ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК C06B21/00 C06B33/00 H01M6/20 

Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии экзотермических композиций в электрическую, в частности к высокотемпературным резервным источникам тока одноразового действия, и предназначено для работы в режиме ожидания для кратковременного автономного питания бортовой аппаратуры, приборов и устройств (мостики накаливания, пироэнергодатчики, микроэлектродвигатели, реле и т.д.), используемых в системах автоматики объектов различного назначения (в том числе для включения систем пожаротушения, сигнализации, оповещения, блокировки и т.п.).

Известные по патентной и научно-технической литературе первичные резервные источники электрического тока с использованием пиротехнических зарядов (Багоцкий В.С. Скундин А.М. Химические источники тока М. Энергоиздат, 1981, с. 304 310; Кромптон Т. Первичные источники тока М. Мир, 1986, с 295, 328 и др.), сложны по устройству и имеют длительное время выхода на рабочий режим, так как генерирование электрического тока в названных устройствах становится возможным только после сгорания пиротехнического разряда пиронагревателя, что обеспечивает расплавление твердого электролита (соли или смеси солей), расположенного между анодом и катодом и нагрева обоих электродов до рабочей температуры.

Кроме того, наличие пиротехнических и электрохимических узлов предопределяет необходимость раздельного их изготовления для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности, соблюдения специальных требований технологических процессов, что усложняет процесс их изготовления, Кроме того, применение названных источников тока в системах с кратковременным или импульсным режимами питания экономически нецелесообразно.

Наиболее близким технически решением (прототипом) является пиротехнический генератор электрического тока тепловой химический источник тока (Кукоза Ф. И. Тепловые химические источники тока. Ростов-на-Дону изд. университета, 1989 г, с.61 63).

Пиротехнический генератор электрического тока (прототип) содержит корпус с установленными в нем анодом и коаксиально расположенным вокруг него электролитом, нагревательным элементом и катодом. Анод и катод имеют токовыводы. Время активации данного источника тока уменьшено благодаря тому, что нагревательный элемент (пиронагреватель) помещен непосредственно в электрохимический элемент.

Основным недостатком технического решения (прототипа) является достаточно длительное время задержки от момента воспламенения до достижения максимального значения силы тока, обусловленное инертностью (неспособностью к самостоятельному горению анода и катода), так как анод выполнен из металла (кальций, литий, магний или сплавы на их основе), а катод из соединений с высоким содержанием кислорода, например кальция хромовокислого, оксидом меди, молибдена и т.д.

Конструктивное и рецептурное решения устройства-прототипа практически исключают возможность создания из элементарных ячеек, а практическую значимость имеют только источники тока с напряжением 9 12В и выше, ЭДС и напряжение, генерируемые прототипом меньше 2В.

Задачей изобретения является создание пиротехнического генератора электрического тока с повышенной мощностью и быстродействием, т.е. с малым временем задержки от момента воспламенения до начала генерирования тока и позволяющего создавать батареи из элементарных ячеек.

Задача решается тем, что в известном устройстве-прототипе, включающем анод, катод и токовыводы, анод 1 выполнен из смеси циркония, бария хромовокислого, фторидов лития или щелочноземельного металла или их смеси, и волокнистого асбеста при следующем соотношении компонентов (мас.):
Цирконий 27 77
Барий хромовокислы 10 45
Фторид лития или щелочноземельного металла, или их смесь 3 25
Асбест 3 10,
а катод 2 выполнен из смеси циркония, оксида меди, фторида лития, или щелочноземельного металла, или их смеси и волокнистого асбеста при следующем соотношении компонентов (мас.):
Цирконий 15 40
Оксид меди 30 45
Фторид лития, или щелочноземельного металла, или их смесь 3 25
Асбест 3 16
при отношении диаметров анода и катода к их высоте равном 30 80, а анод и катод соединены между собой без зазора.

Основным отличием заявляемого устройства является наличие асбеста в электродах, применение тугоплавкого горючего (циркония с температурой плавления 1900^oC) и разлагающихся при плавлении окислителей (бария хромовокислого и окиси меди), новое соотношение компонентов и соединение анода и катода без зазора.

Асбест известен как связующее в малогазовых нагревательных составах (например, авт. св. СССР N 551000, МКИ H OI M 6/36, C 06 В 43/00).

