专利名称：用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置的制作方法
技术领域：
本发明属于深井探测技术领域，具体地说，是涉及一种用于调节深井探测仪器工作的环境温度的制冷装置。
背景技术：
在地震勘察、石油天然气勘探、地下气探测以及长期的地质勘察技术领域，往往需要进行深井作业，对井下的物理参数和化学参量进行即时检测。而时下在深井探测等特殊领域，提供专门用于深井探测的仪器并不多见，而且这些井下探测仪器对工作温度和工作压力都有严格的要求，并且价格昂贵，由此大大限制了测井仪器的普及。之所以市面上出现的测井仪器非常少见，究其原因，主要归结为以下几点一是因地球地质结构的影响，在地壳中每深入100米，温度便会上升l-3°c。也就是说，井深在 7000m的时候，井底温度会上升70°C _210°C。而目前常规的检测元件和半导体芯片，其工作温度往往低于70°C，因此不能满足在井底工作的要求，需要采用特殊的耐高温检测元件或者价格高昂的高温半导体芯片提供支持。其二是，地壳中含有丰富的地下水和其他流体，当井深达到一定深度时，不可避免地会溢出一定量的水分。当井底的积水沉积到一定容量时，伸入到井下积水中的测井仪器则会多承受一部分压力，且测井仪器的工作深度越深，对仪器的抗压能力以及密封性能的要求也就越高。由于以上工作条件的限制，导致目前所能检测的深井参数比较单一，检测设备的体积过于庞大且价格也相当昂贵。但是，实际测井环境中往往需要检测更多的物理参数，例如声学参量、磁力参数等。此类检测仪器的构造较为复杂，对检测精度的要求也比较高，系统中使用的光学器件和半导体器件的使用条件比较苛刻，以目前的半导体技术和测井技术无法在井下3000米以下的环境中使用。因此，如何高效而快速的调节井下探测仪器所处的环境温度，是目前深井探测技术领域正在探讨的一项关键课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，以保证测井仪器能够在井底正常工作，实现对某些井下物理参量的准确检测。为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现
一种用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，包括温控电路以及由导热材料制成的外部壳体和内部壳体；所述内部壳体位于外部壳体所围成的腔室内，所述内部壳体所围成的腔室用于放置测井仪器，在所述内部壳体与外部壳体之间设置有由半导体制冷片、导热膜和隔热膜组成的单向导热层，导热方向由内部壳体传导至外部壳体；所述温控电路对内部壳体所围成的腔室内温度进行检测，并根据设定的温度阈值调节半导体制冷片的供电电流，改变半导体制冷片的导热量。进一步的，在所述温控电路中包括温度传感器、处理器和开关电路；所述温度传感器置于内部壳体所围成的腔室内或者设置在内部壳体的外壁上，检测内部壳体所围成的腔室内温度，并转换成电信号输出至处理器；所述处理器根据接收到的电信号以及设定的温度阈值生成控制信号输出至开关电路，通过控制开关电路通断以控制半导体制冷片的供电回路通断。优选的，所述开关电路为固态继电器，其输入控制端连接处理器，接收处理器输出的控制信号，固态继电器的输出受控端连接在交直流转换电源与半导体制冷片之间，导通或者切断半导体制冷片的供电回路。进一步的，所述交直流转换电源连接电缆，所述电缆穿出外部壳体连接井上的交流电源。优选的，所述外部壳体优选设计成圆柱形或者橄榄球形的钢制金属壳体，以避免下井作业时碰触井壁；在所述外部壳体上穿出电缆的部位设置有密封圈，使外部壳体所围成的腔室呈封闭状态，以避免井底的积水或者热量进入到制冷装置的内部。
作为所述单向导热层的布设方式，优选采用以下两种设计方案
