ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА АМПУЛЬНОГО ТИПА Российский патент 2002 года по МПК H01M6/32 H01M6/34 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к химическим источникам тока резервного типа с неводным электролитом, и может быть использовано для изготовления химических источников тока ампульного типа.

Известен химический источник тока (ХИТ) ампульного типа, содержащий корпус, электродный блок с электродами и сепаратором между ними, ампулу с электролитом (заявка ФРГ 3718788, кл. МКИ Н 01 М 6/38, опубл. 12.10.87, БИ 50. ) Известный ХИТ содержит средство для разрушения ампулы с электролитом в виде кинетической массы. При срабатывании последней батарея переводится в рабочее состояние.

В известной конструкции не исключена возможность засорения рабочего объема электродных блоков продуктами разрушения материала ампулы, вследствие чего работоспособность и эффективность ХИТ недостаточно высока.

Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к заявляемому является устройство ХИТ ампульного типа (заявка Франции 2599895, кл. МКИ Н 01 М 6/38, опубл. 12.11.87), содержащий корпус, ампулу с электролитом на основе тионилхлорида, электродные блоки, каждый из которых содержит анод, выполненный из щелочного металла, углеродный катод на связующей основе, разделенные между собой сепаратором, средство для разрушения ампулы и источник давления для задействования средства разрушения ампулы.

К недостаткам прототипа относится сравнительно невысокая надежность задействования ХИТ за счет имеющей место возможности засорения рабочего объема продуктами разрушения материала ампулы, а также из-за недостаточной степени заполнения электролитом рабочего объема электродных блоков, что может привести к снижению разрядных характеристик ХИТ.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключалось в разработке эффективно задействуемой конструкции ХИТ ампульного типа с минимальной инерционностью активации, с гарантированной плотной заливкой электролитом всего рабочего объема ХИТ, с обеспечением требуемого уровня разрядных характеристик.

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого ХИТ ампульного типа, заключается в повышении надежности задействования за счет устранения возможности засорения каналов подвода электролита в электродные блоки продуктами разрушения ампулы, повышении технологичности сборки, снижении инерционности процесса активации и в улучшении разрядных характеристик.

Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в известном ХИТ ампульного типа, содержащем корпус, размещенные в нем ампулу с неводным электролитом на основе тионилхлорида, электродные блоки, каждый из которых снабжен анодом из щелочного металла, углеродным катодом, разделенными между собой пористым сепаратором, средством для вскрытия ампулы, источник импульса давления для задействования средства вскрытия ампулы, в соответствии с предлагаемым устройством ХИТ в корпусе дополнительно установлено расчетное количество ампул с электролитом, соответствующее количество электродных блоков, каждый из которых заполнен инертным газом под давлением ниже атмосферного, каждая ампула выполнена в виде сильфона с подвижным основанием с возможностью перемещения подвижного основания в осевом направлении к электродному и объединена в единый электрохимический элемент с соответствующим электродным блоком, на подвижном основании каждой ампулы, обращенном к неподвижному основанию электродного блока, которое выполнено перфорированным и установлено с зазором относительно ампулы, герметично закреплена разрушающаяся мембрана, в центре основания электродного блока жестко зафиксировано средство для вскрытия ампулы, выполненное в виде полого цилиндрического пробойника, по контуру режущей части которого сформированы зубья с заточенными режущими кромками, между зубьями выполнены сквозные прорези для перепуска электролита, в зазоре между сильфонами и электродными блоками установлен герметично гофрированный элемент, охватывающий полый цилиндрический пробойник по образующей, все электрохимические элементы ориентированы параллельно оси корпуса и источника импульса давления, который пневматически связан с сильфонами ампул.

Кроме того, электроды в электродном блоке выполнены в виде свернутых в рулон вдоль оси электродного блока твердых слоев анода, сепаратора и катода, которые последовательно совмещены по типу "сэндвичевых структур".

Дополнительный технический результат заключается в дополнительном улучшении технологичности сборки и повышении эффективности задействования ХИТ ампульного типа.

Кроме того, перфорация в неподвижном основании электродного блока выполнена с шагом, соизмеримым с диаметром отверстий перфорации, суммарная площадь которых составляет не менее половины рабочей площади неподвижного основания электродного блока.

Дополнительный технический результат заключается в дополнительном повышении надежности задействования за счет гарантированного заполнения рабочего объема электродного блока электролитом, поступающим из ампулы.

Кроме того, линия среза режущих кромок на зубьях полого цилиндрического пробойника наклонена под углом 10-45^o относительно плоскости мембраны.

Дополнительный технический результат заключается в повышении надежности задействования ХИТ за счет обеспечения санкционированного и гарантированного разрушения мембраны с минимизированной опасностью засорения рабочего объема электродного блока фрагментами разрушения мембраны.

Кроме того, зубья полого цилиндрического пробойника равномерно распределены по контуру режущей части и имеют угол заточки по режущим кромкам 10-20^o относительно продольной оси пробойника.

Дополнительный технический результат заключается в повышении надежности задействования ХИТ за счет обеспечения санкционированного и гарантированного разрушения мембраны с минимизированной опасностью засорения рабочего объема электродного блока фрагментами разрушения мембраны.

Сущность предлагаемой конструкции ХИТ амплитудного типа поясняется следующим образом.

На фиг. 1 изображен предлагаемый ХИТ амплитудного типа, содержащий блок из расчетного количества электрохимических элементов (ЭХЭ), закрепленных в корпусе 5, закрытых колпаком 3 и крышкой 7. ЭХЭ расположены параллельно главной оси корпуса, в центре которого также крепится источник импульса давления 6.

Каждый ЭХЭ состоит из электродного блока 1, ампулы 2, выполненной в виде сильфона, переходных гофрированных колец и разделительной мембраны (на фиг. 1 не показана), установленной по центру перемещающегося основания ампулы. Каждая ампула-сильфон пневматически соединена с источником импульса давления.

На фиг. 2 приведена система разрушения мембраны и перевода ЭХЭ в рабочее состояние. По центру неподвижного основания электродного блока жестко закреплен полый цилиндрический пробойник 9. Ампула с электролитом через переходные гофрированные кольца 10 закреплена на основании корпуса электродного блока и обращена мембраной 12 к пробойнику 9. Средство для вскрытия ампулы (полый цилиндрический пробойник 9) имеет профилированные зубья, режущие кромки которых подрезаны под углом 10-45^o относительно плоскости мембраны. В корпусе электродного установлено перфорированное основание 8, на котором закреплены свернутые в рулоны вдоль оси электродного блока электроды.

Активация источника происходит следующим образом.

Электрический импульс от внешнего источника подают первоначально на воспламенитель источника импульса давления 6. При срабатывании источника выделяется газ, что приводит к формированию импульса давления в полости основания корпуса. Под воздействием импульса давления происходит сжатие гофрированных элементов 10 и перемещение сильфонов ампул. В результате сжатия гофрированных элементов происходит перемещение подвижного основания 11 ампул с герметично закрепленными на них мембранами в осевом направлении к полым цилиндрическим пробойникам, установленным на неподвижных основаниях электродных блоков. При этом происходит разрушение мембран и вскрытие ампул с электролитом. Дальнейшее воздействие импульса давления вызывает сжатие сильфонов и вытеснение электролита в полость электродных блоков, и источник переводится в рабочее состояние.

В отличие от прототипа, где необходимо усложняющие эксплуатацию учет и контроль прочностных характеристик материала ампулы и кинетической системы ее разрушающей, в предлагаемом устройстве надежность срабатывания обеспечена экспериментально и теоретически обоснованной формой полого цилиндрического пробойника, на котором выполнены зубья с заточенными режущими кромками, подрезанными под углом 10-45^o относительно плоскости мембраны.

При выполнении зубьев с меньшим нижнего из заявляемого диапазона значений углов подреза вершины острия не обеспечивали санкционированного пробоя мембраны с образованием линии ее разреза, достаточной для отрыва ее от основания ампулы и ускоренного перепуска электролита в рабочий объем.

