CN110087438B - 一种测井仪器内的大功率器件散热储热装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测井技术相关领域，并公开了一种测井仪器内的大功率器件散热储热装置，其包括导热基座、导热盖板、导热管和吸热剂模块，其中导热基座安装于大功率器件的表面，导热管的一端与导热基座紧密贴合并采用导热盖板对其固定，导热管的另一端插入吸热剂壳体与壳体内的吸热剂直接接触，吸热剂壳体采用吸热剂端盖对其内部的吸热剂进行密封。本发明还公开了相应的方法。通过本发明，大功率器件的热量可通过导热基座、导热管以热传导的方式直接导入并储存于吸热剂中，减少了传热环节，使得传热储热更加高效，能够有效地抑制测井仪器内大功率器件的温升速率，可解决测井仪内部大功率器件在高温井下长时间工作的散热问题。

Description

一种测井仪器内的大功率器件散热储热装置及其方法

技术领域

本发明属于测井技术相关领域，更具体地，涉及一种测井仪器内的大功率器件散热储热装置及其方法。

背景技术

在石油开采中,测井是一个非常重要的环节,测井仪器作为石油测井时使用的专业测量器具,直接影响着油井勘测结果。应用测井仪器对矿井进行探测可以有效采集地下环境中的多种物理信息如力、热、核等，随后对这些数据信息进行分析可有效解释油田范围内的油气层厚度和位置，进一步确定与开采相关的一些性能参数。

检索表明，现有技术中，测井仪器内大功率器件的典型散热结构为在器件表面安装散热翅片，但由于测井仪器处于密闭的承压瓶或保温瓶内，空气几乎不流动，难以通过对流换热的方式带走大功率器件的热量，致使大功率器件长时间工作后温度非常高，影响信噪比甚至烧毁无法再次使用。针对此技术问题，CN105682425A的中国发明专利公开了“一种测井仪器中大功率器件的散热方法”，其中采用散热器与测井仪外壳接触的方式，利用地层流体带走大功率器件的热量，但这种方式仅适用于地层流体处于较低温度的情况，事实上测井环境的地层流体温度已远超功率器件的可承受温度范围。随着测井仪器的工作环境日趋恶劣，部分测井环境温度已达200℃以上,上述散热结构仍然难以满足测井仪器大功率器件的散热需求。

发明内容

针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本发明通过紧密结合测井应用工况的特性及需求，对大功率器件散热储热装置的整体构造及关键组件的相互设置做出了研究改进，同时对对吸热剂的关键组分及散热机理等方面重新做出了设计，相应可充分利用导热管直接传导至吸热剂中并储存，减少了传热环节，降低了大功率器件至吸热剂的传热热阻，可有效提高对大功率器件的散热能力，因而尤其适用于地下或者海底石油勘探和开发之类的测井仪器之类场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种测井仪器内的大功率器件散热储热装置，其特征在于，该装置包括导热基座、导热盖板、导热管以及内储有吸热剂的吸热剂模块，其中：

该导热基座安装在作为散热对象的大功率器件的表面，用于对该大功率器件工作时产生的热能予以热传导；

该导热管的一端可拆卸地安装于所述导热基座与所述导热盖板之间，并用于与所述导热基座紧密贴合以将热能继续传递；它的另外一端则用于插入呈现壳体构造的所述吸热剂模块内部，并直接与内储的吸热剂相接触，由此借助于该吸热剂来将传递至此的热能予以存储；

该吸热剂模块包括吸热剂模块壳体和对其实现封装的吸热剂模块端盖，并对两者之间的连接间隙进行密封。

作为进一步优选地，所述导热基座优选安装在所述大功率器件的正反两面，并且该大功率器件与其正反两面的所述导热基座分别通过螺栓固定。

作为进一步优选地，优选在所述导热基座与所述大功率器件的表面均涂覆有热界面材料。

作为进一步优选地，所述导热基座的顶部具有第一半圆形凹槽结构、所述导热盖板的底部具有第二半圆形凹槽结构，并且第一半圆形凹槽结构和第二半圆形凹槽结构的内径与所述导热管的外径一致，由此将该导热管裸露于空气的另外一端安装于第一半圆形凹槽结构和第二半圆形凹槽结构半圆形凹槽结构中。

作为进一步优选地，对于所述吸热剂模块而言，其内储的吸热剂优选为石蜡与膨胀石墨的复合材料；其中该复合材料的制备步骤优选设计如下：将石蜡加热为熔融状态，然后与膨胀石墨进行混合，其中混合比例被设定为膨胀石墨的质量占石蜡质量的1％～4％；接着，对混合物进行磁力搅拌并超声处理，在此过程中混合物被持续加热以确保石蜡为熔融状态，由此获得所需的复合材料。

作为进一步优选地，优选采用以下的工艺参数来执行上述磁力搅拌和超声处理：磁力搅拌时间为10分钟～30分钟，超声功率为40W～80W，超声处理时间为2分钟～5分钟。

作为进一步优选地，对于所述吸热剂模块而言，其优选选用外壳和端盖均采用同种金属材料制成的吸热剂容器，其中在封装过程中，在该端盖或外壳上钻通灌注孔，然后使得该端盖与该外壳焊接成一体；接着，将熔融态的复合吸热剂材料通过该灌注孔注入到吸热剂容器内。

