DE102004053251A1 - A downhole tool cooling apparatus and method of cooling a component disposed in a downhole tool - Google Patents

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Abstract

Kühlvorrichtung für ein Bohrlochwerkzeug (20) mit einer im Bohrlochwerkzeug (20) angeordneten isolierenden Kammer (24), die zum Aufnehmen eines zu kühlenden Objekts (47) ausgestaltet ist, und einen im Bohrlochwerkzeug (20) angeordneten Stirling-Kühler (22), der ein zum Entfernen von Wärme aus der isolierenden Kammer (24) ausgestaltetes kaltes Ende und ein zum Ableiten von Wärme ausgestaltetes heißes Ende aufweist.A downhole tool cooling apparatus (20) having an insulating chamber (24) disposed in the downhole tool (20) adapted to receive an object (47) to be cooled and a Stirling cooler (22) disposed in the downhole tool (20) a cold end configured to remove heat from the insulating chamber (24) and a hot end adapted to dissipate heat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Bohrlochwerkzeug sowie ein Verfahren zum Kühlen einer in einem Bohrlochwerkzeug angeordneten Komponente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8.The The invention relates to a cooling device for a Downhole tool and method for cooling a downhole tool arranged component according to the preamble of claim 1 or 8th.

Auf dem Gebiet der Kohlenwasserstoff- und Wasseraufsuchung und -förderung sind verschiedene Techniken zur Bohrlochdatenerfassung und -überwachung bekannt. Dabei werden Bohrlochwerkzeuge oder -instrumente verwendet, die mit Quellen versehen sind, welche zum Aussenden von Energie durch ein Bohrloch ausgestaltet sind, das eine unterirdische Formation durchquert. Die ausgestrahlte Energie passiert das Bohrlochfluid („Schlamm") und gelangt in die umgebenden Formationen, wodurch Signale erzeugt werden, die durch einen oder mehrere Sensoren erfaßt und gemessen werden, die typischerweise ebenfalls an den Bohrlochwerkzeugen angeordnet sind. Durch Verarbeiten der erfaßten Signal daten wird ein Profil der Formationseigenschaften erhalten.On the field of hydrocarbon and water exploration and production are various well logging and monitoring techniques known. Drilling hole tools or instruments are used which are provided with sources for sending energy through a borehole is formed, which is an underground formation crosses. The radiated energy passes through the borehole fluid ("Mud") and get in the surrounding formations, which generates signals that be detected and measured by one or more sensors, the typically also disposed on the downhole tools. By processing the detected Signal data is obtained a profile of the formation properties.

Ein Bohrlochwerkzeug mit mehreren energieaussendenden Quellen und Sensoren zum Messen verschiedener Parameter kann am Ende eines Kabels, einer Drahtleitung, eines Bohrstrangs od.dgl. in ein Bohrloch herabgelassen werden. Das Kabel bzw. die Drahtleitung ist mit einem mobilen Verarbeitungszentrum an der Erdoberfläche verbunden und stellt das Mittel bereit, durch das Daten an die Oberfläche heraufgesendet werden. Mit dieser Art von Datenerfassung über eine Drahtleitung wird es möglich, Bohrloch- und Formationsparameter als Funktion der Tiefe zu messen, d.h. während das Bohrlochwerkzeug im Bohrloch nach oben gezogen wird.One Borehole tool with multiple energy emitting sources and sensors To measure various parameters can be at the end of a cable, a Wireline, a drill string or the like. lowered into a borehole become. The cable or the wireline is with a mobile processing center at the earth's surface and provides the means by which data is sent up to the surface become. With this kind of data acquisition over a wireline is it possible to drill and to measure formation parameters as a function of depth, i. while that Drill hole tool is pulled uphole in the borehole.

Als Alternative zu drahtleitungsbasierten Bohrlochdatenerfassungstechniken ist das Sammeln von Daten über Bedingungen im Bohrloch während des Bohrvorgangs bekannt. Durch Sammeln und Verarbeiten solcher Informationen während des Bohrvorgangs kann der Bohrführer Schritte des Bohrvorgangs ändern oder korrigieren, um die Leistung zu optimieren. Techniken zum Sammeln von Daten über Bedingungen im Bohrloch und zum Bewegen der Bohranordnung während des Bohrvorgangs sind als Messen-während-des-Bohrens-(MWD, Measurement While Drilling)-Techniken bekannt. Ähnliche Techniken, bei denen der Schwerpunkt mehr auf der Messung von Formationsparametern als auf der Bewegung der Bohranordnung liegt, sind als Datenertassen-während-des-Bohrens-(LWD, Logging While Drilling)-Techniken bekannt. Das Datenerfassenwährend-des-Verfahrens-(LWT, Logging While Tripping) ist eine Alternative zu den LWD- und MWD-Techniken. Bei der LWT-Technik wird ein Einführwerkzeug mit kleinem Durchmesser am Ende eines Bohrdurchgangs, kurz bevor das Bohrrohr herausgezogen wird, durch das Bohrrohr nach unten ins Bohrloch herabgelassen. Das Einführwerkzeug wird dazu verwendet, physikalische Werte im Bohrloch zu messen, während der Bohrstrang aus dem Bohrloch herausgezogen oder herausgefahren wird. Gemessene Daten werden in einen Speicher im Einführwerkzeug als Funktion der Zeit während des Herausfahrens gespeichert. An der Oberfläche speichert ein zweiter Gerätesatz die Tiefe als Funktion der Zeit für das Herausfahren, wodurch die Messungen der Tiefe zugeordnet werden können. 1 zeigt ein herkömmliches Datenertassungswerkzeug 12, das in einem Bohrloch 11 angeordnet ist, welches eine unterirdische Formation 10 durchquert. Das Datenerfassungswerkzeug 12 kann an einer Drahtleitung 13 über einen Drahtleitungssteuermechanismus 14 eingebracht werden. Zudem kann das Datenerfassungswerkzeug 12 mit einer Einrichtung 15 an der Erdoberfläche verbunden sein, die einen Computer umfassen kann.As an alternative to wireline borehole data acquisition techniques, it is known to collect data on downhole conditions during the drilling process. By collecting and processing such information during the drilling process, the drill operator may alter or correct drilling steps to optimize performance. Techniques for collecting data on downhole conditions and moving the drilling assembly during the drilling operation are known as measurement-while-drilling (MWD) techniques. Similar techniques, where the emphasis is more on the measurement of formation parameters than on the movement of the drilling assembly, are known as data-tray-while-drilling (LWD) techniques. Data Logging While Tripping (LWT) is an alternative to the LWD and MWD techniques. In the LWT technique, a small diameter insertion tool at the end of a drilling pass just before the drill pipe is withdrawn is lowered through the drill pipe downhole. The insertion tool is used to measure downhole physical values as the drill string is being withdrawn or withdrawn from the wellbore. Measured data is stored in memory in the insertion tool as a function of time during retraction. At the surface, a second set of equipment stores the depth as a function of the time to move out, allowing the measurements to be assigned to the depth. 1 shows a conventional data collection tool 12 that in a borehole 11 is arranged, which is an underground formation 10 crosses. The data collection tool 12 can on a wireline 13 via a wireline control mechanism 14 be introduced. In addition, the data collection tool 12 with a device 15 be connected to the earth's surface, which may include a computer.

