ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА
CHEMICAL CELL

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным источникам тока, и может быть использовано при изготовлении теплового химического источника тока (ТХИТ).
Известно устройство тепловой батареи (ТХИТ) (патент RU №2413341, МПК Н01М 6/36, публ. 27.02,2011 г.), в которой имеются размещенный в цилиндрическом корпусе, снабженном составной тепло- и электроизоляцией, блок твердослойных электрохимических элементов (ЭХЭ), чередующихся с твердыми слоями пиротехнических нагревательных элементов (ПТН), ориентированный вдоль вертикальной оси корпуса и поджатый упругим элементом в осевом направлении с заданным регулируемым усилием, систему термоактивирования с индикатором контроля исходного состояния.
Недостатком аналога является большое время выхода на рабочий режим и недостаточно высокие надежность в работе ТБ, и разрядные характеристики.
Известно устройство ТХИТ (патент RU №2369944, МПК Н01М 6/36, публ. 10.10.2009 г.), в цилиндрическом корпусе которой, выполненном со сквозными прорезями в виде окон и снабженном составной тепло- и электроизоляцией, размещен блок электрохимических элементов, чередующихся с твердыми слоями пиронагревательных элементов, ориентированный вдоль вертикальной оси корпуса и поджатый упругим элементом в осевом направлении с заданным регулируемым усилием.
К недостаткам прототипа относится высокое внутреннее сопротивление ЭХЭ, что увеличивает время взведения как самого ЭХЭ, так и ТХИТ. снижает разрядные характеристики ТХИТ и снятую емкость, а также недостаточно высокая надежность при срабатывании.
Задачей авторов изобретения является разработка конструкции ХИТ, в котором обеспечены высокая надежность работы ХИТ, снижение времени-выхода на рабочий режим, повышение разрядных характеристик, а именно величины напряжения, тока разряда и снимаемой емкости.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого ХИТ, заключается в снижении времени выхода химического источника тока на рабочий режим, повышении продолжительности работы, надежности при срабатывании и работе ХИТ, снижении внутреннего сопротивления ЭХЭ и повышении напряжения при импульсных включениях.
Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в отличие от известного ХИТ. содержащего размещенный в цилиндрическом корпусе, выполненном со сквозными вертикальными прорезями в виде окон и снабженном составной тепло- и электроизоляцией, поджатый вдоль его вертикальной оси системой упругих и регулировочных элементов блок термоактивируемых ЭХЭ, каждый из которых состоит из пакета последовательно чередующихся твердых слоев анода, электролита, катода и твердых слоев пиротехнических нагревательных элементов (ПТН), введенных между слоями активных масс, блок ЭХЭ снабжен разнополюсными токовыводами, систему термоактивирования, согласно изобретению каждый ЭХЭ выполнен в виде спрессованных твердых слоев анода, представляющего собой сплав литий-бор с содержанием бора не менее 28%, слоев электролита в виде эвтектической смеси силикатов и фосфатов щелочных металлов и катода, состоящего из смеси хлорида никеля и оксида ванадия при этом в тело катода впрессована просечная никелевая сетка, диаметр которой составляет величину в диапазоне от 75% до 96% от диаметра катода, и имеющая толщину от 10% до 30% от толщины катода, по торцам блока ЭХЭ от краевых ЭХЭ выведены разнополюсные токовыводы к соответствующим полюсам ХИТ.
Предлагаемое изобретение поясняется следующим образом.
На фиг. 1 представлен вид блока элементов с тепло и электроизоляцией заявляемой ТБ. Блок ЭХЭ состоит из корпуса 1, изготовленный составным из нескольких частей и выполняющий функции силового элемента, из набора электрохимических элементов (ЭХЭ) 7 последовательно чередующихся при сборке с пиротехническими нагревателями (ПТН) 8. С обеих торцевых поверхностей корпуса 1 слои ЭХЭ и ПТН изолированы от металлических элементов корпуса слоями электроизоляционных прокладок 3, выполненных из слюды, и слоями теплоизоляционных прокладок 4, выполненных из асбестовой бумаги.
Для уменьшения электрического сопротивления между ЭХЭ и ПТН при осевых вибрационных и инерционных нагружениях столб слоев ЭХЭ и ПТН при сборке блока ЭХЭ поджат упругими элементами 10 с заданным усилием, зависящим от диаметра ЭХЭ, после чего упругие элементы фиксируются резьбовой гайкой 9. Токосъем при работе блока элементов производится положительным 13 и отрицательным 14 токовыводами, установленными к первому и последнему ЭХЭ соответственно.
