Brevet FR2546637A1 — publié le 19841130

Cette invention se rapporte au domaine des modules d'alimentation par conducteur, et en particulier à la struc- ture et aux méthodes de fabrication d'un module d'alimenta- tion à fibre optique. Les modules d'alimentation par conducteur ont com- me champ d'application particulier l'appareillage pour péné- trer les cloisons utilisées dans les installations d'éner- gie nucléaire o les critères de durabilité et de perfor- mance sont prépondérants. Par exemple, des structures pénétrantes électriques pour alimenter, à travers une cloison, de façon étanche, au moyen de plusieurs conducteurs électriques dans un module unique, sont connues De telles structures sont'décrites dans les brevets US NO 3 601 526 et 3 680 208. L'utilisation de conducteurs électriques, a dans certaines applications, des inconvénients du fait des ef- fets magnétiques créés par le passage du courant électrique à travers le conducteur, ou de l'induction d'un courant élec- trique due à un environnement de flux magnétique changeant ambiant. De tels inconvénients sont évités par l'utilisation d'un élément à fibre optique conduisant un signal optique, au lieu d'un conducteur métallique transmettant un signal électrique Cependant, la fragilité d'un élément à fibre op- tique apporte des problèmes spéciaux, lorsqu'on essaie d'in- corporer cette dernière dans un module. Le but essentiel dé la présente invention est-de constituer un module d'alimentation à fibre optique capable d'être utilisé dans un environnement extrêmement hostile, pour supporter des pressions supérieures à 30,000 psi ( 2 100 kgf/cm 2)ou une gamme de températures entre -40 'F (-40 OC) à plus de 325 OF, ( 163 OC) ou un niveau de radia- tion aussi élevé que 225 mégarads, ou de constituer une bar- rière efficace à l'épreuve de l'humidité sous des environ- nements pressurisés, ou de supporter des niveaux de vibra- tion importants, ou de ne pas être affecté par des niveaux de choc et d'accélérations élevés, ou d'avoir une durée de vie importante sous des conditions d'humidité extrême, ou de ne pas être affecté par des environnements d'eau salée. Le module d'alimentation à fibre optique objet de l'invention, étant capable de transmettre un signal op- tique, peut être utilisé comme composant dans des circuits de contrôle appropriés, et opérationnellement associé à une instrumentation lorsqu'il est nécessaire de pénétrer à tra- vers une cloison Le module peut être dimensionné, en ce qui concerne sa longueur et sa dimension transversale, pour convenir à une application particulière, peut être utilisé avec n'importe quel connecteur de fibre optique standard et peut être utilisé avec du matériel de montage et de fixa- tion classique. En plus de l'utilisation dans les installations d'é- nergie nucléaire, le module d'alimentation à fibre optique objet-de l'invention a des applications pratiques dans les environnements explosifs, dans les atmosphères à haute pres- sion et à vide, dans les équipements sous-marins, dans les équipements militaires et aéro-spatiaux, dans les environne- ments corrosifs, là o on trouve de hauts niveaux de radia- tion, et dans les barrières étanches au feu. Les objectifs annoncés et autres avantages de l'in- vention apparaîtront à partir de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de l'invention, représentée dans les dessins joints, à savoir la Fig 1 est une vue en coupe longitudinale par- tielle d'un assemblage séparé constitué du manchon métalli- que, des corps d'étanchéité et de l'élément de fibre optique avant emboutissage, selon la présente invention. la Fig 2 est une vue similaire à la figure 1, mais elle'montre l'état de l'assemblage après que celui-ci ait été substantiellement embouti de bout en bout, illustrant ainsi la construction finale du module d'alimentation à fi- bre optique. la Fig 3 est une partie agrandie de la coupe de la figure 1, prise près de son extrémité droite. la Fig 4 est une partie agrandie de la-coupe de la figure 2 prise près de son extrémité droite. la Fig 5 est une vue en perspective agrandie d'un des corps d'étanchéité intermédiaires représentés sur la figure 1. la Fig 6 