(57) Реферат / Формула:
Предлагается электропитание для скважинного прибора. Электропитание включает в себя высокотемпературное перезаряжаемое хранилище энергии, возможности генерации энергии и обеспечивает работу в высокотемпературной среде. Предлагается способ производства и использования.
2420-513766ЕА/071 ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ ДЛЯ СКВАЖИННЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ [0001] Изобретение, раскрытое в настоящем документе, относится к поисково-разведочным работам на нефть, газ и другие подземные ресурсы и, в частности, к электропитанию инструментов в скважинной среде.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] В поисково-разведочных работах на нефть и газ необходимо бурить ствол скважины в Земле. В то время как бурение ствола скважины позволяет частным лицам и компаниям оценивать подповерхностные материалы и извлекать желаемые углеводороды, при этом приходится сталкиваться со многими проблемами.
[0003] Например, хорошо известно, что "легкой нефти" вообще не стало. Поисково-разведочные работы теперь требуют поиска на больших глубинах, чем когда-либо прежде. Это порождает необходимость бурить глубже и глубже, то есть в агрессивных окружающих средах, таких как те среды, которые имеют температуру в пределах от 200 градусов Цельсия до 300 градусов Цельсия или выше. В большинстве случаев современная аппаратура не рассчитана на то, чтобы работать в такой окружающей среде, и выйдет из строя задолго до того, как температура окружающей среды достигнет пределов этого диапазона.
[0004] Растущая сложность скважинной аппаратуры дополнительно усложняет эту проблему. Таким образом, в то время как технология продолжает улучшаться, поисково-разведочные работы используют больше аппаратуры, чем когда-либо прежде. Одновременно с этим растет и спрос на внутрискважинное электропитание.
[0005] К сожалению, многие из известных решений имеют существенные недостатки. Например, различные типы батарей страдают катастрофическим отказом при повышенной температуре и могут таким образом разрушить аппаратуру. Дополнительно к
этому, такие батареи зачастую являются неперезаряжающимися, а также являются довольно дорогими.
[0006] Таким образом, требуются способы и устройство для обеспечения электропитания в скважине в средах, которые имеют температуру, изменяющуюся в пределах от температуры окружающей среды до приблизительно 200 градусов Цельсия или выше, вплоть до приблизительно 300 градусов Цельсия. Предпочтительно, чтобы способы и устройство включали в себя возможность генерирования, а также аккумулирования энергии, и могли бы, таким образом, обеспечить увеличенную продолжительность работы в агрессивной окружающей среде. Кроме того, было бы предпочтительно, чтобы такие решения были экономичными в плане владения и поддержки. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В одном варианте осуществления раскрывается электропитание, которое адаптировано для обеспечения питанием скважинного инструмента. Электропитание включает в себя источник энергии, объединенный с цепью управления и перезаряжаемым хранилищем энергии, которое выполнено с возможностью работать при температуре, находящейся в пределах температурного диапазона от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия. Источник может включать в себя по меньшей мере одно из батареи, соединения с внешней подачей электроэнергии и генератора, который выполнен с возможностью преобразования энергии, воздействующей на скважинный инструмент, в электрическую энергию. Цепь управления может быть выполнена с возможностью получения электрической энергии от источника и сохранения электрической энергии в хранилище энергии.
[0008] В другом варианте осуществления раскрывается способ производства электропитания для скважинного инструмента. Способ включает в себя выбор по меньшей мере одного источника энергии, перезаряжаемого хранилища энергии, которое выполнено с возможностью работать при температуре, находящейся в пределах температурного диапазона от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия, и цепи управления, адаптированной для получения электроэнергии от генератора и
сохранения электрической энергии в хранилище энергии; и включение источника, цепи управления и хранилища энергии в скважинный инструмент для того, чтобы обеспечить электропитание.
[0009] В еще одном варианте осуществления раскрывается способ обеспечения питания для скважинного инструмента. Способ включает в себя: выбор инструмента, который включает в себя электропитание, которое включает в себя источник энергии, соединенный с цепью управления и высокотемпературным перезаряжаемым хранилищем энергии, которое выполнено с возможностью работать при температуре, находящейся в пределах температурного диапазона от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия. Источник включает в себя по меньшей мере одно из батареи, соединения с внешним источником электрической энергии и генератора, который выполнен с возможностью преобразования энергии, воздействующей на скважинный инструмент, в электрическую энергию. Цепь управления может быть выполнена с возможностью получения электрической энергии от источника и сохранения электрической энергии в хранилище энергии; а также с возможностью обеспечения электроэнергии от электропитания к нагрузке инструмента, находящегося в скважине.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Предмет, который рассматривается как настоящее изобретение, подробно описан и четко заявлен в формуле изобретения, приведенной в конце данной спецификации. Вышеупомянутые и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из следующего подробного описания, взятого в совокупности с сопровождающими чертежами, в которых:
[ООН] Фиг.1 иллюстрирует примерный вариант осуществления буровой колонны, которая включает в себя скважинный прибор;
[0012] Фиг.2 иллюстрирует примерный вариант осуществления для каротажа с инструментом, развертываемым при помощи вспомогательного каната;
[0013] Фиг.3 иллюстрирует аспекты примерного
ультраконденсатора;
[0014] Фиг.4 изображает варианты осуществления основных структур для катионов, которые могут быть включены в примерный ультраконденсатор;
[0015] Фиг.5 изображает вариант осуществления корпуса для примерного ультраконденсатора;
[0016] Фиг.б иллюстрирует вариант осуществления аккумуляторного элемента для примерного конденсатора;
[0017] Фиг.7 изображает барьер, расположенный на внутренней части тела корпуса;
[0018] Фиг.8А и 8В, вместе упоминаемые в настоящем документе как фиг.8, изображают аспекты крышки для корпуса;
[0019] Фиг.9 изображает сборку ультраконденсатора в соответствии с описанием в настоящем документе;
[0020] Фиг.10А и 10В, вместе упоминаемые в настоящем документе как фиг.10, представляют собой графики, показывающие работу ультраконденсатора для варианта осуществления без барьера и для аналогичного варианта осуществления, который включает в себя барьер, соответственно;
[0021] Фиг.11 изображает барьер, расположенный вокруг аккумуляторного элемента в качестве обертки;
[0022] Фиг.12А, 12В и 12С, вместе упоминаемые в настоящем документе как фиг.12, изображают варианты осуществления крышки, которые включают в себя многослойные материалы;
[0023] Фиг.13 представляет собой поперечное сечение электродной сборки, которая включает в себя стеклянно-металлический спай;
[0024] Фиг.14 представляет собой поперечное сечение электродной сборки, изображенной на фиг.13, установленной в крышке, изображенной на фиг.12В;
[0025] Фиг.15 изображает расположение элемента аккумуляторной батареи в процессе сборки;
[0026] Фиг.1бА, 16В и 16С, вместе упоминаемые в настоящем документе как фиг.16, изображают варианты осуществления собранного элемента аккумуляторной батареи;
[0027] Фиг.17 изображает использование полимерной изоляции вокруг электродной сборки;
[0028] Фиг.18А, 18В и 18С, вместе упоминаемые в настоящем документе как фиг.18, изображают аспекты шаблона для другого варианта осуществления крышки для хранилища энергии;
[0029] Фиг.19 представляет собой вид в перспективе электродной сборки, которая включает в себя материал полусферической формы;
[0030] Фиг.20 представляет собой вид в перспективе крышки, включающей в себя электродную сборку, изображенную на фиг.19, установленную в шаблоне, изображенном на фиг.18С;
[0031] Фиг.21 представляет собой поперечное сечение крышки, изображенной на фиг.20;
[0032] Фиг.22 представляет собой прозрачный вид в изометрической проекции элемента аккумуляторной батареи, расположенного в цилиндрическом корпусе;
[0033] Фиг.23 представляет собой вид в изометрической проекции варианта осуществления элемента аккумуляторной батареи перед тем, как он будет свернут в катушечный элемент аккумуляторной батареи;
[0034] Фиг.24 представляет собой вид сбоку элемента аккумуляторной батареи, показывающий различные слои одного варианта осуществления;
[0035] Фиг.25 представляет собой вид в изометрической проекции катушечного элемента аккумуляторной батареи, который включает в себя реперную отметку для помещения множества выводов;
[0036] Фиг.26 представляет собой вид в изометрической проекции катушечного элемента аккумуляторной батареи, изображенного на фиг.25, с реперными отметками перед началом сворачивания;
[0 037] Фиг.27 изображает свернутый элемент аккумуляторной батареи с множеством включенных в него выводов;
[0038] Фиг.28 изображает фальцовку гармошкой, приданную выровненным выводам (то есть контактам), соединенным с элементом аккумуляторной батареи;
[0039] Фиг.29-37 представляют собой графики, изображающие аспекты работы для примерных ультраконденсаторов;
[0040] Фиг.38 изображает вариант осуществления электропитания, который включает в себя генератор и ультраконденсатор;
[0041] Фиг.39 изображает аспекты варианта осуществления генератора смещения;
[0042] Фиг.40 изображает вариант осуществления множества генераторов, изображенных на фиг.39, установленных в скважинном приборе; и
[0043] Фиг.41-47 изображают варианты осуществления цепей управления для электропитания.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0044] В настоящем документе раскрыты различные конфигурации электропитания, адаптированного для использования в скважинной среде. Электропитание обеспечивает пользователей генерацией электрической энергии в высокотемпературной окружающей среде. Для того, чтобы обеспечить контекст для электропитания, далее приводится некоторая вводная информация и определения.
[0045] Обратимся теперь к фиг.1, где показаны аспекты устройства для бурения ствола скважины 101 (также называемого "буровой скважиной") . По традиции глубина ствола скважины 101 описывается вдоль оси Z, в то время как поперечное сечение обеспечивается на плоскости, описываемой осью X и осью Y.
[0046] В этом примере ствол скважины 101 бурится в земле 102 с использованием буровой колонны 111, приводимой в движение буровой установкой (не показана), которая, среди прочего, обеспечивает вращательную энергию и направленную вниз силу. Ствол скважины 101 в большинстве случаев пересекает подповерхностные материалы, которые могут включать в себя различные пласты 103 (показанные как пласты ЮЗА, 103В, 103С). Специалисту в данной области техники будет понятно, что различные геологические особенности, с которыми можно столкнуться в подповерхностной окружающей среде, могут упоминаться как "пласты", и что множество материалов, через которые проходит вниз буровая скважина (то есть нисходящая
скважина), могут упоминаться как "подповерхностные материалы". Таким образом, пласты 103 формируются из подповерхностных материалов. Соответственно, следует считать, что, в то время как использующийся в настоящем документе термин "пласт" вообще относится к геологическим формированиям, использующийся в настоящем документе термин "подповерхностный материал" включает в себя любые материалы и может включать в себя такие материалы, как твердые тела, текучие среды, газы, жидкости, и т.п.
[0047] В этом примере буровая колонна 111 включает в себя бурильные трубы 112, которые приводят в движение буровую коронку 114. Буровая коронка 114 также обеспечивает поток промывочной жидкости 104, такой как буровой глинистый раствор. Промывочная жидкость 104 часто перекачивается через бурильную трубу 112 к буровой коронке 114, где текучая среда выходит в ствол скважины 101. Это создает восходящий поток F промывочной жидкости 104 внутри ствола скважины 101. Восходящий поток F промывочной жидкости обычно охлаждает буровую колонну 111 и ее компоненты, уносит буровой шлам от буровой коронки 114 и предотвращает выброс находящихся под давлением углеводородов 105.
[0048] Промывочная жидкость 104 (также называемая "буровым глинистым раствором") обычно включает в себя смесь жидкостей, таких как вода, промывочная жидкость, глинистый раствор, нефть, газы и пластовые жидкости, свойственные окружению. Хотя промывочная жидкость 104 может вводиться для буровых операций, использование или присутствие промывочной жидкости 104 не является обязательным для геофизических исследований в скважине, точно так же как оно не должно обязательно исключаться из операций по каротажу. Обычно слой материалов будет существовать между наружной поверхностью буровой колонны 111 и стенкой ствола скважины 101. Этот слой называется "отталкивающий слой" и имеет толщину, называемую "отталкивание, S".
[0049] Буровая колонна 111 обычно включает в себя оборудование для выполнения "измерений во время бурения"
(measuring while drilling, MWD), также называемых "каротаж во время бурения" (logging while drilling, LWD). Выполнение измерений во время бурения или каротажа во время бурения обычно требует работы каротажного оборудования 100, которое содержится в буровой колонне 111 и предназначено для работы во время бурения. Обычно каротажное оборудование 100 для выполнения измерений во время бурения соединяется с пакетом электроники, который также находится в буровой колонне 111, и поэтому называется "скважинной электроникой" 113. Обычно скважинная электроника 113 обеспечивает по меньшей мере одно из эксплуатационного управления и анализа данных. Зачастую каротажное оборудование 100 и скважинная электроника 113 соединяются с платформенным оборудованием 107. Платформенное оборудование 107 может быть включено для дополнительного управления операциями, обеспечения больших аналитических возможностей, а также записи данных и т.п. Коммуникационный канал (не показан) может обеспечивать коммуникации с платформенным оборудованием 107 и может функционировать посредством пульсации бурового раствора, трубы с проводами и других технологий, известных в данной области техники.
[0050] В целом данные от устройства измерений во время бурения предоставляют пользователям расширенные возможности. Например, данные, ставшие доступными в результате выполнения измерений во время бурения, могут быть полезными в качестве входа для забойной системы контроля и управления параметрами бурения (то есть для управления буровой колонной 111 во время процесса бурения) и т.п.
[0051] Обратимся теперь к фиг.2, на которой показано примерное каротажное оборудование 100 для каротажа с использованием вспомогательного каната ствола скважины 101. По традиции глубина ствола скважины 101 описывается вдоль оси Z, в то время как поперечное сечение обеспечивается на плоскости, описанной осью X и осью Y. Перед каротажем с использованием каротажного оборудования 100 в земле 102 бурится ствол скважины 101 с использованием бурильного устройства, такого как бурильное устройство, показанное на фиг.1.
[0052] В некоторых вариантах осуществления ствол скважины 101 заполнен, по меньшей мере до некоторой степени, промывочной жидкостью 104. Промывочная жидкость 104 (также называемая "буровым глинистым раствором") обычно включает в себя смесь жидкостей, таких как вода, промывочная жидкость, глинистый раствор, нефть, газы и пластовые жидкости, свойственные окружающей среде. Хотя промывочная жидкость 104 может быть введена в буровые операции, использование или присутствие промывочной жидкости 104 не является обязательным для геофизических исследований в скважине с использованием вспомогательного каната, равно как оно не должно обязательно исключаться из таких операций. Обычно между наружной поверхностью каротажного оборудования 100 и стенкой ствола скважины 101 существует слой материалов. Этот слой называется "отталкивающий слой" и имеет толщину, называемую "отталкивание, S".
[0053] Обычно каротажное оборудование 100 опускается в ствол скважины 101 с использованием вспомогательного каната 108, разворачиваемого при помощи буровой вышки 106 или подобного оборудования. Обычно вспомогательный канат 108 включает в себя устройство подвески, такое как воспринимающий нагрузку канат, а также другое устройство. Другое устройство может включать в себя электропитание, линию связи (такую как проводная или оптическая линия связи) и другое такое оборудование. Обычно вспомогательный канат 108 подается с сервисного грузовика 109 или с другого подобного устройства (такого как станция технического обслуживания, базовая станция и т.д.). Зачастую вспомогательный канат 108 соединяется с платформенным оборудованием 107. Платформенное оборудование 107 может обеспечить питание для каротажного оборудования 100, а также обеспечить вычислительные и обрабатывающие возможности для по меньшей мере одного из управления операциями и анализа данных.
[0054] Обычно каротажное оборудование 100 включает в себя электропитание 115. Электропитание 115 может обеспечить
необходимое питание для скважинной электроники 113 (то есть для энергопотребляющих устройств). Обычно скважинная электроника 113 обеспечивает измерения, выполняет забор образцов, а также любые другие последовательности, необходимые для того, чтобы определять местонахождение, устанавливать и квалифицировать присутствие углеводородов 105.
[0055] В качестве краткого обзора, электропитание 115 обычно включает в себя хранилище электрической энергии и генератор для генерации электрической энергии. Хранилище электрической энергии может включать в себя любой тип реально осуществимой технологии. В различных вариантах осуществления хранилище электрической энергии включает в себя по меньшей мере один ультраконденсатор (который описывается ниже со ссылкой на фиг.З). Обычно, в каждом образце, хранилище электрической энергии обеспечивает высокотемпературное перезаряжаемое хранилище электрической энергии (HTRES). В некоторых вариантах осуществления высокотемпературное перезаряжаемое хранилище электрической энергии выполняется с возможностью работы при температуре, которая находится в пределах температурного диапазона от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия.
[0056] Дополнительные варианты осуществления
высокотемпературного перезаряжаемого хранилища электрической
энергии включают в себя, без ограничения, химические батареи,
например, алюминиевые электролитические конденсаторы,
танталовые конденсаторы, керамические и металлические пленочные конденсаторы, гибридные конденсаторы, хранилища магнитной энергии, например, катушки индуктивности с воздушным сердечником или катушки индуктивности с высокотемпературным сердечником. Подходящими также могут быть и другие типы высокотемпературного перезаряжаемого хранилища электрической энергии, включая, например, хранилища механической энергии, такие как маховики, пружинные системы, пружинно-массовые системы, массовые системы, теплоемкостные системы (например, теплоемкостные системы на основе жидкостей или твердых тел, обладающих высокой теплоемкостью, или на основе материалов с
фазовым переходом), гидравлические или пневматические системы. Одним из примеров является высокотемпературный гибридный конденсатор, доступный от компании Evans Capacitor Company Providence, находящейся в штате Род-Айленд, США, под номером HC2D060122 DSCC10004-16, с паспортной температурой 125 градусов Цельсия. Другим примером является высокотемпературный танталовый конденсатор, доступный от компании Evans Capacitor Company Providence, находящейся в штате Род-Айленд, США, под номером HC2D050152HT, с паспортной температурой 200 градусов Цельсия. Еще одним примером является алюминиевый электролитический конденсатор, доступный от компании EPCOS Munich, Германия, под номером В41691А8107Q7, который имеет паспортную температуру 150 градусов Цельсия. Еще одним примером является катушка индуктивности, доступная от компании Panasonic Tokyo, Япония, под номером ETQ-P5M470YFM, с паспортной температурой 150 градусов Цельсия. Дополнительные варианты осуществления доступны от компании Saft, Баньоле, Франция (номер Li-ion VL 32600-125), работоспособный вплоть до 125 градусов Цельсия с 30 циклами заряда-разряда, а также литий-ионный аккумулятор (экспериментальный), работоспособный приблизительно до 250 градусов Цельсия, находится в экспериментальной фазе у исследователя Ни Sadoway в компании Solid Energy, г. Кембридж, штат Массачусетс.
[0057] В качестве обсуждения, варианты осуществления электропитания 115, обсуждаемые в настоящем документе, включают в себя использование высокотемпературного ультраконденсатора, однако, это не ограничивает технологий, которые могут быть включены в хранилище энергии электропитания 115. Далее описываются примерные аспекты ультраконденсатора, подходящего для использования в качестве высокотемпературного хранилища энергии.
[0058] В настоящем документе описывается конденсатор, который обеспечивает пользователям улучшенную эффективность в широком диапазоне температур. Например, конденсатор может быть работоспособным при температурах в пределах от приблизительно минус 4 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов
Цельсия. В некоторых вариантах осуществления конденсатор является работоспособным при температурах в пределах от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия.
[0059] В большинстве случаев конденсатор включает в себя среду хранения энергии, которая выполнена с возможностью обеспечивать высокую плотность мощности и высокую плотность энергии по сравнению с устройствами предшествующего уровня техники. Конденсатор включает в себя компоненты, которые выполнены с возможностью обеспечивать работу в конкретном диапазоне температур, и включает в себя любую или несколько форм электролита, которые аналогично предназначены для работы в конкретном диапазоне температур. Комбинация конструкции, среды хранения энергии и электролита приводит к способности обеспечить надежную работу в экстремальных условиях. Далее, для того, чтобы обеспечить некоторую перспективу, будут представлены аспекты примерного варианта осуществления.
[0060] На фиг.3 показан примерный вариант осуществления конденсатора. В этом случае конденсатор является "ультраконденсатором 10". Примерный ультраконденсатор 10 является электрическим двухслойным конденсатором (EDLC). Электрический двухслойный конденсатор включает в себя по меньшей мере одну пару электродов 3 (где электроды 3 могут индивидуально называться "отрицательный электрод 3" и "положительный электрод 3", однако в настоящем документе это делается лишь в ссылочных целях). Когда они собраны в ультраконденсатор 10, каждый из электродов 3 представляет собой двойной слой заряда на границе с электролитом. Некоторые варианты осуществления включают в себя множество электродов 3 (например, некоторые варианты осуществления включают в себя по меньшей мере две пары электродов 3). В целях обсуждения показана только одна пара электродов 3. По традиции в настоящем документе по меньшей мере один из электродов 3 использует среду 1 хранения энергии на основе углерода (как обсуждается далее в настоящем документе) для того, чтобы обеспечить хранилище энергии. Однако, в целях обсуждения в настоящем документе в
большинстве случаев предполагается, что каждый из электродов включает в себя среду 1 хранения энергии на основе углерода. Следует отметить, что электролитический конденсатор отличается от ультраконденсатора, потому что в электролитическом конденсаторе металлические электроды обычно значительно отличаются друг от друга по площади (по меньшей мере на порядок).
[0061] Каждый из электродов 3 включает в себя соответствующий коллектор 2 тока (также называемый "коллектором заряда"). В некоторых вариантах осуществления электроды 3 разделяются разделителем 5. В большинстве случаев разделитель 5 является тонким структурным материалом (обычно листом), используемым для отделения отрицательного электрода 3 от положительного электрода 3. Разделитель 5 может также служить для разделения пар электродов 3. В собранном состоянии электроды 3 и разделитель 5 обеспечивают элемент аккумуляторной батареи 12. Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления среда 1 хранения энергии на основе углерода может быть не включена в один или оба из электродов 3. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления соответствующий электрод 3 может состоять только из коллектора 2 тока. Материалу, используемому для обеспечения коллектора 2 тока, может быть придана шероховатость, он может быть анодирован и т.п. для того, чтобы увеличить площадь его поверхности. В этих вариантах осуществления коллектор 2 тока сам по себе может служить электродом 3. Имея это в виду, следует понимать, однако, что использующийся в настоящем документе термин "электрод 3" в большинстве случаев относится к комбинации среды 1 хранения энергии и коллектора 2 тока (но это не является ограничением, по меньшей мере по вышеуказанной причине).
[00 62] По меньшей мере одна форма электролита б включается в ультраконденсатор 10. Электролит б заполняет пустое пространство внутри и между электродами 3 и разделителем 5. В большинстве случаев электролит б является веществом, которое диссоциирует на электрически заряженные ионы. Растворитель, который растворяет вещество, может быть включен в некоторые
варианты осуществления электролита б, смотря по
обстоятельствам. Электролит б проводит электричество посредством ионного транспорта.
[0063] В большинстве случаев элемент 12 аккумуляторной батареи формируется в одну из форм - катушечную или призматическую, которая затем упаковывается в цилиндрический или призматический кожух 7. После добавления в него электролита б кожух 7 может быть герметично запечатан. В различных примерах упаковка герметично запечатывается с помощью способов, использующих лазерную, ультразвуковую и/или сварочную технологии. В дополнение к обеспечению надежной физической защиты элемента 12 аккумуляторной батареи кожух 7 выполняется с возможностью того, чтобы внешние контакты обеспечивали электрическую связь с соответствующими клеммными выводами 8 внутри кожуха 7. Каждый из клеммных выводов 8 в свою очередь обеспечивает электрический доступ к энергии, запасенной в среде 1 хранения энергии, в большинстве случаев через электрические выводы, которые соединены со средой 1 хранения энергии.
[0064] Используемый в настоящем документе термин "герметичный" относится к уплотнению, качество которого (то есть скорость утечки) определяется в единицах "атм-см3/с", что означает один кубический сантиметр газа (например, гелия) в секунду при атмосферном давлении и температуре окружающей среды. Это эквивалентно выражению в единицах "стандарта Не-см3/с". Далее, известно, что 1 атм-см3/с равен 1,01325 мбар-л/с. В большинстве случаев ультраконденсатор 10, описываемый в настоящем документе, способен обеспечить герметическое уплотнение, которое имеет скорость утечки не больше, чем приблизительно 5,0х10~6 атм-см3/с, и может демонстрировать
скорость утечки не выше, чем приблизительно 5,0х10~10 атм-см3/с. Также учитывается, что эффективность герметического уплотнения должна оцениваться пользователем, проектировщиком или изготовителем, смотря по обстоятельствам, и что "герметичный" в конечном счете подразумевает стандарт, который должен быть определен пользователем, проектировщиком, изготовителем или
другой заинтересованной стороной.
[0065] Обнаружение течи может быть осуществлено, например, при помощи индикаторного газа. Использование такого индикаторного газа, как гелий, для тестирования утечки является выгодным, поскольку оно представляет собой сухой, быстрый, точный и неразрушающий способ обнаружения. В одном примере этого способа ультраконденсатор 10 помещается в среду гелия. Ультраконденсатор 10 подвергается воздействию сжатого гелия. Ультраконденсатор 10 затем помещается в вакуумную камеру, которая соединена с детектором, способным обнаруживать присутствие гелия (таким как атомно-абсорбционный блок). Зная время герметизации, давление и внутренний объем, можно определить скорость утечки из ультраконденсатора 10.
[00 66] В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один вывод (который также может упоминаться в настоящем документе как "закладка") электрически соединяется с соответствующим из коллекторов 2 тока. Множество выводов (в соответствии с полярностью ультраконденсатора 10) могут группироваться и соединяться вместе в соответствующий выводом 8. В свою очередь, вывод 8 может быть соединен с электрическим подключением, называемым "контактом" (например, с одним из кожуха 7 и внешнего электрода (также упоминаемого в настоящем документе для удобства как "сквозной электрод" или "штырьковый вывод")) . См. фиг.13, фиг.14 и фиг.15. Рассмотрим теперь среду 1 хранения энергии более подробно.
[0067] В примерном ультраконденсаторе 10 среда 1 хранения
энергии формируется из углеродных нанотрубок. Среда 1 хранения
энергии может включать в себя другие содержащие углерод
материалы, включая, например, активированный уголь, углеродные
волокна, искусственный шелк, графен, аэрогель, углеродную ткань
и множество форм углеродных нанотрубок. Электроды из
активированного угля могут быть произведены, например, путем
производства основного углеродного материала посредством
выполнения первой активационной обработки углеродного
материала, полученного карбонизацией (коксованием)
углеродистого соединения, производства сформованного тела путем добавления связующего компонента к основному углеродному материалу, карбонизации сформованного тела, и, наконец, производства активного угольного электрода путем выполнения второй активационной обработки карбонизированного сформованного тела. Электроды из углеродного волокна могут быть произведены, например, путем использования бумажной или тканевой заготовки с углеродными волокнами, имеющими большую площадь поверхности.
