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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Optikfaserkabel mit einer
verbesserten Fähigkeit zum
Isolieren der Fasern vor externen Spannungen, die optische Übertragungsverluste
ergeben können oder
Belastungskorrosion, die zu Faserbrechen führen kann.
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Optische
Fasern bestehen aus sehr dünnen Strängen aus
reinem Silika oder Glas und sie können in ihrem mechanischen
Verhalten als perfekt elastisch spröde gekennzeichnet werden. Um
die Fasern mit einem Schutz vor externen Spannungen zu versehen,
die dieselben zerbrechen könnten,
war es üblich,
die Fasern mit einem Schutzmaterial zu beschichten, wie z. B. einer
dicken Schicht aus schnell härtendem
Polymermaterial. Wie es in dem US-Patent Nr. 5,675,686 angemerkt
ist, schützt
solches schützende
Material die nackten Fasern vor den Spannungen, die während dem
Versand und der Verarbeitung auftreten. Außerdem können die beschichteten optischen
Fasern mit einem Puffermaterial umgeben sein, wie z. B. einem ausgedehnten
PTFE, das mit der beschichteten optischen Faser verbunden sein kann.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Optikfaserkabel
zu liefern, indem die neuartigen nachgiebigen vereinenden Strukturen
sowohl die Lasten minimieren, die zu den Fasern übertragen werden, als auch
die Verschiebungen, die während
den Prozessen und Lasten der Herstellung, der Handhabung und Installation
des Kabels auf die Fasern ausgeübt
werden, um den Entwurf von Trockenkernkabeln mit hohem Faserzählwert (HFC)
mit minimalem optischen Übertragungsverlust
zu ermöglichen,
der durch Mikrobiegen und/oder Makrobiegen der Fasern induziert
wird.
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Es
ist auch eine Aufgabe die Faserhäusungsdichte
für HFC-Entwürfe zu erhöhen, indem
es ermöglicht
wird, dass mehr Fasern in einem bestimmten Kabeldurchmesser umschlossen
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Das
obige und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch die Bereitstellung eines Optikfaserkabels gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
das elastische Ansprechverhalten des Schaums, wie er bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, gekennzeichnet durch eine beinahe konstante relativ
niedrige Spannung für
Druckbelastungen von bis zu 60%.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Einige
der Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden bereits
erwähnt,
andere werden im Verlauf der Beschreibung in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen offensichtlich. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Optikfaserkabels, das die Merkmale
der vorliegenden Erfindung umfasst;
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht
entlang der Linie 2-2 von 1;
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3 die
Querschnitte mehrerer möglicher nachgebender
Kerneinheiten die für
die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind;
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4 ein
Druckspannungs-Belastungsdiagramm für einen stark ausgedehnten
Polymerschaum des Typs, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet
wird;
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5 die
Querschnitte einer nachgebenden Kerneinheit in einem unbelasteten
Zustand und einem 30% Drucklastzustand; und
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6 ein
Finites-Element-Analysekonturdiagramm eines Querschnitts eines nachgebenden
vereinenden Strukturkabels, das eine minimale Hauptspannungsverteilung
für eine
von sechs vereinenden Strukturen mit 0,25 Zoll Durchmesser zeigt,
die in einer Kabelhülle
mit 0,62 Zoll Durchmesser zusammengedrückt sind.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die
vorliegende Erfindung wird nun hierin nachfolgend mit Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in denen bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen
unterschiedlichen Formen ausgestaltet werden und sollte nicht als auf
die hierin ausgeführten
Ausführungsbeispiele
beschränkt
angesehen werden; diese Ausführungsbeispiele
sind eher vorgesehen, damit diese Offenbarung vollständig und
durchgängig
ist und werden den Schutzbereich der Erfindung für einen Fachmann auf diesem
Gebiet vollständig übermitteln.
Gleiche Bezugszeichen beziehen sich überall auf die gleichen Elemente.
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Mit
besonderer Bezugnahme auf die Zeichnungen stellen 1 bis 2 ein
Optikfaserkabel 10 dar, das die vorliegende Erfindung umfasst,
und das drei nachgebende Kerneinheiten 20 umfasst, die in
einer herkömmlichen äußeren Hülle 30 gehalten werden.
Jede nachgebende Kerneinheit 20 besteht aus ei nem Bündel paralleler
Optikglasfasern 22, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus sechs gestapelten Bändern 24 besteht,
wobei sechs optische Fasern in einem lateral ausgerichteten Array
in jedem Band angeordnet sind. Genauer gesagt, die sechs Fasern
jedes Bands sind mit einer herkömmlichen
Matrix beschichtet, wie z. B. einem Acrylatbasierten Material, um
eine integrierte Struktur zu bilden. Die Anzahl von Fasern pro Band,
Bändern
pro Kerneinheit und Kerneinheiten pro Kabel ist nicht auf die in
den Figuren gezeigte beschränkt.
