DK160110B - Optisk fiber til elektriske kabler - Google Patents

Description

L/ Γ \ ! U U i ! υ υ»

Den foreliggende opfindelse angår en optisk fiber til anvendelse i elektriske kabler og navnlig en optisk fiber med en længde, som er lig med længden af det beskyttende materiale, hvori den er tæt indlejret.

5 Som bekendt kan en eller flere optiske fibre anven des i elektriske kabler som elementer bestemt til at overføre kommunikationssignaler,således som beskrevet f.eks. i ansøgerens italienske patentskrifter nr. 987.956 og l.ol7.7o2.

På den anden side er også optiske fibres skørhed lo velkendt, ligesom det deraf følgende behov for tilvejebringelse af egnede beklædninger, som er i stand til at optage de eventuelle belastninger, som de optiske fibre kan blive udsat for med en deraf følgende alvorlig beskadigelse af deres funktionsegenskaber.

15 Specielt når der anvendes en optisk fiber, som er tæt omgivet over hele sin længde af plastomert eller elastomert beklædningsmateriale, er der mulighed for, at to typer af påvirkninger optræder hyppigere end i andre tilfælde, nemlig mekaniske og termiske belastninger.

2o Den mekaniske spænding eller belastning kan hidrø re fra en kraft vinkelret på længdeudstrækningen af fiberen, f.eks. fra det tryk, som udøves på en bestemt del af fiberen af de andre langstrakte elementer, som anvendes i kablet, navnlig ved tilstedeværelsen af fibre, som er slå-25 et sammen,og af de virkninger, som gensidigt udøves på fibrene, når kablet bøjes enten under fremstillingsproces eller under installation.

Den termiske belastning kan f.eks. hidrøre fra en sammentrækning af det yderste lag af beklædningsmateriale, 3o f.eks. hvis dette materiale reduceres i længde, når det udsættes for indvirkningen af varme med den følge, at der over dens radialt inderste dele udøves en aksial påvirkning på fiberen med en eventuel uakceptabel bøjning af denne.

35 I almindelighed er en mulig løsning for at reduce re disse påvirkninger, at der tilvejebringes et beskyttende lag af et termoplastisk materiale med et elasticitetsmodul, som er i stand til at modvirke bøjningerne af fibe-

DK 160110 B

2 ren. Netop som følge af dets høje elasticitetsmodul har dette materiale imidlertid en vis stivhed, så at det kan overføre eventuelle mekaniske påvirkninger af lokal sammentrykning, f.eks. klemning, på en vis langsgående del ud-5 vendigt fra mod fiberen og ikke på en ensartet måde, men uregelmæssigt, dvs. med forskellige tryk på et tværsnit af fiberen i stedet for med et tryk, der er ensartet fordelt på denne.

For at afhjælpe denne ulempe har man gjort brug af lo et første beklædningslag anbragt omkring fiberen og fremstillet af elastomert materiale, f.eks. siliconegummi med et meget lavt elasticitetsmodul i sammenligning med elasticitetsmodulet for det ydre lag,i mange tilfælde af nylon.

15 I dette tilfælde bliver den lokale sammentryknings belastning, som ikke absorberes af det yderste beklædningslag, overført til det inderste. Da dette imidlertid har en meget mindre stivhed, har det tendens til at overføre påvirkningerne til fiberen på en ensartet måde og belaster 2o den på en akceptabel måde.

Denne løsning er imidlertid heller ikke helt tilfredsstillende, da det inderste beklædningslag, som har et meget lavt elasticitetsmodul, tillader en vis bøjning af fiberen, så at sikkerheden for en korrekt funktion af fibe-25 ren ikke kan sikres på grund af en dæmpning af signalet.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en optisk fiber, som ikke er behæftet med de ovenfor angivne ulemper.

Den foreliggende opfindelse angår således en op-3o tisk fiber til kommunikationssignaler i et elektrisk kabel, og det for den optiske fiber ifølge opfindelsen ejendommelige er, at den omfatter umiddelbart omkring sin omkreds mindst tre beklædningslag af plastomert eller elastomert materiale med forskellige elasticitetsmoduler, hvor det 35 mellemliggende lag har et elasticitetsmodul, der er lavere end elasticitetsmodulet for de tilstødende lag, og en vær-* o di, som er betydeligt mindre end 1 kg/mm .

