RU2686661C1

RU2686661C1 - Heat current source

Info

Publication number: RU2686661C1
Application number: RU2018124545A
Authority: RU
Inventors: Михаил Иосифович Фильковский; Константин Алексеевич Лохов
Original assignee: Михаил Иосифович Фильковский
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2019-04-30

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical industry, namely, to reserve chemical sources of current in wide range of initial temperatures and resistant to mechanical loads. Thermal current source comprises an electric igniter mounted on a current-conducting printed circuit board fixed on a cover of a thermally insulated housing, inside which a unit of electrochemical elements is installed and fixed, made in the form of series-connected disc-type pyrones having anode and cathode plates adjacent to longitudinal fire-conducting tapes, wherein electric igniter is made in form of a filament bridge connected to printed circuit board through contact pads, and placed inside ignition charge, which fills axial channel covered with longitudinal fire-conducting tapes. Filament bridge ends by means of printed circuit board are connected to external power supply source, which provides starting pulse supply to ignition device initiating ignition charge, wherein the charge combustion products from the diffuser-shaped substrate are directed into an axial fire-transmitting channel to form a long-focus flame extinguishing all the elements of the thermal battery. Proposed technical solution stabilizes startup of current source, minimizing its time of operation.

EFFECT: increased reliability of actuation of a ignition device of a thermal current source.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а более конкретно, к резервным химическим источникам тока в широком диапазоне начальных температур и устойчивым к механическим нагрузкам.The invention relates to the electrical industry, and more specifically, to backup chemical current sources in a wide range of initial temperatures and resistant to mechanical loads.

Уровень данной области техники характеризует тепловой химический источник тока, описанный в патенте RU 2393591 CI, Н01 М6/36, 2010 г., который содержит помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов и пиротехнических нагревателей, теплоизоляционных прокладок, установленных по периферии и торцам блока.The level of this technical field characterizes the thermal chemical current source described in patent RU 2393591 CI, H01 M6 / 36, 2010, which contains a block placed in a housing and sealed with a cover, assembled from consecutively located electrochemical elements and pyrotechnic heaters, heat-insulating gaskets installed on the periphery and the ends of the block.

На боковой поверхности блока диаметрально установлены инициирующие быстро горящие полосы (ленты), соприкасающиеся в торцевой части с пиротехнической полосой, проложенной в непосредственной близости с запальным устройством, выполненным в форме пиротехнического заряда, помещенного в оболочку из отверждающегося материала.On the side surface of the unit, initiating fast-burning strips (tapes) are diametrically mounted, contacting in the end part with a pyrotechnic strip, laid in close proximity to the ignition device made in the form of a pyrotechnic charge, placed in a shell of cured material.

Особенностью этого источника тока является то, что пиротехническая полоса выполнена Z-образной формы и проложена в пазах соприкасающихся между собой теплоизоляционных прокладок.The peculiarity of this current source is that the pyrotechnic strip is made in a Z-shaped form and is laid in the slots of thermal insulation strips in contact with each other.

Описанное устройство обеспечивает уменьшение времени выхода источника тока на рабочий режим и повышение надежности работы.The described device provides a reduction in the time of the current source to operating mode and increase reliability.

Однако к недостаткам следует отнести высокую бризантность оболочки запального устройства, которая от импульсного повышения давления в замкнутом объеме при горении пиротехнического заряда дробится на высокоскоростные осколки, которые могут пересечь примыкающую огнепроводную ленту, исключая передачу фронта горения, что снижает функциональное действие по назначению.However, the shortcomings include a high blistering of the shell of the ignition device, which from a pulsed increase in pressure in a closed volume during combustion of a pyrotechnic charge is divided into high-speed fragments that can cross the adjacent igniter strip, excluding the transfer of the combustion front, which reduces the functional action to the destination.

Более совершенным является тепловой источник тока по патенту RU 2413341 С2, Н01 М6/36, 2010 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному.More perfect is the heat source of current according to patent RU 2413341 С2, Н01 М6 / 36, 2010, which by technical essence and the number of coinciding signs is chosen as the closest analogue to the one proposed.

Известный источник тока содержит блок электрохимических элементов 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 и жестко зафиксированных на крышке.The known current source contains a block of electrochemical elements in a housing with thermal insulation, each of which contains successively alternating solid layers of the anode, cathode, electrolyte, heating elements in the estimated amount, limited from the outside by a common case and rigidly fixed on the lid.

Структурные элементы теплового источника тока размещены вдоль вертикальной оси корпуса и поджаты усилием упругого элемента под крышкой.The structural elements of the heat source are placed along the vertical axis of the body and are compressed by the force of the elastic element under the cover.

