ТЕПЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА

Полезная модель относится к тепловым химическим источникам тока, применяемым в условиях повышенных механических нагрузок.
Известен тепловой химический источник тока Патент RU №2408113, опубликован 27.12.2010, МПК Н01М 6/20, содержащий блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся твердые слои анода, катода, электролита, нагревательных элементов в расчетном количестве, снабженных теплозоляцией, блок электрохимических элементов жестко фиксирован на крышке цилиндрического корпуса вдоль вертикальной оси его, в качестве основных нагревательных элементов между слоями электрохимических элементов установлены пиронагреватели, которые выполнены из материала на основе смеси мелкодисперсного титанового и алюминиевого порошков и/или их соли, которые соединены с системой активации из электровоспламенителей для инициирования ЭХЭ, дополнительно по внешнему контуру блока электрохимических элементов выполнен пиронагревательный элемент в виде втулки из материала основных нагревательных элементов, теплоизоляция блока электрохимических элементов выполнена составной из слоев мелкозернистого кварцевого волокна и нетканого волокнистого прессматериала, пиротехническая втулка внутри и снаружи снабжена указанными слоями теплоизоляции, а на общем основании, жестко фиксированном на крышке корпуса, смонтированы электровоспламенители для активации и индикатор рабочего состояния, по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ, электрически не соединенному с другими ЭХЭ.
Известен тепловой химический источник тока Патент RU №2448393, опубликован 20.04.2012, МПК Н01М 6/36, принят за прототип, содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов, состоящих из прессованных таблеток: катода; электролита; анода; пиротехнических нагревателей, тепло- и электроизоляционных прокладок, установленных по боковой поверхности и торцам блока; по боковой образующей поверхности блока установлены инициирующие пиротехнические полосы (у нас - продольная инициирующая пиротехническая полоса), контактирующие с запальным устройством (у нас - электровоспламенитель) и охватывающие большую часть боковой поверхности блока электрохимических элементов, инициирующие пиротехнические полосы (у нас - продольная инициирующая пиротехническая полоса) прижаты к блоку стеклотканой лентой толщиной (0,12-0,15) мм, пропитанной кремнийорганическим лаком и образующей герметичную оболочку путем обмотки блока по периметру с перекрытием слоев не менее чем на 1/2 ширины ленты.
Недостатком как аналога, так и прототипа является возможность короткого замыкания и преждевременного отказа работы батареи при осевом вращении вследствие того, что под воздействием высоких температур внутри работающей батареи происходит расплавление припоя (часть конструкции электровоспламенителя), в результате чего под действием центробежных сил происходит перемещение расплавленных частицы припоя к торцам рабочих электрохимических элементов (ЭХЭ). Кроме того под действием центробежных сил при осевом вращении свыше 300 об/с, задаваемом специальными требованиями, расплавленный электролит перетекает к периферии электродов электрохимических элементов, вызывая их неравномерную работу, уменьшение активной массы электролита, непосредственно контактирующего с рабочими поверхностями положительного и отрицательного электродов и их короткое замыкание, что приводит к преждевременной потере работоспособности в этих условиях и, как следствие, снижении удельной мощности и энергии.
Таким образом, проблемой сохранения работоспособности тепловых химических источников тока при осевом вращении свыше 300 об/с является преждевременный выход из строя вследствие короткого замыкания электродов. На решение этой проблемы направлена предлагаемая конструкция теплового химического источника тока.
Техническим результатом полезной модели является равномерное распределение расплавленного электролита теплового химического источника тока в условиях осевого вращения, а также изоляция продуктов сгорания электровоспламенителя и, как следствие, предотвращение короткого замыкания электродов.
