ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2005 года по МПК H01M6/36 

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования химической энергии в электрическую энергию, в частности к высокотемпературным резервным источникам электрического тока одноразового действия, предназначенным для работы в режиме ожидания. Они используются для автономного задействования и питания бортовой аппаратуры, приборов и устройств (мостики накаливания, пироэнергодатчики, микроэлектродвигатели, реле и т. д.), а также систем оповещения, автоматического пожаротушения, блокировки и т. д.

Известен пиротехнический источник (генератор) электрического тока (ПГЭТ) по патенту РФ № 2095745 МКИ F 42 C 11/00; Н 01 М 6/20 от 10.11.97 г., состоящий из разделенных сепаратором анода и катода, выполненных из пиротехнических составов с избытком горючего - анод, избытком окислителя - катод и токовыводов, причем анод, катод и сепаратор содержат в качестве связующего асбест и выполнены с отношением их максимального размера (диаметра) к толщине 20...130; в качестве горючего анод и катод содержат цирконий, в качестве окислителя анод содержит барий хромовокислый или оксид меди; катод - оксид меди, а сепаратор содержит ионопроводящие в расплавленном состоянии соли - фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или их смесь. Кроме того, сепаратор может содержать дополнительно оксид циркония в количестве до 60% по массе.

Основными недостатками известного устройства являются малое время работы (генерирования электрического тока) и длительный выход на режим. Это обусловлено низкой скоростью горения пиротехнических электродов из-за интенсивного отвода тепла из зоны горения в контактирующий с ними и плавящийся при сгорании электродов электролитный материал сепаратора. Кроме того, характеристики ПГЭТ недостаточно стабильны из-за вытекания расплавленного электролита и замыкания расплавом электродов и ячеек.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является пиротехнический генератор электрического тока по патенту РФ № 2137263, МКИ Н 01 М 6/20; С 06 В 33/00. ПГЭТ состоит из разделенных сепаратором анода и катода, выполненных из пиротехнических составов, и токовыводов, причем анод, катод и сепаратор в качестве связующего содержат асбест и выполнены с отношением максимального габаритного размера к их толщине от 25 до 135. Сепаратор представляет собой смесь горючего и окислителя с асбестом при следующем соотношении компонентов (в % по массе):

металлическое горючее14...42окислитель50...84асбест2...8

Основными недостатками прототипа являются длительное время выхода устройства на рабочий режим, малое время работы (генерирования электрического тока) и низкая стабильность характеристик.

Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритного пиротехнического источника электрического тока (ПИТ) с повышенной длительностью работы (до 130 с), с уменьшенным временем выхода на рабочий режим до 0,2 с, высокой стабильностью характеристик. Указанная задача решается тем, что в известном устройстве, состоящем из металлических токовыводов и электродов, выполненных из пиротехнических составов, разделенных сепаратором, выполненным из пиротехнического состава, ПИТ дополнительно содержит электролит, выполненный из смеси асбеста с неорганической солью (в % соотношении компонентов по массе):

асбест3...10неорганическая соль90...97

при этом площадь торцевой поверхности электролита составляет от 5 до 50% от площади торцевой поверхности сепаратора, а отношение площади торцевой поверхности сепаратора к площади торцевой поверхности каждого из электродов составляет от 1,03 до 1,4.

Электролит может быть размещен между сепаратором и каждым из электродов, кроме того, сепаратор может быть выполнен с отверстием, а электролит размещен в отверстии сепаратора. Один из электродов может быть выполнен также с отверстием, а электролит может быть размещен как в названном отверстии, так и в отверстиях одного из электродов и сепаратора.

Основными отличиями заявляемого устройства от прототипа являются:

- отношение площади торцевой поверхности сепаратора к площади торцевой поверхности каждого из электродов от 1,03 до 1,4;

- введение электролита, выполненного из смеси асбеста с неорганической солью (в % соотношении компонентов по массе: асбест 3...10; неорганическая соль - 90...97), причем площадь торцевой поверхности электролита составляет от 5 до 50% от площади торцевой поверхности сепаратора;

- размещение электролита между сепаратором и каждым из электродов;

- выполнение в сепараторе отверстия и размещение в отверстии сепаратора электролита;

- выполнение в одном из электродов отверстия и размещение в нем (и в отверстии сепаратора) электролита.