На крышке закреплена печатная плата, электрически связанная с двумя сдублированными электровоспламенителями, к которым примыкают ленточные пиротехнические воспламенители, уложенные по периметру батареи элементов.On the lid there is a printed circuit board, electrically connected with two duplicated electric igniters, to which are adjacent the pyrotechnic ribbon igniters, laid along the perimeter of the battery of elements.

В известной резервной батарее, которая характеризуется механической прочностью сборки, возможностью активного контроля параметров, обеспечено длительное протекание тока при сохранении электрохимических характеристик, то есть стабильностью функционирования.In the well-known backup battery, which is characterized by the mechanical strength of the assembly, the possibility of active control of parameters, long-term current flow is maintained while maintaining the electrochemical characteristics, that is, the stability of operation.

Однако продолжением отмеченных достоинств являются присущие недостатки, которые являются следствием встречного горения пиротехнических пластин электрохимических элементов с пульсированием фронта горения каждого, что тормозит запуск батареи и выход ее на режим из-за нестабильности рабочих характеристик источника тока.However, the continuation of these advantages are the inherent flaws that are a consequence of oncoming combustion of pyrotechnic plates of electrochemical cells with pulsation of the combustion front of each, which inhibits the start of the battery and its output to the mode due to the instability of the operating characteristics of the current source.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение функциональной надежности энергосодержащей электрохимической батареи за счет стабильного горения всех ее пиротехнических элементов, при минимизации времени выхода на режим рабочего тока, длительность генерирования которого увеличена.The technical problem to which the present invention is directed is to increase the functional reliability of the energy-containing electrochemical battery due to the stable burning of all its pyrotechnic elements, while minimizing the time required to reach the operating current mode, the generation time of which is increased.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном тепловом источнике тока, содержащем электровоспламенитель, смонтированный на токопроводящей печатной плате, закрепленной на крышке термоизолированного корпуса, внутри которого установлен и зафиксирован блок электрохимических элементов, выполненных в виде последовательно соединенных дисковых пиронагревателей, имеющих анодную и катодную пластины, примыкающие к продольным огнепроводящим лентам, согласно изобретению, электровоспламенитель выполнен в виде мостика накаливания, связанного с печатной платой через контактные площадки и помещенного внутри воспламенительного заряда, заполняющего экранирующую подложку, имеющую форму диффузора, направленного в осевой канал блока, покрытый продольными огнепроводящими лентами.The required technical result is achieved by the fact that in a known thermal current source containing an electric igniter mounted on a conductive printed circuit board mounted on the lid of a thermally insulated housing, inside which is installed and fixed a block of electrochemical elements made in the form of sequentially connected disk pyroheaters having an anode and cathode plate Adjacent to the longitudinal fire-resistant tapes, according to the invention, the electric igniter is designed as a bridge Ivanov, associated with the circuit board via the contact pad and placed inside the igniting charge shielding filler substrate having a cone shape, directed in the axial channel block coated ogneprovodyaschimi longitudinal ribbons.

Отличительные признаки предложенного технического решения стабилизировали запуск источника тока, минимизировав время его выхода на рабочий режим, обеспечив при этом функциональную надежность генерирования тарированного импульса тока для срабатывания автономной энергосодержащей батареи пиротехнических элементов.Distinctive features of the proposed technical solution stabilized the start of the current source, minimizing the time of its output to the operating mode, while ensuring the functional reliability of generating a calibrated current pulse for the operation of an autonomous energy-containing pyrotechnic battery.

Предложенный пиротехнический источник тока имеет высокие электрические показатели за счет снижения внутреннего электрического сопротивления, что обеспечивается высокой электрической проводимостью анода, в котором содержится в избытке металлический цирконий - электронный проводник, обеспечивающий минимальное сопротивление анода и внутреннее сопротивление источника тока. При этом содержание циркония, являющегося горючим, оптимизировано относительно содержания окислителя в сепараторе и катоде, соответственно бария хромовокислого и оксида меди.The proposed pyrotechnic current source has high electrical performance due to a decrease in the internal electrical resistance, which is ensured by the high electrical conductivity of the anode, which contains an excess of metallic zirconium, an electronic conductor, providing minimal anode resistance and internal resistance of the current source. The content of zirconium, which is combustible, is optimized relative to the content of the oxidizing agent in the separator and the cathode, respectively, barium chromate and copper oxide.

