MX2012009280A - Manejo termico de botella de presion de lecho marino. - Google Patents

Abstract

Un módulo electrónico submarino o botella de presión con capacidades ampliamente mejoradas para conducir calor lejos de las tarjetas electrónicas internas por medio de un sistema de cuña de conducción de calor ajustable.

Description

MANEJO TÉRMICO DE BOTELLA DE PRESIÓN DE LECHO MARINO CAMPO DE LA INVENCIÓN El campo se refiere a botellas de presión submarinas utilizadas para alojar ensambles electrónicos y a problemas térmicos asociados con las mismas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Varios aspectos del control de pozos de extracción de fluidos submarinos, por ejemplo, pozos de producción de hidrocarburos submarinos, se manejan por sistemas de monitoreo alojados en una botella de presión cilindrica. Estos sistemas pueden incluir sistemas optoelectrónicos y/o de detección óptica. Esto puede denominarse como módulo electrónico submarino, una botella de presión, u otros términos. Las botellas de presión existentes contienen un número de tarjetas de cableado impreso que realizan un número de funciones dedicadas. El exterior de la botella de presión es típicamente un cilindro de metal de sección transversal circular diseñado para manejar la presión sustancial del medio ambiente. Esto aloja tarjetas electrónicas de circuitos impresos, localizadas en conectores montados en una tarjeta madre, que facilita las conexiones a los conectores de entrada y de salida en el extremo del módulo, así como también la alimentación de energía dentro del módulo .

Los componentes electrónicos dentro de las botellas de presión generan calor y ese calor debe eliminarse para evitar que se dañen por sobrecalentamiento. La transferencia de calor radiante no es muy efectiva en tal aplicación y las partes móviles, tales como ventiladores no se permiten por razones de conflabilidad. Esto deja la conducción de calor como una alternativa preferida. Las abrazaderas que crean una trayectoria térmica desde las tarjetas de circuito electrónico y la carcasa exterior de la botella de presión a menudo se utilizan, pero proporcionan un área superficial más bien limitada para la transferencia de calor.

La Patente Estadounidense 4,400,858 para Goiffon, et al, describe un empaque electrónico situado en el fondo de la perforación de un sistema de telemetría MWD en el cual se utilizan sujetadores para acoplar la periferia interior del tubo que rodea la electrónica. Los sujetadores se elaboran de un material elástico y tienen un radio externo de curvatura que son ligeramente más grande que el radio interior del tubo de manera que cuando el sujetador se inserta en el tubo se deforma al sujetar el tubo y transferir calor a la pared del tubo. Esto facilita la conducción de calor a la pared externa del recinto pero en un grado limitado, particularmente con los circuitos electrónicos de alta generación de calor.

Existen otros ejemplos de la técnica anterior en las Patentes Estadounidenses 6,865,085; 5,382,175, 4,547,833, 4,546,407; y 4,184,539, - todos de los cuales utilizan conducción más bien limitada, o alguna combinación con radiación para afectar a la transferencia de calor.

Existe entonces una necesidad para una solución más sólida para la remoción de calor en estas botellas electrónicas sumergidas. Una que no implique la convección o radiación, las cuales usualmente no son opciones en esta solicitud.

COMPENDIO DE LA DESCRIPCIÓN Esta necesidad se satisface como se describe en esta descripción .

Puede satisfacerse por un módulo electrónico submarino o botella de presión con capacidades ampliamente mejoradas para conducir el calor lejos de las tarjetas electrónicas internas incluyendo por lo menos: un alojamiento externo con una sección transversal sustancialmente circular y una longitud L, por lo menos una placa de montaje electrónica; componentes electrónicos montados en por lo menos una placa de montaje electrónica; por lo menos una cuña ajustable que se extiende a lo largo de la longitud L y se coloca entre por lo menos una placa de montaje electrónica en la pared de alojamiento externa; en donde por lo menos una cuña ajustable se extiende a lo largo de la longitud L y se coloca entre por lo menos una placa de montaje electrónica y la pared de alojamiento externa tiene un mecanismo de ajuste para presionar la cuña ajustable hacia afuera contra el interior del alojamiento externo para incrementar el área de contacto de conducción de calor.

En otro aspecto, esta necesidad se satisface cuando por lo menos una cuña ajustable que se extiende a lo largo de la longitud L y se coloca entre por lo menos una placa de montaje electrónica y la pared de alojamiento externa se configuran como una cuña uniforme con un ángulo de cuña y la placa de montaje electrónica tiene una forma de cuña opuesta con un ángulo de cuña idéntico.

