CN103134234A - 环形地设置的斯特林热交换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环形地设置的斯特林热交换器。一种用于冷却井下钻井设备的内部构件的设备和方法。钻井设备的构件包围在内部罐中，内部罐进一步包围在外部罐中，从而在内部罐和外部罐之间产生空隙。另外，多个可动阻隔件设置在内部罐和外部罐之间，并且包含热传递流体。多个搅动器对多个可动阻隔件添加机械能，从而在使热传递流体压缩和膨胀的同时使热传递流体重新定位，以及基于逆向斯特林循环来产生热泵，以从冷却器内部罐中移除热，以及将该热传递到外部罐的外部的较热的环境。
Description
技术领域
本文公开的主题的实施例大体涉及方法和装置，并且更具体而言，涉及用于使用基于斯特林(Stirling)循环的热交换器来冷却井下装置的内部构件的机构和技术。
背景技术
如其它制造规程一样，钻井技术已经结合了用于测量、计算、通信等的电子器件。由于钻井能力允许钻探较深的井，所以井流体(另外称为“泥浆”)的温度提高到其中需要对井下电子器件进行隔热和/或冷却来保持电子器件能够运行的点。一直努力对电子器件进行隔热，但如果未在电子器件系统的设计中结合冷却机构，即使可获得真正隔热的隔热体，由电子器件本身产生的热也将导致过热。
一直努力对电子系统提供冷却剂，但现有的井的状态的深度使这个任务有困难。典型的井可有几千英尺深，并且在井中可包括弯部，弯部会使得难以使一个或多个冷却剂管路铅垂到钻头。另外，在单个井中将多个测量和数据收集井下工具链在一起的现有方法进一步使冷却单独的工具和它们的相关联的电子构件的已经困难的任务复杂化。另外，一直努力隔离电子构件与和外部环境相关联的热，但基于热源克服隔热体所需的时间量以及由电子器件产生的热，这些努力导致了固定的运行时间，并且使电子构件的温度升高它们无法运行的温度。
许多现有技术的系统和机构已经发展成将热从温度较高的区传递到温度较低的区，或者发展成基于前述能量传递来执行机械功。用于基于所描述的温差来执行机械功的一个这种装置为斯特林引擎。斯特林引擎是通过利用两个区之间的温差来将热能转换成机械能的装置。
斯特林引擎按照斯特林循环的原理来运行，斯特林循环由对工作流体起作用的四个热力学过程组成。斯特林循环由等温膨胀、等容积冷却、等温压缩和等容积加热组成。斯特林循环的输出是基于斯特林引擎中的活塞的移动来执行机械功的能力。在斯特林循环的理论中值得注意的是斯特林循环的可逆性质。因此，对斯特林引擎提供机械能且产生能够将热从温度较低的区传递到温度较高的区的热交换器是可行的。
因此，提供避免前面描述的冷却井下电子器件的问题和缺点的装置和方法将是合乎需要的。
发明内容
根据一个示例性实施例，存在一种热泵设备，包括多个柔性阻隔件，其分隔用以移除热的位置与用以添加热的位置，并且封闭所述热传递通过其中的容积。接下来在该示例性实施例中，包含在容积中的热传递流体用于基于机械能的输入来传递热。继续示例性实施例，多个机械搅动器用于将压缩力和膨胀力作为机械能施加于容积，从而使热传递流体的位置从邻近用以移除热的位置的位置改变至邻近添加热的位置的位置。
根据另一个示例性实施例，一种井下钻探设备包括：包围钻探构件的内部罐；外部罐，其包围内部罐，并且在内部罐和外部罐之间产生空隙；以及设置在内部罐和外部罐之间的空隙中的热泵设备。继续该示例性实施例，热泵设备包括多个柔性阻隔件，其分隔用以移除热的位置与用以添加热的位置，并且封闭所述热传递通过其中的容积。接下来在该示例性实施例中，包含在容积中的热传递流体用于基于机械能的输入来传递热。继续示例性实施例，多个机械搅动器用于将压缩力和膨胀力作为机械能施加于容积，从而使热传递流体的位置从邻近用以移除热的位置的位置改变至邻近用以添加热的位置的位置。
根据另一个示例性实施例，存在一种用于冷却井下钻探构件的方法。该方法包括将钻探构件包围在第一罐中。继续示例性实施例，将第一罐包围在第二罐中，以及在第一罐和第二罐之间提供空隙区域。接下来，继续示例性实施例，将多个柔性阻隔件插入第一罐和第二罐之间的空隙区域中。另外，继续示例性实施例，通过用搅动器使包含在多个阻隔件产生的多个穴中的热传递流体交替地压缩和膨胀来添加机械能，其中，所述搅动器相对于彼此以异步大约九十度的方式移动。接下来在该示例性实施例中，交替地使多个穴的位置从膨胀期间的较冷的位置转移到压缩期间的较热的位置，以将热从较冷的位置传递到较热的位置。
附图说明
结合在本说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述一起阐明这些实施例。在图中：
图1是表示包括斯特林循环的四个热力学过程的贝塔型斯特林引擎的现有技术的示例性实施例；
图2是描绘了典型地与钻探设备的井下电子器件相关联的径向横截面的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例；
