KR910008486B1 - 광섬유 케이블 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광섬유 케이블

제1도는 외장 광섬유 케이블(armored optical fiber cable)의 횡단면도이다.

본 발명은 광섬유 및 외장 케이블에 관한 것이다. 특히 본 발명은 광섬유와 외장 광섬유 케이블을 포함하는 용봉(hermetical sealed; 밀봉하여 봉인한)튜브에 관한 것이다.

유정(油井) 검층(檢層)(oil well logging)과 같은 용도로 쓰이는 통상적인 전기기 케이블은 전기적 신호를 보내기 위하여 금속도체를 포함한다. 그와같은 케이블은 전형적인 유정 깊이인 12,000-20,000 피-트에 상당하는 약 100KHz 이상의 길이로 제한되는 신호전달 대폭(Bandwidth)을 가진다. 현대적 검층공구로서 얻을 수 있는 대부분의 정보는 통상의 검층 케이블에 있어서 공지 기술의 특징인 한정된 신호 대폭때문에 유정 시굴공 아래에서는 회수될 수가 없다. 따라서 실질적으로 더높은 신호전달 대폭, 즉, 용량과, 혹은 중계기 없이 긴 케이블 길이를 통과하는 보다 큰 전송 속도를 가진 케이블을 제공할 수 있다. 광섬유는 약 30.000피트 까지의 길이를 통과하는 약 100㎒의 신호전달 대폭을 제공할 수 있다. 이것은 유정 검층과 같은 열악한 환경에서 사용하는 통상의 케이블에 이용되는 절연 전선보다 약 3배 정도 더 큰 것이다.

유리 광섬유는 사용시에 신장되거나 수중에서 사용되는 특히 유정시추공에서와 같은 고압과 혹은 고온하에서 사용되는 변형 케이블에 유리 광섬유를 성공적으로 결합하는 것을 어렵게 하는 두가지 성질을 가지고 있다. 이 두 성질은 정적 피로강도 약화(static fatigue degradation) 및 마이크로 벤딩(또는 미세 휨) 손실(micro bending loss)이다.

실리카 유리섬유는 그 표면에 작은 균열(미세균열)을 가진다. 이들 미세균열의 길이는 소위 정적피로(static fatigue)라고하는, 실리카 유리와 수분 사이의 응력-가속적 화학반응을 통하여 증가할 수 있다. 유리섬유의 장력강도는 미세균열 깊이가 증가한 만큼 실질적으로 감소한다. 유리는 고 영율(Young's modulus)의 탄성물질이다. 유리 광섬유의 변형은 장력을 발생하고 정적피로를 초래한다. 그래서 유리 광섬유는 장기간게 걸쳐 수분의 존재상태에서 높은 변형(0.5%이하)하에서 사용하기에는 적합치 않다. 물이 어느정도로 플라스틱 전표면에 확산되는 한 어떤 플라스틱도 적절한 보호수단으로서 역할을 할 수 없다.

유리섬유에서 작은 휨을 통한 빛의 손실(미세휨 손실)에 관하여 이하에 기술한다. 광섬유는 내부 전반사의 원리에 의하여 빛 신호를 전달한다. 이러한 원리는 광선이 광섬유의 피복된 경계면에서의 코어에 충돌되는 각 시점에 모든 광선이 코어구역으로 다시 반사되는 광선의 성질에 의한 것이다. 내부 전반사는 피복 경계면에서의 코어에 대한 광선의 입사각의 어떤 임계치 이하일때만 일어날 수 있다. 광섬유의 휨은 약간의 빛이 그 임계 값보다 더 큰 입사각으로 피복 경계면에서 코어에 충돌하도록 코어내에서 분산되어 코어로부터 굴절되고 손실된다. 손실된 빛의 량은 휨의 유효 직경이 작으면 작을수록 더 커지게 된다. 광섬유의 벤딩(bending)이 국부적인 가로 방향력(lateral forces)에 의한 변형에 기인할 때 그 결과 발생되는 신호 강도의 감소(그리고 사용될 수 있는 케이블의 길이의 감소)를 미세휨 손실이라고 한다. 광섬유가 그 피복층의 덩어리와 같은 국부적 비균질성에 의해 굴절될 때 미세휨의 유효 직경은 그 섬유가 받고 있는 국부적 변형에 의존한다. 일반적으로 광섬유는 변형 수준이 증가상태에 있을 때 더 적은 유효 직경으로 휘게된다. 따라서 높은 변형 수준은 더 높은 수준의 마이크로벤딩 손실을 가져온다. 광섬유에서 마이크로벤딩 손실은 먼저 실리콘 고무와 같은 연한 탄성체로 섬유를 피복한 후 외력에 버틸 수 있는 강성 자켓에 이 완충섬유를 넣음으로써 크게 감소시킬 수 있다. 그러나 실리콘 고무와 같은 플라스틱은 깊은 유정의 바닥에서와 같은 거치른 환경에 접힌 상태하에서는 즉 20,000psi 이상의 압력과 500℉ 이상의 온도에서 뜨거운 염수(brine)와 접하면 본래의 성질을 잃는다.

그리하여 유정 검층 케이블에 결합시킬 수 있는 적어도 한개의 광섬유를 포함하는 용봉 튜브를 공급하는 것이 바람직하다. 용봉 튜브는 광섬유의 마이크로벤딩과 광섬유내의 수분-유도 미세균열(microcrack)결합을 최소화한다.

유정 시추공의 정확한 검층을 위한 필수조건은 유정공내에서 검층공구의 위치를 정확히 아는 것이다. 공구의 위치는 유정공에 늘어뜨린 검층 케이블의 실제 길이로 한정된다. 늘어뜨린 검층 케이블의 실제 길이는 케이블의 장력특성과 늘어뜨린 케이블 길이에 따른 장력에 대한 신장도의 지식을 합쳐서 유정에 내려진 비압착 케이블 길이의 량으로 부터 결정할 수 있다. 유정 시추공에 내려진 비 압착 케이블 길이의 량은 정밀하게 측정될 수 있다. 케이블의 늘어뜨린 길이에 따른 장력 파형은 정확하게 계산될 수 있다. 그러므로 유정에 늘어뜨린 케이블의 실제길이는 케이블의 신장도 대 장력 특성을 정확하게 알고 이것이 반복가능하다면 정확하게 결정될 수 있다.

