СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДЛЯ ТЕПЛОВОГО ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H01M6/36 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве тепловых химических источниках тока (ТХИТ).

ТХИТ представляет собой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов и разогревающих их до рабочей температуры пиротехнических нагревателей (ПТН). Тепловой расчет ТХИТ базируется на удельной калорийности пиротехнического состава, полученной в калориметрическом опыте в условиях, близких к адиабатическим.

При неадиабатическом горении, которое имеет место в ТХИТ, необходимо обеспечить такие условия горения ПТН, при которых количество выделившегося тепла с одного грамма пиротехнического состава было максимально близко к удельному тепловыделению, полученному в калориметрическом опыте, т.е. обеспечить полноту сгорания ПТН, соответствующую выбранному соотношению компонентов пиротехнического состава. Только при таких условиях будет обеспечен тепловой баланс между электрохимическим элементом и греющим его ПТН.

Наиболее широкое применение для ПТН получили составы, содержащие в качестве горючего компонента мелкодисперсные порошки железа, а окислителем является перхлорат калия. Такой пиротехнический состав, как правило, имеет отрицательный кислородный баланс, при котором температура во фронте горения ниже температуры плавления продуктов сгорания и все они находятся в конденсированной фазе. Это сохраняет неизменность геометрических размеров сгоревших ПТН. В продуктах сгорания содержится не сгоревшее железо, что определяет их высокую электропроводность и это позволяет использовать в качестве катодных электросъемников и коммутирующих деталей между электрохимическими элементами.

Такие ПТН не деформируются при сгорании, выделяют мало газов, просты в изготовлении, обладают идентичностью, воспроизводимостью, взаимозаменяемостью и безопасностью в работе.

Известен способ изготовления ПТН для ТХИТ [Пат. 45-29530 Япония, Кл. Н01М 6/36 от 28.03.67], когда пиротехнический состав, состоящий из 17,53% перхлората калия, 4,7% порошкового циркония, 12,05% хромата бария и 66,35% железа, вместе со спиртом смешивают в шаровой мельнице, просушивают и прессуют давлением (0,3-12,2) МПа в необходимую форму, чаще всего в виде круглых таблеток.

Недостатком способа является сложность технологического процесса приготовления пиротехнического состава и, хотя давление прессования обеспечивает достаточную механическую прочность пиронагревателя, в способе не учитываются требования к условиям, обеспечивающим полноту сгорания при неадиабатическом горении. Возможны случаи не воспламенения при инициировании или затухание фронта горения из-за высокой теплопроводности состава, значение которой зависит от плотности ПТН и дисперсности компонентов, входящих в состав.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ [RU 2091917 С1, кл. Н01М 6/36 от 21.06.84] изготовления пиротехнических нагревателей, включающий приготовление исходных компонентов железа, молибдена и перхлората калия, перемешивания их в шаровой мельнице и прессование в таблетки. Полученные пиронагреватели из этого состава обладают высокой скоростью горения и чувствительностью к тепловому импульсу, что позволяет уменьшить критическую толщину нагревателя, и, тем самым, позволило расширить возможность их использования для малогабаритных ТХИТ.

Недостатком известного способа изготовления пиронагревателей является низкая полнота сгорания пиронагревателя в неадиабатических условиях сгорания в условиях ТХИТ.

Это объясняется тем, что критическая толщина нагревателя, определенная в известном техническом решении чувствительностью состава, не учитывает влияния теплопотерь на распространение фронта экзотермической реакции. Для железосодержащих пиронагревателей, обладающих высокой теплопроводностью, эти потери будут весьма значительны и зависеть от плотности пиронагревателей и дисперсности входящих в пиротехнический состав порошков железа. При высокой плотности возможны случаи не воспламенения при инициировании ПТН или затухание фронта горения за счет теплопотерь в самих ПТН.

Эти недостатки объясняются тем, что в известном способе изготовления ПТН не учитывается сложная взаимосвязь давления прессования и дисперсности порошков железа, которые в решающей степени определяют плотность и характер горения ПТН.

Целью настоящего изобретения является получение максимальной полноты сгорания пиронагревателя в неадиабатических условиях горения.

С этой целью предлагается способ изготовления пиротехнического нагревателя для теплового химического источника тока, включающий сушку и измельчение перхлората калия, сушку мелкодисперсного порошка железа и молибдена, перемешивание компонентов в шаровой мельнице и прессование в таблетки, отличающийся тем, что с целью получения максимальной полноты сгорания нагревателей в неадиабатических условиях горения в источниках тока прессование таблеток производится давлением (200-300)МПа с выдержкой под давлением (20-30) с до плотности (4,6-4,9) г/см³ при средней дисперсности порошка железа (1,0-2,5) мкм и (4,9-5,2) г/см³ при средней дисперсности (2,5-5,0) мкм.

Предложенный способ изготовления ПТН впервые определяет взаимосвязь плотности от средней дисперсности порошка железа, обеспечивающий полноту сгорания в не адиабатических условиях горения в составе ТХИТ. Определены для обеспечения этих условий давление прессования и время выдержки под прессом. Верхние границы плотности для средней дисперсности порошка железа (1-2,5) мкм и (2,5-5,0) мкм, равные соответственно 4,9 г/см³ и 5,4 г/см³, определены надежностью полного сгорания в условиях не адиабатического горения в соответствии с выбранным соотношением компонентов пиротехнической смеси. Нижние границы плотности 4,6 г/см³ и 4,9 г/см³, соответственно, для средней дисперсности порошка железа (1,0-2,5) мкм и (2,5-5) мкм, определены требованиями надежной механической прочности при совершении операций прессования и технологических операций при сборке ТХИТ.

Выдержка спрессованного ПТН под давлением в течение (20-30) с определена необходимостью формирования взаимного расположения частиц компонентов состава в пресс-инструменте и снятия внутренних перенапряжений в сформованной таблетке ПТН с целью обеспечения жестких требований по геометрическим размерам после удаления его из пресс-инструмента.

Давление прессования тесно связано с заявленными параметрами образцов ПТН. При давлении прессования ниже 200 МПа таблетки ПТН теряют свои механические качества, при давлении свыше 300 МПа - происходит переопрессовка образца ПТН, что ведет к уменьшению полноты сгорания в условиях неадиабатического горения.

Пример конкретного исполнения

Приготовлялась пиротехническая смесь для ПТН, включающая порошки перхлората калия 15_МАСС%, молибдена 10_МАСС% и железа 76_МАСС%.

Было приготовлено две партии смеси, в одной из которых использовались порошка железа дисперсностью (1,0-2,5) мкм, другой - порошок железа дисперсностью (2,5-5,0) мкм.

Прессование таблеток ПТН производилось с учетом дисперсности порошков железа. Регулирование плотности таблетки ПТН, являющейся основным параметром, обеспечивающим полноту сгорания ПТН в условиях неадиабатического горения, производилось путем регулировки давления прессования в диапазоне (200-300) МПа и временем выдержки под давлением (20-30) с, обеспечивающим неизменность геометрических размеров после выемки таблетки ПТН из пресс-формы. Дозирование навески ПТН и прессование производилось на пресс-автомате. Прессовались таблетки ПТН диаметром 35 мм и толщиной 0,85 мм.

Для испытаний опытных ПТН были собраны источники тока на электрохимической системе LiSi/LiCl-KCl/FeS₂. Испытания источников тока производились на нагрузку 25 Ом до напряжения 20 В.

В таблице 1 представлены результаты испытаний источников тока, собранных на ПТН плотностью (4,6-4,9) г/см³, отпрессованных из порошков железа дисперсностью (1,0-2,5) мкм (Образец №1) и ПТН плотностью (4,9-5,2) г/см³, отпрессованных из порошков железа дисперсностью (2,5-5,0) мкм (Образец №2).

Также приведены результаты испытаний источника тока, в котором использовались ПТН, отпрессованные без фиксации плотности в зависимости от дисперсности порошков железа.

Таблица 1 Источник тока τ_вр, с U_max, В τ_р, с Образец №1 0,55 34,7 180 Образец №2 0,75 34,8 176 Прототип 0,90 34,1 135

где τ_вр - время выхода на рабочий режим;

U_max - максимальное напряжение разряда;

τ_р - продолжительность работы.

Как видно из таблицы 1, источники тока, изготовленные на пиронагревателях, выполненных согласно предложенного технического решения, имеют более высокие характеристики: уменьшилось время выхода на рабочий режим и увеличилась продолжительность работы.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в производстве тепловых химических источников тока. Техническим результатом изобретения является получение максимальной полноты сгорания пиротехнических нагревателей, содержащих в качестве горючего мелкодисперсные порошки железа. Согласно изобретению прессование нагревательных таблеток производится давлением (200-300) МПа с выдержкой под давлением (20-30) с до плотности (4,6-4,9) г/см³ при средней дисперсности порошка железа (1,0-2,5) мкм и (4,9-5,2) г/см³ при средней дисперсности порошка железа (2,5-5,0) мкм. 1 пр., 1 табл.

Способ изготовления пиротехнического нагревателя для теплового химического источника тока, включающий сушку и измельчение перхлората калия, сушку мелкодисперсного порошка железа и молибдена, перемешивание компонентов в шаровой мельнице и прессование в таблетки, отличающийся тем, что прессование таблеток производится давлением (200-300) МПа с выдержкой под давлением (20-30) с до плотности (4,6-4,9) г/см³ при средней дисперсности порошка железа (1,0-2,5) мкм и (4,9-5,2) г/см³ при средней дисперсности (2,5-5,0) мкм.