ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК F42C11/00 H01M6/20 

Настоящее изобретение относится к устройствам, преобразующим химическую энергию в электрическую, в частности к резервным источникам тока одноразового действия. В настоящее время такие источники нашли самое широкое применение от аварийного электроснабжения энергоемких агрегатов до импульсных источников тока для микроэлектронных схем, используемых в различных автономных системах автоматического управления, оповещения, блокировки, пожаротушения, сигнализации и т.д. Как правило, в таких автономных системах используются резервные источники тока, активируемые пиротехническими нагревателями, в силу их приемлемого быстродействия и дополнительной мощности, отдаваемой ячейкой при повышенных температурах. Такие резервные источники тока, так же называемые пиротехническими генераторами, в первую очередь могут использоваться в гибридных автоматических системах и устройствах, содержащих цепочку: резервный источник - микроэлектронный таймер - исполнительный механизм. Указанные пиротехнические генераторы могут применяться, например, в капсюлях-детонаторах для короткозамедленного взрывания, где требуется высокая точность подрыва, в детонационных реле и т.д. Как правило, микроэлектронные таймеры, входящие в эти устройства, отсчитывают время с точностью, которая значительно (до нескольких порядков) превышает временную точность запуска пиротехнических генераторов этих устройств, поэтому общая точность работы полностью определяется точностью запуска пиротехнических генераторов.

Известны тепловые батареи [1], активируемые пиронагревателями и работающие на расплавленном электролите LiCl-KCl, изначально размещенном между анодом и катодом. Применяются такие батареи, например, в качестве высокоэнергетических источников питания в аппаратуре для зондирования недр Земли и атмосферы. Основным недостатком таких устройств является достаточно длинный период запуска, обусловленный самой конструкцией батареи. В такой конструкции пиротехнический состав, хотя и контактирует с анодом и катодом, но фронт его горения распространяется вдоль указанных элементов, разогревая их по мере его продвижения. Время запуска таких батарей составляет от единиц до десятков секунд. Так, например, подобная батарея фирмы "Sandia" (США) [2] имеет время запуска 4,4 секунды.

Наиболее близким техническим решением - прототипом для заявленного устройства является пиротехнический генератор электрического тока, в котором и катод, и анод совмещены с электролитным материалом и выполнены в виде пиротехнических зарядов, разделенных сепаратором и имеющих с противоположных сторон контактные металлические пластины [3]. При этом анод выполнен из пиротехнического состава Zr/BaCrO₄, CuO с избытком горючего, катод из Zr/CuO с избытком окислителя, а сепаратор выполнен из смеси асбеста, фторида лития или (фторида) щелочно-земельного металла. Максимальная электродвижущая сила у такого пиротехнического генератора достигается за время, не превышающее 50-100 миллисекунд, а максимум отдаваемого тока - за 200±50 миллисекунд с момента начала его работы. Такое существенное уменьшение периода запуска пиротехнического генератора по сравнению с тепловыми батареями достигается за счет использования, в качестве активирующего реагента, продуктов горения электродов, которые поступают в сепаратор под действием капиллярных сил и незначительного избыточного давления в зоне горения электродов.

Характеристики известных пиротехнических генераторов существенно ограничивают область их применения. Например, вышеуказанный пиротехнический генератор вовсе неприемлем для использования в миниатюрных устройствах повышенной точности, например, таких как короткозамедленные капсюли-детонаторы гражданского назначения. В подобных устройствах пиротехнический генератор не должен превышать габаритные размеры 5×5×15 миллиметров и иметь точность запуска не хуже от ±0,5 до ±5 миллисекунд. Кроме того, учитывая массовость производства подобных изделий, способ их сборки должен соответствовать устоявшейся технологии, применяемой в данной отрасли, то есть соосному послойному прессованию сыпучих материалов в трубки круглого сечения.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по миниатюризации пиротехнических генераторов (далее - пирогенераторов) при повышении их мощности, а так же на увеличение их точности срабатывания за счет ускорения запуска. Указанная задача направлена на создание закрытого с одной стороны корпуса, обеспечивающего быстрое продвижение ионопроводящей субстанции к сепаратору за счет повышенного давления, образующегося при термохимических превращениях электролитного материала, и на применение других исходных материалов для изготовления нагревателя, электролитного материала, анода, сепаратора, катода, и наличие в них пор и/или дырок и/или по крайней мере одной дырки и/или одного углубления, заполненных электролитным материалом и/или материалом сепаратора.

Достигаемый при этом технический результат заключается в ускорении запуска пирогенераторов и тем самым в увеличении временной точности срабатывания устройств, в которых они применяются.

Указанный технический результат для устройства достигается тем, что в пиротехническом генераторе, содержащем нагреватель, электролитный материал, два контакта, один из которых является корпусом, подсоединенные к гальванической ячейке, состоящей из разделенных сепаратором анода и катода, электролитный материал запрессован в корпус к нагревателю у днища корпуса, а гальваническая ячейка припрессована к электролитному материалу. При этом нагреватель может являться составной частью электролитного материала, а анод или катод могут так же являться составной частью электролитного материала.

Указанные признаки взаимосвязаны и формируют неразрывную совокупность существенных признаков, достаточную для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые не являются единственными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 - пирогенератор, первый пример исполнения (электролитный материал, анод, сепаратор и катод пористые);

фиг.2 - пирогенератор, второй пример исполнения (электролитный материал, анод и катод дырчатые, сепаратор пористый);

фиг.3 - пирогенератор, третий пример исполнения (к электролитному материалу припрессован катод);

фиг.4 - пирогенератор, четвертый пример исполнения (сепаратор и катод отделены от корпуса изолирующей вставкой);

фиг.5 - пирогенератор, пятый пример исполнения (анод выполнен в виде дырчатой перегородки из металла);

фиг.6 - пирогенератор, шестой пример исполнения (анод и электролитный материал совмещены);

фиг.7 - пирогенератор, седьмой пример исполнения (катод и электролитный материал совмещены);

фиг.8 - пирогенератор, восьмой пример исполнения (электролитный материал и пиротехнический состав совмещены);

фиг.9 - пирогенератор, девятый пример исполнения (электролитный материал, пиротехнический состав и анод совмещены);

фиг.10 - пирогенератор, десятый пример исполнения (электролитный материал, пиротехнический состав и катод совмещены);

фиг.11 - пирогенератор, одиннадцатый пример исполнения (анод имеет чашеобразную форму с отверстием в центре, отверстие в аноде заполнено материалом сепаратора, а в чашеобразный анод частично запрессована изолирующая вставка);

фиг.12 - пирогенератор, двенадцатый пример исполнения (один из контактов пирогенератора выполнен в виде запрессованного в изолирующую вставку металлического порошка, в качестве другого контакта используется металлический корпус пирогенератора);

фиг.13 - пирогенератор, тринадцатый пример исполнения (анод имеет чашеобразную форму с отверстием в центре, отверстие в аноде заполнено электролитным материалом, один из контактов пирогенератора выполнен в виде токопроводящего покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность изолирующей вставки, или в виде тонкостенной токопроводящей трубки, запрессованной в изолирующую вставку, в качестве другого контакта используется металлический корпус пирогенератора);

фиг.14 - пирогенератор, четырнадцатый пример исполнения (в аноде и сепараторе есть по крайней мере одно отверстие, заполненное электролитным материалом, а в катоде есть углубление, заполненное электролитным материалом);

фиг.15 - пирогенератор, пятнадцатый пример исполнения (в аноде и электролитном материале есть отверстие, заполненное материалом сепаратора, а в пиротехническом составе есть углубление, заполненное материалом сепаратора);

фиг.16 - пирогенератор, шестнадцатый пример исполнения (в аноде есть отверстие и углубление, заполненные материалом сепаратора, а в электролитном материале есть углубление, заполненное материалом сепаратора).

Согласно настоящему изобретению пирогенератор представляет собой устройство, принцип действия которого основан на преобразовании химической энергии в электрическую в гальванической ячейке, содержащей анод, сепаратор с электролитом и катод, после активации.

Ускорение запуска достигается тем, что по электролитному материалу, находящемуся в закрытой камере, соединенной каналами (в виде пор и/или дырок и/или по крайней мере одного отверстия) с сепаратором гальванической ячейки, наносится тепловой удар от нагревателя, например пиротехнического состава, в результате чего электролитный материал, вскипая, разлагаясь, реагируя, распадаясь, выделяет жидкопарогазовую ионопроводящую субстанцию, которая под действием возникающего в камере повышенного давления быстро заполняет сепаратор, и активирует гальваническую ячейку. В качестве электролитного материала могут использоваться так называемые капиллярные или пористые или ионообменные мембраны, в капиллярах или порах которых содержится жидкий электролит, сухие смеси из электролитных солей и микрокапсул с водой, кристаллогидраты, кислоты и их соли, полимерные материалы, взрывчатые вещества, а так же смеси вышеперечисленных материалов.

Повышенное давление в закрытой камере формируется за счет изменения агрегатного или химического состояния электролитного материала при нагревании. Под действием тепла электролитный материал может испаряться, кипеть, гореть, реагировать, разлагаться, взрываться. Под действием тепла электролитный материал переводится в жидкопарогазовое состояние с кислыми или основными свойствами, в котором электролитный материал содержит от 3 до 97 весовых процентов ионопроводящей фазы и от 97 до 3 весовых процентов инертной фазы.

Время запуска, то есть время нарастания мощности и напряжения от нуля до номинального значения, у таких пирогенераторов, в зависимости от их конструкции, колеблется от 1 до 10 миллисекунд, что позволяет запускать электронные таймеры с точностью от ±0,8 до ±5 миллисекунд. Кроме того, в начальный период работы такие пирогенераторы обладают максимальной мощностью за счет расходования не только химической, а так же тепловой и кинетической энергии ионопроводящей субстанции. После остановки движения последней мощность пирогенератора, по мере его остывания, равномерно снижается до обычных характеристик данной гальванической ячейки, и в этом режиме устройство может работать от нескольких минут до нескольких дней, в зависимости от применяемых в гальванической ячейке материалов.

