DE68923145T2

DE68923145T2 - Verbundisolator mit optischer Faser und Verfahren zu dessen Herstellung.

Info

Publication number: DE68923145T2
Application number: DE68923145T
Authority: DE
Inventors: Mitsuji Ikeda; Toshiyuki Mima; Masayuki Nozaki; Shoji Seike; Naoki Tani
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2009-10-14
Also published as: CA2000711A1; CA2000711C; EP0364288A2; KR900007002A; US5029969A; KR970004559B1; DE68923145D1; US5090793A; EP0364288B1; EP0364288A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundisolator mit optischer Faser, der hauptsächlich bei der Ausbildung eines Detektiersystems zum Detektieren von Fehlerpunkten in elektrischen Fernleitungsnetzen, Verteilungsnetzen, Umspannwerken und dergleichen verwendet wird.
Bisher bestand Bedarf für die Entwicklung eines Systems zum raschen Ermitteln und Reparieren von durch Blitzschlag oder auf andere Weise verursachten Fehlerpunkten in elektrischen Fernleitungsnetzen, Verteilungsnetzen, Umspannwerken und dergleichen. Es sind Detektiersysteme verwendet worden, die Photosensoren umfassen, die mit Pockels- und Faraday-Elementen zum Ermitteln einer außergewöhnlichen Spannung oder Stromstärke versehen sind.
Bei einem solchen Detektiersystem ist es erforderlich, den Photosensor durch einen Verbundisolator mit optischer Faser elektrisch von einem Fehlerpunkt-Detektor und einer Anzeige zu isolieren.
Daher muß der in den Detektiersystemen verwendete Verbundisolator mit optischer Faser nicht nur optische Signale wirksam von den Photosensoren durch zumindest eine optische Faser zu den Detektoren übertragen, sondern auch die für lange Lebensdauer erforderliche mechanische Festigkeit und elektrische Isolierfunktion beibehalten, die beinahe denen eines herkömmlichen Vollkörperisolators entsprechen.
Es sind verschiedene Verbundisolatoren mit optischer Faser bekannt. Beispielsweise offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 60-1 58402 eine Technik zum hermetischen Eindichten einer oder mehrerer durch ein Durchgangsloch in der Mitte eines hohlen Isolatorkörper hindurchgeführter optischer Fasern, indem ein organisches Dichtungsmaterial, wie Silikongummi bzw. -kautschuk, in den Freiraum zwischen der/den optischen Faser oder Fasern und der Innenfläche des Durchgangslochs in der Mitte eingefüllt wird, um dadurch die Abnahme der Oberflächenleckisolierdistanz zu verhindern, und offen bart auch eine Technik zum Eindichten der optischen Fasern durch vollständiges Ausfüllen des Freiraums im Durchgangsloch in der Mitte des hohlen Isolatorkörpers mit einem anorganischen Dichtungsmaterial, nachdem der ganze Isolator zuvor erwärmt worden war.
Weiters ist eine Technik zum hermetischen Eindichten der optischen Fasern durch teilweises Einfüllen eines organischen Isoliermaterials, wie Silikonkautschuk, nur in den axialen Zwischenabschnitt des Freiraums im in der Mitte liegenden Durchgangsloch und Eindichten der optischen Fasern innerhalb der verbleibenden Freiräume in den gegenüberliegenden Endabschnitten des Durchgangslochs durch geschmolzenes Glas bekannt.
Die EP-A-297728 ist nach Artikel 54(3) ein Teil des Standes der Technik. Dieses Dokument offenbart einen Isolatorkörper mit einem Durchgangsloch für eine optische Faser. Gemäß diesem Dokument ist es vorzuziehen, auf die Innenfläche am Loch keine Glasur aufzutragen.
Obwohl der herkömmliche Verbundisolator mit optischer Faser, der unter Verwendung des organischen Materials wie Silikonkautschuk als Dichtungsmaterial zum Beibehalten der notwendigen Luftdichtheit zwischen der optischen Faser und der Innenfläche des Durchgangslochs im hohlen Isolatorkörper leicht hergestellt werden kann, da eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur bei einem Eindichtungsverfahren für optische Fasern nach der Herstellung der Isolatorkörper nicht erforderlich ist, sind die Verbundisolatoren mit optischer Faser üblicherweise extremen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen ausgesetzt, sodaß die Oberflächentemperatur durch Absorbtion von Hitze durch die Sonne im Hochsommer auf etwa 60ºC angehoben wird und umgekehrt durch Strahlungsabkühlung im Winter auf etwa -20ºC gesenkt wird, und sind ständig mit elektrischer Leitung belastet, sodaß die Wetterbeständigkeit des Dichtungsmaterials zusehr beeinträchtigt ist, um die Verbundisolatoren mit optischer Faser wirksam in den Detektiersystemen zu verwenden, wenn die Dichtungsmaterialien nicht adäquat gewählt werden. Auch die Haftungsgrenzflächen zwischen dem Silikonkautschuk oder Glas und den optischen Fasern und zwischen der Innenfläche des Durchgangslochs des hohlen Isolatorkörpers und dem Silikonkautschuk oder Glas sollte die erforderliche Luftdichtheit beibehalten werden, auch wenn der Verbundisolator mit optischer Faser über lange Zeit schwankender Umgebungstemperatur, Feuchtigkeit und dergleichen ausgesetzt ist. Jedoch ist die Beziehung zwischen der Innenfläche des Durchgangslochs und den organischen oder anorganischen Dichtungsmaterialien für zufriedenstellendes Eindichten der optischen Faser unter einer solchen Bedingung nicht in Betracht gezogen worden.
Weiters haben die herkömmlichen Verbundisolatoren mit optischer Faser, die einen hohlen Isolatorkörper umfassen, eine geringere mechanische Festigkeit als die herkömmlichen Vollkörperisolatoren mit gleichem Außendurchmesser. Darüberhinaus umfaßt der Verbundisolator mit optischer Faser den hohlen Isolatorkörper, bei dem das Durchgangsloch in der Mitte mit einem gehärteten Material mit einem anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefüllt ist, und als Ergebnis wird die mechanische Festigkeit durch eine Restspannung weiter verringert.
Auch muß der Verbundisolator mit optischer Faser die gleiche mechanische Festigkeit aufweisen wie der herkömmliche Vollkörperstützisolator, da er mit dem herkömmlichen Vollkörperstützisolator, der üblicherweise bei Trennschaltungen verwendet wird, austauschbar sein muß. jedoch sind beim herkömmlichen Verbundisolator mit optischer Faser die Beziehung zwischen dem Innendurchmesser des Durchgangslochs und dem Außendurchmesser des Trommelabschnitts des hohlen Isolatorkörpers und die Wirkung des in das Durchgangsloch gefüllten Dichtungsmaterials auf die mechanische Festigkeit des Verbundisolators mit optischer Faser noch nicht geklärt worden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Probleme zu eliminieren. Die Erfindung kann einen Verbundisolator mit optischer Faser bereitstellen, der die gleiche elektrische Isolierfähigkeit aufweist wie der herkömmliche Vollkörperisolator mit gleicher geometrischer Konfiguration und gleichen Außenabmessungen, indem eine Beziehung zwischen einem Zustand der Innenfläche des Durchgangslochs und dem Dichtungsmaterial hergestellt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung einen Verbundisolator mit optischer Faser bereitstellen, der die gleiche mechanische Festigkeit wie der herkömmliche Vollkörperisolator mit gleicher geometrischer Konfiguration und gleichen Außenabmessungen aufweist, indem eine Beziehung zwischen dem Innendurchmesser "d" des Durchgangslochs und dem Außendurchmesser "D" des hohlen Isolatorkörpers hergestellt wird.
Mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die obengenannten Probleme und Nachteile ausgeschaltet werden und kann durch Verwendung organischer Dichtungsmaterialien ein Verbundisolator mit optischer Faser bereitgestellt werden, der hervorragende Luftdichtheit mit langer Lebensdauer aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Verbundisolators mit optischer Faser bereitgestellt werden.
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verbundisolator mit optischer Faser, der einen hohlen Isolatorkörper aus Keramik mit einem axialen Durchgangsloch und zumindest einer optischen Faser umfaßt, die sich durch das Durchgangsloch erstreckt und mit einem organischen Dichtungsmaterial hermetisch an der Innenfläche des Durchgangslochs eingedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der mit dem Dichtungsmaterial in Berührung stehenden Innenfläche des Durchgangslochs eine gebrannte Glasur befindet.
Aus den Ergebnissen der nachstehend beschriebenen Versuche ist zu entnehmen, daß, wenn die optische Faser unter Verwendung des organischen Dichtungsmaterials wie Silikonkautschuk oder dergleichen hermetisch mit der glasierten Oberfläche des Durchgangslochs im hohlen Isolatorkörper abgedichtet ist, die Verbundfestigkeit erhöht wird, wodurch hervorragende hermetische Abdichtung für lange Zeit beibehalten wird.
Aus obigem ist zu entnehmen, daß die Innenfläche des Durchgangslochs im hohlen Isolatorkörper auf das spezielle Dichtungsmaterial angepaßt sein sollte, um eine optimale Dichtungsbedingung für des spezielle Dichtungsmaterial bereitzustellen, um dadurch die hermetische Abdichtung des abgedichteten Abschnitts zu verbessern, was zu einem Fehlerdetektiersystem mit Verbundisolatoren mit optischer Faser mit hoher hermetischer Verläßlichkeit und hervorragender elektrischer Isoliereigenschaft für elektrische Fernleitungsnetze, Umspannwerke oder dergleichen führt.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis d/D zwischen dem Innendurchmesser "d" des Durchgangslochs des hohlen Isolatorkörpers und dem Außendurchmesser "D" des hohlen Isolators maximal 0,25. Die Ergebnisse von nachstehend beschriebenen Versuchen zeigen, daß auf diese Art die mechanische Festigkeit des Verbundisolators mit optischer Faser im wesentlichen auf die gleiche mechanische Festigkeit erhöht werden kann, wie sie der herkömmliche Vollkörperisolator mit gleicher geometrischer Konfiguration und gleichen Außenabmessungen aufweist.
Ein auf diese Art hergestellter Verbundisolator mit optischer Faser ist anstelle des herkömmlichen Vollkörperisolators einsetzbar, der für Trennschaltungen im Verteilungssystem verwendet wird, sodaß das Fehlerdetektiersystem leicht im bestehenden Verteilungssystem angeordnet werden kann.
Wenn das Verhältnis d/D 0,25 übersteigt, werden die mechanische Festigkeit und der kritische Wert der Wärmebeständigkeit des Verbundisolators mit optischer Faser geringer als beim herkömmlichen Vollkörperisolator mit gleicher geometrischer Konfiguration und gleichen Außenabmessungen.
Es ist vorzuziehen, daß der Innendurchmesser "d" des Durchgangslochs zumindest 3 mm ausmacht, damit die optische Faser oder Fasern hindurchgeführt werden kann/können und eine zufriedenstellende Luftdichtheit nach dem Eindichten beibehalten wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbundisolator mit optischer Faser bereitgestellt, der aus einem hohlen Keramik-Isolatorkörper mit einem axialen Durchgangsloch besteht, wobei sich zumindest eine optische Faser durch das Durchgangsloch erstreckt und hermetisch an der Innenfläche des Durchgangslochs eingedichtet ist, wobei die optische Faser eine Beschichtungsschicht an ihrer Oberfläche aufweist, die mit einem organischen Dichtungsmaterial hermetisch dicht mit der Innenfläche des Durchgangslochs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungsschicht der optischen Faser eine Schicht aus einem Harz mit einem Elastizitätsmodul von zumindest 100 MPa (10 kg/mm²) und einer Zugfestigkeit von zumindest 3 MPa (30 kg/cm²) ist.
Es ist vorzuziehen, daß das organische Dichtungsmaterial ein Silikonkautschuk ist, der die Materialeigenschaften besitzt, daß die Bruchdehnung zumindest 300% und die Zugfestigkeit zumindest 3 MPa (30 kg/cm²) beträgt.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundisolators mit optischer Faser, der die Schritte des Hindurchführens zumindest einer optischen Faser mit einer Oberflächenbeschichtungsschicht durch ein in einem hohlen Isolatorkörper aus Keramik gebildetes Durchgangsloch und des hermetischen Eindichtens der optischen Faser in das Durchgangsloch durch organisches Dichtungsmaterial umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungsschicht der im Durchgangsloch einzudichtenden optischen Faser ein Harz mit einem Elastizitätsmodul von zumindest 100 Mpa (10 kg/mm²) und einer Zugfestigkeit von zumindet 30 Mpa (300 kg/cm²) ist und die Beschichtungsschicht vor ihrem Eindichten im Durchgangsloch einer Behandlung mit einem Primer unterzogen wird.
Die spezielle Kombination aus dem Beschichtungsmaterial und organischen Dichtungsmaterial gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung macht es möglich, einen Verbundisolator mit optischer Faser des organisch eingedichteten Typs bereitzustellen, der hohe Beständigkeit gegenüber Umgebungsbelastung wie Temperaturänderung der Umgebung, in der der Verbundisolator verwendet wird, aufweist und auch die Eigenschaft hat, die Luftdichtheit für einen langen Zeitraum beizubehalten.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines hohlen Isolatorkörpers des Verbundisolators mit optischer Faser gemäß vorliegender Erfindung ist;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des Verbundisolators mit optischer Faser gemäß vorliegender Erfindung ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Teststücks ist; und
Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittansicht einer optischen Faser ist.
Die vorliegende Erfindung wird in der Folge detaillierter unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt.

