WO2020257899A1 - Módulos de proteção para eletrônica embarcada e método de interconexão - Google Patents

Módulos de proteção para eletrônica embarcada e método de interconexão Download PDF

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WO2020257899A1
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André VIEGAS WENTZ
Cristiane MIOTO BECKER
Enzo COSTAMILAN
Eduardo GERHARDT
Hugo Francisco LISBOA SANTOS
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Petroleo Brasileiro SA Petrobras
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    • H05K5/06—Hermetically-sealed casings
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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack

Definitions

  • the space used by the metallic structure that protects the electronics consumed a lot of system space, preventing it from being applied to smaller section ducts, such as those of 4 inches used in the Oil and Gas industry, for example.
  • the number and types of connections between the robot modules were limited to the commercial connectors available. These in turn have little variety and are also bulky, taking up a lot of space in the modules.
  • US6434317 discloses a pressure vessel to house electronic components in an underwater environment and to allow the connection of the components to signal transmission elements of a signal cable.
  • US2002064367 discloses a pressure vessel in cylindrical shape capable of withstanding high hydrostatic pressures and also withstanding high temperatures, demonstrating the ability to isolate the passage of wires and essential connections in the transmission of data by optical fiber.
  • Document W02001013692 discloses a pressure vessel for passive conduction of heat generated by electronic components inside.
  • the present invention is used to compose the structure of a system that operates inside ducts. It can be used in a robotic system in the form of a train to move tools through tubes or ducts with reduced diameters. It avoids the need for high-cost commercial connectors with limited range of connections.
  • the proposed solution is to partition / divide the electronic or hydraulic components into pressure vessel modules and, thus, making it necessary to provide an adequate means of interconnection between the modules by means of an elastomeric conduit. Each module has a heat exchanger system (heatsink) to remove the heat generated by the electronic equipment installed inside.
  • the product of the invention has a sufficient degree of freedom to move around underwater pipelines and pipes, where the hydrostatic pressure is extremely high.
  • FIG. 1 shows a representative side view of the integrated modules without hoses
  • FIG. 3 shows a side view of the rubber injection mold prepared for processing
  • FIG. 4 shows a section of the vessel lid showing the resin stopper
  • FIG. 6 shows a side section of the module with an electronic plate mounted on the heat sink
  • FIG. 7 shows a front section of the module with an electronic board mounted on the heat sink.
  • the invention allows any type of conductor to be placed in the connection between the modules (1), and that these enter the pressure vessels without the need for exclusive connections for this. This is done by making an elastomeric conduit, called a penetrator (2). In a rubber injection mold (12), where the pressure vessel caps (3) are placed as inserts, it is possible to obtain an ideal adhesion between the cover material (3) and the penetrator elastomer (2).
  • the covers are prepared with the wires / cables (18) that pass through conical holes (14) in the covers (3), where they are partially filled by a polymeric resin that produces thus a stopper (9) resistant to the pressure of the injection process and, later, to the external pressure, that is, in the application environment of the robot.
  • a stopper (9) resistant to the pressure of the injection process and, later, to the external pressure, that is, in the application environment of the robot.
  • the invention takes advantage of one of the components of the cylindrical part of the pressure vessel of composite material (5), an internal part to the laminate called Liner (4), normally used only as an auxiliary in the filament winding process to perform the passage of hoses inside the pressure vessel wall. This is done by manufacturing this liner (4), which is made of metallic material, by the process of wire erosion, where the inner section of it is cut with the geometry of channels (15) that are subsequently drilled in order to allow the passage hoses. These channels (15) are dimensioned in order to resist external pressures, because between the hoses and the cavity the pressure of the environment acts.
  • the invention uses the technology of heat pipes (6) to direct the flow of this thermal load to the lids of the vessel (3) in metallic material. This is the same cover where we have the conical hole (14) for the conductors to pass through the penetrator (2) and aligned holes (16) for the hoses to pass through the liner (4). Using these components also known as heatpipes, the size of the heatsink plates (13) is conditioned only to the diameter and length of the cavity.
  • the module (1) is shown with the lids of the vessel (3).
  • the vessel lids (3) connected to the penetrator (2) with the wires / cables (18) coming out of it through the lids (3).
  • the vulcanization of rubber purposely uses the caps (3) in the injection mold (12), procedure illustrated in figure 3, to seal the mold (12) and create the ideal adhesion between rubber and metal . This adhesion is extremely important to guarantee the integrity of the invention, which must withstand the efforts of the internal pressure and flexion of the penetrator (2).
  • wires / cables (18) are selected and cut with excess length for insertion in the lids of the vessel (3).
  • the wires / cables (18) are inserted into the conical hole (14) of the lid (3), a liquid resin is prepared in a Becker and then, by pouring, a resin stopper (9) is formed in a fraction the height of the conical hole (14) (A process similar to that of “Casting”). After curing, the process is repeated for the next cap and inserted into the mold as shown in figure 3.
  • a solid material bar which may be of metal or polymer, is produced in the outer diameter of the liner (4) and length such that several vessels can be made in the same filament winding process. Then, a filament winding equipment deposits the composite material continuously in a pre-determined sequence of inaction on the liner (4) until the desired number of layers is reached. Depending on the composite material, post curing is carried out in an oven for a few hours. With the aid of a tome, the bar wrapped with composite material is cut into sections with the exact length of the vessel body (11). The massive section of the liner of these segments is then machined or cut, depending on the material to create the internal cavity. In case the liner (4) is metallic, the wire erosion process is used.
  • the lids of the vessel (3) interface with the liner (4) on one side and with the penetrator (2) on the other side.
  • holes in these are aligned with the channels (15) of the liner (4) to allow hoses and / or cables to pass between the modules without having to enter the vessel.
  • o-ring seals (10) preventing pressure from entering the interior.
  • the other end of the heat pipes (6) is coupled to a dissipating plate (13) which in turn is coupled to the part of the electronic component (17) that needs to dissipate heat.
  • This heatsink plate (13) uses parallel guides (19) carved on the inner side of the liner (4) for fixation.
  • the protection module for embedded electronics is nothing more than a liner (4) in a cylindrical shape adapted to receive electronic components (17), provided with channels (15), also provided with a layer external to the liner (4) forming a cylinder of composite material (5), further provided with two vessel lids (3), further provided with at least one stopper (9), further provided with at least one penetrator (2) and seals (7) to ensure the tightness of the module (1)

