ПОРТАТИВНОЕ АВТОНОМНОЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к портативным автономным зарядным устройствам на основе электрохимической батареи для заряда аккумуляторов мобильных электронных устройств (мобильных телефонов, фотоаппаратов и т.п.).
Известно портативное зарядное устройство Solidus 1, работающее при наличии прямого солнечного освещения (Андрей Крупин «Автономное зарядное устройство для телефонов», опубликовано 30 августа 2005 года, http://www.computerra.ru/gid/prodig//224633/). Недостатком этого зарядного устройства является то, что для его использования необходимо солнечное освещение.
Известно портативное электрохимическое зарядное устройство - источник дополнительного питания карманного размера Nokia DC-8, работающий от помещенного в его корпус химического источника тока - элемента или аккумулятора (Каталог телефонов, Фирма Nokia, 2008, раздел «Аксессуары»). Емкость популярного марганцево-цинкового элемента позволяет осуществить не более одного - двух циклов заряда аккумулятора мобильного телефона и, поэтому, пользователю Nokia DC-8 необходимо иметь запас элементов в количестве не менее, чем половина намечаемого количества дней использования данного устройства. К тому же, расходуемая для заряда аккумулятора емкость элемента, среднее разрядное напряжение которого равно 1,2 В, снижается вследствие использования в устройстве преобразователя напряжения DC, КПД которого при данном низком разрядном напряжении резко падает. Другим недостатком является ограниченный срок сохраняемости элементов.
Что касается питания зарядного устройства от аккумулятора, то использование аккумулятора еще более нерационально, так как, во первых, этот аккумулятор сам нуждается в заряде, и во-вторых, срок сохраняемости емкости в заряженном аккумуляторе незначителен.
Из известных портативных зарядных устройств наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является портативное зарядное устройство на основе электрохимической батареи с топливным элементом, содержащим газодиффузионный воздушный катод, анод с расходуемым материалом борогидридом металла в щелочном электролите, принятое за прототип («Products», фирма Medis Technologes Ltd, сайты http://www.medistechnologes.com/products.asp?id=135 и http://www.medistechnologes.com/products.asp?id=136, опубликованные 02.05.2006). Топливный элемент может обладать большой емкостью. В прототипе для заправки топливом используются ампулы, что усложняет эксплуатацию устройства. Недостатком является то, что элемент рассчитан на работу по принципу возобновляемого источника тока с периодической сменой топливно-щелочной смеси после ее выработки (B.C.Багоцкий, A.M. Скундин «Химические источники тока», М., Энергоиздат, 1981, стр.334). Хранение ампул с щелочным электролитом и боргидридом, удаление из элемента отработанной топливно-щелочной смеси и новая заправка элемента являются неудобными и опасными операциями, требующими повышенной осторожности, при широком использовании данного зарядного устройства усложняющимися трудновыполнимыми условиями недопущения к реагентам и операциям посторонних лиц и, особенно, детей. Использование щелочи вызывает требования по герметизации устройства, усложняющие его конструкцию. Существенным недостатком, ограничивающим широкое применение устройства и вызывающим его удорожание, является использование платины.
Задачей полезной модели является упрощение и снижение стоимости конструкции пригодной для широкого применения.
Указанный технический результат достигается тем, что портативное автономное электрохимическое зарядное устройство (ПАЭЗУ) на основе электрохимической батареи, содержащей, по крайней мере, один электрохимический элемент, каждый из которых содержит корпус и размещенные в нем газодиффузионный катод, анод с расходуемым анодным материалом и электролит, при этом в качестве электрохимического элемента взят металло-воздушный элемент, содержащий корпус коробчатого типа, расходуемый прямоугольный пластинчатый анод, газодиффузионные воздушные катоды, вмонтированные в стенки корпуса, электролитную камеру, расположенную между катодами, при этом аноды размещены в электролитной камере. Использование металло-воздушного элемента упрощает и снижает стоимость ПАЭЗУ за счет использования пластинчатых анодов из доступного материала и исключение использования платины.
