СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ НАПРЯЖЕНИЯ В ВИДЕ ПЕРВИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01M10/44 H02J7/10 

Изобретение относится к способу восстановления источников напряжения в виде первичных элементов посредством подачи на них электроэнергии, а также к устройству для осуществления этого способа.

Первичные элементы или первичные источники напряжения используются в различных аппаратах и устройствах в качестве источников электрического напряжения питания. Первичные источники напряжения такого рода, являющиеся в основном марганцевыми, щелочными, цинково-угольными и другими элементами, характеризуются тем, что спустя определенное время работы они вырабатывают на своих полюсах такое незначительное напряжение, что функционирование подсоединенного потребителя в соответствии с его назначением становится невозможным. Вместе с падением напряжения внутри таких первичных элементов происходят электрохимические изменения, связанные с изменением внутреннего сопротивления элемента, так что мощность элемента снижается одновременно с номинальным напряжением. Обычно первичный элемент имеет в первоначальном состоянии напряжение 1,5 В. Элемент такого рода рассматривается как израсходованный, когда напряжение падает примерно до 1...1,2 В.

Как правило, такой израсходованный элемент попадает на свалку, что в связи с химическим составом компонент подобного элемента опасно для окружающей среды. Хотя с некоторых пор такие израсходованные элементы стали собирать в особые ящики для мусора и проводить контролируемое использование их составных частей, однако чаще всего элемент рассматривается как израсходованный, когда нижняя граница напряжения достигает 1....1,2 В, хотя его составные части еще полностью работоспособны.

При этом следует учитывать, что изменяющееся в процессе работы напряжение элемента и вытекающее отсюда уменьшение его токоотдачи определяется только текущими внутри элемента в процессе его использования реакциями.

Делались попытки и предлагались различные способы для восстановления израсходованных в вышеуказанном смысле элементов, чтобы они могли выдавать определенную мощность еще в течение некоторого времени. Однако такие известные способы имеют тот недостаток, что не позволяют провести действительно эффективную регенерацию или делают это весьма неэффективным способом.

Известен способ для восстановления первичных элементов с использованием приблизительно прямоугольных импульсов тока, характеризующийся изменением параметров импульсов тока, прикладываемых к восстанавливаемому элементу, в частности, частоты следования импульсов тока, длительности импульсов и тока, причем указанные параметры устанавливаются автоматически в соответствии с состоянием регенерируемого элемента, а в интервале между импульсами протекает направленный остаточный ток (см. патент ГДР 38201). Из указанного источника также известно устройство для осуществления вышеописанного способа. Однако данные известные способ и устройство имеют тот недостаток, что не позволяют провести действительно эффективное восстановление источников напряжения в виде первичных элементов.

Задачей изобретения является разработка способа восстановления источников напряжения в виде первичных элементов и устройства для осуществления этого способа, которые позволили бы при восстановлении достичь мощностных характеристик на уровне соответствующих характеристик еще неиспользованного элемента, а также максимально упростить как способ, так и реализующее его устройство, для обеспечения возможности его широкого применения благодаря низкой себестоимости.

Указанный результат достигается тем, что в способе восстановления источников напряжения в виде первичных элементов посредством подачи на них электроэнергии, в соответствии с изобретением воздействуют на восстанавливаемый источник напряжения в течение заданного интервала времени периодическими импульсами напряжения заданной постоянной амплитуды и заданной постоянной длительности, причем упомянутые импульсы напряжения имеют короткое время нарастания.

Преимущество способа, соответствующего изобретению, состоит в том, что первичный элемент восстанавливается настолько, что по существу достигает той мощности, которая выдавалась неиспользованным неизрасходованным элементом. Предложенным способом можно многократно восстанавливать первичный источник напряжения, причем после каждого восстановления вновь достижима мощность, приближающаяся к первоначальной. Заявленным способом достигается то, что наряду с сохранением сырья решаются проблемы утилизации, и источник напряжения после многократного восстановления может считаться израсходованным только тогда, когда реально наблюдается его внутреннее невосстановимое разрушение.

Восстановительный эффект увеличивается использованием импульсов напряжения с коротким временем нарастания или спада, т.е. скачкообразных импульсов с длительностью импульса предпочтительно в пределах от 10^-3 до 2 • 10^-3 с, причем выбор заданного значения зависит от восстанавливаемого элемента и могут учитываться также другие параметры.

Импульсы напряжения подают с заданной частотой, предпочтительно выбираемой в интервале от 2 до 200 Гц.

Ток восстановления задают в интервале от 5 • 10^-2 до 15 A, предпочтительно постоянным, либо, как вариант, ток может устанавливаться в зависимости от внутреннего состояния восстанавливаемого источника напряжения при заданных импульсах напряжения с постоянной фиксированной амплитудой.

Указанный результат достигается также в устройстве для осуществления вышеописанного способа восстановления источников напряжения в виде первичных элементов, в соответствии с изобретением, содержащем источник постоянного напряжения для подачи сигнала постоянного напряжения на коммутатор, тактируемый тактовым генератором, и таймер для обеспечения прохождения процесса восстановления источника напряжения в течение предварительно определенного интервала времени, при этом выход коммутатора, выдающий последовательность импульсов напряжения с постоянной амплитудой, коротким временем нарастания и предварительно определенной постоянной длительностью, соединен с полюсом источника напряжения для его восстановления.

Преимуществом устройства, соответствующего изобретению, является простота выполнения с использованием дешевых комплектующих, незначительная себестоимость, возможность применения во многих областях техники. Как правило, подобное устройство получает требуемую для работы первичную энергию из имеющихся повсюду сетей напряжения, так что для адаптации по электроэнергии не потребуются никакие дорогостоящие схемотехнические мероприятия и можно обойтись обычными трансформаторами напряжения.

Коммутатор может содержать исполнительное устройство для выбора амплитуды импульса напряжения и предпочтительно содержит регулирующее устройство для регулировки тока восстановления, причем регулировочная характеристика регулирующего устройства может регулироваться внутренним сопротивлением источника напряжения, изменяющимся в зависимости от степени восстановления указанного источника напряжения. Возможно выбрать другую регулировочную характеристику, когда это необходимо или желательно в зависимости от типа восстанавливаемого источника и если необходимы особые характеристики процесса восстановления.

Интервал времени восстановления восстанавливаемого источника напряжения предпочтительно устанавливается посредством регулирующего этот интервал времени таймера, так что после окончания процесса восстановления регенерация заканчивается квазиавтоматически, т.е. первичный источник напряжения отсоединяется.

Изобретение поясняется ниже на примере осуществления, иллюстрируемом чертежами, на которых показано следующее:
фиг. 1 - блок-схема устройства для осуществления способа восстановления источников напряжения;
фиг. 2 - детальная принципиальная схема устройства по фиг. 1;
фиг. 3 - график изменения напряжения первичного источника напряжения в зависимости от времени при нагрузке 6 Ом, соответствующей току 250 мА, причем кривая A соответствует неиспользованному источнику напряжения, кривая B показывает изменение напряжения после первого восстановления, кривая C - изменение напряжения после второго восстановления;
фиг. 4 - вид сверху корпуса устройства для приема нескольких восстанавливаемых источников напряжения.

Фиг. 1 иллюстрирует блок-схему устройства 10 для осуществления способа восстановления источников напряжения. Низкоомный источник 23 может быть образован подходящей частью сети, которая со стороны входа может быть присоединена к произвольному подходящему и соответственно приспособленному источнику напряжения переменного тока сети. Источник 23 постоянного тока подает известным способом постоянное напряжение или постоянный по напряжению сигнал 13 на вход 17 коммутатора 14. На коммутатор воздействует непосредственно тактовый генератор 15, который обеспечивает преобразование сигнала 13 постоянного напряжения в последовательность импульсов 18 на выходе 16. Длительность импульсов может регулироваться исполнительным устройством 21, которое действует совместно с коммутатором 14. Длительность импульса полупериода последовательности импульсов 18 выбирается в пределах от 10^-3 до 2 • 10^-3 с.

