УЗЕЛ ГЕРМЕТИЗАЦИИ БОРНА ИСТОЧНИКА ТОКА

Заявляемая полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована для герметизации электрических проводников (борнов) в корпусе источника тока в условиях повышенных температур и давления внутри корпуса, например, в случае применения в электрохимических генераторах тока на основе топливных элементов.
Известен «Узел герметизации борна свинцового аккумулятора», по патенту РФ на изобретение №2030028 (кл. МПК H01M 2/06, приоритет от 22.10.1991) [1]. В соответствии с данным изобретением борн свинцового аккумулятора, помещенный в гнездо крышки или корпуса, содержит глухое отверстие, в которое вставлена втулка со штифтом внутри ее. Контакт размещен между крышкой и борном, при этом часть контакта поджата к поверхности борна, а часть отделена от борна выступом крышки или корпуса. Герметизация всего узла и поджатие контакта осуществляется при запрессовке штифта во втулку.
Недостатком такой конструкции является ее невысокая надежность в части обеспечения герметичности при длительной эксплуатации источника тока. Герметичность обеспечивается только за счет плотного прилегания борна к пластмассовой крышке корпуса, которое может ухудшиться вследствие пластической деформации пластмассовой крышки (корпуса) при длительной эксплуатации.
В следующем аналоге «Узел герметизации борна аккумулятора», патент РФ на изобретение №2079932 (кл. МПК H01M 2/06, приоритет от 05.03.1994) [2] узел герметизации борна аккумулятора, включает борн, помещенный в гнездо крышки или корпуса, выполненный из упругого непроводящего материала, кольцевую канавку вокруг гнезда крышки или корпуса аккумулятора, и металлическую втулку в виде клинообразного элемента с цилиндрической наружной поверхностью и коническим отверстием.
Недостатком второго аналога также является возможность разгерметизации борна в корпусе аккумулятора при длительной эксплуатации при повышенных температуре и давлении, так как клинообразная втулка удерживается в кольцевой канавке только силами трения, а это предполагает неизменность упругих свойств пластмассы корпуса и отсутствие ее текучести, что маловероятно при изменении температурных режимов эксплуатации аккумулятора.
Наиболее близким аналогом и потому принятым за прототип является техническое решение, заявленное в патенте РФ на изобретение №2216075 «Устройство для введения электрического проводника в корпус источника тока» (кл. МПК H01M 2/06, приоритет от 09.10.2000) [3].
В соответствии с прототипом электрический проводник (борн), размещенный в токовыводе, снабжен в верхней части упорным пояском, а в нижней - резьбой, сопряженной с резьбой токовывода, размещенного в корпусе источника тока, при этом уплотнительное кольцо имеет овальную форму.
Отличаясь от предыдущих аналогов, техническое решение, заявленное в прототипе, обладает тем же недостатком: возможностью разгерметизации источника тока при длительной эксплуатации в условиях повышенных температуры и давления в корпусе. Недостаток обусловлен тем, что все же присутствует участок уплотнения «металл-пластмасса» по верхнему периферийному торцу токовывода. Другой недостаток прототипа заключается в том, что электрический контакт токовывода с борном осуществляется по резьбе, а такому соединению деталей свойственны повышенные контактные потери напряжения.
Задачей заявляемого технического решения является снижение контактных потерь напряжения и повышение эксплуатационной надежности источника тока в части обеспечения надежной герметизации борна при длительной эксплуатации в условиях повышенных температур и давления в корпусе источника тока. Подобные условия характерны, например, для батарей топливных элементов электрохимических генераторов тока.
Решение поставленной задачи заключается в том, в известную конструкцию устройства для введения электрического проводника в корпус источника тока, включающую борн, токовывод и кольцеобразную канавку для уплотнительного кольца, согласно заявляемому техническому решению в конструкцию узла герметизации борна дополнительно введены стеклянная втулка, внутренняя поверхность которой спаяна с борном, и металлическая обечайка, с кольцевыми канавками для уплотнительных колец, припаянная изнутри к внешней поверхности стеклянной втулки, и имеющая крепежные отверстия для установки в корпусе источника тока.
