BR102019013128B1

BR102019013128B1 - Módulos de proteção para eletrônica embarcada

Info

Publication number: BR102019013128B1
Application number: BR102019013128-4A
Authority: BR
Inventors: André Viegas Wentz; Cristiane Mioto Becker; Enzo Costamilan; Eduardo Gerhardt; Hugo FRANCISCO LISBOA SANTOS
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras; Serviço Nacional De Aprendizagem Industrial - Senai
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2022-04-19
Also published as: BR102019013128A2; GB2602729B; JP2022541117A; CA3145015A1; GB2602729A9; AR119240A1; GB2602729A; WO2020257899A1; US20220356799A1; NO20211592A1

Abstract

MÓDULOS DE PROTEÇÃO PARA ELETRÔNICA EMBARCADA E MÉTODO DE INTERCONEXÃO. A presente invenção é utilizada para compor a estrutura de um sistema que opera dentro de dutos. Ela pode ser utilizada em um sistema robótico na forma de trem para deslocar ferramentas pelo interior de tubos ou dutos de diâmetros reduzidos. Ela evita a necessidade de conectores comerciais de alto custo e com limitação de variedades de conexões. A solução proposta é particionar/dividir em módulos de vasos de pressão os componentes eletrônicos ou hidráulicos e, com isso, se fazendo necessário prover um meio adequado de interligação entre ditos módulos por meio de um conduíte elastomérico. Cada módulo tem um sistema de trocador de calor (dissipador) para retirar o calor gerado pelos equipamentos eletrônicos instalados no seu interior. O produto da invenção tem grau de liberdade suficiente para se locomover em dutos e tubulações submarinas, onde a pressão hidrostática é extremamente alta.

Description

Campo da Invenção

[0001] O funcionamento de um sistema robótico depende de diversos componentes elétricos e eletrônicos que não são projetados para suportar grandes pressões hidrostáticas como as encontradas em ambientes submarinos. Em alguns casos, ainda são componentes sensíveis, onde variações na pressão do fluído ao seu redor podem afetar a precisão de seu funcionamento. Para que esse robô possa operar em um ambiente como o interior de dutos em altas pressões e temperaturas, seus componentes eletrônicos devem ser protegidos em uma estrutura rígida, mas que seja esbelta a fim de não comprometer o espaço interno.

[0002] Outro fator que dificulta o uso de robôs em dutos, é o fato de os componentes eletrônicos serem fragmentados em diferentes módulos para caber no interior dos dutos e realizarem a passagem pelas curvas e interseções do caminho. Devem fazer isso mantendo a interconexão elétrica e de dados, necessitando, assim, mais interconexões quanto menores forem as dimensões dos dutos. Em alguns casos, o robô não apenas precisa ser interligado eletricamente, mas também possuir vias hidráulicas, que devem ocupar o mesmo espaço já ocupado pela estrutura e pelos componentes eletrônicos, se fazendo necessário uma solução inovadora para viabilizar tal passagem.

[0003] Uma questão importante é que estes componentes eletrônicos produzem energia térmica durante seu funcionamento e este calor gerado precisa ser removido de maneira eficaz e sobretudo eficiente do ambiente interno, onde a eletrônica está montada, para o ambiente externo. Em alguns casos, não é viável montar estes componentes na estrutura do módulo, ou devido à sua geometria, ou por este não ser um material que conduza calor adequadamente.

Descrição do Estado da Técnica

[0004] Antes da invenção, o espaço utilizado pela estrutura metálica que protege a eletrônica consumia muito espaço do sistema, impedindo que este fosse aplicado a dutos de menor seção, como os de 4 polegadas usados na indústria de Óleo e Gás, por exemplo. A quantidade e os tipos de conexões entre os módulos do robô eram limitados aos conectores comerciais disponíveis. Estes por sua vez possuem pouca variedade e também são volumosos ocupando muito espaço nos módulos.

