ТЕПЛОВАЯ БАТАРЕЯ
THERMAL BATTERY

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным источникам тока, и может быть использовано при изготовлении теплового химического источника тока (ТХИТ).
Известно устройство тепловой батареи (ТБ) (патент RU №2413341, МПК H01M 6/36, опубл. 27.02.2011 г.), в которой имеются размещенный в цилиндрическом корпусе, снабженном составной тепло- и электроизоляцией, блок твердослойных электрохимических элементов (ЭХЭ), чередующихся с твердыми слоями пиронагревательных элементов, ориентированный вдоль вертикальной оси корпуса и поджатый упругим элементом в осевом направлении с заданным регулируемым усилием, систему термоактивирования с индикатором контроля исходного состояния.
Недостатком аналога является недостаточно высокие надежность работы ТБ, риск появления коротких замыканий между элементами активных масс блока ЭХЭ, проблематичность проведения визуального контроля качества и точности сборки ТБ.
Известно устройство тепловой батареи (патент RU №2369944, МПК H01M 6/36, опубл. 10.10.2009 г.), в которой имеется размещенный в цилиндрическом корпусе, выполненном со сквозными прорезями в виде окон и снабженном составной тепло- и электроизоляцией, блок ЭХЭ, чередующихся с твердыми слоями пиронагревательных элементов (ПТН), ориентированный вдоль вертикальной оси корпуса и поджатый упругим элементом в осевом направлении с заданным регулируемым усилием.
К недостаткам прототипа относится невысокая надежность работы тепловой батареи (ТБ), риск появления коротких замыканий между элементами активных масс блока ЭХЭ.
Задачей авторов изобретения является разработка конструкции ТБ, в которой обеспечены высокая надежность работы ТБ, минимизирован риск появления коротких замыканий между элементами активных масс блока ЭХЭ.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемой ТБ, заключается в повышении продолжительности работы, надежности при срабатывании и работе тепловой батареи (ТБ), снижении риска появления коротких замыканий между элементами активных масс блока ЭХЭ, в обеспечении возможности проведения визуального контроля качества и правильности сборки ТБ.
Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в отличие от известной ТБ, содержащей размещенный в цилиндрическом корпусе, выполненном со сквозными прорезями в виде окон и снабженном составной тепло- и электроизоляцией, размещенный вдоль его вертикальной оси и поджатый системой упругих и регулировочных элементов блок термоактивируемых электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых состоит из пакета последовательно чередующихся твердых слоев анода, электролита, катода и пиронагревательных элементов, введенных между слоями активных масс, согласно изобретению в каждом пакете твердых слоев блока ЭХЭ анод выполнен диаметром, составляющим 90-98% от диаметра катода, составная теплоизоляция, расположенная снаружи блока ЭХЭ, выполнена из композиционного материала на основе смеси измельченных минеральных волокон с порошкообразным неорганическим наполнителем, электроизоляция выполнена составной, одна часть которой представляет собой материал на основе органосиликатной композиции и нанесена на поверхность межоконных ребер цилиндрического корпуса, а другая часть электроизоляции, выполненная из слюды, установлена поверх первой части и механически закреплена на внутренней поверхности межоконных ребер цилиндрического корпуса блока ЭХЭ, при этом между внутренней поверхностью слоя электроизоляции и боковой поверхностью блока ЭХЭ, а также между поверхностью поджигающих пиротехнических лент, контактирующих с ПТН, и боковой поверхностью блока ЭХЭ выполнены воздушные зазоры величиной не менее 1 мм, по внешним торцевым поверхностям слоев тепло- и электроизоляции, примыкающим к торцевым поверхностям слоев ПТН, установлены теплонакопительные пластины, выполненные из материала, удельная теплоемкость которых не менее 0,11 кал/г·град.
Предлагаемое изобретение поясняется следующим образом.
На фиг. 1 представлен вид блока ЭХЭ с системой тепло- и электроизоляции заявляемой ТБ. Блок ЭХЭ состоит из цилиндрического корпуса 1, изготовленного составным, из набора ЭХЭ (7), последовательно чередующихся при сборке с пиротехническими нагревателями (ПТН) (8). С двух торцевых поверхностей цилиндрического корпуса 1 слои ЭХЭ и ПТН изолированы слоями составной электроизоляции в виде электроизоляционных прокладок 3, выполненных из слюды, и слоями теплоизоляционных прокладок, выполненных из асбестовой бумаги, от металлических элементов цилиндрического корпуса 1.
Для выравнивания теплового режима краевых ЭХЭ внешним поверхностям слоев тепло- и электроизоляции, примыкающим к торцевым поверхностям слоев ПТН, установлены теплонакопительные элементы 5 (пластины), выполненные из материала, удельная теплоемкость которых не менее 0,11 кал/г·град, способствующие увеличению времени работы ТБ. Для уменьшения электрического сопротивления между ЭХЭ и ПТН (при осевых вибрационных и инерционных нагружениях слоев ЭХЭ и ПТН при эксплуатации ТБ) столб слоев ЭХЭ при сборке блока ЭХЭ поджат упругими элементами 10 с заданным усилием, зависящим от диаметра ЭХЭ, после чего упругие элементы фиксируются резьбовой гайкой 9. Токосъем при работе блока ЭХЭ производится положительным 13 и отрицательным 14 токовыводами, установленными на крайних ЭХЭ блока.
Для поддержания необходимого теплового режима с наружной боковой поверхности цилиндрического корпуса 1 установлен теплоизолятор 11, изготовленный составным. На внутренней боковой поверхности теплоизолятора 11, как конструкционного элемента, в пазах установлены на слюдяных прокладках и механически закреплены эпоксидным клеем в качестве адгезива пиротехнические ленты 12, как компоненты системы термоактивирования, посредством которых производится поджиг пиротехнического состава ПТН. Для минимизации риска коротких замыканий по поверхности ЭХЭ продуктами горения между поверхностями пиротехнических лент и боковыми поверхностями пакета ЭХЭ и ПТН выполняют зазоры величиной оптимально не менее 1 мм, что было подтверждено экспериментально.
Каждый ЭХЭ выполнен в виде трехслойной таблетки и состоит из твердых слоев анода, изготовленного из литий-борного композита, прессованных слоев электролита и катодной массы на основе хлорида никеля, при этом анод выполнен диаметром, меньшим, чем диаметр электролита и катода, и составляет 90-98% от диаметра последних, что обеспечивает значительное снижение риска коротких замыканий между анодом и катодом в процессе работы ТБ при рабочей температуре ЭХЭ более 500°C.
Для обеспечения электрической связи анодов и катодов последовательно установленных ЭХЭ, а также для разогрева ЭХЭ до рабочих температур между ними устанавливаются ПТН 8. Конструкция ПТН имеет замкнутый металлический токопроводящий контур, внутри которого запрессован пиросостав на основе мелкодисперсного титанового порошка. Корпус блока ЭХЭ изготовлен в виде полого цилиндра, в котором выполнены сквозные вертикальные прорези, уменьшающие массу корпуса 1, позволяющие проводить визуальный контроль правильности сборки блока ЭХЭ. На одной из торцевых поверхностей цилиндрического корпуса 1 установлены резьбовые элементы 9 для фиксации упругих элементов 10 с регулируемым усилием поджатия. Для обеспечения дополнительной электрической изоляции ребра корпуса покрыты слоем теплостойкой органосиликатной композицией 6. С внутренней стороны ребер корпуса установлены и механически закреплены слюдяные прокладки 2, обеспечивающие основную электроизоляцию ЭХЭ от металла цилиндрического корпуса 1. При сборке блока ЭХЭ пакет ЭХЭ и ПТН центрируют специальным приспособлением относительно прокладок 2, при этом формируют Г воздушный зазор между поверхностью прокладок 2 и боковой поверхностью пакета ЭХЭ, что исключает контакт электрохимических материалов ЭХЭ и слюды, улучшает электроизоляцию ЭХЭ и снижает возможность появления токов утечек по поверхности прокладок 2 из-за загрязнения их продуктами горения пиротехнических составов ПТН, величина воздушного зазора составляет 0,7…5% от диаметра ЭХЭ.
Таким образом, при использовании предлагаемой ТБ обеспечивается более высокий по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в увеличении продолжительности работы ТБ, повышении надежности при срабатывании ТБ от электрического импульса электровоспламенителей (ЭС) системы термоактивирования, снижении риска появления коротких замыканий между элементами активных масс блока ЭХЭ, в обеспечении возможности проведения визуального контроля качества и правильности сборки ТБ.
Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример 1.
В лабораторных условиях предлагаемая ТБ реализована на опытном образце, изображенном на фиг. 1. Блок ЭХЭ содержит цилиндрический корпус 1, изготовленный составным из нескольких частей, выполняющий функцию силового элемента, внутри которого имеются набор ЭХЭ 7 из последовательно чередующихся при сборке с ПТН 8. Цилиндрический корпус 1 из нержавеющей стали 12Х18Т10Т ГОСТ 5632-72. С торцевых поверхностей цилиндрического корпуса 1 все ЭХЭ и ПТН изолированы от металла корпуса слоями электроизоляционных прокладок 3, выполненных из слюды марки ССП ГОСТ 13750-88, и слоями электроизоляционных прокладок 4, выполненных из асбестовой бумаги БЭ ГОСТ 23779-95. Теплонакопительные пластины, установленные по торцам блока ЭХЭ, представляют собой диски из нержавеющей стали 12Х18Т10Т ГОСТ 5632-72 с удельной теплоемкостью 0,11 кал/г·град и толщиной 0,4 мм. Столб ЭХЭ и ПТН при сборке блока ЭХЭ поджимается упругими элементами 10 с заданным усилием, после чего последний фиксируют резьбовой гайкой 9. Токосъем при работе блока ЭХЭ производят положительным 13 и отрицательным 14 токовыводами, установленными по торцам блока ЭХЭ. Теплоизолятор 11, установленный снаружи относительно боковой поверхности цилиндрического корпуса 1, выполнен из специального теплозащитного материала марки ТЗМ-23М ТУ 1-596-425-2008. На внутренней боковой поверхности теплоизолятора 11 в специальных пазах зафиксированы эпоксидным клеем на слюдяных прокладках 2 две пиротехнические ленты для поджига ПТН. По боковой поверхности блока ЭХЭ выдержан воздушный зазор величиной 2,8 мм. ЭХЭ выполнены в виде трехслойной таблетки из твердых слоев анода, изготовленного из литий-борного композита, прессованных слоев электролита и катодной массы на основе хлорида никеля, при этом анод выполнен диаметром, меньшим, чем диаметр электролита и катода, и составляет 95% от диаметра последних, что обеспечивает как показали эксперименты значительное снижение риска коротких замыканий между анодом и катодом в процессе работы ТБ при рабочей температуре ЭХЭ более 500°C. Разогрев и электрический контакт анодов и катодов обеспечивается установленными между ними ПТН 8. Конструктивно последние выполнены в виде замкнутого металлического токопроводящего контура, внутри которого запрессован пиротехнический состав на основе мелкодисперсного титанового порошка, при этом поджиг ПТН производят через боковые отверстия обечайки ПТН 8. Цилиндрический корпус 1 блока ЭХЭ изготовлен в виде цилиндрической трубы, в которой выполнены сквозные вертикальные прорези, на одной из краевых поверхностей которого выполнена резьба для установки гайки 9 для фиксации упругих элементов 10 и для их регулируемого поджатая. Дополнительная электрическая изоляция обеспечена покрытием поверхности межоконных ребер цилиндрического корпуса блока ЭХЭ теплостойкой электроизоляционной органосиликатной композицией 6 марки ОС-92-31 ТУ 88-3451-12205-24-07-2011. С внутренней стороны корпуса на ребрах закреплены прокладки 2 из слюды марки ССП ГОСТ 13750-88 с перекрытием ширины ребер на 2…3 мм, что обеспечивает основную электроизоляцию ЭХЭ от корпуса. Сборка ЭХЭ и ПТН центрирована посредством специального приспособления относительно прокладок 2 с обеспечением воздушного зазора величиной 0,3 мм между поверхностью прокладок 2 и боковой поверхностью ЭХЭ.
Как это показал пример, при реализации предлагаемого изобретения обеспечивается технический результат, заключающийся в увеличении продолжительности работы, повышении надежности при срабатывании и работе ТБ, снижении риска появления коротких замыканий между элементами активных масс блока ЭХЭ, в обеспечении возможности проведения визуального контроля качества и правильности сборки ТБ.