一种用于高温环境的电子系统热管理封装装置

本发明涉及钻井和测井相关技术领域，尤其应用于油气田高温高压环境的旋转导向钻井和测井技术领域，具体涉及一种用于高温环境的电子系统热管理封装装置。

背景技术：

旋转导向和测井技术是一项新技术，代表了钻井技术发展的最高水平。国内旋转导向和测井技术研究起步较晚，开发具有自主知识产权的旋转导向钻井和测井技术可以显著提高我油田服务市场竞争力，产生巨大的经济效益。旋转导向和测井系统中的电子元器件能够顺利工作，决定了整个钻导和测井系统是否能够顺利进行作业。因此，对智能钻导和测井系统进行电子元器件热管理设计，保证电子元器件在既定工况下能够正常工作，是智能钻导和测井系统设计中亟待解决的问题，对于目前复杂结构井的特殊储层的开发需要具有重要的意义。因此，自主设计研发旋转导向机构，可以显著提高我国油田服务的技术水平。

许多行业都需要能够在极端高温等恶劣环境下可靠工作的电子设备。地下钻探行业中高温电子设备的应用十分复杂。首先，在钻探作业过程中，电子设备和传感器会引导钻探设备并监控其状态是否正常。随着定向钻探技术的出现，高温地质导向仪器必须将钻孔位置精确引导至地质目标。钻孔时或钻孔刚结束时，精密的井下仪器会收集周围的地质构造数据。这种做法称为测井，可以测量电阻率、放射性、声音传播时间、磁共振和其他属性，以便确定地质构造特性，如岩性、孔隙度、渗透率，以及水/烃饱和度。最后，在完成和生产阶段，电子系统会监控压力、温度、振动和多相位流动，并主动控制阀门。满足这些需求，需要有一个完整的高性能元件信号链。

如何对井下系统电子器件进行封装非常重要，因为将工具安装在某个钻头上面后其必须要能够承受高温、振动和碰撞。用于封装标准半导体的一般塑封材料会降解，并不能在高温下提供足够的运行可靠性。陶瓷密封封装或者陶瓷多片组件硅保护最常用的封装。利用陶瓷多片组件和混合封装时，使用合格的优质芯片可以节省空间，从而提高集成度。所有有源设计组件都集成到芯片中并贴装在陶瓷基片上，这时便可以实现更小体积的解决方案。陶瓷封装基板材料主要包括al2o3、beo和aln等。目前，al2o3陶瓷是应用最成熟的陶瓷封装材料，以其耐热冲击性和电绝缘性较好、制作和加工技术成熟而被广泛应用。陶瓷封装材料缺点是成本较高，且陶瓷材料密度较大，作为智能钻导机构的封装材料时，其质量较高，使得钻头的驱动成本较大，如何选取轻质且隔热性能好的封装材料，是电子器件热管理中的重要问题。

旋转导向系统在实际使用过程中，还需要解决非稳输入条件下电能的高效变换、管理、传输问题，极限严酷环境条件下的超稳电能输出问题，泥浆介质用于供电和通信效果的地面模拟手段。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于高温环境的电子系统热管理封装装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于高温环境的电子系统热管理封装装置，包括工具内筒、工具外筒和气凝胶隔热层，所述工具内筒中形成有用于泥浆流通的通道，所述工具外筒套设在所述工具内筒外并与所述工具内筒间隔布置，所述气凝胶隔热层设置在所述间隔中；所述工具内筒外侧壁上设有用于安装电路板的托架，所述电路板安装在所述托架上，且所述电路板上的发热元器件朝向所述工具内筒布置。

本发明的有益效果是：本发明根据装置所处环境特点和结构特征，针对高温环境边界，采取气凝胶隔热层进行隔热设计，防止高温环境对装置内部造成不利影响；工具内筒可用于泥浆高速流过，利用高速流动的泥浆作为装置的散热冷源，通过将电路板上的发热元器件朝向工具内筒布置，可利用将发热元器件产生的热量通过工具内筒中流动的泥浆带走。本发明主要针对非永久完井或有限时间长度作业领域的高功率电子器件的热管理。本发明通过设计基于气凝胶材料的油田井下高温环境的高功率电子系统热管理封装来解决石油深钻旋转导向系统设计过程中极端环境下可靠性的问题。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述气凝胶隔热层的材料包括二氧化硅气凝胶和聚酰亚胺气凝胶。

采用上述进一步方案的有益效果是：隔热层包含二氧化硅气凝胶和聚酰亚胺气凝胶，气凝胶具有纳米级骨架颗粒(4～10nm)、纳米多孔结构(孔隙率99.8％)和极低密度(3kg/m³),可大幅降低固体热传导和气体热传导。二氧化硅气凝胶具备轻质、低热导率、高耐温性、超疏水性、隔热抗震、天然防火、环保无毒抗腐等特点。聚酰亚胺气凝胶不仅具有其它气凝胶所共有的特性如低密度、高孔隙率、低介电常数、低热导率和高比表面积，而且通过反应路线设计还具有耐热性好、疏水、机械强度高和抗原子氧化等性质，是作为电子器件封装结构的理想材料。二氧化硅气凝胶室温热导率0.018w/(m·k)～0.040w/(m·k)，使用温度650℃；聚酰亚胺室温热导率0.012w/(m·k)～0.030w/(m·k)，使用温度440℃。两种气凝胶配合使用能够有效隔绝外界高温。

