JP2015121471A - Optical cable for high-temperature environment - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical cable that enables temperature distribution of a high-temperature object to be measured in a lengthwise direction of the optical cable with satisfactory responsiveness, and also strain distribution in a case of the solid object to be simultaneously measured in the lengthwise direction of the optical cable.SOLUTION: An optical cable for high-temperature environment comprises: an optical fiber 11 provided with a covering 12 or provided without the covering on an outer peripheral surface; a protection tube 13, formed of a heat resistance material, into which the optical fiber 11 is inserted; and a filler layer 14, formed of a heat resistance material, which is filled in an air gap between an inner peripheral surface of the protection tube 13 and the outer peripheral surface of the optical fiber 11.

Description

本発明は、高温における流体や固体対象物の状態（温度・歪み）を計測するための高温環境用光ケーブルに関する。   The present invention relates to an optical cable for a high temperature environment for measuring the state (temperature / strain) of a fluid or a solid object at a high temperature.

図３は、高温下などの苛酷環境における温度計測に用いられる従来の光ケーブル３０の軸方向に垂直な断面を示している。石英ガラスから成る光ファイバ３１は、その表面に被覆３２が設けられており、この被覆３２によって光ファイバ３１の損傷を防止している。被覆３２を備えた光ファイバ３１は、高温環境から保護するために、ステンレスなどから成る金属製の保護管（シース）３３の中に収納されている。   FIG. 3 shows a cross section perpendicular to the axial direction of a conventional optical cable 30 used for temperature measurement in a severe environment such as a high temperature. The optical fiber 31 made of quartz glass is provided with a coating 32 on its surface, and the coating 32 prevents the optical fiber 31 from being damaged. The optical fiber 31 provided with the coating 32 is housed in a metal protective tube (sheath) 33 made of stainless steel or the like in order to protect it from a high temperature environment.

光ファイバ３１の被覆３２の外周面と保護管３３の内周面との間には、空隙３４が形成されており、この空隙２４には空気が存在する。   A gap 34 is formed between the outer peripheral surface of the coating 32 of the optical fiber 31 and the inner peripheral surface of the protective tube 33, and air exists in the gap 24.

特開平７−２８０６６５号公報JP-A-7-280665

ところが、上述した従来の光ケーブル３０では、光ファイバ３１の被覆３２の外周面と保護管３３の内周面との間の空隙３４に空気が存在するため、保護管３３と光ファイバ３１との間の熱伝導が悪く、温度計測の応答性が悪いという問題があった。   However, in the conventional optical cable 30 described above, since air exists in the gap 34 between the outer peripheral surface of the coating 32 of the optical fiber 31 and the inner peripheral surface of the protective tube 33, the space between the protective tube 33 and the optical fiber 31 is present. There was a problem that the thermal conductivity of the was poor and the responsiveness of temperature measurement was poor.

また、一般に光ファイバは、温度分布の計測に加えて、光ファイバに生じた歪みの変化を、光ファイバ内の散乱光の強さや周波数の変化として検出することにより、光ファイバの長手方向における歪み分布の計測を行うこともできる。この場合、固体のような計測対象物と光ファイバを密着させれば、計測対象物の歪みを直接計測することができる。   In general, in addition to measuring the temperature distribution, an optical fiber detects a change in distortion in the optical fiber as a change in intensity or frequency of scattered light in the optical fiber. Distribution can also be measured. In this case, if the measurement object such as a solid is brought into close contact with the optical fiber, the distortion of the measurement object can be directly measured.

しかしながら、上述した従来の光ケーブル３０では、光ファイバ３１が保護管３３の中に収納されており、保護管３３と光ファイバ３１との間には空隙３４を存在するため、保護管３３に歪みが生じても、その歪みが光ファイバ３１には伝達されない。   However, in the above-described conventional optical cable 30, the optical fiber 31 is accommodated in the protective tube 33, and a gap 34 exists between the protective tube 33 and the optical fiber 31, so that the protective tube 33 is distorted. Even if it occurs, the distortion is not transmitted to the optical fiber 31.

従って、従来の光ケーブル３０を取り付けた高温計測対象物が変形し、これに伴って保護管３３に歪みが生じたとしても、その歪みは光ファイバ３１には伝達されないので、結局、高温計測対象物の歪みを検出することができない。   Therefore, even if the high-temperature measurement object to which the conventional optical cable 30 is attached is deformed, and the distortion occurs in the protective tube 33 along with this deformation, the distortion is not transmitted to the optical fiber 31. Unable to detect distortion.