[0068] В примерном способе для изготовления углеродных нанотрубок устройство для производства выровненных агрегатов из углеродных нанотрубок включает в себя устройство для синтеза выровненных агрегатов из углеродных нанотрубок на основном материале, имеющем на своей поверхности катализатор. Устройство включает в себя блок формирования, который выполняет стадию формирования, на которой вокруг катализатора создается среда восстановительного газа и осуществляется нагрев по меньшей мере одного из катализатора или восстановительного газа; блок выращивания, который выполняет стадию выращивания выровненного агрегата из углеродных нанотрубок, создавая вокруг катализатора газовую среду из исходного материала и нагревая по меньшей мере одно из катализатора или газа из исходного материала; и передающий блок, который передает основной материал по меньшей мере от блока формирования к блоку выращивания. Множество других способов и устройств может использоваться для того, чтобы получить выровненный агрегат из углеродных нанотрубок.
[0069] В некоторых вариантах осуществления материал, используемый для формирования среды 1 хранения энергии, может включать в себя материал, отличающийся от чистого углерода (и различных форм углерода, которые могут существовать в настоящее время или будут разработаны позже). Таким образом, различные составы других материалов могут быть включены в среду 1 хранения энергии. Более конкретно, и в качестве неограничивающего примера, по меньшей мере один связующий материал может использоваться в среде 1 хранения энергии, однако, это не должно предполагать или требовать добавления других материалов (таких как связующий материал). В большинстве
случаев, однако, среда 1 хранения энергии формируется существенно из углерода и может, поэтому, упоминаться в настоящем документе как "углеродсодержащий материал", как "углеродсодержащий слой", либо с использованием других подобных терминов. В общем, хотя она формируется преимущественно из углерода, среда 1 хранения энергии может включать в себя любую форму углерода (а также любые добавки или примеси по мере необходимости, смотря по обстоятельствам) для того, чтобы обеспечить желаемую функциональность в качестве среды 1 хранения энергии.
[0070] В одном наборе вариантов осуществления углеродсодержащий материал включает в себя по меньшей мере приблизительно 60% элементарного углерода по массе, а в других вариантах осуществления по меньшей мере приблизительно 7 5%, 85%, 90%, 95% или 98% по массе элементарного углерода.
[0071] Углеродсодержащий материал может включать в себя углерод во множестве форм, включая углеродную сажу; графит и другие. Углеродсодержащий материал может включать в себя углеродные частицы, включая наночастицы, такие как нанотрубки, наностержни, графеновые листы в форме листа и/или сформованные в воронки, стержни, сферы (бакиболы) и т.п.
[0 072] Некоторые варианты осуществления различных форм углеродсодержащего материала, подходящего для использования в среде 1 хранения энергии, приведены в настоящем документе в качестве примеров. Эти варианты осуществления обеспечивают надежное хранение энергии и хорошо подходят для использования в электроде 3. Следует отметить, что эти примеры являются иллюстративными и не ограничивают вариантов осуществления углеродсодержащего материала, подходящего для использования в среде 1 хранения энергии.
[0073] В большинстве случаев термин "электрод" относится к электрическому проводнику, который используется для того, чтобы создать контакт с другим материалом, который зачастую является неметаллическим, в устройстве, которое может быть включено в электрическую цепь. В большинстве случаев используемый в
настоящем документе термин "электрод" относится к коллектору 2 тока и к дополнительным компонентам, которые могут сопровождать коллектор 2 тока (таким как среда 1 хранения энергии) для того, чтобы обеспечить желаемую функциональность (например, среда 1 хранения энергии, которая соединяется с коллектором 2 тока для того, чтобы обеспечить хранение энергии и передачу энергии).
[0074] Обращаясь теперь к коллектору 2 тока, в некоторых
вариантах осуществления коллектор 2 тока имеет толщину от
приблизительно 0,5 микрометров (мкм) до приблизительно 25 мкм.
В некоторых вариантах осуществления коллектор 2 тока имеет
толщину от приблизительно 2 0 мкм до приблизительно 4 0 мкм.
Коллектор 2 тока может выглядеть как тонкий слой, такой как
слой, наносимый при помощи химического парофазного осаждения
(CVD), разбрызгивания, электронного пучка, теплового испарения
или другой подходящей методики. В большинстве случаев коллектор
2 тока выбирается по его свойствам, таким как удельная
электропроводность, электрохимическая инертность и
совместимость со средой 1 хранения энергии (например, из углеродных нанотрубок, CNT). Некоторые примерные материалы включают в себя алюминий, платину, золото, тантал, титан, и могут включать в себя другие материалы, а также различные сплавы.
[0075] Как только коллектор 2 тока соединяется со средой 1 хранения энергии (например, из углеродных нанотрубок, CNT) , реализуется электродный элемент 15. Каждый электродный элемент 15 может использоваться индивидуально в качестве электрода 3 или может быть соединен с по меньшей мере другим электродным элементом 15 для того, чтобы обеспечить электрод 3.
[0076] Разделитель 5 может быть изготовлен из различных материалов. В некоторых вариантах осуществления разделитель 5 является нетканым стеклом. Разделитель 5 может также быть изготовлен из стекловолокна, керамики и фторопластов, таких как политетрафторэтилен (PTFE), обычно продаваемый как TEFLON(tm) компанией DuPont Chemicals, находящейся в г. Уилмингтон, штат Делавэр. Например, используя нетканое стекло, разделитель 5
может включать в себя главные волокна и связующие волокна, каждое из которых имеет диаметр волокна, меньший, чем диаметр каждого из главных волокон, и позволяющие главным волокнам быть связанными вместе.
[0077] Для долговечности ультраконденсатора 10, а также для того, чтобы гарантировать работу при высокой температуре, разделитель 5 должен иметь уменьшенное количество примесей и, в частности, очень ограниченное количество влаги, содержащейся в нем. В частности было найдено, что ограничение содержания влаги приблизительно в 200 частей на миллион желательно для того, чтобы уменьшить химические реакции и увеличить срок службы ультраконденсатора 10, а также обеспечить его хорошую эффективность в высокотемпературных приложениях. Некоторые варианты осуществления материалов для использования в разделителе 5 включают в себя полиамид, политетрафторэтилен (PTFE), полиэфирэфиркетон (РЕЕК), окись алюминия (А120з) , стекловолокно и стеклопластик (glass-reinforced plastic, GRP).
[0078] В большинстве случаев материалы, используемые для разделителя 5, выбираются по содержанию влаги, пористости, точке плавления, содержанию примесей, результирующей электрической эффективности, толщине, стоимости, доступности и т.п. В некоторых вариантах осуществления разделитель 5 формируется из гидрофобных материалов.
[0079] Соответственно, для того чтобы гарантировать, что избыточная влага удалена из каждого разделителя 5, могут использоваться процедуры. Среди других методик может использоваться процедура вакуумной сушки.
[0080] Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления ультраконденсатор 10 не требует или не включает в себя разделитель 5. Например, в некоторых вариантах осуществления, таких как те, где физическое разделение электродов 3 обеспечивается геометрией конструкции, достаточно иметь между электродами 3 один электролит б. Более конкретно, а также в качестве примера физического разделения, один такой ультраконденсатор 10 может включать в себя электроды 3, которые располагаются в пределах кожуха таким образом, что разделение
гарантируется на непрерывной основе. Стендовый пример включает в себя ультраконденсатор 10 в мензурке.
[0081] Ультраконденсатор 10 может быть воплощен в
нескольких различных форм-факторах (то есть может иметь
определенный внешний вид) . Примеры потенциально полезных форм-
факторов включают в себя цилиндрическую ячейку, круглую или
кольцеобразную ячейку, плоскую призматическую ячейку или стопку
плоских призматических ячеек, представляющую собой
прямоугольную ячейку, а также плоскую призматическую ячейку, которая формуется так, чтобы соответствовать специфической геометрии, такой как криволинейное пространство. Цилиндрический форм-фактор может быть наиболее полезным в соединении с цилиндрическим инструментом или инструментом, монтируемым в цилиндрическом форм-факторе. Круглый или кольцеобразный форм-фактор может быть наиболее полезным в соединении с инструментом, который является круглым или устанавливается в кольцеобразном форм-факторе. Плоская призматическая ячейка, которая формуется так, чтобы соответствовать специфической геометрии, может быть полезной для эффективного использования "мертвого пространства" (то есть пространства в инструменте или оборудовании, которое в противном случае было бы незанятым и могло бы быть вообще недоступным).
[0082] В то время как в большинстве случаев он описывается в настоящем документе в терминах приложения типа "рулета с джемом" (то есть элемента 12 аккумуляторной батареи, который сконфигурирован под кожух 7 цилиндрической формы), свернутый элемент 2 3 аккумуляторной батареи может принять любую желаемую форму. Например, в противоположность сворачиванию элемента 12 аккумуляторной батареи, для обеспечения свернутого элемента 23 аккумуляторной батареи может быть выполнено складывание элемента 12 аккумуляторной батареи. Могут использоваться и другие типы сборки. В качестве одного примера, элемент 12 аккумуляторной батареи может быть плоской ячейкой круглой
формы, которую обычно называют "монетка" или "таблетка". Соответственно, сворачивание является просто одной возможностью
для сборки свернутого элемента 2 3 аккумуляторной батареи. Следовательно, хотя в настоящем документе используется термин "свернутый элемент 23 аккумуляторной батареи", он не является ограничением. Можно считать, что термин "свернутый элемент 2 3 аккумуляторной батареи" вообще включает в себя любую подходящую форму упаковки или упаковывания элемента 12 аккумуляторной батареи, которая соответствует заданному дизайну кожуха 7.
[0083] Различные формы ультраконденсатора 10 могут быть объединены вместе. Различные формы могут быть объединены вместе с использованием известных способов, таких как сварка контактов вместе, при помощи по меньшей мере одного механического соединителя, путем создания электрического контакта между контактами и т.п. Множество ультраконденсаторов 10 может быть электрически соединено по меньшей мере одним из параллельного и последовательного подключений.
[0084] Электролит б включает в себя пару катионов 9 и
анионов 11 и может включать в себя растворитель. Электролит б
может упоминаться как "ионная жидкость", когда это удобно.
Могут использоваться различные комбинации катионов 9, анионов
11 и растворителя. В примерном ультраконденсаторе 10 катионы 9
могут включать в себя по меньшей мере один из следующих ионов:
1- (3-цианопропил)-3-метилимидазолий, 1,2-диметил-З-
пропилимидазолий, 1,3-бис(3-цианопропил)имидазолий, 1,3-
диэтоксиимидазолий, 1-бутил-1-метилпиперидиний, 1-бутил-2,3-
диметилимидазолий, 1-бутил-З-метилимидазолий, 1-бутил-4-
метилпиридиний, 1-бутилпиридиний, 1-децил-З-метилимидазолий, 1-
этил-3-метилимидазолий, З-метил-1-пропилпиридиний, а также их
комбинации и другие эквиваленты, когда это уместно.
Дополнительные примерные катионы 9 включают в себя имидазолий,
пиразиний, пиперидиний, пиридиний, пиримидиний и пирролидиний
(структуры которых изображены на фиг.4). В примерном
ультраконденсаторе 10 анионы 11 могут включать в себя по
меньшей мере один из следующих ионов:
бис(трифторметансульфонат)имид,
трис(трифторметансульфонат)метид, дицианамид, тетрафторборат, гексафторфосфат, трифторметансульфонат,
бис (пентафторэтансульфонат)имид, тиоцианат, трифтор(трифторметил)борат, а также их комбинации и другие эквиваленты, когда это уместно.
[0085] Растворитель может включать в себя ацетонитрил,
амиды, бензонитрил, бутиролактон, циклический эфир,
дибутилкарбонат, диэтилкарбонат, диэтиловый эфир,
диметоксиэтан, диметилкарбонат, диметилформамид,
диметилсульфон, диоксан, диоксолан, этиловый эфир муравьиной
кислоты, этиленкарбонат, этилметилкарбонат, лактон, линейный
эфир, метиловый эфир муравьиной кислоты, метиловый эфир
пропионовой кислоты, метилтетрагидрофуран, , нитробензол,
нитрометан, н-метилпирролидон, пропиленкарбонат, сульфолан,
сульфон, тетрагидрофуран, тетраметиленсульфон, тиофен,
этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль,
полиэтиленгликоли, сложный эфир карбоновой кислоты, у-бутиролактон, , трицианогексан, любую их комбинацию или другой материал (материалы), которые демонстрируют подходящие технические характеристики.
[008 6] На фиг.4 показаны различные дополнительные варианты
осуществления катионов 9, подходящих для использования в ионной
жидкости для того, чтобы обеспечить электролит б. Эти катионы 9
могут использоваться поодиночке или в комбинации друг с другом,
в комбинации с по меньшей мере некоторыми из вышеописанных
вариантов осуществления катионов 9, и могут также
использоваться в комбинации с другими катионами 9, которые
пользователь, проектировщик, изготовитель или другая аналогично
заинтересованная сторона сочтут совместимыми и подходящими.
Катионы 9, изображенные на фиг.4, включают в себя, без
ограничения, аммоний, имидазолий, оксазолий, фосфоний,
пиперидиний, пиразиний, , пиридазиний, пиридиний, пиримидиний,
пирролидиний, сульфоний, тиазолий, триазолий, гуанидий,
изохинолиний, бензотриазолий, виологены и катионы
функционализированного имидазолия.
[0087] Что касается катионов 9, показанных на фиг.4, в них
включаются различные боковые группы (Rlr R2, R3, Rx) . В
случае катионов 9 каждая боковая группа (Rx) может представлять
собой одно из алкильной группы, гетероалкильной группы, алкенильной группы, гетероалкенильной группы, алкинильной группы, гетероалкинильной группы, галогруппы, аминогруппы, нитрогруппы, цианогруппы, гидроксильной группы, сульфогруппы, сульфонатной группы или карбонильной группы, любая из которых по желанию может быть замещенной.
[008 8] Термин "алкил" известен в данной области техники и может включать в себя насыщенные алифатические группы, включая алкильные группы с неразветвленной цепью, алкильные группы с разветвленной цепью, циклоалкильные (алициклические) группы, алкилзамещенные циклоалкильные группы и циклоалкилзамещенные алкильные группы. В некоторых вариантах осуществления алкильная группа с неразветвленной цепью или алкильная группа с разветвленной цепью имеет приблизительно 2 0 или меньше атомов углерода в своей основной цепи (например, С1-С20 для неразветвленной цепи, С1-С20 для разветвленной цепи). Аналогичным образом, циклоалкилы имеют от приблизительно 3 до приблизительно 10 атомов углерода в своей кольцевой структуре и альтернативно приблизительно 5, б или 7 атомов углерода в своей кольцевой структуре. Примеры алкильных групп включают в себя, не ограничиваясь этим, метильную группу, этильную группу, пропильную группу, бутильную группу, пентильную группу, гексильную группу, этилгексильную группу, циклопропильную группу, циклобутильную группу, циклопентильную группу, циклогексильную группу и т.п.
[0089] Термин "гетероалкил" известен в данной области
техники и относится к алкил группам, описанным в настоящем
документе, в которых один или более атомов являются
гетероатомами (например, кислородом, азотом, серой и т.п.).
Например, алкоксигруппа (например, -OR) является
гетероалкильной группой.
[0090] Термины "алкенил" и "алкинил" известны в данной области техники и относятся к ненасыщенным алифатическим группам, аналогичным по длине и возможному замещению алкилам, описанным выше, но которые содержат по меньшей мере одну
двойную или тройную связь, соответственно.
[0091] Термины "гетероалкенил" и "гетероалкинил" известны в данной области техники и относятся к алкенильным и алкинильным группам, описанным в настоящем документе, в которых один или более атомов являются гетероатомами (например, кислородом, азотом, серой и т.п.).
[0092] В большинстве случаев любой ион с отрицательным зарядом может использоваться в качестве аниона 11. Выбранный анион 11 обычно соединяется с большим органическим катионом 9 для того, чтобы сформировать ионную соль с низкой температурой плавления. Комнатную (и ниже) температуру плавления солей дают главным образом большие анионы 9 с зарядом -1. Соли, которые плавятся при еще более низких температурах, обычно реализуются с помощью анионов 11 с легко делокализующимися электронами. Любое обстоятельство, которое уменьшает сродство между ионами (расстояние, делокализация заряда), будет впоследствии понижать температуру плавления. Хотя возможные анионные формирования фактически бесконечны, только их подмножество будет работать в низкотемпературном приложении ионной жидкости. Это неограничивающий краткий обзор возможных анионных формирований для ионных жидкостей.
[0093] Общие замещающие группы (а), подходящие для использования анионов 11, показанных в Таблице 1, включают в себя: -F", -CI", -Br", -I", -OCHV, -CN", -SCN", -С2Н302~, -СЮ", -С102", -С103~, -С104", -NCO", -NCS", -NCSe", -NCN", -ОСН(СН3)2~, -CH2OCHV, -СООН", -ОН", -SOCH3", -S02CH3", -SOCH3", -S02CF3", -SO3H", -SO3CF3", -О (CF3) 2С2 (CF3) 20", -CF3", -CHF2", -CH2F", -CH3", -N03", -N02 , -SO32 , -SO42 , -SF5 , -CB11H12 , -СВцНбСхб , -СНзСВцНц , -С2Н5СВ11Н1Г, -A-P04", -A-S02", A-SO3"2, -A-SO3H", -A-COO", -A-CO", где А является фенилом (фенильная группа или фенильное кольцо являются циклической группой атомов с формулой СбЩ) или замещенным фенилом, алкилом (радикал, который имеет общую формулу CnH2n+i, сформированный удалением атома водорода из алкана) или замещенной алкильной группой, отрицательно заряженным радикалом алкана (алканы являются химическими
соединениями, которые состоят только из атомов водорода и углерода и соединяются исключительно одинарными связями), галоидированным алканом и эфиром (эфиры являются классом органических соединений, которые содержат атом кислорода, связанный с двумя алкильными или арильными группами).
[0094] Что касается анионов 11, подходящих для
использования в ионной жидкости, которая обеспечивает
электролит б, могут использоваться различные органические
анионы 11. Примерные анионы 11 и их структуры показаны в
Таблице 1. В первом варианте осуществления (№ 1) примерные
анионы 11 формулируются из списка замещающих групп (а) ,
приведенного выше, или их эквивалентов. В дополнительных
вариантах осуществления (№№ 2-5) примерные анионы 11
формулируются из соответствующей основной структуры (Y2, Y3, Y4,
Yn) и соответствующего количества анионных замещающих групп
(oci, а2, а3, ап) , где соответствующее количество анионных
замещающих групп (а) может быть выбрано из списка замещающих групп (а), приведенного выше, или их эквивалентов. Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления множество анионных замещающих групп (а) (то есть по меньшей мере одна отличающаяся анионная замещающая группа (а) ) может использоваться в любом варианте осуществления аниона 11. Кроме того, следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления основная структура (Y) является одиночным атомом или обозначенной молекулой (как описано в Таблице 1) или может быть эквивалентом.
[0095] Более конкретно и посредством примера, относительно примерных анионов, приведенных в Таблице 1, могут быть реализованы некоторые комбинации. В качестве одного примера, в случае № 2 основная структура (Y2) включает в себя единственную структуру (например, атом или молекулу), которая связывается с двумя анионными замещающими группами (а2) . В то время как показано наличие двух идентичных анионных замещающих групп (а2) , это вовсе необязательно. То есть основная структура (Y2) может быть соединена с различными анионными замещающими
группами (0С2) , такими как любая из анионных замещающих групп (а), перечисленных выше. Аналогичным образом основная структура (Y3) включает в себя единственную структуру (например, атом), которая связывается с тремя анионными замещающими группами (аз), как показано в случае № 3. Опять же, каждая из анионных замещающих групп (а) , включенных в анион, отличаться и не обязана повторяться (быть повторяющейся или быть симметричной) , как показано в Таблице 1. В большинстве случаев, что касается обозначений в Таблице 1, нижний индекс у одной из основных структур обозначает количество связей, которые соответствующая основная структура может иметь с анионными замещающими группами (а) . Таким образом, нижний индекс у соответствующей основной структуры (Уп) обозначает количество сопутствующих анионных замещающих групп (ап) в соответствующем анионе.
-Y4a4
сн3
Y4 может быть любым из следующего: В, Al, Ga, Th, In, P. /N\ F-B- Примерные анионы включают в себя: -BF4~, -А1С14~ \\ /(. р
Примерная ионная жидкость: [BMI][BF4] \
-сн3
- УбССб
сн3
F р
Y6 может быть любым из следующего: Р, S, Sb, As, N, Bi, Nb, Sb. /N\ F-V' Примерные анионы включают в себя: -P(CF3)4F2~, -AsF6~ \\ /{ ^ р
"-N
Примерная ионная жидкость: [BMI][PF6] \
\-сн3
[0096] Термин "цианогруппа" имеет значение, обычное в данной области техники, и относится к группе CN. Термин "сульфатная группа" имеет значение, обычное в данной области
техники, и относится к группе SO2. Термин "сульфонатная группа" имеет значение, обычное в данной области техники, и относится к группе SO3X, где X может быть электронной парой, водородом, алкильной или циклоалкильной группой. Термин "карбонильная группа" имеет значение, обычное в данной области техники, и относится к группе С=0.
[0097] Важным аспектом для рассмотрения в конструкции ультраконденсатора 10 является поддержание хорошей химической гигиены. Для того чтобы гарантировать чистоту компонентов, в различных вариантах осуществления активированный уголь, углеродные волокна, искусственный шелк, углеродная ткань и/или нанотрубки, составляющие среду 1 хранения энергии для двух электродов 3, сушатся при повышенной температуре в вакуумной среде. Разделитель 5 также сушится при повышенной температуре в вакуумной среде. Когда электроды 3 и разделитель 5 высушены под вакуумом, они упаковываются в кожух 7 без окончательного уплотнения или крышки в атмосфере, содержащей менее чем 50 частей на миллион (ррт) воды. Незакрытый ультраконденсатор 10 может быть высушен, например, под вакуумом в диапазоне температур от приблизительно 100 градусов Цельсия до приблизительно 300 градусов Цельсия. Как только эта заключительная сушка будет завершена, может быть добавлен электролит б, и кожух 7 герметизируется в относительно сухой атмосфере (такой как атмосфера, содержащая менее чем 50 частей на миллион воды). Конечно же, могут использоваться и другие способы сборки, и вышеописанное обеспечивает просто несколько примерных аспектов сборки ультраконденсатора 10.
[0098] В большинстве случаев примеси в электролите б поддерживаются на минимальном уровне. Например, в некоторых вариантах осуществления суммарная концентрация ионов галогенов (хлорид, бромид, фторид, йодид) поддерживается на уровне ниже, чем приблизительно 1000 частей на миллион. Суммарная
концентрация металлических частиц (например, Be, Cd, Со, Сг,
Си, Fe, К, Li, Mo, Na, Ni, Pb, Zn, включая по меньшей мере одно
из их сплава и окиси) поддерживается на уровне ниже, чем
приблизительно 1000 частей на миллион. Далее, примеси от
растворителей и прекурсоров, использованных в процессе синтеза,
поддерживаются на уровне ниже, чем приблизительно 1000 частей
на миллион и могут включать в себя, например, бромэтан,
хлорэтан, 1-бромбутан, 1-хлорбутан, 1-метилимидазол,
этилацетат, хлористый метилен и т.д.
[0099] В некоторых вариантах осуществления содержание примесей в ультраконденсаторе 10 измерялось с использованием ионно-селективных электродов и процедуры титрования по методу Карла Фишера, которая применялась к электролиту б ультраконденсатора 10. Было найдено, что суммарная концентрация ионов галогенов в ультраконденсаторе 10 в соответствии с описанием настоящего документа составляет менее чем приблизительно 200 частей на миллион ионов галогенов (С1~ и F"), а содержание воды составляет менее чем приблизительно 100 частей на миллион.
[0100] Примеси могут быть измерены с использованием
множества методик, таких как, например, атомно-абсорбционная
спектрометрия (AAS), масс-спектрометрия с индуктивно связанной
плазмой (ICPMS), или упрощенное растворение и электрохимическое
измерение следов частиц окислов тяжелых металлов. Атомно-
абсорбционная спектрометрия является спектрально-аналитической
процедурой для качественного и количественного определения
химических элементов, использующей поглощение оптического
излучения (света) свободными атомами в газообразном состоянии.
Эта методика используется для того, чтобы определить
концентрацию конкретного элемента (определяемого вещества) в
анализируемом образце. Атомно-абсорбционная спектрометрия может
использоваться для определения более семидесяти различных
элементов в растворе или непосредственно в твердых образцах.
Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой является
разновидностью масс-спектрометрии, которая является
высокочувствительной и способной к определению целого ряда
металлов и нескольких неметаллов при концентрациях ниже одной части на 1012 (части на триллион) . Эта методика основана на объединении индуктивно связанной плазмы в качестве способа создания ионов (ионизации) с масс-спектрометром в качестве способа разделения и обнаружения ионов. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой также способна отслеживать изотопный состав для выбранных ионов.
[0101] Для анализа примесей могут использоваться дополнительные методики. Некоторые из этих методик особенно выгодны для анализа примесей в твердых образцах. Ионная хроматография (1С) может использоваться для определения следовых уровней примесей ионов галогенов в электролите б (например, в ионной жидкости). Одно преимущество ионной хроматографии состоит в том, что соответствующие разновидности ионов галогенов могут быть измерены с помощью всего лишь одного хроматографического анализа. Хроматографическая колонка Dionex AS9-HC, использующая растворитель для элюирования, состоящий из 2 0 ммоль NaOH и 10% об. ацетонитрила, является одним примером устройства, которое может использоваться для количественного определения ионов галогенов в ионных жидкостях. Дополнительной методикой является методика рентгеновской флюоресценции.
[0102] Рентгеновская флюоресценция (XRF) может
использоваться для измерения содержания галогена в твердых образцах. В этой методике анализируемый образец помещается в пробирку для образцов, и пробирка для образцов затем помещается в анализатор, где она облучается рентгеновскими лучами конкретной длины волны. Любые атомы галогена в образце абсорбируют часть рентгеновских лучей, а затем отражают излучение на той длине волны, которая характерна для данного галогена. Детектор в приборе затем измеряет количество радиации, возвращающейся от атомов галогена, и измеряет интенсивность радиации. Зная площадь поверхности, которая подвергается воздействию, можно определить концентрацию галогенов в пробирке для образцов. Дополнительной методикой для оценки примесей в твердом образце является методика пиролиза.
