とりわけ、アルミニウム金属容器にアルミニウムカバーを封止すること、及びアルミニウム封止を所定の場所に溶接することを含む。冷間圧接（複数の金属を強い力で互いに圧迫すること）が使用されてもよく、とりわけ、アルミニウムボール／鋲を注入口に力をかけてはめこむことにより注入口を封止することを含む。

ある特定の実施形態において、図２３を参照すると、例示的な電極３の構成要素が示されている。この例では、電極３は負極３（ａ）として使用されるが、しかしながら、この表示は任意であり、単に参照のためのものである。

図面から分かるように、少なくともこの実施形態においては、セパレータ５は、概して、エネルギー貯蔵媒体１（及び集電体２）より長い長さ及びより広い幅を有する。より大きなセパレータ５を使用することにより、正極３（ｂ）と負極３（ａ）との短絡に対して保護を与える。また、セパレータ５において追加の材料を使用することは、リード線及び端子８の良好な電気的保護を提供する。

貯蔵セル１２の実施形態の側面図を提供する、図２４に示すもう１つの実施形態では、エネルギー貯蔵媒体１のレイヤースタックには、第１のセパレータ５及び第２のセパレータ５が含まれ、これにより、貯蔵セル１２が巻回された貯蔵セル２３に組み立てられるとき、電極３は電気的に分離される。電極３及びウルトラキャパシタ１０の組み立てに関し、用語「正」及び「負」は、単に任意であり、ウルトラキャパシタ１０内において構成され、電荷がその中に保存されるときのの機能を示していることに留意すべきである。当該技術分野において一般的に採用されるこの慣例は、組み立ての前に電荷が保存されることを適用すること、もしくは、異なる電極の物理的同定のために提供されるもの以外の他の任意の態様を暗示することを意味するものではない。

貯蔵セル１２を巻回する前に、負極３（ａ）及び正極３（ｂ）を互いに整列させる。電極３（ａ）及び（ｂ）を整列させることにより、最良の整列が存在するとき、イオン移動のための経路長は一般に最小化されるので、ウルトラキャパシタ１０の性能はより良好となる。さらに、高い整列度を与えることにより、過剰のセパレータ５が含まれず、結果として、ウルトラキャパシタ１０の効率は損なわれない。

ここで図２５を参照すると、貯蔵セル１２の実施形態が示されている。ここでは、電極３は巻回され、巻回された貯蔵セル２３となっている。セパレータ５の１つは、貯蔵セル１２の最も外側の層として存在し、エネルギー貯蔵媒体１をハウジング７の内部から分離する。

巻回された貯蔵セル２３内の複数の最も外側の電極を本体１０の極性と一致させるため、「極性マッチング」を採用してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、負極３（ａ）は、巻回された貯蔵セル２３を提供するタイトにパックされたパッケージの最も外側に存在する。これらの実施形態において、短絡に対するさらなる確実度が提供される。換言すれば、負極３（ａ）が本体１０と接続される箇所において、負極３（ａ）は、巻回された貯蔵セル２３における最も外側の電極として配置されている。したがって、例えば、使用中におけるウルトラキャパシタ１０の振動により誘発される機械的摩耗等によりセパレータ５が劣化する場合、ウルトラキャパシタ１０は、巻回された貯蔵セル２３における最も外側の電極と本体１０との間の短絡の結果として故障することはないであろう。

巻回された貯蔵セル２３の各実施形態について、（例えば図２５を参照）少なくともセパレータ５内に基準マーク７２が存在してもよい。この基準マーク７２は、各電極３にリード線の位置決めを行うために使用される。いくつかの実施形態において、リード線の位置決めは計算により行われる。例えば、組み合わされたセパレータ５及び電極３についてゼリーロールの内径及び全厚さを考慮することにより、各リード線の設置のための位置を推定してもよい。しかしながら、基準マーク７２を使用することがより効率的かつ効果的であることが実施によりわかった。基準マーク７２には、例えば、１つ又は複数のセパレータ５のエッジにおけるスリットが含まれていてもよい。

概して、基準マーク７２は、貯蔵セル１２の各新たな仕様ごとに採用される。換言すれば、貯蔵セル１２の新たな仕様は、そこに存する少なくとも１つの層の異なる厚さ（前の実施形態を超える）を要求しうるので、以前の基準マークを使用することは少なくとも幾分不正確となりうる。

概して、基準マーク７２は、ロールを、その中心からその外周まで横断する単一の放射状のラインとして明示されている。したがって、リード線が基準マーク７２に沿って設置される際、各リード線は、残りのリード線と整列している。しかしながら、（貯蔵セル１２がロールであるか、ロール１２になる実施形態について）貯蔵セル１２が巻回されていないとき、基準マーク７２は、複数のマーキング（図２６に示されている）であると考えられうる。慣行として、貯蔵セル１２をマーキングすることの実施形態もしくは外観に拘わらず、リード線の組み込みのための位置を識別することは、「基準マーク７２」もしくは「一組の基準マーク７２」を決定することが含まれると考えられる。

ここで図２６を参照すると、いったん基準マーク７２が（例えば、巻回された貯蔵セル１２にマーキングすることにより）確立されると、各リード線を設置するための設置場所が提供される（すなわち、基準マーク７２により記載される）。いったん各設置場所が識別されると、任意の与えられた貯蔵セル１２のビルド仕様に関して、各設置場所の相対位置が、貯蔵セル１２の特定のビルドの追加の例について繰り返しされてもよい。

概して、各リード線は、貯蔵セル１２内のそれぞれの集電体２に接続される。いくつかの実施形態において、集電体２とリード線の両方が、アルミニウムにより製造される。概して、リード線は、幅Ｗにわたって集電体２に接続されるが、しかしながら、リード線は、幅Ｗの一部のみで接続されてもよい。当該接続は、例えば、リード線を集電体２に超音波溶接することにより達成してもよい。接続を達成するため、エネルギー貯蔵媒体１の少なくとも一部を（適切に）除去し、これにより、各リード線を適切に集電体２と接続してもよい。接続を提供するため、適切と認められる他の作製及び調整を行ってもよい。

ある実施形態では、反対側の基準マーク７３が含まれていてもよい。換言すれば、基準マーク７２が与えられているのと同様な方法で、一組の反対側の基準マーク７３が作製され、逆極性のリード線が設置される。すなわち、例えば負極３（ａ）等の第１の電極３にリード線を設置するために基準マーク７２を使用してもよく、一方、正極３（ｂ）にリード線を設置するために、反対側の基準マーク７３を使用してもよい。巻回された貯蔵セル２３が円柱状である実施形態において、反対側の基準マーク７３は、エネルギー貯蔵媒体１の反対側に配置され、（図示のように）長さに関して基準マーク７２からずれている。

図２６において、基準マーク７２及び反対側の基準マーク７３は、両方とも、単一の電極３の上に配置されるように示されていることに留意する。すなわち、図２３は、基準マーク７２及び反対側の基準マーク７３の空間的（すなわち、直線的）関係を単に例示するための実施形態を示していることに留意すべきである。これは、正極３（ｂ）及び負極３（ａ）が、エネルギー貯蔵媒体１を共有することを含意するわけではない。しかしながら、貯蔵セル１２を巻回しその後セパレータ５をマークすることにより基準マーク７２及び反対側の基準マーク７３が配置される例において、基準マーク７２及び反対側の基準マーク７３が実際に単一のセパレータ５の上に提供されてもよいことに留意すべきである。しかしながら、実際は、１組の基準マーク７２及び反対側の基準マーク７３が任意の所定の電極３にリード線を設置するために使用されるであろう。すなわち、図２６の実施形態は、逆極性を有するであろう他の電極３のためのエネルギー貯蔵媒体１の他の層によって補われることを認識すべきである。

図２７に示すように、前述の組み立て技術により、少なくとも一組の整列されたリード線を含む貯蔵セル１２となる。第１の組の整列されたリード線９１は、巻回された貯蔵セル２３を負の接点５５及び正の接点５６の一方に接続する際、特に有用である。一方、一組の反対側の整列されたリード線９２は、エネルギー貯蔵媒体１を逆の接点（５５、５６）に接続する。

巻回された貯蔵セル２３は、ラッパー９３により包囲されていてもよい。ラッパー９３は、様々な実施形態で実現されてもよい。例えば、ラッパー９３は、ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）テープ（これは、ドイツ国ウィルミングトンのデュポン（DuPont）により開発されたポリイミドフィルムである）もしくはＰＴＦＥテープとして与えてもよい。この例において、ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）テープは、巻回された貯蔵セル２３を包囲し、それに付着される。巻回された貯蔵セル２３にスライド挿入されているタイトにフィッティングしているもののようなラッパー９３は、接着剤を用いることなく、提供されてもよい。ラッパー９３は、巻回された貯蔵セル２３を全体的に巻き込むもの（例えば、前で議論した図１１のエンベロープ７３等）のようなバッグとして、さらに明示されてもよい。これらの実施形態のいくつかにおいて、ラッパー９３は、シュリンクラップとして機能する材料を含んでいてもよく、それゆえ、巻回された貯蔵セル２３の効果的な物理的（そして、一部の実施形態では化学的）包囲物を提供してもよい。概して、ラッパー９３が、ウルトラキャパシタ１０の電気化学的機能と相互作用しない材料から形成される。例えば、巻回された貯蔵セル２３の挿入を支援するため、ラッパー９３は、また、必要に応じて、部分的カバーを提供してもよい。

いくつかの実施形態において、負のリード線及び正のリード線は、巻回された貯蔵セル２３の反対側に配置されている（ゼリーロールタイプの巻回された貯蔵セル２３の場合において、負の極性のためのリード線及び正の極性のためのリード線が直径方向について反対側にある）。概して、負の極性のリード線及び正の極性のリード線を巻回された貯蔵セル２３の反対側に配置することは、巻回された貯蔵セル２３の製造を容易にするため、且つ、改良された電気的分離を提供するため実行される。

いくつかの実施形態において、整列されたリード線９１、９２がいったん組み立てられると、複数の整列されたリード線９１、９２の周りにシュリンクラップ（図示せず）が配置されるように、複数の整列されたリード線９１、９２のそれぞれは、その場所で）一体に束ねられる。概して、シュリンクラップはＰＴＦＥにより形成されるが、しかしながら、互換性を有する任意の材料を使用してもよい。

いくつかの実施形態において、いったんシュリンクラップ材料が整列されたリード線９１の周りに配置されると、整列されたリード線９１は、ウルトラキャパシタ１０が組み立てられる際に呈する所定形状に折り曲げられる。すなわち、図２８に関し、整列されたリード線は「Ｚ」形状を呈すると理解されうる。「Ｚ−折り曲げ部」を整列されたリード線９１、９２に与え、シュリンクラップを適用した後、整列されたリード線９１、９２の周りの場所でシュリンクラップが収縮するように、シュリンクラップを加熱し、さもなければ活性化してもよい。したがって、いくつかの実施形態において、整列されたリード線９１、９２は、ラッパーにより真っ直ぐにされ、そして保護されてもよい。Ｚ状折り曲げの使用は、エネルギー貯蔵媒体１をキャップ２４内に配置されたフィードスルー１９に接続する際、特に有用である。

さらに、各組の整列されたリード線９１、９２（すなわち、各端子８）を各接点５５、５６に接続する他の実施形態が実施されてもよい。例えば、ある実施形態では、各組の整列されたリード線９１、９２との接続が容易となるように、フィードスルー１９及びハウジング７の一方に中間リード線が接続される。

さらに、使用される材料は、反応性、誘電値、融点、他の材料への付着性、溶接可能性、摩擦係数、コスト、及び他のそのようなファクター等の特性にしたがって選択されてもよい。所望の特性を提供するために、複数の材料の組み合わせ（例えば、多層化された、混合された、さもなければ組み合わせ）を使用してもよい。

本明細書に開示されたウルトラキャパシタにおける、水、金属、及び有機不純物を含む不純物のレベルは、所望の性能を達成するために重要である可能性がある。所定の実施形態において、封止されたウルトラキャパシタ１０のハウジング７が開かれてもよく、貯蔵セル１２は不純物についてサンプリングされる。水分含有量は、セル４２からの電極、セパレータ、及び電解質についてカールフィッシャー法を用いて測定してもよい。３つの測定を行い、平均を取ってもよい。

概して、ウルトラキャパシタ内の混入物質を特徴づけるための方法には、その含有量にアクセルするためハウジング７を破壊すること、その内容物をサンプリングすること、及びサンプルを分析することが含まれる。本明細書の他の箇所において開示された技術を、上記特徴づけをサポートして使用してもよい。

ウルトラキャパシタと、電極、電解質、及びセパレータを含むその構成要素内における不純物の正確な測定を確実なものとするため、組み立て及び分解を適切な環境、例えば、グローブボックス内の不活性な環境において実行してもよいことに留意すべきである。

ウルトラキャパシタ１０内の水分含有量を（電解液の質量及び体積について５００ｐｐｍ未満まで、また、不純物を１０００ｐｐｍまで）減少させることにより、ウルトラキャパシタ１０は、広い温度範囲にわたって、その温度範囲及び電圧範囲内では１０アンペア／リットル未満の漏れ電流（Ｉ／Ｌ）で、より効率的に動作しうる。

ある実施形態において、特定の温度における漏れ電流（Ｉ／Ｌ）は、７２時間にわたって、定格電圧（すなわち、最大定格動作電圧）においてウルトラキャパシタ１０の電圧を一定に維持することにより測定される。この期間内において、温度は、特定の温度において、比較的一定に維持される。測定期間の最後に、ウルトラキャパシタ１０の漏れ電流を測定する。

いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ１０の最大電圧定格は、室温において約４Ｖである。高温（例えば、摂氏２１０度を超える）においてウルトラキャパシタ１０の性能を確保するためのアプローチは、ウルトラキャパシタ１０の電圧定格を低下（すなわち、減少）させることである。例えば、より高い温度における長い動作期間を達成できるように、電圧定格は、約０．５Ｖを下回るように調整されてもよい。

例示的なウルトラキャパシタ１０の物理的態様は次の表６〜表９に示される。以下の表において、用語「タブ」は、概して、前に議論された「リード線」を示し、用語「ブリッジ」及び「ジャンパ」もまた、ある態様のリード線を示す（例えば、ブリッジは、フィードスルーもしくは「ピン」に接続される一方、ジャンパは、ブリッジをタブもしくはリード線に接続するのに有用である）。様々な接続を使用することにより、組み立てプロセスを容易にし、ある組み立て技術を利用する。例えば、ブリッジは、ピンに対してレーザ溶接もしくは電気抵抗溶接され、ジャンパに対して超音波溶接で接続される。

概して、ウルトラキャパシタ１０は、様々な環境条件及び要求の下で使用してもよい。例えば、端子電圧は約１００ｍＶから１０Ｖまでの範囲であってもよい。周囲の温度は、摂氏約−４０度から摂氏＋２１０度までの範囲かであってもよい。典型的な高温の周囲温度は、摂氏約＋６０度から摂氏＋２１０度までの範囲にわたる。

表１０及び表１１は、ウルトラキャパシタ１０のこれらの実施形態について比較性能データを提供する。性能データを、図示された様々な動作条件について収集した。

このように、表１０及び表１１に与えられたデータは、本明細書における教示が、極限条件下でウルトラキャパシタの性能を可能とすることを実証している。これにしたがって製造されたウルトラキャパシタは、例えば、（約２Ｖ未満の電圧かつ摂氏約１５０度未満の温度で保持されつつ）１ミリリットルのセル体積当たり約１ｍＡ未満の漏れ電流を示し、５００時間内において約１００パーセント未満のＥＳＲ増加を示す。ウルトラキャパシタの様々な要求（例えば、電圧及び温度）の中でトレードオフがなされるので、ウルトラキャパシタのための性能定格（例えば、ＥＳＲ、容量等の増大のレート）を管理してもよいし、特定のニーズに合わせて調整してもよい。前述の事項に関連して、「性能レーティング」には、概して、動作条件を説明するパラメータの値に関連する従来の定義が与えられることに留意すべきである。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドを含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩を含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩を含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−ヘキシル３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩を含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドを含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロリン酸塩を含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩を含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸潮を含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩を含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム及び１−ブチル−１−メチルピロリジニウム及びテトラシアノホウ酸塩を含むＡＥＳを具有していた。

試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、１−ブチル−１−メチルピロリジニウム及びテトラシアノホウ酸塩及びエチルイソプロピルスルホンを含むＡＥＳを具有していた。

表１０において示され、本明細書の他の箇所において示された容量及びＥＳＲの測定は、一般に既知の方法に従って行ったことに留意すべきである。まず、容量を測定するための技術について検討する。

容量は、数多くの方法により測定することができる。一の方法は、既知の電流が（「放電」中に）ウルトラキャパシタから引き出され、もしくは（「充電」中に）ウルトラキャパシタへ供給されているとき、キャパシタ端子に現れる電圧をモニタリングすることを含む。より具体的には、我々は、理想的キャパシタは次式に従うという事実を利用してもよい。

Ｉ＝Ｃ×ｄＶ／ｄｔ

ここで、Ｉは充電電流を示し、Ｃは容量を示し、ｄＶ／ｄｔは理想的ウルトラキャパシタの電圧Ｖの時間微分を示している。理想的キャパシタは、とりわけ、その内部抵抗が零であり、その容量が電圧依存性を有するものである。充電電圧Ｉが一定である場合、電圧Ｖは時間に関して線形である。そのため、ｄＶ／ｄｔはその直線の傾き、もしくはΔＶ／ΔＴとして計算することができる。しかしながら、この方法は概して近似であり、容量の計算もしくは測定において、キャパシタの実効直列抵抗により与えられる電圧差（ＥＳＲ降下）が考慮されるべきである。概して、実効直列抵抗（ＥＳＲ）は、キャパシタ内の散逸効果もしくは他の効果の集中定数近似である。キャパシタの挙動は、しばしば、ＥＳＲに等しい抵抗値を有する抵抗と直列に接続された理想的キャパシタを含む回路モデルから導出される。概して、これは、正確なキャパシタ挙動に対して良好な近似を提供する。

容量を測定する１つの方法において、内部抵抗が実質的に電圧から独立であり、充電電流もしくは放電電流が実質的に固定されている場合、ＥＳＲ降下の影響を殆ど無視することができる。その場合、ＥＳＲ降下は、定数として近似することができ、上記一定電流の充電もしくは放電の間、電圧の変化の計算値から差し引かれる。その際、電圧の変化は、実質的に、キャパシタ上の貯蔵された電荷の変化を反映している。したがって、電圧の変化は、計算により、容量のインジケータと解釈されうる。

例えば、一定電流の放電中において、一定電流Ｉは既知である。測定時間区間ΔＴにおいて放電中の電圧変化ΔＶを測定し、比ΔＶ／ΔＴにより電流値Ｉを除算することにより、容量の近似値を得る。Ｉがアンペアで測定され、ΔＶがボルトで測定され、ΔＴが秒で測定されるとき、容量の結果はファラッドの単位となる。

ＥＳＲの推定に移ると、ウルトラキャパシタの実効直列抵抗（ＥＳＲ）は、多数の方法により測定してもよい。一の方法は、既知の電流が（「放電」中に）ウルトラキャパシタから引き出され、もしくは（「充電」中に）ウルトラキャパシタへ供給されているとき、キャパシタ端子に現れる電圧をモニタリングすることを含む。より具体的には、ＥＳＲは次式に従うという事実を用いてもよい。

Ｖ＝Ｉ×Ｒ

ここで、Ｉは、ＥＳＲを有効に通過する電流を示し、ＲはＥＳＲの抵抗値を示し、Ｖは、ＥＳＲにより与えられる電圧差（ＥＳＲ降下）を示す。ＥＳＲは、概して、ウルトラキャパシタ内の散逸特性もしくは他の特性の集中定数近似である。ウルトラキャパシタの挙動は、しばしば、ＥＳＲに等しい抵抗値を有する抵抗と直列に接続された理想的キャパシタを含む回路モデルから導出される。概して、これは、正確なキャパシタ挙動に対して良好な近似を提供する。

ＥＳＲを測定するある方法において、停止状態にあったキャパシタ（実質的な電流で充電もしくは放電されていないもの）からの放電電流を引き込むことを開始してもよい。キャパシタ上の貯蔵された電荷の変化に起因するキャパシタにより表される電圧変化が時間区間の間、が、測定された電圧変化に比較して小さい間、その測定された電圧変化は、実質的に、キャパシタのＥＳＲを反映したものである。これらの条件下、キャパシタにより表された直前の電圧変化は、計算により、ＥＳＲのインジケータと解釈されうる。

例えば、キャパシタから放電電流の引き出すことを開始する際、測定区間ΔＴにわたって、直前の電圧変化ΔＶにより表すことができる。測定区間間隔ΔＴの間、既知の電流Ｉにより放電されたキャパシタの容量Ｃは、測定された電圧変化ΔＶと比較して小さい電圧変化を発生させる限り、時間区間ΔＴの間のΔＶを放電電流Ｉで除算してＥＳＲの近似値を得てもよい。Ｉがアンペアで測定され、ΔＶがボルトで測定される場合、ＥＳＲの結果はΩの単位を有する。

ＥＳＲ及び容量の両方が周囲の温度に依存する。それゆえ、関連する測定は、測定の間、目的の特定の周囲の温度にウルトラキャパシタ１０を供することをユーザに要求する。

漏れ電流の性能要件は、概して、特定の用途において広く行き渡っている環境条件により定義される。例えば、２０ccの体積を有するキャパシタに関し、漏れ電流の実用的な限界値は、１００ｍＡ未満に降下しうる。

正規化されたパラメータの公称値は、正規化されたパラメータ（例えば体積漏れ電流）に正規化指数（例えば体積）を乗算すること、又は、正規化されたパラメータを正規化指数で除算することにより得られうる。例えば、１０ｍＡ／ｃｃの体積当たりの漏れ電流、及び５０ｃｃの体積を有するウルトラキャパシタの名目漏れ電流は、体積当たりの漏れ電流と体積との積、すなわち５００ｍＡである。一方、２０ミリオーム・ｃｃの体積当たりのＥＳＲ及び５０ｃｃの体積を有するウルトラキャパシタの名目ＥＳＲは、体積当たりのＥＳＲと体積との商、すなわち０．４ミリオームである。

５．モジュール式信号インターフェース装置（ＭＳＩＤ）

本明細書に開示された装置、システム、及び方法は、モジュール式信号のインターフェース装置（modular signal interface device：「ＭＳＩＤ」）を含む。ＭＳＩＤは、本明細書に開示された装置、システム、及び方法の様々な有利な態様を可能にする多数の機能を実行するように動作し、それらの機能は、（１）高温電力システム、例えば坑井内電源システムのエネルギー貯蔵構成要素を制御することを含み、他の利点の中でもとりわけ、向上したバッテリー消費効率、より高い電力能力、電力バッファリングのような利点を提供することで、電圧安定性により信頼性を向上させ、（２）高温環境中のデータを記録する手段、例えば坑井内データ記録システムを提供すること、又は（３）として（１）及び（２）の両方を含む。ＭＳＩＤはモジュール式装置である。すなわち、それは、あらかじめ組み立てられた構成要素であって、モジュール式に取り付けられてもよく、所望の機能を提供するために様々な組み合わせから選択されてもよい構成要素から製造されてもよい。さらに、任意のエネルギー貯蔵装置構成要素は、少なくとも本明細書で説明したＨＴＲＥＳを含んでもよい。任意のＨＴＲＥＳは、本明細書で説明した少なくとも１つの高温ウルトラキャパシタを備えてもよい。

ＭＳＩＤのモジュール式アーキテクチャは、製造容易性を向上させ、同様に、本明細書に開示された装置及びシステムの製造の速さを加速する。従って、本明細書に開示されたＭＳＩＤのもう１つの利点は、製造コストの低減である。さらに、ＭＳＩＤのモジュール式アーキテクチャは、機能並びに保守性を追加することの容易さを向上させ、これは、機能の維持又はアップグレードのコストを低減することに役立つ。モジュール式構成は、さらに、回路を分析のために素早く接続及び切断することができるので、設計及びデバッグサイクルを縮小することに役立つ。本明細書で説明したモジュール式システムのフレームワーク内では、新規な設計及び機能は、配線、寸法、又は回路基板レイアウトに実質的変化を生じる必要なく、迅速に追加可能である。

モジュール式設計は、いくつかの態様のモジュール性を備える。ＭＳＩＤを備える装置又はシステムは、所定の機能を行うか又は所定の態様を提供するようにそれぞれ設計された少なくとも１つのモジュール、例えば、２つのモジュールを備えてもよく、モジュールは別個のハウジングを備えてもよく、また、それらはコネクタインタフェースで互いにインターフェースを有してもよい。いくつかの実施形態において、上記コネクタインタフェースは、ピン又はレセプタクルのうちの１つを備えるコネクタハウジング及びコネクタを備える。いくつかの実施形態において、嵌合するコネクタによって互いに接続するように、様々なモジュールが構成される。いくつかの実施形態において、１つのモジュールはＭＳＩＤを備え、ＭＳＩＤは、電力システム構成要素及び／又はデータシステム構成要素、例えば、ハウジング及びＨＴＲＥＳを備える回路及び他のモジュールを備え、それは、少なくとも１つのウルトラキャパシタ、例えば１〜１００個のウルトラキャパシタセルを備えるウルトラキャパシタストリング）を備えてもよい。

ＭＳＩＤのモジュール式設計は、そのコアにおいて特定の回路基板アーキテクチャの使用を導出する。これは、均一性及びモジュール性を提供するスタッカによって電気的に接続される、縮小サイズの複数の円形回路基板から開始して、電気的通信はモジュール式バスを介して接続され、これは、所定の実施形態では、外部装置にＭＳＩＤを関連づけることを支援しうる接続回路基板に接続され、各回路の機能は監視装置によってローカルに制御されてもよく、これは、モジュール式バスとインターフェースをとる回路間のインターフェースを簡単化し、回路基板の組み合わせ全体は、ＭＳＩＤ、又は電力システムのＭＳＩＤ及び任意のＨＴＲＥＳを組み込むように設計されたツールストリングの空間効率的なハウジングに含まれていてもよい。

回路基板は、モジュール式バスを簡単化するか、さもなければ支援するためのディジタル監視装置を備えてもよい。例えば、所定の機能のために設計された回路が、モジュール式バスのピンにおける信号の標準的な割り当てに容易に適応可能でない構成要素を備えてもよく、又は、複数の異なる回路が、共用されるモジュール式バス上で互いに容易に適応可能でない構成要素を備えてもよい。モジュール式バスとインターフェースをとる回路基板上に配置されたディジタル監視装置は、共用されるモジュール式バスに上記構成要素を適応させるように動作してもよい。具体的には、例示によって、ディジタル監視装置は、ディジタル識別情報の割り当てを受けて、モジュール式バス上で共用される通信を確立してもよい。ディジタル監視装置は、他の監視装置又は他のコントローラから命令を受信し、それに応じて、それらの各回路の機能を制御してもよい。もう１つの例示として、ディジタル監視装置は、それらの各回路の態様を問い合わせるか測定し、その情報をディジタル信号として共用されるモジュール式バスへ報告してもよい。ディジタル監視装置の例は、マイクロコントローラ、例えば、米国アリゾナ州チャンドラーのマイクロチップテクノロジーインコーポレイテッド（Microchip Technology, Inc.）から入手可能な１６Ｆシリーズを含む。

