CN105422046B - 井下高效电制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种井下高效电制冷装置，包括散热体(7)和保温舱体(6)，其中，保温舱体(6)位于散热体(7)内部，其中容纳导热部分(1)、电制冷模块(2)、井下电路(3)、纳米绝热部分(4)，其中，所述导热部分(1)由涂覆于保温舱体(6)底部的导热材料构成，其中，所述电制冷模块(2)被置于导热硅脂1之上，所述电制冷模块(2)的散热面与所述导热部分(1)接触，用于把热量通过所述导热部分(1)传导给所述散热体(7)，所述电制冷模块(2)的冷凝面与所述井下电路(3)的下表面接触，用于对所述井下电路(3)降温，其中，所述纳米绝热部分(4)覆盖所述井下电路(3)的上表面和侧表面。
Description
技术领域
本发明涉及石油工程装备领域，特别是涉及一种井下高效电制冷装置。
背景技术
随着油气田开发逐渐向超深井、非常规油藏发展，井下环境温度越来越高，尤其在超深井中，井下温度可达175℃以上。另外在重油开采高温驱油方式的应用中，井下温度将更高，于是对井下工具的耐温性提出了更高的要求。
随着石油工程装备技术的不断发展，井下测量和控制工具得到越来越多的应用。在这些井下工具中，不可避免的需要使用各种电路系统和集成电路(IC)芯片以实现井下参数数据的采集、处理、存储和与地面通讯等功能，这也是石油工程装备技术向模块化、智能化和精细化发展的关键环节之一。因此，如何实现电路系统和集成电路(IC)芯片在井下高温环境中的长期稳定使用是需要解决的关键问题。
集成电路(IC)芯片按其性能和可靠性一般分为商用级、工业级和军品级三个等级，其长期稳定工作的环境温度标称值分别为55℃、85℃和125℃，而随着科技的不断进步，进年来也出现了耐温150℃甚至175℃的集成电路(IC)芯片，但在一些石油工程装备工具中，其一些电路功能还是无法实现在高温环境下长期工作，另外耐高温的电子元器件的购买受国外限制及高成本的约束。
在其他工业应用领域，对发热量较大的器件进行端面散热，散热方式主要包括对流散热和制冷，其中半导体制冷应用广泛，并有相关的散热结构专利。但其主要针对环境温度为室温的应用领域，且其结构和体积难以应用在井下工具中。
综上所述，目前在深井、高温井、热采井等井下温度较高的应用场合中，各种石油工程装备工具电路系统还不能完全在高温环境下长期稳定的工作，必须通过保温和制冷结构加以实现。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种井下高效电制冷装置。
根据本发明的实施例，提供了一种井下高效电制冷装置，包括散热体(7)和保温舱体(6)，其中，保温舱体(6)位于散热体(7)内部，其中容纳导热部分(1)、电制冷模块(2)、井下电路(3)、纳米绝热部分(4)，其中，所述导热部分(1)由涂覆于保温舱体(6)底部的导热材料构成，其中，所述电制冷模块(2)被置于导热硅脂1之上，所述电制冷模块(2)的散热面与所述导热部分(1)接触，用于把热量通过所述导热部分(1)传导给所述散热体(7)，所述电制冷模块(2)的冷凝面与所述井下电路(3)的下表面接触，用于对所述井下电路(3)降温，其中，所述纳米绝热部分(4)覆盖所述井下电路(3)的上表面和侧表面。
本发明的有益效果在于：
1、采用该制冷方法，在保温的同时能够实时有效控制舱体的温度，适用于井下电路长期有效的工作；
2、整体结构采用标准钻铤的结构，适应现场井下工程应用；
3、与现有工具的连接简便，通用性强；
4、仅需与井下电路共用一组井下电源即可实现制冷及温度控制，并能实现实时与地面的通讯；
5、制冷系统和井下电路处于一个舱体，提高了制冷效果；
6、该装置同时也解决了井下电路的减震问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定，在附图中：
图1为井下高效制冷装置结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。
另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明所涉及的井下高效电制冷结构通过井下发电机或井下电源供电，可以提供一个相对较低温度的低温腔体，并且制冷系统和井下电路处于一个舱体，这样就为井下电路提供了一个高效低温的环境，保证其能够长期稳定工作。该井下高效电制冷装置是一种能够为井下测量系统、井下控制系统、井下存储系统等提供模块化的温控装置，对提高井下电子仪器的可靠性、延长其寿命具有重要意义。
图1为该井下高效制冷装置结构示意图，如图所示，该井下高效制冷装置，包括：导热硅脂1、电制冷模块2、井下电路3、纳米绝热材料4、保温舱体盖板5、保温舱体6、散热体7、上接头8、下接头9。
保温舱体6位于散热体7内部，其中容纳导热硅脂1、电制冷模块2、井下电路3、纳米绝热材料4、保温舱体盖板5。
所述导热硅脂1是一种由油基纳米颗粒构成的高导热系数的导热硅脂，涂覆于保温舱体6底部，电制冷模块2被置于导热硅脂1之上，其发热面贴在导热硅脂1上，用于把热量传导给散热体7，其冷凝面与井下电路3接触，用于对井下电路3降温。