图3是描绘了典型地与钻探设备的井下电子器件相关联的径向横截面的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例，钻探设备包括跨过两个区之间的空隙而连接到这两个区上的多个贝塔型斯特林引擎，其中有斯特林引擎的分解图；
图4是描绘了典型地与钻探设备的井下电子器件相关联的径向横截面的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例，钻探设备包括位于两个区之间的空隙中的可动的双阻隔件斯特林循环热交换器，其中有沿径向与多个活塞互相作用的双阻隔件的分解图；
图5是描绘了典型地与钻探设备的井下电子器件相关联的径向横截面的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例，钻探设备包括位于两个区之间的空隙中的阻隔环斯特林循环热交换器，其中有沿切向与工作流体互相作用的阻隔环的分解图；
图6是描绘了典型地与钻探设备的井下电子器件相关联的径向横截面的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例，钻探设备包括位于两个区之间的空隙中的阻隔环斯特林循环热交换器，其中沿轴向与工作流体互相作用的阻隔环的分解图；
图7是描绘了典型地与钻探设备的井下电子器件相关联的径向横截面节段的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例，钻探设备包括位于两个区之间的空隙中的阻隔环斯特林循环热交换器，其中，支承螺柱保持内部罐和外部罐之间有环形间隙；
图8是描绘了能够支承位于两个区之间的空隙中的阻隔件斯特林循环热交换器的非圆形横截面的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例；以及
图9是示出了根据示例性实施例的、用于操作阻隔件型斯特林热交换器的步骤的流程图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参照了附图。不同图中的相同参考标号标识相同或类似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简洁，关于涡轮机(包括但不限于压缩机和膨胀机)的术语和结构来论述以下实施例。
整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参照意味着结合实施例来描述的特定的特征、结构或特性包括在本文公开的主题的至少一个实施例中。因而，在整个说明书的各处出现“在一个实施例中”或“在实施例中”的短语未必指示同一实施例。另外，特定的特征、结构或特性可按任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
如图2中显示的那样，示例性实施例描绘了用于井下钻探设备的典型罐组件的横截面。在该示例性实施例中，内部罐208封闭较冷的区。在示例性实施例的一方面，期望的是将内部区206保持在足够低的温度处，以容许与钻探操作(包括(但不限于)钻探控制、数据收集以及与外部位置通信)相关联的电子器件不间断地运行。在示例性实施例的另一方面，外部罐210包围内部罐208，并且在内部罐208的外壁和外部罐210的内壁之间提供空隙区域204。应当注意，在该示例性实施例中，支承结构(未显示)在内部罐208和外部罐210之间保持预先限定的空隙区域。继续该示例性实施例，在外部罐210的外部的外部区202处于比内部罐208的内部的内部区206的温度更高且比与钻探操作相关联的电子器件的运行最大值更高的温度。应当注意，在该示例性实施例中，外部区202是具有实际上不受限制容量的热源。
现在看图3，示例性实施例描绘了用于井下钻探设备的典型罐组件的另一个横截面300。横截面300包括相对于较热的区302封闭较冷的区306的内部罐308，以及外部罐310，其包围内部罐308，并且在内部罐308的外壁和外部罐310的内壁之间提供空隙区域304。应当注意，较热的区302在其热容量上实际上不受限制。
继续该示例性实施例，多个贝塔型斯特林引擎连接在内部罐308的外壁和外部罐310的内壁之间。在示例性实施例的一方面，斯特林引擎312用作用于保持内部罐308和外部罐310之间有空隙区域304的支承结构。在示例性实施例的另一方面，斯特林引擎312由隔热材料构建而成，以防止热从较热的区302传递到较冷的区306。另外，在该示例性实施例中，对斯特林引擎312提供机械能，以逆转斯特林循环，从而迫使斯特林引擎312操作为热泵，以冷却内部罐308的内部的区。
如斯特林引擎312的分解图中描绘的那样，对活塞314提供机械能(未显示)，以压缩压缩区316中的工作流体，由此加热工作流体，以及基于移置器318的位置，通过外部罐310将热能传递到较热的区302，从而使工作流体移动到斯特林引擎312的在外部罐310的外部的较热的区302附近的端部。接下来在该示例性实施例中，随着活塞314使容积膨胀，工作流体冷却，并且移置器318迫使较冷的工作流体到达斯特林引擎的在冷却器内部罐308附近的端部，由此冷却罐306的内部的区。