[0103] Адсорбция примесей может быть эффективно измерена
посредством использования пиролиза и микрокулонометров. Микрокулонометры способны тестировать практически любой тип материала на полное содержание хлора. В качестве примера, небольшое количество образца (меньше 10 миллиграммов) либо вводится, либо помещается в кварцевую трубку для сжигания, где температура изменяется от приблизительно 600 градусов Цельсия до приблизительно 1000 градусов Цельсия. Чистый кислород пропускается через кварцевую трубку, и любые компоненты, содержащие хлор, полностью сгорают. Получающиеся продукты сгорания помещаются в титровальную ячейку, где ионы хлора улавливаются раствором электролита. Раствор электролита содержит ионы серебра, которые немедленно объединяются с любыми ионами хлора и выпадают из раствора в виде нерастворимого хлорида серебра. Серебряный электрод в титровальной ячейке электрически заменяет израсходованные ионы серебра, пока концентрация ионов серебра не вернется к первоначальному уровню, который имел место перед началом титрования. Отслеживая количество тока, израсходованного на образование необходимого количества серебра, прибор способен определить, сколько хлора присутствовало в оригинальном образце. Деление общего количества присутствующего хлора на массу образца дает концентрацию хлора, который фактически находится в образце. Для оценки примесей могут использоваться и другие методики.
[0104] Строение поверхности и содержание воды в электроде 3 могут быть исследованы, например, методами инфракрасной спектроскопии. Четыре главных полосы поглощения на длинах волн ИЗО, 1560, 3250 и 2300 см"1 соответствуют связям vC=0 в карбониле, vC=C в ариле, vO-H и vC-N, соответственно. Измеряя интенсивность и положение пика, можно количественно идентифицировать поверхностные примеси в электроде 3.
[0105] Другой методикой для идентифицирования примесей в электролите б и ультраконденсаторе 10 является рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния света). Эта спектроскопическая методика основана на неэластичном рассеивании, или рамановском рассеивании, монохроматического
света, обычно от лазера в видимом, близком инфракрасном или
близком ультрафиолетовом диапазоне. Лазерный свет
взаимодействует с молекулярными колебаниями, фононами или другими возбуждениями в системе, что приводит к тому, что энергия лазерных фотонов смещается вверх или вниз. Таким образом, эта методика может использоваться для того, чтобы характеризовать атомы и молекулы в ультраконденсаторе 10. Используются многочисленные вариации рамановской спектроскопии, которые могут оказаться полезными для описания содержимого ультраконденсатора 10.
[0106] Когда ультраконденсатор 10 изготовлен, он может использоваться в высокотемпературных приложениях с малым или нулевым током утечки и небольшим увеличением сопротивления. Ультраконденсатор 10, описанный в настоящем документе, может эффективно функционировать при температурах от приблизительно минус 4 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия с токами утечки, нормализованными по объему устройства, менее чем 1 ампер на литр (А/л) объема устройства в пределах всего рабочего диапазона напряжения и температуры.
[0107] Путем уменьшения содержания влаги в
ультраконденсаторе 10 (например, до величины менее чем 50 0 частей на миллион по массе и объему электролита и примесей до величины менее чем 1000 частей на миллион), ультраконденсатор 10 может эффективно функционировать во всем диапазоне температур с током утечки (I/L), который составляет менее чем 1000 мА/л в пределах всего диапазона температур и напряжений.
[0108] В одном варианте осуществления ток утечки (I/L) при конкретной температуре измеряется путем поддержания напряжения ультраконденсатора 10 постоянным и равным номинальному напряжению (то есть максимальному номинальному рабочему напряжению) в течение семидесяти двух (72) часов. Во время этого периода температура остается относительно постоянной и равной заданной температуре. В конце интервала измерения измеряется ток утечки ультраконденсатора 10.
[0109] В некоторых вариантах осуществления максимальное номинальное напряжение ультраконденсатора 10 составляет
приблизительно 4 В при комнатной температуре. Одним подходом для того, чтобы гарантировать эффективность ультраконденсатора 10 при повышенных температурах (например, при температурах выше 210 градусов Цельсия), является изменить (то есть понизить) номинальное напряжение ультраконденсатора 10. Например, номинальное напряжение может быть снижено приблизительно на 0,5 В так, чтобы можно было достичь увеличенной продолжительности работы при высоких температурах.
[ОНО] Другой вариант осуществления для того, чтобы гарантировать высокую степень чистоты, включает в себя примерный процесс для очистки электролита б. Следует отметить, что хотя процесс представляется в терминах конкретных параметров (таких как количества, составы, времена и т.п.), это представление является просто примерным и иллюстративным представлением процесса для очистки электролита и не ограничивает его.
[0111] На первой стадии процесса очистки электролита
электролит б (в некоторых вариантах осуществления ионная
жидкость) смешивается с деминерализованной водой, а затем
нагревается до умеренной температуры в течение некоторого
промежутка времени. В опытно-экспериментальной установке
пятьдесят (50) миллилитров (мл) ионной жидкости смешивались с
восемьюстами пятьюдесятью (850) миллилитрами (мл)
деминерализованной воды. Смесь выдерживалась при постоянной температуре, равной шестидесяти (60) градусам Цельсия, в течение приблизительно двенадцати (12) часов и подвергалась постоянному перемешиванию (со скоростью приблизительно сто двадцать (120) оборотов в минуту (об/мин)).
[0112] На второй стадии смесь ионной жидкости и деминерализованной воды разделялась. В этом примере смесь была слита через сифон и оставлена отстаиваться в течение приблизительно четырех (4) часов.
[0113] На третьей стадии собирается ионная жидкость. В этом примере водная фаза смеси находилась на дне, а фаза ионной жидкости - наверху. Фаза ионной жидкости была перенесена в другую мензурку.
[0114] На четвертой стадии растворитель был смешан с ионной жидкостью. В этом примере приблизительно двадцать пять (25) миллилитров (мл) этилацетата были смешаны с ионной жидкостью. Эта смесь снова была нагрета до умеренной температуры и перемешивалась в течение некоторого времени.
[0115] Хотя в качестве растворителя использовался
этилацетат, растворитель может быть по меньшей мере одним из
диэтилового эфира, пентана, циклопентана, гексана,
циклогексана, бензола, толуола, 1-4 диоксанов, хлороформа или любой комбинацией перечисленного, а также другим материалом (материалами), который имеет подходящие технические характеристики. Некоторые из желаемых технических характеристик включают в себя неполярность растворителя, а также высокую степень летучести.
[0116] На пятой стадии углеродный порошок добавляется к смеси ионной жидкости и растворителя. В этом примере приблизительно двадцать (20) массовых процентов (% масс.) углерода (с диаметром приблизительно 0,4 5 мкм) были добавлены к смеси.
[0117] На шестой стадии ионная жидкость снова перемешивается. В этом примере смесь с углеродным порошком была затем подвергнута постоянному перемешиванию (со скоростью 12 0 об/мин) в течение всей ночи при температуре приблизительно семьдесят (70) градусов Цельсия.
[0118] На седьмой стадии углерод и этилацетат отделяются от ионной жидкости. В этом примере углерод был отделен с использованием воронки Бюхнера с фильтром из стеклянного микроволокна. Было выполнено несколько фильтрований (три). Собранная ионная жидкость затем была пропущена через шприцевый фильтр с размером 0,2 мкм для того, чтобы удалить существенно все углеродные частицы. В этом примере растворитель затем был отделен от ионной жидкости с использованием ротационного выпаривания. Конкретно, образец ионной жидкости взбалтывался при увеличении температуры от семидесяти (70) градусов Цельсия до восьмидесяти (80) градусов Цельсия, и выпаривание было закончено при температуре сто (100) градусов Цельсия.
Выпаривание выполнялось в течение приблизительно пятнадцати (15) минут при каждой из соответствующих температур.
Данные по очистке электролита
[0119] Оказалось, что процесс очистки электролита является очень эффективным. Для образца ионной жидкости содержание воды было измерено титрованием с использованием прибора производства компании Mettler-Toledo Inc., г. Коламбус, штат Огайо (модель № AQC22). Содержание ионов галогенов было измерено с использованием прибора ISE (выбираемого ион электрода) производства компании Hanna Instruments, г. Вунсокет, штат Род-Айленд (модель № HI4222). Стандартные растворы для прибора ISE были получены от компании Hanna Instruments и включали в себя раствор HI 4007-03 (стандартный раствор хлорида с концентрацией 1000 частей на миллион), HI 4010-03 (стандартный раствор фторида с концентрацией 1000 частей на миллион), HI 4000-00 (буферный раствор для регулировки ионной силы для галоидно-ионных электродов) и HI 4 010-00 (буферный раствор для регулировки общей ионной силы только для фтористых электродов). Перед выполнением измерений прибор ISE был калиброван стандартными растворами с использованием концентраций 0,1, 10, 100 и 1000 частей на миллион стандартных растворов, смешанных с деминерализованной водой. Буферный раствор для регулировки ионной силы добавлялся к стандартному раствору в соотношении 1:50 для измерения ионов С1~. Результаты показаны в Таблице 2.
[0120] Для измерения ионов галогенов использовался четырехстадийный процесс. Сначала ионы С1~ и F" измерялись в деминерализованной воде. Затем был подготовлен 0,01 М раствор ионной жидкости в деминерализованной воде. Затем ионы С1~ и F" измерялись в растворе. Оценка содержания ионов галогенов была затем получена путем вычитания количества ионов в воде из
количества ионов в растворе.
[0121] В качестве краткого обзора, предлагается способ сборки ультраконденсатора цилиндрической формы 10. Начиная с электродов 3, каждый электрод 3 изготовляется по мере того, как среда 1 хранения энергии связывается с коллектором 2 тока. Множество выводов затем соединяются с каждым электродом 3 в подходящих положениях. Множество электродов 3 затем ориентируются и собираются с подходящим количеством разделителей 5 между ними для того, чтобы сформировать элемент 12 аккумуляторной батареи. Элемент 12 аккумуляторной батареи может затем быть свернут в цилиндр и может быть защищен оберткой. В большинстве случаев соответствующие выводы затем объединяются в жгут с тем, чтобы сформировать каждый из клеммных выводов 8.
[0122] Перед включением электролита б в ультраконденсатор 10 (например, перед сборкой элемента 12 аккумуляторной батареи, или после этого) каждый компонент ультраконденсатора 10 может быть высушен для того, чтобы удалить влагу. Это может быть выполнено с несобранными компонентами (то есть с пустым кожухом 7, а также с каждым из электродов 3 и с каждым из разделителей 5), а впоследствии с собранными компонентами (такими как элемент 12 аккумуляторной батареи).
[0123] Сушка может быть выполнена, например, при повышенной температуре в вакуумной среде. Как только сушка выполнена, элемент 12 аккумуляторной батареи может быть упакован в кожух 7 без окончательного уплотнения или крышки. В некоторых вариантах осуществления упаковка выполняется в атмосфере, содержащей менее чем 50 частей на миллион (ррт) воды. Незакрытый ультраконденсатор 10 может затем быть снова высушен. Например, ультраконденсатор 10 может быть высушен под вакуумом в диапазоне температур от приблизительно 100 градусов Цельсия до приблизительно 300 градусов Цельсия. Как только эта заключительная сушка будет завершена, кожух 7 может быть загерметизирован в, например, атмосфере, содержащей менее чем 50 частей на миллион воды.
[0124] В некоторых вариантах осуществления, когда процесс
сушки (который может также называться процессом "запекания") закончен, среда, окружающая компоненты, может быть заполнена инертным газом. Примерные газы включают в себя аргон, азот, гелий и другие газы, демонстрирующие аналогичные свойства (а также их комбинации).
[0125] В большинстве случаев заливное отверстие (перфорация в поверхности кожуха 7) включено в кожух 7 или может быть добавлено позже. Как только ультраконденсатор 10 будет заполнен электролитом б, заливное отверстие может быть закрыто. Закрытие заливного отверстия может быть выполнено, например, сварочным материалом (например, металлом, который является совместимым с кожухом 7) внутри или поверх заливного отверстия. В некоторых вариантах осуществления заливное отверстие может быть временно закрыто до наполнения так, чтобы ультраконденсатор 10 мог быть перемещен в другую среду для последующего повторного открытия, наполнения и закрытия. Однако, как обсуждалось в настоящем документе, полагается, что ультраконденсатор 10 сушится и заполняется в той же самой среде.
[0126] Для того чтобы наполнить кожух 7 желаемым количеством электролита б, может использоваться множество способов. В большинстве случаев управление процессом наполнения может обеспечить, среди прочего, увеличение емкости, снижение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и ограничение отходов электролита б. Вакуумный способ наполнения предлагается как неограничивающий пример способа наполнения кожуха 7 и смачивания элемента аккумуляторной батареи 12 электролитом б.
[0127] Сначала, однако, следует отметить, что могут быть
приняты меры для того, чтобы гарантировать, что любой материал,
который потенциально может загрязнить компоненты
ультраконденсатора 10, является чистым, совместимым и сухим. По традиции можно считать, что для того, чтобы гарантировать процессы сборки, осуществляется "хорошая гигиена", и компоненты не вводят примеси в ультраконденсатор 10. Кроме того, по
традиции можно считать, что "примесь" может быть определена как любой нежелательный материал, который будет отрицательно воздействовать на эффективность ультраконденсатора 10 в случае его присутствия. Также следует отметить, что вообще в настоящем документе примеси могут быть оценены как концентрация, например, в частях на миллион (ррт). Концентрация может быть взята по массе, объему, массе образца или любым другим подходящим образом.
[0128] В "вакуумном способе" контейнер помещается на кожух 7 вокруг заливного отверстия. Некоторое количество электролита б затем помещается в контейнер в среде, которая существенно не содержит кислорода и воды (то есть влаги). Затем в среде создается вакуум, который таким образом удаляет оставшийся воздух из кожуха и одновременно засасывает электролит б в кожух 7. Окружающая среда при желании затем может быть повторно наполнена инертным газом (таким как аргон, азот и т.п., или некоторая комбинация инертных газов). Затем может быть осуществлена проверка того, попало ли желаемое количество электролита б в ультраконденсатор 10. Процесс может повторяться по мере необходимости до тех пор, пока в ультраконденсаторе 10 не окажется желаемое количество электролита б.
[0129] После наполнения электролитом б в некоторых вариантах осуществления, в заливное отверстие может быть помещен материал для герметизации ультраконденсатора 10. Материал может быть, например, металлом, который совместим с кожухом 7 и электролитом б. В одном примере материал является глухой посадкой с гарантированным натягом в заливное отверстие, по существу выполняющим "холодную сварку" пробки в заливном отверстии. Конечно же, глухая посадка может сопровождаться другими методиками сварки, как обсуждается далее в настоящем документе.
[0130] Для того чтобы показать, как процесс заполнения влияет на ультраконденсатор 10, были построены два схожих варианта осуществления ультраконденсатора 10. Один из них был заполнен без вакуума, другой было заполнен под вакуумом.
Электрическая эффективность этих двух вариантов осуществления показана в Таблице 3. При повторном измерении эффективности было отмечено, что увеличенная эффективность достигается при заполнении ультраконденсатора 10 с применением вакуума. Было установлено, что вообще желательно, чтобы давление внутри кожуха 7 было ниже приблизительно 150 мТорр, и более конкретно ниже приблизительно 4 0 мТорр.
[0131] Для того чтобы оценить эффективность методик вакуумного заполнения, были испытаны две различные пакетные ячейки. Пакетные ячейки включали в себя два электрода 3, каждый из которых был изготовлен на основе углеродсодержащего материала. Электроды 3 были помещены друг напротив друга. Разделитель 5 был расположен между ними для того, чтобы предотвратить короткое замыкание, и все было пропитано электролитом 6. Два внешних вывода были использованы для того, чтобы обеспечить четыре точки измерения. Использованный разделитель 5 представлял собой полиэтиленовый разделитель 5, и ячейка имела суммарный объем приблизительно 0,468 мл. Это привело к существенному уменьшению начального тока утечки, а также к уменьшению тока утечки на более поздней части интервала измерения.
[0132] Ток утечки может быть определен многими способами. Качественно ток утечки можно рассматривать как ток, поглощаемый устройством, когда устройство достигло состояния равновесия. На
практике всегда или почти всегда необходимо оценивать фактический ток утечки как состояние равновесия, к которому вообще можно лишь асимптотически приблизиться. Таким образом, ток утечки в данном измерении может быть аппроксимирован путем измерения тока, поглощаемого ультраконденсатором 10, когда ультраконденсатор 10 поддерживается при существенно фиксированном напряжении и существенно фиксированной температуре окружающей среды в течение относительно длительного периода времени. В некоторых случаях относительно длительный период времени может быть определен путем аппроксимации функции зависимости тока от времени экспоненциальной функцией с последующим прохождением нескольких (например, приблизительно от 3 до 5) характеристических временных точек. Зачастую такая продолжительность находится в диапазоне от приблизительно 50 часов до приблизительно 100 часов для многих ультраконденсаторных технологий. Альтернативно, если такой длительный период времени по какой-либо причине невозможен или нецелесообразен, ток утечки может просто экстраполироваться, опять же возможно путем аппроксимации функции зависимости тока от времени экспоненциальной функцией или любой другой подходящей аппроксимирующей функцией. Следует отметить, что ток утечки, как правило, зависит от температуры окружающей среды. Так, для того чтобы охарактеризовать эффективность устройства при некоторой температуре или в некотором диапазоне температур, в большинстве случаев важно подвергнуть устройство воздействию интересующей температуры при измерении тока утечки.
[0133] На фиг.5 показаны аспекты примерного кожуха 7. Среди прочего, кожух 7 обеспечивает структуру и физическую защиту для ультраконденсатора 10. В этом примере кожух 7 включает в себя круглое тело цилиндрической формы 2 0 и сопряженную с ним крышку 24. В этом варианте осуществления крышка 2 4 включает в себя центральную часть, которая удалена и заполнена электрическим изолятором 26. Проходящий через крышку штырек 19 проникает через электрический изолятор 26 для того, чтобы предоставить пользователям доступ к запасенной энергии.
[0134] Обычные материалы для кожуха 7 включают в себя
нержавеющую сталь, алюминий, тантал, титан, никель, медь, олово, различные сплавы, ламинаты и т.п. Структурные материалы, такие как некоторые материалы на основе полимеров, могут использоваться в кожухе 7 (обычно в комбинации с по меньшей мере некоторыми металлическими компонентами).
[0135] Хотя этот пример изображает только один штырек 19 на крышке 24, необходимо понимать, что конструкция кожуха 7 не ограничивается вариантами осуществления, обсужденными в настоящем документе. Например, крышка 24 может включать в себя множество штырьков 19. В некоторых вариантах осуществления тело 2 0 включает в себя вторую, аналогичную крышку 2 4 на противоположном конце круглого цилиндра. Далее, необходимо понимать, что кожух 7 не ограничивается вариантами осуществления, имеющими круглое тело 2 0 цилиндрической формы. Например, кожух 7 может иметь конструкцию раковины моллюска, призматическую конструкцию, пакетную или любую другую конструкцию, которая является подходящей для потребностей проектировщика, изготовителя или пользователя.
[013 6] В этом примере крышка 2 4 изготавливается с таким наружным диаметром, чтобы она плотно устанавливалась в пределах внутреннего диаметра тела 20. В собранном состоянии крышка 2 4 может быть сварена с телом 20, предоставляя таким образом пользователям герметичное уплотнение.
[0137] На фиг.6 показан примерный элемент 12 аккумуляторной батареи. В этом примере элемент 12 аккумуляторной батареи представляет собой хранилище энергии типа "рулет с джемом". В этих вариантах осуществления материалы, аккумулирующие энергию, скручиваются в тугой пакет. Множество выводов обычно образуют каждый клеммный вывод 8 и обеспечивают электрический доступ к подходящему слою элемента 12 аккумуляторной батареи. В большинстве случаев в собранном состоянии каждый клеммный вывод 8 электрически соединяется с кожухом 7 (например, с соответствующим штырьком 19 и/или непосредственно с кожухом 7). Элемент 12 аккумуляторной батареи может принимать множество форм. Вообще существуют по меньшей
мере два множества выводов (например, клеммные выводы 8), по одному для каждого коллектора 2 тока. Для простоты во многих вариантах осуществления, проиллюстрированных в настоящем документе, показывается только один из клеммных выводов 8.
[0138] Желательно, чтобы уплотнение кожуха 7 было очень эффективным. Таким образом, предотвращение проникновения окружающей внешней среды (воздуха, влаги и т.д.) помогает поддерживать чистоту компонентов элемента 12 аккумуляторной батареи. Кроме того, это предотвращает утечку электролита б из элемента 12 аккумуляторной батареи.
[0139] Обращаясь теперь к фиг.7, кожух 7 может включать в себя внутренний барьер 30. В некоторых вариантах осуществления барьер 30 является покрытием. В этом примере барьер 30 формируется из политетрафторэтилена (PTFE). Политетрафторэтилен (PTFE) демонстрирует различные свойства, которые делают этот состав хорошо подходящим для барьера 30. Политетрафторэтилен имеет температуру плавления приблизительно 32 7 градусов Цельсия, имеет превосходные диэлектрические свойства, имеет коэффициент трения приблизительно от 0,05 до 0,10, что делает его третьим в списке известных твердых материалов с самым низким трением, имеет высокую коррозийную стойкость и другие выгодные свойства. В большинстве случаев внутренняя часть крышки 2 4 может включать в себя барьер 30, расположенный на ней.
[0140] Для барьера 30 могут использоваться и другие материалы. Этих другие материалы могут включать в себя керамику (любой тип керамики, который может быть применен подходящим образом и соответствует критериям эффективности), другие полимеры (предпочтительно высокотемпературные полимеры) и т.п. Примерные другие полимеры включают в себя перфторалкоксил (PFA) и сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена (fluorinated ethylene propylene, FEP), а также этилентетрафторэтилен (ETFE).
[0141] Барьер 30 может включать в себя любой материал или комбинации материалов, которые обеспечивают уменьшение электрохимических реакций или других типов реакций между элементом 12 аккумуляторной батареи и кожухом 7 или
компонентами кожуха 7. В некоторых вариантах осуществления комбинации представляют собой гомогенную дисперсию отличающихся материалов в пределах одного слоя. В других вариантах осуществления комбинации представляют собой отличающиеся материалы в пределах множества слоев. Могут использоваться и другие комбинации. Вообще, барьер 30 можно рассматривать как по меньшей мере одно из электрического изолятора и химически инертного вещества (то есть имеющего низкую реактивность), и поэтому он существенно сопротивляется или препятствует по меньшей мере одному из электрических и химических взаимодействий между элементом 12 аккумуляторной батареи и кожухом 7. В некоторых вариантах осуществления термин "низкая реактивность" и "низкая химическая реактивность" в целом относится к скорости химического взаимодействия, которая находится ниже уровня беспокойства заинтересованной стороны.
[0142] В большинстве случаев внутренность кожуха 7 может быть основой для барьера 30, так что покрываются все поверхности кожуха 7, которые обращены внутрь. По меньшей мере одна необработанная область 31 может быть включена в пределах тела 20 и на наружной поверхности 3 6 крышки 2 4 (см. фиг.8А). В некоторых вариантах осуществления необработанные области 31 (см. фиг.8В) могут быть включены для учета требований сборки, например, области, которые будут герметизированы или соединены (например, сваркой).
[0143] Барьер 30 может быть нанесен на внутренние части с использованием обычных способов. Например, в случае политетрафторэтилена барьер 30 может быть нанесен путем окрашивания или распыления барьера 30 на внутреннюю поверхность в качестве покрытия. Как часть процесса может использоваться маска, чтобы гарантировать сохранение желаемой целостности необработанных областей 31. Короче говоря, для того чтобы обеспечить барьер 30, может использоваться множество способов.
[0144] В примерном варианте осуществления толщина барьера 3 0 составляет от приблизительно 3 мил (1/1000 дюйма) до приблизительно 5 мил, в то время как материал, используемый для барьера 30, является материалом на основе перфторалкоксила. В
этом примере поверхности для приема материала, который составляет барьер 30, подготавливаются с помощью пескоструйной обработки, например, окисью алюминия. Как только поверхности очищены, наносится материал, сначала как жидкость, а затем как порошок. Материал отверждается с помощью процесса термообработки. В некоторых вариантах осуществления цикл нагрева имеет продолжительность от приблизительно 10 минут до приблизительно 15 минут при температуре приблизительно 370 градусов Цельсия. Это приводит в результате к такому барьеру 30, который существенно не содержит микроотверстий или микродефектов. Фиг.9 изображает сборку варианта осуществления ультраконденсатора 10 в соответствии с описанием в настоящем документе. В этом варианте осуществления ультраконденсатор 10 включает в себя тело 20, которое включает в себя расположенный в нем барьер 30, крышку 2 4 с расположенным на ней барьером 3 0 и элемент 12 аккумуляторной батареи. Во время сборки крышка 2 4 устанавливается на тело 20. Первый из клеммных выводов 8 электрически соединяется со штырьком 19 в крышке, в то время как второй из клеммных выводов 8 электрически соединяется с кожухом 7, обычно на дне, на боковой стороне или на крышке 24. В некоторых вариантах осуществления второй из клеммных выводов 8 соединяется с другим штырьком 19 (например, в противоположной крышке 24).
[0145] Благодаря барьеру 30, расположенному на внутренней поверхности (поверхностях) кожуха 7, электрохимические и другие реакции между кожухом 7 и электролитом значительно уменьшаются или существенно исключаются. Это особенно важно при высоких температурах, когда скорость химических и других реакций обычно увеличивается.
[0146] На фиг.10 показана относительная эффективность ультраконденсатора 10 по сравнению с ультраконденсатором, эквивалентным ультраконденсатору по настоящему изобретению во всех остальных аспектах. На фиг.10А показан ток утечки для варианта осуществления ультраконденсатора 10 предшествующего уровня техники. На фиг.10В показан ток утечки для эквивалентного ультраконденсатора 10, который включает в себя
барьер 30. Ультраконденсатор 10, ток утечки которого показан на фиг.10В, электрически эквивалентен ультраконденсатору, ток утечки которого показан на Фиг. 10А. В обоих случаях кожух 7 был изготовлен из нержавеющей стали, напряжение, обеспечиваемое ячейкой, составляло 1,75 В, и электролит не был очищен. Температура поддерживалась постоянной и равной 150 градусам Цельсия. Примечательно, что ток утечки на фиг.10В показывает сравнительно более низкое начальное значение и отсутствие существенного увеличения с течением времени, в то время как ток утечки на фиг.10А показывает сравнительно более высокое начальное значение, а также существенное увеличение с течением времени.
[0147] В большинстве случаев барьер 30 обеспечивает подходящую толщину подходящих материалов между элементом 12 аккумуляторной батареи и кожухом 7. Барьер 30 может включать в себя гомогенную смесь, гетерогенную смесь и/или по меньшей мере один слой материалов. Барьер 30 может обеспечить полное покрытие (то есть обеспечить покрытие всей площади внутренней поверхности кожуха за исключением электродных контактов) или частичное покрытие. В некоторых вариантах осуществления барьер 30 формируется из множества компонентов. См., например, вариант осуществления, представленный ниже и проиллюстрированный на фиг.11.
[0148] На фиг.11 показаны аспекты дополнительного варианта осуществления. В некоторых вариантах осуществления элемент 12 аккумуляторной батареи помещается в оболочку 33. То есть элемент 12 аккумуляторной батареи имеет расположенный на нем барьер 30, обернутый вокруг него, или нанесенный на него другим образом для того, чтобы отделить элемент 12 аккумуляторной батареи от кожуха 7 в собранном состоянии. Оболочка 33 может быть нанесена перед упаковкой элемента 12 аккумуляторной батареи в кожух 7. Следовательно, использование оболочки 33 может дать определенные преимущества, например, для изготовителей. (Следует отметить, что оболочка 33 в целях иллюстрации показана как свободно расположенная вокруг элемента 12 аккумуляторной батареи).