Beispiel 1

Hier wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das organische Material als Dichtungsmaterial verwendet wird.
Es werden verschiedene Arten von hohlen Isolatorkörpern 1 aus Keramik hergestellt, die jeweils ein Mitteldurchgangsloch 2 wie in Fig. 1 gezeigt aufweisen. Das Material dieser hohlen Isolatorkörper ist das gleiche wie bei einem herkömmlichen Vollkörperisolator, der als Träger für eine Trenneinrichtung in Umspannwerken verwendet wird. Jeder hohle Isolatorkörper hat einen Außendurchmesser von 105 mm und eine Länge von 1000 mm. Drei Arten von hohlen Isolatorkörpern mit unterschiedlichem Mitteldurchgangsloch mit einem Innendurchmesser von 6, 8 und 10 mm wurden hergestellt. Das Mitteldurchgangsloch 2 ist an iedem der gegenüberliegenden Enden mit einer Öffnung mit einem um 10 mm größeren Innendurchmesser als das Durchgangsloch 2 und einem verjüngten Abschnitt 3 mit einem Winkel von 30º zur Achse versehen, um einen Innendruck abzuschwächen, der durch eine Schwankung der Umgebungstemperatur erzeugt wird.
Um Tests durchzuführen wurden zwei Arten von hohlen Keramik-Isolatorkörpern hergestellt. Einer weist eine unglasierte Innenfläche auf und der andere hat eine glasierte Innenfläche, auf welche die gleiche Glasur aufgetragen ist wie auf die Außenfläche des Isolatorkörpers (glasierte Oberfläche: Glasuren mit zwei Farben). Es sollte angemerkt werden, daß die Innenfläche des Mitteldurchgangslochs des hohlen Isolatorkörpers üblicherweise unglasiert ist, da es schwierig ist, die Glasur auf die Innenfläche aufzutragen.
Diese hohlen Isolatorkörper werden mit optischen Fasern versehen, die durch das Durchgangsloch der hohlen Isolatorkörper hindurchgeführt und mit einem Silikonkautschuk eingedichtet werden, um Verbundisolatoren mit optischer Faser herzustellen. So hergestellte Verbundisolatoren mit optischer Faser werden als Testproben verwendet. Die bei diesen Testproben verwendeten optischen Fasern wurden mit einem Primärüberzug und einer stoßdämpfenden Schicht beschichtet, wobei die luftdichte Eigenschaft der optischen Faser selbst und die Handhabungseigehschaft der optischen Faser beim Eindichtungsverfahren berücksichtigt wurden. Darüberhinaus wurde, um eine notwendige hermetische Verbindungseigenschaft der Oberfläche der stoßdämpfenden Schicht sicherzustellen, weiche die äußerste Schicht des beschichteten Abschnitts auf der optischen Faser ist, die Oberfläche der stoßdämpfenden Schicht unter Verwendung eines Silankopplungsmittels einer Behandlung mit einem Primer unterzogen.
Auch wurde unter verschiedenen Silikonkautschukarten vom Additionstyp, die bei hoher Temperatur aushärten, ein Silikonkautschuk mit hoher Zugfestigkeit und Bruchdehnung als Dichtungsmaterial ausgewählt. Die Eigenschaften der auf die optische Faser aufgetragenen stoßdämpfenden Schicht und des als Dichtungsmaterial verwendeten Silikonkautschuks werden in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 beschichteter Teil der optischen Faser Silikonkautschuk Zugfestigkeit (kg/cm²) Bruchdehnung (%) Härte Material (Shore-Härte D) Acrylharz der Epoxyserie Silikonkautschuk vom Additionsreaktionstyp
jede Testprobe hatte zwei optische Fasern, die durch das Durchgangsloch im hohlen Keramik-Isolatorkörper hinduchgeführt waren, und unter der Bedingung, daß jede optische Faser einer Spannung von kg unterworfen wurde, wurde Silikonkautschuk in den Freiraum zwischen den optischen Fasern und der Innenwand des Durchgangslochs gefüllt. Der Silikonkautschuk wurde 30 Minuten lang in einem Vakuum von maximal 1 Torr gerührt, um Blasen zu entfernen, und dann unter einem Druck von 5 kg/cm² in den Freiraum gefüllt. Wenn der Silikonkautschuk unter Druck eingefüllt wird, ist es vorzuziehen, an das Ende des Durchgangslochs gegenüber dem Einfüllende ein Vakuum anzulegen, um dadurch zu verhindern, daß Blasen in den Haftungsgrenzflächen zwischen dem Silikonkautschuk und den optischen Fasern und zwischen der Oberfläche des Durchgangslochs und dem Silikonkautschuk bleiben. Der Isolatorkörper wurde mit dem Silikonkautschuk gefüllt und 6 Stunden lang in einer thermostatischen Kammer mit 80ºC gehalten, um den Silikonkautschuk auszuhärten, um dadurch schlußendlich Verbundisolatoren mit optischer Faser als Testproben herzustellen.
Die so hergestellten Verbundisolatoren mit optischer Faser wurden nach Wärmezyklusbehandlung mit einem Test für die kritische Wärmebeständigkeit, Wärmeschocktest bzw. Test für die ausgehaltene Wechselspannung getestet.
Beim Wärmeschocktest wurden 10 Testproben hergestellt. Der Test wurde durchgeführt, indem ein Probe fünfmal nacheinander 30 Minuten lang in einen Behälter mit 90ºC heißem Wasser bzw. in einen Behälter mit 0ºC kaltem Wasser getaucht wurde. Die Rißbildung in den Testproben wurde nach dem Testen untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in Tabelle 2 mit dem Symbol ausgedrückt, wenn bei allen 10 Testproben kein Riß auftrat, und mit einem Symbol X, wenn bei den Testproben Risse auftraten.
Beim Test für die kritische Wärmebeständigkeit wurden 10 Proben hergestellt. Die Testproben wurden mit einer Geschwindigkeit von 30º C/h auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, anschließend 3 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten und dann das Erscheinungsbild der Testproben nach dem Abkühlen betrachtet. Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 2 mit einem Symbol bezeichnet, wenn in allen 10 Testproben kein Riß auftrat, einem Symbol Δ, wenn offenbar Risse auftraten, der Silikonkautschuk vorragte oder der optische Übertragungsfaktor bei 1/10 der Testproben variierte, und einem Symbol X, wenn eine solche beeinträchtigende Veränderung bei zumindest 2/10 der Testproben auftrat. Die obigen Tests wurden bei einer Temperatur von 80ºC in eihem ersten Schritt durchgeführt, und dann wurden unbeeinträchtigte Testproben der Reihe nach bei 90ºC 100ºC, 110ºC und 120ºC getestet. Beim Wärmezvklustest wurden 10 Testproben hergestellt und getestet, indem sie drei Stunden lang abwechselnd in ein thermostatisches Bad von 900 bzw. ein thermostatisches Bad von -20ºC eingetaucht wurden. Bei jedem der Wärmezyklen mit 500, 1000, 1500, 2000, 2500 und 3000 Zyklen wurde das Auftreten von Rissen beobachtet und Tests für die ausgehaltene Wechselspannung durchgeführt. Die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 2 mit einem Symbol ausgedrückt, wenn kein Fehler auftrat, einem Symbol Δ, wenn elektrischer Strom 1/10 der Testproben durchdrang, und einem Symbol X, wenn ein elektrischer Strom zumindest 2/10 der Testproben durchdrang. Tabelle 2 Test Nr. Durchgangsloch Wärmeschocktest Testarten Anmerkungen Durchmesser (mm) Glasur Test für die kritische Wärmebeständigkeit (ºC) Wärmezyklustest (Zyklus) keine vorliegende Erfindung Vergleichsbeispiel Anmerkung: Glasur A ist eine weiße Glasur und Glasur B ist eine braune Glasur, beide Glasuren werden üblicherweise bei herkömmlichen Festkörperhängeisolatoren verwendet.
