NO20110208A1

NO20110208A1 - Downhole tool with thin film thermoelectric cooling

Info

Publication number: NO20110208A1
Application number: NO20110208A
Authority: NO
Inventors: Rocco Difoggio
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2011-02-22
Also published as: BRPI0917426A2; WO2010014243A2; GB2476178B; GB201101610D0; GB2476178A; WO2010014243A3; US20100024436A1

Abstract

En anordning og en fremgangsmåte for avkjøling av en brikke nede i et brønnhull er beskrevet. Anordningen innbefatter en halvlederbrikke. Et termoelektrisk tynnfilm-kjølelag er koblet til halvlederbrikken, og en varmespreder er koblet til det termoelektriske tynnfilm-kjølelaget. En fremgangsmåte innbefatter å transportere en halvlederbrikke på en bærer til en posisjon i et brønnhull og aktivere et termoelektrisk tynnfilm-kjølelag koblet til halvlederbrikken. Fremgangsmåten innbefatter videre å pumpe varme fra det termoelektriske tynnfilm-kjølelaget ved å bruke en varmespreder koblet til det termoelektriske tynnfilm-kjølelaget.An apparatus and method for cooling a chip downhole are described. The device includes a semiconductor chip. A thermoelectric thin film cooling layer is connected to the semiconductor chip and a heat dissipator is connected to the thermoelectric thin film cooling layer. One method involves transporting a semiconductor chip on a carrier to a position in a wellbore and activating a thermoelectric thin film cooling layer coupled to the semiconductor chip. The method further includes pumping heat from the thermoelectric thin film cooling layer using a heat dissipator coupled to the thermoelectric thin film cooling layer.

Description

BAKGRUNN BACKGROUND

1. Teknisk område 1. Technical area

Foreliggende oppfinnelse angår generelt brønnhullsverktøy, og spesielt anordninger og fremgangsmåter for å utføre brønnhullsoperasjoner. The present invention generally relates to wellbore tools, and in particular devices and methods for carrying out wellbore operations.

2. Bakgrunnsinformasjon 2. Background information

Olje- og gassbrønner er blitt boret ved dybder i området fra noen få tusen fot til så dypt som 8 km. Kabel- og boreverktøy innbefatter ofte forskjellige sensorer, instrumenter og styringsanordninger for å utføre et antall brønnhullsoperasjoner. Disse operasjonene kan innbefatte formasjonstesting, fluidanalyse og verktøy-overvåkning og -styring. Oil and gas wells have been drilled at depths ranging from a few thousand feet to as deep as 8 km. Cable and drilling tools often include various sensors, instruments and controls to perform a number of downhole operations. These operations may include formation testing, fluid analysis and tool monitoring and control.

Miljøet i disse brønnene gir mange utfordringer når det gjelder å vedlikeholde verktøyene som brukes dypt nede, på grunn av vibrasjon, barske kjemikalier og temperaturer. Temperaturen i brønnhullsverktøyapplikasjoner oppviser et unikt problem for disse verktøyene. Høye brønnhullstemperaturer kan nå så høyt som 200°C (392° F) eller mer, noe som gjør det vanskelig å operere følsomme elektroniske komponenter i miljøet. Plassen i en brønnhullsbærer er vanligvis begrenset til en diameter på noen få tommer. Kjølesystemer krever typisk store mengder kraft og opptar verdifull plass i verktøybæreren og utgjør et ytterligere feilpunkt i systemet. The environment in these wells presents many challenges when it comes to maintaining the tools used deep down, due to vibration, harsh chemicals and temperatures. Temperature in downhole tool applications presents a unique problem for these tools. High wellbore temperatures can reach as high as 200°C (392°F) or more, making it difficult to operate sensitive electronic components in the environment. The space in a wellbore carrier is usually limited to a diameter of a few inches. Cooling systems typically require large amounts of power and take up valuable space in the tool carrier and constitute an additional point of failure in the system.

Ett av de mest utfordrende aspektene ved konstruksjon av brønnhullsverktøy er den ødeleggende virkningen som høye temperaturer kan ha på ytelsen til havlederbasert elektronikk. Noen eksempler på halvlederelementer som kan kreve kjøling, innbefatter, men er ikke begrenset til, sentralenheter (CPU-er), forsterkere, digital/analog-omformere (DAC), analog/digital-omformere (ADC), feltprogrammer-bare portgrupper FPGA og lignende. Sensorer slik som fotodioder, grupper av ladningskoblede anordninger (CCD) og andre lysdetektorer, metalloksid-halvledere (MOS), metalloksid-halvlederfelteffelttransistorer (MOSFET) og ionesensitive felteffekttransistorer (IsFET) kjemikaliesensorer er bare noen eksempler på halvledersensorer som brukes i brønnhull og som kan påvirkes ugunstig av høye temperaturer. Elektromagnetiske emittere, noen ganger referert til som lyskilder, innbefatter laserdioder, lysemitterende dioder (LED), superlumiserende LED-er og andre kan også tape ytelseskarakteristikker ved høye temperaturer. Høye temperaturer kan forårsake drift, ikke-lineær respons, redusert respons og også fullstendig svikt av slike anordninger ved de høye temperaturene. Anordningene gjenvinner ofte sin opprinnelige ytelse når de returneres til romtemperatur, men noen ganger blir de skadet permanent etter å ha vært eksponert for slike høye temperaturer. One of the most challenging aspects of downhole tool design is the devastating effect that high temperatures can have on the performance of ocean conductor-based electronics. Some examples of semiconductor elements that may require cooling include, but are not limited to, central processing units (CPUs), amplifiers, digital-to-analog converters (DACs), analog-to-digital converters (ADCs), field program-only port arrays, FPGAs, and the like. Sensors such as photodiodes, arrays of charge-coupled devices (CCDs) and other light detectors, metal oxide semiconductors (MOS), metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) and ion sensitive field effect transistors (IsFET) chemical sensors are just a few examples of semiconductor sensors used in downholes that can be affected unfavorable of high temperatures. Electromagnetic emitters, sometimes referred to as light sources, including laser diodes, light emitting diodes (LEDs), superluminescent LEDs, and others may also lose performance characteristics at high temperatures. High temperatures can cause drift, non-linear response, reduced response and even complete failure of such devices at the high temperatures. The devices often regain their original performance when returned to room temperature, but sometimes they are permanently damaged after being exposed to such high temperatures.

