专利名称:光纤电缆及其制造方法
本发明涉及一种光纤电缆及其制造方法。更确切地说，本发明涉及一种光纤缆芯，它具有多个多纤维的单元体，它们装在一根管子内，该管子还有一些包皮组织的附加部分。
光纤通讯领域已取得迅速的发展，然而其工艺上却仍在经历着一些重大的转变。例如，前几代纤维通讯系统在约0.8μm的波长上进行工作，而现代通讯系统的工作波长范围为1.3μm。目前，人们的兴趣所在是把通讯系统的工作波长提高到1.55μm，以利用以硅石为主的光纤在此波长范围内存在着损耗窗口的优势。另一个重大转变是从多态纤维转向单态纤维，这种转变是由对带宽有较高的要求而产生的。
虽然要求光导光纤具有较大的带宽容量和较小的尺寸，但它们很脆，在承受拉力时极易断裂，而在弯曲时其光导性将下降。这种由于弯曲面导致传导能力的下降，通称为微观弯曲损失。因此，人们发展了电缆结构，从而可以从机械结构上来保护光学纤维。
用于管道的电缆必须能承受当它被拉进管道时受到的拉力载荷和由弯曲而引起的应力。已经使用的光纤电缆结构包括活动管式电缆、绞合式电缆和带式电缆。
有关活动管式电缆的说明，可参见D.Lawrence和P.Bark的“Recent Deve lopments in Mini-Unit Cable”一文(刊于32届国际电线和电缆会议(1983)论文集P.301-307)，也可参见美国专利US-4，153，332。
带式电缆由一根或多根带子构成，每根带子均包含多根光学纤维，这些纤维的排列分布大致呈平面束状。美国专利US-4，078，853展示了一种包括一个带状芯子的电缆，它的芯子被一个松配合的塑料管状内套所包围，塑料外套用加强构件加强，为了使外套和加强件连接紧密，加强件被封在外套内。
在有些情况下，尤其是当管道系统有很多弯曲时(例如设在市区的环形设备里的管道)，电缆承受的拉力载荷将更大，美国专利US-4，241，979公开了一种经过改进的光通讯电缆，它能适用于上述情况，它在塑料挤制内套和外套之间，增加了一个衬垫层(在衬垫层上螺旋式地缠绕着加强件)，以控制外套对加强件的封装程度。这种电缆具有两层分开的加强部分，它们沿相反方向进行缠绕，当受到持续载荷(拉力)作用时，两个加强层绕电缆产生数值相等但方向相反的转矩，这能保证电缆不至于发生扭绞。
带式电缆具有许多很好的性质，其中之一是易于进行纤维束连接。如美国专利US-3，864，018所示的纤维束接线器，就可在工厂现场使用，它和单根纤维连接技术相比可节约很多时间。另一个优点是，与绞合电缆相比，电缆单位横截面上的纤维密度较高。
在另一种光通讯电缆中，多根光学纤维被封装在一根塑料挤制管中而成为一个单元体，多根这样的管式单元体又被封装在一根公共的塑料挤制管内，而这根挤制管则被封在包皮内。一般来说，封装在每个管式单元体内的光学纤维都是绕某个中心加强件而绞合在一起的。之所以使用中心加强件的原因，是因为它容易装入电缆。另外，装有中心加强件的电缆比那种把加强构件结合在包皮内的电缆更容易弯曲。然而，当这种电缆发生弯曲时，其中心加强构件可能在某些情况下会顶着管子压缩一根或多根纤维，从而损坏纤维。
总的来说，现有技术中的光纤电缆，如带式电缆、绞合电缆以及活动管式电缆，都具有这样的缺点，即它们的带状物，绞合单元体或者管子都要在分开的生产线上进行制造。例如，绞合电缆中的多个单元体，是在被分别封装在管子内并绞合后，再送到一条给它们加上公共管和外套的生产线上的。每个单元体必须在另一条生产线上进行制造，一直要等到多个单元体能一齐连结在公共管中时，它们才能离开这条生产线，因为带状物或管状芯子总是按某个预定的绞距进行绞合的，所以制造它们以及把带子或管子装进缆芯时，要使用一些相当沉重的转动设备，从生产制造的观点看，这样做很不理想。
为了防止水的浸入而在电缆缆芯中加入一种防水填充料的做法，使电缆制造变得更为复杂。美国专利US-4，176，240公开了以前使用过的一种粘弹性防水材料，一般来讲，所用的防水材料在电缆制造和处理时，虽发生变形但却不会屈服。防水材料能防止光学纤维在电缆中发生移动和弯卷，因为光学纤维所接触的(这种接触的周期相当小)是不屈服的填充材料的表面。纤维与不屈服表面接触的周期越小，则微观弯曲损失越大。通过绞合电缆，多少能解决一点问题，因为绞合电缆能使纤维在应力作用下形成新的螺旋线，从而避免微弯损失。申请号为NO.697，054(1985、1、31、C.H.Gartside Ⅲ等提交)的申请中公开了一种类似润滑脂的填充混合物，它的临界屈服应力相当低。
显然，符合需要的光毛电缆是与过去所用的电缆不一样的，这种电缆的制造成不应该比现在所用的贵，而且结构更为紧凑。这种电缆还应该能阻止导致光纤维微弯损失的不适当应力的产生。可以相信，在现有技术中不存在这样一种电缆，长期以来人们一直希望能得到一种价格低廉的光纤通讯系统。
上述问题已由本发明的电缆及其制造方法所解决。本发明的光纤电缆具有多根光学纤维，它们装在一起(并不有意识地进行绞合)形成一个单元体，该单元体沿电缆的轴向伸展。由塑料制成的管子，其长度能封住多根光纤，管子与电缆轴向平行。多根光纤的横截面与管子内横截面之比，不超过某个预定值，该预定值在一个最佳实施例(在此例中光纤有包复层)中约为0.5。这种电缆还具有至少一个加强构件和一个套壳，套壳由塑料制成，并能封住管子的长度。在一个实施例中，电缆具有多个单元体，每个单元体均包括多根光学纤维。由塑料制成的管子的长度能封住多个单元体，而管子的长度却不大于单元体内纤维的长度。在一个实施例中，装在管内并主要用来填补纤维间空隙的防水材料，其临界屈服应力(20℃时)不大于约70巴，切变模量(约20℃时)约小于13千巴。各个单元体被防水材料彼此分开，多个单元都被封在一根公共管(不象在现有技术中是各自的管子)的长度范围内。防水材料的特点是在达到临界应力值之前，它象一个弹性固体那样起作用，而在超过临界应力值之后则象液体那样起作用。
