CH624221A5 - Optical-fibre cable having a reinforcing element - Google Patents

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CH624221A5
CH624221A5 CH1209577A CH1209577A CH624221A5 CH 624221 A5 CH624221 A5 CH 624221A5 CH 1209577 A CH1209577 A CH 1209577A CH 1209577 A CH1209577 A CH 1209577A CH 624221 A5 CH624221 A5 CH 624221A5
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cable
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optical
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CH1209577A
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Stanley George Foord
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Int Standard Electric Corp
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    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/44Mechanical structures for providing tensile strength and external protection for fibres, e.g. optical transmission cables
    • G02B6/4401Optical cables
    • G02B6/4429Means specially adapted for strengthening or protecting the cables
    • G02B6/4434Central member to take up tensile loads

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtleit-Kabel mit einem Verstärkungsglied. The present invention relates to a light guide cable with a reinforcing member.

Der herkömmliche Aufbau eines Lichtleit-Kabels enthält ein axiales Verstärkungsglied, welches von mindestens einer Schicht aus Kunststoffumhüllten Lichtleitfasern umgeben ist; ein Polyesterband wird dann um diesen Aufbau gewickelt und das ganze Gebilde mit einem schützenden Kunststoffmantel versehen. Das in der Achse des Kabels liegende Verstärkungsglied sichert die grösstmögliche Biegsamkeit des Kabels und die kleinstmögliche Zugspannungsbelastung der Lichtleitfasern. Bis vor kurzer Zeit war das Hauptaugenmerk bei Entwurf eines Lichtleit-Kabels auf einen kleinen Durchmesser und auf ein womöglich kleines Gewicht gerichtet; ein solches Kabel, üblicherweise bis 100 m lang, sollte eine genügende Zugfestigkeit aufweisen, um die übliche Behandlung bei der Installation ohne Beschädigung auszuhalten. Diesen Anforderungen genügten Verstärkungsglieder, die aus orientierten Polyester-Einzelfäden bestanden. Die heutigen, längeren Kabel, 500—1000 m lang, benötigen jedoch bessere Verstärkungsglieder. The conventional structure of an optical fiber cable contains an axial reinforcing member which is surrounded by at least one layer of plastic-coated optical fibers; a polyester tape is then wrapped around this structure and the entire structure is provided with a protective plastic jacket. The reinforcing member located in the axis of the cable ensures the greatest possible flexibility of the cable and the lowest possible tensile stress on the optical fibers. Until recently, the main focus when designing an optical fiber cable was on a small diameter and possibly a small weight; such a cable, usually up to 100 m long, should have sufficient tensile strength to withstand the usual handling during installation without damage. Reinforcement links, which consisted of oriented single polyester threads, met these requirements. Today's longer cables, 500-1000 m long, however, require better reinforcing elements.

Im Lichtleitkabel-Bau gilt die Regel, wonach sich die Dehnung des Kabels bei maximaler Zugbeanspruchung, welcher das Kabel während seiner Verwendung unterworfen sein kann, nur in sichern Grenzen bewegen darf. Die Faserdehnung ist bei schraubenförmiger Anordnung der Fasern innerhalb des Kabels kleiner als die Dehnung des Kabels selbst, wobei der Dehnungsunterschied vom Steigungswinkel abhängt. Aus Gründen der optischen Übertragung ist es jedoch wichtig, die Steigung gross zu halten; in der Praxis ist also bei reiner Zugspannung die Faserdehnung der Kabeldehnung gleich. In the construction of fiber optic cables, the rule applies that the elongation of the cable under maximum tensile stress, which the cable may be subjected to during its use, may only move within certain limits. In the case of a helical arrangement of the fibers within the cable, the fiber elongation is smaller than the elongation of the cable itself, the difference in elongation depending on the pitch angle. For reasons of optical transmission, however, it is important to keep the slope large; in practice, the fiber elongation is the same as the cable elongation with pure tensile stress.

Die Bruchdehnung von Glas und von optischen Fasern aus Siliciumdioxid ist klein und bewegt sich zwischen 0,2% und etwas mehr als 5 % je nach Herstellungsmethode. Die Wahl einer Dehnungszahl ist folglich ein wenig willkürlich, der Wert von 1 % scheint jedoch bei der Bestimmung der zulässigen Zuglast brauchbar zu sein. Unabhängig von dieser Wahl sollte für gegebene Abmessungen oder für das gegebene Gewicht eines Kabels das Verhältnis der Zugbelastung zur Dehnung des Kabels so hoch als möglich sein ; dies wird durch die Verwendung von Bauteilen mit hohem Elastizitätsmodul erreicht. Andererseits sollte auch eine gute Biegsamkeit gewährleistet sein, The elongation at break of glass and optical fibers made of silicon dioxide is small and ranges between 0.2% and slightly more than 5% depending on the manufacturing method. The choice of an elongation number is therefore somewhat arbitrary, but the value of 1% seems to be useful in determining the permissible tensile load. Regardless of this choice, the ratio of the tensile load to the elongation of the cable should be as high as possible for the given dimensions or for the given weight of a cable; this is achieved by using components with a high modulus of elasticity. On the other hand, good flexibility should also be guaranteed,

was jedoch die Verwendung von Materialien mit niedrigem Elastizitätsmodul voraussetzt. Nach der Erfindung wird dieses Problem durch im Patentanspruch 1 angegebene Massnahmen gelöst. however, which presupposes the use of materials with a low modulus of elasticity. According to the invention, this problem is solved by the measures specified in claim 1.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die Figuren 1 bis 3 zeigen 3 verschiedene Formen von geflochtenen Verstärkungsgliedern für Lichtleit-Kabel. Embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Figures 1 to 3 show 3 different forms of braided reinforcing members for fiber optic cables.

In einem Ausführungsbeispiel wird ein aromatisches Polyamidfasermaterial, bekannt unter der Bezeichnung KEVLAR, zu einem in den Figuren gezeigten Seil zusammengeflochten. Das Seil, oder das Geflecht, ist vorzugsweise in Kunststoffmaterial gehüllt, um eine glatte Oberfläche zu bilden, die bei der nachfolgenden Verlitzung der einzelnen kunststoffumhüllten Lichtleitfasern auf das Verstärkungsglied von Vorteil ist. Es wird dann mindestens eine Schicht eines Polyesterbandes um die Lichtleitfasern mit Verstärkungsglied gewickelt und schliesslich ein äusserer Kunststoffmantel durch Extrusion aufgetragen. Das Verstärkungsglied besteht vorteilhafterweise aus Fasern aus KEVLAR-49, wobei jedoch auch Fasern aus KEVLAR-29 verwendet werden können. In der nachfolgenden Tabelle I sind Vergleichswerte der erwähnten Materialien in Fadenform und eines Stahldrahts angegeben: In one embodiment, an aromatic polyamide fiber material, known under the name KEVLAR, is braided together to form a rope shown in the figures. The rope, or braid, is preferably wrapped in plastic material to form a smooth surface, which is advantageous in the subsequent stranding of the individual plastic-coated optical fibers onto the reinforcing member. At least one layer of polyester tape is then wrapped around the optical fibers with a reinforcing member, and finally an outer plastic jacket is applied by extrusion. The reinforcing member advantageously consists of fibers made of KEVLAR-49, but fibers made of KEVLAR-29 can also be used. Table I below gives comparative values of the materials mentioned in thread form and a steel wire:

Tabelle I Table I

Spez.Gewicht Spec. Weight

Elastizitätsmodul 105N/mm2 Modulus of elasticity 105N / mm2

Bruchdehnung Elongation at break

% %

Stahldraht Steel wire

7,86 7.86

1,93 1.93

2 2nd

Kevlar 29-Faser Kevlar 29 fiber

1,44 1.44

0,83 0.83

4 4th

Kevlar 49- Kevlar 49-

Faser fiber

1,45 1.45

1,31 1.31

2,5 2.5

Der effektive Zugmodul eines Geflechtes aus KEVLAR ist kleiner als jener der einzelnen Fäden; seine Grössenordnung ist jedoch ausreichend hoch. The effective tensile modulus of a KEVLAR braid is smaller than that of the individual threads; however, its size is sufficiently high.

Die erwähnten Materialien wurden im allgemeinen für hoch zugfeste Kabel und im besondern für Lichtleit-Kabel verwendet, wobei die hohen Zugsmodulen ausgenutzt wurden, ohne jedoch die Biegsamkeit dieser Kabel in Erwägung zu ziehen. Ein genügend bruchfester, einzelner Stahldraht ist üblicherweise unannehmbar steif, was darauf zurückzuführen ist, dass die Festigkeit dem Quadrat des Durchmessers proportional ist, die Steifheit jedoch der vierten Potenz. Das Verhältnis Biegsamkeit zu Festigkeit wird durch die Verwendung von Litzen, die kleinere Einzeldurchmesser aufweisen, verbessert. Einzelfasern aus KEVLAR haben sehr kleine Durchmesser (z.B. 12 (Am) und müssen deshalb in einem Mehrfaseraufbau verwendet werden, um ein genügend festes Verstärkungsglied zu bilden. Das Verhältnis Biegsamkeit zu Festigkeit ist also im Prinzip sehr günstig. Ein maximaler Zugmodul wird erreicht, wenn die Fasern parallel und axial liegen; in diesem Falle büden sie jedoch keine kohärente Litze. Ein gewisser Grad von Kohärenz wird durch Verdrillung erreicht, insbesondere bei Verwendung eines Bindeharzes, welches die Fasern zusammenklebt. Hierdurch wird aber wiederum die Biegsamkeit verschlechtert, was zu permanentem Knicken bei Biegen führt. All diese Probleme werden praktisch durch die Verwendung von Geflechten, siehe Figuren 1 bis 3, beseitigt. The materials mentioned were generally used for high tensile cables and in particular for light guide cables, the high tensile modules being used without taking into account the flexibility of these cables. A sufficiently break-proof, single steel wire is usually unacceptably stiff, which is due to the fact that the strength is proportional to the square of the diameter, but the stiffness is the fourth power. The ratio of flexibility to strength is improved by using strands that have smaller individual diameters. KEVLAR single fibers have very small diameters (e.g. 12 (Am) and must therefore be used in a multi-fiber structure to form a sufficiently strong reinforcing member. The ratio of flexibility to strength is therefore very favorable in principle. A maximum tensile modulus is achieved when the Fibers lie parallel and axially, but in this case they do not form a coherent strand. A certain degree of coherence is achieved by twisting, especially when using a binding resin that glues the fibers together. This in turn deteriorates the flexibility, which leads to permanent kinking All these problems are practically eliminated by using braids, see Figures 1 to 3.

Ein weiterer Vorteil der KEVLAR-Geflechte ergibt sich aus deren Beanspruchungs-/Dehnungs-Kennlinien, welche grundsätzlich zwei selbständige Regionen aufweisen: Eine Region mit niedrigem Modul bei kleinen Dehnungen, die in eine Region mit hohem Modul bei grösser werdender Dehnung übergeht. In Abhängigkeit der Geflechtstruktur kann der Dehnungsbereich bei niedrigem Modul 0,05-0,4%, üblicherweise 0,2 sein. Der Ubergang in die Region mit hohem Modul bei Another advantage of the KEVLAR braids results from their stress / strain characteristic curves, which basically have two independent regions: a region with a low modulus with small strains, which merges into a region with a high modulus with increasing strain. Depending on the structure of the braid, the elongation range at low modulus can be 0.05-0.4%, usually 0.2. The transition to the region with high modulus at

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

624 221 624 221

grösserer Dehnung ist schnell, so dass der effektive Modul bis zu 1 % auch hoch ist. Es folgen Messwerte für den 1 %-Modul: Greater stretch is quick, so the effective module is up to 1% high. The following are measured values for the 1% module:

Kevlar 29 Kevlar 29

0,33 X 105 N/mm2 0.33 X 105 N / mm2

Kevlar 49 Kevlar 49

0,94 X 105 N/mm2 0.94 X 105 N / mm2

Das Vorhandensein der Region mit niedrigem Modul deutet auf eine hohe Biegsamkeit hin bei einer niedrigen oder bei gar keiner Zugbelastung. Die Biegsamkeit eines Geflechts wird also durch seine charakteristische Struktur gefördert, in welcher die Litzen zwischen innern und äussern Positionen eines Bandes passieren, wobei die Steigung lediglich einige Millimeter beträgt. The presence of the region with a low modulus indicates a high degree of flexibility with little or no tensile load. The flexibility of a braid is thus promoted by its characteristic structure, in which the strands pass between the inner and outer positions of a band, the pitch being only a few millimeters.

Um die Vorteile von KEVLAR-Geflechten hervorzuheben, soll nun ein Vergleich mit einem herkömmlichen Kabel hergestellt werden, bestehend aus einem verlitzten, zentral gelegenen Stahlverstärkungsglied, weiter aus acht beschichteten Fasern, und schliesslich aus Bänderschichten und Ummantelung. Es wird vorausgesetzt, dass die Packungsdichte der Litzen entlang ihrer ganzen Länge konstant ist und dass das Stahlverstärkungsglied 80% der Zugeblastung des Kabels übernimmt. Es wird weiter angenommen, dass das Kabel mit einer Zugspannung bei einer Dehnung von 1% belastet ist. Spezifische Gewichte: Stahl 7,86, KEVLAR 1,45, andere Teile 0,9. Die Zugfestigkeit und das Gewicht werden auf dieselben Grössen des Stahlkabels bezogen. Die Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengestellt: In order to emphasize the advantages of KEVLAR braids, a comparison should now be made with a conventional cable, consisting of a stranded, centrally located steel reinforcement element, further of eight coated fibers, and finally of layers of tape and sheathing. It is assumed that the packing density of the strands is constant along their entire length and that the steel reinforcement member takes on 80% of the strain on the cable. It is also assumed that the cable is subjected to tensile stress at an elongation of 1%. Specific weights: steel 7.86, KEVLAR 1.45, other parts 0.9. The tensile strength and the weight are related to the same sizes of the steel cable. The results are summarized in Table II below:

Verstär- 0des Gesamt- Zugfe- Gewicht Zugfest./ kungs- Verstärk.-Durchm. stigkeit Gewicht Reinforcement of the total tensile weight tensile strength / reinforcement diam. stability weight

Bemerkung: In der Gruppe 2 weisen die KEVLAR-Verstärkungsglieder denselben Durchmesser auf wie das Stahlverstärkungsglied ; in der Gruppe 3 haben die KEVLAR-Glieder dieselbe Zugfestigkeit wie das Stahlglied. Note: In group 2, the KEVLAR reinforcement links have the same diameter as the steel reinforcement link; in group 3 the KEVLAR links have the same tensile strength as the steel link.

5 In den Fig. 1 bis 3 werden verschiedene Geflechtsformen gezeigt, wobei natürlich auch weitere Formen verwendbar wären. Die nachfolgende Tabelle behandelt die physikalischen Eigenschaften der KEVLAR-Geflechte. 5 Various braid shapes are shown in FIGS. 1 to 3, although other shapes could of course also be used. The table below deals with the physical properties of the KEVLAR braids.

10 10th

Tabelle III Table III

Fig. Fig.

Geflechts-Typ Braid type

Gesamt- Total-

Steigung Gewicht Slope weight

Faser fiber

0 0

mm g/m quer mm g / m across

15 15

mm mm

schnitt cut

mm2 mm2

1 1

2 Paare S und Z verflochten 2 pairs of S and Z intertwined

1,1 1.1

13 13

0,8 0.8

0,55 0.55

2 2nd

8 Litzen 4S + 4Z 8 strands 4S + 4Z

1,6 1.6

19 19th

1,5 1.5

1,04 1.04

20 3 20 3

8 Litzen 4S + 4Z 8 strands 4S + 4Z

0,7 0.7

7 7

0,38 0.38

0,27 0.27

25 25th

Bemerkung: «S» bzw. «Z» geben die Verdrillung von schraubenförmigen Litzen im Uhrzeiger- bzw. gegen den Uhrzeigersinn an. Note: «S» or «Z» indicate the twisting of helical strands clockwise or counterclockwise.

