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 電子工程學院，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、刺激性化學物質(zhì)以及溫度都對維持井下工具的正常運行構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)。其中井下溫度可達到200 ℃或更高，電子元件在高溫下會導致漂移，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，使得在井下環(huán)境中難以運行敏感的電子元件，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。

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；低功耗模式可通過定時中斷來實現(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)是指當直流電流通過由兩種半導體材料所組成的電偶時，當輸入一個電壓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)，無需制冷劑即可實現(xiàn)精準控制溫度，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，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)的負擔。

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，能夠為電子設(shè)備提供主動冷卻，工作時與電子器件直接接觸，以實現(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)）。

散熱器由高導熱材料制成，例如630 W·mK-1熱導率的金剛石以及180 W·mK-1熱導率的氮化鋁。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)的負載，不再詳細敘述。

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，當溫度傳感器探測到的溫度滿足工作溫度條件后，恢復各模塊的供電并執(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)的負擔。

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，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。