CN1048457A - 非金属铠装层电缆 - Google Patents

Abstract

抗动物光纤电缆包括含传输介质的芯体和铠装 装置。该铠装装置包括外套和包层形式的绝缘铠 装。包层有多个纵向延展的预制段，后者为包含衬底 部分和置于衬底外面的具有较高硬度的涂料层的合 成物。每个段覆盖不到一半的芯体周边长。至少一 部分相邻包层段的纵向边缘表面彼此啮合以螺旋形 缠绕芯体。包层段不仅可抗御啮齿动物侵袭而且可 提供适宜的拉伸和压缩强度以及适宜的柔软度和弯 曲性能，并可防雷电，锈蚀和EMP。

Description

本发明涉及一种具有非金属铠装层的并可在相当宽的电缆外径范围内有效地阻止动物伤害的电缆。

如众所周知，通信电缆可能要经受诸如动物伤害、机械磨损以及锈蚀之类的滥用。埋藏的电缆受到电鼠伤害、架在空中的电缆受到松鼠的伤害一直是个问题。那些外径小于1.07cm并且没有合适的防护铠装的电缆由于动物可直接咬坏电缆而比起外径较大电缆更易于坏损。

业已发现，直接防止暴露电缆不受啮齿动物伤害的一种有效途径是用金属层来裹覆电缆，这种裹覆层最好采用纵向的。然而，即使是外径大于2cm的电缆，使用由碳钢做成的裹覆层常常会导致长期故障。由于当啮齿动物毁坏外套时底层的钢层变得裸露在外而可能出现故障。一旦暴露在外，经受住最初啮齿动物伤害的钢层会迅速锈蚀。这样便不能有效地进行一般的机械防护和有效地防止啮齿动物再次伤害。在这方面，应该指出的是地鼠是地区性动物，它们会重复多次地返回到以前所占据过的地方。所以，沿着电缆的同一位置遭受第二次伤害也并不罕见。先有技术也包括使用不锈钢铠装来防护啮齿动物的伤害。使用不锈钢使得在第一次受到伤害并使钢层暴露的地方，钢制铠装不会很快被锈蚀并且能够抵挡啮齿动物反复多次的伤害。对较大直径电缆，使用纵向重迭接合的瓦楞铠装通常楞提供足够的保护。但是，对较小尺寸的电缆，啮齿动物能够用其牙齿包围电缆而将接缝拉开，因此不适当的铠装布局会引起故障。

所需电缆必须具有合理成本并易于制造。有希望的是，本发明能够提供一种对啮齿动物的伤害加以防护而无需与电缆的诸如柔软性等其它特性进行折衷考虑的电缆。进一步，所需的防护必须使得这种防护包括在可用于任何电缆的铠装装置中，作为该装置的一部分，所述电缆可包含光学纤维或金属导体。也希望所需电缆包括全绝缘铠装装置以免除雷电干扰。金属铠装光纤电缆可能受到几种不同形式的雷电影响。

1988年5月17日提交的美国专利第194，760号中公开的防动物电缆包括：含有至少一种传输介质的芯体和包围所述芯体的铠装装置。该铠装装置是非金属的并包括多个做成纵向延伸的强度件。被称为段的纵向延伸强度件形成了包围电缆芯的包层。为了对地下布线中埋入地下的电缆提供足够柔软度，包层段数必须使得每一包层段包围少于一半的电缆芯外围，而包层段呈螺旋形地缠绕电缆芯体，含塑料材料的外套环绕这些包层段。

虽然上述的防动物电缆比先有技术有显著进步，测试已表明包含这种包层结构的较细电缆仍有点易于受啮齿动物伤害而损坏。所需要的是一种在很宽的电缆外径范围内基本可防御动物的电缆结构。而且，一直希望减小电缆直径。

防动物电缆包含有含有至少一种传输介质的芯体和包裹芯体的铠装装置。铠装装置的至少一部分是非金属的，并包括多个纵向延伸的预制强度件。纵向延伸的强度件被称为段，构成了包围电缆芯的包层。为了对地下布线中埋入地下的电缆的电缆提供足够柔软度，包层段数必须使得每一包层段包围少于芯体外围周长的一半而且包层段呈螺旋形缠绕于电缆芯周围。各段所装的外部元件将各段纳入包层结构。