1
2
Указанный технический результат достигается за счет конструкции теплового химического источника тока, содержащего помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов, состоящих из прессованных таблеток: катода, электролита, анода; пиротехнических нагревателей, тепло- и электроизолирующих прокладок крышки; поперечную инициирующую пиротехническую полосу и продольную инициирующую пиротехническую полосу, установленные по боковой образующей поверхности блока, продольная инициирующая пиротехническая полоса контактирует с торцевыми поверхностями пиротехнических нагревателей и прижата к блоку стеклотканой лентой толщиной 0,12-0,15 мм, пропитанной кремний-органическим лаком и образующей герметичную оболочку путем обмотки блока по периметру с перекрытием слоев не менее чем на / ширины ленты, причем дополнительно содержит поперечную лакостеклотканную ленту, расположенную на блоке «П»-образно, между электровоспламенителем и продольной и поперечной инициирующими пиротехническими полосами расположена изолирующая слюдинитовая прокладка чашеобразной формы с отверстием по центру, а электролит содержит: хлорида лития - 22-25%, хлорида калия - 28-31%, фторид лития - 1-3%, оксид алюминия - остальное.
Изолирующая слюдинитовая прокладка чашеобразной формы, охватывающая секцию электровоспламенителя, препятствует протеканию расплавленного припоя и распространению продуктов сгорания электровоспламенителя к торцам электрохимических элементов, предотвращая их короткое замыкание. «П»-образное расположение поперечной лакостеклотканной ленты в совокупности с прижатием продольной инициирующей пиротехнической полосы к блоку ЭХЭ предотвращает смещение отдельных таблеток блока при осевом вращении, что может привести к короткому замыканию из-за перекоса таблеток. Состав электролита обеспечивает его повышенную вязкость в расплавленном состоянии, что исключает выдавливание электролита из электрохимических элементов за счет действия центробежных сил, что приводит к уменьшению расстояния между электродами и их соприкосновению, приводящим к короткому замыканию. Достигаемое равномерное распределение расплавленного электролита между катодом и анодом, таким образом, предотвращает короткое замыкание даже в условиях действия центробежных сил, порождаемых осевым вращением.
На фиг. 1 показана конструкция блока ЭХЭ теплового химического источника тока в поперечном сечении по плоскости осей токоотводов катода и анода.
На фиг. 2 показана конструкция блока ЭХЭ теплового химического источника тока в поперечном сечении по плоскости осей токоотводов электровоспламенителя.
На фиг. 3 показан рентгеновский снимок теплового химического источника тока после работы в условиях осевого вращения.
1 - электровоспламенитель
2 - поперечная инициирующая пиротехническая полоса
3 - продольная инициирующая пиротехническая полоса
4, 5 - теплоаккумулирующие элементы
6 - анод
7 - катод
8 - электролит
9 - пиротехнический нагреватель
10 - крышка
11 - опорный диск для стяжек крепления блока электродов к крышке
12 - тепло- и электроизолирующие прокладки крышки
13 - токоотвод отрицательного электрода
14 - токоотвод положительного электрода
15 - токоотводы электровоспламенителя
16 - изолирующая слюдинитовая прокладка чашеобразной формы с отверстием по центру
17 - поперечная лента лакостеклотканная, фиксирующая продольную инициирующую пиротехническую полосу
18 - лента лакостеклотканная, фиксирующая блок ЭХЭ
19 - ленточный токоотвод отрицательного электрода
20 - слюдинитовая изолирующая прокладка ленточного токоотвода отрицательного электрода
21 - ленточный токоотвод положительного электрода
22 - слюдинитовая изолирующая прокладка ленточного токоотвода положительного электрода
23 - электролит 8 в рентгеновском снимке
