CN105451484B - 对圆柱形轴的热传导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种对圆柱形轴的热传导和一种罐系统，该罐系统具有圆柱形壳体和设置在所述圆柱形壳体内的模块化电子器件机架系统。模块化电子器件机架系统包括热接触构件，其与圆柱形壳体的内表面至少选择性物理接触，以使传导热能够通过热接触构件传递。输入/输出装置沿模块化电子器件机架系统的至少一部分延伸，并包括与其电联接的功率输入和信号输出。提供设置在大致沿模块化电子器件机架系统的位置处的多个电子槽。

Description

对圆柱形轴的热传导
技术领域
本公开涉及一种罐系统，并且更具体地涉及用在罐系统中的热传导系统。
背景技术
本部分提供涉及本公开的背景信息，所述信息不一定是现有技术。
深海作业是当今许多工业的重要部分。这在石油和天然气工业中尤其准确。随着全球能源需求增长和岸基的石油和天然气储备减少，产生了从离岸位置生产石油和天然气的新需求。事实上，在2007年，生产的全部石油中超过三分之一是从离岸位置泵出的。随着页岩生产(shale production)的进步，这些石油生产钻塔的位置正移向更深的水域中。
过去，用在石油和天然气生产中的许多设备位于水面上特别设计的钻塔上。然而，随着深水设备的进步，现在许多所需的泵、压缩机和搅拌系统位于水下，如位于海底。然而，在这些深度处，包括控制和/或监测电子器件的深水设备必须被设计并配置成耐受作用于其上的巨大水压。事实上，在一些深水应用中，水压可超过几百巴，并且水温可接近冰点(华氏32度)。
在水下位置具有控制和/或监测电子器件是具有重大益处的，尤其是在海底上。由于通信线路缩短，该设备的现场(例如水下)布置确保通信系统和线路不太可能发生故障，并且因此该系统可提供相关设备的主动控制和监测，从而确保生产设备的安全可靠的作业。
然而，为增强控制和/或监测电子器件在这样的极端压力和温度环境中的可靠性，有必要提供一种能够避免诸如压力或过热的不利环境影响的保护性外壳(enclosure)，并进一步提供安全可靠的外壳和连接方法以使维护和/或更换的需求最小化，维护和/或更换可导致大量的停工时间。
至少由于这些原因，显然需要提供能够克服现有技术的缺点的罐系统。
发明内容
本部分提供本公开的一般概述，而不是本公开的全部范围或其所有特征的全面公开。
根据本教导的原理，提供具有圆柱形壳体和设置在圆柱形壳体内的模块化电子器件机架系统的罐系统，该罐系统具有有利的结构和操作。模块化电子器件机架系统包括热接触构件，其与圆柱形壳体的内表面至少选择性物理接触，以使传导热能够通过热接触构件传递。输入/输出装置沿模块化电子器件机架系统的至少一部分延伸，并包括与其电联接的功率输入和信号输出。提供设置在大致沿模块化电子器件机架系统的位置的多个电子槽。
根据在此提供的描述，其它应用领域将变得显而易见。本概述中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而非旨在限制本公开的范围。
附图说明
在此描述的附图仅用于例示所选实施例的目的，而非所有可能的实现，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是例示出根据本教导的原理的罐系统的示意图；
图2是例示出根据本教导的原理的模块化电子器件机架系统的前视立体图；
图3是例示出根据本教导的原理的模块化电子器件机架系统的后视立体图；和
图4是例示出根据本教导的原理的模块化电子器件机架系统的具有楔形锁系统的部分的放大立体图。
在全部附图的若干图中，相应附图标记表示相应部件。
具体实施方式
现在将参考附图更充分地描述示例性实施例。
提供示例性实施例以便使得本公开将是全面的，并将向本领域的技术人员充分地传达本公开的范围。将陈述许多具体细节，诸如具体部件、装置和方法的示例，以便提供对本公开的实施例的完全理解。对于本领域的技术人员而言将明显的是，具体细节不需要被采用，示例性实施例可以以许多不同的形式体现，并且也不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施例中，已知的工艺、已知的装置结构和已知的技术不做详细描述。