ａ．全体ＭＳＩＤ構成要素

データ記録及び／又は報告のための電力システム及び／又はデータインタフェースにおいて有用である、本明細書に開示したＭＳＩＤは、次の構成要素で構成されてもよい。

ｉ．回路基板

ＭＳＩＤのモジュール式設計は、概して、円形形状の回路基板を組み込み、これは、円柱体積、すなわち円柱状ハウジングの場合に一般的な長方形デザインのものが提供するであろうものに比較して、回路／電力及び信号密度を増大させる（又は最大化する）ことを可能にする。これらの回路基板は、動作温度（例えば、摂氏１２５度〜摂氏１５０度）において構造的完全性を保証するために、概して、高いガラス転移温度（例えばＴ_ｇ ＝摂氏２６０度）を有する高温ラミネート（例えばｐ９５／ｐ９６ポリイミド）からなる。さらに、基板は、熱性能を改善するために、（４以上の）複数の銅の層を含んでいてもよい。

円形回路基板は、特に坑井内用途で、従来の長方形の回路基板に対する多数の利点を可能にする。図３９に示すように、ＭＳＩＤ３９０は複数の円形回路基板６２を備える。図３２を参照して以下に述べるように、バスコネクタ３２０であってもよいスタッカ３９４を用いて、複数の円形回路基板は、接続されてもよい。したがって、複数の円形回路基板３２３のスタック３９１が本明細書に開示され、個々の回路基板３２３は、回路基板のスタック３９１における他の任意の回路基板３２３に電力を伝送及び／又は転送してもよい。図３９に示すように、円形回路基板のスタック３９１を備えるＭＳＩＤは、１つ又は複数のマルチピン外部コネクタ３９２及び３９３と嵌合されてもよく、それは、回路基板のスタック３９１に接続されてもよく、及び／又は、オプションで各円形回路基板３２３に個々に接続されてもよい。このように、ＭＳＩＤは、他の装置、例えばＨＴＲＥＳ、又はツールストリングを備える坑井内ツールへの、及びそのような装置からの通信及び電力伝送を可能にする。各マルチピン外部コネクタ３９２又は３９３は、特定用途の要件、例えば、必要とされる電力伝送接続、必要とされるデータ接続、冗長性、及び頑健さに基づいて、ＭＤＭタイプコネクタ（例えばマイクロＤ）のような様々な利用可能なコネクタから選ばれてもよい。［００４６５］円形回路基板は、坑井内環境において特に有利である。ここでは、典型的な坑井内ツールストリングのフォームファクタは円柱状ＭＳＩＤ構成要素を必要とし、空間的制約が大きくなる。円形回路基板、例えば本明細書に開示されるようなスタック可能な円形回路基板は、坑井内空間及びＭＳＩＤ内の接続性、例えばデータ及び電力伝送の利用に関して、より高い効率を可能にすることができる。

ｉｉ．スタッカ

所定の実施形態において、モジュール式アーキテクチャは、図３２に示すように、ヘッダ及びレセプタクルを備えるバスコネクタとして基板スタッカを利用する。これは、回路基板の電気的な接続及び切断を容易かつ便利に行う方法を提供する。スタッカは、モジュール式アーキテクチャによって永続するすべての回路が機械的に互換性を有し、互いに合うように、上部及び下部スタッカの整列及び反復可能な位置決めを行うために、回路アーキテクチャにおいてトポロジー的に位置決めされる。図３２に示すように、上述した円形回路基板と同様に、円形回路基板３２３としてここで示した回路基板は、スタッカを使用して、スタックされた構成で取り付けられてもよい。図３２に示すように、回路基板３２３間の電気的な接続を提供するために、スタッカは、さらにバスコネクタ３２０として動作してもよい。所定の実施形態では、図３２に示すように、バスコネクタ３２０はメス構成要素３２１及びオス構成要素３２２を備え、それらはを相互接続することで、回路基板３２３をスタックされた形式で接続することと、回路基板３２３を切断してそれらを分解することとが容易化される。本明細書に開示されたＭＳＩＤの所定の実施形態のこの特徴は、本装置及びシステムのモジュール性をさらに向上する。

さらに、スタッカは、摂氏７５度より高い温度、例えば摂氏１２５度より高い温度、例えば摂氏１５０度より高い温度におけるそれらの有用性と、例えば嵌合レセプタクルへのバネクリップ又はツイストピンなどの係合による、構造上の強度を失うことなくヘッダの嵌合ピンとの接触を確立するそれらの能力とに基づいて選択される。特定の実施形態において、スタッカは、金属であり、坑井内掘削の場合のように、熱に加えて機械的振動及び衝撃にさらされたときに構造上の強度を提供するように構成される。特定の実施形態において、スタッカ接続装置は、比較的より小さなサイズを有する回路基板を合うように小型である。

さらに、所定の実施形態において、切断が生じたとき、切断の影響を緩和するために、電気的な冗長性が使用される。特定の実施形態において、電力線はスタッカにおける複数の冗長なラインを有する。例えば、電子回路へのキャパシタストリング接続は、増大した信頼性のために２本のピン上で行われてもよく、減少したライン抵抗は、より少ないエネルギー損及びより大きなピーク電力をもたらす。

ファームウェアに関して、通信はスタッカハードウェアによっても可能になる。限られた量の空間のために、通信する多数のラインの要件に起因して、アーキテクチャに適さない多数の通信プロトコルがある。所定の実施形態において、ＭＳＩＤに組み込まれる通信プロトコルは、無制限の個数の周辺装置に対処することができる４つのライン、すなわち、（１）データ：バイナリ信号；（２）クロック：データライン上のデータキャプチャのトリガとして使用される；（３）ポーリング：データ方向を制御し、かつハードウェアを簡単化する追加の信号；及び、（４）接地：すべての回路に共通のシステム全体にわたるノードを利用する、同期通信プロトコルを備える。

さらに、所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、増大した構造的完全性のために回路基板間に配置されたスタンドオフを有して構成される。概して、スタンドオフのサポートは各回路間の間隔を維持する剛性のサポートを提供する。スタンドオフのサポートのそれぞれは、適切であれば、金属材料及び／又はポリマーの形式のような絶縁材料のような材料から製造されてもよい。

いくつかの実施形態において、本発明の回路は円形であってもよい。いくつかの実施形態において、本発明の回路はスタック可能であってもよい。いくつかの実施形態において、本発明の回路は、図３９に示すように、回路基板のスタック３９１を形成するようにスタックされてもよい。いくつかの実施形態において、本発明の回路は円形かつスタック可能であってもよく、及び／又は、スタックされていてもよい。

ｉｉｉ．接続回路基板

さらに、所定の実施形態において、ＭＳＩＤは接続回路基板を備える。接続回路基板は、製造性及び保守性を容易化し、電気的保護を提供してもよい。接続回路基板は、電力システム又はデータ記録及び／又は報告システムの終端コネクタに接続回路基板を電気的に接続することができる。接続回路基板は、さらに、終端コネクタワイヤ又は他のワイヤをスタッカに接続してもよく、スタッカにより、これらの信号がモジュール式回路基板によってアクセスされることを可能にする。接続回路基板と、スタック可能な回路のモジュール式アーキテクチャとを使用することにより、回路は、必要であれば、速くシステムから迅速に取り外され、置き換えることができる。

接続回路基板は、そのような電気的接続において以前は必要であった、扱いにくいバットジョイント（butt joint）の量を削減する。この点で、接続回路基板及びモジュール式アーキテクチャの以前では、すべての配線はすべての回路基板を通過すること、非常に微妙でありかつ退屈な処理を必要とし、この結果、使用可能な表面積は少なくなり、生産量及び品質は低下し、信頼性は低下し、製造時間は長くなった。

所定の実施形態において、接続回路基板は、さらに、電子回路の敏感なノードを保護するために、ＥＳＤ保護（ＴＶＳダイオード及びＲＣスナバ）を含む。接続回路基板は、プログラミングラインを多重化し、高電圧プログラミングラインを別個のままにしておくことにより、バス上に取り付けられた任意の個別回路のプログラミングを容易にするために使用されてもよい。

監視装置構成要素は、接続回路基板に接続された追加の回路基板へのプロトコルコマンド及びその回路基板からのプロトコルコマンドを関連づけることができる。

ｉｖ．システムハウジング

坑井内電子回路とともに使用するためのＭＳＩＤを含んでいるハウジングは、ツールストリングの内部で配置されてもよい。ハウジングは本発明のシステムの配置に適した任意の形状であってもよいが、所定の実施形態において、ハウジングは円形であり、本明細書で説明した円形回路基板の直径に適合する。優位点として、本発明の本システム、例えば電力システム又はデータ記録及び／又は報告システムはハウジング内に配置され、同じ目的で使用される既存システムと比較して、ツールストリングにおける貴重な空間のより少量を使用する。そのような追加の空間効率は、ＭＳＩＤを備える回路及びアーキテクチャで達成される、より高い電力及び／又は信号密度から導出される。ハウジングの減少した内径は、ハウジング材料の十分な厚さを保持ながら、ハウジングの外径を低減させる能力を提供する。動作可能な回路のそのようなサイズ削減は、大きな進歩性を有する回路設計を伴うものであった。しかしながら、本明細書では以下に、保守及び製造の容易さのためのハウジングのモジュール式の態様を増大させる、ハウジングの改良に係る追加の実施形態を示す。

図１０及び図３９に示すように、本明細書に開示されたハウジングは、坑井内環境で使用される、頑健なモジュール式の装置及びシステムを提供する。図１０Ａ及び１０Ｂは、本明細書に開示した所定の実施形態による例示的な装置を示し、ここでは、ＨＴＲＥＳモジュール４０１は、図３９に示すＭＳＩＤ３９０と同様のＭＳＩＤ４０２へＭＤＭ（例えばマイクロＤ）コネクタを介して接続されている。図１０Ａは、ＭＳＩＤモジュール４０２及びＨＴＲＥＳモジュール４０１を備える、本明細書に開示される完全に組み立てられたモジュール式電力システム４００を示す。図１０Ｂは、別個のＨＴＲＥＳモジュール４０１を示し、これは、ウルトラキャパシタストリング（例えば、最大で１００個までのウルトラキャパシタセルを備える）と、マルチピンコネクタ４０３を介して相互接続するＭＳＩＤモジュール４０２とを示し、マルチピンコネクタ４０３はＭＤＭ型のコネクタ（例えばマイクロＤ）であってもよい。このように、様々なシステム回路を備えるＭＳＩＤモジュール４０２は、ＨＴＲＥＳモジュール４０１と通信し、制御し、モニタリングし、またＨＴＲＥＳモジュール４０１から電力を転送することができる。

ｂ．ＭＳＩＤシステム回路

所定の実施形態において、本明細書に開示された装置及びシステムは、電力システムの構成要素として構成されたＭＳＩＤを備える。一例において、ＭＳＩＤは様々な回路を備えてもよい。非限定的な例示は、接続回路、少なくとも１つのセンサ回路、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、切り換え回路、充電状態回路、及び電子管理システム回路を含む。

１つの実施形態において、ＭＳＩＤは、接続回路、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、切り換え回路、充電状態回路、及び電子管理システム回路を備える。

１つの実施形態において、ＭＳＩＤはモジュール式回路基板をさらに備える。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形である。別の実施形態において、モジュール式回路基板はスタックされている。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形であり、かつスタックされている。

所定の実施形態において、電源は、ワイヤーライン電源、バッテリー、又は発電機の少なくとも１つを備える。

所定の実施形態において、電源は少なくとも１つのバッテリーを備える。この実施形態において、ＭＳＩＤは、特に電源がバッテリー以上のものを備える場合、クロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態では、ＭＳＩＤは充電状態回路基板をさらに備える。

所定の実施形態において、電源はワイヤーラインと、少なくとも１つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。この実施形態において、ＭＳＩＤは、クロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態では、ＭＳＩＤは充電状態回路をさらに備える。

所定の実施形態において、電源は発電機を備える。

所定の実施形態において、電源は、発電機と、少なくとも１つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。この実施形態において、ＭＳＩＤは、クロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態では、ＭＳＩＤは、充電状態回路をさらに備える。

所定の実施形態において、多機能の回路基板を提供するために、複数の回路基板が組み合わせられてもよい。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは電力変換器を備える。別の実施形態において、上記電力変換器はスイッチドモード電力変換器である。いくつかの実施形態において、上記電力変換器はフィードバック制御によって調整される。電力変換器の例は、インダクタに基づく変換器を含み、例えば、降圧型（バック型）、昇圧型、降昇圧型、ｃｕｋ型、フォワード型、フライバック型、又は変形物などを含むとともに、スイッチドキャパシタ型などのインダクタレス型変換器を含む。

スイッチドモード電力変換の使用によって、本発明の電力システムは、概して、６０％を超える効率、例えば７０％を超え、例えば８０％を超え、例えば９０％を超え、例えば９５％を超える効率を達成する。

調整された電力変換器の使用によって、本発明の電力システムは、電圧、電流、及び／又は電力の調整された態様を行う。電力変換器の使用によって、本発明の電力システムは、電力、電圧、及び／又は電流の変換を行う。

ｉ．ウルトラキャパシタ充電器回路（ＵＣＣ）

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは電力変換器を備える。別の実施形態において、電力変換器はウルトラキャパシタ充電器回路（ultracapacitor charger circuit：「ＵＣＣ」）である。ＵＣＣの機能は、ＨＴＲＥＳ、例えば１〜１００個のウルトラキャパシタセルを備えるウルトラキャパシタストリングの充電及び放電を制御することにある。ＵＣＣは、例えば摂氏７５度を超える高温動作、例えば摂氏１２５度を越え、例えば摂氏１５０度を越える高温動作と、調整可能な充電電流制御と、キャパシタバンクのための電圧保護の冗長性と、広い入力／出力電圧範囲とを特徴とする。所定の実施形態において、ＵＣＣは、当該技術分野で既知である、負荷遷移中の出力電圧において右半平面（ＲＨＰ）がゼロであることの影響を緩和するために、電流モード調整を用いる集積回路（「ＩＣ」）を有するコントローラを備える。この点で、ＵＣＣは最適範囲の動作を提供し、これにより、変換器は、校正されたデューティ比で充電して全体的な損失を最小化し、例えば、バス電圧は最適化されている。

所定の実施形態において、ＵＣＣはスイッチモード電力変換を使用し、ここで、少ないウルトラキャパシタ充電のとき、ＩＣはより効率的な、すなわち損失が少ない電流モード制御を使用し、続いて、ウルトラキャパシタ電荷貯蔵がより大きなレベルになったとき電圧制御モードに切り換え、そのような切り換えにより、結果としてウルトラキャパシタのより効率的な充電をもたらす。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、例えば、エネルギー源から連続的かつ定常的な電流を引き出すことが望ましいか、又は特定のパルスプロファイルが最良である用途では、入力電流の波形整形を行う。特定の実施形態では、そのような電流の波形整形は、カソードのフリーズオーバー（freezeover）の影響又は不動態化の影響のような、バッテリー中の望ましくない電気化学的影響を防ぐ。

所定の実施形態において、例えば、エネルギー源から連続的かつ定常的な電流が引き出されることが望ましい用途では、ＭＳＩＤは入力電流平滑化を行う。特定の実施形態では、そのような電流の平滑化は、直列抵抗において伝導損失を低減させる。

ＵＣＣが定電圧モードで動作している所定の実施形態において、ＵＣＣは、キャパシタストリング切断の場合に定電圧を供給することができる。例えば、ＵＣＣは、より低いレベルで、負荷への電力源として動作し続けることができる。

１つの実施形態において、ＵＣＣコントローラはディジタル的に実装される。そのようなシステムの利点は、構成要素の削減及びプログラム可能性を含む。所定の実施形態において、スイッチネットワークの制御は、マイクロコントローラ／マイクロプロセッサによって行われる。

１つの実施形態において、調整可能な電流は、コントローラＩＣがディジタル的に通信しないとき、コントローラＩＣが解釈するアナログ電圧を生成する監視装置及び低域通過フィルタによって生成されたパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号により、ディジタル的に確立されてもよい。コントローラＩＣは、出力電流、例えばウルトラキャパシタ充電電流を調整するように構成される。充電電流の制御を通じて、ＵＣＣは、例えば、ＩＣのオンオフ制御によって電圧が電圧バンド内に維持されるヒステリシス制御によって、ウルトラキャパシタにおける電圧を調整することができる。

ＵＣＣは所定の実施形態において、ディジタル制御されてもよい。別の実施形態において、ＵＣＣは電子回路管理システム（ＥＭＳ）によってディジタル制御されている。別の実施形態において、ＵＣＣは、エネルギーを節約するためにスリープモードに入ることができ、この態様はディジタル制御によって提供されてもよい。

ＵＣＣコントローラはアナログ方式で実装されてもよい。そのような構成において、フィードバック制御は、概して、演算増幅器、抵抗器、及びキャパシタのような構成要素を用いて実行されるだろう。有効であるものの、この構成の小さな欠点は、充電電流及び出力電圧を制御する柔軟性を本質的に欠いていることにある。

所定の実施形態において、ＵＣＣは、本明細書に開示されたシステム回路のうちの任意のもののような、接続回路、ＥＭＳ回路、クロスオーバー回路、及び／又は１つ又は複数のエネルギー源（バッテリー、発電機、又はワイヤーラインなど）に対してモジュール式バススタッカによって電気的に接続され、さらに、それらと通信するようにプログラミングされたコントローラＩＣを備える。ＵＣＣは、さらに、電圧サンプリングのための抵抗ネットワーク、ステップダウン電力セクション（例えばバック変換器）、ステップアップ電力セクション（例えば昇圧コンバータ）電流モード制御に必要なインダクタ電流検出抵抗、及び／又は充電電流を調整するために必要な充電電流検出抵抗
を備えてもよい。

所定の実施形態において、ウルトラキャパシタを充電するための電力変換器はヒステリシス制御される。例えば、充電電流は変換器及びフィードバック制御回路によって調整される。ウルトラキャパシタの電圧は、電力変換器又は監視装置などによって測定される。例えば、ウルトラキャパシタにおける電圧が所定のしきい値に達したとき、電力変換器はディセーブルされてもよい。代替として、電圧が所定のしきい値に達したとき、充電電流は低減されてもよい。このように、様々な利点が実現されてもよい。まず、電圧設定点及びヒステリシスバンドは、フィードバック制御回路の再設計、例えば安定性及び動力学に関してはさもないと必要になる可能性がある再設計なしで、ファームウェア又はソフトウェアにおいて、すなわちディジタル的に設定されてもよい。したがって、出力電圧は、ユーザ又はコントローラによって、例えば動作時に、容易に調節される。第２に、ウルトラキャパシタの充電効率の改善は、概して、充電電流を制限又は調整することによって行われ、また、多くの負荷が、適切に動作する範囲内に電圧があると期待するのに対して、充電電流を調整するためのフィードバック制御を有するコントローラは、負荷を適切に動作させる範囲内にあるように選択された電圧を生じさせるように使用されてもよい。

ｉｉ．クロスオーバー（ＸＯ）回路

所定の実施形態において、クロスオーバー回路は、複数の電源の使用を可能にするために、接続回路基板によって電気的に接続されて制御されるスタッカを介してモジュール式アーキテクチャへシームレスに追加することができる周辺回路基板である。ＵＣＣに加えて、クロスオーバー（cross over：「ＸＯ」）回路は自律的能力を所有する。

１つの実施形態において、クロスオーバー回路は、１つの電源からもう１つの電源に初期電源が消耗された後で切り換えるように、あらかじめプログラミングされていることが可能である。

もう１つの実施形態において、クロスオーバー回路は、２つの電源をともに並列化し、負荷に配送することができる電力を増大するか、又は、個々の、ほとんど消耗された電源がそれだけでは負荷を駆動するのに充分な電力を配送できない場合には、個々の電源のまさに最後の残るエネルギーを抽出する能力を有する。

クロスオーバー回路は、所定の実施形態において、電子回路管理システム（ＥＭＳ）によってディジタル制御されてもよく、エネルギーを節約するためにスリープモードに入ることができる。

クロスオーバー回路は監視装置を備えてもよく、所定の実施形態では、モジュール式バススタッカによって、回路の監視装置を介して、接続回路、ＥＭＳ回路、充電状態回路、及び／又は１つ又は複数エネルギー源（バッテリー、発電機、又はウルトラキャパシタストリングなど）に電気的に接続され、また、これらの回路と通信するようにプログラミングされる。クロスオーバー回路はさらに、電流検出抵抗；電圧サンプリングのための抵抗ネットワーク；充電状態測定のための電流検出抵抗；バス電圧が一次電源にブートストラップされることを可能にする一方向性の一次切断であって、ブートストラップ動作中の消散を低減するためのｐ−チャネルＭＯＳＦＥＴと並列な低順方向電圧のダイオードを介して最初に電力は処理され、いったん電圧がバスで確立されると、抵抗−ダイオードネットワーク及びｎ−チャネルＭＯＳＦＥＴによってオンされてもよくなる（ｐ−チャネルＭＯＳＦＥＴがエンハンスされる）一次切断；二次電源からバスへの電力を処理する双方向性の二次切断であって、一次切断とは異なり、二次電源をバスから完全に切断することができる二次切断；ｐ−チャネルＭＯＳＦＥＴのゲートにバイアスをかけるための抵抗−ダイオードネットワークであって、低電圧切断動作（分圧抵抗）と、高電圧切断動作（ゲート電圧を安全な動作電圧へクランプするダイオード）とを可能にするようなサイズを有するネットワーク；及び／又は、制御信号が存在しないときにｎ−チャネルＭＯＳＦＥＴがオフされることを保証する出血抵抗を備えてもよい。

ｉｉｉ．充電状態（ＳｏＣ）回路

所定の実施形態において、ＳｏＣ回路は、与えられたエネルギー源の残り及び／又は使用済の容量の推定値を供給するように動作する。この回路は測定された電流、温度、電流プロファイルの時間領域の形状を組み合わせることができ、また、与えられたエネルギー源の残りランタイムを決定するためのモデルを生成することができる。

電流の測定は、エネルギー源、特にバッテリーのサービス時間の決定において重要なファクターである。そのため、所定の実施形態において、電流はトランスコンダクタンス増幅器として動作する既製のＩＣを用いて測定されてもよい。所定の実施形態において、電流はホール効果センサ／磁力計、誘導のセンサ、磁気センサ、又はハイサイドもしくはローサイドの電流検出抵抗を用いて測定されてもよい。

温度は測温抵抗体（ＲＴＤ）、大きな温度係数を有する抵抗、温度依存の抵抗を用いて測定されてもよい。抵抗は、マイクロコントローラの出力ピンに接続された分圧抵抗を用いることで読み取られる。測定が行われるとき、分圧抵抗は５Ｖまで引き上げられる。分圧抵抗をオン及びオフすることは、電力を節約し、抵抗における自己発熱を低減させる。温度を測定する他の方法は、バイメタル接合（すなわち熱電対）、又は既知の温度係数トランジスタに基づく回路を有する他の装置、又は赤外線検出装置を使用することを含む。

これらの測定値は、与えられたエネルギー源の所定時間にわたる挙動について記述する与えられたモデルへの入力として使用することができる。例えば、バッテリー電流における大きな変動は、リチウム塩化チオニルバッテリーの定格容量を低減することが示された。このバッテリー化学について、電流プロファイルについての知識は、バッテリーの残り容量を決定する際に有用だろう。

充電状態回路は監視装置を備えてもよく、所定の実施形態では、モジュール式バススタッカによって、回路の監視装置を介して、接続回路、ＥＭＳ回路、クロスオーバー回路、及び／又は１つ又は複数エネルギー源（バッテリー又はウルトラキャパシタストリングなど）に電気的に接続され、また、これらの回路と通信するようにプログラミングされる。充電状態回路は、さらに、プルアップ抵抗；監視装置及び他のディジタル電子回路のための適切な電圧を確立するために使用される電圧レギュレータ；電流検出回路；一方向性負荷切断であって、ｐ−チャネルＭＯＳＦＥＴはプルダウンｎ−チャネルＭＯＳＦＥＴへの制御信号を介してエンハンスされ、分圧抵抗比は低い電圧レベルでｐ−チャネルＭＯＳＦＥＴに適切なバイアスをかけさせるように選択され、一方、ツェナーダイオードはＭＯＳＦＥＴにわたる最大ソース−ゲート電圧をクランプするように動作するもの；及び／又は、及び／又は、アナログ電圧を読み取りのために必要な分圧抵抗ネットワーク及びＡＤＣバッファキャップで実装された外部通信バスを備えてもよい。

ｉｖ．ウルトラキャパシタ管理システム（ＵＭＳ）回路

所定の実施形態において、ＭＳＩＤはウルトラキャパシタ管理システム（ultracapacitor management system：ＵＭＳ）回路を備える。ウルトラキャパシタ管理システム回路は、動作の全体にわたって個々のセル健全性を保持する主目的を有する。ＵＭＳ回路は、個々のセル電圧を測定してもよく、又は、ストリング及びそれらの充電／放電レート内のセルの部分集合の電圧を測定してもよい。ＵＭＳ回路監視装置は、最適化アルゴリズム及びデータログに含められる、電子回路管理システム（ＥＭＳ）回路に伝達されてもよいセル健全性を決定するために、これらのパラメータを使用する。

さらに、所定の実施形態において、ＵＭＳ回路はセルのバランス処理及びバイパス処理を担当する。セルのバランス処理は、ウルトラキャパシタが動作中に過充電されたり損傷を受けたりすることを防ぐ。セルのバイパス処理は、個々のセルのまわりで充電及び放電電流を迂回させる。従って、セルのバイパス処理は、セルが激しい損傷を受けたり、又は異常に高い等価直列抵抗（ＥＳＲ）を示している場合に、効率的な動作を保つために使用される。

ＵＭＳ回路は、頻繁なセル電圧測定と、充電電流についてＥＭＳと通信することとにより、個々のセル健全性を決定できる。セル健全性情報は、モジュール式通信バス上で、例えばモジュール式バススタッカを介して、ＥＭＳ回路に中継されてもよい。その後、セル健全性情報は、システムの挙動を変更するために、ＥＭＳ回路によって使用することができる。例えば、ＥＭＳ回路が、高い出力キャパシタ電圧に調整することにより、負荷への大きな出力電力をサポートしている場合を考える。しかしながら、１つ又は複数のウルトラキャパシタが損傷を受けたことをＵＭＳ回路が報告した場合、ＥＭＳは、それらのウルトラキャパシタをより低い出力電圧へ調整することを選択することができる。より低い出力電圧は出力電力能力を低下させるが、ウルトラキャパシタの健全性を保つことを支援する。

