ТЕПЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА
THERMAL CHEMICAL CURRENT SOURCE

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, к области резервных химических источников тока на твердом теле и может быть использовано для изготовления теплового источника тока с ионной проводимостью.
Известно устройство теплового источника тока, содержащего блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, с теплонагревательными элементами между ними, ограниченными с внешней стороны общим корпусом (патент РФ №1833080, МПК H01M 6/20, публ. 05.10.1995 г., БИ 28/95).
Недостатками данного устройства являются недостаточно высокие показатели энергоемкости и непродолжительные периоды работы и гарантийного срока хранения.
Известно в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому устройство теплового источника тока (ТХИТ) (патент РФ №2091918, МПК H01M 6/36, публ. 27.09.1997 г., БИ №27/97), содержащего блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией.
К недостаткам прототипа относятся невысокие показатели энергоемкости, невысокий ресурс работы и уровень электрохимических характеристик теплового химического источника тока (ТХИТ).
Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка ТХИТ, обеспечивающего требования по массово-габаритным ограничениям с повышенным ресурсом работы, повышенной энергоемкостью при одновременном сохранении электрохимических характеристик.
Новый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении требований по массово-габаритным ограничениям, повышении ресурса работы за счет стабилизации теплового режима и энергоемкости при одновременном сохранении электрохимических характеристик.
Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в отличие
от известной конструкции теплового источника тока, содержащего блок электрохимических элементов в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с крышкой, в предлагаемой конструкцией, блок электрохимических элементов жестко фиксирован на крышке 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, дополнительно по внешнему контуру блока электрохимических элементов выполнен пиронагревательный элемент в виде втулки из материала основных нагревательных элементов, теплоизоляция теплового источника тока выполнена составной из слоев мелкозернистого кварцевого волокна и нетканого теплостойкого волокнистого пресс-материала, пиротехническая втулка расположена между указанными слоями теплоизоляции, а на общем основании, жестко фиксированном на крышке корпуса, смонтированы электровоспламенители для активации ТХИТ и индикатор рабочего состояния, по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ, электрически не соединенному с другими ЭХЭ.
Предлагаемая конструкция ТХИТ поясняется следующим образом.
На чертеже представлен вид предлагаемого теплового химического источника тока, где 1 - цилиндрический корпус, выполненный преимущественно из стали, на котором жестко фиксирована, например сваркой, крышка 2, ограничивающая собой герметичное пространство ТХИТ. Вдоль вертикальной оси цилиндрического корпуса в герметичном пространстве источника установлен и жестко фиксирован блок электрохимических элементов (ЭХЭ) 3. Блок электрохимических элементов состоит из расчетного количества чередующихся последовательно собственно электрохимических элементов и нагревательных элементов. Каждый ЭХЭ представляет собой пресс-пакет из твердых слоев анода, электролита и катода. Для нагрева блока ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электрической связи между ними установлены пиронагреватели, которые выполнены из материала на основе смеси мелкодисперсного титанового и алюминиевого порошков. Каждый слой пиронагревательного элемента представляет собой запрессованный в металлическую оболочку тепловыделяющий пиротехнический состав. Система пиронагевательных элементов задействуется при срабатывании электровоспламенителей (ЭВ) 4 и пиротехнических соединительных элементов 6. Для сохранения необходимой рабочей температуры в блоке ЭХЭ в период работы ТХИТ по внутренним поверхностям цилиндрического корпуса 1 и крышки 2 установлены в качестве составной теплоизоляции теплоизоляционные элементы 8, 9, 10, при этом крышка 2 электро- и теплоизолирована теплоизоляционным материалом 11, 12.
Корпус 1 и крышка 2 выполнены из стали с толщиной стенок от 0,5 мм до 1 мм, что, как подтверждено экспериментально, оптимально для обеспечения достаточной механической прочности ТХИТ и для соблюдения заданных ограничений по массе.
Блок ЭХЭ теплоизолирован со всех сторон теплоизоляционным материалом, состоящим из слоев мелкозернистого кварцевого волокна, имеющим низкий коэффициент теплопроводности.
В тепловом источнике на общем основании 5 установлены элементы системы активации с электровоспламенителями (ЭВ) 4 и индикатор контрля 7 рабочего состояния ТХИТ. Для обеспечения требуемого времени работы ТИТ по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ (электрически не соединенному с другими ЭХЭ), что способствует стабилизации теплового режима по оси блока ЭХЭ.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче импульса тока на электрический мостик ЭВ от постороннего источника тока срабатывает ЭВ и дает форс пламени на систему пиротехнических соединительных элементов 6, выполненных в виде пиротехнической ленты, при горении которых воспламеняются пиронагревательные элементы, установленные между слоями ЭХЭ. При достижении рабочей температуры электролит становится ионопроводящим, а на ЭХЭ возникает разность потенциалов, после нарастания которой до требуемой величины ТХИТ готов к работе.
2
2
Высокие температуры ионных расплавов, использование энергоемких электрохимических пар (LiB-NiCl), как это было экспериментально показано, обеспечивает в предлагаемом тепловом химическом источнике тока высокие удельные показатели - рабочие напряжения (2,1-2,6 В на один элемент) и значительные плотности тока разряда (до 0,5 А/см в импульсном режиме), что значительно превышает показатели прототипа.
Таким образом, при использовании предлагаемого теплового источника тока обеспечиваются требования по массово-габаритным ограничениям, повышение ресурса работы и энергоемкости за счет стабилизации теплового режима при одновременном сохранении электрохимических характеристик.
Возможность промышленной реализации предлагаемого теплового химического источника тока подтверждается следующими примерами.
Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый ТХИТ был реализован в виде опытного образца теплового химического источника тока. Он представляет собой установленные по вертикальной оси в цилиндрическом корпусе 1 (см. чертеж), соединенном герметично аргонно-дуговой сваркой с крышкой 2 11 единиц ЭХЭ в составе блока ЭХЭ - 3. Корпус 1 и крышка 2 выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, толщина стенок 0,7 мм. Блок ЭХЭ крепится на крышке с помощью 3-х винтов М4-7Н. Необходимое рабочее напряжение теплового источника тока (ТИТ) обеспечивается путем последовательного соединения (набора в «столб») всего пакета ЭХЭ. В ТХИТ по торцам блока ЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ. Для нагрева ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электрической связи между ЭХЭ установлены запрессованные в металлическую оболочку пиротехнические составы.
Для сохранения необходимой температуры в блоке ЭХЭ 3 и ограничения температуры корпуса 1 по его внутренним поверхностям установлены теплоизоляторы 8, 9, 10, выполненные из ТЗМК-20 ТУ 1-596-290-89, при этом крышка 2 дополнительно тепло- и электроизолирована слоями теплоизоляционных материалов 11, 12 («Картон -Н» 4682601.013-89 ТУ, слюда ССП ГОСТ 13750-88).
Пример 2. Для увеличения ресурса рабочего времени ТХИТ в качестве опытного образца реализовано предлагаемое устройство по условиям примера 1, в котором по боковой поверхности блока ЭХЭ установлен дополнительно пиронагревательный элемент в виде втулки 13, расположенной между двумя слоями теплоизоляции (внутреннего из «Картон-Н» и внешнего - из материала ТЗМК-20). Пиротехническая втулка служит аккумулятором тепла, что позволяет расширить интервал поддержания рабочей температуры в блоке ЭХЭ.
Результаты измерений сведены в таблицу 1.
Как показали примеры и данные таблицы 1, использование предлагаемого ТХИТ позволило обеспечить требования по массово-габаритным ограничениям, повысить ресурс работы и энергоемкость за счет стабилизации теплового режима при одновременном сохранении электрохимических характеристик.
Таблица 1
Примеры реализации
Наименование показателей
Ед.изм.
Значение показателей предлагаемого ТХИТ
Значение показателей ТХИТ прототипа
Срок годности ТХИТ
Примечание
1
2
3
4
5
6
7
Прототип ТХИТ
Характеристики:
Недостаточно высокие показатели энергоемкости, времени работы, массы, надежности
Ток
А
До 3,5 А
Напряжение
В
21,0-30,0 В
Емкость
А*с
277,0
17 лет
Удельная энергия
Вт*ч/кг
6,1
Время работы
с
106,0
Габариты
мм
⌀47,5*70,2
Масса
г
310,0
Предлагаемый ТХИТ
Характеристики:
Улучшение по характеристикам: время работы, снимаемая емкость, удельная энергия, масса, надежность, стабилизация теплового режима
Ток
А
До 3,5 А
Напряжение
В
21,0-30,0 В
Емкость
А*с
579,0
Удельная энергия
Вт*ч/кг
17,5
17 лет
Время работы
с
199,0
Габариты
мм
⌀47,5*70,2
Масса
г
230,0