在此使用的术语仅是为了描述特定的示例性实施例，并不意在限制。如在此使用的，单数形式的“一”、“一个”和“所述”可意在也包括复数形式，除非上下文以其它的方式明确指出。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的，因此明确说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加的一个或更多其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。在此描述的方法步骤、工艺和操作不应被解释为必须需要它们以所讨论或例示的特定顺序执行，除非特别指明为执行顺序。还应当理解，可以采用附加的或替代的步骤。
当元件或层被称为在另一元件或层“上”，“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上，直接接合、直接连接或直接联接到另一元件或层，或者可存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在”另一元件或层上，“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可能没有中间元件或层。用来描述元件之间的关系的其它词也应当按照类似的方式(例如，“在…之间”对“直接在…之间”、“相邻”对“直接相邻”等)进行解释。如在此使用的，术语“和/或”包括一个或更多相关联的所列项目的任何及所有组合。
尽管在此可使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应该受这些术语限制。这些术语可仅用来将一个元件、部件、区域、层或区段与另一区域、层或区段区分开。诸如“第一”、“第二”和其它数值术语的术语当在此使用时并不意味着序列或顺序，除非上下文明确指出。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段，而不背离示例实施例的教导。
为便于描述，诸如“内”、“外”、“之下”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等的空间相对的术语可在此用来描述图中例示的一个元件或特征和另一元件或特征的关系。空间相对的术语可意在包含除了在图中示出的方位之外的使用或操作中的设备的不同方位。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“之下”的元件将被定向为在其它元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“下方”可以包含上方和下方两种方位。该设备可以其它方式被定位(旋转90度或者在其它方位)，并相应地解释在此所使用的空间相对描述。
如在此所讨论的，为增强控制和/或监测电子器件在这样的极端压力和温度环境中的可靠性，有必要提供一种能够避免诸如压力或过热的不利环境影响的保护性外壳，并进一步提供安全可靠的外壳和连接方法以使维护和/或更换的需求最小化，维护和/或更换可导致大量的停工时间。
为此目的，根据本教导的原理，圆柱形罐系统10被提供为能够克服现有技术的缺点。具体地，本教导的罐系统10采用多处创新，使传统上在深海或其他极端环境中发生故障的特征或系统的使用最小化或消除。然而，应当理解，尽管结合本公开将描述许多创新，这些创新不应被认为是在每个实施例中都需要的。因此，提出涉及本公开的部分的权利要求，其不需要所有在此描述的元件，除非另外说明。
尽管本教导是结合深海应用描述的，但是也应理解，本教导的原理可在宽范围的应用中发现效用，包括其中压力、温度、振动、碎片、污染以及其他环境影响可导致运行可靠性降低和/或故障的任何环境。本教导的原理特别适合于海上应用，并因此各系统被设计和配置用于防水作业。
具体参考图1，根据本教导的一些实施例，罐系统10可包括壳体12。在一些实施例中，壳体12是具有细长形状的圆柱形构件，其限定具有相反的端部18、20的圆柱形侧壁16。在一些实施例中，底端18可与侧壁16形成整体以形成连续的构件。底端18可通过底盖或整体形成的表面终止并封闭壳体12的相应端部，由此在壳体12内形成内部容积22。为本公开的目的，底端18指的是圆柱形侧壁16位置上的端部(locational end)和相关联的盖或在该端部处形成的封闭表面两者。内部容积22由圆柱形侧壁16的内表面24和底端18的内表面26限定。