При выполнении зубьев полого цилиндрического пробойника с большими значениями углов подреза режущих кромок, чем заявляемый, в эксперименте наблюдался резкий прорыв мембран, сопровождающийся засорением основного канала перетока электролита.

Выполнение профиля режущей части полого цилиндрического пробойника предлагаемой формы обеспечивает надежное вскрытие мембраны с полноценным открытием канала и свободным перетеканием по нему электролита в электродный блок.

Выполнение сквозных прорезей между зубьями полого цилиндрического пробойника способствует ускоренному дополнительному поступлению электролита, а наличие перфорации ведет к снижению гидравлического сопротивления потоку электролита и как следствие, к снижению инертности процесса активации батареи.

Установка в предлагаемом ХИТ расчетного количества ампул, равного количеству электродных блоков, позволяет исключить возможные пути короткого замыкания по электролиту при активации батареи за счет обеспечения заливки каждого электродного блока из индивидуальной ампулы, что также повышает надежность работы батареи.

Установка электродных блоков и ампул, ориентированных соосно корпусу и источнику импульса давления ускоряет передачу импульса давления к ампулам и повышает скорость задействования батареи.

Ускорению срабатывания способствует низкое давление газа в электродных блоках, за счет чего повышается скорость заполнения электролитом рабочих полостей электродных блоков.

Выполнение электродов в виде свернутых в рулон вдоль оси электродного блока твердых слоев анода, сепаратора и катода, которые последовательно совмещены между собой по типу "сэндвичевых структур", обеспечивает повышение технологичности сборки электродного блока в совокупности с выполнением ампул и электродных блоков в виде единого ЭХЭ.

Использование в предлагаемом ХИТ известной электрохимической системы: щелочной металл - тионилхлорид в сочетании со средствами, повышающими скорость перетекания электролита и высокую степень гарантированного заполнения рабочего объема электродных блоков, а также использование системы электродов рулонного типа обеспечивает повышение эффективности работы и уровня разрядных характеристик батареи.

Возможность промышленной реализации предлагаемой конструкции ХИТ ампульного типа подтверждается следующим примером реализации.

Пример. ХИТ ампульного типа выполнен в виде нескольких образцов из 8-ми ЭХЭ, ориентированных соосно корпусу и источнику 6 импульса давления, размещенному в центре корпуса 5 (фиг. 1). Ампула выполнена из стали марки 12Х18Н10Т в виде сильфона. Гофрированный элемент выполнен из стали 12Х18Н10Т и в зазоре между ампулой и электродным блоком. По центру подвижного основания ампулы выполнена мембрана из никеля.

Все ампулы направлены основаниями с мембранами навстречу неподвижному основанию электродных блоков с полыми цилиндрическими пробойниками. Основания электродных блоков 8 выполнены из фторопласта для исключения опасности короткого замыкания. Перфорация в основаниях электродного блока выполнена с шагом 2 мм, а диаметры отверстий перфорации - 1,2 мм, что обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление потоку электролита, вытекающего из ампулы при активации батареи.

Полые цилиндрические пробойники выполнены из нержавеющей стали марки 14Х17Н2, функциональная часть которых оформлена в виде косых зубьев с углом подреза 10-45^o относительно плоскости мембраны. В качестве источника импульса давления установлен газогенератор.

Задействование макета ХИТ ампульного типа в условиях данного примера производилось путем подачи импульса давления с газогенератора, создающего давление в полости основания корпуса.

Под действием повышенного давления происходит сжатие гофрированных элементов с минимальной инерционностью в направлении пробойников.

В результате срабатывания сильфонов происходит санкционированный разрез мембран с открытием каналов доступа электролита в электродный отсек. Батарея активируется. Время приведения батареи в активное состояние - менее 1 с. В ходе измерений разрядных характеристик, полученных при экспериментальной проверке работы опытного образца, были зарегистрированы следующие показатели:
Ток разряда - До 4 А
Емкость - 30 А•мин
Увеличению скорости активации способствует наличие повышенного давления в полости корпуса и пониженного давления в электродных блоках, заполненных инертным газом.

