一種用于井下工具電子設備的冷卻系統

宋超，劉小玉

（西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065）

隨著石油工業的發展，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量從而提高經濟效益，行業的鉆探深度開始加深。由于井下工作環境惡劣，振動、刺激性化學物質以及溫度都對維持井下工具的正常運行構成了很大的挑戰。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，產生非線性響應，且靈敏度降低，甚至完全失效，給井下工具的應用帶來了極大的考驗，使得在井下環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，所以對電子設備及外設的體積要求較高，而測井和鉆井設備為了執行測井、流體分析以及設備監控等井下任務，通常包含各種傳感器、儀器儀表和控制裝置，空間余量較小。傳統冷卻系統通常要消耗很大功率并占據工具載體上的大量寶貴空間，且會在系統中增加額外的故障點。

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

1 冷卻系統原理

井下電子設備的冷卻系統主要是利用薄膜熱電制冷技術（TEC）的珀爾帖效應制成的，如圖1 所示。珀爾帖效應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，回路中會產生一個相應的電流。正端材料1 與材料2的結點A 處的熱量會被吸收，從而產生一個微弱的制冷現象，而在另一個結點B 處，隨著熱量流入，溫度會升高。

圖1 珀爾帖效應示意圖

熱電制冷技術通過薄膜熱電冷卻層吸收電子設備產生的熱量，再把吸收的熱量傳遞到散熱器，從而達到冷卻電子設備的目的。熱電制冷技術是一種新型的制冷技術，無需制冷劑即可實現精準控制溫度，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點，特別適合用于井下電子設備的冷卻散熱。

由于井下工具的電子設備不需要頻繁的作業，測井、流體分析、設備監控以及通信等作業均可在幾十毫秒內執行完成，若能設計出一種低功耗運行井下電子設備的方法，即可降低井下電子設備的功耗，減小系統發熱量。通過設置MCU 的工作寄存器，使電子設備持續工作在低功耗模式，并利用定時器中斷周期性地喚醒電子設備執行作業，就能夠以最小的成本維持井下工具電子設備及冷卻系統的正常工作，從而降低冷卻系統及井下工具電子設備的功耗，減輕冷卻系統的負擔。

2 冷卻系統的設計

2.1 冷卻系統的組成

冷卻裝置的結構示意圖如圖2 所示，包括電子設備102、主動冷卻層104、散熱器106 以及散熱設備108。其中電子設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備上。散熱設備使用高容量熱容散熱材料，其熱容量足以在散熱設備的管芯被冷卻時，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備來說，由于主動冷卻層的高熱泵能力，能夠實現快速冷卻，所以可以設置低功耗模式，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 冷卻裝置的結構示意圖

主動冷卻層是一個非常薄的薄膜熱電冷卻器，能夠為電子設備提供主動冷卻，工作時與電子器件直接接觸，以實現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 厚超晶格結構的熱電材料層，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（COP 每瓦特所用熱泵的瓦特數）。

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備。

在工作時，散熱器從電子設備和主動冷卻層吸收熱量，并通過大面積和體積的散熱設備散熱。散熱設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，散熱設備也可以通過充滿液體的熱管來散熱。

2.2 系統硬件設計

冷卻系統硬件框圖如圖3 所示，整個系統采用模塊化設計，包括MCU 控制器、冷卻模塊、電源模塊、監控模塊以及通信模塊。

圖3 冷卻系統硬件設計框圖

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。通過軟件設置控制位SCG1、SCG0、OscOff 和 CPUOff，MSP430 可進入相應的低功耗模式，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的負載，不再詳細敘述。

2.3 系統軟件設計

冷卻系統軟件流程圖如圖4 所示。單片機上電后，系統開始初始化，設置MCU 持續工作在低功耗模式，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，首先進入中斷子程序啟動冷卻控制模塊，使環境溫度快速降低，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行井下作業，各模塊執行完成任務后，關閉各模塊的供電，進入低功耗模式，等待下一次作業。

由于井下工具電子設備作業時間短，使得冷卻系統能夠以最小的成本維持井下工具電子設備的正常工作。這樣，冷卻系統、井下工具電子設備消耗的功耗小，產生的熱量也比較小，減輕了冷卻系統的負擔。

圖4 冷卻系統軟件流程圖

3 結束語

設計了一種用于井下工具電子設備的冷卻系統，包括一個冷卻裝置和一種低功耗運行井下電子設備的方法，能夠實現井下工具電子設備的快速冷卻，且允許電子設備以低功耗模式周期性工作，以達到延長井下電子設備連續正常工作時間和使用壽命的目的。該冷卻系統具有體積小、重量輕、易安裝、成本低和冷卻速度快等優點，且低功耗無需外部供電，可部署在井中自主操作，具有良好的應用前景。