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Diese Erfindung betrifft ein Unterwasserkabel gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 oder 5. Solch ein Kabel enthält
optische Fasern und kann mit einem Starkstromkabel, einem
Wasserversorgungsrohr oder dergleichen kombiniert werden, um
auf dem Grund eines Gewässers verlegt zu werden. Solch ein
Kabel ist aus der EP-A-0 321 262 bekannt.
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Ein konventionelles Gegenstück der Erfindung, z.B. ein
optische Fasern enthaltendes Unterwasserstarkstromkabel ist
in solch einer Weise konstruiert, daß eine aus Polyethylen,
Vinylchlorid oder dergleichen hergestellte
Nunststoffummantelung, die auf ihrer Außenfläche eine
spiralförinige Nut oder Längsnut besitzt, auf der Außenfläche
ines einadrigen oder dreiadrigen Kabels vorgesehen ist,
wobei eine optische Faser in der Nut eingelassen ist und des
weiteren Bewehrungsstahldrähte außerhalb der
Kunststoffummantelung vorgesehen sind, oder alternativ, daß
bin optisches Faserkabel in der Form einer Spiral- oder SZ-
Verseilung auf der Umfangsfläche eines Starkstromkabels
vorgesehen ist, worauf eine Kunststoffummantelung und, weiter
außen davon, Bewehrungsstahldrähte angebracht sind.
Gewöhnlich ist in dem Fall eines dreiadrigen Kabels zum
Aufbau eine optische Faser in die freien Zwischenräume
zwischen den Kabeladern eingefügt.
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Die optische Faser besitzt jedoch im allgemeinen eine geringe
inechanische Festigkeit. Knickung ist daher kritisch. Darüber
hinaus verursacht eine örtliche Biegebeanspruchung oder
sogenannte Mikrobiegung eine beachtliche Verschlechterung der
Übertragungseigenschaften einer optischen Faser.
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In einigen Fällen, bei denen eine optische Faser aufgrund der
Spule einer Rollvorrichtung oder dergleichen in der Länge
begrenzt ist, so daß die optische Faser nicht in einer
Aufeinanderfolge von Längen mit einem Starkstromkabel
kombiniert werden kann, ist es erforderlich, die optische
Faser init einer anderen zu verbinden. Im übrigen ist es bei
der fabrikseitigen Verbindung von Starkstromkabeln auch
gefordert, daß sich optische Fasern zur gleichen Zeit
verbinden lassen.
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Somit ist es notwendig, die Verbindungsenden der optischen
Fasern, die miteinander verbunden wurden, auf einem
Starkstromkabel oder über die ganze Länge innerhalb der Nut
auf einer Kunststoffummantelung unterzubringen und die
Einarbeitung ohne irgendeine Mikrobiegung zu gestatten. Diese
Technik stellte bisher den größten Engpaß in der Herstellung
optischer Fasereinheiten dar. Das heißt, es ist gefordert,
daß die optischen Fasern beim Verbinden von dem Hauptkörper
des Starkstromkabels entfernt sind. Aus diesem Grund ist es
äußerst schwierig, den Endabschnitt unterzubringen, ohne daS
dies zu einer Verschlechterung der Funktion der optischen
Faser führt. Falls eine Vielzahl von optischen Fasern
verwendet wird, werden ferner deren verschiedene Endlängen
eine Unterbringung nahezu verhindern.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
optische Fasern enthaltende, längere Unterwassereinheit zu
schaffen, die über eine wie oben beschriebene Bauart verfügt,
und wobei die längere Unterwassereinheit so aufgebaut ist,
das jegliche Knickung, die die optische Fasereinheit während
des Biegevorganges der längeren Unterwassereinheit
beeinträchtigen würde, verhindert wird. Die hier genannte
Knickung ist kritisch für eine optische Faser, während
jegliche örtliche Biegebeanspruchung oder sogenannte
Nikrobiegung eine Verschlechterung der
Übertragungseigenschaften einer optischen Faser verursacht.
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Solch eine zum Zwecke der Vermeidung jeglicher Knickung
entworfene, optische Fasern enthaltende, längere
Unterwassereinheit besitzt die folgenden Merkmale.
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Die optische Fasern enthaltende, längere Unterwassereinheit
ist dadurch gekennzeichnet, daß optische Fasereinheiten im
Inneren der Kunststoffummantelung angeordnet sind, die auf
der Außenfläche des Hauptkörpers der längeren
Unterwassereinheit, wie etwa einem Starkstromkabel oder einem
Wasserversorgungsrohr, vorgesehen ist, jede optische
Fasereinheit eine optische Faser umfaßt, die in einem
Metallrohr untergebracht ist, das auf seiner Umfangsfläche
eine aus einem Kunststoffmaterial mit einem Schmelzpunkt
höher als der des Materials der oben genannten
Kunststoffummantelung hergestellte Umhüllungsschicht besitzt,
und Stahldrahtbewehrungsbündel außen davon vorgesehen sind.
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Solch ein Aufbau der längere Unterwassereinheit ermöglicht
die Vermeidung jeglicher Knickung in der optischen
Fasereinheit, die zusammen mit der Biegung des Kabels oder
des Wasserversorgungsrohres auftreten würde, und gestattet
somit die Beibehaltung eines stabilen Betriebsverhaltens der
längere Unterwassereinheit über eine verlängerte Dauer.
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In dem Fall eines Unterwasserstarkstromkabels können sowohl
die Kunststoffummantelung des Kabels als auch die
Kunststoffumhüllungsschicht der optischen Fasereinheit oder
lediglich die Kunststoffumhüllungsschicht der optischen
Fasereinheit aus einer Schicht mit geringer Leitfähigkeit
sein, so daß das Auftreten jeglichen, aufgrund eines
agressiven Spannungsstoßes anormal induzierten Potentials in
dem Metallrohr der optischen Faser verhindert und somit die
Möglichkeit der Isolationszerstörung der Umhüllungsschicht
des Metallrohres vermieden wird.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische
Fasern enthaltende längere Unterwassereinheit zu schaffen,
die ein einfaches Verbinden optischer Fasern gestattet,
dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Fasereinheit, die
eine in einem Metallrohr, das eine
Kunststoffumhüllungsschicht an seiner Umfangsfläche besitzt,
untergebrachte optische Faser umfaßt, auf die Außenseite
einer Kunststoffummantelung gewickelt ist, die auf der
Umfangsfläche eines Hauptkörpers einer längeren
Unterwassereinheit, wie etwa ein Starkstromkabel oder
Wasserversorgungsrohr, vorgesehenen ist, und
Bewehrungsstahldrahtbündel ferner auf der Außenseite davon
vorgesehen sind.