また、従来の光ケーブル３０では、保護管３３と光ファイバ３１との間に空隙３４が存在するため、保護管３３を曲げ加工して計測対象に取付ける場合に曲率半径が小さいと保護管３３に座屈等の損傷が生じ、光ファイバ３１が破断するなどの損傷を与える場合がある。   Further, in the conventional optical cable 30, there is a gap 34 between the protective tube 33 and the optical fiber 31. Therefore, when the protective tube 33 is bent and attached to the measurement target, if the radius of curvature is small, the protective tube 33 is seated on the protective tube 33. Damage such as bending may occur, and damage such as breakage of the optical fiber 31 may occur.

そこで、本発明の目的は、高温計測対象物の温度分布を、光ケーブルの長手方向に沿って良好な応答性の下で測定できると共に、保護管の曲げ加工が施工し易くなり、また、対象物が固体の場合には歪み分布についても、光ケーブルの長手方向に沿って測定することができる光ケーブルを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to measure the temperature distribution of the high-temperature measurement object under good responsiveness along the longitudinal direction of the optical cable, and to easily perform the bending process of the protective tube. The object of the present invention is to provide an optical cable that can measure the strain distribution along the longitudinal direction of the optical cable in the case of a solid.

上記課題を解決するために、本発明は、高温計測対象物の温度分布、対象物が固体の場合には同時に歪み分布も測定できる高温環境用光ケーブルであって、外周面に被覆が設けられた、或いは被覆のない光ファイバと、耐熱性材料により形成され、前記光ファイバがその内部に挿通された保護管と、前記保護管の内周面と前記光ファイバの外周面との間の空隙に充填された耐熱性材料で形成された充填材層と、を備えたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention is an optical cable for a high temperature environment capable of simultaneously measuring a temperature distribution of a high temperature measurement object and a strain distribution when the object is a solid object, and a coating is provided on an outer peripheral surface. Or an uncovered optical fiber, a protective tube formed of a heat-resistant material, in which the optical fiber is inserted, and a gap between the inner peripheral surface of the protective tube and the outer peripheral surface of the optical fiber. And a filler layer formed of a filled heat-resistant material.

また、好ましくは、前記充填材層を形成する前記耐熱性材料は、粉末状の材料である。   Preferably, the heat resistant material forming the filler layer is a powdered material.

また、好ましくは、前記充填材層を形成する前記耐熱性材料は、酸化マグネシア(MgO)、無水炭酸マグネシウム(MgCO3)、水酸化マグネシウムMg(OH)2、溶融シリカ(SiO2)、シリコンパウンド(Si)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミ(AlN)、窒化ホウ素(BN)、窒化ホウ素ナノチューブ(BNNT)、カーボンナノチューブ(CNT)、およびジルコニア(ZrO2)からなる群から選択される１または２以上の材料である。 Preferably, the heat-resistant material forming the filler layer is magnesia oxide (MgO), anhydrous magnesium carbonate (MgCO 3 ), magnesium hydroxide Mg (OH) 2 , fused silica (SiO 2 ), silicon compound Selected from the group consisting of (Si), alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), boron nitride nanotubes (BNNT), carbon nanotubes (CNT), and zirconia (ZrO 2 ) One or more materials.

また、好ましくは、前記充填材層を形成する前記耐熱性材料は、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)からなる群から選択される１または２以上の材料である。   Preferably, the heat-resistant material forming the filler layer is one or more materials selected from the group consisting of copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au).

また、好ましくは、前記保護管を形成する前記耐熱性材料は、金属材料である。   Preferably, the heat resistant material forming the protective tube is a metal material.

また、好ましくは、前記金属材料は、ステンレス鋼、高クロム鋼、ニッケル基合金、鉄・クロム・アルミニウム合金、およびチタン、チタン合金からなる群から選択される１または２以上の材料である。   Preferably, the metal material is one or more materials selected from the group consisting of stainless steel, high chromium steel, nickel base alloy, iron / chromium / aluminum alloy, titanium, and titanium alloy.

また、好ましくは、前記保護管を形成する前記耐熱性材料は、非金属材料である。   Preferably, the heat resistant material forming the protective tube is a non-metallic material.

また、好ましくは、前記非金属材料は、再結晶アルミナ、磁器JIS 1種、磁器JIS
2種、石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素からなる群から選択される１または２以上の材料である。 Preferably, the non-metallic material is recrystallized alumina, porcelain JIS type 1, porcelain JIS.
One or more materials selected from the group consisting of two types, quartz, silicon carbide, and silicon nitride.