Продуктами окислительно-восстановительных реакций в сепараторе являются оксиды циркония, хрома и бария, а также оксиды магния (продукты термической деструкции асбеста), которые исключают электронный контакт между электродами во время работы источника тока.Products of redox reactions in the separator are oxides of zirconium, chromium and barium, as well as oxides of magnesium (products of thermal destruction of asbestos), which exclude electronic contact between the electrodes during the operation of the current source.

Выполнение электровоспламенителя в виде мостика накаливания, при запуске генерирующего заданный импульс тепловой энергии, позволило простейшими техническими средствами практически мгновенно получить длиннофокусный огневой форс для одновременного запуска всех параллельных элементов батареи.Performing an electric igniter in the form of an incandescent bridge, when starting up generating a given pulse of thermal energy, allowed the simplest technical means to almost instantly get a long-focus fire force for simultaneous launching of all parallel battery cells.

Электрическая связь мостика накаливания через контактные площадки с базирующей печатной платой упростили конструкцию и коммуникацию с внешним устройством запуска, исключив проводную систему передачи управляющего токового сигнала.The electrical connection of the glow plug bridge through the pads to the base printed circuit board simplified the design and communication with an external triggering device, eliminating the wired current signal transmission system.

При этом печатная плата служит силовым элементом для надежного базирования запального устройства (электровоспламенителя) внутри токовой батареи.In this case, the printed circuit board serves as a power element for reliably basing the ignition device (electric igniter) inside the current battery.

Установка воспламенительного заряда внутри корпусной подложки, которая экранирует нерабочее направление (на крышку) для распространения огневого импульса при срабатывании, обеспечивает заданное пространственное расположение запального устройства, при фиксировании электроконтактов его мостика накаливания, что необходимо для надежного срабатывания по назначению.Installing the igniter charge inside the body substrate, which shields the non-working direction (on the cover) to propagate the firing impulse when triggered, provides a predetermined spatial location of the ignition device, while fixing the electrical contacts of its glow bridge, which is necessary for reliable triggering.

Выполнение подложки в форме диффузора, направленного в осевой огнепередающий канал, необходимо для формирования длиннофокусного форса пламени, запускающего в работу одновременно все элементы тепловой батареи, формирующей импульс тока заданных параметров.The implementation of the substrate in the form of a diffuser, directed into the axial fire-transmitting channel, is necessary for the formation of a long-focus force of the flame that triggers all elements of a thermal battery simultaneously, forming a current pulse of specified parameters.

Покрытие огнепередающего канала батареи пиротехническими лентами, примыкающими по периметру ее осевого канала к дисковым нагревателям и структурным элементам, обеспечивает усиление тепловой энергии импульса запуска, повышая тем самым надежность работы источника тока и стабильность его работы, при динамичном выходе на рабочий режим.Covering the battery's fire-transmitting channel with pyrotechnic ribbons adjacent to the perimeter of its axial channel to disk heaters and structural elements enhances the thermal energy of the trigger pulse, thereby increasing the reliability of the current source and the stability of its operation, with dynamic output to the operating mode.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности, то есть требуемый технический результат достигается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.Consequently, each essential feature is necessary, and their combination in a stable relationship is sufficient to achieve a novelty of quality that is not inherent to features in disunity, that is, the required technical result is achieved not by the sum of effects, but by a new supereffect of the sum of features.

Сущность изобретения поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности существенных признаков формулы.The invention is illustrated by the drawing, which has a purely illustrative purpose and does not limit the scope of the claims set of essential features of the formula.

На чертеже изображены: на фиг. 1 - предложенный источник тока, продольный разрез; на фиг. 2 - вид А, запальное устройство.The drawing shows: in FIG. 1 - the proposed current source, longitudinal section; in fig. 2 - view A, ignition device.

В корпусе 1 резервного источника тока, теплоизолированном прокладками 2, помещен блок электрохимиических элементов 3.In the case 1 backup power source, insulated gaskets 2, placed a block of electrochemical cells 3.

Каждый элемент 3 содержит пластинчатые анод 4, катод 5 и сепаратор 6 из пиротехнических составов, при следующем содержании компонентов (мас. %): в аноде 4 - цирконий 70-76, сплав или смесь фторидов металлов 22-26, асбест 3-5; в катоде 5 - цирконий 6-8, оксид меди 30-35, сплав или смесь фторидов металлов 48-51, диоксид циркония 5-9, асбест 3-5; в сепараторе 6- цирконий 26-32, барий хромовокислый 64-70, асбест 3-3.Each element 3 contains a plate-shaped anode 4, a cathode 5 and a separator 6 of pyrotechnic compositions, with the following content of components (wt.%): In the anode 4 - zirconium 70-76, an alloy or a mixture of metal fluorides 22-26, asbestos 3-5; in cathode 5, zirconium 6-8, copper oxide 30-35, an alloy or mixture of metal fluorides 48-51, zirconium dioxide 5-9, asbestos 3-5; in the separator 6 - zirconium 26-32, barium chromate 64-70, asbestos 3-3.