Для поддержания необходимого теплового режима е наружной боковой поверхности корпуса 1 установлен теплоизолятор 11, изготовленный из теплозащитного материала на основе кремнеземных волокон, в пазах теплоизолятора расположены две пиротехнические ленты 12, в качестве компонентов системы термоактивирования, посредством которых производится поджиг пиротехнического состава ПТН.
ЭХЭ (фиг. 2) выполнен в виде спрессованных твердых слоев анода, представляющего собой сплав LiB с содержанием бора не менее 28%, не более 35%, и состоит из твердых слоев анода 16, прессованных слоев электролита 17 из эвтектической смеси силикатов и фосфатов щелочных металлов и катода 15 при этом в тело катода, состоящего из смеси хлорида никеля и оксида ванадия, впрессована просечная никелевая сетка 18, диаметр которой составляет не менее 75% и не более 95% от диаметра катода, имеющая толщину от 10% до 30% от толщины катода, что обеспечивает достаточной величины токосъем с ЭХЭ, повышает напряжение при импульсных включениях и способствует уменьшению времени взведения как самого ЭХЭ, так и ХИТ в целом.
Для обеспечения электрической связи анодов и катодов в последовательно установленных ЭХЭ, а также для разогрева ЭХЭ до рабочих температур, между ними устанавливаются ПТН 8. Конструкция ПТН имеет замкнутый металлический токопроводящий контур, внутри которого запрессован пиротехнический состав на основе мелкодисперсного титанового порошка.
Корпус 1 блока ЭХЭ изготовлен в виде цилиндрической трубы, в которой выполнены сквозные вертикальные отверстия, уменьшающие массу корпуса и обеспечивающие визуальный контроль правильности сборки блока ЭХЭ. На одной из торцевых поверхностей корпуса выполнена резьба для установки гайки 9 фиксации упругих элементов с регулируемым усилием их поджатая. Для обеспечения дополнительной электрической изоляции ребра корпуса, покрыты теплостойкой электроизоляционной органо-силикатной композицией 6. С внутренней стороны ребер корпуса установлены и механически закреплены прокладки 2 из слюды, обеспечивающие основную электроизоляцию ЭХЭ от металла корпуса.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Первоначально подают импульс тока на электрический мостик воспламенителя (ЭВ) системы термоактивирования от внешнего источника тока. ЭВ срабатывает и дает форс пламени на пиротехнические ленты 12, при горении которых воспламеняются ПТН 8, расположенные между ЭХЭ. При достижении рабочей температуры материал электролита 17 становится ионопроводящим. При разогреве ионопроводящая среда приобретает чисто ионную проводимость электрического тока и на полюсах ЭХЭ возникает разность потенциалов. После нарастания величины разности потенциалов до требуемой величины активации ХИТ он готов к работе.
Функция просечной сетки 18, впрессованной в тело катода 15, заключается в обеспечении требуемой величины проводимости и как показано экспериментально, при величинах диаметра, находящегося в заявляемых пределах соотношений с величиной диаметра катода 15, проявляется максимально эффект проводимости, о чем свидетельствует меньшее время активации ХИТ и повышение уровня разрядных характеристик. Толщина просечной сетки 18 оптимальна при значениях не менее 10% от толщины катода, но не более 30% толщины катода. Такое ограничение толщины сетки продиктовано необходимостью сохранения стабильности состояния электролита, что гарантирует отсутствие коротких замыканий внутри ЭХЭ.
При этом, следует отметить, что при наличии бора в составе анода менее 28%, текучесть материала анода велика, в результате чего повышенная текучесть может привести к повышению риска коротких замыканий внутри блока ЭХЭ, и, как следствие, к отказу в работе ХИТ. тогда как при содержании бора в материале анода свыше 28% (но не более 35%) текучесть имеет номинальные значения и не отражается негативно на работе ХИТ.
Таким образом, при использовании предлагаемого ХИТ обеспечивается более высокий по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в снижении времени выхода источника тока на рабочий режим, повышении продолжительности работы, надежности при срабатывании и работе ХИТ, в снижении внутреннего сопротивления ЭХЭ и повышении напряжения при импульсных включениях.
Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример 1
В лабораторных условиях предлагаемое изобретение опробовано на опытном образце, изображенном на фиг. 1, блок элементов которого представляет цилиндрическое устройство, состоящее из корпуса 1, изготовленного из нескольких частей и выполняющего функции силового элемента, набора электрохимических элементов (ЭХЭ) 7 последовательно чередующихся при сборке с пиротехническими нагревателями (ПТН) 8. Корпус изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Т10Т ГОСТ 5632-72. С обеих торцевых поверхностей корпуса 1 ЭХЭ и ПТН изолированы от металлических элементов корпуса слоями электроизоляционных прокладок 3, выполненных из слюды марки ССП ГОСТ13750-88, и слоями электроизоляционных прокладок 4. выполненных из асбестовой бумаги БЭ ГОСТ 23779-95.
Для выравнивания теплового режима крайних ЭХЭ по торцам установлены теплонакопительные элементы 5, представляющие собой диски из нержавеющей стали 12Х18Т10Т ГОСТ 5632-72. Для уменьшения электрического сопротивления между ЭХЭ и ПТН при осевых вибрационных и инерционных нагружениях столб ЭХЭ и ПТН при сборке блока ЭХЭ поджимаются упругими элементами 10 с заданным усилием, после чего последний фиксируется резьбовой гайкой 9. Токосъем при работе блока элементов производится положительным 13 и отрицательным 14 токовыводами, установленными к торцевым ЭХЭ.
Для поддержания необходимого теплового режима с наружной боковой поверхности корпуса 1 установлен теплоизолятор 11, изготовленный из специального теплозащитного материала марки ТЗМ-23М ТУ1-596-425-2008. На внутренней боковой поверхности теплоизолятора 11, как конструкционного элемента, в специальных пазах установлены на слюдяных прокладках и механически закреплены эпоксидным клеем две пиротехнические ленты 12, как компоненты системы термоактивирования, посредством которых производится поджиг пиротехнического состава ПТН.
ЭХЭ (фиг. 2) выполнен в виде спрессованных твердых слоев анода из литий-борного сплава с содержанием бора 28%, прессованных слоев электролита состоящего эвтектической смеси силикатов и фосфатов щелочных металлов и катода, состоящего из смеси хлорида никеля и оксида ванадия, в тело которого впрессована просечная никелевая сетка, выполненная с диаметром, составляющим не менее 96% от диаметра катода, имеющая толщину 30% от толщины катода, что позволяет увеличить ионную проводимость и на 20-30% снизить внутреннее сопротивление ЭХЭ, тем самым обеспечивает хороший токосъем с электрохимического элемента, повышает напряжение при импульсных включениях и способствует уменьшению времени взведения как самого ЭХЭ, так и ТХИТ в целом
Для обеспечения электрической связи анодов и катодов последовательно установленных ЭХЭ, а также для разогрева ЭХЭ до рабочих температур, между ними устанавливаются ПТН 8. Конструкция ПТН имеет замкнутый металлический токопроводящий контур, внутри которого запрессован пиротехнический состав на основе мелкодисперсного титанового порошка, при этом поджиг пиротехнического состава производится через боковые отверстия обечайки ПТН.
Корпус 1 блока ЭХЭ изготовлен в виде цилиндрической трубы, к которой выполнены сквозные вертикальные отверстия, уменьшающие массу корпуса и обеспечивающие визуальный контроль правильности сборки блока ЭХЭ. На одной из торцевых поверхностей корпуса выполнена резьба для установки гайки 9 фиксации упругих элементов с регулируемым усилием их поджатая. Для обеспечения дополнительной электрической изоляции ребра корпуса покрыты теплостойкой электроизоляционной органо-силикатной композицией 6 марки ОС-92-31 ТУ 88-3451-12205-24-07-2011. С внутренней стороны корпуса на ребра установлены и механически закреплены прокладки 2 из слюды марки ССП ГОСТ 13750-88 с перекрытием ширины ребер на 2…3 мм, обеспечивающие основную электроизоляцию ЭХЭ от металла корпуса.
Как показал приведенный пример, в предлагаемом ХИТ достигнут технический результат, заключающийся в снижении времени выхода источника тока на рабочий режим, повышении продолжительности работы, надежности при срабатывании и работе источника (ХИТ), снижении внутреннего сопротивления ЭХЭ и повышении напряжения при импульсных включениях.