在一种制造光纤电缆的方法中，多根光纤彼此并列地进料以形成一个单元体，随后对单元体进行绷扎，绕单元体挤制出由塑料制成的管子后，给电缆配上加强构件。然后再给管子包上一层由塑料制成的套壳。
在另一个实施例中，多个被绷扎起来的单元体可在一条公用的生产线上制造并被送进一台挤压机，它能挤出一根由塑料制成的管子来封住多个单元体。在形成管子的同时，可将防水材料(它的临界屈服应力在20℃时不大于约70巴，切变模量在20℃时约小于13千巴)引入缆芯。它充填在光纤维之间和单元体之间的空隙中。然后，可绕公共的塑料管加上包皮组织，包皮组织至少包括一层套壳和一些加强构件，这些加强构件设置在管子和套壳的外表面之间。
若结合附图阅读以下特定实施例的有关详细说明，则更容易理解本发明的其它一些特征。
图1 本发明光纤电缆的透视图;
图2 图1光纤电缆的端视图;
图3 包复光纤的端视图;
图4 图1电缆防水材料的实用应力-应变示范性曲线;
图5 用来制造图1电缆的生产线简图;
图6 图5生产线部分透视图，它展示光纤供料和多根光纤装入分开的单元体的情况;
图7 图5装置的部分透视图，它展示一种用来调整图1电缆缆芯和包皮长度比的装置;
图8 本发明电缆不同实施方案的透视图;
图9 本发明电缆另一个实施方案的透视图。
参看图1和图2，它们所示为本发明电缆20的一个最佳实施例。它包括一个由多个单元体构成的芯子21，每个单元体均用数字22表示，它含有多根独立的光学纤维24-24。此外，光纤24-24中的每一根又包括纤维26和一层或多层包复层28-28(见图3)。这里所说的术语光学纤维应该理解为是纤维本身以及加在它上面的任何包复层。每个单元体22-22可以是绞合线，也可以是非绞合线，也就是说单元体基本上与电缆的纵向轴线29平行，或按某种摆动的绞距构成。
应该认为，最佳实施例中每个单元体22-22所包含的光纤维24-24，并不是绞合在一起进行装配的，而单元体本身倒是以无穷大绞距长度来设置的。光纤维可以随着单元体的有关部分而呈波浪形，其结果是使每根光纤维的长度至少稍微大于包皮的长度。这样做能防止电缆把在制造、安装和工作过程中所产生的不适当变形传给光导纤维24-24。
从图1和图2中可以进一步看到，芯子21是由多个单元体构成的，它们各自由绷扎带32绷扎起来并被封在管子34中。塑料(例如聚氯乙烯或聚乙烯)制成的管子34装着那些被绷扎起来的且未形成管状的单元体，管子34与电缆20的纵轴29平行。
本发明电缆的一个重要特点是它的组装密度。组装密度的定义是光纤维及其表面包复层的横截面积与被管子34所封闭的总横截面之比。如果组装密度过高，芯子内的光纤维可能受到较高的应力作用，而且可能在加工电缆时发生断裂。组装密度过高时发生这种情况的原因在于，当使用防水材料(它在较高应力下屈服)时，光纤维在管子内不能充分移动以释放例如在弯曲时所出现的应力。在现有技术中，这个问题可以通过把封住单元体的各个管子绞合起来解决。然而，众所周知绞合的线速度较慢，因而导致成本增加。
在图1和图2所示的实施例中，单元体22-22以及单元体和管子34之间的芯子中充填了一种适当的防水材料36。已经测定，光纤电缆中填充混合物还必须起到维持光导纤维处于低应力状态的作用。在提前公开的申请号为NO.697，054的申请案中，公开了这样一种材料，它是一种充有胶粒的润滑脂混合物。
润滑脂一般来说是一种固体或半液体材料，它在液体载体中加进了增稠剂或凝胶剂。用在润滑脂中的凝胶剂通常都是脂肪酸皂，但也可以使用熔点较高的物质，如粘土、硅石、有机染料、芳香酰胺以及尿素衍生物等。
当润滑脂受到较小应力作用时，它的行为基本上象一种固体物质。如果应力超过某个临界值，粘度便急剧下降，物质发生流动。粘度的下降基本上是可以恢复过来的，因为这是由于填充料颗粒间的网状连接遭致破坏而引起的，随着超临界应力的消除，这些连接可以重新形成。
电缆填充材料或防水材料，尤其是光纤电缆的填充化合物应该能满足多方面的需要。其中一个要求是电缆的物理性能要在一个相当宽的温度范围(即从约-40℃～约76℃)内保持在可接受的限度内。还有一个要求是，填充材料在上述温度范围内相对地不发生脱水收缩。脱水收缩是指在应力作用下油从凝胶体中的析出。用在光纤电缆中的填充材料也应具有较低的切变模量。根据现有技术，因为据认为，切变模量直接与微弯损失量有关，所以它是光纤电缆填充材料的一个临界材料参数。有关微弯损失的讨论可参见S.E.Miller等人写的《Optical Fiber Telecommunications》〔Academic Press，New York(1979)，PP.158-161〕一般来说，长波长的微弯损失比短波长的更难控制。因此，重要的是要能生产出一种光纤电缆，它在较长波长(例如1.55μm)时没有明显的电缆感应损失。
最好的防水材料是由两种主要成分，即油和凝胶剂(如胶体颗粒)，以及作为第三种主要成分的泄漏阻止剂构成的混合物，第三种成分是可以任意选择的。其它成分，例如热氧化稳定剂等，也是可以任意选择的。