また、好ましくは、前記保護管を形成する前記耐熱性材料および前記充填材層を形成する前記耐熱性材料のそれぞれの最高使用温度は、３００℃以上である。   Preferably, the maximum use temperature of each of the heat resistant material forming the protective tube and the heat resistant material forming the filler layer is 300 ° C. or more.

本発明による高温環境用光ケーブルによれば、高温対象物の温度分布を、光ケーブルの長手方向に沿って良好な応答性の下で測定できると共に、保護管の曲げ加工が施工し易く、対象物が固体の場合には歪み分布についても、光ケーブルの長手方向に沿って同時に測定することができる。   According to the optical cable for high-temperature environment according to the present invention, the temperature distribution of the high-temperature object can be measured under good responsiveness along the longitudinal direction of the optical cable, and the bending of the protective tube is easy to be applied. In the case of a solid, the strain distribution can be simultaneously measured along the longitudinal direction of the optical cable.

本発明の一実施形態による光ケーブルを示した断面図。Sectional drawing which showed the optical cable by one Embodiment of this invention. 図１に示した光ケーブルを固体面に取り付けた状態を示した模式図。The schematic diagram which showed the state which attached the optical cable shown in FIG. 1 to the solid surface. 従来の光ケーブルを示した断面図。Sectional drawing which showed the conventional optical cable.

以下、本発明の一実施形態による高温環境用光ケーブルについて、図１および図２を参照して説明する。   Hereinafter, an optical cable for a high temperature environment according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

本実施形態による光ケーブルは、高温対象面に取り付けて、温度分布および歪み分布を、光ファイバを利用して、光ファイバの長手方向に沿って連続的に計測するものである。   The optical cable according to the present embodiment is attached to a high temperature target surface and continuously measures the temperature distribution and strain distribution along the longitudinal direction of the optical fiber using the optical fiber.

図１に示したように本実施形態による光ケーブル１０は、光ファイバ１１を備え、光ファイバ１１の外周面には被覆１２が設けられている。光ファイバ１１は、典型的には石英ガラスによって形成されている。   As shown in FIG. 1, the optical cable 10 according to the present embodiment includes an optical fiber 11, and a coating 12 is provided on the outer peripheral surface of the optical fiber 11. The optical fiber 11 is typically made of quartz glass.

被覆１２を備えた光ファイバ１１は、保護管（シース）１３の内部に挿通されている。保護管１３は、金属材料または非金属材料である耐熱性材料によって形成されている。   The optical fiber 11 provided with the coating 12 is inserted into a protective tube (sheath) 13. The protective tube 13 is formed of a heat resistant material that is a metal material or a non-metal material.

保護管１３を形成する金属材料としては、ステンレス鋼、高クロム鋼、ニッケル基合金、鉄・クロム・アルミニウム合金、チタン、およびチタン合金があげられる。   Examples of the metal material forming the protective tube 13 include stainless steel, high chromium steel, nickel base alloy, iron / chromium / aluminum alloy, titanium, and titanium alloy.

保護管４を形成する非金属材料としては、再結晶アルミナ、磁器JIS 1種、磁器JIS
2種、石英、炭化ケイ素、および窒化ケイ素（サイアロン）があげられる。 Non-metallic materials that form the protective tube 4 include recrystallized alumina, porcelain JIS Class 1, porcelain JIS
There are two types, quartz, silicon carbide, and silicon nitride (sialon).

保護管１３の内周面と光ファイバ１１の被覆１２の外周面との間の空隙には、耐熱性材料が充填されて充填材層１４が形成されている。   A space between the inner peripheral surface of the protective tube 13 and the outer peripheral surface of the coating 12 of the optical fiber 11 is filled with a heat-resistant material to form a filler layer 14.

充填材層１４を形成する耐熱性材料は、好ましくは、粉末状の材料である。   The heat-resistant material forming the filler layer 14 is preferably a powder material.

具体的には、酸化マグネシア(MgO)、無水炭酸マグネシウム(MgCO3)、水酸化マグネシウムMg(OH)2、溶融シリカ(SiO2)、シリコンパウンド(Si)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミ(AlN)、窒化ホウ素(BN)、窒化ホウ素ナノチューブ(BNNT)、カーボンナノチューブ(CNT)、およびジルコニア(ZrO2)があげられる。 Specifically, magnesia oxide (MgO), anhydrous magnesium carbonate (MgCO 3 ), magnesium hydroxide Mg (OH) 2 , fused silica (SiO 2 ), silicon compound (Si), alumina (Al 2 O 3 ), nitriding Examples include aluminum (AlN), boron nitride (BN), boron nitride nanotubes (BNNT), carbon nanotubes (CNT), and zirconia (ZrO 2 ).

