ES2968916T3 - Recintos de aguas profundas para iluminación e imagen - Google Patents

Abstract

Se describen recintos para océanos profundos u otros entornos exteriores de alta presión que incluyen una ventana de domo con una medida angular de entre 164 y 178 grados, una estructura de alojamiento, un anillo de soporte de domo y un material de cumplimiento colocado entre el anillo de soporte de domo y la carcasa. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Recintos de aguas profundas para iluminación e imagen

Campo

La presente divulgación se refiere en general a recintos ópticos para su uso en entornos de aguas profundas para iluminación y/o imagen. Más específicamente, pero no exclusivamente, la presente divulgación se refiere a recintos ópticos que incluyen puertos de cúpula, anillos de soporte de cúpula, y/o carcasas que incluyen características para mejorar la resistencia y durabilidad para sobrevivir mejor a los ciclos repetidos entre presiones bajas y altas en el océano profundo u otros entornos de alta presión exterior.

Antecedentes

Los recintos ópticos sumergibles para cámaras y luces son bien conocidos en la técnica. Los recintos ópticos típicos incluyen una carcasa estructural e impermeable en la cual se colocan cámaras y/o luces. Un puerto/ventana transparente fijado a o integral con la carcasa permite la entrada o salida de luz del recinto para aplicaciones de iluminación y/o imagen. Estos recintos en general incluyen juntas tóricas u otros elementos de sellado y puertos para mantener el agua u otros fluidos fuera, a la vez que permiten la apertura de o el acceso al interior de la carcasa para el mantenimiento, la carga de la batería, la descarga de imágenes, vídeo, o datos, y similares.

La mayoría de los recintos ópticos sumergibles de la técnica están diseñados para su uso en aguas poco profundas (es decir, menos de aproximadamente 10 pies (3,048 metros) o profundidad) o para entornos de alta humedad y/o baja presión. Como tales, estos recintos no están sujetos a las presiones más altas que se encuentran a profundidades de decenas de pies, cientos de pies o, en algunas aplicaciones, miles de pies en el océano profundo. Las tensiones externas a los recintos debido a las altas presiones en entornos de aguas muy profundas (por ejemplo, a profundidades por debajo de 1,000 metros) son extremas, y requieren diseños mecánicos sofisticados para soportar la rotura y la implosión, particularmente para dispositivos diseñados para ciclos repetidos dentro y fuera de aguas profundas.

Los recintos típicos para una piscina o bañera de hidromasaje (típicamente diseñados para profundidades de 10-15 pies (3,048 - 4,572 metros) o menos) tendrán fugas y/o fallarán por completo a profundidades de más de unas pocas decenas de pies (un pie son 30,48 cm). Estos tipos de recintos comunes de aguas poco profundas implosionarán instantáneamente si se someten a presiones oceánicas profundas, con consecuencias potencialmente catastróficas para otros dispositivos o equipos cercanos (por ejemplo, vehículos operados por control remoto (ROVs), instrumentación, etc.). Como tales, son totalmente inadecuados para la exploración del el océano profundo u otras operaciones del océano profundo, tales como la perforación de petróleo o la minería, o en otros entornos de alta presión.

Para quienes no estén familiarizados con la técnica de la ingeniería óptica del océano profundo, los recintos para su uso en entornos de aguas profundas pueden compartir superficialmente algunos atributos con los recintos utilizados en piscinas u otros entornos de aguas poco profundas o en lugares húmedos o mojados. Sin embargo, a diferencia de los recintos ópticos de aguas poco profundas, los recintos de aguas profundas deben ser capaces de sobrevivir a las tensiones sustanciales resultantes de las presiones en profundidad, así como, en muchas aplicaciones, los frecuentes ciclos de presión desde la superficie hasta la profundidad y hacia atrás. Estas tensiones se aplican tanto a la propia carcasa como a las uniones entre elementos de la carcasa y superficies de asiento o acoplamiento con otros elementos (por ejemplo, puertos ópticos), así como con elementos intermedios, costuras, conectores, otras discontinuidades, puntos débiles, y en otros lugares donde se unen materiales diferentes. Además de los cambios variables en las propiedades de los materiales debidos a las variaciones de presión, los cambios de temperatura también pueden resultar de diferentes propiedades de los materiales, lo cual puede aumentar las tensiones en las juntas u otros límites de los materiales cuando se somete el recinto a variaciones de temperatura durante su uso.

Soportar presiones externas en profundidad es un requisito crítico de cualquier recinto o dispositivo óptico de aguas profundas. La presión hidrostática aumenta considerablemente en entornos de aguas profundas en relación con entornos de aguas poco profundas o a nivel de la superficie. Por ejemplo, las presiones del aire y del agua en la superficie del mar son de alrededor de 1 atmósfera o 15 PSI. Sin embargo, la presión aumenta aproximadamente 1 atmósfera/15 PSI por cada 10 metros de profundidad por debajo de la superficie. En consecuencia, a 1000 metros, las presiones externas son aproximadamente 100 veces las de la superficie. A profundidades oceánicas máximas de alrededor 10,000 metros, las presiones externas son aproximadamente 1,000 veces las de la superficie. Esto requiere un alto grado de destreza y conocimiento de las propiedades de los materiales y otros parámetros físicos, así como de la óptica y otras disciplinas, con el fin de diseñar recintos y componentes asociados con bajo riesgo de fallo.

Otras tensiones, tales como los cambios de temperatura durante el uso, las características del agua (por ejemplo, la acidez, la salinidad, etc.) y otras variables ambientales pueden causar más tensiones en los recintos ópticos durante el uso en océano profundo (o en otros entornos similares, tales como los sistemas fluídicos de alta presión, etc.).

Los recintos de océano profundo tienden a ser diferentes de los de uso para aguas poco profundas en varios aspectos.

Por ejemplo, a menudo se utilizan materiales de alta resistencia para los recintos de aguas profundas, así como paredes de carcasa más gruesas, formas de carcasa redondeadas, y similares. Las superficies de asiento en la carcasa o en los puertos o ventanas del recinto pueden pulirse para eliminar pequeños defectos y/o tratarse para reforzarlas. Algunos recintos ópticos utilizan ventanas planas, mientras que otros, para entornos de mayor presión, utilizan una ventana de cúpula.

Los recintos ópticos existentes para uso en aguas profundas dejan margen de mejora en cuanto a robustez y capacidad para sobrevivir a las tensiones y presiones de los entornos de aguas profundas. Además, los problemas de robustez se complican con el creciente interés por alojar cámaras físicamente grandes y ópticas asociadas más grandes y complejas, tales como las utilizadas en cámaras de ultra alta definición (por ejemplo, cámaras 4K o de mayor resolución). Las cámaras y lentes más grandes y complejos suelen requerir recintos y ventanas/puertos más grandes, y la precisión en la óptica se vuelve cada vez más importante con dispositivos de imagen de mayor resolución.

En consecuencia, diversas realizaciones de la presente invención abordan los problemas descritos anteriormente y otros problemas en la técnica de la imagen y la iluminación de aguas profundas.

El documento CN206100226 U describe una cámara subacuática. La carcasa sellada incluye un cilindro, una cubierta de extremo superior, una lámpara LED, una cubierta semiesférica transparente, una lámina de prensado, una cubierta de extremo exterior, una cubierta de cola, una armella, y un conector estanco, y una cubierta semiesférica transparente. El cuerpo de cilindro, la cubierta de extremo exterior y la cubierta de cola constituyen una carcasa sellada. La cubierta de extremo superior y el cuerpo de cilindro se atornillan y fijan en el extremo delantero del cuerpo de cilindro. Varias luces LED se distribuyen en la cubierta de extremo superior formando un anillo; la cubierta de extremo exterior pasa a través de la cubierta semiesférica transparente y se sobrepresiona secuencialmente. Luego, la lámina y el borde inferior de la cubierta hemisférica transparente se conectan de manera roscada al exterior del cilindro, y se sella la cara de extremo de la conexión entre el cilindro y la cubierta semiesférica transparente; la cubierta de cola se fija axialmente en la parte inferior del cilindro y la conexión entre la cubierta de cola y el cilindro se sella radialmente, conector estanco. La rosca del tornillo está sellada y fijada en el centro de la parte inferior de la carcasa sellada. Al menos 3 armellas están dispuestas en la cubierta de cola alrededor del conector estanco, y la lámpara de iluminación está incorporada para reducir el coste, la posibilidad de fugas de agua y la dificultad de ensamblaje.

El documento JP2007159097A describe una carcasa para alojar una cámara de cúpula, una cámara omnidireccional que incluye un miembro reflectante que tiene una forma sustancialmente hemisférica, una forma cónica, y un dispositivo de imagen, y un dispositivo de cámara que utiliza la carcasa.