作为进一步优选地，所述导热管与吸热剂壳体的连接间隙优选采用灌封胶进行密封。

作为进一步优选地，所述导热盖板和所述模块壳体优选开有走线槽。

作为进一步优选地，所述导热管优选为热管或者金属棒。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的测井仪器内的大功率器件散热储热方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将所述导热管的一端插入吸热剂壳体内，对该导热管与所述吸热剂模块壳体的连接间隙进行密封；

(b)将吸热剂置于吸热剂壳体内，采用所述吸热剂模块端盖将此吸热剂密封于所述吸热剂模块壳体内；

(c)将所述导热基座安装在大功率器件的表面；然后将所述导热管裸露于空气的一端与所述导热基座紧密接触；以此方式，通过导热基座，导热管将大功率器件的热量传导至吸热剂内并储存。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、由于采用将大功率器件的热量通过导热基座、导热管以热传导的方式导入并储存于吸热剂中，减少了传热环节，降低了传热热阻，具有更强的散热储热能力，可有效抑制测井仪器内大功率器件的温升速率；

2、该装置整体结构紧凑、安装拆卸方便，适用于测井仪器中，可有效解决测井仪内部大功率器件在高温井下长时间工作的散热问题；

3、本发明还对吸热剂的关键组分及相互配合机理做出了重新设计，其中由于石蜡的沸点相对较高并且掺杂膨胀石墨可获得改性作用，较多的实际测试表明，这种复合吸热剂材料与现有水合盐材料相比能起到更好的吸热效果，同时即便长期处于高温条件下也不易气化，避免了爆炸等风险；

4、此外，该设备还可有效避免吸热剂模块的破坏，同时采用紧配合与焊接双重密封的方法，可保证吸热剂模块在高温条件下使用不泄露，具有高可靠性。

附图说明

图1是按照本发明所构建的大功率器件散热储热装置的整体构造示意图；

图2是图1中所示导热基座的更为具体的结构示意图；

图3是图1中所示导热盖板的更为具体的结构示意图；

图4是按照本发明优选实施方式而设计的吸热剂模块的具体构造示意图；

图5是用于对比显示大功率器件翅片散热效果的温度云图；

图6是用于显示按照本发明的大功率器件散热效果的温度云图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的大功率器件散热储热装置的整体构造示意图。如图1所示，该装置主要包括导热基座2、导热盖板3、导热管4以及内储有吸热剂的吸热剂模块等，下面对其逐一进行具体解释。

该导热基座2安装在作为散热对象的大功率器件的表面，它经由该导热盖板3实现联接紧固，并用于对该大功率器件工作时产生的热能予以热传导；

该导热管4的一端可拆卸地安装于所述导热基座2与所述导热盖板3之间，并用于与所述导热基座2紧密贴合以将热能继续传递；它的另外一端则用于插入呈现壳体构造的所述吸热剂模块内部，并直接与内储的吸热剂相接触，由此借助于该吸热剂来将传递至此的热能予以存储；

该吸热剂模块包括吸热剂模块壳体5和对其实现封装的吸热剂模块端盖6，并对两者之间的连接间隙进行密封。

如图1-图3更具体所示，导热基座2安装在大功率器件1的表面，导热管4的一端与导热基座2紧密贴合并采用导热盖板3对其固定，导热管4的另一端插入吸热剂壳体5与壳体内的吸热剂16直接接触，吸热剂壳体5采用吸热剂端盖6对其内部的吸热剂16进行密封。

其中，为增大大功率器件1的散热面积，导热基座2可安装在大功率器件1的正反两面；同时，为了减小大功率器件1与导热基座2的接触热阻，导热基座2与大功率器件1的接触面可涂覆热界面材料，并譬如采用螺栓通过导热基座通孔7将大功率器件1与其正反两面的两个导热基座2紧固；通过以上两种方法可减少大功率器件1至导热基座2的传热热阻，提高其散热能力。

按照本发明的一个优选实施方式，所述导热基座2顶部具有第一半圆形凹槽结构9，所述导热盖板3底部具有第二半圆形凹槽结构10，凹槽内径与导热管4的外径保持一致，将导热管4裸露于空气的一端安装在导热基座上的第一半圆形凹槽结构9上，随后通过螺钉11连接导热基座2与导热盖板3，从而将导热管4固定于导热基座2上，并保证导热基座2与导热管4的紧密接触，有利于导热基座2至导热管4的热传导。

按照本发明的另一优选实施方式，还对吸热剂的制备进行了优化设计，其中：将石蜡加热为熔融状态，然后与膨胀石墨进行混合，其中混合比例被设定为膨胀石墨的质量占石蜡质量的1％～4％；接着，对混合物进行磁力搅拌并超声处理，在此过程中混合物被持续加热以确保石蜡为熔融状态，由此获得所需的熔融态复合吸热剂材料；在此过程中，优选采用以下的工艺参数来执行磁力搅拌和超声处理：磁力搅拌时间为10分钟～30分钟，超声功率为40W～80W，超声处理时间为2分钟～5分钟。

