Тепловой источник тока

Изобретение относится к области резервных химических источников тока и может быть использовано для изготовления теплового источника тока (ТИТ). Техническим результатом изобретения является повышение надежности контроля исходного состояния ТИТ. Согласно изобретению ТИТ содержит блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся твердые слои анода, катода, электролита, нагревательных элементов в расчетном количестве, ограниченных с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией, жестко фиксированных на крышке ТИТ и размещенных вдоль вертикальной оси корпуса и поджатых с заданным усилием упругим элементом в осевом направлении с возможностью регулирования величины этого усилия, индикатор контроля исходного состояния, средства инициирования ТИТ с системой электровоспламенителей. Блок ЭХЭ, система электровоспламенителей, индикатор контроля исходного состояния (ИКИС) ТИТ жестко фиксированы на общем основании, жестко фиксированном на крышке ТИТ в виде печатной платы. Электрическая цепь ИКИС выполнена в виде печатного проводника и размещена между выходными контактами ИКИС. ТИТ включает два элемента - размыкателя, выполненных из медной проволоки с площадью сечения много меньше площади сечения печатного проводника, при этом в центре каждого элемента - размыкателя дополнительно установлены пиротехнические нагреватели, выполненные в виде ленты из материала на основе прессованной смеси порошкообразных титана и окислителя, чувствительных к тепловому импульсу электровоспламенителей. 2 ил., 1 табл.

 

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 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 с теплоизоляцией (патент РФ №1833080, МПК Н01М 6/20, публ. 05.10.1995, БИ 28/95).

Недостатком данного устройства является недостаточно высокие показатели энергоемкости и непродолжительные периоды работы.

Известно в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому устройство теплового источника тока (ТИТ) (патент РФ №2091918, МПК Н01М 6/36, публ. 27.09.1997, 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 и крышкой.

К недостаткам прототипа относятся относительно низкая надежность разрыва цепи индикатора контроля ТИТ, невысокие показатели энергоемкости, использование драгоценных материалов в цепи индикатора контроля ТХИТ.

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка ТИТ, обеспечивающего высокую надежность контроля исходного (сработанного) состояния ТИТ и механическую прочность сборки индикатора контроля без применения драгоценных металлов, подлежащих учету, уменьшение сопротивления цепи индикатора контроля.

Новый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении повышенной надежности контроля исходного (сработанного) состояния ТИТ и механической прочности сборки индикатора контроля без драгоценных металлов, повышении стойкости к разряду статического электричества и к длительному протеканию тока, при одновременном сохранении электрохимических характеристик.

Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в известной конструкции теплового источника тока, содержащего блок электрохимических элементов в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченных с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией и крышкой, жестко фиксированных на крышке источника тока и размещенных вдоль вертикальной оси и поджатых с заданным усилием упругим элементом в осевом направлении с возможностью регулирования величины этого усилия, индикатор контроля исходного состояния, средства инициирования источника тока с системой электровоспламенителей, в соответствии с предлагаемой конструкцией, анод каждого электрохимического элемента выполнен из одного сплава - LiB, катод - из смеси NiCl₂+V₂O₃, электролит - из эвтектической смеси силикатов и фосфатов щелочных металлов, система электровоспламенителей и индикатор контроля исходного состояния установлены на общем основании, жестко фиксированном на крышке корпуса в виде печатной платы, на которой сформирован токопроводящий контур по заданной электрической схеме разводки, выполненный из меди и представляющий собой электрическую цепь индикатора контроля исходного состояния ТИТ, выполненную в виде печатного проводника, при этом в центре каждого элемента - размыкателя дополнительно установлены пиротехнические воспламенители, выполненные в виде ленты из материала на основе прессованной смеси порошкообразных титана и окислителя, чувствительные к тепловому импульсу основных электровоспламенителей.

Предлагаемая конструкция теплового источника тока поясняется следующим образом.

На фиг.1 представлен вид предлагаемого теплового источника тока, где 1 - цилиндрический корпус, выполненный преимущественно из стали, на котором жестко фиксирована, например, сваркой крышка 2, ограничивающие собой герметичное пространство теплового источника. 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. Пакет ЭХЭ и нагревателей поджимается и фиксируется при помощи упругого элемента 4 резьбового элемента 6 (фиг.1). Каждый слой пиронагревательного элемента представляет собой запрессованный в металлическую оболочку тепловыделяющий пиротехнический состав. Система пиронагревательных элементов задействуется при срабатывании электровоспламенителей 5 и пиротехнических соединительных элементов 7. Для сохранения необходимой рабочей температуры в блоке ЭХЭ в период работы теплового источника по внутренним поверхностям цилиндрического корпуса 1 установлены в качестве составной теплоизоляции - теплоизоляционные элементы 8, 9, 10.