这些与其相邻段通过各自纵向侧表面至少部分接触而彼此相接的包层段配合起来，构成电缆芯的近乎圆形的封套。在最佳实施例中，每个段有一横过电缆的纵向轴的弧形断面。这样，每一个有较大曲率半径的表面都面向外。预制包层段使每一纵向边表面由电缆的纵轴幅射延展。在最佳实施例中，防啮齿动物电缆铠装装置包括8个包层。每个包层沿各段内表面所限定的周边长延展一段等长距离。

每个包层都由可阻止同种动物重复伤害的材料制成。每个包层段为合成物并包括面向外部的材料层，这种材料可与包层段其余部分（可称作衬底部分）相配合，以使包层段具有相当高的硬度特性。已经发现，每个包层段的衬底部分自身亦可以是一种合成材料，例如可由嵌入固体基质材料的纤维构成。该纤维可以是有机的或人造的，基质材料可以是经处理的树脂材料，例如，环氧树脂。尽管包层的衬底部分最好是由环氧树脂的玻纤做成，但本发明并未受此限制。这种包层装置的衬底部分可包括好几种材料中的任何一种，即KEVLAR

纤维、碳纤等，而且衬底部分要足够薄使之不影响电缆的柔软度。由于将包层绕电缆的纵向轴螺旋状缠绕以及用多条包层段组成圆形封套，从而增进了电缆的铠装装置的柔软度。

也可采取措施来预防水渗入电缆芯和/或沿电缆纵向流动。这可通过将防水材料引入铠装装置来实现，可作为各段上的涂层，或作为铠装装置的分立元件。

图1为本发明的电缆的透视图。

图2为图1电缆的端部截面视图。

图3为用来提供包层的各段的放大的端部截面视图。

图4为本发明另一实施例中互锁包层段的部分放大视图。

图5为本发明电缆另一可选实施例的透视图。

图6为图5电缆的端部横截面视图。

图7描述了电缆笼罐试验存活率与被称作修正刚度指数的参数之间的关系。

图8和图9是具有内、外两层包层包裹电缆芯的本发明又一实施例的透视图和端部截面视图。

参考图1和图2，可见一般地用标号20来指电缆，该电缆的铠装装置至少有一部分由绝缘材料构成。在最佳实施例中，电缆20有一个全绝缘的铠装装置21。这种结构能够很好的保护电缆不受雷电及啮齿动物的破坏。

如图1和图2所见，光纤20包括芯体22，该芯体22可包含一个或多个单元24-24，每个单元包括多条光纤26-26。每个单元24-24备有扎线28。将一个或多个单元安置在由诸如聚乙烯的塑料制成的管状件30内部。

管状件30的内径是这样，以控制芯内涂层光纤总截面面积与由管状件内壁表面所限定的截面积的比率。这样在处理、安装和温度变化期间便允许光纤单元有足够运动以避免由于微微弯曲而带来的损耗。再，管状件，即常称作芯管，可填充诸如美国专利4，701，016中所公开和要求的适宜的隔水材料32。

在芯管附近置有以包层形式的、通常以标号40指定的绝缘铠装。包层40包含多个分别预制的段42-42。各个段42-42配合而形成通常为圆形的芯管包层40。在横过电缆（见图2）纵轴43的横截面里，每一段可以是诸如矩形或四边形的（见图3）。

在最佳实施例中，每个段42预制成弧形并置于芯管周围使其有较大曲率半径的表面朝向电缆外面。再，布置各段使得每个段的纵向延伸的侧边面48-48与相邻段的纵向延展的侧边面至少是部分相接触的。预制每一包层段42使其纵向侧面48-48在将包层段置于芯管周围时通常沿电缆的纵轴的幅射线延展。在一个实施例中，可用呈螺旋形的缠绕在包层上的扎线（未示出）来束缚各个段42-42，以便将各段束在一起，虽然这并不是必须的。本发明的范围包括例如沿其纵向侧面49-49互锁的并带有舌榫及凹槽配置的各个包层段47-47（见图4）。这有助于防止湿气通过铠装装置进入芯体，并有助于在制造过程中进行安装时使各包层段对齐。

只要每个包层覆盖少于芯体外周长的一半，包层40可包含任何多个段42-42，在最佳实施例中，使用8个段42-42。已发现，段的越多电缆越柔软。然而，太多的段也会防碍在将这些段组装到芯体周围以形成包层40时各个段的对齐。其次，由于包层段之间的接缝对啮齿动物的咬入最为敏感，所以，不必要的增加段数可能会增加受啮齿动物伤害电缆的易损度。

每个段42-42是合成材料的。其衬底部分50是绝缘材料制成的。进一步，每一个衬底部分自身可以是合成物，该合成物可以是诸如嵌在固态绝缘基质材料中的有机或无机纤维。在最佳实施例中，每一段衬底部分包含嵌在经处理的环氧树脂基质中的玻璃纤维。不过，用于制造各段衬底部分的材料可以是供应商现成的许多种材料中的任何一种。重要的是这种材料具有较高的拉伸强度、较高的抗压强度，是非金属的，是一种一经与啮齿动物的嘴相接触便阻止其进一步侵击的材料。这类的材料包括，例如，KEVLAR

纤维材料，S Glass（玻璃）、T Glass（T玻璃）或环氧树脂基质中的碳纤材料。进一步，该衬底部分也可由单一材料，如石墨组成，而非合成物。

在最佳实施例中，每个包层段42的衬底部分包括多达4000的连续的单一方向的玻璃纤维丝在环氧树脂基质中束在一起。这使得衬底部分能够承受所要求的压缩及拉伸应力。所可能遇到的压缩应力包括例如由温度变化产生的以及外套材料的初始收缩引起的压缩应力。在最佳实施例中，每个包层段42的特征在于拉伸刚度为每百分之一应变拉力强度约131Kg。

包层40必须使之不削弱电缆的柔软度。对具有非金属铠装装置并须在地下布线中埋入地下的电缆而言，这种电缆必须能够经受的弯曲半径要等于或小于10和电缆外径的乘积而不损坏电缆。可用两种方式实现适宜的柔软度，一种是将各段呈螺旋形地缠绕在管状件上。当然，这层也可根据电缆尺寸和用处加以改变。另外，可通过控制包层40的段42-42的个数来实现适宜的柔软度。

每个包层段的径向厚度也是重要的。如太厚、电缆柔软度便受不良影响。如太薄，电缆受到应力时有的段可能会断裂。业已发现大约0.51-1.02mm范围的厚度是可接受的，当然，还要取决于电缆尺寸。

所要求的柔软度会导致另一问题。由于电缆外径减小，以径向量度的厚度必须减小以维持电缆柔软度。例如，对其外径大于1.07cm的电缆，0.09cm厚度的包层是合适的。然而，当外径小于1.07cm，那么包层厚度必须减小，否则会使电缆的可弯曲程度受到影响。但是，随着厚度减小，抵御动物侵袭的材料量也减小。

为克服这个问题，每一个合成物包层段42也包括适当的涂料层52，该涂料层加在每一衬底部分的外面。该涂料可与衬底层50一起使每个合成段具有较高硬度的特征。结果，尽管电缆直径较小，也可有效阻止动物侵袭。因此，层52包含一种涂料，该涂料和衬底层配合提供至少肖氏（Shore  D）硬度约90的硬度。通常，涂在每个包层段外面的每个复合包层段的外层52其厚度大约为0.0025cm。

在最佳实施例中，所述涂料是由Sherwin-Williams销售的、注册为PERMACLEAR  UV的耐磨的透明涂料。这是一种耐幅射的透明涂料，更具体地说，是一种经处理的聚碳酸酯UV材料。该材料特性包括有：3，000PSi的拉伸强度，2%的伸长率，200，000PSi的模数。当该涂料用到衬底层并经处理后，使该涂料充分粘结到衬底层上以免出现脱层。

一种可选的材料是在由D.L.Flamm、T.R.Anthony和Jefforey  T.Glass所作的、题为“钻石和钻石薄膜-生产和特征”（1988年版权）的论文中所描述的钻石薄膜。如该文所公开的、这种薄膜化学上是惰性的并具有高的弹性模量。也可参见美国专利3，030，188。通过化学气相淀积（CVD）生长的钻石颗粒具有7000-12000Kg/mm²的硬度和44.5×10¹¹达因/cm²的体积模量。工具钢的体积模量为16.5×10¹¹达因/cm²。R.N.Beggs的文章“钻石薄膜：90年代热门的新材料”（参见1989年4月10日出版的Design News，始于第70页）讨论了钻石薄膜的使用。

显然，可用好几种方法来涂覆层52。可以预制每一个包层段42使之包含层52（见图1）。另一方案是，当所有的段构成包层（见图4）之后，将层52涂裹到所有的段上。

对其中含有三个单元24-24、每个单元有12根外经250μm的涂层光纤的电缆20而言，芯管30的内径约为0.63cm而外径约为0.78cm。其每个厚度为0.90mm的8个包层段被用来构成封闭包层40。包层段呈螺旋形绞合，绞距约30cm。