Aus den Ergebnissen in Tabelle 2 geht hervor, daß die Testproben mit der glasierten oder unglasierten Innenfläche im Durchgangsloch gute Ergebnisse beim Wärmeschocktest aufweisen, aber unterschiedliche Ergebnisse beim Test für die kritische Wärmebeständigkeit und den Wärmezyklustest. Das heißt, beim Test für die kritische Wärmebeständigkeit weisen die Testproben aus dem Verbundisolator mit optischer Faser, an deren Innenfläche die Glasur A oder B aufgetragen ist, bis zu 120ºC unabhängig vom Innendurchmesser des Durchgangslochs kein Problem auf, aber die Testproben mit der unglasierten Innenfläche weisen mit steigendem Innendurchmesser des Durchgangslochs eine Abnahme der kritischen Wärmebeständigkeitstemperatur auf. Der Grund dafür ist, daß die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Silikonkautschuk und dem Keramikkörper des hohlen Isolatorkörpers groß ist, sodaß aufgrund der Ausdehnung des Silikonkautschuks zur Zeit des Tests für die kritische Wärmebeständigkeit ein Innendruck im Durchgangsloch des hohlen Isolatorkörpers erzeugt wird und als Ergebnis der hohle Isolator zerstört wird.
Aus den Ergebnissen des Wärmezyklustests ist auch zu entnehmen, daß die Testproben, bei denen die glasierte Innenfläche mit der Glasur A oder B bedeckt ist, bis zu 2500 Zyklen keine Rißbildung und keine Verringerung der ausgehaltenen Wechselspannung aufweisen, was zu guten Testergebnissen führt. Hingegen weisen die Testproben, bei denen die Durchgangslöcher unglasierte Innenflächen aufweisen, aufgrund der Abtrennung des anhaftenden Abschnitts bei 1500 - 2000 Zyklen eine Abnahme der ausgehaltenen Wechselspannung auf. Aufgrund der Ergebnisse einer Untersuchung, die an zersetzten Verbundisolatoren mit optischer Faser durchgeführt wurde, nachdem diese der gleichen Anzahl an Wärmezyklen unterworfen wurden, wie Proben, die beim Test für die ausgehaltene Wechselspannung zerstört wurden, ist festzustellen, daß es eine Trennung an der Verbindungsgrenzfläche zwischen der Innenfläche des Durchgangslochs und dem Silikonkautschuk gibt und die Trennung mit steigender Anzahl an Wärmezyklen fortschreitet.
Darüberhinaus wurden Verbindungsfestigkeitstests unter Verwendung von Teststücken durchgeführt, die einen Durchmesser von 40 mm und eine Höhe von 10 mm aufweisen und aus dem gleichen Keramikmaterial bestehen, wie es beim Verbundisolator mit optischer Faser verwendet wird. Die Oberflächen einiger Teststücke, die mit Silikonkautschuk zu verbinden waren, wurden glasiert (Glasurfarbe zweifärbig), und die Oberflächen der verbleibenden Teststücke, die mit Silikonkautschuk zu verbinden waren, blieben unglasiert. Die Teststücke wurden auf solche Art hergestellt, daß zwei Lagen Keramikmaterial nach dem Brennen und Verbinden durch Silikonkautschuk auf eine bestimmte Gestalt geschliffen wurden. Der Silikonkautschuk wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie beim Verfahren für den Verbundisolator mit optischer Faser, und wurde 1 Stunde lang bei 80ºC gehärtet. Beim Verbindungsfestigkeitstest wurden 20 von einer gehärteten Charge mit gleicher Zusammensetzung und gleichen Härtungsbedingungen stammende Teststücke hergestellt. Diese Teststücke wurden mit einer Geschwindigkeit von 25 mm/min mit einer Zugfestigkeitstestmaschine gedehnt. Die Verbindungsfestigkeit wurde berechnet, indem eine Bruchdehnungsbelastung des Silikonkautschuks im Verbindungsabschnitt durch eine Verbindungsabschnittsfläche dividiert wurde. Der Bruchmodus ist eine Trennung des Silikonkautschuks von der Oberfläche des Teststücks und ein Zugreißen des Silikonkautschuks selbst.
Eine Rate des Kohäsionsbruchs wird durch die Anzahl an Zugbrüchen des Silikonkautschuks für alle Teststücke in Prozent ausgedrückt. Die Ergebnisse des Tests werden in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Test Nr. Glasurbedingung Verbindungsfestigkeit (kg/cm²) Rate des Kohäsionsbruchs (%) keine
Anmerkung: Glasur A ist weiße Glasur und Glasur B ist braune Glasur. Beide werden zum Glasieren der Isolatoroberfläche verwendet.
Aus den in Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen des Verbindungsfestigkeitstests geht hervor, daß die Testproben mit glasierter Oberfläche eine hohe Verbindungsfestigkeit aufweisen und ein Bruchmodus ein Kohäsionsbruch ist, der von der Zugfestigkeit des Silikonkautschuks selbst abhängt, und daß weiters die Verbindungsgrenzfläche stark ist. Darüberhinaus sorgte die Verbindung der glasierten Oberfläche und des Silikonkautschuks für hohe Verbindungsfestigkeit und in hohem Maße hermetisches Eindichten.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde ein anorganisches Material verwendet.
Es wurden verschiedene Arten von hohlen Keramik-Isolatorkörpern 1 hergestellt, die jeweils ein Durchgangsloch 2 in der Mitte aufwiesen, wie in Fig. 1 gezeigt. Das Material dieser hohlen Isolatorkörper ist das gleiche wie bei einem herkömmlichen Vollkörperisolator, der als Trenneinrichtungsträger in Umspannwerken verwendet wird. Jeder hohle Isolatorkörper weist einen Außendurchmesser von 105 mm und eine Länge von 1000 mm auf. Das Durchgangsloch hat einen Innendurchmesser von 6 mm. Auch haben die beiden Enden des Durchgangslochs sich verjüngende Öffnungen mit einem Verjüngungswinkel von 50 und einer Länge von 50 mm in der Axialrichtung des hohlen Isolatorkörpers.
Die Innenfläche des Durchgangslochs ist eine glasierte Oberfläche, die unter Verwendung einer an der Außenfläche des herkömmlichen Vollkörperisolatorkörpers verwendeten weißen Glasur glasiert wurde, oder eine unglasierte Oberfläche. Alternativ dazu wird die Innenfläche des Durchgangslochs nach dem Brennen poliert.
Die optische Faser ist eine Faser aus Silikaglas mit einem Kerndurchmesser von 80 um und einem Plattierungsdurchmesser von 125 um. Die mit einem Primärüberzug und einer stoßdämpfenden Schicht beschichtete optische Faser wird unter Berücksichtigung der Luftdichtheit der optischen Faser selbst und der Handhabungseigenschaft verwendet. Um das hermetische Abdichten zwischen dem Dichtungsglas und der optischen Faser zu bewirken und das Schäumen des Dichtungsglases durch Verbrennung eines organischen Materials im beschichteten Abschnitt der optischen Faser bei hoher Temperatur des geschmolzenen Glases zu verhindern, wird der beschichtete Abschnitt mit einer Länge von 35 mm nach dem Eintauchen in Äthanol mit einem Umhüllungsabstreifer entfernt.
Ein Zylinder mit einer sich verjüngenden Außenfläche mit dem gleichen Verjüngungswinkel von 5º wie die Endöffnung des Durchgangslochs im hohlen Isolatorkörper und ein Durchgangsloch an dessen Boden zum Hindurchführen der optischen Faser oder Fasern bestand aus Koval. Die Außenfläche des Zylinders wurde mit einem Glas beschichtet und zuvor durch eine Säurebehandlung unter Verwendung einer FeCl&sub3;-Lösung gesäubert und entfettet. Auch eine Oxidationsbehandlung wurde durchgeführt, um die Benetzbarkeit mit Glas zu verbessern und Verbindungsreaktion mit dem geschmolzenen Glas vollständig durchzuführen. Die Oxidationsbehandlung wurde bei 800º C 20 Minuten lang in Luft durchgeführt. Der äußere Randabschnitt des Zylinders aus Koval wurde durch Aufsprühen mit Glas mit einer Dicke von etwa 1 mm beschichtet.
In der Folge wurde das abdeckende Glas auf dem Zylinder bei 80ºC 30 Minuten lang getrocknet und dann bei 320º C 1 Stunde lang in einem Elektroofen kalziniert. So wurde der mit Glas beschichtete Zylinder in den Öffnungsendabschnitt des Durchgangslochs im hohlen Isolatorkörper eingesetzt. Als Glas wurde ein Glas der Blei-Borat-Serie mit einem niedrigen Schmelzpunkt und einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet.
