ТЕПЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 2010 года по МПК H01M6/20 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, к области резервных химических источников тока на твердом теле и может быть использовано для изготовления теплового источника тока с ионной проводимостью.

Известно устройство теплового источника тока, содержащего блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, с теплонагревательными элементами между ними, ограниченными с внешней стороны общим корпусом (патент РФ №1833080, МПК H01M 6/20, публ. 05.10.1995 г., БИ 28/95).

Недостатками данного устройства являются недостаточно высокие показатели энергоемкости и непродолжительные периоды работы и гарантийного срока хранения.

Известно в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому устройство теплового источника тока (ТХИТ) (патент РФ №2091918, МПК H01M 6/36, публ. 27.09.1997 г., БИ №27/97), содержащего блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией.

К недостаткам прототипа относятся невысокие показатели энергоемкости, невысокий ресурс работы и уровень электрохимических характеристик теплового химического источника тока (ТХИТ).

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка ТХИТ, обеспечивающего требования по массово-габаритным ограничениям с повышенным ресурсом работы, повышенной энергоемкостью при одновременном сохранении электрохимических характеристик.

Новый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении требований по массово-габаритным ограничениям, повышении ресурса работы за счет стабилизации теплового режима и энергоемкости при одновременном сохранении электрохимических характеристик.

Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в отличие

от известной конструкции теплового источника тока, содержащего блок электрохимических элементов в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с крышкой, в предлагаемой конструкцией, блок электрохимических элементов жестко фиксирован на крышке корпуса вдоль вертикальной оси его, в качестве основных нагревательных элементов между слоями электрохимических элементов установлены пиронагреватели, которые выполнены из материала на основе смеси мелкодисперсного титанового и алюминиевого порошков, дополнительно по внешнему контуру блока электрохимических элементов выполнен пиронагревательный элемент в виде втулки из материала основных нагревательных элементов, теплоизоляция теплового источника тока выполнена составной из слоев мелкозернистого кварцевого волокна и нетканого теплостойкого волокнистого пресс-материала, пиротехническая втулка расположена между указанными слоями теплоизоляции, а на общем основании, жестко фиксированном на крышке корпуса, смонтированы электровоспламенители для активации ТХИТ и индикатор рабочего состояния, по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ, электрически не соединенному с другими ЭХЭ.

Предлагаемая конструкция ТХИТ поясняется следующим образом.

На чертеже представлен вид предлагаемого теплового химического источника тока, где 1 - цилиндрический корпус, выполненный преимущественно из стали, на котором жестко фиксирована, например сваркой, крышка 2, ограничивающая собой герметичное пространство ТХИТ. Вдоль вертикальной оси цилиндрического корпуса в герметичном пространстве источника установлен и жестко фиксирован блок электрохимических элементов (ЭХЭ) 3. Блок электрохимических элементов состоит из расчетного количества чередующихся последовательно собственно электрохимических элементов и нагревательных элементов. Каждый ЭХЭ представляет собой пресс-пакет из твердых слоев анода, электролита и катода. Для нагрева блока ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электрической связи между ними установлены пиронагреватели, которые выполнены из материала на основе смеси мелкодисперсного титанового и алюминиевого порошков. Каждый слой пиронагревательного элемента представляет собой запрессованный в металлическую оболочку тепловыделяющий пиротехнический состав. Система пиронагевательных элементов задействуется при срабатывании электровоспламенителей (ЭВ) 4 и пиротехнических соединительных элементов 6. Для сохранения необходимой рабочей температуры в блоке ЭХЭ в период работы ТХИТ по внутренним поверхностям цилиндрического корпуса 1 и крышки 2 установлены в качестве составной теплоизоляции теплоизоляционные элементы 8, 9, 10, при этом крышка 2 электро- и теплоизолирована теплоизоляционным материалом 11, 12.

Корпус 1 и крышка 2 выполнены из стали с толщиной стенок от 0,5 мм до 1 мм, что, как подтверждено экспериментально, оптимально для обеспечения достаточной механической прочности ТХИТ и для соблюдения заданных ограничений по массе.

Блок ЭХЭ теплоизолирован со всех сторон теплоизоляционным материалом, состоящим из слоев мелкозернистого кварцевого волокна, имеющим низкий коэффициент теплопроводности.

В тепловом источнике на общем основании 5 установлены элементы системы активации с электровоспламенителями (ЭВ) 4 и индикатор контрля 7 рабочего состояния ТХИТ. Для обеспечения требуемого времени работы ТИТ по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ (электрически не соединенному с другими ЭХЭ), что способствует стабилизации теплового режима по оси блока ЭХЭ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче импульса тока на электрический мостик ЭВ от постороннего источника тока срабатывает ЭВ и дает форс пламени на систему пиротехнических соединительных элементов 6, выполненных в виде пиротехнической ленты, при горении которых воспламеняются пиронагревательные элементы, установленные между слоями ЭХЭ. При достижении рабочей температуры электролит становится ионопроводящим, а на ЭХЭ возникает разность потенциалов, после нарастания которой до требуемой величины ТХИТ готов к работе.

Высокие температуры ионных расплавов, использование энергоемких электрохимических пар (LiB-NiCl₂), как это было экспериментально показано, обеспечивает в предлагаемом тепловом химическом источнике тока высокие удельные показатели - рабочие напряжения (2,1-2,6 В на один элемент) и значительные плотности тока разряда (до 0,5 А/см² в импульсном режиме), что значительно превышает показатели прототипа.

Таким образом, при использовании предлагаемого теплового источника тока обеспечиваются требования по массово-габаритным ограничениям, повышение ресурса работы и энергоемкости за счет стабилизации теплового режима при одновременном сохранении электрохимических характеристик.

Возможность промышленной реализации предлагаемого теплового химического источника тока подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый ТХИТ был реализован в виде опытного образца теплового химического источника тока. Он представляет собой установленные по вертикальной оси в цилиндрическом корпусе 1 (см. чертеж), соединенном герметично аргонно-дуговой сваркой с крышкой 2 11 единиц ЭХЭ в составе блока ЭХЭ - 3. Корпус 1 и крышка 2 выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, толщина стенок 0,7 мм. Блок ЭХЭ крепится на крышке с помощью 3-х винтов М4-7Н. Необходимое рабочее напряжение теплового источника тока (ТИТ) обеспечивается путем последовательного соединения (набора в «столб») всего пакета ЭХЭ. В ТХИТ по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ. Для нагрева ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электрической связи между ЭХЭ установлены запрессованные в металлическую оболочку пиротехнические составы.

Для сохранения необходимой температуры в блоке ЭХЭ 3 и ограничения температуры корпуса 1 по его внутренним поверхностям установлены теплоизоляторы 8, 9, 10, выполненные из ТЗМК-20 ТУ 1-596-290-89, при этом крышка 2 дополнительно тепло- и электроизолирована слоями теплоизоляционных материалов 11, 12 («Картон -Н» 4682601.013-89 ТУ, слюда ССП ГОСТ 13750-88).

Пример 2. Для увеличения ресурса рабочего времени ТХИТ в качестве опытного образца реализовано предлагаемое устройство по условиям примера 1, в котором по боковой поверхности блока ЭХЭ установлен дополнительно пиронагревательный элемент в виде втулки 13, расположенной между двумя слоями теплоизоляции (внутреннего из «Картон-Н» и внешнего - из материала ТЗМК-20). Пиротехническая втулка служит аккумулятором тепла, что позволяет расширить интервал поддержания рабочей температуры в блоке ЭХЭ.

Результаты измерений сведены в таблицу 1.

Как показали примеры и данные таблицы 1, использование предлагаемого ТХИТ позволило обеспечить требования по массово-габаритным ограничениям, повысить ресурс работы и энергоемкость за счет стабилизации теплового режима при одновременном сохранении электрохимических характеристик.

Таблица 1 Примеры реализации Наименование показателей Ед.изм. Значение показателей предлагаемого ТХИТ Значение показателей ТХИТ прототипа Срок годности ТХИТ Примечание 1 2 3 4 5 6 7 Прототип ТХИТ Характеристики:         Недостаточно высокие показатели энергоемкости, времени работы, массы, надежности Ток А   До 3,5 А   Напряжение В   21,0-30,0 В   Емкость А*с   277,0 17 лет Удельная энергия Вт*ч/кг   6,1   Время работы с   106,0   Габариты мм   ⌀47,5*70,2   Масса г   310,0   Предлагаемый ТХИТ Характеристики:         Улучшение по характеристикам: время работы, снимаемая емкость, удельная энергия, масса, надежность, стабилизация теплового режима Ток А До 3,5 А     Напряжение В 21,0-30,0 В     Емкость А*с 579,0     Удельная энергия Вт*ч/кг 17,5   17 лет Время работы с 199,0     Габариты мм ⌀47,5*70,2     Масса г 230,0    

Изобретение относится к области электротехники, к области резервных химических источников тока на твердом теле и может быть использовано для изготовления теплового источника тока с ионной проводимостью. Согласно изобретению тепловой источник тока содержит блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся твердые слои анода, катода, электролита, нагревательных элементов в расчетном количестве, снабженных теплоизоляцией. Блок электрохимических элементов жестко фиксирован на крышке цилиндрического корпуса вдоль вертикальной оси его, в качестве основных нагревательных элементов между слоями электрохимических элементов установлены пиронагреватели, которые выполнены из материала на основе смеси мелкодисперсного титанового и алюминиевого порошков и/или их соли, которые соединены с системой активации из электровоспламенителей для инициирования ЭХЭ. Дополнительно по внешнему контуру блока электрохимических элементов выполнен пиронагревательный элемент в виде втулки из материала основных нагревательных элементов, теплоизоляция блока электрохимических элементов выполнена составной из слоев мелкозернистого кварцевого волокна и нетканого волокнистого пресс-материала, пиротехническая втулка внутри и снаружи снабжена указанными слоями теплоизоляции, а на общем основании, жестко фиксированном на крышке корпуса, смонтированы электровоспламенители для активации и индикатор рабочего состояния, по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ, электрически не соединенному с другими ЭХЭ. Техническим результатом является обеспечение требований по массово-габаритным ограничениям, повышения ресурса работы за счет стабилизации теплового режима, энергоемкости при одновременном сохранении электрохимических характеристик. 1 ил., 1 табл.

Тепловой химический источник тока, содержащий блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся твердые слои анода, катода, электролита, нагревательных элементов в расчетном количестве, снабженных теплоизоляцией, отличающийся тем, что блок электрохимических элементов жестко фиксирован на крышке цилиндрического корпуса вдоль вертикальной оси его, в качестве основных нагревательных элементов между слоями электрохимических элементов установлены пиронагреватели, которые выполнены из материала на основе смеси мелкодисперсного титанового и алюминиевого порошков и/или их соли, которые соединены с системой активации из электровоспламенителей для инициирования ЭХЭ, дополнительно по внешнему контуру блока электрохимических элементов выполнен пиронагревательный элемент в виде втулки из материала основных нагревательных элементов, теплоизоляция блока электрохимических элементов выполнена составной из слоев мелкозернистого кварцевого волокна и нетканого волокнистого пресс-материала, пиротехническая втулка внутри и снаружи снабжена указанными слоями теплоизоляции, а на общем основании, жестко фиксированном на крышке корпуса, смонтированы электровоспламенители для активации и индикатор рабочего состояния, по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ, электрически не соединенному с другими ЭХЭ.