En otro aspecto, esta necesidad se satisface cuando por lo menos una cuña ajustable que se extiende a lo largo de la longitud L y se coloca entre por lo menos una placa de montaje electrónica y la pared de alojamiento externa se configura como una cuña en diente de sierra.

En otro aspecto, esta necesidad se satisface por un método para incrementar la conducción de calor entre las tarjetas electrónicas y la pared de alojamiento exterior en un módulo electrónico submarino o botella de presión de longitud L que comprende las etapas de: colocar por lo menos una cuña ajustable que se extiende a lo largo de la longitud L y colocada entre por lo menos una placa de montaje electrónica en la pared de la alojamiento externa; proporcionar un mecanismo de ajuste para presionar la cuña ajustable hacia afuera contra el interior del alojamiento externo para incrementar el área de contacto de conducción de calo .

En otro aspecto, esta necesidad se satisface cuando la etapa de proporcionar un mecanismo de ajuste para presionar la cuña ajustable hacia afuera contra el interior del alojamiento externo se proporcionada por un mecanismo de tornillo para mover por lo menos una cuña ajustable a lo largo de la longitud L.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Las modalidades preferidas y sus ventajas se entienden mejor por referencia a las FIGURAS 1 a 8.

La Figura 1 ilustra una botella de presión submarina con tarjetas de circuito internas e ilustra un conductor de calor de cuña.

La FIGURA 2 es una vista en corte que muestra la relación de las cuñas con una placa de montaje electrónico.

La Figura 3 es una ilustración del perfil térmico de un interior de botella de presión sin el uso de cuñas.

La Figura 4 es una ilustración del perfil térmico de un interior de la botella de presión con el uso de cuñas.

La Figura 5 es una ilustración del funcionamiento de una cuña.

La Figura 6 es una ilustración de una cuña con diente de sierra.

La Figura 7 es una ilustración del uso de cuñas múltiples .

La Figura 8 es una ilustración del uso de cuñas múltiples con estantes múltiples en una botella de presión.

Aunque ciertas modalidades de la presente descripción y sus ventajas se han descrito en la presente en detalle, debe entenderse que diversos cambios, sustituciones y alteraciones pueden hacerse sin apartarse del espíritu y alcance de la invención como se define por las reivindicaciones anexas. Además, el alcance no se pretende para ser limitado a las modalidades particulares de los procesos, máquinas, manufacturas, medios, métodos y etapas descritos en la presente. Conforme una persona de experiencia ordinaria en la técnica fácilmente apreciará a partir de esta descripción, pueden utilizarse otros procesos, máquinas, manufacturas, medios, métodos, o etapas, que actualmente existen o posteriormente se desarrollarán, que realicen sustancialmente la misma función o logren sustancialmente el mismo resultado que las modalidades correspondientes descritas en la presente. Por consiguiente, las reivindicaciones anexas se pretenden para incluir dentro de su alcance tales procesos, máquinas, manufacturas, medios, métodos o etapas .

La Figura 1, muestra como el número 100, es una representación de una botella de presión que muestra un número de componentes electrónicos 110, 120, 130, 140, y un solo sistema de computadora de tarjeta 150. La botella de presión exterior en sí como se muestra como transparente para propósitos ilustrativos, aunque generalmente se elabora de un metal de acero inoxidable o cobre-berilio. La electrónica se monta usualmente en recintos de aluminio con salientes en los mismos que hacen contacto con las zonas de intenso calor en las tarjetas. Estas propagan el calor y lo mueven a la placa de montaje principal 160. Los recintos también retienen conectores y proporcionan trayectorias precisas para cables de manera que se encuentren completamente restringidos. Para facilitar la conducción de transferencia de calor la mayoría de las implementaciones de la técnica anterior tienen sujetadores, abrazaderas, o mecanismos de anillo cerca de los extremos de la placa de montaje, tal como 180 en la Figura 1. Una modalidad posible se muestra como 170 en la Figura 1 -una cuña extendida que corre a lo largo de la botella de presión y puede presionarse ajustablemente contra la pared de la botella de presión para proporcionar un área de conducción de calor ampliamente incrementada.

Existe una junta térmica flexible delgada o grasa térmica entre las cuñas y la pared de la botella para compensar la compresión de la botella bajo presión, por lo que la cuña no se aprieta completamente contra la botella -la botella se encuentra libre de expandirse y contraerse cuando se requiera. En un caso ejemplar la cuña incrementa el área de contacto de 14.838 cm2 a 360.64 cm2 (2.3 pulgadas cuadradas a 55.9 pulgadas cuadradas) y, de esta manera se distribuye el calor más uniformemente en la pared.

La Figura 2, se muestra generalmente como 200, es una versión simplificada de la Figura 1, que muestra solamente la placa 160 de montaje principal, los anillos 180 de montaje, y la cuña 170 ajustable - la cuña ajustable siendo una de las modalidades posibles. Una cuña ajustable idéntica se proporciona en el lado opuesto de la botella de presión.

Para cuantificar el mejoramiento potencial de este incremento dramático del área superficial de transferencia de calor un modelo térmico de la botella mostrado en la Figura 1 se desarrolló y simuló para los dos casos - primero para un caso en el que una cuña ajustable no se incluyó y un segundo caso en el cual la cuña ajustable se incluyó y se presionó contra la pared exterior.

La figura 3 demuestra los gradientes térmicos para un primer caso en el cual el área de transferencia de calor disponible se proporciona por los anillos 310 de montaje solamente. Para el calor típico generado por los componentes electrónicos de la distribución de la temperatura resultante resultó en- la mayoría de los componentes 350 centrales ocho grados Celsius más caliente que los anillos 310 extremos. Las regiones 330 fueron aproximadamente 4 grados más calientes que los anillos 310 extremos.

La Figura 4 demuestra el gradiente térmico para un segundo caso en el cual una cuña 410 ajustable se utiliza y se encuentra en pleno contacto con la pared exterior. La temperatura resultante para este caso, utilizando los mismos parámetros de calor generados resulta en componentes 410 todos en contacto con la pared exterior que se encuentra dentro de 0.2 grados Celsius entre sí. Las regiones 420 estuvieron dentro de 0.5 grados Celsius de las regiones 410. Las regiones 430 estuvieron un grado más caliente que las regiones 410 y la región 440 la más caliente de 1.5 grados Celsius más caliente que la región 410.

La Figura 5 ilustra entonces la forma en que una cuña ajustable 520 se utiliza para mantener un buen contacto entre el alojamiento electrónico 540 y el alojamiento exterior 560. El alojamiento electrónico 540 y la cuña 520 son ambos en forma de cuña, pero en direcciones opuestas y con el mismo ángulo T de cuña. De este modo como el tornillo 580 se gira la cantidad de movimiento vertical a es dependiente del ángulo T de cuña, el paso de rosca ß de tornillo 580, y el número de vueltas N del tornillo de manera que a = ?*ß*?ß??. Con tal diseño el contacto con el alojamiento 560 exterior como se ejemplifica por el espesor de la grasa térmica ilustrada 570 es uniforme a lo largo de la longitud de la cuña, asegurando un contacto uniforme para la conducción de calor uniforme.

Con cuñas individuales, el ángulo depende de la longitud del cilindro y el espacio disponible entre el alojamiento exterior y el alojamiento electrónico. Entre más grande sea el alojamiento, más superficial será el ángulo, por lo que se necesita más vueltas para apretar la cuña.

En otra modalidad del concepto inventivo la Figura 6 ilustra una implementación que utiliza superficies inclinadas múltiples en lugar de una alargada tal como en la Figura 2. El resultado es una cuña 610 con dientes de sierra. La cuña con dientes de sierra instalada dentro de una botella de presión se muestra como 620 a cualquier lado de la botella. La disposición de diente de sierra permite una funcionalidad más simple para la expansión de la cuña. Con cuñas de dientes de sierra el ángulo puede ser mucho más pronunciado, de modo que se requieren menos vueltas, y el ángulo es independiente de la longitud. Un pequeño ajuste hacia delante de un tornillo en un extremo de la botella proporciona un movimiento lateral de la cuña. Esto permite a la cuña ser independiente de la longitud del recinto, de modo que el ángulo puede fijarse en un valor mucho más grande. Una vuelta del tornillo proporciona más movimiento lateral por menos movimiento lineal. El área superficial del contacto térmico se mantiene. La cuña de diente de sierra funciona con cualquier longitud de botella.

En las aplicaciones más demandantes en las cuales se requiere un área de conducción de más calor las modalidades alternativas, que incluyen más lóbulos de cuña desplegados radialmente alrededor de la botella de presión. La Figura 7 ilustra un último procedimiento para esta modalidad con un cilindro de cuña de dientes de sierra octogonal. Un total de ocho cuñas 710 rodean el anaquel electrónico. Este tipo de disposición puede resultar en 4 veces el área de contacto de la unidad de dos cuñas de la figura 2.