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Solch ein Aufbau der längeren Unterwassereinheit, bei dem
optische Fasereinheiten zwischen der auf der Umfangsfläche
des Hauptkörpers der langgestreckten Unterwassereinheit
vorgesehenen Kunststoffummantelung angeordnet sind,
ermöglicht ein Verbinden optischer Fasern unabhängig von
feglicher fabrikseitigen Verbindung der längeren
Unterwassereinheit, und gestattet ferner ein Verbinden
lediglich der optischen Fasern ungeachtet von
Verbindungsüberschußlängen, Toleranzen oder Wiederverbinden
nach Versagen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
eines optische Fasern enthaltenden
Unterwasserstarkstromkabels gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
einer optischen Fasereinheit der Erfindung;
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer anderen
Ausführungsform des optische Fasern enthaltende
Unterwasserstarkstromkabels gemäß der Erfindung;
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Fig. 4 und 5 sind beide Querschnittsansichten von optischen
Fasern enthaltenden Unterwasser-Wasserversorgungsrohren gemäß
der Erfindung;
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Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren
Ausführungsform des optische Fasern enthaltenden
iinterwasserstarkstromkabels gemäß der Erfindung;
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Fig. 7 (a bis d) sind alles Übersichten für Versuche
hinsichtlich der Anordnung der optischen Fasereinheiten;
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Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer optische Fasern
enthaltenden längeren Unterwassereinheit gemäß der Erfindung;
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Fig. 9 ist eine allgemeine Übersicht des
ilerstellungsverfahrens für eine optische Fasern enthaltende
längeren Unterwassereinheit gemäß der Erfindung; und
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Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
einer optischen Fasereinheit geinäß der Erfindung.
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Wir, die Erfinder der vorliegenden Anmeldung, haben eine
Vielzahl von Erprobungen und Überlegungen durchgeführt, um
eine Konstruktion der optische Fasern enthaltenden längeren
Unterwassereinheit zu finden, die optische Fasereinheiten
besitzt, die höchst einfach an einem Hauptkörper, wie etwa
einer Ader eines Starkstromkabels oder einem
Kunststoffwasserversorgungsrohr, anzubringen sind und dennoch
frei von jeglicher Verschlechterung der mechanischen
Eigenschaften und Übertragungseigenschaften der optischen
Faser sind.
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Bei solch einer Vorrichtung wurden dreißig Teile von
Netallrohren mit einem Außendurchmesser von ca. 1,0 mm, jedes
mit einer darin aufgenommenen optischen Faser, in der Form
von Spiralen bei Steigungen von 70 multipliziert mit 7 bis 12
auf einen Bleimantel eines Starkstromkabelleiters mit einem
Außendurchmesser von ca. 70 mm gewickelt, mit einer darauf
vorgesehenen Polyethylenumhüllung. Als wir die Einheiten
einer zwanzigmaligen Biegewechselbeanspruchung bei einem
Padius von 70 mm x 20 = 1 400 mm unterwarfen und die
optischen Fasern und Metallummantelungen prüften, wurde
festgestellt, daß mehrere bis ungefähr 10 optische
Fasereinheiten irgendeinen Bruch aufwiesen. Folglich wurde
herausgefunden, daß das Metallrohr eine schwache
Knickfestigkeit besitzt und deshalb eine geringe Steifigkeit,
was in erster Linie die obigen Resultate erklärt.
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Aus diesem Grund versahen wir zusätzlich als eine Verstärkung
für ein Metallrohr eine Polyethylenumhüllungsschicht auf
dessen Außenfläche. Da eine übermäßig dicke
Polyethylenumhüllungsschicht einen übermäßig großen
Außendurchmesser des Netallrohres verursachen und die
Zwischenräume der optischen Fasereinheiten unerwünscht
äußerlich sichtbar machen wird, wenn man eine
Polyethylenumhüllung auf der Schicht der optischen
Fasereinheit vorsieht, wurde die Dicke der
Polyethylenumhüllungsschicht auf 0,5 bis 1,0 mm festgelegt,
wobei der Außendurchmesser der optischen Fasereinheit 2 bis
3 mm beträgt. Anschließend stellten wir, wie in den Fig. 7
(a) bis (d) gezeigt, Prototypen der optische Fasern
enthaltenden Einheiten in zwei Typen her, einer nur mit
darauf gewickelten optischen Fasereinheiten (3) und der
andere, bei dem sowohl optische Fasereinheiten 3 als auch
Nylonbündeldistanzstücke 4 zusammen gewickelt wurden, und
ferner eine darauf vorgesehene Polyethylenumhüllung.
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Diese Produkte unterwarfen wir Biegeversuchen und
anschließend demontierten wir sie zur Untersuchung. Das
folgende sind die somit erhaltenen Ergebnisse.