Сепаратор, выполненный с площадью торцевой поверхности, большей, чем у пиротехнических электродов, быстро и легко воспламеняется, что обеспечивает уменьшение времени, необходимого для зажжения свободной (выступающей за электроды) кромки сепаратора, а соответственно и пиротехнических электродов. Это уменьшает время от момента инициирования устройства до момента достижения максимального значения силы электрического тока. При этом достигается увеличение длительности генерирования электрического тока благодаря лучшему сохранению рабочей температуры в ячейке и батарее элементов за счет образования дополнительной теплоизоляции устройства из имеющих замкнутую пористость продуктов сгорания кромки сепаратора, выступающей за границы электродов, что обеспечивает сохранение тепла и увеличивает длительность генерирования тока.

Дополнительно введенный электролит между сепаратором и каждым из электродов увеличивает длительность работы ПИТ за счет оптимизации теплового режима ПИТ и улучшения ионной проводимости между электродами. Размещение электролита на площади от 5 до 50% от площади торцевой поверхности сепаратора исключает возможность вытекания электролита за пределы ячейки и замыкания электродов и ячеек между собой, что способствует улучшению стабильности параметров ПИТ.

Выполнение сепаратора с отверстием и размещение в названном отверстии электролита обеспечивает минимальный отвод тепла от расплавленного электролита, увеличение длительности нахождения его в расплавленном состоянии при исключении возможности вытекания, что увеличивает время работы ПИТ и стабильность его характеристик, а также способствует увеличению скорости горения благодаря минимальной площади контакта сепаратора с электролитом, что уменьшает время задержки ПИТ.

Выполнение одного из электродов с отверстием и размещение электролита в названном отверстии или в отверстии сепаратора и в отверстии одного из электродов кроме упомянутых положительных эффектов стабилизирует характеристики ПИТ при значительных отрицательных температурах.

Вместе с тем, конструкция заявляемого устройства обеспечивает выделение тепла после прохождения фронта горения за счет взаимодействия продуктов реакции анода, сепаратора и катода между собой в диффузионном режиме в количестве, компенсирующем тепловые потери устройства в окружающую среду, что обеспечивает равномерность распределения температуры по всему объему заявляемого устройства (тепло выделяется в каждом тонкослойном элементе электрохимической ячейки). Все это способствует увеличению длительности работы. Кроме того, заявляемая конструкция ПИТ повышает стабильность его характеристик, исключает возможность перегрева, замыканий, шумов и других проявлений нестабильности тока и напряжения.

Неорганические соли, входящие в состав электролита, например фториды лития, щелочноземельных металлов - магния, кальция, стронция, бария, другие соли, а также смеси из названных и других солей при сгорании сепаратора и пиротехнических электродов полностью или частично плавятся. Расплавленные соли вместе с асбестом и продуктами сгорания сепаратора обеспечивают ионную проводимость между анодом и катодом. Электролит, дополнительно введенный в заявляемое устройство, улучшает ионную проводимость между электродами, стабилизирует процессы горения (тепловыделения) и генерирования тока за счет теплоты фазовых переходов в первую очередь в месте контакта пиротехнических электродов и сепаратора со смесью асбеста с неорганической солью.

В заявляемом устройстве асбест является связующим. Он также принимает участие в токообразующих процессах после термохимического воздействия на него расплавленных солей и продуктов сгорания сепаратора и электродов. Совместно с расплавленными фторидами, их смесями с другими солями и упомянутыми продуктами сгорания асбест обеспечивает ионную проводимость между анодом и катодом, что является необходимым условием генерирования электрического тока предлагаемым устройством.

