Энергоемкий тепловой химический источник тока

Изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным химическим источникам тока, и может быть использовано для изготовления теплового химического источника тока (ТХИТ) для питания приборов и систем электрической энергией. Энергоемкий ТХИТ содержит блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с теплоизоляцией, размещенный в стальном цилиндрическом корпусе, выполненном из нескольких частей и со сформированными в них ребрами, с разнополюсными выводами, при этом содержит в своем составе увеличенное количество в 1,5-2 раза ЭХЭ, по меньшей мере, один горизонтальный фиксатор (упор), выполненный в виде диска с выступающими за его контур стопорящими по меньшей мере 3 выступами, упирающимися на внутреннюю поверхность ребер корпуса блока ЭХЭ, что обеспечивает промежуточное поджатие каждой дополнительной группы ЭХЭ, образующей блок. Кроме того, фиксатор выполняет функцию теплоотвода, выравнивая тепловой баланс, что исключает перегрев в середине блока ЭХЭ. Повышение разрядного тока и удельной мощности ТХИТ, а также увеличение его прочности при боковых механических нагрузках является техническим результатом изобретения. 1 ил.

 

Предполагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным химическим источникам тока, и может быть использовано для изготовления теплового химического источника тока (ТХИТ), применяющегося для питания приборов и систем электрической энергией.

Актуальность решаемой проблемы основана на том, что используемые ТХИТ в настоящее время обладают сравнительно невысокими токоразрядными характеристиками вследствие того, что конструктивно не всегда выполняется условие ортогональности столба блока электрохимических элементов (ЭХЭ), в связи с чем, возможен его перекос и несанкционированное контактирование активных масс с токоведущими элементами ТХИТ, что ведет к возникновению паразитных электрических цепей и энергетическим потерям ТХИТ.

Известно устройство ТХИТ, содержащего блок ЭХЭ, состоящий из расчетного количества твердых слоев анода, электролита, катода, нагревательных элементов, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией и крышкой (патент РФ №2369944, МПК Н01М 6/36, публ. 10.10.2009 г., БИ 30/09 г.).

Недостатком данного устройства является сложность сборки и недостаточно высокие электрические показатели (разрядный ток, напряжение, удельная емкость).

Известно в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому устройство теплового источника тока, содержащего блок электрохимических элементов, состоящий из расчетного количества слоев, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, электролита, катода, теплонагревательных элементов между ними, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с тепло- и электроизоляцией (патент РФ №2091918, МПК Н01М 6/36, публ. 27.09.1997 г., БИ №27/97).

К недостаткам прототипа относятся сравнительно невысокие значения электрического напряжения, необходимого для питания потребителей, токовых нагрузок, снимаемых с источника тока, и удельной мощности источника тока.

Задачей авторов предполагаемого изобретения является разработка энергоемкого ТХИТ, имеющего повышенные энергетические и удельные характеристики (разрядный ток, напряжение, удельная мощность) в малых габаритах и необходимую прочность при механических нагружениях.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого изобретения заключается в повышении энергетических и удельных характеристик (разрядного тока, напряжения, удельной мощности) ТХИТ в малых габаритах и в обеспечении необходимой прочности при механических (боковых) нагружениях.

Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в отличие от известной конструкции теплового химического источника тока, содержащего блок ЭХЭ в корпусе с теплоизоляцией, размещенный в стальном цилиндрическом корпусе, выполненном из нескольких частей и со сформированными в них ребрами жесткости, и снабженном составной тепло- и электроизоляцией, вдоль его вертикальной оси поджатый системой упругих и регулировочных элементов блок термоактивируемых электрохимических элементов, каждый из которых состоит из пакета последовательно чередующихся твердых слоев анода, электролита, катода и пиротехнических нагревательных элементов (ПТН), введенных между слоями активных масс, в котором блок ЭХЭ снабжен разнополюсными токовыводами, в предлагаемой конструкции энергоемкого ТХИТ, согласно изобретению в состав источника тока введено увеличенное в 1,5-2 раза количество ЭХЭ, и дополнительно введен, по меньшей мере, один горизонтальный фиксатор (упор), выполненный в виде диска с выступающими за его контур стопорящими, по меньшей мере, 3 выступами, упирающимися на внутреннюю поверхность ребер корпуса блока ЭХЭ, служащий для промежуточного поджатия каждой дополнительной группы ЭХЭ блока ЭХЭ и выполняющий функцию теплоотвода, выравнивая тепловой баланс блока ЭХЭ, исключая перегрев в середине блока ЭХЭ.

Предлагаемое изобретение поясняется следующим образом.

