ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА АМПУЛЬНОГО ТИПА Российский патент 2001 года по МПК H01M6/14 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к химическим источникам тока, и может быть использовано для изготовления резервных химических источников тока с неводным электролитом.

Известен химический источник тока (ХИТ) с неводным электролитом (а.с. СССР N 934919, кл. МКИ H 01 M 6/14, публ. 07.06.82 г. БИ N 21, 09.06.82 г.), содержащий корпус, анод, катод, пористый сепаратор, крышку с изоляцией, токоотвод, выполненный из углеродсодержащего материала и находящийся в контакте с сепаратором.

В известном ХИТ обеспечена надежность работы за счет использования жидкого деполяризатора катода - тионилхлорида и поддержания контакта между расходуемым анодом и токоотводом, однако в устройстве не предусмотрены элементы, повышающие надежность срабатывания в момент задействования элемента.

Известен наиболее близкий к заявляемому по технической сущности и достигаемому техническому результату ХИТ ампульного типа, содержащий корпус, разрушающуюся ампулу, заполненную неводным электролитом, электродные блоки, в каждом из которых установлены литьевые аноды, углеродные катоды, разделенные между собой пористыми сепараторами, источник импульса давления, задействующий кинематическую массу, которая разрушает ампулу с электролитом в процессе активации элемента (патент ФРГ N 3718788, кл. МКИ H 01 M 6/38).

К недостаткам известного ХИТ относятся сравнительно высокая сложность, недостаточно высокая надежность срабатывания в момент задействования за счет появления в рабочей полости электродного блока остатков разрушенного материала ампул, что может привести к отказу в работе батареи.

Техническая задача, решаемая авторами изобретения, заключается в разработке простой конструкции многоампульного ХИТ, характеризующегося повышенной безопасностью и надежностью срабатывания.

Новый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого ХИТ ампульного типа, по сравнению с прототипом, заключается в повышении надежности срабатывания, безопасности, упрощении конструкции и обеспечении расчетных разрядных характеристик.

Дополнительный технический результат заключается в обеспечении возможности контроля состояния готовности ХИТ к работе, кроме того, дополнительный технический результат заключается в повышении надежности скорости срабатывания.

Указанные технический результат и техническая задача достигаются тем, что в известном ХИТ ампульного типа, содержащем корпус, размещенные в нем ампулу с неводным электролитом, электродные блоки, каждый из которых снабжен анодом из лития, углеродным катодом, разделенными между собой пористым сепаратором, согласно предлагаемому устройству дополнительно в корпусе установлено расчетное количество ампул с электролитом, соответствующее количеству электродных блоков, содержащих газ под давлением ниже атмосферного, с возможностью перемещения каждой из них в осевом направлении к электродному блоку, каждая ампула выполнена в виде сильфона из коррозионно-стойкого металла и составляет единый электрохимический элемент с соответствующим электродным блоком, на границе раздела между ними на подвижном основании ампулы герметично закреплена разрушающаяся мембрана с зазором относительно неподвижного основания электродного блока, в центре основания которого жестко закреплен элемент вскрытия ампулы, при этом все электрохимические элементы (ЭХЭ) ориентированы попарно-оппозитно относительно друг друга и параллельно продольной оси источника тока и источника импульса давления, размещенного в центре корпуса и пневматически связанного с сильфонами, в зазоре между каждым сильфоном и электродным блоком выполнен гофрированный элемент, охватывающий элемент вскрытия ампул по образующей электродного блока, которые соизмеримы между собой по высоте.

Кроме того, ХИТ снабжен дополнительно контрольным элементом для определения рабочего состояния, выполненным в виде пленочного проводника на диэлектрической подложке, который пневматически соединен с источником импульса давления, кроме того, гофрированный элемент выполнен с жесткостью, меньшей жесткости сильфона.

