JP2023148560A - 金属管光ファイバケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバのスラックを維持することで光ファイバの反射減衰量の低下を抑止する。【解決手段】本発明に係る金属管光ファイバケーブルにおいては、センサ用の光ファイバと、前記光ファイバが管内に配置された内管と、前記内管が管内に配置された外管とを備え、前記外管の先端側が閉塞されるとともに、前記外管の基端側にガス流入口が形成され、前記内管の先端側が前記外管の先端よりも基端側に位置され前記外管の管内と連通されるとともに、前記内管の基端側にガス排出口が形成され、前記光ファイバの先端が前記内管の先端よりも基端側に位置される。【選択図】図３

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用いる金属管光ファイバケーブルの構造に関する。

地熱検層等の高温高圧環境下で使用するために、光ファイバの周りに耐熱、耐圧のための防壁層を施し、光ファイバ自体をＤＡＳ（Distributed Acoustic Sensor）やＤＴＳ（Distributed Temperature Sensor）として、振動や温度を検出する金属管光ファイバケーブルが知られている。

このような高温高圧環境下では、金属管光ファイバケーブルに用いられる金属を透過して水素ガスが内部に侵入する場合がある。また、金属の腐食により水素ガスが発生することがある。この水素ガスは特定波長における光ファイバの損失増加を招き、歪みや圧力や温度の検出に影響を及ぼすおそれがある。これは水素ガスの侵入や金属の腐食のみならず、水素濃度の高い環境下で金属管光ファイバケーブルを使用する場合にも同様のことが起こりうる。

特許２９９２１９１号公報 特開平６－５９１６９号公報

上記課題に鑑み、例えば特許文献１及び特許文献２では、光ファイバを内管及び外管で二重に覆う金属管光ファイバケーブルの構造が開示されている。この構造では、内管の基端側にガス供給機構が設けられるとともに先端側が外管の内部と接続され、外管の先端側が封止されている。このような状態で内管の基端側から不活性ガスを流入させることで、光ファイバが、常時不活性ガスが充填された環境下に置かれることになり、水素ガスによる影響が緩和される。内管に流入された不活性ガスは外管を通り、外管の基端側から排出される。
また、特許文献２では内管の基端を封止材で封止し、内管の基端の近傍に孔を開けてガスの封入口を設け、外管の基端で外管と内管の間を封止材で封止し、外管の基端の近傍に孔を開けてガスの排出口を設けている。

しかしながら、内管の基端側から不活性ガスを流入させた場合、内管では光ファイバに対して、内管の基端側から先端側に向かう不活性ガスのガス流に常時さらされることになる。光ファイバはある程度のスラック（弛み）をもって内管の管内に配置されているが、このガス流や重力によりスラックが引き伸ばされ、先端が防壁層などに接触するおそれがある。光ファイバの先端が防壁層などに接触すると反射状態が悪化し、歪みや圧力や温度の検出に影響を及ぼすおそれがある。特に昨今のＤＡＳによる計測では光ファイバ先端の反射減衰量を低く抑えることが重要とされる。
また、封入したガスが抜けないように外管と内管の隙間および管の端部を封止する必要がある。特許文献１では内管の基端に分岐管を取り付けて封止しているが、内管をいったん切断して分岐管に取り付けており、内管を切断する工程が生じると共に露出した光ファイバに外傷を及ぼす危険がある。特許文献２では内管の基端および外管と内管の隙間を封止材で封止すると共に内管および外管の基端の近傍にガスの封入口、排出口として孔を開ける加工を行っており加工工数が掛かると共に加工に伴って内管内の光ファイバに外傷を及ぼす危険がある。

そこで本発明では、光ファイバのスラックを維持することによる光ファイバの反射減衰量の低下を抑止することができると共にガス封入口と排出口を容易に設けることができる金属管光ファイバケーブルの構造を提案する。