El documento JPH08321975A describe un sistema de cámara que está constituido de una cámara de monitor subacuático, motores, una cúpula semiesférica transparente, una placa estacionaria y una ventosa o similar y el sistema está montado sobre una cara de pared en un tanque de agua en el cual el agua se pone por la ventosa. El motor impulsa la cámara de monitor subacuático alrededor de un árbol vertical y el motor impulsa la cámara alrededor del árbol horizontal para permitir que la cámara de monitor subacuático capte una imagen en el tanque de agua en todas las direcciones. Cuando se instala el sistema, la ventosa está en contacto de prensa con la cara de pared del tanque de agua, se tira de un botón para formar un espacio entre la cara de pared y la ventosa para permitir que una presión negativa adsorba la cámara. Por lo tanto, el sistema se monta en una posición opcional en el tanque de agua y el sistema se monta/desmonta fácilmente sin necesidad de utilizar ninguna herramienta especial.

Sumario

La presente divulgación se refiere a recintos ópticos para su uso en entornos de aguas profundas. Más específicamente, pero no exclusivamente, la presente divulgación se refiere a recintos ópticos con resistencia y durabilidad mejoradas para sobrevivir a entornos de aguas profundas para alojar componentes de cámara y/o iluminación, tales como cámaras fijas o de vídeo y LED u otros elementos de iluminación.

Los recintos ópticos sumergibles de aguas profundas de acuerdo con aspectos de la presente divulgación pueden incluir una cúpula óptica transparente de soporte de presión que tiene una medida angular de aproximadamente 174 grados. La cúpula óptica puede estar asentada en y acoplada a una carcasa que tenga un interior hueco, y se puede posicionar un c o un espaciador entre la carcasa y la cúpula. La carcasa puede contener dispositivos o sistemas tales como antenas de RF y/o cámaras y/o iluminación, y puede estar típicamente diseñada para su uso en entornos de océano profundo en o por debajo de 1,000 metros.

El anillo de soporte de cúpula intermedio puede tener caras anulares opuestas que son sustancialmente planas y paralelas, con secciones de diferente grosor radial de tal manera que una sección más cercana a la ventana de cúpula esté estructurada para coincidir estrechamente a la rigidez radial de la ventana de cúpula, y una sección más cercana a la carcasa está sintonizada para permitir desplazamientos coincidentes del anillo de soporte de cúpula a los de la ventana de cúpula. Los desplazamientos sustancialmente coincidentes pueden utilizarse para minimizar las tensiones de tracción en la interfaz entre la ventana de cúpula y otros componentes en los cuales se soporta la ventana de cúpula cuando está bajo cargas de alta presión.

Las superficies de las caras anulares del anillo de soporte de cúpula pueden estar texturizadas con características para bloquear una capa de material de conformidad posicionada entre el anillo de soporte de cúpula y la cúpula. Las realizaciones de recintos ópticos pueden incluir además uno o más elementos de acoplamiento que unen y aseguran entre sí la carcasa y la ventana de cúpula, con el soporte de cúpula asegurado entre las mismas, así como sellos para evitar la entrada de agua.

Diversos aspectos, detalles, características, y funciones adicionales se describen más adelante junto con las figuras de dibujo adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

La presente divulgación puede apreciarse más completamente en conexión con la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1Ailustra detalles de una realización de un recinto óptico de aguas profundas.

La Figura 1Bilustra un conjunto de tapa de extremo de la realización de laFigura 1A.

La Figura 2ilustra una realización de una ventana de cúpula.

La Figura 3ilustra una vista en despiece de detalles de la realización de recinto óptico de laFigura 1A.La Figura 4ilustra una vista en sección de detalles de la realización de recinto óptico de laFigura 1Aa lo largo de la línea 4-4.

La Figura 5es una vista en sección de la sección 5 de la realización de laFigura 4.

La Figura 6Ailustra detalles de una realización de un anillo de soporte de cúpula con una superficie de asiento texturizada.

La Figura 6Bes una fotografía de la superficie de asiento texturizada de la realización de laFigura 6Abajo ampliación de cuarenta y cinco (45) veces.

La Figura 7ilustra los detalles de una realización de un recinto óptico en un vehículo subacuático operado por control remoto (ROV) en un entorno de océano profundo.

La Figura 8ilustra detalles de otra realización de un entorno óptico de aguas profundas.

La Figura 9Ailustra una vista en despiece de detalles de la realización de recinto óptico de laFigura 8.La Figura 9Bilustra una vista en sección de detalles de la realización de recinto óptico de la Figura 8 a lo largo de la línea 9B - 9B.

La Figura 9Cilustra una vista en sección de detalles de la sección 9C de la realización de laFigura 9B.Descripción detallada de las realizaciones

Visión general

La presente divulgación se refiere en general a recintos ópticos para su uso en aguas profundas u otros entornos de alta presión externa. Más específicamente, pero no exclusivamente, la presente divulgación se refiere a recintos ópticos con resistencia mejorada y materiales mecánicos novedosos, combinaciones, y características para sobrevivir en entornos de aguas profundas para alojar imágenes, sensores e instrumentación, y/o componentes de iluminación. En las patentes y solicitudes de patente coasignadas se describen diversos detalles de los recintos ópticos que pueden utilizarse en realizaciones adicionales de dispositivos o sistemas en conjunción con las divulgaciones aquí contenidas: La Patente de los Estados Unidos 6,697,102, expedida el 24 de febrero de 2004titulada BORE HOLE CAMERA WITH IMPROVED FORWARD AND SIDE VIEW ILLUMINATION; la Patente de los Estados Unidos 7,044,623, expedida el 16 de mayo de 2006 titulada THRU-HULL LIGHT; la Solicitud de Patente de los Estados Unidos 12/844,759, presentada el 27 de julio de 2010, titulada SUBMERSIBLE LED LIGHT FIXTURE WITH MULTIPLE STACK FOR PRESSURE TRANSFER; la Patente de los Estados Unidos 8,033,677, expedida el 11 de octubre de 2011, titulada DEEP SUBMERSIBLE LIGHT WITH PRESSURE COMPENSATION; la Patente de los Estados Unidos 8,167,468, expedida el 1 de mayo de 2012titulada LED LIGHT FIXTURES WITH HEAT DISSIPATION; la Patente de los Estados Unidos 8,172,434, expedida el 8 de mayo de 2012titulada SUBMERSIBLE MULTI-COLOR LED ILLUMINATION SYSTEM; la Solicitud de Patente de los Estados Unidos 13/668,640, presentada el 5 de noviembre de 2012titulada FLOTATION DEVICES FOR HIGH PRESSURE ENVIRONMENTS; la Patente de los Estados Unidos 8,616,725, expedida el 31 de diciembre de 2013titulada LED SPHERICAL LIGHT FIXTURES WITH ENHANCED HEAT DISSIPATION; la Patente de los Estados Unidos 8,616,734, expedida el 31 de diciembre de 2013titulada LED ILLUMINATION DEVICES AND METHOD; la Patente de los Estados Unidos 8,632,230, expedida el 21 de enero de 2014, titulada DEEP SUBMERSIBLE LIGHT WITH PRESSURE COMPENSATION; la Patente de los Estados Unidos 9,151,484, presentada el 6 de octubre de 2015, titulada LED LIGHTING DEVICES AND SYSTEMS FOR MARINE AND SHORELINE ENVIRONMENTS; la Solicitud de patente de los Estados Unidos 14/913,905, presentada el 23 de febrero de 2016, titulada LED LIGHTS WITH SERVICEABLE CONNECTOR AND INTERNAL WATER BARRIER FOR DEEP WATER USE; la Solicitud de patente de los Estados Unidos 15/069,953, presentada el 14 de marzo de 2016, titulada SUBMERSIBLE LIGHT FIXTURE WITH MULTILAYER STACK FOR PRESSURE TRANSFER; la Patente de los Estados Unidos 9,285,109, expedida el 15 de marzo de 2016, titulada SUBMERSIBLE LIGHT FIXTURE WITH MULTILAYER STACK FOR PRESSURE TRANSFER; la Patente de los Estados Unidos 9,316,387, expedida el 19 de abril de 2016, titulada LED LIGHT DEVICES WITH ENHANCED HEAT DISSIPATION; la Patente de los Estados Unidos 9,388,973, expedida el 12 de julio de 2016, titulada SUBMERSIBLE LIGHTS WITH PRESSURE COMPENSATION; la Solicitud de patente de los Estados Unidos 15/231,454, presentada el 8 de agosto de 2016, titulada SEMICONDUCTOR LIGHTING DEVICES AND METHODS; la Patente de los Estados Unidos 9,416,957, expedida el 16 de agosto de 2016 titulada SEMICONDUCTOR LIGHTING DEVICES AND METHODS; la Patente de los Estados Unidos 9,429,301, expedida el 30 de agosto de 2016titulada SEMICONDUCTOR LIGHTING DEVICES AND METHODS; la Solicitud de patente de los Estados Unidos 15/362,609, presentada el 28 de noviembre de 2016, titulada LED LIGHTS FOR DEEP OCEAN USE; la Solicitud de patente de los Estados Unidos 15/352,700, presentada el 16 de noviembre de 2016 titulada SEMICONDUCTOR LIGHTING DEVICES AND METHODS; la Patente de los Estados Unidos 9,506,628, expedida el 29 de noviembre de 2016titulada SEMICONDUCTOR LIGHTING DEVICES AND METHODS; la Patente de los Estados Unidos 9,512,988, expedida el 6 de diciembre de 2016titulada LED LIGHT FIXTURES WITH ENHANCED DISSIPATION; la Solicitud de patente de los Estados Unidos 15/431,588, presentada el 13 de febrero de 2017, titulada LIGHT FIXTURES WITH INTERNALLY LOADED MULTILAYER STACK FOR PRESSURE TRANSFER; la Patente de los Estados Unidos 9,574,760, expedida el 21 de febrero de 2017, titulada LIGHT FIXTURES WITH INTERNALLY LOADED MULTILAYER STACK FOR PRESSURE TRANSFER; la Solicitud de patente provisional de los Estados Unidos 62/515,492, presentada el 5 de junio de 2017, titulada DEEP WATER ENCLOSURES FOR LIGHTING AND IMAGING; la Solicitud de patente provisional de los Estados Unidos 62/545,953, presentada el 15 de agosto de 2017, titulada UNDERWATER VIDEO HOUSING WITH LIGHT CONTAMINATION MITIGATION; la Solicitud de patente provisional de los Estados Unidos 62/561,144, presentada el 20 de septiembre de 2017, titulada UNDERWATER VIDEO HOUSING WITH LIGHT CONTAMINATION MITIGATION; la Solicitud de patente de los Estados Unidos 15/797, 920, presentada el 30 de octubre de 2017, titulada PRESSURE RELIEF VALVES FOR UNDERWATER USE; y la Solicitud de patente de los Estados Unidos 15/894,868, presentada el 12 de febrero de 2018, titulada UNDERWATER LIGHTS WITH PORT WINDOWS INCLUDING LENS FEATURES FOR PROVIDING TAILORED OUTPUT BEAMS. El contenido de cada una de las solicitudes de patente y patentes descritas anteriormente puede denominarse en la presente memoria colectivamente “solicitudes coasignadas”.

Los recintos de aguas profundas tradicionales utilizan cúpulas con un ángulo de 180 grados (es decir, una forma semiesférica) o, en algunos casos, con un ángulo mucho más pequeño, típicamente del orden de 120 grados (lo cual tiene la desventaja de limitar el campo de visión fuera de la cúpula). Una ventaja novedosa y no obvia de la presente invención es que con el uso de cúpulas de vidrio que tienen un ángulo de entre aproximadamente 164 grados y 178 grados (en una realización ejemplar 174 grados más o menos 2 grados), el diámetro de la cúpula no tiene (por ejemplo, a 180 grados) a mínimo (por ejemplo, a 164 grados) cambio/deflexión cuando se somete a carga. En diámetros más pequeños puede existir una deflexión significativa, lo cual puede afectar negativamente a la integridad estructural y/o al sellado de la cúpula a una carcasa asociada o a un elemento intermedio tal como un anillo de asiento. Sin embargo, las cúpulas de vidrio para aplicaciones de alta presión con una medida angular de 180 grados son típicamente difíciles de fabricar y, por lo tanto, no se utilizan normalmente en la técnica. Mediante la reducción de la dimensión angular de la cúpula a algo menos de 180 grados, particularmente junto con características adicionales como se describe más adelante, se pueden fabricar recintos novedosos y no obvios con características de rendimiento mejoradas.

Cuando se utilizan cúpulas con una dimensión angular de menos de 180 grados, el asiento de cúpula puede inclinarse/rotar (con respecto a una carcasa o elemento de asiento intermedio correspondiente) dependiendo de la medida angular de la cúpula. Por ejemplo, el asiento de una cúpula de vidrio con una dimensión angular de 180 grados se inclinará/rotará mínimamente, mientras que, el asiento de una cúpula de vidrio con una dimensión angular de 164 grados puede inclinarse/rotarse mucho más, causando posibles fracturas, fugas, etc. a partir de la superficie de acoplamiento. Este problema de rotación de asiento puede compensarse inventivamente en cúpulas con dimensiones angulares de menos de 180 grados (por ejemplo, 164-178) añadiendo una capa de conformidad entre la superficie de asiento de cúpula y la superficie de asiento de un elemento asociado. También se pueden utilizar características adicionales, como las que se describen más adelante, junto con una capa de conformidad.

En una realización ejemplar, la capa de conformidad puede comprender un material de aproximadamente 5-10 miles de pulgada (0,127 - 0,254 miles de metros), (una pulgada son 2,54 cm) de grosor de un material polimérico (por ejemplo, película de poliamida Kapton™, poliéster, u otros plásticos). La capa de conformidad se puede utilizar ventajosamente para compensar los defectos de superficie en las superficies de contacto entre los elementos del recinto. Por ejemplo, sin el uso de una capa de material de conformidad entre una cúpula de vidrio y carcasas de metal o elementos intermedios, cuando se somete a alta presión (por ejemplo, 20-30.000 PSI de presión en la interfaz) pequeñas irregularidades de superficie o contaminantes (por ejemplo, polvo de otras partículas, etc.) pueden causar fracturas de superficie e inyectar fracturas más profundas en el material de vidrio, causando potencialmente una implosión catastrófica.

Además, si existen ligeros desajustes entre el vidrio y la carcasa o las caras de asiento de superficie de elemento intermedio, las secciones de asiento contiguas pueden bloquearse. Si las secciones se bloquean, incluso una pequeña cantidad de desplazamiento relativo de una cúpula debido a la carga puede hacer que se inyecten tensiones de tracción en el vidrio, resultando en un inicio de fractura y en un posible fallo catastrófico. Utilizando una capa de conformidad, se puede mitigar el bloqueo de la cúpula de vidrio a la carcasa o a los elementos intermedios, y la cúpula de vidrio puede moverse ligeramente con respecto a la carcasa y/o a los elementos intermedios para evitar tensiones que puedan resultar en la fractura del vidrio. Cabe señalar que la capa de conformidad se utiliza funcionalmente para reducir o eliminar tensiones, en lugar de como una junta de sellado entre superficies, aunque en algunas realizaciones se puede utilizar para ambos propósitos.

Además, en realizaciones típicas puede ser deseable bloquear la capa de conformidad a la superficie de acoplamiento de elemento intermedio (o en algunas realizaciones a la carcasa) de modo que el material de capa de conformidad no se mueva cuando se someta a ciclos de presión repetidos. Mediante la creación de características de bloqueo de superficie en la superficie de acoplamiento (lo cual normalmente sería altamente indeseable con un contacto directo vidrio-metal debido al mecanismo de fractura causado por el bloqueo como se ha descrito anteriormente), el material de capa de conformidad puede bloquearse mecánicamente en un lado a las características en la superficie de asiento cuando se somete a cargas de compresión. Esto ayuda a limitar el deslizamiento de la capa de conformidad con respecto al elemento intermedio o la carcasa, a la vez que permite que la cúpula se mueva ligeramente con respecto a la carcasa.

En una realización de recinto ejemplar, una cúpula de aproximadamente 174 grados puede acoplarse a un elemento de carcasa o elemento intermedio, tal como un anillo anular de asiento o soporte, con un material de conformidad entre ambos, y la superficie de acoplamiento/asiento de la carcasa o superficie de acoplamiento de asiento puede grabarse o procesarse de otro modo para incluir pequeñas características de rugosidad tales como estructuras, gofrado, grabado, y similares para bloquear o retener el material de capa de conformidad en el metal durante las deflexiones/movimientos inducidos de carga causados por ciclos repetidos de presurización y despresurización.

En una realización ejemplar, un anillo de asiento anular (por ejemplo, de acero inoxidable 17-4 con un módulo de Young de 35 millones de PSI o un material con propiedades similares) puede posicionarse entre una cúpula de vidrio que tenga una medida angular de aproximadamente 174 grados (por ejemplo, una cúpula de vidrio de un material de vidrio que tenga un módulo de 10 millones de PSI) y una carcasa (por ejemplo, de un material de titanio que tenga un módulo de 16,5 millones de PSI). El anillo de asiento puede ser escalonado o tener de otro modo forma para distribuir la presión de manera sustancialmente uniforme a través del anillo durante la carga para evitar el fallo del material de conformidad cuando la cúpula se inclina (es decir, dependiendo de la medición angular, la cúpula puede inclinarse durante la carga de tal manera que el lado interior de la superficie de asiento aplica significativamente más presión al material de conformidad que el lado exterior, lo cual puede resultar en aplastamiento / trituración del material de conformidad y el fallo debido a la fractura por tensión en el vidrio).

La presión aplicada a la capa de material de conformidad (por ejemplo, típicamente clasificada en el orden de 30,000 PSI antes del fallo, mientras que los materiales de vidrio y metálicos pueden soportar 100,000 PSI o más antes del fallo) puede controlarse a través de una cuidadosa conformación y configuración de las superficies de interfaz y la estructura asociada, de modo que la presión a través de la interfaz de asiento se distribuya de manera aproximadamente uniforme, y de modo que no existan puntos o áreas de alta presión en la interfaz de asiento cuando la cúpula, la carcasa, y el anillo de asiento intermedio estén cargados. La coincidencia de los coeficientes de expansión térmica en el material (por ejemplo, estando dentro de una tolerancia preseleccionada tal como el 1 por ciento, el cinco por ciento, el 10 por ciento, etc.) también se puede utilizar para minimizar las diferencias térmicamente inducidas en las tensiones debidas a la expansión o contracción desigual de los diferentes elementos (por ejemplo, cuando se pasa de temperaturas de superficie de océano de 70-80 grados Fahrenheit (aproximadamente 21 a 27 grados Celsius) a temperaturas de aguas profundas de 40 grados (aproximadamente 4 grados Celsius) o inferiores).

En diversas realizaciones, los recintos ópticos sumergibles de aguas profundas de acuerdo con la presente divulgación pueden incluir una ventana transparente de cúpula de soporte de presión, también denominada en la presente memoria “cúpula óptica” o “ventana de cúpula óptica” o “cúpula” o “ventana” o “ventana de cúpula”, la cual puede estar asentada en una carcasa que tiene un interior hueco, con un anillo de soporte de cúpula intermedio (también denominado “anillo de asiento” o “anillo de soporte” por brevedad) posicionado entre la carcasa y la ventana de cúpula óptica. Se pueden utilizar formas, materiales, y características de contorno novedosas para la ventana, el anillo de soporte, y la carcasa de presión.

Se puede utilizar el recinto para alojar diversos equipos, que incluyen sensores, baterías u otros suministros de potencia, imagen, y/o dispositivos de luz/iluminación para iluminar, visualizar, detectar, y/o grabar información, imágenes, y/o vídeo en un área de trabajo, tal como en el océano profundo Las áreas de trabajo típicas son entornos de océano profundo en o por debajo de 1,000 metros; sin embargo, se pueden utilizar otras realizaciones en aplicaciones alternativas en las que el recinto se somete a una presión ambiental externa alta, tal como en un pozo profundo, un contenedor presurizado u otro entorno presurizado intencionadamente, y similares.

El anillo de soporte de cúpula puede tener caras anulares opuestas que son sustancialmente planas y paralelas, y pueden ser pulidas o alisadas de otro modo para proporcionar una superficie altamente alisada. El anillo de soporte de cúpula puede tener regiones de diferente grosor radial para compensar las variaciones de carga/tensión. Por ejemplo, el grosor puede variar de tal manera que una región más cercana a la ventana de cúpula puede ser de un material y forma que se asemeje mucho a la rigidez radial de la ventana de cúpula, y de tal manera que las diferentes regiones estén proporcionadas para proporcionar desplazamientos coincidentes con los de las correspondientes áreas de la ventana de cúpula bajo una gran carga hidrostática (por ejemplo, debido a la alta presión ambiental externa aplicada a la superficie externa de la ventana de cúpula). Los recintos ópticos descritos en la presente memoria pueden incluir además uno o más elementos de acoplamiento que unen y aseguran la carcasa y la ventana de cúpula con un elemento de transición de soporte de cúpula asegurado entre ellos.

En otro aspecto, la carcasa de recinto puede tener una sección inclinada hacia el interior para alojar los desplazamientos de la cúpula y del anillo de soporte de cúpula debido al movimiento/rotación de la cúpula y/u otro anillo de soporte bajo carga hidrostática.

En otro aspecto, el recinto puede incluir una película de conformidad posicionada entre la ventana de cúpula y el anillo de soporte de cúpula. La película de conformidad puede comprender un material que tenga un valor de módulo de Young inferior al de la ventana o al del anillo de soporte de cúpula. El anillo de soporte de cúpula también puede estar texturizado, por ejemplo, con características de superficie pequeñas o microdimensionadas, a lo largo de la superficie que interactúa con la capa de película de conformidad para ayudar a bloquear la película de conformidad en su lugar cuando se somete a la carga a partir de la presurización de la ventana de cúpula, la carcasa, y/o el anillo de soporte. La superficie puede estar conformada con características repetidas de elevación y descenso para bloquear, debido a la fricción, la capa de conformidad con el anillo de soporte de cúpula.

En otro aspecto, la forma y geometría de la ventana de cúpula y el anillo de soporte de cúpula pueden configurarse para permitir una uniformidad sustancial de la presión en el asiento de la ventana de cúpula y evitar áreas de alta presión que podrían mover o dañar el material de conformidad. Al proporcionar una uniformidad sustancial de la presión en el asiento de ventana de cúpula, se puede evitar aún más que la película de conformidad se mueva o se desplace de otro modo, o se destruya, durante la carga extrema aplicada a la ventana, al anillo de soporte, y/o la carcasa causada por una alta presión externa.

En otro aspecto, la ventana de cúpula óptica se puede procesar para reforzarla para proporcionar una mayor integridad estructural y durabilidad. El refuerzo de la ventana de cúpula óptica puede realizarse, por ejemplo, mediante pulido mecánico, grabado de ácido fluorhídrico u otro ácido, pulido de llama, grabado fotolitográfico, intercambio iónico u otro refuerzo químico, u otros procedimientos conocidos o desarrollados en la técnica.

En otro aspecto, la ventana de cúpula óptica puede tener bordes biselados a lo largo de la superficie de asiento en los lados interior y/o exterior.

En otro aspecto, la ventana de cúpula y el anillo de soporte de cúpula pueden estar conformados de tal manera que, si una región de contacto mutuo de cualquiera de los elementos es cargada por una presión hidrostática de fuerza total equivalente, cada una independiente de la influencia de la otra, se movería, rotaría, y desplazaría de otro modo de manera complementaria.

En otro aspecto, la ventana de cúpula puede tener una medida de arco de sección transversal modelada para permitir el desplazamiento coincidente de las áreas de asiento de ventana y de asiento de carcasa bajo una alta carga hidrostática. En una realización ejemplar, la ventana de cúpula puede tener un ángulo de arco de sección transversal de aproximadamente 174 grados. Otras realizaciones pueden utilizar ángulos de arco de sección transversal de entre aproximadamente 164 grados y aproximadamente 180 grados.

Diversos aspectos, detalles, características, y funciones adicionales se describen más adelante junto con las figuras adjuntas.

Las siguientes realizaciones ejemplares se proporcionan con el propósito de ilustrar ejemplos de diversos aspectos, detalles, y funciones de aparatos y sistemas; sin embargo, las realizaciones descritas no pretenden ser en modo alguno limitativas. Será evidente para un experto en la técnica que diversos aspectos pueden implementarse en otras realizaciones dentro del espíritu y ámbito de la presente divulgación.

Cabe señalar que, tal como se utiliza en la presente memoria, el término “ejemplar” significa “que sirve como ejemplo, instancia, o ilustración” Cualquier aspecto, detalle, función, implementación, y/o realización descrita en la presente memoria como “ejemplar” no debe interpretarse necesariamente como preferente o ventajosa sobre otros aspectos y/o realizaciones.

Realizaciones de ejemplo

Los recintos ópticos existentes para aplicaciones de aguas profundas, tales como la exploración de océano profundo, la minería, la perforación de petróleo, y similares, no compensan los movimientos diferenciales de tipo desplazamiento y rotación de las ventanas de cúpula ópticas con respecto a sus carcasas debido a propiedades no coincidentes del material bajo carga hidrostática, así como a las variaciones de temperatura y otras tensiones experimentadas en entornos de aguas profundas. Las diferencias en la relación de Poisson, el módulo, el coeficiente de expansión térmica, y otras propiedades de los materiales de la ventana y la carcasa pueden resultar en movimientos diferenciales de la ventana con respecto a la carcasa contigua en entornos de aguas profundas. Del mismo modo, la presión hidrostática sobre una ventana de cúpula puede resultar en un movimiento de tipo rotacional de la cúpula con respecto al asiento en la carcasa. Tales movimientos diferenciales de una ventana con respecto a una carcasa asociada pueden desplazar las áreas de contacto que soportan la carga entre la carcasa y la ventana, lo que en última instancia resulta en la rotura y el fallo de la ventana y la implosión catastrófica del recinto en profundidad. Diversas realizaciones descritas en la presente memoria abordan estas deficiencias, así como otras, proporcionando recintos ópticos mejorados para uso en aguas profundas/alta presión.

La Figura 1A ilustra una realización de un recinto 100 óptico de aguas profundas de acuerdo con determinados aspectos. El recinto 100 óptico puede incluir un bisel 110 de cúpula el cual puede asegurarse a un retenedor 120 de bisel de cúpula el cual posiciona y sujeta indirectamente una ventana 130 de cúpula óptica a una carcasa 140 estructural cilíndrica. En otras realizaciones, otras geometrías y/o mecanismos de fijación pueden asegurar la cúpula óptica y el anillo de soporte de cúpula en su lugar con respecto a una carcasa, además de o en lugar del bisel 110 de cúpula y el retenedor 120 de bisel de cúpula, como se ilustra en la Figura 1A.

En las realizaciones de recinto óptico descritas en la presente memoria, la cúpula óptica, tal como la cúpula 130 óptica de las Figuras 1A y 2, puede ser una ventana sustancialmente en forma de cúpula que es una porción planamente recortada o truncada de un hemisferio. Las cúpulas ópticas, que son una porción planamente truncada de un hemisferio, pueden tener una medida o dimensión de arco de sección transversal definida como la medida del segmento de arco formado a lo largo de la superficie interior de la cúpula óptica en un plano que biseca la cúpula óptica, en el que el segmento de arco está limitado por el truncamiento del hemisferio en cualquier extremo del arco de sección transversal.

En la realización 100 de recinto óptico, la cúpula 130 óptica puede ser una cúpula de vidrio con una medida de arco de sección transversal de 174 grados como se ilustra con más detalle en la Figura 2. La cúpula 130 óptica puede tener un diámetro interior de asiento (también denominado en la presente memoria “ ID de asiento” o “ ID” por brevedad) que mide 106 mm, y un diámetro exterior de anillo de asiento o soporte (también denominado en la presente memoria “OD de anillo de asiento o soporte” o “OD” por brevedad) que mide 138 mm. En otras realizaciones, se pueden utilizar diferentes medidas para el ID de asiento y el OD de anillo de asiento, lo que resulta en diferentes grosores de vidrio u otros materiales de cúpula.

La diferencia en el ID de asiento y el OD de anillo de asiento puede requerir alteraciones en las geometrías y/o materiales del anillo de soporte de cúpula de modo que el anillo de soporte de cúpula y la cúpula óptica tengan movimientos y desplazamientos sustancialmente coincidentes o de otro modo complementarios de las correspondientes regiones de contacto bajo carga hidrostática.

La cúpula 130 óptica de vidrio, así como otras realizaciones de cúpula, pueden reforzarse mediante diversos procedimientos de refuerzo. Como se utiliza en la presente memoria, los términos “vidrio reforzado” o “reforzado”, en relación con el vidrio u otros materiales de cúpula, se refieren a cualquier proceso o procedimiento utilizado para mejorar la resistencia del vidrio u otros materiales de cúpula óptica. Los procedimientos o procedimientos de refuerzo pueden incluir, pero no limitarse al, pulido mecánico, el grabado de ácido fluorhídrico u otro ácido, el pulido de llama, el intercambio iónico u otro refuerzo químico, u otros procedimientos similares.

La cúpula 130 óptica de vidrio, así como otras realizaciones de cúpula, pueden incluir además bordes biselados como se ilustra en la Figura 2 y la Figura 5. Como se describe posteriormente en la presente memoria, la medida del arco de sección transversal (por ejemplo, 174 grados en una realización) puede elegirse de modo que la cúpula 130 óptica tenga una rigidez radial similar a la de un área correspondiente en el soporte de cúpula o anillo 350 de asiento (como se muestra en las Figuras 3 - 5) en el cual se asienta la cúpula 130, permitiendo que la cúpula 130 óptica tenga desplazamientos coincidentes con el anillo 350 de soporte de cúpula bajo carga hidrostática.

En otras realizaciones, las cúpulas ópticas pueden estar hechas de otro material transparente o parcialmente transparente de alta resistencia, tal como acrílico, zafiro, o similar para proporcionar claridad óptica para el paso de la luz, así como resistencia mecánica, tal como, por ejemplo, resistencia a la presión externa requerida para aplicaciones de océano profundo. Las realizaciones de cúpula óptica ejemplares pueden tener una medida de arco de sección transversal de entre aproximadamente 160 y 178 grados, de modo que la cúpula tenga una rigidez radial estrechamente coincidente con la rigidez radial del anillo de soporte de cúpula correspondiente.

A diferencia de los típicos recintos ópticos que tienen ventanas de cúpula, en los que la medida de arco de sección transversal se elige de tal manera que la geometría se modele para evitar las deflexiones hacia el interior y hacia el exterior de la ventana bajo carga hidrostática, la medida de arco de sección transversal de las cúpulas ópticas divulgadas en la presente memoria puede elegirse para permitir desplazamientos coincidentes de la cúpula óptica con el anillo de soporte de cúpula bajo carga hidrostática, en lugar de para minimizar las deflexiones bajo carga.

Aún con referencia a la Figura 1A, la carcasa 140 puede estar hecha de titanio 6AL4V. En otras realizaciones, la carcasa puede ser de acero, otras aleaciones de metal, o materiales similares de alta resistencia a la tracción y alta durabilidad, tales como plásticos de alta resistencia. La carcasa 140 puede tener un cuerpo 142 de carcasa cilíndrico (Figura 5) y un cuello 144 de carcasa (Figura 5) formado para extenderse radialmente hacia el exterior a lo largo del extremo delantero de la carcasa 140 más cercana a la cúpula 130.

El retenedor 120 de bisel de cúpula puede estar conformado para tener un diámetro interno más pequeño que el diámetro más externo del cuello 144 de carcasa (Figuras 3-5) de la carcasa 140 de tal manera que el retenedor 120 de bisel de cúpula se asiente a lo largo del cuello 144 de carcasa. Del mismo modo, el bisel 110 de cúpula puede ser dimensionado con un diámetro interno más pequeño que el diámetro más externo de la cúpula 130 óptica, de modo que cuando el retenedor 120 de bisel de cúpula se asegure al bisel 110 de cúpula a través de los tornillos 150, la cúpula 130 óptica pueda asegurarse (indirectamente, como se ilustra en las Figuras 3 - 5) a la carcasa 140.

Un conjunto 160 de tapa de extremo, ilustrado en detalle en la Figura 1B, puede estar dispuesto en la base de la carcasa 140 (como se muestra en la Figura 1A) para permitir el paso de señales de potencia y/o datos a los dispositivos electrónicos (por ejemplo, luces LED, cámaras de imagen o fijas, etc.) en el recinto 100 óptico (por ejemplo, la cámara 710 ilustrada en la Figura 7), a la vez que se expande a través de la apertura posterior de la carcasa 140 y evita la entrada de agua. Como se ilustra adicionalmente en la Figura 1B, el conjunto 160 de tapa de extremo puede incluir una tapa 310 de extremo en la cual puede fijarse un conector 320, y un retenedor 330 de tapa de extremo para asegurar aún más el conjunto 160 de tapa de extremo a la carcasa 140 (Figura 1A). Una serie de juntas 312, 314 y 322 tóricas pueden asentarse entre los diversos componentes del conjunto 160 de tapa de extremo evitando la entrada de agua.

Como se ilustra adicionalmente en las Figuras 3 y 4, la tapa 310 de extremo puede estar dimensionada para fijarse sobre y, cuando se utiliza en combinación con las diversas juntas312 y 314 tóricas, así como el conector 320 y la junta 322 tórica y el retenedor 330 de tapa de extremo, pueda sellar la apertura posterior de la carcasa 140 opuesta a la cúpula 130 óptica. La tapa 310 de extremo se puede asentar en la parte inferior de la carcasa 140 y sujetarse a la misma a través del retenedor 330 de tapa de extremo a través de roscas en el retenedor 330 de tapa de extremo dimensionadas para acoplarse con las roscas formadas en la carcasa 140. Las juntas312 y 314 tóricas pueden asentarse entre la tapa 310 de extremo y la carcasa 140 y sujetarse en su interior a través de las roscas 336 formadas en el retenedor 330 de tapa de extremo que se acoplan con las roscas 146 formadas en la carcasa 140. Las juntas312 y 314 tóricas pueden evitar la entrada de agua entre la carcasa 140 y la tapa 310 de extremo.

Se puede formar un orificio a través de la tapa 310 de extremo y dimensionarse para permitir que el conector 320 se asiente cómodamente en el mismo. La junta 322 tórica puede asentarse entre la tapa 310 de extremo y el conector 320 para evitar la entrada de agua en el recinto 100 óptico. El conector 320 puede permitir señales de potencia y/o datos entre equipos dentro del recinto 100 óptico a equipos externos al recinto 100 óptico. Por ejemplo, un recinto óptica puede alojar una antena de RF y/o una cámara y/o un componente de iluminación, tal como la cámara 710 dispuesta dentro del del recinto 700 óptico de la Figura 7, para grabar o iluminar un entorno de océano profundo u otra área de trabajo. Como se ilustra adicionalmente en la Figura 7, el recinto 700 óptico puede asentarse o acoplarse a un vehículo 720 subacuático operado por control remoto (ROV) de modo que el ROV 720 pueda transferir potencia eléctrica e intercambiar señales de datos (las cuales pueden incluir señales asociadas con el control de luces y la grabación de imágenes del entorno de trabajo) con la cámara 710. El paso de potencia eléctrica y señales de datos entre la cámara 710 y el ROV 720 puede implementarse con un conector eléctrico, tal como el conector 320 de las Figuras 3 y 4, posicionado entre los mismos.

Como se ilustra adicionalmente en las Figuras 3 y 4, el bisel 110 de cúpula puede asegurarse al retenedor 120 de bisel de cúpula a través de tornillos 150 que sujetan la cúpula 130 a la carcasa 140 con un anillo 350 de soporte de cúpula y una capa de material de conformidad, por ejemplo, una película 360 de conformidad, asentada entre los mismos. Los materiales y la geometría del anillo 350 de soporte de cúpula pueden seleccionarse para coincidir con los movimientos de la cúpula 130 óptica bajo carga hidrostática, como se describe más adelante en la presente memoria con la Figura 5. Cabe señalar que los materiales y la geometría de la cúpula 130 óptica y del anillo 350 de soporte de cúpula pueden seleccionarse para permitir movimientos y desplazamientos sustancialmente coincidentes o de otro modo complementarios de ambas regiones de contacto de la cúpula 130 óptica y del anillo 350 de soporte de cúpula, independientemente de la influencia del otro, dada una presión hidrostática de fuerza total equivalente.

