Источник тока для имплантируемых медицинских приборов

Изобретение относится к усовершенствованному Гальваническому элементу с органическим электролитом, в котором катодом является фторированный углерод, а анодом металлический литий. Так как элементы подобного типа характеризуются высокой энергией, хорошей сохраняемостью и стабильным уровнем разрядного напряжения, они находят широкое применение в различного рода электронных устройсвах, в частности в медицинских имплантируемых приборах. Однако попытки форсированного разряда таких источников тока приводят, в частности, к большому тепловыделению, которое может окончиться тепловым разгоном, выходом элемента из строя, разрушением питаемой аппаратуры и созданием аварийной ситуации.
Поскольку медицинский прибор вместе с источником тока имплантируется в живой организм, то, естественно, к источнику тока должны предъявляться повышенные требования по безопасности и надежности в период длительной эксплуатации.
Известен источник тока для имплантируемых медицинских приборов аналогичной электрохимической системы 1,2, включающий фторированный углерод, металлический литий и органический электролит.Однако в этом изобретении не решены вопросы безопасности источника тока, а разрядная кривая имеет падаюший вид.
Задача изобретения - повышение надежности и пожаровзрывобезопасности источника тока при несанкционированном внешнем или внутреннем коротком замыкании, а также получение плоской разрядной характеристики, что более предпочтительно для работы блока электроники в медицинском приборе.
Предложенный источник тока решает указанную задачу за счет того, что в источнике тока содержашем корпус из коррозионно-стойкого материала, литиевый анод, твердый катод из фторированного углерода, разделяющий их
сепаратор и неводный электролит, катод источника тока, включающий фторированный углерод, электропроводную добавку в виде графита или сажи и связующее выполняется пористым. При этом доля фторированного углерода (с содержанием активного фтора 55-60%) в катодной массе составляет 95-98 %, электропроводной добавки 1-3% и связующего 1-3%.. При этом пористость катода составляет 60 - 65%, а плотность 3 - 3,5 г/см . Поскольку работа имплантируемых приборов рассчитана на длительный срок { в частности кардиостимулятора на 8 - 10 лет), то потребление тока не превышает 30 100 мкА. Катод указанного состава полностью обеспечивает такое токопотребление при достаточно высоком ( 2,9 - 3,0 В) уровне разрядного напряжения. В тоже время указанное соотношение компонентов в составе катода (фторированного углерода, графита и связующего) обеспечивает достаточно высокую удельную емкость источника тока в заданном объеме, а указанная пористость и плотность катода обеспечивают поддержание прохождения тока при минимальной нагрузке, в частности при коротком замыкании, на низком уровне  40 мА из-за диффузионных ограничений по электролиту в порах катода по мере ускоренного разряда источника тока. Поскольку используемый фторуглерод имеет свойство расширяться по мере разряда (до 30 40%), то, чтобы не произошло разрыва сепаратора, сепаратор выполняется двухслойным. Причем, первый слой, соприкасающийся с катодом, выполнен из нетканого полипропиленового материала толщиной 90-110 мкм. и размером пор 25 + 5мкм., а наружный слой, соприкасающийся с литиевым анодом, выполнен из микропористой полипропиленовой пленки толщиной 20 -25 мкм. и размером пор 0,025 +0,003 мкм. Пористость и толщина первого сепаратора обеспечивают необходимое заполнение и удержание электролита в межэлектродном пространстве. А поскольку у тонкого сепаратора на поверхности нанесен пористый слой полиэтилена толщиной 1-3 мкм., то при нагреве источника тока слой полиэтилена расплавляется, закрывает поры на поверхности сепаратора и проводимость пленки уменьшается более, чем в 10 раз, что, естественно, приводит к резкому падению тока, протекающего через
ИСТОЧНИК тока. Кроме того прочность при растяжении указанного сепаратора составляет 1000 кг/см, что обеспечивает его целостность при расширении катода в процессе разряда.
На фиг. 1 представлен электрод и токосъем для изготовления катода; на фиг.2 представлен собранный катод, помещенный в двойной полипропиленовый сепаратор и соединенный с гермовыводом на крышке источника тока; на фиг.З представлен собранный источник тока.
Источник тока изготавливается следующим образом: порошок фторированного углерода подвергают сухому смещиванию с ацетиленовой сажей на шаровой мельнице. При этом берется 1000г. фторуглерода и 21г. сажи. После этого готовая смесь подвергается жидкостному смешиванию в среде этилового спирта с добавлением 24г.(27,5мл) водной суспензии фторопласта Ф4Д. Затем, после отжима спирта, масса раскатывается на вальцах в ленту толщиной 1,75мм, из которой вырубаются два электрода U - образного катода. После предварительной подсушки электродов приступают к изготовлению непосредственно самого катода. Для этого два электрода (1) промазывают с одной стороны спиртовым раствором коллоидного графита (25г/л) и промазанной стороной укладывают на титановый токосъем (2), так же предварительно покрытый коллоидным графитом. Собранный катод подвергается прессованию при усилии 100-130 кгс/см. Затем методом контактной сварки титановый токосъем катода (2) приваривается к гермовыводу (6) в крышке (3), между крышкой и катодом помещена изолирующая прокладка (7) из лавсана. Запайка катода (4) в двойной сепаратор (5) производится методом горячей сварки по периметру катода.. После предварительной сушки компонентов в атмосфере сухого аргона собирается источник тока: катод в сепараторе (9) предварительно приваренный к гермовыводу (6) на крышке (3) с изолируюшей прокладкой (7) помещается в  образный корпус (10), по широким стенкам которого уложен литиевый анод (8) толщиной 0,7мм. После сварки крышки источника тока (3) с корпусом (10), вакуумной заправки элемента неводным электролитом и окончательной герметизации заправоч ГС -f//
.;;Л (/  :- /  и   I ного отверстия в крышке (3) шариком (11) методом запресовки и отрицательным выводом (12) поверх шарика методом лазерной сварки элемент после проведения входного контроля подвергался короткому замыканию при температуре . Результаты представлены на фиг.4. Превышение температуры от окружающей не превышает . Затем через 90мин. температура источника тока сравнивается с окружающей и не изменяется на протяжении всего дальнейшего времени короткого замыкания. Таким образом, в условиях длительного внешнего короткого замыкания не происходит перегрева источника тока, разгерметизации, изменения габаритных размеров, разрушения корпуса.
Таким образом технический результат заключается в том, что повышается надежность и безопасность источника тока как при хранении, так и в условиях длительной эксплуатации в имплантируемом медицинском приборе.
На фиг.5 приведена разрядная кривая источника тока на нагрузку 5 кОм; видно, что кривая имеет плоский вид практически на протяжении всего времени разряда, даже на нагрузке в 20 раз превышающей реальную нагрузку в кардиостимуляторе (100 кОм).
Источник тока работает следующим образом: при замыкании выводов источника тока на литиевом аноде происходит переход положительных ионов лития в раствор и диффузия их в растворе электролита к фторуглеродному катоду. Освободившиеся при этом электроны по внешней цепи направляются к положительному выводу источника тока. В результате электрохимической реакции на катоде происходит образование фторида лития и аморфного углерода: xLi + CFx - xLiF + С
Реакция продолжается до тех пор пока не израсходуется какой-нибудь из электродов. За счет протекания этой реакции внутри элемента во внешней цепи наблюдается прохождение электрического тока.
Источники информации, принятые во внимание: 1. Патент США .№ 6,150,057 , кл. Н01М 10/40, 21 ноября, 2000г.