本発明に係る金属管光ファイバケーブルは、センサ用の光ファイバと、前記光ファイバが管内に配置された内管と、前記内管が管内に配置された外管とを備える金属管光ファイバケーブルにおいて、前記外管の先端側が閉塞されるとともに、前記外管の基端側にガス流入口が形成され、前記内管の先端側が前記外管の先端よりも基端側に位置され前記外管の管内と連通されるとともに、前記内管の基端側にガス排出口が形成され、前記光ファイバの先端が前記内管の先端よりも基端側に位置される。
これにより、外管の基端側のガス流入口から管内に流入した不活性ガスが、外管の先端側から内管の管内に流入し、内管の先端側から基端側のガス排出口に向けて流れる。

また上記金属管光ファイバケーブルは、前記外管の基端が前記内管の基端よりも先端側に位置され、挿通された前記外管を保持する外管挿通孔と、挿通された前記内管を保持する内管挿通孔と、ガス供給孔と、前記ガス供給孔と前記外管のガス流入口とを連通する流入路と、を有する継手部を備えている。
これにより、内管挿通孔に挿通された内管のガス排出口が継手部の外部に位置するとともに、外管挿通孔に挿通された外管のガス流入口が継手部の内部の流入路に位置することになる。

本発明によれば、光ファイバのスラックを維持することによる光ファイバの反射減衰量の低下を抑止することができる。
また、継手部を用いることにより、設置後に何らかの装置不具合が生じたとしても大掛かりな取り付け設備を必要とせず、設置現場において容易に継手部を金属管光ファイバケーブルに取り付けて再生することが可能であり工数の削減を図ることができる。

本発明の実施の形態の金属管光ファイバケーブルの構成例を模式的に示す図である。 本実施の形態のケーブル部の構成例を模式的に示す図である。 本実施の形態のケーブル部の領域Ｐの断面を模式的に示す図である。 本実施の形態の継手部の断面を模式的に示す図である。 比較例のケーブル部の先端側の断面を模式的に示す図である。

以下、実施の形態について図１から図４を参照して説明する。
なお、本実施の形態の説明にあたり参照する図面に記載された構成は、本実施の形態を実現するにあたり必要な要部及びその周辺の構成を抽出して示したものである。また図面は模式的なものであり、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲であれば設計などに応じて種々な変更が可能である。

本実施の形態では、図１に示すような地熱井などの観測井１００に降下（挿入）して内部の振動及び温度を検出するための金属管光ファイバケーブル１について説明する。
本開示において、金属管光ファイバケーブル１を観測井１００などの検出対象に挿入する方向を先端方向とし、先端方向と逆の方向を基端方向として説明する。またこのとき、金属管光ファイバケーブル１を構成する各部材の先端方向の端を先端とし、基端方向の端を基端とする。

金属管光ファイバケーブル１はケーブル部２及び継手部３を備えている。ケーブル部２は基端側が継手部３に接続されており、継手部３から供給された不活性ガスＧＳがケーブル部２に流入するようになっている。これにより、ケーブル部２の内部に不活性ガスＧＳが充填される。不活性ガスＧＳは、後述する光ファイバ４を保護するものであり、例えば窒素、アルゴン、ヘリウムなどを用いることができる。なお、各図面に示す矢印は不活性ガスＧＳの流れる方向を示している。

図２に示すように、ケーブル部２は、光ファイバ４、内管５及び外管６を備えている。内管５及び外管６は金属管であり、光ファイバ４を保護する耐熱、耐圧のための防壁層として機能する。内管５及び外管６の管内には、金属の腐食や外管６からの透過などの要因により発生した水素ガスが光ファイバ４に接触しないように不活性ガスＧＳが充填される。
水素ガスは特定波長における光ファイバ４の損失増加を招き、振動や温度の検出に影響を及ぼすおそれがある。そのため、不活性ガスＧＳを管内に充填することで、光ファイバ４に水素ガスが接触することを防止している。

光ファイバ４は歪みや圧力や温度を検出するセンサとして機能し、その外周面は断熱性材料により被覆されている。ケーブル部２の先端側が観測井１００に挿入されることで、振動及び温度の検出が行われる。

光ファイバ４は内管５の管内に挿入されており、内管５は外管６の管内に挿入されている。例えば内管５は０．７～３．０ｍｍ程度の内径を備えたものであり、外管６は内管５よりも大きい内径を備えたものである。

