CN101066010A - 冷却装置、系统和方法 - Google Patents

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CN101066010A CNA2005800387757A CN200580038775A CN101066010A CN 101066010 A CN101066010 A CN 101066010A CN A2005800387757 A CNA2005800387757 A CN A2005800387757A CN 200580038775 A CN200580038775 A CN 200580038775A CN 101066010 A CN101066010 A CN 101066010A
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Abstract

装置和系统以及方法和物品可工作从而使用第一去热冷却部件来主动地冷却电子设备，并通过使用热管将热量从第一去热冷却导管的热端引导至第二去热冷却部件的冷端来在热管中引起热梯度。热管可包括可变热导率的热管。装置和系统可在包括测井和钻井操作的井下环境中工作。

Description

冷却装置、系统和方法
技术领域
在此描述的多种实施例一般地涉及用来冷却电子设备的冷却装置、系统和方法。
背景技术
已经开发了存热和去热的冷却机制来处理热部件周围的温度情况，这种热部件包括在诸如温度通常达到约200℃的井下环境的高温位置中工作的电子设备。尽管存热冷却可在短期内有效，但是当预期在高温下工作时间很长时，许多设计者采取去热冷却策略。
当去热冷却部件用于井下环境中时，会产生若干问题。例如，单级部件不能保持大的热梯度。多级部件在市场上不能买到。即使使用了多级部件，由部件吸收的热量(以及工作热量)会在吸收点附近被返回，导致对流热流回正被冷却的物体。由于种种原因，所以需要给在井下环境中工作的电子设备提供改进的温度管理解决方案。
附图说明
图1示出根据本发明的多种实施例的一装置和系统；
图2示出根据本发明的多种实施例的另一装置和系统；
图3示出根据本发明的多种实施例的若干系统；
图4是示出根据本发明的多种实施例的若干方法的流程图；以及
图5是根据本发明的多种实施例的物品的框图。
具体实施方式
在一些实施例中，诸如热电冷却器(TEC)的第一去热冷却部件的冷端可热联接至热部件，该热部件诸如包括电子设备的热敏部件。然后在诸如热管的热导管中引起热梯度。这可通过将热导管的冷端热联接至第一去热冷却部件的热端并将第二去热冷却部件(也可包括TEC)的冷端联接至热导管的热端来实现。以此方式，热量被“拉”出电子设备，而不是被“推”入水池或一些其它的存储机构中。在一些实施例中，第二去热冷却部件的热端可以热联接至主散热器，诸如耐压外壳的外壁，其包括用于井下钻井和测井工作中的绝热抽空罐。
对于本文来说，“存热冷却部件”是一种吸收并存储热量而不是排出热量的部件。“去热冷却部件”是一种工作成将热量主动地排到环境中的部件。在一些实施例中，去热冷却部件可包括诸如TEC那样的电动冷却装置。
图1示出根据本发明的装置100和系统110，它们都可以上述的方式来工作。例如，装置100可包括第一去热冷却部件114，该第一去热冷却部件114热联接至一个或多个热部件118，这些热部件11包括热敏部件(例如电子设备)和生热部件(例如电源、变压器、连接器和蓝宝石硅设备)。装置100可包括诸如热管那样的热导管122，该热导管122热联接至第一去热冷却部件114的热端126。装置100还可包括具有冷端134的第二去热冷却部件130，该冷端134热联接至热导管122的热端138从而在热导管122中引起热梯度G。在一些实施例中，装置100可包括诸如冷板那样的集热器142，其设置在热部件118和第一去热冷却部件114的冷端146之间。在一些实施例中，可使用多于两个去热冷却部件114、130和多于一个热导管122，从而形成冷却“链”(例如，第一(初始)冷却部件可用第一热导管联接至第二冷却部件，而第二冷却部件可用第二热导管联接至第三(最终)冷却部件)。
第二去热冷却部件130(在冷却链中也可包括最终冷却部件)的热端可热联接至一个或多个主散热部件160。主散热部件可包括能够热联接至周围环境中的去热流体的任何人造机构，该去热流体诸如钻探泥浆和用在钻井中的其它流体。因此，主散热器可包括耐压外壳、测井工具外壳、或其部分和/或部件。
