一种用于井下工具电子设备的冷却系统

宋超，刘小玉

（西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065）

随着石油工业的发展，地下易钻探自然资源储备逐年减少，为了最大限度地增加产量从而提高经济效益，行业的钻探深度开始加深。由于井下工作环境恶劣，振动、刺激性化学物质以及温度都对维持井下工具的正常运行构成了很大的挑战。其中井下温度可达到200 ℃或更高，电子元件在高温下会导致漂移，产生非线性响应，且灵敏度降低，甚至完全失效，给井下工具的应用带来了极大的考验，使得在井下环境中难以运行敏感的电子元件，通常都需要附加额外的冷却装置来维持井下电子设备的正常运行。此外井下载体上的空间通常限制为直径几厘米到几十厘米，所以对电子设备及外设的体积要求较高，而测井和钻井设备为了执行测井、流体分析以及设备监控等井下任务，通常包含各种传感器、仪器仪表和控制装置，空间余量较小。传统冷却系统通常要消耗很大功率并占据工具载体上的大量宝贵空间，且会在系统中增加额外的故障点。

为此，设计了一种用于井下工具电子设备的冷却系统，包括一个冷却装置和一种低功耗运行井下电子设备的方法，其中冷却装置中的主动冷却层采用热电制冷技术，具有体积小、重量轻、易安装和冷却速度快等优点；低功耗模式可通过定时中断来实现电子设备周期性的工作。主动冷却层具有快速的冷却速率，允许电子设备以低功耗模式周期性工作，达到延长井下电子设备连续正常工作时间和使用寿命的目的。

1 冷却系统原理

井下电子设备的冷却系统主要是利用薄膜热电制冷技术（TEC）的珀尔帖效应制成的，如图1 所示。珀尔帖效应是指当直流电流通过由两种半导体材料所组成的电偶时，当输入一个电压Vin时，回路中会产生一个相应的电流。正端材料1 与材料2的结点A 处的热量会被吸收，从而产生一个微弱的制冷现象，而在另一个结点B 处，随着热量流入，温度会升高。

图1 珀尔帖效应示意图

热电制冷技术通过薄膜热电冷却层吸收电子设备产生的热量，再把吸收的热量传递到散热器，从而达到冷却电子设备的目的。热电制冷技术是一种新型的制冷技术，无需制冷剂即可实现精准控制温度，具有冷却速度快、使用寿命长，具有体积小、重量轻、易安装和无噪音等优点，特别适合用于井下电子设备的冷却散热。

由于井下工具的电子设备不需要频繁的作业，测井、流体分析、设备监控以及通信等作业均可在几十毫秒内执行完成，若能设计出一种低功耗运行井下电子设备的方法，即可降低井下电子设备的功耗，减小系统发热量。通过设置MCU 的工作寄存器，使电子设备持续工作在低功耗模式，并利用定时器中断周期性地唤醒电子设备执行作业，就能够以最小的成本维持井下工具电子设备及冷却系统的正常工作，从而降低冷却系统及井下工具电子设备的功耗，减轻冷却系统的负担。

2 冷却系统的设计

2.1 冷却系统的组成

冷却装置的结构示意图如图2 所示，包括电子设备102、主动冷却层104、散热器106 以及散热设备108。其中电子设备放置在主动冷却层上，主动冷却层放置在散热器上，散热器放置在散热设备上。散热设备使用高容量热容散热材料，其热容量足以在散热设备的管芯被冷却时，使得管芯的温升最小化，从而让管芯保持在最低温度，使主动冷却层最大效率的运行。对于一些贮存温度较高，不会被井下高温永久损坏，但需要通过冷却来改善性能的电子设备来说，由于主动冷却层的高热泵能力，能够实现快速冷却，所以可以设置低功耗模式，使冷却所需的总能量大量减少，尤其电池供电或任何功率有限的井下工具特别有用。

图2 冷却装置的结构示意图

主动冷却层是一个非常薄的薄膜热电冷却器，能够为电子设备提供主动冷却，工作时与电子器件直接接触，以实现最大的热传递和最小的损耗。主动冷却层是使用一种或多种微机械加工或沉积工艺形成的有源冷却层，是一个具有大约1 000 个交替的5 nm 厚超晶格结构的热电材料层，例如交替的铋电池和碲化锑。薄膜热电材料可以散出多达700 W·cm-2的热量，具有超过1 单位的性能系数（COP 每瓦特所用热泵的瓦特数）。

散热器由高导热材料制成，例如630 W·mK-1热导率的金刚石以及180 W·mK-1热导率的氮化铝。散热器有比电子设备或主动冷却层表面大得多的面积，用于放置主动冷却层和电子设备。

在工作时，散热器从电子设备和主动冷却层吸收热量，并通过大面积和体积的散热设备散热。散热设备采用具有高体积热容的材料制成，例如电绝缘散热器可以采用氧化铝或氮化铝制成；导电散热器可以采用铜或铝或硅制成。此外，散热设备也可以通过充满液体的热管来散热。

2.2 系统硬件设计

冷却系统硬件框图如图3 所示，整个系统采用模块化设计，包括MCU 控制器、冷却模块、电源模块、监控模块以及通信模块。

图3 冷却系统硬件设计框图

MCU 控制器采用TI 公司的MSP430F169 超低功耗芯片，MSP430F169 可工作在一种活动模式和5种低功耗模式（LPM0～LPM4）下。通过软件设置控制位SCG1、SCG0、OscOff 和 CPUOff，MSP430 可进入相应的低功耗模式，各种低功耗模式又可通过中断方式返回活动模式。

冷却模块包括温度传感器以及主动冷却层，温度传感器监测温度反馈给控制器，控制器控制主动冷却层快速冷却，保证各模块工作在适合的工作温度。

其他子模块是冷却系统的负载，不再详细叙述。

2.3 系统软件设计

冷却系统软件流程图如图4 所示。单片机上电后，系统开始初始化，设置MCU 持续工作在低功耗模式，并控制电源模块断开各子模块的供电。利用定时器中断唤醒系统，首先进入中断子程序启动冷却控制模块，使环境温度快速降低，当温度传感器探测到的温度满足工作温度条件后，恢复各模块的供电并执行井下作业，各模块执行完成任务后，关闭各模块的供电，进入低功耗模式，等待下一次作业。

由于井下工具电子设备作业时间短，使得冷却系统能够以最小的成本维持井下工具电子设备的正常工作。这样，冷却系统、井下工具电子设备消耗的功耗小，产生的热量也比较小，减轻了冷却系统的负担。

图4 冷却系统软件流程图

3 结束语

设计了一种用于井下工具电子设备的冷却系统，包括一个冷却装置和一种低功耗运行井下电子设备的方法，能够实现井下工具电子设备的快速冷却，且允许电子设备以低功耗模式周期性工作，以达到延长井下电子设备连续正常工作时间和使用寿命的目的。该冷却系统具有体积小、重量轻、易安装、成本低和冷却速度快等优点，且低功耗无需外部供电，可部署在井中自主操作，具有良好的应用前景。