另外，应当注意，在该示例性实施例中，可基于规定所需冷却量的运行参数和状况来构造斯特林引擎的额外的平行平面。应当注意，在该示例性实施例中，在单个横截面平面上的斯特林引擎的数量不限于横截面300中描绘的数量，并且基于与特定的热传递和/或结构要求相关联的情形，可为更大或更小的数量。
现在看图4，示例性实施例描绘了用于井下钻探设备的典型罐组件的另一个横截面400。横截面400包括相对于较热的区402封闭较冷的区406的内部罐408，以及外部罐410，其包围内部罐408，并且在内部罐408的外壁和外部罐410的内壁之间提供空隙区域404。应当注意，较热的区402在其热容量上实际上不受限制。
继续该示例性实施例，位于内部罐408和外部罐410之间的空隙空间404中的柔性内部阻隔件412和柔性外部阻隔件414分隔内部气体容积416与外部气体容积418，并且在内部阻隔件412和外部阻隔件414之间包围热传递流体420。接下来在该示例性实施例中，多个内部活塞422附连到内部罐408的外表面上，并且在内部阻隔件412上向外施加径向力。类似地在该示例性实施例中，多个外部活塞422附连到外部罐410的内表面上，并且在外部阻隔件414上向内施加径向力。
另外，在该示例性实施例中，应当注意，内部罐活塞422和外部罐活塞424安装成使得它们如图4的分解图中示出的那样对角地正对着彼此，以及彼此以异相大约九十度的方式振荡。还应当注意，在该示例性实施例中，提供给系统以使内部阻隔件412和外部阻隔件414振荡的机械能不仅可如图4中示出的那样由活塞提供，而且还可由电动马达、螺线管、压电陶瓷、声波等提供。
图4中描绘的示例性实施例示出了示例性活塞422/424应用一系列径向力，以用这样的方式使两个阻隔件振荡，即，将机械能输入到阻隔件中，并且基于逆向斯特林循环来产生热泵，以将热从较冷的区406传递到较热的区402，以及使内部罐408的内部的较冷的区406内保持期望的运行温度。例如，内部罐活塞422在热循环中用作压缩活塞，从而压缩和加热热传递流体420，同时使经压缩和加热的流体移置向温度较高的外部罐410，以及允许热从热传递流体传递到较热的区402。继续该示例性实施例的示例，与内部罐活塞422异相大约九十度的外部罐活塞424在冷循环中用作压缩活塞，从而使热传递流体420的相邻区段朝温度较低的内部罐408移动，同时内部罐活塞422缩回，以增加由热传递流体420占用的容积，并且冷却热传递流体420，其中，内部阻隔件412和外部阻隔件414之间的通道用作再生器，并且允许热从较冷的区406传递到热传递流体420。
现在看图5，示例性实施例描绘了用于井下钻探设备的典型罐组件的另一个横截面500。横截面500包括相对于较热的区502封闭较冷的区506的内部罐508，以及外部罐510，其包围内部罐508，并且在内部罐508的外壁和外部罐510的内壁之间提供空隙区域504。应当注意，较热的区502在其热容量上实际上不受限制。
继续该示例性实施例，多个锯齿外部搅动器512与多个锯齿内部搅动器514成对，用作热循环压缩活塞和冷循环压缩活塞，如图4的示例中描述的那样。在该示例性实施例中，锯齿搅动器512、514围绕内部罐508和外部罐510的共用轴线沿成角度的方向振荡。另外，在该示例性实施例中，阻隔环516用作图4的示例中描述的再生器。以与针对图4的示例所描述的类似的方式，对搅动器512、514添加机械能会操作逆向斯特林循环热泵，并且基于位于内部罐508和外部罐510之间的内部容积518和外部容积520中的热传递流体的压缩和膨胀，将热从较冷的区506传递到较热的区502。
现在看图6，示例性实施例描绘了用于井下钻探设备的典型罐组件的另一个横截面600。横截面600包括相对于较热的区602封闭较冷的区606的内部罐608，以及外部罐610，其包围内部罐608，并且在内部罐608的外壁和外部罐610的内壁之间提供空隙区域604。应当注意，较热的区602在其热容量上实际上不受限制。
继续该示例性实施例，锯齿外部阻隔件612与锯齿内部阻隔件614成对，从而分别用作热循环压缩活塞和冷循环压缩活塞，如图4的示例中描述的那样。另外，在该示例性实施例中，阻隔环616用作图4的示例中描述的再生器。以与针对图4的示例所描述的类似的方式，对锯齿阻隔件612、614添加机械能会操作逆向斯特林循环热泵，并且基于位于内部罐608和外部罐610之间的内部容积618和外部容积620中的热传递流体的压缩和膨胀，将热从较冷的区606传递到较热的区602。应当注意，在该示例性实施例中，阻隔件612、614、616相对于与内部罐608和外部罐610共用的公共轴线沿轴向方向定向，并且阻隔件612、614沿轴向方向振荡。