통상의 유정 검출용 전기기 케이블은 열악한 고온 환경에 견딜 수 있고 계속적으로 기능을 유지하면서 높은 수준의 축방향 응력을 수용하도록 설계할 수 있다. 특히 예를 들면, 통상의 검층 케이블내의 각 도체부분은 동선 다발로 구성되어 있다. 그동안 다발은 낮은 응력에서도 비 탄성적으로 굽는다. 케이블이 신장되거나 늘어질 때, 동선다발은 그 원래의 상태로 충분히 회복되지 않고 결국 동선은 강한 응력에 의해 부서지거나 깨진다. 그러나 이러한 조건이 그 케이블을 꼭 사용 불가능하게 하지는 않는다. 왜냐하면 비파손된 전선과 인접한 하나, 또는 그 이상의 파손된 전선은 전류를 그 이웃한 전선으로 통하게 하고 그래서 언제나 전체가 도체인 것처럼 나타나며 그 케이블은 기능을 유지한다. 그러므로 통상적인 검층 케이블은 중요한 비탄력적 및 탄력적 응력을 버틸 수 있고 계속 기능을 유지하게 되는 것이다.

유정 검층 케이블은 일반적으로 강철 외장전선을 외부에 두개의 층으로 입힌 구조를 이룬다. 외장전선들은 현체하중(縣體荷重)의 지시에 케이블이 풀리는 것을 막기 위해서 반대방향의 나선으로 꼬이게 되어 있다. 외장 자켓 내부에는 일곱개의 절연된 구리 전도체를 수용할 수도 있는데 즉 내부 외장전선층의 강선들의 꼬임 처리와 반대방향의 나선처리된 한개의 전도체 주위에 6개의 전도체를 배치할 수 있다. 그러나 구리전도체의 나선방향과 내부 외장전선의 나선방향 사이에 특정한 관계는 없다. 왜냐하면 그것들은 서로 별개의 조립단계에서 추가되며 통상 그들 사이에는 유연한 물질의 기층(beding layer)이 추가되기 때문이다. 이러한 통상의 케이블 구조로 인하여 내부 외장전선과 아래 놓은 절연된 전도체 사이의 경계면은 유연한 기초 물질에 의해 분리된 다수의 교차점으로 구성된다.

통상의 유정 검출 케이블이 고온에서 장력을 받을 경우, 그것을 정확하게 예측할 수 없는 량으로 신장될 것이다. 이것은 그 신장이 두부분으로 구성되기 때문인데, 그 하나는 직선형이고 다른 하나는 아주 비직선형이며 비탄성적이기 때문이다. 이 비탄성 부분은 외장 전선이 아래놓인 유연한 기초물질과 전선 절연을 비탄력성으로 변형하기 때문이며, 이는 교차점에서 매우 높은 국부응력을 갖는데 기인되며 보다적은 피치(pitch) 직경을 취한다. 케이블 신장의 비탄성 부분은 매우 예측할 수 없거나 반복할 수 없고 결과적으로 검침의 위치를 정확히 알 수 없다.

사용시에 일어나는 비탄성 변형을 방지하기 위해서, 통상의 검층 케이블은 조립하는 동안 고온상태에서 예비 신장이 주어진다. 적절하게 처리될 경우, 고온의 예비신장 조작은 장력에 따라 케이블에 직선적이고 탄성적 신장을 나타내게 된다. 고온의 예비신장 조작은 통상의 7개-도체 검층 케이블에 ¾ 내지 %ı½의 영구(비탄성적) 변형을 준다. 코어내의 하나 혹은 그 이상의 광섬유를 내포하는 통상의 설계로된 외장 케이블의 고온 예비신장은 유리 광섬유를 ¾내지 ı½%의 영구신장되게 한다. 이들 고온의 영구 변형수준에 처한 케이블의 광섬유는 즉시 정적 약화는 안되며/혹은 허용될 수 없는 고도의 마이크로벤딩 손실을 나타낸다. 통상의 예비 신장기술은 외장 광섬유 케이블에 적용될 수 없는 것이 확실하다. 그래서 이들과 다른 난점을 극복하고 외장섬유 광케이블을 가지는 것과 광섬유 통신기술의 확장을 열악한 환경분야에도 허용되도록 하는 것이 아주 바람직할 것이다.

발명자는 하나 혹은 다수의 완충 광섬유와 이들의 제품을 둘러싸는 용봉 튜브의 조립방법을 발명하였다. 여기서 완충(buffering)은 탄성제와 같은 적당한 큐숀 물질을 가진 광섬유를 피복하는 공정을 의미한다. 조립은 광섬유 가 응력이나 미세휨, 혹은 물로인해 심해지는 미세균열의 발생을 피하기 위해 광섬유를 신장하지 않고 튜브게 봉인하는 것을 말한다. 더욱이 튜브는 본 출원의 케이블에 적용할 수 있다. 케이블과 내부 외장전선을 포함하는 적어도 두개의 내부층들을 포함하고, 이들은 적어도 하나의 완충섬유를 포함하는 본원의 중심 용봉 튜브 둘레에 주어진 꼬임 처리대로 "단일꼬임"다발로 되어 있다. 완충 광섬유는 탄성체와 같은 적당한 큐숀 물질로 피복된 광섬유이다. 튜브는 공종 유도응력(porcess induced strain)과 미세휨을 최소로하여 그속에 광섬유를 용봉하도록 조립된다.

덜 열악한 환경과 저온에 대해서, 중시 튜브는 폴리비닐리덴 (polyvinylidence) (등록상표 : Kynar), 퍼플루오로알콕시 (perfluoroalkoxy)(등록상표 : PFA Teflon), 혹은 폴리에테르에테르케톤(polyethere therketone)(등록상표 : PEEK)과 같은 재료료된 자켓으로 피복된 섬유 유리-에폭시 매트릭스와 같은 단단하고 빳빳한 자켓의 층으로 둘러쌓인 가닥으로 완충된 광섬유로된 중심 코어로 대체할 수 있다.