Shunt-resistansen til en fotodiode kan starte ved en gigaohm ved romtemperatur, men falle til bare 100 ohm ved 175°C. Når man forsøker å utføre kvantitative optiske målinger nede i brønnhull, er det nødvendig å ta hensyn til den betydelig reduserte responsen til halvlederbaserte fotodetektorer ved høye temperaturer. Laserdioder og LED-er oppviser likeledes betydelige tap av utsendt lysintensitet ved høye temperaturer. De fleste laserdioder stopper fullstendig å lasere over 125°C. Noen sensorer slik som metalloksid, halvledergass-sensorer må derimot operere ved en fast, men høy temperatur slik som 175°C eller 200°C. The shunt resistance of a photodiode may start at one gigaohm at room temperature, but drop to only 100 ohms at 175°C. When attempting to carry out quantitative optical measurements downhole, it is necessary to take into account the significantly reduced response of semiconductor-based photodetectors at high temperatures. Laser diodes and LEDs likewise exhibit significant losses of emitted light intensity at high temperatures. Most laser diodes stop lasing completely above 125°C. Some sensors such as metal oxide, semiconductor gas sensors, on the other hand, must operate at a fixed but high temperature such as 175°C or 200°C.

OPPSUMMERING SUMMARY

I det følgende presenteres en generell oppsummering av flere aspekter ved oppfinnelsen for å gi en grunnleggende forståelse av idet minste visse aspekter ved oppfinnelsen. Denne oppsummeringen er ikke noen uttømmende oversikt over oppfinnelsen. Den er ikke ment å identifisere hovedtrekk eller kritiske elementer ved oppfinnelsen eller å begrense omfanget av patentkravene. Den følgende oppsummeringen presenterer bare noen konsepter ved oppfinnelsen på en generell form som en innledning til den mer detaljerte beskrivelsen som følger. In what follows, a general summary of several aspects of the invention is presented to provide a basic understanding of at least certain aspects of the invention. This summary is not an exhaustive overview of the invention. It is not intended to identify main features or critical elements of the invention or to limit the scope of the patent claims. The following summary presents only some concepts of the invention in a general form as a prelude to the more detailed description that follows.

Det er beskrevet en anordning for kjøling av en brikke i et brønnhull. Anordningen innbefatter en halvlederbrikke. Et termoelektrisk tynnfilm-kjølelag er koblet til halvlederbrikken, og en varmespreder er koblet til det termoelektriske tynnfilm-kjølelaget. A device for cooling a chip in a well hole is described. The device includes a semiconductor chip. A thermoelectric thin film cooling layer is connected to the semiconductor chip, and a heat spreader is connected to the thermoelectric thin film cooling layer.

Ifølge et annet aspekt inneholder en fremgangsmåte for kjøling av en halvlederbrikke nede i et brønnhull å transportere en halvlederbrikke på en bærer til en brønnhullsposisjon og aktivere et termoelektrisk tynnfilm-dekklag koblet til halvlederbrikken. Fremgangsmåten innbefatter videre å pumpe varme fra det termoelektriske tynnfilm-kjølelaget ved å bruke en varmespreder koblet til det termoelektriske tynnfilm-kjølelaget. According to another aspect, a method for cooling a semiconductor chip down a well includes transporting a semiconductor chip on a carrier to a well position and activating a thermoelectric thin film coating layer connected to the semiconductor chip. The method further includes pumping heat from the thermoelectric thin film cooling layer using a heat spreader connected to the thermoelectric thin film cooling layer.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

For å få en detaljert forståelse av foreliggende oppfinnelse skal det vises til den følgende detaljerte beskrivelse av flere ikke-begrensende utførelsesformer tatt i forbindelse med de vedføyde tegningene, hvor like elementer er blitt gitt like henvisningstall, og hvor: Fig. 1 illustrerer en ukapslet anordning med aktiv brikkekjøling i henhold til In order to obtain a detailed understanding of the present invention, reference should be made to the following detailed description of several non-limiting embodiments taken in conjunction with the attached drawings, where like elements have been given like reference numbers, and where: Fig. 1 illustrates an unencapsulated device with active chip cooling according to

flere utførelsesformer av oppfinnelsen; several embodiments of the invention;

fig. 2 og 3 illustrerer ikke-begrensende eksempler på kapslede anordninger som fig. 2 and 3 illustrate non-limiting examples of encapsulated devices such as

har aktiv brikkekjøling inne i kapselen; og has active chip cooling inside the capsule; and

fig 4 illustrerer et loggemiljø nede i et borehull med brønnhullsverktøy som innbefatter en avkjølt brikkeanordning i henhold til flere beskrevne utførelsesformer. Fig. 4 illustrates a logging environment down a borehole with a downhole tool that includes a cooled chip device according to several described embodiments.