В пирогенераторе структурные элементы его конструкции, то есть электролитный материал и/или анод и/или катод и/или сепаратор могут быть выполнены пористыми и/или дырчатыми и/или по крайней мере с одним отверстием и/или с углублением.

Например, в пирогенераторе, содержащем металлический стаканообразный корпус с нагревателем и электролитным материалом, два контакта (один из которых является корпусом), разделенные с одной стороны изолирующей вставкой, а с другой гальванической ячейкой, состоящей из анода, сепаратора и катода, электролитный материал выполнен пористым и/или дырчатым и/или по крайней мере с одним отверстием и/или с углублением и запрессован в корпус у закрытого конца с обеспечением контакта с нагревателем, а к этому электролитному материалу припрессована гальваническая ячейка, состоящая из пористого и/или дырчатого и/или по крайней мере с одним отверстием и/или с углублением анода, пористого и/или дырчатого и/или по крайней мере с одним отверстием сепаратора, пористого и/или дырчатого и/или по крайней мере с одним отверстием и/или углублением катода.

Пирогенератор включает в себя металлический корпус с нагревателем и электролитным материалом, два контакта, разделенные с одной стороны изолирующей вставкой, а с другой гальванической ячейкой, состоящей из анода, сепаратора и катода. В качестве одного из электрических контактов пирогенератора используется металлический корпус пирогенератора, а в качестве другого электрического контакта может быть использована металлическая пластина, припрессованная к катоду (аноду), или внутренняя поверхность изолирующей вставки, покрытая токопроводящим материалом, или примыкающая к изолирующей вставке токопроводящая тонкостенная трубка, или металлический порошок, запрессованный в изолирующую вставку.

Металлический корпус может иметь стаканообразную форму, и отношение высоты корпуса к его наружному диаметру может составлять от 0,05 до 20, а сам наружный диаметр корпуса больше внутреннего в от 1,01 до 2 раз. Первое соотношение объясняется минимальным внутренним диаметром корпуса в 3 мм, в котором еще можно разместить элементы пирогенератора, и максимальной длиной корпуса в 60 мм, которая еще приемлема для изготовления стаканообразного корпуса методом глубокой вытяжки, а так же максимальным (пригодным для практики взрывных работ) диаметром в 210 мм и минимально выполнимым размером длины при этом диаметре 10 мм. Второе соотношение продиктовано жесткостью корпуса при различных внутренних давлениях, зависящих от химикалий, применяемых в электролитном материале.

Соотношения толщин запрессованных в корпус пирогенератора элементов предпочтительно выбирать следующие: толщина катода к толщине электролитного материала от 1 до 20, толщина анода к толщине электролитного материала от 0,02 до 17. Первое соотношение получается из условия достаточности электролитного материала для заполнения пор и/или дырок сепаратора и катода жидкопарогазовой субстанцией, второе соотношение определяется случаем с минимально возможной толщиной анода из металла 0,1 мм и разумной толщиной запрессованного слоя электролитного материала в 5 мм, а так же случаем с анодом из порошка металла, запрессованного толщиной 5 мм и минимально возможной, для выполнения, толщины слоя электролита в 0,3 мм.

Эффективность работы пирогенератора зависит от соотношения площади поперечного сечения пор и/или дырок и/или одной дырки к площади поперечного сечения запрессованных в пирогенератор элементов анода, сепаратора, катода и электролитного материала. С увеличением площади поперечного сечения пор и/или дырок улучшается прохождение жидкопарогазовой субстанции, но уменьшается полезная площадь электродов, что снижает эффективность работы пирогенератора. Эффективность работы пирогенератора остается приемлемой для практики, если площадь поперечного сечения пор и/или дырок и/или одной дырки в электролитном материале, в аноде, в катоде и в сепараторе составляет не менее 0,3% и не более 50% от площади поперечного сечения корпуса по внутреннему диаметру.

Корпус может содержать запальное устройство. Запальное устройство может быть выполнено в виде запального отверстия в днище корпуса. Надежность работы пирогенератора зависит от диаметра указанного отверстия. Чем больше запальное отверстие, тем надежнее зажигание пиросостава, но меньше эффективность работы пирогенератора из-за ухода жидкопарогазовой субстанции через поры в шлаке пиросостава в этом отверстии. Опыты показывают, что пирогенераторы с внутренними диаметрами корпусов от 3 мм до 210 мм работают надежно и эффективно, если при использовании высокочувствительных пиросоставов используются диаметры запальных отверстий не менее 0,3 мм, а при использовании малочувствительных не менее 4 мм. Эти опыты позволяют рекомендовать предпочтительное отношение внутреннего диаметра корпуса пирогенератора к диаметру запального отверстия от 1,5 до 700.

Сепаратор может быть выполнен из изолирующего и теплоустойчивого волокна, которое выбирается из асбеста, стекла, природного камня, полимеров. Сепаратор может быть выполнен из порошков природного камня. Сепаратор может быть выполнен из порошков SiO₂, Al₂О₃, TiO₂ или из их смесей.

Изолирующая вставка может быть выполнена из термоустойчивой пластмассы, в которой может содержаться наполнитель в виде стеклянных, асбестовых, каменных и графитовых волокон или их смесей. Изолирующая вставка может быть выполнена в виде пластмассовой трубки. Изолирующая вставка в виде пластмассовой трубки может быть запрессована в корпус пиротехнического генератора и припрессована к сепаратору или аноду (катоду) или к смеси электролитного материала с анодом (катодом) или к смеси пиротехнического состава с электролитным материалом и с анодом (катодом). Изолирующая вставка в виде пластмассовой трубки может быть запрессована в корпус пиротехнического генератора и одним концом запрессована в чашеобразный анод и припрессована к сепаратору. Внутренняя поверхность изолирующей вставки может быть покрыта токопроводящим материалом или к ней может примыкать или быть в нее запрессована токопроводящая тонкостенная трубка, или в нее может быть запрессован металлический порошок.

Электролитный материал запрессован в корпус у закрытого конца и контактирует с нагревателем, который также может быть и его составной частью, а к нему припрессована гальваническая ячейка, состоящая из анода (катода), сепаратора, катода (анода), причем анод (катод) и электролитный материал может составлять одно целое. Электролитный материал, анод (катод) и сепаратор могут быть запрессованы непосредственно в корпус, а катод (анод) отделен от корпуса изолирующей вставкой. Электролитный материал и анод (катод) могут быть запрессованы непосредственно в корпус, а сепаратор и катод (анод) отделены от корпуса изолирующей вставкой. В обоих случаях корпус является одним из контактов пирогенератора, второй контакт образован проводящим покрытием на внутренней поверхности изолирующей вставки и/или запрессованным в изолирующую вставку металлическим порошком. Электролитный материал может содержать в себе от 30 до 90 весовых процентов анодного (катодного) материала.

Анод может быть пористым и/или дырчатым и/или по крайней мере с одним отверстием и/или углублением и содержать или полностью состоять из порошков Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Pb, Si или из их смесей. Анод может быть выполнен в виде дырчатой и/или по крайней мере с одним отверстием перегородки из металлов Li, Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Pb, Si или из их сплавов. Анод может быть выполнен чашеобразным из металла и иметь по центру отверстие. Диаметр отверстия в аноде в виде перегородки из металла или в чашеобразном аноде может быть меньше наружного диаметра перегородки из металла или чашеобразного анода от 2 до 20 раз. Перегородка из металла может иметь дополнительное углубление вокруг отверстия (со стороны, обращенной к сепаратору), а чашеобразный анод может иметь дополнительное углубление вокруг отверстия (со стороны, обращенной к сепаратору), при этом диаметр углубления в перегородке или в чашеобразном аноде в 1,1-8 раз больше диаметра отверстия. Глубина дополнительного углубления в аноде вокруг отверстия может составлять от 5% до 95% толщины металла анода.

Катод может содержать или быть полностью выполненным из порошков графита или фторированного углерода (C₂F_x)_n, или из их смесей.

Катод и/или электролитный материал может содержать от 3% до 97% деполяризатора катионов в виде окислителя. Окислитель может содержать или полностью состоять из оксидов металлов Mn₂O₃, Ni₂O₃, HgO, CuO, Cu₂O, V₂O₅, МоО₃, Bi₂O₃, PbO₂, Pb₃O₄ или из их смесей. Окислитель может содержать или полностью состоять из хлоратов и перхлоратов KClO₃, NaClO₃, Ва(ClO₃)₂, MgClO₄, KClO₄, NaClO₄, NH₄ClO₄ или из их смесей. Окислитель может содержать или полностью состоять из нитратов Ba(NO₃)₂, KNO₃, NH₄NO₃, Sr(NO₃)₂, Pb(NO₃)₂, NaNO₃ или из их смесей. Окислитель может содержать или полностью состоять из перманганатов KMnO₄, BaMnO₄ или из их смесей. Окислитель может содержать или полностью состоять из хроматов K₂Cr₂O₇, CaCrO₄, PbCrO₄, BaCrO₄ или из их смесей. Окислитель может содержать или полностью состоять из пероксидов SrO₂, BaO₂, Н₂O₂, CaO₂ или из их смесей.

Электролитный материал при нагревании, согласно процессам кипения, испарения, горения, разложения, пиролиза, синтеза и взрывного превращения, выделяет жидкопарогазовую ионопроводящую субстанцию с кислыми или основными свойствами.

Электролитный материал может представлять собой пористую, капиллярную или ионообменную мембрану, в капиллярах или порах которой находится электролит. Электролит может представлять собой раствор HNO₃, H₂SO₄, KОН, NaOH, H₂PO₄, HCl, HF, NH₄Cl или их смеси. Капиллярная мембрана может изготавливаться на основе асбеста, картона и пористых полимерных материалов, таких, как мипласт из поливинилхлоридной смолы, мипор из микропористого эбонита, поровинил и винипор. Ионообменная мембрана может изготавливаться на основе фторированных полимеров с общей формулой

.

Электролитный материал может содержать или полностью состоять из капсул или микрокапсул с жидким электролитом, которые разрушаются при нагреве.

Электролитный материал может содержать или полностью состоять из смеси водорастворимых электролитных веществ с капсулами или микрокапсулами, содержащими воду и разрушающимися при нагреве.

Электролитный материал может содержать или полностью состоять из кристаллогидратов солей или из их смесей. При этом кристаллогидраты могут выбираться из LiBr·XH₂O, MgCl₂·XH₂O, Na₃PO₄·XH₂O, CaHPO₄·Н₂O, Са(Н₂PO₄)₂·Н₂O, CaSO₄·2H₂O, K₂С₂O₄·Н₂O, Li₂C₂O₄·XH₂O, Li₂SO₄·H₂O, LiOOCH·XH₂O, KNaC₄H₄O₆·XH₂O, NaH₂PO₂·H₂O, NaOOCCH₃·XH₂O, Na₂B₄O₇·XH₂O, N₂H₄·H₂O.

Электролитный материал может содержать или полностью состоять из твердых кислот или из их смесей. При этом твердые кислоты могут выбираться из Н₃ВО₃, H₂WO₄, Н₃РО₃.

Электролитный материал может содержать или полностью состоять из солей серной (H₂O₄), соляной (HCl), фтористоводородной (HF), угольной (Н₃СО₃), азотной (HNO₃), хлорноватой (HClO₃), хлорной (HClO₄), фосфорной (Н₃PO₄), тетрафторборной (HBF₄) кислот или их смесей. При этом соли могут выбираться из (NH₄)₂SO₄, LiAlCl₄, NH₄Cl, NH₄HF₂, (NH₂)₂CO, LiNO₃, NaNO₃, KNO₃, KClO₃, NaClO₃, Ва(ClO₃)₂, KClO₄, NaClO₄, MgClO₄, KBF₄, LiBF₄, NaBF₄, NH₄NO₃, NH₄ClO₄, (NH₄)H₂PO₄, NH₄BF₄.

Электролитный материал может содержать или полностью состоять из полимеров, сополимеров или их смесей, которые при нагреве разлагаются и продукты разложения которых обладают кислотными или основными свойствами. При этом полимеры и сополимеры могут выбираться из полиамидов, полиакриламидов, полиаминов, полиуретанов, полимочевины, полиуретанмочевины, поливинилхлорида, хлорированного поливинилхлорида, полиэтилена, хлорированного полиэтилена, поливинилиденхлорида, хлоропренового каучука, хлоркаучука, хлорпарафина, фторкаучука, поливинилиденфторида (фторопласт-2), сополимера тетрафторэтилена с этиленом (фторопласт-40), сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом (фторопласт-42), сополимера трифторхлорэтилена с винилиденфторидом (фторопласт-32).

Электролитный материал может содержать или полностью состоять из взрывчатых веществ или их смесей. При этом взрывчатые вещества могут браться из органических азотистых соединений ароматического, алифатического и гетероциклического рядов. Взрывчатые вещества могут выбираться из нитроклетчатки, тротила, динитронафталина, тринитробензола, нитрометана, пикриновой кислоты, нитроглицерина, нитрогликолей, ТЭНа (PETN, пентаэритриттетранитрат), тетрила, гексогена, октогена.

Нагревателем может служить пиротехнический состав или несколько составов, запрессованных послойно. Пиротехнические составы могут представлять собой композиции из порошков Al/Fe₂O₃, В/Fe₂O₃, Si/Pb₃O₄, W/Bi₂O₃, W/BaCrO₄/KClO₄ или их смеси. Пиротехнические композиции могут содержать от 5 до 95 весовых процентов электролитного материала. Нагреватель в виде запрессованного пиротехнического состава может иметь плоскую и/или по крайней мере с одним углублением поверхность, обращенную к электролитному материалу.

На фиг.1-16 показаны варианты пирогенератора, который включает в себя пористый (фиг.1), дырчатый (фиг.2), с одним отверстием (фиг.15) или с углублением (фиг.16) электролитный материал 1 (или его смеси с порошкообразным анодом 2 (фиг.6) или с катодом 3 (фиг.7)), который припрессован к плоскому (фиг.1) или с углублением (фиг.15) пиротехническому составу 4, расположенному у днища корпуса 5. Рядом с электролитным материалом 1 расположен пористый (фиг.1), или порошкообразный дырчатый (фиг.2), или металлический дырчатый (фиг.5), или металлический чашеобразной формы с одним отверстием (фиг.11-15) или металлический чашеобразной формы с углублением и одним отверстием (фиг.16) анод 2, к которому припрессован порошкообразный (фиг.1) или порошкообразный с отверстием (фиг.14) сепаратор 6. К сепаратору 6 припрессован пористый (фиг.1), или дырчатый (фиг.2), или с углублением (фиг.14) катод 3, который запрессован в изолирующую вставку 7, которая, в свою очередь, запрессована в корпус 8 пирогенератора (фиг.1), и частично в анод чашеобразной формы 2 (фиг.11-16). Изолирующая вставка 7 удерживает контакт 9 в виде металлической пластины, припрессованной к торцу катода (анода) (фиг.1), или в виде запрессованного металлического порошка (фиг.12), или расположенный коаксиально внутри изолирующей вставки в виде тонкостенной токопроводящей трубки или токопроводящего покрытия на внутренней поверхности изолирующей трубки (фиг.13). Вторым контактом 10 служит корпус 8 пирогенератора, который имеет запальное отверстие 11 в днище корпуса 5.

Анод может быть выполнен чашеобразной формы из алюминия или цинка и иметь по центру отверстие (в принципе, отверстий может быть больше, и располагаться они могут по всей площади стенки), диаметр которого меньше наружного диаметра чашеобразного анода от 2 до 20 раз. Отверстие в таком чашеобразном аноде может быть заполнено электролитным материалом или материалом сепаратора. Кроме того, материал сепаратора, находящийся в отверстии чашеобразного анода, может выходить за пределы анода и заканчиваться или в электролитном материале или в пиротехническом составе. В свою очередь, электролитный материал, находящийся в отверстии чашеобразного анода, может входить внутрь гальванической ячейки и заканчиваться либо в сепараторе, либо в катоде. Такие различные варианты сопряжений между элементами позволяют подбирать наилучшую эффективность работы пирогенератора при использовании различных химикалий или веществ для его элементов.

В выполненных из порошков пиротехническом составе, электролитном материале, аноде, сепараторе и катоде отверстия и/или углубления могут иметь диаметр от 2 до 20 раз меньший, чем внутренний диаметр корпуса пиротехнического генератора. В выполненных из порошков пиротехническом составе, электролитном материале, аноде, сепараторе и катоде глубина углублений может составлять от 1% до 99% толщины пиротехнического состава, электролитного материала, анода, сепаратора и катода соответственно. В выполненных из порошков пиротехническом составе, электролитном материале, аноде, сепараторе и катоде отверстия и/или углубления заполнены электролитным материалом и/или материалом сепаратора.

Указанные на фиг.1-16 пирогенераторы работают следующим образом. В результате интенсивного разогрева электролитного материала 1 (или его смеси с порошкообразным анодом 2 или с катодом 3), который или припрессован к пиротехническому составу 4 (фиг.1-7, 11-16), или совмещен с пиротехническим составом (фиг.8-10), он претерпевает агрегатные, химические или физические изменения, в результате которых образуется жидкопарогазовая ионопроводящая субстанция, способная под действием собственного давления быстро заполнять поры или дырки в сепараторе 6, тем самым активируя пирогенератор. В первом периоде времени с момента включения пирогенератора и до остановки движения ионопроводящей субстанции устройство работает в режиме генератора, то есть для создания электрической энергии расходуется не только химическая энергия гальванической ячейки, но и энергия механического движения ионопроводящей субстанции и ее внутренняя (тепловая) энергия. В этом режиме отдаваемая пирогенератором электрическая мощность и электрическое напряжение, возникающее на контактах пиротехнического генератора 9 и 10, значительно выше, чем у классической гальванической ячейки, выполненной из тех же материалов. Во втором периоде времени, после остановки движения ионопроводящей субстанции и ее остывания, пирогенератор работает в гальваническом режиме, то есть в обычном режиме работы гальванической ячейки. Соотношение времен работы пирогенератора в двух указанных режимах зависит в основном от вида электролитного, анодного и катодного материалов. Так, например, некоторые электролитные материалы могут только испаряться при нагреве и конденсироваться на элементах гальванической ячейки, поэтому пирогенераторы с такими электролитными материалами имеют короткий первый и длительный второй режимы работы. При использовании же электролитных материалов, особенно тех из них, в которых содержатся вещества, выделяющие в результате химического распада дополнительную энергию (хлораты, перхлораты и взрывчатые вещества), наоборот, пирогенераторы имеют длительный первый и короткий второй режимы работы. В целях уменьшения времени запуска полезно совмещать электролитный материал 1 с анодом 2 (фиг.6) или катодом 3 (фиг.7), тем самым укорачивая путь движения ионопроводящей субстанции. С этой целью порошкообразный анод или катод смешивается с порошками, кристаллами или гранулами электролитного материала. Дополнительное укорочение пути движения ионопроводящей субстанции можно так же достичь за счет замены порошкообразного анода на анод в виде тонкой дырчатой перегородки или мембраны (фиг.5) из металла. В этих же целях можно совмещать пиротехнический состав 4 и электролитный материал 1 (фиг.8), и, наконец, можно совмещать анод 2 либо катод 3 с электролитным материалом 1 и пиротехническим составом 4 в единой композиции, которая размещается у закрытого конца корпуса (фиг.9, 10).

В предлагаемых конструкциях шлак пиротехнического состава должен отвечать двум требованиям: иметь высокую прочность и высокую температуру. Эти два требования являются взаимоисключающими, и их не всегда можно выполнить в одном пиротехническом составе, поэтому полезно использовать два или несколько пиротехнических составов, запрессованных послойно один за другим. Например, в качестве первого пиротехнического состава запрессовывается Si/Pb₃O₄, или W/Bi₂O₃, имеющие прочный шлак, но низкую температуру, а в качестве второго пиротехнического состава запрессовывается Al/Fe₂О₃, или В/Fe₂O₃, которые имеют быструю скорость горения, высокую температуру до 2500°С, но не имеют крепкого шлака.

Пример 1. Было изготовлено 10 шт. пирогенераторов согласно фиг.1 по следующей технологии. В корпус пиротехнического генератора (колпачок), выполненный из стали с внутренним диаметром 5 мм и с запальным отверстием диаметром 1 мм в днище, последовательно запрессовывались пиротехнический состав 35% Si / 65% Pb₃O₄ толщиной 2 мм, электролитный материал, состоящий из кристаллогидратов MgCl₂·H₂O толщиной 0,5 мм, анодный материал из порошка Al толщиной 0,3 мм, сепаратор из порошка Al₂О₃ толщиной 0,3 мм, устанавливалась изолирующая вставка из пластмассы с внутренним отверстием диаметром 3 мм, в которую запрессовывался катод из смеси порошков графита и PbO₂ в равных частях, толщиной 2 мм, который одновременно служил и контактом пиротехнического генератора. Вторым контактом служил колпачок. Испытания генераторов показали, что под нагрузкой 1000000 Ом (1 МОм) фронт нарастания напряжения представляет собой прямую линию со скоростью нарастания напряжения (крутизной фронта) примерно 0,2 вольта на миллисекунду (вольт/мс). Генераторный режим длился примерно 300 миллисекунд (мс), максимум напряжения при нем составил 2,1 вольт. Далее пиротехнический генератор перешел в гальванический режим, в котором продолжал работать еще 2 минуты с напряжением выше 1-го вольта. При этом замеры внутреннего сопротивления пиротехнического генератора показали, что на 10 миллисекунде (мс) внутреннее сопротивление составило 7 Ом, на 300 мс составило 30 Ом, на 1000 мс 100 Ом, на 2000 мс 500 Ом. Временная точность появления напряжения 1 вольт у всех пиротехнических генераторов лежала в пределах ±1,5 мс.

Пример 2. В конструкции примера 1 анод из порошка Al был смешан пополам с электролитным материалом MgCl₂·H₂O. Было изготовлено 10 шт. пиротехнических генераторов согласно фиг.6 с совмещенными электролитным и анодным материалами. Крутизна фронта у таких пиротехнических генераторов увеличилась до 0,43 вольт/мс, что связано, как представляется, с более коротким путем движения жидкопарогазовой ионопроводящей субстанции к катоду. Так же увеличилось время работы устройства в гальваническом режиме до 5 минут. Ввиду увеличившейся крутизны фронта точность появления одного вольта так же увеличилась и составила по десяти пиротехническим генераторам ±0,93 мс. Остальные характеристики изменились мало, хотя и наблюдалась некоторая тенденция к их ухудшению.

Пример 3. Анод пиротехнического генератора был выполнен в виде неглубокой чашечки из алюминиевой сетки с размером ячейки 0,3 мм согласно фиг.6. Остальные элементы были те же, что и в примере 1. Крутизна фронта такого пиротехнического генератора составила 0,5 вольт/мс, но внутреннее сопротивление возросло примерно в три раза, при этом время работы в гальваническом режиме с напряжением выше 1-го вольта сократилось до 50 секунд.

Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть реализовано в заводских условиях при массовом выпуске с использованием известных технологий. Время запуска, то есть время нарастания мощности и напряжения от нуля до номинального значения, у пиротехнических генераторов по настоящему изобретению, в зависимости от их конструкции, колеблется от 1 до 10 миллисекунд, что позволяет запускать электронные таймеры с точностью от ±0,8 до ±5 миллисекунд. Кроме того, в начальный период работы такие пиротехнические генераторы обладают максимальной мощностью за счет расходования не только химической, а также тепловой и кинетической энергии ионопроводящей субстанции. После остановки движения последней, мощность генератора, по мере его остывания, равномерно снижается до обычных характеристик данной гальванической ячейки, и в этом режиме устройство может работать от нескольких минут до нескольких дней, в зависимости от применяемых в гальванической ячейке материалов.

Источники информации

1. Электроника. Энциклопедический словарь. Под ред. В.Г.Колесникова, М., Советская энциклопедия, 1991 г., с.536.

2. Н.В.Коровин. Новые химические источники тока. М., Энергия, 1978 г., с.73.

3. Патент РФ №2095745 от 20.09.1996 по кл. F42C 11/00, Н01М 6/20 (прототип).

Изобретение относится к пиротехническим резервным источникам электрического тока, принцип действия которых основан на преобразовании химической энергии в электрическую в гальванической ячейке, содержащей анод, сепаратор с электролитом и катод, а сам источник способен длительное время находиться в неактивированном режиме и вырабатывать электрическую энергию только после активации, достигается тем, что по электролитному материалу, находящемуся в закрытой камере, соединенной каналами с сепаратором гальванической ячейки, наносится тепловой удар от нагревателя, например пиротехнического состава, в результате чего электролитный материал, вскипая, разлагаясь, реагируя, распадаясь, выделяет жидкопарогазовую ионопроводящую субстанцию, которая, под действием возникающего в камере повышенного давления, быстро заполняет сепаратор и активирует гальваническую ячейку. В качестве электролитного материала могут использоваться так называемые капиллярные и пористые мембраны, содержащие жидкий электролит, сухие смеси из электролитных солей и микрокапсул с водой, кристаллогидраты, кислоты и их соли, полимерные материалы, взрывчатые вещества, а так же смеси вышеперечисленных материалов. Позволяет ускорить запуск генератора. 58 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Пиротехнический генератор, содержащий металлический стаканообразный корпус с нагревателем, два контакта, разделенные с одной стороны изолирующей вставкой, а с другой электролитным материалом и гальванической ячейкой, состоящей из анода, сепаратора и катода, отличающийся тем, что электролитный материал запрессован в корпус у закрытого конца с обеспечением контакта с нагревателем, а к электролитному материалу припрессована гальваническая ячейка.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что нагреватель является составной частью электролитного материала.3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что анод и/или катод являются составной частью электролитного материала.4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электролитный материал, анод и сепаратор запрессованы непосредственно в корпус, а катод отделен от корпуса изолирующей вставкой или электролитный материал, катод и сепаратор запрессованы непосредственно в корпус, а анод отделен от корпуса изолирующей вставкой.5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электролитный материал и анод запрессованы непосредственно в корпус, а сепаратор и катод отделены от корпуса изолирующей вставкой или электролитный материал и катод запрессованы непосредственно в корпус, а сепаратор и анод отделены от корпуса изолирующей вставкой.6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электролитный материал расположен в капсуле, которая имеет стенку с, по крайней мере, одним отверстием в сторону анода, сепаратора и катода.7. Генератор по п.6, отличающийся тем, что указанная стенка с, по крайней мере, одним отверстием в капсуле является анодом или катодом.8. Генератор по п.6, отличающийся тем, что капсула контактирует с нагревателем.9. Генератор по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен в виде чашечки из алюминия или цинка и имеет по центру отверстие.10. Генератор по п.7, отличающийся тем, что диаметр отверстия в чашечке меньше наружного ее диаметра от двух до двадцати раз.11. Генератор по п.7, отличающийся тем, что отверстие в чашечке заполнено электролитным материалом или сепаратором, расположенным в вышеуказанной чашечке.12. Генератор по п.7, отличающийся тем, что изолирующая вставка одним концом запрессована в чашечку и припрессована к сепаратору.13. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность изолирующей вставки покрыта токопроводящим материалом или к ней примыкает металлическая вставка в виде тонкостенной трубки.14. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электролитный материал содержит в себе от 30 до 90 вес.% материала, из которого изготовлен анод или катод.15. Генератор по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен из порошков Mg, Al, Zn, Mn, Fe, Cd, Pb или из их смесей.16. Генератор по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен в виде дырчатой перегородки из Li, Mg, Al, Zn, Mn, Fe, Cd, Pb, Si или из их сплавов.17. Генератор по п.1, отличающийся тем, что катод выполнен из порошков графита, фторированного углерода (C₂F_x)_n, W, Мо или из их смесей.18. Генератор по п.1, отличающийся тем, что катод и/или электролитный материал содержит деполяризатор катионов в виде окислителя.19. Генератор по п.18, отличающийся тем, что окислитель состоит из оксидов металлов AgO, MnO₂, Mn₂О₃, Ni₂O₃, HgO, CuO, Cu₂О, V₂O₅, МоО₃, Bi₂O₃, PbO₃, Pb₃O₄ или из их смесей.20. Генератор по п.18, отличающийся тем, что окислитель состоит из хлоратов и перхлоратов KClO₃, NaClO₃, Ва(ClO₃)2, MgClO₄, KClO₄, NaClO₄, NH₄ClO₄ или из их смесей.21. Генератор по п.18, отличающийся тем, что окислитель состоит из нитратов Ba(NO₃)₂, KNO₃, NH₄NO₃, Sr(NO₃)₂, Pb(NO₃)₂, NaNO₃ или из их смесей.22. Генератор по п.18, отличающийся тем, что окислитель состоит из перманганатов KMnO₄, BaMnO₄ или из их смесей.23. Генератор по п.18, отличающийся тем, что окислитель состоит из хроматов К₂Cr₂O₇, CaCrO₄, PbCrO₄, BaCrO₄ или из их смесей.24. Генератор по п.18, отличающийся тем, что окислитель состоит из пероксидов SrO₂, BaO₂, Н₂O₂, CaO₂ или из их смесей.25. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электролитный материал представляет собой капиллярную или ионообменную мембрану, в капиллярах или порах которой находится электролит.26. Генератор по п.25, отличающийся тем, что электролит представляет собой раствор HNO₃, H₂SO₄, КОН, NaOH, H₂PO₄, НС1, HF, NH₄Cl.27. Генератор по п.25, отличающийся тем, что капиллярная мембрана изготовлена на основе асбеста, картона и пористых полимерных материалов типа мипласта из поливинилхлоридной смолы, мипора из микропористого эбонита, поровинила, винипора.28. Генератор по п.25, отличающийся тем, что ионообменная мембрана изготовлена на основе фторированных полимеров с общей формулой