Исполнительное устройство 21 может также содержать регулирующее устройство, с помощью которого регулируется ток восстановления, который может быть выбран в пределах от 5 • 10^-2 до 15 A.

Тактовый генератор 15 обеспечивает регулирование частоты следования последовательности импульсов 18 напряжения, которая может выбираться в пределах от 2 до 200 Гц.

Таймер 22 так соединен с выключателем 24, что выдаваемые на выход 16 коммутатора 14 импульсы напряжения могут быть приложены к полюсу 19 восстанавливаемого источника 11 напряжения. Другой полюс 20 восстанавливаемого источника 11 напряжения соединен известным способом с другим полюсом источника 23 постоянного напряжения. Таймер 22 может быть выполнен регулируемым так, что процесс восстановления, т.е. приложение к восстанавливаемому источнику 11 последовательности импульсов 18 напряжения может происходить в течение выбранного интервала времени. По достижении конца этого временного интервала электрический выключатель 24, который перед этим был закрыт нажатием соответствующей кнопки установки временного интервала, открывается, в результате чего автоматически происходит прерывание подачи последовательности импульсов 18 к восстанавливаемому источнику 11.

Следует отметить, что устройство 10 в принципе выполняется с возможностью постоянной регулировки тока восстановления в зависимости от внутреннего сопротивления восстанавливаемого источника 11, т.е. восстановление осуществляется постоянным током, однако при необходимости он регулируется самостоятельно по изменяющемуся внутреннему сопротивлению восстанавливаемого источника 11 в процессе восстановления.

На фиг. 2 показана принципиальная схема устройства по фиг. 1.

Подача напряжения на устройство производится через трансформатор 25, подключаемый к нормальной сети питающего напряжения. К одному полюсу вторичной обмотки трансформатора 25 подключены два конденсатора 26, а к другому - два диода 30, которые совместно образуют работающий известным образом выпрямитель - схему удвоения напряжения. Тем самым образуется низкоомный источник постоянного напряжения для питания последующих функциональных компонентов устройства 10.

Генерация и формирование импульсов с короткими фронтами, требующихся для усиления эффекта восстановления, осуществляются в тактовом генераторе 15. Он работает как асимметричный мультивибратор на транзисторах 27, 28, формирующий требуемые импульсы с частотой от 2 до 5 Гц. Они подаются через последующие схемы формирования импульсов на электронный коммутатор 14 и усиливаются. Затем эти импульсы напряжения подводятся к той части устройства, в которую могут быть введены восстанавливаемые элементы. Для защиты устройства 10 и размещенных в нем для восстановления элементов (источников 11 напряжения) схема устройства 10 может содержать так называемую автоматику отключения 29, которая ограничивает восстановительный процесс заданным временем, например, максимум 25 минут. При необходимости восстановительный процесс может быть возобновлен новым нажатием кнопки 31 включения времени на ранее установленный временной интервал.

Фиг. 3 показывает изменение выходного напряжения источника напряжения в зависимости от времени после разряда через нагрузку 6 Ом, соответствующую току около 250 мА. Спустя примерно 12 часов напряжение источника 11 падает с 1,5 до 1,2 В. Величина 250 мА соответствует в среднем току, необходимому лампе накаливания, используемой в карманном фонаре. Первый процесс разрядки источника 11 напряжения показан на фиг. 3 кривой А. Это соответствует неиспользованному новому источнику.

После однократного восстановления за время около 20 минут восстановленный с использованием способа и устройства согласно изобретению источник дает номинальное напряжение около 1,5 В. Последующее нагружение восстановленного источника 11 напряжения при сохранении вышеуказанных параметров показано кривой B, которая практически совпадает с первоначальной кривой A нагрузки. Еще один цикл восстановления с использованием способа и устройства согласно изобретению за время 20 минут вновь приводит к номинальному напряжению около 1,5 B, причем при тех же параметрах кривая C незначительно отличается от кривых A и B.

Опыты показали, что обычные первичные источники напряжения хорошего качества могут быть как минимум десятикратно восстановлены вышеописанным способом, без существенного падения мощности.

Способ, соответствующий изобретению, обеспечивает реверсирование протекающих в первичном источнике 11 химических и электрохимических реакций. Обычная электрохимическая реакция при подсоединенном потребителе электроэнергии такова, что на электродах появляются отложения, оказывающие изолирующее действие. Посредством способа и устройства, соответствующих изобретению, электроды освобождаются от изолирующих отложений, в результате чего достигается их первоначальная мощность и емкость.

На фиг. 4 показан корпус устройства 10 для приема нескольких восстанавливаемых источников 11 напряжения. Различные источники 11 могут вставляться в корпус и восстанавливаться по одному или одновременно.

Дополнительно следует отметить, что способ и устройство 10, соответствующие изобретению, подходят не только для восстановления первичных источников напряжения, но и для особо быстрой зарядки вторичных источников, т.е. различных типов аккумуляторов, не отказываясь от соответствующего изобретению способа восстановления или зарядки посредством импульсов напряжения в течение определенного времени и с предварительно определенными значениями длительности импульса, амплитуды и частоты. Соответствующие изобретению способ и устройство оказываются весьма эффективными и подходящими для зарядки вторичных источников.

Предлагаются способ и устройство для восстановления источников напряжения в виде первичных элементов посредством подачи электроэнергии в виде постоянного напряжения. При этом восстанавливаемый источник напряжения обрабатывается через определенный интервал времени периодически поступающими импульсами напряжения определенной амплитуды и длительности. Необходимый для этого сигнал постоянного напряжения формируется низкоомным источником постоянного напряжения. Посредством тактового генератора в тактируемом коммутаторе формируется последовательность импульсов напряжения, которая подается на один из полюсов восстанавливаемого источника напряжения. Техническим результатом является возможность восстановления первичных элементов до уровня мощностных характеристик ее неиспользованных элементов. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ восстановления источников напряжения в виде первичных элементов посредством подачи на них электроэнергии, отличающийся тем, что воздействуют на восстанавливаемый источник напряжения в течение заданного интервала времени периодическими импульсами напряжения заданной постоянной амплитуды и заданной постоянной длительности, причем упомянутые импульсы напряжения имеют короткое время нарастания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность импульса задают в пределах от 10^-3 до 2•10^-3 с. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что импульсы напряжения подают с частотой 2 - 200 Гц. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что ток восстановления задают в интервале 5•10^-2 - 15 А. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что ток восстановления регулируют в зависимости от внутреннего сопротивления восстанавливаемого источника напряжения. 6. Устройство для восстановления источников напряжения в виде первичных элементов для осуществления способа по любому из пп.1 - 5, содержащее источник постоянного напряжения (23) для подачи сигнала постоянного напряжения (13) на коммутатор (14), тактируемый тактовым генератором (15), и таймер (22) для обеспечения прохождения процесса восстановления источника напряжения в течение предварительно определенного интервала времени, при этом выход (16) коммутатора (14), выдающий последовательность импульсов напряжения (18) с постоянной амплитудой, коротким временем нарастания и предварительно определенной постоянной длительностью, соединен с полюсом (19) источника напряжения (11) для его восстановления. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что коммутатор (14) содержит регулирующее устройство для регулировки тока восстановления. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что регулировочная характеристика регулирующего устройства регулируется внутренним сопротивлением источника напряжения (11), изменяющимся в зависимости от степени восстановления указанного источника напряжения. 9. Устройство по любому из пп.6 - 8, отличающееся тем, что интервал времени восстановления восстанавливаемого источника напряжения (11) устанавливается посредством регулирующего этот интервал времени таймера (22).