BESKRIVELSE AV UTFØRELSESEKSEMPLER DESCRIPTION OF EMBODIMENT EXAMPLES

Foreliggende oppfinnelse benytter visse uttrykk, og betydningen av disse uttrykkene vil bidra til å gi en forståelse av foreliggende oppfinnelse. Høy temperatur slik uttrykket benyttes her, refererer til et temperaturområde som typisk blir påtruffet i oljeproduserende brønner. For formålet med foreliggende oppfinnelse innbefatter høy temperatur og brønnhullstemperatur et temperaturområde fra omkring 100°C til omkring 200°C (omkring 212°F til omkring 392°F). I de senere år etterhvert som brønner er blitt dypere og dypere, finnes det nå noen få brønner som overskrider 200°C. Én eller flere utførelsesformer som beskrives her, kan benytte uttrykket bærer. Uttrykket "bærer" slik det brukes her, betyr en hvilken som helst anordning, anordningskomponent, kombinasjon av anordninger, media og/eller organer som kan brukes til å transportere, romme, understøtte eller på annen måte lette bruken av en annen anordning, anordningskomponent, kombinasjon av anordninger, media og/eller organer. Ikke-begrensende eksempler på bærere innbefatter borestrenger av oppkveilingsrørtypen, av den sammenføyde rørtypen og enhver kombinasjon eller del av slike. Andre eksempler på bærere innbefatter foringsrør, kabler, kabelsonder, glattkabelsonder, fallsonder, brønnhullsmoduler, bunnhullsanordninger (BHA-er), borestrenginnsatser, moduler, indre rom og deler av disse. Uttrykket "brikke" innbefatter en hvilken som helst elektrisk halvlederkrets, enhver elektrisk halv-lederkretskomponent eller halvlederanordning som kan brukes i et brønnhulls-verktøy. Ikke-begrensende eksempler på en halvlederbrikke innbefatter halv-lederanordninger, kretser, detektorer, emittere, lagringsanordninger, data-kommunikasjonsanordninger, styringsanordninger og andre som er beskrevet her uten å begrense omfanget av oppfinnelsen. The present invention uses certain expressions, and the meaning of these expressions will help to provide an understanding of the present invention. High temperature, as the term is used here, refers to a temperature range that is typically encountered in oil-producing wells. For the purposes of the present invention, high temperature and wellbore temperature include a temperature range from about 100°C to about 200°C (about 212°F to about 392°F). In recent years, as wells have become deeper and deeper, there are now a few wells that exceed 200°C. One or more embodiments described herein may use the term carrier. The term "carrier" as used herein means any device, device component, combination of devices, media and/or organs that can be used to transport, accommodate, support or otherwise facilitate the use of another device, device component, combination of devices, media and/or organs. Non-limiting examples of carriers include drill strings of the coiled tubing type, of the jointed tubing type, and any combination or part thereof. Other examples of carriers include casing, cables, cable probes, smooth cable probes, drop probes, wellbore modules, downhole assemblies (BHAs), drill string inserts, modules, internal spaces and parts thereof. The term "chip" includes any electrical semiconductor circuit, any electrical semiconductor circuit component or semiconductor device that may be used in a downhole tool. Non-limiting examples of a semiconductor chip include semiconductor devices, circuits, detectors, emitters, storage devices, data communication devices, control devices and others described herein without limiting the scope of the invention.

Fig. 1 illustrerer et ikke-begrensende eksempel på en anordning 100 som innbefatter en avkjølt brikke 102 som er nyttig for drift i et brønnhullsmiljø. I én eller flere utførelsesformer kan brikken 102 være anbrakt på et aktivt kjølelag 104, og det aktive kjølelaget 104 kan være anordnet på en varmespreder 106. Ifølge én eller flere utførelsesformer kan varmesprederen 106 være anordnet på et varmesluk 108. I én eller flere utførelsesformer kan varmesluket være et høyvolumetrisk varme-kapasitetssluk hvis varmekapasitet er tilstrekkelig til å minimalisere sin temperatur-stigning etterhvert som brikken blir avkjølt og derved å gjøre det mulig for brikken å nå sin laveste mulige temperatur for den termoelektriske kjølerens maksimale verdi AT. For anordninger som må avkjøles for å forbedre deres ytelse, men som ikke blir skadet ved borehullstemperaturer, er intermittent, men hurtig, avkjøling til den ønskede temperaturen mulig på grunn av den høye varmepumpingsevnen til termoelektriske tynnfilmkjølere. En slik lav arbeidssyklus kan resultere i en mang-foldig reduksjon i den totale energien som er nødvendig for kjøling, noe som er spesielt nyttig for batteridrevne brønnhullsverktøy eller for et hvilket som helst brønnhullsverktøy som har begrenset tilgjengelig energi. Fig. 1 illustrates a non-limiting example of a device 100 that includes a cooled chip 102 useful for operation in a wellbore environment. In one or more embodiments, the chip 102 can be placed on an active cooling layer 104, and the active cooling layer 104 can be arranged on a heat spreader 106. According to one or more embodiments, the heat spreader 106 can be arranged on a heat sink 108. In one or more embodiments, the heat sink be a high volumetric heat capacity sink whose heat capacity is sufficient to minimize its temperature rise as the chip is cooled and thereby enable the chip to reach its lowest possible temperature for the thermoelectric cooler's maximum value AT. For devices that need to be cooled to improve their performance but are not damaged by downhole temperatures, intermittent but rapid cooling to the desired temperature is possible due to the high heat pumping capability of thermoelectric thin film coolers. Such a low duty cycle can result in a many-fold reduction in the total energy required for cooling, which is particularly useful for battery-powered downhole tools or for any downhole tool that has limited available energy.