在一些实施例中，外壳12还包括可与圆柱形侧壁16连接的头部构件14。在一些实施例中，头部构件14在顶端20处可松开或可拆卸地联接到圆柱形侧壁16，以允许在组装后通达罐系统10的内部容积22。为此目的，头部构件14可以以允许头部构件14从侧壁16方便地拆卸的方式被联接到圆柱形侧壁16，诸如通过使用螺纹系统或其他可松开的连接系统。然而，在头部构件14和圆柱形侧壁16之间需要更持久连接的一些实施例中，可使用替代的联接方式，包括但不限于焊接、粘接等等。
继续参考图1，在一些实施例中，罐系统10可包括锁定或配合机构28，其可与对应系统接合用于在预定位置或场所安装和/或固定罐系统10。在一些实施例中，配合机构28可包括能够被接纳在底部系统(base system)的对应特征内的多个突起。
包括圆柱形侧壁16、底端18和头部构件14的壳体12被配置成承受意在将其设置在其中的相关的环境条件。例如，在一些实施例中，壳体12被配置成承受深海作业的极端水压和盐度。为此目的，壳体12可包括增加的壁厚和腐蚀处理。通过非限制性示例，在一些实施例中，罐系统10被配置成承受在大约500m-3000m(或者更大)深度处大约700psi至大约5000psi(或者更大)范围内的压力。更具体地，在一些实施例中，加固型的罐系统10被配置成承受大约1400psi至大约4500psi范围内的压力。此外，在一些实施例中，加固型的罐系统10特别地被配置成承受环境污染物，包括但不限于腐蚀物、化学降解物等等。
用于圆柱体的模块化电子器件
在传统设计中，水下电子系统通常采用各种电缆和/或接线以将系统内的电子器件相互电连接。这些电缆和接线通常在必要时被路由为穿过罐，以实现所需的连接协议，由于众多的连接接头，这导致过度复杂和对于连接故障及相关的停机时间增大的可能性。已确定，由于深海应用和其他极度环境的特性，这样的电缆和接线应被最小化或避免，以反过来使易受影响的连接接头最少或避免使用连接接头。
为此目的，在一些实施例中，本教导提供模块化电子器件和相关联的机架系统，以简化电子器件的相互连接而没有多余的电缆和接线。如图2和图3所示，在一些实施例中，本教导提供模块化电子器件机架系统30，其带来若干优于现有技术的益处。
模块化电子器件机架系统30被配置成设置在壳体12的内部容积22内，并支撑多个电子模块。为此目的，在一些实施例中，模块化电子器件机架系统30可包括笼式系统，该笼式系统具有用于接纳多个模块化电子卡34中相应的一个的多个独立电子槽32。每个电子卡34可通过已知的连接方法被电联接到高密度输入/输出(I/O)板36，已知的连接方法诸如直接将信号路由至罐的顶部的背板。多个模块化电子卡34可包括若干电子卡中的任何一个，包括印刷电路板等。
在一些实施例中，模块化电子器件机架系统30可包含笼结构组件(structuralcage assembly)，该笼结构组件具有从背板40向外呈辐射状的多个肋构件38(见图3)。该多个肋构件38中的每个从背板40以大致正交于背板40的纵向轴线A-A的方向延伸。每个肋构件38的近端可被固定地联接或与背板40形成整体，并从背板40弓形地延伸至前方位置。也就是说，当从上方看去时，每个肋构件38可限定圆形轮廓，该圆形轮廓与圆柱形侧壁16的内表面24的轮廓密切相符。
在一些实施例中，肋构件38可限定毗邻背板40的后部过渡区42，其将背板表面过渡到弓形区段或表面44。在一些实施例中，弓形区段44的尺寸和形状被设定为与壳体12的侧壁16的内表面24密切相符。以此方式，肋构件38的弓形区段44可物理接合和/或接触侧壁16的内表面24，以对由外部压力(例如水下压力)引起的壳体12的压缩提供结构阻力。因此，在一些实施例中，模块化电子器件机架系统30被配置成并适于承受施加在壳体12上的压缩力，并将那些力传递到模块化电子器件机架系统30。以此方式，在一些实施例中，模块化电子器件机架系统30可用作支撑多个电子卡34并同时电联接多个电子卡34且进一步为壳体12提供牢固的结构支撑的模块化电子器件机架系统。在一些实施例中，模块化电子器件机架系统30能够承受高达目前的压缩力的约100％的压缩力。
在一些实施例中，肋构件38还可从弓形区段44延伸至大致平坦的表面46。如图2所示，平坦的表面46可被形成在肋构件38的一部分中，而其他肋构件38可包括在前部过渡区48处终止的连续的弓形区段44。在一些实施例中，每个肋构件38的平坦表面46和/或前部过渡区48可沿腹板区段(sternum section)50连接。腹板区段50至少部分地对肋构件38和模块化电子器件机架系统30的整体结构提供结构支撑。在一些实施例中，腹板区段50可包括一对内壁构件52，这对内壁构件52从平坦的表面46和/或前部过渡区48向内延伸，以在独立电子槽32的相对侧上限定一对内壁。内壁构件52可在毗邻背板40的内表面54的位置处终止。根据所采用的制造方法(例如铸造)，内壁构件52可与背板40形成整体。
