CN107178929A - 一种井下半导体制冷热泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种井下半导体制冷热泵装置，包括承压腔；承压腔由上至下依次布置有散热单元、半导体制冷单元和保温腔；保温腔上部设有支架；半导体制冷单元安装于支架中；两个半导体制原件的冷端将一个方形紫铜块夹持于其中，另外两个方形紫铜块分别连接两个半导体制原件的热端；保温腔内设有若干根第一热管，若干根第一热管连接中部方形紫铜块上均对应的柱形圆孔；散热单元包括环状紫铜块和若干第二热管；环状紫铜块设置于支架顶部；若干第二热管的下部安装于两侧方形紫铜块上对应的柱形圆孔中，第二热管的顶部安装于环状紫铜块内圈均匀开设的平行槽中。本发明中所有零件均具有结构简单、加工方面、易于装配的特点，可以在高温环境中长期稳定使用。

Description

一种井下半导体制冷热泵装置

技术领域

本发明涉及地质勘探所用下井仪器内电子器件技术领域，特别是涉及一种可以降低电子器件局部工作温度的半导体制冷热泵装置。

背景技术

在对地层结构的分析中，需要把特定的电子仪器放到井眼里进行相关物理量的测量，然后通过钻井眼对地层进行详细记录。该过程也称为测井。一般地，在钻井或者采油过程中，需要进行测井。近年来，测井已成为钻探油气，地下水，勘探矿物和地热，以及环境和土工技术研究过程中一个不可缺少的重要环节。

一般来说，地表以下温度会随着深度的增加按照约25℃/km的梯度升高，有些地区温度梯度会更大些。随着深度的增加，液体压强也会不断加大。因此，井下的高温高压环境对下井仪器内电子器件是巨大的考验。采用外加承压钢筒是可以有效解决高压问题的。然而，针对高温问题，目前还没有特别理想的实用产品。为了解决高温下电子设备正常工作的方案一般有几种：有的采用相变材料包裹电子元器件，利用相变吸热的原理来延缓电子元器件温度的升高。当相变材料的相变过程彻底完成后便丧失了继续对电子元器件进行高温保护的能力，所以这种方案仅能实现数小时的暂态保护，尚不能实现长时间的持续井下高温作业。也有的方案是开发耐高温电子芯片和针对该芯片的内置冷却装置。该方案需要重新设计探测器，并开发适用于耐高温器件的电子材料。这样一来，针对每种测量信号，都需要重新研制电子器件，因此研制成本会比较高，产品的功能也势必会受到很大限制。

从理论上来讲，目前技术较为成熟的制冷方案有：蒸发制冷循环制冷、热电制冷、逆布雷顿循环制冷、磁制冷以及相变材料制冷。蒸发制冷、循环制冷和磁制冷具有较高的理论效率，但是造价高、可行性低。逆布雷顿循环制冷在效率、体积、造价、以及可行性方面均不理想。相变材料制冷受限于基本原理，只能在短时间内提供冷源，同样限制了下井仪器的工作适用性。热电制冷虽然效率不是最高，却是目前唯一的小体积、低造价、高可行性的制冷方案，非常切合井下仪器对小空间占用率、高稳定性等要求。然而，现有的热点制冷还没有针对井下的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种井下半导体制冷热泵装置，以解决上述技术问题。本发明一种井下半导体制冷热泵装置，能够实现在井下高温高压环境中下井仪器内电子器件中持续稳定运行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种井下半导体制冷热泵装置，包括承压腔；承压腔由上至下依次布置有散热单元、半导体制冷单元和保温腔；保温腔上部设有支架；半导体制冷单元安装于支架中；半导体制冷单元包括两个半导体制冷原件；两个半导体制冷原件的冷端将一个方形紫铜块夹持于其中，另外两个方形紫铜块分别连接两个半导体制冷原件的热端；三块方形紫铜块上均竖直设置有若干个柱形圆孔；保温腔内设有若干根第一热管，若干根第一热管均匀的分布在保温腔中；若干根第一热管连接中部方形紫铜块上均对应的柱形圆孔；散热单元包括环状紫铜块和若干第二热管；环状紫铜块设置于支架顶部；若干第二热管的下部安装于两侧方形紫铜块上对应的柱形圆孔中，第二热管的顶部安装于环状紫铜块内圈均匀开设的平行槽中。

进一步的，散热单元、半导体制冷单元和保温腔由硬质保温材料的支架支撑，支架通过承压腔内壁中的阶梯内径支撑。

进一步的，保温腔采用柱状双层真空套管结构。

进一步的，支架上设有下部空腔和上部空腔，下部空腔位于保温腔上部，其中设有保温材料；支架上部空腔从下至上依次次设有半导体制冷单元和保温材料。

进一步的，行槽截面形状为半圆形和矩形拼接而成。

进一步的，半导体制冷单元的直径小于承压腔的直径，支架将半导体制冷单元完全包裹于其中。

进一步的，第一热管紧贴保温腔内壁。

进一步的，承压腔为一段不锈钢套筒，上下两端均采用螺纹与端盖连接；上端盖加装提拉环和出线孔，下端盖为密封结构。

进一步的，环状紫铜块为分段结构。

进一步的，半导体制冷原件由若干个半导体制冷片串联贴合而成。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中所有零件均具有结构简单、加工方面、易于装配的特点，并可以在高温环境中长期稳定的使用。