Bohrlochwerkzeuge sind extremen Temperaturen (bis zu 260°C) und Drücken (bis zu 30.000 psi, entsprechend etwa 200 MPa, und in einigen Fällen bis zu 40.000 psi, entsprechend etwa 275 MPa) ausgesetzt. Diese Werkzeuge sind üblicherweise mit empfindlichen Komponenten, beispielsweise elektronischen Einrichtungen, ausgestattet, die häufig nicht für derart niedrige Umgebungen entworfen sind. Bei den Herstellern elektronischer Komponenten herrscht der Trend vor, den hochvolumigen kommerziellen Markt zu bedienen, wodurch es schwierig ist, Komponenten für Bohrlochwerkzeuge zu finden, die bei diesen erhöhten Temperaturen zuverlässig arbeiten. Zur gleichen Zeit tendiert die Ölindustrie zum Aufsuchen tieferer und heißerer Reservoirs. Daher gibt es einen Bedarf an Verfahren oder Vorrichtungen, die es ermöglichen, die empfindlichen elektronischen Komponenten bei hohen Temperaturen zu betreiben. Der Neuentwurf von Silizium-Chips, damit diese bei hohen Temperaturen (beispielsweise oberhalb von 150°C) arbeiten, ist kostenintensiv und wirkt sich erheblich auf die Entwicklungszeit und damit die Zeit aus, die erforderlich ist, bis das Produkt auf den Markt kommt. Die Alternative hierzu sind Vorrichtungen, die die elektronischen Komponenten gegenüber den hohen Temperaturen schützen. Konventionelle Techniken umfassen diejenigen, die die empfindlichen Komponenten gegenüber der heißen Umgebung isolieren, beispielsweise indem sie in Dewar-Gefäßen angeordnet werden. Diese Technik schützt das Werkzeug jedoch nur für eine bestimmte Zeitspanne, und die Art der Gefäße führt zu einer erheblichen Bruchgefahr. Ein besserer Ansatz besteht in der Verwendung einer aktiven Kühlvorrichtung.Downhole tools are extreme temperatures (up to 260 ° C) and pressures (up to 30,000 psi, respectively about 200 MPa, and in some cases up to 40,000 psi, corresponding to about 275 MPa). These tools are common with sensitive components, such as electronic devices, equipped, often not for such low environments are designed. At the manufacturers of electronic Components dominate the trend, the high-volume commercial Market to use, which makes it difficult to drill hole components to find that increased among these Temperatures reliable work. At the same time, the oil industry is tending to seek deeper and hotter Reservoirs. Therefore, there is a need for methods or devices which make it possible the sensitive electronic components at high temperatures to operate. The redesign of silicon chips to help with this high temperatures (for example, above 150 ° C) work, is costly and has a significant impact on development time and hence the time it takes to get the product up the market is coming. The alternative to this are devices that the electronic components against the high temperatures protect. Conventional techniques include those that are sensitive Components opposite the hot ones Isolate environment, for example, by placing them in Dewar vessels become. This technique protects the tool only for a certain period of time, and the type of vessels leads to a significant risk of breakage. A better approach is to use an active cooling device.

Eine Kühlvorrichtung, die in der Lage ist, eine Kühlung mit mehreren Watt für wärmegeschützte elektronische Komponenten in Bohrlochwerkzeugen bereit zustellen, würde die Verwendung elektronischer und Sensortechnologien ermöglichen, die andernfalls für Hochtemperaturanwendungen nicht geeignet sind. Hierdurch würden zudem die stetig steigenden Kosten für die Entwicklung und Implementation hochtemperaturgeeigneter Elektronik verringert. Schließlich würde eine derartige Kühlvorrichtung es ermöglichen, neue Techniken der unterirdischen Aufsuchung und Förderung einzuführen.A cooling device capable of providing several watts of cooling for heat-protected electronic components in downhole tools would enable the use of electronic and sensor technologies that would otherwise be unsuitable for high temperature applications. This would also reduce the ever-increasing costs of developing and implementing high-temperature electronics. Finally, such a cooling device would make it possible to introduce new techniques of underground exploration and production.

Eine Kühlvorrichtung zur Verwendung in einem Bohrloch muß in den beschränkten Raum im Bohrlochwerkzeug passen. Verschiedene Miniaturkühlvorrichtungen, die für die Verwendung in Bohrlochwerkzeugen geeignet sind, sind bekannt. Beispielsweise schlägt Aaron Flores, „Active Cooling for Elektronis in a Wireline Oil-Exploration Tool", Dissertation, MIT, 1996, eine Technik vor, die auf einem einmaligen Dampfkompressionszyklus basiert. Dieser Ansatz erfordert jedoch sehr sorgfältiges Abdichten und Schmieren infolge der hohen Drücke im Kondensator.A cooler for use in a borehole must be in the limited space in the downhole tool. Various miniature cooling devices, the for the use in well tools are known. For example, beats Aaron Flores, "Active Cooling for Elektronis in a Wireline Oil Exploration Tool ", Dissertation, MIT, 1996, a technique based on a unique vapor compression cycle based. However, this approach requires very careful sealing and Lubrication due to high pressures in the condenser.

Aus Gloria Bennett „Active Cooling for Downhole Instrumentation: Miniature Thermoacoustic Refrigerator", Dissertation, University of New Mexico, 1991, UMI 1991.9215048, ist eine aktive Kühlvorrichtung für Bohrlochwerkzeuge bekannt, die auf einem thermoakustischen Miniaturkühlschrank beruht. Obwohl dieser Ansatz vielversprechend ist, sind die verwendeten Komponenten verhältnismäßig voluminös und die Leistungsfähigkeit eines thermoakustischen Miniaturkühlschranks ist ungewiß.Out Gloria Bennett "Active Cooling for Downhole Instrumentation: Miniature Thermoacoustic Refrigerator ", Dissertation, University of New Mexico, 1991, UMI 1991.9215048, is an active cooling device for borehole tools known on a thermoacoustic miniature refrigerator based. Although this approach is promising, the ones used are Components relatively bulky and the capacity of a thermoacoustic miniature refrigerator is uncertain.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für ein Bohrlochwerkzeug und ein Verfahren zum Kühlen einer in einem Bohrlochwerkzeug angeordneten Komponente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8 zu schaffen, mit denen eine verbesserte Kühlung möglich ist.Of the Invention is therefore the object of a cooling device for a A downhole tool and a method of cooling a tool in a downhole tool arranged component according to the preamble of claim 1 or 8 create, with which an improved cooling is possible.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst.These Task is according to the features of claims 1 and 8 solved.