Крышка 2 является одним из конструктивных и силовых элементов и предназначена для крепления блока ЭХЭ, платы электровоспламенителей с индикатором исходного состояния, гермовыводов, электро - и теплоизоляторов.

На фиг.2 представлен вид крышки как сборочной единицы ТИТ, состоящей из тела крышки 1, изготовленной из стали 12Х18Н10Т, платы электровоспламенителей 15 с двумя электровоспламенителями типа ЭВ-27(5), вклеенными в кронштейны 16, двух перегорающих проволок индикатора контроля (ИК) 22, приваренных к контактам платы и двух пережигающих пирошнуров 23, восьми гермовыводов 20, соединенных с крышкой 2 корпуса и служащих для крепления блока элементов, набора электро- и теплоизоляторов 13, 14, 17 и 10, втулок 19, предназначенных для механического крепления платы 15, двух токовыводов 21, служащих для электрической связи блока ЭХЭ и гермовыводов 20.

В конструкции крышки 2, как силового элемента ТИТ, совмещены функции крепления блока ЭХЭ к резьбовым втулкам 18, приваренных лазерной сваркой к поверхности крышки, крепления гермовыводов 20 методом спекания типа «металл -стекло» и крепления ТИТ в изделие с помощью восьми резьбовых отверстий В.

Функциональное назначение платы ЭВ - приведение ТИТ в рабочее состояние в результате срабатывания и выдачи форса пламени электровоспламенителями 5 при одновременном пережигании проволок 22 индикатора контроля, закрепленных на плате 15 под головками электровоспламенителей, а также обеспечение электрической связи проволок ИК с гермовыводами 20 крышки 2. Для повышения надежности срабатывания ТИТ число ЭВ увеличено до 2-х.

Основой платы ЭВ является печатная плата 5 из фольгированного стеклотекстолита марки СФ с электрическим проводником 24, выполненным методом травления и закрепленными на ней контактами для сварки проволок ИК и кронштейнами 16 для вклейки ЭВ (5).

Для гарантированного пережигания проволок ИК, выполненных из медной проволоки диаметром 0,15 мм, под них установлены ленты 23 из пиротехнического состава, дающих дополнительный импульс тепла при срабатывании ЭВ. Установка дополнительных пиротехнических лент позволила заменить серебряную проволоку на медную с увеличением диаметра ≈ в 2 раза, что привело к уменьшению электрического сопротивления всей цепи индикатора контроля и упростило монтаж проволок к контактам платы.

Механическое крепление платы ЭВ на крышке 2 производится втулками 19 с последующей лазерной сваркой их втулками 18. Форс пламени от ЭВ подводится к проволокам ИК и пиротехническим лентам через специальные отверстия, выполненные в печатной плате и по факту перегорания проволок ИК устанавливают состояние ТИТ: «активирован» (рабочее), или «неактивирован» (нерабочее).

Для обеспечения необходимой электро- и теплоизоляции внутреннего объема ТИТ в целом на крышке 2 (фиг.2) установлены три электроизолирующие прокладки 14, 17 из слюды марки ССП и две теплоизолирующие прокладки из материала на основе асбеста. На плату 5 дополнительно установлена прокладка 10 из теплоизолирующего материала типа ТЗМК на основе мелкодисперсного кварцевого волокна, обладающего лучшими теплофизическими характеристиками по сравнению с асбестом.

Электромонтаж крышки выполняется импульсной аргоно-дуговой сваркой с применением специальных медных втулок для ленточных токовыводов силовых цепей ТИТ.

Таким образом, при использовании предлагаемого теплового источника тока обеспечиваются требования по надежности определения факта исходного состояния (сработанного) ТИТ, по стойкости к воздействию разрядов статического электричества и по прочности ИК при длительном протекании тока через его цепь, что значительно превышает показатели прототипа.

Возможность промышленной реализации предлагаемого ТИТ подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый ТИТ был реализован в виде опытного образца и представляет собой цилиндрическое устройство, состоящее из корпуса 1 (фиг.1), крышки 2 и тепло- и электроизоляции 8, 9, 10. Корпус изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 с толщиной стенок 0.7 мм. Внутри корпуса находится блок ЭХЭ, установленных вдоль вертикальной оси Необходимое рабочее напряжение ТИТ обеспечивается путем последовательного соединения (набора в «столб») всего пакета ЭХЭ в количестве 11 единиц. Для нагрева ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электрической связи между ЭХЭ установлены запрессованные в металлическую обечайку пиротехнические нагреватели, устанавливаемые между ЭХЭ. Пакет ЭХЭ и нагревателей поджимается и фиксируется в корпусе при помощи упругого элемента 4 и гайки 6 (фиг.1). Крышка 2 (фиг.1), изготовленная из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, служит для крепления блока ЭХЭ, платы ЭВ с ИК исходного состояния, гермовыводов 11. Основой платы ЭВ является печатная плата 4 из фольгированного стеклотекстолита марки СФ с электрическим проводником 15 (фиг.2) и закрепленными на ней контактами для сварки проволок ИК и кронштейнами 6 для вклейки ЭВ 5.