est une vue en coupe longitudinale des moyens de montage d'un modèle d'alimentation à fibre opti- que représenté sur les figures 1 à 5. En se référant à la figure 2, le repère 10 repré- sente, de façon générale, le module d'alimentation à fibre optique objet de l'invention, qui comprend un manchon métal- lique 11, un élément à fibre optique 12 s'étendant à tra- vers le manchon sans le toucher, et une série de corps d'é- tanchéité annulaires 13 accolés, couplés, à ouverture cen- trale, entourant l'élément 12 et comprimés entre celui-ci et le manchon De préférence, un corps d'extrémité 14 est situé à l'extrémité droite du manchon et un autre corps d'extrémité 15, différent, est situé à l'extrémité gauche de ce manchon, pour ainsi aboutir à l'allure finale du mo- dule telle que représentée sur la figure 6. En se référant à la figure 1, le manchon llb (a- vant emboutissage) est une enveloppe métallique allongée, de préférence en acier inoxydable Il est cylindrique en section transversale sur sa longueur, et a un creux cylin- drique 16 de diamètre, ou dimension transversale intérieure bout à bout, uniforme Le manchon a aussi une périphérie extérieure 18 concentrique au creux 16 et uniforme de bout en bout, mise à part une cannelure extérieure 19 située près d'au moins une extrémité et, de préférence, de chaque extrémité De préférence, cette cannelure-19 a une longueur axiale telle qu'elle recouvre ou chevauche les parties pé- riphériques de deux corps d'étanchéité 13 b adjacents (avant emboutissage) disposés dans le manchon llb Cette cannelure a aussi une profondeur égale à peu près à la moitié de l'é- paisseur de la paroi du manchon, comme cela est mieux repré- senté sur la figure 3. Les corps d'étanchéité intermédiaires 13 sont iden- tiques les uns aux autres En se référant à la figure 5, chaque corps 13 b est représenté comprenant une partie é- largie 20 ayant une périphérie cylindrique 21 déterminée entre les côtés extrêmes transversaux 22 et 23, un évide- ment axial 24 sur le côté extrême 22 entre la paroi de côté cylindrique 25 et la paroi de fond plate transversale 26, et une partie réduite 28 se prolongeant axialement vers l'ex- térieur depuis le côté 23 et munie d'une périphérie cylin- drique 29 se terminant sur une paroi d'extrémité plate trans- versale 30 Un trou central cylindrique 31 de faible dia- mètre s'étend complètement à travers la partie collet rédui- te 28, et partiellement à travers la partie élargie 20 du corps 13 b, se terminant à ses deux extrémités sur les sur- faces 30 et 26 La partie élargie 20, la partie collet ré- duite 28, et l'évidement 24 ont leurs surfaces cylindriques respectives 21, 26 et 23 disposées coaxialement, ainsi que le trou 31, le long de l'axe longitudinal central 27 du corps. En se référant à la figure 1, le corps d'extrémité droite 14 b (avant emboutissage) est similaire à n'importe lequel des corps 13 b, sauf qu'il n'est pas muni d'une par- tie collet réduite de telle façon que son côté extrême ex- térieur 23 e s'étend complètement le long du corps 14 b Le corps d'extrémité gauche 15 b (avant emboutissage) est aussi similaire à n'importe lequel des corps intermédiaires 13 b, sauf qu'il n'a pas d'évidement dans son extrémité extérieu- re, dont le côté 22 e s'étend complètement le long du corps b Les corps d'étanchéité 13 b, 14 b, 15 b sont faits d'un matériau thermoplastique approprié, tel que du poly- éthersulfone commercialisé par Imperial Chemical Industries Limited sous le nom "Polyéthersulfone", ou du polyamide-imide commercialisé par Amoco Company sous la marque "l Torlon", ou du polysulfone commercialisé par Union Carbide Corp. sous la marque "Udel". L'élément à fibre optique 12 est commercialement disponible, avec une âme de verre simple ou multiple, re- couvert de quartz ou plastique avec une ou plusieurs cou- ches de matériau d'enrobage et d'enveloppe compressible approprié, tel que du polyéther-éther-cétone ou un copo- lymère d'éthylène-tétra-fluoroéthylène, ou un polyamide, ou du chlorure de polyvinyle. Un tel élément est choisi, en ce qui concerne la longueur, en fonction de la longueur du manchon métallique 11 voulue, et de la longueur désirée