Hierdurch wird eine verbesserte Kühlung für Bohrlochwerkzeuge geschaffen. Die Kühlvorrichtung ist in der Lage, Komponenten im Bohrloch auf erheblich niedrigeren Temperaturen zu halten, so daß diese Komponenten eine erhöhte Leistungsfähigkeit und eine verlängerte Lebensdauer aufweisen. Die Kühlvorrichtung umfaßt ein geschlossenes System mit einer minimalen Anzahl beweglicher Teile, wodurch ein gleichförmiger, stoßfreier und leiser Betrieb ermöglicht wird, was sich vorteilhaft auf die Auswahlerfordernisse in Bezug auf Stoß- und Vibrationsfestigkeit der am Bohrlochwerkzeug anzubringenden Instrumente auswirkt.hereby will be an improved cooling for borehole tools created. The cooling device is able to drill downhole components at significantly lower temperatures to hold so that this Components an increased Efficiency and an extended one Have life. The cooling device comprises a closed system with a minimum number of moving ones Parts, creating a more uniform, bumplessly and quiet operation allows which is advantageous in terms of the selection requirements On impact- and vibration resistance of the drill hole tool to be attached Instruments.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further Embodiments of the invention are the following description and the dependent claims refer to.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The The invention is described below with reference to the attached figures illustrated embodiments explained in more detail.

1 zeigt ein bekanntes Bohrlochwerkzeug in einem Bohrloch. 1 shows a known downhole tool in a borehole.

2 zeigt ein Bohrlochwerkzeug mit einem Stirling-Kühler. 2 shows a downhole tool with a Stirling cooler.

3 illustriert die Wärmeübertragung mit einem Stirling-Kühler. 3 illustrates the heat transfer with a Stirling cooler.

4 zeigt einen Freikolben-Stirling-Kühler. 4 shows a free-piston Stirling cooler.

5 illustriert den Stirling-Zyklus. 5 illustrates the Stirling cycle.

6 illustriert verschiedene Zustände der Kolben im Stirling-Kühler in einem Stirling-Zyklus. 6 illustrates different states of the pistons in the Stirling cooler in a Stirling cycle.

7 zeigt schematisch eine aktive Kühlvorrichtung mit einer Luftströmung. 7 schematically shows an active cooling device with an air flow.

8 zeigt schematisch eine Kühlvorrichtung mit einer Flüssigkeit. 8th schematically shows a cooling device with a liquid.

9 illustriert ein Verfahren zum Herstellen eines Bohrlochwerkzeugs. 9 illustrates a method of making a downhole tool.

10 illustriert ein Verfahren zum Kühlen von Sensoren, Elektronik od.dgl. in einem Bohrlochwerkzeug. 10 illustrates a method for cooling sensors, electronics or the like. in a downhole tool.

Ausführungsformen der Erfindung betreffen Kühlvorrichtungen zur Verwendung in Bohrlochwerkzeugen. Diese Kühlvorrichtungen basieren auf Stirling-Zyklen, die in einem geschlossenen System effizient arbeiten können, keine Schmierung benötigen und bei verhältnismäßig niedrigeren Drücken im Vergleich zu Dampfkompressionsvorrichtungen arbeiten. Ein Stirling-Motor oder -Kühler basiert auf dem bekannten thermodynamischen Stirling-Zyklus. Ein Stirling-Motor verwendet Hitze (Temperaturunterschied) als die Energiequelle, um eine mechanische Arbeit bereitzustellen. Ein Stirling-Kühler arbeitet entgegengesetzt: Er verwendet mechanische Energie, um einen Temperaturunterschied zu schaffen, beispielsweise als Kühler oder Gefriermaschine.embodiments The invention relates to cooling devices for use in downhole tools. These cooling devices are based on Stirling cycles, who can work efficiently in a closed system, no Need lubrication and at relatively lower To press work in comparison to vapor compression devices. A Stirling engine or cooler based on the well-known thermodynamic Stirling cycle. A Stirling engine uses heat (temperature difference) as the energy source to to provide a mechanical work. A Stirling cooler works opposite: he uses mechanical energy to get a temperature difference to create, for example, as a cooler or freezer.

Verschiedene Konfigurationen von Stirling-Motoren/-Kühlern sind bekannt. Diese können in kinematische und Freikolben-Typen eingeteilt werden. Kinematische Stirling-Motoren verwenden Kolben, die an Antriebsmechanismen gekoppelt sind, um lineare Kolbenbewegungen in Drehbewegungen umzusetzen. Kinematische Stirling-Motoren können ferner als Alpha-Typ (zwei Kolben), Beta-Typ (Kolben und Verdränger in einem Zylinder) und Gamma-Typ (Kolben und Verdränger in getrennten Zylindern) klassifiziert werden. Freikolben-Stirling-Motoren verwenden Mechaniken mit harmonischer Bewegung, die ebene Federn oder magnetische Feldschwingungen verwenden können, um die harmonische Bewegung bereitzustellen.Various configurations of Stirling engines / coolers are known. These can be classified into kinematic and free-piston types the. Kinematic Stirling engines use pistons coupled to drive mechanisms to translate linear piston motions into rotational motions. Kinematic Stirling engines may also be classified as alpha type (two pistons), beta type (piston and displacer in one cylinder), and gamma type (pistons and displacer in separate cylinders). Free-piston Stirling engines use harmonic motion mechanics that can use even springs or magnetic field vibrations to provide harmonic motion.

Wegen erheblicher technischer Anforderungen werden Stirling-Motoren in der Praxis kaum verwendet, und die Verwendung von Stirling-Kühlern ist auf das Spezialgebiet der Cryotechnik und auf militärische Anwendungen beschränkt. Die Entwicklung von Stirling-Motoren/-Kühlern umfaßt praktische Erwägungen wie Effizienz, Vibration, Lebensdauer und Kosten. Die Verwendung von Stirling-Motoren/-Kühlern an Bohrlochwerkzeugen bereitet infolge des beschränkten, in einem Bohrlochwerkzeug verfügbaren Platzes (typischerweise etwa 7,5 bis etwa 15 cm Durchmesser) und der widrigen Umgebung im Bohrloch (beispielsweise Temperaturen bis zu 260°C, Drücke bis zu 30.000 psi, entsprechend etwa 200 MPa, oder mehr, und Erschütterungen bis zu 250 g oder mehr) zusätzliche Schwierigkeiten. Stirling-Motoren sind zur Verwendung als elektrische Generatoren für Bohrlochwerkzeuge vorgeschlagen worden, vgl. US 4 805 407 .Due to significant technical requirements, Stirling engines are rarely used in practice, and the use of Stirling coolers is limited to the specialty of cryogenics and military applications. The development of Stirling engines / coolers includes practical considerations such as efficiency, vibration, life and cost. The use of Stirling engines / coolers on downhole tools results from the limited space available in a downhole tool (typically about 7.5 to about 15 cm in diameter) and the adverse environment in the borehole (e.g., temperatures up to 260 ° C, pressures to to 30,000 psi, corresponding to about 200 MPa or more, and jarring up to 250 g or more) additional difficulties. Stirling engines have been proposed for use as electric generators for downhole tools, cf. US 4,805,407 ,