El anillo de soporte de cúpula puede ser de acero inoxidable 17-4 tratado por calor. En otras realizaciones, se pueden utilizar alternativamente materiales de cerámica u otros materiales y aleaciones. La geometría particular de un anillo de soporte de cúpula puede variar en base al material utilizado. Por ejemplo, en realizaciones alternativas, las regiones pueden tener diferentes grosores radiales, y las regiones de diferente grosor radial pueden tener un grosor radial diferente y/o una altura seleccionada para compensar las diferentes propiedades físicas de los materiales del anillo de soporte de cúpula, así como para proporcionar una rigidez radial coincidente con la ventana de cúpula y un movimiento de tipo rotación coincidente bajo carga hidrostática.

En realizaciones típicas, la geometría de la cúpula óptica y el anillo de soporte de cúpula, tal como la cúpula 130 óptica y el anillo 350 de soporte de cúpula de las Figuras 3 y 4, se seleccionan para permitir una uniformidad sustancial de la presión en el asiento de la cúpula óptica para evitar movimientos y/o daños en la capa de conformidad.

Seleccionando el material y la forma para proporcionar una uniformidad sustancial de la presión en el asiento de la cúpula óptica, se puede evitar que la película de conformidad, tal como la película 360 de conformidad, se mueva o de otro modo se desplace o dañe. En funcionamiento, la película 360 de conformidad puede compensar las imperfecciones de las superficies de asiento en la cúpula 130 y en el anillo de soporte de cúpula para permitir el movimiento de la cúpula con respecto a la carcasa y/o al anillo de soporte.

Un sello 370 de cúpula anular también se puede disponer entre el bisel 110 de cúpula y la cúpula 130/anillo 350 de soporte de cúpula para proporcionar una superficie suave conforme contra la cúpula 130 óptica que puede ayudar a evitar la carga puntual contra la superficie de la misma, así como sellar los huecos entre el bisel 110 de cúpula, la cúpula 130, y el anillo 350 de soporte de cúpula y evitar la entrada de agua en el recinto 100 óptico. La película 360 de conformidad puede ser de poliamida, polieterimida, poliéster, o materiales similares para compensar imperfecciones o partículas extrañas en las superficies de asiento para evitar fracturas puntuales como se ha descrito anteriormente en la presente memoria. El sello 370 de cúpula anular puede ser de caucho de etileno propileno dieno (EPDM), acrilonitrilo butadieno (NBR), u otro material elastómero. Una o más juntas tóricas adicionales, tales como la junta 380, tórica pueden posicionarse entre el bisel 110 de cúpula y la carcasa 140 para evitar aún más la entrada de agua.

Algunas realizaciones de anillo de soporte de cúpula pueden tener una superficie de asiento texturizada en la cual la capa de material de conformidad (por ejemplo, la película 360 de conformidad) se bloquea durante el uso. La capa de conformidad puede presionarse contra el anillo de soporte durante la fabricación para evitar el movimiento de la película de conformidad con respecto al anillo de soporte de cúpula, y en funcionamiento, cuando se somete a una alta presión externa, puede presionarse aún más en su lugar para la retención por fricción.

El anillo 600 de soporte de cúpula de la Figura 6A, por ejemplo, ilustra una superficie 610 de asiento texturizada de ejemplo para evitar movimientos de una capa de película de conformidad durante los movimientos de una cúpula óptica cuando está bajo carga. La superficie 610 de asiento texturizada puede crearse a través de diversas técnicas en el anillo 600 de soporte de cúpula, tal como, por ejemplo, el grabado por láser o el micromecanizado. En otras realizaciones, se puede utilizar el lijado y/u otras técnicas para formar la superficie de asiento texturizada. El anillo 600 de soporte de cúpula puede ser igual o similar al anillo 350 de soporte de cúpula de las Figuras 3 - 5 u otros anillos de soporte de cúpula según lo divulgado en la presente memoria, o sus equivalentes.

Regresando a la Figura 6B, se muestra una superficie 620 de asiento texturizada bajo una ampliación de cuarenta y cinco veces. Esto puede ser igual o similar a la superficie 610 de asiento texturizada de la Figura 6A o características de textura en la superficie de asiento de otras realizaciones de anillo de soporte de cúpula. La superficie 620 de asiento texturizada que se muestra en la Figura 6B incluye múltiples marcas de divot que crean la textura. En otras realizaciones, se pueden utilizar otras formas y patrones para texturizar la superficie de asiento, y estos pueden formarse en diferentes longitudes, anchos, y/o profundidades en la superficie de acoplamiento.

Regresando a la Figura 5, el anillo 350 de soporte de cúpula puede tener una primera región 552 de sintonía de soporte de cúpula que interconecta la cúpula 130 óptica de menor diámetro que una segunda región 554 de sintonía de soporte de cúpula que interconecta la carcasa 140. Las diferentes regiones de grosor radial en el anillo 350 de soporte de cúpula (por ejemplo, la primera región 552 de sintonía de soporte de cúpula y la segunda región 554 de sintonía de soporte de cúpula) pueden sintonizarse para proporcionar movimientos de tipo desplazamientos coincidentes de la cúpula 130 bajo carga hidrostática y moverse.

Por ejemplo, bajo carga hidrostática externa, la cúpula 130 óptica puede ser forzada a comprimirse hacia el interior, causando desplazamientos hacia el interior y rotaciones del área de asiento anular de la cúpula 130. Bajo la misma carga hidrostática, el grosor radial de la primera región 552 de sintonía de soporte de cúpula y de la segunda región 554 de sintonía de soporte de cúpula puede seleccionarse para proporcionar el mismo tipo de movimiento radial y de rotación que coincida con la cúpula 130.

Una superficie de interfaz de la película de conformidad del soporte 556 de cúpula en el lado más adelantado de la primera región 552 de sintonía de soporte de cúpula del anillo 350 de soporte de cúpula puede estar texturizada con características como las descritas anteriormente para evitar movimientos de la película 360 de conformidad. El grosor radial de la superficie de la interfaz de película de conformidad del soporte 556 de cúpula y una primera región 552 de sintonía de soporte de cúpula puede dimensionarse de tal manera que el área de asiento anular de la cúpula 130 óptica esté soportada completamente por el anillo 350 de soporte de cúpula, y de tal manera que la rigidez radial de la primera región 552 de sintonía de soporte de cúpula pueda coincidir estrechamente con la de la cúpula 130 óptica.

Una superficie de interfaz de carcasa del soporte 558 de cúpula en el lado más posterior de la segunda región 554 de sintonía de soporte de cúpula del anillo 350 de soporte de cúpula puede entrar en contacto con una primera región 542 de sintonía de carcasa. La primera región 542 de sintonía de carcasa puede incluir una superficie de interfaz de soporte de cúpula de la carcasa 544 y una segunda región 546 de sintonía de carcasa inclinada hacia adentro. Bajo carga hidrostática que provoca movimientos de tipo rotación de la cúpula 130 óptica y del anillo 350 de soporte de cúpula, la segunda región 546 de sintonía de carcasa en combinación con una tercera región 548 de sintonía de carcasa formada a lo largo del interior del cuello 144 de carcasa de la carcasa 140 puede permitir que el anillo 350 de soporte de cúpula rote con respecto a la carcasa 140 a la vez que sigue transfiriendo carga a la carcasa 140.

Una sección 549 de socavado en la tercera región 548 de sintonía de carcasa de la carcasa 140 puede estar formada para reducir la rigidez rotacional de la carcasa 140 debajo y soportar el anillo 350 de soporte de cúpula permitiendo que la carcasa 140 coincida y siga la rotación del asiento de la cúpula 130 óptica bajo carga de presión hidrostática. La sección 549 de socavado en combinación con el desplazamiento radial de las regiones escalonadas del anillo 350 de soporte de cúpula (por ejemplo, la primera región 552 de sintonía de soporte de cúpula desplazada hacia el exterior que soporta la cúpula 130 óptica y la segunda región 554 de sintonía de soporte de cúpula que contacta la carcasa 140) puede permitir que el anillo 350 de soporte de cúpula responda a la presión radial externa sobre el recinto 100 óptico y hacer que el anillo 350 de soporte de cúpula rote con el área de asiento de la cúpula 130 óptica. Se señala además que la cúpula 130 óptica y el anillo 350 de soporte de cúpula están formados de materiales de dimensiones particulares de una posible combinación de materiales que si las regiones de contacto mutuo de cualquier cúpula 130 óptica o del anillo 350 de soporte de cúpula fueran cargadas en su lugar por una presión hidrostática de fuerza total equivalente, cada una independiente de la influencia de la otra, se moverían, rotarían, y de otro modo se desplazarían de manera sustancialmente complementaria.