Weiters weist ein kalzinierter Glaskörper eine Länge von 35 mm und eine sich verjüngende Außenfläche mit gleichem Verjüngungswinkel und Durchmesser wie die Innenfläche des Zylinders auf. Der Glaskörper weist weiters ein Durchgangsloch zum Hindurchführen der optischen Faser auf. Der kalzinierte Glaskörper wurde innerhalb des Zylinders angeordnet, wobei das Durchgangsloch des Glaskörpers mit dem Durchgangsloch des Zylinders ausgerichtet wurde. Der kalzinierte Glaskörper wurde durch Formpressen eines Glases der Blei-Borat-Serie, dem eine kleine Menge an organischem Methylzellulose(MC)-Binder mit Konditionierungswasser zugesetzt war, und Formen des äußeren peripheren Abschnitts und des Durchgangslochs, darauffolgendem Erwärmen mit einer Rate von 50ºC/h und Halten bei 320º C für eine Stunde hergestellt.
Die optische Faser wird durch das Durchgangsloch des hohlen Isolatorkörpers und das Durchgangsloch im Koval-Zylinder und im kalzinierten Glaskörper geführt.
Dann wird der Isolator innerhalb einer Kupferspule mit sieben Windungen angeordnet, an die mit einem Hochfrequenz-leitenden Spannungsgenerator eine Hochfrequenzspannung angelegt wird. Der Zylinder aus Koval wird durch die Hochfrequenzspannung erwärmt. Hochfrequenzspannung und -strom wurden so eingestellt, daß der Zylinder auf 500ºC erwärmt wird.
In der Folge wird der Zylinder in etwa 20 Minuten nach dem Anlegen der Hochfrequenzspannung auf 500ºC erwärmt. Der Zylinder wird etwa 10 Minuten lang bei 500º C gehalten, und in der Zwischenzeit wird das obere Ende des Zylinders mit einer Belastung von 20 kg gepreßt, um den peripheren Abschnitt des Zylinders und die Endöffnung hermetisch abzudichten. In der Folge wird der Zylinder auf natürliche Art abgekühlt.
Weiters wird, um den beschichteten Abschnitt der Glasfaser zu schützen, der sich vom mit Glas eingedichteten Abschnitt an der Öffnung des Durchgangslochs im Isolator erstreckt, ein im Vakuum entgaster Silikonkautschuk gefüllt und bei 80ºC eine Stunde lang ausgehärtet. Das Herstellungsverfahren wird in der obengenannten Abfolge durchgeführt, sodaß, nachdem das Verfahren zum Eindichten und Verstärken des beschichteten Abschnitts an einem Ende des Isolators abgeschlossen ist, der Isolator umgedreht wird und dann das andere Ende eingedichtet und verstärkt wird. Schließlich werden mit Flansch versehene Kappen mit einem Kleber befestigt, um den Verbundisolator mit optischer Faser fertigzustellen. Die Materialien der hohlen Keramik- Isolatorkörper und das Eindichtungsglas, die in diesem Beispiel verwendet werden, sind in Tabelle 4 angeführt. Tabelle 4 Isolator Glas A Glas B Wärmeausdehungskoeffizient (x10&supmin;&sup7;/ºC) Schmelztemperatur (ºC) Hauptbestandteile
Die in diesem Beispiel hergestellten Verbundisolatoren mit optischer Faser werden mit dem Test für die kritische Wärmebeständigkeit, dem Wärmeschocktest und dem Test für die ausgehaltene Wechsel spannung nach dem Wärmezyklus auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 getestet. Es sei angemerkt, daß der Test für die kritische Wärmebeständigkeit mit 120ºC beginnt und in der Folge mit 130ºC, 140ºC und 150ºC an den unversehrten Testproben durchgeführt wird. Der Wärmezyklustest wird wird mit 2000, 3000 und 5000 Zyklen durcheführt. Die Ergebnisse des obigen Tests werden in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5 Test Nr. Oberfläche des Durchgangslochs Glasur Wärmeschocktest Testarten Anmerkungen Test der kritischen Wärmebestandigkeit (ºC) Wärmezyklustest (Zyklen) unglasierte Oberfläche geschliffene Oberfläche glasierte Oberfläche (weiße Glasur) vorliegende Erfindung Vergleichsbeispiel Anmerkung: weiße Glasur ist die gleiche wie beim herkömmlichen Feststoffhängeisolator verwendet
Die folgenden Punkte wurden aufgrund der in Tabelle 5 gezeigten Ergebnisse bestätigt. Was die Wärmeschocktests betrifft, gingen die unglasierte und geschliffene Innenfläche des Durchgangslochs nicht zu Bruch und lieferten gute Ergebnisse. Die glasierte Oberfläche hingegen zersprang an Abschnitten zwischen dem Glas und der Innenfläche des Durchgangslochs. Beim Test für die kritische Wärmebeständigkeit traten bei Verbundisolatoren mit optischer Faser mit unglasierter und geschliffener Innenfläche bis 150ºC keine Probleme auf, aber die Verbundisolatoren mit optischer Faser mit glasierter Innenfläche zersprangen bei 140ºC teilweise. Beim Wärmezyklustest konnten die Verbundisolatoren mit optischer Faser, die die unglasierte und geschliffene Innenfläche aufwiesen, bis zu 5000 Zyklen aushalten, sodaß sie gute Ergebnisse lieferten, aber die Verbundisolatoren mit optischer Faser, welche die glasierte Innenfläche aufweisen, konnten nicht mehr als 3000 Zyklen aushalten. Aufgrund eines Ergebnisses der Untersuchung von zerlegten Verbundisolatoren mit optischer Faser, die den gleichen Wärmezyklen unterworfen wurden, wie die bei geringer ausgehaltener Wechselspannung zerstörten Isolatoren, wurde herausgefunden, daß die eingedichteten Abschnitte zwischen dem Glas und der Innenfläche des Durchgangslochs Risse bekamen und Wasser in Hohlraumabschnitte am mittleren Abschnitt des Durchgangslochs eindrang.
Darüberhinaus wurde die Verbindungsfestigkeit unter Verwendung von Teststücken getestet. Teststücke mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Höhe von 10 mm bestanden aus dem gleichen Keramikmaterial, wie es für den Verbundisolator mit optischer Faser verwendet wurde. Es wurden die Arten von Teststücken mit unglasierten, geschliffenen bzw. glasierten inneren Verbindungsflächen hergestellt. Diese Teststücke wurden gebrannt und dann geschliffen, um Enden mit der vorbestimmten Gestalt bereitzustellen, und nach dem Auftragen eines Glases auf die Verbindungsfläche mittels eines Sprays wurden sie bei 350ºC eine Stunde lang kalziniert. Die Oberflächen der beiden Teststücke, auf die Glas aufgetragen war, wurden in engen Kontakt gebracht und bei 500ºC 1 Stunde lang gebrannt, um zwei Teststücke einstückig zu verbinden. Der Verbindungsfestigkeitstest wurde an 20 Teststücken für jede Art mit einer Rate von 0,5 mm/min unter Verwendung eines Zugfestigkeitstestgeräts durchgeführt. Die Verbindungsfestigkeit wurde berechnet, indem die Belastung, bei der die Verbindung brach, durch die Verbindungsfläche dividiert wurde. Die Kohäsionsbruchrate wurde durch die Bruchanzahl des Silikonkautschuks selbst in allen Teststücken ausgedrückt. Die Ergebnisse des obigen Tests werden in Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6 Test Nr. Porzellanoberfläche: Glas Verbindungsfestigkeit (kg/cm²) Kohäsionsbruchrate (%) unglasierte Oberfläche geschliffene Oberfläche glasierte Oberfläche Anmerkung: Das Glasieren der Oberfläche erfolgte mit weißer Glasur, die an der Oberfläche des Isolators verwendet wurde
Aus den in Tabelle 6 gezeigten Ergebnissen des Verbindungsfestigkeitstests geht hervor, daß die Teststücke mit der unglasierten Oberfläche oder der geschliffenen Oberfläche, die mit dem Glas verbunden ist, eine hohe Verbindungsfestigkeit und keinen Ausgangspunkt für Brechen in den Verbindungsflächen aufweisen, während der Ausgangspunkt für Brechen sich im Inneren des Glases befindet. Andererseits liegt der Ausgangspunkt für Brechen bei den Teststücken mit glasierter Oberfläche stets in der Verbindungsfläche sodaß die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Glas und der Glasur niedrig ist.

