ТЕПЛОВОЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 2019 года по МПК H01M6/36 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а более конкретно, к резервным химическим источникам тока в широком диапазоне начальных температур и устойчивым к механическим нагрузкам.

Уровень данной области техники характеризует тепловой химический источник тока, описанный в патенте RU 2393591 CI, Н01 М6/36, 2010 г., который содержит помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов и пиротехнических нагревателей, теплоизоляционных прокладок, установленных по периферии и торцам блока.

На боковой поверхности блока диаметрально установлены инициирующие быстро горящие полосы (ленты), соприкасающиеся в торцевой части с пиротехнической полосой, проложенной в непосредственной близости с запальным устройством, выполненным в форме пиротехнического заряда, помещенного в оболочку из отверждающегося материала.

Особенностью этого источника тока является то, что пиротехническая полоса выполнена Z-образной формы и проложена в пазах соприкасающихся между собой теплоизоляционных прокладок.

Описанное устройство обеспечивает уменьшение времени выхода источника тока на рабочий режим и повышение надежности работы.

Однако к недостаткам следует отнести высокую бризантность оболочки запального устройства, которая от импульсного повышения давления в замкнутом объеме при горении пиротехнического заряда дробится на высокоскоростные осколки, которые могут пересечь примыкающую огнепроводную ленту, исключая передачу фронта горения, что снижает функциональное действие по назначению.

Более совершенным является тепловой источник тока по патенту RU 2413341 С2, Н01 М6/36, 2010 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному.

Известный источник тока содержит блок электрохимических элементов в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся твердые слои анода, катода, электролита, нагревательных элементов в расчетном количестве, ограниченных с внешней стороны общим корпусом и жестко зафиксированных на крышке.

Структурные элементы теплового источника тока размещены вдоль вертикальной оси корпуса и поджаты усилием упругого элемента под крышкой.

На крышке закреплена печатная плата, электрически связанная с двумя сдублированными электровоспламенителями, к которым примыкают ленточные пиротехнические воспламенители, уложенные по периметру батареи элементов.

В известной резервной батарее, которая характеризуется механической прочностью сборки, возможностью активного контроля параметров, обеспечено длительное протекание тока при сохранении электрохимических характеристик, то есть стабильностью функционирования.

Однако продолжением отмеченных достоинств являются присущие недостатки, которые являются следствием встречного горения пиротехнических пластин электрохимических элементов с пульсированием фронта горения каждого, что тормозит запуск батареи и выход ее на режим из-за нестабильности рабочих характеристик источника тока.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение функциональной надежности энергосодержащей электрохимической батареи за счет стабильного горения всех ее пиротехнических элементов, при минимизации времени выхода на режим рабочего тока, длительность генерирования которого увеличена.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном тепловом источнике тока, содержащем электровоспламенитель, смонтированный на токопроводящей печатной плате, закрепленной на крышке термоизолированного корпуса, внутри которого установлен и зафиксирован блок электрохимических элементов, выполненных в виде последовательно соединенных дисковых пиронагревателей, имеющих анодную и катодную пластины, примыкающие к продольным огнепроводящим лентам, согласно изобретению, электровоспламенитель выполнен в виде мостика накаливания, связанного с печатной платой через контактные площадки и помещенного внутри воспламенительного заряда, заполняющего экранирующую подложку, имеющую форму диффузора, направленного в осевой канал блока, покрытый продольными огнепроводящими лентами.

Отличительные признаки предложенного технического решения стабилизировали запуск источника тока, минимизировав время его выхода на рабочий режим, обеспечив при этом функциональную надежность генерирования тарированного импульса тока для срабатывания автономной энергосодержащей батареи пиротехнических элементов.

Предложенный пиротехнический источник тока имеет высокие электрические показатели за счет снижения внутреннего электрического сопротивления, что обеспечивается высокой электрической проводимостью анода, в котором содержится в избытке металлический цирконий - электронный проводник, обеспечивающий минимальное сопротивление анода и внутреннее сопротивление источника тока. При этом содержание циркония, являющегося горючим, оптимизировано относительно содержания окислителя в сепараторе и катоде, соответственно бария хромовокислого и оксида меди.

Продуктами окислительно-восстановительных реакций в сепараторе являются оксиды циркония, хрома и бария, а также оксиды магния (продукты термической деструкции асбеста), которые исключают электронный контакт между электродами во время работы источника тока.

Выполнение электровоспламенителя в виде мостика накаливания, при запуске генерирующего заданный импульс тепловой энергии, позволило простейшими техническими средствами практически мгновенно получить длиннофокусный огневой форс для одновременного запуска всех параллельных элементов батареи.

Электрическая связь мостика накаливания через контактные площадки с базирующей печатной платой упростили конструкцию и коммуникацию с внешним устройством запуска, исключив проводную систему передачи управляющего токового сигнала.

При этом печатная плата служит силовым элементом для надежного базирования запального устройства (электровоспламенителя) внутри токовой батареи.

Установка воспламенительного заряда внутри корпусной подложки, которая экранирует нерабочее направление (на крышку) для распространения огневого импульса при срабатывании, обеспечивает заданное пространственное расположение запального устройства, при фиксировании электроконтактов его мостика накаливания, что необходимо для надежного срабатывания по назначению.

Выполнение подложки в форме диффузора, направленного в осевой огнепередающий канал, необходимо для формирования длиннофокусного форса пламени, запускающего в работу одновременно все элементы тепловой батареи, формирующей импульс тока заданных параметров.

Покрытие огнепередающего канала батареи пиротехническими лентами, примыкающими по периметру ее осевого канала к дисковым нагревателям и структурным элементам, обеспечивает усиление тепловой энергии импульса запуска, повышая тем самым надежность работы источника тока и стабильность его работы, при динамичном выходе на рабочий режим.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности, то есть требуемый технический результат достигается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.

Сущность изобретения поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности существенных признаков формулы.

На чертеже изображены: на фиг. 1 - предложенный источник тока, продольный разрез; на фиг. 2 - вид А, запальное устройство.

В корпусе 1 резервного источника тока, теплоизолированном прокладками 2, помещен блок электрохимиических элементов 3.

Каждый элемент 3 содержит пластинчатые анод 4, катод 5 и сепаратор 6 из пиротехнических составов, при следующем содержании компонентов (мас. %): в аноде 4 - цирконий 70-76, сплав или смесь фторидов металлов 22-26, асбест 3-5; в катоде 5 - цирконий 6-8, оксид меди 30-35, сплав или смесь фторидов металлов 48-51, диоксид циркония 5-9, асбест 3-5; в сепараторе 6- цирконий 26-32, барий хромовокислый 64-70, асбест 3-3.

Волокнистый асбест в качестве связующего технологически необходим для формования тонких пластин из пиротехнических составов методом вакуумного осаждения водной взвеси компонентов на фильтр-подложку, функционально обеспечивая электродам и сепаратору высокую чувствительность к тепловому инициирующему импульсу.

Между элементами 3 расположены пластины пиронагревателей 7, которые посредством пиротехнических лент 8 сообщаются с запальным устройством 9, установленным на торцевой печатной плате 10, имеющей токоприводящий контур по заданной электрической схеме.

Плата 10 закреплена на крышке 11, примыкающей к торцу корпуса 1 и оснащенной герметичными токовыводами 12, подсоединенными к запальному устройству 9 и к электродам 4, 5 крайних по высоте электрохимических элементов 3.

Элементы 3 между собой подсоединены последовательно посредством перемычек 13 из фольги, внутри которой установлены пиронагреватели 7.

На дистальном конце блока элементов 3 установлены асбестовые пластины 14 для уменьшения теплоотдачи и металлический диск 15, к которому подсоединены силовые стяжки 16 для придания каркасности функциональному наполнению.

Все структурные элементы блока выполнены с центральным отверстием, в сборе формирующие осевой канал 17, на стенках которого расположены продольные огнепередающие ленты 8.

С осевым каналом 17 коммутируется закрепленное на печатной плате 10 запальное устройство 9, представляющее собой (фиг. 2) мостик 18 накаливания, помещенный внутри воспламенительного заряда 19, заполняющего направленный в канал 17 диффузор экранирующей подложки 20, приклеенной к плате 10, выполняющей функции опоры.

Концы проволочного мостика 18 накаливания приварены к электроконтактным пластинам 21, подключенным через электросхему печатной платы 10 к внешнему источнику питания (условно не показан).

Функционирует описанный тепловой химический источник питания следующим образом.

При подаче от внешнего источника электрического импульса запуска на запальное устройство 9 проволочка мостика 18 накаливается, от чего инициируется воспламенительный заряд 19, при горении которого генерируются газообразные продукты, включающие дисперсную фазу раскаленных конденсированных частиц - распределенных очагов воспламенения.

Продукты горения воспламенительного заряда 19, отражаясь от подложки 20, ее диффузором направляются в соосный канал 17 в форме длиннофокусного огневого форса, где поджигает продольные пиротехнические ленты 8, выделяемой тепловой энергией которых из центра воспламеняются и горят примыкающие пиротехнические анодные и катодные пластины 4 и 5 элементов 3, сепараторы 6 и пиронагреватели 7, в результате чего начинается разряд батареи на внешнюю электрическую нагрузку.

При этом сгорают пиротехнические композиции анода 4 и катода 5 всех электрохимических элементов 3 батареи, расплавляя электролит 6 (фториды металлов), чем обеспечивается ионный контакт и возможность протекания электрохимического процесса.

Электрохимическое окисление циркония в аноде 4 и электрохимическое восстановление оксида меди в катоде 5 обеспечивается взаимодействием с ионопроводящим расплавом электролита 6, при движении заряженных частиц (электронов в металле и ионов в расплавленном электролите 6), то есть генерирование электрического тока.

Как показали опытные работы, время выхода батареи на режим после одновременного воспламенения всех электродов 4, 5 не превышает 0,15 с против 0,20 у прототипа.

Батарея из десяти предложенных электрохимических элементов 3 генерирует ток на нагрузке 110 кОм в течение 120 с, что на 26-30% превышает рабочее время прототипа.

За счет вдвое меньшей усадки продуктов сгорания пропорционально увеличилась стабильность токовых характеристик предложенной батареи.

Предложенный источник электрического тока предназначен для практического использования преимущественно в виде резервных батарей, обеспечивает автономное задействование и питание бортовой аппаратуры, приборов, исполнительных механизмов и устройств, а также автономных систем пожаротушения, сигнализации, блокировки и др.

Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.

Предложенные отличия теплового пиротехнического источника тока не являются очевидными для специалиста по электротехнике, которые прямо не следуют из постановки технической задачи.

Изготовление совокупности структурных элементов предложенной батареи в их взаимосвязи возможно осуществлять на действующем производстве резервных источников тока, оснащая заказчиков средствами автономного электропитания.

Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно, к резервным химическим источникам тока в широком диапазоне начальных температур и устойчивым к механическим нагрузкам. Тепловой источник тока содержит электровоспламенитель, смонтированный на токопроводящей печатной плате, закрепленной на крышке термоизолированного корпуса, внутри которого установлен и зафиксирован блок электрохимических элементов, выполненных в виде последовательно соединенных дисковых пиронагревателей, имеющих анодную и катодную пластины, примыкающие к продольным огнепроводящим лентам, при этом электровоспламенитель выполнен в виде мостика накаливания, связанного с печатной платой через контактные площадки, и помещен внутри воспламенительного заряда, заполняющего осевой канал, покрытый продольными огнепроводящими лентами. Концы проволочного мостика накаливания посредством печатной платы соединены с внешним источником питания, который обеспечивает подачу импульса запуска на запальное устройство, инициирующее воспламенительный заряд, при этом продукты горения заряда от подложки, выполненной в форме диффузора, направляются в осевой огнепередающий канал для формирования длиннофокусного форса пламени, запускающего в работу одновременно все элементы тепловой батареи. Предложенное техническое решение стабилизирует запуск источника тока, минимизировав время его выхода на рабочий режим. Повышение надежности срабатывания запального устройства теплового источника тока, является техническим результатом изобретения. 2 ил.

Тепловой источник тока, содержащий электровоспламенитель, смонтированный на токопроводящей печатной плате, закрепленной на крышке термоизолированного корпуса, внутри которого установлен и зафиксирован блок электрохимических элементов, выполненных в виде последовательно соединенных дисковых пиронагревателей, имеющих анодную и катодную пластины, примыкающие к продольным огнепроводящим лентам, отличающийся тем, что электровоспламенитель выполнен в виде мостика накаливания, связанного с печатной платой через контактные площадки и помещенного внутри воспламенительного заряда, заполняющего экранирующую подложку, имеющую форму диффузора, направленного в осевой канал блока, покрытый продольными огнепроводящими лентами.