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beliebige Stirling-Kühler verwenden. Einige Ausführungsformen verwenden Freikolben-Stirling-Kühler. Eine Ausführungsform eines Freikolben-Stirling-Kühlers verwendet einen Linearmotor mit einem beweglichen Magneten.embodiments of the present invention use any Stirling cooler. Some embodiments use free piston Stirling cooler. A embodiment a free-piston Stirling cooler uses a linear motor with a moving magnet.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Bohrlochwerkzeug 20 entsprechend dem Bohrlochwerkzeug 12 der 1. Das dargestellte Bohrlochwerkzeug 20 umfaßt ein längliches Gehäuse 21, welches verschiedene Komponenten 23 schützt. Die Komponenten 23 können Elektronikeinrichtungen umfassen, die vor hohen Temperaturen geschützt werden müssen. Die Komponenten 23 sind in einer isolierenden Einfassung oder Kammer 24 angeordnet und mit einem Stirling-Kühler 22 verbunden. Am anderen Ende des Stirling-Kühlers 22 können weitere Komponenten 25 des Bohrlochwerkzeugs 20 vorgesehen sein. Die Komponenten 25 können andere Elektronikeinrichtungen zum Steuern des Stirling-Kühlers 22 oder Mechanismen zum Entfernen von Wärme vom heißen Ende des Stirling-Kühlers 22 umfassen. 2 shows a borehole tool according to the invention 20 according to the downhole tool 12 of the 1 , The illustrated downhole tool 20 includes an elongated housing 21 which different components 23 protects. The components 23 may include electronic devices that must be protected from high temperatures. The components 23 are in an insulating surround or chamber 24 arranged and with a Stirling cooler 22 connected. At the other end of the Stirling cooler 22 can have more components 25 of the downhole tool 20 be provided. The components 25 Other electronic devices can be used to control the Stirling cooler 22 or mechanisms for removing heat from the hot end of the Stirling cooler 22 include.

3 illustriert schematisch die erfindungsgemäße Wärmeentfernung unter Verwendung eines Stirling-Kühlers. Ein Stirling-Kühler 22 arbeitet als Wärmepumpe, wobei er Wärme von einem Kältereservoir 33 zum Schlammfluß (Wärmereservoir) 31 ableitet. Auf diese Weise wird die vom zu kühlenden Objekt (Kältereservoir 33) entfernte Wärme effektiv zum anderen Ende, dem heißen Ende, des Stirling-Kühlers 22 „gepumpt" und beispielsweise in den Schlammfluß 31 abgeleitet. Der Stirling-Kühler 22 kann mit dem zu kühlenden Objekt in direktem Kontakt stehen. Alternativ hierzu kann der Stirling-Kühler 22 beabstandet vom zu kühlenden Objekt angeordnet sein, wobei ein Wärmeübertragungsmechanismus 35 zwischen beiden vorgesehen ist, um Wärme zu übertragen. Der Wärmeübertragungsmechanismus 35 kann jede geeignete Wärmeübertragungsvorrichtung sein, beispielsweise eine Wärmeleitung, einschließlich derjenigen, die mit zirkulierenden Flüssigkeiten arbeiten. Ausführungsformen der Erfindung können mit Wärmeübertragungsmechanismen auf der kalten und/oder der heißen Seite implementiert sein. 3 schematically illustrates the heat removal according to the invention using a Stirling cooler. A Stirling cooler 22 works as a heat pump, taking heat from a cold reservoir 33 to the mud flow (heat reservoir) 31 derives. In this way, the object to be cooled (cold reservoir 33 ) effectively removes heat to the other end, the hot end, of the Stirling cooler 22 "Pumped" and for example in the mud flow 31 derived. The Stirling cooler 22 can be in direct contact with the object to be cooled. Alternatively, the Stirling cooler 22 spaced from the object to be cooled, wherein a heat transfer mechanism 35 between the two is provided to transfer heat. The heat transfer mechanism 35 may be any suitable heat transfer device, such as a heat pipe, including those that operate with circulating liquids. Embodiments of the invention may be implemented with cold and / or hot side heat transfer mechanisms.

4 illustriert einen Freikolben-Stirling-Kühler zur Verwendung in Ausführungsformen der Erfindung. Der dargestellte Stirling-Kühler 40 ist an einem zu kühlenden Objekt 47 befestigt. Zum Übertragen von Wärme zwischen dem Objekt 47 und dem Stirling-Kühler 40 kann wie vorstehend beschrieben eine Wärmeübertragungsvorrichtung vorgesehen sein. Der Stirling-Kühler 40 umfaßt zwei Kolben 42, 44, die in einem Zylinder 46 angeordnet sind. Der Zylinder 46 ist mit einem Arbeitsgas gefüllt, typischerweise Luft, Helium oder Wasserstoff, bei einem Druck, der ein Vielfaches, beispielsweise das 20-fache, des atmosphärischen Drucks erreicht. Der Kolben 42 ist an einen Permanentmagneten 45 gekoppelt, der benachbart zu einem Elektromagneten 48 angeordnet ist, welcher am Gehäuse befestigt ist. Wird der Elektromagnet 48 mit Energie beaufschlagt, wechselwirkt sein magnetisches Feld mit dem des Permanentmagneten 45, um eine Linearbewegung des Kolbens 42, in der Figur nach rechts und nach links, zu verursachen. Der Permanentmagnet 45 und der Elektromagnet 48 bilden somit einen Linearmotor mit beweglichem Magneten. Die konkreten Maße und Formen der in 4 dargestellten Magnete dienen lediglich der Illustration. Die Orte des Elektromagneten 48 und des Permanentmagneten 45 können auch vertauscht sein, d.h. der Elektromagnet 48 kann am Kolben 42 befestigt sein, während der Permanentmagnet 45 am Gehäuse befestigt ist. 4 illustrates a free-piston Stirling cooler for use in embodiments of the invention. The illustrated Stirling radiator 40 is on an object to be cooled 47 attached. To transfer heat between the object 47 and the Stirling cooler 40 may be provided as described above, a heat transfer device. The Stirling cooler 40 includes two pistons 42 . 44 in a cylinder 46 are arranged. The cylinder 46 is filled with a working gas, typically air, helium or hydrogen, at a pressure which reaches a multiple, say 20 times, the atmospheric pressure. The piston 42 is to a permanent magnet 45 coupled, which is adjacent to an electromagnet 48 is arranged, which is fixed to the housing. Will the electromagnet 48 energized, its magnetic field interacts with that of the permanent magnet 45 to a linear movement of the piston 42 to cause in the figure to the right and to the left. The permanent magnet 45 and the electromagnet 48 thus form a linear motor with a movable magnet. The concrete dimensions and forms of in 4 shown magnets are for illustration only. The places of the electromagnet 48 and the permanent magnet 45 can also be reversed, ie the electromagnet 48 can on the piston 42 be attached while the permanent magnet 45 attached to the housing.