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(1) Die Polyethylenumhüllungsschicht der optischen
Fasereinheiten erwies sich als teilweise verschmolzen oder
deformiert aufgrund der Extrusionstemperatur der
Polyethylenumhüllung (wobei im allgemeinen Polyethylen einen
Schmelzpunkt von 120 bis 130 ºC besitzt und als eine
Umhüllungsschicht bei etwa um 200 ºC extrudiert wird) und war
nicht ausreichend, um als eine wirkungsvolle Verstärkung zu
dienen;
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(2) Die Fälle gemäß der Figuren 7 (c) und (d) zeigten relativ
wünschenswerte Ergebnisse mit vergleichsweise geringerer
Wirkung als in dem vorangegangenen Punkt (1), wohingegen bei
einigen optischen Fasereinheiten 3 die vorhergenannte
Knickung auftrat und diese sich als immer noch unzureichend
hinsichtlich der Verstärkung und Steifheit erwiesen, um ein
stabiles Erzeugnis in Massenproduktion zu erzielen;
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(3) Im Gegensatz zwischen der spärlichen Wicklung wie in den
Figuren 7 (a) und (b) und der dichten Wicklung in den Fig. 7
(c) und (d) stellte sich heraus, daß die dichte Wicklung eine
gleichförmigere Bewegung der optischen Fasereinheiten 3 gegen
die Biegung zeigt und ferner das Auftreten von örtlicher
Krnickung unterdrückt.
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(4) Die Nylonbündeldistanzstücke 4 zeigten keine
Anormalitäten.
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In Anbetracht dieser Ergebnisse sind wir zu der
Schlußfolgerung gelangt, daß es hinsichtlich der
Umhüllungsschicht auf einem Metallrohr für optische Fasern am
wünschenswertesten ist, ein Kunststoffmaterial zu verwenden,
das einen höheren Schmelzpunkt und höhere Steifigkeit als
Polyethylen besitzt, das als die Kunststoffumhüllung für die
Starkstromkabelader verwendet wurde. Anschließend, in Fig. 7
(a) bis (d), führten wir ähnliche Versuche durch, wobei die
Polyethylenumhüllungsschicht auf einem Metallrohr der
optischen Fasereinheit durch eine Nylonumhüllungsschicht
ersetzt wurde.
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Es wurde herausgefunden, daß jede der in den Fig. 7 (a) bis
(d) dargestellten Anordnungen ein zufriedenstellendes
Ergebnis zeigte. Ferner erwies es sich bei Betrachtung der
Unterschiede zwischen (a) bis (d), daß die Anordnungen nach
(c) und (d) hier ebenfalls besser sind als die anderen, und
daß, wenn die Kabel überdies der Ausübung von
Querbeanspruchung und Aufprall ausgesetzt wurden, die
Anordnung gemäß (c) und (b) immer noch besser sind. Bei
Durchführung ähnlicher Experimente mit anderen Werkstoffen
wie etwa Polybuten, Polypropylen und faserverstärktem
Kunststoff (FRP) waren die Ergebnisse die gleichen wie bei
Nylon. Insbesondere erwies sich faserverstärkter Kunststoff
(FRP) als überlegener und zeigte eine hohe mechanische
Festigkeit und gute Steifigkeitseigenschaften.
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Nachfolgend führten wir ähnliche Biegeversuche wie oben
durch, mit auf der Polyethylenumhüllung vorgesehenen
Bewehrungsstahldrähten, wobei die vorhergehenden
Schlußfolgerungen unverändert blieben.
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Basierend auf den vorangehend erzielten Ergebnissen führten
wir weitere Experimente mit den optischen Fasereinheiten
durch, die auf die Polyethylenummantelung des
Starkstromkabels gewickelt wurden. Bei diesen Versuchen
betrug die Dicke der Umhüllungsschicht der optischen
Fasereinheit 0,5 bis 1,0 mm und der Außendurchmesser der
optischen Fasereinheit 2 bis 4 mm. In diesem Fall stellten
wir zusätzlich zu den in Fig. 7 (a) und (b) dargestellten
Prototypen mit der spärlichen Wicklung diejenigen mit der in
den Fig. 7 (c) und (d) gezeigten dichten Wicklungsstruktur
her, bei denen Nylonbündeldistanzstücke zu den optischen
Fasereinheiten hinzugefügt wurden. Es schien, daß die dichte
Wicklung mit den darauf vorgesehenen Bewehrungsstahldrähten
zu einer geringeren Vorspannlast von der äußeren Kraft von
den Bewehrungsstahldrähten neigen würde und darüber hinaus zu
einer geringeren örtlichen Biegung oder Bewegung in den
optischen Fasereinheiten und somit vorzugsweise das Auftreten
von jeglichen örtlichen Anormalitäten unterdrückt.
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In dem Fall der Fig. 7 (c), wenn der Durchmesser einer
optischen Faser innerhalb des Bereiches von 2 bis 4 mm liegt,
beträgt der Außendurchmesser eines Nylonbündeldistanzstückes
3 bis 6 mm und ist um 1 bis 2 mm erhöht. In einem anderen
Fall nach Fig. 7 (d) waren sowohl die Durchmesser der
optischen Fasereinheiten als auch der
Nylonbündeldistanzstücke gleich und betrugen etwa 2 bis 4 mm.
In beiden Fällen wurden die Wicklungssteigungen 7 bis 12 mal
größer als die geringeren Durchmesser der verstärkten
Abschnitte der optischen Fasereinheit ausgeführt, und darauf
wurde eine Wicklungsschicht aus Polypropylengarn als ein
Sitz, ein einzelner Bewehrungsstahldraht mit einem
Außendurchmesser von 8 mm, und eine Umhüllungsschicht aus
Polypropylengarn vorgesehen, wie bei einer konventionellen
angewandten Technik für Unterwasserkabel.
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Wir unterwarfen derartige Kabel einer zwanzigmaligen
Biegewechselbeanspruchung bei einem Radius von zwanzig mal
dem Außendurchmesser des Bewehrungsdrahtes und betrachteten
den Grad der Beschädigung in den optischen Fasereinheiten.
Darauf erwies sich jede Anordnung mehr oder weniger
fehlerfrei, jedoch, genauer, zeigte die Struktur der dichten
Wicklung dauerhaftere und bessere Resultate als erwartet.
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Anschließend hierzu übten wir Querbeanspruchung und Aufprall
aus, um die Zugfestigkeit der optischen Fasereinheiten zu
untersuchen. Das Ergebnis war so, daß obwohl beide
knordnungen ausreichende Leistung besaßen, die Anordnung nach
Fig. 7 (c) eine höhere Zugfestigkeit der optischen
Fasereinheiten zeigte, da deren Druck zu einem höheren Betrag
init den Nylonbündeldistanzstücken geteilt wurde als in der
Anordnung nach Fig. 7 (d). Somit ist die Anordnung nach Fig.