Волокнистый асбест в качестве связующего технологически необходим для формования тонких пластин из пиротехнических составов методом вакуумного осаждения водной взвеси компонентов на фильтр-подложку, функционально обеспечивая электродам и сепаратору высокую чувствительность к тепловому инициирующему импульсу.Fibrous asbestos as a binder is technologically necessary for forming thin plates from pyrotechnic compositions by vacuum deposition of a water suspension of components on the filter substrate, functionally providing the electrodes and the separator with high sensitivity to a thermal initiating pulse.

Между элементами 3 расположены пластины пиронагревателей 7, которые посредством пиротехнических лент 8 сообщаются с запальным устройством 9, установленным на торцевой печатной плате 10, имеющей токоприводящий контур по заданной электрической схеме.Between the elements 3 there are plates of pyroheaters 7, which by means of pyrotechnic tapes 8 communicate with the ignition device 9 mounted on the end printed circuit board 10 having a current-conducting circuit in a predetermined electrical circuit.

Плата 10 закреплена на крышке 11, примыкающей к торцу корпуса 1 и оснащенной герметичными токовыводами 12, подсоединенными к запальному устройству 9 и к электродам 4, 5 крайних по высоте электрохимических элементов 3.The board 10 is fixed on the cover 11 adjacent to the end of the housing 1 and equipped with hermetic current leads 12 connected to the pilot device 9 and to the electrodes 4, 5 of the extreme height of the electrochemical elements 3.

Элементы 3 между собой подсоединены последовательно посредством перемычек 13 из фольги, внутри которой установлены пиронагреватели 7.The elements 3 with each other are connected in series by means of jumpers 13 of foil, inside which pyroheaters 7 are installed.

На дистальном конце блока элементов 3 установлены асбестовые пластины 14 для уменьшения теплоотдачи и металлический диск 15, к которому подсоединены силовые стяжки 16 для придания каркасности функциональному наполнению.At the distal end of the block of elements 3, asbestos plates 14 are installed to reduce heat transfer and a metal disk 15 to which the power couplers 16 are connected to give a skeleton to a functional filling.

Все структурные элементы блока выполнены с центральным отверстием, в сборе формирующие осевой канал 17, на стенках которого расположены продольные огнепередающие ленты 8.All structural elements of the block are made with a central hole, assembled forming an axial channel 17, on the walls of which there are longitudinal fire-transmitting tapes 8.

С осевым каналом 17 коммутируется закрепленное на печатной плате 10 запальное устройство 9, представляющее собой (фиг. 2) мостик 18 накаливания, помещенный внутри воспламенительного заряда 19, заполняющего направленный в канал 17 диффузор экранирующей подложки 20, приклеенной к плате 10, выполняющей функции опоры.With the axial channel 17, the ignition device 9 fixed on the printed circuit board 10 is switched, representing (fig. 2) an incandescent bridge 18 placed inside the igniter charge 19 filling the diffuser of the shielding substrate 20 glued to the board 10 acting as a support, directed to the channel 17.

Концы проволочного мостика 18 накаливания приварены к электроконтактным пластинам 21, подключенным через электросхему печатной платы 10 к внешнему источнику питания (условно не показан).The ends of the wire bridge 18 of the incandescence are welded to the electrocontact plates 21 connected via an electrical circuit of the printed circuit board 10 to an external power source (conventionally not shown).

Функционирует описанный тепловой химический источник питания следующим образом.Functions described thermal chemical power source as follows.

При подаче от внешнего источника электрического импульса запуска на запальное устройство 9 проволочка мостика 18 накаливается, от чего инициируется воспламенительный заряд 19, при горении которого генерируются газообразные продукты, включающие дисперсную фазу раскаленных конденсированных частиц - распределенных очагов воспламенения.When an electric start pulse is supplied from an external source to the ignition device 9, the wire of the bridge 18 is heated, from which the igniter charge 19 is initiated, during combustion of which gaseous products are generated, including the dispersed phase of red-hot condensed particles - distributed sources of ignition.

Продукты горения воспламенительного заряда 19, отражаясь от подложки 20, ее диффузором направляются в соосный канал 17 в форме длиннофокусного огневого форса, где поджигает продольные пиротехнические ленты 8, выделяемой тепловой энергией которых из центра воспламеняются и горят примыкающие пиротехнические анодные и катодные пластины 4 и 5 элементов 3, сепараторы 6 и пиронагреватели 7, в результате чего начинается разряд батареи на внешнюю электрическую нагрузку.The combustion products of the igniter charge 19, reflected from the substrate 20, its diffuser are sent to the coaxial channel 17 in the form of a long-focus fire force, where it ignites the longitudinal pyrotechnic ribbons 8, the thermal energy of which from the center ignites and burns the adjacent pyrotechnic anode and cathode plates 4 and 5 3, separators 6 and pyroheaters 7, as a result of which the battery begins to discharge into an external electrical load.

При этом сгорают пиротехнические композиции анода 4 и катода 5 всех электрохимических элементов 3 батареи, расплавляя электролит 6 (фториды металлов), чем обеспечивается ионный контакт и возможность протекания электрохимического процесса.In this case, the pyrotechnic compositions of the anode 4 and cathode 5 of all electrochemical cells 3 of the battery are burned, melting the electrolyte 6 (metal fluorides), thus ensuring ionic contact and the possibility of an electrochemical process.

Электрохимическое окисление циркония в аноде 4 и электрохимическое восстановление оксида меди в катоде 5 обеспечивается взаимодействием с ионопроводящим расплавом электролита 6, при движении заряженных частиц (электронов в металле и ионов в расплавленном электролите 6), то есть генерирование электрического тока.Electrochemical oxidation of zirconium in the anode 4 and the electrochemical reduction of copper oxide in the cathode 5 is provided by the interaction with the ion-conducting melt of the electrolyte 6, during the movement of charged particles (electrons in the metal and ions in the molten electrolyte 6), that is, the generation of electric current.

Как показали опытные работы, время выхода батареи на режим после одновременного воспламенения всех электродов 4, 5 не превышает 0,15 с против 0,20 у прототипа.As shown by experimental work, the time for the battery to enter the mode after simultaneous ignition of all electrodes 4, 5 does not exceed 0.15 s versus 0.20 for the prototype.

Батарея из десяти предложенных электрохимических элементов 3 генерирует ток на нагрузке 110 кОм в течение 120 с, что на 26-30% превышает рабочее время прототипа.A battery of ten of the proposed electrochemical cells 3 generates a current at a load of 110 kΩ for 120 s, which is 26-30% higher than the working time of the prototype.

За счет вдвое меньшей усадки продуктов сгорания пропорционально увеличилась стабильность токовых характеристик предложенной батареи.Due to half the shrinkage of the combustion products, the stability of the current characteristics of the proposed battery increased proportionally.

Предложенный источник электрического тока предназначен для практического использования преимущественно в виде резервных батарей, обеспечивает автономное задействование и питание бортовой аппаратуры, приборов, исполнительных механизмов и устройств, а также автономных систем пожаротушения, сигнализации, блокировки и др.The proposed source of electric current is intended for practical use mainly in the form of backup batteries, provides autonomous use and power of onboard equipment, instruments, actuators and devices, as well as autonomous fire extinguishing systems, alarms, interlocks, etc.

Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.Comparison of the proposed technical solution with the closest analogues of the prior art did not reveal an identical match of the set of essential features of the invention.

Предложенные отличия теплового пиротехнического источника тока не являются очевидными для специалиста по электротехнике, которые прямо не следуют из постановки технической задачи.The proposed differences in thermal pyrotechnic power source are not obvious to a specialist in electrical engineering, who do not directly follow from the formulation of a technical problem.

Изготовление совокупности структурных элементов предложенной батареи в их взаимосвязи возможно осуществлять на действующем производстве резервных источников тока, оснащая заказчиков средствами автономного электропитания.The manufacture of a set of structural elements of the proposed battery in their relationship can be carried out at the current production of backup power sources, equipping customers with means of autonomous power supply.

Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.From the above, we can conclude that the invention complies with the conditions of patentability.

Claims

A thermal current source containing an electric igniter mounted on a conductive printed circuit board mounted on the lid of a thermally insulated casing, inside which is installed and fixed a block of electrochemical elements made in series of circularly connected pyroheaters having anode and cathode plates adjacent to longitudinal fire-resistant tapes, distinguished by that the electric igniter is made in the form of an incandescent bridge connected to the printed circuit board through the contact pads and displacements within the igniter charge filling shielding support having the shape of cone, directed in the axial channel block coated ogneprovodyaschimi longitudinal ribbons.