В заявляемой конструкции асбест принимает активное участие в токообразующих процессах благодаря химико-термической активации поверхности волокон во фронте горения (заявляемое нестехиометрическое соотношение в электродах обеспечивает оптимальный режим термообработки). При этом происходит также перестройка кристаллической структуры асбеста и удаление примесей таким образом, что обеспечивается полное смачивание, впитывание а адсорбция жидких продуктов первичного горения с последующим выделением энергии сорбции, что сглаживает пик и увеличивает время тепловыделения и оптимизирует режим токообразующих процессов. Это способствует повышению мощности (увеличению силы тока и напряжения) из-за смягчения "тепловых ударов", исключению перегрева, вытекания жидкой фазы и т.п. приводящих к несанкционированным замыканиям электродов и элементарных ячеек в батарее.

Кроме того, асбест обеспечивает возможность получения отношения диаметра электродов к их высоте 30 80 и формирование тонкослойных зарядов-электродов с высокой чувствительностью к тепловому инициирующему импульсу, что позволяет увеличить мощность генератора в прежних габаритах, обеспечить их быстродействие. При содержании асбеста менее 3% не обеспечивается прочность зарядов и интенсивность протекания токообразующих процессов. При введении более 16% асбеста недопустимо уменьшаются скорость горения, чувствительность и калорийность, снижающие характеристики генератора тока.

Цирконий является горючим, обеспечивает минимальное время выхода на режим. Оксид меди и барий хромовокислый выполняют функции окислителя. Фториды лития, магния, бария, кальция, стронция или их смеси в произвольных сочетаниях при рабочей температуре совместно с продуктами первичного горения обеспечивают ионную проводимость конденсированных остатков анода и катода. Соединение анода и катода без зазора обеспечивает протекание окислительно-восстановительных процессов, начиная с момента воспламенения преимущественно по электрохимическому механизму, что повышает быстродействие устройства и обеспечивает возможность преобразования химической энергии анодной и катодной композиции в электрическую.

При соотношении диаметров анода и катода к высоте (толщине) менее 30, ЭДС и напряжение падают из-за роста внутреннего сопротивления. При соотношении более 80 изделия становятся нетехнологичными, процесс неустойчивым, что приводит к снижению характеристик.

Заявляемые рецептуры анода и катода обеспечивают возможность формирования тонкослойных пористых зарядов с высокой чувствительностью к инициирующему импульсу, что способствует их быстрому и полному сгоранию и протеканию электрохимических процессов между анодом и катодом. Следствием этого является быстродействие, высокие электрические характеристики, возможность создания многоэлементных батареек минимальной высоты. Кроме того, заявляемые конструкции и рецептуры электродов позволяют обеспечить их серийное изготовление на полуавтоматических линиях высокопроизводительным и безопасным методом шликерного литья (вакуумного осаждения взвеси компонентов).

Заявляемая конструкция пиротехнического генератора электрического тока представляет элементарную ячейку, на фиг.1 анод 1 и катод 2 в виде тонкослойных пиротехнических зарядов пластин, соединенных между собой без зазора между металлическими токоотводами 3 и 5 фиг. 2. Батарея генераторов представляет собой набор заявляемых устройств, соединенных между собой без зазора фиг. 2.

Пиротехнический генератор электрического тока работает следующим образом.

От воспламенительного импульса одновременно загораются контактирующие между собой анод 1 и катод 2 анодный и катодный заряды. Благодаря конструкции и рецептуре электродов уже в момент воспламенения зарядов начинается перенос электронов по внешней цепи от горючего (циркония) в аноде 1 через анодный токоотвод 5, нагрузку (сопротивление) 4, катодный токоотвод 3 к окислителю (оксиду меди) в катоде 2. Движение заряженных частиц обусловлено электрохимическим окислителем пространственно разделенных горючего (циркония) в аноде и электрохимическим восстановлением окислителя (оксида меди) в катоде и контактом названных реагентов с ионопроводящим электролитом, функции которого выполняют продукты сгорания контактирующих между собой анодного и катодного зарядов.

Незначительная толщина электродов (от 0,3 до 1,5мм) и отсутствие инертного материала между ними обеспечивает быстродействие заявляемого устройства и минимальные значения внутреннего сопротивления, что увеличивает ЭДС и напряжение.

Оптимальное соотношение компонентов в аноде и катоде определено на основании лабораторных и стендовых испытаний, которые показали высокую эффективность заявляемого объекта.

