JP6529038B2 - 耐熱光ファイバケーブルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバによる温度計測、高温環境下での光ファイバ通信等に利用される耐熱光ファイバケーブルに関し、特に火災時や製鋼炉設備等の高温計測に用いられる耐熱光ファイバケーブルおよびその製造方法に関する。
光ファイバケーブルは、ケーブル化や使用時の温度や湿度等の環境変化に対しても、長時間に亘って伝送損失の悪化や破断がないように、光ファイバ本来の光伝送特性や機械的強度特性を維持するために、ケーブル構造や使用環境に応じて光ファイバ表面に各種の被覆が施されている。
耐熱光ファイバケーブルにおいては、コアおよびクラッドからなる光ファイバの外周面に各種材料を被覆して耐熱性を確保している。例えば特開平８−１５５８５号公報（特許文献１）には、光ファイバの外周部に樹脂層がありさらにその外周部にカーボン層がある耐熱光ファイバの開示がある。また、特開平９−２５８０７６号公報（特許文献２）には、光ファイバの外周部を被覆したカーボン薄層とこのカーボン薄層を被覆した金属被覆層からなる耐熱光ファイバケーブルの開示がある。さらに、特開平１０−１８６１９３号公報（特許文献３）には、光ファイバをバインダーを含む粉末セラミックで保護した光ファイバケーブルの開示がある。
しかし、特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている耐熱光ファイバケーブルは、使用環境が４００℃を超える火災時や製鋼炉設備等の高温計測に用いる場合は、短時間で光伝送損失が生じるという問題があった。
特開２０００−１３１５７０号公報（特許文献４）には、光ファイバの外周部の内側にニッケル層、外側に金層の２層構造を形成し、螺旋状の構造を持つ保護用金属管に挿入した耐熱光ファイバケーブルが開示されている。しかし、特許文献４に記載の耐熱光ファイバケーブルは、使用環境が４００℃を超える火災時や製鋼炉設備等の高温計測に用いる場合においても光伝送損失が生じることはないが、生産性が悪く、製造コストが高いので非常に高価な製品となり工業製品としては問題があった。
一方、特開平５−２８１４４６号公報（特許文献５）には、金属管内にプラスチックを被覆した光ファイバを挿入後、金属管とともに加熱してプラスチック被覆を燃焼分解する耐熱光ファイバケーブルの製造方法が開示されている。しかし、燃焼分解後は金属管内で光ファイバが被覆層がない状態で金属管(外皮)と接触しているので、光ファイバにマイクロベンディングや微小な表面傷が生じやすくなって光伝送損失を招くことになる。
また、特開平７−１３３１３８号公報（特許文献６）には、プラスチック被覆の光ファイバを、張力を与えた状態で加熱処理し、加熱処理により発生したプラスチック被覆の熱分解ガスを除去しながらプラスチック被覆をか焼(calcination)した光ファイバを金属管内に挿入する、耐熱光ファイバの製造方法が開示されている。しかし、特許文献６に記載の方法で製造した耐熱光ファイバにおいても、使用環境が４００℃を超える火災時や製鋼炉設備等の高温計測に用いる場合は、短時間で光伝送損失が生じるという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光ファイバによる温度計測や高温環境下での光ファイバ通信等において、特に火災時や製鋼炉設備等の高温計測において、長時間光伝送損失が生じない耐熱光ファイバケーブルを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために、比較的耐熱性のあるポリイミド樹脂が被覆された光ファイバ表面の処理条件および金属管の処理条件による、高温環境下における光伝送損失への影響について詳細に検討した。