用于防水材料的聚丁烯润滑油，其最小比重约为0.83，最大凝固点(按ASTM D97或ASTM 103，104A，140B型)约小于18℃，也可用聚丁烯油和环烷油或石蜡油的混合物(按ASTM D-226试验)，后两种成分的最小比重约0.86，最大凝固点(按ASTM D97)约小于-4℃。用作本发明电缆油的特例是聚丁烯油，它是一种合成碳氢化合物油类，其凝固点(按ASTM D97)为-35℃，SUS粘度(99℃时)为1005，比重为0.8509，平均分子量为460。可从德克萨斯州的Amoco化学公司得到这种油(商业标记L-100)。另一种油是石蜡油，凝固点(按ASTM D97)为-25℃，SUS粘度(90℃时)为53.7，平均比重为0.884，芳香油最大含量1%(重量比)。这种油可从宾夕法尼亚洲的Penreco of Butler(标记为Drakeol 35)得到。其它一些油还有以甘油三酸脂为主的植物油(为蓖麻油)和其合成烃油(如聚丙烯油)。当有阻燃性能要求时，可以用含氯约30-75%(重量比)，25℃时粘度在100和1000厘泊之间的氯化石蜡油，Paroil是这种油的一个例子，它可以从俄亥俄洲的Dover化学公司得到。添加量小于5%(重量比)的丙烯酸的聚合酯或类似的物质可用来作凝固点抑制剂。ECA 7955即为一例，它可从Exxon化学公司得到。
油中的胶体填料颗粒通过连接表面的氢氧基团可形成网状结构。这种凝胶体能承受低于临界应力值的载荷。当载荷超过这个应力值时，网状结构被破坏，材料呈现类似液体的特性并在这种应力下发生流动。这种性能就是通常所说的触变性。
用于本发明电缆的胶体填料，包括胶体硅石，可以是疏水的，也可以是亲水的，最好是疏水的煅制硅石，它的BET表面积约在50～400米2/克之间。复盖有聚二甲基硅氧烷的煅制硅石，即为疏水煅制硅石的一个例子，它的BET表面积约80～120米2/克，含有约5%(重量比)的碳，可以从伊利诺斯洲的Cabat公司得到(标记Cab-O-Sil N70-TS)。一种典型的亲水胶体材料是BET表面积为175-225米2/克的煅制硅石，它的标定颗粒大小为0.012μm，比重为2.2也可从Cabot公司得到(标记Cab-O-Sil M-5)。可用于本发明的其它胶体填料，有经过或不经过表面处理的淀积硅石和粘土，例如膨润土。
本发明润滑脂的油持着性，可以通过在混合物中加入一种或多种泄漏阻止剂来加以改善。泄漏阻止剂可以是一种橡胶嵌段共聚物，它是一种粘度相当高的半液体(有时也可称半固体)橡胶，也可以是其它合适的橡胶。嵌段共聚物和半液体橡胶被总称为橡胶聚合物。在润滑脂混合物中加入橡胶聚合物，可使得为了防止凝胶体脱水收缩而必须要加的胶体颗粒的数量有所减少。胶粒数量的减少可节约成本，而且能使非泄漏混合物的配方具有较低的临界屈服应力。
能用作本发明电缆防水材料混合物的橡胶嵌段共聚物，有苯乙烯橡胶和苯乙烯橡胶一苯乙烯嵌段共聚物，其共聚物和橡胶之比约在0.1-0.8之间，分子量(用25℃时在甲苯中的粘度来表示)从大约100厘泊(在20%重量比的橡胶熔液中)到大约2000厘泊(在15%重量比的橡胶溶液中)。典型的嵌段橡胶有a)苯乙烯-乙烯丙烯嵌段共聚物(SEP)，它不增塑，苯乙烯与橡胶之比大约为0.59，比重大约为0.93，断裂强度(按ASTM D-412)为300磅/平方英寸，可从德克萨斯州的Shell化学公司得到(商业标记Kraton C1701);b)苯乙烯-乙烯丁烯嵌段共聚物(SEB)，苯乙烯和橡胶比约0.41，可从Shell化学公司得到(标记 TRW-7-1511);C)苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯嵌段橡胶(SEBS)，它不增塑，苯乙烯和橡胶比约为0.16，比重约0.90，750%的延伸率，300%模量(按ASTM D-412)为350磅/平方英寸，可从Shell化学公司得到(商业标记kroton C1657)。其它的苯乙烯-橡胶或苯乙烯-橡胶-苯乙烯嵌段共聚物，有苯乙烯-异戊二烯橡胶(SI)和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)橡胶、苯乙烯-丁二烯(SB)和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)橡胶。Kraton D1107可作为SIS的一个例子，而Kraton D1102可作为SBS的一个例子，二者均可从Shell化学公司得到。
可用于本发明的半液体橡胶有同粘度的聚异丁烯，它的Flory分子量约在20000～70000之间，其中典型的是Flory分子量大约为42，600～46，100，比重约0.91，Brookfield粘度值在350°F(约177℃)时大约为26，000～35，000厘泊的聚异丁烯，它可从德克萨斯州的Exxon化学公司得到(商业标记Vistanex LM-MS)。其它一些被认为是有用的橡胶，有丁基橡胶、乙丙橡胶(EPR)、乙烯-丙烯二烯共聚物橡胶(EPDM)和氯丁橡胶，其穆尼(Mooney)粘度ML1+8在100℃时(按ASTM D-1646)大约在20和90之间。适合上述要求的橡胶有丁基077，Vistalon 404，Vistalon 3708，和氯丁基1066，这些产品都能从Exxon化学公司得到。粘度值(38℃时)在大约40，000和400，000厘泊之间的解聚橡胶也可供使用。DPR75就是一个例子，它可从新译西州的Hardman股份有限公司得到。
