ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА 


RU (11) 2088558 (13) C1

(51) 6 C06B21/00, C06B33/00, H01M6/20 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.03.2008 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 94013374/02 
(22) Дата подачи заявки: 1994.04.15 
(45) Опубликовано: 1997.08.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Багоцкий В.С. и др. Химические источники тока. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 304 - 310. Кромптон Т., Первичные источники тока. - М.: Мир, 1986, с. 295, 328. Кукоз Ф.И. Тепловые химические источники тока, Ростов-на-Дону, изд-во Университета, 1989, с. 61 - 63. 
(71) Заявитель(и): Научно-исследовательский институт прикладной химии 
(72) Автор(ы): Суворов И.С.; Просянюк В.В.; Емельянов В.Н.; Демьяненко Д.Б.; Ляшко Н.И. 
(73) Патентообладатель(и): Научно-исследовательский институт прикладной химии 

(54) ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА 

Использование: автономное электрическое питание аппаратуры. Сущность изобретения: генератор содержит анод, выполненный из смеси, содержащей 27 - 77% циркония, 10 - 45% бария хромовокислого, 3 - 25% фторида лития или щелочноземельного металла, или их смеси, 3 - 10% асбеста, и катод, выполненный из смеси, содержащей 15 - 40% циркония, 30 - 75% оксида меди, 1 - 20% фторида лития или щелочноземельного металла, ил их смеси, 3 - 16% асбеста, при этом анод и катод соединены между собой без зазора, а отношение диаметров анода и катода к их высоте составляет 30 -80. 2 ил, 3 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии экзотермических композиций в электрическую, в частности к высокотемпературным резервным источникам тока одноразового действия, и предназначено для работы в режиме ожидания для кратковременного автономного питания бортовой аппаратуры, приборов и устройств (мостики накаливания, пироэнергодатчики, микроэлектродвигатели, реле и т.д.), используемых в системах автоматики объектов различного назначения (в том числе для включения систем пожаротушения, сигнализации, оповещения, блокировки и т.п.).

Известные по патентной и научно-технической литературе первичные резервные источники электрического тока с использованием пиротехнических зарядов (Багоцкий В.С. Скундин А.М. Химические источники тока М. Энергоиздат, 1981, с. 304 310; Кромптон Т. Первичные источники тока М. Мир, 1986, с 295, 328 и др.), сложны по устройству и имеют длительное время выхода на рабочий режим, так как генерирование электрического тока в названных устройствах становится возможным только после сгорания пиротехнического разряда пиронагревателя, что обеспечивает расплавление твердого электролита (соли или смеси солей), расположенного между анодом и катодом и нагрева обоих электродов до рабочей температуры.

Кроме того, наличие пиротехнических и электрохимических узлов предопределяет необходимость раздельного их изготовления для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности, соблюдения специальных требований технологических процессов, что усложняет процесс их изготовления, Кроме того, применение названных источников тока в системах с кратковременным или импульсным режимами питания экономически нецелесообразно.

Наиболее близким технически решением (прототипом) является пиротехнический генератор электрического тока тепловой химический источник тока (Кукоза Ф. И. Тепловые химические источники тока. Ростов-на-Дону изд. университета, 1989 г, с.61 63).

Пиротехнический генератор электрического тока (прототип) содержит корпус с установленными в нем анодом и коаксиально расположенным вокруг него электролитом, нагревательным элементом и катодом. Анод и катод имеют токовыводы. Время активации данного источника тока уменьшено благодаря тому, что нагревательный элемент (пиронагреватель) помещен непосредственно в электрохимический элемент.

Основным недостатком технического решения (прототипа) является достаточно длительное время задержки от момента воспламенения до достижения максимального значения силы тока, обусловленное инертностью (неспособностью к самостоятельному горению анода и катода), так как анод выполнен из металла (кальций, литий, магний или сплавы на их основе), а катод из соединений с высоким содержанием кислорода, например кальция хромовокислого, оксидом меди, молибдена и т.д.

Конструктивное и рецептурное решения устройства-прототипа практически исключают возможность создания из элементарных ячеек, а практическую значимость имеют только источники тока с напряжением 9 12В и выше, ЭДС и напряжение, генерируемые прототипом меньше 2В.

Задачей изобретения является создание пиротехнического генератора электрического тока с повышенной мощностью и быстродействием, т.е. с малым временем задержки от момента воспламенения до начала генерирования тока и позволяющего создавать батареи из элементарных ячеек.