Der Elektromagnet 48 und der Permanentmagnet 45 können aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein. Die Windungen und Schichten des Elektromagneten 48 sind vorzugsweise so gewählt, daß er einer hohen Temperatur, beispielsweise bis zu 260°C, standhalten kann. Der Permanentmagnet 45 kann aus einer Samarium-Kobalt-Legierung (Sm-Co) gebildet sein, um bei hohen Temperaturen eine hohe Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Die zum Betrieb des Elektromagneten 48 erforderliche Elektrizität kann von der Erdoberfläche geliefert werden oder von üblichen Batterien im Bohrlochwerkzeug, von Bohrlochgeneratoren oder beliebigen anderen Mitteln.The electromagnet 48 and the permanent magnet 45 may be formed of any suitable material. The turns and layers of the electromagnet 48 are preferably chosen so that it can withstand a high temperature, for example up to 260 ° C. The permanent magnet 45 may be formed of a samarium-cobalt (Sm-Co) alloy to provide high performance at high temperatures. The for operation of the electromagnet 48 required electricity may be supplied from the surface of the earth or from conventional downhole tool batteries, downhole generators, or any other means.

Die Bewegung des Kolbens 42 verursacht eine Änderung des Gasvolumens des Zylinders 46. Der Zylinder 44 ist im Zylinder 46 so wie ein Verdränger in Stirling-Motoren des kinematischen Typs beweglich. Die Bewegung des Kolbens 44 wird durch einen Druckunterschied zwischen beiden Seiten des Kolbens 44 ausgelöst. Der Druckunterschied stammt von der Bewegung des Kolbens 42. Die Bewegung des Kolbens 44 im Zylinder 46 bewegt das Arbeitsgas von der linken Seite des Kolbens 44 auf die rechte Seite des Kolbens 44, und umgekehrt. Diese Bewegung des Gases, gekoppelt mit den Kompressions- und Dekompressionsvorgängen, resultiert in einer Wärmeübertragung vom Objekt 47 zur Wärmeableitungsvorrichtung 43. Dadurch verringert sich die Temperatur des Objekts 47. Der Stirling-Kühler 40 kann eine Federmasse 41 umfassen, um Vibrationen zu verringern, die von den Bewegungen der Kolben und des Magnetmotors stammen.The movement of the piston 42 causes a change in the gas volume of the cylinder 46 , The cylinder 44 is in the cylinder 46 as a displacer in Stirling engines of the kinematic type movable. The movement of the piston 44 is caused by a pressure difference between both sides of the piston 44 triggered. The pressure difference comes from the movement of the piston 42 , The movement of the piston 44 in the cylinder 46 Moves the working gas from the left side of the piston 44 on the right side of the piston 44 , and vice versa. This movement of the gas, coupled with the compression and decompression processes, results in heat transfer from the object 47 to the heat dissipation device 43 , This reduces the temperature of the object 47 , The Stirling cooler 40 can be a feather mass 41 include to reduce vibrations that originate from the movements of the piston and the magnetic motor.

Obwohl 4 einen Stirling-Kühler mit einem Magnetmotor zeigt, der Elektrizität benötigt, um den Stirling-Motor anzutreiben, können auch andere Energiequellen oder Antriebsmechanismen verwendet werden. Beispielsweise kann der Betrieb des Stirling-Kühlers (z.B. die Vorwärts- und Rückwärts-Bewegungen des Kolbens 42 in 4) durch mechanische Mittel implementiert sein, wie z.B. durch ein flüssigkeitangetriebenes System, das die Energie des Schlammflusses nutzt und an ein Ventilsystem und/oder eine Feder gekoppelt ist. Der hydraulische Druck des Schlammflusses kann auch dazu verwendet werden, den Kolben in eine Richtung zu drücken, während die Feder dazu verwendet wird, den Kolben in die andere Richtung zu drücken. Ein konventionelles Ventilsystem kann verwendet werden, um den Schlammfluß zum Kolben intermittierend zu steuern. Die koordinierte Wirkung eines hydraulischen Systems, einer Feder und eines Ventilsystems führt so zu einer Vorwärts- und Rückwärts-Bewegung des Kolbens 42.Even though 4 shows a Stirling cooler with a magnetic motor that requires electricity to drive the Stirling engine, other sources of energy or drive mechanisms may be used. For example, the operation of the Stirling radiator (eg, the forward and reverse movements of the piston 42 in 4 ) may be implemented by mechanical means, such as a liquid powered system that utilizes the energy of the mud flow and is coupled to a valve system and / or a spring. The hydraulic pressure of the mud flow can also be used to push the piston in one direction while the spring is used to push the piston in the other direction. A conventional valving system may be used to intermittently control the mud flow to the piston. The coordinated action of a hydraulic system, a spring and a valve system thus results in a forward and backward movement of the piston 42 ,

Die Bewegung des Gases auf die rechte und die linke Seite des Kolbens 44, gekoppelt mit der Kompression und der Dekompression des Gases im Zylinder 46 durch den Kolben 42, führt zu vier verschiedenen Zuständen in einem Stirling-Zyklus. 5 stellt diese vier Zustände sowie die Übergänge zwischen diesen Zuständen in einem Druck-Volumen-Diagramm dar. 6 illustriert die vier Zustände und die Richtung der Bewegungen der Kolben 42 und 44 in einem Stirling-Zyklus.The movement of the gas on the right and the left side of the piston 44 , coupled with the compression and decompression of the gas in the cylinder 46 through the piston 42 , leads to four different states in a Stirling cycle. 5 represents these four states as well as the transitions between these states in a pressure-volume diagram. 6 illustrates the four states and the direction of the movements of the pistons 42 and 44 in a Stirling cycle.

In einem Prozeß a von einem Zustand 1 zu einem Zustand 2 bewegt sich der Kolben 44 in 6 von links nach rechts, während der Kolben 42 feststeht. Daher bleibt das Volumen im Zylinder 46, siehe 4, unverändert. Das Arbeitsgas im Zylinder 46 bewegt sich von einer Seite des Kolbens 44 auf die andere Seite.In a process a from a state 1 to a state 2 the piston moves 44 in 6 from left to right, while the piston 42 fixed. Therefore, the volume remains in the cylinder 46 , please refer 4 , unchanged. The working gas in the cylinder 46 moves from one side of the piston 44 on the other side.

In einem zweiten Prozeß b vom Zustand 2 zu einem Zustand 3 bewegt sich der Kolben 42 nach rechts, wodurch das Volumen im Zylinder, vgl. Zylinder 46 in 4, erhöht wird. Der Magnetmotor treibt die Bewegung des Kolbens 42 an. Infolge des erhöhten Volumens im Zylinder dehnt sich das Gas aus und absorbiert Wärme.In a second process b from the state 2 to a state 3 the piston moves 42 to the right, whereby the volume in the cylinder, cf. cylinder 46 in 4 , is increased. The magnet motor drives the movement of the piston 42 at. Due to the increased volume in the cylinder, the gas expands and absorbs heat.

In einem Prozeß c vom Zustand 3 zu einem Zustand 4 bewegt sich der Kolben 44 nach links und erzwingt eine Bewegung des Arbeitsgases auf seine rechte Seite. Das Volumen des Gases bleibt unverändert.In a process c from the state 3 to a state 4 the piston moves 44 to the left and forces a movement of the working gas on its right side. The volume of the gas remains unchanged.

In einem Prozeß d vom Zustand 4 zurück zum Zustand 1 bewegt sich der Kolben 42 unter Antrieb durch den Magnetmotor nach links. Hierdurch wird das Arbeitsgas komprimiert. Die Kompression resultiert in einer Freigabe von Wärme aus dem Arbeitsgas. Die freigegebene Wärme wird durch die Wärmeableitvorrichtung 43 zu einem Kühlkörper oder an die Umgebung, beispielsweise den Bohrschlamm, abgeleitet. Hierdurch wird der Stirling-Zyklus vollendet. Das Netto-Ergebnis ist die Übertragung von Wärme von einem Ende der Vorrichtung zum anderen. Wenn somit der Stirling-Kühler in entweder direktem oder über einen Wärmetransportmechanismus indirektem Wärmekontakt mit dem zu kühlenden Objekt (Objekt 47 in 4) steht, kann Wärme vom Objekt entfernt werden. Im Ergebnis kann die Temperatur des Objekts verringert oder am Objekt erzeugte Wärme entfernt werden.In a process d from the state 4 back to the state 1 the piston moves 42 under drive by the magnet motor to the left. As a result, the working gas is compressed. The compression results in a release of heat from the working gas. The released heat is passed through the heat dissipation device 43 to a heat sink or to the environment, such as the drilling mud, derived. This completes the Stirling cycle. The net result is the transfer of heat from one end of the device to the other. Thus, when the Stirling radiator is in thermal or thermal contact with the object to be cooled, either directly or through a heat transport mechanism (Object 47 in 4 ), heat can be removed from the object. As a result, the temperature of the object can be reduced or heat generated on the object can be removed.

7 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Kühlvorrichtung mit einem Stirling-Kühler. Der dargestellte Stirling-Kühler 22 ist hier mit einer isolierenden Einfassung oder Kammer 24 gekoppelt. In der Kammer 24 ist ein Innenraum 26 zum Bereitstellen eines Weges für eine Luftströmung über eine Komponente oder mehrere Komponenten 23, die in der Kammer 24 angeordnet sind. Der Innenraum 26 kann unter Verwendung eines beliebigen bekannten konventionellen Materials gebildet sein. Ein Ventilator 27 ist in der Kammer 24 angeordnet, um Luft um die zu kühlenden Komponenten oder Objekte 23 umlaufen zu lassen, wodurch aktiv Wärme, die von den Komponenten 23 dissipiert, auf die kalte Seite des Stirling-Kühlers 22 übertragen wird. Der Ventilator 27 kann durch die elektrische Stromversorgung, die auch den Stirling-Kühler 22 antreibt, oder durch eine unabhängige Stromversorgung, beispielsweise eine separate Batterie, betrieben werden. Die dargestellte Ausführungsform weist ferner einen Wärmetauscher 28 auf, der an einem Ende der Kammer 24 angeordnet ist, um die Kühleffizienz über die Kühler/Kammer-Schnittstelle zu erhöhen und die umlaufende Luft zu kühlen. Der Wärmetauscher 28 kann ein konventioneller Kühlkörper oder eine andere geeignete Vorrichtung sein. In weiteren Ausführungsformen können mehrere Ventilatoren 27 vorgesehen sein, um die kühlende Luftströmung zu erhöhen. 7 schematically shows an embodiment of a cooling device with a Stirling cooler. The illustrated Stirling radiator 22 is here with an insulating surround or chamber 24 coupled. In the chamber 24 is an interior 26 for providing a path for air flow over one or more components 23 in the chamber 24 are arranged. The interior 26 can be formed using any known conventional material. A fan 27 is in the chamber 24 arranged to air around the components or objects to be cooled 23 to circulate, thereby actively removing heat from the components 23 dissipates, on the cold side of the Stirling cooler 22 is transmitted. The ventilator 27 can by the electrical power supply, which also includes the Stirling cooler 22 drives, or by an independent power supply, such as a separate battery operated. The illustrated embodiment further comprises a heat exchanger 28 on, at one end of the chamber 24 is arranged to increase the cooling efficiency via the cooler / chamber interface and to cool the circulating air. The heat exchanger 28 may be a conventional heat sink or other suitable device. In further embodiments, multiple fans 27 be provided to increase the cooling air flow.

8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kühlvorrichtung mit einem Stirling-Kühler. Der dargestellte Stirling-Kühler 22 ist mit einer isolierenden Einfassung oder Kammer 24 gekoppelt. In der Kammer 24 ist ein inneres flüssigkeitsbasiertes Kühlsystem 29 angeordnet. Das Kühlsystem 29 weist eine Strömungsschleife auf, die es einer Flüssigkeit gestattet, in einer geschlossenen Schleife von Objekten oder Komponenten 23 zu einem Wärmetauscher 28 zu fließen, der an der kalten Seite des Stirling-Kühlers 22 befestigt ist. Das Kühlsystem 29 kann unter Verwendung bekannter Materialien, beispielsweise mehrere Rohre, gebildet sein. Der Wärmetauscher 28 kann ein gewöhnlicher Kühlkörper oder eine andere geeignete Vorrichtung sein. Die Kühlflüssigkeit, die Wasser oder eine geeignete Alternative sein kann, wird mittels einer Pumpe 30, die an die Strömungsleitungen gekoppelt und von der Stromversorgung des Stirling-Kühlers 22 oder einer unabhängigen Stromversorgung angetrieben ist, in der Strömungsschleife gepumpt. 8th shows a further embodiment of a cooling device with a Stirling cooler. The illustrated Stirling radiator 22 is with an insulating surround or chamber 24 coupled. In the chamber 24 is an inner liquid-based cooling system 29 arranged. The cooling system 29 has a flow loop that allows a liquid to flow in a closed loop of objects or components 23 to a heat exchanger 28 to flow on the cold side of the Stirling radiator 22 is attached. The cooling system 29 may be formed using known materials, for example a plurality of tubes. The heat exchanger 28 may be an ordinary heat sink or other suitable device. The cooling liquid, which may be water or a suitable alternative, is by means of a pump 30 , which are coupled to the flow lines and from the power supply of the Stirling cooler 22 or an independent power supply is pumped in the flow loop.