Борн и обечайка выполнены из металла, обладающего коэффициентом теплового расширения, равным коэффициенту теплового расширения стекла например, из сплава ковар (сплав 29 НК ГОСТ 10994-74) [4]. Соединение борна с токовыводом осуществлено по цилиндрическим поверхностям, что обеспечивает минимальные контактные потери напряжения. Уплотнительные кольца выполнены из упругого материала, стойкого в условиях, в которых работает источник тока.
На фиг. 1 представлен заявляемый узел герметизации борна источника тока, а фиг. 2 (вид Α-A) иллюстрирует скрепление борна и токовывода.
Узел герметизации борна источника тока (фиг. 1) состоит из борна (1), стеклянной втулки (2) и металлической обечайки (3). Внутренняя поверхность стеклянной втулки (2) спаяна с борном (1), а ее внешняя поверхность припаяна к внутренней поверхности металлической обечайки (3). Металлическая обечайка (3) выполнена с кольцевыми канавками (4) для уплотнительных колец, например, с двумя, и отверстиями для крепления к корпусу источника тока. Узел герметизации борна, после установки уплотнительных колец в кольцевые канавки (4) для уплотнительных колец металлической обечайки (3), помещается в корпус (5) источника тока и через отверстия для крепления в металлической обечайке (4) закрепляется на корпусе (5) источника тока при помощи шпилек (6) и гаек (7).
На фиг. 2 (вид А-А) показано соединение борна (1) с токовыводом (8). Узел герметизации борна установлен в корпусе источника тока (5). На часть борна (1), находящуюся внутри корпуса источника тока (5), крепится токовывод (8) с помощью резьбового элемента (9), а в отверстие (10) токовывода (8) впоследствии монтируются контакты от элементов источника тока.
При работе источника тока уплотнительные кольца, за счет упругих свойств, а также спаянные места борна (1), втулки (2) и обечайки (3), в совокупности с отсутствием мест уплотнения «металл-пластмасса», обеспечивают надежную герметизацию борна (1) в стеклянной втулке (2) и обечайке (3).
ПРИМЕР
Были изготовлены батареи водородно-кислородных топливных элементов для электрохимических генераторов тока, содержащие 6, 8, 32 и 400 топливных элементов. Герметизация борнов в корпусах батарей была осуществлена в соответствии с заявляемым техническим решением.
Борн и обечайка изготовлены из материала ковар (сплав 29 НК ГОСТ 10994-74) [4]. Уплотнительные кольца выполнены тороидальной формы из смеси резиновой марки 51-6001 ТУ 38 005924-2002 [5].
Батареи были длительно (до 5000 часов) успешно испытаны при избыточном давлении рабочих газов в корпусе 0,4 МПа и температурах 85 и 100°С. Контактных потерь напряжения не обнаружено. Эксплуатационная надежность источника тока в части обеспечения герметизации борнов при длительной эксплуатации в условиях повышенных температур и давления в корпусе источника тока подтверждена.
Применение заявляемого устройства для введения борна в корпус источника тока гарантировано обеспечивает надежную герметичность источника тока при эксплуатации в течение многих тысяч часов в условиях повышенных давления и температуры с минимальными контактными потерями напряжения.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2030028 «Узел герметизации борна свинцового аккумулятора», (кл. МПК H01M 2/06, приоритет от 22.10.1991
2. Патент РФ на изобретение №2079932 «Узел герметизации борна аккумулятора», патент (кл. МПК H01M 2/06, приоритет от 05.03.1994)
3. Патент РФ на изобретение №2216075 «Устройство для введения электрического проводника в корпус источника тока» (кл. МПК H01M 2/06, приоритет от 09.10.2000).
4. «Сплавы прецизионные. Марки.» ГОСТ10994-74.
5. «Смеси резиновые специальные. Технические условия» марки 51-6001 ТУ 38 005924-2002.