CN102573416A - 冷却电子单元的构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冷却电子单元的构件。公开了一种使电子单元的构件(5)的冷却能够实现的方法，包括提供与构件接触的导热液体或凝胶。在实例中，单元是包括壳体(1)的电子模块，壳体(1)包括金属材料并且容纳构件，方法包括在壳体中包括这种液体或凝胶，以填充壳体内除了构件外的整个空间，以便来自构件的热可经由液体或凝胶传导到壳体。

Description

冷却电子单元的构件
技术领域
本发明涉及电子单元的构件的冷却。
背景技术
在离岸石油和天然气生产控制系统中，许多装备安装在海床上。这种海底装备必须非常可靠并且在海面下的苛刻环境中操作，并且要求令人满意地操作达直到25年的寿命。由于勘探和生产向更深的水中移动，海面下的海洋环境变得更苛刻并且与有故障的装备的干预和修理或替换相关联的成本和风险相当大地增加。对于未来的系统，作业者要求增加的可靠性和增加的装备寿命：从目前的25年到可能的50年。现有设计将难以满足这种很长地延长的寿命并且设计者将需要寻找替代物或延长装备寿命的新方法。特别地，将需要寻找增加在海面下利用的电子装备的寿命的方法。
作为在电子单元的构件的冷却的领域中的现有技术，可能有如下所述：US-A-3212564；US-A-3784885；US-A-4149219；US-A-4400858；US-A-4679250；US-A-4689720；US-A-4855870；US-A-4858068；US-A-4962445；US-A-5105337；US-A-5247425；US-A-5666457；US-A-5679457；US-A-7733651；US 2005/0180113A1；US2002/154487A1；DE-A-19925983；DE-A-10246577；DE-A-4004457；GB-A-2153151；WO 01/13692；WO 2007/041738；和EP-A-2048928。
发明内容
根据本发明从一方面，提供使电子单元的构件的冷却能够实现的方法，包括提供与构件接触的导热液体或凝胶，其中单元是包括壳体的电子模块，壳体包括金属材料并且容纳构件，方法包括在壳体中包括这种液体或凝胶，以填充壳体内除了构件外的整个空间，以便来自构件的热可经由液体或凝胶传导到壳体。
根据本发明从另一方面，提供带有导热液体或凝胶的电子单元，导热液体或凝胶与单元的构件接触用于冷却构件，其中单元是电子模块，其包括壳体，壳体包括金属材料并且容纳所述构件，所述液体或凝胶填充壳体内除了构件外的整个空间，以便来自构件的热可经由液体或凝胶传导到壳体。
所述单元可用于在海底利用。在该情形中，所述电子单元可包括海底电子器件模块，其用于碳氢化合物井设备的海底控制模块或用于在碳氢化合物井设备的海底控制模块中利用。
所述构件可包括在电路板上的电子器件，该电路板可由与所述壳体热接触的金属支撑装置(诸如携带电路板的金属插件边框(cardframe))携带。
本发明还包括用于碳氢化合物井设备的海底控制模块，包括根据本发明的海底电子器件模块。
存在充分证据示出电子装备的寿命取决于构件的操作温度，即使当它们在由生产商提出的操作温度范围内操作时也是如此。设计者公认对每10℃的温度升高，寿命降低大约50％并且类似地，降低操作温度增加装备的寿命。本发明的实施例涉及包括非导电的，导热的凝胶，以填充海底电子单元内的空间。这种单元一般是密封单元并且到目前为止利用空气或氮气增压。凝胶将具有高传热系数，以便相比于一般填充空间的空气或增压氮气，热更有效率地从电子器件传递到电子单元的壳体。这将具有降低电子器件的操作温度的效果，从而导致它们的寿命的增加并且因此装备的可靠性的增加。因此，本发明特别地但不排它地适用于海底电子器件模块(SEM)。
附图说明
图1是穿过根据本发明的SEM的纵截面；
图2是穿过SEM的横截面。
具体实施方式
海底碳氢化合物井设备的海面下装备通常装配在安装在海床的采油树(Christmas tree)上，并且诸如阀的打开和关闭的所有井控制过程的控制和监控利用海底控制模块(SCM)实现，SCM也通常装配在采油树上。SCM是独立(self-contained)密封单元，其具有钢壳体，并且未被装备占据的壳体内的空间利用绝缘油填充，其目的是为系统增压对抗外部海水压力并且为装配在金属基板上的内部装备提供适当环境。
SCM容纳海底电子器件模块(SEM)，其主要目的是：
从水上接收电能和控制指令；
提供驱动力用于控制阀促动器，其控制装配在树上和井处的阀；并且
从装配在树上和井处的传感器仪表接收模拟数据并且向水上传送该数据。
图1中所示的SEM是带有柱形金属壳体1的密封独立单元。到目前为止，壳体1典型地用处于一个大气的压力的干燥空气或氮气填充，从而为内部电气器件和电子器件提供良好的环境。它基本上由如下三个区段组成：
前端组件2，其容纳变换器(transformer)模块；
电能供应插件边框3，配合进其中的是电能供应和双工器电路板；和
数据采集和控制插件边框4，配合进其中的是与数据采集和阀促动器控制相关联的印刷电路板5。
在SEM中的各种构件包括为高密度集成电路的电子器件并且都是工业标准构件，并且模块设计成在-18℃到+70℃的温度范围内操作。冷却在电路板上的电子器件的主要方法是经由由金属制成的插件边框和配合到单元的铜边条直到外部壳体并且到SCM的基板，SEM装配在基板上并且基板处于外部海水的温度。
通过利用具有高传热系数的非导电的、导热的凝胶填充诸如在电路板之间的那些空间的SEM内的空间6和所有其它空间，相比于当利用空气或氮气(其为热的不良导体)来填充空气隙时，到SEM的金属壳体1的热的传递显著增加。因而，除了构件自身外，壳体1内的整个空间利用凝胶填充。在SEM内增加导热凝胶为从例如电路板上装配的电子器件到SEM壳体的热的传递提供两条路线，即：通过金属插件边框和铜边条以及通过导热凝胶。
现有SEM的广泛测试示出当配合在淹没在处于4℃的预期海洋温度的海水中的SCM中时，电子器件的操作温度是大约30℃。这是26℃的温差。基于SEM上的该数据的热计算已经示出，当热经由金属插件边框和边条以及通过适当凝胶传导时，电子器件的操作温度可降低大约10℃，从而可能使它们的寿命加倍。
各种形式的凝胶是适当的。一种特别适当的凝胶由Netherlands，3755 BT Eemmes，Bramenberg 9a的Bergquist Company以“GapFiller(间隙填充物)1100SF(两部分)”的名称制备，该凝胶是导热的、无硅胶液态间隙填充材料。基本上，该材料开始为凝胶并且固化成具有正常粘性的软的、可变形的弹性体。它易于施加但一旦固化，它有些像橡胶状物质，即：它不加压力于构件但不像液体流动，从而使得处理和组装更容易。它作为导热材料的预期用途典型地是消除电子器件与它的散热片之间的缺陷(其在微观水平具有带有所形成的气囊的粗糙边缘)。该类型的材料填充在空气间隙中，从而提供更好的传热。与此相反，根据本发明所用的凝胶填充电子单元的壳体内的整个空间。
作为对凝胶的替换物，可利用适当非导电的、导热的液体，诸如非导电的油。
利用本发明的优点
本发明的利用可导致如下技术优势：
电子器件的操作温度的降低；和
海底电子器件的增加的预期寿命和可靠性。
由本发明产生的商业优势是：
维护计划可简化并且寿命周期成本降低；并且
更长的油田开采期规划(field life project)变得可行。