充填材層１４を形成する耐熱性材料として、銅(Cu)、銀(Ag)、または金(Au)を使用することもできる。   Copper (Cu), silver (Ag), or gold (Au) can also be used as the heat resistant material for forming the filler layer 14.

保護管１３を形成する耐熱性材料および充填材層５を形成する耐熱性材料の最高使用温度は、好ましくは３００℃以上である。   The maximum use temperature of the heat-resistant material forming the protective tube 13 and the heat-resistant material forming the filler layer 5 is preferably 300 ° C. or higher.

図２は、本実施形態による光ケーブル１０を、高温固体対象面２０に取り付けた状態を示している。光ケーブル１０は、高温固体対象面２０に密着して取り付けられる。   FIG. 2 shows a state in which the optical cable 10 according to the present embodiment is attached to the high-temperature solid target surface 20. The optical cable 10 is attached in close contact with the high-temperature solid target surface 20.

本実施形態による光ケーブル１０によれば、光ケーブル１０の被覆１２の外周面と保護管１３の内周面との間に耐熱性材料が充填され、これにより充填材層１４が形成されているので、保護管１３と光ファイバ１１との間の熱伝達率が、空気の場合に比して増大している。これにより、保護管１３から光ファイバ１１への熱伝達性能が改善され、温度計測の応答性が向上する。   According to the optical cable 10 according to the present embodiment, the heat-resistant material is filled between the outer peripheral surface of the coating 12 of the optical cable 10 and the inner peripheral surface of the protective tube 13, thereby forming the filler layer 14. The heat transfer coefficient between the protective tube 13 and the optical fiber 11 is increased compared to the case of air. Thereby, the heat transfer performance from the protective tube 13 to the optical fiber 11 is improved, and the responsiveness of temperature measurement is improved.

また、本実施形態による光ケーブル１０によれば、光ケーブル１０を取り付けた高温固体面が変形し、これに伴って保護管１３に歪みが生じた場合には、保護管１３の歪みが、充填材層１４および被覆１２を介して光ファイバ１１に伝達される。これにより、高温固体面の歪みを、光ケーブル１０の長手方向に沿って連続的に常時計測することができる。このように本実施形態による光ケーブル１０は、高温環境下での歪み計測も可能とする。   In addition, according to the optical cable 10 according to the present embodiment, when the high-temperature solid surface to which the optical cable 10 is attached is deformed, and the protective tube 13 is distorted accordingly, the distortion of the protective tube 13 is reduced to the filler layer. 14 and the coating 12 are transmitted to the optical fiber 11. Thereby, the distortion of the high-temperature solid surface can be continuously measured continuously along the longitudinal direction of the optical cable 10. As described above, the optical cable 10 according to the present embodiment also enables strain measurement under a high temperature environment.

また、本実施形態による光ケーブル１０によれば、保護管１３の内部に充填材層１４が形成されていることにより、光ケーブル１の曲げ加工が従来に比べて施工し易くなるという利点もある。   Moreover, according to the optical cable 10 by this embodiment, since the filler layer 14 is formed in the inside of the protective tube 13, there also exists an advantage that the bending process of the optical cable 1 becomes easy to construct compared with the past.

上記実施形態の一変形例としては、充填材をあえて熱伝導の悪い材料として、耐熱性が低く低コストの光ファイバを高温環境下での計測（歪み計測）に使用できるようにしても良い。   As a modification of the above-described embodiment, a filler may be used as a material having poor heat conduction so that an optical fiber having low heat resistance and low cost can be used for measurement (strain measurement) in a high temperature environment.

熱伝導が悪い充填材としては、溶融シリカ（SiO2）、シリコンパウンド（Si）、ジルコニア（ZrO2）などがあげられる。 Examples of the filler having poor heat conduction include fused silica (SiO 2 ), silicon compound (Si), and zirconia (ZrO 2 ).

上記実施形態の他の変形例としては、保護管１３が損傷した場合に光ファイバ１１の被覆１２が腐食することを防止することを目的として、充填材を耐腐食性材料としても良い。   As another modified example of the above embodiment, the filler may be a corrosion-resistant material for the purpose of preventing the coating 12 of the optical fiber 11 from corroding when the protective tube 13 is damaged.

耐腐食性材料としては、溶融シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミ(AlN)、窒化ホウ素(BN)、ジルコニア(ZrO2)、窒化ホウ素ナノチューブ(BNNT)、カーボンナノチューブ(CNT)などがあげられる。 Corrosion resistant materials include fused silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), zirconia (ZrO 2 ), boron nitride nanotubes (BNNT), carbon nanotubes ( CNT).

