УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для обеспечения электрического соединения токопроводящих элементов и может найти применение для электрических соединителей, работающих в химических источниках тока с агрессивными электролитами, в том числе, в топливных элементах.
Известно устройство для обеспечения электрического соединения, содержащее токопроводящие элементы, выполненные с возможностью подключения к внешней цепи, причем его первая контакт-деталь, имеет конический хвостовик, а вторая контакт-деталь имеет коническое отверстие, образуя разъемное конусное зажимное соединение, для стопорения которого первая контакт-деталь снабжена резьбовым наконечником, на который навинчена гайка (см. патент RU №2196373, опубл. 2003 г.).
К недостаткам известного устройства можно отнести отсутствие средств защиты контактируемых поверхностей от возможного воздействия агрессивных сред и сравнительно большая длительность операций по обеспечению надежного электрического соединения токопроводящих элементов.
Известно устройство для обеспечения электрического соединения, содержащее корпус из изолирующего материала и токопроводящие элементы, выполненные с возможностью подключения к внешней цепи (см. патент RU №2173922, опубл. 2001 г.).
Особенностью известного устройства является то, что оно содержит подпружиненную каретку и электрический соединитель, одна ответная часть которого закреплена в корпусе, а другая соединена с кареткой, подпружиненный плоской пружиной фиксатор и привод, связанный с кареткой и фиксатором через средство их перемещения. Фиксатор установлен с возможностью поворота на заданный угол и удержания каретки в расстыкованном состоянии соединителя, а средство перемещения выполнено в виде кулачкового механизма.
Недостатками известного устройства являются сложность средств для привода и фиксации элементов конструкции, а также невозможность его использования, в частности, в химических источниках тока с агрессивными электролитами из-за незащищенности электрического соединения токопроводящих элементов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство для обеспечения электрического соединения, содержащее корпус из изолирующего материала и токопроводящие элементы, выполненные с возможностью подключения к внешней цепи, корпус выполнен в виде стакана, на дне которого закреплен первый токопроводящий элемент, поверх открытой части стакана установлен фиксатор, второй токопроводящий элемент выполнен с возможностью перемещения по оси корпуса и имеет форму цилиндра с хвостовиком, установленным внутри полой втулки из изолирующего материала с возможностью перемещения относительно упомянутых корпуса и втулки, дно которой в совмещенном положении токопроводящих элементов закреплено упомянутым фиксатором, при этом хвостовик второго токопроводящего элемента пронизывает дно втулки, в кольцевой полости между хвостовиком и внутренней поверхностью полости втулки из изоляционного материала размещена спиральная пружина сжатия, один конец которой упирается в дно изоляционной втулки, а другой упирается на выступающую частью упомянутого цилиндра, а наружные цилиндрические поверхности полой втулки и упомянутого цилиндра в области втулки и контактной поверхности имеют кольцевые выточки с размещенными в них эластичными герметизирующими прокладками для защиты зоны соединения токопроводящих элементов от проникновения агрессивной среды, (см. патент RU №68789, опубл. 06.06.2007 г.).
Недостатками этого известного устройства является низкая надежность электрического контакта.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности электрического контакта за счет улучшения его герметичности, предотвращающей попадание электролита в зону контакта.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно полезной модели устройство для обеспечения электрического соединения содержит корпус из изолирующего материала и токопроводящие элементы, выполненные с возможностью подключения к внешней цепи, корпус выполнен в виде стакана, на дне которого закреплен первый токопроводящий элемент, поверх открытой части стакана установлен фиксатор, второй токопроводящий элемент выполнен с возможностью перемещения по оси корпуса и имеет форму цилиндра с хвостовиком, установленным внутри полой втулки из изолирующего материала с возможностью перемещения относительно упомянутых корпуса и втулки, дно которой в совмещенном положении токопроводящих элементов закреплено упомянутым фиксатором, при этом хвостовик второго токопроводящего элемента пронизывает дно втулки, в кольцевой полости между хвостовиком и внутренней поверхностью полости втулки из изоляционного материала размещена спиральная пружина сжатия, один конец которой упирается в дно изоляционной втулки, а другой упирается на выступающую частью упомянутого цилиндра, при этом, внутри корпуса размещен полый цилиндр, внутри которого размещена цилиндрическая часть второго токопроводящего элемента, наружная поверхность полого цилиндра частично размещена во внутренней полости изоляционной втулки, касаясь ее внутренней поверхности, в указанной полости втулки кооксиально со спиральной пружиной сжатия установлена вторая пружина сжатия, один конец которой упирается в дно изоляционной втулки, а второй конец пружины упирается в верхний торец полого цилиндра, между нижним торцом полого цилиндра и первым токопроводящим элементом размещена герметизирующая эластичная прокладка, на наружной поверхности полого цилиндра в зоне внутренней полости изоляционной втулки выполнена кольцевая выточка, в которой размещена герметизирующая эластичная прокладка, на внутренней поверхности полого цилиндра, примыкающей к цилиндрической части второго токопроводящего элемента, также выполнена кольцевая выточка, в которой размещена герметизирующая эластичная прокладка.
Такое выполнение устройства, при минимальном количестве точеных деталей, обеспечивает надежное, герметичное и сравнительно быстрое электрическое соединение токопроводящих элементов и их фиксацию в указанном положении за счет пружин сжатия, а наличие эластичных герметизирующих прокладок, предотвращающих проникновение агрессивной среды в зону соединения токопроводящих элементов, позволяет использовать предложенное устройство в химических источниках тока с агрессивными электролитами, в том числе, в топливных элементах.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом и описанием конструкции.
На фиг.1 дано продольное сечение устройства для обеспечения электрического соединения токопроводящих элементов.
