一種用于井下工具電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)

宋超，劉小玉

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，地下易鉆探自然資源儲備逐年減少，為了最大限度地增加產(chǎn)量從而提高經(jīng)濟(jì)效益，行業(yè)的鉆探深度開始加深。由于井下工作環(huán)境惡劣，振動、刺激性化學(xué)物質(zhì)以及溫度都對維持井下工具的正常運(yùn)行構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)。其中井下溫度可達(dá)到200 ℃或更高，電子元件在高溫下會導(dǎo)致漂移，產(chǎn)生非線性響應(yīng)，且靈敏度降低，甚至完全失效，給井下工具的應(yīng)用帶來了極大的考驗(yàn)，使得在井下環(huán)境中難以運(yùn)行敏感的電子元件，通常都需要附加額外的冷卻裝置來維持井下電子設(shè)備的正常運(yùn)行。此外井下載體上的空間通常限制為直徑幾厘米到幾十厘米，所以對電子設(shè)備及外設(shè)的體積要求較高，而測井和鉆井設(shè)備為了執(zhí)行測井、流體分析以及設(shè)備監(jiān)控等井下任務(wù)，通常包含各種傳感器、儀器儀表和控制裝置，空間余量較小。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)通常要消耗很大功率并占據(jù)工具載體上的大量寶貴空間，且會在系統(tǒng)中增加額外的故障點(diǎn)。

為此，設(shè)計了一種用于井下工具電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，包括一個冷卻裝置和一種低功耗運(yùn)行井下電子設(shè)備的方法，其中冷卻裝置中的主動冷卻層采用熱電制冷技術(shù)，具有體積小、重量輕、易安裝和冷卻速度快等優(yōu)點(diǎn)；低功耗模式可通過定時中斷來實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備周期性的工作。主動冷卻層具有快速的冷卻速率，允許電子設(shè)備以低功耗模式周期性工作，達(dá)到延長井下電子設(shè)備連續(xù)正常工作時間和使用壽命的目的。

1 冷卻系統(tǒng)原理

井下電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)主要是利用薄膜熱電制冷技術(shù)（TEC）的珀爾帖效應(yīng)制成的，如圖1 所示。珀爾帖效應(yīng)是指當(dāng)直流電流通過由兩種半導(dǎo)體材料所組成的電偶時，當(dāng)輸入一個電壓Vin時，回路中會產(chǎn)生一個相應(yīng)的電流。正端材料1 與材料2的結(jié)點(diǎn)A 處的熱量會被吸收，從而產(chǎn)生一個微弱的制冷現(xiàn)象，而在另一個結(jié)點(diǎn)B 處，隨著熱量流入，溫度會升高。

圖1 珀爾帖效應(yīng)示意圖

熱電制冷技術(shù)通過薄膜熱電冷卻層吸收電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，再把吸收的熱量傳遞到散熱器，從而達(dá)到冷卻電子設(shè)備的目的。熱電制冷技術(shù)是一種新型的制冷技術(shù)，無需制冷劑即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制溫度，具有冷卻速度快、使用壽命長，具有體積小、重量輕、易安裝和無噪音等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于井下電子設(shè)備的冷卻散熱。

由于井下工具的電子設(shè)備不需要頻繁的作業(yè)，測井、流體分析、設(shè)備監(jiān)控以及通信等作業(yè)均可在幾十毫秒內(nèi)執(zhí)行完成，若能設(shè)計出一種低功耗運(yùn)行井下電子設(shè)備的方法，即可降低井下電子設(shè)備的功耗，減小系統(tǒng)發(fā)熱量。通過設(shè)置MCU 的工作寄存器，使電子設(shè)備持續(xù)工作在低功耗模式，并利用定時器中斷周期性地喚醒電子設(shè)備執(zhí)行作業(yè)，就能夠以最小的成本維持井下工具電子設(shè)備及冷卻系統(tǒng)的正常工作，從而降低冷卻系統(tǒng)及井下工具電子設(shè)備的功耗，減輕冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 冷卻系統(tǒng)的組成

冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，包括電子設(shè)備102、主動冷卻層104、散熱器106 以及散熱設(shè)備108。其中電子設(shè)備放置在主動冷卻層上，主動冷卻層放置在散熱器上，散熱器放置在散熱設(shè)備上。散熱設(shè)備使用高容量熱容散熱材料，其熱容量足以在散熱設(shè)備的管芯被冷卻時，使得管芯的溫升最小化，從而讓管芯保持在最低溫度，使主動冷卻層最大效率的運(yùn)行。對于一些貯存溫度較高，不會被井下高溫永久損壞，但需要通過冷卻來改善性能的電子設(shè)備來說，由于主動冷卻層的高熱泵能力，能夠?qū)崿F(xiàn)快速冷卻，所以可以設(shè)置低功耗模式，使冷卻所需的總能量大量減少，尤其電池供電或任何功率有限的井下工具特別有用。