glied element

Glieds Limbs

1 Stahl 1 steel

1,5mm 1.5mm

6,5mm 6.5mm

1,00 1.00

1,00 1.00

1,00 1.00

2 Kev. 49 2 Kev. 49

1,5mm 1.5mm

6,5mm 6.5mm

0,62 0.62

0,75 0.75

0,83 0.83

Kev. 29 Kev. 29

1,5mm 1.5mm

6,5mm 6.5mm

0,35 0.35

0,75 0.75

0,47 0.47

3 Kev. 49 3 Kev. 49

2,1mm 2.1mm

7,1mm 7.1mm

1,00 1.00

0,88 0.88

1,11 1.11

Kev. 29 Kev. 29

3,5mm 3.5mm

8,5mm 8.5mm

1,00 1.00

1,33 1.33

0,74 0.74

In einer weiteren Ausführungsform kann das KEVLAR-Geflecht mit einem Kunststoffüberzug als verstärkende Füllung verwendet werden, die ein Kissen zwischen den Lichtleitfasern 30 im Kabel bildet. Der niedrige Anfangsmodul gestattet die Verwendung dieses Materials in nicht axialen Lagen ohne dass die Biegsamkeit verloren ginge und bei Beibehaltung einer hohen Zugfestigkeit. In a further embodiment, the KEVLAR braid with a plastic covering can be used as a reinforcing filling, which forms a cushion between the optical fibers 30 in the cable. The low initial modulus allows this material to be used in non-axial positions without losing flexibility and while maintaining high tensile strength.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (5)

624 221624 221 1. Lichtleit-Kabel mit einem Verstärkungsglied, dadurch gekennzeichnet, dass sich dieses Glied in axialer Richtung im Kabel erstreckt und aus Kunststoffmehrfachfasern besteht, dass eine Anzahl Lichtleitfasern in Kabelängsrichtung entlang dem Verstärkungsglied angeordnet ist, und dass mindestens ein Schutzmantel die Lichtleitfasern und das Verstärkungsglied umgibt. 1. Optical cable with a reinforcing member, characterized in that this member extends in the axial direction in the cable and consists of plastic multiple fibers, that a number of optical fibers are arranged in the longitudinal direction of the cable along the reinforcing member, and that at least one protective sheath surrounds the optical fibers and the reinforcing member . 2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Verstärkungsglied aus einem aus einem Kunststoff-asergeflecht bestehenden Seil gebildet ist, entlang welchem die Lichtleitfasern, in Kabellängsrichtung verlaufend, angeordnet sind, dass um diesen Aufbau mindestens eine Schicht eines Polyesterbandes gewickelt ist, und dass das Ganze durch einen äussern Kunststoffschutzmantel geschützt ist. 2. Cable according to claim 1, characterized in that the axial reinforcing member is formed from a rope consisting of a synthetic plastic braid, along which the optical fibers are arranged, running in the longitudinal direction of the cable, that at least one layer of polyester tape is wound around this structure, and that the whole thing is protected by an outer protective plastic sheath. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsglied mit einer Kunststoffschicht versehen ist, welche eine glatte Oberfläche des Verstärkungsgliedes gewährleistet, mn welche die Lichtleitfasern gewickelt werden. 3. Cable according to claim 2, characterized in that the reinforcing member is provided with a plastic layer which ensures a smooth surface of the reinforcing member, mn which the optical fibers are wound. 4. Kabel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine verstärkende Kunststoffaser zwischen den Lichtleitfasern des Kabels vorhanden ist. 4. Cable according to claim 2 or 3, characterized in that a reinforcing plastic fiber is present between the optical fibers of the cable. 5. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsglied aus einem aromatischen Polyamid gebildet ist. 5. Cable according to claim 1, characterized in that the reinforcing member is formed from an aromatic polyamide.
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