Экспериментально подтверждено повышение надежности и скорости задействования, а также гарантированная степень заполнения электролитом рабочего объема и более высокого уровня разрядных характеристик предлагаемой батареи, относительно показателя прототипа.

Изобретение используется в машиностроении, электротехнике, приборостроении в качестве резервного элемента питания. Технический результат заключается в повышении надежности срабатывания, снижение инертности. Химический источник тока ампульного типа содержит корпус, размещенные в нем электродные блоки, ампулы, заполненные неводным электролитом на основе тионилхлорида, и источник импульсного давления. Ампулы выполнены в виде сильфонов и соединены с электродными блоками в единый электрохимический элемент. Электродные блоки заполнены инертным газом под давлением ниже атмосферного. На подвижной крышке ампулы герметично закреплена разрушающаяся мембрана. На неподвижном основании каждого электродного блока, выполненного перфорированным, жестко закреплены средства для вскрытия ампул. Между основанием электродного блока и крышкой ампулы предусмотрен зазор, ограниченный по внешнему контуру гофрированным элементом. Средство для вскрытия ампулы выполнено в виде полого цилиндрического пробойника, по контуру режущей части которого сформированы зубья с заточенными режущими кромками, косо срезанными под углом 10-45^o относительно плоскости мембраны. Зубья полого цилиндрического пробойника равномерно распределены по контуру режущей части. Режущие кромки пробойника имеют угол заточки 10-20^o относительно продольной оси цилиндрического пробойника. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Химический источник тока ампульного типа, содержащий корпус, размещенные в нем ампулы с неводным электролитом на основе тионилхлорида, электродные блоки, каждый из которых снабжен анодом из щелочного металла, углеродным катодом, разделенными между собой пористым сепаратором, средством для вскрытия ампулы, источник импульса давления для задействования средства вскрытия ампулы, отличающийся тем, что дополнительно в корпусе установлено расчетное количество ампул с электролитом, соответствующее количеству электродных блоков, каждый из которых заполнен инертным газом под давлением ниже атмосферного, каждая ампула выполнена в виде сильфона с подвижным основанием с возможностью перемещения подвижного основания в осевом направлении к электродному блоку и объединена в единый электрохимический элемент с соответствующим электродным блоком, на подвижном основании каждой ампулы, обращенном к неподвижному основанию электродного блока, которое выполнено перфорированным и установлено с зазором относительно ампулы, герметично закреплена разрушающаяся мембрана, в центре основания электродного блока жестко зафиксировано средство для вскрытия ампулы, выполненное в виде полого цилиндрического пробойника, по контуру режущей части которого сформированы зубья с заточенными режущими кромками, между зубьями выполнены сквозные прорези для перепуска электролита, в зазор между сильфонами и электродными блоками установлен герметично гофрированный элемент, охватывающий пробойник по образующей, все электрохимические элементы ориентированы параллельно оси корпуса и источника импульса давления, который пневматически связан с сильфонами ампул. 2. Химический источник ампульного типа по п.1, отличающийся тем, что электроды в электродных блоках выполнены в виде рулона, свернутого относительно оси электродного блока, твердых слоев анода, сепаратора и катода, последовательно совмещенных по типу сэндвических структур. 3. Химический источник ампульного типа по п.1, отличающийся тем, что перфорация в неподвижном основании электродного блока выполнена с шагом, соизмеримым с диаметром отверстий перфорации, суммарная площадь которых составляет не менее половины рабочей площади неподвижного основания электродного блока. 4. Химический источник ампульного типа по п.1, отличающийся тем, что линия среза режущих кромок на зубья полого цилиндрического пробойника наклонена под углом 10-45^o относительно плоскости мембраны. 5. Химический источник ампульного типа по п.1 или 4, отличающийся тем, что зубья полого цилиндрического пробойника равномерно распределены по контуру режущей части и имеют угол заточки по режущим кромкам 10-20^o относительно продольной оси пробойника.