"단일꼬임"형상은 각 엘리멘트(element)가 최근 접 엘리멘트와 계속 접촉하면서 동일방향으로된 케이블 다발로 정의된다. 중심 다발의 단면은 중심축에 대하여 회전하는 것을 제외하고 케이블의 어느 지점에서도 동일하다. 단일꼬임 구조는 역나사 방향으로 형성된 케이블 요소들의 층 또는 상이한 꼬임 길이를 가지는 비방향성 케이블 요소들의 층의 교차점에서 전단력을 집증시키지 않고 접촉부분을 연속적으로 고르게 분포시킨다. 케이블의 꼬임 길이는 약 0.5인치의 외경을 가진 케이블에 대해 약 3.5인치 정도로 한다. "꼬임 길이(lay lengh)"는 엘리멘트의 완전한 1회전으로 횡단하는 나선축 또는 케이블상의 거리로 정의된다. 그 케이블은 중심 다발 둘레에 역나선형으로 감긴 적어도 하나의 외부 외장층을 갖는다. 그 외곽 외장층은 중심 다발에 반대의 꼬임형식이고 케이블이 장력을 받을 때 본질적으로 내부 외장층의 비틀림력(tougue)이 균형을 이룬다. 내부 외장층의 요소는 단단하고 내면 형성이다. 이것은 케이블에 포함된 몇가지 도체 요소들은 단일금속 도체이며, 다수 필라멘트 도체가 아니라는 것을 의미한다.

중심 다발층은 동일한 꼬임길이와 동일한 꼬임형식으로 단일 조각으로 조립된다. 반대 꼬임형식의 외부 외장층은 중심다발 외부에 직접 가해진다.

본 발명은 제1도를 참고로하여 보다 명백하게 설명된다. 제1도는 본 발명의 용봉한 튜브와 외장된 광케이블(10)을 도시한 것이다. 용봉 튜브와 외장된 광케이블(10)은 본 발명의 범위내에서 가능한 유정 검층 케이블을 제작하는 데 사용되는 전체 크기, 칫수, 및 재료와 같은 실시예에 관해서 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 단지 실시예에서 이용된 특수한 칫수나 재료만에 한정되거나 또는 유정 검층 용도에만 한정되는 것은 아니다. 선택된 튜브 또는 케이블은 부하가 가해진 경유 케이블이 최소의 변형을 필요로하는 경우에만 유용하다. 용봉 튜브는 광섬유용 밀봉 환경을 필요로하는 경우에 이용될 수 있다.

외장된 광케이블(10)은 중심에 용봉된 튜브 코어(12)을 가진다. 이 용봉 튜브(12)는 그 용도에서 외장이나 도체 요소가 필요치 않은 경우라면 단독으로만 사용될 수도 있다. 용봉 튜브(12)는 내부직경이 약 0.06인치 이내이고 외부직경이 약 0.110 및 약 0.120 인치 내에서 오차가 ±1%이다. 튜브(20)은 하나 혹은 다수의 광섬유(14)를 포함한다. 광섬유(14)는 단일형, 복수형 또는 혼합형이다. 플라스틱재의 경화된 U.V 아크릴로서 얇은 보호피복을 한 적합한 광섬유는 메사츄세츠에 있는 발텍 칼파니에서 제조된다. 만일 용봉된 튜브(12)가 다수의 광섬유를 포함한다면, 그 광섬유들은 도체 엘리멘트(22)와 중심 다발(30)의 내부의 외장전선(24)과 같이 동일한 나선형의 처리로서 함께 결합하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어 도면에 도시된 세개의 광섬유는 꼬임길이 약 3.5인치로서(꼬임각1.2°) 오른손방향으로 꼬임처리 되어 있다.

피복된 광섬유는 탄력성 쿳숀재료, 예를 들어 실리콘 탄성체 및 이와 유사한 물질과 같은 쿳숀재료(16)로써 둘러싸여 피복되어 있다. 추가의 탄성체 혹은 다른 적합한 유입재료(18)은 부분적으로 첨가되거나 도시된 바와 같이 완전한 용봉 튜브(12)의 제작중에 용봉 튜브(12)에 완전히 채운다.

용봉 튜브(12)는 아닐링(annealing)이란 전선을 압연 또는 압출하여 미리 성형시킨 반원통형 섹션(20)으로부터 조립된다. 도면에는 두개의 섹션(20)이 도시되어 있지만, 튜브(10)는 몇개의 섹션으로도 형성할 수 있다. 두개의 섹션에서 적당한 벽두께는 약 0.27±0.002인치 이어야 된다. 광섬유를 원통형 섹션안에 넣기전에 원통형 섹션에 압연·압출 공정으로서 금속전선을 경화시킨다. 원통형 섹션은 용접전에 열처리에 의해서 높은 항복강도를 갖도록 선택적으로 급격히 경화될 수 있는 강철이나 다른 합금으로 만들어진다. 급속경화는 어떤 성분이 과포화된 고체 용액으로 응결되는 경화공정이다. 그리하여 금속의 경화작업에서 급속경화에 의해 항복강도를 더욱 증가시킬 수 있다. 일리노이스의 세이프트 와이어 캄파니에서 사용되는 것과 같은 적당한 표준 압연 기계와 공정은 튜브(18)를 형성하는 반원통형 섹션(20)내에 전선을 압축시키는데 사용되어진다. 스테인리스스틸 전선 또는 다른 적당한 재료의 적절한 예는 암코(Amco) 제품인 17-7PH의 스테인리스스틸과 펜실바니아, 라트로브(Latrobe)의 라트로브스틸 캄파니의 제품인 MP-35 비철합금이다. 전선으로 형성된 섹션들은 약 100,000psi 보다 큰 항복강도를 가져야 하고 바람직하게는 약 150,000psi이상이어야 한다. 더 큰 항복강도가 필요하다면 이들 전선 재료는 약 250,000psi 항복강도 이상 크기로 급속경화 시킬 수 있다. 이것은 항복응력 약 0.85이상에 해당한다. 항복응력은 시료의 실질적인 영구 변형없이 가해질 수 있는 최대응력으로 정의한다. 이것은 튜브 약36인치, 바람직하게는 직경이 24인치이거나 그 이하 직경의 로프풀리(sheave)로 하거나, 직경 36인치 짜리에 감거나 바람직하게는 비탄성적 항복없이 작업 부하하에서 24인치 직경이나 그 이하의 케이블 릴 배럴(cable reel bareel)둘레에 감기도록 한다.