[0149] В некоторых вариантах осуществления оболочка 33 используется в совокупности с покрытием, причем покрытие располагается поверх по меньшей мере части внутренних поверхностей. Например, в одном варианте осуществления покрытие располагается внутри кожуха 7 только в тех областях, где оболочка 33 может быть по меньшей мере частично попасть под угрозу (например, со стороны выступающего клеммного вывода 8). Оболочка 33 и покрытие вместе образуют эффективный барьер 30.
[0150] Соответственно, включение барьера 30 может обеспечить ультраконденсатор, который обладает током утечки со сравнительно низкими начальными значениями и существенно более медленным увеличением тока утечки с течением времени по сравнению с предшествующим уровнем техники. Существенно, что ток утечки ультраконденсатора остается на практических (то есть желательно низких) уровнях, когда ультраконденсатор подвергается воздействию окружающей среды при таких температурах, для которых конденсаторы предшествующего уровня техники показали бы чрезмерно большие начальные значения тока утечки и/или чрезмерно быстрое увеличение тока утечки с течением времени.
[0151] По традиции термин "ток утечки" обычно относится к току, поглощаемому конденсатором, который измеряется после прохождения установленного периода времени. Это измерение выполняется, когда между клеммными выводами конденсатора поддерживается существенно постоянная разность потенциалов (клеммное напряжение). При оценке тока утечки типичный промежуток времени составляет семьдесят два (72) часа, хотя могут использоваться различные периоды. Следует отметить, что ток утечки для конденсаторов предшествующего уровня техники обычно увеличивается с увеличением объема и площади поверхности среды хранения энергии и сопутствующим увеличением площади внутренней поверхности кожуха. В большинстве случаев увеличивающийся ток утечки рассматривается как показатель прогрессивно увеличивающихся скоростей реакции внутри ультраконденсатора 10. Эксплуатационные требования для тока
утечки в большинстве случаев определяются условиями окружающей среды, преобладающими в конкретном применении. Например, для ультраконденсатора 10, имеющего объем 2 0 мл, практический предел тока утечки может упасть ниже 100 мА.
[0152] Описав таким образом варианты осуществления барьера 3 0 и его различные аспекты, следует признать, что ультраконденсатор 10 может демонстрировать другие преимущества в результате уменьшения реакции между кожухом 7 и средой 1 хранения энергии. Например, эффективное последовательное сопротивление (ESR) ультраконденсатора 10 может демонстрировать сравнительно низкие значения с течением времени. Далее, нежелательные химические реакции, которые имеют место в конденсаторе предшествующего уровня техники, зачастую создают нежелательные эффекты, такие как выход газа или, в случае герметично запечатанного кожуха, вздутие кожуха. В обоих случаях это приводит к нарушению герметичности кожуха и/или герметичного уплотнения конденсатора. В конечном счете, это может привести к утечкам или катастрофическому разрушению конденсатора предшествующего уровня техники. В некоторых вариантах осуществления эти эффекты могут быть существенно уменьшены или исключены путем нанесения описанного барьера 30.
[0153] Следует понимать, что термины "барьер" и "покрытие" не являются ограничивающими для описания в настоящем документе. То есть для нанесения подходящего материала на внутренность кожуха 7 тело 2 0 и/или крышку 2 4 может использоваться любая методика. Например, в других вариантах осуществления барьер 30 фактически изготовляется в или на материале, составляющем тело кожуха 20, материал затем обрабатывается или формируется по обстоятельствам для того, чтобы сформировать различные компоненты кожуха 7. Рассматривая некоторые из многих возможных методик для нанесения барьера 30, равно приемлемыми могут быть способы нанесения материала (материалов) путем накатки, разбрызгивания, спекания, ламинирования, печати и т.п. Вообще, барьер 30 может быть нанесен с использованием любой методики, которую изготовитель, проектировщик и/или пользователь считают
подходящей.
[0154] Материалы, используемые в барьере 30, могут быть выбраны в соответствии со свойствами, такими как реакционная способность, значение диэлектрической постоянной, температура плавления, степень адгезии к материалам кожуха 7, коэффициент трения, стоимость и другие факторы. Комбинации материалов (такие как многослойные, смешанные или комбинированные иным образом) могут использоваться для того, чтобы обеспечить желаемые свойства.
[0155] Использование улучшенного кожуха 7, такого как кожух с барьером 30, в некоторых вариантах осуществления может ограничить разложение электролита б. В то время как барьер 30 представляет собой одну методику для обеспечения улучшенного кожуха 7, могут использоваться и другие методики. Например, использование кожуха 7, изготовленного из алюминия, было бы выгодно благодаря электрохимическим свойствам алюминия в присутствии электролита б. Однако, учитывая трудности, возникающие при использовании алюминия в процессе производства, до настоящего момента было невозможно создать варианты осуществления кожуха 7, которые использовали бы преимущества алюминия.
[0156] Дополнительные варианты осуществления кожуха 7 включают в себя те варианты, в которых алюминий имеется на всех внутренних поверхностях, которые могут быть подвергнуты воздействию электролита, предоставляя в то же время пользователям возможность сварки и герметичного уплотнения кожуха. Улучшенная эффективность ультраконденсатора 10 может быть реализована за счет уменьшения внутренней коррозии, устранения проблем, связанных с использованием несходных металлов в проводящей среде и т.д. Преимущественно кожух 7 использует существующую технологию, такую как доступные электродные вставки, которые включают в себя стеклянно-металлический спай (и может включать в себя электродные вставки, изготовленные из нержавеющей стали, тантала или других выгодных материалов и компонентов), и поэтому является экономичным в производстве.
[0157] Хотя раскрытые в настоящем документе варианты осуществления кожуха 7 описаны как подходящие для ультраконденсатора 10, эти варианты осуществления (как и в случае с барьером 30) могут использоваться с любым подходящим типом хранилища энергии и могут включать в себя любой тип реальной технологии. Например, могут использоваться другие формы хранилища энергии, включая электрохимические батареи, в частности, батареи на основе лития.
[0158] В некоторых вариантах осуществления материал, используемый для конструкции тела 20, включает в себя алюминий, который может включать в себя любой тип алюминия или алюминиевого сплава, который проектировщик или производитель считают подходящим (все из которых обобщенно упоминаются в настоящем документе просто как "алюминий") . Различные сплавы, ламинаты и т.п. могут быть расположены (например, в виде плакирующего покрытия) на алюминии (имеется в виду алюминий, обращенный внутрь тела 20) . Дополнительные материалы (такие как структурные материалы или электроизолирующие материалы, такие как некоторые материалы на основе полимеров) могут использоваться для того, чтобы дополнить тело и/или кожух 7. Материалы, расположенные поверх алюминия, аналогичным образом могут быть выбраны по тем критериям, которые проектировщик или производитель считают подходящими.
[0159] В большинстве случаев материал (материалы), контактирующий с внутренностью кожуха 7, демонстрируют адекватно низкую реакционную способность под воздействием электролита б, и поэтому являются просто иллюстративными для некоторых из вариантов осуществления и не ограничивают описание, приведенное в настоящем документе.
[0160] Хотя этот пример изображает только один штырек 19 на крышке 24, следует понимать, что конструкция кожуха 7 не ограничивается вариантами осуществления, обсужденными в настоящем документе. Например, крышка 24 может включать в себя множество штырьков 19. В некоторых вариантах осуществления тело 2 0 включает в себя вторую аналогичную крышку 2 4 в
противоположном конце круглого цилиндра. Далее, следует понимать, что кожух 7 не ограничивается вариантами осуществления, имеющими круглое тело 2 0 цилиндрической формы. Например, кожух 7 может иметь конструкцию раковины моллюска, призматическую конструкцию, пакетную или любую другую конструкцию, которая является подходящей для потребностей проектировщика, изготовителя или пользователя.
[0161] Желательно, чтобы уплотнение кожуха 7 было очень эффективным. Таким образом, предотвращение проникновения окружающей внешней среды (воздуха, влаги и т.д.) помогает поддерживать чистоту компонентов элемента 12 аккумуляторной батареи. Кроме того, это предотвращает утечку электролита б из элемента 12 аккумуляторной батареи.
[0162] На фиг.12 показаны аспекты вариантов осуществления заготовки 34 для крышки 24. На фиг.12А заготовка 34 включает в себя многослойный материал. Слой первого материала 41 представляет собой алюминий. Слой второго материала 42 представляет собой нержавеющую сталь. В вариантах осуществления, показанных на фиг.12, нержавеющая сталь плакирована на алюминий, обеспечивая таким образом материал, который демонстрирует желаемую комбинацию металлургических свойств. Таким образом, в предложенных в настоящем документе вариантах осуществления алюминий обращен к внутренности элемента аккумуляторной батареи (то есть к кожуху), в то время как нержавеющая сталь обращена наружу. Таким образом, используются выгодные электрические свойства алюминия, в то время как структурные свойства (и металлургические свойства, то есть свариваемость) нержавеющей стали используются для конструкции. Многослойный материал может включать в себя дополнительные слои в зависимости от обстоятельств.
[0163] Как упомянуто выше, слой первого материала 41 плакирован на (или с) слой второго материала 42. Используемые в настоящем документе термины "плакированный", "плакирование" и т.п. относятся к соединению вместе несходных металлов. Плакирование часто достигается путем экструдирования двух
металлов через фильеру, а также путем прессования или прокатки листов вместе под высоким давлением. Могут использоваться и другие процессы, такие как лазерное плакирование. Результатом является лист материала, составленного из нескольких слоев, где несколько слоев материала соединяются вместе таким образом, что с материалом можно работать как с одним листом (например, формовать точно так же, как формуется лист гомогенного материала).
[0164] Обращаясь к фиг.12А, в одном варианте осуществления для того, чтобы обеспечить заготовку 34 для создания плоской крышки 24, используется лист плоского исходного материала (как показано). Часть слоя второго материала 42 может быть удалена (например, вокруг окружности крышки 24) для того, чтобы облегчить присоединение крышки 24 к телу 20. На фиг.12В показан другой вариант осуществления заготовки 34. В этом примере заготовка 34 обеспечивается как лист плакированного материала, который формуется в вогнутую конфигурацию. На фиг.12С заготовка 34 обеспечивается как лист плакированного материала, который формуется в выпуклую конфигурацию. Крышка 24, которая изготавливается из различных вариантов осуществления заготовки 34 (таких как варианты, показанные на фиг.12), выполняется с возможностью обеспечения сварки с телом 2 0 кожуха 7. Более конкретно, вариант осуществления, изображенный на фиг.12В, адаптируется для посадки во внутренний диаметр тела 20, в то время как вариант осуществления фиг.12С адаптируется для посадки на наружный диаметр тела 20. В различных альтернативных вариантах осуществления расположение слоев плакированного материала внутри листа может быть обратным.
[0165] В собранном состоянии крышка 2 4 может быть приварена к телу 20, предоставляя таким образом пользователям герметическое уплотнение. Примерные методики сварки включают в себя лазерную сварку и дуговую сварку вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) и могут включать в себя другие формы сварки, смотря по обстоятельствам.
[0166] На фиг.13 показан вариант осуществления электродной сборки 50. Электродная сборка 50 разрабатывается для установки
в заготовку 34, чтобы обеспечить электрическую связь от среды хранения энергии к пользователю. В большинстве случаев электродная сборка 50 включает в себя рукав 51. Рукав 51 окружает изолятор 2 6, который в свою очередь окружает штырек 19. В этом примере рукав 51 является круглым цилиндром с отбортованной верхней частью.
[0167] Для того чтобы собрать крышку 24, в заготовке 34 делается перфорация (не показана). Перфорация имеет геометрию, которая соответствует по размеру электродной сборке 50. Соответственно, электродная сборка 50 вставляется в перфорацию заготовки 34. Как только электродная сборка 50 вставлена, электродная сборка 50 может быть прикреплена к заготовке 34 посредством такой методики, как сварка. Сварка может быть лазерной сваркой, которая сваривает вокруг окружности фланца рукава 51. На фиг.24 показаны точки 61, где выполняется сварка. В этом варианте осуществления точки 61 обеспечивают подходящие места для сварки нержавеющей стали с нержавеющей сталью, что является относительно простой технологией сварки. Соответственно, описание в настоящем документе предусматривает надежную сварку электродной сборки 50 с заготовкой 34.
[0168] Материал для конструкции рукава 51 может включать в себя различные типы металлов или металлических сплавов. В большинстве случаев материалы для рукава 51 выбираются в соответствии, например, с герметичностью и способностью к соединению (с заготовкой 34). Примерные материалы для рукава 51 включают в себя нержавеющую сталь 3 04 или нержавеющую сталь 316. Материал для конструкции штырька 19 может включать в себя различные типы металлов или металлических сплавов. В большинстве случаев материалы для штырька 19 выбираются в соответствии, например, с герметичностью и электропроводностью. Примерные материалы для электрода включают в себя нержавеющую сталь 44 6 или сплав 52.
[0169] В большинстве случаев изолятор 26 соединяется с рукавом 51 и штырьком 19 с помощью известных методик (то есть путем создания стеклянно-металлического спая). Материал для конструкции изолятора 2 6 может включать в себя, без
ограничения, различные типы стекла, включая высокотемпературное стекло, керамическое стекло или керамические материалы. В большинстве случаев материалы для изолятора выбираются в соответствии, например, с герметичностью и электрическим сопротивлением (то есть со способностью к электрической изоляции).
[017 0] Использование компонентов (таких как вышеописанный вариант осуществления электродной сборки 50), которые используют стеклянно-металлический спай, а также используют различные методики сварки, обеспечивает герметичное уплотнение хранилища энергии. Другие компоненты также могут использоваться для того, чтобы обеспечить герметичное уплотнение. Используемый в настоящем документе термин "герметичное уплотнение" в большинстве случаев относится к уплотнению, которое демонстрирует скорость утечки, не превышающую ту, которая определяется в настоящем документе. Однако считается, что фактическая эффективность уплотнения может быть лучше, чем этот стандарт.
[0171] Дополнительные или другие методики для соединения электродной сборки 50 с заготовкой 34 включают в себя использование клеящего вещества под фланцем рукава 51 (между фланцем и слоем второго материала 42) в тех случаях, когда такие методики считаются подходящими.
[0172] Изображенный на фиг.15 элемент 12 аккумуляторной батареи располагается внутри тела 20. По меньшей мере один клеммный вывод 8 соединяется соответствующим образом (например, со штырьком 19) , и крышка 2 4 соединяется с телом 2 0 для того, чтобы обеспечить ультраконденсатор 10.
[0173] После сборки крышка 2 4 и тело 2 0 могут быть загерметизированы. Фиг.16 изображает различные варианты осуществления собранного хранилища энергии (в данном случае ультраконденсатора 10) . На фиг.16А для того, чтобы создать плоскую крышку 24, используется плоская заготовка 34 (см. фиг.12А). Как только крышка 24 установлена на теле 20, крышка 24 и тело 20 свариваются для того, чтобы создать уплотнение 62. В этом случае, поскольку тело 2 0 является круглым цилиндром,
сварка осуществляется по окружности вокруг тела 2 0 и крышки 2 4 для того, чтобы обеспечить уплотнение 62. Во втором варианте осуществления, показанном на фиг.16В, для того чтобы создать вогнутую крышку 24, используется вогнутая заготовка 34 (см. фиг.12В). Как только крышка 24 установлена на теле 20, крышка 24 и тело 20 свариваются для того, чтобы создать уплотнение 62. В третьем варианте осуществления, показанном на фиг.16С, для того чтобы создать выпуклую крышку 24, используется выпуклая заготовка 34 (см. фиг.12С). Как только крышка 24 установлена на теле 20, крышка 2 4 и тело 2 0 могут быть сварены для того, чтобы создать уплотнение 62.
[0174] В случае необходимости плакирующий материал может быть удален (с помощью таких методик, как, например, механическая обработка или травление и т.д.), для того чтобы обнажить другой металл в многослойном материале. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления уплотнение 62 может включать в себя сварку алюминия с алюминием. Сварка алюминия с алюминием по мере необходимости может быть дополнена другими крепежными деталями.
[0175] Для того чтобы загерметизировать кожух 7, могут использоваться и другие методики. Например, могут использоваться лазерная сварка, дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа, электрическая контактная сварка, ультразвуковая сварка и другие формы механической герметизации. Следует отметить, однако, что в большинстве случаев традиционные формы одной лишь механической герметизации не достаточны для обеспечения надежного герметичного уплотнения, предлагаемого в ультраконденсаторе 10.
[017 6] В некоторых вариантах осуществления для внутренних компонентов используется многослойный материал. Например, алюминий может быть плакирован нержавеющей сталью для того, чтобы обеспечить многослойный материал по меньшей мере в одном из клеммных выводов 8. В некоторых из этих вариантов осуществления часть алюминия может быть удалена для того, чтобы обнажить нержавеющую сталь. Обнаженная нержавеющая сталь может затем использоваться для того, чтобы присоединить клеммный
вывод 8 к штырьку 19 при помощи простых технологий сварки.
[0177] Использование плакированного материала для внутренних компонентов может потребовать специфических вариантов осуществления плакированного материала. Например, может быть выгодным использовать плакированный материал, который включает в себя алюминий (нижний слой), нержавеющую сталь и/или тантал (промежуточный слой) и алюминий (верхний слой), который таким образом защищает нержавеющую сталь от воздействия внутренней среды ультраконденсатора 10. Эти варианты осуществления могут быть дополнены, например, дополнительным покрытием из полимерных материалов, таких как политетрафторэтилен.
[017 8] В большинстве случаев сборка кожуха часто включает в себя помещение элемента 12 аккумуляторной батареи внутрь тела 2 0 и заполнение тела 2 0 электролитом 6. Может быть выполнен процесс сушки. Примерная сушка включает в себя нагревание тела 2 0 с расположенными в нем элементом 12 аккумуляторной батареи и электролитом б, зачастую под пониженным давлением (например, под вакуумом). После того как выполнена адекватная (необязательная) сушка, могут быть выполнены заключительные стадии сборки. На заключительных стадиях делаются внутренние электрические соединения, устанавливается крышка 24, и крышка 24 герметично соединяется с телом 20, например, путем сваривания крышки 24 с телом 20.
[0179] Соответственно, обеспечение кожуха 7, который использует преимущества многослойного материала, обеспечивает хранилище энергии, которое демонстрирует ток утечки со сравнительно низкими начальными значениями и с существенно более медленным увеличением тока утечки с течением времени по сравнению с предшествующим уровнем техники. Существенно, что ток утечки хранилища энергии остается на практическом (то есть желательно низком) уровне, когда ультраконденсатор 10 подвергается воздействию температур окружающей среды, для которых конденсаторы предшествующего уровня техники продемонстрировали бы чрезмерно большие начальные значения тока утечки и/или чрезмерно быстрое увеличение тока утечки с
течением времени.
[0180] Дополнительно к этому ультраконденсатор 10 может продемонстрировать другие преимущества в результате уменьшенной реакции между кожухом 7 и элементом 12 аккумуляторной батареи. Например, эффективное последовательное сопротивление (ESR) хранилища энергии может иметь сравнительно низкие значения в течение долгого времени. Далее, нежелательные химические реакции, которые имеют место в конденсаторе предшествующего уровня техники, зачастую создают нежелательные эффекты, такие как образование газа или, в случае герметично запечатанного кожуха, вздутие кожуха 7. В обоих случаях это приводит к нарушению герметичности кожуха и/или герметичного уплотнения хранилища энергии. В конечном счете это может привести к утечкам или катастрофическому разрушению конденсатора предшествующего уровня техники. Эти эффекты могут быть существенно уменьшены или исключены путем нанесения описанного барьера.
[0181] Соответственно, пользователи теперь обеспечены кожухом 7 для хранилища энергии, где существенная часть вплоть до всей внутренней поверхности кожуха 7 является алюминием (и может включать в себя неинтерферирующий материал, как описано ниже) . Таким образом, можно избежать проблем внутренней коррозии, и проектировщикам предоставляется большая гибкость в выборе подходящих материалов для электролита б.
[0182] Посредством использования многослойного материала (например, плакированного материала) нержавеющая сталь может быть включена в кожух 7, и, таким образом, могут использоваться компоненты со стеклянно-металлическим спаем. Такие компоненты могут быть приварены к той стороне плакированного материала, которая состоит из нержавеющей стали, с использованием таких методик, как лазерная сварка или контактная сварка, в то время как алюминиевая сторона плакированного материала может быть приварена к другим алюминиевым частям (например, к телу 20).
[0183] В некоторых вариантах осуществления
электроизолирующий полимер может использоваться для того, чтобы покрыть части кожуха 7. Таким образом, возможно гарантировать,
что компоненты хранилища энергии будут подвергаться воздействию
только приемлемых типов металла (таких как алюминий). Примерный
электроизолирующий полимер включает в себя перфторалкоксил,
сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена,
тетрафторэтилен и политетрафторэтилен. Подходящие полимеры (или другие материалы) ограничиваются только потребностями системного проектировщика или производителя и свойствами соответствующих материалов. См. фиг.17, где небольшое количество электроизолирующего материала 3 9 включено для того, чтобы ограничить воздействие электролита б на нержавеющую сталь рукава 51 и штырек 19. В этом примере клеммный вывод 8 соединяется со штырьком 19, например, сваркой, а затем покрывается электроизолирующим материалом 39.
[0184] Обратимся теперь к фиг.18, на которой изображены аспекты сборки другого варианта осуществления крышки 24. Фиг.18А изображает шаблон (то есть заготовку 34), который используется для того, чтобы обеспечить тело крышки 24. Шаблон обычно имеет такой размер, чтобы соединяться с кожухом 7 подходящего типа элемента аккумуляторной батареи (такого как ультраконденсатор 10) . Крышка 2 4 может быть сформирована путем первоначального обеспечения шаблона, формовки шаблона, включающего в себя купол 37 (см. фиг.18В), а затем перфорирования купола 37 для того, чтобы обеспечить проход 32 (показан на фиг.18С). Конечно же, заготовка 34 (например, круглая заготовка) может быть отштампована или изготовлена другим образом так, чтобы были одновременно обеспечены вышеописанные особенности.
[0185] В большинстве случаев и в связи с этими вариантами осуществления, крышка может быть сформована из алюминия или алюминиевого сплава. Однако крышка может быть сформована из любого материала, который изготовитель, пользователь, проектировщик и т.п. сочтут подходящим. Например, крышка 2 4 может быть изготовлена из стали и пассивирована (то есть покрыта инертным покрытием) или иначе подготовлена к использованию в кожухе 7.
[0186] На фиг.19 показан другой вариант осуществления
электродной сборки 50. В этих вариантах осуществления
электродная сборка 50 включает в себя штырек 19 и материал
полусферической формы, расположенный вокруг штырька 19.
Материал полусферической формы служит изолятором 2 6 и в
большинстве случаев формируется так, чтобы соответствовать
куполу 37. Полусферический изолятор 2 6 может быть изготовлен из
любого подходящего материала для того, чтобы обеспечить
герметичное уплотнение, выдерживающее химическое влияние
электролита 6. Примерные материалы включают в себя
перфторалкоксил (PFA), сополимер тетрафторэтилена и
гексафторпропилена (FEP), поливинилфторид (PVF),
тетрафторэтилен (TFE), хлортрифторэтилен (CTFE),
полихлортрифторэтилен (PCTFE), полиэтилентетрафторэтилен
(ETFE), полиэтиленхлортрифторэтилен (ECTFE),
политетрафторэтилен (PTFE), другие материалы на основе фторполимера, а также любые другие материалы, которые могут иметь подобные свойства (в различных степенях) и обеспечить удовлетворительную эффективность (такие как, среди прочего, высокая устойчивость к растворителям, кислотам и щелочам при высоких температурах, низкая стоимость и т.п.).
[0187] Штырек 19 может быть сформирован из алюминия или алюминиевого сплава. Однако штырек 19 может быть сформирован из любого материала, который изготовитель, пользователь, проектировщик и т.п. сочтут подходящим. Например, штырек 19 может быть изготовлен из стали и пассивирован (то есть покрыт инертным покрытием, таким как кремний) или иначе подготовлен к использованию в электродной сборке 50. Примерная методика для пассивирования включает в себя осаждение покрытия из гидрированного аморфного кремния на поверхность субстрата и функционализацию покрытого субстрата путем обработки субстрата связывающим реагентом, имеющим по меньшей мере одну ненасыщенную углеводородную группу, под давлением и при повышенной температуре в течение эффективного отрезка времени. Гидрированное аморфное кремниевое покрытие осаждается путем обработки субстрата газообразным гидридом кремния под давлением и при повышенной температуре в течение эффективного отрезка
времени.
[0188] Полусферический изолятор 26 может соответствовать размерам купола 37 таким образом, что в собранном состоянии в крышке 24 достигается плотная посадка (то есть герметичное уплотнение). Полусферический изолятор 2 6 не обязан быть совершенно симметричным или иметь классические полусферические пропорции. То есть полусферический изолятор 2 6 является существенно полусферическим и может включать в себя, например, небольшие изменения в пропорциях, небольшую отбортовку (например у основания) и другие особенности, смотря по обстоятельствам. Полусферический изолятор 2 6 в большинстве случаев формируется из гомогенного материала, однако это не является обязательным. Например, полусферический изолятор 2 6 может включать в себя наполненный воздухом или газом тор (не показан) для того, чтобы обеспечить желаемое расширение или сжимаемость.
[0189] Как показано на фиг.20, электродная сборка 50 может быть вставлена в шаблон (то есть в сформованную заготовку 34) для того, чтобы обеспечить вариант осуществления крышки 24, который включает в себя полусферическое герметичное уплотнение.
[0190] Как показано на фиг.21, в различных вариантах осуществления стопор 4 3 может быть присоединен или иным образом пристыкован ко дну крышки 2 4 (то есть той части крышки 24, которая обращена внутрь кожуха 7 и обращена к элементу 12 аккумуляторной батареи). Стопор 4 3 может быть присоединен к крышке 2 4 посредством различных методик, таких как сварка алюминия (например, лазерная, ультразвуковая и т.п.). Для соединения могут использоваться и другие методики, включая, например, штамповку (то есть механическое соединение) и припаивание. Соединение может осуществляться, например, вдоль периметра стопора 43. В большинстве случаев соединение предусматривается по меньшей мере в одной точке для того, чтобы создать желаемое уплотнение 71. По меньшей мере одно крепежное средство, такое как множество заклепок, может использоваться для того, чтобы герметизировать изолятор 2 6 внутри стопора 43.
[0191] В примере, изображенном на фиг.21, крышка 2 4 имеет
вогнутую конструкцию (см. фиг.12В). Однако могут использоваться и другие конструкции. Например, может быть обеспечена выпуклая крышка 24 (см. фиг.12С), а также может использоваться накладная крышка 24 (вариация варианта осуществления, изображенного на фиг.12С, который выполнен с возможностью установки, как изображено на фиг.16С).