2、本发明中绝大部分零件使用了低成本材料。有利于降低所述井下半导体制冷热泵装置产品的整体造价。

3、本发明中的高温散热单元和保温腔均可以根据井下电子器件的需要自由调整其长度。保温腔的轴向方向与测井仪表的PCB主板方向一致。因此，所述井下半导体制冷热泵装置具有很好的适应性和通用性。

4、本发明在外形尺寸设计上预留了与现有常用的下井装置的接口。在实际应用中，现有的设备不需要做任何改变，可以与所述井下半导体制冷热泵装置对接。

附图说明

图 1为本发明一种井下半导体制冷热泵装置整体结构竖直抛面图；

图2(a)为本发明散热单元横截面示意图；如图2(b)为图2(a)中的局部放大图；

图3为本发明半导体制冷单元横截面示意图；

图4为本发明保温腔横截面示意图。

具体实施方式

本发明是在解决了切实可行的加工工艺的前提下提出的。以下结合具体的附图对本发明做进一步的详细说明。

参照图1所示，本发明的一种井下半导体制冷热泵装置，包括出线孔1、承压腔2、环状紫铜块3、热管4、支架5、保温材料6、半导体制冷片7、方形紫铜块8、热管9、保温腔10。

散热单元、半导体制冷单元和保温腔由上至下依次布置在承压腔2内，各部件由硬质保温材料的支架支撑，支架则通过承压腔内壁中的阶梯内径支撑。线缆由承压腔2顶部的出线孔1经过环状内部向下连接至半导体制冷单元传递电能，还可以继续向下延伸至保温腔内与电子器件连接。

出线孔1为一根不锈钢管，与承压腔2通过无缝焊接连接，其内径由下井仪器和井上设备间的通讯线缆决定。安装好之后，线缆与出线孔的间隙用耐高温胶密封。

承压腔2为一段不锈钢套筒，上下两端均采用螺纹与端盖连接。上端盖加装提拉环和出线孔，下端盖为密封结构。上下端盖均采用外凸的弧形结构设计，更有利于承受井下的高压环境。另外，由于承压腔内径为阶梯变化设计。因此，上端盖的螺纹直径要大于下端盖的螺纹直径。

保温腔10的下部设有保温材料，上部设有支架5。所述的保温腔10采用柱状双层真空套管结构，具有非常高的径向导热热阻。在保证有效隔热的同时，还尽可能的减小了保温结构的占用空间，为保温腔预留了足够大的待用空间以便放置仪表主板及电子器件。低温保温腔10的双层套管内还放置有隔离辐射换热的夹层。由于真空度的维持非常不易，双层套管的下端还布置有与真空泵连接的接头，可以在使用一段时间后重新抽真空，循环使用。保温腔的长度可以根据井下电子器件的需要选择合适的长度。此外，保温腔内的热管上还会布置翅片，以保证保温腔体内温度场的均匀性。

支架5上设有下部空腔和上部空腔，下部空腔位于保温腔10上部，其中设有保温材料；支架5上部空腔从下至上依次设有半导体制冷单元和保温材料。支架5采用较轻的硬质隔热材料加工而成；其作用除了支撑半导体制冷单元、保温材料外，还具有保温的功能。保温材料6选用较轻的隔热材料。支架5与保温材料6共同构成的隔热单元可以有效的防止热量由上至下的回流。

半导体制冷单元包括两个半导体制冷原件(由多个半导体制冷片7串联贴合组成)。

半导体制冷单元的主体为双极半导体制冷片，双极半导体制冷片由两个半导体制冷片贴合而成。每片半导体制冷片的外形尺寸为40×40×6.5mm。每片半导体制冷片的内部也是两层布置。第一层含有若干对半导体粒子，第二层含有数量为第一层一半左右的半导体粒子对，两层之间通过氧化铝陶瓷板连接。根据帕尔帖效应，半导体制冷片在外置电压的作用下产生冷热分离，形成冷端和热端。而串联而成的两级半导体制冷片会有比单级半导体制冷片更大的冷热温差。半导体制冷单元通过热管与低温保温腔和高温散热单元连接。

两个半导体制冷原件的冷端将一个方形紫铜块8夹持于其中，另外两个方形紫铜块8分别连接两个半导体制冷原件的热端。三块方形紫铜块8上均竖直设置有若干个柱形圆孔。

保温腔10内设有若干根热管9，若干根热管9均匀的分布在保温腔10中。若干根热管9穿过支架5下腔体中的保温材料和支架连接中部的方形紫铜块8上均对应的柱形圆孔；柱形圆孔分别与对应热管9紧密连接，其连接处还涂油导热硅脂；该结构有利于方形紫铜块8与半导体制冷片7均匀的换热。热管9的作用是吸收保温内电子器件的产热，并将热量上传至与之连接的中间方形紫铜块8中，主动为保温腔10提供均匀、稳定的低温环境。