I henhold til opfindelsen anvendes der således om- 3

DK 1601 i G B

fcring fiberen en plastomer eller'elastomer beklædning bestående af tre separate plastlag, der hver har en deformationsevne, der er forskellig fra defoimationsevnen for de andre, og som er anbragt i en usædvanlig rækkefølge begyn-5 dende fra det inderste lag ud mod det yderste. Som angivet ovenfor er laget, der har en elasticitetsmodul mindre end elasticitetsmodulet for de andre, det mellemliggende lag og ikke det inderste, som det kunne forventes, hvis den gradvise og ordnede stivhed af de beskyttende lag anbragt lo omkring de langstrakte legemer var blevet fulgt i overensstemmelse med de sædvanlige standarder.

Den usædvanlige rækkefølge af lagene har gjort det muligt at opnå tilfredsstillende resultater med hensyn til beskyttelsen af den optiske fiber imod mekaniske og termi-15 ske belastninger. I virkeligheden kan funktionen af passende modvirkning og modstandsdygtighed mod bøjningen af den optiske fiber hidrørende fra krympning i længden af enheden anbragt omkring fiberen, f.eks. på grund af sammentrækningen efter extrudering af et ydre lag fremstillet af 2o nylon, tilskrives det inderste lag på grund af dets elasticitetsmodul, medens evnen til overføring på ensartet måde til fiberen af de mekaniske trykpåvirkninger, som kommer fra det yderste lag, kan tilskrives det mellemliggende lag med det laveste elasticitetsmodul.

25 Den optiske fiber er fortrinsvis karakteriseret ved, at forholdet mellem elasticitetsmodulet for det inderste beklædningslag og for det mellemliggende lag er lig med eller højere end 3oo.

Den optiske fiber er fortrinsvis også karakterise-3o ret ved, at forholdet mellem elasticitetsmodulet for det yderste lag og for det mellemliggende lag er lig med eller højere end 5o.

Ifølge en foretrukken udførelsesform er den optiske fiber ejendommelig ved, at det inderste lag er frem-35 stillet af termohærdende harpiks.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et tværsnit i en udførelsesform for

DK 160110B

4 • - den optiske fiber og den tilhørende be-’ klædning ifølge opfindelsen og fig. 2 et diagram, som viser den tilladelige bøjning under belastning af en dobbelt 5 beklædning til optiske fibre.

I fig. 1 betegner 1 et langstrakt legeme, som udgøres af en optisk fiber 2 og af den tilhørende plastome-re eller elastomere beklædning, hvori fiberen er indlejret over hele sin længde. Legemet 1 kan være et enkeltelement lo eller bestå af mange elementer, der almindeligvis er slået sammen, og som danner et optisk kabel bestemt til at overføre optiske signaler.

Den beskyttende beklædning består af mindst tre plastomere eller elastomere lag 3,4,5 med forskellige ela-15 sticitetsmoduler. Elasticitetsmodulet for det første lag 3 kan ligge mellem 2oo og 4oo kg/mm , det meget lave elasticitetsmodul for det andet lag kan ligge mellem o,2 og o,8 - o,9 kg/mm , medens elasticitetsmodulet for det tre- 2 die lag 5 kan have værdier fra 4o kg/mm op til 2oo eller 2 2o 3oo kg/mm .

Det er blevet anset for fordelagtigt med henblik på at opnå en tilstrækkelig modstandsdygtighed af fibrene mod de forskellige belastninger at korrelere de forskellige beklædningslags elasticitetsmoduler i forud fastlagte 25 forhold.

De ovenfor angivne numeriske værdier af de forskellige moduler skal i det væsentlige vælges på en bestemt måde,og mere præcist skal forholdet mellem elasticitetsmodulet for det første lag 3o og elasticitetsmodulet for det mellemliggende lag være lig med eller højere end 3oo, og forholdet mellem elasticitetsmodulet for det tredie lag og elasticitetsmodulet for det mellemliggende lag være lig med eller højere end 5o.

35 I det heri beskrevne eksempel har den optiske fi ber en diameter på o,12 mm, og det første beklædningslag med en tykkelse på o,2 mm er fremstillet af en termohærden-de harpiks, fortrinsvis epoxyharpiks med et elasticitets- 2 5

DK 16C1Ί O B

modul på 2oo kg/mm .