7 (c) in Fällen vorzuziehen, bei denen ein größerer
seitlicher Druck vorliegt. In anderen Fällen, bei denen die
Wirksamkeit bei seitlichem Druck nicht zu berücksichtigen
ist, ist es jedoch vorzuziehen, daß, wie in Fig. 7 (d)
gezeigt, sowohl die optischen Fasereinheiten als auch die
Nylonbündeldistanzstücke den gleichen Durchmesser besitzen,
was die Herstellung vereinfacht und die Anzahl der
Wicklungseinheiten soweit wie möglich reduziert, bei Erhöhung
der Produktivität. Ferner eignen sich in solch einem Fall,
bei dem die Wirksamkeit bei seitlichem Druck gering sein
kann, sogar beide der Anordnungen nach Fig. 7 (a) und (b) und
tragen zur Wirtschaftlichkeit bei. Diese Abwandlungen können
inn Abhängigkeit von Betriebszuständen gewählt werden.
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Zusätzlich stellte sich heraus, daß das auf die
Polypropylengarn-Umhüllungsschicht als eine äußerste Lage
aufgebrachte Umhüllungsmaterial keine Auswirkung auf das
Nylon, Polybuten und Polypropylen als
Kunststoffumhüllungsschicht für optische Fasereinheiten hat.
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Überdies würden die Kabel, die solche Anordnungen besitzen,
anfällig sein für das Eindringen von Seewasser oder ähnlichem
durch die Bewehrungsdrähte bis zu den optischen
Fasereinheiten. Hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen
Seewasser wurden, obwohl Polyethylen am häufigsten verwendet
wurde und nachweislich keine Probleme nach sich zieht, Nylon,
Polybuten und Polypropylen als erfolgreich in dein Langzeit-
Eintauch-Dehnungstest und dem Bruchfestigkeitsversuch
bestätigt. Es gibt jedoch einige Fälle, bei denen in der
Umgebung und in der Nähe der Seewasseroberfläche und unter
Einwirkung von ultravioletten Strahlen, bei Benetzen infolge
von Seewasser und wiederholtem Trocknen, Polyethylen dem
Nylon vorzuziehen ist. In solch einem Fall ist es
wünschenswert, eine zusätzliche Umhüllungsschicht aus
Polyethylen mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 2,0 mm außen auf
die Nylonumhüllungsschicht aufzubringen, zusätzlich zu der
Umhüllungsschicht der Nylonbündeldistanzstücke und optischen
Fasereinheiten.
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Bei beiden der oben beschriebenen Anordnungen kann es sich
bei dem Verfahren zum Wickeln optischer Fasereinheiten und
Nylonbündeln um SZ-Verseilung handeln, entsprechend im
wesentlichen der Spiralwicklung, wohingegen das
Spiralwickelverfahren in Anbetracht der
Herstellungserleichterung der SZ-Verseilung vorzuziehen ist.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten
Ausführungsform eines optische Fasern enthaltenden
Unterwasserstarkstromkabels gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In Fig. 1 kennzeichnet Bezugszeichen 1 eine
Starkstromkabelseele; 2 eine Metallhülle, wie etwa einen
Bleimantel für das Starkstromkabel; 3 eine optische
Fasereinheit, die auf die Umfangsfläche des Metallmantels 2
in entweder spärlicher oder dichter Wicklung zusammen mit
einem Kunststoffdistanzstück 4, wie etwa ein
Nylonbündeldistanzstück, gewickelt ist, wobei das
Kunststoffdistanzstück 4 weggelassen werden kann, wenn
lediglich die optische Fasereinheit 3 gewickelt wird; und
Bezugszeichen 5, 6, 7 und 8 kennzeichnen jeweils ein
Druckwicklungsband, eine Kunststoffummantelung aus
Polyethylen und dergleichen, einen Bewehrungsdraht und eine
Umhüllungsschicht aus Polypropylengarn oder dergleichen.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die optische Fasereinheit 3 so
konstruiert, daß die Einheit über eine optische Faser 32
verfügt, die in einem Metallrohr 31 aus rostfreiem Rohr oder
dergleichen untergebracht ist, wobei das Metallrohr 31 an
seiner Außenfläche eine Umhüllungsschicht besitzt, die aus
einem Material besteht, das einen höheren Schmelzpunkt als
den der oben genannten Polyethylenummantelung 6 besitzt, z.B.
Nylon, Polybuten oder Polypropylen.
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer anderen
Ausführungsform des optische Fasern enthaltenden
Unterwasserstarkstromkabels gemäß der Erfindung. Bei dieser
Ausführungsform ist auf dem Metallmantel 2 auf der
Starkstromkabelader eine Kunststoffummantelung 6 aus
Polypropylen oder dergleichen vorgesehen, und die in Fig. 2
gezeigte optische Fasereinheiten 3 sind entweder spärlich
oder dicht, allein oder zusammen mit den
Kunststoffdistanzstücken 4, darauf gewickelt. Weiter darauf
ist ein Druckwicklungsband 5, Bewehrungsstahldrahtbündel 7,
eine Umhüllungsschicht 8 und dergleichen vorgesehen.
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Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
eines optische Fasern enthaltenden Unterwasser-
Wasserversorgungsrohrs gemäß der Erfindung. Das
Wasserversorgungsrohr ist in solch einer Art und Weise
konstruiert, daß optische Fasereinheiten 3 spärlich oder
dicht auf die Außenfläche des aus einem Polyethylenrohr oder
dergleichen geformten Wasserversorgungsrohrs 10 gewickelt
sind, und zwar zusammen mit aus Nylonbündeln, wie in den
vorhergenannten Starkstromkabel, hergestellten
Kunststoffdistanzstücken 4, und darauf ist ein
Druckwicklungsband 5 vorgesehen, eine Kunststoffummantelung
11 aus Polyethylen oder dergleichen, und weiter darauf,
Bewehrungsdrähte 7, eine Umhüllungsschicht 8, und anderes.