Brikken 100 kan være en hvilken som helst brikke valgt for undergrunns-operasjoner. Brikken kan f.eks. innbefatte en CPU, en forsterker, en DAC, en ADC, én eller flere FPGA-er, sensorer slik som fotodioder, CCD-grupper og andre lysdetektorer. Brikken 100 kan innbefatte MOS, MOSFET, IsFET og andre anordninger og sensorer. Brikken 100 kan også innbefatte elektromagnetiske emittere slik som laserdioder, LED-er, superluminisente LED-er og andre halvlederlyskilder og elektromagnetiske energiemittere. The chip 100 may be any chip selected for underground operations. The chip can e.g. include a CPU, an amplifier, a DAC, an ADC, one or more FPGAs, sensors such as photodiodes, CCD arrays and other light detectors. The chip 100 may include MOS, MOSFET, IsFET and other devices and sensors. The chip 100 may also include electromagnetic emitters such as laser diodes, LEDs, superluminescent LEDs and other semiconductor light sources and electromagnetic energy emitters.

Det aktive kjølelaget 104 kan være et hvilket som helst egnet materiallag som gir aktiv kjøling for brikken 100.1 én eller flere utførelsesformer kan det aktive kjølelaget 104 innbefatte termoelektriske kjølematerialer. Egnede termoelektriske materialer kan være basert på meget tynne filmer som kan plasseres i hovedsakelig direkte kontakt med brikken 102 som skal avkjøles for maksimal varmeoverføring og minst mulig overskuddsmasseoppvarming eller kjøling. Termoelektriske tynnfilm-kjølelag som er beskrevet her, refererer til aktive kjølelag utformet ved å bruke én eller flere mikromaskinerings- og/eller påføringsprosesser for å danne småskala-anordninger, slik som halvlederbrikker. Termoelektriske tynnfilmsmaterialer kan pumpe så meget som 700 Watt/cm<2>(som er 6,06 hestekrefter pr. kvadrattomme) med varme, kan ha ytelseskoeffisienter (hvor ytelseskoeffisienten er antall Watt med varme pumpet pr. Watt med brukt elektrisitet) mer enn én, og kan bli mer effektiv med økt borehullstemperatur over området med borehullstemperaturer. De termoelektriske materialene kan innbefatte en supergitterstruktur med vekslende lag-tykkelser på omkring 5 nm av termoelektriske materialer, slik som vekslende vismut-tellurid og antimon-tellurid. I én eller flere utførelsesformer kan det aktive kjølelaget 104 ha et godhetstall (ZT) som forbedres moderat med økende temperatur over temperaturområdet i borehull, og som kan ha en ytelseskoeffisient på omkring 1 eller mer. Et termoelektrisk godhetstall er positivt korrelert med sin ytelseskoeffisient. I én eller flere utførelsesformer kan COP være i et området fra omkring 1 til 4.1 én eller flere utførelsesformer kan COP-verdien være i området fra omkring 1 til 8. The active cooling layer 104 can be any suitable material layer that provides active cooling for the chip 100. In one or more embodiments, the active cooling layer 104 can include thermoelectric cooling materials. Suitable thermoelectric materials can be based on very thin films that can be placed in substantially direct contact with the chip 102 to be cooled for maximum heat transfer and minimum excess mass heating or cooling. Thermoelectric thin film heat sinks described herein refer to active heat sinks formed using one or more micromachining and/or deposition processes to form small scale devices, such as semiconductor chips. Thin-film thermoelectric materials can pump as much as 700 Watts/cm<2> (which is 6.06 horsepower per square inch) of heat, can have coefficients of performance (where the coefficient of performance is the number of Watts of heat pumped per Watt of electricity used) greater than one , and can become more efficient with increased borehole temperature over the range of borehole temperatures. The thermoelectric materials may include a superlattice structure with alternating layer thicknesses of about 5 nm of thermoelectric materials, such as alternating bismuth telluride and antimony telluride. In one or more embodiments, the active cooling layer 104 may have a figure of merit (ZT) that improves moderately with increasing temperature over the borehole temperature range, and may have a coefficient of performance of about 1 or more. A thermoelectric figure of merit is positively correlated with its coefficient of performance. In one or more embodiments, the COP may be in a range from about 1 to 4. In one or more embodiments, the COP value may be in the range from about 1 to 8.

Som vist på fig. 1, kan det aktive kjølelaget 104 være plassert i hovedsakelig direkte kontakt med brikken 102. Det aktive kjølelaget 104 kan videre være i hovedsakelig direkte kontakt med varmesprederen 106.1 én eller flere utførelsesformer kan varmesprederen 106 være laget av et meget termisk konduktivt materiale slik som diamant som har en termisk konduktivitet på omkring 630 W/mK. I én eller flere utførelsesformer kan varmesprederen 106 være laget av et meget termisk ledende materiale slik som aluminiumnitrid med en termisk konduktivitet på omkring 180 W/mK. I én eller flere utførelsesformer kan varmesprederen 106 ha en overflate som har et meget større areal enn både brikken 102 eller overflatearealet til det aktive kjølematerialet. As shown in fig. 1, the active cooling layer 104 may be placed in substantially direct contact with the chip 102. The active cooling layer 104 may further be in substantially direct contact with the heat spreader 106. In one or more embodiments, the heat spreader 106 may be made of a highly thermally conductive material such as diamond which has a thermal conductivity of around 630 W/mK. In one or more embodiments, the heat spreader 106 may be made of a highly thermally conductive material such as aluminum nitride with a thermal conductivity of about 180 W/mK. In one or more embodiments, the heat spreader 106 may have a surface that has a much larger area than both the chip 102 or the surface area of the active cooling material.