[0192] В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один элемент из кожуха 7 и крышки 2 4 включает в себя материалы, которые содержат множество слоев. Например, первый слой материала может включать в себя алюминий, а второй слой материала может быть нержавеющей сталью. В этом примере нержавеющая сталь плакирована на алюминий, обеспечивая таким образом материал, который демонстрирует желаемую комбинацию металлургических свойств. Таким образом, в предложенных в настоящем документе вариантах осуществления алюминий подвергается воздействию содержимого элемента аккумуляторной батареи (то есть корпуса), в то время как нержавеющая сталь подвергается воздействию окружающей среды. Таким образом, используются выгодные электрические свойства алюминия, в то время как выгодные структурные свойства (и металлургические свойства, то есть свариваемость) нержавеющей стали используются для конструкции. Многослойный материал может включать в себя дополнительные слои по мере необходимости. Преимущественно это обеспечивает сваривание нержавеющей стали с нержавеющей сталью, относительно простую технологию сварки.
[0193] Материал, используемый для крышки, а также материал, используемый для штырька 19, может быть выбран с учетом теплового расширения полусферического изолятора 26. Далее, технологии производства также могут быть разработаны с учетом теплового расширения. Например, при сборке крышки 2 4 изготовитель может применить давление к полусферическому изолятору 2 6, сжимая таким образом, по меньшей мере в некоторой степени, полусферический изолятор 26. Таким образом, обеспечивается по меньшей мере некоторое тепловое расширение крышки 2 4 без ухудшения эффективности герметичного уплотнения.
[0194] В то время как материал, используемый для
конструкции тела 20, включает в себя алюминий, он может включать в себя любой тип алюминия или алюминиевого сплава, который проектировщик или производитель считают подходящим (все из которых обобщенно упоминаются в настоящем документе просто как "алюминий") . Различные сплавы, ламинаты и т.п. могут быть расположены (например, в виде плакирующего покрытия) на алюминии (имеется в виду алюминий, обращенный внутрь тела 20) . Дополнительные материалы (такие как структурные материалы или электроизолирующие материалы, такие как некоторые материалы на основе полимеров) могут использоваться для того, чтобы дополнить тело и/или кожух 7. Материалы, расположенные поверх алюминия, аналогичным образом могут быть выбраны по тем критериям, которые проектировщик или производитель считают подходящими.
[0195] Использование алюминия не является необходимым или обязательным. Вкратце, выбор материала может включать в себя использование любого материала, который проектировщик, производитель или пользователь и т.п. считают подходящим. Внимание может быть уделено различным факторам, таким как, например, уменьшению электрохимического взаимодействия с электролитом б, структурным свойствам, стоимости и т.п.
[0196] Далее более подробно обсуждается элемент 12 аккумуляторной батареи. Обратимся к фиг.22, где показан поперечный разрез ультраконденсатора 10. В этом примере элемент 12 аккумуляторной батареи вставляется в и содержится внутри тела 20. Каждое множество выводов объединяется в жгут и присоединяется к кожуху 7 в качестве одного из клеммных выводов 8. В некоторых вариантах осуществления множество выводов присоединяются ко дну тела 2 0 (изнутри), превращая таким образом тело 2 0 в отрицательный контакт 55. Аналогично, другое множество выводов объединяются в жгут и присоединяются к штырьку 19 для того, чтобы обеспечить положительный контакт 56. Электрическая изоляция отрицательного контакта 55 и положительного контакта 56 обеспечивается электрическим изолятором 26. В большинстве случаев соединение выводов
достигается посредством сварки, такой как по меньшей мере одна из лазерной сварки и ультразвуковой сварки. Конечно же, могут использоваться и другие методики, смотря по обстоятельствам.
[0197] Следует понимать, что для того, чтобы обеспечить высокоэффективное хранилище энергии, требуются надежные методики сборки. Соответственно, далее обсуждаются некоторые из методик для сборки.
[0198] На фиг.23 показаны компоненты примерного электрода 3. В этом примере электрод 3 будет использоваться в качестве отрицательного электрода 3 (однако, это обозначение является произвольным и служит лишь для ссылки).
[0199] Как можно заметить из иллюстрации, по меньшей мере в этом варианте осуществления разделитель 5 имеет в целом более длинную длину и более широкую ширину, чем среда 1 хранения энергии (и коллектор 2 тока). Посредством использования большего разделителя 5 обеспечивается защита против короткого замыкания отрицательного электрода 3 с положительным электродом 3. Использование дополнительного материала в разделителе 5 также обеспечивает лучшую электрическую защиту выводов и клеммного вывода 8.
[0200] Обратимся теперь к фиг.24, которая изображает вид сбоку одного варианта осуществления элемента 12 аккумуляторной батареи. В этом примере слоеная стопка среды 1 хранения энергии включает в себя первый разделитель 5 и второй разделитель 5, так что электроды 3 являются электрически разделенными, когда элемент 12 аккумуляторной батареи собирается в свернутый элемент 2 3 аккумуляторной батареи. Следует отметить, что термины "положительный" и "отрицательный" по отношению к электроду 3 и сборке ультраконденсатора 10 являются произвольными и ссылаются на функциональность, когда они сконфигурированы в ультраконденсаторе 10, и в нем сохранен заряд. Это соглашение, которое обычно принимается в данной области техники, не означает, что заряд сохраняется до сборки, и не означает никакого другого аспекта, кроме обеспечения физической идентификации различных электродов.
[0201] Перед сворачиванием элемента 12 аккумуляторной батареи отрицательный электрод 3 и положительный электрод 3 выравниваются друг относительно друга. Выравнивание электродов 3 дает улучшенную эффективность ультраконденсатора 10, поскольку длина пути для ионного транспорта в большинстве случаев минимизируется, когда имеется самая высокая степень выравнивания. Далее, путем обеспечения высокой степени выравнивания, лишний разделитель 5 не включается, и эффективность ультраконденсатора 10 в результате не страдает.
[0202] Обратимся теперь также к фиг.25, на которой показан один вариант осуществления элемента 12 аккумуляторной батареи, в котором электроды 3 свернуты в свернутый элемент 2 3 аккумуляторной батареи. Один из разделителей 5 присутствует в качестве самого внешнего слоя элемента 12 аккумуляторной батареи и отделяет среду 1 хранения энергии от внутренности кожуха 7.
[0203] "Соответствие полярности" может использоваться для того, чтобы обеспечить соответствие полярности наиболее удаленного электрода в свернутом элементе 2 3 аккумуляторной батареи с полярностью тела 20. Например, в некоторых вариантах осуществления отрицательный электрод 3 находится на самой внешней стороне плотно упакованного пакета, который обеспечивает свернутый элемент 2 3 аккумуляторной батареи. В этих вариантах осуществления обеспечивается другая степень гарантии против короткого замыкания. То есть там, где отрицательный электрод 3 присоединяется к телу 20, отрицательный электрод 3 является самым внешним электродом в свернутом элементе 23 аккумуляторной батареи. Соответственно, если разделитель 5 откажет, например, в результате механического износа, вызванного вибрацией ультраконденсатора 10 во время использования, ультраконденсатор 10 не перестанет работать в результате короткого замыкания между самым внешним электродом в свернутом элементе 2 3 аккумуляторной батареи и телом 20.
[02 04] Для каждого варианта осуществления свернутого элемента 23 аккумуляторной батареи реперная отметка 72 может
быть по меньшей мере в разделителе 5. Реперная отметка 72 будет использоваться для обеспечения расположения выводов на каждый из электродов 3. В некоторых вариантах осуществления расположение выводов обеспечивается посредством вычисления. Например, принимая во внимание внутренний диаметр "рулета с джемом" и полную толщину для объединенных разделителей 5 и электродов 3, можно вычислить местоположение для размещения каждого вывода. Однако, практика показала, что гораздо более рационально и эффективно использовать реперную отметку 72. Реперная отметка 72 может включать в себя, например, разрез на краю разделителя (разделителей) 5.
[0205] В большинстве случаев реперная отметка 72 используется для каждой новой спецификации элемента 12 аккумуляторной батареи. Таким образом, поскольку новая спецификация элемента 12 аккумуляторной батареи может потребовать различной толщины по меньшей мере одного слоя (по сравнению с предыдущим вариантом осуществления), использование предыдущих реперных отметок может быть по меньшей мере несколько неточным.
[0206] В большинстве случаев реперная отметка 72 выглядит как одиночная радиальная линия, которая пересекает катушку от ее центра к ее периферии. Соответственно, когда выводы устанавливаются вдоль реперной отметки 72, каждый вывод будет выровнен с остальными выводами (как показано на фиг.27). Однако, когда элемент 12 аккумуляторной батареи развернут (для вариантов осуществления, где элемент 12 аккумуляторной батареи является или станет катушкой), реперная отметка 72 может рассматриваться как множество отметок (как показано на Фиг. 2 6). По традиции независимо от варианта осуществления или вида маркировки элемента 12 аккумуляторной батареи, идентификация местоположения для включения вывода рассматривается как включающая в себя определение "реперной отметки 72" или "набора реперных отметок 72".
[0207] Обращаясь теперь к фиг.26, как только реперная отметка 72 установлена (например, путем помечания свернутого
элемента 12 аккумуляторной батареи), обеспечивается установочное место для установки каждого из выводов (то есть описанное реперной отметкой 72). Как только каждое установочное место идентифицировано, для любой данной спецификации элемента 12 аккумуляторной батареи относительное местоположение каждого установочного места может быть повторено для дополнительных экземпляров, соответствующих данной спецификации элемента 12 аккумуляторной батареи.
[02 08] В большинстве случаев каждый вывод присоединяется к соответствующему коллектору 2 тока в элементе 12 аккумуляторной батареи. В некоторых вариантах осуществления как коллектор 2 тока, так и вывод изготавливаются из алюминия. В большинстве случаев вывод присоединяется к коллектору 2 тока поперек ширины W, однако вывод может быть присоединен только на части ширины W. Соединение может быть достигнуто с помощью, например, ультразвуковой сварки вывода с коллектором 2 тока. Для того чтобы получить соединение, по меньшей мере часть среды 1 хранения энергии может быть удалена (в зависимости от обстоятельств) таким образом, что каждый вывод может быть соответственно соединен с коллектором 2 тока. Для того чтобы обеспечить соединение, по мере необходимости могут быть выполнены и другие подготовительные работы.
[02 09] Конечно же, могут быть включены противоположные реперные отметки 73. То есть тем же самым образом, которым обеспечиваются реперные отметки 72, может быть сделан набор противоположных реперных отметок 7 3 для установки выводов для противоположной полярности. Таким образом, реперные отметки 72 могут использоваться для того, чтобы установить выводы к первому электроду 3, такому как отрицательный электрод 3, в то время как противоположные реперные отметки 7 3 могут использоваться для того, чтобы установить выводы к положительному электроду 3. В том варианте осуществления, где свернутый элемент 2 3 аккумуляторной батареи является цилиндрическим, противоположные реперные отметки 7 3 располагаются на противоположной стороне среды 1 хранения энергии и смещены в продольном направлении относительно
реперных отметок 72 (как изображено).
[0210] Следует отметить, что на фиг.2 6 реперные отметки 72 и противоположные реперные отметки 7 3 показаны как расположенные на одном электроде 3. То есть фиг.2б изображает вариант осуществления, который служит просто для иллюстрации пространственного (то есть линейного) соотношения реперных отметок 72 и противоположных реперных отметок 73. Это не означает того, что положительный электрод 3 и отрицательный электрод 3 используют общую среду 1 хранения энергии. Однако, следует отметить, что в тех случаях, когда реперные отметки 72 и противоположные реперные отметки 7 3 наносятся путем сворачивания элемента 12 аккумуляторной батареи и затем нанесения отметок на разделитель 5, реперные отметки 72 и противоположные реперные отметки 7 3 действительно могут быть обеспечены на одном разделителе 5. Однако на практике только один набор реперных отметок 72 и противоположных реперных отметок 73 используется для установки выводов для любого данного электрода 3. То есть следует понимать, что вариант осуществления, показанный на фиг.2 б, должен быть дополнен другим слоем среды 1 хранения энергии для другого электрода 3, который будет иметь противоположную полярность.
[0211] Как показано на фиг.27, вышеописанная методика сборки позволяет получить элемент 12 аккумуляторной батареи, который включает в себя по меньшей мере один набор выровненных выводов. Первый набор выровненных выводов 91 является особенно полезным при присоединении элемента 12 аккумуляторной батареи в его форме свернутого элемента 2 3 аккумуляторной батареи к одному из отрицательного контакта 55 и положительного контакта 56, в то время как набор выровненных противоположных выводов 92 обеспечивает соединение среды 1 хранения энергии с противоположным контактом (55, 56).
[0212] Свернутый элемент 23 аккумуляторной батареи может быть окружен оберткой 93. Обертка 93 может быть реализована во множестве вариантов осуществления. Например, обертка 93 может быть обеспечена как лента из KAPTON(tm) (который является полиимидной пленкой, разработанной компанией DuPont, г.
Уилмингтон, штат Делавэр) или лента из политетрафторэтилена. В этом примере лента из KAPTON(tm) окружает свернутый элемент 2 3 аккумуляторной батареи и прилипает к нему. Обертка 93 может быть обеспечена без клейкого вещества, например плотная обертка 93, которая натягивается на свернутый элемент аккумуляторной батареи 23. Обертка 93 может выглядеть больше как мешок, такой как тот, который обычно охватывает свернутый элемент аккумуляторной батареи 23 (например, такой как оболочка 33, обсужденная выше). В некоторых из этих вариантов осуществления обертка 93 может включать в себя материал, который функционирует как растягивающаяся упаковка, и тем самым обеспечивает эффективное физическое (и в некоторых вариантах осуществления химическое) замкнутое пространство свернутого элемента 2 3 аккумуляторной батареи. В большинстве случаев обертка 93 формируется из материала, который не оказывает влияния на электрохимические функции ультраконденсатора 10. Обертка 93 может также обеспечить частичное покрытие по мере необходимости, например, для того чтобы помочь вставке свернутого элемента 2 3 аккумуляторной батареи.
[0213] В некоторых вариантах осуществления отрицательные выводы и положительные выводы располагаются на противоположных сторонах свернутого элемента 2 3 аккумуляторной батареи (в случае, если свернутый элемент 2 3 аккумуляторной батареи имеет тип "рулета с джемом", выводы для отрицательной полярности и выводы для положительной полярности могут быть расположены диаметрально противоположно). В большинстве случаев размещение выводов для отрицательной полярности и выводов для положительной полярности на противоположных сторонах свернутого элемента 2 3 аккумуляторной батареи выполняется для того, чтобы облегчить конструирование свернутого элемента 2 3 аккумуляторной батареи, а также обеспечить улучшенное электрическое разделение.
[0214] В некоторых вариантах осуществления, когда выровненные выводы 91, 92 собираются, каждое множество выровненных выводов 91, 92 объединяется в жгут (на месте) таким
образом, что растягивающаяся обертка (не показана) может быть расположена вокруг множества выровненных выводов 91, 92. В большинстве случаев растягивающаяся обертка формируется из политетрафторэтилена, однако может использоваться любой совместимый материал.
[0215] В некоторых вариантах осуществления, когда растягивающийся оберточный материал помещен вокруг выровненных выводов 91, выровненные выводы 91 складываются в форму, которую они примут, когда ультраконденсатор 10 будет собран. На фиг.28 видно, что выровненные выводы принимают форму буквы "Z" ("фальцовка гармошкой"). После придания фальцовки гармошкой выровненным выводам 91, 92 и нанесения на них растягивающейся обертки, растягивающаяся обертка может быть нагрета или иным образом активирована, так что растягивающаяся обертка сжимается вокруг выровненных выводов 91, 92. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления выровненные выводы 91, 92 могут быть усилены и защищены оберткой. Использование фальцовки гармошкой особенно полезно при соединении среды 1 хранения энергии со штырьком 19, расположенным внутри крышки 24.
[0216] Конечно же, могут быть реализованы и другие варианты осуществления для соединения каждого набора выровненных выводов 91, 92 (то есть каждого клеммного вывода 8) с соответствующим контактом 55, 56. Например, в одном варианте осуществления промежуточный вывод соединяется с одним из штырьков 19 и кожухом 7, так что облегчается соединение с соответствующим набором выровненных выводов 91, 92.
[0217] Используемые материалы могут быть выбраны в соответствии с их свойствами, такими как реакционная способность, значение диэлектрической постоянной, температура плавления, степень адгезии к другим материалам, свариваемость, коэффициент трения, стоимость, а также в соответствии с другими факторами. Для того чтобы обеспечить желаемые свойства, могут использоваться комбинации материалов (такие как многослойные, смешанные или иные).
[0218] В различных вариантах осуществления полезно использовать множество ультраконденсаторов 10 вместе для того,
чтобы обеспечить электропитание. Для того чтобы обеспечить
надежную работу, отдельные ультраконденсаторы 10 могут быть
протестированы перед использованием. Для того чтобы выполнить
различные типы тестирования, каждый из ультраконденсаторов 10
может быть протестирован как отдельная ячейка, а также может
быть присоединенным последовательно или параллельно к множеству
ультраконденсаторов 10. Использование различных металлов,
соединенных с помощью различных методик (например, сваркой),
может уменьшить эффективное последовательное сопротивление
соединения, а также увеличить прочность соединений. Далее
представлены некоторые аспекты соединений между
ультраконденсаторами 10.
[0219] В некоторых вариантах осуществления
ультраконденсатор 10 включает в себя два контакта. Два контакта представляют собой герметизированный стеклянно-металлическим спаем штифт (то есть штырек 19) и весь остальной кожух 7. При последовательном соединении множества ультраконденсаторов 10 зачастую желательно иметь такое соединение с дном кожуха 7 (в случае кожуха 7 цилиндрической формы), чтобы расстояние до внутренних выводов было минимальным, и, соответственно, сопротивление тоже было минимальным. В этих вариантах осуществления противоположный конец соединения обычно присоединяется к герметизированному стеклянно-металлическим спаем штифту.
[022 0] Что касается соединений, обычный тип сварки включает в себя использование контактного сварочного аппарата с параллельными рабочими концами электродов. Сварка может быть выполнена путем выравнивания конца соединения над штифтом и приваривания соединения непосредственно к штифту. Использование нескольких сварочных швов увеличивает прочность и улучшает контакт между соединением и штифтом. В большинстве случаев при сваривании со штифтом придание такой формы концу соединения, чтобы он хорошо соединялся со штифтом, служит для гарантии того, что избыточный материал, накладывающийся на штифт, который может вызвать короткое замыкание, существенно отсутствует.
[0221] Контактный сварочный аппарат со встречными рабочими
концами электродов может использоваться для того, чтобы
приварить соединение к штифту, в то время как ультразвуковой
сварочный аппарат может использоваться для того, чтобы
приварить соединение к дну кожуха 7. Методика спаивания может
использоваться, когда соединяемые металлы являются
совместимыми.
[0222] Что касается материалов, используемых в соединениях, обычным типом материала, используемого для соединения, является никель. Никель может использоваться, поскольку он хорошо сваривается с нержавеющей сталью и имеет прочный интерфейс. Другие металлы и сплавы могут использоваться вместо никеля, например, для того чтобы уменьшить сопротивление в соединении.
[0223] В большинстве случаев материал, выбранный для соединения, выбирается из соображений совместимости с материалами в штифте, а также с материалами в кожухе 7. Примерные материалы включают в себя медь, никель, тантал, алюминий и покрытую никелем медь. Дополнительные металлы, которые могут быть использованы, включают в себя серебро, золото, латунь, платину и олово.
[0224] В некоторых вариантах осуществления, таких как те варианты осуществления, где штифт (то есть штырек 19) изготавливается из тантала, соединение может использовать промежуточные металлы, например, используя короткое мостиковое соединение. Примерное мостиковое соединение включает в себя полоску тантала, которая была изменена с помощью контактного сварочного аппарата со встречными рабочими концами электродов для того, чтобы сварить полоску алюминия/меди/никеля в мост. Параллельный контактный сварочный аппарат используется затем для того, чтобы приварить танталовую полоску к танталовому штифту.
[0225] Мостик может также использоваться на контакте, который является кожухом 7. Например, кусочек никеля может быть приварен контактной сваркой к дну кожуха 7. Полоска меди может затем быть приварена ультразвуковой сваркой к никелевому
мостику. Эта методика помогает уменьшить сопротивление
соединений между элементами батареи. Использование различных
металлов для каждого соединения может уменьшить эффективное
последовательное сопротивление соединений между
последовательными элементами батареи.
[022 6] Описав, таким образом, аспекты надежного ультраконденсатора 10, который полезен для высокотемпературной окружающей среды (то есть вплоть до приблизительно 210 градусов Цельсия), перейдем теперь к описанию и/или определению некоторых дополнительных аспектов.
[0227] В конструкции ультраконденсатора 10 может
использоваться множество материалов. Целостность
ультраконденсатора 10 является существенной, если необходимо исключить кислород и влагу и предотвратить утечку электролита 6. Для того чтобы достичь этого, сварные швы и любые другие точки герметизации должны соответствовать стандартам герметичности во всем предполагаемом диапазоне рабочих температур. Кроме того, выбранные материалы должны быть совместимыми с другими материалами, такими как ионные жидкости и растворители, которые могут использоваться в составе электролита 6.
[022 8] В некоторых вариантах осуществления штырек 19 формируется из металла, такого как по меньшей мере один из KOVAR(tm) (торговая марка компании Carpenter Technology Corporation, находящейся в г.Рединг, штат Пенсильвания, где KOVAR является выплавленным в вакууме сплавом железа, никеля и кобальта, имеющим низкое значение коэффициента теплового расширения, химический состав которого строго поддерживается в узких пределах для того, чтобы гарантировать точные единообразные свойства теплового расширения), Сплава 52 (сплав никеля и железа, подходящий для припаивания стекла и керамики к металлу), тантала, молибдена, ниобия, вольфрама, нержавеющей стали 44 6 (ферритная, поддающаяся нетепловой обработке нержавеющая сталь, которая обладает хорошей устойчивостью к коррозии и окислению при высоких температурах), и титана.
[022 9] Тело стеклянно-металлического спая, который
использует вышеописанные преимущества, может быть изготовлено из нержавеющих сталей 300-й серии, таких как сплавы 304, 304L, 316 и 316L. Тело также может быть изготовлено из металла, такого как по меньшей мере один из различных сплавов никеля, таких как Inconel (семейство аустенитных суперсплавов на основе хрома и никеля, которые являются устойчивыми к окислению и коррозии материалами, хорошо подходящими для обслуживания в условиях экстремальной окружающей среды с высокими давлением и температурой) и Hastelloy (весьма коррозионностойкий металлический сплав, который включает в себя никель и различное процентное содержание молибдена, хрома, кобальта, железа, меди, марганца, титана, циркония, алюминия, углерода и вольфрама).
[0230] Изоляционный материал между штырьком 19 и окружающим телом в стеклянно-металлическом спае обычно является стеклом, состав которого представляет собой собственность каждого изготовителя уплотнений и зависит от того, подвергается ли уплотнение сжатию или сочетается. В стеклянно-металлическом спае могут использоваться и другие электроизолирующие материалы. Например, в уплотнении могут использоваться различные полимеры. Как таковой, термин "стеклянно-металлический спай" является просто описательным для типа уплотнения и не означает, что уплотнение обязано включать в себя стекло.
[0231] Кожух 7 для ультраконденсатора 10 может быть изготовлен из, например, нержавеющих сталей типов 304, 304L, 316 и 316L. Он также может быть изготовлен из, не ограничиваясь этим, некоторых из алюминиевых сплавов, таких как сплавы 1100, 3003, 5052, 4043 и 6061. Могут использоваться также различные многослойные материалы, которые могут включать в себя, например, алюминий, плакированный на нержавеющую сталь. Другие неограничивающие совместимые металлы, которые могут использоваться, включают в себя платину, золото, родий, рутений и серебро.
[02 32] Конкретные примеры стеклянно-металлических спаев, которые использовались в ультраконденсаторе 10, включают в себя
два различных типа стеклянно-металлических спаев. Первый - от компании SCHOTT, расположенной в г. Элмсфорд, штат Нью-Йорк. Этот вариант осуществления использует штифт из нержавеющей стали, стеклянный изолятор и тело из нержавеющей стали. Второй стеклянно-металлический спай - от компании HERMETIC SEAL TECHNOLOGY, г. Цинциннатти, штат Огайо. Этот второй вариант осуществления использует штифт из тантала, стеклянный изолятор и тело из нержавеющей стали. Могут быть обеспечены различные размеры различных вариантов осуществления.
[0233] Дополнительный вариант осуществления стеклянно-металлического спая включает в себя вариант осуществления, который использует алюминиевое уплотнение и алюминиевое тело. Еще один вариант осуществления стеклянно-металлического спая включает в себя алюминиевое уплотнение, использующее эпоксидную смолу или другие изоляционные материалы (такие как керамика или кремнезем).
[0234] Ряд аспектов стеклянно-металлического спая могут конфигурироваться по желанию. Например, габариты кожуха и штифта, а также материал штифта и кожуха могут быть изменены по обстоятельствам. Штифт также может быть трубчатым или сплошным штифтом, а также одна крышка может иметь множество штифтов. В то время как наиболее распространенными типами материала, используемого для штифта, являются сплавы нержавеющей стали, покрытая медью нержавеющая сталь, молибден, платино-иридий, различные сплавы железа и никеля, тантал и другие металлы, могут использоваться и некоторые нетрадиционные материалы (такие как алюминий). Кожух обычно формируется из нержавеющей стали, титана и/или различных других материалов.
[0235] Множество методик крепления может использоваться в процессе сборки ультраконденсатора 10. Например, что касается сварки, может использоваться множество методик сварки. Последующее представляет собой иллюстративный перечень типов сварки и различных целей, для которых может использоваться каждый тип сварки.
[0236] Ультразвуковая сварка может использоваться, среди прочего, для: приваривания алюминиевых выводов к коллектору
тока; приваривания выводов к нижней плакированной крышке; приваривания вывода соединительного провода к плакированному мостику, соединенному со штифтом стеклянно-металлического спая; и сваривания вместе выводов "рулета с джемом". Импульсная или контактная сварка могут использоваться, среди прочего, для: приваривания выводов на дно аккумуляторной ячейки или к штифту; приваривания выводов к коллектору тока; приваривания соединительного провода к плакированному мостику; приваривания плакированного мостика к клеммному выводу 8; приваривания выводов к нижней крышке. Лазерная сварка может использоваться, среди прочего, для: сваривания крышки из нержавеющей стали с корпусом из нержавеющей стали; приваривания мостика из нержавеющей стали к штифту из нержавеющей стали стеклянно-металлического спая; и заваривания пробки в заливном отверстии. Дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа
(TIG) может использоваться, среди прочего, для: герметичного присоединения алюминиевых крышек к алюминиевому корпусу; и сваривания алюминиевого уплотнения по месту. Холодная сварка
(сжатие металлов вместе с высокой силой) может использоваться, среди прочего, для: запечатывания заливного отверстия посадкой внатяг алюминиевого шарика/штифта в заливное отверстие.