섹션(20)은 튜브(12)를 형성하도록 길이 방향으로 결합한다. 세로된 이음매는 튜브가 활차나 스풀을 휘게 할 때 제2의 작은 전단응력만 받게 된다. 섹션(20)은 그 단부가 그속에 광섬유(14)를 용봉하기 위해 용접부(21)과 마주하는 부분에서 함께 가압 용접된다. 튜브의 조립중에, 광섬유가 끼이는 것을 방지하기 위해 충분한 틈새를 주는 것과 같이 원통형 섹션 사이에 꼬이고 완충된 섬유들을 공급한다. 용접은 벽을 통하여 모든 통로를 관통하지 않는 작은 섹션으로 되어지고, 용제를 청결히하는 레이져 용접이 바람직하다. 따라서 벽 전체를 열처리하지 않고 안충된 섬유들을 파괴 시키지 않을 수 있다. 선택적으로, 더욱 양호한 보호를 위하여, 충전된 튜브를 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidence difluoride)(등록상표 : Kynar), 혹은 폴리에테르에테르케톤 (polyethere therketone)(등록상표 : PEEK)과 같은 적합한 물질의 경질 플라스틱으로 피복하거나 아연도금할 수 있다. 이러한 선택적 피복은 최종 용복된 튜브의 외측직경이 약 0.120인치 정도되도록 조정되어 진다.

튜브구조를 튜브들이 서로 견고히 결합되게 하는 도브-테일(dove-tail)단부가 되도록 할 수도 있다. 외부 원통형 섹션의 일부는 금속튜브를 용접하여 성형한 로울이다. 금속 튜브는 CO₂레이져와 같은 적당한 레이져로써 튜브 이음매를 형성한 로울에 따라 레이져 용접한다. 그 튜브는 Inconel(등록상표)과 같은 초내식성 재료로 제작하는 것이 좋다. 선택적으로 용접 공정중 레이져 용접의 깊이는 용접이 금속 튜브 외측에서 한쪽 튜브내측으로 통과하도록 조정할 수 있다. 이것은 튜브내에 광섬유를 견고하게 용봉한다. 다른 실시예로는 외부를 적당한 내식성 재료로 도금하는 것이다. 이 튜브는 고든 고울드,로버트 톰 및 찰스 슈다크에 의해 1982년 8월 17일 미국에 출원한 출원번호 408,971호로서 발명의 명칭이 "용봉된 광섬유"인 출원에 기재된 것이며 또한 이 출원은 본원에도 기재되고 인용되었다.

상술한 바와 같이 보다 저온이고 보다 덜 열악한 환경에서는 외장 케이블의 튜브 대신에 광학적 섬유, 섬유유리에폭시, 플라스틱 코어로 교체할 수도 있다. 중심 코어는 상술한 실시예에서와 동일한 직경이거나 약 0.120인치1% 직경을 갖는다. 특히 중심 코어는 하나 혹은 다수의 광섬유를 포함한다. 광섬유는 탄성의 쿳숀 물질 예를 들면 실리콘 탄성물질이나 이와 유사한 것들과 같은 쿳숀물질로 둘러싸여 있다. 중심코어가 다수의 광섬유를 포함한다면, 광섬유는 중심 다발(30)의 내측 외장전선(24)및 전선부(22)와 동일한 나선형 꼬임으로써 함께 다발로 결합하는 것이 좋다. 예를 들면 상술한 3개의 광섬유는 오른방향 꼬임과 꼬임길이 약 3.5인치(꼬임각 1.2°)를 가진다. 상술한 실시예에서, 세개의 섬유부품은 실리콘 RTV와 같은 탄성재료(16)로 둘러싸여 있다. 피복섬유는 더욱이 섬유 유리-에폭시 매트릭스(fiber glass-epoxy matrix)와 같은 단단하고 빳빳한 자켓으로 추가로 피복된다. 그 자켓 외형은 약 0.094인치±2%이다. 적당한 유리에폭시 자켓 재료는 캘리포니아, 파사데나의 에어 로지스틱스 코퍼레이션 (Air Logistics Corporation)제품인 Stratoglas(등록상표)로 제작된다.

단단하고 빳빳한 자켓을 둘러싸는 재료는 폴리비닐리덴(등록상표 : Kynar, 펜 왈트 캄파니 제품), 퍼플루오로알콕시(PFA Teflon, 듀퐁사제품), 폴리에테르에테르케톤, (PEEK, ICI제품) 혹은 이것들과 유사한 물질이다. 외부 쟈켓은 중심 코어의 외측 직경이 약 0.120인치±1%정도 되도록 충분한 두께로 되어야 한다. 다른 실시예로 케이블에 본원에 참고로 소개한 미국 특허번호 4312565에서 기술한 적합한 직경의 내압성 중심 코어를 제공할 수도 있다.

또 다른 실시예로서 IACS의 최소 전도율 30%, 외경 0.120±1%, 최소 항복응력 0.9%, 오차 0.2%의 고체 중심 코어를 가진 케이블을 공급할 수도 있다. 이 실시예에서 엘리멘트(element)(22)는 적당한 보호자켓으로 싸여진 수개의 중심 광섬유를 포함하고 있다. 적당한 엘리멘트에는 중심 광섬유의 직경이 약 125미크론이며, RVT실리콘으로 외경이 약 325미크론이 되도록 피복하고, 듀퐁사 제품인 Hytrel(등록상표)로 외경이 약 500미크론±5%가 되도록 피복한 중심 광섬유를 포함한다. 이러한 요구사항에 부응하는 적당한 유리 광섬유는 1TT로부터 구입할 수 있다. 유리-에폭시 매트릭스는 외경이 약 0.040인치 2%인 유리 광섬유 및 Kynar 또는 다른 피복물질로써 외경이 0.071인치±1%정도 되도록한 유리 에폭시 매트릭스에 적용한다. 엘리멘트(22)가 여덟개라고 가정하면 광섬유는 3개이상으로 하고 다른 엘리멘트들은 Copperweld(등록상표)와 같은 도체 다발로 되어진다. 바람직하게는 광섬유들은 여덟개의 엘리멘트 사이에 합친다.

선택된 실시예에서, 중앙의 용봉 튜브(12)를 위한 공간은 도체 다발과 같은 6개의 엘리멘트(22)에 의해서 형성되고, 6개의 도체 다발은 꼬임길이 3.5인치(꼬임각 9.8°)인 오른손 방향 꼬임형식으로 중심 코어(12)의 둘레에 배치된다. 중심 코어(12)의 직경을 더 크게 하기 위해서는, 도면에 도시된 바와 같이 8개로써 도체가닥을 더 많이 공급하여 중심 코어(12)를 위한 공간을 형성할 수 있다. 도체 가닥들(22)은 변형을 최소화하는 물질로 제작되어야 하고 내부 외장전선(24)과 결합할 수 있어야 한다. 적당한 도체 가닥들은 직경이 약0.0403±1%인 구리 도금한 강철선이다. 도체 가닥들의 최소 전도율은 오차 0.2%인 약 0.9% 최소의 항복 응력을 가지는 인터네쇼날 아닐드 쿠퍼 스탠다드(International Cooper Standard : IACS)의 최소치인 60%의 전도성을 가져야 한다. 이러한 요구에 부합하는 물질은 Cooperweld(등록상표)이다. 고체의 구리도금강선은 외경이 0.071인치 정도되도록 Kynar와 같은 절연재료로 피복된다. 용봉 튜브(12)와 도체 가닥(22)은 결합상태로 외경이 약 0.262인치이다.

도체 가닥(22)을 둘러싸고 있는 외장 전선(24)은 도체 가닥(22)수에 적어도 2배이다. 선택된 실시예에서는 16개의 내부 외장전선(24)을 공급하고 이들은 인장되거나, 전기도금되거나 개선된 플라우 스틸 로우프션(plow steel rope wire)(AISI) 혹은 다른 적당한 재료로써 약 0.0575인치±1%의 직경이 되게하고 최소 인장강도 244KSI, 최소 토션(torsion)(8")이 약 39되게 하며, 3차원 만드렐 피복 시험(3D mandrel wrap test)에서 입증된 바와 같은 피복 접착되어야 한다. 내부 외장전선(24)은 오른손방향 꼬임처리로써 꼬임길이 3.5인치(꼬임각도 15.5°)를 가진 중심 다발(30)의 일부분으로 꼬여있다. 중심 다발(30)은 외경이 약 0.368인치이다. 16개의 내부 외장전선(24)은 아연도금으로 약 0.2온즈/ft²정도의 최소 피복처리하여 밝고 매끄러운 마무리가 되도록 전기 도금하는것이 중요하다. 그 내부 외장전선(24)은 절연도체에 인접해 있고 따라서 절연전선에 압축 부하를 전달하기 위해 부드러운 경계면을 제공해야만 한다.

광케이블(10)의 예정된 환경 조건에 대한 적당한 보호물질은 내부 외장전선 (24)으로부터 중심 다발(30)의 제작시에 적용된다. 검층 케이블용의 적당한 물질은 충전 화합물이나 이와 유사한 물질이 기초가 되는 니트릴 고무이다. 내부 외장전선(24)은 도면에 도시한 바와 같이 8개의 간극 엘리멘트(28)를 위한 공간을 제공하도록 도체 다발(22)의 둘레에 감겨있다. 여덟개의 간극 엘리멘트(28)는 선택적이고, Quaker Chemical Company의 제품인 TMS 5878 화합물과 같은 부식 방지 윤활제(26)나 혹은 전선 혹은 절연된 도체 혹은 자켓 피복된 광섬유로 할 수도 있다. 간극 엘리멘트 (28)는 도체 다발(22) 및 내부 외장전선(24)과 동일한 꼬임방향으로 꼬여 있다. 간극 엘리멘트(28)는 오른손방향 꼬임으로 꼬임길이 3.5인치(꼬임각 12.5°)로 공급되어 있다. 간극 엘리멘트(28)는 최대 외부직경이 약 0.028인치, 최소 아연피복이 약 0.1온즈/ft², 최소 인장강도 약 251KPSI, 최소 토션(8")이 약 83 및 2차원 만드렐 피복시험(2D mandrel wrap test) 및 2D 만드렐에 의해 입증된 피복접착이 제공되어 있다. 만일 간극 엘리멘트(28)가 내부 외장전선(24)의 배치를 조절하는데 사용된다면, 간극 엘리멘트(28)는 고체이고, 밝고 전기도금된 전선인 것이 바람직하다. 어떤 간극 엘리멘트(28)는 절연 도체 다발에 인접해 있기 때문에 둥글고 부드러운 외부 표면을 가지며 절연 다발에 압축 부하를 전달하도록 부드러운 표면을 제공하는 것이 중요하다.

외장된 광학 케이블(10)의 특유의 특징은 중심 다발(30)의 엘리멘트들이 서로 모여있고 서로 겹쳐지지 않도록 동일한 방향.꼬임길이로 조립된다는 사실이다. 또 다른 특유의 특징은 도체 가닥(22)와 내부 외장전선(24)는 도체 가닥(22)들 사이에 홈내에 있는 것이 아니고 서로 같이 놓여지는 동일한 조작으로 제작된다는 것이다. 이러한 구조는 케이블에 훨씬 큰 유연성을 부여하며 도체 가닥(22)과 내부 외장전선(24)사이의 마찰을 감소시킨다. 이들 특징은 엘리멘트들 사이의 경계면에의 변형을 최소로하며, 따라서 케이블의 비탄성 신장을 최소화한다.

내부 외장전선(24)를 싸고 있는 광케이블(10)의 외경은 적어도 한층의 외장전선으로 형성된다. 도면에 도시한 선택된 실시예에서 외장전선(32)은 24개 가닥들의 다발로 되어 있다. 외장전선(32)은 아연도금되고 개시한 선택된 강철 로프 전선(AISI)이거나 또는 다른 적당한 재료로써 직경 약 0.049±1%, 최소 아연도금 0.4온즈/ft², ASTM A-90에 대한 시험, 최소 인장강도 246KPSI, ASTM E-8에 대한 시험, 최소 토션(8") 약 47, FED SPEC RR-W-410에 대한 시험, 3차원 만드렐을 사용하는 ASTM A-641에 부합하는 접착 피복으로 조립되어야 한다. 외장전선(32)은 가급적 엘리멘트(22)(24)의 꼬임처리와 반대로 미리 성형하는 것이 바람직하다. 이러한 예로는, 외측 외장전선(32)의 꼬임은 왼손방향 꼬임이어야 하고 꼬임길이 3.5인치(꼬임각도 20.5°)이어야 한다. 외측 외장전선(32)이 이용될 때는 중심 다발(30)은 TMS 5878과 같은 부식방지 및 윤활물질(34)과 이와 유사한 물질로 피복된다. 외장된 광케이블(10)의 전직경은 약0.469인치이다.

용봉 튜브를 포함하는 외장 케이블은 맨먼저 한번의 조작으로 튜브를 형성하여 조립되고 그 다음 한번의 직선화 조작으로 튜브 둘레에 케이블을 제작한다.

광섬유를 포함하는 용봉 튜브는 다음 공정에 따라 조립될 수 있다. 열처리한 스테인리스스틸이나 다른 적당한 비철합금 전선이 안내 로울러를 통과시키므로, 원통형 섹션이 광섬유를 조이지 않고도 광섬유를 내포하도록 충분한 내부 직경을 갖는 튜브를 형성하도록 로울러 모양에 의해 원통형 섹션 내부로 압연되어진다. 압연된 섹션은 그때 약 900℉의 온도에서 급속경화한다. 바람직하게는, 튜브는 단지 두개의 반원통형 섹션으로 형성되는데 이는 용접수를 최소화하기 때문이다. 적당한 압연 섹션은 일리노이스, 세인트 찰스의 The Shaped Wire Co.로부터 구할 수 있다. 원통형 섹션들은 레이저 용접 및 도중에 발티모어 Md.의 Laser Applications Inc.에서 사용되는 것과 같은 표준 압출로울러에 의해 함께 압착된다. 나선형으로 감은 피복 섬유들은 원통형 섹션들 사이에 삽입되어져 함께 압착되고 용접전 추가의 탄성물질이 광섬유들을 접착하기 위해 공급된다.

레이져 용접은 Control Laser Corporation 500왓트의 산업용 CO₂레이져로 처리된다. 레이져는 약 0.15mm의 폭에 초점이 맞춰진다. 용봉 튜브(10)는 원통형 섹션의 두께보다 적은 깊이로 용접된다. 약 0.110-0.120인치의 직경을 갖는 외측 튜브의 조립에는 약 0.40mm 깊이가 적합하다. 선택적으로 원통형 섹션들은 용접중에 300℉와 약500℉ 사이 온도로 가열될 수도 있다. 이렇게 가열하면 용접공정을 용이하게 하고 또한 튜브가 냉각될 때 약 0.2%정도 수축된다. 이것은 약 500℉이상의 온도인 시굴공에 광케이블이 내려졌을 때 열팽창에 기인하여 광섬유가 약 0.2%정도까지 신장되는 것을 미연에 방지하는 것이다.

그 용접공정은 변형 상태의 이음매를 남기고, 용접후 수시간동안 약 500℉에서 열처리하므로서 급속 경화된 튜브를 아닐링하지 않고 그와같은 변형을 경감한다. 금속경화튜브는 광섬유가 일단 그 내부에 들어가면 불가능하다. 왜냐하면 이것이 완충 중합물을 과열시켜서 파괴하기 때문이다. 용접후 튜브는 선택적으로 니켈도금이나 아연도금하여 부식을 방지하고 최종적으로 튜브를 PEEK와 Kynar와 같은 고융점 플라스틱의 압출물로 피복하여 용접후 남은 핀홀(pinhole)로 소금물이 확산되는 것을 최소화하고 또한 부식으로부터 금속을 보호한다. 적절한 압출물은 펜실바이나의 Berk Tek Company에서 제조된다.

튜브코어(12)의 조립후, 중심 다발(30)은 유성보빈(planetary bobbin)중의 하나의 격실에서 만들어지고 외부 외장전선(32)은 유성보빈의 직렬 격실 (tandem bay)에서 직접 중앙보빈(30)에 가해진다. 외부 외장전선(32)은 상기 내부 및 외부 외장전선에 의해 가해진 토크(비틀림력)가 본질적으로 규형을 유지하도록 반대 방향의 꼬임형식으로 한다. 역나선형으로 감긴 외부 외장전선(32)과 내부 외장전선(24)의 균형을 유지하는 방법은 본원에 참고로 인용한 미국 특허번호 4317000호에 공지되어 있다. 본 발명의 케이블을 조립하는 기계는 유성 케이블 기계로서 공지된 것이다. 적합한 케이블 제작회사는 캘리포니아, 토렌스의 Blake Wire and Cabel Company이다. 물론 케이블은 튜브 와인더 케이블링 머신(tube winder cabing machine)에 의해 제작할 수도 있다. 그러나 외부 외장전선은 별도의 공정으로 행해져야만 한다.

바람직한 실시예와 몇가지 선택된 실시예에 관하여 본 발명을 상세히 설명하면, 본 발명이 단지 상기 설명된 내용에 국한되지 않는다는 것을 알 수 있다. 명백한 수정된 실시예도 본 발명의 범위내에서 가능하다. 예를 들면, 케이블은 어떤 특정의 직경, 광섬유의 수 등에 국한되지 않는다. 케이블에 큰 부하가 걸리는 필요로하는 상이한 환경이나 작업에서의 이용은 더 크고 혹은 더 많은 도체 다발과, 내부 외장전선, 외부 외장전선을 갖는 더 큰 직경의 케이블을 필요로 한다. 그외에도 꼬임 길이도 케이블의 직경이 증가하는 것 만큼 정비례로 증가되어야 한다. 더욱이 도체 가닥과 내부 외장전선은 동일한 꼬임처리로 하되 한번의 조작으로 조립되고, 내부 외장전선은 도체 가닥에 형성된 홈에 놓이지 않도록 배치하는 것이 필요하다. 외부 외장전선은 내부 외장전선의 꼬임과 반대방향으로 감겨야하고, 내부 외장전과 외부외장전선이 본질적으로 토크의 균형을 유지하도록 충분한 압축강도를 갖도록 해야 한다.