Задача решается тем, что в известном устройстве-прототипе, включающем анод, катод и токовыводы, анод 1 выполнен из смеси циркония, бария хромовокислого, фторидов лития или щелочноземельного металла или их смеси, и волокнистого асбеста при следующем соотношении компонентов (мас.):

Цирконий 27 77

Барий хромовокислы 10 45

Фторид лития или щелочноземельного металла, или их смесь 3 25

Асбест 3 10,

а катод 2 выполнен из смеси циркония, оксида меди, фторида лития, или щелочноземельного металла, или их смеси и волокнистого асбеста при следующем соотношении компонентов (мас.):

Цирконий 15 40

Оксид меди 30 45

Фторид лития, или щелочноземельного металла, или их смесь 3 25

Асбест 3 16

при отношении диаметров анода и катода к их высоте равном 30 80, а анод и катод соединены между собой без зазора.

Основным отличием заявляемого устройства является наличие асбеста в электродах, применение тугоплавкого горючего (циркония с температурой плавления 1900oC) и разлагающихся при плавлении окислителей (бария хромовокислого и окиси меди), новое соотношение компонентов и соединение анода и катода без зазора.

Асбест известен как связующее в малогазовых нагревательных составах (например, авт. св. СССР N 551000, МКИ H OI M 6/36, C 06 В 43/00).

В заявляемой конструкции асбест принимает активное участие в токообразующих процессах благодаря химико-термической активации поверхности волокон во фронте горения (заявляемое нестехиометрическое соотношение в электродах обеспечивает оптимальный режим термообработки). При этом происходит также перестройка кристаллической структуры асбеста и удаление примесей таким образом, что обеспечивается полное смачивание, впитывание а адсорбция жидких продуктов первичного горения с последующим выделением энергии сорбции, что сглаживает пик и увеличивает время тепловыделения и оптимизирует режим токообразующих процессов. Это способствует повышению мощности (увеличению силы тока и напряжения) из-за смягчения "тепловых ударов", исключению перегрева, вытекания жидкой фазы и т.п. приводящих к несанкционированным замыканиям электродов и элементарных ячеек в батарее.

Кроме того, асбест обеспечивает возможность получения отношения диаметра электродов к их высоте 30 80 и формирование тонкослойных зарядов-электродов с высокой чувствительностью к тепловому инициирующему импульсу, что позволяет увеличить мощность генератора в прежних габаритах, обеспечить их быстродействие. При содержании асбеста менее 3% не обеспечивается прочность зарядов и интенсивность протекания токообразующих процессов. При введении более 16% асбеста недопустимо уменьшаются скорость горения, чувствительность и калорийность, снижающие характеристики генератора тока.

Цирконий является горючим, обеспечивает минимальное время выхода на режим. Оксид меди и барий хромовокислый выполняют функции окислителя. Фториды лития, магния, бария, кальция, стронция или их смеси в произвольных сочетаниях при рабочей температуре совместно с продуктами первичного горения обеспечивают ионную проводимость конденсированных остатков анода и катода. Соединение анода и катода без зазора обеспечивает протекание окислительно-восстановительных процессов, начиная с момента воспламенения преимущественно по электрохимическому механизму, что повышает быстродействие устройства и обеспечивает возможность преобразования химической энергии анодной и катодной композиции в электрическую.

При соотношении диаметров анода и катода к высоте (толщине) менее 30, ЭДС и напряжение падают из-за роста внутреннего сопротивления. При соотношении более 80 изделия становятся нетехнологичными, процесс неустойчивым, что приводит к снижению характеристик.

Заявляемые рецептуры анода и катода обеспечивают возможность формирования тонкослойных пористых зарядов с высокой чувствительностью к инициирующему импульсу, что способствует их быстрому и полному сгоранию и протеканию электрохимических процессов между анодом и катодом. Следствием этого является быстродействие, высокие электрические характеристики, возможность создания многоэлементных батареек минимальной высоты. Кроме того, заявляемые конструкции и рецептуры электродов позволяют обеспечить их серийное изготовление на полуавтоматических линиях высокопроизводительным и безопасным методом шликерного литья (вакуумного осаждения взвеси компонентов).

Заявляемая конструкция пиротехнического генератора электрического тока представляет элементарную ячейку, на фиг.1 анод 1 и катод 2 в виде тонкослойных пиротехнических зарядов пластин, соединенных между собой без зазора между металлическими токоотводами 3 и 5 фиг. 2. Батарея генераторов представляет собой набор заявляемых устройств, соединенных между собой без зазора фиг. 2.

Пиротехнический генератор электрического тока работает следующим образом.

