ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК F42C11/00 H01M6/20 

Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии экзотермических композиций в электрическую энергию, в частности к высокотемпературным резервным источникам тока одноразового действия, работающим в режиме ожидания и предназначенным для автоматического питания бортовой аппаратуры, приборов и устройств (мостики накапливания, пироэнергодатчики, микродвигатели, реле и т.д.), используемых в системах автоматики и 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, т. к. генерирование электрического тока в названных устройствах становится возможным только после сгорания пиротехнического заряда пиронагревателя (ПН), что обеспечивает расплавление твердого электролита (соли или смесей солей), расположенного между анодом и катодом и нагрева обоих электродов до рабочей температуры. Время активации резервного источника уменьшено благодаря тому, что нагревательный элемент (ПН) помещен непосредственно в электрохимический элемент. Однако названное конструктивное и рецептурное решение устройства (Кукоз Ф.И. и др. Тепловые источники тока. Ростов-на-Дону, изд. Университета, 1989, с. 61-63) практически исключает возможность создания батарей из набора источников тока, а практическую значимость имеют только батареи (наборы источников тока) с напряжением 9.12 В и выше.

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

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является пиротехнический генератор электрического тока (ПГЭТ) (одноэлементный резервный источник тока), в котором оба электрода выполнены из прессованных пиротехнических составов с соотношением диаметра и высоты каждого электрода равным 2,0 2,5 [1] При этом анод выполнен из пиротехнического состава с избытком горючего, катод с избытком окислителя, а сепаратор выполнен из пористого диэлектрика, разделяющего анод и катод. Катод выполнен из смеси, содержащей фторид свинца, фторид лития и алюминия, и анод из смеси фторида свинца, магния и фторида лития.

Основным недостатком прототипа является длительное время задержки от момента задействования до достижения максимального значения силы тока, обусловленное низкой скоростью горения пиротехнических электродов и инертностью пористого сепаратора, на заполнение которого электролитом для обеспечения ионной проводимости требуется значительное время (более 0, 5 с). Кроме того, прототип предназначен для работы в качестве одноэлементного источника тока.

Задачей изобретения является создание ПГЭТ с повышенными мощностью и быстродействием, т.е. с малым временем задержки от момента инициирования до достижения максимального значения силы тока и из которых можно набирать источники тока с заданным напряжением.

Поставленная задача достигается тем, что анод выполнен из пиротехнического состава с избытком горючего, катод из пиротехнического состава с избытком окислителя, при этом сепаратор, анод и катод содержат в качестве связующего асбест и выполнены с отношением их максимального размера к толщине от 20 до 130, при этом горючим в аноде и катоде взят цирконий, а сепаратор выполнен из фторида лития или фторида щелочноземельного металла или их смеси. Предлагаемый состав анода выполнен из смеси циркония, бария хромовокислого или оксида меди и асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.

Цирконий 37 83
Барий хромовокислый или оксид меди 15 51
Асбест 2 12,
катод из смеси циркония, оксида меди и асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.

Цирконий 3 28
Оксид меди 60 95
Асбест 2 12
а сепаратор из смеси асбеста с фторидом лития или фторидом щелочноземельного металла или их смеси при следующем соотношении компонентов мас.

Асбест 3 20
Фторид лития или фторид щелочноземельного металла или их смесь 80 97
при этом сепаратор может содержать до 60% по массе оксида циркония.

Основным отличием заявляемого устройства от прототипа является наличие размера анода, катода и сепаратора к их толщине. Новые рецептурные соотношения компонентов пиротехнических составов анода, катода и сепаратора позволяют достичь качественного улучшения основных характеристик ПГЭТ.

В предлогаемом устройстве асбест принимает активное участие в токообразующих процессах благодаря термохимическому воздействию продуктов сгорания анода и катода. Совместно с фторидами и двуокисью циркония обеспечивает ионную проводимость между электродами во время генерирования тока заявляемым устройством, устраняет вытекание жидких продуктов, исключает несанкционированные замыкания электродов и элементов.

Кроме того, асбест в совокупности с заявляемым составом обеспечивает возможность получения отношения максимального размера анода, катода и сепаратора к их толщине от 20 до 130 (формирование тонкослойных элементов любой геометрической формы при очень высокой чувствительности пиротехнических электродов к тепловому инициирующему импульсу. Все это позволяет увеличить мощность генератора в прежних габаритах, обеспечить их быстродействие. При содержании асбеста менее 2% не обеспечивает прочность электродов и требуемая интенсивность протекания токообразующих процессов. При введении более 12% асбеста недопустимо уменьшается скорость горения и калорийности, снижающие характеристики ПГЭТ.

Цирконий является горючим и активным материалом анода и катода. Оксид меди и бария хромовокислый выполняют функции окислителя, фторид лития, магния, бария, стронция, кальция или их смеси при сгорании пиротехнических электродов совместно с продуктами первичного горения обеспечивают ионную проводимость между конденсированными остатками (шлаками) анода и катода.

При соотношении максимальных размеров анода, катода и сепаратора к их толщине менее 20 растет высота элементов, снижаются выходные параметры из-за роста внутреннего сопротивления. При соотношении более 130 ПГЭТ становятся нетехнологичными, снижается стабильность характеристик.

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

На чертеже представлен предлагаемый ПГЭТ.

В ПГЭТ анод 1 и катод 3 выполнен в виде тонкослойных пластин из пиротехнического состава, разделены тонким сепаратором 2 той же формы и размещены между металлическими токоотводами: катодный токоотвод 4 и анодный токоотвод 5.

ПГЭТ работает следующим образом.

От инициирующего импульса одновременно загораются анод 1 и катод 3 и в этот же момент начинается перенос электронов по внешней цепи от горючего циркония в аноде 1 через анодный токоотвод 5 к катодному токоотводу 4 и окислителю (оксиду меди) в катоде 3. Движение заряженных частиц обусловлено электрохимическим окислением пространственно разделенных горючего (цирконий) в аноде 1 и электрохимическим восстановлением окислителя (оксида меди) в катоде 3 и контактом названных окислителя (оксида меди) в катоде 3 и контактом названных реагентов через слой ионопроводящего материала сепаратора 2.

Соотношение максимальных размеров и толщины анода, катода и сепаратора 20 130 при толщине пиротехнический состав обеспечивают быстродействие и мощность данного ПГЭТ и минимальное внутреннее сопротивление, что обеспечивает миниатюрность (минимальную высоту), стабильные и высокие характеристики.

Предложенный ПГЭТ позволяет обеспечить автономное питание, бортовой аппаратуры, приборов и устройств (мостики накаливания, пироэнергодатчики, микродвигатели, реле и т.д.), а также систем автоматики различного назначения (пожаротушение, сигнализация, оповещение, блокировка, т.п.). В составе датчиков может обеспечивать самостоятельное и дистанционное включение средств пожаротушения и оповещения при достижении заданной критической температуры в складских и производственных пожаро- и взрывоопасных помещениях.

Соотношение компонентов анода, катода и сепаратора по прототипу заявляемому решению приведены в табл. 1 3.

Опытные образцы предлагаемого ПГЭТ изготавливали, используя компоненты 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 фторид ТУ 6--01-3529-84, бария фторид 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 ГОСТ 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 материал с волокнами длиной 0,1 3 мм и диаметром 0,0010,1 мм.

Испытания модельных образцов предлагаемого ПГЭТ и ПГЭТ-прототипа по патенту РФ N 2018782 проводили, воспламеняя электроды накаленной нихромовой спиралью или импульсом от электровоспламенителя МБ-2Н, напряжение (силу тока на нагрузке 4 Ома) и длительность работы регистрировали с помощью осциллографа Н-115 при комнатной температуре. Результаты испытаний сведены в табл. 4. В табл. 4 приведены наиболее важные характеристики предлагаемого ПГЭТ на основе лучших составов анода (индексы 3 и 8), катода (индекс 3) и сепаратора (индекс 3 и 7) в сравнении с характеристиками ПГЭТ-прототипа и наиболее важные характеристики ПГЭТ. Из табл. 4 видно, что заявляемый ПГЭТ превосходит ПГЭТ по прототипу по всем приведенным характеристикам.

Системы из двух и более заявляемых ПГЭТ обеспечивает генерирование электрического тока через 0,05.0,01 с после подачи инициирующего импульса (все электроды воспламеняются, сгорают и обеспечивают генерирование электрического тока).

Максимальное значение ЭДС достигается за время, не превышающее 0,05.0.1 с, а тока 0,20±0,05 с от момента начала работы при общей длительности процесса не менее 6.12 с.

Изготовление анода, катода и сепаратора для предлагаемой конструкции ПГЭТ не требует разработки нового оборудования и переоснащения существенных производств. Используемые компоненты широко применяются в пиротехнике, технология формирования безопасна. При работе ПГЭТ не происходит выброса экологически вредных продуктов.

Предлагаемые ПГЭТ обеспечивают достижение неизвестного ранее комплекса характеристик ПГЭТ и систем на их основе и надежное функционирование (не менее 0,999 при доверительной вероятности 0,9). Кроме того, предлагаемый ПГЭТ имеет гарантийный срок не менее 5.10 лет при температуре хранения и эксплуатации ±50^oC.

Использование: пиротехнический генератор электрического тока относится к высокотемпературным резервным источникам тока одноразового действия и может использоваться в системах автоматики. Сущность: пиротехнический генератор электрического тока состоит из катода, анода и сепаратора, выполненных с отношением их максимального размера к толщине от 20 до 130, содержащих в качестве связующего асбест, анод и катод выполнены из пиротехнических составов с избытком окислителя - катод и избытком горючего - анод, в качестве горючего в аноде и катоде взят цирконий, а сепаратор выполнен из флотации лития или фторида щелочноземельного металла или их смеси. ПГЭТ миниатюрен и автономен в применении, имеет гарантийный срок 5 - 10 лет при температуре хранения и эксплуатации ±50^oC, стоек к транспортным и эксплуатационным перегрузкам. Изготовление ПГЭТ можно производить на принятом в пиротехнической отрасли стандартном оборудовании без существенного изменения технологических процессов. ПГЭТ может быть использован для работы в режиме ожидания для проведения в действие огнетушителей, систем блокировки, сигнализации, питания бортовой аппаратуры, низковольтных реле, микросхем, аварийного включения и выключения при несанкционированном превышении температурных режимов и т.д. в помещениях различного назначения, так как при работе ПГЭТ не происходит выделения экологически вредных продуктов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

1. Пиротехнический генератор электрического тока, состоящий из разделенных сепаратором анода и катода, выполненных из пиротехнических составов с избытком горючего анод и избытком окислителя катод, отличающийся тем, что анод, катод и сепаратор содержат в качестве связующего асбест и выполнены с отношением их максимального размера к толщине 20 130, в качестве горючего анод и катод содержат цирконий, а сепаратор выполнен из фторида лития или фторида щелочноземельного металла или их смеси. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что анод, катод и сепаратор выполнены при следующем соотношении компонентов, мас.

Анод:
цирконий 37 83
барий хромовокислый или оксид меди 15 51
асбест 2 12
Катод:
цирконий 3 28
оксид меди 60 95
асбест 2 12
Сепаратор:
асбест 3 20
фторид лития или щелочноземельного металла или их смесь 80 97
3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что сепаратор дополнительно содержит оксид циркония в количестве до 60 мас.