其一是，将所述单向导热层围绕内部壳体的侧壁环绕设置。其二是，将所述单向导热层围绕内部壳体的侧壁、顶壁和底壁环绕设置，将内部壳体包裹于其中。优选的，所述温控电路优选位于所述单向导热层所围绕形成的区域内，利用半导体制冷片对温控电路工作时所发出的热量一并进行散热冷却处理。为了提高制冷装置的散热能力，满足测井仪器在不同井深下的工作要求，所述单向导热层优选采用多层半导体制冷片、至少一层导热膜和至少一层隔热膜组成，且至少有一层隔热膜与外部壳体的内壁贴合，以防止井下高温环境的热量反向传导至制冷装置的内部。进一步的，所述半导体制冷片的层数η彡(T2_Tl)/dT，η取整数值；其中，Tl为测井仪器的最高工作温度，Τ2为井底环境温度，dT为半导体制冷片的最大温差。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是本发明的制冷装置可以盛装任何一种非接触式的精密测井仪器，并使该类测井仪器能够工作在仪器所要求的工作温度范围内，以确保测井仪器工作的安全性。另外，该制冷装置结构简单，体积小，成本低廉，装置本身无机械振动，对于高精度的声学探测仪或者磁力探测仪等精密测井仪器无需对机械噪声进行补偿，无形中提高了该类测井仪器的检测精度和可靠性。
图I是本发明所提出的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置的一种实施例的内部结构示意 图2是图I的横向剖面俯视 图3是温控电路的一种实施例的电路原理框 图4是本发明所提出的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置的另外一种实施例的内部结构示意 图5是本发明所提出的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置的第三种实施例的内部结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。为了使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细地说明。实施例一，参见图I所示，本实施例的制冷装置主要由外部壳体I、内部壳体2、温控电路以及设置在外部壳体I与内部壳体2之间的单向导热层构成。其中，内部壳体2设置于外部壳体I所围成的腔室内，内部壳体2所围成的腔室A用于盛放测井仪器。为了使得腔室A内的热量能够迅速地向外释放，所述的外部壳体I和内部壳体2均采用导热材料制成，优选采用导热性能良好的金属材料制备。其中，内部壳体2可以选用任何一种金属材料制备，在确保良好导热性能的同时，起到保护测井仪器的作用。对于外部壳体I来说，优 选采用抗压防锈的钢制材料制成，在起到机械支撑的同时，能够更好的适应井底高压、高湿的恶劣工作环境。所述单向导热层优选采用半导体制冷片3、导热膜4和隔热膜5拼合而成，且导热方向由内部壳体2传导至外部壳体1，参见图I中的局部放大图以及图2所示。在所述单向导热层中，半导体制冷片3起到热泵的作用,其冷端朝向内部壳体2,热端朝向外部壳体I,在半导体制冷片3通电后，通过冷端吸收内部壳体2散发的热量，以降低腔室A内的温度，通过冷端吸收的热量被传导至半导体制冷片3的热端，进而通过钢制的外部壳体I向外界释放。目前，常规的半导体制冷片，其两端的温差一般在30_65°C。由于井深的不同，井底的温度会存在很大的差异，为了满足测井仪器在不同深度井下的工作要求，需要根据所要探测的各个深井中，温度最高的井底环境温度T2以及测井仪器的最高工作温度Tl来确定半导体制冷片3的布设层数。具体来讲，可以利用公式η > (T2-Tl)/dT计算出半导体制冷片3所需布设的层数。其中，η为半导体制冷片3的层数，取整数值；dT为半导体制冷片3的最大温差。在所述单向导热层中，导热膜4可以布设一层或者多层，起到热量正向传导反向隔热的作用。当导热膜4设置有多层时，优选在相邻的两层半导体制冷片3之间布设一层导热膜4，以将内层半导体制冷片的热端热量及时地传导至外层半导体制冷片的冷端，以加快散热速度。同样的，所述隔热膜5也可以布设一层或者多层，起到辐射隔热、防止外界热量辐射到制冷装置内部的作用。为了提高隔热效果，至少将一层隔热膜5贴合到外部壳体I的内壁上，以杜绝外界热量的辐射侵入。作为所述单向导热层的布设方式，可以将所述单向导热层围绕内部壳体2的侧壁环绕设置，如图I所示；也可以将所述单向导热层围绕内部壳体2的侧壁、顶壁和底壁环绕设置，将内部壳体2完全包裹于其中，如图4、图5所示，通过增大吸热面积，以加快热量的传导和释放速度。