[0237] Далее описываются физические аспекты примерного ультраконденсатора 10. Следует отметить, что в следующих таблицах терминология "закладка" вообще относится к "выводу", как обсуждалось выше; термины "мостик" и "соединительный провод" также относятся к аспектам вывода (например, мостик может быть соединен со штырьком или "штифтом", в то время как соединительный провод полезен для соединения мостика с закладками или выводами). Использование различных соединений может облегчить процесс сборки и получить преимущества некоторых методик сборки. Например, мостик может быть приварен к штифту лазерной сваркой или контактной сваркой и соединен с соединительным проводом ультразвуковой сваркой.
[0238] Фиг.29-37 представляют собой графики, изображающие рабочие характеристики примерных ультраконденсаторов 10, и
изображают рабочие характеристики ультраконденсатора 10 при напряжении 1,75 В и температуре 125 градусов Цельсия, рабочие характеристики ультраконденсатора 10 при напряжении 1,5 В и температуре 150 градусов Цельсия и рабочие характеристики ультраконденсатора 10 при напряжении 0,5 В и температуре 210 градусов Цельсия. В этих последних примерах (с температурой 210 градусов Цельсия) ультраконденсатор 10 был закрытым элементом (то есть в кожухе). Ультраконденсатор подвергался циклическому испытанию из 10 циклов, с зарядным и разрядным током величиной 100 мА, причем каждый цикл состоял из зарядки до напряжения 0,5 В, измерения сопротивления, разряда до напряжения 10 мВ и 10-секундного отдыха, после чего цикл периодически повторялся.
[0239] В большинстве случаев ультраконденсатор 10 может использоваться в различных условиях окружающей среды и для различных потребностей. Например, напряжение на клеммах может изменяться в диапазоне от приблизительно 100 мВ до 10 В. Температура окружающей среды может изменяться в диапазоне от приблизительно минус 4 0 градусов Цельсия до плюс 210 градусов Цельсия. Типичный температурный диапазон высокотемпературной окружающей среды составляет от плюс 60 градусов Цельсия до плюс 210 градусов Цельсия.
[024 0] Описав, таким образом, примерное устройство хранения энергии, перейдем теперь к более подробному обсуждению аспектов электропитания 115.
[0241] На фиг.38 показана примерная электроника, соединенная по меньшей мере с одним источником 4 01 (например, генератором 210 энергии) и по меньшей мере одним высокотемпературным перезаряжаемым хранилищем 4 02 энергии (HTRES), которое может быть, например, ультраконденсатором 10. В этом неограничивающем примере электропитание 115 включает в себя двухполупериодный выпрямитель и зарядное устройство для того, чтобы заряжать высокотемпературное перезаряжаемое хранилище энергии. Выход электропитания 115 может включать в себя источник питания типа DC/DC и/или источник питания типа DC/AC. Различные силовые преобразователи могут быть включены в электропитание 115 и могут использоваться между источником и
высокотемпературным перезаряжаемым хранилищем энергии, а также между высокотемпературным перезаряжаемым хранилищем энергии и нагрузкой.
[0242] Источник 401 энергии, который включается в электропитание 115, может включать в себя множество входов энергии. Входы энергии вообще могут быть разделены на три категории. Эти категории включают в себя основные батареи, удаленные системы и генераторы.
[0243] В некоторых вариантах осуществления электропитание включает в себя основную батарею в качестве части источника 4 01 энергии. Примерные батареи включают такие батареи, которые адаптированы для работы в агрессивной окружающей среде. Конкретные примеры включают в себя различные химические батареи, включая литиевые батареи. Более конкретные примеры включают в себя литий-тионилхлоридные (Li-SOCl2) батареи и батареи на основе подобных технологий и/или химии. Однако, понятно, что некоторые из этих технологий, могут быть неспособными к достижению желаемых температурных характеристик, и некоторые из этих технологий могут только кратковременно поддержать хранилище энергии на краткосрочной основе (то есть хранилище энергии может включать в себя, например, элементы, которые не являются перезаряжаемыми или которые имеют укороченное время жизни по сравнению с другими элементами). Другие примерные батареи, которые могут быть включены в электропитание 115, включают в себя литиево-бромхлоридные батареи, а также литиево-сульфурилхлоридные батареи и батареи на расплавленном электролите.
[0244] Источник 4 01 может включать в себя по меньшей мере одно соединение с удаленным электропитанием. То есть энергия может подаваться посредством внешнего источника, например, через вспомогательный канат. Учитывая, что внешние источники энергии не ограничиваются скважинной окружающей средой, первоочередной задачей для получения энергии является обеспечение способов и устройств для передачи энергии в забой скважины. Примерные методики для передачи энергии к каротажному оборудованию 100 и к электропитанию 115 включают в себя
обсадную трубу с кабелем, трубу с кабелем, гибкие насосно-компрессорные трубы малого диаметра и другие методики, известные в данной области техники.
[0245] В одном варианте осуществления зарядного устройства
по меньшей мере для одного ультраконденсатора 10 электроника
включает в себя двухпозиционный понижающий преобразователь с
обратной связью, который ограничивает собственный ток в случае
низкого напряжения по меньшей мере на одном ультраконденсаторе
10 и регулирует его напряжение в противном случае. В некоторых
вариантах осуществления регулируемый преобразователь
постоянного тока включает в себя подходящую топологию для внедрения регулируемого повышающего преобразователя с обратной связью и широким диапазоном входного напряжения для того, чтобы обеспечить шину со стабильным напряжением.
[0246] В большинстве случаев желательно, чтобы источник 4 01 был выполнен с возможностью обеспечивать существенно непрерывную выходную мощность для поддержания заряда на высокотемпературном перезаряжаемом хранилище энергии 4 02, несмотря на нагрузки, которые потребляют заряд, и в некоторых случаях импульсные нагрузки, такие как те, которые создаются телеметрическими импульсами.
[0247] На фиг.39 показан генератор 210 энергии (EG) . В этом неограничивающем варианте осуществления генератор 210 энергии выполнен с возможностью использования вибрационной энергии, которая создается в скважине при бурении. Вибрационная энергия может восприниматься буровой колонной 111, каротажным оборудованием 100, а также электропитанием 115. В этом примерном варианте осуществления генератор 210 энергии может также упоминаться как "вибрационный генератор 210 энергии".
[024 8] Перед подробным обсуждением вибрационного генератора 210 энергии (VEG) следует отметить, что генератор 210 энергии может включать в себя множество других типов устройств генерации энергии. Другие типы устройств генерации энергии могут использоваться поодиночке или в комбинации друг с другом, а также с вибрационным генератором 210 энергии.
Примерные типы генераторов 210 энергии включают в себя, без
ограничения, ротационные генераторы, электромагнитные
генераторы смещения, магнитострикционные генераторы смещения, пьезоэлектрические генераторы смещения, термоэлектрические генераторы, термофотогальванические генераторы, и могут включать в себя соединения с удаленными генераторами, такие как соединение через вспомогательный канат с генератором или электропитанием, которое поддерживается на буровой платформе. Аспекты других типов генераторов (таких как вышеперечисленные) рассматриваются ниже.
[0249] Обращаясь, однако, к примеру, где генератор 210 энергии является вибрационным генератором 210 энергии, в некоторых вариантах осуществления вибрационный генератор 210 энергии в большинстве случаев содержится внутри кожуха 2 05 вибрационного генератора энергии. В этом примере кожух 2 05 вибрационного генератора энергии является круглым цилиндром с закрытым концом. Вокруг кожуха 2 05 вибрационного генератора энергии расположен набор обмоток 2 02. Обмотки 2 02 обеспечивают преобразование магнитного поля в электрическую энергию и передачу электрической энергии через выводы 2 03 вибрационного генератора энергии. Магнитное поле генерируется продольным движением постоянного магнита 2 01 (имеющего массу т) . В большинстве случаев постоянный магнит 201 подвергается воздействию вибрационной энергии, которое вызывает продольное движение. Продольному движению можно помочь или способствовать добавлением по меньшей мере одного смещающего устройства (не показано). Примерные смещающие устройства включают в себя резиновые амортизаторы, пружины, по меньшей мере один дополнительный постоянный магнит 2 01, имеющий противоположно направленную полярность. В одном таком варианте осуществления постоянный магнит 2 01 устанавливается внутри в каждом конце кожуха 2 05 вибрационного генератора энергии, с противоположной полярностью, направленной внутрь кожуха 2 05 вибрационного генератора энергии. Центральный постоянный магнит 2 01 затем устанавливается так, чтобы его соответствующие полюса находились против одноименных полюсов каждого установленного
магнита. Таким образом, центральный постоянный магнит 2 01 смещается в центр вибрационного генератора 210 энергии и способен свободно колебаться под воздействием вибрационной энергии.
[0250] В то время как вибрационный генератор 210 энергии
может включать в себя по меньшей мере одно смещающее
устройство, в некоторых вариантах осуществления вибрационный
генератор 210 энергии может включать в себя устройство для
разгрузки фильтрационного давления (не показано).
Неограничивающие примеры включают в себя по меньшей мере одну
форму дренажа, такую как продувочный патрубок, или по меньшей
мере одно отверстие в постоянном магните 201 (чтобы
предотвратить относительную герметизацию одной части
вибрационного генератора 210 энергии). В некоторых вариантах
осуществления вибрационный генератор 210 энергии
герметизируется в вакууме, так что аэродинамические силы становятся относительно несущественными для работы вибрационного генератора 210 энергии. Примерные смещающие устройства включают в себя резиновые амортизаторы, механические пружины, пьезоэлектрические пружины и по меньшей мере один дополнительный постоянный магнит.
[0251] На фиг.40 показано множество вибрационных генераторов 210 энергии. В этом примере вибрационные генераторы 210 энергии располагаются внутри буровой колонны 111, конкретно внутри каротажного оборудования 100. Множество вибрационных генераторов 210 энергии соединяются вместе электрически посредством шины 208. Шина 208 соединяется в свою очередь с другой электроникой для того, чтобы заряжать хранилище энергии, такое как множество ультраконденсаторов 10.
[02 52] Можно заметить, что множество вибрационных генераторов 210 энергии может быть расположено внутри каротажного оборудования 100 таким образом, что вибрационная энергия будет приводить в движение по меньшей мере один из вибрационных генераторов 210 энергии на фактически непрерывной основе. Таким образом, в этом примере вибрационные генераторы 210 энергии располагаются вдоль каждой главной оси (X, Y, и Z) ,
а также вдоль их основных делений.
[0253] Далее рассматриваются аспекты примерного дизайна
вибрационного генератора 210 энергии, адаптированного для
удовлетворения требований нагрузки. Принимая, что
синусоидальное смещение постоянного магнита 2 01 по оси X длины
кожуха 205 вибрационного генератора энергии х (t) =^Lsin (cot) [м] ,
скорость является производной этого смещения по времени, и
пиковая величина скорости постоянного магнита 201 составляет И
Leo [м/с] . Пиковая кинетическая энергия составляет ^anv2=:^m (^Lco) 2
[Дж], так что мощность, доступная в пределах низкого
электрического сопротивления, составляет Р=Чт (^Lco) 2fVib [Вт] , где
fvib представляет собой частоту вибрации и o=27i;fvib [об/с] .
Потенциал разомкнутой цепи, доступный от обмоток 2 02, может
быть аппроксимирован с использованием кусочно-линейной
аппроксимации ко времени изменения магнитного потока через
область А, ограничиваемую обмотками 202. Производная магнитного
потока по времени тогда будет приблизительно равна d B/dt=±
BmaxA4fvib. Однако в некоторых вариантах осуществления выходная
электроника будет включать в себя выпрямительное устройство, и,
таким образом, знак не имеет значения. Из уравнений Максвелла
напряжение разомкнутой цепи на обмотках 2 02 может быть
аппроксимировано как Voc=NdOB/dt=NBmaxA4 f Vib, где знак не
учитывается. Принимая во внимание последовательное
сопротивление обмоток 2 02 (где обмотки 2 02 изготавливаются из меди), мощность, доступная в пределах низкой массы, составляет VOG2/4R, где R=NCRAWG [Ом] , а С представляет собой длину окружности кожуха 2 05 вибрационного генератора энергии.
[0254] Некоторые примерные исходные данные конструкции включают в себя: fvib=10 Гц; L=2 дюйма; т=Н дюйма; л?=100 г; N=100 (для меди); и постоянный магнит 201 имеет следующие параметры: диаметр 1 дюйм; номинальная длина 3/8 дюйма, состав - самариево-кобальтовый сплав.
[0255] В этом примере доступная низкоомная предельная мощность составляет 5 Вт. С медными обмотками 2 02, имеющими американский проволочный калибр (AWG), равный 30, сопротивление
R составляет приблизительно 3 Ом, и доступная низкоомная предельная мощность составляет приблизительно 200 Вт. Таким образом, эта конструкция ограничивается массой т постоянного магнита 201, а не электрическим сопротивлением обмоток 202. Посредством экстраполяции можно посчитать, что доступная мощность будет равна 10 Вт для постоянного магнита 201, имеющего массу т, равную 2 00 г, и 1 Вт для постоянного магнита 2 01, имеющего массу т, равную 2 0 г. Для постоянного магнита 2 01, имеющего массу т, равную 2 0 г, максимальное сопротивление R провода, допустимое для того, чтобы поддерживать доступную мощность, составляет R=502/(4*l), т.е. 625 Ом. Даже для проволочного калибра 3 0 AWG электрическое сопротивление составило бы всего 3 Ом, и, таким образом, в этой конструкции может использоваться любой приемлемый проволочный калибр. Меньшие проволочные калибры (большие значения AWG) могут использоваться, например, для того чтобы сэкономить пространство.
[0256] Этот анализ основан на предположении о том, что обмотки 2 02 существенно ограничены длиной, которая является малой по сравнению с длиной цилиндра L, а также о том, что вибрационные колебания постоянного магнита 2 01 являются периодическими и синусоидальными, дающими смещение, равное полной длине L кожуха 2 05 вибрационного генератора энергии (например, 2 дюйма).
[02 57] Могут быть сделаны и дальнейшие адаптации вибрационного генератора 210 энергии. Следует учесть, что в скважинной окружающей среде вибрация, испытываемая вибрационным генератором 210 энергии, может изменяться в диапазоне частот, например, от десятков герц до сотен герц. В этом случае вибрационный генератор 210 энергии может включать в себя характеристическую частоту колебаний, которая может настраиваться во время работы устройства путем изменения упругой силы смещающего устройства. Например, если смещающие устройства являются двумя постоянными магнитами 2 01, магниты 2 01 могут быть сближены, например, линейным исполнительным механизмом. Установка магнитов 2 01 ближе друг к другу
увеличивает упругую силу и тем самым увеличивает характеристическую частоту колебаний вибрационного генератора 210 энергии. Аналогично, постоянные магниты 2 01 могут быть перемещены дальше друг от друга для того, чтобы аналогичным образом уменьшить резонансную частоту колебаний вибрационного генератора 210 энергии. Дополнительно к этому, если смещающие устройства являются электромагнитами, то для того, чтобы увеличить или уменьшить резонансную частоту колебаний вибрационного генератора 210 энергии, может быть увеличен или уменьшен соответственно ток, протекающий через электромагниты.
[0258] Если внутри вибрационного генератора 210 энергии
используются пьезоэлектрические пружины, они могут
использоваться не только в качестве смещающего устройства, обеспечивающего упругую силу для магнита 2 01, но также и для обеспечения генерирования дополнительной электрической энергии.
[0259] Механическая резонансная частота вибрационного генератора 210 энергии, содержащего пьезоэлектрические смещающие элементы, может быть изменена путем изменения электромеханической связи пьезоэлектрического элемента. Например, электромеханическая связь пьезоэлектрического элемента может быть изменена путем электрического шунтирования емкости пьезоэлектрического элемента, изменяя таким образом эффективную механическую жесткость пьезоэлектрического элемента. Изменение механической жесткости пьезоэлектрического элемента изменяет резонансную частоту колебаний вибрационного генератора 210 энергии.
[02 60] Следует отметить, что механическая
характеристическая частота колебаний соп вибрационного
генератора 210 энергии может быть просто определена как
sqrt{к/т), где к представляет собой жесткость смещающей
пружины, а т представляет собой массу резонатора. В одном
варианте осуществления подстроечная схема может использоваться
для того, чтобы изменять электромеханическую связь
пьезоэлектрического элемента и, соответственно, изменять
значение к, изменяя таким образом механическую
характеристическую частоту колебаний шп. В некоторых вариантах осуществления подстроечная схема включает в себя микропроцессор.
[02 61] Следует отметить, что различные элементы могут использоваться в качестве электромеханической связи для пьезоэлектрического элемента, включая емкость, сопротивление, индуктивность или последовательную или параллельную комбинацию таких элементов.
[02 62] Пьезоэлектрические элементы могут служить дополнительным источником генерирования электрической энергии, одновременно служа настраиваемым пружинным элементом. Например, мощность, генерируемая пьезоэлектрическим элементом, может быть собрана преобразователем мощности. В случае импульсного преобразователя мощности, преобразователь мощности может быть смоделирован как нагрузочное сопротивление, которое изменяется пропорционально рабочему циклу импульсного преобразователя мощности.
[0263] Температура Кюри (точка фазового перехода второго рода) постоянного магнита является температурой, при которой магнит становится размагниченным. Температуры Кюри для материалов постоянного магнита 2 01 показаны в таблице ниже. Так называемые неодимовые магниты (первые две строчки) пользуются популярностью благодаря их высокой остаточной магнитной индукции. Использование самариево-кобальтового сплава для постоянного магнита 2 01 рассматривается для высокотемпературных операций, поскольку эти магниты демонстрируют аналогичные уровни остаточной магнитной индукции, но с более высокими значениями температуры Кюри. Такие магниты легко доступны через коммерческие распределительные каналы.
[02 64] Высокотемпературная электроника используется для
обеспечения предварительного формирования сигнала, телеметрии и
силовой электроники и в большинстве случаев адаптируется для
работы при температурах вплоть до приблизительно 2 00 градусов
Цельсия, а в некоторых вариантах осуществления - вплоть до
приблизительно 300 градусов Цельсия. Неограничивающие варианты
осуществления высокотемпературной электроники включают в себя
дискретные и интегрированные серийно выпускаемые
промышленностью активные устройства с использованием бескорпусных кристаллов кремния и матриц из кремния на изоляторе, а также активные силовые устройства с использованием карбида кремния. Также могут использоваться некоторые коммерчески доступные высокотемпературные и низкотемпературные керамические пассивные электронные компоненты (диэлектрики COG или NPO) и высокотемпературные пассивные магнитоэлектронные компоненты. В примерных вариантах осуществления материалом подложки для схемы будет керамика из A1N (нитрида алюминия),
Поставщики компонентов высокотемпературных схем
которая выбирается благодаря ее превосходной тепловой стойкости и теплопроводности. В некоторых из этих вариантов осуществления соединительные проводники схемы будут стойкими к окислению следами золота. Стратегия соединения будет использовать перевернутый кристалл или соединение проводами из золота для активных компонентов бескорпусного кристалла с использованием высокотемпературного припоя из AuGe и/или аналогичные типы соединения. Однако для некоторых реализаций ожидается, что соединение проводами из золота будет предпочтительнее, чем соединение с использованием перевернутого кристалла, благодаря добавленной механической эластичности, особенно в присутствии теплового расширения, ударов и вибрации. Неисчерпывающий список поставщиков для всех вышеописанных компонентов показан в следующей таблице:
Керамические печатные платы
Complete Hermetics, г. Санта-Ана, штат Калифорния
Клеммы, цоколи, корпуса
НСС Ametek Ind., г. Нью-Бедфорд, штат Массачусетс
Припой AuGe
Hi-Rel Alloys, г. Онтарио, штат Калифорния
[02 65] Подводя итог вышесказанному, описанное в настоящем документе изобретение обеспечивает надежное электропитание скважинных инструментов, которое доступно для использования в высокотемпературных средах.
[02 66] В некоторых вариантах осуществления электропитание 115 включает в себя одиночный вибрационный генератор 210 энергии с сопутствующей электроникой и по меньшей мере один ультраконденсатор 10. В других вариантах осуществления электропитание 115 включает в себя множество вибрационных генераторов 210 энергии с сопутствующей электроникой и по меньшей мере один ультраконденсатор 10. Вибрационные генераторы 210 энергии могут быть соединены с электроникой параллельно или последовательно или в некоторой комбинации, смотря по обстоятельствам. Ориентация каждого из различных вибрационных генераторов 210 энергии может быть выбрана как описано выше, чтобы она была подходящей для сбора вибрационной энергии с учетом или без учета количества элементов, представляющих собой вибрационные генераторы 210 энергии.
[02 67] Вибрационные генераторы 210 энергии преобразуют колебания в каротажном оборудовании 100 в электрическую энергию. Различное угловое распределение вибрационных генераторов 210 энергии гарантирует, что по меньшей мере одна из сборок будет соответствующим образом отвечать на вибрацию и преобразовывать ее в электрическую энергию.
[02 68] Может использоваться любое количество вибрационных генераторов 210 энергии и любая их ориентация. Например, вместо трех вибрационных генераторов может быть четыре вибрационных генератора 210 энергии, и они могут быть расположены под углом
друг к другу в различных ориентациях, например, ортогонально друг другу и т.д.
[0269] Конечно же, вибрационный генератор 210 энергии может конфигурироваться различными способами без отступления от принципов настоящего изобретения. Например, магнит 201 может быть электромагнитом. В качестве другого примера катушка 2 02 может быть установлена жестко, а магнит 201 может смещаться в ответ на вибрацию каротажного оборудования 100.
[0270] Легко понять, что смещение катушки 202 относительно магнита 201 также имеет характеристическую частоту колебаний, которая также может быть отрегулирована, например, путем изменения упругой силы вышеупомянутых смещающих устройств, изменения массы катушки 2 02 и т.д. Кроме того, следует отметить, что увеличенное смещение катушки 2 02 относительно магнита 2 01 может быть достигнуто путем соответствия характеристической частоты колебаний вибрационного генератора 210 энергии характеристической частоте вибрации в каротажном оборудовании 100. Таким образом, вибрационный генератор 210 энергии будет вибрировать с частотой, которая будет давать максимальный выход электрической энергии.
[0271] Вибрационный генератор 210 энергии, показанный на фиг.39, представляет собой пример конфигурации со "сквозной катушкой", посредством которой постоянный магнит перемещается сквозь ряд катушек. В другой конфигурации, обычно называемой конфигурацией с "поперечной катушкой", постоянный магнит перемещается в перпендикулярном направлении относительно поверхности, определяемой катушками.
[0272] Могут использоваться одиночный магнит или несколько магнитов. Несколько магнитов могут быть соединены так, чтобы они перемещались вместе, или могут быть оставлены несоединенными так, чтобы они перемещались индивидуально. Магниты могут быть расположены так, чтобы смежные магниты обладали противоположной поляризацией. В этой конфигурации противоположные магнитные полюса усиливают плотность магнитного потока, окружающего соединения смежных магнитов. Проводящие катушки могут быть помещены в непосредственной близости от
соединения смежных магнитов, так что перемещение магнитов будет создавать большие отклонения в магнитном потоке, проходящем через катушки. Следовательно, устройство может функционировать при меньших относительных перемещениях, чем в конфигурации со "сквозным отверстием".
[0273] В конструкцию могут включаться единственная катушка или несколько катушек. Несколько катушек могут перекрываться или не перекрываться и могут содержать множество витков провода. Катушки могут быть расположены так, чтобы обеспечить раздельные переменные токи с относительными фазами. Например, набор из трех смещенных друг относительно друга катушек может использоваться для того, чтобы обеспечить относительные фазы 0, 120 и 240 градусов. Это может быть достигнуто путем выбора подходящего смещения между смежными катушками, которое пропорционально размерам магнитов. Использование трехфазных индуктивных токов уменьшает волновые эффекты при генерировании электрической энергии.
[0274] Для того, чтобы захватить различные виды вибрации, подходящими являются различные пути как для постоянных магнитов, если постоянные магниты перемещаются относительно неподвижных катушек, так и для катушек, если катушки перемещаются относительно неподвижных магнитов. Например, продольное колебание может быть захвачено посредством линейного относительного движения пары катушки и магнита. Для захвата крутильного колебания путь может состоять из кольца, посредством которого магнит или катушки могут свободно перемещаться вдоль круглого пути. В случае, если магниты перемещаются вдоль круглого пути через неподвижный набор катушек, магниты могут составлять часть всей окружности.
[0275] В обеих конфигурациях - "сквозного отверстия" и "поперечной катушки" - для того, чтобы увеличить плотность магнитного потока, может использоваться материал, фокусирующий магнитный поток. Материал, фокусирующий магнитный поток, имеет высокую магнитную проницаемость и высокую плотность магнитного потока и может быть составлен из, например, мягкого железа, мю
металла или другого металла или металлического сплава, обладающего сходными характеристиками. Материал, фокусирующий магнитный поток, может использоваться для того, чтобы сконцентрировать магнитный поток, проходящий через набор катушек, и может прикрепляться или не прикрепляться к постоянному магниту. Материал, фокусирующий магнитный поток, может также служить для того, чтобы обеспечить обратный путь для магнитного потока.
[027 6] Как и в уже обсужденной конфигурации "сквозного отверстия", пьезоэлектрические пружины могут быть использованы для того, чтобы улучшить генерирование энергии и обеспечить настраиваемую резонансную частоту.
[0277] Если источник механической энергии находится в форме вызванного потоком вращения, электромагнитный генератор может принять форму стандартного электрического генератора постоянного тока, в котором проводящие катушки вращаются вокруг центральной оси таким образом, что магнитное поле проходит через плоскость каждой катушки с каждым вращением.
[027 8] Как упомянуто выше, другие типы генераторов 210
энергии включают в себя, без ограничения, вращательные
генераторы, электромагнитные генераторы смещения,
магнитострикционные генераторы смещения, пьезоэлектрические
генераторы смещения, термоэлектрические генераторы,
термофотогальванические генераторы и могут включать в себя соединения с удаленными генераторами, такие как соединение через вспомогательный канат с генератором или электропитанием, которое поддерживается на буровой платформе, и радиоизотопный генератор энергии.
[027 9] Вращательные типы генераторов могут включать в себя, например, генераторы, которые работают от вращения, вызванного текучей средой (жидкостью или газом или их смесью), имеющие одноступенчатую конструкцию, многоступенчатую конструкцию, и могут быть зарезервированными.
[0280] Электромагнитные генераторы, работающие от смещения, могут использовать, например, вибрацию буровой
колонны (желательную или нежелательную), акустическую вибрацию, сейсмическую вибрацию, вибрацию, вызванную потоком (например, потоком бурового раствора, газа, масла, воды и т.д.) и могут работать от возвратно-поступательного движения.
