测井仪用可更换储热模块的液冷-相变热管理装置及方法

1.本发明属于测井技术领域，更具体地，涉及一种测井仪用可更换储热模块的液冷-相变热管理装置及方法。


背景技术：

2.随着对油气资源需求的增加，油气开采变得愈发重要。测井仪用于勘探地底油气资源分布，其内部电子器件面临着井下高温环境，芯片长时间自身发热以及环境漏热导致热量聚集，出现局部热点，从而出现热失效的问题。与此同时，测井仪在作业完毕后可能存在短时间二次作业的情况，需要将芯片快速降温。然而作业完毕后的高温芯片不能直接暴露在环境中，一方面，巨大的温差导致热应力过大，可能造成芯片损坏，另一方面，在空气湿度过大的场合中，水蒸气液化可能导致芯片短路。
3.针对测井仪高温失效的问题，传统的测井仪热管理方案采用绝热瓶，相变材料进行隔热以及储热，通过热传导将热量从芯片传递至相变材料。譬如，公告号为cn110087438a的中国发明专利，公开了“一种测井仪内的大功率器件散热储热装置及方法”，大功率器件的热量通过导热基座、导热管以热传导的方式直接导入并存储在吸热剂中，这种方式减少了传热环节，能够满足热流密度较低的电子器件的控温需求。
4.但是，由于热传导散热能力有限，芯片至相变材料存在一定的温差，相变材料的显热未得到充分利用。同时，由于绝热瓶较好的隔热性能，导致作业完毕后内部散热缓慢，冷却时间较长，影响作业进度。
5.针对如何快速散热这一问题，尚未有相应的技术解决。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测井仪用可替换储热模块的液冷-相变热管理装置及方法，其目的在于，同时解决测井仪高温热失效和作业完毕后短时间内需再次作业的技术问题。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种测井仪用可替换储热模块的液冷-相变热管理装置，用于测井仪芯片热管理，包括绝热瓶i、绝热瓶快速接头、管道快速接头、储热模块壳体、相变材料、液冷模块以及绝热瓶ii，其中：
8.绝热瓶i和绝热瓶ii通过绝热瓶快速接头连接；储热模块壳体内灌装相变材料；储热模块壳体位于绝热瓶ii内；
9.液冷模块包括水冷管吸热段、循环泵和水冷管放热段；水冷管吸热段设于绝热瓶i内，用于将测井仪的芯片产生的热量带出；水冷管放热段设于储热模块壳体内以与相变材料换热；水冷管吸热段和水冷管放热段通过管道快速接头连接；循环泵用于驱动液冷工质在水冷管吸热段和水冷管放热段内循环。
10.进一步地，液冷模块还包括液体补偿器，液体补偿器串联于循环泵的进口或出口管路上。
11.进一步地，液体补偿器的出口管路向内延伸至液体补偿器的底部且位于液体补偿器工作时朝下的一侧。
12.进一步地，所述液体补偿器中的液冷工质采用高温氟化液；所述循环泵为耐高温泵。
13.进一步地，还包括适配器，适配器设于绝热瓶i内，用于安装固定循环泵及液体补偿器。
14.进一步地，还包括水冷板，水冷板布置有与水冷管吸热段形状匹配的s型流道，水冷管吸热段安装固定或一体成型于s型流道中；水冷板通过热界面材料紧附于测井仪的芯片上。
15.进一步地，水冷管放热段在储热模块壳体中呈螺旋布置，螺旋直径的范围为40～60mm，螺距的范围为16～30mm。
16.进一步地，管道快速接头与绝热瓶快速接头之间设有隔热套，隔热套的长度不小于绝热瓶快速接头的长度。
17.进一步地，绝热瓶快速接头由两个弧形部分拼接而成，接缝处通过凸台和凹槽进行匹配定位；绝热瓶快速接头两端分别布置有与绝热瓶i和绝热瓶ii连接的螺纹；绝热瓶i和绝热瓶ii的管壁内部均设有真空层，且均在一端设有与绝热瓶快速接头匹配的螺纹，另一端设置限位部。
18.为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种测井仪用可替换储热模块的液冷-相变热管理方法，采用如前任一项所述的液冷-相变热管理装置来实现，包括：