[0005] O documento US6434317 revela um vaso de pressão para alojar componentes eletrônicos em um ambiente subaquático e permitir a conexão dos componentes para sinalizar elementos de transmissão de um cabo de sinal. O documento US2002064367 revela um vaso de pressão em formato cilíndrico capaz de suportar elevadas pressões hidrostáticas e também suportar elevadas temperaturas, demonstrando a capacidade de isolar a passagem dos fios e conexões essenciais na transmissão de dados por fibra ótica. O documento WO2001013692 revela um vaso de pressão para condução passiva de calor gerado por componentes eletrônicos em seu interior.

[0006] Ambos os documentos citados como o estado da técnica revelam vasos de pressão capazes de conter componentes eletrônicos, conectores, selos, vedações, etc., porém nenhum deles é capaz de solucionar o problema de movimentação no interior de tubulações de pequenos diâmetros. Em outras palavras, nenhum dos documentos do estado da técnica é adaptado para a mobilidade dentro de dutos e tubulações de diâmetros reduzidos.

Descrição Resumida da Invenção

[0007] A presente invenção é utilizada para compor a estrutura de um sistema que opera no interior de dutos. Ela pode ser utilizada em um sistema robótico na forma de trem para deslocar ferramentas pelo interior de tubos ou dutos de diâmetros reduzidos. Ela evita a necessidade de conectores comerciais de alto custo e com limitação de variedades de conexões.

[0008] A solução proposta é particionar/dividir em módulos de vasos de pressão os componentes eletrônicos ou hidráulicos e, com isso, se fazendo necessário prover um meio adequado de interligação entre os módulos por meio de um conduíte elastomérico. Cada módulo tem um sistema de trocador de calor (dissipador) para retirar o calor gerado pelos equipamentos eletrônicos instalados no seu interior. O produto da invenção tem grau de liberdade suficiente para se locomover em dutos e tubulações submarinas, onde a pressão hidrostática é extremamente alta.

Breve Descrição dos Desenhos

[0009] A presente invenção será descrita com mais detalhes a seguir, com referência às figuras em anexo que, de uma forma esquemática e não limitativa do escopo inventivo, representam exemplos de realização da mesma. Nos desenhos, têm-se: - A Figura 1 ilustra uma vista lateral representativa dos módulos integrados sem mangueiras; - A Figura 2 ilustra uma vista lateral dos componentes desmontados; - A Figura 3 ilustra uma vista lateral do molde de injeção de borracha preparado para processamento; - A Figura 4 ilustra um corte da tampa do vaso mostrando a rolha de resina; - A Figura 5 ilustra um corte do módulo sem fios e componentes eletrônicos; - A Figura 6 ilustra um corte lateral do módulo com uma placa eletrônica montada no dissipador de calor; - A Figura 7 ilustra um corte frontal do módulo com uma placa eletrônica montada no dissipador de calor.

Descrição Detalhada da Invenção

[0010] Com a aplicação de um material laminado de fibras de carbono foi possível reduzir a espessura da parede do vaso de pressão onde a eletrônica embarcada é condicionada. Visto que o processo de fabricação deste tipo de material é aditivo e não subtrativo, como na usinagem de um tarugo metálico, a produção de resíduos e o custo de fabricação é reduzido.

[0011] A invenção permite que qualquer tipo de condutor seja acondicionado na ligação entre nos módulos (1), e que estes adentrem os vasos de pressão sem que sejam necessários conectores exclusivos para tal. Isso é feito através da confecção de um conduíte de passagem elastomérico, chamado de penetrador (2). Em um molde de injeção de borracha (12), onde as tampas do vaso de pressão (3) são colocadas como insertos, é possível se obter uma adesão ideal entre o material da tampa (3) e o elastômero do penetrador (2). Para isso, antes da etapa de injeção de borracha e vulcanização, as tampas são preparadas com os fios/cabos (18) que passam por furos cônicos (14) nas tampas (3), onde são parcialmente preenchidos por uma resina polimérica que produz assim uma rolha (9) resistente à pressão do processo de injeção e, posteriormente, da pressão externa, ou seja, no ambiente de aplicação do robô. Isso permite que uma grande quantidade de fios/cabos (18) passem juntos por um furo cônico (14) sem comprometer a resistência a pressões da ordem de 300 atmosferas.