Проверку изобретения проводили на компонентах серийного производства: цирконий ТУ 48-4-234-84, барий хромовокислый ГОСТ 4211-68, оксид меди ГОСТ 16539-79, асбест ТУ 21-22-3-81, лития фторида ТУ 6-01-3529-84, бария фторида ТУ 6-09-01-261-85, стронция фторид ТУ 6-09-1434-77, кальция фторид ТУ 6-09-02-572-79, магния фторид ТУ 6-09-2674-77.

Характеристики компонентов контролировали по ОСТ В84-2072-83, асбест готовили по отраслевой методике (инструкция ЗРП-1171-89), цирконий, барий хромовокислый, оксид меди и фториды металлов в виде порошков с диаметром частиц менее 100 мкм, асбест волокнистый материал с длиной и диаметром волокон как патенте (СССР N 551000 кл. H OI M).

Соотношение компонентов в образцах заявляемых анода и катода и прототипа дано в табл. 1, 2.

Испытания заявляемого ПГЭТ и прототипа (Кукоза Ф.И. и др. Тепловые химические источники тока, Ростов-на-Дону, изд. университета, 1989 с.61-63). проводили, воспламеняя электроды накаленной нихромовой спиралью или импульсом электровоспламенителя МБ-2Н. Регистрировали ЭДС с помощью осциллографа Н-115, который обеспечивает сопротивление 105 кОм. Напряжение определяли на нагрузке, имеющей сопротивление 3,6 Ом также с помощью осциллографа Н-115 при комнатной температуре.

Результаты испытаний, приведенные в табл. 3, подтверждают высокую эффективность заявляемых ПГЭТ, которые превосходят эффективность прототипа по времени задержки (быстродействию) и мощности.

Прототип в виде батареи последовательно соединенных элементарных ячеек не работает, так как его конструкция не обеспечивают одновременности воспламенения сгорания и сгорания всего набора элементов, без чего невозможна работа источника тока.

Батареи из 2-х и более заявляемых устройств, соединенных между собой без зазора обеспечивают генерирование электрического тока через 0,05 0,1 с после инициирующего импульса (все анодные и катодные заряды-электроды воспламеняются, сгорают и обеспечивают генерирование электрического тока).

Максимальное значение параметра достигается за время, не превышающее 0,05 0,1с от момента начала работы при общей длительности процесса не менее 1 3с.

Изготовление анодного и катодного электропроводов для заявляемой конструкции ПГЭТ не требует разработки нового оборудования и переоснащения существующих производств. Используемые компоненты широко применяются в пиротехнике, технология формирования безопасна, при срабатывании не происходи выброса экологически вредных продуктов.

Неизвестный ранее комплекс характеристик пиротехнических генераторов и батарей на их основе, обеспечивающий надежное функционирование (не менее 0,999 при доверительной вероятности 0,9), обусловлен именно заявляемой конструкцией пиротехнических электродов, их размерами и взаимным расположением. Кроме того, конструкция заявляемого устройства обеспечивает гарантийный срок 5 10 лет при температуре хранения и эксплуатации ±50^oC.

Использование: автономное электрическое питание аппаратуры. Сущность изобретения: генератор содержит анод, выполненный из смеси, содержащей 27 - 77% циркония, 10 - 45% бария хромовокислого, 3 - 25% фторида лития или щелочноземельного металла, или их смеси, 3 - 10% асбеста, и катод, выполненный из смеси, содержащей 15 - 40% циркония, 30 - 75% оксида меди, 1 - 20% фторида лития или щелочноземельного металла, ил их смеси, 3 - 16% асбеста, при этом анод и катод соединены между собой без зазора, а отношение диаметров анода и катода к их высоте составляет 30 -80. 2 ил, 3 табл.

Пиротехнический генератор электрического тока, состоящий из анода, катода и токовыводов, отличающийся тем, что анод выполнен из смеси циркония, бария хромовокислого, фторидов лития или щелочноземельного металла, или их смеси и волокнистого асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.

Цирконий 27 77
Барий хромовокислый 10 45
Фторид лития или щелочноземельного металла или их смесь 3 25
Асбест 3 10
а катод выполнен из смеси циркония, оксида меди, фторида лития или щелочноземельного металла, или их смеси и волокнистого асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.

Цирконий 15 40
Оксид меди 30 75
Фторид лития или щелочно-земельного металла, или их смесь 1 20
Асбест 3 16
при этом отношение диаметров анода и катода к их высоте составляет 30 - 80, а анод и катод соединены между собой без зазора.