19.在井下作业时，通过液冷工质强制将测井仪的芯片产生的热量由水冷管吸热段传递到水冷管放热段进而传递到相变材料进行存储；
20.作业完毕或储热模块达到工作极限需要冷却时，仅拆除装有储热模块的绝热瓶ii，使储热模块壳体直接暴露于外部环境中，而测井仪电路仍处于绝热瓶i的保护之中，利用液冷循环和外部环境散热使测井仪的电路部分快速降温；
21.作业完毕或储热模块达到工作极限需立即重新下井时，打开绝热瓶快速接头，然后通过管道快速接头快速更换新的储热模块，再重新将液冷-相变热管理装置组装完成即可下井。
22.总体而言，与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
23.(1)本发明同时解决了测井仪高温热失效的问题，以及测井仪作业完毕后短时间二次作业的问题：第一，采用液冷循环系统与相变材料储热模块相结合，采用强制对流换热替代传统的热传导过程，大幅度减小传热热阻，实现从芯片到相变材料的快速传热，充分利用相变材料的储热能力，延长可工作时间，有效地解决其热失效问题；第二，将测井仪的芯片电路部分与相变储热部分通过快速接头进行了物理分离，分别采用绝热瓶进行热保护，采用绝热瓶快速接头将两个绝热瓶连接，作业完毕后可仅拆卸装有储热模块的绝热瓶，通过液冷循环系统以及外加冷却条件对储热模块进行散热，保护芯片的同时可以实现短时间散热；作业完毕后如需立即下井，还可通过管道快速接头再拆除循环管道以将储热模块及其内部的水冷管放热段整体直接更换，进而实现立即下井作业而无需等待储热模块散热。
24.(2)采用液体补偿器对于液冷工质进行补偿，可以减少更换储热模块时补充液冷工质的频次，在保障液冷模块正常工作的前提下节约再次下井工作的等待时间。
25.(3)通过设计液体补偿器出口管路的位置，保障液体循环管路在低液位状态下也能正常工作，进一步减少更换储热模块时补充液冷工质的频次。
26.(4)在井下作业时，通过冷板贴合芯片布置实现温度均匀化，间隙填充热界面材料，可在有效地将芯片产生热量快速导出的同时避免局部过热问题。水冷管吸热段s型布置在水冷板中，能够使液冷工质与水冷板充分换热，提高均温性。
27.(5)水冷管放热段螺旋布置在相变材料壳体中，能够加强液冷工质与相变材料之间的换热，加速相变材料的储热速率。能够大幅度降低芯片到相变材料之间的传热热阻，降低芯片与相变材料之间的温差，进而延长仪器能够在高温环境下的工作时间。
28.(6)作业完毕冷却时，采用储热模块与电路部分物理分离，可仅拆除装有储热模块的绝热瓶ii，利用外部散热环境以及液冷循环使电路部分快速降温，使测井仪短时间即可进行下次作业。与此同时由于芯片电路仍在绝热瓶i的保护下，可以避免出井后环境温度突变产生的较大热应力导致的电路损坏以及水蒸气遇冷液化导致的电路短路。
29.(7)作业完毕需立即下井时，在拆除绝热瓶ii的基础上，可进一步或一同拆除隔热套以及管道快速接头，更换新的储热模块(低温保存)，简单安装之后即可实现再次下井作业。
附图说明
30.图1为测井仪用可更换储热模块的液冷-相变热管理装置整体示意图；
31.图2为电路部分结构示意图；
32.图3为储热部分结构示意图；
33.图4为液体补偿器结构示意图
34.图5为储热模块堵头结构示意图；
35.图6为绝热瓶快速接头结构示意图；
36.图7为绝热瓶剖视图；
37.图8为管道快速接头示意图；
38.图9为采用导热散热及液冷散热热源及相变材料温升曲线对比。
39.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