Under drift pumper varmesprederen 106 eventuell varme bort fra brikken 102 og det aktive kjølelaget 104 og sprer den over overflaten til det store arealet og volumet til varmesluket 108.1 én eller flere utførelsesformer kan varmesluket være et elektrisk isolerende materiale, eller varmesluket kan være elektrisk ledende. I én eller flere utførelsesformer kan varmesluket være laget av et materiale som har høy volumetrisk varmekapasitet, som er produktet av massedensitet og spesifikk varme for det brukte materialet. Et elektrisk isolerende varmesluk kan f.eks. være laget ved å bruke aluminiumsoksid (Al203) hvis volumetriske varmekapasitet er omkring 3.37E+06 Jm"<3>K"<1>eller aluminiumnitrid (AIN) hvis volumetriske varmekapasitet er omkring 2.59E+06 Jm"<3>K'<1>. For et elektrisk ledende varmesluk kan man bruke kobber hvis volumetriske varmekapasitet er 3.45E+06 Jm"<3>K"<1>eller aluminium hvis volumetriske varmekapasitet er 2.42E+06 Jm"<3>K"<1>eller silicium hvis volumetriske varmekapasitet er 1,63E+06 Jm"<3>K"<1>. Alternativt eller i tillegg til de ovenfor beskrevne varmeslukene kan varmesluket 108 innbefatte et væskefylt varmerør i kontakt med varmesprederen for å flytte den varmen som pumpes av den termoelektriske kjøleren. During operation, the heat spreader 106 pumps any heat away from the chip 102 and the active cooling layer 104 and spreads it over the surface of the large area and volume of the heat sink 108. In one or more embodiments, the heat sink may be an electrically insulating material, or the heat sink may be electrically conductive. In one or more embodiments, the heat sink may be made of a material that has a high volumetric heat capacity, which is the product of mass density and specific heat of the material used. An electrically insulating heat sink can e.g. be made using aluminum oxide (Al2O3) whose volumetric heat capacity is about 3.37E+06 Jm"<3>K"<1>or aluminum nitride (AIN) whose volumetric heat capacity is about 2.59E+06 Jm"<3>K'< 1>. For an electrically conductive heat sink, one can use copper whose volumetric heat capacity is 3.45E+06 Jm"<3>K"<1>or aluminum whose volumetric heat capacity is 2.42E+06 Jm"<3>K"<1> or silicon whose volumetric heat capacity is 1.63E+06 Jm"<3>K"<1>. Alternatively or in addition to the heat sinks described above, the heat sink 108 may include a liquid-filled heat pipe in contact with the heat spreader to move the heat that is pumped off the thermoelectric cooler.

Anordningen 100 som er beskrevet ovenfor og som er vist på fig. 1, kan operere som en ukapslet anordning eller som en kapslet anordning som beskrevet mer detaljert i forbindelse med fig. 2 og 3. En ukapslet anordning kan være av typen brikke-på-kort (chip-on-board, COB) som kan brukes i mange morkortanvendelser. Brønnhullsverktøy kan innbefatte en kapsel eller et hus for innkapsling av et kretskort som endel av brønnhullsverktøyet. En anordning 100 kan så være en ukapslet anordning 100 som er montert på kretskortet og mekanisk beskyttet ved å bruke verktøyhuset, mens det termoelektriske laget virker til å kjøle anordningen 100. The device 100 which is described above and which is shown in fig. 1, can operate as an unencapsulated device or as an encapsulated device as described in more detail in connection with fig. 2 and 3. An unencapsulated device may be of the chip-on-board (COB) type which can be used in many motherboard applications. The downhole tool may include a capsule or housing for encapsulating a circuit board as part of the downhole tool. A device 100 can then be an unencapsulated device 100 which is mounted on the circuit board and mechanically protected using the tool housing, while the thermoelectric layer acts to cool the device 100.

Det vises nå til fig. 2 og 3 hvor en anordning slik som anordningen 100 som er beskrevet ovenfor og vist på fig. 1, kan være innkapslet. Noen ikke-begrensende eksempler på innkapslede eller pakkede anordninger innbefatter elektromagnetiske energiemittere og fotodetektorer. Innkapslinger kan være kundespesifikke eller kan være av standardtypen. Fig. 2 illustrerer en elektromagnetisk energikilde 200 som innbefatter en brikke 202 som er anordnet inne i en innkapsling 206. Brikken 202 er i dette eksemplet en elektromagnetisk energiemitter som avgir elektromagnetisk energi 204, og innkapslingen eller pakken 206 innbefatter et vindu 208 som tillater den elektromagnetiske energien 204 å strømme ut fra innkapslingen 206. Innkapslingen 206 kan innbefatte et underlag 210, og underlaget 210 kan innbefatte ett eller flere hull 212 for å motta festeorganer for å feste den elektromagnetiske energikilden 200 til en brønnhullsbærer. Én eller flere elektrisk ledende ledninger 214 kan være forbundet med brikken og det aktive kjølelaget 104, og ledningene 214 kan strekke seg eksternt til innkapslingen 206 for å tilveiebringe elektrisk forbindelse for kraft og styring av den elektromagnetiske energikilden 200. Reference is now made to fig. 2 and 3 where a device such as the device 100 described above and shown in fig. 1, may be encapsulated. Some non-limiting examples of encapsulated or packaged devices include electromagnetic energy emitters and photodetectors. Enclosures can be customer specific or can be of the standard type. Fig. 2 illustrates an electromagnetic energy source 200 that includes a chip 202 that is arranged inside an enclosure 206. The chip 202 is in this example an electromagnetic energy emitter that emits electromagnetic energy 204, and the enclosure or package 206 includes a window 208 that allows the electromagnetic the energy 204 to flow from the enclosure 206. The enclosure 206 may include a substrate 210, and the substrate 210 may include one or more holes 212 to receive fasteners for attaching the electromagnetic energy source 200 to a wellbore carrier. One or more electrically conductive wires 214 may be connected to the chip and the active cooling layer 104 , and the wires 214 may extend externally to the enclosure 206 to provide electrical connection for power and control of the electromagnetic energy source 200 .