电缆20包括用于防止水进入芯体的各种措施，这也许是重要的。在图1和图2的实施例中，可通过将防水带60放置于包层40和管状件30之间来防止水进入芯体。

隔水带60可包含一层压件，该层压件包括置于两层合成织物层之间的可膨胀的强力汲水的粉末。最好是，带60用隔水材料处理过的憎水材料制成。其好处是，经处理的隔水带是亲水的。亲水材料采用有极强汲水性的材料以易于汲水。最好是，带60是象美国专利4，815，813中所公开的。

电缆20的铠装装置也包括装在段42-42周围并可将各段有效地纳入包层结构的外部元件65。在最佳实施例中，外部元件65包含外套。对包含三个松散纤维束单元24-24，每个单元12根光纤，其外径约1.24cm的电缆而言外套65可由诸如聚乙烯之类塑料材料制成。相邻包层段的相邻纵向侧面之间的空隙通常被外套材料所填充。

在最佳实施例中，外套65与包层段是分离的。然而，将包层段结合进外套的内表面也在本发明的范围之内。

本发明的包层40也可用作隔热层。由于外套挤拉在包层40上，热量可传导到芯体。电缆20的各段42-42使芯体和由外套拉伸产生的热相隔离。事实上，包层段免除了在芯管30周围包包一层单独的通常熟知的绝热芯管封装的必要。

有利的是，因为每个包层段42是包含衬底层50和外层52的合成物，所以可减小段厚度，从而可减小电缆外径。另一方面，如果希望用按照本发明的涂裹的包层段来取代未涂裹的包层段而不保持电缆外径，即么可减小涂裹包层段的厚度从面增加该电缆柔软性。

在示于图5和图6的另一实施例中，电缆80包括由传输介质84和芯管85所组成的芯体82。可含多条丝带86-86的传输介质84可用置于介质和芯管85之间的芯体封装83来包裹，使得在芯管85挤拉成形时保护介质84。裹覆芯管85的是包层88，它包含若干成形为拱形的段90-90。在该实施例中，包层88包含4个段90-90。

在图5和图6的实施例中，每个包层段90-90也是合成物，该合成物包括衬底91和诸如用于图1电缆的层52中所用材料制成的层92。可置特别汲水的涂料层95于层92的外表面。该特别汲水的涂料亦可以是用于浸入介质带60的材料。可用该特别汲水的涂料涂在每一包层段的纵向侧边表面93和94以及主表面96和98。涂料的这些布局以及包层段与相邻的纵向侧面基本紧密接触的排列可保证通过相接段之间接缝的水流被阻断。塑料外套99装在包层88之上。

以上所述电缆是具有全绝缘铠装装置的电缆，从许多观点来看都具有汲引力。由于全绝缘，它必定适用于多雷电区域，因为它不吸引雷电，其次，它不会生锈，从而防止金属生锈，有助于避免光纤电缆中由于金属锈蚀而产生的发生氢气的问题，而且无须集束和接地装置。

该电缆最为重要特性是对啮齿动物伤害的阻止作用。由于是用诸如玻璃的材料制成，对嚼食东西的啮齿动物没有汲引力。电缆中的段强度高，耐用并可阻止在第一次遭遇后受啮齿动物的进一步的侵袭。

关于铠状装置刚度的若干度量标准之一是称为刚度指数的参数。该参数可通过断裂时单位伸长乘以该材料的最终拉伸强度来得到。可修改以牛顿.米/立方米为单位的表示每单位体积材料所吸收的能量的刚度指数以使电缆其它参数的影响减至最小。由于以牛顿.米/立方米为单位的修改后的刚性指数可靠地指出了对啮齿动物造成的变形磨损的阻碍作用，所以在增加刚度和提高啮齿动物笼罐试验的性能之间存在相关性。该啮齿动物笼罐试验是周知的，它描述于前面提及的N.J.Cogelia等人的论文中。

修正刚度指数与样品存活百分比之间的关系很容易通过图7所示的图来确定。刚度增加与性能改进的相关关系是显而易见的。

在Cogelia等人的文章中提供了一张表，该表示出了一对和两对地下的或螺旋缠裹铠装层的配电线的相对性能的比较。由CPA  195沉淀回火铜合金组成的铠装层的其修正刚度指数和啮齿动物罐笼试验的存活百分比分别报告为53和20，而退火的304型不锈钢制成的铠装层的相应参数为142和100，对具有8个0.76-0.89mm厚的段的、断裂强度为357kg的本发明的光纤电缆，其修正刚度指数为105而啮齿动物罐笼试验存活百分比为100。