Claims (38)

1. 길이 방향으로 신장.이완 및 굽힘력이 반복적으로 가해지는 때, 압력 비탄성적 신장에 대한 내좌굴(resistance to buckling)이 요구되어지는 환경에서 사용하기 위한 광섬유가 적용된 튜브에 있어서, 하나 혹은 다수의 완충 광섬유을 갖는 내부 코어를 포함하고, 내부 코어 둘레에 함께 결합하여 튜브를 형성하는 적어도 두개의 원통형 금속 섹션들을 포함하고, 금속 섹션은 상기 튜브와 밀봉 상태로 접합되고, 열처리된 도선은 압연하여 미리 형태를 갖춘 용봉된 광섬유 튜브.
2. 제1항에 있어서, 섹션들이 레이져 용접으로 결합되기전에 원통형 섹션으로 압연 형성된 후 급속경화 될 수 있는 용봉된 광섬유 튜브.
3. 제1항에 있어서, 섹션들이 스테인리스스틸 혹은 비철합금선으로 제작되는 용봉된 광섬유 튜브.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 금속 섹션들이 길이방향으로 밀봉 결합된 광섬유 튜브.
5. 제3항에 있어서, 압연 성형도선이 벽두께가 0.027인치이고, 외경이 약 0.110 내지 약 0.120인치인 튜브를 형성하도록 섹션들이 조립되는 광섬유 튜브.
6. 제4항에 있어서, 튜브가 두개의 섹션으로 구성되는 광섬유 튜브.
7. 제5항에 있어서, 튜브가 내식성 금속층 또는 고온 플라스틱으로 외경이 약 0.120±0.001인치정도로 추가 피복되는 광섬유 튜브.
8. 제4항에 있어서, 광섬유를 포함한 튜브가 레이져 용접에 의한 섹션들의 접합도중 약 300℉ 내지 약 500℉ 정도로 가열되는 광섬유 튜브.
9. 제4항에 있어서, 섹션들은 함께 압착되고 압연 성형된 금속 튜브의 외면 피복층은 내부 섹션의 둘레를 피복하고, 외측 금속 튜브는 자신의 두께보다 더 큰 깊이로 용접된 광섬유 튜브.
10. 제5항 또는 제7항에 있어서, 광섬유의 싱글모드(single mode)인 광섬유 튜브.
11. 제1항, 제2항, 제3항, 제8항, 제9항, 제10항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 6개의 엘리멘트들이 주어진 꼬임형식으로 상기 튜브를 나선형으로 감고, 적어도 6개의 엘리멘트의 적어도 2배수인 내부 외장전선들이 단일 꼬임 나선형상으로 동일한 꼬임처리로 상기한 적어도 6개의 엘리멘트 둘레를 감고, 적어도 6개의 엘리멘트와 내부 외장전선이 동시에 튜브를 감으므로해서 엘리멘트들 및 동일 꼬임처리된 내부 외장전선 및 튜브가 중심 다발을 형성하고 다수의 외부 외장전선이 내부 외장전선과 접하고, 외부 외장전선은 내부 외장전선의 꼬임방향과 반대 나선 꼬임방향으로 감겨 있어서 내부 외장전선에 가해지는 토크와 외부 외장전선에 가해진 토크가 본질적으로 균형을 이루는 광섬유 튜브.
12. 제11항에 있어서, 적어도 6개의 엘리멘트는 구리-도금된 강선 도체의 도체 가닥들인 광섬유 튜브.
13. 제12항에 있어서, 내부 외장전선이 강선을 아연도금한 것인 광섬유 튜브.
14. 제13항에 있어서, 도체 가닥들고 내부 외장전선이 자켓을 공급한 광섬유나 아연도금된 강선 충진재에 의해 충진되는 격자 공간을 형성하는 광섬유 튜브.
15. 제14항에 있어서, 외부 외장전선은 아연도금되고 미리 성형된 플라우 강철선이고 중심 코어 엘리멘트가 고체선(solid wire)인 광섬유 튜브.
16. 제15항에 있어서, 섹션들이 길이방향 이음매를 따라 접합되고, 적어도 6개의 엘리멘트가 여덟개의 엘리멘트인 광섬유 튜브.
17. 제11항, 제14항, 제15항 또는 제16항중 어느 한항에 있어서, 중심 코어와 도체 가닥들 및 내부 외장전선이 충진화합물을 기본으로하는 니크릴고무로 피복된 광섬유 튜브.
18. 케이블에 길이방향으로 신장.이완 및 굽힘력이 반복적으로 가해지는 환경에서 사용하기 적당한 외장된 광섬유 케이블에 있어서, 외경이 약 0.110인치 내지 약 0.120인치이고 내경이 0.06인치인 용봉된 중심 튜브 코어를 가지며, 중심 튜브 코어내에는 탄성체에 묻혀있는 다수의 광섬유를 포함하고, 중심 튜브코어는 광섬유 둘레에 길이방향으로 함께 접합된 두개의 원통형 금속 섹션으로 되어 튜브를 형성하고, 중심 코어와 도체 가닥의 외경이 약 0.262인치가 되도록 꼬임길이 약 3.5인치, 직경 0.71인치인 오른손방향 꼬임으로 중심 코어 둘레를 감은 8개의 도체 가닥을 포함하고, 도체 가닥에서와 동일한 꼬임방향 및 꼬임길이로 도체 가닥 둘레를 감은 외경 0.058인치 정도인 아연 도금 강선인 16개의 내부 외장 가닥을 포함하고, 동일한 조작으로 조립된 도체 가닥들과 내부 외장을 포함하고, 중심 코어와 도체 가닥들 및 내부 외장전선들의 외경이 약 0.368인치인 중심 다발을 형성하고, 꼬임길이 3.5인치인 왼손방향으로 꼬인 16개의 도체 가닥들 둘레에 감은 24개의 가닥으로된 아연도금된 강선을 포함하고, 24개의 가닥들은 직경이 0.049인치로서 케이블 전체 외경이 0.469인치인 광섬유 케이블.
19. 제18항에 있어서, 중심 다발이 탄성을 가진 층진 화합물로 채워지는 광섬유 케이블.
20. 제18항에 있어서, 내면 외장가닥과 외면 가닥 사이에 형성된 간극이 밝은 고체 아연 도금선 또는 내식성 윤활제로 채워지는 광섬유 케이블.
21. 제20항에 있어서, 코어가 내식성 금속층이나 고온 플라스틱으로 피복되어 외경이 약 0.120±0.002인치되는 광섬유 케이블.
