ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2008 года по МПК H01M4/66 H01M6/36 

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим преобразование химической энергии экзотермических композиций в электрическую, а более конкретно к высокотемпературным резервным первичным источникам электрического тока одноразового действия, которые предназначены для работы в режиме ожидания для задействования и автономного кратковременного питания бортовой аппаратуры, приборов и устройств (микроэлектродвигатели, реле, пироэнергодатчики и т.д.), используемых в системах автоматики объектов различного назначения, в том числе для включения автоматических систем пожаротушения, сигнализации, блокировки и т.п.

Уровень данной области техники характеризуют пиротехнические генераторы (источники) электрического тока по патентам RU №2018782 и №2018783, F42C 11/00, 1994 г., которые состоят из разделенных пористым диэлектрическим сепаратором пиротехнических электродов, выполненных в виде прессованных зарядов. Анодная и катодная пиротехнические композиции включают горючее, окислитель и электролит, причем анод выполнен в виде пиротехнического заряда с избытком горючего, а катод - с избытком окислителя.

Для получения максимальных электрических характеристик пиротехнического источника тока теоретически необходимо, чтобы анод был выполнен из чистого металла (металлического горючего), а катод - в виде окислителя. Но для обеспечения возможности протекания экзотермического электрохимического процесса в режиме горения в анод введен окислитель, а в катод - горючее, что обеспечивает их горение, при котором расплавляется электролит.

Анод содержит (мас.%): 58,0 фторида свинца, 22,0 магния, 20,0 фторида лития, а катод выполнен из композиции (мас.%): 89,52 фторида свинца, 3,48 алюминия и 7,0 фторида лития.

Сепаратор выполнен из листового асбеста толщиной 0,1-0,2 мм.

Воспламенительный импульс инициирует одновременное горение анодного и катодного пиротехнических зарядов. Тепло, выделяющееся при их горении, расплавляет электролит, заполняющий при этом поры сепаратора. Расплавленный электролит обеспечивает ионный контакт между электродами. На аноде происходит электрохимическое окисление горючего - алюминия, а на катоде происходит электрохимическое восстановление окислителя - фторида свинца.

Основным недостатком указанных источников электрического тока является длительное время задержки от момента воспламенения пиротехнических зарядов - электродов до достижения максимального значения тока, обусловленное низкой чувствительностью прессованных электродов к воспламенительному импульсу и медленной скоростью их горения, а также затратами времени на пропитку расплавленным электролитом пор асбестового сепаратора, разделяющего анод и катод.

Отмеченный недостаток устранен в более совершенной конструкции пиротехнического источника электрического тока по патенту RU №2088558, С06В 21/00, 33/00, 1997 г., который по числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному.

В известном источнике тока оснащенные металлическими токовыводами пластинчатые электроды соединены между собой без зазора, непосредственно примыкая друг к другу. Пластинчатые анод и катод выполнены из смеси циркония (горючее), оксида меди или бария хромовокислого (окислитель), фторида лития или смеси фторида лития с фторидами щелочноземельных металлов (электролит) и волокнистого асбеста, распределенного в объеме электродов и выполняющего функции связующего.

В известном источнике тока преимущественно композиция анода содержит, мас.%: 27-77 циркония, 10-45 бария хромовокислого, 3-25 фторида лития, 3-10 асбеста, а композиция катода соответственно: 15-40 циркония, 30-75 оксида меди, 1-20 фторида лития, 3-16 асбеста.

Габаритный размер (в частности, диаметр) пластинчатых электродов в 30-80 раз превышает их толщину.

Цирконий является горючим, обеспечивает минимальное время выхода на режим и обеспечивает анодный потенциал.

Оксид меди и барий хромовокислый выполняют функции окислителя, причем оксид меди обеспечивает катодный потенциал.

Фторид лития (или смесь фторида лития с фторидами щелочноземельных металлов - смесь в произвольных сочетаниях при рабочей температуре) совместно с продуктами первичного горения обеспечивает ионную проводимость конденсированных продуктов сгорания анода и катода и возможность протекания электрохимического процесса между электродами.