已经用一种基本上与农业电气化管理局(REA)PE-89油持着试验方法相一致的步骤，对油持着情况进行了试验。如果用这种方法能得到滴流的油量，那么可以认为这种润滑脂混合物没有通过油持着试验。另一种试验是把30克混合物试样在10，000转/分条件下离心处理60分钟，再泌出试验后的油进行称量。已经测定，为了使混合物在高达60℃或80℃时能具有所要求的油持着性，室温时它所表现的油分离分别不能大于7%和2.5%(按上述离心试验来测定)。
防水材料36的混合物是用来有效地防止水进入电缆缆芯20的。为了使电缆具有良好的光学性能，要把附加到电缆上的损失降至最小。虽然防水材料的混合物的油持着特性是应该考虑的因素，但最重要的还是电缆20的光学性能。
表1所示为几种不同的泄漏阻止剂油分离的效果，表中油分离情况是指两种不同的油(Drakeol 35和L100)。这第三种嵌段的含共聚物的混合物是由92%(重量比)的油，6%(重量比)的Cab-OSil N70-TS胶粒填充剂和2%(重量比的阻止剂构成的。半液体的含橡胶的混合物LM-MS是由6%(重量比)的N70-TS胶体填充料、指定量的阻止剂以及89和84%(重量比)的Drakeol 35构成的。
表1阻止剂 Drakeol 35 L-100%(分离量) %(分离量)2%SEP 2.5 0.72%SEB 11 3.52%(SEBS) 5 25%(LM-MS) 7 -10%(LM-MS) 2 -表11所示为几种不含有泄漏阻止剂混合物的油分离数据。显然，加入泄漏阻止剂比在混合物中增加胶粒的含量更能有效地防止油分离或滴流。而且，当润滑脂中的胶粒含量增加到不发生脱水收缩点时，还将引起临界屈服应力的增加。因此，为了完全避免脱水收缩，如果不用泄漏阻止剂，在某些情况下要求临界屈服应力取较低值是不可能的。表2的数据是在使用N70-TS胶体填充料和Drakeol 35油的情况下得到的。
表2油分离煅制硅石%(重量比) 6 7 8 10油分离%(重量比) 36 28 20 14图4所示为一种触变物质(例如防水材料36)在恒定应变下的应力一应弯曲线图37，它给出了一些重要的参数。在应力一应变曲线37的38段，材料的行为方式基本上是一个弹性固体。这一段从零应力到临界屈服应力σC。与σC相对应的应变用γC表示1即临界切变应力。从定义上看，坐标σC、γC表示屈服的开始，而量σC/γC(或 (dσ)/(dγ) 对σ＜σC)通称为材料的切变模量(Ge)。
现有技术认为，光纤电缆的填充材料要具有低的Ge值，然而，已经查明，至少从某些应用来看，填充材料的Ge低值不足以保证低的电缆损失，而参数σC(临界屈服应力)也要加以控制。本发明所用材料的临界屈服应力一般不大于70巴(在20℃时进行测量)，而切变模量小于约13千巴(20℃时)。
图4应力-应变曲线39段，表示当应力增加时应变增量的增加数值。应力σγ是在给定应变率γY(它是与应力σY相应的应变)时材料所能支持的最大应力值。当应变超过γY时，应力首先下降(如曲线段40所示)，当应变继续增加，应力变得不再与应变有关(如曲线段41所示)。因此，当γ＞σY时，防水材料表现了一种类似液体的行为。
加填料电缆20的填充料混合物，一般含约77-95%(重量比)的油。如用泄漏阻止剂且阻止剂是橡胶嵌段共聚物，那么油的含量一般在大约90～95%(重量比)。再者，如果泄漏阻止剂是半液体橡胶，那么油的含量一般在大约77～91%(重量比)。此外，混合物中至多包括15%(重量比)(最好是至多10%(重量比))的胶体颗粒。如果胶体颗粒是煅制硅石，那么一般含量范围为2～约10%(重量比)，对某些应用来说，通常最佳范围为5～8%(重量比)。混合物中泄漏阻止剂的含量一般约0.5～15%，对嵌段共聚物橡胶来说，通常最佳范围约0.5～5%，而对半液体橡胶，通常最佳范围约3～15%(重量比)。混合物中也可含有少量的氧化稳定剂和其它添加剂，它们是可以任意选择的。例如，稳定剂可以是四个甲烷(tetrakis methane)，它可以从Ciba-Ceigy公司得到(商业标记Irganox 1010)。一般来说，油、胶体颗粒和泄漏阻止剂(如果用的话)的量，约为混合物总量的99%或大于99%(重量比)。
表3所示为示范性混合物，可从混合物重量比来进行分析。这些混合物都是用公知的方法来制备的，一般可先把调和油、泄漏阻止剂、抗氧化剂和胶粒材料放在室温和大气压力下，然后再放在室温和部分真空(一般真空压强小于约300乇)条件下进行组合。某些混合物，例如E，可边搅拌边加热到约150℃，再在该温度下保持4小时左右。然后可计算所得到的混合物，包括用锥一板式流变仪测定某些σC和Ge。表3也给出了这些性能的示范性简要说明，所有σC和Ge的测量温度约为20℃。
在表3所公开的所有混合物例中，例A是最好的一个。用(a)表示的应力值，在测定时没有经过时效处理，而用(b)表示的那些值则经过指定时间的时效。虽然在表3的许多混合物例中使用了泄漏阻止剂，但有些并没有经过滴流试验。然而，用表3中任何一种混合物填充的电缆，其光学性能都能满足要求。
本发明混合物的机械性能，是胶体颗粒含量的函数。例如，已经测定，σC以及Ge均随着胶粒含量的降低而降低。
用来填充本发明电缆缆芯的防水材料36，它在一个足够低的应力下就可屈服，以致于当电缆在受载或弯曲时光纤维24-24和单元体22-22能在芯子内移动，这种情况是十分有利的。流变屈服的填充材料使光纤维能在管子34内移动，将降低光纤维上的应力并延长光纤维的寿命。
正如前面所述，本发明电缆可以由不绞合在一起的单元体制成(如最佳实施例)，也可以由绞合单元体或具有摆动的绞距的单元体制成。当然，最好采用非绞合式单元体，因为这样可省去绞合设备并提高线速度。