На чертеже изображен предлагаемый ХИТ многоампульного типа. Устройство содержит блок из восьми ЭХЭ, закрепленных в корпусе 6, закрытых с одной стороны защитным колпаком 2, с другой стороны - крышкой 3. В центре корпуса размещен источник импульса давления 7. Каждый ЭХЭ состоит из ампулы, выполненной в виде сильфона 5 и электродного блока 4. По центру перемещающейся крышки ампулы и электродного блока установлена мембрана.

Каждая ампула закреплена жестко по основанию 11. С источником 7 пневматически соединен контрольный элемент (не показан).

Все электролитные камеры электродных блоков направлены в сторону основания корпуса, где размещены полости пневматической связи с источником импульса давления.

Активация батареи происходит следующим образом,
Первоначально подают электрический импульс на электровоспламенитель источника давления, например газогенератора 7. В процессе срабатывания газогенератора выделяется газ, создающий в полости основания корпуса давление, под воздействием которого происходит сжатие сильфонов-ампул и гофрированных элементов 10. При этом сжатие гофрированных элементов с более низким коэффициентом упругости опережает сжатие ампул, за счет чего происходит перемещение верхнего основания последних с герметично закрепленными на них мембранами в направлении элементов вскрытия (пробойников), в связи с наличием жидкого электролита в сильфонах. Дальнейшее воздействие импульса давления вызывает вытеснение электролита в полость электродных блоков, и батарея приводится в рабочее состояние.

Наличие контрольного элемента, разрушающегося под воздействием импульса давления, позволяет установить состояние готовности батареи к работе. Это обеспечивается выполнением контрольного элемента (на чертеже не показан) в виде нанесенного на диэлектрическую подложку пленочного проводника.

В отличие от прототипа, где необходимы усложняющие эксплуатацию учет и контроль прочностных характеристик материала ампулы и кинетической системы, ее разрушающей, в предлагаемом устройстве надежность срабатывания обеспечена выбором материала сильфонов с достаточной пластичностью, соответствующей критической величине импульса давления газогенератора.

Раздельное выполнение каждого блока ЭХЭ позволяет упростить общую компоновку батареи, обеспечивает возможность независимого хранения ЭХЭ до сборки и оперативной сборки в необходимый момент эксплуатации.

В отличие от прототипа использование в предлагаемом ХИТ расчетного количества ампул, соответствующего количеству электродных блоков, позволяет исключить возможные пути короткого замыкания по электролиту при активации батареи, т. к. заливка каждого ЭХЭ происходит из отдельной ампулы, а также исключить необходимость использования сложной перепускной системы, содержащей подвижные элементы (поршни, клапаны и т.п.). Кроме того, попарно-оппозитное и соосно-симметричное размещение ЭХЭ, газогенератора, корпуса позволяет реализовать плотную компоновку, уменьшить габариты и упростить конструкцию ХИТ в целом. Обеспечению ускорения и надежности срабатывания батареи способствует дополнительное включение гофрирующего элемента с более низкими упругими характеристиками, чем сильфоны ампул, кроме того, ускорению срабатывания способствует низкое давление газа в электродных блоках, за счет чего повышается скорость заполнения электролитом рабочих полостей электродных блоков.

Обеспечение расчетных электрических характеристик в заявленном ХИТ достигнуто за счет использования известной электрохимической системы типа литий-тионилхлорид.

Возможность промышленной реализации предлагаемого ХИТ многоампульного типа подтверждается следующим примером конкретного выполнения устройства.

Пример 1.

Резервный ХИТ на основе литий-тионилхлорид электрохимической системы выполнен из двух оппозитно расположенных секций из четырех ЭХЭ, последовательно соединенных между собой, симметричных относительно центральной оси ХИТ.

В целом в составе ХИТ размещены восемь ЭХЭ, закрепленные в пресс-материале корпуса 6 батареи, закрытые с одной стороны защитным колпаком 2, а с другой - крышкой 3. В центре корпуса размещен газогенератор 7, каждый ЭХЭ состоит из герметично разделенных между собой электролитной камеры (ампулы) 5 и электродного блока 4. Электролитная камера (ампула) выполнена в виде сильфона. По центру крышки ампулы приварена никелевая мембрана. Ампулы выполнены из нержавеющей стали.

ЭХЭ установлены в закрепленных в пресс-материале корпуса втулках 8 с помощью гаек 9, при этом электролитные камеры направлены в сторону основания, в котором выполнены полости, обеспечивающие подачу газа от газогенератора к сильфонам.

Задействование батареи производят подачей электрического импульса на электровоспламенитель газогенератора, который выделяет порцию газа, создающего давление в полости основания корпуса. Под действием повышенного давления происходит сжатие гофрированных элементов и перемещение ампул с мембранами синхронно навстречу соответствующим пробойникам, в результате чего происходит разрыв мембран, подача электролита в полость электродных блоков. Батарея приводится в рабочее состояние. Время приведения в рабочее состояние не превышает 5 с. Увеличению скорости задействования способствует более быстрое поступление электролита под действием давления, создаваемого сильфонами в процессе их сжатия и выполнением разряжения в полости электродных блоков, что достигнуть закачиванием инертного газа под давлением 0,1 атм в полостях электродного блока. Экспериментальная проверка подтверждает достижение более высокой надежности по сравнению с прототипом.

Предложенный источник тока ампульного типа может быть использован в машиностроении, кораблестроении, приборостроении, в летательных аппаратах в качестве резервного элемента питания. Технический результат предложенного устройства заключается в повышении его надежности срабатывания, упрощении конструкции. Устройство содержит корпус с размещенными в нем электродными блоками и ампулами, заполненными неводным электролитом на основе тионилхлорида, гaзoгeнepaтopoм. Ампулы выполнены в виде сильфонов и образуют с электродными блоками индивидуальный электрохимический элемент. Электродные блоки заполнены инертным газом с давлением ниже атмосферного. На подвижной крышке ампулы герметично закреплена разрушающаяся мембрана. На неподвижных основаниях электродных блоков в зазоре, образованном основанием электродного блока и крышкой ампулы, жестко фиксированы элементы вскрытия ампул. Паз ограничен по наружному контуру гофрированным элементом, высота которого соизмерима с высотой пробойника. Гофрированный элемент выполнен с жесткостью меньшей жесткости сильфонов ампул. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Химический источник тока ампульного типа, содержащий корпус, размещенные в нем ампулу с неводным электролитом, электродные блоки, каждый из которых снабжен анодом из щелочного металла, углеродным катодом, разделенными между собой пористым сепаратором, отличающийся тем, что в корпусе дополнительно установлено расчетное количество ампул с электролитом, соответствующее количеству электродных блоков, содержащих газ под давлением ниже атмосферного, с возможностью перемещения каждой из них в осевом направлении к электродному блоку, каждая ампула выполнена в виде сильфона из коррозионностойкого металла и объединена с соответствующим электродным блоком в единый электрохимический элемент, на границе раздела ампулы и электродного блока герметично закреплена разрушающаяся мембрана с зазором относительно неподвижного основания электродного блока, в центре которого установлен элемент вскрытия ампулы, при этом все электрохимические элементы ориентированы попарно-оппозитно относительно друг друга и параллельно продольной оси источника тока и источника импульса давления, который размещен в центре корпуса и пневматически связан с сильфонами, в зазоре между каждым сильфоном и электродным блоком выполнен гофрированный элемент, который охватывает элемент вскрытия ампулы по образующей электродного блока, высота которого соизмерима с высотой элемента для вскрытия ампулы. 2. Химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит контрольный элемент для определения рабочего состояния, выполненный в виде пленочного проводника на диэлектрической подложке, который пневматически связан с источником импульса давления. 3. Химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что гофрированный элемент выполнен с жесткостью меньшей жесткости сильфонов ампул.