Целесообразно, чтобы отношение ширины электродов к их высоте составляло 1,5÷2,5, а отношение расстояния между катодами внутри элемента к толщине анода составляло 3÷5. При уменьшении отношения ниже 1,5 затрудняется флотация электролита, что снижает разрядные характеристики, а также ухудшается механическая остойчивость устройства, а при превышении отношения свыше 2,5 возрастают габариты устройства в плане. Нижний предел отношения расстояния между катодами внутри элемента к толщине анода, равный 3, обеспечивает заливку в элемент необходимого количества электролита. Снижение этого отношения ниже 3 приведет к отрицательному влиянию на энергетические параметры затруднения флотации электролита, а также к появлению риска короткого замыкания между анодом и катодом случайными токопроводящими включениями в солевой раствор при широком использовании устройства. Превышение данного отношения свыше 5 приведет к увеличению омических потерь в электролите.
Целесообразно, чтобы корпус каждого элемента в верхней части был снабжен бортиками с двух сторон заподлицо с наружными стенками элементов, обращенными в стороны соседних элементов батареи, один бортик каждого из крайних элементов обращен в сторону соседнего элемента, а второй бортик обращен в сторону прилегающей торцовой стенки батареи, корпус каждого элемента в средней и в нижней части содержит выступы, расположенные в стороны так же, как и бортики, а по ширине - по краям катода заподлицо с наружными стенками элементов, выступание бортиков, выступов и стенок каждого элемента одинаково и равно половине воздушного зазора между элементами, бортики и выступы соседних элементов склеены между собой, а у крайних элементов они приклеены к торцовой стенке устройства, катоды каждого элемента соединены между собой шиной, огибающей элемент, торцовые стенки устройства имеют ножки, провода токоотводов анодов присоединены к анодам неразъемным соединением, а сверху устройство закрыто крышкой. Описанная конструкция ПАЭЗУ обеспечивает гарантированные размеры воздушных зазоров и объединение электрохимических элементов в батарею. Неразъемные соединения элементов в виде клеевых швов по бортикам и выступам, а также между крайними элементами и торцовыми стенками обеспечивают механическую прочность устройства. При этом, склеенные бортики выполняют функции крыш воздушных полостей, предохраняя их от попадания воды при заливке элементов электролитом и вследствие погодных условий. Применение выступов обеспечивает создание конструкции воздушной полости, открытой с боков и снизу устройства. При этом, воздушный зазор между элементами, в который обращены два катода, в два раза больше ширины зазора между крайним элементом и торцовой стенкой устройства, в который обращен один катод.
Целесообразно, чтобы в качестве электролита был взят раствор поваренной соли в воде при концентрация поваренной соли в растворе 2÷15%. Указанный раствор электролита дешев и широко доступен. Нижний предел концентрация соли в растворе, составляющий 2%, позволяет использовать морскую воду в морях слабой солености. Снижение предела ниже 2% приведет к повышению сопротивления электролита и, как следствие, к снижению электрических характеристик устройства. Верхний предел концентрация соли в растворе, равный 15%, обеспечивает высокие разрядные характеристики, однако, превышение этого предела вызовет бесполезный расход соли.
Целесообразно, чтобы к нему были присоединены боковые стенки с прорезями напротив воздушных полостей,
Целесообразно, чтобы боковые и торцовые стенки были выполнены как единое целое. Присоединенные к устройству боковые стенки повышают его прочность и закрывают шины, а прорези в этих стенках напротив воздушных полостей обеспечивают поступление воздуха в воздушные полости между элементами.
Объединение боковых и торцовых стенок в одним целое позволяет создать обечайку устройства, упрощающую его конструкцию.
Неразъемное присоединение проводов токоотводов к анодам обеспечивает надежность электрической цепи и удобство извлечения заменяемых анодов из элементов.
Ножки на торцовых стенках устройства обеспечивают поступление воздуха к открытым нижним краям межэлементных воздушных полостей.
Целесообразно, чтобы устройство комплектовалось сменными анодами и простейшим дозирующим устройством для заливки электролита в элемент, объем которого равен 0,6-0,8 внутреннего объема элемента. Наличие сменных анодов позволяет увеличить срок службы устройства. Нижний предел отношения объема дозирующего устройства для заливки электролита в элемент к внутреннему объему элемента, равный 0,6, обеспечивает нормальную работу устройства. При снижении отношения ниже нижнего предела энергетические параметры устройства снизятся вследствие недостаточности электролита. Превышение верхнего предела отношения выше - 0,8 вызывает возможность снижения энергетических параметров устройства вследствие возникновения токов утечки из-за появления мостика электролита между элементами, соединенными последовательно, т.к. во время разряда элементов увеличивается объем электролита, наполняющегося продуктами реакции.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
На фиг.1 - Вид устройства сбоку (без боковой стенки),
На фиг.2 - Вид устройства сверху (без боковых стенок и крышки),
На фиг.3 - Вид устройства снизу,
На фиг.4 - вид устройства в аксонометрии по стрелке А на фиг.1 (без торцовой и боковой стенок и крышки),
На фиг.5 - Вид устройства со стороны торцовой стенки,
На фиг.6 - Вид устройства сбоку с боковой стенкой.
Устройство 1 состоит из элементов 2, каждый из которых содержит корпус 3 из изоляционного материала, в направляющий паз 4 внутренней полости которого 5 помещен анод 6 из алюминиевого сплава. В обе поперечные стенки 7 корпуса 3 каждого элемента вмонтированы газодиффузионные катоды 8. В каждом элементе катоды соединены шиной 9, к которой присоединен положительный токоотвод элемента. При этом у соседних элементов шины обращены в разные стороны устройства. Поперечные стенки 7 корпуса 3 элемента 2 в верхней части содержат бортики 10, а в средней и нижней части содержат выступы 11 и 12, Выступание бортиков 10 и выступов 11 и 12 за пределы поперечных стенок 7 одинаково. Бортики и выступы соседних элементов соединены между собой неразъемным соединением, например, склеиванием, образуя зазор 13. между поперечными стенками 7 соседних элементов, в который обращены два катода - по одному от каждого элемента. Бортики и выступы крайних элементов также соединены неразъемным соединением, например, склеиванием с торцовыми стенками устройства 14. При этом, между поперечной стенкой крайнего элемента, содержащей один катод, и торцовой стенкой устройства образуется зазор 15 вдвое меньший, чем зазор 13 между соседними элементами. Зазоры 13 и 15 открыты сбоку и снизу устройства. Вдоль всех элементов по бокам устройства могут быть помещены боковые стенки 16 из изоляционного материала, присоединенные ко всем элементам неразъемным соединением, например, склеиванием, закрывающие шины 9. Боковые стенки 16 содержат прорези 17 напротив зазоров между поперечными стенками соседних элементов и прорези 18 напротив зазоров между поперечными стенками крайних элементов и торцовыми стенками устройства. Торцовые стенки 14 устройства снабжены ножками 19, образующими зазор 20 между устройством и поверхностью 21, на которую оно устанавливается. Вариант: боковые и торцовые стенки могут быть объединены в единую обечайку устройства (на чертеже не показана). Устройство закрыто съемной крышкой 22 из изоляционного материала. Элементы соединены последовательно, провод токоотвода анода одним концом присоединен к аноду неразъемным соединением, а другой конец содержит штекер, вставленный в ответную часть токоотвода катода (токоотводы, коммутация элементов и токовыводы из устройства на чертеже не показаны).
Зарядное устройство комплектуется комплектами сменных анодов и простейшим дозирующим устройством электролита.
Устройство работает следующим образом: снимают крышку 22, в каждый элемент вливают (впрыскивают) электролит и закрывают крышку. При работе устройства через боковые края зазоров 13 и 15 происходит вентиляция устройства с поступлением к катодам свежего воздуха и удалением отработанного, усиливаемая поддувом через ее нижние края этих зазоров. Одной заправки электролита достаточно для 2-3 зарядов мобильного телефона. После этих зарядов крышку снимают, сливают электролит, споласкивают внутренние полости корпусов элементов любой водой, вновь заливают электролит и закрывают крышку. Через 8-10 таких циклов извлекают аноды 4 за их токоотводы и устанавливают в пазы 4 корпусов 3 новые аноды.
Портативность заявляемой полезной модели характеризуется ее малыми габаритными размерами: 80×63×60 мм, масса без электролита - 200 г, с электролитом - 300 г.
В полезной модели отсутствует платина (в многих источниках тока с воздушным катодом она используется как катализатор) это позволяет снизить стоимость устройства и тем самым обеспечить его широкое применение.