МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЙ УЗЕЛ СЕРНО-НАТРИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 1997 года по МПК H01M10/39 H01M2/08 

Изобретение относится к области производства металлокерамических узлов (МКУ) и может быть использовано при изготовлении герметичных, вакуум-плотных и термостойких МКУ для химических источников тока (прежде всего серно-натриевых аккумуляторов), узлов и приборов в электронной, радиотехнической, электротехнической и др. отраслях промышленности.

В настоящее время сформировалась конструкция МКУ для сернонатриевых аккумуляторов (СНА) цилиндрического типа, включающая в себя керамический изолятор с присоединенными к нему манжетами и припаянной колбой твердого электролита. Технология получения такого узла включает в себя неразъемное соединение металлических манжет с керамическим изолятором (выполненным в виде кольца или втулки), высокотемпературную пайку керамического изолятора с колбой, после чего через специальное отверстие производится заправка жидким натрием (так называемая схема аккумулятора с центральным анодом и "жидкой" заправкой) и герметизацию анодной полости. Надежность такого узла определяется, прежде всего, надежностью соединения "металл-керамика", которая в свою очередь зависит от уровня напряжений, возникающих в месте соединения из-за разности термических перемещений металла и керамики. При этом объем и масса МКУ должны быть минимальными, поскольку их увеличение существенно снижает удельные характеристики СНА.

Известна конструкция металлокерамического узла СНА цилиндрического типа, состоящего из керамического изолятора, выполненного из альфа-глинозема и металлической манжеты с кольцевыми гофрами, образованными в центральной части манжеты, и термодиффузионное соединение под нагрузкой кольца с плоской периферической поверхностью манжеты через промежуточную алюминиевую прокладку. Во время эксплуатации МКУ, при его термоциклических нагружениях, кольцевые гофры упруго деформируются и обеспечивают компенсацию взаимных термоперемещений кольца и манжеты [1]
Недостатком приведенной конструкции является высокий уровень локальных остаточных технологических напряжений, возникающих в плоском соединении между керамикой и металлом, из-за большого радиуса места крепления одной из манжет к керамическому кольцу, что может привести к пластической деформации гофров и разгерметизации узла при повышенных температурах и длительном ресурсе. На снижение эксплуатационной надежности МКУ также влияет рост интерметаллидов на границе "металл-алюминий", вызывающих охрупчивание соединения и увеличивающих вероятность его разгерметизации. Кроме того, использование алюминиевой прокладки снижает температуру эксплуатации МКУ, увеличивает время образования соединения и усложняет процесс изготовления изделия.

Известна также конструкция и способ, включающий сборку пакета из керамического кольца, выполненного из альфа-глинозема и двух кольцевых металлических манжет внешней и внутренней, выполненных из сплава на железной и никелевой основе, и их термокомпрессионную сварку к верхней (внешней) торцевой поверхности изоляционного керамического кольца. Для уменьшения уровня остаточных технологических напряжений в зоне сварки, ее располагают максимально близко к центру керамического кольца [2]
Недостатком этого способа является невозможность обеспечить минимальный радиус места крепления одной из манжет (катодной), что приводит к росту в ней остаточных напряжений. Кроме того, при наружном расположении анодной манжеты соединение "металл-керамика" работает на растяжение при возникновении внутреннего давления в анодной полости аккумулятора.

Наиболее близким к заявляемой конструкции по технической сущности - прототипом, является конструкция МКУ серно-натриевого аккумулятора, в котором манжеты крепятся к керамической втулке, имеющей специальные торцевые поверхности, расположенные напротив друг друга, а колба твердого электролита соединяется с нижней частью керамической втулки. Положение манжет строго определенное нижняя манжета соединяется с катодным корпусом, а верхняя с дополнительной анодной камерой. Для снижения осевых напряжений в керамической втулке используются керамические компенсаторные кольца [3]
Недостатком прототипа является высокий уровень радиальных напряжений в месте крепления катодной манжеты, который определяется диаметром зоны соединения манжеты с керамической втулкой. В данной конструкции диаметр зоны соединения зависит от диаметра колбы, которая крепится к нижней части втулки и диаметра отверстия, соединяющего колбу с анодной камерой. В целом, необходимость использования втулки (а не плоского кольца) для реализации конструкции прототипа и зависимость диаметра зоны крепления одной из манжет от диаметра колбы, не позволяют уменьшить напряжения за счет минимального диаметра зоны соединения, поскольку диаметр колбы твердого электролита менее 15-20 мм не обеспечивает приемлемых энергетических характеристик серно-натриевого аккумулятора.

Следует отметить, что на фиг.3 описания прототипа приведен ряд вариантов конструкции, на которых показана схема крепления манжет с использованием плоских втулок и компенсаторных колец, но схема не может быть практически реализована, поскольку катодная манжета (нижняя) имеет электрический контакт с анодной полостью, что лишено технического смысла.

На основании изложенного можно сделать вывод, что состояние уровня техники в области сернонатриевых аккумуляторов характеризуется увеличением габаритных размеров аккумуляторов и снижением эксплуатационной надежности и ресурса МКУ вследствие несовершенства конструкции и процессов их изготовления, обусловливающих высокий уровень напряжений, возникающих в месте соединения металлической манжеты с керамическим изолятором.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности и ресурса изготавливаемых МКУ при минимальных габаритах и трудоемкости изготовления.