その結果、ポリイミド樹脂が被覆されている光ファイバを、入口側から出口側に進むに従い室内温度が４２０℃以上６００℃以下の範囲で漸増する加熱室内を、発生するガスを排出しながら、３０min以上６０min以下の時間で通行させてか焼(calcination)してポリイミド樹脂表面を炭化させてから、管内に不活性ガスを吹き込みながら４８０℃以上で６０min以上の焼鈍条件で焼鈍した金属管に、隙間および余長をもって挿入する製造方法により、高温環境下においても長時間光伝送損失がない耐熱光ファイバケーブルが得られることを見出した。
すなわち、本願発明により製造された耐熱光ファイバケーブルは、管内に不活性ガスを吹き込みながら４８０℃以上で６０min以上の焼鈍条件で焼鈍した金属管と、ポリイミド樹脂が被覆された光ファイバであって、入口側から出口側に進むに従い室内温度が４２０℃以上６００℃以下の範囲で漸増する加熱室内を、発生するガスを排出しながら、３０min以上６０min以下の時間で通行させてか焼した光ファイバと、を含み、前記か焼された光ファイバが、隙間および余長をもって前記金属管に挿入されたものである。
また、本発明の好適な実施態様においては、加熱室の温度は光ファイバの入り口側４２０〜４８０℃、出口側５４０〜６００℃である。
本発明の耐熱光ファイバケーブルによれば、光ファイバに被覆されたポリイミド樹脂の表層部が、入口側から出口側に進むに従い室内温度が４２０℃以上６００℃以下の範囲で漸増する加熱室内を、発生するガスを排出しながら、３０min以上６０min以下の時間の通行によってか焼し炭化しているので、該耐熱光ファイバケーブルの一部となる金属管に挿入する際に、ポリイミド樹脂の炭化部が保護して金属管との摩擦による光ファイバのクラッドまたはコアにマイクロベンディングや微小な表面傷が生じることがないので光伝送損失が増加することがなく、多少引張力が働いても破断することはない耐熱光ファイバケーブルを提供することができる。
また、耐熱光ファイバケーブルの一部となる金属管をその内部に不活性ガスを吹き込みながら４８０℃以上で６０min以上の焼鈍条件で焼鈍しているので、火災時や製鋼炉設備等の高温環境下においても金属管内面に水分や油脂の付着がないので、水分の蒸発や油脂が分解してＨ２ＯやＨ２を発生することがない。また、光ファイバに被覆されたポリイミド樹脂の表層部が加熱室内でか焼によって炭化しているので、火災時や製鋼炉設備等の高温環境下においても光ファイバ表面からＨ２を発生することがない。したがって、Ｈ２Ｏによるクラッド表面のＳｉＯ２と結合してシリカゲルを生成することがないので、界面での反射率が低下して光伝送損失が低下することがない。さらに、Ｈ２がクラッドまたはコアに吸収されることがないので、光ファイバの光伝送損失が増加することがない耐熱光ファイバケーブルを提供することができる。
さらに、管状炉３内の加熱室７の温度を４２０〜６００℃の範囲で漸増しているので、ポリイミド樹脂が表面から徐々に炭化し、ポリイミド樹脂の炭化層が収縮して亀裂が生じることなく均一な炭化層が得られる。
以下、本発明を詳細に説明する。
光ファイバを挿入する金属管すなわち耐熱光ファイバケーブルの一部となる金属管は、焼鈍炉内で金属管内部に不活性ガスを吹き込みながら焼鈍してそれに付着した水分および油脂を除去する。金属管内面は、金属管の製造時に水や油脂が残存するので、窒素やＡｒ等の不活性ガスを管内に吹き込みながら焼鈍して、水を蒸発および油脂を分解して管内から排出する。