第一和第二去热冷却部件114、130可包括任何类型的去热冷却部件。例如，去热冷却部件114、130中的任一个或两个可选自，包括但不限于：热电冷却设备、热离子冷却设备、热声冷却设备和磁冷却设备。热导管122也可包括一种去热冷却部件，并且假如包括热管的话它可再分成至少两种大体类型：固定热导率的热管和可变热导率的热管。
固定热导率的热管不限于固定的工作温度；其温度可根据热负荷和散热条件而变化。然而，没有固有的温度控制能力。管子可以是实心的或空心的，且可装有可汽化的流体(例如汽相热管)。热导率可大于约50Btu/(h·ft2··ft)而保持基本恒定。固定热导率的热管可沿任一方向传递热量，在较宽的温度范围内工作，且包括无动力类型的去热冷却部件。
对于修改的情况，固定热导率的热管可制成结合了可变的热导特性和二极管功能，从而当热输入增加到200％或更高时将热源温度保持在恒定水平。因此，可变热导率的热管(VCHP)由于其热控制能力而与其它热管类型不同：该能力使热联接至相关蒸发器的设备的温度保持基本恒定，基本独立于VCHP边界条件的变化。例如，本领域普通技术人员已知的气体缓冲的VCHP可包括冷库(具有或不具有毛细管芯)和热库。可使用波纹管库来实现无源反馈控制。也可使用有源(电气)反馈控制。二极管热管允许热量沿一个方向流动而禁止热量沿相反的方向流动。
因此，热导管122可包括基本固定热导率的热管或可变热导率的热管。热导管122可具有中空的内部并包括可汽化的流体150。在许多实施例中，热导管122可具有大于约50Btu/(h·ft2··ft)的热导率。也可实现其它实施例。
例如，系统110可包括类似于或等同于上述装置100的装置以及耐压外壳154。耐压外壳154可包括一个或多个热联接至第二去热冷却部件130的热端162的主散热部件160。耐压外壳154可包括绝热罐，该绝热罐包括基本抽空的绝热罐。
在一些实施例中，主散热部件160可包括第二热导管164，该第二热导管164包括第二热管。因此，系统110可包括一个或多个机械联接至耐压外壳154(例如绝热罐)的止动件168，其中，止动件168包括一个或多个联接至第二去热冷却部件130的热端162的热导管164。
图2示出根据本发明的多种实施例的另一装置200和系统210。图2所示的装置200和系统210可分别类似于或等同于图1所示的装置100和系统110。在图2中，可以看到，在一些实施例中，主散热部件260可包括耐压外壳254的内壁272或外壁274，或两者都包括在内。内壁272和外壁274可由支承件278和/或O形圈282隔开。在所示的实施例中，热部件218(例如附连至电路板286的电子设备)可直接热联接至第一去热冷却部件214。可包括一个或多个热管的热导管222可直接热联接至第一去热冷却部件214和第二去热冷却部件230。第二去热冷却部件230则可热联接至不同的主散热部件260，该主散热部件260包括耐压外壳254的内壁272。
图3示出根据本发明的多种实施例的若干系统364，其可包括作为井下钻井操作的一部分的井底组件320。这种系统364可用于钻井和测井操作。
在一些实施例中，系统364可形成位于井306的表面304处的钻井装置302的一部分。钻井装置302可给钻杆柱308提供支承。钻杆柱308可工作以穿透转盘309，用于钻探穿过地下岩层314的钻孔312。钻杆柱308可包括凯氏方钻杆(Kelly)316、钻管318以及可能位于钻管318的下部的井底组件320。
井底组件320可包括钻铤322，该钻铤322可能联接至井下工具324和/或钻头326。钻头326可工作以通过穿透表面304和地下岩层314来产生钻孔312。井下工具324可包括多个不同类型工具中的任一个，这些工具包括MWD(随钻测量)工具、LWD(随钻测井)工具和其它工具。
在钻井操作过程中，钻杆柱308(可能包括Kelly316、钻管318和井底组件320)可由转盘309来转动。附加地或替代地，井底组件320也可由位于井下的马达(例如泥浆马达)来转动。钻铤322也可加固井底组件320，从而使井底组件320能将附加的重量传送到钻头326，接着帮助钻头326穿透表面304和地下岩层314。
在钻井操作过程中，抽泥泵332可从泥浆池334中抽吸钻井流体(本领域技术人员有时称其为“钻井泥浆”)，该钻井流体流体穿过软管336进入钻管318并下至钻头326。钻井流体可从钻头326处流出，并穿过钻管318和钻孔312侧面之间的环状区域340返回到表面304。然后钻井流体可返回至泥浆池334，在该泥浆池里过滤这种流体。在一些实施例中，钻井流体可用于冷却钻头326，以及在钻井操作过程中给钻头326提供润滑。此外，钻井流体可用于去除由操作钻头326而产生的地下岩层314的岩屑。
因此，可以看到，在一些实施例中，系统364可包括井底组件320、一个或多个类似于或等同于上述图1和2所示的装置100、200的装置300、和/或一个或多个子系统310(其类似于或等同于前面参照图1和2所述的系统110和210)。因此，在一些实施例中，系统364可包括钻铤322以联接至钻头326进而容纳～个或多个耐压外壳(例如绝热罐)，该耐压外壳类似于或等同于分别包括在系统110、210中并如图1和2所示的耐压外壳154、254。
在一些实施例中(例如金属管线应用)，系统364可包括工具本体370以联接至测井电缆374。工具本体370可容纳一个或多个耐压外壳，该耐压外壳类似于或等同于分别包括在系统110、210中并如图1和2所示的耐压外壳154、254。测井电缆374可包括金属管线(多个电力线和通信线)、单心电缆(单个导线)、和/或平直管线(没有用于电力或通信的导线)。
装置100、200，系统110、210、364，去热冷却部件114、130、214、230，热部件118、218，热导管122、164、222，热端126、138、162，集热器142，冷端146，汽化流体150，耐压外壳154、254，主散热部件160、260，止动件168，内壁272，外壁274，支承件278，O形圈282，电路板286，钻井装置302，表面304，井306，钻杆柱308，转盘309，子系统310，钻孔312，地下岩层314，Kelly316，钻管318，井底组件320，钻铤322，井下工具324，钻头326，抽泥泵332，泥浆池334，环状区域340，工具本体374和热梯度G这里都具有“模块”的特征。这些模块可包括硬件电路、和/或一个或多个处理器和/或存储电路、包括对象和对象集合的软件程序模块、和/或固件、以及其组合，正如装置100、200、300，子系统310以及系统110、210和364所想要的，以及正如适用于本发明的多种实施例的具体实施。例如，这些模块可包括在系统操作软件模拟包和用来模拟多种可能实施例操作的硬件中，这些系统操作软件模拟包诸如电信号模拟包、动力利用和分配模拟包、动力/热量消耗模拟包、信号发送一接收模拟包、和/或软件的组合。
应该理解，多种实施例的装置和系统可用于除了测井、钻井和井下操作之外的用途，因此多种实施例将不是如此有限的。装置100、200、300，子系统310以及系统110、210和364的说明意图提供对于多种实施例的结构的大体理解，它们并不想要作为可利用在此所述结构的装置和系统的所有部件和特征的完全描述。
可包括多种实施例的新颖装置和系统的用途包括用在高速计算机中的电路、通信和信号处理线路、调制解调器、处理器模块、嵌入式处理器、数据开关以及包括多层、多芯片模块的专用模块。这些装置和系统还可包括为各种电子系统内的子部件，这些电子系统诸如电视机、移动电话、个人计算机、航天计算机、个人数字助理(PDA)、工作站、收音机、放象机、机动车辆以及其它电子系统。还可实现其它的实施例，如图4所示。
图4是示出根据本发明的多种实施例的若干方法的流程图。因此，在一些实施例中，方法411可(可选择地)开始于在方框421中将一个或多个诸如热敏部件或生热部件之类的热部件插入耐压外壳。如前所述，耐压外壳可包括用于井下操作中类型的绝热罐，诸如基本抽空的绝热罐。因此，方法411可继续至方框425，在钻孔中操作诸如一个或多个电子设备之类的热部件。
在一些实施例中，方法411可包括在方框431中使用第一去热冷却部件来主动地冷却一个或多个热部件。在方框435中，通过用热联接至第一去热冷却部件的冷端的集热器冷却热部件来帮助该活动。
方法411可继续至方框441，可能通过使用热导管将热量从第一去热冷却部件的热端传导至第二去热冷却部件的冷端从而在诸如热管之类的热导管中引起热梯度。在一些实施例中，在方框445中，在热导管中引起热梯度也可包括通过将包括第二热管的第二热导管热联接至第二去热冷却部件的热端来从第二去热冷却部件的热端去除热量。方法441还可包括在方框449中通过将第二去热冷却部件的热端热联接至主散热器来冷却第二去热冷却部件，该主散热器诸如包括在耐压外壳中的热传导部件(例如绝热罐的内壁和/或外壁，和/或在联接至罐的止动件中的热导管(例如热管))。
可实现方法411的许多变型。因此，应该注意到，在此所述的方法并不以所述的顺序或以任何特定的顺序来执行。连同该方法的以上所述的任何活动可被模拟，从而组合软件和硬件模块以提供模拟环境，该模拟环境模仿装置100、200，子系统310以及系统110、210和364在现实世界中的行为。而且，相对于在此确定方法的所述多种活动可以连续的、并行的或反复的方式来执行。
对于本文来说，术语“信息”和“数据”可交替地使用。包括参数、命令、操作数的信息以及其它包含多种格式(例如时间划分、多路存取)和多种类型(例如二进制、字母数字、音频、视频)的数据可以一种或多种载波的形式被发送和接收。
一旦阅读和理解了本说明书的内容，本领域普通技术人员将会理解以何种方式将软件程序从计算机可存取的介质装入基于计算机的系统中以执行软件程序中所限定的功能。本领域普通技术人员还将理解，可采用多种程序语言来生成设计的一个或多个软件程序以实施和完成在此揭示的方法。程序可使用诸如Java或C++之类的面向对象的语言以面向对象的格式来构建。或者，程序可使用诸如汇编语言或C语言之类的过程语言以面向过程的格式来构建。软件构件可使用本领域技术人员熟知的多种机制中的任一种来通信，这些机制诸如应用程序界面或内部处理通信技术，包括远程过程调用。多种实施例的示例并不限于任何特定的程序语言或环境。因此，还可实现其它实施例，如图5所示。
图5是根据本发明的多种实施例的物品585的框图，该物品诸如计算机、存储系统、磁盘或光盘、一些其它存储设备、和/或任何类型的电子设备或系统。物品585可包括处理器587，该处理器联接至具有相关信息591(例如计算机程序指示和/或其它数据)的诸如存储器589(例如包括电的、光的或电磁的导体的存储器)之类的可机器存取的介质，当存取该存储器589时，导致机器(例如处理器587)实施诸如使用第一去热冷却部件来使热部件(模拟)去热冷却的动作。存取信息也可导致在机器中通过(模拟)使用热导管将热量从第一去热冷却部件的热端引导至第二去热冷却部件的冷端以及(模拟)从联接至主散热器的第二去热冷却部件的热端去除热量来实施(模拟)在热导管中引起热梯度的动作。在此段落和下面段落中术语“模拟”的使用是用来强调，所述的活动可在真实世界条件下实施，或者仅仅被模拟以模仿真实世界的行为。
另外的动作可包括例如通过(模拟)将第二去热冷却部件的热端热联接至诸如包括在绝热罐中的导热部件(例如热管)之类的主散热器来(模拟)冷却第二去热冷却部件。其它动作可包括通过(模拟)在一个或多个热部件及集热器之间和在集热器及第一去热冷却部件的冷端之间的热联接来(模拟)冷却电子设备。
实施这里所述的装置、系统和方法可提供一种机制以延长用于井下应用的电子设备的工作时间。还能够使用更便宜、更易从市场上广泛获得的耐受较低工作温度的部件。
附图形成具体实施例的一部分，并说明性地非限制性地示出可实施发明主题的具体实施例。非常详细地描述所示的实施例从而使本领域技术人员能够实践在此揭示的示例。其它实施例可被采用并从以上的具体实施例中得出，从而可不脱离本发明的范围而作出结构和逻辑上的替代和改变。因此，该具体实施方式不能被认为是限制性的，且多种实施例的范围仅由所附的权利要求书连同该权利要求书所授权的整个等效范围来限定。
本发明主题的这些实施例可以在此由术语“发明”来个别地和/或共同地称呼，假如实际上揭示了不止一个发明的话，它仅仅是为了方便而不是想要自愿地将该应用范围限制至任何单个发明或发明原理。因此，尽管已经在此显示和描述了具体实施例，但是应该理解，任何计划实现同样目的的装置可被替代以用于所示的具体实施例。本说明书想要覆盖多种实施例的任何和所有的改变和变型。以上实施例和未在此具体描述的其它实施例对于阅读了以上描述的本领域技术人员来说都是显而易见的。
需要摘要以使读者能很快地确定本技术说明书的实质，所以根据37 C.F.R.§1.72(b)提供了说明书摘要。提交了该说明书摘要，且应该理解它不用来说明或限制权利要求书的范围或意义。此外，在前面的具体实施方式，可以看到，为了使本发明更流畅，将多个特征组合在一起形成单个实施例。这种说明方法不能被理解成反映了要求保护的实施例需要比每项权利要求中所清楚表述的特征更多的特征。而是，如下面的权利要求书所反映的，发明主题小于单个所述实施例的所有特征。因此，下面的权利要求书结合入具体实施方式中，且每项权利要求自身代表单独的实施例。

Claims (25)

1.一种方法，包括：
使用第一去热冷却部件来主动地冷却热部件；
通过使用热管将热量从所述第一去热冷却部件的热端引导至第二去热冷却部件的冷端来在所述热管中引起热梯度；以及
从联接至主散热器的所述第二去热冷却部件的热端去除所述热量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，主动地冷却电子设备还包括：
用热联接至所述第一去热冷却部件的冷端的集热器来冷却所述热部件。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从联接至主散热器的所述第二去热冷却部件的所述热端去除所述热量还包括：