进一步，所述托架结构针对所述电路板上的发热元器件进行覆形设计，所述电路板具有发热元器件的一侧面通过封装胶与所述托架连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：工具内筒外壁针对电路板上的发热元器件，在结构上进行覆形设计，使用将封装胶涂敷在电路板表面，封装胶凝固后可形成一层薄膜，使内筒外壁可以与各发热元器件有良好的安装接触，便于热传导。

进一步，所述托架上设有与所述电路板结构适配的凸台或凹槽。

采用上述进一步方案的有益效果是：托架结构设计紧凑，在电路板等部位增加凸台或凹槽，与电路板结构适配，能够有效热传递。在保证托架自身强度的同时，保证托架内部泥浆流道顺畅，增加散热效率。

进一步，所述封装胶涂覆在所述电路板具有发热元器件的一侧面上。

采用上述进一步方案的有益效果是：在电路板上涂抹封装胶，封装胶能够起到一定的隔热和电磁屏蔽作用，在管路受到冲击时，封装胶层阻隔电路板与支架的直接碰撞，有效减小对电路板上所受的冲击载荷，保证电路板正常工作。

进一步，所述电路板上的发热元器件与所述托架之间涂覆有导热脂。

采用上述进一步方案的有益效果是：为了控制元器件的温度水平，应确保元器件与内筒外壁之间的导热热阻足够低，可以通过在元器件与导热面之间涂抹导热脂的方式实现。

进一步，所述托架上设有槽道，所述电路板安装在所述槽道内，所述槽道上安装有将所述电路板封装在所述槽道内的盖板。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过增加盖板，进一步有效阻隔外筒的高温对电路板的影响。

进一步，所述托架与所述工具外筒内侧壁之间设有缓冲圈。

采用上述进一步方案的有益效果是：可在整个托架的前端、末端、中部增加橡胶缓冲圈，防止电子仓与外壳的冲击造成较大振动。例如，可在托架上增加氟橡胶材料，作为隔振元件，氟橡胶材料具有超弹性，且耐高温性能优越，在冲击和振动载荷下，可以起到缓冲作用，有效整个装置的振动传递性，维持系统在极端环境下的可靠性。

进一步，所述工具内筒外侧壁上形成有若干托架，每个所述托架上设有若干沿周向排布的电路板，相邻所述托架上的电路板错位布置。

采用上述进一步方案的有益效果是：使电路板在工具内筒外侧壁上均匀排布，使工具内筒散热均匀，散热效果更好。

进一步，每个所述托架上设有两个相对布置的电路板。

附图说明

图1为本发明用于高温环境的电子系统热管理封装装置的结构原理图；

图2为本发明用于高温环境的电子系统热管理封装装置的散热原理图；

图3为本发明用于高温环境的电子系统热管理封装装置的侧视结构示意图；

图4为图3中a-a剖面结构示意图；

图5为本发明用于高温环境的电子系统热管理封装装置的立体爆炸结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、工具内筒；11、通道；2、工具外筒；3、气凝胶隔热层；4、托架；41、凸台；42、槽道；5、电路板；51、发热元器件；6、封装胶；7、盖板；8、缓冲圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1-图5所示，本实施例的一种用于高温环境的电子系统热管理封装装置，包括工具内筒1、工具外筒2和气凝胶隔热层3，所述工具内筒1中形成有用于泥浆流通的通道11，所述工具外筒2套设在所述工具内筒1外并与所述工具内筒1间隔布置，所述气凝胶隔热层3设置在所述间隔中；所述工具内筒1外侧壁上设有用于安装电路板5的托架4，所述电路板5安装在所述托架4上，且所述电路板5上的发热元器件51朝向所述工具内筒1布置。本实施例的工具内筒1中采用流动的泥浆作为散热介质，钻井泥浆自身抗侵能力强且性能稳定、流动性好、钻进效率高，在流动过程中能够促进热量传递，加速电路板上发热元器件的降温过程，有助于发热元器件的散热。

如图1和2所示，本实施例的封装装置可用在智能导钻设备，在使用时一般有两个热环境边界，分别为高温边界和低温边界，高温边界即为工具外筒2外侧温度为175℃，低温边界即为工具内筒中央温度为150℃的高速泥浆流。由于封装装置外部的环境恶劣，内部电路板功耗较高，所以需要进行热控设计，保证封装装置在工作时，电路板上的芯片温度在可靠的温度范围之内。根据封装装置所处的环境特点和结构特征，本实施例根据以下两点原则进行热控设计，一点是针对高温环境边界，采用隔热设计，防止高温环境对装置内部造成不利影响；另一点是将高速流动的泥浆作为装置的散热冷源，通过优化结构设计，将电路板上的发热元器件通过工具内筒导入泥浆中带走。发热元器件的热量直接通过热传导的方式导入工具内筒，再通过高速流动的泥浆将工具内筒上的热量带走。本实施例热控设计的关键在于，工具外筒通过气凝胶隔热层导给工具内筒的热量与电路板上的发热元器件的热量之和小于泥浆从工具内筒内壁带走的热量。首先，由于工具外筒与外界恶劣的环境直接接触，故而其温度水平较高，所以通过设置气凝胶隔热层尽可能隔绝工具内外筒之间的热传导。