圖2 冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

主動冷卻層是一個非常薄的薄膜熱電冷卻器，能夠?yàn)殡娮釉O(shè)備提供主動冷卻，工作時與電子器件直接接觸，以實(shí)現(xiàn)最大的熱傳遞和最小的損耗。主動冷卻層是使用一種或多種微機(jī)械加工或沉積工藝形成的有源冷卻層，是一個具有大約1 000 個交替的5 nm 厚超晶格結(jié)構(gòu)的熱電材料層，例如交替的鉍電池和碲化銻。薄膜熱電材料可以散出多達(dá)700 W·cm-2的熱量，具有超過1 單位的性能系數(shù)（COP 每瓦特所用熱泵的瓦特數(shù)）。

散熱器由高導(dǎo)熱材料制成，例如630 W·mK-1熱導(dǎo)率的金剛石以及180 W·mK-1熱導(dǎo)率的氮化鋁。散熱器有比電子設(shè)備或主動冷卻層表面大得多的面積，用于放置主動冷卻層和電子設(shè)備。

在工作時，散熱器從電子設(shè)備和主動冷卻層吸收熱量，并通過大面積和體積的散熱設(shè)備散熱。散熱設(shè)備采用具有高體積熱容的材料制成，例如電絕緣散熱器可以采用氧化鋁或氮化鋁制成；導(dǎo)電散熱器可以采用銅或鋁或硅制成。此外，散熱設(shè)備也可以通過充滿液體的熱管來散熱。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

冷卻系統(tǒng)硬件框圖如圖3 所示，整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括MCU 控制器、冷卻模塊、電源模塊、監(jiān)控模塊以及通信模塊。

圖3 冷卻系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

MCU 控制器采用TI 公司的MSP430F169 超低功耗芯片，MSP430F169 可工作在一種活動模式和5種低功耗模式（LPM0～LPM4）下。通過軟件設(shè)置控制位SCG1、SCG0、OscOff 和 CPUOff，MSP430 可進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式，各種低功耗模式又可通過中斷方式返回活動模式。

冷卻模塊包括溫度傳感器以及主動冷卻層，溫度傳感器監(jiān)測溫度反饋給控制器，控制器控制主動冷卻層快速冷卻，保證各模塊工作在適合的工作溫度。

其他子模塊是冷卻系統(tǒng)的負(fù)載，不再詳細(xì)敘述。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

冷卻系統(tǒng)軟件流程圖如圖4 所示。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)開始初始化，設(shè)置MCU 持續(xù)工作在低功耗模式，并控制電源模塊斷開各子模塊的供電。利用定時器中斷喚醒系統(tǒng)，首先進(jìn)入中斷子程序啟動冷卻控制模塊，使環(huán)境溫度快速降低，當(dāng)溫度傳感器探測到的溫度滿足工作溫度條件后，恢復(fù)各模塊的供電并執(zhí)行井下作業(yè)，各模塊執(zhí)行完成任務(wù)后，關(guān)閉各模塊的供電，進(jìn)入低功耗模式，等待下一次作業(yè)。

由于井下工具電子設(shè)備作業(yè)時間短，使得冷卻系統(tǒng)能夠以最小的成本維持井下工具電子設(shè)備的正常工作。這樣，冷卻系統(tǒng)、井下工具電子設(shè)備消耗的功耗小，產(chǎn)生的熱量也比較小，減輕了冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

圖4 冷卻系統(tǒng)軟件流程圖

3 結(jié)束語

設(shè)計了一種用于井下工具電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，包括一個冷卻裝置和一種低功耗運(yùn)行井下電子設(shè)備的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)井下工具電子設(shè)備的快速冷卻，且允許電子設(shè)備以低功耗模式周期性工作，以達(dá)到延長井下電子設(shè)備連續(xù)正常工作時間和使用壽命的目的。該冷卻系統(tǒng)具有體積小、重量輕、易安裝、成本低和冷卻速度快等優(yōu)點(diǎn)，且低功耗無需外部供電，可部署在井中自主操作，具有良好的應(yīng)用前景。