光ファイバを挿入する金属管すなわち耐熱光ファイバケーブルの一部となる金属管は、焼鈍炉内で金属管内部に不活性ガスを吹き込みながら焼鈍してそれに付着した水分および油脂を除去する。金属管内面は、金属管の製造時に水や油脂が残存するので、窒素やＡｒ等の不活性ガスを管内に吹き込みながら焼鈍して、水を蒸発および油脂を分解して管内から排出する。
金属管内に水や油脂が残存すると、後述するポリイミド樹脂表面を炭化した光ファイバを該金属管内に挿入した耐熱光ファイバケーブルを高温環境下で使用すると、水がクラッド表面のＳｉＯ２と結合してシリカゲルを生成し界面での反射率が低下して光ファイバの光伝送損失が低下する。また、油脂が分解して生じたＨ２がクラッドまたはコアに吸収されて光ファイバの光伝送損失が増加する。
前記金属管は、水分および油脂を完全に除去するために金属管内に不活性ガスを吹き込みながら４８０℃以上で６０min以上焼鈍する。不活性ガスを吹き込まない場合、焼鈍時間が４８０℃未満または焼鈍時間が６０min未満であると、金属管内に水や油脂が残存して高温環境下で使用すると、水がクラッド表面のＳｉＯ２と結合してシリカゲルを生成し界面での反射率が低下して光ファイバの光伝送損失が増加する。また、油脂が分解して生じたＨ２がクラッドまたはコアに吸収されて光ファイバの光伝送損失が増加する。
なお、本発明の耐熱光ファイバケーブルの製造方法に用いる金属管すなわち耐熱光ファイバケーブルの一部となる金属管は、ステンレス鋼管で外径２．０〜３．２mm、内径１．６〜２．２mmであることが好ましい。
図１に本発明の耐熱光ファイバケーブルの製造方法を実施する管状炉すなわち加熱処理炉の一例を示す。図に示すように巻戻しリール１および巻取りリール２との間に管状炉３が配置されている。巻戻しリール１はポリイミド樹脂が被覆された光ファイバ４を巻き取っており、モーター（図示せず）により回転駆動される。巻戻しリール１は、光ファイバ４が管状炉３で所要時間加熱されるように一定速度で光ファイバ４を送り出す。
巻取りリール２はモーター（図示せず）で回転され、光ファイバ表面に被覆されたポリイミド樹脂の表層部が管状炉３で炭化した光ファイバ４を巻き取る。なお、光ファイバは巻取りリール２に巻き取られる前に窒素ガスなどで冷却される。
管状炉３の加熱室７内にヒーター８が配置され、該加熱室７は光ファイバ４の入口側Ａ、中央部Ｂおよび出口側Ｃの３ゾーンからなり、それぞれ加熱温度を制御できる。また、加熱室７の光ファイバ４の入り口側に不活性ガス入口５が、加熱室７の光ファイバ出口側にガス排出口６が設置されていて、光ファイバ表面に被覆されているポリイミド樹脂の加熱室７でのか焼により発生した分解ガスを、加熱室７外に排出する。
上記のように構成された管状炉３により、ポリイミド樹脂が被覆された光ファイバ４を、室内温度がAゾーンからCゾーンに渡って４２０〜６００℃の範囲で漸増する加熱室７を３０〜６０minで通過させて、発生したガスを光ファイバ４の入り口側のガス入口５から不活性ガス（窒素またはアルゴンガス）を供給し、光ファイバ出口側のガス排出口６から加熱室７外に排出する。
管状炉３内の加熱室７の温度を４２０〜６００℃の範囲で漸増しているので、ポリイミド樹脂が表面から徐々に炭化し、ポリイミド樹脂の炭化層が収縮して亀裂が生じることなく均一な炭化層が得られる。
加熱室７の温度は、光ファイバ４の入口側から出口側へ漸増とし、入口側の温度を４２０〜４８０℃とする。入口側の温度が４２０℃未満であると、被覆されているポリイミド樹脂の炭化層が薄くなり、金属管内に挿入した耐熱光ファイバケーブルを高温環境下で使用すると、光ファイバ表面の樹脂からＨ２を発生して光ファイバのクラッドまたはコアに吸収されて光伝送損失が増加するようになる。一方、入口側の温度が４８０℃を超えると、ポリイミド樹脂が急速に分解するのでポリイミド樹脂層が収縮して炭化層に亀裂が無数生じ、金属管内に挿入する時にクラッドに傷が生じて光伝送損失が増加するようになる。