在一些实施例中，多个独立电子槽32以堆叠配置布置。多个独立电子卡34中的每个可被电联接到沿背板40延伸的I/O板36中的每个对应的电子槽32。以此方式，I/O板36和/或独立电子槽32可被联接到背板40，如通过延伸通过背板40的对准和/或键控销56。然而，应当理解，其他配置，诸如竖直定向的堆叠或其他定向，是可预期的。
在一些实施例中，I/O板36可限定具有设置在其上并与之集成的独立电子槽32的一个或多个印刷电路板，由此使每个独立电子槽32能够相互电连接和/或联接，而不需要分离的电缆或接线。在这些实施例中，通过减少复杂度和故障模式可实现益处。然而，应当理解，I/O板36也可被配置成具有其他连接系统，如带状电缆、PWB柔性电缆(PWB flexcables)等等。
如图3所示，在一些实施例中，可进一步采用功率输入60，功率输入60可被可操作地联接到I/O接口36/背板40。具体地，在一些实施例中，功率输入60可被可操作地联接到背板40，以将来自从外部源的功率提供给设置在罐系统10内的部件，如多个电子卡34。为此目的，在一些实施例中，功率输入60可沿模块化电子器件机架系统30的底部设置，以使功率输入60和I/O接口之间的接口距离最小化。以此方式，功率输入60可被直接安装并电联接到I/O接口，以使电缆或接线的使用最小化或消除。此外，以此方式，功率输入60的相对方位相对于I/O板36可以是固定的，以提高可信性和可靠性。而且，如将在此讨论的，功率输入60相对于壳体12的底端18的相对方位相对于延伸通过壳体12的外部流量连接器可以是固定的。然而，应当理解，如果需要，功率输入60也可沿模块化电子器件机架系统30的顶部设置。
类似地，如图3所示，在一些实施例中，可进一步采用I/O接口头62，I/O接口头62可被可操作地联接到I/O接口36。具体地，在一些实施例中，接口头62可被可操作地联接到I/O接口36，以能够与设置在罐系统10内的部件(如多个电子卡34)外部的传感器和/或设备进行输入/输出通信。为此目的，在一些实施例中，接口头62可沿模块化电子器件机架系统30的顶部设置，以使接口头62和I/O板36之间的接口距离最小化。以此方式，接口头62可被直接安装并电联接到I/O板36，如通过接口适配器板64，以使电缆或接线的使用最小化或消除。此外，以此方式，接口头62的相对方位相对于I/O板36可以是固定的，以提高可信性和可靠性。而且，如将在此讨论的，接口头62相对于壳体12的头部构件14的相对方位相对于延伸通过壳体12(例如头部构件14)的外部流量连接器可以是固定的。
对圆柱体或圆柱形轴的热传导
在一些实施例中，希望散发聚集或包含在罐系统10中的热。具体地，在一些实施例中，可经由包含在壳体12内的模块化电子器件机架系统30和壳体12之间的物理接触通过传导散热。
为实现模块化电子器件机架系统30和壳体12的内表面24之间必要的物理接触，在一些实施例中，肋构件38或模块化电子器件机架系统30的其他结构的尺寸可被设定为与内表面24密切相符，以实现传导接触，从而使热能能够在模块化电子器件机架系统30、壳体12和罐系统10周围的环境(例如水)之间流动。以此方式，通过电子卡34及其他部件的作业产生的热可辐射和/或传导到模块化电子器件机架系统30。包含在模块化电子器件机架系统30中的热可随后被传导到壳体12并随后传导到罐系统10周围的环境。
在一些实施例中，在模块化电子器件机架系统30和壳体12之间接触的表面积足以实现电子卡32的必要冷却目的，从而保持预定的作业温度。然而，应当理解，该布置的充分性取决于由多个电子卡32及其他部件产生的热的量以及向罐系统10周围环境的热传递势(heat transfer potential)。
在一些应用中，可以预期额外的热传递率。在一些实施例中，可在模块化电子器件机架系统30和壳体12之间使用传导板或其他特征，以增加其间接触的表面面积，从而增进热传递。
在一些实施例中，当暴露于增加的外部压力(例如水压)时，模块化电子器件机架系统30和壳体12之间的接触可借助壳体12的压缩来加强。以此方式，如在此所描述的，增加的外部压力可使壳体12的压缩足以促进壳体12和模块化电子器件机架系统30之间接触。这种接触增加接触面积，并由此增加热传递。