Con tal área de conducción de calor expandida, la posibilidad de agregar estantes para varios niveles de electrónica es ahora posible. La figura 8 ilustra otro cilindro de cuña de dientes de sierra octogonales con múltiples estantes 850, 860, 870. Todas las superficies internas pueden utilizarse para montar electrónica. Esta disposición puede ser ensamblada capa por capa y el la alojamiento diente de sierra agregado al último, con material de junta térmica o grasa térmica intermedia para mejorar la conducción .

En la práctica cualquiera de las modalidades ilustradas en las Figuras 2, 6, 7 y 8 pueden insertarse en la botella de presión submarina y después de la inserción de los tornillos de los extremos en cada una de las cuñas pueden entonces apretarse para presionar hacia fuera la cuña contra la pared interior del alojamiento externo.

Todos los métodos descritos y reivindicados en la presente pueden ejecutarse sin experimentación indebida a la luz de la presente descripción. Mientras que descripción puede haber sido descrita en términos de modalidades preferidas, será aparente para aquellos de experiencia ordinaria en la técnica que las variaciones pueden aplicarse a los componentes descritos en la presente sin apartarse del concepto, espíritu y alcance de la descripción. Todos estos sustitutos y modificaciones similares evidentes para los expertos en la técnica se consideran dentro del espíritu, alcance y concepto de la invención como se define en las reivindicaciones anexas .

Claims (5)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención como antecede, se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. Un módulo electrónico submarino o botella de presión con capacidades ampliamente mejoradas para conducir calor lejos de las tarjetas electrónicas internas caracterizado porque comprende: a. un alojamiento externo con una sección transversal sustancialmente circular y una longitud L; b. por lo menos una placa de montaje electrónica; c. componentes electrónicos montados en por lo menos una placa de montaje electrónica; d. por lo menos una cuña ajustable que se extiende a lo largo de la longitud L y colocada entre por lo menos una placa de montaje electrónica de tal pared de alojamiento externa; e. en donde por lo menos una cuña ajustable que se extiende a lo largo de la longitud L y colocada entre por lo menos una placa de montaje electrónica y tal pared de alojamiento externo tiene un mecanismo de ajuste para presionar la cuña ajustable hacia afuera contra el interior del alojamiento externo para incrementar el área de contacto de conducción de calor.

2. El módulo electrónico submarino o botella de presión con capacidades ampliamente mejoradas para conducir el calor lejos de las tarjetas electrónicas internas de conformidad con la reivindicación 1, se caracteriza porque por lo menos una cuña ajustable se extiende a lo largo de la longitud L y colocado entre por lo menos una placa de montaje electrónica y la pared del alojamiento externo se configura como una cuña uniforme con un ángulo de cuña y tal placa de montaje electrónica tiene una forma de cuña opuesta con el ángulo de cuña idénticos .

3. El módulo electrónico submarino o botella de presión con capacidades ampliamente mejoradas para conducir el calor lejos de las tarjetas electrónicas internas de conformidad con la reivindicación 1, se caracteriza porque por lo menos una cuña ajustable que se extiende a lo largo de la longitud L y colocada entre por lo menos una placa de montaje electrónica y la pared de alojamiento externa se configura como una cuña con un ángulo de cuña y la placa de montaje electrónica tiene una forma de cuña opuesta con un ángulo de cuña idéntico .

4. Un método para incrementar la conducción de calor entre las tarjetas electrónicas y la pared de alojamiento exterior en un módulo electrónico submarino o botella de presión de longitud L, caracterizado porque comprende las etapas de: a. colocar por lo menos una cuña ajustable que se extiende a lo largo de la longitud L y colocada entre por lo menos una placa de montaje electrónica de tal pared de alojamiento externa; b. proporcionar un mecanismo de ajuste para presionar la cuña ajustable hacia afuera contra el interior del alojamiento externo al incrementar el área de contacto de conducción de calor.

5. El método para incrementar la conducción de calor entre las tarjetas electrónicas y la pared de alojamiento exterior en un módulo electrónico submarino o botella de presión de longitud L de conformidad con la reivindicación 4, se caracteriza porque en la etapa de proporcionar un mecanismo de ajuste para presionar tal cuña ajustable hacia afuera contra el interior del alojamiento externa se proporcionado por un mecanismo de tornillo para mover por lo menos una cuña ajustable a lo largo de la longitud L.