Die in 8 dargestellte Kühlvorrichtung zeigt das Kühlsystem 29 in der Mitte der Kammer 24, so daß die wenigstens eine zu kühlende Komponente 23 das Kühlsystem 29 umgibt. Darüber hinaus sind weitere Ausführungsformen möglich, in denen das Kühlsystem 29 in verschiedenen Konfigurationen und Längen, abhängig von den räumlichen Gegebenheiten, implementiert ist. Beispielsweise kann das Kühlsystem 29 innerhalb der Wandungen der Kammer 24 ausgebildet sein oder diese bilden. In derartigen Ausführungsformen ist das Kühlsystem 29 nicht in der Mitte der Kammer 24 angeordnet. Ausführungsformen mit dem flüssigkeitsbasierten Kühlsystem 29 weisen eine erhöhte Kühleffizienz auf, da die Flüssigkeit die von der wenigstens einen Komponente 23 abgegebene Wärme sammelt und sie der kalten Seite des Stirling-Kühlers 22 über den Wärmetauscher 28 zuführt. Zudem gestattet die Verwendung einer Kühlflüssigkeit und gegebenenfalls von isolierten Kühlleitungen eine größere räumliche Trennung zwischen dem Stirling-Kühler und der zu kühlenden Komponente.In the 8th shown cooling device shows the cooling system 29 in the middle of the chamber 24 such that the at least one component to be cooled 23 the cooling system 29 surrounds. In addition, other embodiments are possible in which the cooling system 29 in different configurations and lengths, depending on the spatial conditions implemented. For example, the cooling system 29 inside the walls of the chamber 24 be formed or form this. In such embodiments, the cooling system is 29 not in the middle of the chamber 24 arranged. Embodiments with the liquid-based cooling system 29 have an increased cooling efficiency, since the liquid of the at least one component 23 heat dissipates and they are the cold side of the Stirling cooler 22 over the heat exchanger 28 supplies. In addition, the use of a cooling liquid and possibly of insulated cooling lines allows a greater spatial separation between the Stirling cooler and the component to be cooled.

Anstelle des beschriebenen Freikolben-Stirling-Kühlers können weitere Typen von Stirling-Kühlern verwendet werden, einschließlich derjenigen, die auf kinematischen Mechanismen beruhen, beispielsweise Doppelkolben-Stirling-Kühler und Kolben-und-Verdränger-Stirling-Kühler.Instead of of the described free-piston Stirling cooler, other types of Stirling coolers can be used be inclusive those based on kinematic mechanisms, for example Dual Piston Stirling Radiator and Piston and displacer Stirling cooler.

Erfindungsgemäß werden Stirling-Kühler verwendet, um Elektronikeinrichtungen, Quellen, Sensoren oder andere hitzeempfindliche Teile zu kühlen, die in der widrigen Umgebung im Bohrloch arbeiten müssen. In diesen Ausführungsformen sind die zu kühlenden Komponenten in einer isolierenden Kammer, beispielsweise einem Dewar-Gefäß, angeordnet, und das kalte Ende des Stirling-Kühlers ist entweder direkt oder indirekt über einen Wärmeübertragungsmechanismus an eine Seite der Kammer gekoppelt. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann einen erheblichen Wärmebetrag, beispielsweise 150 W, abführen. Damit ist es möglich, für die untergebrachten Komponenten eine Umgebung unterhalb von 125°C bereitzustellen, selbst wenn die Temperatur im Bohrloch 175°C beträgt. Modellstudien zeigen, daß die erfindungsgemäßen Ausführungsformen einer Kühlvorrichtung mit einem Stirling-Kühler in der Lage sind, Hitze mit einer Rate bis zu 400 W abzuführen.According to the invention Stirling cooler used, to electronic devices, sources, sensors or other heat-sensitive ones Cool parts, who have to work downhole in the adverse environment. In these embodiments are the ones to be cooled Components in an insulating chamber, such as a dewar, arranged, and the cold end of the Stirling cooler is either directly or indirectly via a heat transfer mechanism coupled to one side of the chamber. The cooling device according to the invention can a significant amount of heat, for example, 150 W, dissipate. This makes it possible for the components to provide an environment below 125 ° C, even if the temperature in the borehole is 175 ° C. Model studies show that the embodiments according to the invention a cooling device with a stirling cooler in able to dissipate heat at a rate up to 400W.

Einige Aspekte der Erfindung betreffen Verfahren zum Herstellen eines Bohrlochwerkzeugs mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Bohrlochwerkzeugs einschließlich einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Kühlvorrichtung mit einem Stirling-Kühler ist in 2 dargestellt. Es ist klar, daß die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine bestimmte Art eines Bohrlochwerkzeugs beschränkt sind. Die Erfindung kann vielmehr mit einem beliebigen Werkzeug oder Instrument verwendet werden, das zum Einbringen unter die Oberfläche ausgestaltet ist, einschließlich drahtleitungsgebundener Werkzeuge, LWD/MWD/LWT-Werkzeuge, Spiralrohrleitungswerkzeuge, Verrohrungsbohrwerkzeuge sowie zur langfristigen oder dauerhaften Anordnung, beispielsweise in einer Verrohrung eines Bohrlochs, zur Überwachung eines Reservoirs.Some aspects of the invention relate to methods of making a downhole tool having a cooling device according to the present invention. A schematic representation of a portion of a downhole tool including an inventive embodiment of a cooling device with a Stirling cooler is shown in FIG 2 shown. It will be understood that the embodiments of the invention are not limited to any particular type of downhole tool. Rather, the invention may be used with any sub-surface tool or instrument including wireline tools, LWD / MWD / LWT tools, spiral tubing tools, tubing tools, and for long term or permanent placement, such as in a well casing , for monitoring a reservoir.

9 illustriert ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bohrlochwerkzeugs. Das dargestellte Verfahren 70 umfaßt den Schritt 72, indem eine isolierende Einfassung oder Kammer in einem Bohrlochwerkzeug angeordnet wird. Die Kammer kann ein Dewar-Gefäß oder eine aus einem isolierenden Material, das zur Verwendung im Bohrloch geeignet ist, gebildete Kammer sein. Die Kammer kann ferner durch einen Ausschnitt auf dem isolierenden Werkzeugkörper gebildet sein. Anschließend wird eine Elektronikeinrichtung, die bei verhältnismäßig geringen Temperaturen arbeiten muß, in die isolierende Kammer eingebracht, Schritt 74. Alternativ hierzu können die Elektronikeinrichtung, eine Quelle zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung, Sensoren oder dergleichen in der isolierenden Kammer angeordnet werden, bevor Letztere im Bohrlochwerkzeug angebracht wird. Dann wird ein Stirling-Kühler im Bohrlochwerkzeug angebracht, Schritt 76. Die Reihenfolge des Anordnens des Stirling-Kühlers und der isolierenden Kammer ist nicht wichtig, d.h. der Stirling-Kühler kann am Bohrlochwerkzeug vor der isolierenden Kammer angebracht werden. Vorzugsweise wird der Stirling-Kühler benachbart zur isolierenden Kammer angeordnet. Wenn jedoch räumliche Begrenzungen eine Anordnung des Stirling-Kühlers benachbart zur isolierenden Kammer nicht ermöglichen, kann der Stirling-Kühler auch beabstandet von der isolierenden Kammer angeordnet und ein Wärmeübertragungsmechanismus dazwischen vorgesehen werden, um Wärme von der Kammer zum Stirling-Kühler zu leiten. 9 illustrates a method of manufacturing a downhole tool according to the invention. The illustrated method 70 includes the step 72 by placing an insulating skirt or chamber in a downhole tool. The chamber may be a dewar or a chamber formed of an insulating material suitable for downhole use. The chamber may also be formed by a cutout on the insulating tool body. Subsequently, an electronic device, which must operate at relatively low temperatures, introduced into the insulating chamber, step 74 , Alternatively, the electronic device, a source for emitting electromagnetic radiation, sensors or the like may be placed in the insulating chamber before the latter is mounted in the downhole tool. Then a Stirling cooler is mounted in the downhole tool, step 76 , The order of arranging the Stirling cow Lers and the insulating chamber is not important, ie the Stirling cooler can be attached to the downhole tool in front of the insulating chamber. Preferably, the Stirling cooler is disposed adjacent to the insulating chamber. However, if space limitations do not permit placement of the Stirling radiator adjacent the insulating chamber, the Stirling radiator may also be spaced from the insulating chamber and a heat transfer mechanism interposed therebetween to conduct heat from the chamber to the Stirling radiator.

