[发明专利]热泵设备、具有该热泵设备的设备及其冷却的方法

说明书

技术领域

本文公开的主题的实施例大体涉及方法和装置，并且更具体而言，涉及用于使用基于斯特林(Stirling)循环的热交换器来冷却井下装置的内部构件的机构和技术。

背景技术

如其它制造规程一样，钻井技术已经结合了用于测量、计算、通信等的电子器件。由于钻井能力允许钻探较深的井，所以井流体(另外称为“泥浆”)的温度提高到其中需要对井下电子器件进行隔热和/或冷却来保持电子器件能够运行的点。一直努力对电子器件进行隔热，但如果未在电子器件系统的设计中结合冷却机构，即使可获得真正隔热的隔热体，由电子器件本身产生的热也将导致过热。

一直努力对电子系统提供冷却剂，但现有的井的状态的深度使这个任务有困难。典型的井可有几千英尺深，并且在井中可包括弯部，弯部会使得难以使一个或多个冷却剂管路铅垂到钻头。另外，在单个井中将多个测量和数据收集井下工具链在一起的现有方法进一步使冷却单独的工具和它们的相关联的电子构件的已经困难的任务复杂化。另外，一直努力隔离电子构件与和外部环境相关联的热，但基于热源克服隔热体所需的时间量以及由电子器件产生的热，这些努力导致了固定的运行时间，并且使电子构件的温度升高它们无法运行的温度。

许多现有技术的系统和机构已经发展成将热从温度较高的区传递到温度较低的区，或者发展成基于前述能量传递来执行机械功。用于基于所描述的温差来执行机械功的一个这种装置为斯特林引擎。斯特林引擎是通过利用两个区之间的温差来将热能转换成机械能的装置。

斯特林引擎按照斯特林循环的原理来运行，斯特林循环由对工作流体起作用的四个热力学过程组成。斯特林循环由等温膨胀、等容积冷却、等温压缩和等容积加热组成。斯特林循环的输出是基于斯特林引擎中的活塞的移动来执行机械功的能力。在斯特林循环的理论中值得注意的是斯特林循环的可逆性质。因此，对斯特林引擎提供机械能且产生能够将热从温度较低的区传递到温度较高的区的热交换器是可行的。

因此，提供避免前面描述的冷却井下电子器件的问题和缺点的装置和方法将是合乎需要的。

发明内容

根据一个示例性实施例，存在一种热泵设备，包括多个柔性阻隔件，其分隔用以移除热的位置与用以添加热的位置，并且封闭所述热传递通过其中的容积。接下来在该示例性实施例中，包含在容积中的热传递流体用于基于机械能的输入来传递热。继续示例性实施例，多个机械搅动器用于将压缩力和膨胀力作为机械能施加于容积，从而使热传递流体的位置从邻近用以移除热的位置的位置改变至邻近添加热的位置的位置。

根据另一个示例性实施例，一种井下钻探设备包括：包围钻探构件的内部罐；外部罐，其包围内部罐，并且在内部罐和外部罐之间产生空隙；以及设置在内部罐和外部罐之间的空隙中的热泵设备。继续该示例性实施例，热泵设备包括多个柔性阻隔件，其分隔用以移除热的位置与用以添加热的位置，并且封闭所述热传递通过其中的容积。接下来在该示例性实施例中，包含在容积中的热传递流体用于基于机械能的输入来传递热。继续示例性实施例，多个机械搅动器用于将压缩力和膨胀力作为机械能施加于容积，从而使热传递流体的位置从邻近用以移除热的位置的位置改变至邻近用以添加热的位置的位置。

根据另一个示例性实施例，存在一种用于冷却井下钻探构件的方法。该方法包括将钻探构件包围在第一罐中。继续示例性实施例，将第一罐包围在第二罐中，以及在第一罐和第二罐之间提供空隙区域。接下来，继续示例性实施例，将多个柔性阻隔件插入第一罐和第二罐之间的空隙区域中。另外，继续示例性实施例，通过用搅动器使包含在多个阻隔件产生的多个穴中的热传递流体交替地压缩和膨胀来添加机械能，其中，所述搅动器相对于彼此以异步大约九十度的方式移动。接下来在该示例性实施例中，交替地使多个穴的位置从膨胀期间的较冷的位置转移到压缩期间的较热的位置，以将热从较冷的位置传递到较热的位置。

附图说明

结合在本说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述一起阐明这些实施例。在图中：

图1是表示包括斯特林循环的四个热力学过程的贝塔型斯特林引擎的现有技术的示例性实施例；

图2是描绘了典型地与钻探设备的井下电子器件相关联的径向横截面的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例；

图3是描绘了典型地与钻探设备的井下电子器件相关联的径向横截面的温度较高的区和温度较低的区的示例性实施例，钻探设备包括跨过两个区之间的空隙而连接到这两个区上的多个贝塔型斯特林引擎，其中有斯特林引擎的分解图；