[0012] A invenção se aproveita de um dos componentes da parte cilíndrica do vaso de pressão de material compósito (5), uma parte interna ao laminado chamado de Liner (4), normalmente utilizado apenas como um auxiliar no processo de enrolamento filamentar para realizar a passagem das mangueiras por dentro da parede do vaso de pressão. Isso é feito fabricando esse liner (4), que é de material metálico, pelo processo de eletro erosão a fio, onde a seção interna do mesmo é recortada com a geometria de canais (15) que são posteriormente furados de forma a permitir a passagem das mangueiras. Esses canais (15) são dimensionados de forma a resistirem a pressões externas, pois entre as mangueiras e a cavidade atua a pressão do ambiente. Desta forma emerge outra vantagem da invenção, que é a proteção destas mangueiras, que de outra maneira poderiam sofrer esforços quando comprimidas e arrastadas entre os módulos (1) e a armadura interna dos dutos de produção (risers) onde o robô poderá atuar.

[0013] A invenção usa a tecnologia de tubos de calor (6) para direcionar o fluxo desta carga térmica para as tampas do vaso (3) em material metálico. Esta é a mesma tampa onde temos o furo cônico (14) de passagem dos condutores pelo penetrador (2) e furos alinhados (16) para passagem das mangueiras pelo liner (4). Usando estes componentes também conhecidos por heatpipes, o tamanho das placas dissipadoras (13) fica condicionado somente ao diâmetro e comprimento da cavidade.

[0014] Como pode ser visto nas figuras 4 e 5, o módulo (1) é mostrado com as tampas do vaso (3). Na figura 2 é possível ver as tampas do vaso (3) unidas ao penetrador (2) com os fios/cabos (18) saindo desse através das tampas (3). É importante dizer que na sequência de fabricação, a vulcanização da borracha usa propositalmente as tampas (3) no molde de injeção (12), procedimento ilustrado na figura 3, para vedar o molde (12) e criar a adesão ideal entre borracha e metal. Essa adesão é de extrema importância para garantir a integridade da invenção, que deverá suportar os esforços da pressão interna e flexão do penetrador (2).

[0015] Com base na especificação dos fios/cabos (18) entre os módulos, fios/cabos (18) são selecionados e cortados com sobra de comprimento para inserção nas tampas do vaso (3). Os fios/cabos (18) são inseridos no furo cônico (14) da tampa (3), uma resina em estado líquido é preparada num Becker e, em seguida, por derramamento, uma rolha de resina (9) é formada em uma fração da altura do furo cônico (14) (Um processo semelhante ao de “Casting”). Após a cura o processo é repetido para a próxima tampa e inserido no molde como ilustrado na figura 3.

[0016] Ao fechar o molde (12), é colocado um equipamento de injeção de borracha que preenche a cavidade do molde, unificando as tampas (3) e fios/cabos (18) em um único componente, conforme mostrado na figura 2. Para garantir a vedação perfeita, antes do fechamento, é aplicada nas superfícies internas do furo cônico (14) das tampas do vaso (3) um adesivo especial que facilita a adesão da borracha ao material metálico das tampas (3).

[0017] Nas figuras 5, 6 e 7, pode ser visto o interior do vaso de pressão, mais especificamente a cavidade do liner (4). Ao redor do liner (4) temos um cilindro de material compósito (5) feito pelo processo de enrolamento filamentar, essa estrutura garante a capacidade de resistir a pressões da ordem de 300 atmosferas. Quando temos esse liner (4) esculpido internamente e revestido pelo material compósito, o chamamos de corpo do vaso (11).