При отношении площади торцевой поверхности сепаратора к площади торцевой поверхности каждого электрода менее 1,03 не обеспечивается улучшение характеристик ПИТ. При значении названного параметра больше 1,4 процесс сборки ячеек становится нетехнологичным, кроме того, нарушается тепловой баланс ячеек и устройства в целом, в частности, из-за возможного нарушения симметричности сепаратора относительно оси электрохимической ячейки и устройства, что снижает стабильность выделившегося количества тепла в объеме заявляемого устройства и его технические характеристики.

При площади торцевой поверхности электролита меньше 5% от площади торцевой поверхности сепаратора не обеспечивается увеличение длительности времени генерирования электрического тока. При площади больше 50% - изделие становится нетехнологичным. Уменьшение времени выхода ПИТ на рабочий режим, обусловленное увеличением скорости горения сепаратора и электродов, становятся незначительным (незначимым). Количество выделившегося тепла уменьшается ниже допустимого значения, что снижает длительность генерирования тока и стабильность характеристик. Только заявленное соотношение размеров обеспечивает улучшение характеристик ПИТ и их стабильность.

При содержании асбеста в электролите (смеси его с неорганической солью) меньше 3% не обеспечивается стабильность рецептуры электролита, что снижает стабильность всех характеристик заявляемого устройства. При содержании асбеста в смеси больше 10% не обеспечивается увеличение длительности времени генерирования тока по сравнению с прототипом.

Конструкция заявляемого ПИТ обеспечивает возможность формования тонкослойных пиротехнических электродов и сепаратора с высокой чувствительностью каждого к инициирующему импульсу, что способствует надежному воспламенению, быстрому и полному сгоранию, обеспечивает протекание электрохимических процессов между анодом и катодом в течение заданного времени. Следствием этого являются быстродействие, высокие электрические характеристики, возможность создания многоэлементных батарей минимальной высоты. Кроме того, заявляемая конструкция ПИТ обеспечивает возможность изготовления электродов, сепараторов и электролита на полуавтоматических линиях высокопроизводительным и безопасным методом шликерного литья (методом вакуумного осаждения водной взвеси компонентов).

Заявляемый ПИТ, фиг.1А, фиг.1Б, фиг.1В, представляет собой элементарную электрохимическую ячейку, в которой анод 1, катод 3 и сепаратор 2 выполнены из пиротехнических составов и размещены соосно между металлическими токовыводами 5 и 7. Электролит 4 может быть размещен между сепаратором 2 и каждым из электродов 1 и 3, фиг.1А. Электролит также может быть размещен в отверстии сепаратора 2, фиг.1Б, или в отверстии одного из электродов, или в отверстиях сепаратора и одного из электродов, фиг.1В (на фиг.1В отверстие в одном из электродов условно показано на катоде).

Отношение площади торцевой поверхности сепаратора к площади торцевой поверхности каждого из электродов составляет от 1,03 до 1,4. Площадь торцевой поверхности дополнительно введенного электролита 4 составляет от 5 до 50% площади торцевой поверхности сепаратора при следующем соотношении компонентов (в % по массе):

асбест3...10неорганическая соль90...97

В качестве неорганической соли взяты фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или смеси фторидов, или смеси фторида металла, или смеси фторидов металлов с другими неорганическими солями.

Из заявляемых ПИТ могут быть собраны батареи (наборы из любого числа названных устройств, соединенных последовательно или параллельно) для обеспечения необходимых электрических параметров.

Заявляемый ПИТ работает следующим образом. От инициирующего импульса воспламеняется и сгорает сепаратор 2, выполненный из пиротехнического состава, например, как в патенте РФ № 2137263. При этом в зависимости от конкретных рецептур анода 1 и катода 3 при этом могут воспламеняться и сгорать катод 3 или (и) анод 1, выполненные из пиротехнических составов. (Например, катод с избытком окислителя, как в патентах РФ № 2088558, № 2095745, № 2137263 и т.д., и (или) анод, выполненный из пиротехнического состава с избытком горючего, как в патентах РФ № 2088558, № 2095745, 2137263 и т.д.).