Claims (11)

1.一种使电子单元的构件的冷却能够实现的方法，包括提供与所述构件接触的导热液体或凝胶，其中，所述单元是包括壳体的电子模块，所述壳体包括金属材料并且容纳所述构件，所述方法包括在所述壳体中包括这种液体或凝胶，以填充所述壳体内除了所述构件外的整个空间，以便来自所述构件的热可经由所述液体或凝胶传导到所述壳体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单元在海底利用。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电子单元包括海底电子器件模块，其用于碳氢化合物井设备的海底控制模块。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述构件包括在电路板上的电子器件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电路板由与所述壳体热接触的金属支撑装置携带。
6.一种带有导热液体或凝胶的电子单元，所述导热液体或凝胶与所述单元的构件接触用于冷却所述构件，其中，所述单元是电子模块，其包括壳体，所述壳体包括金属材料并且容纳所述构件，所述液体或凝胶填充所述壳体内除了所述构件外的整个空间，以便来自所述构件的热可经由所述液体或凝胶传导到所述壳体。
7.根据权利要求6所述的单元，其特征在于，所述单元用于在海底利用。
8.根据权利要求7所述的单元，其特征在于，所述电子单元包括海底电子器件模块，其用于在碳氢化合物井设备的海底控制模块中利用。
9.根据权利要求6到8中的任一项所述的单元，其特征在于，所述构件包括在电路板上的电子器件。
10.根据权利要求9所述的单元，其特征在于，所述电路板由与所述壳体热接触的金属支撑装置携带。
11.一种用于碳氢化合物井设备的海底控制模块，包括根据权利要求8或从属于权利要求8的权利要求9和10中的任一项所述的海底电子器件模块。
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