现在看图7，示例性实施例描绘了图5的锯齿搅动器，其包括用于在内部罐708和外部罐710之间保持成角度的空隙的支承机构。继续该示例性实施例，支承螺柱712连接到内部罐708和外部罐710上。在该示例性实施例中，螺柱是外部搅动器720和内部搅动器722之间的阻隔件718的构件。另外，在该示例性实施例中，在搅动器机构中切割出槽口714、716，以允许螺柱712附连到内部罐708和外部罐710上。继续该示例性实施例，螺柱712保持内部罐708和外部罐710之间有机械完整性和尺寸一致性，并且保护热泵构件不受内部罐708和外部罐710之间的空隙区域的相关联的尺寸变化的挤压的影响。应当注意，在该示例性实施例中，诸如(但不限于)滚球轴承、滚子或轴向端螺柱的其它支承机构可用作用于在内部罐708和外部罐710之间保持成角度的空隙的支承机构。
现在看图8，示例性实施例示出了较热的区802可被非圆形的内部阻隔件810约束，在内部阻隔件810和外部阻隔件808之间有非圆形空隙。在示例性实施例的另一方面，如针对前面的示例中的较热的区所描述的那样，冷却器外部区806可具有无限的容量来吸收热。应当注意，其它形状的阻隔件和在阻隔件之间的其它形状的空隙是可行的，并且不应受这些示例限制。在示例性实施例的另一方面，用作逆向斯特林循环功率活塞的阻隔件的移动可在径向方向、成角度的方向或轴向方向上，如之前针对前面的示例性实施例所描述的那样。
现在参照图9来论述用于冷却井下钻井设备的构件的示例性方法实施例。图9显示了示例性方法实施例步骤，用于使用基于逆向斯特林循环的冷却系统，以通过从容纳井下钻探构件的区域中传递出热以及将热传递到包围钻探系统的外壳的钻探泥浆，来冷却井下钻探构件。该示例性方法实施例包括将钻探构件包围在内部罐中的步骤902。在示例性方法实施例的一方面，内部罐在形状上典型地为圆柱形，并且典型地是热传递路径的较冷的区，即，热被从内部罐的内部的容积中移除。应当注意，在该示例性实施例中，钻探构件可为(但不限于)用于进行控制、数据采集和通信的电子构件，并且可基于构件功率消耗而发热。
接下来在步骤904处，继续示例性方法的实施例，用外部壳包围内部壳。外部壳典型地与内部壳具有相同的形状，并且在内部壳和外部壳之间产生空隙。应当注意，内部壳和外部壳共用同一旋转轴线，即，在内部壳的外壁和外部壳的内壁之间保持分隔距离。应当进一步注意的是，在外部壳的外部的区典型地是热传递路径的较热的区，即，从内部罐的内部的较冷的区中移除的热传递到外部壳的外部的较热的区。
继续步骤906，示例性方法实施例将多个柔性阻隔件插入内部罐和外部罐之间的空隙中。应当注意，在一个示例性实施例中，阻隔件可具有锯齿形，并且沿成角度的方向或轴向方向定向。另外，应当注意，在该示例性实施例中，一个或多个额外的阻隔件可夹在内部阻隔件和外部阻隔件之间，并且内部阻隔件和外部阻隔件可振荡，而被夹住的阻隔件(一个或多个)可保持固定，以及/或者保持有刚性。在示例性实施例的另一方面，用于保持内部罐和外部罐之间的尺寸完整性的螺柱可结合在被夹住的阻隔件(一个或多个)中，以及延伸通过内部阻隔件和外部阻隔件中的槽口，以附连到内部罐和外部罐上。
接下来在步骤908处，示例性实施例对柔性阻隔件添加机械能。在该示例性实施例中，通过沿径向方向、成角度的方向或轴向方向移动的搅动器提供机械能。应当注意，该移动可为搅动器的振荡，其中，搅动器构造成彼此以异相大约九十度的方式振荡的相对的对。在示例性实施例的另一方面，相对的搅动器对之间的相位差可随基于设计而选择的相位而改变，从而最大程度地提高效率或者最大程度地提高经济价值。应当进一步注意的是，热传递流体也插入内部柔性阻隔件和外部柔性阻隔件之间的容积中。继续该示例性实施例，搅动器的移动会在热传递流体上施加压缩和膨胀，从而产生足以在内部罐的内部的较冷的区和外部罐的外部的较热的区之间提供热传递路径的局部热容积和冷容积。
继续步骤910，示例性实施例将热从内部罐的内部的较冷的区传递到外部罐的外部的较热的区域。应当注意，在该示例性实施例中，由搅动器振荡产生的较热的和较冷的热传递流体的局部容积由于搅动器移动而分别被移置到较热的外部位置和较冷的内部位置，从而允许沿期望的方向传递热。
公开的示例性实施例提供用于在井下钻探操作中实现斯特林循环冷却器和能量发生器的装置和方法。应当理解，此描述不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、修改和等效方案。另外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对声明的发明的全面理解。但是，本领域技术人员将理解，可在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。
虽然在实施例中以特定组合的方式描述了目前的示例性实施例的特征和要素，但各个特征或要素可在没有实施例的其它特征和要素的情况下单独使用，或者可在有或没有本文公开的其它特征和要素的情况下以各种组合的方式使用。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。