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Abstract

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

“MÓDULOS DE PROTEÇÃO PARA ELETRÓNICA EMBARCADA E
MÉTODO DE INTERCONEXÀO”
Campo da Invenção
[0001] O funcionamento de um sistema robótico depende de diversos componentes elétricos e eletrónicos 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 eletrónicos 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 eletrónicos 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 eletrónicos, se fazendo necessário uma solução inovadora para viabilizar tal passagem.
[0003] Uma questão importante é que estes componentes eletrónicos produzem energia térmica durante seu funcionamento e este calor gerado precisa ser removido de maneira eficaz e sobretudo eficiente do ambiente interno, onde a eletrónica está montada, para o ambiente externo. Em alguns casos, não é viável montar estes componentes na estrutura do módulo, ou devido a sua geometria, ou por que este não ser um material que conduza calor adequadamente. Descricão do Estado da Técnica
[0004] Antes da invenção, o espaço utilizado pela estrutura metálica que protege a eletrónica 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 eletrónicos 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 W02001013692 revela um vaso de pressão para condução passiva de calor gerado por componentes eletrónicos em seu interior.
[0006] Ambos os documentos citados como o estado da técnica revelam vasos de pressão capazes de conter componentes eletrónicos, 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.
Descricão 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 eletrónicos 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 eletrónicos 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 eletrónicos;
- A Figura 6 ilustra um corte lateral do módulo com uma placa eletrónica montada no dissipador de calor;
- A Figura 7 ilustra um corte frontal do módulo com uma placa eletrónica 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 eletrónica 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 conectares 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 cónicos (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 cónico (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 cónico (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 cónico (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 cónico (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 cónico (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 intemamente 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 Iam inação 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 tomo, 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 eletrónica 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 eletrónica 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 eletrónico (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 eletrónica embarcada nada mais é que um liner (4) em formato cilíndrico adaptado para receber componentes eletrónicos (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

Reivindicações
1 - MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÓNICA EMBARCADA, caracterizada por compreender um liner (4) em formato cilíndrico adaptado para receber componentes eletrónicos (17), provido de canais (15) e guias paralelas (19), dito liner (4) sendo provido externamente de um cilindro de material compósito (5), o módulo (1 ) sendo provido de tampas do vaso (3) em suas extremidades, que são providas de uma rolha (9), sendo ainda providas de um penetrador (2), vedações (7) e o-rings (10) para garantir a estanqueidade do módulo (1 ).
2- MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÓNICA EMBARCADA, de acordo com a reivindicação 1 , caraclerizado pelo liner (4) compreender dois canais (15) longitudinais diametralmente opostos para a passagem de mangueiras e/ou cabos de comunicação através dos módulos (1 ), vedações do tipo o-ring (10), uma placa dissipadora (13) disposta intemamente e longitudinalmente, e tubos de calor (6).
3- MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÓNICA EMBARCADA, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela tampa do vaso (3) possuir um furo cónico (14) central, furo alinhado (16) aos canais (15) do liner (4), furos de extração (8) para desconexão dos módulos (1 ), insertos (20) na parte interior onde os tubos de calor (6) são posicionados e vedações (7).
4- MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÓNICA 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.
5- MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÓNICA EMBARCADA, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela rolha (9) ser de resina polimérica resistente a pressão.
6- MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÓNICA EMBARCADA, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo penetrador (2) unir por meio de adesão uma tampa do vaso (3) de um primeiro módulo (1 ) a uma outra tampa do vaso (3) de um segundo módulo (1 ), garantindo integridade e estanqueidade em pressões na ordem de 300 atm.
7- MÉTODO DE INTERCONEXÃO DO MÓDULO DE PROTEÇÃO PARA ELETRÓNICA EMBARCADA, caracterizado por compreender as seguintes etapas:
a. Cortar com sobra de comprimento os fios/cabos (18);
b. Inserir os fios/cabos (18) no furo cónico (14) das tampas do vaso
(3);
c. Preencher parcialmente por derramamento o furo cónico (14) com resina polimérica para formar a rolha (9);
d. Aplicar um adesivo especial na superfície restante do furo cónico
(14);
e. Juntar o molde (12) as tampas do vaso (13); e
f. Injetar borracha para preencher a cavidade afim de formar uma ligação permanente entre as tampas do vaso (3) e os fios/cabos (18) em um único componente.
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