図３は、ケーブル部２の先端部の領域Ｐの断面を模式的に示す図である。
図３に示すように、外管６の先端部には、外管６の先端を封止（閉塞）する耐圧防壁層７が設けられている。耐圧防壁層７は、外管６にキャップ８を打ち込み、外管６とキャップ８の隙間を銀ロウ３０などの封止材により封止することにより形成される。

図４に示すように、外管６の基端側には、ガス流入口９が設けられている。例えば外管６の先端の開口がガス流入口９として形成されている。ガス流入口９には、後述する継手部３のガス供給孔１６から供給された不活性ガスＧＳが流入する。

内管５の先端側は外管６の管内と連通されている。図３では内管５の先端が開口端１０として形成されている。内管５の開口端１０は、外管６の管内先端の封止面１２よりも基端側に位置しており、これにより内管５と外管６の管内が連通されている。従って、外管６に流入した不活性ガスＧＳは内管５に流れ込むことになる。

また内管５の管内に挿入された光ファイバ４にはスラック（弛み）が設けられており、図１のようにケーブル部２が重力方向（観測井１００の底へ向かう方向）に降下（挿入）された状態において、光ファイバ４の先端１３は内管５の開口端１０よりも基端側に位置している。光ファイバ４は、スラックのない引き延ばされた状態においては外管６の封止面１２に接触する場合があるが、スラックを設けることで先端１３が開口端１０よりも基端側となるような位置を維持している。

図１に示すように、内管５の基端側にはガス排出口１１が設けられている。例えば内管５の基端の開口がガス排出口１１として形成されている。ガス流入口９から流入した不活性ガスＧＳは内管５及び外管６の管内に充填されるとともに、押し出された不活性ガスＧＳはガス排出口１１から排出される。外管６の基端は内管５の基端よりも先端側に位置していることから、外管６のガス流入口９は、内管５のガス排出口１１よりも先端側に位置している。

なお、内管５のガス排出口１１から基端側に延びる光ファイバ４は成端箱２０の余長収納体２１を介して測定器２２に接続される。測定器２２では、光ファイバ４からの検出に基づく歪みや圧力や温度の測定が行われる。

図４に示すように継手部３は、外管挿通孔１４、内管挿通孔１５、ガス供給孔１６及び流入路１７を備えている。外管挿通孔１４、内管挿通孔１５及びガス供給孔１６は、流入路１７を介して互いに連通されている。

外管挿通孔１４には外管６が挿通され保持される。外管６は外管挿通孔１４に挿通された状態で、外管引留め部１８により封止及び固定される。外管引留め部１８は例えばナットであり、当該ナットでねじ止めすることでフェルール２３を圧縮して外管６が外管挿通孔１４に封止及び固定される。このとき、外管６のガス流入口９は流入路１７の管内に位置し、流入路１７と連通している。

内管挿通孔１５は外管挿通孔１４よりも基端側に形成され、内管挿通孔１５には外管６のガス流入口９から延びる内管５が挿通され保持される。内管５は内管挿通孔１５に挿通された状態で、内管引留め部１９により封止及び固定される。内管引留め部１９は例えばナットであり、当該ナットでねじ止めすることでフェルール２４を圧縮して内管５が内管挿通孔１５に封止及び固定される。
内管挿通孔１５は内管５を挿通するため、内管挿通孔１５の内径は外管６を挿通する外管挿通孔１４の内径よりも小さくされている。

ガス供給孔１６には図示しないガス供給機構などから不活性ガスＧＳが供給される。
ここで、金属管光ファイバケーブル１における不活性ガスＧＳの流路について説明する。

図４に示すように、継手部３のガス供給孔１６に不活性ガスＧＳが供給されると、内管挿通孔１５が封止されているため、供給された不活性ガスＧＳは流入路１７を介して外管６のガス流入口９に流入する。

ガス流入口９から外管６の管内に流入した不活性ガスＧＳは、外管６の先端側に向かい、図３に示すように、外管６の先端部において内管５の開口端１０に流入する。開口端１０から内管５の管内に流入した不活性ガスＧＳは、内管５の先端側から基端側に向かうことになる。これにより、内管５及び外管６の管内に不活性ガスＧＳが充填される。