按照本发明的又一优选实施方式，可采用灌封胶对吸热剂壳体5的腰型槽13进行灌封，可填充导热管4与吸热剂壳体5的连接缝隙，从而防止吸热剂16从导热管4与吸热剂壳体5的间隙泄露。此外，优选地，所述吸热剂壳体5与吸热剂端盖6采用焊接的方式对壳体内的吸热剂16进行密封，可同时保证吸热剂壳体5的密封性及抗压强度。所述导热盖板3顶部可具有导热盖板走线槽12，吸热剂壳体5也可具有吸热剂壳体走线槽，有利于大功率器件1在测井仪内部的布线。

所述导热基座2，导热盖板3，吸热剂外壳5，吸热剂端盖6均优选采用金属材料制成，所述导热管4可为热管或者金属棒，这些材料热导率高，更有利于热量的传导，能够更有效地将大功率器件1的热量传递至吸热剂中并储存。

下面将对本发明的大功率器件散热储热装置的具体工作过程进行解释。

导热基座2通过热传导吸收大功率器件1正常工作时的发热量，随后将热量传至与之紧密贴合的导热管4中，导热管4凭借自身较高的热导率将热量迅速导入与之直接接触的吸热剂内部，吸热剂作为储热容器将来自导热管4的热量储存起来。通过这种减少传热环节的结构，可以极大降低大功率器件1至吸热剂的传热热阻，从而抑制大功率器件1长时间工作的温升。

图5和图6分别反映了测井仪在204℃环境温度下正常工作6h后，采用翅片的方式对大功率器件散热效果温度云图以及采用本实用新型的散热储热方法对大功率器件散热效果温度云图。从两者对比可以看出，采用本实用新型的用于测井仪器的大功率器件散热储热方法，大功率器件工作6h后最高温度依旧能控制在允许正常工作的温度范围(小于175℃)内，比传统翅片散热方法的最高温度下降了将近70℃，由此突出了本发明的有效性及优越性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测井仪器内的大功率器件散热储热装置，其特征在于，该装置包括导热基座(2)、导热盖板(3)、导热管(4)以及内储有吸热剂的吸热剂模块，其中：

该导热基座(2)安装在作为散热对象的大功率器件的表面，对该大功率器件工作时产生的热能予以热传导；

该导热管(4)的一端可拆卸地安装于所述导热基座(2)与所述导热盖板(3)之间，并用于与所述导热基座(2)紧密贴合以将热能继续传递；它的另外一端则用于插入呈现壳体构造的所述吸热剂模块内部，并直接与内储的吸热剂相接触，进而借助于该吸热剂来将传递至此的热能予以存储；

该吸热剂模块包括吸热剂模块壳体(5)和对其实现封装的吸热剂模块端盖(6)，并对两者之间的连接间隙进行密封；

对于所述吸热剂模块而言，其内储的吸热剂为石蜡与膨胀石墨的复合材料；其中该复合材料是将持续加热为熔融状态的石蜡与膨胀石墨混合并进行磁力搅拌和超声处理得到，混合比例被设定为膨胀石墨的质量占石蜡质量的1％～4％。

2.如权利要求1所述的大功率器件散热储热装置，其特征在于，所述导热基座(2)安装在所述大功率器件的正反两面，并且该大功率器件与其正反两面的所述导热基座分别通过螺栓固定。

3.如权利要求1所述的大功率器件散热储热装置，其特征在于，所述导热基座(2)的顶部具有第一半圆形凹槽结构、所述导热盖板(3)的底部具有第二半圆形凹槽结构，并且第一半圆形凹槽结构和第二半圆形凹槽结构的内径与所述导热管的外径一致，由此将该导热管裸露于空气的另外一端安装于第一半圆形凹槽结构和第二半圆形凹槽结构中。

4.如权利要求1所述的大功率器件散热储热装置，其特征在于，对于所述吸热剂模块而言，其选用外壳和端盖均采用同种金属材料制成的吸热剂容器，其中在封装过程中，在该端盖或外壳上钻通灌注孔，然后使得该端盖与该外壳焊接成一体；接着，将熔融态的复合吸热剂材料通过该灌注孔注入到吸热剂容器内。

5.如权利要求1所述的大功率器件散热储热装置，其特征在于，所述导热盖板和所述模块壳体开有走线槽。

6.如权利要求1所述的大功率器件散热储热装置，其特征在于，所述导热管为热管或者金属棒。

7.一种测井仪器内的大功率器件散热储热方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1-6任意一项所述的装置来实现，并包括下列步骤：

(a)将所述导热管的一端插入吸热剂壳体内，对该导热管与所述吸热剂模块壳体的连接间隙进行密封；

(b)将吸热剂置于吸热剂壳体内，采用所述吸热剂模块端盖将此吸热剂密封于所述吸热剂模块壳体内；

(c)将所述导热基座安装在大功率器件的表面；然后将所述导热管裸露于空气的一端与所述导热基座紧密接触；以此方式，通过导热基座，导热管将大功率器件的热量传导至吸热剂内并储存。