DK170241B1 - Optisk fiber-kabel til anvendelse i omgivelser med høj temperatur og med forurening - Google Patents

Description

i DK 170241 B1

Med stigende anvendelse af optiske fibre stilles der stadig stigende krav, som fibrene må opfylde ved specielle anvendelser. 1 disse specielle situationer kan trækstyrke eventuelt være et krav, men også andre egenskaber må op-5 nås.

1 mange bygningers konstruktion findes f.eks. et forsænket loft under en etageadskillelse af beton. Rummet mellem loftet og etageadskillelsen, hvorfra loftet er ned-10 hængt, tjener som returluft-kanal eller -plenum for varme- og kølesystemers konstruktionsdele og som et bekvemt sted til installation af kommunikationskabler, bl.a. til computere og alarmsystemer.

15 Hvis og når en brand når frem til kanalen, og kanalen indeholder brændbart materiale, kan branden hurtigt brede sig over en hel etage i bygningen. Branden kunne brede sig langs kabler installeret i kanalen. Røg kan også ledes gennem kanalen til nærliggende arealer og til andre 20 etager.

Et kappe-system til kabler, som ikke anvendes i en sådan kanal, omslutter en kerne af isolerede kobberledere, og omfatter kun en konventionel plastkappe, hvorfor kappen 25 ikke har acceptable egenskaber mht. flammespredning og røgudvikling. Idet temperaturen i et sådant kabel stiger, begynder kappematerialet at forkulle. Senere begynder lederisoleringen inde i kappen at dekomponere og forkulle.

Hvis den forkullede kappe forbliver hel, vil den isolere 30 kernen, men ellers vil den brydes af den forkullede isolering, som udvider sig, hvorved kappens og isoleringens indre udsættes for forhøjede temperaturer. Kappen og isoleringen begynder at pyrolysere og udsende brændbare gasser. Disse gasser antændes, og pga. luftgennemstrømning i 35 kanalen brænder de ud over flammens angrebspunkt, udbreder flammen og udvikler røg.

DK 170241 B1 2

Kendte teknikker har beskæftiget sig med problemet med kabelkapper, der bidrager til flammespredning og røgudvikling, som f.eks. fluorpolymerer. Sammen med omslutten- * de lag af andre materialer har disse været anvendt til at 5 styre forkulning, kappens integritet og permeabilitet for luft med henblik på at mindske restriktionerne ved valg af materialer til isolering inden i kernen. US patent nummer 4 284 842 beskriver et kendt kanal-kabel med små dimensioner.

10

Problemet med acceptabel konstruktion af kanal-kabler kompliceres noget af den udstrakte brug af transmissionsmedier med optiske fibre fra en sløjfe til fordelingssystemer i bygninger. De optiske fibre skal ikke blot væ-15 re beskyttet mod transmissionsforringelse, men de har også egenskaber, som afviger signifikant fra kobberlederens og kræver derfor speciel behandling. Som nævnt er optiske transmissionsfibre mekanisk skrøbelige, har lav brudstyrke ved trækbelastning og forringet lystransmission, når 20 de bøjes. En mekanisme, som giver forringet transmission, er kendt som mikrobøjningstab. Dette tab kan optræde pga. kappens krympning under afkøling og pga. forskellige termiske kontraktioner, når kappematerialets termiske egenskaber afviger signifikant fra de indesluttede optiske 25 fibres.

Kabler til disse specielle anvendelser skal ofte overholde krav, der er opstillet af industriens kontrolorganisationer eller officielle regulerende organer. For at være 30 acceptabel til brug i den nævnte kanaltype, skal et kabel eksempelvis overholde kravene i Underwriters Laboratories * test 910.

i

Andre anvendelser af optiske fibre til kommunikation duk-35 ker løbende op. Det forventes eksempelvis, at kabelbund ter af optiske fibre vil blive anvendt i jetfly eller i nukleare installationer, hvor de også vil være genstand DK 170241 B1 3 for prøvelser af kontrolorganisationer eller af officielle, regulerende organer.