Соединение пластинчатых анода и катода между собой без зазора обеспечивает протекание окислительно-восстановительных процессов между электродами, начиная с момента воспламенения, преимущественно по электрохимическому механизму, что повышает быстродействие устройства и обеспечивает возможность преобразования в режиме горения химической энергии анодной и катодной композиций в электрическую.

В известном источнике электрического тока асбест принимает непосредственное участие в токообразующих процессах благодаря химико-термической активации поверхности волокон во фронте горения. Нестехиометрическое соотношение компонентов в электродах, когда в аноде содержится избыток горючего, а в катоде - избыток окислителя, обеспечивает оптимальный режим термообработки асбеста. При этом также происходит перестройка его кристаллической структуры и удаление примесей таким образом, что обеспечивается полное смачивание, впитывание и адсорбция жидких продуктов первичного горения (в том числе расплавленного электролита) с последующим выделением энергии сорбции, что сглаживает пик и увеличивает время темпловыделения, т.е. оптимизирует режим токообразующих процессов.

Волокнистый асбест как связующее обеспечивает формование пластинчатых электродов с габаритным размером, в 30-80 раз превышающим их толщину, пиротехнические составы которых имеют высокую чувствительность к тепловому инициирующему импульсу. В результате этого увеличена удельная мощность источника электрического тока и его быстродействие.

Известный источник электрического тока характеризуется повышением мощности, исключением перегрева и вытекания жидкой фазы, приводящих к несанкционированным замыканиям электродов, элементов и батарей элементов.

При этом в известном пиротехническом источнике тока не оптимизирован количественный состав композиций анода и катода, которые функционируют при совместном горении, образуя высокотемпературный гальванический элемент, и не сбалансировано соотношение окислителя и горючего в электродах, взаимодействующих в общем электрохимическом процессе.

Содержание электролита (фторида лития или смеси фторида лития с фторидами щелочноземельных металлов) в пиротехнических композициях электродов в количестве 4 или 45% является неудовлетворительным для получения заданных показателей назначения. Минимальное указанное количество электролита не обеспечивает требуемый уровень электрического потенциала, которого явно недостаточно для нормального функционирования источника питания, а максимальный объем электролита является избыточным для протекания электрохимического процесса и является балластом для устойчивого горения пиротехнических электродов.

В пиротехнических композициях анода и катода превышено необходимое содержание связующего (асбеста), который снижает динамику формирования заданного уровня электрического потенциала.

Основными недостатками известного источника тока являются относительно длительное время выхода на режим для достижения максимальной силы тока и малая продолжительность генерирования рабочей силы тока, что обусловлено высоким и нестабильным внутренним сопротивлением из-за неупорядоченной структуры высокотемпературных продуктов взаимодействия композиций катода и анода, их неоптимальными количественным составом и массовым соотношением.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование пиротехнического источника тока для достижения минимального времени выхода на режим (динамичного достижения максимальной силы тока от момента воспламенения пиротехнических электродов) и увеличения длительности генерирования тока.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пиротехническом источнике электрического тока, состоящем из беззазорно соединенных между собой, снабженных токовыводами пластинчатых пиротехнических электродов, качественный состав которых представляет собой композицию из циркония (горючее), оксида меди или бария хромовокислого (окислитель), электролита в виде фторида лития и связующего - асбеста, при этом анод включает избыток горючего, а катод - избыток окислителя, согласно изобретению, указанные компоненты содержатся в следующем соотношении (мас.%) соответственно:

в пиротехническом аноде - цирконий40-50барий хромовокислый35-45фторид лития15-20асбест3-5в пиротехническом катоде - цирконий25-30оксид меди60-75фторид лития6-10асбест3-5

а соотношение толщин пластинчатых анода и катода составляет 1,1-1,4.

