Theoretische und Experimentelle Kältemittel- und Dichtungsauswahl und Komponentenentwicklung zur Langzeitkühlung von Elektronik in Untertagewerkzeugen
Creators: name: Holbein, Benedict
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Kältemaschine
cooling machine
downhole tools
Untertagewerkzeuge
Geothermie
Geothermal
electronic cooling
Elektronikkühlung

description: Die Geothermie birgt ein enormes energetisches Potential, welches im Hinblick auf die
Energiewende eine entscheidende Rolle als grundlastfähige erneuerbare Energieressource
und mehr noch für die vielfach vernachlässigte Wärmewende spielen kann.
Um ihr Potential flächendeckend und effizient auszuschöpfen müssen Erschließung und
Nutzung der Wärme aus großen Tiefen ingenieurtechnisch beherrschbar gemacht und
zugehörige energetische Prozesse durch umfassende physikalische und chemische Daten aus
Bohrlöchern wissenschaftlich analysiert werden.
Für die ingenieurtechnische Erschließung und Beherrschung geothermischer Wärmequellen
und deren wissenschaftliche Untersuchung gleichermaßen sind geeignete Werkzeuge
notwendig, die, bei den Untertage vorliegenden, extremen Umgebungsbedingungen,
zuverlässig arbeiten. Die größte Herausforderung neben beschränkten Platzverhältnissen,
teilweise vorliegenden hohen Umgebungsdrücken und korrosiven Umgebungsmedien sind
hohe Temperaturen. Diese erschweren den Einsatz von Mess-, Steuerungs- und
Datenverarbeitungselektronik, die in der Vielzahl nur bis 90°C arbeiten können. Komplexere
Operationen, die mit der vorhandenen rudimentären Elektronik für den
Hochtemperaturbereich oberhalb 200 °C nicht darstellbar sind, benötigen daher
Kühlsysteme, die eine Zerstörung hitzeempfindlicher Bauteile für den Zeitraum der
Untertageeinsätze verhindern. Vorhandene Systeme basieren auf unterschiedlichen
thermodynamischen und thermophysikalischen Effekten, haben jedoch gemein, dass sie eine,
innerhalb des Untertagewerkzeugs liegende Wärmesenke nutzen und somit nur zur
temporären Kühlung eingesetzt werden können. Zwar ist dies für viele Einsätze ausreichend,
stellt aber eine Beschränkung dar, die Langzeiteinsätze für die Messung sich langsam
ändernder Parameter, stationäre Prozessüberwachung oder Einsätze mit ungewisser Dauer
wie Reparaturen und andere verhindert.
Ein Kühlsystem für die dauerhafte Kühlung hitzeempfindlicher Bauteile in
Untertagewerkzeugen würde die Bandbreite möglicher Einsätze vergrößern und die
Entwicklung neuer komplexer Werkzeuge befördern.
Die vorliegende Arbeit umfasst wissenschaftliche Grundlagen von Kühlprozessen und
Teilprozessen, die dauerhaft bei Umgebungstemperaturen über 200 °C ablaufen können,
sowie grundlegende und prototypische Ingenieurslösungen für dafür notwendige
Komponenten. Basierend auf dem bekannten Prinzip der Kompressionskältemaschine habe
ich dafür theoretisch und auf Experimente gestützt eine experimentelle Kältemittel- und
Materialauswahl kritischer Komponenten vorgenommen sowie Lösungsansätze für
Teilsysteme und prototypische Konstruktionen einzelner Maschinenkomponenten unter
Berücksichtigung extremer Randbedingungen für tiefengeothermische Werkzeuge,
entwickelt.
Diese Arbeit liefert damit die wissenschaftlichen und ingenieurstechnischen Grundlagen für
die Realisierung einer Kältemaschine für Elektronik in Untertagewerkzeugen.