内管５及び外管６の管内に不活性ガスＧＳが充填されると、ガス流入口９への不活性ガスＧＳの流入に伴い、管内に充填された不活性ガスＧＳが内管５の基端側に押し出され、図１に示すガス排出口１１から排出される。

ここで、内管５の管内に挿通された光ファイバ４は、図１のようにケーブル部２が重力方向（観測井１００の底へ向かう方向）に挿入された状態において常に重力の影響を受けている。そのため、時間が経つにつれて光ファイバ４のスラックが引き延ばされ、光ファイバ４の先端１３が封止面１２に接触してしまうおそれがある。
光ファイバ４の先端１３が封止面１２に接触してしまうと、光ファイバ４の反射状態が悪化し、振動や温度の検出に悪影響を及ぼすことになる。

また、図５の比較例に示すように、内管５Ａの基端側から不活性ガスＧＳを流入させた場合、内管５Ａの管内では光ファイバ４Ａに対して、内管５Ａの基端側から先端側に向かう不活性ガスＧＳによるガス流に常時さらされることになる。このガス流により、却って光ファイバ４Ａのスラックの延びを促進してしまうおそれがある。

一方、本実施の形態では、図３に示すように、外管６の基端側にガス流入口９が形成され、かつ内管５の基端側にガス排出口１１が形成されているため、外管６の先端側に向けて流れ込んだ不活性ガスＧＳが内管５の開口端１０を介して、内管５の先端側から基端側に向かって流れていく。

このように内管５の先端側から基端側に向かって流れる不活性ガスＧＳにより、内管５の管内に重力と反対方向に流れるガス流が発生する。このガス流により、計測中、常に光ファイバ４が基端側に僅かに押されることになり、重力により光ファイバ４のスラックが延びることを抑制することができる。

従って、本実施の形態によれば、計測中に光ファイバ４のスラックを維持することが可能となり、光ファイバ４のスラックが引き延ばされ、光ファイバ４の先端１３が封止面１２に接触することによる伝送損失を防ぐことができる。

なお、使用時により良い計測品質を保つためには、常時、継手部３のガス供給孔１６から不活性ガスＧＳを供給することが望ましいが、検層中のケーブル部２の降下（挿入）及び引揚時は、ケーブル部２を巻いたドラムが回転するため、不活性ガスＧＳの供給が困難となる。そこで、検層前（ケーブル部２の降下前）に不活性ガスＧＳをあらかじめ供給しておき、内管５及び外管６の管内に不活性ガスＧＳを充填しておくことで、ケーブル部２の降下時においても管内の残圧の低下を抑制することができる。その後、検層中に不活性ガスＧＳを供給し、さらに引揚後に改めて不活性ガスＧＳを供給することで、管内の不活性ガスＧＳの充填状態を常に維持して光ファイバ４の損傷を抑制することができる。これにより、金属管光ファイバケーブル１のさらなる長寿命化を図ることができる。

以上に述べた本実施の形態によれば、金属管光ファイバケーブル１のケーブル部２は、センサ用の光ファイバ４と、光ファイバ４が管内に配置された内管５と、内管５が管内に配置された外管６とを備えている（図２参照）。
このとき、光ファイバ４の先端は内管５の先端よりも基端側に位置されている。また外管６の先端側は閉塞され、外管６の基端側にはガス流入口９が形成されている。さらに内管５の先端側は外管６の先端よりも基端側に位置され外管６の管内と連通されるとともに、内管５の基端側にガス排出口１１が形成されている（図１、図３及び図４参照）。

これにより、外管６の基端側のガス流入口９から管内に流入した不活性ガスＧＳが、外管６の先端側から内管５の管内に流入し、内管５の先端側から基端側のガス排出口１１に向けて流れる。従って、上述のとおり、内管５の先端側から基端側に向かって流れる不活性ガスＧＳのガス流により光ファイバ４のスラックが延びることを抑制し、光ファイバ４の先端１３が封止面１２に接触することによる伝送損失を防ぐことができる。よって、金属管光ファイバケーブル１の高品質化・長寿命化を図ることができる。