[0018] Uma barra de material maciço, podendo ser de metal ou polímero, é produzida no diâmetro externo do liner (4) e comprimento tal que diversos vasos possam ser feitos no mesmo processo de enrolamento filamentar. Em seguida, um equipamento de enrolamento filamentar deposita o material compósito continuamente numa sequência de laminação pré-determinada sobre o liner (4) até que se atinja o número de camadas desejado. Dependendo do material compósito uma pós-cura é realizada em forno por algumas horas. Com o auxílio de um torno, a barra enrolada com material compósito é cortada em seções com o comprimento exato do corpo do vaso (11). A seção maciça do liner destes segmentos são posteriormente usinadas ou recortadas, dependendo do material para criar a cavidade interna. Para o caso de o liner (4) ser metálico, usa-se o processo de eletro erosão a fio. Neste passo é que cavernas por dentro do liner (4) são criadas para acondicionar a eletrônica embarcada e permitir a passagem das mangueiras citadas anteriormente. E por fim, acabamentos são feitos por usinagem, como cavas de o-rings (7) e roscas para permitir o acoplamento das tampas.

[0019] As tampas do vaso (3) fazem interface com o liner (4) por um lado e com o penetrador (2) do outro lado. Na montagem das tampas, furos nestas são alinhados aos canais (15) do liner (4) para permitir que mangueiras e/ou cabos possam passar entre os módulos sem necessidade de entrar no vaso. Nas interfaces entres estes temos vedações do tipo o-ring (10), impedindo a entrada de pressão no interior. Nas tampas do vaso (3), pelo lado interno, são insertados uma das extremidades dos tubos de calor (6) de forma que a energia térmica da placa eletrônica seja dissipada. A outra extremidade dos tubos de calor (6) está acoplada a uma placa dissipadora (13) que por sua vez é acoplada a parte do componente eletrônico (17) que precisa dissipar calor. Essa placa dissipadora (13) utiliza guias paralelas (19) esculpidas no lado interno do liner (4) para sua fixação.

[0020] Como a tampa do vaso (3) já está com o penetrador (2) adesivado/integrado, no outro extremo do penetrador (2) temos outra tampa do vaso (3) pronta para ser acoplada a outro corpo de vaso (11). Nessas tampas, furos de extração (8) nas bordas permitem que parafusos sejam rosqueados e forcem as mesmas na direção de extrai-las, possibilitando assim uma desconexão entre os módulos (1).

[0021] Assim sendo, conforme descrição detalhada e figuras, o módulo de proteção para eletrônica embarcada nada mais é que um liner (4) em formato cilíndrico adaptado para receber componentes eletrônicos (17), provido de canais (15), provido ainda de uma camada externa ao liner (4) formando um cilindro de material compósito (5), provido ainda de duas tampas do vaso (3), provido ainda de pelo menos uma rolha (9), provido ainda de pelo menos um penetrador (2) e vedações (7) para garantir a estanqueidade do módulo (1)

Claims

1- MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÔNICA EMBARCADA, caracterizada por compreender: uma placa dissipadora (13); um liner (4) em formato cilíndrico adaptado para receber componentes eletrônicos compreendendo: dois canais (15) opostos diametralmente; e guias paralelas (19) para fixação da referida placa dissipadora (13); um cilindro de material compósito (5) envolvendo o referido liner (4); tampas do vaso (3) dispostas nas extremidades do módulo (1) compreendendo: furo cônico (14) central preenchido parcialmente por uma resina polimérica, de modo a produzir uma rolha (9); furos alinhados (16) com os canais (15) diametralmente permitindo a passagem de mangueiras e/ou cabos entre os módulos (1); e furos de extração (8) nas bordas; tubos de calor (6) dispostos com uma extremidade insertada nas tampas do vaso (3) e a outra extremidade acoplada a uma placa dissipadora (13), a referida placa dissipadora (13) acoplada a parte do componente eletrônico; vedações do tipo o-ring (7, 10) na interface entre as tampas do vaso (3) e do liner (4) para garantir a estanqueidade do módulo; e um penetrador (2) em formato de um conduíte de passagem em material elastomérico que une por meio de uma adesão uma tampa do vaso (3) de um primeiro módulo (1) a uma outra tampa de vaso (3) de um segundo módulo (1), garantindo integridade e estanqueidade em pressões na ordem de 300 atm.

2- MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÔNICA EMBARCADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo cilindro de compósito (5) revestir o liner (4) resistindo a pressões da ordem de 300 atm.

3- MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÔNICA EMBARCADA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela rolha (9) ser de resina polimérica resistente a pressão.