[0281] Магнитострикционные типы генерирования используют явление магнитострикции, которая является свойством ферромагнитных материалов, которое заставляет их изменять свою форму или размеры во время процесса намагничивания. Магнитострикционные материалы могут преобразовывать магнитную энергию в кинетическую энергию, или наоборот, и используются для построения исполнительных механизмов и датчиков. Как и с электромагнитными генераторами, работающими от смещения, магнитострикционные типы генерирования могут использовать, например, вибрацию буровой колонны (желательную или нежелательную), акустическую вибрацию, сейсмическую вибрацию, вибрацию, вызванную потоком (например, потоком бурового раствора, газа, масла, воды и т.д.) и могут работать от возвратно-поступательного движения, а также использовать другие методики, которые генерируют или вызывают образование некоторой формы кинетической или магнитной энергии.
[02 82] Пьезоэлектрические типы генерирования используют материалы, которые обладают пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектричество является зарядом, который накапливается в некоторых твердых материалах (особенно в кристаллах, некоторых керамиках и т.п.) в ответ на приложенное механическое напряжение. Пьезоэлектрические типы генерирования могут использовать, например, вибрацию буровой колонны (желательную или нежелательную), акустическую вибрацию, сейсмическую вибрацию, вибрацию, вызванную потоком (например, потоком бурового раствора, газа, масла, воды и т.д.) и могут работать от возвратно-поступательного движения, а также использовать другие методики, которые генерируют или вызывают образование некоторой формы механического напряжения.
[0283] Пьезоэлектрический эффект может быть использован для того, чтобы преобразовать механическую энергию в электрическую энергию. Например, пьезоэлектрический элемент
может быть сконструирован в форме консольной балки, посредством чего движение конца балки сгибает балку при вибрации. Пьезоэлектрический элемент также может быть сконструирован в форме плоской тарелки, посредством чего вибрация вызывает искривление в центре плоской тарелки. В каждой конфигурации грузы с изменяемой массой могут использоваться для того, чтобы усилить эффект механической вибрации. Например, масса может быть помещена на конец консольной балки для увеличения отклонения балки, вызываемого механической вибрацией системы.
[02 84] В некоторых вариантах осуществления
пьезоэлектрический генератор электрической энергии включает в себя от одного до нескольких пьезоэлектрических элементов, каждый из которых преобразует механическую энергию в электрический ток. Пьезоэлектрический генератор электрической энергии может также включать в себя от одного до нескольких проводящих элементов для передачи электрического тока к электронике преобразователя энергии или хранилища. Каждый пьезоэлектрический генератор может быть сконфигурирован во множестве для того, чтобы увеличить возможности генерирования энергии. Пьезоэлектрические генераторы могут быть расположены в подходящих направлениях для захвата различных режимов механической вибрации. Например, для того чтобы захватить три измерения поперечного колебания, пьезоэлектрические генераторы могут быть размещены ортогонально друг другу таким образом, чтобы каждое измерение вибрации захватывалось по меньшей мере одним набором пьезоэлектрических генераторов.
[0285] В большинстве случаев пьезоэлектрические генераторы полезны для генерирования электроэнергии в количестве вплоть до 1 Ватта. Однако несколько генераторов могут использоваться параллельно для того, чтобы генерировать дополнительную мощность. В одном варианте осуществления одиночная масса может использоваться для того, чтобы деформировать несколько пьезоэлектрических элементов в заданное время.
[028 6] Как и электромагнитные генераторы,
пьезоэлектрические генераторы функционируют с заданной характеристической частотой колебаний. Большая часть мощности
генерируется, когда механическая вибрация происходит на характеристической частоте колебаний пьезоэлектрического генератора. Для того чтобы максимизировать количество генерируемой мощности, характеристическая частота колебаний пьезоэлектрического генератора может быть настроена, как обсуждалось ранее, путем присоединения изменяющихся нагрузочных элементов к проводящему материалу. В другом варианте осуществления может быть несколько пьезоэлектрических генераторов, настроенных на различные фиксированные частоты с тем, чтобы захватить диапазон частот вибрации. Демпфирование в форме материала, присоединенного к пьезоэлектрическому элементу, или текучей среды, окружающей пьезоэлектрический элемент, может использоваться для того, чтобы расширить эффективный спектр захвата пьезоэлектрического генератора, уменьшая резонансный ответ.
[0287] В одном варианте осуществления, в котором источник механической энергии находится в форме потока жидкости, может использоваться пьезоэлектрический генератор, основанный на вращении. Например, от одного до нескольких пьезоэлектрических элементов могут деформироваться из-за вращения структуры. В одном варианте осуществления от одной до нескольких пьезоэлектрических балок могут сгибаться ортогональными штифтами, присоединенными к вращающемуся колесу. По мере того как колесо вращается вокруг своей оси, штифты входят в контакт с пьезоэлектрическими элементами и вызывают деформацию элементов при вращении колеса. В другом варианте осуществления пьезоэлектрические элементы помещаются параллельно и смежно с вращающимся телом изменяющегося радиуса. По мере того, как тело вращается, пьезоэлектрические элементы сжимаются в различной степени в зависимости от радиуса в точке контакта между вращающимся телом и пьезоэлектрическим элементом. В этом варианте осуществления пьезоэлектрические элементы также могут быть помещены на вращающееся тело с тем, чтобы производить дополнительную электрическую энергию.
[0288] Термоэлектрические типы генерирования используют материалы, которые обладают термоэлектрическими свойствами.
Термоэлектрические генераторы в большинстве случаев преобразуют
тепловой поток (разности температур) непосредственно в
электрическую энергию, используя явление, называемое "эффектом
Зеебека" (или "прямым термоэлектрическим эффектом") . Примерные
термоэлектрические генераторы могут использовать
биметаллические соединения (комбинацию материалов) или использовать специфические термоэлектрические материалы. Одним примером термоэлектрического материала является теллурид висмута (В1гТез) , полупроводник с р-n переходом, который может иметь толщину в миллиметровом диапазоне. В большинстве случаев термоэлектрические генераторы являются полупроводниковыми приборами и не имеют никаких движущихся частей.
[0289] Термоэлектрические генераторы могут быть обеспечены для использования преимущества различных температурных градиентов. Например, разница температур внутри и снаружи трубы, разница температур внутри и снаружи обсадной трубы, разница температур вдоль буровой колонны, разница температур, являющаяся результатом диссипации мощности внутри инструмента (за счет электрической энергии и/или механической энергии), и может использовать преимущество наведенных перепадов температур.
[02 90] Термофотогальванические генераторы обеспечивают преобразование энергии перепадов температуры в электричество посредством фотонов. В простой форме термофотогальваническая система включает в себя теплоизлучатель и фотогальваническую диодную ячейку. В то время как температура теплоизлучателя изменяется между системами, в принципе термофотогальваническое устройство может извлечь энергию из любого теплоизлучателя, температура которого выше температуры фотогальванического устройства (формируя таким образом оптическую тепловую машину). Теплоизлучатель может быть куском твердого материала или специально спроектированной структурой. Тепловое излучение представляет собой спонтанное излучение фотонов благодаря тепловому движению зарядов в материале. В скважинной среде температуры окружающей среды вызывают излучение главным образом
в ближней инфракрасной и инфракрасной областях частот. Фотогальванические диоды могут поглощать некоторые из этих излученных фотонов и преобразовывать их в электроны.
[02 91] Могут использоваться и другие формы генерирования энергии. Например, в электропитание 115 может быть включено радиоизотопное получение энергии, которое преобразует ионы в электрический ток.
[0292] Множество методик может использоваться для
включения вышеописанных типов генераторов мощности в буровую
колонну 111. Например, пьезоэлектрические элементы могут быть
включены в конструкцию для того, чтобы обеспечить прерывистое
или непрерывное электропитание для электроники. Скважинная
окружающая среда предлагает многочисленные возможности для
пьезоэлектрического получения энергии благодаря
распространенности вибрации, желательной или нежелательной, от акустических, механических или сейсмических источников.
[02 93] Существует три основных режима вибрации в скважинной буровой колонне: вращение утяжеленной бурильной трубы, подскакивание долота на забое и движение утяжеленной бурильной трубы рывками. Каждый из этих режимов способен объединяться с другими режимами, вызывая боковую, торсионную и осевую вибрации.
[02 94] В скважинном приборе имеются многочисленные местоположения, которые обладают потенциалом для генерирования энергии. Прибор может быть составлен из отдельных секций, которые непосредственно соединены посредством жестких связей, соединены посредством гибкого соединения или соединены посредством только пьезоэлектрических элементов. Гибкое соединение может состоять из гибкой мембраны или поворотной жесткой структуры.
[02 95] Для того чтобы захватить энергию торсионной вибрации, пьезоэлектрический материал может быть помещен вертикально вдоль длины прибора. Напряжения при кручении между секциями прибора могут заставить пьезоэлектрический элемент деформироваться. Проводящий материал может быть помещен вдоль пьезоэлектрического элемента для того, чтобы переносить
сгенерированный ток к хранилищу энергии или преобразовательным устройствам.
[0296] В другом варианте осуществления пьезоэлектрический материал может быть использован для того, чтобы генерировать энергию из осевой вибрации. Например, пьезоэлектрический элемент может быть помещен между двумя или более частями прибора, которые в противном случае оставались бы несвязанными или соединенными гибким соединением. Каждый конец пьезоэлектрического элемента может быть соединен с поверхностью прибора ортогонально к осевому и тангенциальному направлениям таким образом, что осевая вибрация будет сжимать или расширять пьезоэлектрический элемент.
[02 97] В другом варианте осуществления пьезоэлектрический материал может быть использован для того, чтобы генерировать энергию из поперечного колебания. Например, пьезоэлектрический элемент может быть помещен между двумя или больше частями прибора, которые в противном случае оставались бы несвязанными или соединенными гибким соединением. Концы пьезоэлектрических элементов могут быть присоединены к тангенциальным стенкам каждой части таким образом, чтобы относительный сдвиг каждой части сгибал соединительные пьезоэлектрические элементы.
[02 98] Один или несколько из этих вариантов осуществления могут быть включены в один и тот же прибор для того, чтобы улучшить генерацию энергии.
[0299] Короче говоря, электропитание 115 может
использовать любой тип генератора мощности, который может быть
адаптирован для обеспечения мощности в скважинной окружающей
среде. Используемые типы генерации мощности могут быть выбраны
в соответствии с потребностями или предпочтениями пользователя
системы, проектировщика, изготовителя или другой
заинтересованной стороны. Тип генерации мощности может использоваться один или совместно с другим типом генерации мощности.
[0300] Следует отметить, что как в случае вибрационного генератора энергии, другими формами генераторов также можно управлять (то есть подстраивать) для того, чтобы улучшить
эффективность в соответствии с факторами окружающей среды. В каждом случае предполагается, что "настройка" генератора предназначена для того, чтобы выполнять эту задачу. В некоторых случаях настройка обеспечивается во время сборки. В некоторых дополнительных вариантах осуществления настройка выполняется в режиме реального времени или в режиме почти реального времени во время работы электропитания 115.
[0301] На фиг.41-47 показаны аспекты преобразовательных
схем. Как показано на фиг.41, примерный вариант осуществления
первой подсистемы 152 включает в себя первое устройство 161
переключения и второе устройство 162 переключения, а также
дроссель фильтра 163. Внешнее энергоснабжение 151 может
соединяться с первой подсистемой 152 и с высокотемпературным
перезаряжаемым хранилищем 4 02 энергии (например,
высокотемпературным ультраконденсатором). Работой первого
устройства 161 переключения и второго устройства 162
переключения можно управлять для достижения ограничения тока и
особенностей поддержания условий для батареи, описанных выше.
Конкретно, относительная длительность импульса первого
устройства 161 переключения и второго устройства 162
переключения, действующих взаимодополняющим образом
(коэффициент заполнения), может использоваться для того, чтобы подстроить коэффициент преобразования и силу тока. Примерная первая подсистема 152, показанная на фиг.41, может быть полезной, когда напряжение внешнего энергоснабжения 151 имеет значение больше, чем напряжение высокотемпературного перезаряжаемого хранилища 4 02 энергии. Ограничение или регулирование тока могут быть достигнуты посредством системы управления с обратной связью (не показана).
[0302] Примерный вариант осуществления вторых подсистем 153 включает в себя силовые преобразователи постоянного или переменного тока в зависимости от требований инструмента. Функция второй подсистемы 153 может заключаться в регулировании напряжения или тока, подаваемого к нагрузке (например, к каротажному оборудованию 100 и/или к скважинной электронике
113) . Из-за емкостной природы высокотемпературного
перезаряжаемого хранилища 4 02 энергии, реализованного на
ультраконденсаторе, напряжение может уменьшаться приблизительно
линейным образом по мере расходования заряда
высокотемпературного перезаряжаемого хранилища 4 02 энергии. Функция второй подсистемы 153 тогда может заключаться в регулировании напряжения или тока, подаваемого к каротажному оборудованию 100, несмотря на изменяющееся напряжение, предоставляемое высокотемпературным перезаряжаемым хранилищем 4 02 энергии. Ограничение или регулирование напряжения могут быть достигнуты посредством системы управления с обратной связью (не показана).
[03 03] Как показано на фиг.42, примерный вариант осуществления второй подсистемы 153 может включать в себя соответствующие варианты осуществления первого устройства 161 переключения, второго устройства 162 переключения, а также дросселя фильтра 163. Нагрузка может подсоединяться ко второй подсистеме 153 и к высокотемпературному перезаряжаемому хранилищу 4 02 энергии. Работой соответствующих вариантов осуществления первого устройства 161 переключения и второго устройства 162 переключения можно управлять для достижения желаемых особенностей регулирования тока или напряжения, описанных выше. Конкретно, коэффициент заполнения относительной длительности импульса соответствующих вариантов осуществления первого устройства 161 переключения и второго устройства 162 переключения может использоваться для того, чтобы подстроить коэффициент преобразования и силу тока или его напряжение. Примерная вторая подсистема 153, показанная на фиг.42, может быть полезной, когда требуемое напряжение превышает напряжение высокотемпературного перезаряжаемого хранилища 4 02 энергии. Ограничение или регулирование напряжения могут быть достигнуты посредством системы управления с обратной связью (не показана).
[0304] Как показано на фиг.43, первая подсистема 152 и вторая подсистема 153 могут быть соединены друг с другом, а также с высокотемпературным перезаряжаемым хранилищем энергии 402 для того, чтобы обеспечить вариант осуществления
электропитания 115. В этом варианте осуществления примерное электропитание 115 может быть особенно выгодным, когда напряжение на клеммах внешнего энергоснабжения 151 либо больше, либо меньше по величине по сравнению с напряженнее на клеммах нагрузки, в то время как напряжением на клеммах высокотемпературного перезаряжаемого хранилища 4 02 энергии меньше по величине, чем оба вышеуказанных напряжения.
[0305] Силовые преобразователи в большинстве случаев могут иметь любую топологию. Неограничивающие примеры включают в себя преобразователи, обычно упоминаемые как "вольтодобавочный преобразователь", "повышающий преобразователь", "промежуточный вольтодобавочный преобразователь", "преобразователь обратного
хода", "преобразователь прямого хода", "управляемый конденсатор"
и другие обособленные версии необособленных преобразователей
(например, Cuk, промежуточный вольтодобавочный
преобразователь), а также каскады любых таких преобразователей (например, вольтодобавочный преобразователь + повышающий преобразователь).
[0306] Примерный преобразователь 181 показан на фиг.44. В этом примере преобразователь 181 является реверсивным вольтодобавочным преобразователем. Этот вариант осуществления является подходящим, среди прочего, для использования в качестве силового преобразователя, когда выходное напряжение должно быть меньше, чем входное напряжение.
[0307] Другой примерный преобразователь 181 показан на
фиг.45. В этом примере преобразователь 181 является реверсивным
повышающим преобразователем. Другой примерный преобразователь
181 показан на фиг.46. В этом примере преобразователь 181
является объединенным реверсивным промежуточным
вольтодобавочным преобразователем.
[0308] Примерный вариант осуществления автоматического регулятора 182 с обратной связью представлен на фиг.47, Показанные на этом чертеже компоненты могут быть реализованы на аналоговой или цифровой базе, или в их комбинации, по усмотрению проектировщика, изготовителя или пользователя.
Автоматический регулятор 182 с обратной связью может включать в себя элементы для контроля и управления различными свойствами. Например, автоматический регулятор 182 с обратной связью может включать в себя компоненты для компенсации частоты, модуляции ширины импульса, защиты запаздывания, ограничения рабочего цикла, обеспечения плавного включения (то есть пилообразного напряжения) и т.п.
[0309] Специалисту в данной области техники будет понятно, что электропитание 115 может использоваться в совокупности с технологиями и приборами для измерений удельного сопротивления, ядерных измерений, включая импульсные нейтронные и гамма измерения, а также другие, для магнитно-резонансной томографии, для акустических и/или сейсмических измерений, для различных протоколов отбора проб, для связи, обработки и хранения данных, для забойной системы контроля и управления параметрами бурения, а также для несметного числа других потребителей энергии в скважине. Большое количество компонентов также может быть запитано от электропитания 115. Неограничивающие примеры включают в себя акселерометры, магнитометры, датчики, преобразователи, цифровые и/или аналоговые устройства (включая перечисленные ниже) и т.п.
[0310] Соответственно, может быть целесообразным принять
во внимание магнитные поля, создаваемые по меньшей мере одним
генератором 210 энергии. Помехи, создаваемые постоянным
магнитом (магнитами) 101 для магниточувствительных компонентов,
могут быть уменьшены или существенно устранены, если
чувствительные компоненты будут размещены удаленно от
генератора 210 энергии в каротажном оборудовании 100. Если это
необходимо, барьер из материала с высокой магнитной
проницаемостью ("д-металла" или мю-металла), коммерчески
доступного в виде дешевого сплава никеля, железа, меди и
молибдена, может быть помещен между чувствительным устройством
(устройствами) и магнитными полями, связанными с
электропитанием 115.
[0311] Мю-металл может быть расположен между
электропитанием 115 или любым другим генератором (роторным, вибрационным или другим) и другими приборами, такими как чувствительные к магнитным помехам (например, магнитометр, ЯМР, магниточувствительная память или другие).
[0312] Далее, мю-металл может быть расположен между пластами 103 и чувствительными приборами (например, электроникой 113). Мю-металл может быть сформован разными способами. Например, мю-металл может выглядеть как плоская плоскость, разделяющая по меньшей мере две части инструмента, седловидная поверхность, замкнутая поверхность, обернутая вокруг по меньшей мере одной части инструмента, такой как прибор или генератор, как несколько слоев мю-металла для улучшения изоляции, а также как комбинации вышеперечисленного.
[0313] В большинстве случаев "мю-металл", как обсуждено в настоящем документе, является железо-никелевым сплавом (приблизительно 75% никеля, 15% железа, плюс медь и молибден) , который имеет очень высокую магнитную проницаемость. Высокая проницаемость делает мю-металл очень эффективным для защиты от статических или низкочастотных магнитных полей, которые не могут быть ослаблены другими способами. Мю-металл может иметь относительную проницаемость, равную 8000 0-100000 по сравнению с несколькими тысячами для обычной стали. В дополнение к этому, он имеет низкую коэрцитивность и магнитострикцию, что приводит к низким гистерезисным потерям. Другие сплавы с высокой проницаемостью, такие как пермаллой, обладают подобными магнитными свойствами. Другие преимущества включают в себя то, что мю-металл является более податливым и поддающимся обработке, чем обычная сталь. Вкратце, используемый в настоящем документе термин "мю-металл" относится к любому материалу, демонстрирующему желаемые магнитные свойства, такие как очень высокая магнитная проницаемость.
[0314] Следует понимать, что описание, данное в настоящем документе, является просто иллюстративным и не ограничивает настоящего изобретения. Далее, специалисту в данной области техники будет понятно, что дополнительные компоненты,
конфигурации, конструкции и т.п. могут быть реализованы без выхода из области охвата настоящего изобретения. Например, конфигурации слоев, электродов, выводов, клеммных выводов, контактов, штырьков, крышек и т.п. могут отличаться от вариантов осуществления, раскрытых в настоящем документе. В большинстве случаев конструкция и/или применение компонентов ультраконденсатора и ультраконденсаторов, использующих электроды, ограничиваются только потребностями проектировщика системы, изготовителя, оператора и/или пользователя, а также требованиями, имеющимися в любой конкретной ситуации.
[0315] В поддержку описания, данного в настоящем документе, могут использоваться различные аналитические компоненты, включая цифровую систему и/или аналоговую систему. Система (системы) могут иметь такие компоненты, как процессор, носитель данных, память, вход, выход, коммуникационное соединение (проводное, беспроводное, импульсное через буровой раствор, оптическое или другое), пользовательские интерфейсы, программное обеспечение и микропрограммное обеспечение, сигнальные процессоры (цифровые или аналоговые) и другие такие компоненты (такие как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие) для того, чтобы обеспечить работу и исследования устройства, а также способы, раскрытые в настоящем документе, любым из нескольких образов, хорошо известных в данной области техники. Следует понимать, что настоящее изобретение может, но не обязано, быть осуществлено в совокупности с набором выполняемых компьютером инструкций, хранящихся на машиночитаемом носителе, включая память (постоянную память ROM, оперативную память RAM), оптическую память (CD-ROM), магнитную память (диски, жесткие диски), или любой другой тип памяти, который при выполнении этих инструкций заставляет компьютер осуществить способ по настоящему изобретению. Эти инструкции могут обеспечивать работу оборудования, управление, сбор и анализ данных, а также другие функции, которые будут сочтены релевантными проектировщиком системы, владельцем, пользователем или другим персоналом, в дополнение к функциям, описанным в настоящем документе.
[0316] Далее, различные другие компоненты могут включаться и требоваться для обеспечения аспектов изобретения, изложенных в настоящем документе. Например, дополнительные материалы, комбинации материалов и/или исключение материалов могут использоваться для того, чтобы обеспечить дополнительные варианты осуществления, которые находятся в области охвата настоящего изобретения.
[0317] При описании элементов настоящего изобретения или его варианта (вариантов) осуществления артикли "a", "an" и "the" означают, что существует один или больше этих элементов. Аналогичным образом, прилагательное "другой", использующееся при описании элемента, означает один или более элементов. Термины "включающий в себя" и "имеющий" являются инклюзивными, так что кроме перечисленных элементов могут быть и дополнительные элементы.
[0318] В настоящей патентной заявке описывается множество переменных, включая, но не ограничиваясь этим, компоненты (например, материалы электродов, электролиты, и т.д.), условия (например, температура, отсутствие различных примесей на различных уровнях), и технические характеристики (например, конечная емкость по сравнению с начальной емкостью, низкий ток утечки и т.д.). Следует понимать, что любая комбинация любой из этих переменных может определять один вариант осуществления настоящего изобретения. Например, комбинация конкретного материала электрода с конкретным электролитом в конкретном диапазоне температур и с количеством примесей, не превышающим конкретной величины, имеющая конкретные значения начальной емкости и тока утечки, где эти переменные включены как возможности, но конкретная комбинация может не быть явно указана, является одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Другие комбинации изделий, компонентов, условий и/или способов могут также быть конкретно выбраны из числа переменных, перечисленных в настоящем документе, с тем, чтобы определить другие варианты осуществления, как это было бы очевидно для специалиста в данной области техники.
[0319] В то время как настоящее изобретение было описано со ссылками на примерные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть произведены различные изменения, и их элементы могут быть заменены эквивалентами без выхода за границы области охвата настоящего изобретения. В дополнение к этому, специалистам в данной области техники будут понятны множество модификаций для того, чтобы адаптировать конкретный прибор, ситуацию или материал к настоящему изобретению без выхода за границы его области охвата. Следовательно, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным вариантом осуществления, раскрытым в качестве наилучшего способа его реализации, но что изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, попадающие в область охвата, определяемую приложенной формулой изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Электропитание, адаптированное для обеспечения питанием скважинного инструмента, включающее в себя:
источник энергии, объединенный с цепью управления и перезаряжаемым хранилищем энергии, которое выполнено с возможностью работать при температуре, находящейся в пределах температурного диапазона от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия;
источник, включающий в себя по меньшей мере одно из батареи, соединения с внешней подачей электроэнергии и генератора, который выполнен с возможностью преобразования энергии, воздействующей на скважинный инструмент, в электрическую энергию, цепь управления для получения электрической энергии от источника и сохранения электрической энергии в хранилище энергии.
2. Электропитание по п.1, в котором диапазон температур составляет от приблизительно 90 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия.
3. Электропитание по п.1, в котором диапазон температур составляет от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 150 градусов Цельсия.
4. Электропитание по п.1, в котором хранилище энергии включает в себя ультраконденсатор.
5. Электропитание по п. 4, в котором ультраконденсатор способен работать в температурном поддиапазоне, находящемся в пределах диапазона температур, причем температурный поддиапазон составляет приблизительно 10 градусов Цельсия.
6. Электропитание по п. 4, в котором ячейка аккумуляторной батареи включает в себя положительный электрод и отрицательный электрод.
7. Электропитание по п. 4, в котором по меньшей мере один из электродов включает в себя углеродсодержащую среду аккумулирования энергии.
8. Электропитание по п. 7, в котором углеродсодержащая среда аккумулирования энергии включает в себя углеродные нанотрубки.
2.
9. Электропитание по п.7, в котором углеродсодержащая среда аккумулирования энергии включает в себя по меньшей мере одно из активированного угля, углеродных волокон, искусственного шелка, графена, аэрогеля, углеродной ткани и множества форм углеродных нанотрубок.
10. Электропитание по п.7, в котором каждый электрод включает в себя коллектор тока.
11. Электропитание по п.1, в котором содержание ионов галогена в электролите хранилища энергии составляет менее чем приблизительно 1000 частей на миллион.
12. Электропитание по п.1, в котором содержание ионов галогена в электролите хранилища энергии составляет менее чем приблизительно 500 частей на миллион.
13. Электропитание по п.1, в котором содержание ионов галогена в электролите хранилища энергии составляет менее чем приблизительно 100 частей на миллион.
14. Электропитание по п.1, в котором содержание ионов галогена в электролите хранилища энергии составляет менее чем приблизительно 50 частей на миллион.
15. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя ионы галогена, которые включают в себя по меньшей мере одно из хлорида, бромида, фторида и йодида.
16. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя суммарную концентрацию всех разновидностей металлов, которая составляет не более чем приблизительно 1000 частей на миллион.
17. Электропитание по п.16, в котором разновидности металлов включают в себя по меньшей мере одно из Be, Cd, Со, Cr, Си, Fe, К, Li, Mo, Na, Ni, Pb, Zn, сплава любых из перечисленных металлов и окиси любого из перечисленных металлов.
18. Электропитание по п.1, в котором полная концентрация примесей в электролите хранилища энергии составляет меньше чем приблизительно 1000 частей на миллион.
19. Электропитание по п.18, в котором примеси включают в себя по меньшей мере одно из бромэтана, хлорэтана, 1
17.
бромбутана, 1-хлорбутана, 1-метилимидазола, этилацетата и хлористого метилена.
20. Электропитание по п.1, в котором полное содержание воды в электролите хранилища энергии составляет меньше чем приблизительно 500 частей на миллион.
21. Электропитание по п.1, в котором полное содержание воды в электролите хранилища энергии составляет меньше чем приблизительно 100 частей на миллион.
