FI78570C - Optisk fiber foer elektriska kablar. - Google Patents

Description

Optinen kuitu sähkökaapeleita varten 1 78570

Esillä oleva keksintö kohdistuu sähkökaapeleissa käytettäväksi tarkoitettuun optiseen kuituun ja täsmällisemmin optiseen kuituun, joka on yhtä pitkä kuin suojaava materiaali, jolla se on tiiviisti ympäröity.

Sähkökaapeleissa voidaan tunnetusti käyttää yhtä tai useampaa optista kuitua tiedonsiirtosignaalien siirtoon tarkoitettuina elementteinä kuten esimerkiksi italialaisissa patenteissa 987 956 ja 1 017 702 on selitetty.

Toisaalta tunnetaan myös hyvin optisten kuitujen hauraus ja siitä johtuva tarve aikaansaada sopivia päällysteitä, jotka kykenevät ottamaan vastaan mahdolliset kuormitukset, joita optisiin kuituihin voi kohdistua ja jotka huonontavat voimakkaasti niiden käyttöominaisuuksia.

Erikoisesti käytettäessä optista kuitua, joka on koko pituudeltaan tiiviisti ympäröity muovi- tai elastomeeripäällyste-materiaalilla, kahta kuormitustyyppiä esiintyy todennäköisesti useammin kuin muissa tapauksissa, nimittäin mekaanisia ja termisiä kuormituksia.

Mekaanisen kuormituksen aiheuttajina voivat olla kuidun pituussuuntaan nähden kohtisuora voima, esimerkiksi kaapelissa käytettyjen muiden pitkänomaisten elementtien tiettyyn kuidun osaan kohdistama puristus erikoisesti yhteen kerrattujen kuitujen tapauksessa ja kaapelia taivutettaessa kuitujen toisiinsa kohdistamat vaikutukset joko sen valmistusprosessin tai asennuksen aikana.

Termisen kuormituksen aiheuttajana voi olla esim. päällyste-materiaalin uloimman kerroksen kutistuminen, esim. jos kyseinen materiaali supistuu pituudeltaan joutuessaan alttiiksi 2 78570 lämmön vaikutukselle. Tästä on seurauksena, että päällysteen säteen suunnassa sisimmät osat kuormittavat kuitua aksiaalisesti, josta voi olla seurauksena kuidun ei hyväksyttävää taipumista.

Yleensä mahdollisena ratkaisuna näiden kuormitusten pienentämiseksi on muodostaa suojakerros, joka on termoplastista ainetta, jolla on sellainen kimmomoduuli,että se kykenee vastustamaan kuidun taipumista. Materiaalilla on kuitenkin nimenomaan sen suuresta kimmomoduulista johtuen tiettyä jäykkyyttä, joten se voi siirtää paikallisen paineen, esimerkiksi puristuksen, mahdollisia mekaanisia kuormituksia jollain pituussuuntaisella osalla ulkopuolelta kuituun päin tämän tapahtuessa tasaisen siirtymisensijasta epäsäännöllisesti siten, että kuidun poikkileikkauksen paineet vaihtelevat sen sijaan, että paine olisi sille tasaisesti jakautunut.

Tämän epäkohdan välttämiseksi on turvauduttu ensimmäisen pääl-lystekerroksen käyttöön, joka on sijoitettu kuidun ympärille ja joka on tehty elastomeerisesta materiaalista, esimerkiksi silikonikumista, jolla on erittäin alhainen kimmomoduuli ulkokerrokseen verrattuna, joka on useissa tapauksissa tehty nationista .

Tässä tapauksessa paikallisen puristuskuormituksen osa, joka ei ole jäänyt uloimpaan päällystekerrokseen siirtyy sisimpään kerrokseen. Kuitenkin koska viimeksimainitun jäykkyys on paljon pienempi, se pyrkii kohdistamaan kuormitukset tasaisesti kuituun kuormittaen tätä hyväksyttävällä tavalla.