De interne innkapslingskomponentene kan være hovedsakelig som beskrevet ovenfor og som vist på fig. 1. Emitteren 202 kan være anordnet på et aktivt kjølelag 104, og det aktive kjølelaget 104 kan være anordnet på en varmespreder 106.1 én eller flere utførelsesformer kan varmesprederen 106 være anordnet på et varmesluk 108. Varmesluket 108 kan så være koblet til underlaget 210 eller til et mellom-liggende substrat etter behov. Konstruksjonsmaterialene kan være hovedsakelig som beskrevet ovenfor i forbindelse med de ukapslede utførelsesformene. The internal encapsulation components may be essentially as described above and as shown in fig. 1. The emitter 202 can be arranged on an active cooling layer 104, and the active cooling layer 104 can be arranged on a heat spreader 106. In one or more embodiments, the heat spreader 106 can be arranged on a heat sink 108. The heat sink 108 can then be connected to the substrate 210 or to an intermediate substrate as needed. The construction materials can be mainly as described above in connection with the unencapsulated embodiments.

Fig. 3 er et annet ikke-begrensende eksempel på en avkjølt brikke i en innkapsling. I eksemplet på fig. 3 innbefatter en detektor 300 en brikke 302 som kan brukes som avfølingselement. Brikken 302 er anordnet på et aktivt kjølelag 104 hovedsakelig som beskrevet ovenfor og som vist på fig. 1. Det aktive kjølelaget 104 kan være anordnet på en varmespreder 106, som kan være anordnet på et varmesluk 108. Brikken, kjøleren, sprederen og varmesluket kan så være anordnet på ett eller flere substrater 312 egnet for montering av anordningen i en detektorpakke 306. Fig. 3 is another non-limiting example of a cooled chip in an enclosure. In the example of fig. 3, a detector 300 includes a chip 302 which can be used as a sensing element. The chip 302 is arranged on an active cooling layer 104 mainly as described above and as shown in fig. 1. The active cooling layer 104 can be arranged on a heat spreader 106, which can be arranged on a heat drain 108. The chip, cooler, spreader and heat drain can then be arranged on one or more substrates 312 suitable for mounting the device in a detector package 306.

Pakken eller innkapslingen 306 kan videre innbefatte et vindu 308 for å tillate elektromagnetisk energi å strømme inni innkapslingen 306 og bli detektert av detektoren 302. Innkapslingen kan innbefatte et underlag 310 og én eller flere elektriske ledere 214 for montering av innkapslingen i et brønnhullsverktøy eller en brønnhullsbærer. The package or casing 306 may further include a window 308 to allow electromagnetic energy to flow within the casing 306 and be detected by the detector 302. The casing may include a substrate 310 and one or more electrical conductors 214 for mounting the casing in a downhole tool or a wellbore carrier .

Fig. 4 viser et ikke-begrensende eksempel på en brønnloggingsanordning 400 i henhold til flere utførelsesformer av oppfinnelsen. Brønnloggingsanordningen 400 er vist anordnet i et brønnhull 402 som trenger gjennom en grunnformasjon 404 for å ta målinger av egenskaper ved grunnformasjonene 404. Borehullet 402 er typisk fylt med borevæske for å hindre innstrømning av formasjonsfluid. Fig. 4 shows a non-limiting example of a well logging device 400 according to several embodiments of the invention. The well logging device 400 is shown arranged in a wellbore 402 which penetrates a basic formation 404 in order to take measurements of properties of the basic formations 404. The borehole 402 is typically filled with drilling fluid to prevent inflow of formation fluid.

En streng av loggeverktøy 406 blir senket ned i brønnhullet 402 ved hjelp av en armert elektrisk kabel 408. Kabelen 408 kan vikles på og fra en vinsj eller trommel 410. Verktøystrengen 406 kan være elektrisk forbundet med overflateutstyr 412 ved hjelp av en optisk fiber (ikke vist separat) som utgjør endel av kabelen 408. Overflateutstyret 412 kan innbefatte endel av et telemetrisystem 414 for å kommunisere styresignaler og data til verktøystrengen 406 og datamaskinen 416. Datamaskinen kan også innbefatte en dataregistreringsanordning 418 for å registrere målinger tatt ved hjelp av anordningen og overført til overflateutstyret 412. A string of logging tools 406 is lowered into the wellbore 402 by means of an armored electrical cable 408. The cable 408 can be wound on and off a winch or drum 410. The tool string 406 can be electrically connected to surface equipment 412 by means of an optical fiber (not shown separately) forming part of the cable 408. The surface equipment 412 may include part of a telemetry system 414 to communicate control signals and data to the tool string 406 and the computer 416. The computer may also include a data logging device 418 to record measurements taken by the device and transmitted to the surface equipment 412.

Én eller flere loggeanordninger 420 utgjør endel av verktøystrengen 406. Verktøystrengen 406 er fortrinnsvis sentrert i brønnhullet 402 ved hjelp av et øvre sentreringsorgan 422a og et nedre sentreringsorgan 422b festet til verktøystrengen 406 ved aksialt atskilte posisjoner. Sentreringsorganene 422a, 422b kan være av typer som er kjent på området, slik som buefjærer. One or more logging devices 420 form part of the tool string 406. The tool string 406 is preferably centered in the wellbore 402 by means of an upper centering member 422a and a lower centering member 422b attached to the tool string 406 at axially separated positions. The centering means 422a, 422b may be of types known in the art, such as arc springs.