Die Fasern 22 sind von einer Größe, die normalerweise bei Optikfaserkabeln
verwendet wird, und haben typischerweise einen Durchmesser von etwa
250 μm (Mikrometer).
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Jeder
Stapel von Bändern
ist umgeben von und getragen durch eine nachgebende vereinende Struktur,
die hier als ein stark ausgedehnter Polymerschaum (und somit ein
Polymerschaum geringer Dichte) 26 dargestellt ist, der
die Fasern ausreichend vor externen Spannungen puffert, die angelegt
werden, wenn das Kabel gebogen wird oder eine Druckbelastung erfährt. Die
vereinende Struktur dient dazu, die Bänder in ihrer gestapelten Beziehung
zu halten und es ist kein Haftmittel oder dergleichen erforderlich,
um die Bänder
zusammen zu halten. Der Kern, d. h. die Fasern oder Bänder, kann
durch die vereinende Struktur unter Druck gehalten werden, aber
dieselben sind nicht anderweitig an der vereinenden Struktur oder
aneinander befestigt. Somit sind die Fasern und/oder Bänder, die
den Kern umfassen, frei, sich relativ zu der vereinenden Struktur und
relativ zueinander zu bewegen. Außerdem kann der Kern in der
vereinenden Struktur gerade oder gelitzt sein. Der Schaum, der die
vereinende Struktur umfasst, kann unter Verwendung gut bekannter
Extrusionsausrüstung
und -techniken um den Stapel von Bändern extrudiert sein.
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Die äußere umgebende
Hülle 30 kann
jede herkömmliche
Kabelkonstruktion umfassen, die eine Kernröhre, eine Armierung, Zugelemente,
Stäbe, Bänder, Rovinge,
Reißleinen
und äußere Umhüllungen
umfassen kann, wie es in der Technik bekannt ist. Die Biegeeigenschaften
eines solchen Aufbaus übertreffen
normalerweise diejenigen der Fasern oder Bänder. Die relativ geringe Nachgiebigkeit
der vereinenden Struktur trennt den Kern jedoch effektiv von der
Hülle.
Folglich gibt es daher keine kinematische 1-zu-1-Kopplung der Biegeverschiebung
zwischen dem Kern und der Hülle.
Die Kerneinheiten können
durch die äußere Hülle unter
Druck gehalten werden, siehe 2, aber
die Kerneinheiten sind nicht anderweitig an der äußeren Hülle oder aneinander befestigt.
Somit sind die Kerneinheiten frei, um sich relativ zu der äußeren Hülle und
relativ zueinander zu bewegen. Außerdem können die Kerneinheiten in der äußeren Hülle gerade
(wie dargestellt) oder gelitzt sein.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst
die äußere Hülle drei
einzelne konzentrische Schichten, die beispielsweise eine innere
Schicht umfassen können,
die aus einer Polymerkernröhre besteht,
eine Zwischenschicht, die aus Zugelementen und/oder einer Armierung
besteht, und eine äußere Schicht,
die aus einer Polymerumhüllung
besteht. Außerdem,
wie es in 2 am besten ersichtlich ist,
kann zwischen den Einheiten und der äußeren Hülle ein Hohlraum gebildet sein,
wie es bei 40 angezeigt ist, und die äußere Hülle hält die Kerneinheiten unter
einer Druckdeformation.
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Ein
wichtiges Merkmal der vereinenden Struktur ist, dass dieselbe große Deformationen
für relativ
geringe Belastungen zeigt. Obwohl eine vereinende Struktur, die
aus einem ausgedehnten Polymerschaummaterial gebildet ist, wie es
hierin beschrieben ist, bevorzugt wird, da dieselbe eine leicht erreichbare
Realisierung dieses Konzepts darstellt, sind andere Strukturen möglich, die
ein elastisches Ansprechverhalten und Kompressionscharakteristika aufweisen,
die im Wesentlichen gleich sind wie diejenigen eines ausgedehnten
Polymerschaums. Von Grundprinzipien der Festkörpermechanik ist es gut bekannt,
dass die Steifheit ein Ergebnis von sowohl der Geometrie der Struktur
als auch des Ma terials ist. Eine feste Struktur, die aus einem beinahe
nicht zusammendrückbaren
Material, wie z. B. Gummi, hergestellt ist, wird nicht die gewünschten
Lastdeformationscharakteristika liefern. Falls jedoch Strukturmerkmale
enthalten sind, die sich verbiegen können (wie z. B. Rippen, Grate,
Stifte, Balken, Finger, Membrane, usw.), könnte ein beinahe nicht zusammendrückbares
Elastikmaterial verwendet werden. Die Lösung ist es, einen Entwurf
mit den gewünschten Nachbiegelastdeformationscharakteristika
zu erzeugen. In dem Fall eines Schaummaterials sind die Strukturmerkmale,
die sich Biegen und Zusammenfallen, in einem mikroskopischen Maßstab hergestellt,
in Form von Zellwänden
und Membranen, die während
dem Schaumprozess erzeugt werden.