Kuitenkaan myöskään tämä ratkaisu ei ole täysin tyydyttävä, koska sisin päällystekerros, jolla on erittäin alhainen kimmomoduuli, sallii tiettyä kuidun taipumista, niin että kuidun oikeaa suorituskykyä ei voida taata signaalin vaimenemisesta johtuen.

3 78570

Esillä olevan keksinnön päämääränä on saada aikaan optinen kuitu, jolla ei ole edellä esitettyjä epäkohtia.

Esillä olevan keksinnön kohteena on siten optinen kuitu tiedonsiirtosignaaleja varten sähkökaapelissa, jolle on tunnusomaista, että se käsittää välittömästi vaippansa ympärillä ainakin kolme muovi- tai elastomeerimateriaalia olevaa kerrosta, joilla on erilaiset kimmomoduulit, jolloin välikerroksella on pienempi kimmomoduuli kuin viereisillä ker- 2 roksilla ja sen arvo on oleellisesti pienempi kuin 1 kg/mm .

Keksinnössä käytetään siten kuidun ympärillä muovi- tai elas-tomeeripäällystettä, joka muodostuu kolmesta eri muovikerroksesta, joilla jokaisella on muista eroavat muodonmuutosominaisuudet ja jotka on järjestetty epätavalliseen järjestykseen sisimmästä kerroksesta uloimpaan kerrokseen. Kuten edellä on esitetty, kerros, jolla on muihin verrattuna pienin kimmomoduuli, on välikerros eikä sisin kerros, kuten voitaisiin odottaa, jos pitkänomaisten kappaleiden ympärille muodostettujen suojakerrosten asteittaista ja järjestyksen mukaista jäykkyyttä olisi seurattu tavanomaisen käytännön mukaisesti .

Kerrosten epätavallinen järjestys on mahdollistanut tyydyttävien tulosten saavuttamisen optisen kuidun suojauksessa mekaanisia ja termisiä kuormituksia vastaan. Itse asiassa tehtävä kuidun ympärille sovitetun yksikön pituuden kuti s tiimi sen, joka voi johtua esimerkiksi nailonista tehdyn uloimman kerroksen pursotuksen jälkeisestä supistumisesta, aiheuttaman optisen kuidun taipumisen vastustamiseksi ja kestämiseksi voidaan osoittaa sisimmälle kerrokselle sen kimmomoduulin ansiosta, kun taas ominaisuus, jonka mukaan uloimmasta kerroksesta tulevat mekaaniset puristuskuormitukset siirtyvät tasaisesti kuituun, voidaan osoittaa välikerrokselle, jolla on alhaisin k immomoduuli.

4 78570

Optiselle kuidulle on edullisimmin tunnusomaista, että sisimmän päällystekerroksen ja välikerroksen kimmomoduulien suhde on yhtä suuri tai suurempi kuin 300.

Optiselle kuidulle on myös edullisimmin tunnusomaista, että ulomman kerroksen ja välikerroksen kimmomoduulien suhde on yhtä suuri tai suurempi kuin 50.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaan optiselle kuidulle on tunnusomaista, että sisin kerros on tehty lämmössä kovettuvasta hartsista.

Esillä oleva keksintö voidaan ymmärtää paremmin seuraavan, oheiseen piirustukseen liittyvän selityksen avulla, joka on esitetty esimerkkinä, johon keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa. Piirustuksessa kuvio 1 esittää poikkileikkausta keksinnön mukaisesta optisesta kuidusta ja siihen liittyvästä päällysteestä, ja kuvio 2 on kaavio, joka esittää optisten kuitujen kaksinkertaisen päällysteen sallittua taipumaa kuormitettuna.