管子34可以认为是电缆20包皮组织42的一个组成部分。现回到图1和图2，由图中可以看出在管子34上面，还设置了包皮组织的其它一些组成部分，它们包括衬垫层43和一组加强构件48-48、一个中间套管50(由聚乙烯制成)、另一个衬垫层52和另一组加强构件56-56以及一个外套管58。两个套管均由聚乙烯制成，但它们也可由其它塑料制成。而且套管的材料还可彼此不一样。加强构件在最佳实施例中是钢丝，但显然其它材料(金属材料或非金属材料)也可用来做加强构件。
请参见附图中的图5，图中所示为一台概括地用数字70表示的、可用来制造本发明电缆的装置。在装置70中用放料器71(见图5和图6)来提供多根包复光导纤维24-24以形式每个单元体22。光纤维24-24中的每一根都是从绕线轴73上放出来的，绕线轴73装在支架76上。供料绕线轴73-73装在(可转动地)生产线轴线79的一侧或沿轴线79设置，使它们处于阻滞状态以在纤维上施加所需要的反拉力。
接着，构成单元体的光纤维24-24继续向前，逐渐相互并置，并通过装置75，装置75将有效地给在此组合的单元体扎上绷扎带32。如前所述，光纤维24-24并没有按公制绞距组合在一起。换句话说，光纤维没有绞合而绞距一般来讲是无穷大。当然，当光纤维24-24组合在一起时，光纤维之间也可能有某种交叉从而产生少许并非有意识要出现的绞合，但在这种绞合中光纤维相对位置的改变也不会超过360℃。
在光纤维24-24已组合成单元体之后，它们又向前穿过一个导管(未画出)和一个小室(它们就象通常用的十字头挤压机的芯管的模槽)，在挤压机中，前面已作过描述的防水材料36将被引入缆芯并包围在缆芯周围。其结果是使缆芯每个单元体22的光纤维24-24之间，以及单元体22-22之间的电缆横截面部位都充填了防水材料36。从充填室出来后，充填过的缆芯再向前穿过挤压机86的芯管，这个挤压机86是用来在单元体周围挤出塑料管34的。该管为所有单元体22-22共有。
如前所述，应该认为本发明电缆也可以是指一种空心电缆，它不含有填充材料。这种横截面的单元体22-22在穿过挤压机86之前，先经过装置81，装置81是用来供给由塑料(如IEFLON聚四氟乙烯)制成的带子82的。带子用公知的方法缠绕在芯子上以形成一个芯状缠绕，其作用如同一个热阻挡层，它在挤压管子34时能保护单元体。
当被包封起来的芯子21向前穿过挤压机86时，被包封起来的芯子周围被挤上一层塑料，从而形成一个内套管34，它是一根公用管。加有套管的芯子离开挤压机86后，将再经过一个受负压作用的冷却低槽88。这使得管子34在芯子21胀开并在冷却时从外部把尺寸确定下来。因此，在芯子21周围形成的管子34，其封装密度能容许在芯子和管子之间以及在管子和包皮组织的受力部分之间发生相对移动。
然后，经过冷却和加有套管的芯子再通过装置91，该装置在套管周围加上衬垫层43。接着，加有套管的芯子向前通过一个供给纵向加强构件48-48的出料组合装置95。组合装置95已在美国专利US-4，446，686中公开。
装置95内装有多个形成加强构件48-48的线料的绕线轴。将受到控制的反拉力作用在绕线轴上。出料组合装置95用来把线料彼此隔开成螺旋形地缠绕在衬垫层43上。
电缆的芯部结构通过出料组合装置95后，通过挤压机101的芯管，该挤压机是用来加装中间套管50的。与此同时，加强构件所用的线料由供料绕线轴给出，并沿贴近电缆芯部结构的路线(此路线大体上是电缆的纵轴)送进。在加强构件进入挤压机之前，它们将分布在预定的螺旋绞距上。
在电缆芯子结构周围挤上中间套管50并把它放在低压槽103中冷却后，由装置105再加装第二层衬垫层52。接着部分完工的电缆结构再向前通过第二个加强构件给料组合装置107，和挤压机108，它们与给料组合装置95以及挤压机101相似。它们是用来把加强构件56-56螺旋形地缠绕在中间套管上，并在其上挤上外套管58的。此后，加了外套管的芯子向前通过冷却低压槽109。
电缆20是一种转距平衡式电缆，这很有好处。两层加强构件以相反的方向螺旋式地缠绕，以便使两层加强构件在受到拉力载荷时，能绕电缆纵向轴产生数值相等但方向相反的转距。这能使电缆20在受到持续的拉力载荷时有可能出现的扭绞现象得以消除。
在挤上外套管58之后，但在把电缆20绕紧之前，要让芯子21与包皮组织42相结合(在包皮已经被拉长某个预定数量后)。在制造电缆20过程中所说的“结合”，是指芯子21和包皮组织42之间的相对运动基本上为0。按美国专利US-4，446，686中所公开的方法和装置可以做到这一点。
装置110(图5)可用来拉长包皮组织42(通过施加拉力)，从而容许芯子21相对于包皮组织发生移动。在包皮组织42已经相对芯子20被拉长后，可将芯子与包皮组织结合起来以防止芯子和包皮组织之间出现相对运动。这种结合是暂时性的，因为芯子21将接着与包皮组织脱离结合，从而使得它们之间有可能发生相对运动。外皮组织42在不受拉力作用时能发生弹性恢复，因为它的组织结构中所包含的加强构件具有较高的弹性模量。完成包皮的伸长和结合是为了使得芯子21和包皮组织42的长度总比例，在伸长后的包皮组织42恢复原状时为预定值。当把电缆20绕紧后，包皮组织已大体上恢复了原样，而在放电缆并将其装在工地上时，芯子与包皮的长度比已经是所要求的长度比了。