Det andet beklædningslag 4 med en tykkelse på o,15 mm er fremstillet af elastomert materiale hensigtsmæssigt siliconegummi med et elasticitetsmodul, der er 5 langt mindre end elasticitetsmodulet for det første lag og beliggende i almindelighed fra o,2 til o,5 kg/mm ,i ek- 2 semplet på o,35 kg/mm .

Det tredie beklædningslag 5, som i nogle tilfælde er det yderste beskyttelseslag, er fremstillet af en ter-lo moplastisk harpiks, navnlig en polyamidharpiks, såsom nylon, med et elasticitetsmodul, der er betydeligt højere end elasticitetsmodulet for det andet lag, idet det er på 15o kg/mm . Tykkelsen af nylonlaget er o,2 mm, og den endelige diameter af enheden er 1,22 mm.

15 I henhold til yderligere udførelsesformer kan det første lag være fremstillet af phenolharpikser, det andet af acrylonitrilgummier og det tredie af polytetrafluorethy-len.

Fremgangsmåden til beklædning af fibrene er kon-2o ventionel. F.eks. kan den udføres ved at frembringe kontinuerlig passage af fiberen gennem en første extruder fulgt af en passage i et krydsbindingsmedium til dannelse af det første lag af epoxyharpiks, og derefter igen gennem to yderligere extrudere til påføring af et lag af silicone-25 gummi og derpå et lag af nylon.

For at få en bedre forståelse af opfindelsen skal der nu henvises til nogle betragtninger over den geometriske udformning af en optisk fiber forsynet med to lag af plastmateriale, og derefter vil en hypotese blive formule-3o ret for at tydeliggøre de forbedringer, som opnås ved hjælp af de tre lag af plastmateriale anbragt omkring fiberen i henhold til opfindelsen.

Indledningsvis betragtes en optisk fiber forsynet med et første beklædningslag af siliconegummi med en ela- 2 35 sticitetsmodul o,35 kg/mm og med et andet beklædningslag 2 af nylon med et højere elasticitetsmodul på ca. 15o kg/mm .

I fig. 2 er de ydre diametre af de to beklædninger korre-leret i overensstemmelse med de forskellige geometriske ud-

DK 160110B

6 formninger af beklædningen ved hj'ælp af to kurver a og b, hvor den ene repræsenterer de aksiale belastninger på fiberen og de andre de radiale belastninger. De to kurver er tegnet i forhold til kartesiske akser, hvis abscisser angi-5 ver diametrene 01 af nylon, og hvis ordinater angiver diametrene 02 af siliconegummi.

Kurverne a og b er naturligvis blot indikative og er kun tegnet på kvalitativ måde.

Kurve a er baseret på hypotesen om forskellige geo-lo metriske udformninger af beklædningerne, som omgiver fiberen,og er tilvejebragt i overensstemmelse med teorien om en kombineret bøjnings- og trykpåvirkning, som virker på en stang (som fiberen sammenlignes med) og om den maksimale tilladelige påvirkning af denne type for hver udformning.

15 Kurve b er baseret på hypotesen om en ensartet fordelt fiktiv belastning, der har en bestemt værdi, og som virker på en langsgående del af det yderste lag.

Kurve a frembringer to separate områder, et første område P til venstre, som viser, at beklædningsdiametrene 2o er akceptable, og et andet område M til højre, hvor de ikke er akceptable, som det f.eks. kan ske ved diametrene af lagene af nylon og siliconegummi angivet ved punkt A.

Kurve b korrelerer værdierne af diametrene af de to beklædninger, så at trykpåvirkningen hidrørende f.eks.

25 fra andre fibre, der er slået sammen, overføres til den optiske fiber over beklædningslagene på en stadig tilladelig måde.

Zone K indenfor kurven b repræsenterer akceptabi-litetsområdet.

3o Som det fremgår af diagrammet i fig. 2, skærer de to kurver a og b hinanden og omslutter en zone R, der er skraveret på tegningen, og som er meget smal. I praksis kan det siges, at diametrene af nylonlaget eller siliconegum-milaget, som frembringer ikke skadelige tilstande for fibe-35 ren, er meget få, så at der ved udformningen af fiberbeklædningen på grund af den lille forskel mellem tilladelige og utilladelige værdier af diameteren er risiko for at overskride akceptabilitetsgrænserne.