Это достигается тем, что в МКУ сернонатриевого аккумулятора, включающем керамическое кольцо с заправочным отверстием диаметром D, две металлические манжеты, расположенные на торцевых поверхностях кольца напротив друг друга и соединенную с МКУ колбу твердого электролита, согласно изобретению, внутренний диаметр зоны соединения манжет с керамическим кольцом выполнен минимальным и его величина составляет 1,1-2,0 Д.

На чертеже изображено предложенное устройство.

Оно содержит керамическое кольцо 1, на верхнем торце которого размещена металлическая катодная манжета 2, выполненная в виде чашки с центральным отверстием и имеющая компенсационный гофр 4 на торцевой поверхности. Анодная манжета 3, выполненная в виде цилиндра с отбортовкой, крепится к керамическому кольцу 1 своей плоской частью с внутренней стороны кольца, напротив места крепления катодной манжеты 2.

Манжеты 2 и 3 крепятся к кольцу 1 в зоне центрального отверстия, через которое осуществляется заправка натрием. Величина отверстия определяется минимальным диаметром заправочного патрубка, через который может осуществляться прокачка жидкого натрия и не превышает 5-8 мм. Зона крепления 5 имеет минимальный радиус, который зависит от величины заправочного отверстия. В этом случае величина минимального диаметра зоны крепления не должна быть меньше 1,1 диаметра заправочного отверстия, так как в противном случае может произойти электрический пробой между манжетой и токосъемником, проходящим через заправочное отверстие. Если величина минимального диаметра крепления превышает 2 диаметра отверстия заправочного отверстия, то напряжения в месте соединения манжеты с керамическим изолятором существенно возрастают.

Над зоной крепления манжет могут быть установлены керамические компенсаторные кольца 6 и 7.

После проведения процесса соединения манжет и кольца устанавливается колба твердого электролита 8, к катодной манжете 2 приваривается корпус 9, а анодная полость герметизируется приваркой к анодной манжете 3 токосъемника 10. Минимальный диаметр зоны крепления 5 манжет 2 и 3 составляет 8 мм, максимальный 16 мм, диаметр заправочного отверстия 5-8 мм, т.е. отношение внутреннего диаметра зоны соединения манжет с керамическим кольцом составляет 1,1-2,0 диаметра заправочного отверстия.

Пример конкретного выполнения.

Металлокерамический узел для сернонатриевого аккумулятора цилиндрического типа с центральным анодом изготавливается в соответствии с чертежом.

Изоляционное керамическое кольцо 1 имеет внешний диаметр 43 мм, диаметр внутреннего отверстия 7 мм, толщину 6 мм и изготавливается из керамики ВК-102. Манжеты 2 и 3 изготавливаются из стальной фольги ХН781 толщиной 0,2 мм. Соединение манжет с керамическим кольцом осуществляется с помощью термодиффузионной сварки. Минимальный диаметр зоны крепления манжет составляет 8 мм при максимальном диаметре зоны крепления 16 мм.

Дополнительно, для разгрузки узлов соединения, установлены керамические компенсационные кольца 6 и 7 толщиной 3 мм, изготовленные из керамики типа ВК-102. На катодной манжете 2 выполнены два компенсационных гофра 4. Уровень остаточных напряжений в такой конструкции не превышает 60 МПа, что обеспечивает более чем 4-х кратный запас прочности соединения.

В конструкциях, аналогичных описанной в прототипе при прочих равных условиях, уровень остаточных напряжений в керамике составляет не менее 140 МПа, а при использовании компенсационных колец 105-110 МПа.

В аварийных ситуациях, когда увеличивается давление внутри аккумулятора, обе манжеты в прототипе работают в условиях растягивающих напряжений и давление, которое они могут выдержать, не превышает 250 МПа. В предлагаемой конструкции анодная манжета работает на сжатие и давление увеличивается до 380 МПа.

Заявляемая конструкция обеспечивает в сравнении с прототипом повышенную эксплуатационную надежность и работоспособность МКУ из материалов с различными КЛР. Достигаемое при этом более чем 2-х кратное снижение остаточных технологических и рабочих напряжений позволяет использовать конструкцию при изготовлении МКУ для изделий, подвергающихся длительным термоциклическим нагрузкам, например, для высокотемпературных серно-натриевых элементов с рабочей температурой 350^oC. Предлагаемая конструкция может быть использована при серийном изготовлении высоконадежных МКУ на стандартном технологическом оборудовании, применяемом при диффузионной сварке и пайке.

Использование: производство высокотемпературных химических источников тока. Сущность изобретения: устройство содержит керамическое кольцо 1 с центральным отверстием, через которое осуществляется заправка натрием, анодную 3 и катодную 2 манжеты, которые крепятся к керамическому кольцу 1 в зоне отверстия диффузионной сваркой. Внутренний диаметр зоны крепления 5 манжет 2 и 3 составляет 1,1-2,0 диаметра заправочного отверстия. Катодная манжета 2 выполнена в виде чаши с центральным отверстием и имеет компенсационный гофр 4 на торцевой поверхности. Анодная манжета 3 выполнена в виде цилиндра с отбортовкой. Места крепления 5 манжет 2 и 3 расположены напротив друг друга и над местами крепления 5 установлены компенсационные кольца 6 и 7. Это повышает эксплуатационную надежность и ресурс источника тока. 1 ил.

Металлокерамический узел (МКУ) серно-натриевого аккумулятора, включающий керамическое кольцо с заправочным отверстием диаметром D, две металлические манжеты, расположенные на торцевых поверхностях кольца напротив друг друга, и соединенную с МКУ колбу твердого электролита, отличающийся тем, что внутренний диаметр зоны соединения манжет с керамическим кольцом выполнен минимальным и его величина составляет (1,1 2,0)D.