Отличительные признаки повысили функциональную надежность пиротехнического источника электрического тока с минимальным временем выхода на режим, обеспечив продолжительное время устойчивой работы.

В предложенном источнике тока оптимизировано соотношение компонентов в пиротехнических электродах с учетом их взаимодействия при функционировании, обеспечив при совместном горении которых наиболее продуктивные тепловые и электрохимические процессы за счет стабилизации структуры продуктов их взаимодействия.

Для оптимизации качественного состава взаимодействующих пластинчатых пиротехнических электродов выявлены следующие ограничения.

При содержании в аноде:

- циркония менее 40 мас.% неудовлетворительно протекает взаимодействие с избыточным количеством окислителя в катоде, не достигаются максимальное значение потенциала и время генерирования тока;

- циркония более 50 мас.% электрический потенциал не увеличивается, а избыток является балластом для электрохимического процесса;

- бария хромовокислого или оксида меди менее 35 мас.% выделяется недостаточно тепла для расплавления всего количества фторида лития (электролита), что снижает напряжение источника тока;

- бария хромовокислого более 45 мас.% выделяется избыточное количество тепла, снижается количество активного циркония в аноде, что лимитирует протекание электрохимического процесса;

- фторида лития менее 15 мас.% не достигаются заданные электрические характеристики источника тока, так как недостаточно электролита для протекания электрохимического процесса между электродами;

- фторида лития более 20 мас.% для его плавления необходимо дополнительное количество тепла, то есть требуется повышенное количество горючего и окислителя, что снижает электрические характеристики источника тока, который функционирует только после расплавления электролита;

- асбеста более 5 мас.% (балластного количества) увеличивается толщина пластинчатого электрода, что пропорционально снижает характеристики источника тока;

- асбеста менее 3 мас.% не обеспечиваются оптимальная структура электрода, прочностные и электрические характеристики источника тока.

При содержании в катоде:

- циркония более 30 мас.% создается его избыток, снижающий содержание окислителя (оксида меди, активного катодного материала), взаимодействие которого с анодным материалом обеспечивает протекание электрохимического процесса, то есть содержание окислителя при этом становится недостаточным;

- циркония менее 25 мас.% не обеспечивается выделение оптимального количества тепла при его взаимодействии с окислителем;

- оксида меди менее 60 мас.% не обеспечивается оптимальное количество тепла, выделяемого при взаимодействии его с цирконием, причем ограниченное количество окислителя лимитирует протекание электрохимического процесса;

- оксида меди более 75 мас.% появляется ее избыток, балласт в композиции;

- фторида лития менее 6 мас.% не обеспечивается оптимальный режим протекания электрохимических реакций, химическая энергия электродных составов превращается преимущественно в тепловую энергию, что приводит к перегреву и снижению электрических характеристик;

- фторида лития более 10 мас.% создается его избыток в структуре пиротехнического источника тока, для плавления которого необходим дополнительный расход горючего и окислителя, что не улучшает основных технических характеристик устройства, причем избыток электролита может послужить причиной вытекания расплава, вызывающего «шумы», «подкоротки» и т.п., что дестабилизирует функционирование источника тока;

- асбеста более 5 мас.% неприемлемо снижается скорость горения и калорийность композиции, увеличивается толщина катода и объем газообразных продуктов сгорания, что снижает номинальные значения характеристик источника и их стабильность;

- асбеста менее 3 мас.% не обеспечиваются оптимальная структура электрода, прочностные и электрические характеристики источника тока.

Новый пиротехнический источник тока имеет высокие электрические показатели за счет снижения внутреннего электрического сопротивления, что обеспечивается высокой электрической проводимостью анода, в котором содержится в избытке металлический цирконий - электрический проводник. Чем больше в композиции циркония, тем меньше внутреннее сопротивление источника тока, но одновременно цирконий - горючее, поэтому важно обеспечить его оптимальное соотношение с окислителем.

Барий хромовокислый является тождественным заменителем оксида меди в качестве окислителя, но с учетом меньшей плотности толщина анода при его использовании в композиции пропорционально возрастает.

В катоде продуктом окислительно-восстановительных реакций является медь - отличный проводник. Толщину катода выбирают из условия превышения критического значения, ниже которого горение пиротехнических композиций невозможно. При избыточной толщине катода происходит укрупнение капель расплавленной меди, температура плавления которой значительно ниже, чем у циркония, что вызывает ее вытекание и может замыкать электроды и ячейки. При толщине катода от критической величины до оптимальной расплавленная медь в виде микроскопических капель распределяется в объеме композиции, обеспечивая электрическую проводимость.

Критическая толщина заявляемого пиротехнического источника тока ниже 1 мм, что меньше критического диаметра зарядов из пиротехнических составов, благодаря рецептуре пиротехнических электродов и их экзотермическому взаимодействию между собой после воспламенения. Это обеспечивает возможность создания тонких ленточных изделий.

Соотношение толщин пластинчатых пиротехнических анода и катода экспериментально оптимизировано в диапазоне 1,1-1,4 из условия надежного функционирования предложенного пиротехнического источника тока.

При соотношении толщин пластинчатых пиротехнических анода и катода более 1,4 не достигаются максимальные показатели назначения источника тока из-за выделения избыточного количества тепла, которое вызывает термическое разложение оксида меди на металлическую медь и газообразный кислород. Это также приводит к ухудшению электрических характеристик источника тока за счет образования крупных капель меди с электронной проводимостью, вызывающих нестабильность внутреннего сопротивления и неупорядоченность структуры высокотемпературных продуктов взаимодействия катода и анода. Перегрев может приводить к вытеканию электролита и расплавленной меди, что служит причиной замыканий, а также проплавлению токовыводов, в результате чего источник тока может выйти из строя.

При соотношении толщин анода и катода менее 1,1 недостаточно анодного материала для протекания высокотемпературных электрохимических процессов между анодом и катодом в оптимальном режиме. Сгорание пиротехнических электродных композиций может сопровождаться нестабильностью горения, прежде всего анода, так как его толщина может снижаться до критической, при этом не полностью расплавляется электролит.

Смесь фторида лития с фторидами щелочноземельных металлов в качестве электролита в пиротехнических композициях имеет более низкую температуру плавления, чем фторид лития, что способствует снижению времени активации и длительности работы источника тока. Однако при этом увеличивается число компонентов состава и усложняется технология изготовления электродов.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача в изобретении решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично изображены:

на фиг.1 - предложенный источник тока в форме элементарной ячейки;

на фиг.2 - то же, в виде батареи пиротехнических источников тока.

Элементарная ячейка источника тока с напряжением разомкнутой цепи 1,7 В состоит из пластинчатых анода 1 (пористого анодного пиротехнического заряда толщиной 0,55 мм) и катода 2 (пористого катодного пиротехнического заряда толщиной 0,40 мм), соединенных между собой непосредственно, без зазора. В прототипе толщина электродов подобного источника тока - 1,5 мм.

Электроды 1,2 изготовлены методом вакуумного осаждения водной взвеси компонентов (шликерного литья).

Пиротехническую композицию анода 1 приготавливают в следующем составе, мас.%: 41 Zr, 40 BaCrO₄, 15 LiF и 4 асбест.

Пиротехническая композиция катода 2 содержит, мас.%: 26 Zr, 62 CuO, 8 LiF и 4 асбест.

Анод 1 и катод 2 контактируют с металлическими токоотводами 3, 5 соответственно, которые замкнуты на сопротивление 4.

Батарея (фиг.2) представляет собой набор заявляемых устройств, соединенных между собой последовательно.

Функционирует предложенный источник тока следующим образом. От инициирующего импульса одновременно воспламеняются и сгорают пиротехнические композиции анода 1 и катода 2. При этом плавится электролит, заполняющий поры продуктов сгорания электродных зарядов.

Расплав электролита обеспечивает ионный контакт электродов 1 и 2 друг с другом и возможность протекания электрохимического процесса.

Практически одновременно начинается процесс генерирования электрического тока - перенос электронов по внешней цепи от анода 1 через токовывод 5, сопротивление (нагрузку) 4 и токовывод 3 к катоду 2. Движение заряженных частиц (электронов в металле и ионов в расплавленном электролите электродов 1 и 2) обусловлено электрохимическим окислением пространственно разделенных циркония в аноде 1 и электрохимическим восстановлением оксида меди в катоде 2, взаимодействующих с ионопроводящим расплавом общего электролита (фторид лития или смесь фторида лития с фторидами щелочноземельных металлов).

Результаты испытаний опытных образцов предложенного пиротехнического источника тока подтвердили более высокие показатели назначения, сравнительно с известными аналогами.

Установлено, что чем больше число источников в батарее, тем меньше время выхода на режим, больше длительность работы и меньше скорость снижения электрических параметров во времени.

Продукты сгорания электродных зарядов 1 и 2, сравнительно с прототипом, имеют меньшее электрическое сопротивление и дают усадку в 1,3-1,5 раза меньше, что улучшает потребительские свойства предложенного источника тока за счет уменьшения возможности ослабления электрических контактов.

Батарея из четырех источников тока генерирует ток больше 0,5 А на нагрузке 4 Ом в (рабочий ток) течение 0,40±0,05 с. Общая длительность генерирования тока составляет 4-8 с. Время выхода на режим после одновременного воспламенения всех электродов батареи и их сгорания составляет 0,2 с. Полученные характеристики существенно превышают показатели прототипа, где аналогичные батареи генерируют рабочий ток в течение 0,20±0,05 с при времени выхода на режим - 0,3 с.

Предложенный источник тока предназначен для использования преимущественно в виде батарей, обеспечивает автономное задействование и питание бортовой аппаратуры, приборов и устройств, а также автономных автоматических систем пожаротушения, сигнализации, блокировки и т.д.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого пиротехнический источник тока не следует явно для специалиста отрасли, показал, что изобретение не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления автономных батарей можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим преобразование химической энергии экзотермических композиций в электрическую, а более конкретно к высокотемпературным резервным первичным источникам тока одноразового действия. Пиротехнический источник электрического тока состоит из беззазорно соединенных между собой, снабженных токовыводами пластинчатых электродов, качественный состав которых представляет собой композицию из циркония (горючее), оксида меди или бария хромовокислого (окислитель), электролита в виде фторида лития и связующего - асбеста, при этом анод включает избыток горючего, а катод - избыток окислителя. Новым является то, что указанные компоненты содержатся в следующем соотношении (мас.%) соответственно: в пиротехническом аноде - цирконий 40-50, барий хромовокислый 35-45, фторид лития 15-20, асбест 3-5; в пиротехническом катоде - цирконий 25-30, оксид меди 60-75, фторид лития 6-10, асбест 3-5, а соотношение толщин пластинчатых анода и катода составляет 1,1-1,4. Техническим результатом изобретения является повышение функциональной надежности пиротехнического источника электрического тока. 2 ил.

Пиротехнический источник электрического тока, состоящий из беззазорно соединенных между собой, снабженных токовыводами, пластинчатых пиротехнических электродов, качественный состав которых представляет собой композицию из циркония (горючее), оксида меди или бария хромовокислого (окислитель), электролита в виде фторида лития и связующего - асбеста, при этом анод включает избыток горючего, а катод избыток окислителя, отличающийся тем, что указанные компоненты содержатся в следующем соотношении (мас.%) соответственно:

в пиротехническом аноде - цирконий40-50барий хромовокислый35-45фторид лития15-20асбест3-5в пиротехническом катоде - цирконий25-30оксид меди60-75фторид лития6-10асбест3-5,соотношение толщин пластинчатых анода и катода составляет1,1-1,4