Kretser for drift av loggeverktøyet 420 kan være anordnet inne i strengen 406 og inne i elektronikkmodulen 424. Kretsene kan videre være forbundet med verktøyet 420 gjennom en koblingsanordning 426.1 flere utførelsesformer kan loggeverktøyet 420 innbefatte en halvlederbasert anordning slik som noen av de anordningene som er beskrevet her og som er vist på fig. 1 til 3. Circuits for operation of the logging tool 420 can be arranged inside the string 406 and inside the electronics module 424. The circuits can further be connected to the tool 420 through a connection device 426. In several embodiments, the logging tool 420 can include a semiconductor-based device such as some of the devices described here and which is shown in fig. 1 to 3.

Flere driftsmessige eksempler kan nå beskrives på bakgrunn av den forangående forklaringen. I et borehullsverktøy er det ofte ønskelig å holde en halvlederbasert anordning under en viss temperatur eller i et valgt temperaturområde. Jo høyere borehullstemperaturen er, jo vanskeligere er det imidlertid å avkjøle anordningen til den ønskede temperaturen. Til slutt overskrider man den maksimalt mulige AT som eksterne termoelektriske kjølere eller stabler av kjølere typisk kan tilveiebringe. Den effekten som er nødvendig for å opprettholde en kontinuerlig stor AT kan også overskride den tillatte elektriske kraften i et brønnhulls-verktøy. Several operational examples can now be described on the basis of the preceding explanation. In a downhole tool, it is often desirable to keep a semiconductor-based device below a certain temperature or in a selected temperature range. However, the higher the borehole temperature, the more difficult it is to cool the device to the desired temperature. Finally, the maximum possible AT that external thermoelectric coolers or stacks of coolers can typically provide is exceeded. The power required to maintain a continuously large AT can also exceed the permitted electrical power in a downhole tool.

Et aktivt kjølelag 104 som beskrevet ovenfor, kan brukes for en valgt brikke 102, 202, 302 for å avkjøle anordningen når borehullstemperaturen overskrider den ideelle driftstemperaturen eller ved ganske enkelt å reversere polariteten til en tilført likespenning som kan brukes til å varme opp anordningen når borehullstemperaturen er under den ideelle driftstemperaturen. An active cooling layer 104 as described above can be used for a selected chip 102, 202, 302 to cool the device when the downhole temperature exceeds the ideal operating temperature or by simply reversing the polarity of an applied DC voltage that can be used to heat the device up to the downhole temperature is below the ideal operating temperature.

I henhold til flere ikke-begrensende eksempler tillater den meget hurtige kjølehastigheten til det aktive kjølelaget 104 intermitterende drift ved lav arbeidssyklus som ikke kontinuerlig vil trekke store mengder elektrisk kraft fra brønn-hullsverktøyet. En stor AT kan opprettholdes under en slik hurtig nedkjøling ved bruk av varmesluket 108 som varmen blir pumpet til, hvor varmesluket 108 har tilstrekkelig høy varmekapasitet til at det bare gjennomgår en liten temperaturøkning under drift av det aktive kjølelaget 104. Fordi brikken 102 er forholdsvis liten (kanskje 1 mm x 1 mm og mindre enn en mm tykk), kan en passiv fremgangsmåte brukes for å hindre varmesluktemperaturen fra å stige noe særlig over den normale omgivelses-temperaturen i borehullet. I én eller flere utførelsesformer innbefatter passiv varmesenkning bruk av en varmeslukstruktur som beskrevet ovenfor og som vist på fig. 1 -3.1 én eller flere utførelsesformer kan en passiv varmeslukmetode innbefatte bruk av et væskefylt varmerør i kontakt med en varmespreder for å flytte den varmen som pumpes av den termoelektriske kjøleren 104. According to several non-limiting examples, the very rapid cooling rate of the active cooling layer 104 allows intermittent operation at a low duty cycle that will not continuously draw large amounts of electrical power from the downhole tool. A large AT can be maintained during such rapid cooling by using the heat sink 108 to which the heat is pumped, the heat sink 108 having a sufficiently high heat capacity that it undergoes only a small temperature increase during operation of the active cooling layer 104. Because the chip 102 is relatively small (perhaps 1 mm x 1 mm and less than a mm thick), a passive method can be used to prevent the heat quench temperature from rising significantly above the normal ambient temperature in the borehole. In one or more embodiments, passive heat sinking includes the use of a heat sink structure as described above and as shown in FIG. 1 -3.1 one or more embodiments, a passive heat quenching method may include the use of a liquid-filled heat pipe in contact with a heat spreader to move the heat pumped by the thermoelectric cooler 104.

I et annet driftseksempel kan en brikke innbefatte en halvlederdetektor brukt for fluidspektroskopi i brønnhullet. Et fluidspektrometer i brønnhullet kan brukes til å samle inn et optisk og infrarødt optisk spektrum hvert tredje sekund under pumping av formasjonsfluid fra brønnhullet under fluidprøverensing; en prosess som kan ta fra 1 til 3 timer. Det er ønskelig å avkjøle fotodiodene som brukes som detektorer i spektrometeret når det brukes i omgivelser med høy temperatur, slik som i et borehull. I én eller flere utførelsesformer kan fotodiodene avkjøles i fra 100 til 300 millisekunder for hver syklus på 3 sekunder. På denne måten blir kjølesyklusen lang nok til å nå en stabil og tilstrekkelig lav temperatur til å samle inn et spektrum selv om de totale Watt-timene for den elektriske energien som er nødvendig for kjøling, er sterkt redusert. Det er ønskelig å kjenne temperaturen til fotodioden meget nøyaktig for å korrigere dens fotorespons nøyaktig med hensyn på temperatur. I én eller flere utførelsesformer kan shunt-resistansen til fotodioden som har et en-til-en-forhold med hensyn til temperatur, måles. Ifølge én eller flere utførelsesformer kan en fotoelektrisk strøm måles. In another operational example, a chip may include a semiconductor detector used for fluid spectroscopy in the wellbore. A downhole fluid spectrometer can be used to collect an optical and infrared optical spectrum every three seconds while pumping formation fluid from the wellbore during fluid sample cleanup; a process that can take from 1 to 3 hours. It is desirable to cool the photodiodes used as detectors in the spectrometer when it is used in a high temperature environment, such as in a borehole. In one or more embodiments, the photodiodes may be cooled for from 100 to 300 milliseconds for each 3 second cycle. In this way, the cooling cycle is long enough to reach a stable and sufficiently low temperature to collect a spectrum even though the total Watt-hours of the electrical energy required for cooling is greatly reduced. It is desirable to know the temperature of the photodiode very accurately in order to accurately correct its photoresponse with respect to temperature. In one or more embodiments, the shunt resistance of the photodiode which has a one-to-one relationship with temperature can be measured. According to one or more embodiments, a photoelectric current can be measured.