Kuviossa 1 viitenumero 1 tarkoittaa pitkänomaista kappaletta, joka muodostuu optisesta kuidusta 2 ja siihen liittyvästä muovi- tai elastomeeripäällysteestä, jolla kuitu on päällystetty koko pituudeltaan. Kappale 1 voi olla erillinen elementti tai yksi monista, tavallisesti yhteen kerratuista elementeistä, jotka muodostavat sähköisten signaalien siirtoon tarkoitetun kaapelin.

Suojapäällyste muodostuu ainakin kolmesta muovi- tai elasto- meerikerroksesta 3, 4, 5, joilla on erilaiset kimmomoduulit.

Ensimmäisen kerroksen 3 kimmomoduuli voi olla alueella 200-400 2 kg/mm , toisen kerroksen erittäin alhainen kimmomoduuli voi 2 olla alueella 0,2-0,8...0,9 kg/mm ja kolmannen kerroksen kim- 2 momoduuli voi vaihdella alkaen arvosta 40 kg/mm arvoihin 200 2 tai 300 kg/mm asti.

Il 5 78570

Nyt on havaittu edulliseksi kuitujen lujuuden saamiseksi riittäväksi erilaisille kuormituksille määrätä eri päällyste-kerroksien kimmomoduulien riippuvuudet ennalta määrättyinä suhteina.

Itse asiassa edellä esitetyt eri kimmomoduulien numeeriset arvot on valittava tietyllä tavalla, täsmällisemmin esitettynä: - ensimmäisen kerroksen ja välikerroksen kimmomoduulien välisen suhteen on oltava yhtä suuri tai suurempi kuin 300, - kolmannen kerroksen ja välikerroksen kimmomoduulien välisen suhteen on oltava yhtä suuri tai suurempi kuin 50.

Erikoisesti tässä selitetyssä esimerkissä optisen kuidun halkaisija on 0,12 mm ja ensimmäinen päällystekerros, paksuudeltaan 0,2 mm, on tehty lämmössä kovettuvasta hartsista, edul-lisimmin epoksihartsista, jonka kimmomoduuli on 200 kg/mm .

Toinen päällystekerros 4, paksuudeltaan 0,15 mm, on tehty elastomeerisesta materiaalista, sopivimmin silikonikumista, jolla on paljon pienempi kimmomoduuli kuin ensimmäisellä ker- 2 roksella ja yleensä alueella 0,2-0,5 kg/mm , esimerkissä 2 0,35 kg/mm .

Kolmas päällystekerros, joka joissakin tapauksissa on uloin suojaava kerros, on tehty termoplastisesta hartsista, erikoisesti polyamidihartsista, kuten nailonista, jolla on huomattavasti korkeampi kimmomoduuli kuin toisella kerroksella 2 sen ollessa 150 kg/mm . Nailonkerroksen paksuus on 0,2 mm ja yksikön kokonaishalkaisija on 1,22 mm.

Muissa suoritusmuodoissa ensimmäinen kerros voi olla tehty fenolihartseista, toinen kerros akryylinitriilikumeista ja kolmas polytetrafluorieteenistä.

Kuitujen päällystysmenetelmä on tavanomainen, se voidaan esimerkiksi suorittaa saattamalla kuitu kulkemaan jatkuvasti 6 78570 ensimmäisen suulakepuristimen läpi, mitä seuraa kulku risti-sidokset aikaansaavan väliaineen kautta ensimmäisen epoksi-hartsikerroksen muodostamiseksi ja tämän jälkeen jälleen kahden muun suulakepuristimen kautta silikonikumikerroksen ja sen jälkeen nailonkerroksen muodostamiseksi.

Jotta keksintö olisi paremmin ymmärrettävissä, seuraavassa esitetään joitakin näkökohtia kahdella muovimateriaalikerrok-sella varustetun kuidun geometrisista konfiguraatioista ja tämän jälkeen esitetään olettamus, joka selventää kuidun ympärille keksinnön mukaisesti järjestetyillä kolmella muovima-teriaalikerroksella saavutettavia parannuksia.

Tarkastellaan aluksi optista kuitua, joka on varustettu ensimmäisellä silikonikumia olevalla päällystekerroksella, jon- 2 ka kimmomoduuli on 0,35 kg/mm , 3a toisella nailonia olevalla päällystekerroksella, jolla on suurempi kimmomoduuli, noin 2 150 kg/mm . Piirustuksen kuviossa 2 on esitetty kahden päällysteen ulkohalkaisijoiden riippuvuus päällysteen erilaisten geometristen konfiguraatioiden mukaan kahden käyrän a) ja b) avulla, joista toinen esittää kuidun aksiaalista kuormitusta ja toinen säteittäiskuormitusta käyrien ollessa piirretty suorakulmaiseen koordinaatistoon, jonka abskissat esittävät nailonin halkaisijoita 01 ja ordinaatat silikonikumin halkaisijoita 02.

Mainitut käyrät a) ja b) ovat luonnollisesti vain suuntaa antavia ja ne on piirretty kvalitatiivisesti.

Erikoisesti käyrä a) perustuu kuituja ympäröivien päällysteiden geometristen konfiguraatioiden olettamiseen muuttuviksi ja se on saatu teorian mukaisesti yhdistetyn taivutus- ja puristuskuormituksen vaikuttaessa sauvaan (johon kuitu on rinnastettu) ja kullekin konfiguraatiolle suurimman sallitun tämän tyyppisen kuormituksen perusteella. Käyrä b) vuorostaan perustuu oletukseen tasaisesti jakautuneesta kuvitellusta 7 78570 kuormituksesta, jolla on tietty arvo ja joka vaikuttaa uloim-man kerroksen pituussuuntaiseen osaan.

Käyrä a) muodostaa kaksi erillistä aluetta, ensimmäisen alueen P vasemmalle puolelleen, joka osoittaa, että päällysteen halkaisijat ovat hyväksyttäviä, ja toisen alueen M oikealle puolelleen, jossa halkaisijat eivät ole hyväksyttäviä kuten esimerkiksi on pisteen A osoittamien nailon- ja silikonikumi-kerroksen halkaisijoiden tapauksessa.

Käyrä b) antaa kahden päällysteen halkaisijoiden arvojen välisen riippuvuuden, kun esimerkiksi muiden yhteen kerrattujen kuitujen aiheuttama puristusvoima siirtyy optiseen kuituun päällystekerrosten kautta vielä hyväksyttävällä tavalla.

Vyöhyke K käyrän b) sisällä edustaa hyväksyttävää aluetta.

Kuten kuvion 2 kaaviosta voidaan havaita, käyrät a) ja b) leik-kaavat toisensa ja rajoittavat väliinsä piirustuksessa varjostetun vyöhykkeen R, joka on erittäin kapea. Käytännössä voidaan sanoa, että nailonkerroksen tai silikonikumikerroksen halkaisijat, jotka eivät aikaansaa kuidulle haitallisia olosuhteita, ovat erittäin rajoitettuja, joten kuidun päällystettä suunniteltaessa on halkaisijan hyväksyttävien ja ei-hyväksyttävien arvojen erojen pienuudesta johtuen vaarana hyväksyttävien rajojen ylittäminen.

Vyöhykkeen R laajentamisongelma pyrittäessä suurempiin var-muusväleihin kerroksien 4, 5 halkaisijoita määrättäessä on ratkaistu keksinnön mukaan kolminkertaisen päällysteen avulla, joka ratkaisu on saatu käyttämällä täysin epätavallista ja epäsäännöllistä kerrosten järjestystä ts. käyttämällä ensimmäistä kerrosta, jolla on tiettyä jäykkyyttä huomattavasti enemmän kuin välikerroksella.