１０ 光ケーブル
１１ 光ファイバ
１２ 被覆
１３ 保護管（シース）
１４ 充填材層
２０ 高温固体面
10 optical cable 11 optical fiber 12 coating 13 protective tube (sheath)
14 Filler layer 20 High temperature solid surface

Claims (9)

高温対象物の温度分布、対象物が固体の場合には同時に歪み分布を測定するための高温環境用光ケーブルであって、
光ファイバと、
耐熱性材料により形成され、前記光ファイバがその内部に挿通された保護管と、
前記保護管の内周面と前記光ファイバの外周面との間の空隙に充填された耐熱性材料で形成された充填材層と、
を備えた高温環境用光ケーブル。 An optical cable for a high temperature environment for measuring the temperature distribution of a high temperature object, and simultaneously measuring the strain distribution when the object is solid,
Optical fiber,
A protective tube formed of a heat-resistant material and having the optical fiber inserted therein;
A filler layer formed of a heat-resistant material filled in a gap between the inner peripheral surface of the protective tube and the outer peripheral surface of the optical fiber;
Optical cable for high temperature environment equipped with. 前記充填材層を形成する前記耐熱性材料は、粉末状の材料である、請求項１記載の高温環境用光ケーブル。   The optical cable for a high temperature environment according to claim 1, wherein the heat resistant material forming the filler layer is a powdery material. 前記充填材層を形成する前記耐熱性材料は、酸化マグネシア(MgO)、無水炭酸マグネシウム(MgCO3)、水酸化マグネシウムMg(OH)2、溶融シリカ(SiO2)、シリコンパウンド(Si)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミ(AlN)、窒化ホウ素(BN)、窒化ホウ素ナノチューブ(BNNT)、カーボンナノチューブ(CNT)、およびジルコニア(ZrO2)からなる群から選択される１または２以上の材料である、請求項１または２に記載の高温環境用光ケーブル。 The heat-resistant material forming the filler layer is magnesia oxide (MgO), anhydrous magnesium carbonate (MgCO 3 ), magnesium hydroxide Mg (OH) 2 , fused silica (SiO 2 ), silicon compound (Si), alumina One or more selected from the group consisting of (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), boron nitride nanotubes (BNNT), carbon nanotubes (CNT), and zirconia (ZrO 2 ) The optical cable for high temperature environment according to claim 1 or 2, which is a material. 前記充填材層を形成する前記耐熱性材料は、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)からなる群から選択される１または２以上の材料である、請求項１または２に記載の高温環境用光ケーブル。   The heat-resistant material forming the filler layer is one or more materials selected from the group consisting of copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au). Optical cable for high temperature environment. 前記保護管を形成する前記耐熱性材料は、金属材料である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の高温環境用光ケーブル。   The optical cable for high temperature environment according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat resistant material forming the protective tube is a metal material. 前記金属材料は、ステンレス鋼、高クロム鋼、ニッケル基合金、鉄・クロム・アルミニウム合金、チタン、およびチタン合金からなる群から選択される１または２以上の材料である、請求項５記載の高温環境用光ケーブル。   6. The high temperature according to claim 5, wherein the metal material is one or more materials selected from the group consisting of stainless steel, high chromium steel, nickel-base alloy, iron / chromium / aluminum alloy, titanium, and titanium alloy. Environmental optical cable. 前記保護管を形成する前記耐熱性材料は、非金属材料である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の高温環境用光ケーブル。   The optical cable for high temperature environment according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat resistant material forming the protective tube is a non-metallic material. 前記非金属材料は、再結晶アルミナ、磁器JIS 1種、磁器JIS
2種、石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素からなる群から選択される１または２以上の材料である、請求項７記載の高温環境用光ケーブル。 The non-metallic material is recrystallized alumina, porcelain JIS type 1, porcelain JIS
The optical cable for high-temperature environment according to claim 7, wherein the optical cable is one or more materials selected from the group consisting of two types, quartz, silicon carbide, and silicon nitride. 前記保護管を形成する前記耐熱性材料および前記充填材層を形成する前記耐熱性材料のそれぞれの最高使用温度は、３００℃以上である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の高温環境用光ケーブル。
9. The high temperature according to claim 1, wherein a maximum use temperature of each of the heat resistant material forming the protective tube and the heat resistant material forming the filler layer is 300 ° C. or higher. Environmental optical cable.
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