加熱室７の出口側の温度は、５４０〜６００℃とする。出口側の温度が５４０℃未満であると、ポリイミド樹脂の炭化層が薄くなり、金属管内に挿入した耐熱光ファイバケーブルを高温環境下で使用すると、光ファイバ表面の樹脂からＨ２を発生して、光ファイバのクラッドまたはコアに吸収されて光伝送損失が増加するようになる。一方、出口側の温度が６００℃を超えると、ポリイミド樹脂層全体が炭化収縮して炭化層に亀裂が無数生じ、金属管内に挿入する時にクラッドに傷が生じて光伝送損失が増加するようになる。
なお、加熱室７の中間のゾーンＢの温度は、入口側ゾーンＡから出口側ゾーンＣへと漸増するように調整するが、４６０〜５６０℃の範囲であることが好ましい。
加熱室７の通過時間が３０min未満であると、ポリイミド樹脂の表層部が十分に炭化されないので、金属管内に挿入した耐熱光ファイバケーブルを高温環境下で使用すると、光ファイバ表面の樹脂からＨ２を発生して、光ファイバのクラッドまたはコアに吸収されて光伝送損失が増加するようになる。一方、加熱室７の通過時間が６０minを超えると、ポリイミド樹脂層全体が炭化収縮して炭化層に亀裂が無数生じ、金属管内に挿入する時にクラッドに傷が生じて光伝送損失が増加するようになる。
本発明の耐熱光ファイバケーブルの製造方法に用いるポリイミド樹脂を被覆した上記加熱処理すなわちか焼(calcination)の前の光ファイバは、コア直径１０〜５０μｍ、クラッド直径１００〜１５０μｍ、ポリイミド樹脂被覆層厚さは５〜２０μｍであることが好ましい。
上記の焼鈍処理を施した金属管に、上記のか焼処理を施した光ファイバを、特開昭６２−４４０１０号公報に開示されている方法で金属管内に振動挿入する。図２に、金属管内に光ファイバが挿入された耐熱光ファイバケーブルの断面図を示す。金属管９内に光ファイバ４が隙間を持って挿入されている。光ファイバ４は、コア１０およびクラッド１１の外周部に炭化層を有するポリイミド樹脂が被覆されている。
図３は、金属管９内で光ファイバ４が金属管９長手方向に余長（うねり）を持って挿入されている状態を示す。光ファイバ４が余長を持って金属管９に挿入されているので、高温環境下で使用した場合においても熱膨張の差によって金属管９が光ファイバ４よりも大きく伸びても、光ファイバ４に張力が加わることがない。
以下実施例により本発明を具体的に説明する。
ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の外径２．６mm、内径２．０mm、長さ５００ｍの継目無し管である金属管を、表１に示す各種条件で焼鈍炉内にて焼鈍した。なお、金属管内に吹き込むガスは窒素ガスを用いた。
光ファイバは、コア直径５０μｍ、クラッド直径１２５μｍにポリイミド樹脂を１５μｍ厚に被覆したものを用いて、加熱室７の長さが３ｍの図１に示す管状炉３で表１に示す各種条件で、窒素ガスをガス入り口５から供給しガス排出口６から分解ガスを排出しながら加熱室７で光ファイバ表面のポリイミド樹脂を加熱処理した。加熱処理した後に光ファイバ表面のポリイミド樹脂の炭化状態を目視により調査した。
上記の処理をした光ファイバを振動装填機で金属管内に挿入して耐熱光ファイバケーブルとし、該耐熱光ファイバケーブルの先端部分２０ｍを雰囲気温度５００℃の均熱炉内に設置し、２４時間連続してＯＴＤＲ（光パルス試験機）を用いて伝送損失を計測した。評価は、最大伝送損失が−５ｄＢ／ｋｍ以下を良好とした。それらの結果も表１にまとめて示す。