8 78570

Nyt on havaittu, että kuidun paras mekaaninen suojaus puristusta vastaan saadaan käyttämällä mahdollisimman suuria nailonista tehdyn uloimman kerroksen halkaisijoita ja paksuuksia, ilman että kuitenkaan aiheutettaisiin pursotuksen jälkeisestä kutistumisesta johtuvasta nailonin suuremmasta kokoonpuristumisesta seuraavia kuidun ei-sallittuja aksiaalisia kuormituksia. Tämän perusteella on kohtuullista olettaa, että kuitu säilyy virheettömänä välittömästi siihen liittyvän epoksihartsikerroksen läsnäolon ansiosta, koska - tarkastellun ilmiön tunnetuissa rajoissa - mainitun hartsin kimmomoduuli on riittävän suuri aikaansaamaan kerrokseen vastustavan "vaipan", joka pyrkii kestämään kuidun taivutuksen. Lisäksi nailonkerroksen suurempi paksuus myötävaikuttaa sä-teensuuntaisen kuormituksen kohteena olevan kuidun vahingoittuma t tomu uden varmistamiseen.

Siten voidaan todeta, että keksinnön mukainen lämmössä kovettuvan hartsin käyttöönotto vastaa kuvion 2 käyrän a) siirtämistä oikealle ja käyrän b) siirtämistä vasemmalle, mikä siten suurentaa merkitsevästi aluetta R, joka ilmaisee kerroksien 4 ja 5 halkaisijoiden hyväksyttävyyden.

Välikerroksen läsnäolo kerrosten 5 ja 3 välissä aikaansaa tilan, jossa suuri osa uloimpaan vaippaan vaikuttavista ja tämän ohittavista puristusvoimista siirtyy silikonikumin pienestä kimmomoduulista johtuen lähes hydrostaattisesti eli paineen suhteen tasaisesti jakautuneena kaikkialle epoksihartsikerroksen 2 ympärille ja siten kuidun ympärille.

Vaikka esillä olevaa keksintöä on selitetty eräisiin erityisen edullisiin suoritusmuotoihin liittyen, on otettava huomioon, että keksintö sisältää kaikki mahdolliset edellä selitetystä keksinnöllisestä ajatuksesta johdettavissa olevat muunnokset.

Claims (10)

1. Optinen kuitu tiedoneiirtoeignaaleja varten sähkökaapelissa, tunnettu siitä, että se käsittää välittömästi vaippansa ympärillä ainakin kolme muovi- tai elastomeerimate-riaalia olevaa kerrosta <3, 4, 5), joilla on erilaiset kimmo-moduulit, jolloin välikerroksella (4) on pienempi kimmomoduuli kuin viereisillä kerroksilla (3, 5) ja sen arvo on oleellisesti pienempi kuin 1 kg/mm .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen kuitu, tunnettu siitä, että säteensuunnassa sisimmän päällystekerroksen <3) ja välikerroksen (4> kimmomoduulien suhde on yhtä suuri tai suurempi kuin 300.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen optinen kuitu, tunnettu siitä, että säteen suunnassa uloimman päällyste-kerroksen (5) ja välikerroksen <4> kimmomoduulien suhde on yhtä suuri tai suurempi kuin 50.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen optinen kuitu, tunnettu siitä, että säteensuunnassa sisin kerros (3> on tehty lämmössä kovettuvasta hartsista.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen optinen kuitu, tunnettu siitä, että säteen suunnassa sisin kerros <3> on tehty epoksihartsista.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen kuitu, tunnettu siitä, että välikerros <4) on tehty elastomeerisestä materiaalista .

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen optinen kuitu, tunnettu siitä, että mainittu elastomeerinen materiaali on siliko-nikumia. 10 78570

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen kuitu, tunnettu siitä, että säteensuunnasea uloin kerros <5) on tehty termoplastisesta hartsista.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen optinen kuitu, tunnettu siitä, että termoplastisena hartsina on nailon.

9 78570

10. Sähkökaapeli, tunnettu siitä, että se sisältää ainakin yhden jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukaisen optisen kuidun.