结合装置110包括一个直线型绞车112和一个结合绞缆轮115(图5和图7)，它们协同动作，在包皮被拉长后并受拉力作用时完成结合工作。绞缆轮115与直线绞车112合作，可实现包皮拉长和结合。绞缆轮115可转动地装在机座117的侧支架之间并由一马达驱动。从绞缆轮115出来的电缆20，被送进接收盘120。直线绞车112是一种速度恒定的装置，但结合绞缆轮115的转动速度却是可变的。通过一个反馈控制系统，可控制绞缆轮的速度以使得作用在包皮组织42上的拉力符合要求。
绞缆轮115具有一个导向装置，它使绞缆轮上电缆20各个连续的绕圈，能在绞缆轮轮毂124的表面122上作横向移动。翼片126(图7)装在框架128上，并靠近轮毂124。当绞缆轮转动时，翼片126使电缆20的绕圈分开并使各个连续的绕圈都移向绞缆轮法艺盘129-129中的一个法兰盘。绕圈跨在轮毂124上从一点向出点的移动，是借助于轮毂122的锥度(图7)实现的，因此最大的直径靠近每个卷绕圈的入点，而最小直径在卷绕圈的出点。
当包皮组织在直线绞车112和大绞缆轮115之间被拉长后，即可将芯子21与包皮组织42相结合。包皮组织42在直线绞车112和绞缆轮115之间产生的变形量，与芯子21总的变形量相等。总变形是几何变形与纤维出料时受拉力作用而产生的变形的和，如果需要的话，还包括为获得1.0000和约1.0015之间的最佳芯子-包皮长度比而确保芯子21最终生产的长度超过包皮42长度的变形增量。包皮组织42上的拉力可通过控制绞缆轮115的转速来进行控制，以补偿由于纤维中心偏离包皮中心轴而引起的几何变形。包皮组织42上所需要的拉力是可以变化的，因为几何变形是随芯子21中单元体22-22数量的不同而变化的。
电缆20是在包皮组织42被拉长的情况下在绞缆轮115上进行卷绕的，它卷绕的数应多到足以使包皮组织42和芯子21的结合能在包皮被拉长的情况下进行。已发现圈数为3时就可以了，而圈数为5则超过了合适的程度。装置70上有一个作用在芯子21上的反拉力。芯子21和包皮组织42之间的结合，是以结合时芯子在反拉力作用下不能相对包皮发生滑动为充分条件的。在结合装置的输出端要加一个较小的力，以平衡另一端的反拉力。输出端的这个小拉力，是通过纤维芯子21的重量和摩擦力，作用在从绞缆轮115到接收盘120之间的一段较小的长度上的。
下面这个要求对顺利地结合芯子21和包皮组织42来说是十分重要的，即结合绞缆轮115上电缆20每一圈的直径，要大于继续卷绕的下一圈的直径。已经发现，若依次递增每圈的直径，将使作用在芯子21上的拉力也增加。在这种装置中增加作用在芯子21上的拉力。能使芯子在管子中靠向绞缆轮一侧，并因此使几何变形增加。电缆20经过若干个绞缆轮的动作(它们在至少两个连着排列的绞缆轮之间增大了直径)，也会使芯子短缺的情况有所加剧。这种情况象用泵打气一样是逐渐累积起来的。结合绞缆轮115的直径比所有顺次排列的绞缆轮的直径都大，也比后面接着进行卷绕的电缆20的卷绕圈(无论是在结合时还是在失去结合时)的直径要大。
结合绞缆轮115的直径相对大一些也是很重要的。如前所述，芯子21是围绕绞缆轮运动的。理想的定位线是沿电缆20的中心轴线。绞缆轮越大，电缆20的每一增量越逼近于直线。如果绞缆轮的直径无穷大，那么芯子每一增量的长度就与中心轴线上的增量相等。使所用绞缆轮115的直径相对大一些的另一个原因是，绞缆轮直径越小，要用于补偿芯子21短缺时所需要的力越大。芯子短缺是与绞缆轮直径无关的;然而，为了得到几何变形而用绞缆轮圆周长的百分比来表达这种短缺时，这个百分比就变得和绞缆轮直径有关了。因此，直径较小的绞缆轮其包皮组织42的伸长必然比直径较大的绞缆轮的来得大，由于几何变形随绞缆轮115直径的减小而增大的结果，为补偿几何变形而拉长包皮42所需要的拉力就要增加。在一个最佳实施例中所用的结合绞缆轮(其直径约为9英呎)能解决这些问题。
结合是暂时性的。当电缆20大体上不受拉力作用时，由于组合的包皮组织弹性恢复到原来的长度，所以芯子21和包皮组织42之间失去结合，而且它们二者的长度也基本相等。在最佳实施例中，当电缆20离开绞缆轮115并被送到接收盘120时，电缆20失去结合。作用在介于结合绞缆轮115和接收盘120之间这一段缆芯21上的拉力，基本上为0。位于接收盘之上的包皮组织42，一般来说受到的拉力相当小，它只够用来提供绕紧的包装，这对于发运和/或后处理工序来说是合适的。当电缆20已经被卷绕在接收盘120上之后，在绞缆轮115输出端上已随着包皮组织42推进过去足够的芯子21，这使得芯子与包皮组织之比达到预定值，而芯子和包皮组织是脱离结合的。
一般寻求的目标是在把电缆20装到工地上时，电缆包皮组织42和芯子21之间的长度差为零。撤掉(大体上)全部拉力，会引起包皮组织42发生一定量(这个量与电缆几何变形以及出料变形之和相等)的恢复，从而使芯子和包皮组织的长度基本相等。然而，如前所述，在最佳实施例中，包皮组织42的伸长量等于芯子变形的总量，除了几何变形之外它还包括一个预定的增量。因此，当包皮组织42发生弹性恢复时，芯子长度略为超过包皮长度，而且芯子也受到一点挤压载荷的作用。
本发明的电缆解决了现有电缆所碰到的一些问题。因为它有一个能封住单元体的公共管，所以它显得相当紧凑。因为纤维以及(在最佳实施例中)单元体没有绞合，所以其制造成本也较其它电缆便宜。而且，由于光纤维是装在一个电缆中的，所以也没有附加的损失。已经查明，本发明电缆的防水材料(其σC≤70巴)可使电缆名义附加损失小于约0.1dB/Km(分贝/千米)。而且，电缆的机械性能也十分优良。因为没有内加强构件，所以已经消除了加强构件损坏光纤维的可能性。