22. Электропитание по п.1, в котором полное содержание воды в электролите хранилища энергии составляет меньше чем приблизительно 50 частей на миллион.
23. Электропитание по п.1, в котором полное содержание воды в электролите хранилища энергии составляет меньше чем приблизительно 2 0 частей на миллион.
24. Электропитание по п.1, в котором катион в электролите
хранилища энергии выбирается из группы, включающей в себя 1-(3-
цианопропил)-3-метилимидазолий, 1, 2-диметил-З-пропилимидазолий,
1, 3-бис(3-цианопропил)имидазолий, 1, 3-диэтоксиимидазолий, 1-
бутил-1-метилпиперидиний, 1-бутил-2,3-диметилимидазолий, 1-
бутил-3-метилимидазолий, 1-бутил-4-метилпиридиний, 1-
бутилпиридиний, 1-децил-З-метилимидазолий, 1-этил-З-
метилимидазолий и З-метил-1-пропилпиридиний.
25. Электропитание по п.1, в котором катион в электролите хранилища энергии выбирается из группы, включающий в себя аммоний, имидазолий, оксазолий, фосфоний, пиперидиний, пиразиний, , пиридазиний, пиридиний, пирролидиний, сульфоний, тиазолий, триазолий, гуанидий, изохинолиний, бензотриазолий, виологены и катионы функционализированного имидазолия.
26. Электропитание по п.25, в котором по меньшей мере одна боковая группа (Rx) для катиона выбирается из групп, включающих в себя: алкильную группу, гетероалкильную группу, алкенильную группу, гетероалкенильную группу, алкинильную группу, гетероалкинильную группу, галогруппу, аминогруппу, нитрогруппу, цианогруппу, гидроксильную группу, сульфогруппу, сульфонатную группу или карбонильную группу.
27. Электропитание по п.2 6, в котором алкил выбирается из
групп, включающих в себя: насыщенные алифатические группы, алкильные группы с неразветвленной цепью, алкильные группы с разветвленной цепью, циклоалкильные (алициклические) группы, алкилзамещенные циклоалкильные группы и циклоалкилзамещенные алкильные группы.
28. Электропитание по п.2 6, в котором алкил выбирается из групп, включающих в себя: метильную группу, этильную группу, пропильную группу, бутильную группу, пентильную группу, гексильную группу, этилгексильную группу, циклопропильную группу, циклобутильную группу, циклопентильную группу и циклогексильную группу.
29. Электропитание по п.2 6, в котором гетероалкил включает в себя алкильную группу, которая включает в себя по меньшей мере один гетероатом.
30. Электропитание по п.29, в котором гетероатом
выбирается из группы, включающей в себя кислород, азот и серу.
31. Электропитание по п.2 6, в котором алкильные группы и алкинильные группы включают в себя алифатическую группу.
32. Электропитание по п.2 6, в котором алифатическая группа включает в себя по меньшей мере одну из двойной связи и тройной связи.
33. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который выбирается из группы, включающей в себя: -F", -С1~, -Br", -I"' -OCRV, -CN", -SCN", -C2H3(V, -СЮ", -C1CV, -СЮ3", -С104~, -NCO", -NCS", -NCSe", -NCN", -ОСН(СНз)2~, -CH2OCRV, -СООН", -ОН", -SOCH3", -S02CH3", -SOCH3", -S02CF3", -SO3H", -SO3CF3", -О (CF3) 2С2 (CF3) 20", -CF3", -CHF2", -CH2F", -CH3" -N03", -N02", -SO32", -SO42", -SF5", -CB11H12", -CBiiH6Ci6", -СН3СВцНц и -C2H5CB11H11 .
34. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который отбирается из включения группы: А-Р04", -A-SO2", A-SO3", -A-SO3H", -А-СОО", -А-СО"; где А является одним из фенильной группы, замещенной фенильной группы, алкильной группы, замещенной алкильной группы, отрицательно заряженного радикала алкана, галоидированного алкана и эфира.
31.
35. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную структуру, связанную с соответствующим числом замещающих групп.
36. Электропитание по п.35, в котором основная структура включает в себя одно из N, О, СО, SO, Be, С, Mg, Са, Ва, Ra, Au, В, Al, Ga, Th, In, P, S, Sb, As, N, Bi, Nb и Sb.
37. Электропитание по п.35, в котором соответствующее число замещающих групп составляет по меньшей мере 2.
38. Электропитание по п.37, в котором замещающие группы являются либо различными, либо повторяющимися.
39. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную
структуру (Y2) и две замещающих группы (0С2) , связанных с ней.
40. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную
структуру (Y2) и две замещающих группы (а2), причем основная структура (Y2) выбирается из группы, состоящей из: N, О, СО и SO; а каждая из двух замещающих групп (а2) выбирается из группы, состоящей из: -F", -С1~, -Br", -I", -ОСН3", -CN", -SCN", -С2Н302", -СЮ", -С102", -СЮ3", -С104", -NCO", -NCS", -NCSe", -NCN", -ОСН(СН3)2", -СН2ОСН3~, -СООН", -ОН", -SOCH3", -S02CH3", -SOCH3", -S02CF3", -S03H", -S03CF3", -0(CF3)2C2 (CF3)20", -CF3", -CHF2", -CH2F", -CH3" -NO3", -N02", -S032", -SO42", -SF5", -CB11H12", -CBiiH6Ci6", -СНЗСВЦНЦ" и -С2Н5СВ11Н1Г, а также A-P04", -A-S02", A-S03"2, -A-S03H", -A-COO", -A-CO"; где А является одним из фенильной группы, замещенной фенильной группы, алкильной группы, замещенной алкильной группы, отрицательно заряженного радикала алкана, галоидированного алкана и эфира.
41. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную структуру (Y3) и три замещающих группы (аз), связанных с ней.
42. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную структуру (У3) и три замещающих группы (аз), причем основная структура (Y3) выбирается из группы, состоящей из: Be, С, N, О,
41.
Mg, Ca, Ba, Ra, Au; а каждая из трех замещающих групп (аз) выбирается из группы, состоящей из: -F", -CI", -Br", -I-' -ОСНз", -CN", -SCN", -C2H3(V, -СЮ", -СЮ2", -СЮз", -СЮ4", -NCO", -NCS", -NCSe", -NCN", -ОСН(СН3)2", -СН2ОСН3", -СООН", -ОН", -SOCH3", -S02CH3", -SOCH3", -S02CF3", -SO3H", -SO3CF3", -0(CF3)2C2 (CF3)20", -CF3", -CHF2", -CH2F", -CH3", -N03", -N02", -S032", -S042", -SF5", -CB11H12", -CBnH6Ci6", -СН3СВ11Н1Г и -С2Н5СВ11Н1Г, а также A-P04", -A-S02", A-SO32", -A-SO3H", -A-COO", -A-CO, где А является одним из фенильной группы, замещенной фенильной группы, алкильной группы, замещенной алкильной группы, отрицательно заряженного радикала алкана, галоидированного алкана и эфира.
43. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную структуру (Y4) и четыре замещающих группы (а4), связанных с ней.
44. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную структуру (Y4) и четыре замещающих группы (а4), причем основная структура (Y4) выбирается из группы, состоящей из: В, Al, Ga, Th, In, Р; а каждая из четырех замещающих группы (а4) выбирается из группы, состоящей из: -F", -CI", -Br", -I"' -ОСН3", -CN", -SCN", -С2Н302", -СЮ", -С102", -С103", -С104", -NCO", -NCS", -NCSe", -NCN", -ОСН(СН3)2", -СН2ОСН3", -СООН", -ОН", -SOCH3", -S02CH3", -SOCH3", -S02CF3", -SO3H", -SO3CF3", -0(CF3)2C2 (CF3)20", -CF3", -CHF2", -CH2F", -CH3", -N03", -N02", -S032", -S042", -SF5", -CB11H12", -CBnH6Ci6", -СН3СВ11Н1Г и -С2Н5СВ11Н1Г, а также A-P04", -A-S02", A-SO32", -A-SO3H", -A-COO", -A-CO, где А является одним из фенильной группы, замещенной фенильной группы, алкильной группы, замещенной алкильной группы, отрицательно заряженного радикала алкана, галоидированного алкана и эфира.
45. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную
структуру (Уб) и шесть замещающих групп (0Сб) , связанных с ней.
46. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища энергии включает в себя анион, который включает в себя основную
46.
структуру (Y6) и шесть замещающих групп (осе) , причем основная структура (Уб) выбирается из группы, состоящей из: Р, S, Sb, As, N, Bi, Nb, Sb; а каждая из шести замещающих групп (с*б) выбирается из группы, состоящей из: -F", -CI", -Br", -I"' -ОСНз", -CN", -SCN", -C2H302", -СЮ", -С102", -СЮз", -СЮГ, -NCO", -NCS", -NCSe", -NCN", -ОСН(СН3)2~, -СН2ОСН3", -СООН", -ОН", -SOCH3", -SO2CH3", -SOCH3", -SO2CF3", -SO3H", -SO3CF3", -0(CF3)2C2 (CF3)20", -CF3", -CHF2", -CH2F", -CH3", -N03", -N02", -S032", -S042", -SF5", -CB11H12", -CBnH6Ci6", -СНЗСВЦНЦ" и -С2Н5СВ11Н1Г, а также A-PO4", -A-S02", A-SO32", -A-SO3H", -A-COO", -A-CO, где А является одним из фенильной группы, замещенной фенильной группы, алкильной группы, замещенной алкильной группы, отрицательно заряженного радикала алкана, галоидированного алкана и эфира.
47. Электропитание по п.1, в котором электролит хранилища
энергии включает в себя растворитель.
48. Электропитание по п.47, в котором растворитель
включает в себя по меньшей мере одно из следующего:
ацетонитрил, амид, бензонитрил, бутиролактон, циклический эфир,
дибутилкарбонат, диэтилкарбонат, диэтиловый эфир,
диметоксиэтан, диметилкарбонат, диметилформамид,
диметилсульфон, диоксан, диоксолан, этиловый эфир муравьиной
кислоты, этиленкарбонат, этилметилкарбонат, лактон, линейный
эфир, метиловый эфир муравьиной кислоты, метиловый эфир
пропионовой кислоты, метилтетрагидрофуран, нитробензол,
нитрометан, н-метилпирролидон, пропиленкарбонат, сульфолан,
сульфон, тетрагидрофуран, тетраметиленсульфон, тиофен,
этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль,
полиэтиленгликоли, сложный эфир карбоновой кислоты, у-
бутиролактон, нитрил и трицианогексан.
49. Электропитание по п.1, в котором кожух для хранилища энергии включает в себя барьер, расположенный вокруг существенной части его внутренних поверхностей.
50. Электропитание по п.49, в котором барьер включает в себя по меньшей мере одно из политетрафторэтилена (PTFE), перфторалкоксила (PFA), сополимера тетрафторэтилена и
49.
гексафторпропилена (FEP) и этилентетрафторэтилена (ETFE).
51. Электропитание по п.49, в котором барьер включает в себя керамический материал.
52. Электропитание по п.49, в котором барьер включает в себя материал, который обладает по меньшей мере одним из коррозийной стойкости, желаемого диэлектрического свойства и низкой электрохимической реактивности.
53. Электропитание по п.49, в котором барьер включает в себя несколько слоев материалов.
54. Электропитание по п.49, в котором кожух включает в себя многослойный материал.
55. Электропитание по п.54, в котором многослойный материал включает в себя первый материал, плакированный на второй материал.
56. Электропитание по п.54, в котором многослойный материал включает в себя по меньшей мере одно из стали, тантала и алюминия.
57. Электропитание по п.49, в котором кожух включает в себя по меньшей мере одно полусферическое уплотнение.
58. Электропитание по п.49, в котором кожух включает в себя по меньшей мере один стеклянно-металлический спай.
59. Электропитание по п.58, в котором штифт стеклянно-металлического спая обеспечивает электрический контакт.
60. Электропитание по п.59, в котором штифт включает в себя одно из сплава железа, никеля и кобальта, сплава никеля и железа, тантала, молибдена, ниобия, вольфрама, нержавеющей стали и титана.
61. Электропитание по п.59, в котором стеклянно-
металлический спай включает в себя тело, которое включает в
себя по меньшей мере одно из никеля, молибдена, хрома,
кобальта, железа, меди, марганца, титана, циркония, алюминия,
углерода, а также вольфрама и их сплава.
62. Электропитание по п.1, в котором ячейка аккумуляторной
батареи хранилища энергии включает в себя разделитель для того,
чтобы обеспечить электрическое разделение между положительным
электродом и отрицательным электродом.
63. Электропитание по п.62, в котором разделитель включает
в себя одно из полиамида, политетрафторэтилена (PTFE),
полиэфирэфиркетона (РЕЕК), окиси алюминия (AI2O3) , стекловолокна
и стеклопластика.
64. Электропитание по п.62, в котором разделитель
существенно не содержит влаги.
65. Электропитание по п.62, в котором разделитель является существенно гидрофобным.
66. Электропитание по п.1, в котором хранилище энергии включает в себя герметическое уплотнение, которое демонстрирует скорость утечки, которая имеет значение не больше чем
приблизительно 5,0х1СГ6 атм-см3/с.
67. Электропитание по п.1, в котором хранилище энергии включает в себя герметическое уплотнение, которое демонстрирует скорость утечки, которая имеет значение не больше чем
приблизительно 5,0х1СГ7 атм-см3/с.
68. Электропитание по п.1, в котором хранилище энергии включает в себя герметическое уплотнение, которое демонстрирует скорость утечки, которая имеет значение не больше чем
приблизительно 5,0х1СГ8 атм-см3/с.
69. Электропитание по п.1, в котором хранилище энергии включает в себя герметическое уплотнение, которое демонстрирует скорость утечки, которая имеет значение не больше чем
приблизительно 5,0х1СГ9 атм-см3/с.
70. Электропитание по п.1, в котором хранилище энергии включает в себя герметическое уплотнение, которое демонстрирует скорость утечки, которая имеет значение не больше чем
приблизительно 5,0х10~10 атм-см3/с.
71. Электропитание по п.1, в котором объемный ток утечки хранилища энергии составляет меньше чем приблизительно 1000 мА/л в пределах конкретного температурного диапазона.
72. Электропитание по п.1, в котором объемный ток утечки хранилища энергии составляет меньше чем приблизительно 1000 мА/л в указанном диапазоне напряжений.
73. Электропитание по п.1, в котором хранилище энергии
включает в себя по меньшей мере одну батарею в дополнение к перезаряжаемому хранилищу энергии.
74. Электропитание по п.73, в котором батарея не является перезаряжаемой.
75. Электропитание по п.1, дополнительно включающее в себя множество генераторов, каждый из которых ориентирован на то, чтобы собирать вибрационную энергию конкретного направления.
76. Электропитание по п.1, дополнительно включающее в себя экран для по меньшей мере одного из уменьшения и существенного устранения внешнего магнитного поля.
77. Электропитание по п.1, дополнительно включающее в себя схему для обеспечения генерации энергии за счет использования хранилища энергии в качестве источника питания.
78. Электропитание по п.77, в котором сгенерированная энергия включает в себя одно из переменного тока (АС) и постоянного тока (DC).
79. Электропитание по п.1, в котором генератор включает в себя вибрационный генератор энергии.
80. Электропитание по п.79, в котором генератор включает в себя по меньшей мере одно настраиваемое смещающее устройство.
81. Электропитание по п.80, в котором по меньшей мере одно настраиваемое смещающее устройство включает в себя одно из настраиваемого магнита, электромагнита, пьезоэлектрического элемента и настраиваемого пружинного элемента.
82. Электропитание по п.80, дополнительно включающее в себя по меньшей мере одну настроечную схему для управления по меньшей мере одним настраиваемым смещающим устройством.
83. Электропитание по п.80, в котором по меньшей мере одна настроечная схема включает в себя микропроцессор.
84. Электропитание по п.1, в котором генератор включает в
себя по меньшей мере одно из вращательного генератора,
электромагнитного генератора смещения, магнитострикционного
генератора смещения, пьезоэлектрического генератора,
термоэлектрического генератора, термофотогальванического
генератора и радиоизотопного генератора энергии.
85. Электропитание по п.1, в котором батарея включает в
себя по меньшей мере одно из литиево-тионилхлоридной батареи, литиево-бромхлоридной батареи, литиево-сульфурилхлоридной батареи и батареи на расплавленном электролите.
86. Электропитание по п.1, в котором внешний источник включает в себя соединение с удаленным источником электрической энергии, включающее в себя одно из соединения через вспомогательный канат, соединения через обсадную трубу с кабелем, соединения через трубу с кабелем и соединения через гибкие насосно-компрессорные трубы малого диаметра.
87. Способ производства электропитания для скважинного инструмента, включающий в себя:
выбор по меньшей мере одного источника энергии, перезаряжаемого хранилища энергии, которое выполнено с возможностью работать при температуре, находящейся в пределах температурного диапазона от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия, и цепи управления, адаптированной для получения электроэнергии от генератора и сохранения электрической энергии в хранилище энергии; и
включение источника, цепи управления и хранилища энергии в скважинный инструмент для того, чтобы обеспечить электропитание.
88. Способ по п.87, в котором источник включает в себя по меньшей мере одно из батареи, соединения с внешним источником электрической энергии и генератора, который выполнен с возможностью преобразования энергии, воздействующей на скважинный инструмент, в электрическую энергию.
89. Способ по п.87, дополнительно включающий в себя включение в электропитание множества генераторов энергии, каждый из которых ориентирован на то, чтобы собирать вибрационную энергию предопределенного направления.
90. Способ по п.87, в котором выбор включает в себя выбор
по меньшей мере одного из вращательного генератора,
электромагнитного генератора смещения, магнитострикционного
генератора смещения, пьезоэлектрического генератора,
термоэлектрического генератора, термофотогальванического
генератора, соединения с удаленным источником питания и
88.
радиоизотопного генератора энергии.
91. Способ по п.87, в котором выбор включает в себя выбор по меньшей мере одного из батареи и соединения с внешним источником питания.
92. Способ по п.87, дополнительно включающий в себя экранирование в по меньшей мере одном из электропитания и скважинного инструмента для по меньшей мере одного из уменьшения и существенного устранения интерферирующих магнитных полей.
93. Способ по п.87, дополнительно включающий в себя выбор по меньшей мере одного из генератора энергии и цепи управления для работы в конкретном диапазоне температур.
94. Способ по п.87, дополнительно включающий в себя схему для обеспечения генерации энергии из хранилища энергии для нагрузки.
95. Способ по п.87, в котором выбор хранилища энергии включает в себя выбор ультраконденсатора, который включает в себя ячейку аккумуляторной батареи и электролит внутри герметично запечатанного кожуха, причем ячейка электрически соединена с положительным контактом и с отрицательным контактом, ультраконденсатор выполнен с возможностью работы при температуре, находящейся в пределах температурного диапазона от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия.
96. Способ обеспечения питания для скважинного
инструмента, включающий в себя:
выбор инструмента, который включает в себя электропитание, которое включает в себя источник энергии, соединенный с цепью управления и высокотемпературным перезаряжаемым хранилищем энергии, которое выполнено с возможностью работать при температуре, находящейся в пределах температурного диапазона от приблизительно 8 0 градусов Цельсия до приблизительно 210 градусов Цельсия, причем источник включает в себя по меньшей мере одно из батареи, соединения с внешним источником электрической энергии и генератора, который выполнен с возможностью преобразования энергии, воздействующей на
скважинный инструмент, в электрическую энергию, а также цепи управления для того, чтобы получать электрическую энергию от источника и сохранять электрическую энергию в хранилище энергии; и
обеспечение электроэнергии от электропитания к нагрузке инструмента, находящегося в скважине.
97. Способ по п.96, в котором преобразование включает в
себя работу по меньшей мере одного из вибрационного генератора
энергии, вращательного генератора, электромагнитного генератора
смещения, магнитострикционного генератора смещения,
пьезоэлектрического генератора, термоэлектрического генератора,
термофотогальванического генератора, соединения с удаленным
источником питания и радиоизотопного генератора энергии.
98. Способ по п.96, в котором нагрузка включает в себя по
меньшей мере одно из электронной схемы, трансформатора,
усилителя, сервомотора, процессора, памяти для хранения данных,
насоса, двигателя, датчика, термически настраиваемого датчика,
оптического датчика, преобразователя, волоконной оптики,
источника света, сцинтиллятора, датчика импульсов,
гидравлического исполнительного механизма, антенны,
одноканального анализатора, многоканального анализатора,
детектора радиации, акселерометра и магнитометра.
99. Способ по п.96, в котором инструмент включает в себя по меньшей мере одно из инструмента для бурения с отбором керна, запертого инструмента, инструмента визуализации ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электромагнитного телеметрического инструмента, телеметрического инструмента с использованием импульсов буровой жидкости, инструмента для измерения удельного сопротивления, инструмента для обнаружения гамма-излучения, инструмента датчика давления, инструмента акустического датчика, сейсмического инструмента, ядерного инструмента, импульсного нейтронного инструмента, инструмента для отбора проб пласта и индукционного инструмента.
100. Способ по п.96, в котором обеспечение включает в себя по меньшей мере одно из непрерывного и периодического обеспечения энергией.
97.
101. Способ по п.96, в котором обеспечение включает в себя по меньшей мере одно из обеспечения переменного тока (АС) и обеспечения постоянного тока (DC) для нагрузки.
102. Способ по п.96, дополнительно включающий в себя для вибрационного энергетического генератора настройку генератора на частоту вибраций, испытываемых нисходящей скважиной.
По доверенности
1/23
513766ЕА
буровая колонна. 11 1
платформенное оборудование . Ю7
ФИГ. 3
коллектор тока - 2
отрицательный | электрод - 3
среда хранения энергии -1
1111111111111L
]illllMlllliIalliIil|||ll ''I iilHljl
катион - 9
^fS> (c)0(c) (c)(c)(c)(c)(c)(c)(c)(c)
! электролит- 6
разделитель - 5
ш ¦ <
Анион -11
ООО оооооооо
среда хранения энергии -1
льныи электрод - 3
коллектор тока - 2
I ,
кожух - 7-
клеммный вывод - 8
ультраконденсатор - \ Q (EDLC)
основные структуры катионов
ФИГ. 10А
ток утечки в предшествующем уровне техники
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
4 6 8
время (час)
кожух с открытыми внутренними поверхностями
10 20 30
время (час)
ФИГ. 12В
ФИГ. 12С
42-
42-
ФИГ. 13
ФИГ. 14
51 Щ _
50 19
ФИГ. 18В
. среда хранения энергии -1
разделитель - 5
длина -L
электрод - 3
отрицательный электрод -3
коллектор тока - 2
среда хранения энергии -1
разделитель - 5
положительный электрод -3
среда хранения энергии -1
коллектор тока - 2
разделитель - 5
ячейка аккумуляторной батареи -12
ФИГ. 25
12,23
ФИГ. 28
фальцовка гармошкой-
ФИГ. 30
1.75V, 125С
fe О ш s о -сг. Ф
с; х о <и
35 30 25 20 15
и Т Т ТТ ТТ t ТТ t ТОТ ¦ t Г* tfl"t1t ttttfl"1ttflfc"i
it Т Т t tltttt tlffl 1?1ТГГШТ1ПИШП> И-
ЯИИ|уИ1|111|^1||1 Ш1Ц|1 |Ш 11 Л|1ШГ _zzTiz?lrx_
0 200 400 600 800 1000
время (час)
210С, 0.5V
напряжение
1000 2000 3000
время (сек)
4000
с; Ф н го ш о ч: Ф
с; о о с
ф о
ф с; го ш
0.035 0.03 0.025
Ф °-02 с;
§ 0.015 н
§¦ o.oi
о о
0.005
0 ^ 0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
-ESR
время (сек)
§ 0
.ОХ
: ODO
ООО 4000
ток
. ток (мА)
время (час)
X -О
с; ф
н ^
03 ^
о U
Ф -¦
с; о о с
ф о
Ф tiro §
т а. о
30 25 20 15 10
210°С, 0.5 V, постоянное напряжение
¦№NC> -K "¦" " же ш с** •"
4 6
время (час)
ФИГ. 38
источник- 401
преобразователь постоянного тока
HTRES- 402
преобразователь постоянного или переменного тока
вибрационный генератор энергии - 210
выводы вибрационного генератора энергии - 203
ФИГ. 40
шина - 208
источник - 401
¦ каротажный инструмент -100
первый переключатель -161 первая подсистема -152
дроссель фильтра -163
второй переключатель -162
высокотемпературное перезаряжаемое хранилище энергии - 402
ФИГ. 42
вторая подсистема -153
дроссель фильтра -163
высокотемпературное перезаряжаемое хранилище энергии - 402
первый переключатель -161
второй переключатель -162
5 ^
(1) К
Фс V
out
-"-_
out
силовой преобразователь -181
приводы затворов
модулятор
частотный или динамический компенсатор
- ч
команда
112
115
115
ФИГ. 1
ФИГ. 1
ФИГ. 1
ФИГ. 1
ФИГ. 1
ФИГ. 1
2/23
ФИГ. 2
2/23
ФИГ. 2
3/23
3/23
3/23
3/23
3/23
3/23
3/23
3/23
4/23
4/23
5/23
5/23
6/23
ФИГ. 9
6/23
ФИГ. 9
6/23
ФИГ. 9
6/23
ФИГ. 9
6/23
ФИГ. 9
6/23
ФИГ. 9
6/23
ФИГ. 9
6/23
ФИГ. 9
7/23
ФИГ. 10В
7/23
ФИГ. 10В
7/23
ФИГ. 10В
7/23
ФИГ. 10В
7/23
ФИГ. 10В
7/23
ФИГ. 10В
7/23
ФИГ. 10В
7/23
ФИГ. 10В
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
8/23
ФИГ. 12А 42
9/23
9/23
11/23
ФИГ. 22
11/23
ФИГ. 22
11/23
ФИГ. 22
11/23
ФИГ. 22
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
12/23
ФИГ. 24
13/23
ФИГ. 27
13/23
ФИГ. 27
13/23
ФИГ. 27
13/23
ФИГ. 27
13/23
ФИГ. 27
13/23
ФИГ. 27
13/23
ФИГ. 27
13/23
ФИГ. 27
14/23
14/23
14/23
14/23
15/23
15/23
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
16/23
ФИГ. 33
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
17/23
ФИГ. 35
18/23
ФИГ. 37
18/23
ФИГ. 37
18/23
ФИГ. 37
18/23
ФИГ. 37
19/23
ФИГ. 39
19/23
ФИГ. 39
19/23
ФИГ. 39
19/23
ФИГ. 39
19/23
ФИГ. 39
19/23
ФИГ. 39
19/23
ФИГ. 39
19/23
ФИГ. 39
20/23
ФИГ. 41
20/23
ФИГ. 41
20/23
ФИГ. 41
20/23
ФИГ. 41
20/23
ФИГ. 41
20/23
ФИГ. 41
21/23
21/23
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
22/23
ФИГ. 44
23/23
ФИГ. 47
23/23
ФИГ. 47
23/23
ФИГ. 47
23/23
ФИГ. 47