Устройство содержит корпус 1 из изолирующего материала и токопроводящие элементы 2, 3, выполненные с возможностью подключения к внешней цепи (не показано). Корпус 1 выполнен в виде стакана, на выступах внутренней поверхности которого закреплен первый токопроводящий элемент 2. Поверх открытой части стакана 1 установлен фиксатор 4, второй токопроводящий элемент 3 выполнен с возможностью перемещения по оси корпуса 1 и имеет форму цилиндра с хвостовиком 5, установленным внутри полой втулки 6 из изолирующего материала с возможностью перемещения относительно упомянутых корпуса 1 и втулки 6. дно которой в совмещенном положении токопроводящих элементов 2 и 3 закреплено упомянутым фиксатором 4.
Хвостовик 5 второго токопроводящего элемента 3 пронизывает дно втулки 6, при этом в кольцевой полости втулки 6 между выступающей частью 7 токопроводящего элемента 3 и упомянутой втулки 6 размещена спиральная пружина 8 сжатия. Токопроводящий элемент 3 размещен во внутренней полости втулки 9, которая, в свою очередь, размещена в кольцевой полости втулки 6. Наружные и внутренние цилиндрические поверхности втулки 9 имеют кольцевые выточки с размещенными в них эластичными герметизирующими прокладками 10 и 11, для защиты зоны соединения указанных токопроводящих элементов от проникновения агрессивной среды, а для защиты места контакта между втулкой 9 и токопроводящим элементом 2 размещается эластичная прокладка 12, закрепляемая в кольцевых проточках на токопроводящем элементе 3 или втулки 9 а между втулкой 6 и цилиндром 9 размещается пружина 13. Поз. 14 обозначен контактный элемент внешней цепи для электрического соединения с хвостовиком 5 второго токопроводящего элемента 3, а поз.15 - пружина для поджатия контактного элемента 14 к хвостовику 5, поз.16 - прокладка для герметизации соединения корпуса 1 и втулки 6
2
Конструкция предложенного устройства для обеспечения электрического соединения токопроводящих элементов была испытана в условиях функционирования при коммутации токовых цепей, связанных с электродами воздушных - алюминиевых топливных элементов с щелочным электролитом, имеющих типичное напряжение 1,2 В и силу тока 60 А. Площадь поверхности электрического контакта между ними составила 46 мм, а усилие прижима деталей 2, 3 друг к другу достигло 20 Н.
Корпус 1 и втулка 6 устройства выполнены из любой твердой прочной пластмассы, устойчивой к агрессивной среде. Фиксатор 4 и контактный элемент 14 внешней цепи для электрического соединения с хвостовиком 5 выполнены из химически стойкого металла. Материалом детали второго токопроводящего элемента 3 является так же химически стойкий материал, а материалом первого токопроводящего элемента 2 является алюминиевый сплав анода топливного элемента. Герметизирующие прокладки 10, 11 выполнены из круглой стандартной резины, а эластичная герметизирующая прокладка 12 выполнена из эластичной кислото- и щелочестойкой резины. Толщина прокладки 12 до сжатия составила 1 мм, а после соединения деталей 2, 3-0,8 мм.
Устройство для обеспечения электрического соединения токопроводящих элементов для коммутации токовых цепей топливных элементов работает следующим образом.
Токопроводящий элемент 2, электрически соединенный с анодом топливного элемента (не показан), неподвижно закреплен на выступах внутренней поверхности донной части корпуса 1. Сборку токопроводящего элемента 3 осуществляют следующим образом. На хвостовик 5 токопроводящего элемента 3 надевают пружину 8, в кольцевые проточки цилиндра 9 вставляют резиновые прокладки 10 и 11, после этого в углубление втулки 6 вставляют пружину 13 и втулку 9 а затем на деталь 3 одевают прокладку 12 и вставляют в дно втулки 6 для обеспечения электрического соединения с контактным элементом 14, который электрически соединен с внешним проводом электрической цепи (не показан). После этого на внешнюю поверхности втулки 6 устанавливают резиновую прокладку 16 и сборку токопроводящего элемента 3 вставляют в полость корпуса 1 до тех пор, пока втулка 6 установится в выступах фиксатора 4. При сборке и настройке устройства проверяют свободный ход токопроводящего элемента 3 и цилиндра 9 в полости втулки 6 под действием пружин 8 и 13 и плотность прилегания плоских поверхностей деталей 2, 3. В состоянии электрического соединения этих деталей фиксатор 4 должен надежно удерживать втулку 6 в корпусе 1 Герметичность внутренней полости корпуса 1 обеспечивается при этом за счет герметизирующих прокладок 10 и 11. Указанное состояние устройства соответствует электрическому соединению токопроводящих элементов 2, 3, при этом пружина 8 находится в сжатом положении и создает прижимающее усилие контактной поверхности детали 3 на контактную поверхность детали 2 а пружина 13 создает прижимающее усилие на прокладку 12 обеспечивающее герметичность электрического контакта между токопроводящими элементами. В процессе сближения деталей 2, 3 эластичная герметизирующая прокладка 12 деформируется цилиндром 9 по периметру поверхности электрического контакта между ними, перекрывая доступ окружающей агрессивной среде в область электрического соединения. Усилие пружины 8 обеспечивает при этом необходимую для протекания токов силу прижима контактирующих поверхностей деталей 2, 3, а пружина 13 - деформацию эластичного прокладки 12. Тем самым предложенное техническое решение обеспечивает надежное электрическое соединение контактирующих поверхностей токопроводящих элементов при одновременном отсутствии на этих поверхностях электрохимических и эрозионно-окислительных процессов.
Опытные образцы предложенного устройства для обеспечения электрического соединения были изготовлены и успешно испытаны в условиях функционирования при коммутации рабочих токов в цепях алюминий - воздушных топливных элементов с щелочным электролитом.