Beispiel 3

Es wurden verschiedene Arten von hohlen Keramik-Isolatorkörpern 1 mit einem Durchgangsloch 2, wie in Fig. 1 gezeigt, hergestellt. Das Material der hohlen Isolatorkörper war das gleiche, wie es für den Träger der Trenneinrichtung in Umspannwerken verwendet wird. Die vorbereiteten hohlen Isolatorkörper hatten einen Außendurchmesser "D" von 80-145 mm und ein Durchgangsloch mit einem Innendurchmesser "d" von 2-60 mm, wobei das Verhältnis zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser (d/D)x100 2,8-500% betrug. jedes der gegenüberliegenden Enden des Durchgangslochs weist einen sich verjüngenden Abschnitt 3 mit einem Verjüngungswinkel von 30º auf, mit einer Öffnung, die um 10 mm größer ist als das Durchgangsloch. Die sich verjüngenden Abschnitte 3 sind für den Zweck vorgesehen, einen Innendruck zu mildern, der durch eine Änderung der Umgebungstemperatur nach dem Härten des Silikonkautschuks erzeugt wird. Die Innenfläche des Durchgangslochs wurde unter Verwendung der gleichen Glasur glasiert, wie sie an der Außenfläche des hohlen Isolatorkörpers verwendet wurde.
Diese hohlen Isolatorkörper wurden mit optischen Fasern versehen, die durch das Durchgangsloch der hohlen Isolatorkörper hindurchgeführt und mit einem Silikonkautschuk eingedichtet wurden, um Verbundisolatoren mit optischer Faser herzustellen. Die so hergestellten Verbundisolatoren mit optischer Faser wurden als Testproben verwendet. Die bei diesen Testproben verwendeten optischen Fasern wurden mit einem Primärüberzug und einer stoßdämpfenden Schicht beschichtet, wobei die luftdichte Eigenschaft der optischen Faser selbst und die Handhabungseigenschaft der optischen Faser im Eindichtungsverfahren berücksichtigt wurden. Darüberhinaus wurde, um eine notwendige hermetische Verbindungseigenschaft der Oberfläche der stoßdämpfenden Schicht zu gewährleisten, die die äußerste Schicht des beschichteten Abschnitts an der optischen Faser ist, unter Verwendung eines Silankopplungsmittels eine Primerbehandlung auf die Oberfläche der stoßdämpfenden Schicht angewandt.
Auch wurde unter verschiedenen Silikonkautschukarten vom Additionstyp, die bei hoher Temperatur aushärten, ein Silikonkautschuk mit hoher Zugfestigkeit und Bruchdehnung als Dichtungsmaterial ausgewählt. Die Eigenschaften der auf die optische Faser aufgetragenen stoßdämpfenden Schicht und des als Dichtungsmaterial verwendeten Silikonkautschuks werden in Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7 beschichteter Abschnitt der optischen Faser Silikonkautschuk Zugfestigkeit (kg/cm²) Bruchdehnung (%) Härte Material (Shore-Härte D) Acryl harz der Epoxyserie Silikonkautschuk vom Additionsreaktionstyp
Jede Testprobe weist zwei optische Fasern auf, die durch das Durchgangsloch im hohlen Keramik-Isolatorkörper hindurchgeführt sind, und unter der Bedingung, daß jede optische Faser einer Zugbeiastung von 1 kg ausgesetzt war, wurde Silikonkautschuk in den Freiraum zwischen den optischen Fasern und der Innenwand des Durchgangslochs gefüllt. Der Silikonkautschuk wurde in einem Vakuum von maximal 1 Torr 30 Minuten lang gerührt, um Blasen zu entfernen, und dann unter einem Druck von 5 kg/cm² in den Freiraum gefüllt. Wenn der Silikonkautschuk unter Druck eingefüllt wird, ist es vorzuziehen, an das Ende des Durchgangslochs gegenüber dem Füllende ein Vakuum anzulegen, um dadurch zu verhindern, daß Blasen an den Haftgrenzflächen zwischen dem Silikonkautschuk und den optischen Fasern verbleiben. Das Durchgangsloch des Isolatorkörpers wurde mit dem Silikonkautschuk gefüllt, und dann wurden Testproben 6 Stunden lang in einem thermostatischen Bad mit 80ºC gehalten, um den Silikonkautschuk auszuhärten, um dadurch schlußendlich Verbundisolatoren mit optischer Faser als Testproben herzustellen.
Die so hergestellten Verbundisolatoren mit optischer Faser wurden mit dem Biegefestigkeitstest, dem Test für die kritische Wärmebeständigkeit und dem Luftdichtheitstest untersucht.
Beim Biegefestigkeitstest wurden 10 Testproben hergestellt. jede Testprobe wurde an einem Ende starr mit der mit Flansch versehenen Kappe befestigt, und das andere freie Ende wurde in eine Richtung senkrecht zur Längsachse des hohlen Isolatorkörpers belastet. Die Ergebnisse des Test werden durch einen Wert einer mittleren mechanischen Festigkeit von 10 Testproben relativ zu einer mittleren mechanischen Festigkeit eines Vollkörperisolators mit dem gleichen Außendurchmesser gleich 100 ausgedrückt.
Beim Test für die kritische Wärmebeständigkeit wurden 10 Testproben hergestellt. Diese Testproben wurden mit einer Rate von 30ºC/h auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt und in der Folge 3 Stunden lang auf der Temperatur gehalten, und dann wurde das Erscheinungsbild der Testproben nach dem Abkühlen betrachtet. Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 8 mit einem Symbol ausgedrückt, wenn in allen 10 Testproben keinerlei Risse auftraten, einem Symbol Δ, wenn offenbar Risse auftraten, der Silikonkautschuk vorragte oder der optische Übertragungsfaktor in 1/10 der Testproben variierte, und einem Symbol X, wenn eine solche negative Veränderung bei zumindest 2/10 der Testproben auftrat. Die obigen Tests begannen bei einer Temperatur von 90ºC, und dann wurden unversehrte Testproben der Reihe nach bei 100ºC, 110ºC und 20ºC getestet.
Beim Luftdichtheitstest wurden 10 Testproben hergestellt. Jede Testprobe wurde mit einer Wechselspannung belastet, die der äußeren Überschlagsspannung eines jeden isolators entsprach. Die Ergebnisse des Tests sind durch ein Symbol X ausgedrückt, wenn die Testprobe von einem Strom durchdrungen wird oder im Inneren der Testprobe nach dem Zerlegen bei 1/10 von 10 Testproben Kriechwegbildung festzustellen ist.
Die Ergebnisse der obigen Tests werden in Tabelle 8 gezeigt. Tabelle 8 Außendurchmesser des Trommelabschnitts D (mm) Innendurchmesser des Durchgangslochs d (mm) Biegefestigkeit (relativer Wert) Test für die kritische Wärmebeständigkeit (ºC) Ausmaß der Luftdichtheit nach dem Eindichten Anmerkungen vorliegende Erfindung Tabelle 8(b) Außendurchmesser des Trommelabschnitts D (mm) Innendurchmesser des Durchgangslochs d (mm) Biegefestigkeit (relativer Wert) Test für die kritische Wärmebeständigkeit (ºC) Ausmaß der Luftdichtheit nach dem Eindichten Anmerkungen
Aus den Ergebnissen in Tabelle 8 geht hervor, daß, wenn das Verhältnis (d/D)x100 zwischen dem Innendurchmesser (d) des Durchgangslochs und dem Außendurchmesser (D) des hohlen Isolatorkörpers maximal 25% beträgt, der Verbundisolator mit optischer Faser die gleiche Biegefestigkeit aufweist wie der herkömmliche Vollkörperisolator, sodaß der Verbundisolator mit optischer Faser mit dem herkömmlichen Vollkörperisolator in Hinblick auf die Festigkeit austauschbar ist.
Darüberhinaus geht aus den in Tabelle 8 gezeigten Ergebnissen des Tests für die kritische Wärmebeständigkeit hervor, daß, wenn das Verhältnis (d/D)x100 maximal 25% beträgt, der Wärmewiderstand des Verbundisolators mit optischer Faser sich bei einer Temperatur nicht über 120ºC nicht von jenem des herkömmlichen Vollkörperisolators unterscheidet. Wenn das Verhältnis (d/D)x 100 jedoch 25% übersteigt wird der Verbundisolator mit optischer Faser zerstört oder der Silikonkautschuk zerbricht.
Weiters wurde, wenn der Innendurchmesser "d" des Durchgangsloch kleiner als 3 mm war, der Verbundisolator mit optischer Faser mit gleicher geometrischer Konfiguration wie der herkömmliche Vollkörperisolator beim Test für die ausgehaltene Wechselspannung vom Strom durchdrungen. Aus Untersuchungen zerlegter Verbundisolatoren mit optischer Faser, die äußere Überschlagsspannung erfuhren, geht hervor, daß die beiden optischen Fasern einander oder die Innenfläche des Durchgangslochs berührten, sodaß die optischen Fasern durch den Silikonkautschuk nicht eingedichtet waren, was zu einer Verringerung der Luftdichtheit führte.
Es liegt auf der Hand, daß die obigen Nachteile aus einer großen Differenz im Wärmeausdehnungskoeftizienten resultieren, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Silikonkautschuks 30mal größer ist als jener des Keramikmaterials. Das heißt, wenn das Volumen des Silikonkautschuks größer ist als ein konstantes Volumen, wird durch die Wärmedehnung des Silikonkautschuks bei hoher Temperatur als Ergebnis ein Innendruck erzeugt, wobei der Verbundisolator mit optischer Faser zerstört oder der Silikonkautschuk zerbrochen wird.
Demgemäß ist aus obigem zu entnehmen, daß, wenn das Verhältnis (d/D) ein spezieller Wert, nämlich maximal 0,25 ist, und der Innendurchmesser "d" des Durchgangslochs größer als 3 mm ist, die inhärente mechanische Festigkeit des Isolators nicht beeinträchtigt wird und es mit der hermetischen Verbindungseigenschaft der optischen Faser kein Problem gibt.

Beispiel 4

Die Konstruktion des Verbundisolators mit optischer Faser gemäß vorliegendem Beispiel wird in Fig. 2 gezeigt. Auf Fig. 2 bezugnehmend umfaßt der Verbundisolator mit optischer Faser einen hohlen Isolatorkörper 1 und eine optische Faser 4. Durch den hohlen Isolatorkörper erstreckt sich ein Mitteldurchgangsloch 2. Das Mitteldurchgangsloch 2 ist an den gegenüberliegenden Enden jeweils mit einem verjüngten Abschnitt 3 versehen. Die optische Faser 4 wird durch das Durchgangsloch 2 geführt und mit einem Silikonkautschuk 6 eingedichtet, der in das Durchgangsloch 2 und die verjüngten Abschnitte 3 gefüllt wird. Der hohle Isolatorkörper 1 ist an den gegenüberliegenden Enden mit Flanschkappen 5 versehen, die jeweils zum vertikalen Aufeinanderstapeln einer Vielzahl der hohlen Isolatorkörper ausgebildet sind. Es wird eine optische Faser 4 hergestellt, die mit einem Harz mit vorbestimmten Eigenschaften beschichtet wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Auf die Oberfläche des beschichteten Abschnitts wird ein Silankopplungsmittel aufgetragen und eine Primer-Behandlung durchgeführt. Die optische Faser 4, die den so behandelten beschichteten Abschnitt aufweist, wird durch das Durchgangsloch 2 des hohlen Isolatorkörpers 1 geführt. Daraufhin wird ein flüssiger Silikonkautschuk mit den erforderlichen Materialeigenschaften über den verjüngten Abschnitt 3 in den Freiraum zwischen der optischen Faser und der Innenfläche des Durchgangslochs 2 gefüllt. Der Silikonkautschuk wird bei einer Temperatur von 60ºC oder darüber ausgehärtet, um dadurch unter Verwendung von Silikonkautschuk eine hermetische Abdichtung zwischen der optischen Faser und dem hohlen Isolatorkörper herzustellen.
Tests bezüglich der Eigenschaften von Harz als Beschichtungsmaterial zur Verwendung für den beschichteten Abschnitt auf der optischen Faser und bezüglich der Eigenschaften des Silikonkautschuks als Dichtungsmaterial werden durchgeführt.
Optische Fasern, bei denen der beschichtete Abschnitt aus einem Primärüberzug und einer stoßdämpfenden Schicht besteht, werden für den Test gewählt, wobei die Luftdichtheit der optischen Faser an sich und die Handhabungseigenschaft der optischen Faser beim Dichtungsverfahren in Betracht gezogen wird. Es wird die Art des Harzes gewählt, das den beschichteten Abschnitt der optischen Faser darstellt, wobei der Elastizitätsmodul und der Bruchdehnungspunkt usw. als Parameter genommen werden. Die Oberfläche des beschichteten Abschnitts der optischen Faser wird mit einem Primer beschichtet. Der Silikonkautschuk als Dichtungsmaterial zum Abdichten des beschichteten Abschnitts und der Isolatorkörper wird ausgewählt, wobei der Aushärtungsmechanismus, die Zugfestigkeit nach dem Aushärten, der Bruchdehnungspunkt und die Härte usw. als Parameter genommen werden.
Bei der Herstellung des Verbundisolators mit optischer Faser gemäß dieser Ausführungsform wurde eine Vielzahl von optischen Fasern durch ein Durchgangsloch in der Mitte des hohlen Isolatorkörpers auf solche Art hindurchgeführt, daß sie einander nicht berührten, und dann wurde ein flüssiger Silikonkautschuk in einen Freiraum zwischen den optischen Fasern und der Innenfläche des Durchgangslochs und zwischen den optischen Fasern untereinander eingefüllt. Der Aushärtungsmechanismus des Silikonkautschuks wird üblicherweise in Kondensationstyp und Additionstyp klassifiziert. Silikonkautschuk vom Kondensationstyp wird durch Kondensationsreaktionen vernetzt und ausgehärtet und es werden Nebenprodukte der Reaktionen gebildet. Silikonkautschuke vom Additionstyp werden durch Additionsreaktionen ungesättigter Gruppen und siloxanhältiges Si-H vernetzt und ausgehärtet.
Die Eigenschaften des beschichteten Abschnitts, der luftdicht an der Außenfläche der optischen Fasern haftet, werden in nachstehender Tabelle 9 gezeigt. Die Eigenschaften des zum Eindichten verwendeten Silikonkautschuks werden in der darauffolgenden Tabelle 10 gezeigt. Tabelle 9 Beschichteter Abschnitt der optischen Faser Elastizitätsmodul (kg/mm²) Zugfestigkeit (kg/cm²) Bruchdehnung (%) Härte (Shore) Anmerkungen Acrylat der Epoxyserie Acrylat der Urethanserie Acrylat der Silikonserie Anmerkung: die Messung des Elastizitätsmoduls und des Bruchdehnungspunktes wird nach der JIS K-7113 unter Verwendung von Dunbell Nr.2 durchgeführt. Die Härtemessung erfolgt gemäß der JIS K-7215, Shore-Härte A und D. Tabelle 10 Silikonkautschuk Aushärtung Viskosität (P/25ºC) Härte (JIS) Zugfestigkeit (kg/cm²) Bruchdehnungspunkt (%) Additionstyp Kondensationstyp Anmerkunq: Die Messung der Zugfestigkeit, des Bruchdehnungspunktes und der Härte wird nach der JIS K-6301 durchgeführt. Der Härtetest wird nach dem Federnhärtetest Typ A durchgeführt.
Durch Kombinieren dieser ausgewählten Materialien wurden 10 Testproben, die jeweils in einen hohlen Keramik-Isolatorkörper mit einer Länge von 200 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einem Außendurchmesser von 20 mm eingedichtete optische Fasern aufwiesen, für jedes Testniveau hergestellt und in Beeinträchtigungstests verwendet, worin die Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen in der natürlichen Umgebung beschleunigt wurden. Die geometrische Konfiguration und Materialbestandteile der Testproben werden in Fig. 3 gezeigt, und eine vergrößerte Querschnittansicht der optischen Faser wird in Fig. 4 gezeigt.
Bei den Beeinträchtigungstests wurde auf die Testproben für die in Tabelle 11 gezeigten Zyklen wiederholt ein Wärmeschock ausgeübt. Bei jedem Zyklus wurde die Testprobe jeweils 30 Minuten lang in einen Behälter mit 80ºC heißem Wasser und dann in einen Behälter mit nichtgefrierender Flüssigkeit mit -20ºC getaucht. Der Dichtungszustand der Testproben nach dem Wärmeschock wurde bewertet. Die Ergebnisse des Beeinträchtigungstests für die Kombinationen aus den ausgewählten Materialien werden in der nachstehenden Tabelle 11 gezeigt.
Die Bewertungskriterien in Tabelle 11 zur Gesamtbewertung der Kombinationen aus den ausgewählten Materialien sind Lichtdurchlässigkeitstest der optischen Fasern zur Bestätigung der Durchtrennung und Nicht-Durchtrennung der optischen Fasern, Verbindungseigenschaft der Grenzfläche zwischen dem Silikonkautschuk und dem beschichteten Abschnitt der optischen Fasern und Test für die ausgehaltene Wechselspannung, um das Haftvermögen der Grenzfläche zwischen dem Silikonkautschuk und dem hohlen Keramik-Isolatorkörper zu ermitteln.
Die Ergebnisse der Bewertung nach dem Wärmeschocktest werden mit einem Symbol ausgedrückt, wenn alle 10 Testproben eine gute Lichtdurchlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Spannung aufweisen, mit einem Symbol Δ, wenn 1/10 - 3/10 der 10 Testproben zerstört werden, sodaß die optische Faser lichtundurchlässig wird oder die Testprobe beim Test für das Aushalten von Spannung von Strom durchdrungen wird, und durch ein Symbol X, wenn 4/10 oder mehr der 10 Testproben aufgrund der Lichtundurchlässigkeit der optischen Fasern oder des Durchdringens des Stroms als zerstört bewertet werden. Tabelle 11(a) beschichteter Abschnitt der optischen Fasern Silikonkautschuk Ergebnisse der Bewertung nach dem Wärmeschocktest Zyklen Gesamtbewertung vorliegende Erfindung Tabelle 11(b) beschichteter Abschnitt der optischen Fasern Silikonkautschuk Ergebnisse der Bewertung nach dem Wärmeschocktest Zyklen Gesamtbewertung Bezugsbeispiel
Wie aus Tabelle 11 zu entnehmen ist, weisen alle Testproben, worin das Material A, B, C oder D mit einem großen Elastizitätsmodul und großer Zugfestigkeit als Material des beschichteten Abschnitts der optischen Faser mit dem Silikonkautschuk eingedichtet ist, zufriedenstellende Ergebnisse auf und halten die Wärmeschocks von 500 Zyklen gut aus.
Von den Testproben, worin das Material A, B, C oder D als Material des beschichteten Abschnitts der optischen Faser verwendet wird, weisen jene Testproben, die mit dem Silikonkautschuk f oder p vom Kondensationstyp im hohlen Keramik-Isolatorkörper eingedichtet sind, bei Wärmeschocks mit 1 500 Zyklen oder mehr eine Beeinträchtigung auf, obwohl sie Wärmeschocks mit 500 Zyklen aushalten. Die Form der Zerstörung ist eine Zerstörung der Isolierung an der Dichtungsgrenzfläche zwischen dem hohlen Keramik-Isolatorkörper und dem Silikonkautschuk.
Das wird auf unzureichende Festigkeit an der Dichtungsgrenzfläche zurückgeführt, verursacht durch die langsame Entwicklung des Aushärtens des Silikonkautschuks vom Kondensationstyp bis in sein Inneres und die Bildung instabiler Nebenprodukte im Inneren davon zu der Zeit, wenn der in den länglichen und engen Freiraum im Durchgangsloch des hohlen Keramik-Isolatorkörpers gefüllte Silikonkautschuk gehärtet wird.
Unterdessen weisen von den Testproben, worin das Material A, B, C oder D als Beschichtungsmaterial des beschichteten Abschnitts der optischen Faser verwendet wird, jene Testproben die durch Silikonkautschuk a, b c, p oder o vom Additionstyp in das Keramikrohr eingedichtet sind. eine teilweise oder vollständige Beinträchtigung bei Wärmeschocks mit 1 500 Zyklen oder mehr auf, obwohl sie keine Beeinträchtigung bei Wärmeschocks mit 500 Zyklen aufweisen.
Die Zerstörungsarten dieser Testproben bestehen in diesen Fällen meist im Abtrennen der optischen Faser oder Vorragen des Silikonkautschuks aus dem abgedichteten Endabschnitt.
Wen n man den Wärmeausdehn ungskoeffizienten des hohlen Keramik-Isolatorkörpers mit jenem des Silikonkautschuks vergleicht, ist letzterer um etwa 30mal größer als ersterer. Berücksichtigt man eine Restspannung, die zur Zeit des Eindichtens erzeugt wird, und eine Wärmespannung, die zur Zeit des Wärmeschocktests erzeugt wird, wird die Zerstörung der Dichtungsgrenzfläche des Silikonkautschuks am beschichteten Abschnitt der optischen Faser oder das Abtrennen der optischen Faser durch das Brechen des Silikonkautschuks aufgrund der Zugbelastung durch die Wärmedehnung des Silikonkautschuks bei erhöhter Temperatur verursacht.
Von den Testproben, worin das Material A, B, C oder D als Material des beschichteten Abschnitts der optischen Faser verwendet wird, behalten jene Testproben, die durch den Silikonkautschuk d, e, g, h, i, j, i k, l, m oder n vom Addtionstyp in den hohlen Keramik-Isolatorkörper eingedichtet sind, die ursprüngliche Lichtdurchlässigkeit oder luftdichte Abdichtung auch nach Wärmeschocks mit 4000 Zyklen bei.
Unterdessen weisen die Testproben, worin das Material E, F, G oder H mit einem niedrigen Elastizitätsmodul und geringer Zugfestigkeit als Material des beschichteten Abschnitts der optischen Faser verwendet wird, Beeinträchtigung eines Abschnitts oder der ganzen Testproben durch Wärmeschocks mit 500 Zyklen auf.
Es wird festgestellt, daß die Zerstörungsart der Testproben in diesen Fällen ein Riß oder Risse sind, die am beschichteten Abschnitt ihren Ausgang nehmen und am Silikonkautschuk enden, welche(r) Riß oder Risse Zerstörung der Isolation der Testproben verursacht/verursachen.
Diese Ergebnisse zeigen, daß die Verwendung der Materialien mit großem Elastizitätsmodul und großer Zugfestigkeit als Material des beschichteten Abschnitts der optischen Faser im Grunde vorzuziehen ist, insbesondere die Verwendung von Silikonkautschuk mit großer Zugfestigkeit und großer Bruchdehnung zum Abdichten der optischen Faser und des hohlen Keramik-Isolatorkörpers mehr vorzuziehen ist, weil Silikonkautschuk an sich hohe Elastizität und hohe Beständigkeit gegenüber Wärmedehung und Schrumpfung aufgrund von Temperaturänderung aufweist.