そのため、１つの実施形態において、ＵＭＳ回路は、それぞれの、及びウルトラキャパシタストリングセルの健全性をモニタリングしながら、セル電圧レベルを独立に制御するための便利な方法を提供する。

所定の実施形態において、図３３に示すように、ＵＭＳ回路の監視装置は、内部回路通信バスを介してＵＭＳコアに通信してもよい。この例において、データ及びコマンド信号は、ＵＭＳコア及び監視装置の間で内部通信バスを介して転送される。監視装置は、各ウルトラキャパシタセルの電圧を測定するようにＵＭＳコアを制御する。各ウルトラキャパシタセルは、複数のウルトラキャパシタセルのバンクであってもよい。充電状態に依存して、監視装置は、各セルのバランスを保つコマンドをＵＭＳコアに送る。特定の実施形態では、セル健全性を最適化し、かつ、バランス処理の間に発生してもよい熱上昇を最小化するように、バランス時間及び周波数が監視装置を介して制御される。セル健全性は、監視装置によってモニタリングされ、監視装置によってモジュール式バスを介してＥＭＳ回路に伝達されてもよい。さらに、所定の実施形態において、外部装置、例えばＭＯＳＦＥＴを使用することにより、監視装置は、与えられたセルをバイパスすると決定することができる。

ＵＭＳコアは、個々のセルの電圧の測定を可能にする回路を有する。さらに、ＵＭＳコアは、セル電圧を低減するために、個々のセルから電荷を除去することができる。１つの実施形態において、ＵＭＳコアは、抵抗のような受動素子を介して過剰なエネルギーを消散させることで、個々のセルのバランスを保つ。もう１つの実施形態において、電荷を、高電圧を有する１つのセルから除去し、低電圧を有する他のセルへ転送することができる。充電の転送は、過剰な電荷を貯蔵してリリースするための外部のキャパシタ又はインダクタの使用を通じて達成することができる。

所定の実施形態において、セルのバランス処理及びモニタリングが連続的に、すなわち常に行われる必要はないので、ＵＭＳ回路は小電力のスリープ状態に入ってもよい。例えば、ＥＭＳ回路は、モジュール式通信バスを介してＵＭＳ回路を以下のように制御してもよい。（１）使用中でないとき、ＵＭＳ回路が動作の小電力消費モードに進むことができ、（２）呼び出されたとき、ＥＭＳ回路はＵＭＳ監視装置を介してセルモニタリング及びバランス処理を開始することができる。

所定の実施形態において、モジュール式バスは、通信バス上における、ＵＭＳ回路監視装置、ＥＭＳ回路、及び他の監視装置ノードの間の双方向通信を可能にする。図３３に示すように、ＵＭＳ回路監視装置への電力は、モジュール式バスを介して供給されてもよい。

所定の用途において、回路のバランスを保つことは、セル電圧が設定電圧を超過するとき、自動的にセルのバランスを保ってもよい。この挙動は、ウルトラキャパシタストリング電圧へのリアルタイム調整を行う能力を提供する。ＵＭＳ回路は、モジュール式バス上で通信し、これにより、セルバランス動作をリアルタイムで更新することを可能にするように構成されてもよい。さらに、モジュール式バス上の通信は、ＵＭＳ回路の外部にデータを格納することを可能にする。このモジュール性により、ＵＭＳ回路は広範囲の用途を有することが可能になる。

所定の実施形態において、監視装置及びモジュール式バスは、ＵＭＳ回路への大規模な修正を必要とせずに、記録分解能及び寿命のような、ウルトラキャパシタ及びシステムの要件を変化させることを可能にする。

所定の実施形態において、セル健全性情報は、ＵＭＳ回路上にローカルに格納するか、又は、モジュール式バスを介して送信した後でＥＭＳによって格納することができる。セル情報は、ウルトラキャパシタのバンクが使用後に交代される必要があるか否か、又は、サービスが個々のセルにサービスが必要であるか否かを決定する際に有用になりうる。

所定の実施形態において、セルが高電圧を経験するとき、ＵＭＳ回路は、そのセルをより低い電圧に放電することができる。セルをより低い電圧へ放電することによって、セルの寿命は改善される。ストリング全体にわたってバランスのとれたセル電圧を保つことにより、キャパシタストリングの寿命を改善して最適化する。

ある場合には、セルを放電することは、周囲の電子回路を破損する可能性がある過剰な熱を生成する。さらに、多くの場合、セルの損傷又は過剰な熱損失を防ぐために、セルからの放電電流を制御することが有利である。そのため、所定の実施形態において、ＵＭＳ回路は、広く分離された回路面積にわたって放電電流を分配することにより、放電電流プロファイルを制御することができ、これにより、改善された熱管理及びセル健全性を可能にする。例えば、放電イベントによって生じた熱は、多くの場合、ＵＭＳ回路の１つのセクションに局所化される。複数セルのバランスを保つ必要がある場合、温度上昇を低減するために、ＵＭＳ回路における隣接した場所において温度上昇を引き起こすセルのバランスを保たないことが有利である。従って、ＵＭＳ回路は、ＵＭＳ回路におけるそれらの空間的場所に基づいて、どのセルのバランスを保つかを選択することで、温度上昇を管理する。これらの機能は監視装置によって管理されてもよく、さらに、ＥＭＳ及び／又は上述のものの組み合わせによって管理されてもよい。

所定の実施形態において、ＵＭＳ回路は、放電時間を制御することで、バランスを保っているときの温度上昇を管理する。例えば、所望のセル電圧に達するまでウルトラキャパシタを常に放電することに代わって、監視装置は、周期的に充電を開始及び停止することを選択する。放電イベント間のデューティサイクルを増大することによって、セル放電電流によって引き起こされた温度上昇を緩和することができる。

所定の実施形態において、損傷を受けたセルは周囲のセルに比較して、減少した容量を示す可能性がある。この場合、セルはより高い充電及び放電レートを示すだろう。正常なバランス動作は、この場合にセルへのいかなる損傷も緩和するだろう。同様に、所定の実施形態において、セルは増大した漏れ電流を示す可能性があり、これにより、セル電圧は常に低下し続ける。あるセルにおける減少した電圧は、他のセルがより高い平均電圧を保持することを必要とするだろう。再び、正常なバランス動作は、この場合にセルへの損傷を緩和するだろう。

所定の実施形態において、セルは、それが非常に高いＥＳＲを示し、キャパシタストリング全体の電力取り扱いを劣化させるという点で、損傷を受ける可能性がある。これらの場合において、典型的なバランス動作は課題を解決しないだろう。この重大時には、ＵＭＳ回路は、与えられた任意のセルをバイパスすることを選択できる。セルをバイパスすることは、充電及び放電電流をバイパスする外部ダイオードのような非線形デバイスを介して達成されてもよく、これにより、他のすべてのセルは、より高い平均電圧を貯蔵しなければならなくなる。しかしながら、ストリングの電力取り扱い能力が保持される。

直列又は並列直列で接続された複数のバッテリー及び／又はウルトラキャパシタが存在する所定の実施形態において、個々のセルの充電状態をモニタリングし、バランスを保つことの両方が重要である。ＵＭＳ回路は、効率、システム健全性、及び熱管理を改善するための追加の機能を含む一方、ウルトラキャパシタのストリングをモニタリングしてバランスを保つために必要な回路を備える。

所定の実施形態におけるＵＭＳ回路は監視装置を備え、モジュール式バススタッカによって、接続回路、ＥＭＳ回路、充電状態回路、クロスオーバー回路、又はＭＳＩＤにおける他の回路、及び／又は１つ又は複数のエネルギー源（バッテリー、ワイヤーライン又は発電機など）と電気的に接続され、また、これらと通信するようにプログラミングされている。ＵＭＳ回路は、ＵＭＳの機能を行うための集積回路（「ＩＣ」）又はコントローラと、トランジスタ又はダイオードのようなスイッチ装置と、及び様々な付属構成要素とを備えてもよい。ＩＣは既製のモノリシック制御ＩＣから選択されてもよい。

ｖ．電子回路管理システム（ＥＭＳ）回路

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは電子回路管理システム（Electronics Management System：「ＥＭＳ」）回路を備える。ＥＭＳ回路は、以下のものの１つ又は複数が可能である多機能装置である：システム性能及び環境条件のデータを収集して記録すること；他の回路を管理すること；及び、プログラミング及びデータ伝送のために外部システムに通信すること。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路ハードウェアは周囲のハードウェアにタイトに統合され、これにより、システム全体の挙動の制御及びモニタリングを可能にする。ハードウェアは、インテリジェントにシステム性能を最適化するために、外界センサを用いて、また、マイクロプロセッサ間の通信を用いて、他の複数のマイクロコントローラの動作を管理するインテリジェントなファームウェアによって補われてもよい。その効果は、極めて用途が広く有能なシステムであって、環境及び要件における変化にリアルタイムで適合することができるものである。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路は、システム性能及び環境条件のデータを収集して記録する。ＥＭＳ回路は、例えばＥＭＳ回路監視装置を介して、外界センサから直接に、及び他の回路からモジュール式バス上の通信を通じて、センサデータを記録することを担当する。このデータは、システム性能を最適化のために評価することに使用されてもよい。概して、著しいイベントは後の評価のために記録されてもよい。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路は、最適なシステム性能のために周囲の回路を管理する。例えば、ＥＭＳ回路はＵＣＣ充電電流を制御してもよい。充電電流は、センサによって、及び回路との通信によって、システム全体にわたって集められたデータに基づいて選択されてもよい。ＥＭＳ回路は、可能な場合に電力を節約するために、様々な回路構成要素を小電力のスリープ状態に入れることができる。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路は、プログラミング及び／又はデータ伝送のために外部システムに通信する。ＥＭＳ回路における外部通信バスは、外部のハードウェア及びソフトウェアへの通信を可能にする。この接続は、システムに配置されている間にＥＭＳ回路を再プログラミングすることを可能にする。その後、ＥＭＳは他の監視装置を再プログラミングするか、又は、他の監視装置をそれらの動作について指示し、これにより、システム全体を有効に再プログラミングすることができる。内部メモリから外部ソフトウェアにデータログを送信するために、外部通信バスが使用される。このように、データは、動作中に収集され、動作後に外部機器、例えば外部ＰＣにより分析されることが可能である。

１つの実施形態において、電子回路管理システム（ＥＭＳ）回路は、利用可能な監視装置及びセンサから情報を収集し、それに依存してシステム挙動を制御するように動作する。ＥＭＳは、ＰＣソフトウェア又はファームウェアプログラマのような、外部電子回路へのインターフェースを提供する。外部通信バスを介して、ＥＭＳ回路コア、例えばＥＭＳ回路監視装置をプログラミングし、従って、ＥＭＳ回路に接続された他のすべての監視装置をプログラミングすることが可能である。

図３４に示すＥＭＳ回路コアは、１つ又は複数のディジタル回路、例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）装置）から構成されてもよい。所定の実施形態において、ＥＭＳ回路コアは、図３４に示すように、ウルトラキャパシタストリングを外部負荷に接続又は切断させる負荷接続／切断回路に接続されている。所定の実施形態において、図３４に示すように、ＥＭＳ回路コアは、様々なセンサアレイに接続されていてもよい。例えば、キャパシタストリング電圧が特定の負荷にとって低すぎるか高すぎる場合、キャパシタストリングは負荷から切断されてもよい。正常なランタイム動作中に、負荷は、負荷ドライバ回路を介してウルトラキャパシタに接続されている。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路は、他の監視装置とのインターフェースをもたない追加のセンサに接続されている。これらのセンサは、温度センサ、負荷電流センサ、入力バッテリー電流センサ、入力電圧センサ、及びキャパシタストリング電圧センサから成るグループの１つ又は複数を含んでもよい。

モジュール式バスを介して、ＥＭＳ回路は、例えば図３４に示すようにモジュール式バスを介して、他の回路に接続されてもよい。通信バスは、データ線、クロック線、及びイネーブル線を備えてもよい。いくつかの実施形態において、図３４に示すように、監視装置は、データ線、クロック線、及びイネーブル線へのインターフェースを有する。さらに、各監視装置は識別アドレスで規定されることが可能である。

１つの実施形態において、図３４に示す内部通信バス上で通信するために、ＥＭＳ回路は、図３５に示すアルゴリズムを実行する。図３５に示すように、ＥＭＳ回路は、イネーブルラインを起動し、ターゲットの監視装置の識別アドレスをデータ及びクロックライン上で送信し、その後で、所望のデータコマンド命令を送信する。イネーブルラインが起動されたのを監視装置が検出したとき、各監視装置はその規定された識別アドレスをリッスンする。監視装置は、その識別アドレスを読み取ったとき、ＥＭＳ回路メッセージをリッスンし続け、それに従って応答する。このように、通信は、ＥＭＳ回路監視装置及びすべての他の監視装置との間で達成される。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路は、ＵＣＣ充電電流を制御するために、ＵＣＣとのインターフェースをとる。充電電流は、出力ウルトラキャパシタ電圧を調整するように制御される。電子回路、ウルトラキャパシタ、及び入力バッテリースタックの安全かつ効率的な動作を保証するために、フィードバック制御及び／又はヒューリスティックな技術が
使用される。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路は、バッテリー接続状態を記録し、かつ潜在的に制御するために、クロスオーバー回路とインターフェースをとる。クロスオーバー回路及びクロスオーバーイベントの状態は、ＥＭＳ及び内部／外部メモリを介して記録されてもよい。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路は、セル健全性及び／又は放電イベントをモニタリングして記録するために、ＵＭＳ回路とのインターフェースをとる。

所定の実施形態において、ＥＭＳ回路は、電力消費量を減少させてランタイム挙動を最適化するために、監視装置を小電力状態にすることができる。

本明細書で説明するように、ＥＭＳ回路は、種々様々のセンサへのとの間の通信を可能にする固有のハードウェア構造を有し、これにより、概して、１つ又は複数の性能パラメータ、例えば、効率、電力出力、バッテリー寿命、又はキャパシタ寿命を最適化するように作用するさまざまな利点をもたらす。

所定の実施形態におけるＥＭＳ回路は監視装置を備え、モジュール式バススタッカによって、回路の監視装置を介して、接続回路、ＵＭＳ回路、充電状態回路、クロスオーバー回路、及び／又は１つ又は複数エネルギー源（バッテリー又はウルトラキャパシタストリングなど）と電気的に接続され、また、これらと通信するようにプログラミングされる。ＥＭＳ回路は、少なくとも１つのディジタルコントローラ、例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又はＦＰＧＡ、及び様々な付属の構成要素を備えてもよい。

ｖｉ．負荷ドライバ回路

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは負荷ドライバ回路を備えてもよい。

電力システムが比較的に高エネルギーの用途（例えば、長い時間期間にわたってソレノイドもしくはモータに基づく泥パルサー、ＥＭ送信機、又はモータドライブを駆動すること）に電力を供給する可能性がある本発明の実施形態では、ＭＳＩＤは負荷ドライバ回路を備えてもよい。負荷ドライバ回路は、所定の実施形態では、ある態様の調節、例えば、他の広く変動する電圧態様にもかかわらず電力システムの出力の電圧調節を行ってもよい電力変換器として動作する。例えば、電源が断続的な場合、例えば数分にわたって電力を提供し、次に数分にわたって電力供給を止める場合、電力システムは、電源が電力を供給していない期間中に負荷へ電力を供給するように要求される可能性がある。この例示において、ＨＴＲＥＳは、電源が電力を供給していない期間に、電力の供給のために蓄積エネルギーを提供してもよい。ＨＴＲＥＳがキャパシタ、例えばウルトラキャパシタである場合、上記ＨＴＲＥＳの限られたエネルギー容量は、電力システムが負荷へ電力を供給しているが電源が電力を供給していない期間に、上記ＨＴＲＥＳの広い電圧変動をもたらす可能性がある。負荷ドライバは、この例では、広く変動するＨＴＲＥＳ電圧にもかかわらず調節された負荷電圧のために提供するために使用されてもよい。負荷ドライバは電力変換器として機能してもよく、これにより、それは上記ＨＴＲＥＳから引き出されて上記負荷に送られる電力を処理し、さらに、それは上記調節の態様、すなわち調整された電力変換器であって、この例では、出力電圧について調節された電力変換器を組み込んでいる。概して、調節の態様は、当該技術において既知のフィードバック調節技術によって可能にされる。

所定の実施形態において、負荷ドライバ回路の中心にあるコントローラ集積回路（ＩＣ）は、モジュール式バススタッカによってＭＳＩＤの残りと電気的に接続され、またＭＳＩＤの残りと通信するようにプログラミングされた。例えば、ある実施形態では、ＭＳＩＤの残りはさまざまな回路を備えてもよい。非限定的な例示は、接続回路、少なくとも１つのセンサ回路、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、切り換え回路、充電状態回路、及び電子管理システム回路を含む。

１つの実施形態において、ＭＳＩＤはモジュール式回路基板をさらに備える。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形である。別の実施形態において、モジュール式回路基板はスタックされている。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形であり、かつスタックされている。

ある実施形態では、電源は、ワイヤーライン電源、バッテリー、及び発電機のうちの少なくとも１つを備える。

所定の実施形態において、電源は少なくとも１つのバッテリーを備える。この実施形態中で、ＭＳＩＤは、特に電源がバッテリー以外のものも備える場合、クロスオーバー回路をさらに備える。特定の実施形態において、ＭＳＩＤは充電状態回路基板をさらに備える。

所定の実施形態において、電源は、ワイヤーラインと、少なくとも１つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。この実施形態において、ＭＳＩＤはクロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態において、ＭＳＩＤは充電状態回路をさらに備える。

所定の実施形態において、電源は発電機を備える。

所定の実施形態において、電源は、発電機と、少なくとも１つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。この実施形態において、ＭＳＩＤはクロスオーバー回路をさらに備えてもよい。所定の実施形態において、ＭＳＩＤは充電状態回路をさらに備える。

所定の実施形態において、回路基板は多機能の回路基板を提供するために組み合わされてもよい。

負荷ドライバ回路は高温で動作することを特徴とし、例えば摂氏７５度より高い温度、例えば摂氏１２５度より高い温度、例えば摂氏１５０度より高い温度で動作する。また、負荷ドライバ回路は、調節可能な充電電流制御、キャパシタバンクのための余分な電圧保護、及び広い入力／出力電圧範囲、及び電圧モード調節のうちの任意のものを備えてもよい。

所定の実施形態において、負荷ドライバはキャパシタ、例えばウルトラキャパシタを充電する。これらの実施形態において、調整可能な電流は、コントローラＩＣがディジタル的に通信しないときにコントローラＩＣが解釈するアナログ電圧を生成するために監視装置及び低域通過フィルタによって作成されたパルス幅変調（ＰＷＭ）された制御信号でディジタル的に確立されてもよい。コントローラＩＣは出力電流、例えばウルトラキャパシタ充電電流を調整するように構成される。充電電流の制御を通じて、ＵＣＣは、ＩＣのオンオフ制御で電圧が所定の電圧バンド内に維持されるように、例えばヒステリシス制御により、ウルトラキャパシタ上の電圧を調整することができる。

負荷ドライバ回路は、所定の実施形態中で、ディジタル制御されてもよい。別の実施形態において、負荷ドライバ回路は電子回路管理システム（ＥＭＳ）によってディジタル制御されている。別の実施形態において、負荷ドライバ回路は、エネルギーを節約するためにスリープモードに入ることができる。また、この態様はディジタル制御によって設けられてもよい。

負荷ドライバコントローラはアナログ方法で実装することもできる。そのような構成において、フィードバック制御は、概して、演算増幅器、抵抗器及びキャパシタのような構成要素を用いて行われるだろう。有効ではあるものの、この構成の小さな欠点は、充電電流及び出力電圧を制御する柔軟性が本質的に欠けているということにある。

所定の実施形態において、負荷ドライバ回路の中心にあるコントローラ集積回路（ＩＣ）は、モジュール式バススタッカによって、接続回路、ＥＭＳ回路、クロスオーバー回路、及び／又は１つ又は複数エネルギー源（バッテリー、発電機又はワイヤーラインなど）と電気的に接続され、また、これらの構成要素と通信するようにプログラミングされる。負荷ドライバ回路は、さらに、電圧サンプリング用の抵抗器ネットワーク、ステップダウン電力セクション（例えばバックコンバータ）、ステップアップ電力セクション（例えば昇圧コンバータ）、電流モード制御に必要なインダクタ電流検出抵抗器、及び／又は、充電電流の調整に必要な充電電流検出抵抗器を備えてもよい。

１つの実施形態において、負荷ドライバ回路コントローラはディジタル的に実装される。そのようなシステムの利点は構成要素の削減及びプログラム可能性を含む。ある実施形態では、スイッチネットワークの制御は、マイクロコントローラ／マイクロプロセッサによって実行される。

ｖｉｉ．増幅器回路

高い電力レベルの処理は、多くの場合、非常に効率的な電力回路を必要とする。電力回路における非効率性は温度上昇をもたらし、これは、電子回路及びウルトラキャパシタを破損する場合がある。従って、大電力を処理するために、多くの場合、高効率電力回路が必要とされる。当該技術では、Ｄ級トポロジーが高効率動作のために設計されたものとして認識される。高効率は、出力トランジスタを完全にエンハンスド型で、又はオフ状態で実行することにより達成される。完全にエンハンスド型である場合、ＭＯＳＦＥＴは理想的には内部抵抗をもたない短絡とみなされてもよい。この状態では、出力トランジスタに大電流が流れるが電圧降下が生じることはなく、その結果、電力損失は生じない。それらのオフ状態では、ＭＯＳＦＥＴは理想的には高電圧においてすべての電流を阻止し、その結果、電力損失は生じない。本実施形態において、ＭＯＳＦＥＴは理想的なスイッチとは考えられず、むしろ、電力損失は、適切に選択されたスイッチング周波数及び低損失の構成要素を介して緩和される。上述したことは、本質的には、当該技術で認識されたスイッチモード動作に関連付けられた基本概念について説明している。スイッチモード動作が増幅器に適用される場合、それらの増幅器はしばしばＤ級増幅器と呼ばれる。

所定の実施形態において、Ｄ級増幅器は、既存の解決方法に比較して有意に高い電力能力を可能にする。特定の実施形態において、増幅器は、Ｄ級フルブリッジスイッチング増幅器構成、すなわちＤ級増幅器とも呼ばれる構成で接続された６つの主な構成要素を備える：（１）高電圧キャパシタレール；（２）変調器；（３）複数のデバイスドライバ；（４）スイッチングセクション；（５）複数の信号低域通過フィルタ；及び、（６）負荷インピーダンス。

１．高電圧キャパシタレール

高電圧キャパシタレールは出力トランジスタに正のレール電圧を供給する。負荷へ有意な電力を配送するために、高電圧キャパシタレールが低いインピーダンスを維持して、重い負荷の下での電力損失を最小化することは重要である。

２．変調器

変調器は、負荷に供給される信号を変調する機能を有する。変調器は、多数の方法で機能することが可能である。変調器は、多数の量、例えば、電力、電圧、電流、周波数、及び位相を変調してもよい。

負荷に提供される電圧の振幅を変調する例示的な開ループ方法は、時間的に変動する基準入力として時間的に変動するアナログ信号をパルス幅変調器回路へ供給することを含む。この場合、例えば、コンパレータは２つの入力を有し、一方は前記基準であり、他方は所望のスイッチング段スイッチング周波数で発振している三角波信号であり、パルス幅変調器回路はパルス幅変調されたゲートドライバ制御信号を供給する。パルス幅変調器回路へ入力される基準電圧を時間的に変動することによって、ゲートドライバ制御信号のデューティ比も変動され、次いで、上記制御信号のデューティサイクルは、負荷にもたらされた瞬間電圧を制御することができる。

負荷に提供される電圧の振幅を変調する例示的な閉ループ方法は、時間的に変動する基準入力として時間的に変動するアナログ信号をフィードバック制御回路に供給することを含む。ここで、フィードバック制御回路は、当該技術において既知の様々な方法で、負荷に提供された電圧を調整するように構成される。概して、フィードバック回路は、フィードバック信号の測定態様、誤差増幅器、動的な補償器、パルス幅変調器、ゲートドライバを備える。ゲートドライバはデッドタイム回路を備えてもよい。動的な補償器は、概して、閉ループ安定性及び閉ループ動力学の組み合わせを達成するように設計されている。

３．デバイスドライバ

デバイスドライバは、概して、電流又は電圧増幅、電圧レベルシフト、装置保護を行い、一部の場合には、適切にトランジスタ入力を駆動するためにデッドタイム発生を行う。概して、デバイスドライバは、低レベルの制御信号を、装置を制御するのに適切な信号に変換する。例示的な装置は、バイポーラ接合トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、スーパー接合トランジスタ又はＭＯＳＦＥＴ、シリコン制御型整流器、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどを含む。ゲートドライバは、ディスクリート実装として、又は既製品又はモノリシック集積回路として設けられてもよい。

４．スイッチングセクション

スイッチングセクションは、概して、出力トランジスタスイッチを備え、入力電力を処理して、変換された電力を負荷へ提供する。例示のスイッチングセクションは、与えられた任意の時間においてトランジスタのうちの２つがオンになるように、フルブリッジ構成で構成される。一方の状態で、２つのトランジスタがオンになり、負荷を介して一方向に電流を流れさせる。他方の状態で、他の２つのトランジスタがオンになり、負荷を介して反対方向に電流を流れさせる。

５．フィルタリング

各トランジスタは、基準信号の帯域幅よりずっと高い周波数でスイッチングされる。負荷にわたって基準信号の増幅されたバージョンを正確に再生成するために、低域通過フィルタを使用して高周波スイッチング信号をフィルタリングにより除去し、理想的には、負荷を通して送られた低周波基準信号のみを残す。低域通過フィルタは、抵抗部品では生じるであろう損失を防ぐリアクティブ部品である。スイッチングセクション及び負荷の間でフィルタリングすることは、変調された信号中の所望の周波数を負荷へ送るはずである。一方で、フィルタリングは、不要な周波数成分を拒絶するために十分に帯域制限されるべきである。

６．負荷

この発明において、負荷インピーダンスは、テレメトリ信号が送信されている媒体を表す。負荷インピーダンスは、一般に、信号が空間を通ってどのように伝搬するかを決定する高次の挙動を含んでいる。しかしながら、単純なモデルは電力抵抗器によって表される。

スイッチング増幅器は出力信号中にスイッチングアーティファクトを導入する可能性があるが、所定の実施形態では、これらのアーティファクトは、適切に選択されたスイッチング周波数及び／又は良好に設計されたフィルタリングを使用することにより最小化される。特定の実施形態において、出力フィルタは、基準信号に含まれた情報を保ちながら、スイッチングアーティファクトを厳しく減衰させることで、信号完全性を保つ。出力フィルタは、非常に低抵抗の構成要素を有することにより最小の電力損失に寄与してもよい。

ｖｉｉｉ．センサレスモータ駆動回路

過酷な環境の用途において、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータはさまざまな用途で利用され、例えば、坑井内の掘削中の測定（ＭＷＤ）に使用される泥パルサーを動作させるために、すなわち泥パルステレメトリを行うために利用される。しかしながら、従来のＢＬＤＣモータは、多くの場合、回転子位置センサーを含み、これに依存している。回転子位置センサーの一般的な例はホール効果センサである。過酷な条件下では、すなわち、高温、大きな衝撃、及び大きな振動、例えば、摂氏７０度を超える温度、２Ｇｒｍｓ（すなわち２乗平均根加速度）を超える連続的な振動、及び２０Ｇを超える衝撃の条件下では、回転子位置センサー及び特にセンサ付きモータのホール効果センサは、信頼性の制限を有し、多くの場合、破損されるか故障する。これらの問題を扱うために、本発明は、３相ＢＬＤＣ（すなわち「Ｙ」）モータの電子的整流を用いて、センサレスブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータ及び改修されたセンサ付きＢＬＤＣ（例えば、動作するセンサ及び故障したセンサのいずれかを有するもの）のいずれかを動作させてもよい、センサレスＢＬＤＣモータドライブを提供する。ＢＬＤＣモータドライブは、逐次的整流アルゴリズムによりＢＬＤＣモータを動作させるように構成される。

本明細書で説明した電力システムに本明細書で開示したモータドライブを接続することは、多数の利点をもたらす可能性がある。例えば、モータドライブに接続された大電力用途用の電力システムは、泥パルサーをより激しく駆動するために使用されてもよい。より激しい泥パルサーは、より鋭い圧力パルスをもたらし、かつ、潜在的により高速な地表へのデータ転送速度をもたらす。例えば泥パルステレメトリを用いて、バッテリー寿命を保持しながら、かつ、信号完全性を損なうことなく、例えば最大で２倍のデータ転送速度をもたらす。

この構成は、坑井内ブラシレスＤＣモータドライブにおけるホール効果センサの使用又は必要性を除去する。ここで、本明細書で説明したＢＬＤＣモータドライブは、坑井内環境において信頼できるブラシレスＤＣモータを使用できるようにする。さらに、従来のセンサ付きＢＬＤＣモータに存在する少なくとも５本の必要なワイヤ（５Ｖ、ＧＮＤ、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）を除去することができ、それによって、信頼性を向上させ、複雑さを低減させる。

本発明のもう１つの実施形態に係る電力システムは、電源からの電力をバッファリングするように適合した電力システムを提供する。この電力システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば、本明細書で説明するように空間効率的な向きで組織化されたウルトラキャパシタストリングと、
オプションの負荷ドライバ回路と、
センサレスブラシレスＤＣモータ駆動回路と、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、
本システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲中の動作に適合され、
負荷はブラシレスＤＣモータ、例えばセンサレスＢＬＤＣモータを備える。
所定の実施形態では、コントローラは本発明のＭＳＩＤである。

従って、もう一つの実施形態中で、本発明はセンサレスブラシレスＤＣモータシステムに関し、本システムは、
電源であるＨＴＲＥＳ、例えば、本明細書で説明するように空間効率的な向きで組織化され、１〜１００個のウルトラキャパシタセルを備えてもよいウルトラキャパシタストリングと、
オプションの負荷ドライバ回路と、
センサレスブラシレスＤＣモータ駆動回路と、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、
本システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲中の動作に適合され、
負荷はブラシレスＤＣモータを備える。
所定の実施形態では、コントローラは本発明のＭＳＩＤである。

さらに、所定の実施形態において、センサレスブラシレスＤＣモータドライブは、フィルタリングされたモータ端子電圧を受信し、かつ、整流制御信号を発生するために利用される出力を有するコンパレータを用いてペアごとにそれらを比較するように構成される。例えば、コンパレータの正の入力が負の入力未満になる場合、コンパレータの出力は負の電源レールまで飽和し、入力が交換される場合には正の電源レールまで飽和する。回転子位置の状態は、コンパレータの出力の状態から決定することができる。

センサレスブラシレスＤＣモータ、例えば３相モータは、回転子の位置に基づいてその各位相にエネルギーが付与されるように駆動されてもよい。電流が固定子コイルを通過するとき、磁極は右手親指の規則による極性で生成される。図３６に示すように、２つの位相に同時にエネルギーが付与されるとき、２つの位相に流れる電流は、電流源に関して互いに反対方向である。固定子コイルによって形成されたエネルギーが付与さられた極は回転子の極を引きつけ、また、回転子がそれらの極に接近しているとき、対応する固定子コイルへのエネルギーは遮断されてもよく、次のコイルのペアにエネルギーが付与されて回転子運動を生成する。回転子が回転するとき、アクティブではない位相の逆起電力によってコンパレータ出力はその状態を変化させ、これに応じて、コントローラは、ルックアップテーブルにおける現在の状態に一致し、そして、次の状態に移行する。

所定の実施形態中で、モータドライブの電源が入れられるとき、図３７に示すような、センサレスＢＬＤＣモータドライブのアルゴリズムは、既知の位置に回転することで回転子の状態を識別する。回転子が新たな位置に向かって移動するとき、固定子巻線に対する永久磁石の移動は、コンパレータの出力が有効になるように十分な逆起電力を発生する。有効なコンパレータ出力が生じると、システムは、有効な整流制御信号を有し、従って、整流タイミング及び次のエネルギー付与ステップの両方を決定することができる。この点では、センサレスＢＬＤＣはセンサレス動作を継続することができ、それによって、例えば以下の表１２のような格納されたルックアップテーブルにおいて、コントローラは次の状態を参照することができる。次のエネルギー付与状態が所望の回転方向（時計回り又は反時計回り）に依存することに注意する。性能は、モータドライブの電源が入れられた直後に整流信号が利用可能になるという点で、センサ付き方法のそれに匹敵する。これは、モータを同期モードで動作させて逆起電力を検出できる場合の速度に到達させるスタートアップ手順の必要性を除去する。

従って、１つの実施形態において、本発明は、センサレスＢＬＤＣモータ駆動調整回路、回転子、固定子コイル、及び固定子コイルの３つのコンパレータ出力を備えるセンサレスブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータ、例えば３相ＢＬＤＣモータを動作させる方法を提供し、本方法は、
回転子を回転させて１組の既知の励磁状態のうちの１つへ回転子を整列させ、コンパレータ出力において制御信号を発生するステップと、
２つのコンパレータ出力のみに同時にエネルギーが付与されて反対方向の２つの位相を生成するように、固定子コイルに電流を流すステップと、
十分な逆起電力を検出して有効な整流制御信号を発生し、既知の励磁状態に従って整流タイミング及び次のエネルギー付与ステップの両方を決定するステップと、
回転子運動が一方向に発生されるように、既知の励磁状態に従って上記次のエネルギー付与ステップを実行するステップとを含む。

所定の実施形態において、既知の励磁状態は、センサレスＢＬＤＣモータ駆動調整回路に電気的に接続されたメモリに例えばローカル又は遠隔に格納された、予め定義された標準と比較することによって決定される。所定の実施形態において、既知の励磁状態は表１２のように提供される。

所定の実施形態において、回転子は以下のエネルギー付与方式を使用して１方向に移動される。
ステップ１：第１の出力コンパレータ（Ａ）は正で駆動され、第３の出力コンパレータ（Ｃ）は負で駆動され、第２の出力コンパレータ（Ｂ）は駆動されない。
ステップ２：第１の出力コンパレータ（Ａ）は正で駆動され、第２の出力コンパレータ（Ｂ）は負で駆動され、第３の出力コンパレータ（Ｃ）は駆動されない。
ステップ３：第３の出力コンパレータ（Ｃ）は正で駆動され、第２の出力コンパレータ（Ｂ）は負で駆動され、第１の出力コンパレータ（Ａ）は駆動されない。
ステップ４：第３の出力コンパレータ（Ｃ）は正で駆動され、第１の出力コンパレータ（Ａ）は負で駆動され、第２の出力コンパレータ（Ｂ）は駆動されない。
ステップ５：第２の出力コンパレータ（Ｂ）は正で駆動され、第１の出力コンパレータ（Ａ）は負で駆動され、第３の出力コンパレータ（Ｃ）は駆動されない。
ステップ６：第２の出力コンパレータ（Ｂ）は正で駆動され、第３の出力コンパレータ（Ｃ）は負で駆動され、第１の出力コンパレータ（Ａ）は駆動されない。

もう一つの実施形態において、本発明は、センサレスＢＬＤＣモータ駆動調整回路、回転子、固定子コイル、及び固定子コイルの３つのコンパレータ出力を備えるセンサレスブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータ、例えば３相ＢＬＤＣモータを動作させることを含む方法を実行するために、プロセッサによって実行するために格納された命令を有する機械可読媒体を備えるセンサレスブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータ駆動回路を提供する。
本方法は、
回転子を回転させて１組の既知の励磁状態のうちの１つへ回転子を整列させ、コンパレータ出力において制御信号を発生するステップと、
２つのコンパレータ出力のみに同時にエネルギーが付与されて反対方向の２つの位相を生成するように、固定子コイルに電流を流すステップと、
十分な逆起電力を検出して有効な整流制御信号を発生し、既知の励磁状態に従って整流タイミング及び次のエネルギー付与ステップの両方を決定するステップと、
回転子運動が一方向に発生されるように、既知の励磁状態に従って上記次のエネルギー付与ステップを実行するステップとを含む。

低速及びスタートアップ時には性能が悪化するセンサ付きＢＬＤＣモータ及び他のセンサレス動作方法とは対照的に、本発明のＢＬＤＣモータドライブで起動されたセンサレスＢＬＤＣモータは、スタートアップ時にさえも同じトルクを提供し、回転子はほとんど直ちに所望速度に到達する。

センサ付きＢＬＤＣモータ及び他のセンサレス動作方法とは対照的に、本発明のＢＬＤＣモータドライブで起動されたセンサレスＢＬＤＣモータの双方向回転は即時であり、これにより、プレッシャーバルブの開閉が必要であるＭＷＤツールとして適したものになる。

３つのコンパレータのみを利用する本発明は、現在使用されている従来のセンサ付きモータに比較して、実装、製造、及びサービスの容易さを向上させる。

センサレスブラシレスモータドライブ及び関連付けられたモータは、自動化、自動車、アプライアンス、医療、航空宇宙、及び軍事の用途を含むが、これらに限定されない、ＢＬＤＣモータが使用されているすべての用途で使用されてもよい。

６．装置及びシステムの製造

ａ．ＨＴＲＥＳモジュール

本明細書に開示された装置及びシステムの所定の実施形態は、ＨＴＲＥＳモジュール及びＭＳＩＤを備える。ＨＴＲＥＳモジュールは、本明細書で、例えばセクション４で説明したさまざまなＨＴＲＥＳで構成されてもよい。上述したように、所定の実施形態において、ＨＴＲＥＳは少なくとも１つのウルトラキャパシタを備える。本明細書に開示されたシステム及び装置の例示的なＨＴＲＥＳモジュールにおいて、図２９に示されるように、２つ以上のウルトラキャパシタはウルトラキャパシタストリングとして構成される。図２９は、本明細書に開示された所定の実施形態によるウルトラキャパシタストリングを示し、これは、空間効率的な向きで組織化された２つ以上のウルトラキャパシタセルを備える。このＨＴＲＥＳモジュールは１〜１００個のウルトラキャパシタセルを備えてもよい。本明細書に開示されたＨＴＲＥＳモジュールは、ウルトラキャパシタパック、例えば図３０に示す構成として構成された、本明細書に開示されたウルトラキャパシタを備えてもよい。ここで、ウルトラキャパシタアセンブリ、例えば図２９に示すような１つ又は複数のウルトラキャパシタストリングは、より小さな寸法のハウジングにおいてより多くのセルが使用されることを可能にする。さらに、それは、電線を適切な場所に固定するようにポッティングするための余地を有してパックの横に沿って電線が安全に延在するべき余地を残す。

図３０に例示された所定の実施形態において、本明細書に開示されたシステム及び装置は、ウルトラキャパシタの３本のストランドパックアセンブリを備える。これにより、例えば、複数のセルを互いに溶接してより少ないセル群にして、次いで複数のセルからなる１本の長いストランドにすることが容易になるので、システムを組み立てることがより簡単になる。所定の実施形態において、本明細書で説明した絶縁技術は、短絡故障に対する安全性を提供し、システム構造の剛性を維持する。特定の実施形態では、ポッティングすることにより、バランスが確保され、システムワイヤが適切な場所に固定され、望ましくない故障に対して保護される。例えば、同じサイズの内径を有するハウジングチューブ（例えば、Ｄサイズを有するフォームファクタからＡＡまで）により多くのセルを収容することも、著しく短いハウジングチューブに収容することも可能になるので、それは有益である。

１つの実施形態において、本発明は、本発明のシステムで使用されるように複数のウルトラキャパシタを直列に接続することで準備されたウルトラキャパシタストリングを提供する。所定の実施形態において、セル（例えば１２以上）は、テープ、熱シュリンク、洗浄装置、ポッティング合成物、及び／又はスペーサーによって絶縁されてもよい。

１つの実施形態において、セルのフォームファクタはＡＡ（直径約０．５３インチ）であり、この場合、キャパシタセクションの長さを最小化するために、等しい個数のセルからなる３本のストランドが使用される。もう一つの実施形態において、Ｄセル（直径約１．２５インチ）が使用されるが、３本のより短いストランドの代わりに１本の長いストランドとして接続されている。絶縁及び組み立ては、異なるフォームファクタではわずかに異なる。

所定の実施形態において、ウルトラキャパシタアセンブリは、キャパシタバランスワイヤ及びシステムワイヤを含んでもよい。ＡＡパックは、バランスワイヤが各セルに安全に配線され、ポッティング及び熱シュリンクで保護されることを可能にする。所定の実施形態において、各ストランド、バランスワイヤ及びストランド、及び／又は複数のセルからなる３本のストランドのパック全体のまわりに、熱シュリンクが適用される。所定の実施形態において、その後、熱シュリンクの内部のセルの各パックの間で、及びセル間で、ポッティングが使用されてもよい。特定の実施形態では、バランスワイヤは、ＡＡストランドのボイド空間の間に配置され、ポッティングによって封止される。特定の実施形態では、システムワイヤは、キャパシタストランドの間のボイド空間に沿って延在し、キャパシタパックの最も外側の直径を増大しない。

所定の実施形態において、各セルは異なる保護層で絶縁される。所定の実施形態において、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）テープのような高温絶縁テープの層は、ピン（正端子）のみが露出されるように、ガラス−金属シールを有する各セルの上に配置されてもよい。所定の実施形態において、もう１片の高温絶縁テープで金属容器の上側エッジを包み、金属容器の上面の上に折り返すことで、第１のテープを保持してもよい。特定の実施形態において、金属容器と同じＯＤを有する高温スペーサーディスク（テフロンなど）は、ピンのみが露出されるように、ガラス−金属シールピンのまわりに配置されてもよい。特定の実施形態では、直列に接続された場合に金属容器が圧力下でガラス−金属の上に対してではなくスペーサーに対して押しつけられるように、ディスクはピンの頂上の高さの上に位置する。

所定の実施形態では、図２９に示されるように、キャパシタはニッケル又は同様のタブ２０２を用いて直列に接続されてもよい。所定の実施形態において、タブは、各キャパシタの正端子（通常は、ガラス−金属シールピン）に溶接（抵抗又はレーザ溶接）されてもよい。いくつかの実施形態では、タブはスペーサーディスクの中心を通る。タブは、次の金属容器の正端子及び負端子に溶接される場所を除いて、高温テープ又は高温熱シュリンクで絶縁されてもよい。タブは、スペーサーディスク２０３にわたって平坦に広がり、次に、次の金属容器の底に溶接されてもよい。所定の実施形態において、タブは折り返され、これにより、ある金属容器が次の金属容器のスペーサー上に位置し、これらが同じ直線上にある。Ｄサイズを有するセルについては、このことは、すべてが互いに溶接されて１本のストリングになるまで継続される。ＡＡセルの場合、図３０に示されるように、それぞれ同じ個数のセルを有する３本のストランドがある。例えば、１２個のセルが１つのシステムに必要とされれば、４個のセルからなる３本のストランドが互いに溶接されるだろう。特定の実施形態において、各ストランドを互いに溶接した後に、それらは、セルを安定化させるため、かつ、絶縁及びタブを確保するために、熱シュリンクされる。

所定の実施形態において、セルバランスワイヤの取り付けは、各セルにおける１片の熱シュリンクを除去し金属容器の面にバランスワイヤを溶接することで行われてもよい。所定の実施形態では、バランスワイヤを溶接した後、ワイヤを金属容器へ固定して保護することを支援するために、熱シュリンクチューブのストリップが溶接部のまわりに配置される。バランスワイヤは、そのすべてが金属容器の同じ側に沿って延在するように、各金属容器に取り付けられてもよい。特定の実施形態において、テープは溶接後にワイヤを適所に保持するために使用され、熱シュリンクの追加の層は、すべてのワイヤを適所に、かつセルのストランドの同じ側に維持するために使用可能である。この実施形態において、追加の利点は、３本のストランドをともに配置することから生じる。この場合、バランスワイヤが異なるストランドのセル間の余分な空間の間で延在することができ、パックの直径を増大しない。

所定の実施形態において、複数のセルからなる３本のストランドは、それらすべてを直列に維持するように組み立てられる。例えば、１２個のＡＡセルを使用するとき、それぞれ４個のセルからなる３本のストランドがあるだろう。１本のストランドは、電子システムに接続する正端子を有するだろう。ストランド１の終端の負のタブはストランド２の正端子に接続する。ストランド２はストランド１のは反対方向にある。上記のことは、ストランド３にも当てはまり、すべてのセルが正から負に接続される。所定の実施形態では、バランスワイヤのすべてでキャパシタパックの同じ端部が露出して組み立てを容易にするように、バランスワイヤのすべてが接続される。複数のセルからなる３本のストランドのすべてを溶接した後、すべてのセルをともに維持して１つの剛体にするために最終的な熱シュリンクの層が使用されてもよい。各セルストランドの間において、かつ、パックの上部及び下部からわずかに離れて、セルをさらに保護するためにポッティングが使用されてもよい。

最終的な熱シュリンクの外部において、端部から端部に延在する多数のシステムワイヤがある。ＡＡアセンブリ方法を使用する所定の実施形態において、ワイヤは、パックの直径を増大せずに、キャパシタの空間の間に延在する十分な余地を有する。システムワイヤは正端子又は負端子コネクタのどちらから延在してもよい。ワイヤ（システム及びバランスの両方）はセルパックに沿ってバットジョイントを用いて接続されてもよく、又は、すべてはウルトラキャパシタパックの近くに配置されたもう一つの回路基板まで延在されてもよい。

所定の実施形態において、ウルトラキャパシタ中の超過空間を限定するために、ピンが金属容器の内側ではなく外側にあるように、ガラス−金属シールを１８０度裏返すことができる。ウルトラキャパシタにおけるこの超過空間の削減は、キャパシタの内部で必要とされる電解質の量を限定するように作用する。図３１Ａ及び図３１Ｂは、より厚いハウジングを有する側がセルの内部ではなく外部に存在するようにガラス−金属シールを裏返すことでどのように超過空間が限定されうるのかを示す。そのような方法は、金属容器で使用されている上カバーより厚い本体ハウジングを有する、任意のガラス−金属シールを備えた任意サイズの金属容器で使用されてもよい。

ｂ．本発明のシステムのハウジング

ＭＳＩＤと、任意のＨＴＲＥＳ、例えば本発明のウルトラキャパシタとを備える回路を含む、様々なモジュール式構成要素がいったん組み立てられると（すなわち、相互接続されると）、これらはハウジング内に設置／配置されてもよい。例えば、アセンブリは、図３９又は図１０に示すようなハウジングに挿入されてもよい。電気的干渉などの防止に加えて、本発明の機械的に頑健なシステムを保証するために、一部の実施形態では、封止材料がハウジングへ注入されてもよい。概して、封止材料は、ハウジング内のボイド空間の全体を充填する。

所定の実施形態において、ハウジングサイズはＭＳＩＤ、例えばＭＳＩＤの直径に合わせて選択されている。そのため、外径の寸法はＭＳＩＤの回路基板の直径によって影響を受ける可能性がある。

ある実施形態では、このハウジングはＭＳＩＤを含み、例えば電子回路モジュールのみを含む。

所定の実施形態において、ハウジングは、ＭＳＩＤと、ＨＴＲＥＳ、例えば本発明のウルトラキャパシタ、例えば本発明のウルトラキャパシタストリングとを含んでいる。

所定の実施形態において、ハウジングは１５ピンコネクタ包囲チャネルを備える。所定の実施形態において、１５ピンコネクタ包囲チャネルは、ハウジングデザインのキャップアセンブリにおける「すべてのポケットを通る部分」又は切り取り部分を備え、これにより、マイクロＤコネクタの出口におけるワイヤ接続部の応力集中を低減させるように広い調節半径を提供する。このように、鋭いエッジ及び壁とのワイヤ接点は限定され、ワイヤ損傷のリスクを減らす。

所定の実施形態において、ハウジングは、ＭＳＩＤを１５ピンコネクタ包囲チャネルへ同心的に、かつ分離された状態で搭載する。

所定の実施形態において、ハウジングは開いたワイヤ包囲チャネルを備え、これにより、ＭＳＩＤ及びキャパシタがハウジングから独立して組み立てられることを可能にする。それは、著しくシステムの製造容易性を増大する。開いたワイヤ包囲チャネルは、１５ピンマイクロＤコネクタを装着する引き出し線を適所に備える。特定の実施形態において、開いたワイヤ包囲チャネルのテーパ状の入口は、エッジ及びチャネル壁とワイヤとの接点を限定する。

所定の実施形態において、ハウジングは、着脱可能な薄い壁を有するハウジングを備える。所定の実施形態において、着脱可能な薄い壁を有するハウジングシャーシカバーは、ワイヤをシャーシ内のＭＳＩＤ構造物の横を通って引き回すための、遮るものがない経路を提供する。特定の実施形態において、ハウジング挿入物の放射状の突出部は、着脱可能な薄い壁を有するカバーのための装着面を提供する。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤ及び任意のＨＴＲＥＳのアセンブリは、電子回路モジュール、例えばＭＳＩＤと、ＨＴＲＥＳモジュール、例えばキャパシタモジュールとの間の着脱可能なインターフェースとして、３７ピンコネクタをさらに備えてもよい。この着脱可能なインターフェースは、システムの固有のモジュール性を生じさせる。

所定の実施形態において、３７ピンコネクタは、ＭＳＩＤ及びＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明したウルトラキャパシタストリングを含んでいる別個のハウジング間の着脱可能なハウジングインタフェースに配置されてもよい。これは、電子回路モジュール及びキャパシタモジュールのシームレスで反復可能な接続分離を提供する。所定の実施形態において、３７ピン接続、例えばマイクロＤは軸方向に搭載され、適切な場所にコネクタを固定するのに必要な放射方向のフットプリントを低減させる。所定の実施形態において、別個のハウジングインタフェースの２重の開いたワイヤチャネルは、３７ピンマイクロＤコネクタから引き回された２組のワイヤ群を収容する。ハウジングインタフェースの一方の側又は両方の側における「すべてのポケットを通る部分」は、コネクタから開いたチャネルへのワイヤに広い調節半径を提供する。

そのため、本発明の１つの実施形態において、ハウジングは、モジュール式であり、（１）例えばＭＳＩＤハウジングにおける、ＭＳＩＤと、（２）例えばＨＴＲＥＳハウジングにおける、ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明したウルトラキャパシタと、（３）例えば配線インタフェースハウジングにおける、これら２つの間の接続配線とを別々に含むために、３つの構成要素からなるハウジングシステムを備える。所定の実施形態において、ハウジングシステムの各構成要素は、ＭＳＩＤ、ＨＴＲＥＳ、又は配線を別々に含んでいるそれ自体のハウジングアセンブリへ分離されてもよく、この場合、例えば、各ハウジング構成要素は、他のハウジングアセンブリとインターフェースをとるように設計されている。所定の実施形態において、ＭＳＩＤ及びＨＴＲＥＳの間の接続配線は、コネクタ、例えば３７ピンコネクタをさらに備える。所定の実施形態において、別個の配線インターフェースはハウジングにモジュール性を与え、それは、保守性を増大し、製造の容易さを改善し、製造及び保守のコストを下げるように作用しうる。所定の実施形態において、システムは電力システムである。所定の実施形態において、システムはデータシステムである。

所定の実施形態では、高温化学耐性を有するＯリング、例えばＶｉｔｏｎ（登録商標）Ｏリングは、安全な装着及び減衰を提供し、後者は、バレルへの圧力による振動がシステムハウジングに伝達されることを低減させる。特定の実施形態において、Ｏリングは、１５及び３７ピンコネクタハウジングの基部に設けられ、例えば、システムハウジングを圧力バレル内に同心的に搭載する。

ｉ．ポッティング

所定の実施形態において、ハウジング容器は、エネルギー貯蔵装置及びコントローラを封止する封止材料をさらに備える。このような処理は「ポッティング」としても知られている。特定の実施形態において、ＭＳＩＤ及び／又はＨＴＲＥＳは、高温環境における振動及び衝撃から保護するための封止材料に浸されてもよい。

従って、本明細書で説明した電力及びデータシステムは、「ポッティング」される、又はハウジングに挿入されて、その後に封止材料で充填されてもよい。とりわけ、封止材料は、電気的及び環境上の干渉からの機械的な衝撃を減衰し、また、それらの干渉から保護する。１つの実施形態において、ハウジングは、封止材料として、ＳＹＬＧＡＲＤ（登録商標）１７０シリコンエラストマー（ミシガン州ミッドランドのダウコーニングから入手可能）で充填される。

封止材料の実施形態は、例えば、高速硬化型のシリコンエラストマー（例えばＳＹＬＧＡＲＤ１７０）（ミシガン州ミッドランドのダウコーニングから入手可能）を含んでもよい。それは、硬化前に低粘度を有し、１００ｋＨｚにおいて２．９の誘電率を有し、１ミル当たり５３０ボルト（ｖ／ｍｉｌ）の絶縁耐力を有し、１００Ｈｚにおいて０．００５の誘電正接を有し、摂氏約−４５度から摂氏約２００度の温度範囲を有する。他の封止材料を用いてよい。封止材料は、例えば、電気的な特性、温度範囲、粘度、硬さなどによって選択されてもよい。

ｉｉ．改良型ポッティング

所定の実施形態では、例えば本明細書で説明した改良型ポッティング方法を用いてコントローラがハウジングにおいてポッティングされる封止材料、例えばシリコンエラストマーゲルにおいて、十分な個数の膨張ボイド、例えば少なくとも１つの膨張ボイドを提供することにより、回路基板の変形は高温時に低減される。

所定の実施形態において、改良型ポッティング方法は、本発明のシステムを、例えばその製造処理において準備するために利用されてもよい。

改良型ポッティング方法は、ハウジングシャーシの壁におけるスロットに対して、例えば半径方向に挿入される、着脱可能な挿入物を使用することを含む。挿入物は、ポッティング処理の間に、シリコンエラストマー体積が大きい領域に配置される（例えば、基板間の中心に設けられる）。いったん、シャーシ内のシリコーンが硬化されると、挿入物はスロットを通って引き抜かれ、挿入物に等しい体積の空気ボイドを残す。

本明細書に提供される改良型ポッティング方法は、シリコンエラストマーのポッティング合成物の熱膨張に起因する回路基板の変形を低減させるか除去するように作用する。シリコンエラストマーは特に高い熱膨張率を有し、その結果、高温条件下で、回路基板に高い応力集中を生じさせて塑性変形を引き起こす。

改良型ポッティング処理は、コントローラ、例えばＭＳＩＤ構造物に沿った様々な大体積の領域において、空気ボイド、例えば少なくとも１つの空気ボイドを生じさせる。高温条件下で、これらの空気ボイドは、膨張するシリコンエラストマー用の膨張経路を提供する。その結果、応力集中は、回路基板から遠ざけられる。回路基板における応力集中の低下は、表面実装構成要素のハンダ接合部に対する応力も減らす。

さらに、この処理は、坑井内状態で見られるもののような坑井内高温にさらされる、高温封止ポッティング材料でポッティングされた任意の回路に有用である可能性がある。

７．ＭＳＩＤに基づく坑井装置、システム、および方法

所定の実施形態において、坑井用途の装置及びシステムは、本明細書に開示されるＭＳＩＤと、上記ＭＳＩＤを収容してツールストリングの中へ配置するように構成されたハウジング構造物とを備える。所定の実施形態において、本装置及びシステムは、本明細書に開示されるＨＴＲＥＳと、ＨＴＲＥＳを収容してツールストリングの中へ配置するように構成されたハウジング構造物とをさらに備える。後者は所定の実施形態においてＨＴＲＥＳモジュールであってもよい。

もう一つの実施形態において、システムは電力システムであり、本システムは、
本発明のＭＳＩＤと、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明したウルトラキャパシタと、
ＭＳＩＤ及びＨＴＲＥＳの両方を配置してツールストリングの中への配置するハウジング構造物と
を備える。

概して、本明細書で説明される電力システムは、電源の電気的な態様、例えば、電圧、電流、又は瞬間の電力を、電気的、負荷の電気的な態様から分離する。

１つの実施形態において、本発明のシステムは、本発明のＭＳＩＤと、上記ＭＳＩＤを収容してカラーの上又はカラーの中に装着するように構成されたハウジング構造物とを実施形態を備える。

ある実施形態において、ＭＳＩＤは、データ記録及び／又は報告のみを行うように構成されてもよい。ある実施形態において、ＭＳＩＤはデータシステムとして構成されてもよい。

１つの実施形態において、本発明は（例えば坑井内環境に適合した）データシステムを提供し、データシステムは、電源から電力を受けるように適合され、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたコントローラと、データを受信する（例えばさらに解釈する）ように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

もう一つの実施形態において、本発明は（例えば坑井内環境に適合した）データシステムを提供し、データシステムは、電源から電力を受けるように適合され、掘削の最適化を行うように構成されたコントローラと、データを受信する（例えばさらに解釈する）ように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

１つの実施形態において、本発明は（例えば坑井内環境に適合した）データシステムを提供し、データシステムは、電源から電力を受けるように適合され、ビットトルク（ＴＯＢ）を決定するように構成されたコントローラと、データを受信する（例えばさらに解釈する）ように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

１つの実施形態において、本発明は（例えば坑井内環境に適合した）データシステムを提供し、データシステムは、電源から電力を受けるように適合され、ビット荷重（ＷＯＢ）を決定するように構成されたコントローラと、データを受信する（例えばさらに解釈する）ように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

１つの実施形態において、本発明は（例えば坑井内環境に適合した）データシステムを提供し、データシステムは、電源から電力を受けるように適合され、温度センサ（例えば、変化する抵抗によって温度を示す抵抗測温体（ＲＴＤ））によって温度を決定するように構成されたコントローラと、データを受信する（例えばさらに解釈する）ように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

所定の実施形態において、坑井内状態がドリルストリング又はツールストリングの長さに沿って変動するときに、坑井内状態、例えば複数のエリアにおける振動及び衝撃を分析するために、複数のデータシステムが使用されてもよい。特定の実施形態において、そのような空間的測定値は、とりわけ、センサによって検出された任意の問題の発生源を位置決めし、区別するために有用である可能性がある。特定の実施形態では、本明細書で説明した上記複数データシステムから受信されたデータを組織化するために、データバス上の識別情報又はアドレスがそれぞれ割り当てられてもよく、また、上記識別情報又はアドレスに関連して、及び／又は、上記識別情報からの情報の要求に応答して、又は、上記識別情報を有するＭＳＩＤに所定の時間又は周波数を割り当てるスケジュールに従って、それぞれその情報を送信してもよい。

掘削動力学の効率を例えば現在使用されているシステムに比較して改善する方法は、
本発明のデータシステムを使用することを含む。所定の実施形態において、本方法は、ツールストリング及び／又はカラー中の異なる場所において配置された、本明細書で説明した複数のデータシステムを使用することを含む。

所定の実施形態において、データ記録及び／又は報告のためのコントローラは、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたＭＳＩＤである。

所定の実施形態において、データは、衝撃、振動、ビット荷重（ｗｅｉｇｈｔ ｏｎ ｂｉｔ：ＷＯＢ）、ビットトルク（ｔｏｒｑｕｅ ｏｎ ｂｉｔ：ＴＯＢ）、アニュラー圧力及び温度、及び／又は坑サイズから選択されてもよい。

所定の実施形態において、データ記録及び／又は報告を行うようにコントローラを構成することは、システム健全性のモニタリング、記録、及び通信ができるように、例えば坑井内情報をリアルタイムで通信するように、例えば衝撃、振動、スティックスリップ、及び温度のリアルタイムのモニタリング及び通信を行うように、コントローラを構成することを含む。

所定の実施形態では、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合させることは、高温においてモジュール式回路の変形を低減させる材料、例えばシリコンエラストマーゲルでコントローラを封止することを含む。特定の実施形態において、例えば本明細書で説明した改良型ポッティング方法を用いてコントローラがハウジングにおいてポッティングされる封止材料において、十分な個数の膨張ボイド、例えば少なくとも１つの膨張ボイドを提供することにより、本システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

所定の実施形態において、データ記録及び／又は報告するシステムは、例えばローカル又は遠隔に、電気的に接続されたデータ記憶装置をさらに備える。

もう一つの実施形態において、本発明は、データ記録及び／又は報告を例えば坑井内環境で行う方法を提供し、本方法は、データ記録及び／又は報告が可能にされるように、電源を本発明の任意のデータシステムへ電気的に接続することを含む。

本発明のデータシステムの製造方法は、
電源から電力を受けるように適合し、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたコントローラと、データを受信する（例えばさらに解釈する）ように構成された１つ又は複数のセンサ回路とを選択することを含み、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合され、
本方法は、データシステムを提供するように、上記コントローラ及びセンサ回路をハウジングに組み込むことを含む。

所定の実施形態において、予備電源が望ましい場合がある。この実施形態では、データシステムはさらに、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した少なくとも１つのウルトラキャパシタと、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御する第２のコントローラとを備えてもよく、
第２のコントローラは、電源からの電力が検出されない場合、データコントローラ及びセンサ回路へ断続的に電力を供給するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

１つの実施形態において、データインタフェースシステムは、以下の表１５に提示した性能特性の１つ又は複数を示すように構成される。明確さのために、この表に列挙したものは単に便宜的なものであり、各特性は本発明の別個の実施形態と考えられるべきである。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは電力システムとして構成されてもよい。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、電力システムとして、及びデータ記録及び／又は報告を行うように構成されてもよい。

ＭＳＩＤが電力システムとして構成されるＭＳＩＤの構成において、システムへの追加の機能を提供するために、円形回路基板で構成された追加のモジュール式回路が追加されてもよい。そのような追加の回路は、モジュール式バスを結合する追加のスタッカを介して追加されてもよい。ここで、ハウジングは、ＭＳＩＤのサイズのいかなる増加も受容するように構成される。さらに、これらの追加の回路は、ＭＳＩＤのモジュール式の特性に起因して、ＭＳＩＤを製造する際に、スタックされた円形回路基板を追加すること以外に追加の複雑さを追加せず、また、ＭＳＩＤの残りの部分に損傷を与えることなく、機能の保守又は除去のために容易に除去されてもよい。

本明細書で説明した所定の実施形態において、本発明のシステムはＨＴＲＥＳを含んでもよい。エネルギー貯蔵装置は、坑井内条件で実用的である任意のタイプの技術を含んでもよい。ある実施形態において、ＨＴＲＥＳは、摂氏７５度を超える温度における動作のために構成され、例えば、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約８５度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約９５度から摂氏約１００度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１１０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１２０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１３０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１４０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１５０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１６０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１７０度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約１７５度から摂氏約２１０度までの温度範囲内にある温度における動作のために構成される。

本発明の所定の実施形態において、エネルギー貯蔵装置又はＨＴＲＥＳは、（図３を参照して下記に述べられる）少なくとも１つのウルトラキャパシタを含む。

ＨＴＲＥＳの追加の実施形態は、以下に限定するわけではないが、化学バッテリー、アルミニウム電解キャパシタ、タンタルキャパシタ、セラミック及び金属フィルムキャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、磁気エネルギー貯蔵装置、例えば、空気コア又は高温コア材料のインダクタを含む。適切でありうる他のタイプのものは、例えば、フライホイール、バネシステム、バネ質量システム、質点システムなどの力学的エネルギー貯蔵装置、熱容量システム（例えば、高い熱容量の液体又は固体又は相変化材料に基づいくもの）、油圧又は空気圧システムを含む。一例は、米国ロードアイランド州プロビデンスのエヴァンスキャパシタカンパニー（Evans Capacitor Company）から入手可能な高温ハイブリッドキャパシタであり、例えば、最大で摂氏１２５度までの定格温度を有する部品番号ＨＣ２Ｄ０６０１２２ ＤＳＣＣ１０００４−１６である。もう一つの例は、米国ロードアイランド州プロビデンスのエヴァンスキャパシタカンパニーから入手可能である、例えば、最大で摂氏２００度までの定格温度を有する部品番号ＨＣ２Ｄ０５０１５２ＨＴの高温タンタルキャパシタである。さらにもう１つの例は、ドイツ国ミュンヘンＥＰＣＯＳ ＡＧから入手可能である、例えば、最大で摂氏１５０度までの温度定格を有する部品番号Ｂ４１６９１Ａ８１０７Ｑのアルミニウム電解キャパシタである。さらにもう１つの例示は、日本国大阪府のパナソニック株式会社から入手可能である、例えば、最大で摂氏１５０度までの温度定格を有する部品番号ＥＴＱ−Ｐ５Ｍ４７０ＹＦＭ、又は、米国カリフォルニア州フラートンのＢＩテクノロジーズ（BI Technologies）から入手可能である、例えば、最大で摂氏１８５度までの温度定格を有する部品番号ＨＭ７０−６０２Ｒ０ＬＦの高温インダクタである。追加の実施形態は、フランス国バニョレのサフトＳ．Ａ．（Ｓａｆｔ Ｓ．Ａ．）から入手可能である、例えば、３０回の充放電サイクルで最大で摂氏１２５度までの温度定格を有する部品番号Ｌｉ−ｉｏｎ ＶＬ ３２６００−１２５のバッテリーを含む。最大で摂氏約２５０度までの温度定格を有するもう一つの例示的なリチウムイオンバッテリは、米国マサチューセッツ州ウォルサムのソリッドエネルギーシステムズコーポレイション（SolidEnergy Systems Corp.）で実験フェーズにあり、特許文献１に記載され、これの全体は参照によって本明細書に組み込まれる。

本明細書で説明したＭＳＩＤを備える本発明の電力システムは、電源から負荷に供給された電力のためのバッファとして動作するのに有用である。このバッファリングシステムは、典型的には電源から負荷への直接の接続を使用する既存のシステムに対して、多数の利点を備える。そのような利点は、効率、電力出力、バッテリー寿命、又はＨＴＲＥＳ（例えばウルトラキャパシタ）寿命のうちの１つ又は複数の性能パラメータを最適化する能力を含む。

従って、本発明の一実施形態は、例えば坑井内環境において、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した少なくとも１つのウルトラキャパシタと、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、バッテリー消費量を（例えば電力システムのバッテリー消費量に対して）３０％を超えて削減するように、例えば３５％を超えて、例えば４０％を超えて、例えば４５％を超えて、例えば５０％を超えて削減するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

もう１つの実施形態において、本発明は、坑井内環境において電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した少なくとも１つウルトラキャパシタと、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、バッテリー動作時間（すなわちバッテリー寿命又は運転時間）を（例えば電力システムのバッテリー消費量に対して）５０％を超えて増大させるように、例えば６０％を超えて、例えば７０％を超えて、例えば８０％を超えて、例えば９０％を超えて、例えば１００％を超えて増大させるように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

もう１つの実施形態において、本発明は、例えば坑井内環境において、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した少なくとも１つウルトラキャパシタと、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、動作効率を９０％を超えて増大させるように、例えば９５％を超えて増大させるように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

もう１つの実施形態において、本発明は、例えば坑井内環境において、バッテリー電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した少なくとも１つのウルトラキャパシタと、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、バッテリーから定電流を引き出すように、かつ、バッテリーの放電時に一定電圧を出力するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。
さらに、バッテリーから定電流を引き出すように、かつ、バッテリーの放電時に一定電圧を出力するように管理することは、与えられたバッテリーの必要性にあわせて最適化することでバッテリー消費量を減少させるように作用する。

もう１つの実施形態において、本発明は、例えば坑井内環境において、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した少なくとも１つのウルトラキャパシタと、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、電源からの入力電流（例えば、約２Ａに約１０Ａの範囲にわたる）及び出力ＨＴＲＥＳ電圧を制御するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。
ある実施形態において、電圧は負荷に基づいて選択される。
特定の実施形態において、負荷は変動する可能性があり、これに応じて、必要な電圧も変動するだろう。
変化する電圧を含む所定の実施形態において、電力システムは、電源、例えばバッテリーに流れる電流を低減するための最適な安定最低電圧を採用するように構成され、この場合、電圧は±２Ｖの範囲内で安定し、例えば±１Ｖの範囲内で安定する。重要なこととして、電圧安定性は、負荷の寿命を増大させるとともに、バッテリー寿命を増大させることは公知である。さらに、所定の実施形態では、安定最低電圧は約０Ｖから約１０Ｖまでの範囲、約１０Ｖから約２０Ｖの範囲、約２０Ｖから約３０Ｖの範囲、約３０Ｖから約４０Ｖの範囲、約４０Ｖから約５０Ｖの範囲、約５０Ｖから約６０Ｖの範囲、又は約６０Ｖから約１００Ｖの範囲を有する。

もう１つの実施形態において、本発明は、例えば坑井内環境において、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した少なくとも１つのウルトラキャパシタと、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、電源からの入力電力（例えば、約０Ｗから約１００Ｗの範囲にわたる）及び出力ＨＴＲＥＳ電圧を制御するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。
所定の実施形態において、電圧は負荷に基づいて選択される。
特定の実施形態において、負荷は変動する可能性があり、これに応じて、必要な電圧も変動するだろう。
変化する電圧を含む所定の実施形態において、電力システムは、電源、例えばバッテリーから生じる電力を低減するための最適な安定最低電圧を採用するように構成され、この場合、電圧は±２Ｖの範囲内で安定し、例えば±１Ｖの範囲内で安定する。重要なこととして、電圧安定性は、負荷の寿命を増大させるとともに、バッテリー寿命を増大させることは公知である。さらに、所定の実施形態では、安定最低電圧は約０Ｖから約１０Ｖまでの範囲、約１０Ｖから約２０Ｖの範囲、約２０Ｖから約３０Ｖの範囲、約３０Ｖから約４０Ｖの範囲、約４０Ｖから約５０Ｖの範囲、約５０Ｖから約６０Ｖの範囲、又は約６０Ｖから約１００Ｖの範囲を有する。

もう一つの実施形態中で、本発明は、例えば坑井内環境において、電源から負荷への電力をバッファリングするための方法を提供し、上記方法は、電源から負荷への電力がバッファリングされるように、本発明の任意の電力システムへ電源を電気的に接続することと、上記電力システムを負荷へ電気的に接続することとを含む。

本発明の電力システムの製造方法は、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した少なくとも１つのウルトラキャパシタと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するコントローラとを選択することとを含み、
上記コントローラは、電源から負荷への電力のバッファリングを制御するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
電力システムを提供するように、上記ＨＴＲＥＳ及びコントローラをハウジングに組み込むことを含む。

本発明の電力及び／又はデータシステムの所定の実施形態では、電力システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間で、例えば摂氏約８０度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約９０度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約１００度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約１１０度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約１２０度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約１２５度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約１３０度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約１４０度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約１５０度から摂氏２１０度の間で、例えば摂氏約１６０度から摂氏約２１０度の間で、例えば摂氏約１７５度から摂氏約２１０度の間での温度範囲で動作するように適合される。本発明の電力システムの所定の実施形態では、電力システムは、摂氏約７５度から摂氏約１５０度までの間で、例えば摂氏約１００度から摂氏約１５０度の間で、例えば摂氏約１２５度から摂氏約１５０度の間での温度範囲で動作するように適合される。

本発明の電力システム及び／又はデータシステムの所定の実施形態において、電力システムは、ハウジング、例えば本明細書で説明した改良型モジュール式ハウジングをさらに備える。そこにはコントローラ（例えば本発明のＭＳＩＤ）及び任意のＨＴＲＥＳ（例えば本発明のウルトラキャパシタストリング）も配置され、例えば、ハウジングはツールストリング中への配置に適している。特定の実施形態では、コントローラは、高温におけるモジュール式回路の変形を低減させる材料、例えばシリコンエラストマーゲルで封止される。特定の実施形態において、例えば本明細書で説明した改良型ポッティング方法を用いてコントローラがハウジングにおいてポッティングされる封止材料において、十分な個数の膨張ボイド、例えば少なくとも１つの膨張ボイドを提供することにより、本システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。

本発明の電力システムの所定の実施形態では、コントローラは本発明のＭＳＩＤである。所定の実施形態において、ＭＳＩＤは接続回路基板を備え、例えば、上記接続回路基板は外部コンピュータ／ネットワークと通信するように適合される。所定の実施形態において、ＭＳＩＤはクロスオーバー回路基板を備える。所定の実施形態において、ＭＳＩＤはウルトラキャパシタ充電器回路を備える。所定の実施形態において、ＭＳＩＤはウルトラキャパシタ管理システム回路を備える。所定の実施形態において、ＭＳＩＤは電子管理システム回路を備える。所定の実施形態において、ＭＳＩＤはウルトラキャパシタ充電器回路を備える。所定の実施形態において、上記ＭＳＩＤは、電源、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、及び電子管理システム回路に電気的に接続された接続回路基板の任意の組み合わせを備える。

本発明の電力システム及び／又はデータシステムの所定の実施形態において、ＨＴＲＥＳは複数のＨＴＲＥＳセルを備える。
本発明の電力システム及び／又はデータシステムの所定の実施形態において、ＨＴＲＥＳは本明細書に記載したウルトラキャパシタストリングである。
本発明の電力システム及び／又はデータシステムの所定の実施形態において、電源はワイヤーライン電源を備える。
本発明の電力システム及び／又はデータシステムの所定の実施形態において、電源は２つのバッテリーを備える。
本発明の電力システム及び／又はデータシステムの所定の実施形態において、電源はワイヤーライン電源と、１つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、負荷は、電子回路、変圧器、増幅器、サーボ、プロセッサ、データ記憶装置、ポンプ、モータ、センサ、熱的に調整可能なセンサ、光学センサ、トランスデューサ、光ファイバー、光源、シンチレータ、パルサー、油圧アクチュエータ、アンテナ、単一チャネルアナライザ、マルチチャネルアナライザ、放射線検出器、加速度計、及び磁力計のうちの少なくとも１つを備える。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、コントローラ回路は、断続的な電力パルスを例えば約５０Ｗ及び１００Ｗの間で提供するように構成されてもよい。

本発明の電力システムの追加の利点は、高度に機能的な各システムがリチウムなしで作られうるということにある。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、上記電力システムは、ツールストリングの全体及び関連付けられた電子回路への電圧安定性をもたらす、そのような電圧安定性は、電圧について安定的なマイクログリッドをもたらし、これにより、電圧変動に敏感な上記電子回路の寿命を改善する。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、電力システムはリアルタイムで坑井内情報を通信してもよい。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、電力システムは、衝撃、振動、スティックスリップ、及び温度のリアルタイムモニタリング及び通信を行ってもよい。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、上記電力システムは、システム健全性のモニタリング、記録、及び通信を行ってもよい。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、上記電力システムは、充電モニタリングのバッテリー状態のモニタリング及び通信をリアルタイム又はオフラインで行ってもよい。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、上記電力システムは、表面デコードシステム（surface decoding system）をさらに備えてもよい。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、上記電力システムは、モータパルサーを直接に駆動してもよい。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、電力システムは、高レートのセルが必要とされたときに中間レートのセルを使用させることにより安全性を増大させる。

本発明の電力システムの所定の実施形態において、電力システムは、坑井内で使用されるリチウムをより少なくすることで、増大した信頼性を提供してもよい。

ソレノイド又はモータに基づく泥パルサーがＭＷＤ及びＬＷＤのツールストリングで使用される所定の実施形態において、本発明の電力システムは、泥パルサーの信頼性を改善してもよく、及び／又はパルスの信号完全性を改善してもよい。

もう一つの実施形態において、本発明は、本発明の任意の電力システムに電気的に接続された電源と、坑井内環境中の動作に適合した負荷とを提供する。

ａ．高効率用途のためのシステム

ｉ．効率最適化

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、電力システムの効率を最適化するように構成されてもよい。電力回路の効率は、概して、負荷に配送された出力電力と、バッテリー、ワイヤーライン、又は発電機のような電源によって配送されている入力電力との比として説明することができる。いくつかの実施形態において、ＥＭＳ回路は、入力電圧及び入力電流を直接に測定し、２つの測定値の積として入力電力を計算することができる。同様に、ＥＭＳ回路は、出力電圧及び電流を測定し、２つの測定値の積として出力電力を計算することができる。

他の回路、例えばＵＣＣへのその通信を通じて、ＥＭＳ回路が、充電電流及び充電時間のようなパラメータについてのコマンドを送ることができる。これは、入力電流及び出力電圧の両方の制御を可能にすることができる。充電電流及び調整された出力電圧を変化させることによって、ＥＭＳ回路は、充電電流及びキャパシタ電圧の全動作範囲にわたって電子回路の電力効率を定量化することができる。

１つの実施形態において、ＭＳＩＤは、例えば、ＥＭＳを使用することにより、また、選択された大電流レベル及びゼロ電流レベルの間で充電電流を切り換えるヒステリシス電圧制御を使用することにより、電力回路効率を最適化する。この理由は、多くの場合、電力回路がそれらの電力能力範囲の中央から上方までの範囲で最も効率的に動作するからである。さらに、電力回路が充電電流を処理していない場合、それらは小電力消費状態に移行させられてもよい。小電力状態は、各回路の静止電力のみを消費する。従って、短い時間期間にわたって大電流レベルになった後で長い低電力消費の「オフ」状態になるようにウルトラキャパシタを断続的に充電するためにＥＭＳ回路により電力システムを構成することで、非常に高い電子回路効率を達成することができる。

１つの実施形態において、充電電流の連続的な測定及び制御によって、ＥＭＳ回路は、電力回路の挙動を変化させ、所定の実施形態では最高効率を達成することができる。このリアルタイム調整能力は、温度、出力負荷、キャパシタ効率、及びバッテリー効率における変化を調節するために重要である。

全体的な電子回路効率は、温度及び入力電圧のような変数で変動する多くの異なる要因に依存する。ＥＭＳ回路は、入力電力に対する出力電力の比を計算することで、効率を正確に測定することができる。しかしながら、与えられた任意の環境においてどの動作点が最も効率的であるのかを予測するのは難しい。従って、ＥＭＳ回路は「ヒルクライミング」として既知の技術を使用する。ヒルクライミング方法は、充電電流の摂動を頻繁に生じさせてシステム挙動を観察することを含んでいる。充電電流の各摂動又は変化の後、合計効率が計算される。充電電流の変化がより高い効率をもたらした場合、充電電流は同じ方向にさらに変更される。充電電流の変化がより低い効率をもたらした場合、充電電流は反対方向に変更される。このように、ヒルクライミング方法は、電力回路が最大効率において、又はその近くで動作する動作点を目指す。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、ＵＣＣの低電力動作モードを目指すことによって効率を最適化する。例えば、いくつかの実施形態では、ＵＣＣは、降圧型及び昇圧型の両方の電力変換器として機能する。昇降圧モードの動作において、４つのトランジスタが充電電流を調整するために切り換えられている。一方、降圧モード及び昇圧モードのいずれかにおいて、２つのトランジスタのみが充電電流を調整するために切り換えられている。従って、昇降圧モードは、概して、降圧モード及び昇圧モードのそれぞれより低い効率で動作する。降圧モード、昇降圧モード、及び昇圧モードの間の遷移は、充電電流及びキャパシタ電圧によって管理される。充電電流及びウルトラキャパシタ電圧の両方が他の回路、例えばＥＭＳ回路によって測定されてもよいので、ＭＳＩＤは、最高の効率で動作可能である限りＵＣＣが降圧モード及び昇圧モードで動作することを保証するように、ＵＣＣ充電電流及びウルトラキャパシタ電圧を制御することができる。

所定の実施形態において、様々な回路又は部分回路は、電力を節約するために小電力スリープ状態に入ってもよい。いくつかの実施形態において、上記スリープ状態は、回路によってローカルに起動されるか、又は回路のディジタル監視装置によって起動される。いくつかの実施形態において、上記スリープ状態は、例えばＥＭＳ回路によって、集中管理的に起動される。この場合、それはモジュール式バス上で通信してもよく、ディジタル監視装置との間でデータを送受信してもよい。例えば、ＵＭＳ回路は、連続的に動作する必要はなく、断続的にのみ動作してもよく、いくつかの実施形態では、キャパシタのバランスを保つことが必要になったときだけ動作してもよい。ＵＭＳ回路は、キャパシタストリングの実質的にバランスのとれた状態を測定するか報告し、次に、上述した方法でスリープ状態に入ってもよい。概して、同様の方式が他の回路に同様に適用されてもよい。例えば、キャパシタストリングを充電する必要がない場合、ウルトラキャパシタ充電器はスリープ状態に入ってもよい。

ｉｉ．電力最適化

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、電力システムの電力を最適化するように構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、ＥＭＳ回路は、負荷要件の変更に合わせて出力電力能力をリアルタイムで調節することができる。ウルトラキャパシタは、所定範囲の電圧レベルを安全に貯蔵することができ、例えば、さらに、ウルトラキャパシタの個数及びサイズに依存する。高電圧レベルにおいて、ウルトラキャパシタの出力電力能力は増大される。すなわち、ウルトラキャパシタは、再充電される前に、長い時間期間にわたって大電力出力レベルを保持することができる。より低い電圧レベルでは、ウルトラキャパシタは、電力レベルの高さを保持することができないが、バッテリー寿命を延長するために全体効率は増大される可能性がある。

ｉｉｉ．電圧最適化

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、負荷にもたらされる電圧を最適化するように構成されてもよい。例えば、ＭＳＩＤ又はユーザは、所定の範囲内の電圧におけるより低い電力消費量を測定し、例えばバッテリー寿命を延長するために、上記範囲中で動作させることを選択してもよい。例えば、ＭＳＩＤは、５０〜１００Ｖ、４０〜５０Ｖ、３０〜４０Ｖ、２５〜３０Ｖ、２０〜２５Ｖ、１５〜２０Ｖ、１０〜１５Ｖ、０〜１０Ｖの範囲中の負荷電圧で動作させるように電力システムを制御してもよい。

ｉｖ．バッテリー寿命最適化

所定の実施形態において、ＭＳＩＤはバッテリー寿命を最適化するように構成されてもよい。例えば、所定の条件下では、バッテリーは、定常電流が流れるならば、断続的な大電流が流れる場合に対して、より長い寿命を提供する。他の条件下では、バッテリーは、パルス電流が流れるとき、高周波成分を含む電流が流れるとき、ゆるやかに変化する電流が流れるとき、上記の組み合わせなどで、より長い寿命を提供する。それ自体、所定の実施形態中で、これらの発見的方法は、バッテリー寿命のために最適化する目的でバッテリー電流を整形するために利用することができる。さらに、これらの発見的方法は、検出されたパラメータに基づいてリアルタイムで適用されてもよい、すなわち、最適なバッテリー電流消費量を決定する状態を決定することを含む。一例において、バッテリー電流は、リチウム塩化チオニルバッテリーにおけるカソードのフリーズオーバーを減少させるために高温において平滑化されるが、同じセルの不動態化の防止を促進するために低温においてパルスを含む。特定の実施形態において、ヒステリシス制御方式は、非ゼロの低いヒステリシスレベルで利用することができる。２つの非ゼロ電流状態の間で充電電流を変化させることによって、バッテリー電流消費量における大きくかつ高速に変化するずれが、バッテリー、例えばリチウム塩化チオニルバッテリーの健全性に与える悪影響を低減させながら、キャパシタ電圧の調整が達成されてもよい。概して、より滑らかな電流が流れることにより、電流及び伝導損失の間の２乗された関係に起因して、直列抵抗の態様を有するエネルギー源からエネルギーをより効率的に抽出できるようになる。

例示として、リチウム塩化チオニルバッテリーパックから、最初に、本明細書に開示されるような電力システムを使用して、オン−オフ電流方式で電流が引き出された。上記第１のテストでの上記バッテリーパックは、約２５６時間の寿命を達成した。第２のテストで、等価物なバッテリーパックから、本明細書に開示されるような電力システムを使用して、平滑化された電流の方式で電流が引き出された。上記第２のテストでの上記バッテリーパックは、約３６５時間の寿命を達成した。

所定の実施形態、すなわちバッテリー電流の態様の制御によるＭＳＩＤでは、バッテリー寿命は延長される可能性がある。所定の実施形態において、電力システムは上記ＭＳＩＤ及びＨＴＲＥＳを備える。

所定の実施形態において、バッテリー電流は、平均の＋／−５１％未満、例えば５０％未満例えば４０％未満例えば３０％未満例えば２０％未満例えば２０％未満例えば１０％未満の範囲内にあるように制御される。

所定の実施形態において、バッテリー電流は、約１０００ミリ秒（ｍｓ又はｍｓｅｃ）未満かつ最大で約５Ａのピークのパルス、例えば約５００ミリ秒未満かつ最大で２Ａのピーク、例えば約１００ミリ秒未満かつ最大で約１Ａのピークのパルスを含むように制御される。所定の実施形態において、バッテリー電流は、１Ａ／秒以下の速さで、例えば０．５Ａ／秒以下の速さで、例えば０．２５Ａ／秒以下の速さで、例えば０．１Ａ／秒以下の速さで、例えば０．０１Ａ／秒Ａ／秒以下の速さで変化するように制御される。

所定の実施形態において、バッテリー電流は、平滑化、パルス形成、又は波形整形のうちの１つを達成するように制御される。別の実施形態において、上記バッテリー電流は、測定された周囲条件に従って制御される。

所定の実施形態、すなわち、充電電流のヒステリシス範囲を狭くすることでＥＭＳ回路を介して電力システムを構成することによるＭＳＩＤでは、バッテリー電流は平滑化されてもよく、これによりバッテリー寿命は延長される。概して、より滑らかな電流が流れることにより、数学的には、電流及び伝導損失の間の２乗された関係に起因して、エネルギー源からエネルギーをより効率的に抽出できるようになる。

もう一つの実施形態において、電力システムは、ＥＭＳ回路を介して、線形フィードバック制御方式を使用して動作するように構成される。

ヒステリシス制御の実施形態及びリニア制御の実施形態の両方において、バッテリー化学、キャパシタ化学、及び電力回路の挙動に関する発見的方法は、システム性能をさらに改善するために実施することができる。

所定の実施形態において、損傷を受けたバッテリーは高い実効直列抵抗（ＥＳＲ）を示し、これは、その電力能力を低下させる。そのため、クロスオーバー回路と通信することによって、充電回路のバッテリー状態の情報を記録することができる。さらに、入力バッテリー電流及び入力バッテリー電圧の測定によって、バッテリーＥＳＲをＥＭＳ回路によって測定することができる。過大なＥＳＲが与えられたとき、ＥＭＳ回路は、電力取り扱い能力を改善するためにバッテリー供給を切り換えるようにクロスオーバー回路にコマンドを送ることができる。

図４０を参照して、有利な電力最適化及び効率特性を有する、本明細書に開示されたＭＳＩＤに基づく装置、システム、及び方法の所定の実施形態の一例が示される。図４０Ａは、本明細書に開示されたＭＳＩＤに基づく装置、システム、及び方法を組み込んでいない、典型的な坑井内ツールの電圧及び電流（すなわち電力）の挙動を示す図である。図４０Ａで示すシステムは、上に議論されたツールのような例示的な坑井内ツールを含み、これは、上に議論されたバッテリーのようなリチウム塩化チオニルバッテリーのバンクからなるバッテリーパックに接続される。電圧トレース４０１はバッテリーパックの出力電圧を示し、これは、坑井内ツールが電流をパルスとして引き出す場合、約３４Ｖのベースラインから約２６〜２８Ｖまで一時的に低下するように変動する。電流トレース４０２は、坑井内ツールによってバッテリーから引き出された電流をしめし、それは約５０ｍＡのベースラインから約２．３Ａのピーク電流パルスまで変動する。多数の例示的な坑井内ツールに典型的である、図４０Ａに示すパルス電力の挙動は、リチウム塩化チオニルバッテリーに損傷を与え、その結果、より短いバッテリー寿命をもたらす。

対照的に、図４０Ｂは、ＨＴＲＥＳ、具体的には本明細書に開示された高温ウルトラキャパシタのバンクを含む、本明細書に開示されるようなＭＳＩＤに基づく電力システムを組み込む同様のシステムの電圧及び電流（すなわち電力）の挙動を示す２つの図を提示する。図４０Ｂに示すシステムは、上に議論されたツールのような例示的な坑井内ツールを含み、これは、高温ウルトラキャパシタのバンクを含む、ＭＳＩＤに基づく電力システムに接続され、これは、本明細書に議論されたバッテリーのようなリチウム塩化チオニルバッテリーのバンクからなるバッテリーパックに接続されている。電圧トレース４０３はバッテリーパックの出力電圧を示し、それは、一貫して約２８Ｖであり、坑井内ツールに流れた電流に対応する一時的な電圧低下を含まない。同様に、電流トレース４０４は、バッテリーパックから引き出された一貫した出力電流を示し、それは約２００ｍＡである。電流トレース４０６は、坑井内ツールによってＭＳＩＤに基づく電力システムから引き出された電流を示し、それは約５０ｍＡのベースラインから約２．３Ａのピーク電流パルスまで変動する。図４０Ａに示すバッテリーパックの出力電圧と異なり、電圧トレース４０５として示したＭＳＩＤに基づく電力システムから出力電圧は、一貫して約２６Ｖである。この例示は、本明細書に開示されたＭＳＩＤに基づく電力装置、システム、及び方法の多数の実施形態の代表であり、本明細書に議論されるように、利用可能な坑井内バッテリー、発電機、及び他の電源を利用する既存の坑井内電力システムに対して、多数の最適化及び効率の利点を提供する。

ｖ．ＨＴＲＥＳ寿命最適化

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、ＨＴＲＥＳ（例えばウルトラキャパシタ）の寿命最適化を電力システムへ提供するように構成されてもよい。例えば、ＥＭＳ回路は、ＵＭＳ回路にデータ及びコマンドを伝えることができてもよい。これは、調整された出力電圧が最適化中に変化したときであっても、各セルを所望の電圧レベルへ調整するために有益である。さらに、ＵＭＳ回路は、モジュール式バスを介してＥＭＳ回路へセル健全性を報告する。１つ又は多数のキャパシタが損傷を受けたことをＵＭＳ回路が報告する場合、ＥＭＳ回路は、さらなる損傷を緩和し、かつシステム健全性を延長するように、制御方式を変更することができる。損傷を受けたセルは減少した容量を示す可能性があり、これにより、当該セルが周囲のセルより速く充電及び放電する。損傷を受けたセルは大きな漏れ電流を示す可能性があり、これにより、セルは絶えず放電し、より高い電圧を他のセルに取得させる。両方の場合において、キャパシタストリングをより低い電圧に充電することは有益である。そのため、例えばＵＭＳ回路と通信するＥＭＳ回路を構成することによって、電力システムを構成することによって、セルの損傷を隔離し、より低いキャパシタ電圧に調整してキャパシタ健全性を保存することが可能である。

ウルトラキャパシタのバランスを頻繁に調整することがシステム効率を低減させることにも注意すべきである。セルの受動的バランス調整は、過大な電流を抵抗素子に流れさせることでセル電圧を低減させる。さらに、能動的及び受動的なバランス調整は、複数のＭＯＳＦＥＴの頻繁なスイッチングを必要とし、追加の電力を消費する。従って、セルのバランス調整の必要性を低減させることによって、ＥＭＳ回路は、電力消費量を削減し、かつシステム効率を改善するのを支援することができる。

１つの実施形態において、電力システムは、以下の表１３で提供された性能特性の１つ又は複数を示すように構成される。明確さのために、この表に列挙したものは単に便宜的なものであり、各特性は本発明の別個の実施形態と考えられるべきである。

ｂ．大電力用途のための装置及びシステム

上述した利点を特徴とする上述した電力システムは、比較的に大きな電力、例えば、以前に利用可能であった電力システムを用いたときに実際に利用可能であった坑井のものより大きな電力を供給するように構成されてもよい。概して、電力源及び負荷の間で電力バランスを保持しなければならず、電力源が概して上記比較的に大きな電力を供給できないかもしれないので、大電力はパルス方式又は断続的な方式で提供されてもよい。より具体的には、例示として、本発明の電力システムは、第１の時間長にわたってＨＴＲＥＳを充電し、第２の時間長にわたって上記ＨＴＲＥＳから負荷にエネルギーを送って大電力を提供してもよい。本発明の電力システムを具体的には比較的に大きな電力について特徴づける態様は、高電圧及び低抵抗を含む。概して、大電力は高レートのエネルギー伝送に変換されるので、本発明の電力システムは、比較的に高いエネルギー容量のＨＴＲＥＳから利益を得てもよい。例えば、中間レート構成の８個のＤＤサイズのセルを備えた坑井内用途のための一次バッテリー、例えばリチウム塩化チオニルバッテリーは、最大で約１０〜５０Ｗの電力を提供してもよい。それに比べて、本明細書に開示されるようなＨＴＲＥＳを備える電力システムは、最大で約５０００Ｗまでの電力を提供してもよい。

大電力を供給することによって、本発明の電力システムは、より大きなシステムにおける共用電圧の電圧安定化効果と等価な効果を提供する。具体的には、大電力能力は低抵抗出力にによって可能にされ、低抵抗出力は、比較的に小さい電圧降下を結果的に生じさせながら、比較的に大きな電力出力を可能にする。例えば、本発明のＨＴＲＥＳは、約２８Ｖのストリング電圧及び約１００ミリオームの抵抗を有する、本明細書に開示されるような高温ウルトラキャパシタを備えてもよい。上記例示的な電力システムは、わずかに２Ｖの電圧偏差で約２０Ａの出力電流を供給してもよい。この例示において、結果として生じる電力は約５２０Ｗである。上記電圧安定化効果は、さらに、調整された電力変換器、例えば本明細書に開示されるような例示的な負荷変換器を使用することによる利益を得てもよい。所定の実施形態において、ＨＴＲＥＳは、本明細書で説明した１つ又は複数のウルトラキャパシタ、例えばウルトラキャパシタストリングを備える。そのようなウルトラキャパシタストリングは、所定の実施形態では、円形回路基板の外径に応じて決まる内径を有するハウジング内にはめこまれるように設計されている。ここで、ハウジングの外径は、ツールストリングによって収容されるように設計されている。従って、本明細書で説明するように、ＨＴＲＥＳが本発明のウルトラキャパシタで構成され、空間効率的なウルトラキャパシタストリングの向きで組織化される実施形態において、より大きな容量はより長いウルトラキャパシタストリングによって生成される。所定の実施形態において、ウルトラキャパシタストリングは１２個のキャパシタで構成される。

所定の実施形態において、本発明の電力システムは、最大で約５０００Ｗまでの電力を提供してもよく、例えば約１０００〜５０００Ｗの電力、例えば約５００〜１０００Ｗの電力、例えば約２５０〜５００Ｗの電力、例えば約１００〜２５０Ｗの電力、例えば約５１〜１００Ｗの電力を提供してもよい。

従って、本発明のもう一つの電力システムの実施形態は、坑井内環境において約１Ｗから約９９Ｗを供給する電源からの電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明するような空間効率的な向きで組織化されるウルトラキャパシタストリングと、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、例えば約１００Ｗ及び５００Ｗの間で、断続的な高出力パルスを供給するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。
所定の実施形態において、ＨＴＲＥＳは、約１〜１００００Ｆの容量が特徴である。
所定の実施形態において、コントローラは入力電圧より高い電圧において出力を駆動するように構成される。
追加の電力が大電力パルスによって供給される場合、バッテリー寿命を保持しながら負荷をより激しく駆動することが可能である。
例えば、この構成は、泥パルサー（例えばソレノイド又はモータに基づく泥パルサー）をより激しく駆動するために使用されてもよい。より激しい泥パルサーは、より鋭い圧力パルスをもたらし、かつ、潜在的により高速な地表へのデータ転送速度をもたらす。例えば泥パルステレメトリを用いて、バッテリー寿命を保持しながら、かつ、信号完全性を損なうことなく、例えば最大で２倍のデータ転送速度をもたらす。
もう一つの実施形態において、この電力システムにおける負荷はＥＭ送信機であってもよい。
もう一つの実施形態において、この電力システムにおける負荷はモータドライブ、例えばセンサレスブラシレスＤＣモータドライブであってもよい。

所定の実施形態において、電源は、バッテリーであってもよく、タービンにより電力供給されるＭＷＤ／ＬＷＤツールストリングであってもよい。

所定の実施形態において、入力電力は約１Ｗから約２０Ｗである。また、出力は、１００Ｗよりも大きく、例えば約１００Ｗから約５００Ｗである。

所定の実施形態において、入力電力は約２０Ｗから約５０Ｗである。また、出力は、１００Ｗよりも大きく、例えば約１００Ｗから約５００Ｗである。

所定の実施形態において、入力電力は約５０Ｗから約９９Ｗである。また、出力は、１００Ｗよりも大きく、例えば約１００Ｗから約５００Ｗである。

所定の実施形態において、本発明の電力システムは、共用電圧の電圧偏差を約５０％未満に、例えば約４０％未満に、例えば約３０％未満に、例えば約２０％未満に、例えば約１０％未満に保持しながら、最大で約５００Ｗを供給し、例えば最大で約２５０Ｗを供給し、例えば最大で約１００Ｗを供給することにより、より大きなシステムにおける共用電圧の電圧安定化効果をもたらす。

所定の実施形態において、本発明のシステムは、最大で約４００００フィートの深さの坑井において、例えば最大で約３００００フィート、例えば最大で約２００００フィート、例えば最大で約１００００フィートの深さの坑井において、ＥＭテレメトリを行う。

所定の実施形態において、本発明のシステムは、最大で約１００Ｈｚの送信周波数において、例えば最大で約７５Ｈｚ、例えば最大で約５０Ｈｚ、例えば最大で約２５Ｈｚ、例えば最大で約１５Ｈｚの送信周波数において、坑井のＥＭテレメトリを行う。

所定の実施形態において、本発明のシステムは、最大で約４００００フィートの深さの坑井において、例えば最大で約３００００フィート、例えば最大で約２００００フィート、例えば最大で約１００００フィートの深さの坑井において、泥パルステレメトリを行う。

所定の実施形態において、本発明のシステムは、最大で約４０Ｈｚの送信周波数において、例えば最大で約３０Ｈｚ、例えば最大で約２０Ｈｚ、例えば最大で約１５Ｈｚ、例えば最大で約１０Ｈｚの送信周波数において、坑井の泥パルステレメトリを行う。

１つの実施形態において、電力システムは、以下の表１４で提供された性能特性の１つ又は複数を示すように構成される。明確さのために、この表に列挙したものは単に便宜的なものであり、各特性は本発明の別個の実施形態と考えられるべきである。

１つの実施形態において、電力システムは、上の表１４で提供された性能特性の１つ又は複数を示すように構成される。明確さのために、この表に列挙したものは単に便宜的なものであり、各特性は本発明の別個の実施形態と考えられるべきである。

ｃ．断続的な電源用途のための装置及びシステム

動作のための電力を必要とする坑井内環境中の用途であって、そのような電力は断続的に中断される（例えば、タービンを通る泥の流れから電力を発生するＭＷＤ／ＬＷＤツールストリングによって電力が供給され、ツールストリングの調整を行うためにそのような泥の流れが止められる）用途において、電力を負荷に供給するように構成された本発明の電力システムは、ＨＴＲＥＳに格納されたエネルギーを負荷へ送ることで、断続的電源バッファとして動作するように構成されてもよい。概して、比較的長い期間（例えば５〜１０分）にわたる電力供給の中断は、エネルギーバッファの高い累積的なエネルギー必要量をもたらすので、本発明の電力システムは、比較的高いエネルギーのＨＴＲＥＳ、例えば約１〜５Ｗｈのエネルギー貯蔵装置を有するもの）によって支援されてもよい。そのようなシステムは負荷ドライバ回路の使用で支援されてもよい。

そのため、本発明のもう一つの電力システムの実施形態は、ＨＴＲＥＳに格納されたエネルギーを負荷に送ることで、断続的な電源、例えば所定期間にわたって電力供給を止める電源からの電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば、本明細書で説明するように空間効率的な向きで組織化されるウルトラキャパシタストリングと、
オプションの負荷ドライバ回路と、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲中の動作に適合される。

１つの実施形態において、本明細書に開示された装置及びシステムは、電力システムの構成要素として構成されたＭＳＩＤを備える。１つの例示において、ＭＳＩＤはさまざまな回路を備えてもよい。非限定的な例示は、接続回路、少なくとも１つのセンサ回路、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、切り換え回路、充電状態回路、及び電子管理システム回路を含む。

１つの実施形態において、上記ＭＳＩＤは、接続回路、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、及び電子管理システム回路を備える。

いくつかの実施形態において、ＭＳＩＤはモジュール式回路基板を備える。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形である。別の実施形態において、モジュール式回路基板はスタックされている。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形であり、かつスタックされている。

所定の実施形態において、電源は、ワイヤーライン電源、バッテリー、又は発電機の少なくとも１つを備える。

所定の実施形態において、電源は少なくとも１つのバッテリーを備える。この実施形態中で、ＭＳＩＤは、特に電源がバッテリー以上のものを備える場合、クロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態において、ＭＳＩＤは充電状態回路基板をさらに備える。

所定の実施形態において、電源は、ワイヤーラインと、少なくとも１つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。この実施形態において、ＭＳＩＤはクロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態において、ＭＳＩＤは充電状態回路をさらに備える。

所定の実施形態において、電源は発電機を備える。

所定の実施形態において、電源は、発電機と、少なくとも１つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。この実施形態において、ＭＳＩＤはクロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態において、ＭＳＩＤは充電状態回路をさらに備える。

所定の実施形態において、回路基板は多機能の回路基板を提供するために組み合わされてもよい。

従って、もう一つの実施形態では、本発明は、
約１Ｗ〜約５００Ｗを供給する電源、例えば坑井内タービンと、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明するように空間効率的な向きで組織化される１〜１００個のウルトラキャパシタセルを備えてもよいウルトラキャパシタストリングと、
オプションの負荷ドライバ回路と、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備える断続的電源バッファに関し、
上記コントローラは、電力を供給するように構成された少なくとも１つのモジュール式回路を備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。
所定の実施形態において、この電力システムは負荷に印加されてもよい電気的な出力を発生したと考えられてもよい。
所定の実施形態では、コントローラは本発明のＭＳＩＤである。

所定の実施形態において、電力は、負荷の寿命のために、５００時間を超える時間にわたって、例えば約５００時間から約１０００時間、例えば約１０００時間から約１５００時間を超える時間にわあって断続的に供給されてもよい。

所定の実施形態において、断続的電源バッファは、例えば負荷の要件に基づいて選択された、所定範囲の電圧出力を供給してもよい。

ｄ．ＥＭテレメトリのためのシステム

ノイズのある地層又は非常に損失の大きい地層を通して送信する場合、テレメトリの主要な挑戦は高い信号対雑音比を保持することにある。高抵抗の地層のような損失のある地層は、信号の伝搬時に減衰させ、その結果、減少した信号振幅及び従ってより小さな信号対雑音比をもたらす。過大な外部ノイズはテレメトリ信号と合成され、受信された信号中のノイズを増大する。受信機において減少した信号対雑音比を補償するために、より遅いデータビットレートがしばしば使用され、場合により、追加のパリティ又は冗長ビットとともに使用される。受信機は、全体的なノイズ成分の量を低減させるために帯域制限されてもよく、帯域制限はデータ転送速度による下限であり、したがって、より低いデータ転送速度は、受信機の態様において、より少ない全体的なノイズ成分の量を可能にする。受信機において減少した信号対雑音比を補償する他の方法は、送信された信号の態様の大きさを増大することを含む。

大電力を供給するように構成された電力システムと関連する出力テレメトリ増幅器は、多くの異なるシナリオで汎用増幅器として利用されてもよい。１つの特定の実施形態において、この構成は、抵抗性負荷を介してテレメトリ信号を送信するために使用されてもよい。もう一つの用途において、モータ又はリニアアクチュエータのような誘導性負荷のために同じパワーアンプ構成を利用してもよい。

そのため、本発明のもう一つの電力システムの実施形態は、ＨＴＲＥＳに格納されたエネルギーを負荷に送ることで、大電力又は高電圧テレメトリを行うように適合した電力システムを提供し、上記システムは、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明するように空間効率的な向きで組織化される１〜１００個のウルトラキャパシタセルを備えてもよいウルトラキャパシタストリングと、
オプションの負荷ドライバ回路と、
増幅器回路と、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、
上記システムは、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。
いくつかの実施形態において、増幅器回路は当該技術において既知のＤ級回路である。

従って、もう一つの実施形態では、本発明はテレメトリ装置に関し、上記装置は、
電源と、
ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明するように空間効率的な向きで組織化される１〜１００個のウルトラキャパシタセルを備えてもよいウルトラキャパシタストリングと、
オプションの負荷ドライバ回路と、
増幅器回路と、
エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、
上記装置は、摂氏約７５度から摂氏約２１０度までの間の温度範囲で動作するように適合される。
所定の実施形態では、コントローラは本発明のＭＳＩＤである。
所定の実施形態において、増幅器はＤ級増幅器である。

所定の実施形態において、Ｄ級増幅器は、情報を地表に無線送信するように構成されたダイポールアンテナ又は少なくとも１つの電極に接続される。特定の実施形態では、例えば１２ＨｚのＥＭテレメトリ信号は、現在この目的で使用される既知の線形増幅器で生成された信号と比較して、より大きな電力、電圧、及び／又は電流を特徴としてもよい。

所定の実施形態において、増幅器を備える電力システムは、アンテナ及び従来のＥＭモジュールの間のツールストリングに物理的に配置される。

所定の実施形態において、電力システムはテレメトリ信号を受信するように構成される。いくつかの例示ではコントローラが、別の例示では具体的にいうとＥＭＳ回路が、上記受信されたテレメトリ信号を解釈するように構成される。

所定の実施形態において、全体的なツールストリングアーキテクチャは、アンテナと、ツールストリングの従来の態様、例えば、従来のＥＭ変調器、ＭＷＤ又はＬＷＤのツールストリング内の他のモジュールとの間の中断された接続によって簡単化されてもよい。中断された接続は、増幅器を備える電力システムを備えてもよい。例えば、この構成において、従来のＥＭモジュールによってもたらされた信号は、増幅器を備える電力システムへの入力信号として作用してもよく、電力システムは、上記入力信号の増幅されたバージョンを負荷、例えばアンテナに供給してもよい。さらに、電力システムが、アンテナによって、遠隔した場所、例えば地表から信号を受信するように構成される場合、電力システムは、この構成中のアンテナから信号を直接的に受信してもよい。遠隔した場所から受信された信号が制御指令として意図される場合、増幅器を備える電力システムの態様、すなわち、電力システムは、ツールストリングの他の態様が影響されないような方法で、上記制御指令に応答することができる。

所定の実施形態において、増幅器回路は、電力変換負荷ドライバ回路と組み合わされて１つの組み合わせ回路を提供してもよい。

テレメトリ信号の態様、例えば、電力、電圧、又は電流を増幅することによって、多数の利点が実現されうる。例えば、他の点では固定された条件下では、テレメトリ信号の増幅された態様は、受信された信号のより高い信号対雑音比をもたらす可能性がある。信号対雑音比がより高くなると、信号が検出可能な最小信号に低下するまで、トレードオフが生じる可能性がある。さらに、テレメトリ信号の減衰は、地層の範囲又は深さ、周波数、及び地層の構成に依存する他の複雑なパラメータを増大させる可能性がある。例えば、システムは、より長い範囲にわたる送信、例えばより深い坑井からの送信を可能にしてもよく、より頑健な送信、例えば問題のある地層を通る場合に必要になる送信を可能にしてもよく、及び／又は、より高速な伝送レート、例えば送信周波数を増大することによる送信を可能にしてもよい。より高いデータ伝送レートは、最終的には、掘削動力学をより高速に伝達して掘削を最適化することを含む、より高速でより安全な掘削のための手段を提供する。

所定の実施形態において、大電力は、主として、低いインピーダンス高電圧ＨＴＲＥＳの使用と、電力回路の効率的な動作とを通じて達成される。

所定の実施形態において、増幅器を備える電力システムは、２つの基本的ファクタ、すなわち、（１）電源の大電力バッファリングを行う比較的に大電力（低抵抗）のＨＴＲＥＳを含むこと、及び／又は、（２）典型的には約２０％及び４０％の間の全体効率を示す線形増幅器を、典型的には約８０％及び９８％の間の全体効率を示すスイッチモード増幅器で置き換えることによって高性能を達成してもよい。

高抵抗の地層を考慮すると、大電力伝送を達成する１つ方法は、大きな電圧振幅を有する信号で地層を駆動することである。低抵抗の地層を考慮すると、大電力伝送は、大電流の配送で達成されてもよい。したがって、所定の実施形態において、増幅器の出力は高電圧及び低インピーダンスの両方である。所定の実施形態において、増幅器は調整可能な態様を有する。調整可能な態様は、電圧、電流、電力、周波数、位相などから選択可能である。増幅器が調整可能な態様を有する所定の実施形態において、上記態様は、条件、例えば、受信機における信号完全性、又は電力システムによる電力消費量を最適化するためにランタイムに調節されてもよい。所定の実施形態において、本発明のシステムは、最大で約４００００フィートの深さの坑井において、例えば最大で約３００００フィート、例えば最大で約２００００フィート、例えば最大で約１００００フィートの深さの坑井において、ＥＭテレメトリを行う。

所定の実施形態において、本発明のシステムは、最大で約１００Ｈｚの送信周波数において、例えば最大で約７５Ｈｚ、例えば最大で約５０Ｈｚ、例えば最大で約２５Ｈｚ、例えば最大で約１５Ｈｚの送信周波数において、坑井のＥＭテレメトリを行う。

ｅ．データ記録及び報告

１つの実施形態において、本明細書に開示されたＭＳＩＤは、例えばＭＷＤ又はＬＷＤ又は他の用途において、例えばデータ記録及び／又は報告のために構成された、データシステムの構成要素として有用である可能性がある。この実施形態において、データシステムは、１つ又は複数のセンサ回路基板、接続回路基板、ＥＭＳ回路、少なくとも１つのメモリ又はメモリ回路、及びその任意の組み合わせから選ばれたモジュール式回路基板を備えている可能性があるＭＳＩＤを備えてもよい。例えば、上記接続回路基板は外部コンピュータ／ネットワークと通信するように適合されてもよい。所定の実施形態中で、データシステムは、ウルトラキャパシタ充電器、ＨＴＲＥＳ、及び電力を受ける電力インターフェースから選択された回路をさらに備えてもよい。

ＭＳＩＤは坑井内状態をモニタリングし、また、ＭＳＩＤは、ログをメモリに記録するように、及び／又は、データ及びパラメータ、例えば、警告レベル、坑井内衝撃のレベル、振動、スティックスリップ、温度、又は他のそのような測定値をリアルタイムで通信するように構成されることが可能である。所定の利点は、ツールストリング損傷及び故障した坑井のリスクを防止又は緩和する能力、説明目的でデータを記録する能力、修理及び保守又はサービスの目的でデータを記録する能力、掘削動力学に例えばリアルタイムで影響する能力を含むが、ただしこれらに限定されない。これにより、掘削は、増大した効率、低減した衝撃、増大した貫通レート（ＲＯＰ）、増大したビット性能、低下した非生産時間（ＮＰＴ）コスト、減少した流体キック及びフラクチャーで行われてもよい。例えば、ドリルビットが抑留してビットが掘削及び回転し続ける場合、その結果として、例えば、増大した衝撃、損傷に起因して低下したビット性能、及び増大したＮＰＴコストが生じるとともに、電子ツールストリング全体への潜在的な損傷が生じる可能性がある。

従って、ＭＳＩＤは、例えばアンダーバランス掘削又はエアドリリングの影響に関連しうる、衝撃、振動、ビット荷重（ＷＯＢ）、ビットトルク（ＴＯＢ）、圧力及び温度、また坑サイズのような１つ又は複数の状態をモニタリングしてもよい。ある場合には、アンダーバランス又はエアドリリングにおける所定の状態が増幅され、例えば、衝撃及び振動の減衰量はそれらの場合に概してより小さくなる。所定の実施形態中で、そのような坑井状態をモニタリングすることにより、掘削者が、掘削パラメータの有効性を増大することを可能にし、また、例えば、ツールストリングの疲労、故障の徴候となる動作不良、抑留したパイプ、キック、坑井内バッテリーの穴あき、失われた循環、などのリスクを減らすことを可能にする。所定の実施形態中で、ＭＳＩＤ、例えば、本明細書で説明したハウジングの内部に配置されたＭＳＩＤは、ツールストリング又はビットのカラーに位置する。所定の実施形態において、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたＭＳＩＤは、改善された置換経済のために、坑井内ツールの増大した信頼性、改善された方向性のサービス、及び／又はツール上の摩耗の改善されたトラッキングのうちの１つ又は複数を提供してもよい。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、３つの横方向の自由度、ｘ、ｙ及びｚと、これらの各軸のまわりの回転ｘ _ｒ 、ｙ _ｒ 、及びｚ _ｒ とからなる６つの自由度を利用可能にするユニークな構成のセンサ回路基板を使用することに基づいて測定値を提供するように構成される。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、坑井内ＲＰＭ測定値、例えば、ツールストリング又はビットの回転速度、ビット荷重測定値、及びビットトルク測定値を提供するように構成される。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、坑井内ＲＰＭ測定値、例えばツールストリング又はビットの回転速度を提供するように構成される。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、ビット荷重測定値及びビットトルク測定値を提供するように構成される。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤはビットトルク測定値を提供するように構成される。

所定の実施形態において、電源はワイヤーライン電源を備える。

所定の実施形態において、電源は発電機を備える。

所定の実施形態において、電源はバッテリーを備える。

所定の実施形態において、電源は２つのバッテリーを備える。所定の実施形態において、ＭＳＩＤはクロスオーバー回路基板をさらに備えてもよい。特定の実施形態において、ＭＳＩＤは充電状態回路基板をさらに備えてもよい。

所定の実施形態において、電源は、ワイヤーライン電源と、少なくとも１つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーを備える。この実施形態において、ＭＳＩＤはクロスオーバー回路基板をさらに備えてもよい。特定の実施形態では、ＭＳＩＤは、接続回路基板に電気的に接続された充電状態回路基板をさらに備える。

所定の実施形態において、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたＭＳＩＤは、それのみで、すなわちＨＴＲＥＳなしでハウジングに配置される。

所定の実施形態において、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたＭＳＩＤは、ＨＴＲＥＳ、例えば本明細書で説明した１つ又は複数のウルトラキャパシタとともにハウジングに配置される。例えば、ＭＳＩＤは、例えばバックアップ電源として使用するための、本明細書で説明した１〜１００個のウルトラキャパシタセルを備えてもよいウルトラキャパシタストリングとともにハウジングに配置されてもよい。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、モジュール式接続、例えば普遍的なコネクタピン構成により、外部構成要素に接続されている。

ＭＳＩＤの概略構成について上述したように、ＭＳＩＤは、スタックされた回路基板、例えばスタックされた円形回路基板と、モジュール式バスとを用いて構成されてもよい。ある実施形態では、このＭＳＩＤは、例えば本明細書で説明した改良型ポッティング技術を用いて、ポッティング又は封止による利益を受けてもよい。

所定の実施形態において、モジュール式基板は円形であり、例えば、１．５インチ未満の直径を有し、例えば１．４９インチ未満、例えば１．４８インチ未満、例えば１．４７５インチ未満、例えば１．４インチ未満、例えば１．３７５インチ未満、例えば１．３インチ未満、例えば１．２７５インチ未満、例えば１．２５１インチ未満の直径を有する。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤ（例えば、ハウジングに配置された）は、既知の標準に比較して比較的小さい可能性があり、例えば長さ１２インチ未満、例えば長さ１１インチ未満、例えば長さ１０インチ未満、例えば長さ９インチ未満、例えば長さ８インチ未満、例えば長さ７インチ未満、例えば長さ６インチ未満、例えば長さ５インチ未満、例えば長さ４インチ未満であってもよい。このとき、上記ＭＳＩＤは、ドリルストリング又はツールストリングに沿って様々な場所において容易に配置されてもよい。このように、複数のＭＳＩＤは、例えば、ドリルストリング又はツールストリングの長手方向に沿って変動する坑井内状態を示すために使用されてもよい。そのような空間的測定値は、とりわけ、やっかいな刺激の発生源を位置決めして区別すること、例えば、ドリルストリング又はツールストリング自体の態様であるのか、それとも地層又は坑井の他の構成要素の態様であるのか、それとも上記態様間の相互作用の態様であるのかを区別すること、様々な刺激へのツールストリングの空間的応答を特徴づけること、さらに、スティックスリップ又はワーリングのような潜在的に危険な坑井内効果を識別するか又はシステムの弱い態様を識別することに有用である可能性がある。上記に複数ＭＳＩＤから受信されたデータを組織化するために、データバス上で識別情報又はアドレスが割り当てられてもよく、その情報の送信を、上記識別情報又はアドレスと関連して、及び／又は上記識別情報又はアドレスに関連する情報への要求に応答して、又は上記識別情報又はアドレスを有するＭＳＩＤに割り当てられた所定の時間又は周波数のスケジュールに従って行ってもよい。

ある実施形態において、ＭＳＩＤは、坑井内状態の記録及び／又は報告を行ってもよい。概して、記録することは、データ又は情報をメモリに格納することを要する。特定の実施形態では、ＭＳＩＤは、後の時点で、例えばいったんＭＳＩＤが地表に現れたときに、メモリが問い合わせを受けるように構成されてもよい。代替として、報告は、坑井内環境から遠隔した場所へ、例えば地表へデータを送信することを要してもよい。上記報告は、実質的にほぼリアルタイムで、又は所定の遅延を有して達成されてもよい。報告機能は、記録機能をさらに有するシステムに存在してもよい。報告機能は、記録機能を補足してもよく、例えば、報告は、システムがまだ坑井内にある間に以前に記録された情報を報告するためにローカルメモリに問い合わせてもよい。

所定の実施形態において、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたＭＳＩＤは、ツールストリングデータバスに接続されてもよい。このように、ＭＳＩＤは、ツールストリングに既に又はさもなければ組み込まれたテレメトリシステムによって起こる送信を例えば使用して、地表に送信される情報を提供してもよい。例えば、ツールストリングマイクロプロセッサ装置（ＭＰＵ）モジュールは、ＭＳＩＤから発信されたデータバス信号を解釈し、それらを泥パルステレメトリシステムへ入力してもよい。その後、泥パルステレメトリシステム及び特に泥パルサーは、当該産業において既知の泥パルステレメトリによって、データを地表システムに送信してもよい。代替の実施形態において、ＭＳＩＤから情報は、当該産業において既知の電磁（ＥＭ）テレメトリを利用してもよい。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、ツールストリングの任意の部分における故障を、例えばリアルタイムで検出するのに有用な回路を備えてもよい。特定の実施形態において、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたＭＳＩＤは、この故障を検出するためにツールストリングデータバスに接続されてもよい。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、地表への「割り込み型」テレメトリ方式を行ってもよい。これらの例示において、情報は、例えばツールストリングテレメトリにてこ入れする方法、例えば当該技術において公知の方法又は本明細書で説明する方法によって、地表に送信されてもよい。割り込み型通信方式は、地表への通常のデータ伝送、例えば掘削動作を継続するために必要とされるデータ伝送を無視して行われてもよい。この方法で、例えば掘削動作を停止することによって対処されるべき坑井内状態（危険な状態）の警告は、例えば掘削動作に必要な情報又は電力を遮断することによって、オペレータに掘削動作を停止させてもよい。掘削オペレータは、危険な状態をもたらす状況を改善し、その後、掘削を継続してもよい。このように、坑井内システムの全体的な信頼性は改善される可能性がある。さらに、所定の実施形態において、推奨される実行からのずれが記録されてもよい。

割り込み型通信を用いる所定の実施形態において、地表に送信されたデータは、所定の状態を示す警告情報もしくは生データ、又はさもなければ、設計者もしくはユーザによって有用であると考えられた方法でパラメータ化又は構成されたデータを含んでもよい。例えば、複数のレベルの連続的な振動は、激しさのレベルを示す複数の警告レベル又は警告信号にマッピングされてもよい。同様に、衝撃、温度、ビットトルク（ＴＯＢ）もしくはビット荷重（ＷＯＢ）における異常、又は危険かもしれない他の坑井内影響のレベルは、複数の警告レベル又は警告信号にマッピングされてもよい。危険かもしれない坑井内影響の例は、スティックスリップ、ワーリング、又はドリルパイプの曲げ、あるいは当該技術において認識される他の坑井内影響を含む。

さらに、割り込み型テレメトリを用いる所定の実施形態において、坑井内状態の組み合わせは、その全体として、増大した警告レベルに寄与する可能性があり、例えば、比較的に高い温度、例えば摂氏１５０度を超える温度と、比較的高いレート及び大きさの衝撃、例えば毎秒１００カウント（ｃｐｓ）のレートかつ５０Ｇを超える衝撃との組み合わせは、それらの一方のみに係る測定値よりも深刻な警告レベルを示す可能性がある。上記測定値の時間積分は、増大する警告レベルを示す可能性があり、例えば、合計１００時間にわたる２０Ｇｒｍｓの連続的な振動は、例えば合計１０時間にわたる２０Ｇｒｍｓの連続的な振動よりも深刻な警告レベルを示す可能性がある。そのため、上記警告レベルは時間の経過につれて増大する可能性がある。１つの例示的な警告方式において、深刻さのレベルを示すために、又はより明示的に、掘削動作を停止させることのような推奨される行為を示すために、整数、例えば１から４の間の整数が送信されてもよい。警告レベルは、例えば「赤」、「黄」、又は「緑」の警告レベルが例えば「掘削を停止する」、「注意して進む」、又は「通常通りに進む」をそれぞれ示すということを、地表システムによって直観的に解釈可能である。

ＭＷＤ又はＬＷＤのデータ記録及び／又は報告で使用するように本明細書に例示されたが、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたＭＳＩＤは、振動及び衝撃を測定する能力が有益である任意の過酷な環境、例えば坑井内環境において使用されてもよく、例えば、重い製造機器、飛行機、自動車、列車のエンジン区画、又はエネルギー発生プラント／タービンにおいて使用されてもよい。

さらに、本明細書では円形ハウジングの実施形態を使用して説明したが、データ記録及び／又は報告を行うように構成されたＭＳＩＤは、ツールストリング又はドリルストリングのカラーで使用するのに十分な他の形状のハウジングで使用されてもよい。例えば、リング形状の回路基板は、カラーが装着されたツール中の環状キャビティに配置されてもよく、従来の形状、例えば長方形の回路基板が上記キャビティにおいて、いくつかの例では軸方向に配置されてもよい。上記回路基板は、いくつかの例では、モジュール式バス又はその構成要素を備えてもよい。上記回路基板はスタックされてもよく、例えば、リング形状の回路基板が環状キャビティにおいてスタックされていてもよい。カラーに配置されたＭＳＩＤは、例えば、カラーが装着されたハウジングの一部に少なくとも１つの歪みゲージを配置し、上記少なくとも１つの歪みゲージを上記ＭＳＩＤへ測定目的で接続することで、ＴＯＢ及びＷＯＢを決定する助けとなる測定値にアクセスするのに特に有用である可能性がある。

ｉ．データ記録及び報告のためのセンサ回路基板

本発明のＭＳＩＤは、坑井内状態又は坑井内ツールの向きの測定のために１つ又は複数のセンサ回路基板を備える。そのような回路基板は、以下の構成要素のうちの１つ以上を備えてもよく、これらに接続されてもよい：坑井内状態又は坑井内ツール、例えばツールストリングもしくはドリルビットの向きを測定するのに有用である、加速度計、磁力計、ジャイロスコープ、温度センサ、圧力センサ、歪みゲージのうちの少なくとも１つ。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、ある軸に関するツールストリングの回転レートを決定することができる。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、いくつかの実施形態中の重力の影響を説明することができる。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、いくつかの実施形態中で、当該技術において坑井内の横方向の振動として認識されている「ワーリング」の影響を説明することができる。

概して、ＲＰＭで測定された、ドリルストリング回転レートのねじれ方向の加速度及び時間領域の測定値はいずれも、スティックスリップ及びワーリングのような潜在的に危険な坑井内影響を示してもよい。スティックスリップは、ドリルストリング、通常はツールストリングの態様の回転レートの変化を示すパラメータである。スティックスリップは、ツールに損傷を与える可能性があり、非効率的な掘削を示す可能性もある。したがって、スティックスリップを報告又は記録すること及び／又は報告することによって、ＭＳＩＤは、掘削者が、掘削機器を保護し、掘削効率を改善できるようにする。

例えば、スティックスリップ（すなわち、ドリルストリングの長手方向に沿ってねじれエネルギーを増大させることへの反応）は、ツールストリング又はドリルストリングの接線方向の成分を有する少なくとも１つの測定軸を有する、半径方向にオフセットされた加速度計によって、時間的に変動しかつ多少周期的なねじれ方向の加速度によって測定されてもよい。代替として、スティックスリップは、時間的に変化する回転レートで、例えば周期的に変化する回転レートで、ＲＰＭで測定されてもよい。回転レートは、ツールストリング又はドリルストリングの半径方向の成分を有する少なくとも１つの測定軸を有する、半径方向にオフセットされた加速度計によって、求心加速度を測定するように構成された加速度計で測定されてもよい。回転レートは、ねじれ方向の加速度を積分することによって決定されてもよい。いくつかの例示において、穏やかなスティックスリップは、ほぼ平均の回転レート未満の回転レートの変動によって示されてもよく、いくつかの例では、中程度ないし明白な程度のねじれ振動と呼ばれることがある。上記例示では、より激しいスティックスリップは、ほぼ平均の回転レートよりも大きな回転レートの変動によって示され、いくつかの例では、有意ないし激しいスティックスリップと呼ばれることがある。いくつかの例示において、スティックスリップ及び他の影響の激しさのレベルは、単に、ねじれ方向の加速度のレベルによって示されてもよい。本明細書の所定の実施形態において、ねじれ方向の加速度は、接線加速度の測定値及び／又は求心加速度の測定値（後者は、ねじれ方向の加速度を決定するために時間微分の影響を必要とする）によって決定されてもよい。

本発明の１つの実施形態において、ＭＳＩＤは加速度計に基づく振動検出及び／又は衝撃検出を測定するのに十分なセンサ回路基板を含む。所定の実施形態において、ＭＳＩＤセンサ回路基板は、６自由度で、加速度、例えば衝撃及び振動を検出すように構成される。所定の実施形態において、ＭＳＩＤセンサ回路基板は、例えば約１０００Ｇ未満の検知可能な衝撃の範囲で、衝撃を検出するように構成される。

ある実施形態において、センサ回路基板は１つの加速度計を備えてもよい。所定の実施形態において、センサ回路基板は複数の加速度計を備えてもよい。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、２つのセンサ回路基板の組み合わせを備える。そこにおいては１つのセンサ回路基板は１つの加速度計を備える。また、第２のセンサ回路基板は２つの加速度計を備える。特定の実施形態において、３つの加速度計が図３８Ｂによれば構成されてもよい。センサ回路基板のこの構成は、３つの並進方向（軸方向又は横方向）の自由度（ｘ、ｙ及びｚ）と、３つの回転自由度（これらの各軸のまわりに回転、ｘ _ｒ 、ｙ _ｒ 、及びｚ _ｒ ）とからなる、６自由度（６−ＤＯＦ）を利用可能にする。並進方向の加速度は、単一の３軸加速度計で測定することができる。３自由度の回転方向の加速度を測定するために、２つの平行な加速度の軸の間の差が計算されてもよい。図３８Ｂは、６−ＤＯＦの測定に適したサンプルの向きを示す。

従って、所定の実施形態において、本発明のシステムは、６自由度の加速度測定を行うセンサの構成を備える。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、回転を測定するように構成された少なくとも１つのセンサ回路基板を備える。図３８Ｂは、回転ｘ _ｒ が、Ａ１及びＡ３のｙベクトルの差によって計算されてもよく、回転ｙ _ｒ が、Ａ１及びＡ３のｘベクトルの差によって計算されてもよく、回転ｚ _ｒ が、Ａ１及びＡ２のｘ加速度ベクトル間の差によって計算されてもよいことを示す。さらに、中央のｚ軸のまわりのドリルストリングの回転速度は、求心加速度に直接に関係がある。求心加速度は、半径方向を向いた成分を有する少なくとも１つの測定軸を有するセンサ、例えば図３８ＢのＡ３によって測定されてもよい。

図３８Ａに、求心加速度によって回転速度を決定することに適したもう一つの例示構成を示す。図３８Ａにおいて、放射方向の加速度測定は、Ａ１及びＡ２の放射方向の成分の間の差として、さらに、Ａ１及びＡ３の放射方向の成分の間の差として行われてもよい。直交配置と、余分な放射方向の測定とにより、測定の不確実性をより少なくしながら、４つの加速度成分からｚ軸のまわりの角速度を分離することができる。

このように、１つの実施形態中で、本発明は、データ記録及び／又は報告を行うように構成され、３軸方向の加速度計の構成を備えたＭＳＩＤを提供する。この３軸方向は、例えば２つの加速度計を備える少なくとも第２のセンサ回路基板に電気的に接続された、少なくとも１つの加速度計を有する第１のセンサ回路基板で構成される。上記第２の基板における上記２つの加速度計のうちの１つは、第１のセンサ回路基板における加速度計と軸方向に整列する。

概して、異なる加速を測定するために異なる加速度計を使用すること、例えば回転速度を測定するために使用されるもの、振動を測定するために使用されるもの、及び衝撃を測定するために使用されるものを使用することが有利である可能性がある。これらの３つの例示は、概して、掘削用途においてそれらの典型的な加速度の範囲について異なり、例えば、回転速度を決定するために使用されうる求心加速度は約０から約５Ｇの範囲を有する可能性があり、振動は、それが並進方向であるか回転方向であるかに関わらず、約０から約５０Ｇの範囲を有する可能性があり、衝撃は、それが並進方向であるか回転方向であるかに関わらず、約０から約数千Ｇの範囲を有する可能性がある。概して、加速度測定装置（例えば加速度計）は、範囲及び分解能の間でトレードオフを有し、例えば、１０００Ｇの範囲を有する加速度計は、約５Ｇの分解能を有する可能性があり、その一方で、５Ｇの範囲を有する加速度計は、約１００ミリＧ（「ｍＧ」）の分解能を有する可能性がある。典型的には、より大きな範囲を必要とする測定は、分解能における要件を緩和した。さらに、様々な加速度計は、様々な周波数応答の態様、例えば帯域幅仕様によって特徴付けられる。一例として、振動及び衝撃の測定は、概して、中程度ないし広い帯域幅と、中程度ないし大きなｇの加速度計とを必要とし、特に、衝撃の測定は、概して、広帯域及び大きなｇの加速度計を必要とする。一方、ＲＰＭの測定は、概して、小さなｇの加速度計を必要とし、広帯域を必要としない。小さなｇの加速度計は、期待される放射方向の加速度範囲にわたって高分解能のアナログ・ディジタル変換を達成するために有用である。狭帯域幅の加速度計を用いて、より大きな電力効率及び信号対雑音比を達成することができる。これらの測定に有用な小さなｇ、狭帯域幅、及び高分解能の加速度計は、米国マサチューセッツ州ノーウッドのアナログ・デバイセズ・インコーポレイテッドから、例えば部品番号ＡＤ２２２９３Ｚとして入手可能である。さらに、衝撃及び振動の両方の範囲及び分解能の間で妥協点を提示する加速度計は、アナログ・デバイセズ・インコーポレイテッドから、（例えば部品番号ＡＤＸＬ３７７ＢＣＰＺ−ＲＬ７として入手可能である。要約すると、様々な性能の態様を有する様々な加速度計は、本明細書で説明した様々な量又は影響を測定するために使用されてもよい。ある場合には、少なくとも１つの加速度計が「２重に使用される」、すなわち、１つ以上の量又は効果を測定するために使用される。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、少なくとも１つの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを備えるセンサ回路基板を備える。例示的なセンサは、回転レートセンサ又はジャイロスコープ又はジャイロスコープを含む。他の例示的なセンサは、加速度計、慣性計測装置、慣性センサ、トルクセンサ、マイクロホン、及び温度センサを含む。本開示の目的では、以下の用語、すなわち、ＭＥＭＳ回転レートセンサ、回転レートセンサ、ＭＥＭＳジャイロ、ジャイロ、ＭＥＭＳジャイロスコープ、及びジャイロスコープは交換可能である。それらは、回転レートを測定するように設計されたＭＥＭＳ装置を示す。典型的な構成は、回転によって引き起こされた求心加速度の影響を測定するような方法で配置されて方向付けられた少なくとも１つのＭＥＭＳ加速度計を有するものを含む。いくつかの構成において、非回転加速度測定の排除、ノイズの排除、及びオフセット又はドリフトの排除のような性能態様を改善するために、複数のＭＥＭＳ加速度計が使用される。

いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープは、坑井内ツール、ツールストリング、ドリルストリングの一部、又はドリルストリングの全体の回転レートを決定するために利用される。いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープは、複数の別個のＭＥＭＳ加速度計で作ることができる。いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープは、既製品の単一のモノリシック部品として調達することができる。

ＭＥＭＳジャイロスコープは、求心加速度を測定するように構成された少なくとも１つのＭＥＭＳ加速度計で作られてもよい。求心加速度は、回転軸から放射方向に既知の変位を有する加速度計で、半径方向に配置された加速度測定によって測定されてもよい。非回転加速度の影響を排除するために複数の加速度計が使用されてもよい。ＭＥＭＳジャイロスコープは、上記複数の加速度計を関連付けられた計装及び信号処理とともに単一のパッケージへ組み合わせることで作られてもよい。

ＭＥＭＳジャイロスコープは、多数の方法でＭＳＩＤに配置可能である。一例は、回転を検出しようとしている軸に平行な法線を有する少なくとも１つの円形回路基板に依存する。円形回路基板は、ジャイロスコープの検出軸がＭＳＩＤ又は関連するセンサ回路基板の軸に実質的に合わされるように、ジャイロスコープを搭載するために使用されてもよい。円形回路基板は、上記ジャイロスコープへの電気的な接続の提供を目的としてもよい。いくつかの実施形態において、ジャイロスコープは、表面実装パッケージを有し、その検出軸が円形回路基板の中心に実質的に接近しているように回路基板に配置されてもよい。いくつかの実施形態において、ジャイロスコープは、スルーホールパッケージを有し、その検出軸が円形回路基板の中心に実質的に接近しているように回路基板に配置されてもよい。スルーホールパッケージの場合には、検出軸は円形回路基板の平面に平行にされてもよく、したがって、パッケージが変化させられなければならない。例えば、ジャイロスコープが円形回路基板上で平坦に配置されるように、スルーホールパッケージのピンは９０度曲げられてもよい。ピンを受けるためのビアは、ジャイロスコープ本体が円形回路基板の中心に位置することができるようにオフセットされてもよい。

