ТЕПЛОВАЯ БАТАРЕЯ
THERMAL BATTERY

Изобретение относится к области электротехники, а именно к термоактивируемым химическим источникам тока (ТХИТ), и может быть использовано в источниках электропитания как средств управления, так и активного питания силовых электрических агрегатов.
Известна тепловая батарея элементов ТХИТ (Патент РФ 2369944, опубл. 10.10.2009 г., бюл. №28) [1]. Согласно изобретению тепловая батарея содержит блок элементов ТХИТ, каждый из которых состоит из расчетного количества твердых слоев анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченных с внешней стороны общим корпусом с тепло- и электроизоляцией. При этом блок элементов ТХИТ данной батареи размещен вдоль вертикальной оси корпуса, поджат в осевом направлении с заданным усилием расчетного количества упругих элементов с возможностью регулирования величины этого усилия посредством резьбового элемента. Требуемое напряжение в известном решении обеспечивается путем последовательного соединения элементов ТХИТ в заданном количестве. Однако подобное соединение не позволяет получать повышенные показатели энергоемкости и мощности. Кроме того, под воздействием высоких рабочих температур упругие элементы известной батареи теряют свои упругие свойства и не развивают требуемые усилия поджима. Это может стать причиной ослабления контакта элементов ТХИТ, возникновения пробойных мест и электромагнитных шумов в тепловой батарее, и, как следствие, значительного снижения надежности ее работы.
Известна тепловая батарея элементов ТХИТ (Патент на полезную модель РФ 50718, опубл. 20.10.2006 г.) [2], содержащая корпус с внешними токовыводами и термоизоляцией, внутри которого на центральном изолированном стягивающем стержне размещен блок элементов ТХИТ, каждый из которых состоит из катода, электролита, анода и чередуется последовательно в осевом направлении с пиронагревательными элементами. Известная батарея снабжена центральным трубчатым токоотводом, который охватывает изолированный стержень, отделен от блока элементов изоляционной трубкой и зафиксирован на электродном токосъеме внешнего токовывода и токосъеме элемента ТХИТ, наиболее удаленного от внешних токовыводов. Возможности увеличения электрических характеристик батареи элементов ТХИТ, основанной на известном решении, ограничены. Существенные ограничения на использование источника тока накладывает высота батареи, влияющая на снижение прочности блока элементов при боковом механическом воздействии. Кроме того, отсутствие поджатия блока элементов ТХИТ в осевом направлении снижает надежность работы батареи: возникает вероятность ослабления электрического контакта между элементами блока, приводящего к неустойчивости работы устройства.
Известна тепловая батарея блоков элементов ТХИТ (Technical Guide and Catalog of Thermal Batteries by Eagle Picher LLC, №EAP - 12211) [3], содержащая два отдельных, соединенных посредством сварки корпуса, каждый из которых содержит блок последовательно соединенных элементов ТХИТ, нагревательные элементы и токовыводы. При этом параллельное электрическое соединение блоков элементов ТХИТ осуществляется снаружи корпусов посредством перемычек. Известное решение позволяет повысить энергоемкость и мощность устройства, однако его габариты при этом существенно увеличены, что приводит к значительному снижению удельных электрических характеристик батареи. Кроме того, под воздействием вращательных нагрузок снижается устойчивость известной батареи, возникает дисбаланс, а воздействие центробежных сил может привести к обрыву электрического соединения блоков элементов ТХИТ.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке тепловой батареи блоков элементов ТХИТ, обладающей повышенными удельными электрическими характеристиками и характеризующейся более высокой надежностью работы.
Поставленная задача решается тем, что тепловая батарея содержит корпус с термоизоляцией и внешними токовыводами и 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.
1
2
n
1
2
n
Повышение электрических характеристик тепловой батареи исключительно увеличением числа элементов ТХИТ, как в [1] - неэффективно, поскольку последовательное электрическое соединение не позволяет увеличить токовую характеристику в виду того, что при таком соединении элементов сила тока в любых частях цепи одна и та же: I=I=I…=I (1). При этом параллельное электрическое соединение элементов ТХИТ, при котором сила тока равна сумме сил токов отдельных параллельно соединенных элементов: I=I+I+..+I (2), представляется нецелесообразным, поскольку его организация требует дополнительного пространства для размещения перемычек между элементами ТХИТ, что значительно увеличило бы габариты батареи и снизило ее удельные электрические характеристики.
Однако размещение в едином корпусе от двух и более электрически соединенных параллельно блоков элементов ТХИТ позволяет эффективно решить обозначенную задачу. В заявленном решении батарея содержит от двух и более блоков элементов ТХИТ, расположенных друг за другом на центральном изолированном стержне. При этом катодный и анодный токоотводы, зафиксированные на соответствующих токосъемах внешних токовыводов и токосъемах блока элементов термоактивируемых химических источников тока, наиболее удаленного от внешних токовыводов, обеспечивают параллельное электрическое соединение указанных блоков. И притом что, как следует из выражения (2), при параллельном соединении токовая характеристика увеличивается, компактное размещение в едином корпусе блоков элементов ТХИТ исключает применение дополнительных конструкционных материалов для каждого блока (отдельного корпуса, токовыводов и др.). Таким образом, увеличиваются и удельные электрические характеристики тепловой батареи. Кроме того, заявленная конструкция предусматривает минимизацию высоты самих элементов ТХИТ, а следовательно, и увеличение их общей рабочей площади и суммарных электрических характеристик.
