Brevet FR3148848A1 — publié le 20241122

La présente invention concerne un boitier de compensation de dilatation thermique, sur des lignes à fibres optiques, caractérisé en ce qu’elle comprend une enveloppe cylindrique (1) métallique définissant une surface intérieure de diamètre D B , fermée par deux faces frontales (6 , 7) et un enroulement d’au moins une fibre optique (2) de diamètre extérieur d F , le diamètre D B étant compris entre 4 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique (2) et 15 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique (2). Figure de l’abrégé : Figure 3 « Boitier de compensation de dilatation thermique sur des lignes à fibres optiques » Domaine technique de l’invention La présente invention concerne le domaine de la protection des fibres optiques utilisées dans des environnements à haute température haute pression ou sous forte radiation, par exemple dans une cuve d’un réacteur nucléaire, une chaudière, un four, une chambre à combustion. L’invention concerne en particulier des capteurs ou détecteurs optiques à base de fibres optiques d’objets, de position, de rayonnement IR ou de température, par effet Raman ou par d’autres effets optiques non linéaires, introduits dans des environnements extrêmes (haute température, haute pression, forte radiation) où les détecteurs actifs ainsi que leurs électroniques ne peuvent pas être en présence. État de la technique La demande d’utilisation des capteurs optiques est de plus en plus forte dans les milieux extrêmes. Cela est possible uniquement en utilisant des lignes de fibres optiques protégées par des tubes métalliques avec des extrémités capteurs ou connecteurs. On connaît dans l’état de la technique le brevet le brevet américain US7865044B2 concernant la détection à distance dans un environnement comportant des températures supérieures à 300 ºC, faisant usage d'une fibre optique comportant un cœur, une gaine, et un revêtement protecteur métallique sur la gaine afin de protéger une surface de la gaine. La gaine présente un diamètre supérieur à 150 µm, et une épaisseur d'au moins 50 µm. Un conduit en métal encapsule la fibre de détection, et une pompe permet l'évacuation du conduit afin de réduire la déperdition d'hydrogène. Des protections avec épissure en céramique sont utilisées. Le brevet européen EP3362834B1 concerne une fibre optique comprenant un cœur et un revêtement. Une gaine métallique entourant le revêtement, la gaine métallique s'étendant sur toute la longueur axiale de la fibre optique. Une poudre est appliquée comme revêtement sur la surface extérieure de la gaine métallique, la poudre étant une poudre minérale, une poudre céramique ou une poudre de carbone. Le brevet coréen KR0150915 propose une fibre optique à revêtement métal/carbone utilisant de l'invar. La demande de brevet CN202119938 ou la demande de brevet CN202563117 décrit également une fibre optique haute résistance compensée en température présentant une enveloppe en un revêtement à dilatation négative au niveau du cœur de la fibre, de la gaine, d’un revêtement résistant à haute température et de la couche de protection haute résistance. Inconvénients de l’art antérieur Les solutions de l’art antérieur ne sont pas satisfaisantes car à très haute température le tube métallique, qui a un coefficient de dilatation plus élevé que la silice, va se dilater plus que la fibre. Cette différence de dilatation va provoquer des casses de fibre optique, sachant qu’elle est fixée au tube à ses extrémités. Par exemple, le coefficient de dilation d’un tube Inox 316L : 17,5 10 -6 °K -1 (de 20°C à 500°C) Le coefficient de dilation d’une fibre optique silice : 4,8 10 -7 °K -1 (de 0°C à 900°C) Pour une distance de 10 m (mesurée à 25°C), le tube se dilate, dans les réalisations de l’état de la technique, de 50 mm de plus en longueur que la fibre optique à 360°C. La présente invention vise à répondre à ces inconvénients. A cet effet l’invention concerne selon sa portée la plus générale un boitier de compensation thermique caractérisé en ce qu’elle comprend une enveloppe cylindrique métallique définissant une surface intérieure de diamètre D B , fermée par deux faces frontales et un enroulement d’au moins une fibre optique de diamètre extérieur d F , le diamètre D B étant compris entre 4 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique et 15 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique. L’objet de la présente invention peut également revêtir l’une ou une combinaison compatible des caractéristiques suivantes : L’enveloppe cylindrique et de préférence entre 7,5 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique et 10 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique les faces du cylindre présentent des entrées et sorties des fibres optiques décalées radialement par rapport à l’axe du cylindre les faces du cylindre (6, 7) présentent des entrées et sorties des fibres optiques (1) ne sont pas alignés longitudinalement L’invention concerne aussi un procédé d’installation d’une ligne d’au moins une fibre optique protégée par un tube métallique dans un environnement à haute température caractérisé en ce que l’on intègre sur ladite ligne au moins un boitier de compensation thermique comprenant une enveloppe cylindrique métallique définissant une surface intérieure de diamètre D B , fermée par deux faces frontales et un enroulement d’au moins une fibre optique de diamètre extérieur d F , le diamètre D B étant compris entre 4 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique (2) et 15 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique. De préférence lesdites tubes (4, 5) sont soudés ou brasés sur les faces (6, 7) dudit cylindre. Avantageusement, lesdites lignes de tubes de fibres optiques sont assemblées et scellées en production à température ambiante. Description d’exemple non limitatifs de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où : La représente une vue en perspective d’un boîtier de compensation selon l’invention La représente une vue en coupe longitudinale d’un boîtier de compensation selon l’invention La représente une vue en coupe en transparence d’un boîtier de compensation selon l’invention. Principe général dE l’invention L’invention concerne la compensation de la dilatation différentielle se produisant entre la fibre optique et l’enveloppe de protection métallique par un boitier (1) de compensation de dilatation thermique intercalé sur une ligne à fibres optiques protégées par des tubes métalliques (4), fonctionnant à haute température haute pression sous radiation. Ce boîtier de compensation (1) est intégré au milieu d’une ligne fibres optiques protégées par tubes. Les tubes sont soudés ou brasés au boîtier et les fibres (2) sont enroulées sur la face interne (3) du cylindre avant de ressortir dans les tubes (4). Le nombre de spires (3) est calculé selon la longueur des tubes et leur dilatation thermique. Le boîtier (1) et les tubes (4, 5) sont soudés ou brasés entre eux et donc étanches. Les extrémités des fibres optiques sont fixées à des connecteurs ou têtes de sondes, qui sont brasés ou soudés aux tubes métalliques (4, 5). Le boîtier de compensation (1) selon l’invention est un cylindre avec un diamètre intérieur nettement supérieur au rayon de courbure de rupture de la fibre optique (2) et inférieur ou égale au rayon de courbure nominal. Ce rayon de courbure nominale est préconisé par le fabriquant de la fibre. A défaut de préconisation du fabricant, le rayon de courbure nominal correspond sans charge de traction à 10 fois le diamètre extérieur du câble et, en situation de traction ou de câble « chargé », le rayon de courbure nominal 15 fois le diamètre extérieur du câble. Un rayon de courbure nominal de référence sera typiquement de 12 fois le diamètre extérieur du câble. Ce rayon de courbure nominal est typiquement compris entre 2 et 25 millimètres. Le rayon de courbure de rupture est le rayon minimum autorisé qui peut plier la fibre optique sans endommager, plier ou raccourcir sa durée de vie s’appelle le rayon de courbure. Il est être compris entre 4 et 7,5 fois le diamètre extérieur. La fibre optique (2) est enroulée plusieurs fois sur la face interne du cylindre. Le nombre de spires dépend de la différence de dilatation entre le tube (4, 5) et la fibre optique (2), c’est-à-dire la longueur du tube de la ligne optique. Ainsi, le volume de ce boîtier (1) permet à la fibre de s’enrouler ou de se dérouler selon la dilatation des tubes (température du milieu). Les lignes de tubes (4, 5) de fibres optiques sont assemblées et scellées en production à température ambiante. Leurs utilisations à haute température exigent un boîtier de transfert (1) afin d’absorber la différence de dilatation entre les tubes métalliques et les fibres optiques. Le matériau et l’épaisseur du boîtier cylindrique sont étudiés pour résister à la pression et à la dilatation thermique. Les lignes optiques en tube métallique peuvent contenir une seule fibre optique ou un groupe de fibres optiques (un bundle). Le boîtier de compensation (1) peut accueillir plusieurs fibres en entrée et en sortie. Il est aussi possible de mettre plusieurs boîtiers (1) de compensations sur une longue ligne de fibre optique protégée par tube. Les entrées et les sorties des fibres optiques (1) se font par les faces du cylindre (6, 7). Ces entrées et sorties sont hors axe (9) longitudinal du cylindre et jamais face à face afin de pousser les fibres (1) à s’enrouler à l’intérieur. Boitier de compensation thermique caractérisé en ce qu’il comprend une enveloppe cylindrique (1) métallique définissant une surface intérieure de diamètre D B , fermée par deux faces frontales (6, 7) et un enroulement d’au moins une fibre optique (2) de diamètre extérieur d F , le diamètre D B étant compris entre 4 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique (2) et 15 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique (2). Boitier de compensation thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comprend une enveloppe cylindrique et de préférence entre 7,5 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique (2) et 10 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique (2). Boitier de compensation thermique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites faces frontales (6, 7) présentent des entrées et sorties des fibres optiques (2) décalées radialement par rapport à l’axe (9) de ladite enveloppe cylindrique (1). Boitier de compensation thermique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites faces frontales (6, 7) de ladite enveloppe cylindrique (1) présentent des entrées et sorties des fibres optiques (2) ne sont pas alignés longitudinalement. Procédé d’installation d’une ligne d’au moins une fibre optique protégée par un tube métallique dans un environnement à haute température caractérisé en ce que l’on intègre sur ladite ligne au moins un boitier de compensation thermique comprenant une enveloppe cylindrique (1) métallique définissant une surface intérieure de diamètre D B , fermée par deux faces frontales (6, 7) et un enroulement d’au moins une fibre optique de diamètre extérieur d F , le diamètre D B étant compris entre 4 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique et 15 fois le diamètre extérieur d F de ladite moins une fibre optique. Procédé d’installation d’une ligne d’au moins une fibre optique protégée par un tube métallique selon la revendication 5 caractérisé en ce que des tubes (4, 5) sont soudés ou brasés sur lesdites faces frontales (6, 7). Procédé d’installation d’une ligne d’au moins une fibre optique protégée par un tube métallique selon la revendication 5 caractérisé en ce que lesdites lignes de tubes de fibres optiques sont assemblées et scellées en production à température ambiante.