МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД Российский патент 2024 года по МПК G02B6/36 

Изобретение относится к волоконно-оптической технике, а именно к проходным устройствам для герметичного ввода оптического волокна через перегородку. И может быть использовано для ввода оптического волокна в загрязненную зону, в частности используется в камере специального назначения (КСН), содержащей после подрыва взрывного устройства высокотоксичные экологически опасные продукты.

Известен переход волоконно-оптический [патент РФ № 2660775, МПК G02B 6/36, опубл. 09.07.2018 г.]. Данный переход содержит герметично установленный в стенке металлический корпус, выполненный составным из двух скрепленных по резьбе частей, каждая из которых снабжена проходными ступенчатыми отверстиями для оптического волокна. Во внутреннюю полость корпуса введены две перегородки, установленные соосно с упором друг в друга и в части корпуса. Каждая из перегородок имеет проходные отверстия под оптические волокна, соосные отверстиям соответствующей им части корпуса, и выемку на торце, образующую с отверстиями соответствующей части корпуса единую заполненную клеем полость. Каждое отверстие каждой части корпуса на части длины со стороны входа и выхода волокон выполнено соизмеримо с диаметром оптического волокна, при этом отверстия в перегородках со стороны внутренней полости герметизированы. На посадочной поверхности обеих частей корпуса, размещенных с образованием внутренней полости между ними, выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец, место стыка частей закреплено снаружи накидной гайкой.

Недостатком известного устройства является:

- относительно низкая эксплуатационная надежность в условиях взрывных экспериментов в камере специального назначения (КСН), предполагающая длительный срок службы;

- для достижения необходимого качества изготовления перехода требуется строгое соблюдение технологии изготовления, отклонение от которой ведет к нарушению герметичности и неисправимому браку.

В данном устройстве не указан тип защитной оболочки волокна, поэтому логично предположить, что герметизация клеем ЭЛ-20 проводится на волокнах с акриловой защитной оболочкой. Акриловая оболочка данного типа волокон плотно прилегает к кварцевой сердцевине, химически стойка, при необходимости с трудом механически снимается с повреждением сердцевины. Герметизация данного типа волокна проводится, как правило, по акриловой оболочке. Герметизирующий клей ЭЛ-20 при полимеризации ведет себя следующим образом: после заливки в течение двух лет полимеризация минимальна, объем клея относительно стабилен, далее полимеризация усиливается, происходит усадка объема клея, образование микротрещин, отслоение клея от внутренней поверхности корпуса и оптических волокон, что при эксплуатации в условиях избыточного давления может привести к утечке продуктов взрыва, снижая эксплуатационную надежность перехода. Данные процессы происходят одновременно во всех полостях, заполненных клеем: отверстиях корпусов, выемках перегородок. Минимизация процессов усадки возможна отчасти. Так для ограничения усадочных процессов необходимо минимизировать объем клея вокруг волокна в отверстиях корпусов, при этом отверстия должны обеспечивать свободный проход клея ЭЛ-20. Этот минимальный диаметр, как правило, определяется возможностями технологии изготовления. Например, при изготовлении отверстий по технологии резания для прохода текучего клея, при диаметре оптического волокна диметром 0,125 мм диаметр отверстия могут быть 0,3…0,4 мм. При взрывных экспериментах объем клея, подвергнутый усадке в выемках перегородок, перемещается, механически воздействуя на оптическое волокно. Данные явления могут привести как к искажению светового сигнала, так и потере герметичности, отрицательно влияя на эксплуатационную надежность перехода.

Известен герметичный оптоволоконный ввод [патент РФ № 2484505, МПК G02B 6/36, опубл. 10.06.2013 г.]. Данное устройство содержит герметично установленный в стенке металлический корпус с герметично установленным в нем металлическом держателе оптического волокна, выполненном в виде двух цилиндрических вставок с осевым отверстием в каждой для прохода металлизированного оптического волокна, волокно герметично закреплено в каждой вставке, причем в одной из вставок - при помощи пластичного металлического припоя. Вставки поджаты к корпусу со стороны входа и выхода волокна при помощи гаек и имеют на посадочной поверхности диаметральные канавки с уплотнительными кольцами. На посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец. В данном устройстве корпус выполнен составным из двух скрепленных по резьбе частей, место стыка частей закреплено снаружи накидной гайкой. Герметичное закрепление оптического волокна в отверстиях обеих вставок помимо пластичного металлического припоя выполнено клеем. Устройство принимается за прототип как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.