通过将第二热管热联接至所述第二去热冷却部件的所述热端来从所述热端去除热量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述热部件插入耐压外壳中。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
在钻孔中操作所述热部件。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耐压外壳包括基本抽空的绝热罐。
7.一种包括具有相关信息的可机器存取的介质的物品，其中，所述信息当被存取时导致机器实施：
模拟使用第一去热冷却部件来去热冷却热部件；
通过模拟使用热导管将热量从所述第一去热冷却部件的热端引导至第二去热冷却部件的冷端从而模拟在所述热导管中引起热梯度；以及
模拟从联接至主散热器的所述第二去热冷却部件的热端去除所述热量。
8.如权利要求7所述的物品，其特征在于，所述信息当被存取时导致机器实施：
通过模拟将所述第二去热冷却部件的热端热联接至包括在绝热罐中的主散热器来模拟冷却所述第二去热冷却部件。
9.如权利要求7所述的物品，其特征在于，所述信息当被存取时导致机器实施：
通过模拟在所述热部件和集热器之间、以及在所述集热器和所述第一去热冷却部件的冷端之间的热联接来模拟冷却所述热部件。
10.如权利要求7所述的物品，其特征在于，所述第二去热冷却部件选自热电冷却设备、热离子冷却设备、热声冷却设备和磁冷却设备中的一种。
11.如权利要求7所述的物品，其特征在于，所述热导管选自基本固定热导率的热管和可变热导率的热管中的一种。
12.一种装置，包括：
第一去热冷却部件，热联接至热部件；
热导管，热联接至所述第一去热冷却部件的热端；
第二去热冷却部件，具有热联接至所述热导管的热端的冷端，从而在所述热导管中引起热梯度；以及
主散热器，热联接至所述第二去热冷却部件的热端。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第二去热冷却部件选自热电冷却设备、热离子冷却设备、热声冷却设备和磁冷却设备中的一种。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述热导管包括基本固定热导率的热管，该热管具有大于约50Btu(h·ft··ft)的热导率。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述热导管包括可汽化的流体。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，还包括：
集热器，设置在所述热部件和所述第一去热冷却部件的冷端之间。
17.一种系统，包括：
第一去热冷却部件，热联接至热部件；
第一热导管，热联接至所述第一去热冷却部件的热端；
第二去热冷却部件，具有热联接至所述第一热导管的热端的冷端，从而在所述第一热导管中引起热梯度；以及
耐压外壳，包括热联接至所述第二去热冷却部件的热端的主散热器。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述耐压外壳包括基本抽空的绝热罐。
19.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述第一热导管包括可变热导率的热管。
20.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述主散热器包括所述耐压外壳的外壁。
21.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述主散热器包括第二热导管。
22.如权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括：
钻铤，联接至钻头并容纳所述基本抽空的绝热罐。
23.如权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括：
工具本体，联接至测井电缆并容纳所述基本抽空的绝热罐。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述测井电缆包括金属管线、单心电缆和平直管线中的一种。
25.如权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括：
止动件，机械联接至所述基本抽空的绝热罐，其中，所述止动件包括联接至所述第二去热冷却部件的热端的热管。
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