ТЕПЛОВАЯ БАТАРЕЯ

Полезная модель относится к тепловым химическим источникам тока, обладающими повышенной устойчивостью к действию внутренних и внешних повышенных температур, используемых в системах сигнализации и специальной технике.
Известна тепловая батарея (Патент РФ 2457586, опубл. 27.07.2012, МПК Н01М 6/20, Н01М 10/39), содержащая корпус с термоизоляцией и внешними токовыводами от двух и более электрически соединенных параллельно, расположенных друг за другом на центральном изолированном стержне блоков элементов термоактивируемых химических источников тока, каждый из которых состоит из катода, электролита и анода и чередуется последовательно в осевом направлении с пиронагревательными элементами. Кроме того, батарея содержит центральные катодный и анодный токоотводы, охватывающие центральный изолированный стержень и зафиксированные на соответствующих токосъемах внешних токовыводов и токосъемах блока элементов термоактивируемых химических источников тока, наиболее удаленного от внешних токовыводов, а также поджимные элементы блоков. При этом поджимные элементы блоков выполнены в виде герметичных сильфонов с внутренними упорами.
Недостатком данного технического решения является использование деформируемых фиксирующих элементов, изготовленных из недостаточно термически устойчивых конструкционных материалов. Это ограничивает диапазон рабочих температур и, следовательно, приводит к снижению времени работы тепловой батареи и связанных с ним характеристик.
2
Известна тепловая батарея (Патент РФ 2369944, опубл. 10.10.2009 г., МПК Н01М 6/36, принята за прототип), содержащая блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией, в предлагаемой конструкции блок электрохимических элементов размещен вдоль вертикальной оси корпуса, поджат с заданным усилием в осевом направлении упругим элементом (у нас - фиксирующим элементом) с возможностью регулирования величины этого усилия, корпус тепловой батареи выполнен цилиндрическим из нержавеющей стали (у нас - термостойкий сплав) с толщиной стенок не менее 0,5-1,0 мм, анод каждого электрохимического элемента выполнен из литий-борного сплава (LiB), катод - из смеси NiCl и электропроводной добавки, электролит - из смеси загустителя и эвтектики, состоящей из солей щелочных металлов, с внутренней и торцевых сторон цилиндрического корпуса выполнены слои тепло- и электроизоляции, между слоями активных масс введены твердые слои теплонагревательных элементов, в цилиндрическом корпусе выполнены сквозные вертикальные прорези в виде окон, суммарная площадь которых не превышает 80% от его общей боковой поверхности.
Недостатком прототипа является снижение модуля упругости упругого элемента при воздействии на батарею внутренних и внешних повышенных температур, а также ограниченная термическая устойчивость нержавеющей стали, в особенности в области сварных швов, следствием чего является недостаточное усилие поджатая электрохимических элементов в области рабочих температур батареи, что ограничивает время ее работы.
Проблемой тепловых батарей является изменение усилия поджатия в области рабочих температур (400-600°С) вследствие увеличения геометрических размеров фиксирующих элементов и снижения их упругих свойств. Следствием этого является снижение истинной площади контакта слоев анода, катода и электролита при их расплавлении и соответствующее снижение времени работы, емкости и энергии теплового химического источника тока.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение времени работы тепловой батареи за счет повышения устойчивости тепловой батареи к действию внутренних и внешних повышенных температур.
Техническим результатом полезной модели является повышение удельных емкости и энергии в области ее рабочих температур, а также повышенной внешней температуры.
Указанный технический результат обеспечивается конструкцией тепловой батареи. Тепловая батарея, содержит блок электровоспламенителя, блок электрохимических элементов с токоотводами, каждый из электрохимических элементов снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, ограниченными с внешней стороны глухим цилиндрическим корпусом и крышкой с тепло- и электроизоляцией, блок электрохимических элементов размещен вдоль вертикальной оси корпуса, поджат в осевом направлении фиксирующим элементом, электролит состоит из смеси загустителя и эвтектики, состоящей из солей щелочных металлов, между слоями электрохимических элементов введены слои теплонагревательных элементов, причем блок электрохимических элементов выполнен в виде двух параллельно соединенных цепей с токоотводом от их промежуточной точки, фиксирующий элемент выполнен в виде жесткой стяжки из титана и опорного диска, стяжка одним концом приварена к крышке, а противоположный конец стяжки изогнут под прямым углом к оси блока электрохимических элементов и приварен к опорному диску, глухой цилиндрический корпус и крышка выполнены из титана, теплоизоляция торцевых сторон блока электрохимических элементов выполнена в виде теплонагревательных элементов, катод выполнен из дисульфида железа, анод выполнен из сплава литий-кремний.