22. 제21항에 있어서, 광섬유를 포함하는 상기 코어가 레이져 용접으로 섹션들을 접합하는 도중에 약 300℉ 내지 약 500℉ 정도로 가열되는 광섬유 케이블.
23. 케이블에 길이방향으로 신장.이완 및 굽힘력이 반복적으로 가해지는 환경에서 사용하기 적당한 외장된 광섬유 케이블에 있어서, 중심 코어 엘리멘트를 포함하고, 주어진 꼬임방향으로 나선형으로 중심 코어 엘리멘트의 둘레에 감긴 적어도 6개의 엘리멘트를 포함하고, 동일한 방향으로 단일 꼬임 엘리멘트를 나선형으로 적어도 6개의 엘리멘트들의 둘레를 감은 적어도 6개의 엘리멘트의 2배수의 내부 외장전선을 포함하고, 적어도 6개의 엘리멘트와 내부 외장전선들이 중심 코어 둘레에 동시에 조립되고, 이들 6개의 엘리멘트와 내부 외장전선들은 동일 방향으로 감겨있고 중심 코어와 함께 중심 다발을 형성하며, 중심 다발에는 적어도 한개의 자켓이 공급된 광섬유를 포함하고, 내부 외장전선과 접하는 다수의 외부 외장전선을 포함하고, 외부 외장전선은 내부 외장전선의 꼬임 방향과 반대방향의 나선형으로 되어 내부 외장전선에 가해지는 코어와 외부 외장전선에 가해지는 토크가 본질적으로 균형을 이루는 광섬유 케이블.
24. 제23항에 있어서, 중심 코어 엘리멘트에는 큐숀물질에 묻혀있고 단단하고 탄력성있는 물질의 자켓으로 피복되고 나선형으로 다수 감긴 광섬유를 포함하는 광섬유 케이블.
25. 제24항에 있어서, 단단하고 탄력성있는 물질이 상기 큐숀물질에 묻혀있는 광섬유들을 피복하는 유리-에폭시층을 압출 피복된 폴리비닐리덴인 광섬유 케이블.
26. 제25항에 있어서, 적어도 6개의 엘리멘트들은 구리-도금된 강선의 도체 가닥이고 내부 외장전선은 아연도금된 강선인 광섬유 케이블.
27. 제26항에 있어서, 도체 가닥들과 내부 외장전선이 자켓을 공급한 광섬유들 또는 아연도금된 강선 충진재에 의해 충진되는 격자 공간을 형성하는 광섬유 케이블.
28. 제27항에 있어서, 외부 외장전선이 아연도금되고, 미리 성형된 플라우 강선이고, 중심 코어 엘리멘트가 고체선(solid wire)인 광섬유 케이블.
29. 제23항에 있어서, 중심 코어가 고체선이고 적어도 6개의 엘리멘트는 8개의 엘리멘트이고, 여덟개의 엘리멘트에서 1 내지 3개는 자켓이 공급되고 서로 이격된 광섬유들이고 나머지 다른 엘리멘트를 절연 처리된 구리-도금 강선 도체인 광섬유 케이블.
30. 제23항에 있어서, 중심 코어 엘리멘트이 직경이 약 0.120인치이고, 중심 코어 엘리멘트에는 탄성체에 묻혀있고 단단하고 탄력있는 물질로 피복된 다수의 광섬유를 포함하고, 적어도 6개의 엘리멘트는 중심 코어의 외부 직경과 도체 가닥이 외경이 약 0.262인치가 되도록 꼬임길이 약 3.5인치, 직경 0.71인치로 오른손 방향 꼬임으로 중심 코어 둘레에 감긴 여덟개의 도체 가닥이고, 외정전선들은 도체 가닥과 동일한 꼬임방향, 꼬임길이로 도체 가닥 둘레를 감은 외부 직경 약 0.058인치로 아연도금한 16개 강선 가닥이고, 도체 가닥들과 내부 외장전선은 동일 조각으로 제작되고, 중심 코어와 도체 가닥들과 내부 외장전선들은 외경 0.368인치의 중심 다발을 형성하고, 외부 외장전선은 꼬임길이 3.5인치인 왼손방향 꼬임형식으로된 16개의 가닥들 둘레를 감은 24개의 아연도금된 강선이고, 24개의 강선들의 직경은 약 0.049인치로서 케이블 전체 외경이 약 0.469인치인 광섬유 케이블.
31. 광섬유를 피복하기 위한 용봉 튜브 제작 방법에 있어서, a) 적어도 하나 또는 다수의 완충된 광섬유를 수용하기에 충분한 내경을 갖는 원통형 튜브를 형성키 위해 함께 결합할 수 있는 섹션들내에 적어도 두개의 열처리된 강선을 압연하고 b) a)단계의 섹션으로부터 완충된 광섬유 둘레에 튜브를 형성하고 c) 튜브내에 섹션들을 밀봉하여 접합하는 공정을 포함하는 튜브 제작방법.
32. 제31항에 있어서, 접합이 레이져 용접에 의해 수행되는 튜브 제작방법.
33. 제31항에 있어서, 완성된 섹션의 항복강도를 증가시키기 위하여 레이져 용접전에 섹션들을 급속경화 시키는 튜브 제작방법.
34. 제32항에 있어서, 열처리된 전선이 스테인리스스틸이나 고장력 비철합금으로부터 선택되는 튜브 제작방법.
35. 제31항 또는 제33항에 있어서, 튜브를 형성하기전에 탄성물질을 완충된 섬유 및 섹션내에 튜브 제작방법.
36. 제31항 또는 제33항에 있어서, 용봉 튜브 둘레에 내열 플라스틱 피복층을 형성하는 튜브 제작방법.
37. 제31항, 제32항, 제33항, 제34항, 제35항 또는 제36항 중 어느 한항에 있어서, 튜브 둘레를 도체 엘리멘트로 하여금 나선형으로 감고; 이 감는 형식을 주어진 꼬임방향과 꼬임길이이고, 도체 엘리멘트에서와 같은 동일한 꼬임길이와 꼬임방향으로 내부 외장전선을 감고 도체 엘리멘트 둘레에 나선형으로 동시에 도체 엘리멘트를 가하고; 외부 외장전선의 조립은 내부 외장전선의 꼬임길이로 하고, 꼬임방향은 반대로 하여 케이블에 장력이 걸릴때 내부 및 외부 외장전선층에 미치는 토크가 본질적으로 균형을 이루는 튜브 제작방법.
38. 제37항에 있어서, 도체 엘리멘트들과 내부 외장전선 층이 형성되고 동시에 도체 엘리멘트들과 내부 외장전선 층 사이에 형성된 격자 공간으로 케이블 엘리멘트들을 놓는 것을 포함하는 튜브 제작방법.

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