石油及びガス掘削の用途では、高温と組み合わされた機械的な衝撃及び振動に対する耐性は典型的な要件である。従って、上記ジャイロスコープを支持するために、又は上記ジャイロスコープの本体を円形回路基板に取り付けるために、杭又は棒の素材が使用されてもよい。さらに、ポッティング処理によって追加の封止を行うことは、衝撃、振動、及び温度の下で故障への耐性をもたらすために有用である。封止は、非回転加速度の排除を改善するためにジャイロスコープによって検出される直線加速度を低減させることにおいて有用である。他の実施形態において、ジャイロスコープは、軸方向に配置された回路基板（ツールの軸に平行な面を有するもの）に搭載することで、ＭＳＩＤに配置される。この場合、ジャイロスコープは、もし必要ならば、ツール軸に関するその向きを変更するために「ドーターボード」によって搭載されてもよい。いくつかの実施形態において、軸方向に配置された回路基板に搭載されたとき、ジャイロスコープは検出軸がツール軸に平行になるように既に構成されている可能性がある。例えば、それが搭載される回路基板の面に検出軸が位置している部品は、軸方向に搭載された回路基板に搭載されたときに、ツール軸に関する回転を検出するために容易に使用可能である。概して、回路基板に搭載されたときにジャイロスコープの本体がツールの軸に実質的に合わせられるように、軸方向に搭載された回路基板をツールの軸からオフセットすることは有用である。概して、ドーターボードは、必要に応じてセンサの向きを変更するために使用されてもよい。部品の検出軸は、任意のタイプのパッケージ（表面実装、スルーホール、又はその他）のために任意に定義されてもよいが、典型的には、部品が搭載される基板に垂直であるか、当該基板に平行である。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、石油及びガスの掘削及び地熱の掘削のような坑井掘削用途で遭遇する高温環境に耐えることができるセンサを備えるセンサ回路基板を備える。所定の実施形態において、ＭＳＩＤは、広い温度範囲にわたって動作可能であり、特に摂氏約１５０度以上で、例えば摂氏約−４０度から摂氏約２１０度で動作可能である１つ又は複数の回転センサ、例えばＭＥＭＳジャイロを備えるセンサ回路基板を備える。

例示的な商用のジャイロスコープ部品は、米国０２０６２マサチューセッツ州ノーウッド、ワン・テクノロジー・ウェイのアナログ・デバイセズ・インコーポレイテッドから入手可能なＡＤＸＲＳ６４６（表面実装）と、アナログ・デバイセズ・インコーポレイテッドから入手可能なＡＤＸＲＳ６４５（スルーホール）とを含む。

概して、ジャイロスコープによって行われる測定の範囲及び分解能の間にはトレードオフがある。石油及びガスの用途における回転レート検出で有用である典型的な範囲は、約０ＲＰＭから約２５０ＲＰＭである。例えば最大で１０００ＲＰＭまでにわたる、より広い範囲が有用である可能性がある。一方で、これらの用途における回転レート検出で有用である典型的な分解能は、約１ＲＰＭである。さらに、これらの用途において典型的に生じうる広い温度変動は、ＲＰＭ測定値の誤った変動又はドリフトを引き起こす可能性がある。さらに、任意のセンサと同様に、これらのセンサは、広帯域のノイズに基づいた検知可能な最小の信号を有してもよい。概して、範囲が大きくなると分解能は小さくなり、その逆も成り立つ。いくつかの例示において、高分解能及び広範囲の組み合わせを達成するために２つのセンサを組み合わせることは有用である。例えば、より狭い範囲のセンサは、より低い測定された回転レートにおいて高分解能を達成するために有用である可能性がある。２つのセンサの測定された出力は、集められた出力が少なくとも２つのセンサのどちらかの出力を表すように、「協調」させられてもよい。

いくつかの実施形態において、ＭＳＩＤは「回転フラグ」を提供するために使用されてもよい。回転フラグは、回転に関連したイベントの検出を示す信号である。回転フラグは、回転に関連したイベントが発生したか否かについて、例えば、ドリルストリングが回転しているか否か、又は、ドリルストリングが予め決められた値よりも速く回転しているか否かについて、坑井内ツールストリングの他の態様に通信するのに有用である可能性がある。回転フラグをもたらす回転に関連するイベントは、用途の要件に応じて変動する。所定の実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープを有するＭＳＩＤ ＤＭＳは、回転に関連する予め決められたイベントに基づて回転フラグを提供する。

いくつかの実施形態において、ＭＳＩＤは、「回転ダウンリンク」を提供するために使用されてもよい。回転ダウンリンクは、地表からツールに通信するために使用されてもよい。ツールに通信される情報は、他のテレメトリシステムによって送られた前のメッセージを繰り返す表示、ツールストリングの所定態様のための電力設定内容、又は他のモードもしくは動作の設定内容を含んでもよい。簡単な回転ダウンリンクは、前後に非回転の期間を有する、所定期間にわたる回転を含んでもよい。情報は、単に、ドリルストリングが回転しているという事実によって、回転のレートによって、又は回転の継続時間によって伝えられてもよい。より精巧な回転ダウンリンクは、時間的に変化する回転を含んでもよく、例えば、予め決められた継続時間にわたって回転することで、ドリルはツールに論理「１」を伝えてもよく、回転しないことで、又は予め決められた継続時間にわたって異なるレートで回転することで、ドリルはツールに論理「０」を伝えてもよい。この方法を拡張して、ディジタル通信チャネルが設けられてもよい。

様々なパラメータがＭＳＩＤによって検出され、導出され、報告され、及び／又は記録されてもよい。高温メモリは、概して、パラメータを記録するのに有用である。高温フラッシュメモリは、不揮発性であり（電力を喪失してもその内容を保持する）、かつ、高密度である（比較的小さな寸法で比較的大容量のメモリを含んでいる）。例示的な高温メモリは、米国カリフォルニア州アナハイムにおいて事業所を有するＴＴセミコンダクタから入手可能なＴＴＺ２５０１の部品である。坑井内構成で報告することは、リアルタイム状態をツールの他の態様又は地表へ示すのに有用である可能性がある。概して、データ転送速度が比較的低いように（約１〜５０ｂｐｓ）、テレメトリチャネルは帯域制限される。従って、例えばパラメータ化によって、情報を圧縮することは重要である。例示として、ＤＭＳは、ツールストリングの他の態様又は掘削者へ振動レベルを示す信号を送るために、所定時間にわたる実際の加速度値ではなく、予め決められた長さの時間ウィンドウに対応する振動の激しさのレベルを報告してもよい。

明確さのために、ねじれ振動及びスティックスリップは、ＢＨＡのＲＰＭが地表のＲＰＭと異なり、最大値と最小値との間で周期的に変動するときの状態を示す。いくつかの例示において、ねじれ振動及びスティックスリップ測定値は、スティックスリップインデックス（ＳＳＩ）に基づいて報告されてもよい。それは次式に基づいて計算される。

ＳＳＩ＝［（最大ＲＰＭ）×（最小ＲＰＭ）］／［２×（平均ＲＰＭ）］

所定の実施形態において、センサ回路基板は磁力計を含む。上記磁力計は、とりわけ、地球の磁場に関する磁場配向を測定することによって回転のレートを決定すること、及び／又は、例えば、とりわけ傾斜掘り動作中に有用であるかもしれない方向性の測定を行うことによって、方向の決定を支援することに有用である可能性がある。

所定の実施形態において、ＭＳＩＤは方向性の測定に使用されてもよい。重力が存在する状態での加速度の測定値を方向性の測定値に変換する方法は、当該産業において周知である。いくつかの例において、磁力計はそれらの測定を支援する。例示的な方法では、ピッチ及びロールと呼ばれることがある座標系の態様の推定を、ピッチ及びロールにのみ依存するように選ばれた回転行列によって行い、ヨーと呼ばれることがある第３の自由度を、地球の磁場を検出するように構成された磁力計で決定し、これによって、方向性の測定を行う。ピッチ、ロール、及びヨーは、当該産業において、特に航空電子工学において既知の用語であるが、より最近になっては、娯楽などのための加速度計を備えるハンドヘルド装置のコンテキストにおいて既知の用語である。いくつかの例示において、磁力計は、ツールストリング又はドリルストリング内のどこかに設けられてもよく、また、上記磁力計へのアクセスは、ＭＳＩＤによって、ツールストリング又はドリルストリング信号又はデータバスで行われてもよい。それらの例示において、上記磁力計からの読み取り値はＭＳＩＤによって上述した目的に使用されてもよい。

所定の実施形態において、例えばメモリに記録するために、坑井内状態又は向きを示すアナログ測定値をディジタル信号へ変換することは、信号を他のディジタルシステムへ、例えばディジタルバスによってツールストリングディジタルシステムへ、及び／又はディジタルテレメトリシステムへ伝えるために有用である可能性がある。

坑井内システムにおける電力の不足に起因して、所定の実施形態において、電力消費量は最小化される。この最小化を達成するためにさまざまな技術が利用されてもよく、例えば、期待される信号についての知識に基づいて設計することを含むが、これに限定されない。例えば、一部の加速度信号は、典型的には広帯域及び／又は連続的、例えば「連続的な振動」であり、加速度信号の適切なサンプリングレートは、例えば、典型的に予期される最高周波数の態様の２倍よりも高い周波数にサンプリング周波数を設定することで、その実質的な情報量を取り込むように選択することができる。周波数を実質的により高く選択することは、概して、実質的により有用な情報をもたらすことなく、電力消費量を例えば約１〜５ｍＷを超えて増大すると予想される。もう一つの例示は温度を含んでいてもよい。温度はゆっくり変化すると予想される。他の例示は衝撃を含む。それらの加速度信号は、典型的には速く変化し、（連続的なものに対比して）断続的である可能性がある。概して、衝撃の大きさ及びレートは重要である。さらに、それらは比較的短い継続時間を有し、例えばそれぞれ約５００ミリ秒未満の継続時間を有する。衝撃の重要な特徴を高信頼性で正確に測定することは、衝撃ごとに数サンプル、例えば１００サンプルをもたらすサンプルレートを必要とする。衝撃測定のための一つのチャネルのサンプルレートは、約５０又は１００ｋｓｐｓ程度であってもよい。しかしながら、ある衝撃の断続に起因して、比較的高いレート、例えば１００ｋｓｐｓでサンプリングされた、連続的にサンプリングされた信号は、概して、平均して実質的により有用な情報をもたらすことなく、電力消費量を例えば約１〜５ｍＷを超えて増大すると予想される。１つの代替の解決方法はアナログ検出回路を設けることであり、これは、平均して比較的に省電力、例えば１００マイクロワット（「μＷ」）未満を消費する可能性がある。そのような回路の一例は、予め決められた衝撃しきい値、例えば２０〜５０Ｇを超えた加速度を検出したときに信号遷移又は論理レベル信号を供給するように構成されたコンパレータである。ロジックレベル信号の上記信号遷移は、デジタルコントローラにおける入力に接続されてもよく、上記デジタルコントローラは、上記信号を割り込みとして扱うように構成されてもよい。このように、フルソリューションの電力消費量が概して実質的にフルディジタルソリューション未満であると予想されるとき、関連する加速度信号の高分解能又は高速サンプリングは、衝撃が存在する場合に限って開始されてもよい。

概して、ＭＳＩＤは、坑井内状態の正確な表現を報告するべきである。一方で、それらの坑井内状態はＭＳＩＤ自体に損傷を与える可能性があり、ＭＳＩＤは、坑井内システムにおける他の構成要素の構成に類似している可能性があり、同じ構成要素では、ＭＳＩＤの情報が保護のために有用である可能性がある。従って、所定の実施形態では、ＭＳＩＤがモニタリングされた状態の正確な表現を提供できるようにすると同時に、ＭＳＩＤを坑井内状態から保護することが望ましい。例えば、坑井内の衝撃及び振動は、ＭＳＩＤを含むシステムに損傷を与える可能性がある。ＭＳＩＤは、本体保護機能、例えば、比較的敏感な電子部品及びハウジングの間の減衰された機械的結合を使用してもよい。減衰は、上記電子部品を包囲するポッティング化合物のような封止材料によって、又は電子回路システムの比較的硬い面とハウジングなどの一部との間に配置された減衰パッド又は挿入物によって、又はそれらの組み合わせによって行われてもよい。概して、保護機能は、減衰、機械的エネルギーの消費、及び／又は柔軟な接続機構を含んでもよい。所定の実施形態では、上に列挙されたもののような保護機能を有するＭＳＩＤが与えられたとき、坑井内状態の正確な表現は、周囲状態と測定された状態との間の予め決められた「マップ」を提供することで復元することができる。上記マップは、例えば周波数領域における伝達関数の形式で、測定されてもよい。ここで、伝達関数は、ＭＳＩＤによって測定された、周囲の励起信号への保護特徴の利得及びおそらくは位相の寄与を記述する。上記マップは、地表で決定（較正）されて、次にメモリに格納されてもよい。上記マップは、さまざまな異なる動作状態、例えばさまざまな温度又は圧力において定量化されてもよく、又は、さまざまな流体タイプに浸されてもよい。上記マップは、ローカルに（例えばＭＳＩＤにおけるメモリに）格納されてもよく、又は、遠隔に（例えば地表システムにアクセス可能なメモリに）格納されてもよい。後者の場合において、ＭＳＩＤは、地表システムが測定された状態を坑井内状態にマッピングしてもよいように、保護機能と無関係の十分な坑井内パラメータの送信を担当してもよい。

さらに、記録すること及び所定の場合には報告することは、ＭＳＩＤの回路のうちの１つ、例えばセンサ回路基板におけるメモリを必要とする可能性がある。揮発性メモリ及び不揮発性メモリの両方がこれらの目的のために使用されてもよい。揮発性メモリの場合には、設計者は、より高密度のメモリを享受するであろう（不揮発性メモリと比較して、同等の体積内により多くの情報が格納されてもよい）。しかしながら、揮発性メモリは、その格納されたデータを保持するために電源でサポートされなければならない。揮発性メモリの坑井を使用する複数の解決方法が可能であり、バックアップ高温一次バッテリー、例えばリチウム塩化チオニルセル、を利用することを含むが、これらに限定されない。そのようなバックアップセルは、システムのハウジング内の明示的なセル、例えばコインセルであってもよく、又は、それはより大きなシステムで共用されてもよい。システムにより利用可能な一次バッテリーは、メモリをダウンロードすることができるまで、一次バッテリーへの接続が保持されうる限り、この目的のために使用されてもよい。いくつかの例において、上記一次バッテリーは、バッテリー端子がシステムにより利用可能である限り、他の場合には電力坑井又は方向性システムにより使用される一次バッテリーであってもよい。いくつかの例において、バッテリー端子は、ドリルストリング又はツールストリングの電気的バスによってシステムから利用可能になる。代替の解決方法は、システムを電源から切断する前に充電されるＨＴＲＥＳを使用するものであってもよい。上記ＨＴＲＥＳは、坑井内電源、例えば、一次バッテリー、発電機、又はワイヤーライン接続によって充電されてもよい。上記ＨＴＲＥＳは、メモリをダウンロードすることができるまで、揮発性メモリに電力を供給するのに十分な使用可能なエネルギーを供給することができる。例えば、米国カリフォルニア州アナハイムのＴＴセミコンダクタ・インコーポレイテッドから入手可能な部品番号ＴＴＳ１ＭＸ１６ＬＶｎ３の高温１６メガビットＳＲＡＭは、約２Ｖにおいて約６ｍＡのデータ保持電流、又は１２ｍＷの電力を必要とする。従って、約４５ジュールのエネルギーが蓄積されたＨＴＲＥＳは、最長で１時間までのデータ保持のための電力を上記揮発性メモリへ供給することができるだろう。本明細書で説明したウルトラキャパシタを含むＨＴＲＥＳの例は、モジュール式システムに関して下記に述べられる。しかしながら、上記ＨＴＲＥＳは、米国マサチューセッツ州ボストンのファストキャップ・システムズ・インコーポレイテッドから入手可能な、約１５〜２０ｃｃの体積を有する高温ウルトラキャパシタによって提供されてもよい。代替の解決方法では、ファストキャップ・システムズ・インコーポレイテッドから入手可能なもののようなＨＴＲＥＳを備える電力システムをＭＳＩＤと組み合わせる。上記ＨＴＲＥＳは、坑井内電源によって充電されてもよく、坑井内電源が切断されたときは、メモリをダウンロードすることができるまでデータ保持電力を供給してもよい。上述のＳＲＡＭは、約１インチのエッジ長さと、及び摂氏２００度の温度定格とを有する５２ピンパッケージで入手可能であり、ＭＳＩＤのような坑井内ツールでの使用に適している。とはいえ、概してより低い密度では、不揮発性メモリが使用されてもよい。例えば、ＴＴセミコンダクタから入手可能な部品番号ＴＴＥ２８ＨＴ０１０の１ＭビットＥＥＰＲＯＭが使用されてもよい。上述のＥＥＰＲＯＭは、１／２インチのエッジ長さと、摂氏２００度の温度定格とを有するＬＣＣパッケージとして入手可能であり、ＭＳＩＤのような坑井内ツールでの使用に適している。概して、揮発性メモリは、故障する前に、書き込みサイクルの回数（メモリに書き込むことができる回数）に対する制限を有してもよい。従って、設計者は、例えば揮発性メモリでは、メモリのためのバッファを行う方式を使用し、周期的にメモリを不揮発性メモリに書き込んでもよい。

所定の実施形態において、所定のモニタリングデータは、ローカルに（例えばＭＳＩＤにおけるメモリに）格納されてもよく、及び／又は、遠隔に（例えば地表システムにアクセス可能なメモリに）格納されてもよい。

ある実施形態では、例えばＭＳＩＤにおいて、メモリ容量の効率的な使用が望ましい。効率的に坑井内メモリを利用する任意個数の方式が使用されてもよい。所定の実施形態において、本方式は、概して、例えば温度データのすべてを１分の間隔（１分ウィンドウ）で記録する代わりに、記録されるデータをパラメータ化したものを使用する。温度データは、１分にわたって高分解能で、例えば一時的に毎秒１サンプル（１ｓｐｓ）で記録されてもよく、その後、平均及び標準偏差が計算され、その後、平均及び標準偏差は生の温度データの代わりに格納されてもよい。この例示において、及び定義の目的で、平均及び標準偏差はデータのパラメータを表し、そのため、我々は上述した処理をデータのパラメータ化方法と考える。この例示において、その結果は、生の温度データ、例えば６０バイトのデータの全体を格納するためのより大量のメモリとは対照的に、ずっと少量のメモリに、例えば２バイトのデータとして、意味のある情報のほとんどが格納されるということである。

所定の実施形態において、データを収集し、格納し、そしてパラメータ化する方式は、記録される信号に関する典型的な挙動によって通知されてもよい。例えば、温度は、概して、坑井内環境において、また、ツールが坑井を下って移動するとき、ゆっくり変動する。対照的に、振動は高周波成分を有する可能性があるが、周波数スペクトル中の平均電力は約１分の時間スケールより速く変動しない可能性がある。一方で、機械的な衝撃は、断続的かつ短い時間期間である傾向があり、その急激な変動を正確に測定するために衝撃イベント中に高分解能を必要とする。衝撃及び振動の記録及び／又は報告する方式の例は、各軸について１分ごと（すなわち毎分１サンプル又は「１ｓｐｍ」）の平均及び標準偏差によってパラメータ化された振動の記録と、１ｓｐｍでパラメータ化された衝撃のカウント値、ピーク衝撃の大きさ、及び平均衝撃の大きさと、１０分ごと（０．１ｓｐｍ）に平均された温度と、１ｓｐｍで平均されたスティックスリップインデックスの平均、標準偏差、及びピークと、１ｓｐｍで平均された回転レート（ＲＰＭで測定された）とを含む。測定された量の個数と、設計者又はユーザにとってそれらの相対的な重要性とに基づいて、所望のレコード長、及び利用可能なメモリの量、記録及び／又は報告の方式が、例えばユーザによってさえ調節されてもよい。様々な量の分解能は、他の量の測定値でのより長いレコード長及び／又はより高い分解能との間でトレードオフを有する可能性がある。

所定の実施形態において、センサ回路基板は、ＭＳＩＤの外側のセンサから、例えばＭＳＩＤを含んでいるハウジングとともに搭載された、例えば歪みゲージ、温度センサ、又は環状圧力からデータを受信するように構成された回路基板を備えてもよい。

従って、１つの実施形態において、センサ回路基板は、ツールストリングに接続された１つ又は複数の歪みゲージからデータを受信することによってビットトルク（ＴＯＢ）を決定するように構成される。所定の実施形態では、カラーに搭載されたバージョンのシステムは、ドリルストリングへの連結を簡単化する可能性がある。所定の実施形態において、歪みゲージは、指標が示すことができるように、その長軸がドリルストリングのハウジングの周囲と整列せず、これにより、ゲージがドリルストリングのハウジングの「ねじれ」を例えばその抵抗の変化によって示すことができるように、搭載されてもよい。

もう一つの実施形態において、センサ回路基板は、ツールストリングに接続された１つ又は複数の歪みゲージからデータを受信することによってビット荷重（ＷＯＢ）を決定するように構成される。所定の実施形態において、歪みゲージは、その長軸がドリルストリングの長軸と実質的に整列し、これにより、ゲージがドリルストリングのハウジングの圧縮をその抵抗の変化によって示すことができるように、搭載されてもよい。

もう一つの実施形態において、センサ回路基板は、温度センサによって、すなわち、変化する抵抗によって温度を示す抵抗測温体（ＲＴＤ）からデータを受信することで、温度を決定するように構成される。

上述の（歪みゲージの場合又はＲＴＤの場合における）可変抵抗の変化は、任意個数の方法で測られてもよいが、一例は、歪みゲージ又はＲＴＤに直列な固定抵抗を設けて、その組み合わせを基準電圧及び接地の間に接続することを含む。固定抵抗及び可変抵抗の間の接続におけるノードは、可変抵抗を示す電圧をもたらす。例えば、歪みゲージの抵抗が減少するとき、上記電圧は減少するだろう。いくつかの例示において、上記電圧をアナログ・ディジタル変換によってデジタルコントローラへ読み出すことは有用である。

本発明の設計

審美的な外観に関して新規である任意の設計もまた、本発明の一部として含まれることが意図される。

参照による援用

本明細書において引用された全ての特許、公開された特許出願、及び他の文献の全内容は、本明細書において引用することにより全体として明示的に援用される。

等価物

当業者は、本明細書において開示された特定の手順に対する多数の等価物を認識し、又は、決まりきった実験にすぎないものを用いて確かめることができるであろう。そのような等価物は、本発明の範囲に含まれると考えられ、添付の特許請求の範囲によりカバーされる。さらに、本明細書において与えられた任意の数の範囲、もしくは、アルファベットの範囲は、これらの範囲の上限値及び下限値の両方を含むことが意図されている。さらに、任意の列挙したもの又はグループ化したものは、少なくとも１つの実施形態では、複数の独立した実施形態を列挙する簡略化した方法又便宜的な方法を表すことが意図され、リストの各要素は、それ自体では別個の実施形態と考えられるべきである。

本明細書の開示内容のサポートとして、ディジタルシステム及び／又はアナログシステムを含む様々な分析構成要素が使用されてもよい。１つ又は複数のシステムは、当該技術において認識される複数の方法のうちの任意のもので、本明細書に開示された装置及び方法の動作及び分析を行うために、プロセッサ、記憶媒体、メモリ、入力、出力、通信リンク（有線、無線、泥水上のパルス、光学、又はその他）、ユーザインターフェース、ソフトウェア及びファームウェアプログラム、信号プロセッサ（ディジタル又はアナログ）、及び他のそのような構成要素（抵抗器、キャパシタ、インダクタ、及びその他など）などの構成要素を有してもよい。これらの開示内容は、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、光学的（ＣＤ−ＲＯＭ）、磁気（ディスク、ハードドライブ）、又は他のタイプを含むコンピュータ可読媒体上に格納された１組のコンピュータにより実行可能な命令であって、実行されたときに本発明の方法をコンピュータに実施させる命令とともに実装されてもよく、ただしそうでなくてもよいことが考慮される。これらの命令は、本開示で説明した機能に加えて、システムの設計者、所有者、ユーザ、又は他のそのような人員によって関連すると認められる機器の動作、制御、データ収集及び分析、及び他の機能を行ってもよい。

本明細書の開示内容は、単に、例示するものであり、本発明を限定するものではないことを認識すべきである。さらに、当業者は、本発明の範囲内に残りつつ、付加的な構成要素、構成、配置等を実現してもよいことを認識するであろう。例えば、層、電極、リード線、端子、接点、フィードスルー、キャップ等の構成は、本明細書で開示した実施形態から変更してもよい。概して、電極を使用する１つ又は複数のウルトラキャパシタの構成要素の設計及び／又は用途は、システムの設計者、製造者、オペレータ、及び／又はユーザのニーズと、任意の特定の状況において表される要件とによってのみ限定される。

さらに、様々な他の構成要素を、本明細書の開示内容の態様を提供するために含めてもよく、要求してもよい。例えば、本明細書で議論した様々な態様のサポートとして、又は本開示を越えた他の機能のサポートとして、追加の電源（例えば、発電機、ワイヤーライン、遠隔電源、及び化学バッテリーのうちの少なくとも１つ）、冷却構成要素、加熱構成要素、圧力保持構成要素、絶縁、アクチュエータ、センサ、電極、送信機、受信機、トランシーバ、アンテナ、コントローラ、電気装置、又は電気機械装置が含まれてもよい。

本発明は、例示的な実施形態に関して記載されているが、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を行ってもよく、その構成要素を等価物で置き換えてもよいことは理解されよう。さらに、その本質的な範囲を逸脱することなく、本発明の開示内容に対して特定の装置、状況、もしくは材料を採用するための多数の修正が認められるであろう。そのため、本発明は、本発明の実施のために考えられたベストモードとして開示した特定の実施形態に限定されるわけではなく、本明細書に添付された特許請求の範囲により解釈されることが意図される。

Claims (1)

1. 坑井内ツールへ電力を供給するためのモジュール式電力システムであって、
   上記モジュール式電力システムは、
   高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置（「ＨＴＲＥＳ」）と、
   上記モジュール式電力システムに接続された坑井内ツールに供給される電力と、上記ＨＴＲＥＳの充電放電サイクルとの少なくとも一方を制御するモジュール式信号インターフェース装置（「ＭＳＩＤ」）モジュールとを備え、
   上記ＭＳＩＤは坑井内電源に接続するように適合されるモジュール式電力システム。