Foreliggende beskrivelse skal betraktes som illustrerende og ikke som begrensende for omfanget av de etterfølgende patentkrav. Mange modifikasjoner og variasjoner vil være opplagte for fagkyndige på området etter å ha studert beskrivelsen, innbefattende bruk av ekvivalente funksjonelle og/eller strukturelle erstatninger for elementer som er beskrevet her, bruk av ekvivalente funksjonelle koblinger i stedet for koblinger som er beskrevet her, og/eller bruk av ekvivalente funksjonelle handlinger i stedet for handlinger som er beskrevet her. Slike uvesentlige variasjoner er ment å være innenfor rammen av de etterfølgende patentkrav. The present description is to be regarded as illustrative and not as limiting the scope of the subsequent patent claims. Many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art after studying the specification, including the use of equivalent functional and/or structural substitutions for elements described herein, the use of equivalent functional links in place of links described herein, and/or or using equivalent functional actions instead of actions described here. Such insignificant variations are intended to be within the scope of the subsequent patent claims.

På bakgrunn av den ovenfor angitte beskrivelse av generelle konsepter og spesifikke utførelsesformer er omfanget av beskyttelsen definert i de vedføyde patentkrav. De etterfølgende patentkravene er ment å bli tatt som begrensende for søkerens rett til den patentsøkte oppfinnelsen, men likevel ikke bokstavelig angitt stoff som én eller flere anvendelser inngitt ifølge lovene i USA eller internasjonale overenskomster. Based on the above description of general concepts and specific embodiments, the extent of the protection is defined in the attached patent claims. The subsequent patent claims are intended to be taken as limiting the applicant's right to the patented invention, yet not literally stated substance as one or more applications filed under the laws of the United States or international agreements.

Claims

1. Device for cooling a chip in a wellbore, comprising: (a) a semiconductor chip that can be transported on a carrier to a position in a wellbore; (b) a thermoelectric thin film cooling layer coupled to the semiconductor chip; and (c) a heat spreader coupled to the thermoelectric thin film cooling layer.

2. Device according to claim 1, where the thermoelectric thin film cooling layer includes a superlattice structure of a number of alternating layers of thermoelectric materials.

3. Device according to claim 2, where the alternating layers comprise alternating bismuth telluride and antimony telluride materials.

4. Device according to claim 1, where the heat spreader includes a highly thermally conductive material.

5. Device according to claim 1, where the heat spreader comprises diamond as at least one construction material.

6. Device according to claim 1, where the heat spreader comprises aluminum nitride as at least one construction material.

7. Device according to claim 1, where the heat spreader includes a surface area that is larger than a surface area for the thermoelectric thin film cooling layer.

8. Device according to claim 1, further comprising a heat drain connected to the heat spreader.

9 Device according to claim 8, where the heat sink includes an electrically insulating material selected from aluminum oxide, aluminum nitride or a combination of these.

10. Device according to claim 8, where the heat sink includes an electrically conductive material selected from copper, aluminium, silicon or combinations thereof.

11. Device according to claim 8, where the heat sink includes a liquid-filled heat pipe in contact with the heat spreader to conduct heat from the heat spreader.

12. Device according to claim 1, further comprising an enclosure, where the semiconductor chip, the thermoelectric thin film cooling layer and the heat spreader are arranged inside the enclosure.

13. Method for cooling a chip down a well hole, comprising: (a) transporting a semiconductor chip on a carrier to a position down a well hole; (b) removing heat from the semiconductor chip using a thermoelectric thin film cooling layer coupled to the semiconductor chip; and (c) pumping heat from the thermoelectric thin film cooling layer using a heat spreader coupled to the thermoelectric thin film cooling layer.

14. Method according to claim 13, wherein pumping heat from the thermoelectric thin film cooling layer includes using a very good thermally conductive material.

15. Method according to claim 13, where the heat spreader comprises at least one construction material selected from diamond and aluminum nitride.

16. The method of claim 13, wherein pumping heat from the thermoelectric thin film cooling layer includes pumping heat to a heat spreader having a surface area greater than the surface area of the thermoelectric thin film cooling layer.

17. Method according to claim 13, further comprising transporting heat from the heat spreader to a heat drain connected to the heat spreader.

18. Method according to claim 17, where the heat sink includes a material selected from one or more of aluminum oxide, aluminum nitride, copper, aluminium, silicon or any combination thereof.

19. Method according to claim 17, where the heat sink includes a liquid-filled heat pipe in contact with the heat spreader to conduct the heat from the heat spreader.

20. Method according to claim 13, where the semiconductor chip, the thermoelectric thin-film cooling layer and the heat spreader are arranged inside an enclosure.