Til sådan anvendelse i fly skal det fiberoptiske kabel 5 ikke blot have en specificeret trækstyrke for at kunne trækkes gennem flyets skrog, men må også have andre egenskaber. Til anvendelse i jetfly må det tilstræbte kabel eksempelvis være i stand til at fungere i relativt lang tid i temperaturer i området omkring 260 °C. Når en stor-10 brand først bryder ud kræver luftfartsselskaber også en specificeret tid, inden for hvilken, der skal tages en beslutning om handling. Ved prøvning skal et kabel bestå en flammetest, når det udsættes for en temperatur på 1093 °C (2000 °F) i 15 min. Denne sidste test benyttes til at 15 vurdere kablets egenskaber under katastrofebetingelser.

Det skulle være klart, at temperaturkravene under brug i jetfly overstiger kravene under brug i bygningskanaler.

Transmission gennem optiske fibre påvirkes ved høje tem-20 peraturer mere end gennem metalliske ledere. Skønt plastisoleringen i kobberkabler kan brænde, vil kobberlederne fortsat fungere i en specificeret tid. Ved temperaturniveauer, som kan forventes i jetfly, vil kappen og/eller belægningsmaterialet, som omgiver den optiske fiber, ned-25 brydes. Eftersom den optiske fiber i sig selv ikke kan modstå den forventede trækbelastning, vil der dannes mi-krorevner, med mindre den optiske fiber forsynes med egnet beskyttelse.

30 Alligevel er der et stærkt incitament til at anvende optiske fibre i stedet for kobberledere i luftfartøjer, som fremstilles i dag. Dette ønske drives af de fordele, som optiske fibre har fremfor kobberledere. Optiske fiberledere er f.eks. immune over for elektromagnetisk inter-35 ferens, har større båndbredde end metalliske ledere, har mindre størrelse og lavere vægt og er mere pålidelige.

DK 170241 B1 4

For at blive godkendt til anvendelse i jetfly må det tilstræbte kabel endvidere være hermetisk forseglet. Dette kræves for at forhindre indtrængning af forurenende stof- * fer som f.eks. jetbrændstof, methylethylketon, saltvand 5 og hydraulisk væske, hvoraf i det mindste nogle kan have forhøjet temperatur.

Kabler til anvendelse i jetfly og til andre anvendelser med høj temperatur indeholder kobberledere, er for tiden 10 isoleret med og/eller har en kappe med højtemperaturresistente plastmaterialer som f.eks. Teflon. I de kabler er der ikke samme problemer med kobberlederne, som der er med de optiske fibre i et fiberoptisk kabel, som benyttes i samme omgivelser. Skulle plasten blive opløst af foru-15 renende væsker, vil de metalliske ledere højst sandsynligt fortsat transmittere. Når den beskyttende kappe og belægning først er fjernet fra et fiberoptisk kabel, er de optiske fibre derimod modtagelige for angreb, som giver transmissionstab. Endvidere må det tilstræbte kabel 20 være fleksibelt, så at det føres langs krogede veje i jetfly eller andre steder med snæver plads. Som bekendt indeholder kendte kabler korrugerede skærme, som har givet fleksibilitet, især til kabler med høje antal metalliske lederpar.

25

Der kræves ikke stor fantasi for at finde andre anvendelser for hermetisk beskyttede og højtemperatur-resistente kabler. Hvad der tilstræbes, er et kappebeskyttelsessystem, som kan anvendes til flere forskellige kabler.

30 Systemet skal være hermetisk forseglet og skal kunne modstå en stærkt forhøjet temperatur i en forudbestemt tid ' og skal fungere i en forudbestemt tid, hvis en katastrofe indtræder. Det tilstræbte kabel må have relativt lille , diameter og fornøden trækstyrke. Endvidere må det være 35 fleksibelt og relativt billigt at fremstille. Øjensynligt omfatter den kendte teknik ikke noget kabel, som besidder de ovenfor nævnte egenskaber.

DK 170241 B1 5

Kendt teknik WO-A-85/0689 angiver et kabel med et flertal af optiske fiberbånd indesluttet i et indre lag af aramidfibermate-5 riale inden for et vundet glaslag, der er imprægneret med PTFE, og er omsluttet af en udvendig kappe af et fluorpolymert plastmateriale, såsom PVBF.

EP-A-0 158 433 angiver et kabel med et flertal af optiske 10 fibre, der er viklet omkring et glasfiberforstærket styrkeelement og indeholdes i en bevikling af mica-tape, et aramidfiberlag, andre lag af mica-tape og en ekstruderet kappe af tværbundet silan-polyethylen.