Недостатком данного ввода является:

- низкая информативность. Большие габариты держателя ограничивают общее количество волокон в объеме корпуса перехода, так как габариты ввода в стенку КСН, представляющей собой защитное сооружение, как правило, аттестованное на определенную несущую прочностную нагрузку и в связи с этим ограниченного количеством отверстий под переходы, как правило, ограничены;

- относительно низкая эксплуатационная надежность устройства, определяемая тем, что металлизированное оптическое волокно закреплено в установленном герметично на корпусе металлическом держателе, при помощи двух технологий: вклейки и пайки. Эффективность герметизации данного типа волокна методом вклейки вызывает ряд вопросов: металлизированные оболочки волокон имеют слабую адгезию к кварцевой сердцевине; а предварительная пайка волокна в цилиндрической втулке и последующая заливка клеем в глубокий «стакан» может привести к образованию в заливочном пространстве воздушной пробки, что снижает качество герметизации волокна. При этом заливка клеем заполняет полость между волокном и металлическим держателем, по истечении времени эксплуатации клей дает объемную усадку, по сопрягаемой поверхности клея и металлизированной оболочки образуется зазор, который является возможной причиной разгерметизации соединения. Наличие многоступенчатой технологии сборки и присутствие большой доли ручного труда не позволяет гарантировать как надежную стабильность качества герметизации (вклейку каждого волокна производят индивидуально, вручную, поэтому качество заливки каждого волокна может отличаться друг от друга), так и целостность оптических волокон (волокна повергаются неизбежным изгибам и механическим воздействиям сопрягаемых заглушек и гаек).

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается обеспечение многоканальной передачи светового сигнала при обеспечении эксплуатационной надежности и сохранении герметичности перехода.

Технический результат достигается тем, что в многоканальном оптическом переходе, содержащем герметично установленный в стенке металлический корпус с герметично установленным в нем металлическом держателе оптического волокна, выполненном в виде двух цилиндрических вставок с осевым отверстием в каждой для прохода металлизированного оптического волокна, которое герметично закреплено в каждой вставке, причем в одной из вставок - при помощи пластичного металлического припоя, вставки поджаты к корпусу со стороны входа и выхода волокна при помощи гаек, согласно изобретению каждая вставка оснащена выполненными параллельно осевому отверстию независимо друг от друга несколькими дополнительными отверстиями для прохода металлизированных оптических волокон, установленных аналогичным образом, причем во второй вставке волокна также закреплены при помогли пластичного металлического припоя, каждое отверстие в месте пайки выполнено гантелеобразным, имеющим в своей узкой части диаметр, соизмеримый диаметру оптического волокна, вставки с внутренних торцов скреплены резьбовыми стойками с образованием полости между ними.

Оснащение каждой вставки выполненными параллельно осевому отверстию независимо друг от друга несколькими дополнительными отверстиями для прохода металлизированных оптических волокон, установленных аналогичным образом, дает возможность в каждой вставке перехода расположить большое количество оптических волокон, определяемое концентрацией отверстий под волокна на единице площади каждой вставки, увеличив информативность перехода. Так, в тех же размерах корпуса перехода, что и у прототипа, где могут быть размещены (как указано в описании патента) три оптические линии, в предлагаемой конструкции можно разместить до пятидесяти линий, не снижая несущую способность КСН, представляющей собой защитное сооружение, как правило, аттестованное на определенную несущую прочностную нагрузку и в связи с этим ограниченное количеством отверстий под переходы.

А закрепление волокон во второй вставке при помощи пластичного металлического припоя повышает герметичность соединения, эксплуатационную надежность перехода, в отличие от прототипа, где использована одновременно с пайкой заливка клеем. Отсутствие органических материалов делает соединение устойчивым к старению. Паяное соединение металлизированного оптического волокна является слабо напряженным металлостеклянным спаем, который состоит из композиции: охватывающий материал вставки - припой - металлическая оболочка - кварцевый сердечник. Материал вставки и оболочки волокна соответствуют требованиям пайки. После пайки соединения при дальнейшем его остывании из-за разницы КЛТР материалов стекла, припоя и вставки происходит плотный охват кварцевого сердечника оптического волокна с обеспечением его герметичности. Также, сопрягаемые поверхности припоя и вставки в результате пайки имеют хорошую адгезию друг к другу.

Выполнение отверстий в месте пайки гантелеобразными, имеющими в своей узкой части диаметр, соизмеримый диаметру оптического волокна, дает возможности визуального контроля выхода излишка припоя из узкой части гантелеобразного отверстия, обеспечивает надежность герметизации (контроль качества пайки). Также обеспечивает стабилизацию устойчивости соединения к условиям эксплуатации КСН (перепады температуры, удары): объем припоя в месте сопряжения с волокном минимизирован (каждое проходное отверстие во вставке выполнено диаметром 0,4…0,5 мм).