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Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer anderen
Ausführungsform eines optische Fasern enthaltenden
Unterwasser-Wasserversorgungsrohres gemäß der Erfindung,
wobei sich das Rohr von dem nach Fig. 4 darin unterscheidet,
daß die äußere Polyethylenummantelung 11 weggelassen ist,
während Bewehrungsdrähte 7 auf der Wicklungsschicht 5 der
optischen Fasereinheiten 3 vorgesehen sind.
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Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren
Ausführungsform des optische Fasern enthaltenden Unterwasser-
Starkstromkabels gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform
besitzt die gleiche Konstruktion wie die Ausführungsform nach
Fig. 3, außer daß auf der Wicklungsschicht der optischen
Fasereinheiten 3 und der Kunststoffdistanzstücke 4 eine
Metallbandschicht 9, wie etwa ein Kupferband, Stahlband oder
ein rostfreies Stahlband, vorgesehen ist.
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Bei Unterwasserstarkstromkabeln können allerlei
Spannungsstöße auftreten: Zum Beispiel, (1) wenn an Land ein
Schalter betätigt wird, hat dies einen Schalt-Spannungsstoß
Lur Folge und (2) tritt ein Spannungsstoß durch Blitzschlag
auf, wenn sich ein Blitzschlag in oberirdische
Starkstromleitungen ereignet, die mit beiden Enden des
Unterwasserstarkstromkabels verbunden sind (auf diese
Spannungsstöße und Impulse wird nachstehend im allgemeinen
als Spannungsstöße Bezug genommen werden).
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Wenn ein Spannungsstoß in dem Leiter und dem Metallmantel des
Unterwasserstarkstromkabels auftritt, kann ein hohes
Potential in dem Metallmaterial generiert werden, das der
Länge nach auf die Außenseite der Kabelseele gewickelt ist.
In dem Fall von Unterwasserstarkstromkabeln sind diese
Metallmaterialien gewöhnlich an ihren beiden Enden an ein
Nullpotential geerdet, wohingegen, je länger das Kabel ist,
um so proportional größer wird das Potential, und je
entfernter das Kabel von dem Erdungspunkt ist, um so größer
wird das Potential, das sich wahrscheinlicher entwickelt. Was
Bewehrungsstahldrähte anbelangt, so sind diese frei von solch
einem großen Potential, da sie einheitlich an Seewasser
geerdet sind. In dem Fall der optischen Fasereinheiten geinäß
der vorliegenden Erfindung, die mit einem Kunststoffmaterial
zur Vermeidung von Seewasserkorrosion korrosionsgeschützt
sind, kann ein um so größeres Potential entwickelt werden, je
weiter das Kabel, wie oben dargelegt, von den Erdungspunkten
an den beiden Enden entfernt ist, so daß das Kabel infolge
eines hohen Potentials, das die Durchschlagfestigkeit der
Kunststoffumhüllungsschicht übersteigt, einen elektrischen
Durchschlag erleiden kann, was infolge der inneren Agression
des Seewassers zu Korrosion in dem Metallrohr oder infolge
der Energie des elektrischen Durchschlags zu einer
Beschädigung der optischen Faser führen kann.
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Hinsichtlich dieser Probleme können die folgenden
Gegenmaßnahmen getroffen werden:
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(1) Wenn die optischen Fasereinheiten 3, wie in Fig. 1
dargestellt, innerhalb der Kunststoffummantelung 6 des Kabels
eingebaut sind, werden sowohl die Kunststoffumhüllungsschicht
33 zum Umhüllen der Außenseite der optischen Fasereinheit 3
als auch die Kunststoffummantelung 6 für das Kabel gering
leitfähig ausgebildet, um es zu ermöglichen, daß sich ein
durch einen Spannungsstoß induziertes Potential über die
gesamte Länge des Kabels aufzehren kann, in der Reihenfolge
von dem Metallrohr 31 der optischen Fasereinheit 3
- Kunststoffumhüllungsschicht 33 der optischen Fasereinheit 3
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Kunststoffummantelung 6 für das Kabel - Seewasser, und somit
ein Anstieg des Spannungsstoßpotentials verhindert wird; und
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(2) wenn optische Fasereinheiten 3 wie in Fig. 3 gezeigt,
unter den Bewehrungsdrähten 7 auf der Kunststoffummantelung 6
für das Kabel eingebaut werden, wird die
Nunststoffumhüllungsschicht 33 für die optische Fasereinheit
3 aus einer geringfügig leitenden Substanz gebildet,
unabhängig, ob der Kunststoffmantel 6 für das Kabel
geringfügig leitende Eigenschaften besitzt oder nicht,
wodurch folglich der gleiche Effekt wie in dem
vorangegangenen Punkt (1) erzielt werden kann.
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Um den obigen Effekt zu gewährleisten, ist es sehr
erstrebenswert, wie in Fig. 6 dargestellt, eine
Metallbandschicht 9 auf der Außenseite von und in direktem
Kontakt mit der Anordnungsschicht für die optischen
Fasereinheiten 3 zu versehen, die wiederum mit der
geringfügig leitenden Kunststoffumhüllungsschicht 33 versehen
sind, wodurch es ermöglicht wird, den Erdungswiderstand
zwischen der Kunststoffumhüllungsschicht 33 der optischen
Fasereinheit 3 und dem Seewasser zu vermindern.
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Wie vordem beschrieben, kann mit der optische Fasern
enthaltenden längeren Unterwassereinheit gemäß der
vorliegenden Erfindung jegliche Knickung der optischen
Fasereinheit verhindert werden, die durch Biegung des Kabels
oder des Wasserleitungsrohres auftreten würde, wodurch es
ermöglicht wird, ein stabiles Langzeit-Betriebsverhalten der
Unterwasserkabeleinheit beizubehalten.
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Bei einem Unterwasserstarkstromkabel kann sowohl die
Kunststoffummantelung des Kabels als auch die
Kunststoffumhüllungsschicht für die optische Fasereinheit
oder lediglich die Kunststoffumhüllungsschicht für die
optische Fasereinheit aus einer geringfügig leitenden Schicht
bestehen, so daß das Auftreten jeglichen, in Folge eines
agressiven Spannungsstoßes abnormal induzierten Potentials,
in dem Metallrohr der optischen Fasereinheit verhindert und
somit eine wirkungsvolle Verwendung der optischen Faser, wie
ohne Beeinflussung durch solch ein Potential, ermöglicht
werden kann.
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Hier kann noch ein weiterer Vorteil der Erfindung darin
gesehen werden, daß die Verwendung einer wie oben erwähnten
optischen Fasereinheit eine einfache Verbindung optischer
Fasern ermöglicht. Dies ist weiter unten im Detail erläutert.
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In Fig. 8 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Seele einer
optische Fasern enthaltenden längeren Unterwassereinheit, wie
etwa ein einadriges oder dreiadriges Starkstromkabel oder ein
Wasserversorgungsrohr. Darauf ist eine Kunststoffummantelung
6 aus Polyethylen, Vinylchlorid oder dergleichen vorgesehen.
Auf die Umfangsfläche der Kunststoffummantelung 6 sind
optische Fasereinheiten 3 in der Form einer Spirale, SZ-
Verseilung oder dergleichen gewickelt, wobei
Kunststoffstrang-Distanzstücke 4 aus Nylonbündeln, falls
notwendig, zwischen den optischen Fasereinheiten 3 angeordnet
sind, um eine dichte Wicklung zu ergeben. Auf der
Wicklungsschicht der optischen Fasereinheiten 3 ist ein
Druckwicklungsband 5 und ein Sitz 50 aus Polypropylengarn
vorgesehen, und weiter darauf sind unter Verwendung einer
Vielzahl von Stahldrähten Bewehrungsstahldrahtbündel 7 und
eine Korrosionsschutzschicht aus Polypropylengarn vorgesehen.
Zusätzlich besitzen die optischen Fasereinheiten 3 den
vorhergenannten Aufbau.
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Während die Kunststoffstrang-Distanzstücke 4 entweder rund
oder quadratisch sein können, ist es vorzuziehen, daß sie
einen Außendurchmesser besitzen, der geringfügig größer ist
als der der optischen Fasereinheit 3, um zu vermeiden, daß
die optische Fasereinheit 3 einer direkten äußeren Kraft
ausgesetzt wird. Das Kunststoffstrang-Distanzstück 4 sollte
aus einem Material hergestellt sein, daß eine ähnliche
Qualität oder größere Härte besitzt als die
Kunststoffumhüllungsschicht für die optische Fasereinheit 3,
z.B. am besten Nylon.
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Solch ein Aufbau der längeren Unterwassereinheit, bei dem die
optischen Fasereinheiten 3 auf der auf der Umfangsfläche des
Hauptkörpers der längeren Unterwassereinheit vorgesehenen
Kunststoffummantelung 6 vorgesehen sind, ermöglicht ein
Verbinden der optischen Fasern unabhängig von jeglicher
fabrikseitigen Verbindung des Hauptkörpers der
langgestreckten Unterwassereinheit, und ferner ein Verbinden
allein von optischen Fasern, ungeachtet von
Verbindungsüberschußlängen, Toleranzen oder Wiederverbinden
nach Versagen. Das Verbindungsverfahren braucht nicht
besonders erläutert zu werden.
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Nun wird die optische Fasern enthaltende, längere
Unterwassereinheit, die optische Fasereinheiten gemäß der
oben dargelegten Konstruktion umfaßt, im Hinblick auf Ihre
Herstellung beschrieben werden.
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Bei der Produktion solch einer optische Fasern enthaltenden
längeren Unterwassereinheit werden die optischen
Fasereinheiten 3 mittels einer Bewehrungsdrahtmaschlne auf
den Hauptkörper 1 der längeren Unterwassereinheit
aufgebracht, wobei die Wicklung von optischen Fasereinheiten
3 und Bewehrungsstahldrahtbündeln 7 hintereinander
durchgeführt wird.
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Fig. 9 ist eine allgemeine Übersicht, die ein Beispiel eines
Herstellungsverfahrens für eine optische Fasern enthaltende
längere Unterwassereinheit zeigt.
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In Fig. 9 besitzt ein mit einem fabrikseitigen
Verbindungsabschnitt 21a versehener Hauptkörper 21 einer
optische Fasern enthaltenden längeren Unterwassereinheit eine
Kunststoffummantelung an seiner Umfangsfläche. Ein
rotierender Käfig 22 ist mit einer Spule 22a versehen, auf
der eine optische Fasereinheit 3 und ein Kunststoffstrang-
Distanzstück 4 gewickelt sind. Der Käfig wird konzentrisch um
den Hauptkörper 21 der langgestreckten Unterwassereinheit
rotiert, wodurch die optische Fasereinheit 3 und das
Kunststoffstrang-Distanzstück 4 auf den Hauptkörper gewickelt
werden, bei einer Steigung von z.B. 6 bis 15 mal dem
Steigungsdurchmesser, bei Verwendung einer Grundplatte und
einer Ziehdüse 23. Als ein anderer Weg für diesen Schritt
können die optische Fasereinheit 3 und das Kunststoffstrang-
Distanzstück 4 SZ-verseilt werden, um durch SZ-Rotieren der
Grundplatte und Ziehdüse 23 bei fixierter Versorgungsspule
22a zusammengeschlossen zu werden. Im übrigen können als ein
weiteres Verfahren bei Bereitstellung an Ort und Stelle einer
benötigten Anzahl von konzentrischen Wicklungsspulen mit
darauf gewickelten optischen Fasereinheiten 3 und
Kunststoffstrangdistanzstücken 4, die Spulen rotiert werden,
um die einzubauenden optischen Fasereinheiten 3 und
Kunststoffstrangdistanzstücke 4 aufzuwickeln oder
SZ-zuverseilen, wobei die verwendeten Spulen größer als die in
Fig. 9 gezeigten rotierenden Käfige sein können, was zu einer
größeren Länge einer Aufeinanderfolge von optischen
Fasereinheiten 3 und Distanzstücken 4 führt.