В заявляемом ПИТ уже в момент воспламенения сепаратора 2 и электродов 1, 3 (или одного из них) начинается генерирование электрического тока - перенос электронов по внешней цепи от анода 1 через анодный токовывод 7, нагрузку (сопротивление) 6, катодный токовывод 5 к катоду 3. Движение заряженных частиц (электронов и ионов) обусловлено электрохимическим окислением пространственно разделенных сепаратором 2 горючего в аноде 1 и электрохимическим восстановлением окислителя в катоде 3 благодаря одновременному контакту электродов с ионопроводящим электролитом 4.

Незначительная толщина электродов 1 и 3, сепаратора 2 и электролита 4, образующих заявляемое устройство, обеспечивает наряду с быстродействием, длительным временем генерирования электрического тока и стабильностью характеристик минимальные размеры ПИТ и батарей из заявляемого устройства. При этом происходит дополнительное выделение тепла в каждой ячейке во время генерирования тока, что компенсирует тепловые потери в окружающую среду и стабилизирует характеристики.

Оптимизация конструкции ПИТ проведена на основании лабораторных (стендовых) и натурных испытаний, которые показали высокую эффективность заявляемого объекта.

Заявляемый ПИТ обеспечивает автономное задействование и питание в течение 130 с бортовой аппаратуры, приборов и устройств, а также систем пироавтоматики различного назначения (пожаротушение, сигнализация, оповещение, блокировка и т.д.). В составе датчиков ПИТ самостоятельно и дистанционно включает средства тушения и оповещения при достижении чувствительным элементом датчика заданной критической температуры, например, в складских и (или) производственных помещениях с пожаро- и взрывоопасными материалами или технологическими процессами и т.д.

Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность заявляемого устройства. Время задержки начала работы ПИТ (время выхода его на рабочий режим) до 0,2 с, что в 1,3...2 раза меньше, а длительность работы (генерирования тока) 130 с, что больше на 30%, чем у прототипа. Продукты сгорания дают усадку в 1,5...3 раза меньше, что улучшает удельные характеристики ПИТ и их стабильность на 30... 40%. Батареи из двух и более заявляемых устройств, соединенных последовательно, обеспечивают длительное и стабильное генерирование тока после подачи инициирующего импульса. Чем больше число элементов в батарее, тем меньше время достижения рабочего значения параметров, больше длительность работы и меньше скорость снижения характеристик во времени. В частности, батарея из 24 ПИТ генерирует ток на нагрузке 300 Ом в течение 130 с. Время достижения рабочего значения напряжения составляет не более 0,2 с.

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования химической энергии экзотермических композиций в электрическую, в частности к высокотемпературным резервным источникам электрического тока одноразового действия, предназначенным для работы в режиме ожидания. Согласно изобретению пиротехнический источник электрического тока (ПИТ) состоит из электродов, выполненных из пиротехнических составов, которые разделены сепаратором, выполненным из пиротехнического состава. ПИТ дополнительно содержит электролит, представляющий собой смесь асбеста с неорганической солью в % соотношении компонентов по массе: асбест 3...10, неорганическая соль 90...97. Площадь торцевой поверхности электролита составляет от 5 до 50% от площади торцевой поверхности сепаратора, а отношение площади торцевой поверхности сепаратора к площади торцевой поверхности каждого из электродов составляет от 1,03 до 1,4. Техническим результатом изобретения является увеличение времени работы и эффективности ПИТ. 3 ил.

Пиротехнический источник электрического тока, состоящий из токовыводов и электродов, выполненных из пиротехнических составов, разделенных сепаратором, выполненным из пиротехнического состава, отличающийся тем, что он дополнительно содержит электролит, выполненный из смеси асбеста с неорганической солью (в % соотношении компонентов по массе):

Асбест3...10Неорганическая соль90...97

при этом площадь торцевой поверхности электролита составляет от 5 до 50% от площади торцевой поверхности сепаратора, а отношение площади торцевой поверхности сепаратора к площади торцевой поверхности каждого из электродов составляет от 1,03 до 1,4.