АМПУЛЬНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 2014 года по МПК H01M6/10 H01M6/30 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным химическим источникам тока ампульного типа, задействуемым при подаче электролита из ампулы в электродный отсек блока электрохимических элементов (ЭХЭ).

Известен химический источник тока ампульного типа (АХИТ) (патент РФ №2168805, МПК H01M 6/14, публ. 10.06.2001 г.), содержащий корпус с размещенными в нем электродными блоками и ампулами в виде сильфонов, заполненными неводным электролитом на основе тионилхлорида, газогенератором. Ампулы образуют с электродными блоками индивидуальный электрохимический элемент, на подвижной крышке ампулы герметично закреплена разрушающаяся мембрана, на неподвижных основаниях электродных блоков в зазоре, образованном основанием электродного блока и крышкой ампулы, жестко фиксированы элементы вскрытия ампул.

Известен прототип предлагаемого АХИТ (патент РФ №02290723, МПК H01M 6/10, публ. 27.12.2006 г.), содержащий в корпусе с крышкой, колпаком и перформированной перегородкой для впуска электролита в электродные блоки, по крайней мере, одну ампулу с электролитом на основе тионилхлорида, расчетное количество электродных блоков с ЭХЭ, при этом ампулы выполнены в виде сильфонов с подвижными основаниями и установленными на них элементами вскрытия ампул.

К недостаткам известных АХИТ относятся недостаточно высокие безопасность при работе и хранении, недостаточно высокие монтажные свойства и плотность сборки, что актуально при наличии жестких масс - габаритных ограничений при проектировании АХИТ, а также отсутствие средств для предотвращения несанкционированного выхода из строя оборудования АХИТ при удаленном доступе к нему.

Задачей авторов изобретения является разработка АХИТ повышенной безопасности, удобством монтажа, с высоким уровнем разрядных характеристик и в котором выполнены требования по масс - габаритным ограничениям.

Новый технический результат, обеспечиваемый при реализации предлагаемого АХИТ, заключается в повышении его безопасности, обеспечении монтажных свойств и требований по масс - габаритным ограничениям за счет повышения плотности сборки и повышении уровня разрядных характеристик.

Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в известном ампульном химическом источнике тока, содержащем в едином цилиндрическом корпусе с крышкой блоки электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых содержит расчетное количество ЭХЭ, ампулы с неводным электролитом на основе тионилхрода, систему активации, индикатор контроля рабочего состояния АХИТ, согласно предлагаемому изобретению все блоки ЭХЭ скомпонованы по крайней мере по двухканальной схеме с последовательным расположением независимых одноканальных блоков, каждый из которых снабжен индивидуальными сильфонными ампулами с элементами механического вскрытия этих ампул, каждый блок электрохимических элементов снабжен снаружи слоем керамической электроизоляции и выполнен в виде свернутых в рулон твердых слоев анода, катода, разделенных слоями сепараторов, блоки ЭХЭ расположены по периферии усиленного цилиндрического корпуса осесимметрично относительно друг друга и продольной оси цилиндрического корпуса и собраны на едином керамическом основании совместно с индикатором контроля рабочего состояния и системой активации источника тока, дополнительно в центре этого основания сформирована схема симметричной диодной защиты, при этом все ЭХЭ пневматически связаны посредством газораспределительной системы с системой активации, изготовленной совместно с индикатором исходного состояния, электрические контакты каждого независимого канала блоков ЭХЭ для соединения АХИТ с внешними потребителями расположены выводными контактами наружу от центра последнего.

Предлагаемый АХИТ поясняется следующим образом.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого АХИТ, где 1 - блок ЭХЭ 2 - колпак, 3 - цилиндрический корпус АХИТ, 4 - крышка, 5 - электрический соединитель, 6 - кронштейн.

Наличие жестких масс - габаритных ограничений для предлагаемого АХИТ и необходимость обеспечения высокого уровня разрядных электрических характеристик приводит к обязательному уплотнению общей конструкции АХИТ, в связи с чем сборку всех элементов конструкции ведут в едином усиленном металлическом корпусе, располагая блоки ЭХЭ осесимметрично относительно друг друга и продольной оси корпуса по его периферии на едином керамическом основании совместно с индикатором контроля, системой активации. Общая компоновка АХИТ выполнена по двухканальной схеме с последовательным расположением одноканальных блоков ЭХЭ с разворотом их на 180° относительно друг друга. Основу каждого независимого канала составляют, например, восемь соединенных электрически последовательно блоков ЭХЭ. Для удобства монтажа и контроля блоки ЭХЭ расположены электрическими контактами наружу.

В предлагаемом АХИТ цилиндрический корпус 3 выполнен усиленным из металла с повышенной толщиной стенок. С торцевых поверхностей цилиндрического корпуса выполнены фланцы для закрепления блоков ЭХЭ на резьбовой посадке. Для соединения блоков ЭХЭ первого и второго независимых каналов в АХИТ предусмотрены кронштейны 6 для установки электрических соединителей 5 каждого канала. Через соединители 5 осуществляется электрическая связь обоих каналов с внешними потребителями энергии, контроль исходного состояния и задействования АХИТ.

Исходя из требований минимизации габаритов АХИТ все ЭХЭ расположены равномерно по периферии керамического основания блока ЭХЭ, на корпусах ЭХЭ закреплена газораспределительная система для совмещения их с системой активации и элементами контроля исходного состояния блоков ЭХЭ, пневматически связывающая каждую ампулу ЭХЭ с источником импульса давления (газогенератором). На едином базовом основании с закрепленными на нем ЭХЭ в центре установлен блок диодов, содержащий колодки симметрично размещенных диодов, залитых изоляционным компаундом, выполняющий функцию защиты АХИТ от коротких замыканий.

За счет наличия электрической изоляции каждого ЭХЭ друг от друга и выполнения независимого для каждого блока ЭХЭ впуска электролита через индивидуальную ампулу предлагаемый АХИТ в целом обладает повышенной безопасностью и автономностью при обслуживании и контроле по сравнению с прототипом.

Предлагаемый АХИТ работает следующим образом.

При подаче электрического сигнала от внешнего источника на контакты газогенератора системы активации происходит срабатывание газогенератора (работающего на принципе сжигания пиротехнического элемента с выделением газообразного азота), выдающего импульс давления, который передается через газораспределительную систему одновременно в полость всех сильфонов ампул ЭХЭ и к индикатору контроля рабочего состояния АХИТ. Вследствие возрастания давления газа в корпусах электролитных блоков и перемещения сильфонов происходит срез разделительной мембраны и подача электролита на основе тионилхлорида в электродные блоки. В результате электрохимической реакции на контактах ЭХЭ появляется напряжение. При возрастании давления в газораспределительной системе происходит срабатывание индикатора контроля - разрыв закорачивающего проводника и при последующих проверках индикатор контроля соответствует состоянию АХИТ «задействовано».

При экспериментальных отработках предлагаемого АХИТ было подтверждено достижение нового технического результата, заключающегося в повышении его безопасности, обеспечении требований по масс - габаритным ограничениям за счет применения новой конструкции электродных блоков, увеличения площади электродов, повышения плотности сборки и повышении уровня разрядных характеристик.

Возможность промышленной реализации предлагаемого АХИТ подтверждается следующим примером конкретного выполнения.

Пример 1. В лабораторных условиях опробована работоспособность предлагаемого АХИТ на опытном образце, представляющем собой цилиндрическое устройство (фиг.1), состоящее из двух блоков ЭХЭ 1, колпака 2, цилиндрического корпуса 3, крышки 4, выполненных из нержавеющей стали и соединенных между собой сваркой.

Блоки ЭХЭ крепятся к торцевым поверхностям цилиндрического корпуса 1 винтами, позволяющими производить оперативную замену блоков ЭХЭ при монтаже или контроле. На крышке 4 установлены кронштейны 6 с электрическими соединителями 5, обеспечивающими электрическую связь каждого канала АХИТ с внешним потребителем. Для крепления АХИТ у потребителя на цилиндрическом корпусе 3 выполнен фланец с цилиндрическими крепежными отверстиями.

Блок ЭХЭ (фиг.2) является самостоятельной сборочной единицей (модулем), состоящем из 8 ЭХЭ (1), зафиксированных (клеем) на диэлектрическом основании 3, к которому переходными стойками крепится блок симметричных диодов 5 (диодная защита). К цилиндрическим втулкам корпусов ЭХЭ через керамические изоляторы 2 крепится корпус 7 газораспределительной системы, имеющий резьбовое отверстие для установки газогенератора 4 и цилиндрический выступ для установки индикатора контроля 6 исходного состояния блока ЭХЭ. Корпус 7 закрывается и герметизируется (сваркой) крышкой 8, образуя герметичный внутренний объем газораспределительной системы. Электрический монтаж блока ЭХЭ осуществляется через контакты ЭХЭ, блока диодов 5, индикатора контроля 6 и электрических выводов газогенератора 4. ЭХЭ (фиг.3) выполнен в виде двух последовательно соединенных цилиндров разного диаметра. В корпусе 5, имеющем меньший диаметр, установлен рулон электродов 1, изолированный по торцам прокладкой 4 с одной стороны и упором 6 с другой для предотвращения перемещения рулона электродов под действием гидравлического давления электролита при приведении ЭХЭ в рабочее состояние между знакопеременными токовыводами рулона электродов. С торцевой поверхности корпус 5 герметизирован крышкой 7 с изолирующими прокладками, имеющей отрицательный токовывод 8 и положительный гермовывод 9 на основе спая «металл - стекло - металл». В корпусе 3 большего диаметра ампула 2 с электролитом на основе тионилхлорида, включающая в свою конструкцию систему приведения (активации) ЭХЭ в рабочее состояние под действием давления газа, вырабатываемого газогенератором блока ЭХЭ (фиг.2), и подводимого к ампуле через специальный выступ с отверстиями корпуса 3. Разность диаметров корпусов электродного и электролитного блоков позволяют получить опорные поверхности для механического крепления ЭХЭ на диэлектрическом основании блока ЭХЭ.

Как показали эксперименты, использование предлагаемого АХИТ обеспечивает комплекс требований по масс - габаритным ограничениям за счет применения новой конструкции электродных блоков, увеличения площади электродов, улучшения монтажности, повышения плотности сборки и повышении уровня разрядных характеристик.

Таблица 1 Примеры реализации Количество независимых каналов в АХИТ Разрядные характеристики одного канала АХИТ Безопасность АХИТ АХИТ прототип Два с параллельным расположением каналов в едином корпусе Электрическая емкость не менее 30 А × мин. Напряжение от 21 до 30 В. Ток разряда до 1 А. Сопротивление изоляции между электрическими несвязанными цепями не менее 20 МОм Один блок электролитный связан с четырьмя электродными сборками. Возможен риск короткого замыкания между электродными сборками. Диодная защита вынесена как отдельный элемент за пределы АХИТ Предлагаемый АХИТ Два и более с последовательным расположением независимых каналов в едином корпусе Электрическая емкость не менее 120 А × мин. Напряжение от 21 до 30 В. Ток разряда до 3 А. Сопротивление изоляции между электрическими несвязанными цепями не менее 20 МОм Один блок электролитный связан с одной электродной сборкой. Исключен риск короткого замыкания между электродными сборками. Диодная защита встроена в конструкцию каждого блока ЭХЭ в составе АХИТ

Предложенное техническое решение относится к области электротехники, а именно к резервным химическим источникам тока ампульного типа (АХИТ). Повышение уровня разрядных характеристик АХИТ при безопасности работы и удобстве монтажа является техническим результатом заявленного изобретения. Устройство выполнено в виде цилиндрического корпуса с крышкой, в котором расположено расчетное количество блоков электрохимических элементов (ЭХЭ), в виде ампул, заполненных электролитом на основе тионилхлорида, систему активации, индикатор контроля исходного состояния ампульного химического источника тока. Все блоки ЭХЭ собраны по крайней мере по двухканальной схеме из последовательно расположенных независимых каналов, состоящих из одноканальных блоков ЭХЭ, каждый из которых снабжен индикатором контроля исходного состояния, системой активации и индивидуальной ампулой сильфонного типа с системой элементов для механического вскрытия этих ампул, каждый электродный блок ЭХЭ выполнен в виде свернутых в рулон твердых слоев анода, катода, разделенных слоями сепараторов, размещенных в корпусе, снабженном поверхностными слоями керамической электроизоляции. 1 пр., 1 табл., 3 ил.

Ампульный химический источник тока, содержащий в едином цилиндрическом корпусе с крышкой расчетное количество блоков электрохимических элементов (ЭХЭ), ампулы, заполненные электролитом на основе тионилхлорида, систему активации, индикатор контроля исходного состояния ампульного химического источника тока, отличающийся тем, что все блоки ЭХЭ собраны по крайней мере по двухканальной схеме из последовательно расположенных независимых каналов, состоящих из одноканальных блоков ЭХЭ, каждый из которых снабжен индикатором контроля исходного состояния, системой активации и индивидуальной ампулой сильфонного типа с системой элементов для механического вскрытия этих ампул, каждый электродный блок ЭХЭ выполнен в виде свернутых в рулон твердых слоев анода, катода, разделенных слоями сепараторов, и снабжен поверхностными слоями керамической электроизоляции, все ЭХЭ блока расположены по периферии основания усиленного цилиндрического корпуса осесимметрично относительно его продольной оси и друг друга и размещены на едином диэлектрическом основании, на котором в центральной части дополнительно сформирована схема симметричной диодной защиты, при этом все ЭХЭ пневматически связаны посредством газораспределительной системы с системой активации, изготовленной совместно с индикатором исходного состояния, электрические контакты каждого независимого канала блоков ЭХЭ для соединения ампульного химического источника тока с внешними потребителями расположены выводными контактами наружу от центра последнего.