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Mit den somit auf den Hauptkörper 21 der langgestreckten
Unterwassereinheit aufgebrachten optischen Fasereinheiten 3
und Distanzstücke 4 werden dann unter Verwendung einer
Bandwickelvorrichtung 23 und einer
Polypropylengarnwickelvorrichtung 24 das Druckwicklungsband 5
und der Sitz 6 vorgesehen, und darüber hinaus werden unter
Verwendung eines Stahldrahtkäfigs 26 und der Ziehdüse 27
Bewehrungsstahldrähte 7 angebracht.
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Durch Anordnen der optischen Fasereinheit 3 und der
Kunststoffstrangdistanzstücke 4 auf der längeren
Tjnterwassereinheit kann, wie oben gezeigt, der Hauptkörper 1
der längeren Unterwassereinheit in üblicher Art und Weise
unabhängig mit einem anderen verbunden werden. Überdies
können auch die optische Fasereinheit 3 und Distanzstücke 4
unabhängig von der Hauptkörperseele 1 beliebig unabhängig mit
anderen verbunden werden, so daß die erforderliche
Verbindungsüberschußlänge durch Freigeben oder Zurückspulen
der entsprechenden Spule, auf die sie gewickelt sind, genau
gehandhabt werden kann, womit die Notwendigkeit der
konventionellen Unterbringung der am Rand befindlichen
optischen Fasereinheiten beseitigt wird, mit einer im
wesentlichen großen Wirkung. Dies ist selbstverständlich
sogar dann effektiv, wenn es einen beliebig großen
Durchmesser in fabrikseitigen Verbindungsabschnitten in der
längeren Unterwassereinheit betrifft, indem es ermöglicht
wird, die optische Fasereinheit und das Distanzstück auf
natürliche Weise daraufzuwickeln.
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Es ist ferner zweckmäßig, die optischen Fasereinheiten 3 und
die Distanzstücke 4 dicht zu wickeln und den Außendurchmesser
des Distanzstückes (oder die Höhe bei einem quadratischen
Typ) geringfügig größer als die der optischen Fasereinheit 3
auszubilden (z.B. ein Durchmesser von 3,0 mm für die optische
Fasereinheit und einen von 3,5 mm für das Distanzstück)
Dadurch wird eine Schädigung der optischen Fasereinheit 3
durch beim Wickeln auftretende externe Kräfte von den
Bewehrungsdrähten oder lateralen Druck beim Passieren einer
Polle oder dergleichen vermieden.
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Mit dem oben beschriebenen Aufbau kann jeder optische Fasern
enthaltende längere Unterwassereinheitentyp hergestellt
werden, ohne jegliche Schwierigkeiten hinsichtlich des
Verbindens optischer Fasern.
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Wie vordem gezeigt, kann mit der optische Fasern enthaltenden
längeren Unterwassereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung
ciie längere Unterwassereinheit unabhängig vom Verbinden der
optischen Fasern und des Hauptkörpers der längeren
Unterwassereinheit hergestellt werden.
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Ferner können bei diesem Aufbau die optischen Fasereinheiten
hintereinander mit den Bewehrungsdrähten in die
langgestreckte Unterwassereinheit eingebaut werden, wodurch
jeglicher Zusatz von Einarbeitungsprozessen ausgeschlossen
wird.
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Als nächstes wird eine wie oben erläuterte optische
Fasereinheit beschrieben werden, die ein Material mit einem
hohen Schmelzpunkt besitzt, zum Beispiel Nylon, das auf die
Außenseite eines Metallrohres, in dem optische Fasereinheiten
aufgenommen sind, beschichtet ist, wobei die optische
Fasereinheit konstruiert wurde, um jegliche Reduzierung in
dem Übertragungsverlust der optischen Faser zu verhindern,
die beim Ummanteln mit dem obigen Material, das den hohem
Schmelzpunkt besitzt, auftreten würde.
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Da das Metallrohr 31, in dem sich die optische Faser 32
befindet, einen Durchmesser von etwa 1 mm und deshalb eine
überaus geringe Wärmekapazität besitzt, wird bei einer
optischen Fasereinheit, wie sie oben genannt ist, wenn das
Metallrohr durch Extrusion mit Nylon oder dergleichen umhüllt
wird, die optische Faser 32 unmittelbar nach der Extrusion
anfällig für einen Temperaturanstieg sein, der bis zu der
Kunststoffextrusionstemperatur reicht. In dem Fall von Nylon
ist es z.B. erforderlich das Umhüllungsmaterial bei einer
Temperatur um 230 bis 330 ºC zu extrudieren, also bei weitem
höher als die Temperatur bei Polyethylen. Von den Ergebnissen
der Versuche wurde festgestellt, daß es einige Fälle gibt,
bei denen diese durch Extrusion zu einer Umhüllung geformten
Materialien die aufgenommene optische Faser 32 selbst durch
Wärme beeinflussen und bei einigen optischen Fasern ein
Anstieg in ihrem Übertragungsverlust verursachen können. Eine
unten dargestellte Ausführungsform dient dazu eine optische
Fasereinheit zu schaffen, die die obengenannten Probleme
bezüglich der noch aufrechterhaltenen Eigenschaften von
Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt, wie etwa Nylon,
gelöst hat, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite
des Metallrohres, das die optischen Fasern enthält, eine
Umhüllungsschicht aus einem Kunststoffmaterial, das einen
höheren Schmelzpunkt als Polyethylen besitzt, vorgesehen ist,
mit einer dazwischen angeordneten Wärmeisolierungsschicht.
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Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
einer optischen Fasereinheit gemäß der Erfindung.