本实施例的所述气凝胶隔热层3的材料包括二氧化硅气凝胶和聚酰亚胺气凝胶。隔热层包含二氧化硅气凝胶和聚酰亚胺气凝胶，气凝胶具有纳米级骨架颗粒(4～10nm)、纳米多孔结构(孔隙率99.8％)和极低密度(3kg/m³),可大幅降低固体热传导和气体热传导。二氧化硅气凝胶具备轻质、低热导率、高耐温性、超疏水性、隔热抗震、天然防火、环保无毒抗腐等特点。聚酰亚胺气凝胶不仅具有其它气凝胶所共有的特性如低密度、高孔隙率、低介电常数、低热导率和高比表面积，而且通过反应路线设计还具有耐热性好、疏水、机械强度高和抗原子氧化等性质，是作为电子器件封装结构的理想材料。二氧化硅气凝胶室温热导率0.018w/(m·k)～0.040w/(m·k)，使用温度650℃；聚酰亚胺室温热导率0.012w/(m·k)～0.030w/(m·k)，使用温度440℃。两种气凝胶配合使用能够有效隔绝外界高温。

如图4和图5所示，本实施例的所述托架4结构针对所述电路板5上的发热元器件51进行覆形设计，所述电路板5具有发热元器件51的一侧面通过封装胶6与所述托架4连接。工具内筒外壁针对电路板上的发热元器件，在结构上进行覆形设计，使用将封装胶涂敷在电路板表面，封装胶凝固后可形成一层薄膜，使内筒外壁可以与各发热元器件有良好的安装接触，便于热传导。封装胶6在起到隔热效果的同时，还能够起到缓冲效果。

如图4和图5所示，本实施例的所述托架4上设有与所述电路板5结构适配的凸台41或凹槽。托架结构设计紧凑，在电路板等部位增加凸台或凹槽，与电路板结构适配，能够有效热传递。在保证托架自身强度的同时，保证托架内部泥浆流道顺畅，增加散热效率。

如图4和图5所示，本实施例的所述封装胶6涂覆在所述电路板5具有发热元器件51的一侧面上。在电路板上涂抹封装胶，封装胶能够起到一定的隔热和电磁屏蔽作用，在管路受到冲击时，封装胶层阻隔电路板与支架的直接碰撞，有效减小对电路板上所受的冲击载荷，保证电路板正常工作。

本实施例的所述电路板5上的发热元器件51与所述托架4之间涂覆有导热脂。为了控制元器件的温度水平，应确保元器件与内筒外壁之间的导热热阻足够低，可以通过在元器件与导热面之间涂抹导热脂的方式实现。

如图4和图5所示，所述托架4上设有槽道42，所述电路板5安装在所述槽道42内，所述槽道42上安装有将所述电路板5封装在所述槽道42内的盖板7。所述盖板可选用金属盖板，通过增加盖板，进一步有效阻隔外筒的高温对电路板的影响，还能够起到磁屏蔽效果。

如图4所示，所述托架4与所述工具外筒2内侧壁之间设有缓冲圈8。可在整个托架的前端、末端、中部增加橡胶缓冲圈，防止电子仓与外壳的冲击造成较大振动。例如，可在托架上增加氟橡胶材料，作为隔振元件，氟橡胶材料具有超弹性，且耐高温性能优越，在冲击和振动载荷下，可以起到缓冲作用，有效整个装置的振动传递性，维持系统在极端环境下的可靠性。

如图4和图5所示，所述工具内筒1外侧壁上形成有若干托架4，每个所述托架4上设有若干沿周向排布的电路板5，相邻所述托架4上的电路板5错位布置。使电路板在工具内筒外侧壁上均匀排布，使工具内筒散热均匀，散热效果更好。

如图4和图5所示，每个所述托架4上设有两个相对布置的电路板5。所述工具内筒1上设有两个托架4，每个托架4上形成有两个槽道42，每个槽道42内可安装一个电路板5。

本实施例根据装置所处环境特点和结构特征，针对高温环境边界，采取气凝胶隔热层进行隔热设计，防止高温环境对装置内部造成不利影响；工具内筒可用于泥浆高速流过，利用高速流动的泥浆作为装置的散热冷源，通过将电路板上的发热元器件朝向工具内筒布置，可利用将发热元器件产生的热量通过工具内筒中流动的泥浆带走。本实施例主要针对非永久完井或有限时间长度作业领域的高功率电子器件的热管理。本实施例通过设计基于气凝胶材料的油田井下高温环境的高功率电子系统热管理封装来解决石油深钻旋转导向系统设计过程中极端环境下可靠性的问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。