Beispiel 5

Als nächstes werden die Aushärtungsbedingungen des Silikonkautschuks untersucht. Die gleichen Testproben wie jene von Beispiel 4 werden zum Untersuchen der Aushärtungstemperatur und -zeit für den dichtenden Silikonkautschuk und die Beeinträchtigung der Testproben durch Wärmeschock verwendet. Die Verfahren für den Test und die Bewertung sind die gleichen wie in Beispiel 4. Die Ergebnisse des Beeinträchtigungstests werden in nachstehender Tabelle 12 gezeigt. Tabelle 12 Silikonkautschuk Beschichteter Abschitt der optischen Fasern Aushärtungsbedingung Ergebnis der Bewertung nach dem Wärmeschocktest Gesamtbewerkung Temperatur (ºC) Zyklen
Der Silikonkautschuk vom Additionstyp mit hoher Aushärtungstemperatur weist eine verkehrt proportionale Beziehung zwischen der Aushärtungstemperatur und der Aushärtungszeit auf, d. h. er härtet mit zunehmender Temperatur rascher.
In diesem Beispiel wird die Kombination aus Silikonkautschuk i und Material A des beschichteten Abschnitts der optischen Faser, die in Beispiel 4 hervorragende Ergebnisse ergab, indem die ursprünglichen Eigenschaften der optischen Faser auch nach dem Beeinträchtigungstest beibehalten wurden, verwendet, um die Aushärtungsbedingungen und die Beeinträchtigungen der optischen Fasern nach Wärmeschocks zu untersuchen. Als Ergebnis werden die Lichtdurchlässigkeit der optischen Faser nach dem Wärmeschock unter der gleichen Bedingung wie in Beispiel 4 und die Fähigkeit zum Aushalten von Spannung der Testproben als gut beurteilt, wenn die Aushärtungstemperatur zumindest 60ºC beträgt.
Üblicherweise erzeugt ein abgedichteter Körper mit Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur zur Zeit des Abdichtens und jener nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur eine Restspannung darin. In Anbetracht einer Wärmespannung über einen langen Zeitraum ist eine Abdichtungsbedingung mit kleiner Restspannung vorzuziehen. Von diesem Standpunkt aus wird ein Abdichten bei niedrigen Temperaturen als wünschenswert erachtet.
Nichtsdestoweniger weisen gemäß vorliegender Erfindung der Silikonkautschuk und der beschichtete Abschnitt der optischen Faser gegenüber dem Keramikrohr und der optischen Faser extrem hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, sodaß die Restspannung im Silikonkautschuk eher eine Zugbelastung wird.
Als Ergebnis einer Röntgenstrahlen-Fluoroskopie wurde herausgefunden, daß die Spannung durch die Bildung winziger unabhängiger Blasen im Silikonkautschuk gemildert wird, wenn die Aushärtungstemperatur hoch ist. Beim Aushärten mit hoher Temperatur erzeugte unabhängige Blasen werden beseitigt, um die Wärmedehnung des Silikonkautschuks zu absorbieren, wenn die Textprobe beim Beeinträchtigungstest hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
Unterdessen kommt es zu keiner unabhängigen Schaumbildung, wenn die Aushärtungstemperatur niedrig, wie etwa 40ºC, ist. Daher können Testproben, die keine unabhängigen Blasen aufweisen, Wärmedehnung des Silikonkautschuks bei erhöhten Temperaturen nicht absorbieren, sodaß das Abschälen des dichtenden Silikonkautschuks vom beschichteten Abschnitt der optischen Faser an der Dichtungsgrenzfläche wahrscheinlich ist.

Beispiel 6

Als nächstes wird die Wirkung der Primerbehandlung an der Oberfläche des beschichteten Abschnitts der optischen Faser untersucht.
Die Beeinträchtigung der optischen Fasern durch Wärmeschock wird untersucht, wobei eine Primerbehandlung des Auftragens eines Primers, wie eines Silankopplungsmittels usw. auf die Oberfläche des beschichteten Abschnitts der optischen Faser unter Verwendung der gleichen Materialien wie in Beispiel 4 durchgeführt wird oder nicht. Die Testverfahren und das Bewertungsverfahren sind die gleichen wie in Beispiel 4. Die Ergebnisse des Wärmeschocks werden in nachstehender Tabelle 13 gezeigt. Tabelle 13 Silikonkautschuk Beschichteter Abschitt der optischen Faser Prmerbehandlung Ergebnis der Bewertung nach dem Wärmeschocktest Gesamtbewerkung Zyklen durchgeführt keineIn diesem Beispiel werden die Kombinationen des Silikonkautschuks i mit dem Material A oder D des beschichteten Abschnitts der optischen Faser, die in Beispiel 4 hervorragende Ergebnisse ergaben, indem die ursprünglichen Eigenschaften der optischen Faser auch nach den Wärmeschocks beibehalten wurden, verwendet, um die Wirkung der Primerbehandlung des beschichteten Abschnitts der optischen Faser auf die Beeinträchtigung nach Wärmeschocks zu untersuchen.
Als Ergebnis trat zum Zeitpunkt des Tests für die ausgehaltene Spannung nach Wärmeschocks Zerstörung der Isolierung der optischen Faser verursacht durch Abschälen des abdichtenden Silikonkautschuks vom beschichteten Abschnitt der optischen Faser an der Dichtungsgrenzfläche auf, wenn der aus dem Material A oder D der optischen Faser bestehende beschichtete Abschnitt nicht mit dem Primer behandelt wird. So ist sichergestellt, daß die Primerbehandlung des beschichteten Abschnitts der optischen Faser vorzuziehen ist, um den Abdichtungszustand des Silikonkautschuks auf dem beschichteten Abschnitt der optischer Faser stabiler aufrecht zu erhalten.
Die Strukturen des Verbundisolators und die Anzahl der optischen Fasern können variiert werden, solange der gewünschte Plattierungsabschnitt und das Dichtungsmaterial verwendet werden.

Claims

1. Verbundisolator mit optischer Faser, umfassend einen hohlen Keramikisolatorkörper (1) mit einem axialen Durchgangsloch (2) und zumindest eine optische Faser (4), die sich durch das Durchgangsloch (2) erstreckt und mittels eines organischen Dichtungsmaterials (6) mit der Innenwand der Durchgangsbohrung hermetisch dicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenfläche der Durchgangsbohrung (2), die vom Dichtungsmaterial berührt wird, eine gebrannte Glasur vorgesehen ist.

2. Verbundisolator mit optischer Faser nach Anspruch 1, worin die Glasur dieselbe Glasur wie jene auf der Außenfläche des Isolatorkörpers (1) ist.

3. Verbundisolator mit optischer Faser nach Anspruch 1 oder 2, worin das Verhältnis d/D des Durchmessers d des Durchgangslochs (2) zum Außendurchmesser D des hohlen Isolatorkörpers (1) höchstens 0,25 beträgt.

4. Verbundisolator mit optischer Faser nach Anspruch 3, worin der Innendurchmesser des Durchgangslochs (2) zumindest 3 mm beträgt.

5. Verbundisolator mit optischer Faser, der aus einem hohlen Keramikisolatorkörper (1) mit einem axialen Durchgangsloch (2) und zumindest einer optischen Faser (4), die sich durch das Durchgangsloch erstreckt und hermetisch dicht mit der Innenfläche des Durchgangsloches verbunden ist, zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser eine Beschichtungsschicht (14) an ihrer Oberfläche aufweist, die mittels eines organischen Dichtungsmaterials (6) hermetisch dicht mit der Innenfläche des Durchgangsloches verbunden ist, wobei die Beschichtungsschicht der optischen Faser eine Schicht aus einem Harz ist, das einen Elastizitätsmodul von zumindest 100 MPa (10 kg/mm²) und eine Zugfestigkeit von zumindest 30 MPa (300 kg/cm²) aufweist.

6. Verbundisolator mit optischer Faser nach Anspruch 5, worin das organische Dichtungsmaterial (6) Silikongummi mit einer Bruchdehnung von zumindest 300% und einer Zugfestigkeit von zumindest 3 MPa (30 kg/cm²) ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Verbundisolators mit optischer Faser, umfassend die Schritte des Hindurchführens zumindest einer optischen Faser (4) durch ein in einem hohlen Keramikisolatorkörper (1) ausgebildetes Durchgangsloch und des hermetischen Eindichtens der optischen Faser im Durchgangsloch mittels eines organischen Dichtungsmaterials (6), dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser eine Oberflächenbeschichtungsschicht aufweist, die ein Harz ist, das einen Elastizitätsmodul von zumindest 100 MPA (10 kg/mm²) und eine Zugfestigkeit von zumindest 30 MPa (300 kg/cm²) aufweist und daß die Beschichtungsschicht einer Behandlung mit einem Primer vor ihrem Eindichten in das Durchgangsloch unterzogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin das organische Dichtungsmaterial ein Silikongummi ist, der bei einer Temperatur von nicht weniger als 60º gehärtet wird, um eine hermetische Abdichtung zwischen der optischen Faser und der Innenfläche des hohlen Isolatorkörpers zu ergeben.