En las rotaciones coincidentes y otros desplazamientos entre las cúpulas ópticas y los anillos de soporte de cúpula en diversas realizaciones de recinto, tales como la cúpula 100 óptica y algún anillo 350 de soporte de las Figuras 1A - 5, bajo condiciones de uso de presión y temperatura, se pueden mitigar las tensiones y fallos de los recintos ópticos utilizados bajo tales condiciones. Por ejemplo, mediante la coincidencia de las rotaciones y otros desplazamientos entre las cúpulas ópticas y los anillos de soporte de cúpula se pueden reducir las tensiones de tracción dentro del área de asiento de la cúpula óptica. Al reducir tales tensiones, particularmente las impartidas sobre el vidrio u otros materiales de fractura frágil, se puede mitigar la formación de grietas dentro de la cúpula óptica en la superficie de asiento que, de otro modo, podrían surgir durante la carga a alta presión.

Las dimensiones, geometrías, y materiales específicos utilizados pueden afectar a la interacción entre los elementos componentes (por ejemplo, la cúpula óptica y el anillo de soporte de cúpula, así como el anillo de soporte de cúpula y la carcasa) y afectar aún más a la capacidad del recinto óptico para compensar los desajustes materiales y mecánicos.

En una realización de recinto óptico de acuerdo con la presente divulgación, un cambio en tales atributos dentro de un componente puede ser compensado en los correspondientes cambios en los atributos de uno o más de otros componentes. Por ejemplo, en una realización alternativa que tenga una cúpula óptica de diferente medida de arco de sección transversal y/o diferentes materiales que resulten en que la cúpula óptica tenga una rigidez radial aumentada o disminuida en comparación con el recinto 100 óptico de las Figuras 1A - 5, las dimensiones de la primera región de sintonía de soporte de cúpula en el anillo de soporte de cúpula pueden modificarse para coincidir con la rigidez radial de la cúpula óptica. Del mismo modo, en las realizaciones con una cúpula óptica que tenga un grado diferente de movimientos de tipo de rotación bajo carga hidrostática (por ejemplo, a través de una diferencia en los materiales de cúpula óptica, el grosor de los materiales, o similares), las dimensiones de la primera y segunda regiones de sintonía de soporte de cúpula del anillo de soporte de cúpula y la inclinación de la superficie de asiento de rotación de la interfaz de anillo de soporte y las dimensiones o la geometría de la tercera región de sintonía de carcasa de la carcasa pueden ser modificadas para compensar el grado de rotación con la cúpula óptica.

Como se ilustra adicionalmente en la Figura 5, una serie de roscas 559 de soporte de cúpula pueden incluirse opcionalmente en el anillo 350 de soporte de cúpula óptica para permitir el montaje de la cámara u otras ópticas dentro del recinto 100 óptico. En otras realizaciones, se pueden utilizar otras técnicas para montar ópticas, las cuales a su vez pueden montarse en la carcasa u otras ubicaciones dentro de un recinto óptico de acuerdo con la presente divulgación. En las realizaciones que tienen roscas formadas en el anillo de soporte de cúpula, tal como el anillo 350 de soporte de cúpula de la Figura 5, tales roscas y ópticas de montaje pueden tenerse en cuenta en el cálculo de la rigidez radial y la rotación para determinar los materiales, la geometría, y el grosor radial de las regiones de soporte de cúpula.

La Figura 7 ilustra algunas aplicaciones de ejemplo de un recinto de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra en la Figura 7, un recinto 700 óptico, el cual puede ser o compartir aspectos de las realizaciones descritas en las Figuras 1A - 5, puede alojar una cámara 710 y/o elementos de iluminación (por ejemplo, LEDs u otros dispositivos de salida de luz) para grabar e iluminar un entorno de océano profundo u otra área de trabajo sometida a altas presiones externas. El recinto 700 puede acoplarse a un cable o correa, puede sujetarse mediante o montarse sobre un usuario (a profundidades relativamente bajas en las que los humanos pueden operar bajo el agua), o puede montarse sobre un vehículo o estructura. Por ejemplo, como se ha mostrado en la Figura 7, el recinto 700 óptico puede montarse en un vehículo 720 subacuático operado por control remoto (ROV). En aplicaciones típicas de ROV, el ROV 720 puede transferir potencia eléctrica e intercambiar datos (típicamente datos asociados con el control de la iluminación, el funcionamiento de la cámara, la detección ambiental, y/o la grabación y transferencia de imágenes o vídeo del entorno de trabajo) con la cámara 710 para observar y/o grabar imágenes, vídeo, sensores, u otra información en el entorno de trabajo de océano profundo.

La Figura 8 ilustra una realización de un recinto 800 óptico de aguas profundas de acuerdo con determinados aspectos. El recinto 800 óptico puede incluir un bisel 810 de cúpula el cual puede asegurarse a un retenedor 820 de bisel de cúpula el cual posiciona y sujeta indirectamente una ventana 830 de cúpula óptica a una carcasa 840 estructural cilíndrica. En otras realizaciones, otras geometrías, y/o mecanismos de fijación pueden asegurar la cúpula óptica y el anillo de soporte del domo en su lugar con respecto a una carcasa además de o en lugar del bisel 810 de cúpula y el retenedor 820 de bisel de cúpula como se ilustra en la Figura 8.

La cúpula 830 óptica puede ser una ventana sustancialmente en forma de cúpula que es una porción planamente recortada o truncada de un hemisferio. La cúpula 830 óptica que es una porción planamente truncada de un hemisferio, puede tener una medida o dimensión de arco de sección transversal definida como la medida del segmento de arco formado a lo largo de la superficie interior de la cúpula 830 óptica en un plano que biseca la cúpula 830 óptica, en la que el segmento de arco está limitado por el truncamiento del hemisferio en cada extremo del arco en la sección transversal. La cúpula 830 óptica puede tener una medida de arco de sección transversal de 174 grados. La cúpula 830 óptica puede tener además un ID de asiento que mide 64 milímetros, y un OD de anillo de asiento o soporte que mide 83 milímetros. El ID de asiento y el OD de anillo de asiento de la cúpula 830 óptica pueden seleccionarse de tal manera que las geometrías y/o materiales de la cúpula 830 óptica y de un anillo 950 de asiento de cúpula (Figuras 9A y 9B) y un anillo 970 de carcasa de pivote (Figuras 9A y 9B) sobre los cuales puede asentarse tengan movimientos y desplazamientos sustancialmente coincidentes o de otro modo complementarios de las correspondientes regiones de contacto de los mismos bajo carga hidrostática.

La cúpula 830 óptica puede fabricarse a partir de un material de vidrio, preferentemente vidrio de borosilicato, el cual además puede reforzarse mediante diversos procedimientos o procedimientos de refuerzo los cuales pueden incluir, pero no limitarse a, el pulido mecánico, el grabado de ácido fluorhídrico u otro ácido, el pulido de llama, el intercambio iónico u otro refuerzo químico, u otros procedimientos similares. La cúpula 830 óptica de vidrio puede incluir además bordes biselados. La cúpula 830 óptica de vidrio puede incluir además una superficie de asiento plana pulida. En otras realizaciones, las cúpulas ópticas pueden estar hechas de otro material transparente o parcialmente transparente de alta resistencia, tal como acrílico, zafiro, o similar para proporcionar claridad óptica para el paso de la luz, así como resistencia mecánica, tal como, por ejemplo, resistencia a la presión externa requerida para aplicaciones de océano profundo.

El bisel 810 de cúpula y el retenedor 820 de bisel de cúpula pueden ser de polioximetileno. En otras realizaciones, tales componentes pueden estar hechos de otros plásticos de alta resistencia, metales, o materiales de alta resistencia a la tracción y alta durabilidad.

La carcasa 840 puede estar hecha de aluminio. En otras realizaciones, la carcasa puede ser de acero, titanio, otras aleaciones de metal, u otros materiales de alta resistencia a la tracción y alta durabilidad, tales como plásticos de alta resistencia.

El retenedor 820 de bisel de cúpula puede acoplarse a la carcasa 840 a través del acoplamiento de roscas (ilustrado en la Figura 9A) en el retenedor 820 de bisel de cúpula y la carcasa 840. El bisel 810 de cúpula puede ser dimensionado con un diámetro interno más pequeño que el diámetro más externo de la cúpula 830 óptica de modo que cuando el retenedor 820 de bisel de cúpula se asegura al bisel 810 de cúpula a través de los tornillos 850, la cúpula 830 óptica puede asegurarse (indirectamente como se ilustra en las Figuras 9A y 9B) a la carcasa 840.

El recinto 800 óptico puede incluir además un conjunto 860 de tapa de extremo, ilustrado en detalle en las Figuras 9A y 9B, puede estar dispuesto en la base de la carcasa 840 para permitir el paso de señales de potencia y/o datos a dispositivos electrónicos (por ejemplo, luces LED, cámaras de imagen o fijas, etc.) en el recinto 800 óptico (por ejemplo, la cámara 710 ilustrada en la Figura 7), a la vez que se expande a través de la apertura de carcasa 840 y evita la entrada de agua. Como se ilustra adicionalmente en la Figura 9A y 9B, el conjunto 860 de tapa de extremo puede incluir una tapa 910 de extremo en la cual puede fijarse un conector 920, y un retenedor 930 de tapa de extremo para asegurar aún más el conjunto 860 de tapa de extremo a la carcasa 840. Una serie de juntas 932 y 934 tóricas 932 y 934 pueden asentarse entre la tapa 910 de extremo y la carcasa 840 evitando la entrada de agua. El retenedor 930 de tapa de extremo puede acoplarse a la carcasa 840 a través del acoplamiento de roscas formadas en ambos componentes. El retenedor 930 de tapa de extremo puede estar conformado con una región que tenga un diámetro interior más pequeño que el diámetro de la tapa 910 de extremo, de tal manera que la tapa de extremo pueda asentarse en el retenedor 930 de tapa de extremo y asegurarse firmemente a la carcasa 840. Un anillo 940 de retención se puede asegurar dentro de una ranura a lo largo del extremo posterior de la tapa 910 de extremo y asegurar firmemente el retenedor 930 de tapa de extremo juntos.

Con referencia a las Figuras 9A y 9B, la cúpula 830 óptica puede asentarse sobre un anillo 950 de asiento de cúpula en el conjunto. La cúpula 830 óptica y el anillo 950 de asiento de cúpula se seleccionan con geometría para permitir una uniformidad sustancial de carga y movimiento relativo en el asiento de la cúpula 830 óptica para evitar movimiento y/o daño a una capa 960 de conformidad. La capa 960 de conformidad puede asentarse entre la cúpula 830 óptica y el anillo 950 de asiento de cúpula. La capa 960 de conformidad puede compensar las imperfecciones de las superficies de asiento en la cúpula 830 y el anillo 950 de asiento de cúpula para permitir el movimiento de la cúpula 830 con respecto a la carcasa 840 y/o al anillo 950 de asiento. La capa 960 de conformidad puede ser de poliamida, polieterimida, poliéster, o materiales similares.

El anillo 950 de asiento de cúpula puede tener una superficie de asiento texturizada en la cual la capa 960 de conformidad se bloquea durante el uso. La capa 960 de conformidad puede presionarse en el anillo 950 de asiento de cúpula durante la fabricación para evitar el movimiento de la capa 960 de conformidad con respecto al anillo 950 de asiento de cúpula, y en funcionamiento, cuando se somete a alta presión externa, puede presionarse aún más en su lugar para la retención por fricción.

El anillo 950 de asiento de cúpula puede asentarse sobre un anillo 970 de carcasa de pivote que puede asegurarse aún más a la carcasa 840 a través de la coincidencia de roscas formadas en la porción exterior posterior del anillo 970 de carcasa de pivote y la porción interior del extremo delantero de la carcasa 840. Las geometrías y/o materiales de la cúpula 830 óptica y del anillo 950 de asiento de cúpula y del anillo 970 de carcasa de pivote (Figuras 9A y 9B) sobre las cuales puede asentarse tienen movimientos y desplazamientos sustancialmente coincidentes o de otro modo complementarios de las correspondientes regiones de contacto de los mismos bajo carga hidrostática.

Como se ilustra en la Figura 9C, la geometría del anillo 970 de carcasa de pivote puede incluir una región 990 de pivote posterior inclinada hacia adentro a lo largo de una porción de la cara del anillo 970 de carcasa de pivote orientada hacia el anillo 950 de asiento de cúpula. Bajo carga hidrostática que causa movimientos de tipo rotación de la cúpula 830 óptica y del anillo 950 de asiento de cúpula, la región 990 de pivote puede permitir que el anillo 950 de asiento de cúpula rote en un punto 955 de pivote en el anillo 970 de carcasa de pivote a la vez que aún transfiere carga al anillo 970 de carcasa de pivote y más lejos sobre la carcasa 840 (Figuras 9A y 9B). El punto 955 de pivote se ilustra en un radio P el cual puede ser mayor que el radio Ri interior pero más pequeño que el radio Ro exterior de la cúpula 830 óptica.

De nuevo con referencia a las Figuras 9A y 9B, un sello 980 de cúpula anular también puede estar dispuesto entre el bisel 810 de cúpula y la cúpula 830/anillo 950 de asiento de cúpula para proporcionar una superficie suave conforme contra la cúpula 830 óptica que puede ayudar a evitar la carga puntual contra la superficie de la misma, así como sellar los huecos entre el bisel 810 de cúpula, la cúpula 830, y el anillo 950 de asiento de cúpula y evitar la entrada de agua en el recinto 800 óptico. El sello 980 de cúpula anular puede ser de caucho HNBR, caucho de etileno propileno dieno (EPDM), acrilonitrilo butadieno (NBR), u otro material elastómero.

La presente invención se debe conceder al ámbito más amplio y completo coherente con la memoria descriptiva y los dibujos, en los que la referencia a un elemento en singular no pretende significar “uno y únicamente uno” a menos que así se indique específicamente, sino más bien “uno o más” A menos que se indique específicamente lo contrario, el término “algunos” se refiere a uno o más. Una frase que se refiere a “al menos uno de” una lista de elementos se refiere a cualquier combinación de esos elementos, incluidos los miembros individuales. A modo de ejemplo, “al menos uno de: a, b, o c” pretende cubrir: a; b; c; a y b; a y c; b y c; y a, b y c.

La descripción anterior de los aspectos divulgados se proporciona para permitir a cualquier experto en la técnica realizar o utilizar realizaciones de la presente invención. Diversas modificaciones a estos aspectos resultarán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica, y los principios genéricos definidos en la presente memoria se pueden aplicar a otros aspectos sin apartarse del ámbito de las reivindicaciones adjuntas. Por lo tanto, no se pretende que la invención actualmente reivindicada se limite a los aspectos que se muestran en la presente memoria, sino que se le conceda el ámbito más amplio coherente con las siguientes reivindicaciones y sus equivalentes.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un recinto (100, 700, 800) óptico sumergible para su uso en entornos de alta presión, que comprende:

una carcasa (140, 840) que tiene un interior hueco dimensionado para alojar un dispositivo electrónico que comprenda uno o más de una luz electrónica y un dispositivo de imagen;

una ventana (130, 830) transparente en forma de cúpula de soporte de presión acoplada mecánicamente a la carcasa, teniendo la ventana transparente en forma de cúpula de soporte de presión una medida angular de entre 164 grados y 178 grados y dimensionada correspondiente al dispositivo electrónico para permitir la entrada o salida de luz del interior de carcasa para iluminación o imagen;

un anillo (350, 600, 950) de soporte de cúpula posicionado entre la carcasa y la ventana que tiene caras anulares opuestas que son sustancialmente planas y paralelas;

una capa (360, 960) de material de conformidad posicionada entre el anillo de soporte de cúpula anular y la ventana transparente de soporte de presión;

un elemento (110, 120, 810, 820) de acoplamiento que asegura la carcasa, el anillo de soporte de cúpula, y la ventana del puerto entre sí; y

uno o más sellos (312, 314, 322, 370, 380, 932, 934, 980) estancos para bloquear la entrada de agua en el interior de carcasa.

2. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el dispositivo electrónico es una cámara fija, una videocámara, o una luz LED.

3. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que la carcasa (140, 840) comprende titanio, la ventana (130, 830) comprende vidrio, y el anillo (350, 600, 950) de soporte de cúpula comprende acero inoxidable.

4. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que la ventana (130, 830) comprende vidrio y la medida angular está entre 172 y 176 grados.

5. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que la ventana (130, 830) incluye uno o más bordes biselados adyacentes a una superficie de asiento.

6. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el anillo (350, 600, 950) de soporte de cúpula es un anillo anular que tiene características de bloqueo texturizadas en una primera de las dos caras, en el que la primera cara está posicionada adyacente al material de conformidad, opcionalmente, en el que las características texturizadas están grabadas o mecanizadas en la primera cara.

7. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el material de conformidad comprende un material polimérico.

8. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el anillo (350, 600, 950) de soporte de cúpula está escalonado.

9. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el anillo (350, 600, 950) de soporte de cúpula comprende un material cerámico o acero inoxidable.

10. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el anillo (350, 600, 950) de soporte de cúpula incluye dos o más secciones, en el que una primera sección tiene un grosor radial seleccionado para coincidir con la rigidez radial de la ventana (130, 830) de cúpula, y una segunda sección tiene un grosor radial diferente.

11. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que la carcasa (140, 840) incluye una sección inclinada hacia el interior para alojar el desplazamiento de la cúpula y/o el anillo (350, 600, 950) de soporte bajo carga hidrostática.

12. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el anillo (350, 600, 950) de soporte de cúpula tiene un diámetro interior mayor en una sección delantera cerca de la ventana (130, 830) en forma de cúpula y un diámetro interior más pequeño en una sección posterior contra la carcasa (140, 840).

13. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el anillo (350, 600, 950) de soporte de cúpula comprende un material que tiene un módulo de Young superior al de la ventana (130, 830).

14. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que la ventana (130, 830) es al menos una de

pulido mecánicamente para el refuerzo;

grabado de ácido para el refuerzo, opcionalmente en el que el grabado de ácido es grabado de ácido fluorhídrico;

pulido de llama para el refuerzo; o

reforzado químicamente, opcionalmente en el que el refuerzo químico es un refuerzo de intercambio iónico.

15. El recinto (100, 700, 800) de la Reivindicación 1, en el que el coeficiente de expansión térmica de la ventana transparente de soporte de presión y el material de anillo de soporte coinciden en un 6 por ciento o menos.