对于所述温控电路来说，可以由温度传感器、处理器和开关电路等主要部件组成，参见图3所示，内置于外部壳体I所围成的腔室中，其中温度传感器6优选内置于内部壳体2所围成的腔室A中，用于对腔室A内的温度(即测井仪器的工作温度)进行定时检测。当然，所述温度传感器6也可以设置在内部壳体2的外壁上，通过检测内部壳体2的外壁温度来获知腔室A的内部温度。由于内部壳体2由导热性能良好的材料制成，因此内部壳体2的外壁温度也能很好的反映出腔室A的内部温度，满足测量要求。所述温度传感器6根据检测到的温度高低，生成与之对应的电信号(电流信号或者电压信号)输出至处理器，优选传输至处理器的ADC接口，将模拟电信号转换成数字信号，对应生成腔室A内的温度值。处理器将所述温度值与事先写入的温度阈值进行比较，进而生成控制信号输出至开关电路，通过控制开关电路通断来导通或者关断半导体制冷片的供电回路，实现对流过半导体制冷片中的供电电流大小的调节。所述半导体制冷片根据其内部流过的供电电流的大小来调节其导热量，以使腔室A内的温度能够始终保持在测井仪器所要求的正常工作温度范围内，为测井仪器提供一个安全的工作环境。
作为本实施例的一种优选设计方案，所述开关电路优选采用一颗固态继电器进行温控电路的系统设计，如图3所示。将所述固态继电器的输入控制端连接处理器，接收处理器输出的控制信号，以控制固态继电器的两个输出受控端导通或者关断。将所述固态继电器的两个输出受控端连接在交直流转换电源与半导体制冷片之间，以控制半导体制冷片的供电回路通断。对于温控电路工作所需的供电电源，优选采用井上的交流电源供给。具体来讲，可以将井上的交流电源通过电缆7传输至所述的交直流转换电源，通过交直流供电电源将交流电源转换成处理器、温度传感器以及半导体制冷片所需的直流工作电源，为各直流用电负载供电。为了实现电缆7与交直流转换电源的连接，将所述电缆7穿透外部壳体1(优选穿透外部壳体I的顶壁)连接到交直流转换电源的交流侧，为交直流转换电源提供交流供电。由于温控电路在工作时也会释放出一定的热量，为了使温控电路产生的热量也能及时地散发到外界，优选将所述温控电路设置在单向导热层所环绕形成的区域内，利用半导体制冷片3的热泵作用，在释放内部壳体2所围成的腔室A内温度的同时，将温控电路产生的热量一并散发出去。当然，所述温控电路也可以设置在单向导热层所环绕形成的区域外部，而仅将温度传感器6伸入到内部壳体2所围成的腔室A内，如图I、图4所示；或者进一步将处理器9内置于单向导热层所环绕形成的区域内，而将交直流转换电源10和固态继电器设置在单向导热层所环绕形成的区域外部，如图5所示，同样可以满足整个制冷装置的设计要求。对温控电路在制冷装置内部的具体布设位置，本实施例并不仅限于以上举例。为了避免井底的积水进入到制冷装置内部，并起到抵御外部高压的目的，在外部壳体I上穿出电缆7的部位还设置有密封圈8，电缆7、密封圈8以及外部壳体I形成封闭式结构，使得制冷装置的内部腔体呈密封状态，为制冷装置的内部器件以及测井仪器提供干燥、安全的工作环境。为了方便测井仪器取放，优选将外部壳体I的底壁和内部壳体2的底壁设计成能够打开的结构，打开外部壳体I和内部壳体2的底壁后，将测井仪器放置到内部壳体2所围成的腔体A中，然后依次关闭内部壳体2的底壁和外部壳体I的底壁，使制冷装置呈封闭状态。为了避免制冷装置在下井作业时碰触到井壁，造成制冷装置的损坏，本实施例优选将所述制冷装置的外部壳体I设计成圆柱形(如图2所示)或者橄榄球形，通过设计成圆滑的外形，以降低制冷装置碰触井壁的几率。本实施例的制冷装置结构简单，适合放置声波探测仪、磁力探测仪等各种非接触式的精密测井仪器，且安装过程简单便捷，特别适合应用在地震勘察、石油天然气勘探、地下气探测以及长期地质勘察的井下探测过程中。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。·
权利要求
1.一种用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于包括温控电路以及由导热材料制成的外部壳体和内部壳体；所述内部壳体位于外部壳体所围成的腔室内，所述内部壳体所围成的腔室用于放置测井仪器，在所述内部壳体与外部壳体之间设置有由半导体制冷片、导热膜和隔热膜组成的单向导热层，导热方向由内部壳体传导至外部壳体；所述温控电路对内部壳体所围成的腔室内温度进行检测，并根据设定的温度阈值调节半导体制冷片的供电电流，改变半导体制冷片的导热量。
2.根据权利要求I所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于在所述温控电路中包括温度传感器、处理器和开关电路；所述温度传感器置于内部壳体所围成的腔室内或者设置在内部壳体的外壁上，检测内部壳体所围成的腔室内温度，并转换成电信号输出至处理器；所述处理器根据接收到的电信号以及设定的温度阈值生成控制信号输出至开关电路，通过控制开关电路通断以控制半导体制冷片的供电回路通断。
3.根据权利要求2所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于所述开关电路为固态继电器，其输入控制端连接处理器，接收处理器输出的控制信号，固态继电器的输出受控端连接在交直流转换电源与半导体制冷片之间，导通或者切断半导体制冷片的供电回路。
4.根据权利要求3所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于所述交直流转换电源连接电缆，所述电缆穿出外部壳体连接井上的交流电源。
5.根据权利要求4所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于所述外部壳体为圆柱形或者橄榄球形的钢制金属壳体；在所述外部壳体上穿出电缆的部位设置有密封圈，使外部壳体所围成的腔室呈封闭状态。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于所述单向导热层围绕内部壳体的侧壁环绕设置。
7.根据权利要求I至5中任一项所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于所述单向导热层围绕内部壳体的侧壁、顶壁和底壁环绕设置，将内部壳体包裹于其中。
8.根据权利要求7所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于所述温控电路位于所述单向导热层所围绕形成的区域内。
9.根据权利要求I至5中任一项所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于所述单向导热层由多层半导体制冷片、至少一层导热膜和至少一层隔热膜组成，且至少有一层隔热膜与外部壳体的内壁贴合。
10.根据权利要求9所述的用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，其特征在于所述半导体制冷片的层数η彡(T2-Tl)/dT，η取整数值；其中，Tl为测井仪器的最高工作温度，Τ2为井底环境温度，dT为半导体制冷片的最大温差。
全文摘要
本发明公开了一种用于调节测井仪器工作的环境温度的制冷装置，包括温控电路以及由导热材料制成的外部壳体和内部壳体；所述内部壳体位于外部壳体所围成的腔室内，所述内部壳体所围成的腔室用于放置测井仪器，在所述内部壳体与外部壳体之间设置有由半导体制冷片、导热膜和隔热膜组成的单向导热层，导热方向由内部壳体传导至外部壳体；所述温控电路对内部壳体所围成的腔室内温度进行检测，并根据设定的温度阈值调节半导体制冷片的供电电流，改变半导体制冷片的导热量。本发明的制冷装置可以盛装任何一种非接触式的精密测井仪器，并使该类测井仪器能够工作在仪器所要求的工作温度范围内，确保了测井仪器工作的安全性，提高了井下物理参数的检测精度。
文档编号F25B21/02GK102840706SQ20121034006
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者周忠海, 金光虎, 王越, 郝宗睿, 徐娟, 周晓晨, 李磊 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所