Claims (20)
1. 一种热泵设备，包括：
多个可动阻隔件，其分隔用以移除热的位置和用以添加热的位置，并且封闭所述热传递通过其中的容积；
热传递流体，其包含在所述容积中，以基于机械能的输入来传递热；
多个搅动器，其用于将所述机械能作为压缩力和膨胀力施加于所述容积，以及使所述热传递流体的位置从邻近所述用以移除热的位置的位置改变至邻近所述用以添加热的位置的位置。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个搅动器是成对的，并且基于最高效或最经济的操作，沿相反的方向以异相预选量的方式移动。
3. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述成对的搅动器的移动为相对于彼此异相大约九十度。
4. 根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述搅动器沿径向方向移动。
5. 根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述搅动器沿轴向方向移动。
6. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括位于成对的可动阻隔件之间的固定阻隔件。
7. 根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述多个可动阻隔件沿成角度的方向移动。
8. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可动阻隔件形成圆柱形环。
9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述热从所述圆柱形环的内部的容积传递到所述圆柱形环的外部的容积。
10. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可动阻隔件由弹性材料构建而成。
11. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可动阻隔件由金属材料构建而成。
12. 根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述金属材料构造成波纹管。
13. 一种井下钻探设备，包括：
包围钻探构件的内部罐；
外部罐，其包围所述内部罐，并且在所述内部罐的外壁和所述外部罐的内壁之间产生空隙；以及
设置在所述空隙中的热泵设备，其包括：
多个可动阻隔件，其分隔用以移除热的位置和用以添加热的位置，并且封闭所述热传递通过其中的容积；
热传递流体，其包含在所述容积中，以基于机械能的输入来传递热；
多个搅动器，其用于将所述机械能作为压缩力和膨胀力施加于所述容积，以及使所述热传递流体的位置从邻近所述用以移除热的位置的位置改变至邻近所述用以添加热的位置的位置。
14. 根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述搅动器构造成沿径向振荡的搅动器。
15. 根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述搅动器构造成成角度地振荡的搅动器。
16. 根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述搅动器构造成沿轴向振荡的搅动器。
17. 根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括设置在所述多个可动阻隔件中的至少两个之间的刚性阻隔件。
18. 根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述刚性阻隔件进一步包括用于保持所述内部罐和所述外部罐之间的尺寸稳定性的多个支承件。
19. 根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述可动阻隔件开有槽口，以允许所述支承件穿过所述可动阻隔件，以及接触所述内部罐的外壁和所述外部罐的内壁。
20. 一种用于冷却井下钻探构件的方法，所述方法包括：
将所述构件包围在第一罐中；
将所述第一罐包围在第二罐中，并且在所述第一罐和所述第二罐之间提供空隙区域；
在所述第一罐和所述第二罐之间的所述空隙区域中插入多个柔性阻隔件；
通过用搅动器使包含在所述多个阻隔件产生的多个穴中的热传递流体交替地压缩和膨胀来添加机械能，其中，所述搅动器相对于彼此以异步大约九十度的方式移动；以及
使所述多个穴的位置交替地从膨胀期间的较冷的位置转移到压缩期间的较热的位置，以将热从所述较冷的位置传递到所述较热的位置。
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