ТЕПЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 2014 года по МПК H01M6/00 H01M6/36 

Предполагаемое изобретение относится к электротехнике, к области резервных химических источников тока на твердом теле и может быть использовано для изготовления тепловых химических источников тока с ионной проводимостью, имеющих плотность энергии порядка 60 Вт*час/кг и применяющихся для питания электрической энергией автономных приборов и систем.

Известно устройство теплового химического источника тока (ТХИТ), содержащего блок электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых состоит из расчетного количества твердых слоев анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченных с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией и крышкой (патент РФ №2369944, МПК H01M 6/36, публ. 10.10.2009 г., БИ 28/09 г.).

Недостатком данного устройства является сложность сборки и недостаточно высокие электрохимические показатели (разрядный ток, напряжение).

Известно в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому устройство теплового химического источника тока (ТХИТ), содержащего блок электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых из расчетного количества твердых слоев анода, катода, электролита, теплонагревательных элементов между ними, ограниченных с внешней стороны общим корпусом с электро - и теплоизоляцией и крышкой (патент РФ №2091918, МПК H01M 6/36, публ. 27.09.1997 г., БИ №27/97).

К недостаткам прототипа относятся недостаточно высокие показатели токовых нагрузок, снимаемых с источника тока, электрического напряжения, необходимого для питания внешних потребителей, сложная технология изготовления и сборки ТХИТ.

Задачей авторов предполагаемого изобретения является разработка теплового химического источника тока (ТХИТ), обеспечивающего требования по безопасности, упрощение сборки при одновременном улучшении разрядных характеристики и сохранении необходимой прочности при механических нагружениях.

Новый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения заключается в обеспечении упрощения сборки, повышении прочности и безопасности за счет уменьшения риска короткого замыкания на на элементы конструкции корпуса, в улучшении разрядных характеристик ТХИТ за счет увеличения площади ЭХЭ и улучшения тепловых свойств теплонагревательных элементов.

Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в отличие от известной конструкции теплового химического источника тока, содержащего блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с крышкой и внутренней тепло- и электроизоляцией, пиротехнические нагревательные элементы (ПТН) и ЭХЭ, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся твердые слои анода, электролита, катода в расчетном количестве, поджатых упругим элементом и снабженных тепло- и электроизоляцией, знакопеременные гермовыводы для соединения с внешним потребителем, систему активации, согласно изобретению каждый слой ЭХЭ и пиротехнических нагревательных элементов выполнен с центральным сквозным отверстием, все ЭХЭ собраны последовательно на центральном изолированном стержне, жестко фиксированном с одной стороны - на днище корпуса посредством втулки, а с другой - на крышке корпуса посредством основания, представляющего собой пространственную фигуру в виде плоского круга из нержавеющей стали с опорными лапками, выполненными радиально расходящимися в направлении от центра за контуры плоского круга и отогнутыми в направлении к опорной поверхности крышки, которые закреплены на соответствующих выступах крышки, на крышке корпуса также установлена система активации, каждый слой ЭХЭ и ПТН выполнен в виде запрессованных в металлические обечайки таблеток из порошков электрохимического и пиротехнического составов соответственно, анод в каждом ЭХЭ выполнен из литий - борного композита, знакопеременные гермовыводы выведены наружу через керамические изоляторы, вмонтированные в сквозные отверстия крышки корпуса.

Предлагаемая конструкция теплового химического источника тока поясняется следующим образом.

На фиг.1 представлен вид предлагаемого теплового химического источника тока, где 1 - крышка, выполненная из стали, на которой жестко фиксированы, например, сваркой, корпус 2 и днище 3 корпуса, ограничивающие собой герметичное пространство ТХИТ. Вдоль вертикальной оси цилиндрического корпуса 2 в герметичном пространстве теплового химического источника установлен и жестко фиксирован блок электрохимических элементов (ЭХЭ), состоящий из расчетного количества чередующихся ЭХЭ 4 и пиротехнических нагревательных элементов (ПТН) 5. Каждый ЭХЭ (фиг.2) представляет собой пресс-пакет из твердых слоев анода 19, электролита 20 и катода 21 с сеткой 22. Для нагрева блока ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электрической связи между ними установлены пиронагреватели. ПТН (фиг.3), состоящие из тепловыделяющего пиротехнического состава 23, запрессованного в металлическую обечайку. Каждый слой ЭХЭ и слои ПТН выполнены с центральным сквозным отверстием, а сборка блока ЭХЭ ведется на изолированном центральном стержне 6, что обеспечивает упрощение сборки ТХИТ за счет появления свободного доступа к местам установки ЭХЭ и ПТН. Центральный стержень, выполненный из закаленной стали, с одной стороны через специальную втулку 7 жестко закреплен на днище 3, с другой -жестко закреплен на круглом основании 8 блока ЭХЭ, которое, в свою очередь, с помощью винтов крепится к крышке 1 ТХИТ. Таким образом, центральный стержень представляет собой жестко закрепленную с двух сторон прочную ось, воспринимающую осевые и боковые механические нагрузки с минимальными деформациями.

Предлагаемый ТХИТ имеет в своем составе устройство активации, установленное на плате 9, которая крепится к крышке 1 корпуса ТХИТ.

Для сохранения необходимой рабочей температуры в блоке ЭХЭ и ограничения температуры корпуса по внутренним поверхностям корпуса 2 и днища 3 установлены теплоизоляторы 10, 11, 12 (фиг.1). Теплоизоляторы выполнены из теплоизоляционного материала ТЭМ-23 с низким коэффициентом теплопроводности.

Связь ТХИТ с внешним потребителем осуществляется через силовые знакопеременные контакты (гермовыводы) 13, установленные на крышке корпуса с использованием керамических изоляторов 14 (фиг.1), обеспечивающих электро изоляцию их от крышки, герметичность внутреннего объема ТХИТ и работу при повышенных температурах (порядка 600°С рабочих режимов, предусмотренных требованиями эксплуатации.

Как это видно в предлагаемом ТХИТ в конструкции крышки совмещены функции крепления блока ЭХЭ, платы электровоспламенителей и силовых гермовыводов 13 для связи с внешним потребителем.

Контроль и приведение ТХИТ в рабочее состояние осуществляется через стандартный соединитель - вилку 15, закрепленную на крышке ТХИТ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Первоначально подают импульс тока на электрический мостик электровоспламенителя от внешнего источника тока. Электровоспламенитель (ЭВ) срабатывает и дает форс пламени на пирошнур, при горении которого воспламеняются пиротехнические нагревательные элементы 5, расположенные между ЭХЭ. При достижении рабочей температуры электролит становится ионопроводящим. При разогреве ионопроводящая среда приобретает чисто ионную проводимость электрического тока и на ЭХЭ возникает разность потенциалов. После нарастания величины разности потенциалов до требуемой величины ТХИТ готов к работе.

Таким образом, используемый в предлагаемом ТХИТ оптимальный принцип сборки, в которой все слои ЭХЭ, ПТН, элементы электроизоляции набраны на центральном стержне, способствует упрощению процесса сборки ТХИТ по сравнению с прототипом, в котором была предусмотрена поэтапная сборка - сначала в полости вспомогательной детали, а затем на общем основании с использованием многосложных и длительных процедур фиксации, сварки токовыводов, крепления резьбовыми элементами (длительность сборки предлагаемого ТХИТ около 2-х часов, тогда как в прототипе - 5 часов). При этом были достигнуты более высокие разрядные характеристики, соответствующие заданным требованиям ТХИТ за счет увеличения количества ЭХЭ и их поверхности, уменьшения внутреннего сопротивления ЭХЭ за счет конструктивного выполнения твердых слоев активной системы в виде запрессованных в металлические обечайки (сетки) таблеток, а также высокая прочность сборки за счет использования упругих элементов, создающих заданное усилие поджатия блока ЭХЭ.

Возможность промышленного реализации предлагаемого ТХИТ подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый тепловой химический источник тока был реализован на опытном образце конкретного типа, представляющем собой герметичное цилиндрическое устройство (фиг.1), выполненное из стали марки 12X18H10T и состоящее из крышки 1, корпуса 2 и днища 3, соединенных между собой лазерной сваркой. Крышка 1 корпус 2 изготовлены механической формовкой из стального листа. На корпусе расположены опорные поверхности и резьба для крепления предлагаемого ТХИТ в эксплуатируемое изделие.

Блок ЭХЭ представляет собой столб из последовательно набранных на общем стержне 6 слоев ЭХЭ 4, между которыми расположены слои пиротехнических нагревателей (ПТН) 5.

ЭХЭ и ПТН выполнены с центральным сквозным отверстием, сборку последних ведут на изолированном центральном стержне 6, жестко фиксированном между крышкой 1 и днищем 3 корпуса 2.

Поджатие пакета ЭХЭ и ПТН производится упругими элементами 16 и гайкой 17, что обеспечивает снижение внутреннее сопротивления сборки при работе ТХИТ.

Основной рабочей единицей блока ЭХЭ является собственно ЭХЭ (фиг.2), представляющий собой таблетку (фиг.З). состоящую из слоев анода 19. электролита 20 и катода 21 с сеткой 22, впрессованных в фигурные металлические чашки с центральным отверстием.

ПТН, используемый для нагрева ЭХЭ до рабочей температуры, представляет собой прессованную таблетку (фиг.3) из пиротехнического состава 23, помещенного в металлическую обечайку, что обеспечивает механическую прочность ПТН и электрическую связь между ЭХЭ.

Напряжение с блока ЭХЭ снимается с помощью токовыводов 18, соединенных с силовыми гермовыводами 13, изолированными от крышки втулками 14, изготовленными из керамики на основе оксида алюминия.

Плата 9 с системой активации и контроля исходного состояния ТХИТ крепится к крышке. Для сохранения необходимой рабочей температуры в блоке ЭХЭ и ограничения температуры корпуса 2 по внутренним поверхностям корпуса 2, днища 3 и крышки 1 корпуса установлены теплоизоляторы 10, 11, 12. Теплоизоляторы выполнены из теплоизоляционного материала на основе мелкодисперсного кварцевого волокна с низким коэффициентом теплопроводности.

Контроль исходного состояния и приведение ТХИТ в рабочее состояние осуществляется через стандартный соединитель - вилку 15, закрепленную на крышке ТХИТ.

Результаты измерений сведены в таблицу 1.

Как показали пример и данные таблицы 1, использование предлагаемого ТХИТ позволило обеспечить выполнение требований по электрическим характеристикам. прочности конструкции, безопасности работы при штатном режиме разряда, упростить технологию сборки при обеспечении предъявляемых требований по массово-габаритным характеристикам.

Таблица 1 Примеры реализации Электрические и разрядные характеристики Прочность конструкции Безопасность ТХИТ Процесс сборки ТХИТ ТХИТ прототипа Сопротивление цепи ИК не более 0,1 Ом Сопротивление между электрически несвязанными цепями не менее 20 МОм Напряжение от 21 до 30 B Ток разряда до 3,5 A Прочность ТХИТ ограничена прочностью материала корпуса блока ЭХЭ Возможен риск короткого замыкания, т.к. не предусмотрены средства надежной изоляции токовыводов Многосложная процедура выполнения корпуса с окнами, сложность набора пакета ЭХЭ и ПТН, их фиксация и центрирование. Предлагае-
мый ТХИТ Сопротивление цепи ИК не более 0,5 Ом Сопротивление между электрически несвязанными цепями не менее 20 МОм Напряжение от 26,5 до 35,5 B Ток разряда до 15 A Прочность обеспечена материалом центрального стержня и выполнением ПТН и ЭХЭ прессованием в металлические ограничительные элементы - обечайки Наличие внутренней тепло- и электроизоляции, керамических изоляторов на центральном стержне, гермовыводах крышки, уменьшение риска короткого замыкания. Упрощение и ускорение процесса сборки за счет набора на центральном стержне ЭХЭ и ПТН.

Предложенное изобретение относится к тепловым химическим источникам тока (ТХИТ), имеющим плотность энергии порядка 60 Вт·час/кг, которые могут быть использованы для питания электрической энергией автономных приборов и систем. Повышение безопасности, упрощение сборки при одновременном улучшении разрядных характеристик при сохранении необходимой прочности при механических нагружениях заявленного устройства является техническим результатом изобретения. Тепловой химический источник тока содержит блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с крышкой, внутренней тепло- и электроизоляцией, пиротехнические нагревательные элементы (ПТН) и ЭХЭ, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся твердые слои анода, электролита, катода в расчетном количестве, поджатых упругим элементом и снабженных тепло- и электроизоляцией, знакопеременные гермовыводы для соединения с внешним потребителем, систему активации. Каждый слой ЭХЭ и пиротехнических нагревательных элементов выполнен с центральным сквозным отверстием, все ЭХЭ собраны последовательно на центральном изолированном стержне и жестко фиксированном с одной стороны на днище корпуса посредством втулки, а с другой - на крышке корпуса посредством основания, представляющего собой пространственную фигуру в виде плоского круга из нержавеющей стали с опорными лапками. 1 пр., 3 ил., 1 табл.

Тепловой химический источник тока, содержащий блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с крышкой и внутренней тепло- и электроизоляцией, пиротехнические нагревательные элементы (ПТН) и ЭХЭ, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся твердые слои анода, электролита, катода в расчетном количестве, поджатых упругим элементом и снабженных тепло- и электроизоляцией, знакопеременные гермовыводы для соединения с внешним потребителем, систему активации, отличающийся тем, что каждый слой ЭХЭ и пиротехнических нагревательных элементов выполнен с центральным сквозным отверстием, все ЭХЭ собраны последовательно на центральном изолированном стержне, жестко фиксированном с одной стороны - на днище корпуса посредством втулки, а с другой - на крышке корпуса посредством основания, представляющего собой пространственную фигуру в виде плоского круга из нержавеющей стали с опорными лапками, выполненными радиально расходящимися в направлении от центра за контуры плоского круга и отогнутыми в направлении к опорной поверхности крышки, которые закреплены на соответствующих выступах крышки, на крышке корпуса также установлена система активации, каждый слой ЭХЭ и ПТН выполнен в виде запрессованных в металлические обечайки таблеток из порошков электрохимического и пиротехнического составов соответственно, анод в каждом ЭХЭ выполнен из литий-борного композита, знакопеременные гермовыводы выведены наружу через керамические изоляторы, вмонтированные в сквозные отверстия крышки корпуса.