40.1.隔热塞i，2.绝热瓶i，3.基板，4.芯片，5.热界面材料，6.下水冷板，7.上水冷板，8.上端盖，9.下端盖，10.水冷管吸热段，11.适配器，12.循环泵，13.液体补偿器，14.隔热套，15.绝热瓶快速接头，16.管道快速接头，17.储热模块堵头，18.储热模块壳体，19.相变材料，20.水冷管放热段，21.绝热瓶ii，22.隔热塞ii，23.液冷工质；
41.201.绝热瓶内螺纹，202.绝热瓶真空层，203.绝热瓶卡槽；1501.接头外螺纹i，1502接头外螺纹ii，1503.外六方槽，1504.外凸台，1505，内凹槽；1701.密封圈，1702.密封圈槽，1703.密封螺纹，1704.密封凸台，1705.内六方槽；
42.1801.储热模块端盖i，1802.通壳，1803.储热模块端盖ii，1804.灌封口，1805.管道孔。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
44.图1测井仪用可更换储热模块的液冷-相变热管理装置整体示意图。该装置包括隔热塞i1，绝热瓶i2，基板3，芯片4，热界面材料5，下水冷板6，上水冷板7，上端盖8，下端盖9，水冷管吸热段10，适配器11，循环泵12，液体补偿器13，隔热套14，绝热瓶快速接头15，管道快速接头16，储热模块堵头17，储热模块壳体18，相变材料19，水冷管放热段20，绝热瓶ii21，隔热塞ii22，以及管道中的液冷工质23。
45.图2和图3分别为电路部分结构示意图及储热部分结构示意图。所述芯片4安装在基板3两侧，并通过导热硅脂与下水冷板6及上水冷板7贴合，基板3与下水冷板6及上水冷板7之间间隙由热界面材料5填充，从而使芯片均匀散热；下水冷板6及上水冷板7通过螺钉连接固定于上端盖8及下端盖9，内部用于安装水冷管吸热段；上端盖8及下端盖9分别通过螺钉连接与隔热塞i1，适配器11连接；适配器11内用以安装循环泵12以及液体补偿器13；循环泵12用于提供动力循环；液体补偿器用于补充液冷工质23；隔热塞i1，基板3，芯片4，热界面材料5，下水冷板6，上水冷板7，上端盖8，下端盖9，水冷管吸热段10，适配器11，循环泵12，液体补偿器13均安装于绝热瓶i2内；绝热瓶i2通过绝热瓶快速接头15与绝热瓶ii21连接；绝热瓶ii21用于安装隔热塞ii22以及储热模块，其中，储热模块由储热模块壳体18、堵头17、相变材料19以及水冷管放热段20组成；水冷管放热段20通过管道快速接头16与水冷管吸热段10连接，管道快速接头16外设有隔热套21，一方面隔绝环境漏热，另一方面用于连接适配器11以及储热模块壳体18。
46.图4为液体补偿器结构示意图，液体补偿器13中储存有液冷工质23，其中与循环泵12相连的管道深入液体补偿器左下侧，与管道快速接头16相连的管道位于液体补偿器13右上侧，保证仪器在井下作业竖直方向以及井上冷却时水平方向，循环泵12均能从底端泵送液冷工质23并且液冷工质23经过循环后均能流到液体补偿器底部。
47.所述下水冷板6及上水冷板7与上端盖8及下端盖9之间布置有s型流道，通过螺钉连接，用于安装水冷管吸热段10，液冷工质23通过上水冷板7入口管道进入s型流道充分换热，再由下水冷板6出口管道流出，能够使换热均匀，避免局部热点。
48.所述储热模块壳体18由储热模块端盖i1801，通壳1802以及储热模块端盖ii1803焊接制成以保证密封性；水冷管放热段20在储热模块壳体18中呈螺旋布置以加强换热，水冷管放热段20通过与储热模块端盖i1801上管道孔1805两侧焊接保证密封性；相变材料19通过灌封口1804进行灌封，采用储热模块堵头17进行密封。
49.图5为储热模块接头结构示意图，其密封方式为螺纹1703 凸台1704 密封圈槽1702和密封圈1701，通过内六方槽1705与灌封口1804拧紧。