如前所述，本发明电缆不只限于有填充料的电缆。就空心电缆130(图8)而言，可在芯子133和塑料管134之间加入一种塑料芯绕材料132。电缆130至少包括一个，一般来说包括多个单元体136-136，每个单元体具有多根光纤维24-24，它们被一根绷扎带138紧扎在一起。与有填充料的电缆20一样，电缆130的光纤维24-24一般来说也具有无穷大的绞距长度，或者换句话说，它们不是有意识地绞合在一起的。然而，有些部分也可能呈波浪形分布。电缆130的其余部分的标号与图1中所用的标号相同。
虽然光纤维24-24不是绞合在一起的，但单元体136-136也可以具有摆动的绞距或绞合在一起(图9)。在这种配置中，单元体是由绷扎带紧紧地扎在一起的。
电缆例1按本发明制成的一种电缆，它装有两个单元体，每个单元体均具有12个信号模式，压平的包复金属的光纤维，光纤维的外径(按包复层测量)为0.0096英吋。单元体和光纤维均未绞合。单元体被挤上一层以聚氯乙烯(PVC)-聚乙烯醇缩乙烯醛(EVA)接枝共聚物为主的塑料，这层塑料所形成的管子的内径为0.017英吋，缆芯中用了表3中例A所列的防水材料。包皮组织为用钢加强的交叉帘布带(如图1所示)，其外径为0.41英吋，1310毫微米和1550毫微米电缆的名义附加微弯损失为0dB/Km。1310毫微米和1550毫微米电缆的最终电缆损失则分别为0.38dB/Km和0.24dB/Km。
电缆例2这种电缆的结构与例1电缆结构相同，但它的包皮是一个由铜质屏蔽物、不锈钢叠层以及聚乙烯组成的套管。这种包皮能防侵蚀和雷电。它在1310毫微米和1550毫微米时附加损失均为0dB/Km。测出的最终电缆损失在1310毫微米时为0.38dB/Km;在1550毫微米时为0.22dB/Km。
权利要求
1.一种光纤电缆，它由下列几部分组成多根光纤维，它们可基本上沿着电缆纵向轴线方向伸展；一根管子，它由塑料制成且能封住多根光纤维，多根光纤维的横截面积与管子内横截面积之比不超过某个预定值，管子基本上平行于电缆的纵向轴线；一个加强构件；以及一个套管，它由塑料制成且能封住上述管子。
2.按权利要求
1的电缆，其特征在于，每根光纤维都有一层包复层多根包复光纤维的横截面积与管子内横截面积之比不超过约0.5。
3.按权利要求
1的电缆，其特征在于，在多个单元体周围设置一根公共管，每个单元体由多根光纤维组成且由一根绷扎带缠绕，多个单元体被封在一种由塑料制成的相当柔韧的带状物中，这种带状物设置在单元体和管子之间。
4.按权利要求
3的电缆，其特征在于，单元体是绞合在一起的。
5.一种光纤电缆，它由以下几部分组成多个单元体，每个单元体均由多根光纤维组成，光纤维不是有意识地绞合在一起的，它们所形成的单元体可沿电缆伸展，单元体上缠绕绷扎带;一根管子，它由塑料制成且能封住多个单元体，多根光纤维的横截面积与管子内横截面积之比不超过某个预定值，管子基本上平行于电缆的纵向轴线。一种防水材料，它被设置在管子内，它能在大体上把光纤维之间以及单元体和管子之间的空隙填满，防水材料具有一个临界屈服应力和一个切变模量，当防水材料受到某种预定应力作用时，它能允许单元体随芯子发生移动。一种加强构件;以及一个套管，它由塑料制成并能封住上述管子。
6.按权利要求
5的光纤电缆，其特征在于，防水材料的临界屈服应力在20℃时不大于约70巴，而切变模量在20℃时不小于约13千巴。
7.按权利要求
6的光纤电缆，其特征在于，每个单元体的绞距平行。
8.按权利要求
6的光纤电缆，其特征在于，每个单元体的绞距绞合。
9.按权利要求
6的光纤电缆，其特征在于，管子是公共管，它能封住多个单元体，仅由防水材料把单元体彼此分开，每根光纤维有一包复层，所说的面积比预定值为0.5，管子长度不大于各单元体内纤维的长度。
10.按权利要求
9的电缆，其特征在于，防水材料的成分包括a)77-96%(重量比)的油，它可由下列这组材料中选出ⅰ.石蜡油，它最小比重为约0.86，凝固点小于-4℃，型号为ASTM103，104A或104B型;ⅱ.环烷油，它最小比重约0.86，凝固点小于-4℃，型号为ASTM103，104A或104B型;ⅲ.聚丁烯油，最小比重约0.83，凝固点小于18℃;ⅳ.上面三种油的任何混合物;b)2-15%(重量比)的疏水锻制硅石胶体颗粒。
11.按权利要求
9的电缆，其特征在于，防水材料的成分包括a)77～95%(重量比)的油，它可由下列这组材料中选出ⅰ.石蜡油，最小比重约0.86，凝固点小于-4℃，为ASTM103，104A或104B型。ⅱ.环烷油，最小比重约0.86，凝固点小于-4℃，为ASTM103，104A或104B型;ⅲ.聚丁烯油，最小比重约0.83，凝固点小于18℃;ⅳ.以甘油三酸脂为主的植物油;ⅴ.聚丙烯油;ⅵ.氯化石蜡油，其含氯量约30～75%(重量比)，25℃时粘度为100～10，000厘泊;ⅶ.聚合酯类;b)2～15%(重量比)的胶体颗粒，可从疏水煅制硅石，亲水煅制硅石，淀积硅石，以及粘土和BET面积约为50～400米2/克的胶体颗粒中选出。
12.按权利要求
11的电缆，其特征在于，防水材料中还含有最多达15%(重量比)的泄漏阻止剂，它可从下列橡胶中选出苯乙烯橡胶;苯乙烯-橡胶-苯乙烯的嵌段共聚物，其中苯乙烯与橡胶之比约0.1～0.8;半液体橡胶，其Flory分子量在20，000～70，000之间;丁基橡胶;乙丙橡胶;乙烯-丙烯二烯共聚物橡胶;氯丁橡胶，其穆尼(Mooney)粘度在100℃时约为20～90;解聚橡胶，其粘度在38℃时为40，000～400，000厘泊;防水材料中油、胶体颗粒和泄漏阻止剂的含量至少为99%(重量比)。
13.按权利要求
12的电缆，其特征在于，防水材料成分中合约90～95%(重量比)油、约2-10%(重量比)胶体颗粒。
14.一种制造光纤电缆的方法，它包括以下步骤组装多根光纤维(不进行有意识的绞合)以形成一个由单元体构成的芯子;把单元体沿进料路径往前送进装上包皮(它能封住单元体)，此步骤包括以下步骤把单元体封装在一个由塑料制成的管子中，管子分布在单元体周围，且与电缆纵向轴线基本上平行，光纤维横截面积与管子内横截面积之比不超过某个预定值;在管子周围设置加强系统;在加强构件的周围挤上一层塑料蒙皮。
15.按权利要求
14的方法，其特征在于，让多个单元体沿进料路径往前送进，并完成装外皮的工作，以便封住多个单元体。
16.按权利要求
15的方法，其特征在于，把多个单元体绞合起来。
17.按权利要求
15的方法，其特征在于，把多个单元体按摆动的绞距绞合在一起。
18.按权利要求
14的方法，其特征在于，在管子和单元体之间，以及在纤维之间的空隙中加入防水材料，防水材料的临界屈服应力不超过约70巴(在20℃时)，切变模量小于约13千巴(在20℃时)，而且每根光纤维均具有一层包复层，它们的面积比预定值为0.5。
19.按权利要求
18的方法，其特征在于，防水材料的成分包括a)77～95%(重量比)的油，它可由下列这组材料中选出ⅰ.石蜡油，它最小比重为约0.86，凝固点小于-4℃，型号为ASTM103，104A或104B型;ⅱ.环烷油，它最小比重约0.86，凝固点小于-4℃，型号为ASTM103，104A或104B型;ⅲ.聚丁烯油，最小比重约0.83，凝固点小于18℃;ⅳ.上面三种油的混合物;b)2～15%(重量比)的疏水煅制硅石胶体颗粒。
20.按权利要求
18的方法，其特征在于，防水材料的成分包括a)77～95%(重量比)的油，它可由下列这组材料中选出ⅰ.石蜡油，最小比重约0.86，凝固点小于-4℃，为ASTM103，104A或104B型;ⅱ.环烷油，最小比重约0.86，凝固点小于-4℃，为ASTM103，104A或104B型;ⅲ.聚丁烯油，最小比重约0.83，凝固点小于18℃;ⅳ.以甘油三酸酯为主的植物油;ⅴ.聚丙烯油;ⅵ.氯化石蜡油，其含氯量为30～75%(重量比)，25℃时粘度在100～10，000厘泊之间;ⅶ.聚合酯类;ⅷ.任何由上列物质组成的混合物;b).2～15%(重量比)的胶体颗粒，可从疏水煅制硅石，亲水煅制硅石、淀积硅石。以及粘土和BFT面积约为50～400米2/克的胶体颗粒中选出。c)重量比不大于15%的泄漏阻止剂，可从下列橡胶中选出苯乙烯橡胶，苯乙烯-橡胶-苯乙烯的嵌段共聚物，其中苯乙烯与橡胶之比约0.1～0.8;半液体橡胶，其Flory分子量在20，000～70，000之间;丁基橡胶;乙烯-丙烯橡胶;乙烯-丙烯二烯共聚物橡胶;氯丁橡胶，其穆尼(Mooney)粘度在100℃时约为20～90，解聚橡胶，其粘度在38℃时为40，000～400，000厘泊;防水材料中上述组分a)、b)和c)的合量至少为混合物的99%(重量比)。
21.按权利要求
18的方法，其特征在于，把加强系统沿管子周围设置的步骤包括在管子上沿一个方向螺旋式地缠上(第一批)多根金属线;在第一批多根金属线上挤上一个塑料的中间套管;在中间套管上再沿相反方向缠上第二批多根金属线;在第二批多根金属线上再挤上一个塑料的外套管。
22.按权利要求
21的方法，其特征在于，以包皮组织(它能封住芯子)长度为准来控制光纤缆芯的长度，在这种情况下芯子和包皮组织之间能发生相对移动，且包皮组织所包含加强构件的弹性模量较高。
23.按权利要求
22的方法，其特征在于，控制芯子和包皮组织的长度比包括以下步骤通过给包皮组织施加拉力，沿进料路径的某个部分，以芯子为准把外皮组织拉长;通过把电缆绕绞缆轮转过几圈(此圈数是预先规定的)，把芯子结合到已经被拉长的包皮组织上，这样做可防止它们之间的相对运动，电缆绕在绞缆轮上的任一圈的直径，都比在此后再绕的后一圈直径要大，按此方法卷绕结合好电缆，而所说的结合步骤与拉长步骤相配合，便芯子有足够的附加长度(相对于包皮组织)被往前送进，结果是芯子和包皮组织的长度比，在拉力减小以及包皮组织允许发生弹性恢复而回到原来长度后，达到某个预定的数值。
24.按权利要求
23的方法，其特征在于，沿进料路径把包皮组织拉长，绞缆轮的转动速度要大到能让卷在轮上的电缆圈受到拉力的作用，此拉力是用来拉长包皮组织从而使芯子能相对于已拉长的包皮组织往前送进一段足够的附加长度，使得芯子的长度基本上等于包皮组织的长度。
专利摘要
一种光纤电缆有一个由多个单元体组成的芯子。单元体由多根光纤维构成，光纤维组装时未经有意识的绞合。多个单元体被封在一根公共管中，管内设置了防水材料以填充光纤维间和单元体间的空隙。防水材料的临界屈服应力不超过约70巴(20℃)，切变模量小于约13千巴(20℃)。公共管之外有非金属或金属加强构件、塑料内套管、另一层加强构件以及塑料外套管。光纤维能在电缆结构内移动而避免受到不适当的应力作用。
文档编号G02B6/44GK86105424SQ86105424
公开日1988年3月9日 申请日期1986年8月29日
发明者查理斯·亨利·加特希德, 安德鲁·约翰·帕鲁斯卡, 帕布胡布海·达亚海·帕塔尔 申请人:美国电话电报公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan