МИНИАТЮРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ ЛИТИЕВЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА
TINY THERMAL LITHIUM CURRENT SOURCE

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве тепловых химических источников тока.
Разработка миниатюрных тепловых источников тока связано с необходимостью решения технологических и теплофизических проблем, диктуемых их малыми размерами.
Технологические проблемы заключаются в обеспечении возможности получения миниатюрных анодных, электролитных и катодных таблеток, отличающихся незначительной массой, малыми габаритами, химической агрессивностью, сложностью осуществления коммутации электрических цепей и сборочных работ. При этом все операции изготовления деталей должны проводиться в осушенной среде.
2
Теплофизические проблемы связаны с необходимостью поддержания требуемого для работы уровня температур при достаточно продолжительном времени работы с сохранением удельной энергоемкости и разряда большими плотностями тока (≥2 A/см). Задача усложняется из-за неподдающихся тепловым расчетам потерь тепла при эксплуатации объектов, питаемых тепловыми источниками тока. Особенно это касается миниатюрных источников тока.
Известен тепловой литиевый источник тока [Патент JP №2808652, кл. H01M 6/36, заявл. 24.04.1989 г., опубл. 08.10.1998 г.], содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок электрохимических элементов, состоящий из последовательно расположенных анодных, электролитных, катодных и пиротехнических таблеток, по боковой поверхности блока диаметрально установлены узкие пиротехнические полосы, передающие огневой импульс от запального устройства, расположенного в основании блока элементов, на пиротехнические таблетки. По боковой поверхности блока и по его торцам установлена теплоизоляция.
Принципы конструирования, использованные в этом источнике тока, пригодны для источников тока больших габаритов и не могут быть применены при конструировании миниатюрных источников тока, так как даже при решении технологических проблем остаются наиболее трудные вопросы, связанные с обеспечением и поддержанием рабочей температуры в течение достаточно продолжительного времени.
Наиболее близким по технической сущности является тепловой источник тока [Патент RU №2408113 C1, кл. H01M 6/36, 14.12.2009 г.], содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок электрохимических элементов, набранный из последовательно расположенных анодных, электролитных, катодных и пиротехнических таблеток, боковая поверхность блока покрыта теплоизоляцией и окружена пиротехническим элементом, по торцам блока установлены теплоизоляционные прокладки.
Недостатком известного источника тока являются большие габаритные размеры, что не позволяет использовать его для питания малогабаритных потребителей электрической энергии.
Конструктивные решения, использованные в нем, неприемлемы для миниатюрных источников тока, поскольку пиротехнический элемент, обеспечивающий подвод дополнительного тепла к блоку электрохимических элементов и тем самым увеличивающий продолжительность работы источника тока, имеет большие размеры. К тому же от блока электрохимических элементов он отделен теплоизоляцией, для прогрева которой также необходимо тепло, и эта теплоизоляция занимает значительный объем.
Целью предлагаемого технического решения является разработка миниатюрного теплового источника тока с литийсодержащим анодом при сохранении удельных характеристик, достигнутых для крупногабаритных источников тока.
С этой целью предлагается миниатюрный тепловой литиевый источник тока, содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок электрохимических элементов, набранный из последовательно расположенных анодных, электролитных, катодных и пиротехнических таблеток, боковая поверхность блока покрыта теплоизоляцией и окружена пиротехническим элементом, получающим огневой импульс от запального устройства, в торцевых частях установлены теплоизоляционные прокладки, отличающийся тем, что пиротехнический элемент выполнен в виде ультратонкой пиротехнической ленточной полосы, плотно облегающей боковую поверхность блока электрохимических элементов, между анодными и пиротехническими таблетками установлены теплоаккумулирующие электропроводящие диски диаметром, равным диаметру блока электрохимических элементов и толщиной, составляющей 0,25-0,35 от толщины анодной таблетки.
В предложенном источнике тока с целью минимизации конструкции электрохимические элементы получают тепло, необходимое для разогрева до рабочих температур как от сгорания пиротехнических таблеток, установленных между электрохимическими элементами, так и от пиротехнической ленточной полосы, охватывающей боковую поверхность блока элементов. Однако для разогрева электрохимических элементов до рабочих температур достаточно тепла, выделяемого пиротехническими таблетками. Поэтому в момент прохождения вдоль блока элементов фронта горения пиротехнической ленточной полосы температура боковой поверхности анода превысит температуру его плавления. В результате, активная масса литиевого анода расплавится и вытечет на периметр блока элементов, приводя к короткому замыканию электрохимических элементов. Процесс усугубляется из-за соизмеримости толщины и диаметра деталей электрохимического элемента, из-за чего скорость горения пиротехнической таблетки по диаметру блока элементов сопоставима с его временем прогрева.
Положительный эффект, в части исключения расплавления анодной таблетки, был получен при установке между анодной и пиротехнической таблетками теплоаккумулирующих электропроводящих дисков. Благодаря высокой теплопроводности и хорошему тепловому контакту с анодом за счет поджатия блока элементов, диски в первоначальный момент работы источника тока мгновенно аккумулируют тепло, идущее на анодную таблетку, предотвращая ее расплавление. В дальнейшем тепло от дисков поступает в блок электрохимических элементов, увеличивая продолжительность работы источника тока. Высокая теплопроводность материала дисков обеспечивает выравнивание температурного поля по диаметру блока элементов, что особенно важно для устойчивой работы блока элементов, набранного из миниатюрных деталей. Высокая теплопроводность материала дисков обеспечивает выравнивание температурного поля по диаметру блока элементов, что особенно важно для устойчивой работы блока, набранного из миниатюрных деталей. В качестве материала дисков могут быть использованы металлы и их сплавы, стойкие к литию и не подверженные коррозии при воздействии высоких температур.
Соотношение толщины теплоаккумулирующего диска к толщине анодной таблетки определяет степень минимизации источника тока. При соотношении, меньшем чем 0,25, возможно расплавление анодной таблетки и растекание лития по блоку электрохимических элементов, при значениях, больших чем 0,35, для выравнивания теплового баланса необходимо увеличить толщину анодной таблетки. Это, в свою очередь, приведет к необходимости увеличения толщины пиротехнической таблетки, и, как следствие, к росту габаритных размеров источника тока.
Миниатюрный тепловой литиевый источник тока (Рисунок 1) состоит из помещенного в корпус 1 и герметизированного крышкой с токовыводами 2, блока электрохимических элементов 3, состоящего из анодных 4, электролитных 5, катодных 6 и пиротехнических 7 таблеток и теплоаккумулирующих электропроводящих дисков 8, проложенных между анодными и пиротехническими таблетками, боковую поверхность блока плотно облегает ультратонкая пиротехническая ленточная полоса 9, получающая огневой импульс от запального устройства 10 и покрытая с внешней стороны тонкослойной тепловой изоляцией 11. По торцам блока установлены теплоизоляционные прокладки 12.
При активации источника тока форс пламени от запального устройства передается на ультратонкую пиротехническую ленточную полосу, которая, воспламеняясь, поджигает пиротехнические таблетки, находящиеся внутри блока. Таким образом, на блок электрохимических элементов воздействует тепло как от пиротехнических таблеток, так и тепло от боковой пиротехнической полосы. Источник тока выходит на рабочий режим.
Выходные электрические характеристики, время активации и продолжительность работы определяются тепловым расчетом, включающим расчет теплового баланса системы электрохимический элемент - пиротехническая таблетка и расчет нестационарного температурного поля с учетом тепла, выделяемого пиротехнической ленточной полосой, облегающей боковую поверхность блока электрохимических элементов.
Предложенное техническое решение позволило получить источник тока внешним диаметром, не превышающим 8 мм. Высота корпуса не лимитируется и зависит, в основном, от типа запального устройства и величины требуемого напряжения.