7

DK 1 6 C 11 ϋ B

Problemet med at udvide zonen R med henblik på at tilvejebringe større sikkerhedsmarginer ved bestemmelsen af diametrene af lagene 4,5 er blevet løst ved hjælp af den tredobbelte beklædning ifølge den foreliggende opfin-5 delse·, som opnås med en helt usædvanlig og uregelmæssig rækkefølge af lagene, nemlig med et første lag, der har en bestemt stivhed, som er betydeligt højere end stivheden af det mellemliggende lag.

Man har bemærket, at den bedste mekaniske beskyttel-lo se af fiberen imod sammenklemning kan opnås ved at anvende større og større diametre og tykkelser af det yderste lag fremstillet af nylon uden på nogen måde som følge af en større kontraktion af nylon på grund af krympning efter ex-trudering at give anledning til aksiale påvirkninger, som 15 er utilladelige for fiberen. Følgelig kan det med rimelighed antages, at fiberens helhed opretholdes i kraft af tilstedeværelsen af laget af epoxyharpiks umiddelbart op til den, og dette skyldes - indenfor de kendte grænser for det betragtede fænomen - at harpiksens elasticitetsmodul er 2o tilstrækkeligt højt til i laget at frembringe en modstandsdygtig "kappe", som søger at modstå bøjningen af fiberen. Endvidere samvirker den større tykkelse af nylonlaget til at sikre helheden af fiberen, som udsættes for radial påvirkning.

25 Det kan derfor siges, at indføringen af den termo- hærdende harpiks ifølge opfindelsen svarer til en forskydning af kurve a i fig. 2 mod højre og af kurve b mod venstre, hvilket følgelig på relevant måde forøger arealet R, som indikerer akceptabilitet af diametrene af lagene 4 og 3o 5.

Tilstedeværelsen af det mellemliggende lag mellem lagene 5 og 3 tilvejebringer et rum, hvori en stor del af trykkræfterne, som virker på det yderste lag og ikke optages af dette, overføres næsten hydrostatisk på grund af det 35 lave elasticitetsmodul af siliconegummi, nemlig med et ens artet fordelt tryk, hele vejen omkring laget 2 af epoxyhar-piks og derfor omkring fiberen.

Claims (10)

1. Optisk fiber til kommunikationssignaler i et elektrisk kabel, kendetegnet ved, at den umiddelbart omkring sin 5 omkreds omfatter mindst tre beklædningslag (3,4,5) af plastomert eller elastomert materiale med forskellige elasticitetsmoduler, hvor det mellemliggende lag (4) har et elasticitetsmodul, som er mindre end elasticitetsmodulet for de tilstødende lag (3,5) og en værdi i 2 det væsentlige mindre end 1 kg/mm.

2. Optisk fiber ifølge krav 1, kendetegnet ved, at forholdet mellem elasticitetsmodulet for det radialt inderste beklædningslag (3) og elasticitetsmodulet for det mellemliggende lag (4) er lig med eller større end 300.

3. Optisk fiber ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet 15 ved, at forholdet mellem elasticitetsmodulet for det radialt yderste beklædningslag (5) og elasticitetsmodulet for det mellemliggende lag (4) er lig med eller større end 50.

4. Optisk fiber ifølge krav 1,2 eller 3, kendetegnet ved, at det radialt inderste lag (3) er fremstillet af en 20 termohærdende harpiks.

5. Optisk fiber ifølge krav 4, kendetegnet ved, at det radialt inderste lag (3) er fremstillet af epoxyharpiks.

6. Optisk fiber ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det mellemliggende lag (4) er fremstillet af elastomert materia- 25 le.

7. Optisk fiber ifølge krav 6, kendetegnet ved, at det elastomere materiale er siliconegummi.

8. Optisk fiber ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det radialt yderste lag (5) er fremstillet af en termoplastisk 30 harpiks.

9. Optisk fiber ifølge krav 8, kendetegnet ved, at den termoplasti ske harpiks er nylon.

10. Elektrisk kabel, kendetegnet ved, at det omfatter i det mindste én optisk fiber ifølge et hvilket som helst 35 af de foregående krav.