50.图6为绝热瓶快速接头结构示意图。所述绝热瓶快速接头15由高强度钛合金制成，分为上下部分组成，上下部分由外凸台1504和内凹槽1505进行定位，便于安装，此外，接头左右两侧布置有连接绝热瓶i2的接头外螺纹i1501以及连接绝热瓶ii21的接头外螺纹ii1502，中间设有外六方槽1503结构用以拧紧左右两侧螺纹。
51.图7为绝热瓶结构剖视图。所述绝热瓶由金属制成，一端设有与绝热瓶接头相连接的内螺纹201，中间设有真空层202，用于隔绝周向环境漏热，另一端设有限位部，本实施例
中限位部设为卡槽203，防止安装拆卸绝热瓶时转动。
52.图8为管道快速接头示意图。所述管道快速接头16为cpc快速插拔接头，在保证密封性的同时可快速更换管道，其左右两端分别与水冷管放热段20以及水冷管吸热段10连接。
53.所述隔热套14材料为peek，能减小环境漏热；所述隔热塞i1和222由peek外壳和纳米气凝胶内芯组成，能够极大地阻止高温环境轴向漏热。
54.所述液体补偿器13用于补充液冷工质，所述液冷工质23采用高温氟化液，耐温超过150℃，所述循环泵为耐高温泵12，耐温超过150℃。
55.所述隔热塞i1，上端盖8及下端盖9，适配器11，隔热套14，储热模块壳体18，隔热塞ii22之间均采用均布的轴向螺钉连接。
56.所述相变材料20优选为石蜡、水合盐或低熔点合金。所述储热模块壳体18、储热模块堵头17，水冷管放热段20，水冷管吸热段10由不锈钢304制成。所述下水冷板6及上水冷板7与上端盖8及下端盖9采用铜或铝制成。
57.下面将对本发明的一种测井仪用可更换储热模块的液冷-相变热管理装置的具体工作过程进行解释。
58.在井下工作过程。第一，该装置通过绝热瓶i2和绝热瓶ii21隔绝高温环境径向漏热，通过隔热塞i1、隔热塞ii22以及隔热套14进行轴向隔热；第二，采用下水冷板7和上水冷板6以及热界面材料5将芯片产生的热量均匀导出；第三，下水冷板6及上水冷板7与上端盖8及下端盖9中管道呈s型布置，用于强化换热；第四，水冷管放热段20螺旋布置于相变材料19中，加快相变材料19的储热速率；第五，采用循环泵12驱动液冷工质23，将热量从下水冷板7和上水冷板6输运到相变材料19，实现热量快速传递，同时将换热后的工质进行反复循环。通过以上的过程可以使仪器内芯片2温度在工作时间内控制在耐温范围内，大大减小芯片2至相变材料19的温差，提升相变材料19的储热能力。
59.图9为采用导热散热及液冷散热热源及相变材料温升曲线对比。可以看出，采用本发明采用液冷循环后能够大幅度降低芯片至相变材料之间的传热热阻，进而减小芯片至相变材料之间的温差，能够延长仪器可工作时长，可以凸显出本发明的有效性和优越性。
60.作业完毕后快速冷却过程。可通过拆除绝热瓶快速接头15使绝热瓶i2和绝热瓶ii21物理分离，进而拆除装有储热模块的绝热瓶ii21，通过循环泵12驱动液冷工质23将芯片2热量传递到储热模块中，外加冷却条件对储热模块壳体18进行快速降温，能够实现芯片2在短时间内降温，同时避免高温芯片2与常温环境直接接触，防止热应力过大导致芯片2损坏以及水蒸气液化使电路短路。降温后通过绝热瓶快速接头15装好绝热瓶ii21即可短时间进行下次作业。
61.作业完毕后如需立即下井作业，可在拆除绝热瓶ii20的基础上进一步拆除隔热套14，将循环泵12停机，并通过管道快速接头16断开水冷管放热段20，拆除高温的储热模块更换新的储热模块通过管道快速接头16连接，安装好隔热套14以及绝热瓶快速接头15后，通过液体补偿器13补充循环中循环管道中工质，即可立即进行下次作业。为充分利用储热模块的储热能力，用于替换的新储热模块均保存于低温环境中以保证较低的初始温度。
62.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。