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In Fig. 10 ist eine optische Faser 32 in einem aus
nichtrostendem Stahl hergestellten Metallrohr 31
untergebracht, und auf der Umfangsfläche des Metallrohres 31
ist eine Wärmeisolierungsschicht 301 vorgesehen, mit einer
aus einem Kunststoffmaterial wie etwa Polypropylen, Polybuten
oder Nylon hergestellten Umhüllungsschicht 33, die einen
höheren Schmelzpunkt als Polyethylen besitzt, wobei Gallerte
in das Metallrohr 31 eingebracht werden kann, falls
erforderlich.
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Für die Wärmeisolierungsschicht 301 wird ein
Kunststoffmaterial verwendet, das einen geringeren
Schmelzpunkt als Polyethylen, schäumendes Polyethylen,
Polyvinylchlorid oder dergleichend besitzt.
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In dem Fall der Verwendung von schäumendem Polyethylen als
Wärmeisolierungsschicht muß beim Aufextrudieren der
Umhüllungsschicht 33 eine ausreichende Evakuierung
unmittelbar vor dem Einführen in den Kreuzkopf der
Extrusionsmaschine durchgeführt werden, wodurch nicht nur die
Wirkung der Wärmeisolierungsschicht erhöht, sondern auch ein
Auftreten von Blasen in der Umhüllungsschicht infolge der
Buftstromexpansion in der Wärmeisolierungsschicht 301 während
der Extrusion der Umhüllungsschicht 33 vermieden wird.
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Wenn die Umhüllungsschicht 33 auf die Wärmeisolierungsschicht
301 extrudiert wird, soll die bis zu der
Wärmeisolierungsschicht 301 umhüllte Seele unmittelbar vor
dem Einführen in den Kreuzkopf ausreichend gekühlt werden.
Auf der anderen Seite soll die Kühlung unmittelbar nach der
Extrusion der Umhüllungsschicht 33 unter Verwendung von
Kühlwasser durchgeführt werden oder auf solch eine Weise, daß
für eine augenblickliche Kühlung unmittelbar nach der
Extrusion von einem durch einen Kühlapparat gekühltem
Kühlmittel Gebrauch gemacht wird, so daß die
Extrusionstemperatur der Umhüllungsschicht 33 die optische
Faser nicht beeinflußt.
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Zusätzlich soll die Dicke der Wärmeisolierungsschicht 301
nicht mehr als 1 mm betragen und die Dicke der darauf
angebrachten Umhüllungsschicht 33 soll etwa 1,5 bis 3 mm
sein.
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Wie oben beschrieben ist bei der optischen Fasereinheit gemäß
der vorliegenden Erfindung die optische Fasereinheit mit
einer auf der Außenseite des Metallrohres, in dem die
optische Faser untergebracht ist, angeordneten
Umhüllungsschicht versehen, die aus einem Kunststoffmaterial
hergestellt ist, das einen höheren Schmelzpunkt als
Polyethylen besitzt, mit einer dazwischenliegenden
Wärmeisolierungsschicht, so daß die in dem Metallrohr
untergebrachten optischen Fasern nicht durch die
Extrusionstemperatur der Umhüllungsschicht in Mitleidenschaft
gezogen werden.
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Da die optische Fasereinheit an ihrer Außenseite mit einer
Umhüllungsschicht versehen ist, die aus einem
Kunststoffmaterial hergestellt ist, das einen höheren
Schmelzpunkt als Polyethylen besitzt, wird solch eine
optische Fasereinheit nicht durch die Extrusionstemperatur
von Polyethylen beeinflußt, sogar wenn die optische
Fasereinheit in der Form von Wicklungen oder einer SZ-
Verseilung mit einem Starkstromkabel, einem
Kunststoffwasserleitungsrohr oder dergleichen kombiniert
wird, mit einer darauf vorgesehenen Polyethylenumhüllung.
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Die optische Fasereinheit ist deshalb äußerst wirkungsvoll,
wenn sie für optische Fasern enthaltende Stromkabel, optische
Fasern enthaltende Wasserleitungsrohre oder dergleichen
verwendet wird.
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Sogar in einem Unterwasserkabel, das mit optischen
Fasereinheiten versehen ist, die ein Umhüllungsmaterial, wie
etwa Nylon oder des weiteren ein Wärmeisolierungsmaterial
besitzen, besteht unterdessen die Möglichkeit, daß dessen
Umhüllungsschicht 8 wie bei einem konventionellen
Unterwasserkabel anfällig gegen das Eintauchen in Seewasser
ist, so daß das Metallrohr 31 der optischen Fasereinheit
mikroskopisch in Kontakt mit Seewasser kommen kann. Falls der
Kontakt gleichmäßig über das gesamte Metallrohr hergestellt
wird und der involvierte Wassergehalt sich überdies im
Partikelzustand befindet, ergibt sich in solch einem Fall
kein Problem, während, wenn das Metallrohr einige Bereiche
beinhaltet, in den der Kontakt örtlich hergestellt ist und
andere, in denen kein Kontakt besteht, oder wenn das
Metallrohr in verschiedenem Umfang mit dem Seewasser in
Kontakt ist, mit dem Ergebnis, daß z.B. Seewasser örtlich als
Wassertröpfchen existiert, sich ein Problem ergibt, daß
sogenannte Rißkorrosion auftritt.
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Zur Lösung dieser Probleme kann ein Korrosionsschutzanstrich
auf die Risse aufgetragen werden, die zwischen der
Kunststoffumhüllungsschicht 33 und dem Metallrohr 31 in der
optischen Fasereinheit auftreten können. Zu diesem Zweck kann
darauf ein Rostschutzanstrich aufgebracht werden, der aus
einer Teerbasis, Petroleumbasis oder deren gemischten
Substanzen besteht, wie er gewöhnlich auf die Unterseite
einer Korrosionsschutzschicht des Starkstromkabels
aufgetragen wird. In dem Fall, bei dem die
Korrosionsschutzschicht aus einem elektrisch leitenden
Material besteht, ist der verwendete Anstrich vorzugsweise
ebenfalls aus einem leitenden Material.