Стягивание вставок с внутренних торцов между собой с образованием полости между ними резьбовыми стойками обеспечивает жесткость конструкции (целостность держателя волокна), что важно для транзитного перехода волокон многоканального перехода и дальнейшего качественного соединения волокон с внешними элементами стыковки перехода (например ферулой), обеспечивая эксплуатационную надежность. Наличие образовавшейся воздушной внутренней полости между вставками при их скреплении друг с другом дает возможность установить волокна с необходимой величиной «слабины», что позволяет обеспечить им «свободу при возникновении и накоплении внутренних напряжений при температурных перепадах для сохранения прочности (конструктивной целостности) в течение длительного времени эксплуатации. Все это повышает эксплуатационную надежность заявляемого перехода.

Кроме того, прикрепление к внешним торцам вставок втулок с проходными отверстиями под указанные оптические волокна и установка с защитной оплеткой волокон в отверстиях втулок позволяет безопасно прокладывать волокна до мест размещения регистрирующей и транслирующей аппаратуры, обеспечивая удобную стыковку с ними.

Перечисленные особенности делают конструкцию предлагаемого технического решения более надежной в эксплуатации, что существенно для проходного разъема, используемого при проведении взрывных экспериментов в КСН.

Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия возможности обеспечения многоканальной передачи светового сигнала при обеспечении эксплуатационной надежности и сохранении герметичности перехода.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлен осевой разрез перехода.

1 - стальной корпус;

2, 3 - цилиндрическая вставка;

4 - оптическое волокно;

5,6 - втулка;

7 - винт;

8 - гайка;

9 - резьбовая стойка;

10 - гантелеобразное отверстие;

11- уплотнительный элемент;

12- уплотнительные кольца;

13 - защитная оплетка.

Устройство выполнено следующим образом.

Многоканальный оптический переход (чертеж) в загрязненную зону через металлическую стенку защитной конструкции содержит герметично установленный в стенке защитной конструкции (не показано) полый стальной корпус 1 с проходным отверстием, в котором герметично установлен металлический держатель волокна. Держатель выполнен в виде двух цилиндрических вставок 2, 3, поджатых к корпусу 1 со стороны входа и выхода волокна при помощи гаек 8. Вставки 2,3 имеют на посадочной поверхности диаметральные канавки с уплотнительными кольцами 12. Для установки перехода в стенку защитной конструкции на посадочной поверхности корпуса 1 выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец 11.

В каждой вставке 2, 3 выполнено несколько независимо друг от друга параллельных осевых отверстий для прохода со стороны высокого до стороны низкого давления металлизированных оптических волокон (до 51 шт.). Волокна 4 герметично закреплены в отверстиях вставок 2, 3 при помощи пластичного металлического припоя. Отверстия в месте пайки выполнены гантелеобразными 10, имеющими в своей узкой части диаметр, соизмеримый диаметру оптического волокна 4. Вставка 2 (со стороны высокого давления) установлена с упором в корпус 1.

К внешним торцам вставок 2, 3 прикреплены с помощью винтов 7 втулки 5, 6 соответственно, обеспечивая монолитность конструкции до введения в корпус 1. Вставки 2, 3 с внутренних торцов стянуты с образованием полости А между ними резьбовыми стойками 9 и поджаты к корпусу 1 гайками 7 через втулки 5, 6. Втулки 5, 6 также имеют проходные отверстия под оптические волокна 4. Для обеспечения зашиты оптических волокон 4 от ударов и изгибов волокна 4 в отверстиях втулок 5, 6 установлены с защитной оплеткой 13.

Сборка устройства осуществляется следующим образом.

В предлагаемом техническом решении герметизация металлизированных оптических волокон 4 осуществляется единой технологией - пайкой легкоплавкими металлическими припоями. В полый стальной корпус 1 вводят «этажерку» - держатель волокон, представляющей собой две вставки 2, 3, скрепленные с внутренних торцов резьбовыми стойками 9.

Для осуществления пайки волокон собранную «этажерку» вначале располагают вертикально. Оптические волокна 4 продевают транзитом через 51 проходное отверстие вставок 2, 3. Припой помещают в гантелеобразные отверстия вставки 2. При помощи высокочастотного кондуктора производят разогрев припоя, который протекая, заполняет гантелеобразные отверстия 10, герметизируя все оптические волокна 4 во вставке 2. Под действием силы тяжести и противодействующей ей силы поверхностного натяжения припоя, объем припоя распределяется в гантелеобразных отверстиях, широкие части каждого отверстия позволяют осуществить визуальный контроль заполнения припоем узкой части. Герметизацию всех волокон 4 осуществляют одновременно. Паяные соединения по своему качеству идентичны друг другу.

После пайки соединения, при дальнейшем его остывании, из-за разницы КЛТР материалов стекла, припоя и вставки происходит плотный охват кварцевого сердечника с обеспечением герметичности. Также, сопрягаемые поверхности припоя и вставки в результате пайки надежно соединяются между собой. Для стабилизации устойчивости соединения к условиям эксплуатации (перепады температуры, удары) объем припоя в месте сопряжения с волокном минимизирован - отверстием во вставке диаметром 0,4…0,5 мм.

Далее конструкцию «этажерки» переворачивают на 180° и операцию герметизации волокон во вставке 3 повторяют аналогичным образом.

Далее на вставки 2,3, имеющие на посадочной поверхности диаметральные канавки, устанавливают резиновые кольца 12. Проводят проверку конструкции на герметичность, положительные результаты которой определяют качество пайки. Конструкция является ремонтопригодной. В случае некачественной пайки отдельных волокон, проводится повторная пайка.

Затем свободные концы оптических волокон 4 продевают в соответствующие защитные оплетки 13, которые закрепляют в проходных отверстиях втулок 5, 6, например вклейкой. Затем втулки 5, 6 прикрепляют к вставкам 2, 3 винтами 7. Собранную таким образом конструкцию устанавливают с упором вставки 2 в корпус 1. Вставки 2, 3 поджимают гайками 8. На корпус 1 устанавливают кольца резиновые 11. Производят проверку на герметичность подачей избыточного давления. Переход готов к использованию.

Для проведения взрывных экспериментов переход закрепляют в гермостенке КСН. Свободные концы оптических волокон 4 в защитных оболочках 13 подводят к регистрирующей аппаратуре.

При взрывном эксперименте возникает бросок избыточного давления, которое локализуется паяным соединением металлизированных волокон. Конструкция перехода монолитна, обеспечивает устойчивость к ударным нагрузкам. Конструкция герметизации металлических оптических волокон не содержит органических материалов, что делает переход надежным при длительной эксплуатации в КСН.

В настоящее время разработана конструкторская документация, изготавливаются опытные образцы перехода, выполненные в соответствии с заявляемым изобретением. Работоспособность, герметичность, эксплуатационная надежность заявляемого многоканального перехода подтверждена испытаниями.

Таким образом, техническое решение перехода позволяет обеспечить многоканальную передачу светового сигнала при обеспечении эксплуатационной надежности и сохранении герметичности перехода.

Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- заявляемый переход относится к волоконно-оптической технике, а именно к проходным устройствам для герметичного ввода оптического волокна через перегородку;

- заявляемый переход при использовании способен обеспечить многоканальную передачу светового сигнала при обеспечении эксплуатационной надежности и сохранении герметичности перехода;

- для заявляемого перехода в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленный переход соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к волоконно-оптической технике, а именно к проходным устройствам для герметичного ввода оптического волокна через перегородку. Многоканальный оптический переход содержит герметично установленный в стенке металлический корпус с герметично установленным в нем металлическим держателем оптического волокна, выполненным в виде двух цилиндрических вставок, оснащенных выполненными параллельно независимо друг от друга несколькими отверстиями для прохода металлизированных оптических волокон. Волокна герметично закреплены в каждой вставке при помощи пластичного металлического припоя. Каждое отверстие в месте пайки выполнено гантелеобразным, имеющим в своей узкой части диаметр, соизмеримый диаметру оптического волокна. Вставки поджаты к корпусу со стороны входа и выхода волокна при помощи гаек. С внутренних торцов вставки скреплены с образованием полости между ними резьбовыми стойками. Технический результат - обеспечение многоканальной передачи светового сигнала при обеспечении эксплуатационной надежности и сохранении герметичности перехода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоканальный оптический переход, содержащий герметично установленный в стенке металлический корпус с герметично установленным в нем металлическим держателем оптического волокна, выполненным в виде двух цилиндрических вставок с осевым отверстием в каждой для прохода металлизированного оптического волокна, которое герметично закреплено в каждой вставке, причем в одной из вставок при помощи пластичного металлического припоя, вставки поджаты к корпусу со стороны входа и выхода волокна при помощи гаек, отличающийся тем, что каждая вставка оснащена выполненными параллельно осевому отверстию независимо друг от друга несколькими дополнительными отверстиями для прохода металлизированных оптических волокон, установленных аналогичным образом, причем во второй вставке волокна также закреплены при помощи пластичного металлического припоя, каждое отверстие в месте пайки выполнено гантелеобразным, имеющим в своей узкой части диаметр, соизмеримый диаметру оптического волокна, вставки с внутренних торцов скреплены резьбовыми стойками с образованием полости между ними.

2. Многоканальный оптический переход по п.1, отличающийся тем, что к внешним торцам вставок прикреплены втулки с проходными отверстиями под указанные оптические волокна, волокна в отверстиях втулок установлены с защитной оплеткой.