10 zeigt ein Verfahren zum Kühlen eines Sensors oder einer Elektronikeinrichtung oder dergleichen, die in einem Bohrlochwerkzeug angeordnet sind. Das Verfahren 100 umfaßt einen Schritt 105 zum Bereitstellen eines Stirling-Kühlers im Bohrlochwerkzeug, benachbart zum Sensor bzw. zur Elektronikeinrichtung, und einen Schritt 110 zum Betreiben des Stirling-Kühlers, insbesondere durch Versorgen des Stirling-Kühlers mit Energie derart, daß Wärme vom Sensor bzw. der Elektronikeinrichtung entfernt wird. 10 shows a method of cooling a sensor or electronics or the like arranged in a downhole tool. The procedure 100 includes a step 105 for providing a Stirling cooler in the downhole tool, adjacent to the sensor or electronics, and a step 110 for operating the Stirling cooler, in particular by supplying the Stirling cooler with energy such that heat is removed from the sensor or the electronic device.

Claims (14)

Kühlvorrichtung für ein Bohrlochwerkzeug (20), gekennzeichnet durch eine im Bohrlochwerkzeug (20) angeordnete isolierende Kammer (24), die zum Aufnehmen eines zu kühlenden Objekts (47) ausgestaltet ist, und einen im Bohrlochwerkzeug (20) angeordneten Stirling-Kühler (22), der ein zum Entfernen von Wärme aus der isolierenden Kammer (24) ausgestaltetes kaltes Ende und ein zum Ableiten von Wärme ausgestaltetes heißes Ende aufweist.Cooling device for a downhole tool ( 20 ), characterized by a borehole tool ( 20 ) arranged insulating chamber ( 24 ) used to pick up an object to be cooled ( 47 ) and one in the downhole tool ( 20 ) arranged Stirling cooler ( 22 ), which removes heat from the insulating chamber ( 24 ) configured cold end and designed to dissipate heat hot end. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling-Kühler (22) ein Freikolben-Stirling-Kühler ist.Cooling device according to claim 1, characterized in that the Stirling cooler ( 22 ) is a free-piston Stirling cooler. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Freikolben-Stirling-Kühler einen Permanentmagneten (45) aufweist.Cooling device according to Claim 2, characterized in that the free-piston Stirling cooler has a permanent magnet ( 45 ) having. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Energiequelle zum Versorgen des Stirling-Kühlers (22) mit Energie, wobei die Energiequelle eine elektrische Energiequelle an der Oberfläche, eine Batterie im Bohrloch, eine hydraulische Energiequelle oder ein Energiegenerator im Bohrloch ist.Cooling device according to one of claims 1 to 3, characterized by a power source for supplying the Stirling cooler ( 22 ), wherein the energy source is an on-surface electrical energy source, a downhole battery, a hydraulic power source, or a downhole power generator. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertragungsmechanismus (35) zwischen dem kalten Ende des Stirling-Kühlers (22) und der isolierenden Kammer (24), der zum Leiten von Wärme von der isolierenden Kammer (24) zum kalten Ende des Stirling-Kühlers (22) ausgestaltet ist.Cooling device according to one of claims 1 to 4, characterized by a heat transfer mechanism ( 35 ) between the cold end of the Stirling cooler ( 22 ) and the insulating chamber ( 24 ), which is used to conduct heat from the insulating chamber ( 24 ) to the cold end of the Stirling cooler ( 22 ) is configured. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Kammer (24) zum Bereitstellen einer Luftströmung in der Nähe des zu kühlenden Objekts (23) ausgestaltet ist.Cooling device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the insulating chamber ( 24 ) for providing an air flow in the vicinity of the object to be cooled ( 23 ) is configured. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Kammer (24) zum Bereitstellen einer Flüssigkeitsströmung in der Nähe des zu kühlenden Objekts (23) ausgestaltet ist.Cooling device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the insulating chamber ( 24 ) for providing a liquid flow in the vicinity of the object to be cooled ( 23 ) is configured. Verfahren zum Kühlen einer in einem Bohrlochwerkzeug angeordneten Komponente (23), gekennzeichnet durch Bereitstellen eines Stirling-Kühlers (22) im Bohrlochwerkzeug (20) in der Nähe der Komponente (23) und Versorgen des Stirling-Kühlers (22) mit Energie derart, daß Wärme von der Komponente (23) entfernt wird.Method for cooling a component arranged in a downhole tool ( 23 ), characterized by providing a Stirling cooler ( 22 ) in the downhole tool ( 20 ) in the vicinity of the component ( 23 ) and supplying the Stirling cooler ( 22 ) with energy such that heat from the component ( 23 ) Will get removed. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Stirling-Kühler (22) ein Freikolben-Stirling-Kühler verwendet wird.Method according to claim 8, characterized in that as Stirling cooler ( 22 ) a free-piston Stirling cooler is used. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Freikolben-Stirling-Kühler mit einem Permanentmagneten (45) verwendet wird.Method according to claim 9, characterized in that a free-piston Stirling cooler with a permanent magnet ( 45 ) is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle an der Oberfläche, einer Batterie im Bohrloch, einer hydraulischen Energiequelle oder einem Energiegenerator im Bohrloch bereitgestellt wird.Method according to one of claims 8 to 10, characterized that electrical Energy from an electrical energy source at the surface, one Battery in the borehole, a hydraulic energy source or a Energy generator is provided in the borehole. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (23) in einer isolierenden Kammer (24) im Bohrlochwerkzeug (20) angeordnet wird, wobei die Kammer (24) zum Bereitstellen einer Luftströmung oder einer Flüssigkeitsströmung in der Nähe der Komponente (23) ausgestaltet ist.Method according to one of Claims 8 to 11, characterized in that the component ( 23 ) in an insulating chamber ( 24 ) in the downhole tool ( 20 ), the chamber ( 24 ) for providing an air flow or a liquid flow in the vicinity of the component ( 23 ) is configured. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komponente (23) mit einem Sensor verwendet wird.Method according to one of Claims 8 to 12, characterized in that a component ( 23 ) is used with a sensor. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komponente (23) mit einer Elektronikeinrichtung verwendet wird.Method according to one of claims 8 to 13, characterized in that a component ( 23 ) is used with an electronic device.
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