15 GB-A-2 145 556 angiver et kabel med coatede optiske fibre beviklet med et brandresistent materiale, der kan være glas lejret i en vulkaniseret kappe med gastæt fyldmateriale, og lejret i en omspunden metalskærm af fortinnede kobbertråde, en polyestertapevikling, en kappe af et 20 selv-slukkende materiale og en ekstruderet nylonkappe.

Opfindelsen har til formål at angive et kommunikationskabel af den i krav l’s indledning angivne art, hvor de optiske fibre er beskyttet mod transmissionsforringelse ved 25 påvirkning af høje temperaturer, samtidigt med at kablet udviser en stor trækstyrke, og en stor bøjningsfleksibilitet .

Dette formål opnås ved, at den til grund for opfindelsen 30 liggende kabelkonstruktion er udformet med de tekniske træk, der er beskrevet i krav l's kendetegnende del.

Transmissionsmediets termiske og mekaniske egenskaber forbedres gennem anvendelse af polyamidcoatingen, hvor 35 anvendelsen af et korrugeret metalrør beklædt med snoede eller flettede metaltråde sikrer kablets dets fleksibilitet. Et kabel med de konstruktive træk, der er angivet i 4 DK 170241 B1 6 krav 1 besidder termiske og mekaniske egenskaber, der gør kablet egnet til anvendelse i forbindelse med tekniske områder, hvor der stilles høje krav til transmissionssik- kerheden, selv under ekstreme temperaturforhold og ved 5 store mekaniske påvirkninger.

i 1 en foretrukken udførelsesform omfatter det indre rørformede legeme et vævet stof af varmeresistent materiale, hvori der løst er anbragt en eller flere optiske fibre, 10 og som kan betegnes som et kernerør. Kernen kunne lige så godt indeholde optiske fiberbånd, hvori optiske fibre kan være anbragt mellem to bånd eller fæstnet med et egnet materiale. Hver af de optiske fibre er indesluttet i en overfladebelægning af polyimid. Hvis der anvendes et 15 arrangement med bånd, holdes de overfladebelagte optiske fibre f.eks. mellem to bånd af polyimid. Kernerøret, som eventuelt kan være omviklet med et materiale til ekstra termisk beskyttelse, er anbragt inden i et korrugeret metalrør, som har et lukket søm, og som er lavet af rust-20 frit stål. Det korrugerede metalrør yder en hermetisk forsegling i længderetningen i hele kablets længde. Udvendig beskyttelse og trækstyrke ydes af et flettet rør, som fortrinsvis også er lavet af rustfrit stål.

25 Oversigt over tegningen;

Fig. 1 viser i perspektiv et fiberoptisk kabel ifølge opfindelsen, 30 fig. 2 viser et tværsnit gennem kablet i fig. 1, fig. 3 viser i forstørrelse et optisk fiberbånd, som kan være indeholdt i kernen af kablet i fig. 1, -i 35 fig. 4 er et tværsnit gennem en anden udførelsesform af opfindelsen, og DK 170241 B1 7 fig. 5 er et tværsnit gennem endnu en udførelsesform af opfindelsen.

Detaljeret beskrivelse af opfindelsen 5 I fig. 1 og 2 er der vist et kabel med den generelle betegnelse 20. Kablet 20, som indeholder en optisk fiberkerne 22, er særligt egnet til anvendelse i omgivelser med relativ høj temperatur i længere tidsrum. Det ses, at 10 den optiske fiberkerne 22 indeholder et antal bånd, som hver bærer betegnelsen 24, og som hver omfatter et antal optiske fibre 26.

For at optimere den termiske beskyttelse er hver af de 15 optiske fibre 26 forsynet med en overfladebelægning 25 af polyimid (se fig. 3) med en ydre diameter på omkring 145 jun. Endvidere er hvert af båndene 24 udført på en måde, som forøger den termiske modstand for kablet 20. F.eks. er et antal af de optiske fibre 26 indesluttet mellem to 20 bånd, som hvert er et laminat 27 (se fig. 3) omfattende et polyimid-lag 28 som f.eks. Kapton® polyimid og et lag 29 af et specielt højtemperatur-resistent, klæbende materiale, som er sammenhængende med de optiske fibre. Et sådant laminat kan leveres af CHR Industries, inc. under 25 varemærket Temp-R-Tape®.

Det er indlysende, at kernen 22 ikke er begrænset til et bånd eller et antal bånd. Kernen 22 kan f.eks. indeholde et antal optiske fibre 26 (se fig. 4 og 5) enkeltvis el-30 ler med flere slået sammen.

For at kablet 20 skal være i stand til at blive anvendt i omgivelser med høje temperaturer, omfatter kablet et kappesystem med betegnelsen 30. Kappesystemets inderste ele-35 ment er et indre rørformet legeme 32. I en foretrukken udførelsesform omfatter det indre rørformede legeme 32 et vævet materiale af et højtemperatur-resistent stof. Et DK 170241 B1 8 sådant materiale kan f.eks. være ST varmebehandlet fiberglas overtræksslange, som forhandles af Bentley Harris. 1 en anden udførelsesform kan det indre rørformede legeme 32 være et højtemperatur-resistent plastmateriale som 5 f.eks. silicone 37 (se fig. 4) eller teflonplast 39 (se fig. 5), som er ekstruderet omkring kernen. Det indre rørformede legeme har typisk en tykkelse på 1,01 mm og en indvendig diameter på omkring 4,1 mm.

10 Forøget termisk og mekanisk beskyttelse kan også tildeles kernen 22. Fig. 1 viser en termisk kernebevikling 34, der er viklet skrueformet omkring det indre rørformede legeme 32. 1 en foretrukken udførelsesform omfatter kernebeviklingen 34 et Kapton® polyimid bånd, som forhandles af 15 E.I. DuPont de Nemours.

Yderligere modifikationer ligger inden for opfindelsens rammer. F.eks. kan der anbringes ekstra fiberglas 36 (se fig. 4) som pakningsmateriale i det indre rørformede le-20 gerne og i kontakt med de optiske fibre. Denne kernepakning danner stødpude for de optiske fibre 26 imod vibrationer, og som en ekstra funktion får kablet forbedrede termiske egenskaber ved forhøjede temperaturer.

25 Det indre rørformede legeme 32 er indesluttet af et mellemliggende rørformet legeme 40, som modvirker lateral sammentrykning, og som giver kablet fleksibilitet og forsegler kablet mod indtrængning af forurenende stoffer i kernen. 1 en foretrukken udførelsesform omfatter det mel-30 lemliggende rørformede legeme 40 et korrugeret metallisk rør, som omslutter det indre rørformede legeme 32. Det korrugerede metalliske rør er fortrinsvis lavet af rustfrit stål, som er ideelt egnet til at modstå angreb af - væsker, som kan komme i kontakt med kablet. Endvidere 35 yder det korrugerede rør en hermetisk forsegling i kablets længderetning, idet et korrugeret bånd vikles omkring det indre rørformede legeme således, at der dannes DK 170241 B1 9 en søm 41 (se fig. 5), som er forseglet i længderetningen. En sådan søm kan dannes ved, at det sikres, at langsgående rande 42 og 44 af et korrugeret metallisk bånd overlapper, så de danner den langsgående søm 41 med adhæ-5 sionsmateriale anbragt derimellem. Alternativt kan det korrugerede mellemliggende rørformede legeme være sømløst. I den foretrukne udførelsesform har det korrugerede, mellemliggende rørformede legeme en indvendig diameter på omkring 6,4 mm og en udvendig diameter på omkring 10 11,5 mm.

For at kablet kan have en effektiv hermetisk forsegling, må dets ender også være forseglede. Dette kan opnås med specielle forbindelseselementer eller endestik, som ikke 15 er vist her.

Andre udførelsesformer af det mellemliggende rørformede legeme 40 er også omfattet af opfindelsen. I visse temperaturmiljøer kan der f.eks. anvendes et rørformet, metal-20 lisk legeme med en indvendig overflade forsynet med en belægning af Teflon plast til at omslutte det indre rørformede legeme. Et sådant mellemliggende rørformet legeme har en egnet fleksibilitet og temperaturresistens.

25 Kappesystemet 30 omfatter endvidere et ydre rørformet le geme eller kappe 50. Det ydre rørformede legeme giver kablet 20 tilstrækkelig mekanisk beskyttelse og trækstyrke. Det må være i stand til at modstå forhøjede temperaturer i længere tidsrum og skal modstå den korroderende 30 virkning af forskellige forurenende stoffer, som det kan blive udsat for. 1 den foretrukne udførelsesform er det ydre, rørformede legeme 50 udført af et flettet rustfrit stålmateriale med en tykkelse på omkring 0,76 mm.

35 Kablet 20 ifølge opfindelsen udfylder et behov for at tilvejebringe et optisk kommunikationsmedium, som kan blive udsat for relativt høje temperature i længere tids- 10 DK 170241 B1 rum og samtidigt for korrosive omgivelser. I en tiltænkt anvendelse kan kablet f.eks. blive udsat for forurenende stoffer samtidig med, at det udsættes for temperaturer på mindst 260 °C sålænge som 30.000 timer. Kablet 20 kan 5 fordelagtigt jordforbindes gennem sine metalliske kappekomponenter for at give beskyttelse mod lyn. Kablet 20 er relativt lille i diameter og er tilstrækkeligt fleksibelt til at blive ført ad krogede veje. Det har også tilstrækkelig trækstyrke til at kunne trækkes i kabelbaner og 10 tilstrækkelig kompressionsstyrke til at modstå forventede kompressionsbelastninger. Endvidere yder den flettede, rustfri stålkappe 50 passende styrke til kablet, uden at det går ud over dets fleksibilitet.

15 Kablet 20 ifølge opfindelsen giver i et begrænset tidsrum endvidere beskyttelse i katastrofesituationer. F.eks. vil det fungere, selv om det udsættes for en temperatur på mindst 1093 °C i mindst 15 minutter. Dette giver tilstrækkelig tid for en flypilot til f.eks. at træffe en 20 beslutning, som kan have konsekvenser for mange passageres liv.

X endnu en udførelsesform Indeholder kernen 22 et antal grupper af individuelle optiske fibre. Hver gruppe af de 25 optiske fibre er forsynet med en individuel kappe 55 (se fig. 5), som kan være et rørformet legeme, der er fremstillet af et vævet glasfibermateriale eller et egnet plastmateriale. De optiske fibergrupper med hver sin kappe indesluttes i det indre rørformede legeme 32, 37 eller 30 39, det korrugerede metalliske rør 40 og den flettede rustfri stålkappe 50, der er vist i fig. 1.

« 35

Claims (5)

1. Temperaturresistent, fiberoptisk kommunikationskabel 5 for at tilvejebringe en fortsat, upåvirket transmission af lys, selv om kablet udsættes for en temperatur på mindst 260 °C gennem 30.000 timer eller udsættes for en temperatur på mindst 1093 °C gennem 15 minutter og udsættes for forurenede omgivelser, hvor kablet omfatter: 10 en kerne (22), der inkluderer mindst et fiberoptisk transmissionsmedium (26); et første, indre rørformet legeme (32), der omfatter 15 et temperaturresistent fiberglasmateriale, og som om slutter nævnte kerne (22)? et andet, rørformet legeme (40), der omslutter nævnte indre, rørformede legeme (32), og som har en lukket 20 rundtgående periferi for at modvirke indtrængning af forurenende stoffer; og et tredie, ydre, rørformet legeme (50), der omfatter en snoet metalskærm, og som omslutter nævnte andet, 25 rørformede legeme (40), hvilket ydre, rørformede lege me (50) bibringer kablet dets trækstyrke; kendetegnet ved, 30 at fibertransmissionsmediet (26) er udformet med en poly amid coating? at det andet, rørformede legeme (40) omfatter et korrugeret metalrør, hvis korrugeringer bibringer kablet dets 35 fleksibilitet; 12 DK 170241 B1 og at metallet i den snoede metalskærm (50) er rustfrit stål.

2. Kommunikationskabel Ifølge krav 1, kendeteg -5 net ved, at det andet, rørformede legeme (40) er frem- i stillet af rustfrit stål.

3. Kommunikationskabel ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at det andet, rørformede legeme (40) er 10 coated med et fluorpolymerisk plastmateriale.

4. Kommunikationskabel ifølge et vilkårligt af kravene 1- 3, kendetegnet ved, at det andet, rørformede legeme (40) har en langsgående forseglingssøm (41). 15

5. Kommunikationskabel ifølge et vilkårligt af kravene 1- 4, kendetegnet ved, at kernen (22) omfatter et flertal af optiske fibre (26), der fastholdes mellem to bånd (27), hvor hvert af disse bånd (27) omfatter et 20 polyamidlag (28) og et lag (29) af et højtemperaturresistent adhæsionsmiddel. 25 30 « 35