На фиг. 1 представлен вид предлагаемого ТХИТ, где 1 - цилиндрический корпус, 2 - крышка, 3 - корпус блока ЭХЭ, 4 - ЭХЭ, 5- ПТН, 6 - электроизоляционные прокладки, 7 - теплоизоляционные прокладки, 8 - горизонтальный фиксатор (упор), 9 - упругий элемент, 10 - гайка, 11 - отрицательный токовывод, 12 - положительный токовывод, 13, 14 - теплоизоляторы, 15 - лента пиротехническая, 16-прокладка.

Корпус 1 выполнен из стали, на котором жестко фиксирована, например сваркой, крышка 2, ограничивающие собой герметичное пространство ТХИТ. Вдоль вертикальной оси цилиндрического корпуса в герметичном пространстве источника установлен и жестко фиксирован блок ЭХЭ. Блок ЭХЭ состоит из корпуса 3, выполненного из нескольких частей со сформированными в нем ребрами жесткости, и набора ЭХЭ 4, последовательно чередующихся при сборке с пиротехническими нагревателями 5. С обеих торцевых поверхностей корпуса 3 слои ЭХЭ и ПТН изолированы от металлических элементов корпуса слоями электроизоляционных прокладок 6, выполненных из слюды, и слоями теплоизоляционных прокладок 7, выполненных из асбестовой бумаги.

Высокие энергетические характеристики достигаются путем увеличения количества ЭХЭ в ТХИТ, что стало возможным за счет особенности конструктивного исполнения блока ЭХЭ путем введения в него упора (упоров), повышающего прочность конструкции при воздействии боковых нагружений, служащего для промежуточного поджатая каждой дополнительной группы ЭХЭ блока ЭХЭ и выполняющего функцию теплоотвода, выравнивая тепловой баланс блока ЭХЭ, исключая перегрев в середине блока ЭХЭ.

Для обеспечения устойчивого электрического контакта между ЭХЭ при механических боковых нагружениях с целью уменьшения электрического сопротивления между ЭХЭ и ПТН в середине блока элементов установлены упоры 8, а по торцам блок ЭХЭ поджат упругими элементами 9 с заданным усилием, после чего собранный блок фиксируются резьбовой гайкой 10. Токосъем при работе блока элементов производится положительным 11 и отрицательным 12 токовы-водами, установленными к первому и последнему ЭХЭ соответственно.

Для поддержания необходимого теплового режима с наружной поверхности корпуса 3 установлены теплоизоляторы 13, 14, изготовленные из теплозащитного материала на основе кремнеземных волокон, в пазах теплоизолятора поз. 13 расположена лента пиротехническая 15, в качестве компонентов системы термоактивирования, посредством которых производится поджиг пиротехнического состава ПТН.

Корпус 3 блока ЭХЭ изготовлен составным из нескольких частей, что уменьшает массу корпуса и обеспечивает визуальный контроль правильности сборки блока ЭХЭ. На одной из торцевых поверхностей корпуса выполнена метрическая резьба для установки гайки 10 фиксации упругих элементов с регулируемым усилием их поджатая. Для обеспечения дополнительной электрической изоляции ребра корпуса покрыты теплостойкой электроизоляционной органо-силикатной композицией, представляющей собой суспензию измельченных силикатов и окислов в растворах органических пигментов. С внутренней стороны ребер корпуса установлены и механически закреплены прокладки 16 из слюды, обеспечивающие основную электроизоляцию ЭХЭ от металла корпуса.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Первоначально подают импульс тока на мостик электровоспламенителя от внешнего источника тока. Электровоспламенитель (ЭВ) срабатывает и дает форс пламени на пиротехническую ленту 15, при горении которой воспламеняются ПТН 5, расположенные между ЭХЭ. При достижении рабочей температуры электролит становится ионопроводящим и на ЭХЭ возникает разность потенциалов. После нарастания напряжения до требуемой величины ТХИТ готов к работе.

Таким образом, при использовании предлагаемого ТХИТ обеспечивается более высокий по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в повышении энергетических и удельных характеристик (разрядный ток, напряжение, удельная мощность) ТХИТ в малых габаритах и сохранении необходимой прочности при механических нагружениях.

Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующим примером.

Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемое изобретение опробовано на опытном образце, изображенном на фиг. 1, и представляет собой цилиндрическое устройство, состоящее из корпуса 1, крышки 2 и теплоизоляции 13, 14. Корпус и крышка изготовлены их стали 12Х18Н10Т ГОСТ5632-72. Внутри корпуса 1 находится блок ЭХЭ, установленный вдоль вертикальной оси. Блок ЭХЭ состоит из корпуса 3, изготовленного из нескольких частей и выполняющего функции силового элемента, набора ЭХЭ 4, последовательно чередующихся при сборке с ПТН 5. Корпус 3 изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Т10Т ГОСТ 5632-72. С обеих торцевых поверхностей корпуса 3 ЭХЭ 4 и ПТН 5 изолированы от металлических элементов корпуса слоями электроизоляционных прокладок 6, выполненных из слюды марки ССП ГОСТ 13750-88, и слоями электроизоляционных прокладок 7, выполненных из асбестовой бумаги БЭ ГОСТ 23779-95.

Для обеспечения устойчивого электрического контакта между ЭХЭ при механических нагружениях с целью уменьшения электрического сопротивления между ЭХЭ и ПТН в середине блока элементов установлены два упора 8, изготовленные из никелевой ленты ДПРНМ НП2 ГОСТ 2170-2016, позволяющие производить промежуточное поджатие, а по торцам блок элементов поджат упругими элементами 9 с заданным усилием, после чего собранный блок фиксируются резьбовой гайкой 10. Токосъем при работе блока элементов производится положительным 11 и отрицательным 12 токовыводами, установленными к первому и последнему ЭХЭ соответственно.

Для поддержания необходимого теплового режима с наружной поверхности корпуса 3 установлены теплоизоляторы 13, 14, изготовленные из специального теплозащитного материала марки ТЗМ-23М ТУ1-596-425-2008 на основе кремнеземных волокон. На внутренней боковой поверхности теплоизолятора 13, как конструкционного элемента, в специальном пазе установлена на слюдяной прокладке и механически закреплена эпоксидным клеем пиротехническая лента 15, как компоненты системы термоактивирования, посредством которых производится поджиг пиротехнического состава ПТН.

Для обеспечения электрической связи анодов и катодов последовательно установленных ЭХЭ 4, а также для разогрева ЭХЭ 4 до рабочих температур, между ними устанавливаются ПТН 5. Конструкция ПТН представляет собой замкнутый металлический токопроводящий контур, внутри которого запрессован пиротехнический состав, поджиг пиротехнического состава производится через боковые отверстия металлического токопроводящего контура ПТН.

Корпус 3 блока ЭХЭ изготовлен составным из нескольких частей, что уменьшает массу корпуса и обеспечивает визуальный контроль правильности сборки блока ЭХЭ. На одной из торцевых поверхностей корпуса 3 выполнена резьба для установки гайки 10 фиксации упругих элементов с регулируемым усилием их поджатия. Для обеспечения дополнительной электрической изоляции ребра корпуса покрыты теплостойкой электроизоляционной органо-силикатной композицией марки ОС-92-31 ТУ 88-3451-12205-24-07-2011. С внутренней стороны корпуса на ребра установлены и механически закреплены прокладки 16 из слюды марки СПМ ТУ 5724-025-00281944-01 с перекрытием ширины ребер на 2…3 мм, обеспечивающие основную электроизоляцию ЭХЭ от металла корпуса.

Как показал приведенный пример, в предлагаемом ТХИТ достигнут технический результат, заключающийся в повышении энергетических и удельных характеристик (разрядный ток, напряжение, удельная мощность) ТХИТ в малых габаритах и в обеспечении необходимой прочности при механических боковых нагружениях.

Энергоемкий тепловой химический источник тока, содержащий блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с теплоизоляцией, размещенный в стальном цилиндрическом корпусе, выполненном из нескольких частей и со сформированными в них ребрами и снабженном составной тепло- и электроизоляцией, вдоль его вертикальной оси, поджатый системой упругих и регулировочных элементов блок термоактивируемых электрохимических элементов (ТХИТ), каждый из которых состоит из пакета последовательно чередующихся твердых слоев анода, электролита, катода и пиротехнических нагревательных элементов, введенных между слоями активных масс, снабженный разнополюсными токовыводами, отличающийся тем, что в состав ТХИТ входит увеличенное в 1,5-2 раза количество ЭХЭ, дополнительно введен, по меньшей мере, один горизонтальный фиксатор (упор), выполненный в виде диска с выступающими за его контур стопорящими по меньшей мере 3 выступами, упирающимися на внутреннюю поверхность ребер корпуса блока ЭХЭ, служащий для промежуточного поджатия каждой дополнительной группы ЭХЭ блока ЭХЭ и выполняющий функцию теплоотвода, выравнивая тепловой баланс блока ЭХЭ, исключая перегрев в середине блока ЭХЭ.