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In
einem mikromechanischen Maßstab
sollte die Schaummaterialzellengröße ausreichend klein sein relativ
zu der charakteristischen Geometrie der Fasern, um eine beinahe
einheitliche Lastübertragung
zwischen der Faser und dem Schaummaterial zu erreichen. Die Zellengrößenbeabstandung
sollte auch ausreichend beliebig Art sein oder eine nichtharmonische
Länge bezüglich des
Faserübertragungsprozesses
aufweisen, damit die Stellen des Mikrokontakts keinen optischen
Verlust erzeugen, auf der Basis von Mikrobiegen, das durch die periodische Belastung
induziert wird.
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In
einem makromechanischen Maßstab
sollte das Material die Kompressionstestcharakteristika zeigen,
die klassisch einem ausgedehnten Polymerschaum zugeordnet sind. 4 stellt
ein Diagramm von Druckspannung über
Belastung dar, die für
das gewünschte
Schaumverhalten typisch ist. Für
kleine Belastungen (kleiner als 0,05) gibt es einen anfänglichen
Anstieg, der kleinen linearen elastischen Deformationen der Zellenstrukturen
entspricht. Mit erhöhter
Belastung fallen die Zellwände
zusammen und knicken und die Belastung erhöht sich auf große Beträge für eine minimale
Erhöhung
der Last. Die Kurve ist für
Belastungen bis zu 60% beinahe horizontal, wobei das nominale Spannungsplateau
unter 100 psi liegt, abhängig
von der Zellularstruktur und dem Basispoly mer. Wenn die Zellen vollständig zusammenfallen
und die Wände
einander direkt kontaktieren, nimmt die Kurve eine scharfe Aufwärtsneigung
an.
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Außerdem muss
das Material erfolgreiche Eigenschaften über Temperatur und Zeit zeigen.
Das Material sollte auch eine geringe Stärke zeigen, sodass es ohne
weiteres entfernt werden kann, um die Bänder zum Spleißen freizulegen.
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3 zeigt
einige darstellende Formen dar, die die Kerneinheiten annehmen können. Der Schutzbereich
dieser Erfindung umfasst nicht nur diese Formen, sondern auch alle
Kombinationen oder Ableitungen derselben. Die runde Form stellt eine
gerade extrudierte Form dar, die es dem Stapel frei ermöglicht,
gelitzt zu werden. Die rechteckige Form verwendet weniger Material
und kann abgerundete Ränder
aufweisen. Der Entwurf mit gelappten Ecken liefert einen zusätzlichen
Schutz gegen den Verlust für
die Eckfasern, während
unnötiges
Material an den Rändern
entfernt wird. Die geneigte oder ineinander greifende Struktur legt
eine Form nahe, die sowohl Faserverlustschutz als auch eine Einheitsorganisation
innerhalb des Kabels fördert.
Die abgeschrägte
Form legt nahe, dass andere Bandstrukturen als prismatische Stapel
möglich
sind, einschließlich
radial ausgefächerte
Formen. Die allgemeine optimierte Form stellt die Verwendung von
unregelmäßigen Formen
und internen Hohlräumen
oder Füllern dar,
um die gewünschte
Leistungsfähigkeit
zu erreichen.
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Auf
der Außenseite
der Kerneinheiten kann eine Haut wünschenswert sein, um robuste
Handhabungsqualitäten
und verbesserte Wasserblockierfähigkeiten
zu fördern.
Das Ziel der vereinenden Struktur ist es, eine nachgebende Aufhängung des
Bandstapels zu liefern, die sich an die Geometrien sowohl des Kabelinneren
als auch des Bandstapels anpasst, mit einer relativ geringen Lastübertragung
zwischen dem Kabel und den optischen Fasern. Folglich befindet sich
eine Quetschwiderstandsfähigkeit
in der äußeren Hülle anstatt
in der Kerneinheitsstruktur. Ein starres Exoskelett auf der Kerneinheitsstruktur
wird topologisch überflüssig und
versetzt tatsächlich
die Faserdichtegewinne durch Reduzieren der Häusungseffizienz. Ferner hemmt
ein starres Exoskelett den Zugriff zu den Fasern zum Spleißen.
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Durch
Auswählen
eines Schaummaterials gemäß Anspruch
1 können
die Kerneinheiten in dem Kabel nach Wunsch zusammengedrückt werden,
mit einer minimalen Erhöhung
bei den Faserkontaktlasten und somit einer minimalen Induktion von Übertragungsverlust.
Eine hohe Zusammendrückbarkeit
vermeidet die Probleme von Komponenten mit hoher hydrostatischer
Spannung im Zusammenhang mit Gummi und anderen beinahe nicht zusammendrückbaren
hyperelastischen Materialien.
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Das
bevorzugte Schaummaterial ist ein stark ausgedehntes (> 90 °s) Polymer,
wie z. B. Polyolefin, das durch Einführen zellularer Hohlräume in das
Basispolymer erzeugt wird. Als spezifische Beispiele werden Polyethylen
niedriger Dichte und Polypropylen bevorzugt. Solche Materialien
und die zugeordnete Verarbeitungsausrüstung sind im Stand der Herstellungstechnik
gut bekannt. Die definierende Anforderung der Schaummaterialien
ist die Druckspannungs-Belastungskurve.
Genauer gesagt sollte das Schaummaterial vorzugsweise das in 4 gezeigte elastische
Ansprechverhalten zeigen. Schlüsselcharakteristika
sind wie folgt:
- 1) Die Kurve sollte ein Plateau
zeigen, das sich aus elastischem Zellwandbiegen ergibt, definiert als
eine Region von beinahe konstanter niedriger Spannung (weniger als
100 psi) für
Druckbelastungen von bis zu 60%. Der Beginn des Plateaus sollte
zwischen 5% und 10% Druckbelastung liegen.
- 2) Es sollte keine großen „Überschnapp"-Lasten vor dem Beginn
des Plateaus geben; das heißt die
Spannung sollte sich auf eine glatte, einförmige elastische Weise von
Null zu der Plateauebene erhöhen.
- 3) Bei Druckpegeln über
60% kann die Spannungs-Belastungskurve
eine zunehmend steile Aufwärtsneigung
annehmen, während
die Zellwände
sich dem vollen Zusammenfall nähern
und sich der Schaum verdichtet. Die genaue Neigung ist nicht wesentlich.
- 4) Es ist wünschenswert,
dass die gesamte Spannungs-Belastungskurve
elastisch ist, ohne eine permanente Einstellung des Materials auf
die Entfernung der Drucklast hin. In bestimmten Bedingungen kann
jedoch Spannungsrelaxation wünschenswert
sein (d. h. für
eine feste Biegung verringert sich die Spannung im Verlauf der Zeit
auf Null).
- 5) Der Schaum sollte stark zusammendrückbar sein, wie durch die effektiven
Poisson-Zahl-Terme angegeben wird, die sich 0 nähern, oder das Verhältnis der
Hülle-zu-Volumen-Moduli,
die sich zwei Drittel nähern.
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Beispiel
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Eine
Schaumzusammensetzung die aus Polyethylen niedriger Dichte (LDPE)
besteht, das von Union Carbide unter der Handelsbezeichnung DFDA1253
geliefert wird, wurde unter Verwendung von CO2-Injektion
geschäumt,
um eine 2,5-fache Volumenausdehnung zu erzeugen. Die resultierende Schaumzusammensetzung
wurde getestet und zeigte eine Druckbelastung-Spannungskurve, die die in 4 gezeigte
beinahe verdoppelte.
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Finite-Elemente-Computeranalyse
verwendete die gemessenen Schaumdaten zum Simulieren und Analysieren
der Anordnung von sechs nachgiebigen Kerneinheiten, wie es in 6 gezeigt
ist.
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5 stellt
eine 30% Druckdeformation für eine
Kerneinheit dar, die aus zwölf
Zwölffaserbändern besteht,
und eine Schaumzusammensetzung, wie sie bei dem obigen Beispiel
beschrieben ist.
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Für einen
Fachmann auf diesem Gebiet den diese Erfindung betrifft und der
den Vorteil der Lehren hat, die in der vorhergehenden Beschreibung
und den beiliegenden Zeichnungen präsentiert werden, werden viele
Modifikationen und andere Ausführungsbeispiele
der Erfindung offensichtlich werden. Daher ist klar, dass die Erfindung
nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist,
und dass Modifikationen und andere Ausführungsbeispiele in dem Schutzbereich
der angehängten
Ansprüche
enthalten sein sollen. Obwohl hierin spezifische Begriffe verwendet
werden, werden dieselben nur in einem allgemeinen und beschreibenden
Sinne verwendet und nicht zu Beschränkungszwecken.