ТИТ приводится в рабочее состояние в результате срабатывания и выдачи форса пламени двумя ЭВ 5 при одновременном пережигании проволок ИК 13, закрепленных на плате под головками ЭВ, за счет чего обеспечивается контроль состояния ТИТ.

Механическое крепление платы ЭВ на крышке производится втулками 10 с последующей лазерной сваркой их с втулками 9.

Для обеспечения необходимой электро- и теплоизоляции на крышке (Фиг.2) установлены три электроизолирующие прокладки 3,7 из слюды марки ССП, две теплоизолирующие прокладки 2 из материала на основе асбеста и прокладка 8 из теплоизолирующего материала типа ТЗМК на основе мелкодисперсного кварцевого волокна, обладающего лучшими теплофизическими характеристиками по сравнению с асбестом.

Пример 2. По условиям примера 1 реализован в качестве предлагаемого устройства макет опытного образца, в котором для гарантированного пережигания проволок ИК, выполненных из медной проволоки диаметром 0,15 мм, под них установлены ленты 14 (фиг.2), выполненные из пиротехнического состава, дающего дополнительный импульс тепла при срабатывании ЭВ. Установка дополнительных пиротехнических лент позволила заменить серебряную проволоку на медную с увеличением диаметра ~ в 2 раза, что привело к уменьшению электрического сопротивления всей цепи ИК и упростило монтаж проволок к контактам платы.

Результаты измерений сведены в таблицу 1.

Как показали примеры и данные таблицы 1, использование предлагаемого ТИТ позволило обеспечить требования по надежности определения факта исходного (сработанного) состояния ТИТ, по стойкости к воздействию разрядов статического электричества и по прочности ИК при длительном протекании тока через его цепь, что значительно превышает показатели прототипа, при одновременном сохранении электрохимических характеристик.

Таблица 1
Примеры реализации	Наименование показателей	Ед. изм.	Значение показателей предлагаемого ТИТ	Значение показателей ТИТ прототипа	Срок годности ТИТ	Примечание
1	2	3	4	5	6	7
Прототип ТИТ	Характеристики:
	1. Величина сопротивления цепи ИК	Ом		не более 0.5
	2. Прочность цепи ИК при протекании тока 2 А	час		перегорает
	цепь ИК			через 0.1 сек
	3. Сопротивление цепи ИК после срабатывания	кОм		не менее 1
	4. Стойкость цепи ИК к воздействию статического электричества	кВ		не стойка
Предлагаемый ТИТ	Характеристики:
	1. Величина сопротивления цепи ИК	Ом	не более 0.1
	2. Прочность цепи ИК при протекании тока 2 А	час	3
	через 0.1 сек
	3. Сопротивление цепи ИК после срабатывания	кОм	не менее 1000
	4. Стойкость цепи ИК к воздействию статического электричества	кВ	25

Тепловой источник тока (ТИТ), содержащий блок электрохимических элементов в корпусе с теплоизоляцией, каждый из которых содержит твердые слои анода, катода, электролита, систему нагревательных элементов, ограниченных с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией, жестко фиксированных на крышке ТИТ и размещенных вдоль вертикальной оси корпуса и поджатых с заданным усилием упругим элементом в осевом направлении с возможностью регулирования величины этого усилия, индикатор контроля исходного состояния, средства инициирования ТИТ с системой электровоспламенителей, отличающийся тем, что блок электрохимических элементов, система электровоспламенителей, индикатор контроля исходного состояния ТИТ жестко фиксированы на общем основании, жестко фиксированном на крышке ТИТ в виде печатной платы, на которой сформирован токопроводящий контур по заданной электрической схеме разводки, выполненный из меди, и представляющий собой электрическую цепь индикатора контроля состояния ТИТ, выполненную в виде печатного проводника и размещенную между выходными контактами индикатора контроля, двух элементов - размыкателей, выполненных из медной проволоки с площадью сечения много меньше площади сечения печатного проводника, при этом в центре каждого элемента - размыкателя дополнительно установлены пиротехнические нагреватели, выполненные в виде ленты из материала на основе прессованной смеси порошкообразных титана и окислителя, чувствительных к тепловому импульсу электровоспламенителей.