散热单元包括环状紫铜块3和若干热管4；环状紫铜块3设置于支架5顶部；若干热管4的下部安装于两侧方形紫铜块8上对应的柱形圆孔中，热管4的顶部安装于环状紫铜块3内圈均匀开设的平行槽中。平行槽横截面直径略小于热管4的横截面直径。热管4压入到环状紫铜块3上的平行槽中。环状紫铜块3与承压腔2内壁面紧密贴合，并在贴合面涂有导热硅脂。热量由热管4向环状紫铜块3侧传递。相比于圆柱形内孔，平行槽的设计具有用材少、易于加工的特点。

环状紫铜块3为分段结构，可以根据散热功率的需要，串联形成较大的散热面。环状紫铜块3为热端散热元件，其温度高于承压腔外部环境；因此，热量会由环状紫铜块经过承压腔传递至外部环境。

热管是在各单元间传导热量的主要路径。热量传输路径较长的位置，需要热管串联使用。各单元间的轻质保温材料可以防止空气在装置内的流动，阻止热量回流。

参照图2(a)所示，散热单元中若干根热管均匀地布置在环状紫铜块的内壁，安装在平行槽内。如图2(b)中的局部放大图所示，平行槽30截面形状为半圆形和矩形拼接而成。半圆面积与矩形面积之和约等于热管横截面面积。该平行槽结构简单，易于加工。装配时，可以直接将热管压入平行槽中。

参照图3所示，半导体制冷单元由制冷片、方形紫铜块平行贴合而成，贴合面均涂油导热硅脂。每片方形紫铜块内部均匀的排列若干个圆孔，热管插入其中。所有贴合面均涂有导热硅脂。方形紫铜块与半导体制冷片构成的整体结构，其对角线尺寸小于承压腔内径，这样由硬质保温材料做成的支架可以全面包裹制冷单元。

参照图4所示，承压腔壁面为实心不锈钢材质，保温腔则由双层套管构成，双层套管内部抽真空。保温腔内部均匀的布置了若干根热管。热管紧贴保温腔内壁，可以吸收并传导保温腔内的热量。

本发明中环状紫铜块为热端散热元件，其温度高于承压腔外部环境。因此，热量会由环状紫铜块经过承压腔传递至外部环境。本发明利用整个承压腔外表面作为与外部环境间的传热面，实现高效传热的同时，充分利用了下井装置的已有的部件。另外，本发明在承压腔上下两端预留了外接端口，可以方便的与现有的下井仪器对接。

Claims (10)

1.一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，包括承压腔(2)；承压腔(2)由上至下依次布置有散热单元、半导体制冷单元和保温腔；

保温腔(10)上部设有支架(5)；

半导体制冷单元安装于支架(5)中；半导体制冷单元包括两个半导体制冷原件；

散热单元包括三块方形紫铜块(8)、环状紫铜块(3)和若干第二热管(4)；

两个半导体制冷原件的冷端将一个方形紫铜块(8)夹持于其中，另外两个方形紫铜块(8)分别连接两个半导体制冷原件的热端；三块方形紫铜块(8)上均竖直设置有若干个柱形圆孔；

保温腔(10)内设有若干根第一热管(9)，若干根第一热管(9)均匀的分布在保温腔(10)中；若干根第一热管(9)连接中部方形紫铜块(8)上均对应的柱形圆孔；

环状紫铜块(3)设置于支架(5)顶部；若干第二热管(4)的下部安装于两侧方形紫铜块(8)上对应的柱形圆孔中，第二热管(4)的顶部安装于环状紫铜块(3)内圈均匀开设的平行槽中。

2.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，散热单元、半导体制冷单元和保温腔由硬质保温材料的支架支撑，支架通过承压腔内壁中的阶梯内径支撑。

3.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，保温腔(10)采用柱状双层真空套管结构。

4.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，支架(5)上设有下部空腔和上部空腔，下部空腔位于保温腔(10)上部，其中设有保温材料；支架(5)上部空腔从下至上依次次设有半导体制冷单元和保温材料。

5.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，行槽截面形状为半圆形和矩形拼接而成。

6.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，半导体制冷单元的直径小于承压腔(2)的直径，支架(5)将半导体制冷单元完全包裹于其中。

7.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，第一热管(9)紧贴保温腔(10)内壁。

8.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，承压腔(2)为一段不锈钢套筒，上下两端均采用螺纹与端盖连接；上端盖加装提拉环和出线孔，下端盖为密封结构。

9.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，环状紫铜块(3)为分段结构。

10.根据权利要求1所述的一种井下半导体制冷热泵装置，其特征在于，半导体制冷原件由若干个半导体制冷片(7)串联贴合而成。