Тепловой химический источник тока содержит герметизированный крышкой цилиндрический блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в цилиндрическом корпусе с теплоизоляцией (на фигурах не показаны). Блок ЭХЭ состоит из электровоспламенителя 1, поперечной инициирующей пиротехнической полосы 2, продольной инициирующей пиротехнической полосы 3, теплоаккумулирующих элементов 4, 5 и последовательно чередующихся прессованных таблеток анода 6, катода 7, электролита 8 и пиротехнических нагревателей 9 в расчетном количестве. Блок электрохимических элементов жестко фиксирован на крышке 10 стяжками (на фигурах не показаны) с помощью опорного диска 11 и отделен от крышки тепло- и электроизолирующими прокладками 12. В крышку 10 вмонтированы токоотводы анода 13 и катода 14, а также два токоотвода 15 электровоспламенителя 1. Между электровоспламенителем 1 и поперечной 2 и продольной 3 инициирующими пиротехническими полосами расположена изолирующая слюдинитовая прокладка чашеобразной формы с отверстием по центру 16. Продольная пиротехническая полоса 3 расположена вдоль боковой поверхности цилиндрического блока ЭХЭ и прижата к поперечной пиротехнической полосе 2 и боковым поверхностям пиротехнических нагревателей 9 продольной «П»-образно расположенной лакостеклотканной лентой ЛСКЛ 17. Блок ЭХЭ обмотан лакостеклотканной лентой ЛСКЛ 18. Токоотвод отрицательного электрода 13 соединен с первым слоем анода 6 с помощью ленточного токоотвода 19 отрицательного электрода и отделен от боковой поверхности цилиндрического блока ЭХЭ слюдинитовой прокладкой 20 ленточного токоотвода отрицательного электрода. Токоотвод положительного электрода 14 соединен с последним слоем катода 7 с помощью ленточного токоотвода 21 положительного электрода и отделен от боковой поверхности цилиндрического блока ЭХЭ слюдинитовой прокладкой 22 ленточного токоотвода положительного электрода.
Тепловой химический источник тока работает следующим образом. В требуемый момент времени от системы активации (на фигуре не показана) на токоотводы 15 электровоспламенителя 1 подается ток, от которого возникает открытое пламя, форс которого направлен в отверстие изолирующей слюдинитовой прокладки чашеобразной формы 16 и на расположенную напротив поперечную пиротехническую полосу 2. Продукты горения, а также расплавленный припой электровоспламенителя 1 скапливаются в изолирующей слюдинитовой прокладке чашеобразной формы 16 и не попадают к торцам таблеток электрохимических элементов, препятствуя внутреннему короткому замыканию. Горение распространяется по поперечной инициирующей пиротехнической полосе 2 на продольную инициирующую пиротехническую полосу 3 и достигает пиротехнических нагревателей 9, от воспламенения которых достигается температура расплавления прессованной таблетки электролита 8, превращающейся в результате в слой расплавленного электролита. Электролит, содержащий 22-25% хлорида лития, 28-31% хлорида калия, 1-3% фторида лития и оксид алюминия - остальное, обладает после расплавления повышенной вязкостью вследствие повышенного содержания загустителя - оксида алюминия. Это, в совокупности с блокированием боковой поверхности лакостеклотканными лентами 17 и 18, препятствует перетеканию электролита к краям слоя расплавленного электролита (в особенности при осевом вращении), то есть приводит к равномерному его распределению и предотвращает преждевременное короткое замыкание электродов. Поперечная лакостеклотканная лента 17 предотвращает смещение слоев блока при механических воздействиях, чем способствует сохранению равномерного распределения расплавленного электролита 8 в условиях осевого вращения. На катодах 7 начинается реакция восстановления катодного материала, например, сульфида железа с участием ионов лития, на анодах 6 реакция окисления, например, переход ионов лития в расплав. Ток через ленточные токоотводы электродов 19 и 21 проходит к токовыводам 13 и 14 и в цепь питания. Пример применения полезной модели:
Тепловой химический источник тока с конструкцией, описанной в полезной модели, был активирован и разряжен в условиях вращения с угловой скоростью 300 об/с током 100 мА. После разряда элемент был охлажден и исследован с помощью проникающего рентгеновского излучения. Как показывают результаты исследования (фиг. 3) перетекания электролита 23 к краям таблеток не наблюдалось.