业已说明本发明的这种电缆为抗啮齿动物的。置于每一包层段外部表面的较硬材料层和衬底配合而形成具有抵御动物牙齿穿透的较高硬度特片的包层段。再，咬入由环氧树脂基质支持的玻璃纤维的啮齿动物会体验到针刺般的玻璃纤维刺穿其嘴的软的牙床区。这种体验阻止了同一啮齿动物的再次侵袭。很显然，这种电缆不但是防啮齿动物，而且可防那些具有侵袭电缆的嗜好的动物，例如鲨鱼。

如上所述，很容易理解，本发明的电缆由于其对啮齿动物及雷电的有效防护，因此在户外环境下具有很好的效用。然而，本发明的电缆也适合用于室内。当然，用于室内要求电缆防火。构成包层的各段对火和烟薰具有很好的阻碍作用。如用诸如聚乙烯的防火材料来制造外套，那么，这种电缆也可用于室内，例如用作升降机电缆。

参考图8和图9，这里示出本发明的另一实施例。电缆110包括图1的芯体22以及塑料芯管30及包层40。

在该实施例中，包层40为内部包层而外部包114包围该内部包层。塑料外套116置于外部包层114之上。

包层40和114的每一个分别包括多个纵向延展的合成物段42和120。段120-120类似于电缆20的段42-42和电缆80的段90-90，每个段都包含较硬的涂料层121就象在每个包层段42-42中提供的涂料层一样。这样，每个段具有一个弧形断面。而各个衬底部分由含纤维的基质材料制成。相邻段的纵向侧面至少一部分沿径向线相互啮合。而且，内部包层40的段42-42和外部包层114的段120-120以相反方向绕电缆螺旋地缠绕。通常，包层114的段数比包层40的段数多1。由于使用两层包层，每个包层段的厚度，例如，大约0.6-0.76mm，可以小于电缆20中段40的厚度。

图8中电缆110比起图1和图4电缆对动物侵袭具有更大抵抗作用。这是由于双层的阻止啮齿动物材料以及电缆直径的增大。另外，内部包层40比起图1单个包层的芯管30对很大的压力提供更坚实的支撑。

在电缆110的最佳实施例中，包层40和114的段和包层40和132的段所用材料是相同的。然而，一种包层的段所用材料不同于同一电缆其它包层中的段所用材料，也在本发明的范围之内。

应该理解，上述结构只是对本发明的简单说明。本领域的技术人员也可设计出体现本发明的原理并落在本发明精神及范围内的其它结构。

Claims (10)

1、一种包含芯体和铠装装置的电缆，所述芯体包含至少一种传输介质，所述铠装装置包围所述芯体，所述铠装装置的特征在于：

多个纵向延展的段将其相邻的面向纵向边缘表面的至少一部分预制成基本上相触连接从而一起形成包围所述芯体的一个包层，所述的多个段绕所述芯体呈螺旋形缠绕，在数量上足以使所述电缆沿预定半径的路径进行走线而不损伤该电缆，每一所述段为包含由绝缘材料做成、可提供所述电缆适宜拉伸和压缩强度的衬底部分的合成物，所述衬底部分其外部表面置有具有较高硬度的涂料层用以和衬底层配合使包层具有较高硬度的特性，以及

所述段周围至少装有一个外部元件，用来将所述段纳入所述包层结构。

2、权利要求1的电缆，其特征在于：每一所述段横过所述电缆纵向轴的截面为弧形的。

3、权利要求1的电缆，其特征在于：对所述段的个数进行优化以提供充分柔软度，并使之不妨碍在所述电缆制造过程中所述各段的对齐。

4、权利要求3的电缆，其特征在于：绝缘包层包含至少8个纵向延展的段。

5、权利要求1的电缆，其特征在于：每一所述段的所述衬底部分包含嵌在固态基质材料中的纤维。

6、权利要求1的电缆，其特征在于：每一包层段具有至少90左右的肖氏（Shore  D）硬度。

7、权利要求1的电缆，其特征在于：所述涂料包含钻石薄膜。

8、权利要求1的电缆，其特征在于：每一所述的预制段的所述纵向边缘表面从所述电缆的纵轴向外辐射延展。

9、权利要求1的电缆，其特征在于：所述预定半径小于等于10与与所述电缆外径的乘积。

10、权利要求1的电缆，其特征在于：所述包层为内部包层，而所述铠装装置还包括含有多个所述纵向延展段的外部包层。

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