d'exposition de l'é- lément à chaque bout du manchon - En réalisant le module d'alimentation à fibre op- tique objet de la présente invention, un certain nombre de corps d'étanchéité intermédiaires 13 b et de corps d'ex- trémité 14 b et 15 b sont enfilés sur un élément de fibre optique 12, en passant cet élément dans les trous centraux 31 dans les corps, pour constituer un sous-assemblage Les parties collets 28 se projetant, sont insérées dans les évidements 24 de telle façon que les surfaces s'opposant 26 et 30 des corps adjacents aboutent ainsi que cela est dé- crit dans la figure 3 pour une paire adjacente de corps intermédiaires 13 b. En se référant à la figure 3, la profondeur axiale de l'évidement 24 est légèrement supérieure à la longueur axiale de la partie collet 28 du corps adjacent qui occupe cet évidement, de manière à laisser un espace libre Cl en- tre la surface basse de l'évidemret 26 et la surface extrê- me du collet 30. Les trous 31 ont un diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre extérieur de l'élément à fibre opti- que 12 pour laisser un espace libre C 2. Les évidements 24 ont un diamètre intérieur légè- rement supérieur au diamètre extérieur des parties collets b 28 de manière à laisser un espace libre C 3 entre les sur- faces opposées correspondantes 25 et 29 Le manchon métal- lique llb a un diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre extérieur des parties élargies 20 de manière à laisser un espace libre C 4 entre les surfaces de corps pé- riphériques 21 faisant face à la surface 16 du trou du manchon. Par exemple, les différents espaces libres Cl, C 2, C 3, C 4, sont de quelques millièmes de pouce, par exemple _ de l'ordre de 0,003 pouce ( 0,076 mm) à 0,005 pouce ( 0,127 mm) Ces espaces libres permettent aux différents corps 13 b-15 b d'être glissés sur l'élément à fibre optique 12, aux pai- res de corps adjacents 13 b-15 b d'être couplés, et au sous- assemblage ainsi constitué d'être inséré dans le manchon métallique 11 La chaîne de corps 13 b-15 b sur un élément 12 est disposée dans le manchon llb'de telle sorte qu'une par- tie du corps d'extrémité droite 14 b et une partie du corps d'extrémité gauche 15 b sortent séparément et partiellement des extrémités correspondantes du manchon, comme le montre la Fig 1. L'assemblage séparé ainsi constitué est alors em- bouti dans une machine à emboutir classique ayant des ma- trices d'emboutissage illustrées à titre d'exemple en 32 et 33 sur la figure 2 Comme il est connu, les éléments devant être emboutis, ici spécifiquement l'assemblage sé- paré constitué du manchon métallique llb de série de corps d'étanchéité couplés 13 b, 14 b et 15 b en matériau thermoplas- tique compressible, et de l'élément à fibre optique 12, ali- mentent axialement l'ouverture formée par les matrices d'em- boutissage 32 et 33 Des moyens d'entraînement appropriés (non représentés) font déplacer ces matrices l'une vers l'au- tre, et, au cours de cette action, l'assemblage séparé est radialement comprimé à un diamètre inférieur à celui qui était le sien, comme le montre la figure 1 Sur la figure 2, un peu plus de la moitié droite de l'assemblage décrit a été embouti, alors que la partie-gauche de l'assemblage, re- présenté entouré par les matrices d'emboutissage 32 et 33, n'a pas encore été emboutie Le module 10, complètement embouti de bout en bout, est représenté sur la figure 6. En se référant aux figures 2 et 4, on verra qu'en conséquence de l'opération d'emboutissage, la partie murale du manchon métallique 11, formée avec une cannelure annu- laire 19, est déformée vers l'extérieur, comme indiqué en l 9 a, par rapport aux parties murales adjacentes du manchon. Comme le montre la figure 4, cette partie murale déformée 19 a a une surface externe 34 qui est sur le même plan que la périphérie extérieure 18 a du manchon aux extrémités opposées de la partie murale 19 a La surface externe, en d'autres termes, a pratiquement le même diamètre sur les parties du manchon qui ont été constituées avec'les canne- lures 19, que sur les parties du manchon qui ont été cons- tituées sans ces cannelures Après emboutissage, l'exté- rieur du manchon 11 o se trouvait la cannelure 19 est re- pérable uniquement par les rainures annulaires inclinées, en forme de V, illustrées par exemple en 35, une rainure se situant à chaque extrémité o se trouvaient les parois extrêmes de la cannelure 19 La partie murale décalée 19 a a une surface interne 36 décalée radialement vers l'exté- rieur par rapport à la surface murale interne finale 16 a du manchon 11 En d'autres termes, le diamètre de la dimen- sion intérieure transversale de la surface murale interne annulaire 36 est supérieur à celui de la surface murale interne annulaire 16 a Le passage du diamètre de la sur- face murale 16 a à celui de la surface murale 36 est graduel, comme le montre le repère 38, à chaque extrémité de la par- tie murale 19 a Après emboutissage,-la partie de l'inté- rieur du manchon 11 définie par les parties d'extrémité de transition 38, et la surface murale intermédiaire élargie 36, donne une chambre relevée ou agrandie dans laquelle, en conséquence de l'opération d'emboutissage, des parties des corps comprimés d'au moins deux corps adjacents couplés 13 s'étendent pour remplir et rendre étanche cette chambre. Ceci constitue un interverrouillage mécanique entre le manchon 11 et le matériau thermoplastique comprimé, qui em- pêche le soufflement des séries de corps d'étanchéité cou- plés lorsqu'une des faces d'extrémité 22 e ou 23 e est soumi- se à une haute pression ou à un vide poussé Il est à noter qu'en conséquence de l'opération d'emboutissage, tous les espaces libres Cl-C 4 qui exis- taient entre les différentes parties, ont été éliminés En fait, les corps d'étanchéité originaux 13 b et les parties internes des corps d'extrémité 14 b et 15 b ont été radiale- ment comprimés, entre les limites extrêmes du manchon 11, pour donner un nouveau corps d'étanchéité unifié dépourvu de vide désigné par 13 a (après emboutissage) qui est dans un état comprimé, et met en contact fermement, et de manière étanche, la surface interne du manchon et l'élément à fi- bre optique que ce corps unifié entoure, ainsi que les sur- faces de contact des corps d'étanchéité individuels origi- naux voisins Plus spécifiquement, l'élément à fibre optique central 12 a été étreint par le corps unifié 13 a Comme il a déjà été noté, le remplissage transversal de la chambre interne agrandie formée par les surfaces 36 et 38 sert à in- terverrouiller le corps d'étanchéité unifié 13 a par rapport au manchon métallique 11 Non seulement il existe là cet interverrouillage mécanique, mais encore le corps d'étan- chéité unifié 13 a est compacté fermement contre les surfa- ces internes 16 a, 36 et 38 de l'enveloppe métallique 11 et aussi contre la surface externe de l'élément à fibre op- tique 12. L'importance de la réduction en diamètre brut du module 10 après emboutissage comparé à avant emboutissage, en rapport avec les 8 espaces libres radiaux initiaux C 2, C 3 et C 4, est telle que l'on obtient une réduction significa- tive de la surface transverse de l'eénsemble du corps d'é- tanchéité unifié 13 a et des couches sur l'âme de l'élément à fibre optique 12 Spécifiquement,-la surface transversale collective initiale constituée par ces couches compressibles et les corps d'étanchéité 13 b avant emboutissage est ré- duite de 10 % à 35 %, après emboutissage, en fonction de l'épaisseur de l'enrobage et de l'enveloppe inclus dans l'élément à fibre optique 12 L'étanchéité constituée entre le corps d'étanchéité unifié 13 a, l'élément à fibre optique 12, et le manchon métallique 11, empêche les fui- tes axiales à travers le module, soit le long de l'inter- face entre ce corps d'étanchéité et le manchon métallique l'entourant, soit le long de l'interface entre ce corps d'étanchéité et l'élément à fibre optique Cette réduction spécifique de la surface transversale produit une étanchéi- té efficace capable de supporter le taux de fuite de gaz total standard spécifié-pour une structure de contenance d'une centrale de production d'énergie nucléaire, à savoir pas plus de 1 x 10-6 centimètres cube par seconde d'hé- lium sec à 20 OC * 15 OC à une pression de 100 psi ( 7,0 kgf/cm 2). Une caractéristique de l'invention est que l'âme de l'élément à fibre optique fragile 12 n'est pas tranchée ou fracturée lors de l'emboutissage Ceci résulte du fait de l'existence d'un grand nombre de corps d'étanchéité in- termédiaires relativement petits 13 b et de corps d'étan- chéité d'extrémité 14 b et 15 b en matériau thermoplastique qui peuvent être précédemment creusés individuellement, pour donner un canal de passage 31 axial réellement central, et aussi du faitde l'inter-ajustage des parties coaxia- les des corps adjacents afin d'aligner précisément les trous centraux Ainsi, il n'existe pas de trous centraux décalés, non axialement dirigés, qui pourraient soumettre l'élément à fibre optique à des forces de cisaillement, pendant que l'assemblage séparé est soumis à-des forces radiales, au cours de l'emboutissage Il est pratiquement impossible de creuser un long canal de faible diamètre à travers un corps allongé en matériau thermoplastique, de ma- nière à fournir un canal de passage qui ne se décale pas latéralement de l'axe longitudinal central du corps. Sur la figure 6, on suggère un type de montage pour le module d'alimentation à fibre optique embouti décrit ci-dessus, quant à la structure et aux méthodes de fabrication, qui, dans cette figure, est représenté de manière générale par le repère 40 Comme indiqué ci-dessus, le but du module est d'alimenter un conducteur de lumière à fibre optique, d'une manière étanche, à travers un mur ou une cloison Sur la figure 6, un tel mur est représen- té en 41, il est représenté comme étant muni d'un trou intérieurement fileté 4 ? qui reçoit un raccord extérieure- ment fileté 43 d'un corps à collet 44 Ce corps à collet est représenté comme ayant un trou de passage interne 45 au travers duquel le module 10 passe La partie extrême ex- térieure de ce trou 45 est représentée élargie pour rece- voir une virole 46, terminée par une bague-collet 48 ex- térieurement filetée, vissée dans la partie du trou'd'ex-'- trémité extérieure intérieurement filetée L'extrémité in- térieure de la bague 48 porte contre la virole 46 de façon à repousser sa surface conique extérieure-contre la surfa- ce de transition conique interne 49 du trou 44 Les par- ties extérieures exposées du corps collet 44 et de la bague 48 sont ovalisées pour permettre l'utilisation de clefs de serrage (non représentées) Tourner la bague par rap- port au corps, de manière à la visser dans le corps, per- met d'appliquer une pression sur la virole, et comprime cette dernière de manière à constituer un contact étanche et à étreindre fermement la surface extérieure du module Les moyens de montage représentés sur la figure 6 sont classiques et sont simplement une suggestion Tous autres moyens de montage appropriés peuvent être employés. Si on le désire, un certain nombre de modules 10 dans un agencement o ils sont mutuellement espacés et pa- rallèles, peut être enrobé dans un unique corps d'étanchéi- té entouré par une enveloppe métallique. Alors que le manchon métallique 11 du modèle 10 a été représenté renfermant une série continue de corps il d'étanchéité couplés pour constituer un corps d'étanchéité 13 a unifié continu et ininterrompu, on peut comprendre que ce corps unifié peut être interrompu, lorsque le manchon= allongé est nécessaire pour pénétrer un mur relativement épais, de telle sorte qu'une série de corps d'étanchéité couplés 13 est-fournie près de chaque extrémité du manchon, avant emboutissage, et ne remplit pas complètement le man- chon de bout en bout, après emboutissage. De plus, le fait que le manchon métallique du module 10, contenant un corps unifié d'étanchéité 13 a, soit représenté comme ayant une partie de sa paroi 19 a, près de chaque extrémité, constituée avec une dimension intérieu- re transversale élargie faisant contact avec le corps d'é- tanchéité unifié 13 a pour donner l'interverrouillage mécani- que entre le manchon et le matériau d'étanchéité thermo- plastique comprimé, constitue seulement une préférence, et il peut être suffisant d'avoir, pour l'utilisation des mo- dules dans certains environnements, un simple interverrouil- lage Cependant, il devrait y avoir au moins un interverrouil- lage entre chaque longueur de corps d'étanchéité unifié ininterrompu dans un manchon donné, qui recouvre les péri- phéries d'au moins deux corps d'étanchéité individuels voi- sins d'un tel corps d'étanchéité unifié. D'autres variantes et modifications au module il- * lustré et à ses méthodes de fabrication peuvent être appor- tées par l'homme de l'art sans sortir de l'esprit de l'in- vention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Module d'alimentation à fibre optique, ca- ractérisé en ce qu'il comprend: a) un manchon métallique ( 11) b) un élément à fibre optique ( 12) s'étendant à travers le manchon ( 11) sans le toucher, et c) une série de corps d'étanchéité ( 13) annulai- res, couplés, à ouverture centrale, en matériau thermo- plastique, entourant l'élément ( 12) et comprimés entre le manchon ( 11) et l'élément ( 12). 2 Module d'alimentation suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que chacun des corps ( 13 b) in- termédiaires, entre les corps d'extrémité ( 14 b, 15 b), comporte une partie élargie ( 20) munie d'un évidement axial ( 24) à une extrémité et d'une partie réduite s'étendant axialement ( 28) à l'extrémité opposée, la partie réduite ( 28) d'un corps intermédiaire ( 13 b) se projetant dans l'é- videment ( 24) d'un corps intermédiaire adjacent ( 13 b). 3 Module d'alimentation suivant la revendica- tion 2, caractérisé en ce que la partie élargie ( 20), la partie réduite ( 28) et l'évidement ( 24) de chacun des corps intermédiaires ( 13 b) sont cylindriques et coaxiaux. 4 Module d'alimentation suivant la revendica- tion 3; caractérisé en ce que la partie réduite ( 28) d'un de deux corps intermédiaires ( 13 b) couplés emplit l'é- videment ( 24) de l'autre corps. Module d'alimentation suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les corps d'extrémité ( 14 b, 15 b) sortent séparément et partiellement de l'extrémité corres- pondante du manchon ( 11), l'un de ces corps d'extrémité ( 15 b) ayant une partie réduite interne se projetant dans l'évidement ( 24) du corps intermédiaire adjacent, l'autre corps d'extrémité ( 14 b) ayant un évidement à son extrémité interne recevant la partie réduite ( 28) du corps intermé- diaire adjacent. 6 Module d'alimentation suivant la revendicationr 1, caractérisé en ce qu'une partie de la longueur du man- chon ( 11), près d'au moins une de ses extrémités, a une di- mension intérieure transversale agrandie et est en contact avec les périphéries d'au moins deux corps d'étanchéité ad- jacents pour constituer un interverrouillage mécanique en- tre le manchon ( 11) et le matériau thermoplastique comprimé. 7 Module d'alimentation suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique est du poly-éthersulfone. 8 Module d'alimentation suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique est du polyamide-imide. 9 Module d'alimentation suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique est du polysulfone. Méthode de fabrication -d'un module d'alimenta- tion à fibre optique ( 10) conforme à l'une des revendica- tions 7 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes: a) constitution d'un certain nombre de corps d'é- tanchéité ( 13) annulaires, à ouverture centrale, identiques, en matériau thermoplastique, incluant individuellement une partie élargie ( 20) munie d'un évidement axial ( 24) à une extrémité et d'une partie réduite ( 28) s'étendant axiale- ment à l'extrémité opposée'. b) enfilage des corps ( 13) butant les uns contre les autres sur un élément à fibre optique ( 12), muni d'au moins une couche de matériau compressible sur une âme, de telle manière que la partie réduite ( 28) d'un de deux corps adjacents est reçue dans l'évidement ( 24) de l'autre corps pour ainsi constituer un sous-assemblage, c) insertion du sousassemblage dans un manchon métallique ( 11) ayant, près d'au moins une extrémité, une cannelure externe pour constituer un assemblage, et d) emboutissage de l'assemblage pour comprimer les corps ( 13) et la couche entre le manchon ( 11) et l'âme, pour réduire de 10 à 35 % la surface transversale de l'en- semble des corps ( 13) et de la couche entre l'âme et le manchon ( 11), non constituée avec la rainure.