Для компенсации изменений объема элементов ТХИТ при работе тепловой батареи, заявленная конструкция содержит поджимные элементы блоков. Указанные элементы выполнены в виде герметичных сильфонов с внутренними упорами, обеспечивающих необходимый объем для рабочего тела (инертного газа) при сборке батареи. При нагревании тепловой батареи газ, находящийся внутри поджимного элемента блока, расширяется и раздвигает его плоскости, которые поджимают изменившиеся в объеме блоки элементов ТХИТ. Компенсация изменений объема блоков элементов ТХИТ предотвращает ослабление электрического контакта между элементами блока и исключает возникновение пробойных мест и электромагнитных шумов. При этом важным является конструктивное решение поджимного элемента блока: его выполнение в виде герметичного сильфона с внутренними упорами обеспечивает сохранение упругих свойств элемента при воздействии высоких рабочих температур и поддержание требуемого усилия поджима. Кроме того, наличие внутренних упоров в поджимном элементе блока исключает осевое смещение блоков элементов ТХИТ под воздействием ударных нагрузок.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении удельных электрических параметров (мощности и энергоемкости) тепловой батареи ТХИТ за счет компактного размещения блоков элементов в едином корпусе при обеспечении их параллельного электрического соединения, а также в предотвращении ослабления электрического контакта между элементами блока и исключении возникновения пробойных мест и электромагнитных шумов.
Принципиальная схема тепловой батареи приведена на чертеже.
Тепловая батарея содержит корпус с термоизоляцией и системой электровоспламенителей (не указаны), в центре которого закреплен стержень 1 с изоляционным покрытием 2. На стержне 1 размещены расположенные друг за другом блоки (первый, второй, третий, n-1, n - 3, 4, 5, 6, 7 соответственно) элементов термоактивируемых химических источников тока 8. Каждый из элементов ТХИТ 8 состоит из катода, электролита и анода (не указаны) и чередуется последовательно в осевом направлении с пиронагревательными элементами 9. Блоки 3 и 7 снабжены отдельными положительными токосъемами 10 и 11 соответственно, все остальные блоки элементов ТХИТ попарно снабжены общими положительными токосъемами: 12 - для блоков 4 и 5, 13 - для блоков n-2 (не указан) и 6. При этом блоки 3, 4, 5, 6, 7 снабжены попарно общими отрицательными токосъемами: 14 - для блоков 3, 4; 15 - для блоков 5 и последующего четвертого блока элементов ТХИТ (не указан); 16 - для блоков 6, 7. Отрицательный токоотвод 17 зафиксирован на катодном токосъеме 18 и токосъеме 16 посредством обжима, завальцовки или сварки, а положительный токоотвод 19 - на анодном токосъеме 20 и токосъеме 11. При этом токоотводы 17, 19, изолированы посредством электроизоляционной сборки 21, а токосъемы 18, 20 - посредством электроизоляционных дисков 22. Внешний отрицательный токовывод 23 и положительный токовывод 24 закреплены на корпусе и соответственно на катодном токосъеме 18 и анодном токосъеме 20. Поджимные элементы блоков 25 могут быть расположены между каждыми блоками элементов батареи, в начале и конце сборки блоков элементов, или по-другому. В данном примере блок 5 и каждые следующие за ним третьи по порядку по отношению к внешним токовыводам блоки элементов ТХИТ (не указаны), а также блок 7 поджимаются в осевом направлении посредством поджимных элементов блоков 25, блоки 3 и 7 при этом стянуты поджимными гайками 26.
При срабатывании внешнего инициирующего устройства импульс тока подается на мостик электровоспламенителей, что дает форс пламени, воспламеняющий пиронагреватели 9. Это обеспечивает нагрев блоков элементов ТХИТ 3, 4, 5, 6, 7 до рабочей температуры и электрическую связь между ними. При нагревании тепловой батареи газ, находящийся внутри поджимных элементов блоков 25, расширяется и раздвигает его плоскости, которые поджимают изменившиеся в объеме блоки 3, 4, 5, 6, 7, уплотняя сборку. Снятие электрической емкости производится с помощью внешних токовыводов 23, 24.
Заявленная тепловая батарея реализована в лабораторных условиях в виде опытного образца, содержащего два блока элементов ТХИТ, характеристики которых (массы, рабочего объема, удельной мощности и др.) идентичны элементам батареи ТХИТ, изготовленной по решению [2]. Испытания проведены в одинаковых условиях на автоматизированном стенде, с установленными электрическими параметрами разряда для каждого типа батареи. В таблице приведены полученные показатели эксперимента.
Из таблицы видно, что при незначительном увеличении массы и высоты заявленной тепловой батареи в 1,4 раза увеличились показатели удельной мощности и энергоемкости, и в 2 раза - ток разряда.
Конкретные электрические показатели (энергоемкость, мощность) тепловой батареи задаются требуемым количеством блоков элементов ТХИТ. При этом их параллельное соединение в едином корпусе позволяет достигать неизменно высоких удельных электрических показателей за счет увеличения токовой характеристики в компактном объеме корпуса без применения дополнительных конструкционных материалов. Высокая надежность работы тепловой батареи даже при большом количестве блоков элементов ТХИТ обеспечивается поджимными элементами блоков, количество которых соответствует заданному количеству блоков элементов ТХИТ.
Таблица
ТЕПЛОВАЯ БАТАРЕЯ
Значение показателей предлагаемой батареи
Наименование показателей
Значение показателей батареи [2]
Ток разряда, А
<b>30</b>
<b>15</b>
Напряжение, В
24-30
24-30
Количество элементов ТХИТ, шт.
30
15
Время работы, с
350
350
Высота, мм
<b>160</b>
<b>115</b>
Диаметр, мм
50
50
Масса ТБ, кг
<b>0,7</b>
<b>0,5</b>
Удельная мощность, кВт/кг
<b>1,2</b>
<b>0,84</b>
Удельная энергоемкость, Вт ч/кг
<b>80</b>
<b>56</b>