类似地，在一些实施例中，在没有足够的外部压缩力的条件中，如低压环境，可以使用替代的特征以加强模块化电子器件机架系统30和壳体12之间的接触。如图4所示，在这些应用中，楔形锁系统70能够在模块化电子器件机架系统30上施加力以促使模块化电子器件机架系统30抵靠壳体12的内表面24，从而在其间实现预定的热/物理接触。楔形锁系统70可包括例如沿着热接口的相对侧联接到模块化电子器件机架系统30的楔形凸轮构件72。在一些实施例中，致动调节装置或螺钉74可以致动楔形凸轮构件72，在模块化电子器件机架系统30和壳体12的特征之间平移并施加力。
用于对圆柱形头安装电缆的对准机构
如应当理解的，与I/O板36和/或功率输入60的电连接必须被路由到壳体12、从壳体12路由和/或路由通过壳体12。由于前面提到的本教导特别适用(例如海上应用)的环境，应当理解，这些电连接必须允许电传输和/或通信，并且也必须足以承受存在于周围环境中的压力、温度和任何污染。
因此，对I/O板36和/或功率输入60的电连接可经由密封连接器80路由通过壳体12，以与模块化电子器件机架系统30和/或电子卡32建立并保持电通信。也就是说，密封连接器80被配置成从罐系统10外部的位置到罐系统10内的位置建立可靠的电通信。
如图1所示，在一些实施例中，密封连接器80可包括从诸如I/O板36和/或功率输入60的电气系统延伸的多个触头82。在一些实施例中，多个触头82可包括以太网、RS232、RS485、CAN以及数字和模拟I/O的输入和输出。
前面实施例的描述仅为示例和说明的目的提供。并不是旨在穷举或限制本公开。具体实施例的各个元件或特征通常不受限于该具体实施例，而在适用情况下是可互换的，并且可被用在所选的实施例中，即使未具体示出或描述。所述实施例也可以许多方式改变。这样的改变不应被视为背离本公开，并且所有这种修改都旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (7)

1.一种罐系统，包括：
圆柱形壳体；
设置在所述圆柱形壳体内的模块化电子器件机架系统，所述模块化电子器件机架系统具有多个肋构件，所述多个肋构件与所述圆柱形壳体的内表面至少选择性物理接触，以使传导热能够通过所述多个肋构件传递，其中，所述多个肋构件从背板向外呈辐射状，所述背板具有平行于所述圆柱形壳体的纵向轴线的纵向轴线，所述多个肋构件在近端从所述背板以正交于所述背板的所述纵向轴线的方向朝向远端延伸；
沿所述模块化电子器件机架系统的至少一部分延伸的输入/输出装置，所述输入/输出装置具有与其电联接的功率输入和信号输出；和
沿所述背板延伸的多个电子槽。
2.根据权利要求1所述的罐系统，进一步包括：
调节系统，用于选择性地促使所述多个肋构件与所述圆柱形壳体的所述内表面进行所述物理接触。
3.根据权利要求2所述的罐系统，其中所述调节系统包括楔形凸轮装置，该楔形凸轮装置可操作以选择性施加驱动力，从而促使所述多个肋构件与所述内表面进行所述物理接触。
4.根据权利要求1所述的罐系统，其中所述多个电子槽被配置成将电子卡物理地并且可操作地接纳于其中，所述多个电子槽中的每个被电连接到所述输入/输出装置，以在所述电子卡与所述输入/输出装置之间建立电通信。
5.一种罐系统，包括：
圆柱形壳体；
设置在所述圆柱形壳体内的模块化电子器件机架系统，所述模块化电子器件机架系统具有多个热接触构件，所述多个热接触构件与所述圆柱形壳体的内表面至少选择性物理接触，以使传导热能够通过所述多个热接触构件传递，其中所述多个热接触构件包括多个肋构件，并且其中所述多个肋构件从背板向外呈辐射状，所述背板具有平行于所述圆柱形壳体的纵向轴线的纵向轴线，所述多个肋构件在近端从所述背板以正交于所述背板的所述纵向轴线的方向朝向远端延伸；
沿所述模块化电子器件机架系统的至少一部分延伸的输入/输出装置，所述输入/输出装置具有与其电联接的功率输入和信号输出；
沿所述背板延伸的多个电子槽；和
调节系统，用于选择性地促使所述多个热接触构件与所述圆柱形壳体的所述内表面进行所述物理接触。
6.根据权利要求5所述的罐系统，其中所述调节系统包括楔形凸轮装置，该楔形凸轮装置可操作以选择性施加驱动力，从而促使所述热接触构件与所述内表面进行所述物理接触。
7.根据权利要求5所述的罐系统，其中所述多个电子槽被配置成将电子卡物理地并且可操作地接纳于其中，所述多个电子槽中的每个被电连接到所述输入/输出装置，以在所述电子卡与所述输入/输出装置之间建立电通信。
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