所述电制冷模块2通过井下发电机或井下电源供电，在工作状态下，利用它的冷凝面为保温舱体6提供低温环境，同时发热面的热量通过导热硅脂1传递给散热体7。
所述井下电路3用于井下参数数据的采集、处理、存储和与地面通讯等功能，其被置于电制冷模块2的冷凝面之上并与其接触，其上表面被纳米绝热材料4包围。
所述纳米绝热材料4覆盖所述井下电路3的上表面和侧表面，用于隔绝井下高温环境和保温舱体6内的低温进行热能交换，同时也用于井下电路3的减震，保护井下电路3。例如，所述纳米绝热材料4是气凝胶(Silica aerogels),Silica aerogels是迄今最轻，保温性能最好的材料。
所述保温舱体盖板5位于所述纳米绝热材料4之上，由内六角螺栓固定于保温舱体6最外侧(图中上侧)，用于保护保温舱体6内部部件。
所述保温舱体6内嵌于下接头9和上接头8之间，即，保温舱体6凹陷嵌于下接头9和上接头8之间的散热体7上。)
所述散热体7在所述上接头8和下接头9之间，由整个制冷装置的结构短节构成，其特点是散热面大，利于把制冷片发热面的热量吸收，并由井下循环的钻井液把热量带走，保温舱体6就内嵌于该结构上。
所述上接头8和下接头9，具有很强的抗拉、抗扭性能，用于与井下所用钻具相连接。
上述结构的井下高效电制冷装置的工作方式为：井下高效电制冷装置结构短接、保温舱体盖板5、上接头8和下接头9构成承压外壳，承受井下钻井液和地层的压力使保温舱体6处于密闭状态；当井下温度升高，保温舱体内部的温度也随之升高时，电制冷模块2感应到温度升高到一定值时，开始启动工作，在其上表面的冷凝面，为保温舱体6提供一个低温环境；同时在其下表面形成发热面，通过导热硅脂1将温度传导散热体7；由井下循环的钻井液把热量带走，最终使保温舱体6内部温度始终低于地层环境温度。并且，该高效电制冷装置的制冷功率可以通过电制冷模块通讯数据的反馈由控制电路进行控制，实现保温舱体内部所需温度的实时检测与控制。
相比于现有的石油工程装备保温结构和工业用半导体制冷结构，本发明的优势主要体现在：
1、采用该制冷方法，在保温的同时能够实时有效控制舱体的温度，适用于井下电路长期有效的工作；
2、整体结构采用标准钻铤的结构，适应现场井下应用；
3、与现有仪器和工具的连接简便，通用性强；
4、仅需与井下电路共用一组井下电源即可实现制冷及温度控制，并能实现实时与地面的通讯；
5、制冷系统和井下电路处于一个舱体，提高了制冷效果；
6、该装置同时也解决了井下电路的减震问题；
因此，本发明所涉及的井下高效电制冷结构能够为需要温度控制的工具提供一种温控方法，将大幅提高井下电路的可靠性和寿命，并降低耐高温电子器件的温度指标、降低了井下电路的成本。
综上所述，本发明提供了一种井下电制冷装置。该井下电制冷装置通过在电制冷模块上表面的冷凝面，为保温舱体6提供一个低温环境，同时在其下表面形成发热面，通过导热硅脂1将温度传导散热体7；由井下循环的钻井液把热量带走，最终使保温舱体6内部温度始终低于地层环境温度。该高效制冷装置之所以高效，是因为井下参数数据的采集、处理、存储和与地面通讯等功能电路都是直接安装在制冷舱体内、形成封闭式温控环境，而不是通过其他方式对井下井下电路降温，这样有利于拓展设计人员对井下电路的设计思路，同时也提高井下电路的可靠性、延长井下电路使用寿命。
最后，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种井下高效电制冷装置，包括散热体(7)和保温舱体(6)，
其中，保温舱体(6)位于散热体(7)内部，在所述保温舱体(6)中以无间隙方式容纳导热部分(1)、电制冷模块(2)、井下电路(3)、绝热部分(4)，
其中，所述导热部分(1)由涂覆于保温舱体(6)底部的导热材料构成，
其中，所述电制冷模块(2)被置于所述导热部分(1)之上，所述电制冷模块(2)的散热面与所述导热部分(1)接触，用于把热量通过所述导热部分(1)传导给所述散热体(7)，所述电制冷模块(2)的冷凝面与所述井下电路(3)的下表面接触，用于对所述井下电路(3)降温，
其中，所述绝热部分(4)由气凝胶材料构成，用于填充所述保温舱体(6)并覆盖所述井下电路(3)的上表面和侧表面，其中，所述散热体(7)位于井下设备的上接头(8)和下接头(9)之间。
2.根据权利要求1所述的井下高效电制冷装置，其中，所述导热材料是由油基纳米颗粒构成的高导热系数的导热硅脂。
3.根据权利要求1所述的井下高效电制冷装置，还包括保温舱体盖板(5)，其被置于保温舱体(6)上方，并与所述保温舱体(6)和所述散热体(7)固定。
4.根据权利要求1所述的井下高效电制冷装置，其中，通过井下发电机或井下电源对所述电制冷模块(2)供电。
5.根据权利要求4所述的井下高效电制冷装置，其中，所述电制冷模块具有通信和自动控制功能模块。
6.根据权利要求1所述的井下高效电制冷装置，其中，所述绝热部分(4)由导热率极低具有纳米多孔结构的气凝胶构成。
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