また本実施の形態では、外管６の基端の開口をガス流入口９として形成し、内管５の基端の開口をガス排出口１１としている（図１及び図４参照）。このように、各管の開口をそれぞれガス流入口９及びガス排出口１１とすることで、ガス流入口９やガス排出口１１を設けるために、各管に孔を開けたり内管を切断して光ファイバを露出させる必要がなくなる。従って、工数の削減を図ることができるとともに、各管に孔を開けたり内管を切断する工程などにおいて管内の光ファイバ４に外傷を与えてしまうような事態を避けることができる。

本実施の形態における金属管光ファイバケーブル１の継手部３は、挿通された外管６を保持する外管挿通孔１４と、挿通された内管５を保持する内管挿通孔１５と、供給された不活性ガスＧＳを流入するガス供給孔１６と、ガス供給孔１６と外管６のガス流入口９を連通する流入路１７と、を備えている（図４参照）。

これにより、内管挿通孔１５に挿通された内管５のガス排出口１１が継手部３の外部に位置するとともに、外管挿通孔１４に挿通された外管６のガス流入口９が継手部３の内部の流入路１７に位置することになる。即ち、外管６のガス流入口９と内管５のガス排出口１１との位置関係を継手部３により容易に規定して固定することができる。

また継手部３では、外管挿通孔１４に外管６を挿通することで、ガス供給孔１６から供給される不活性ガスＧＳが流入路１７を介して外管６のガス流入口９に流入させることができる。従って、外管挿通孔１４に外管６を挿通すれば、外管６に別途不活性ガスＧＳを供給するための孔を開けなくても不活性ガスＧＳを供給することができる。即ち、外管挿通孔１４に外管６を挿通するだけで、内管５との位置関係を規定できるばかりか、不活性ガスＧＳを供給するための孔を開けるといった工数も削減することができる。

また継手部３によれば、外管挿通孔１４に挿通された外管６を外管引留め部１８により、内管挿通孔１５に挿通された内管５を内管引留め部１９により、容易に封止及び固定することができる。
継手部３は通常は工場等で金属管光ファイバケーブル１に取り付けられて出荷され地熱井などの観測井に設置されるが、設置後に何らかの装置不具合が生じたとしても大掛かりな取り付け設備を必要とせず、設置現場において容易に継手部３を金属管光ファイバケーブル１に取り付けて再生することが可能であり工数の削減を図ることができる。

最後に、本開示に記載された効果は例示であって限定されるものではなく、他の効果を奏するものであってもよいし、本開示に記載された効果の一部を奏するものであってもよい。また、実施の形態で説明されている構成の組み合わせの全てが課題の解決に必須であるとは限らない。

１ 金属管光ファイバケーブル
２ ケーブル部
３ 継手部
４ 光ファイバ
５ 内管
６ 外管
９ ガス流入口
１１ ガス排出口
１４ 外管挿通孔
１５ 内管挿通孔
１６ ガス供給孔
１７ 流入路

Claims (4)

1. センサ用の光ファイバと、前記光ファイバが管内に配置された内管と、前記内管が管内に配置された外管とを備える金属管光ファイバケーブルにおいて、
   前記外管の先端側が閉塞されるとともに、前記外管の基端側にガス流入口が形成され、
   前記内管の先端側が前記外管の先端よりも基端側に位置され前記外管の管内と連通されるとともに、前記内管の基端側にガス排出口が形成され、
   前記光ファイバの先端が前記内管の先端よりも基端側に位置される
   金属管光ファイバケーブル。
2. 前記外管の基端は前記内管の基端よりも先端側に位置され、
   挿通された前記外管を保持する外管挿通孔と、挿通された前記内管を保持する内管挿通孔と、ガス供給孔と、前記ガス供給孔と前記外管のガス流入口とを連通する流入路と、を有する継手部を備える
   請求項１に記載の金属管光ファイバケーブル。
3. 前記外管は、前記外管挿通孔に挿通された状態で封止及び固定され、
   前記内管は、前記内管挿通孔に挿通された状態で封止及び固定された
   請求項２に記載の金属管光ファイバケーブル。
4. 前記内管の先端の開口により前記外管の管内と連通された
   請求項１から請求項３の何れかに記載の金属管光ファイバケーブル。

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