-6
-6
3
3
Выполнение фиксирующего элемента в виде жесткой стяжки, с одной стороны приваренной к крышке, а с другой стороны имеющей упор в форме изгиба под углом 90°, а также опорного диска, приваренного к упору, обеспечивает закрепление блока электрохимических элементов с поджимом, который не снижается при повышении температуры, чему способствует выполнение стяжки из титана, что связано с его температурным коэффициентом линейного расширения, составляющим 9,9×10 м/°С, тогда как для аустенитных нержавеющих сталей он составляет 14,4-17,3×10 м/°С (материалы сайта http://temperatures.ru/pages/temperaturnyi_koefficient_lineinogo_rasshireniya). Сохранение поджима блока электрохимических элементов способствует увеличению времени работы тепловой батареи. Сборка блока электрохимических элементов в виде двух параллельных цепей снижает вероятность преждевременного выхода батареи из строя из-за короткого замыкания электродов в любом отдельном элементе. Токоотвод от промежуточной точки дает возможность вывода во внешнюю цепь не только общего напряжения каждой из параллельных цепей от токоотводов концевых анодов и концевых катодов параллельно соединенных блоков элементов, но и кратного ему значения, что дает возможность сохранить работоспособность батареи в аварийном режиме при одновременном выходе из строя двух элементов из каждой из параллельных цепей. Использование в качестве термостойкого сплава титана позволяет повысить надежность сварных соединений, так как температура плавления титана, 1668°С, обеспечивает его термическую устойчивость в области рабочих внутренней и внешней температурах тепловой батареи. Это снижает вероятность разрушения сварных соединений в процессе работы тепловой батареи и увеличивает, тем самым время ее работы, а значит, емкость и энергию. Поскольку плотность титана, 4,54 г/см, значительно меньше плотности нержавеющей стали, 7,93 г/см, при тех же габаритах масса корпуса, крышки и стяжки при выполнении их из титана будет ниже, что приводит к увеличению удельной емкости тепловой батареи и ее удельной энергии. Теплоизоляция в виде нескольких твердых слоев теплонагревательных элементов является значительно более эффективной, чем применение только теплоизолирующих составов, так как в направлениях теплопотерь находятся источники тепла, что способствует снижению времени активации и увеличению времени работы тепловой батареи. Выполнение катода из дисульфида железа позволяет сохранять компактность катода в процессе работы в диапазоне температур до 1170°С. Материалом анода является сплав литий-кремний, обладающий высокой температурой плавления и агрегатной устойчивостью. Это обеспечивает гарантированное сохранение механической целостности катода в диапазоне работы тепловой батареи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана конструкция тепловой батареи в продольном сечении.
На фиг. 2 показана конструкция корпуса батареи
1 - катод
2 - электролит
3 - анод
4 - теплонагревательный элемент электрохимического элемента
5 - теплонагревательные элементы теплоизоляции
6 - набор тепло- и электроизоляционных прокладок
7 - крышка
8 - блок электровоспламенителя
9 - стяжка
10 - опорный диск
11 - токоотвод концевых катодов параллельно соединенных блоков элементов
12 - токоотвод концевых анодов параллельно соединенных блоков элементов
13 - токоотвод от промежуточной точки параллельно соединенных блоков элементов
14 - глухой цилиндрический корпус батареи
15 - теплоизоляция
Тепловая батарея содержит блок электровоспламенителя 8, блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода 3, выполненного из литий-кремниевого сплава, катода 1, выполненного, из дисульфида железа, электролита 2, состоящего из смеси загустителя и эвтектики, состоящей из солей щелочных металлов, между электрохимическими элементами расположены теплонагревательные элементы электрохимических элементов 4. Блок электрохимических элементов ограничен с внешней стороны общим корпусом 14, выполненным из титана, теплоизолирующими прокладками 15 и крышкой 7, блок электрохимических элементов размещен вдоль вертикальной оси корпуса, поджат в осевом направлении стяжкой 9, выполненной из титана, с одной стороны приваренной к крышке батареи 7, а с другой стороны имеющей упор в форме изгиба под углом 90°, стяжка 9 фиксирует блок электрохимических элементов с помощью опорного диска 10, приваренного к упору стяжки 9, с торцевых сторон цилиндрического корпуса выполнены слои тепло- и электроизоляции в виде теплонагревательных элементов теплоизоляции 5. Блок электрохимических элементов имеет токоотвод концевых катодов параллельно соединенных блоков элементов 11, токоотвод концевых анодов параллельно соединенных блоков элементов 12 и токоотвод от промежуточной точки параллельно соединенных блоков элементов 13.
Тепловая батарея работает следующим образом. В требуемый момент времени блок электровоспламенителя 8 инициирует горение ленты пиротехнической воспламенительной (на фигурах не показана), от которой происходит зажигание теплонагревательных элементов 4 и 5. Их горение обеспечивает повышение температуры до начала плавления электролита 2, после чего на катоде 1 начинается восстановление дисульфида железа, а на аноде 3 растворение лития из сплава литий-кремний. В результате протекания электродных реакций на токоотводах концевых катодов 11 и анодов 12 параллельно соединенных блоков элементов появляется напряжение и блок электрохимических элементов начинает вырабатывать ток во внешнюю цепь. Если в одной из параллельно соединенных ветвей блоков элементов выходит из строя один или более элемент, батарея продолжает работать за счет исправной ветви. При выходе из строя элементов в обоих из параллельных цепей работа батареи в аварийном режиме обеспечивается за счет токоотвода от промежуточной точки блока параллельно соединенных электрохимических элементов 13. Теплопотери через торцы батареи компенсируются дополнительными источниками тепла в виде теплонагревательных элементов теплоизоляции 5 и набором теплоизолирующих прокладок 6, через боковые поверхности корпуса - его теплоизоляцией 15. В процессе работы происходит увеличение объема блока электрохимических элементов, которое за счет жесткой стяжки 9 и опорного диска 10 преобразуется в давление поджима блока, что улучшает условия его работы и способствует увеличению емкости и энергии.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели, параллельные цепи в блоке электрохимических элементов с промежуточным токоотводом, наличие жесткой стяжки, выполненной из титана, использование титана в качестве материала корпуса, введение дополнительных теплонагревательных элементов, обеспечивают увеличение времени работы батареи в условиях повышенных внутренней и внешней температур и соответствующее увеличение удельных емкости и энергии.