一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置及制备方法

本发明涉及井下电路降温，特别涉及一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置及制备方法。

背景技术：

1、随着我国加大对非常规油气田的开发力度，旋转导向技术成为开发的关键工具。为了实现对地下油气藏的准确探寻和获取地层的关键信息，旋转导向工具会安装多种随钻测控电路系统。伴随着钻井深度的增加，地下的温度随之上升，这对旋转导向工具随钻测控电路的使用温度提出了挑战。旋转导向工具需要在井下长时间工作，井下环境温度会造成井下电路元器件的寿命快速衰减，导致整体的电路板失效造成钻井工作的停滞，使得整体的井场作业的成本上升。而且在井下温度的升高的同时，由于井下测控电路工作所产生的温度和环境温度造成热耦合，使得整体电路的温度远远超过电路元器件的额定温度。若不对电路板的温度上升进行控制，将会影响这个电路板的功能异常，进而会对整体的旋转导向系统的正常工作造成影响，影响钻井过程。因此需要对井下测控电路的主动降温技术进行研究。

2、现有技术中，专利公开号为cn109788715a的《一种随钻井下电路半导体主动降温系统及降温方法》，包括壳体以及设置于壳体内的多级半导体制冷片，所述半导体制冷片包括：第一级半导体制冷片，其热端通过第一导热板连接壳体，其冷端通过第二导热板连接第二级半导体制冷片的热端；第二级半导体制冷片，其冷端通过第三导热板连接第三级半导体制冷片的热端；第三级半导体制冷片，其冷端通过第四导热板连接井下电路。该现有技术采用半导体制冷片主动降温的方法降低井下电路的温度，而不必依靠元件自身被动“抗温”，由井下发电机提供动力，可保证对井下电路持续的降温，提高了井下电路的寿命及稳定性。

3、由于钻井工具的尺寸和形状的问题，井下测控电路的电路板的设计形状不同于常规pcb设计，其需要贴合钻柱，由于钻柱为圆柱形，传统的制冷散热装置为刚性设计，不能完成对于目标散热端的曲面贴合，造成散热效率的损失。然而，上述现有技术并未对该问题进行研究或解决，井下测控电路的散热效率较差。

技术实现思路

1、本发明提供了一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置及制备方法，用以解决现有技术中井下测控电路的散热效率较差的问题。

2、一方面，本发明提供了一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，包括：半导体柔性制冷片、井下电能分配系统和井下测控电路。

3、所述井下电能分配系统用于为所述半导体柔性制冷片供电。

4、所述半导体柔性制冷片的冷端贴合在所述井下测控电路的表面，并用于将所述井下测控电路的热量导出。

5、所述半导体柔性制冷片由冷端至热端依次包括：绝缘材料层、第一柔性承托层、制冷功能层、第二柔性承托层和散热材料层。

6、所述制冷功能层包括：交叉排列的p型半导体晶粒和n型半导体晶粒，所述p型半导体晶粒和所述n型半导体晶粒通过柔性金属导线连接。

7、在一种可能的实现方式中，所述第一柔性承托层与所述制冷功能层的冷端之间填充有第一高导热材料层，所述制冷功能层的热端与所述第二柔性承托层之间填充有第二高导热材料层。

8、在一种可能的实现方式中，所述第一高导热材料层和所述第二高导热材料层均采用高导热硅脂。

9、在一种可能的实现方式中，所述第一柔性承托层和所述第二柔性承托层均采用高导热环氧树脂。

10、在一种可能的实现方式中，所述绝缘材料层采用聚酰亚胺薄膜。

11、在一种可能的实现方式中，所述散热材料层采用石墨烯导热贴片。

12、在一种可能的实现方式中，所述p型半导体晶粒的两端和所述n型半导体晶粒的两端均设置有金属镀层，所述p型半导体晶粒的金属镀层和所述n型半导体晶粒的金属镀层通过所述柔性金属导线连接。

13、在一种可能的实现方式中，所述柔性金属导线采用铜合金。

14、所述金属镀层采用铜或锡。

15、所述金属镀层与所述柔性金属导线焊接。

16、在一种可能的实现方式中，所述半导体柔性制冷片设置有两片，一片贴合在所述井下测控电路的面向机械结构环空的一侧，另一片贴合在所述井下测控电路的背向机械结构环空的一侧且将所述井下测控电路所在的钻柱整体包裹。

17、另一方面，本发明还提供了一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置的制备方法，包括以下步骤：

18、步骤一，制备第一柔性承托层和第二柔性承托层。

19、步骤二，对p型半导体晶粒的两端和n型半导体晶粒的两端设置金属镀层，通过柔性金属导线将交叉排列的p型半导体晶粒和n型半导体晶粒的金属镀层连接，得到制冷功能层。

20、步骤三，在所述第一柔性承托层与所述制冷功能层的冷端之间填充第一高导热材料层，在所述制冷功能层的热端与所述第二柔性承托层之间填充第二高导热材料层。

21、步骤四，在所述第二柔性承托层背向所述制冷功能层的一侧安装散热材料层。

22、步骤五，采用绝缘材料层将井下测控电路整体包裹，并将所述第一柔性承托层背向所述制冷功能层的一侧与所述绝缘材料层贴合，使得绝缘材料层、第一柔性承托层、第一高导热材料层、制冷功能层、第二高导热材料层、第二柔性承托层和散热材料层构成半导体柔性制冷片。

23、步骤六，采用井下电能分配系统分别与井下测控电路、半导体柔性制冷片电连接。

24、本发明中的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置及制备方法，具有以下优点：

25、通过设置半导体柔性制冷片结构，使得半导体柔性制冷片可以柔性弯曲，与井下测控电路进行充分贴合，提高了散热效率。

26、提出的第一柔性承托层与制冷功能层的冷端之间填充有第一高导热材料层，制冷功能层的热端与第二柔性承托层之间填充有第二高导热材料层，避免了空隙，增大了换热效率。

27、提出的第一柔性承托层和第二柔性承托层均采用高导热环氧树脂，起到对制冷功能层进行承托，以及绝缘和导热的作用。

28、提出的绝缘材料层采用聚酰亚胺薄膜，使得半导体柔性制冷片与井下测控电路之间绝缘。

29、提出的散热材料层采用石墨烯导热贴片，通过提高半导体柔性制冷片的热端的导热速度，进而提高了井下测控电路的降温速度，从而提高了井下测控电路的工作寿命和稳定性。

30、提出的半导体柔性制冷片贴合在井下测控电路的背向机械结构环空的一侧且将井下测控电路所在的钻柱整体包裹，提高了半导体柔性制冷片与井下测控电路的接触面积，进而提高了散热效率。

技术特征：

1.一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，包括：半导体柔性制冷片、井下电能分配系统和井下测控电路；

2.根据权利要求1所述的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，所述第一柔性承托层与所述制冷功能层的冷端之间填充有第一高导热材料层，所述制冷功能层的热端与所述第二柔性承托层之间填充有第二高导热材料层。

3.根据权利要求2所述的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，所述第一高导热材料层和所述第二高导热材料层均采用高导热硅脂。

4.根据权利要求1所述的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，所述第一柔性承托层和所述第二柔性承托层均采用高导热环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，所述绝缘材料层采用聚酰亚胺薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，所述散热材料层采用石墨烯导热贴片。

7.根据权利要求1所述的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，所述p型半导体晶粒的两端和所述n型半导体晶粒的两端均设置有金属镀层，所述p型半导体晶粒的金属镀层和所述n型半导体晶粒的金属镀层通过所述柔性金属导线连接。

8.根据权利要求7所述的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，所述柔性金属导线采用铜合金；

9.根据权利要求1所述的一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置，其特征在于，所述半导体柔性制冷片设置有两片，一片贴合在所述井下测控电路的面向机械结构环空的一侧，另一片贴合在所述井下测控电路的背向机械结构环空的一侧且将所述井下测控电路所在的钻柱整体包裹。

10.一种如权利要求1至9任一项所述的井下电路降温用半导体柔性制冷装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种井下电路降温用半导体柔性制冷装置及制备方法，其中装置包括：半导体柔性制冷片、井下电能分配系统和井下测控电路；半导体柔性制冷片的冷端贴合在井下测控电路的表面；半导体柔性制冷片由冷端至热端依次包括：绝缘材料层、第一柔性承托层、制冷功能层、第二柔性承托层和散热材料层；制冷功能层包括：交叉排列的P型半导体晶粒和N型半导体晶粒，P型半导体晶粒和N型半导体晶粒通过柔性金属导线连接。本申请通过设置半导体柔性制冷片结构，使得半导体柔性制冷片可以柔性弯曲，与井下测控电路进行充分贴合，提高了散热效率。技术研发人员：李飞,刘源,梅钰,张婷婷受保护的技术使用者：西安石油大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15