表１中試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４が本発明例、試験Ｎｏ．５〜Ｎｏ．１３は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は、金属管の焼鈍条件が適正で、ポリイミド樹脂を被覆した光ファイバの加熱条件が適正であるのでポリイミド樹脂の炭化状態が良好であり、金属管に挿入した耐熱光ファイバケーブルを均熱炉に長時間設置しても光伝送損失が極僅かであり、極めて満足な結果であった。
比較例中試験Ｎｏ．５は金属管の焼鈍温度が低いので、試験Ｎｏ．６は金属管の焼鈍時間が短いので、試験Ｎｏ．９は金属管の焼鈍時に金属管内に窒素ガスをパージしなかったので、何れも金属管内に水分または油脂残存し、金属管に挿入した耐熱光ファイバケーブルを均熱炉に設置した時の光伝送損失が大きくなった。
試験Ｎｏ．７はポリイミド樹脂を被覆した光ファイバの加熱時間が短いので、試験Ｎｏ．１０は加熱室への光ファイバ入口側の温度が低いので、試験Ｎｏ．１２は加熱室からの光ファイバ出口側の温度が低いので、何れもポリイミド樹脂の炭化層が薄くなり、金属管に挿入した耐熱光ファイバケーブルを均熱炉に長時間設置した時にポリイミド樹脂が分解して、光ファイバ表面の樹脂からＨ２が発生して、光ファイバのクラッドまたはコアに吸収されて光伝送損失が大きくなった。
試験Ｎｏ．８はポリイミド樹脂を被覆した光ファイバの加熱時間が長いので、試験Ｎｏ．１１は加熱室への光ファイバ入口側の温度が高いので、試験Ｎｏ．１３は加熱室からの光ファイバ出口側の温度が高いので、何れもポリイミド樹脂層全体が炭化収縮して炭化層に亀裂が無数生じ、金属管内に挿入する時にクラッドに傷が生じて光伝送損失が大きくなった。
１ 巻戻しリール
２ 巻取りリール
３ 管状炉
４ 光ファイバ
５ ガス入り口
６ ガス排出口
７ 加熱室
８ ヒーター
９ 金属管
１０ コア
１１ クラッド
１２ 炭化層を有するポリイミド樹脂
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Claims (4)
- ポリイミド樹脂が被覆されている光ファイバを、入口側から出口側に進むに従い室内温度が４２０℃以上６００℃以下の範囲で漸増する加熱室内を、発生するガスを排出しながら、３０min以上６０min以下の時間で通行させてか焼してポリイミド樹脂表面を炭化させてから、管内に不活性ガスを吹き込みながら４８０℃以上で６０min以上の焼鈍条件で焼鈍した金属管に、隙間および余長をもって挿入する、耐熱光ファイバケーブルの製造方法。
- 前記加熱室の温度は光ファイバの入り口側４２０℃以上４８０℃以下、出口側５４０℃以上６００℃以下である、請求項１に記載の耐熱光ファイバケーブルの製造方法。
- 管内に不活性ガスを吹き込みながら４８０℃以上で６０min以上の焼鈍条件で焼鈍した金属管と、ポリイミド樹脂が被覆された光ファイバであって、入口側から出口側に進むに従い室内温度が４２０℃以上６００℃以下の範囲で漸増する加熱室内を、発生するガスを排出しながら、３０min以上６０min以下の時間で通行させてか焼した光ファイバと、を含み、前記か焼された光ファイバが、隙間および余長をもって前記金属管に挿入された、耐熱光ファイバケーブル。
- 前記加熱室の温度は光ファイバの入り口側４２０℃以上４８０℃以下、出口側５４０℃以上６００℃以下である、請求項３に記載の耐熱光ファイバケーブル
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