От воспламенительного импульса одновременно загораются контактирующие между собой анод 1 и катод 2 анодный и катодный заряды. Благодаря конструкции и рецептуре электродов уже в момент воспламенения зарядов начинается перенос электронов по внешней цепи от горючего (циркония) в аноде 1 через анодный токоотвод 5, нагрузку (сопротивление) 4, катодный токоотвод 3 к окислителю (оксиду меди) в катоде 2. Движение заряженных частиц обусловлено электрохимическим окислителем пространственно разделенных горючего (циркония) в аноде и электрохимическим восстановлением окислителя (оксида меди) в катоде и контактом названных реагентов с ионопроводящим электролитом, функции которого выполняют продукты сгорания контактирующих между собой анодного и катодного зарядов.

Незначительная толщина электродов (от 0,3 до 1,5мм) и отсутствие инертного материала между ними обеспечивает быстродействие заявляемого устройства и минимальные значения внутреннего сопротивления, что увеличивает ЭДС и напряжение.

Оптимальное соотношение компонентов в аноде и катоде определено на основании лабораторных и стендовых испытаний, которые показали высокую эффективность заявляемого объекта.

Проверку изобретения проводили на компонентах серийного производства: цирконий ТУ 48-4-234-84, барий хромовокислый ГОСТ 4211-68, оксид меди ГОСТ 16539-79, асбест ТУ 21-22-3-81, лития фторида ТУ 6-01-3529-84, бария фторида ТУ 6-09-01-261-85, стронция фторид ТУ 6-09-1434-77, кальция фторид ТУ 6-09-02-572-79, магния фторид ТУ 6-09-2674-77.

Характеристики компонентов контролировали по ОСТ В84-2072-83, асбест готовили по отраслевой методике (инструкция ЗРП-1171-89), цирконий, барий хромовокислый, оксид меди и фториды металлов в виде порошков с диаметром частиц менее 100 мкм, асбест волокнистый материал с длиной и диаметром волокон как патенте (СССР N 551000 кл. H OI M).

Соотношение компонентов в образцах заявляемых анода и катода и прототипа дано в табл. 1, 2.

Испытания заявляемого ПГЭТ и прототипа (Кукоза Ф.И. и др. Тепловые химические источники тока, Ростов-на-Дону, изд. университета, 1989 с.61-63). проводили, воспламеняя электроды накаленной нихромовой спиралью или импульсом электровоспламенителя МБ-2Н. Регистрировали ЭДС с помощью осциллографа Н-115, который обеспечивает сопротивление 105 кОм. Напряжение определяли на нагрузке, имеющей сопротивление 3,6 Ом также с помощью осциллографа Н-115 при комнатной температуре.

Результаты испытаний, приведенные в табл. 3, подтверждают высокую эффективность заявляемых ПГЭТ, которые превосходят эффективность прототипа по времени задержки (быстродействию) и мощности.

Прототип в виде батареи последовательно соединенных элементарных ячеек не работает, так как его конструкция не обеспечивают одновременности воспламенения сгорания и сгорания всего набора элементов, без чего невозможна работа источника тока.

Батареи из 2-х и более заявляемых устройств, соединенных между собой без зазора обеспечивают генерирование электрического тока через 0,05 0,1 с после инициирующего импульса (все анодные и катодные заряды-электроды воспламеняются, сгорают и обеспечивают генерирование электрического тока).

Максимальное значение параметра достигается за время, не превышающее 0,05 0,1с от момента начала работы при общей длительности процесса не менее 1 3с.

Изготовление анодного и катодного электропроводов для заявляемой конструкции ПГЭТ не требует разработки нового оборудования и переоснащения существующих производств. Используемые компоненты широко применяются в пиротехнике, технология формирования безопасна, при срабатывании не происходи выброса экологически вредных продуктов.

Неизвестный ранее комплекс характеристик пиротехнических генераторов и батарей на их основе, обеспечивающий надежное функционирование (не менее 0,999 при доверительной вероятности 0,9), обусловлен именно заявляемой конструкцией пиротехнических электродов, их размерами и взаимным расположением. Кроме того, конструкция заявляемого устройства обеспечивает гарантийный срок 5 10 лет при температуре хранения и эксплуатации 50oC. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Пиротехнический генератор электрического тока, состоящий из анода, катода и токовыводов, отличающийся тем, что анод выполнен из смеси циркония, бария хромовокислого, фторидов лития или щелочноземельного металла, или их смеси и волокнистого асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.

Цирконий 27 77

Барий хромовокислый 10 45

Фторид лития или щелочноземельного металла или их смесь 3 25

Асбест 3 10

а катод выполнен из смеси циркония, оксида меди, фторида лития или щелочноземельного металла, или их смеси и волокнистого асбеста при следующем соотношении компонентов, мас.

Цирконий 15 40

Оксид меди 30 75

Фторид лития или щелочно-земельного металла, или их смесь 1 20

Асбест 3 16

при этом отношение диаметров анода и катода к их высоте составляет 30 - 80, а анод и катод соединены между собой без зазора.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru