Пиротехнический источник электрического тока

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования химической энергии экзотермических композиций в электрическую энергию, в частности к высокотемпературным резервным источникам электрического тока одноразового действия. Согласно изобретению пиротехнический источник электрического тока (ПИТ) состоит из электродов, выполненных в виде пластин из пиротехнических составов, которые разделены сепаратором, выполненным в виде пластины из смеси асбеста с фторидом лития, или фторидом щелочноземельного металла, или смесью фторидов металлов. Отношение толщин анода, катода и сепаратора составляет соответственно (0,9-1,2):(0,4-0,9):(0,4-0,9), в качестве горючего анод содержит цирконий или его смесь с титаном, катод - цирконий, в качестве окислителя анод содержит барий хромовокислый или оксид меди, а катод - оксид меди. Катод и сепаратор дополнительно содержат двойной оксид кремния и циркония (циркон), или его смесь с диоксидом циркония при следующем соотношении компонентов в электродах и сепараторе (в % по массе): анод: цирконий или его смесь с титаном 35-83, барий хромовокислый или оксид меди 15-53, асбест 2-12, катод: цирконий 2-28, оксид меди 50-86, двойной оксид кремния и циркония (циркон) или его смесь с диоксидом циркония 2-20, асбест 2-10, сепаратор: асбест 2-6, фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или смесь фторидов металлов 34-78, двойной оксид кремния и циркония (циркон) или его смесь с диоксидом циркония 20-60. Техническим результатом изобретения является создание ПИТ, обладающего высокими и стабильными характеристиками. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования химической энергии в электрическую энергию, в частности к высокотемпературным резервным источникам электрического тока одноразового действия, предназначенным для работы в режиме ожидания. Они используются для автономного задействования и питания бортовой аппаратуры, приборов и устройств, исполнительных механизмов и систем управления (мостики накаливания, пиротехнические энергодатчики, реле, микроэлектродвигатели и т.д.), а также для автономного задействования и питания систем оповещения, автоматического пожаротушения, блокировки и других целей.

Известен пиротехнический источник (генератор) электрического тока (ПГЭТ) по патенту РФ №2018782, МКИ F42C 11/00; Н01М 6/20 от 1994 г., состоящий из токовыводов и разделенных сепаратором анода и катода, выполненных из пиротехнических составов в виде прессованных зарядов. Отношение диаметра к высоте каждого заряда (электрода) равно 2,0...2,5, анод выполнен с избытком горючего из смеси фторида свинца, магния и фторида лития, катод - с избытком окислителя из смеси фторида свинца, алюминия и фторида лития, сепаратор - из пористого диэлектрика.

Основными недостатками известного устройства являются малое время работы (генерирования электрического тока) и длительный выход ПГЭТ на режим. Это обусловлено как низкой скоростью горения пиротехнических электродов, содержащих плавящийся при горении электродов электролит - фторид лития, так и инертностью пористого сепаратора, на заполнение которого и образование ионного контакта между электродами требуется значительное время. Кроме того, ПГЭТ предназначен для работы только в качестве одноэлементного источника тока, т.е. его напряжение и сила тока недостаточны для решения большинства задач, а характеристики нестабильны из-за вытекания расплавленного свинца (продукта реакции электродов) и замыкания металлическим расплавом электродов и ячеек.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является пиротехнический генератор (источник) электрического тока по патенту РФ №2095745, МКИ F42C 11/00; Н01М 6/20. Названный ПГЭТ состоит из металлических токовыводов и разделенных сепаратором анода и катода, выполненных в виде пластин из пиротехнических составов, причем анод, катод и сепаратор в качестве связующего содержат асбест и выполнены с отношением максимального габаритного размера к их толщине от 20 до 130. Отношение толщин анода, сепаратора и катода составляет соответственно 1:1:1. В качестве горючего анод и катод содержат цирконий, в качестве окислителя анод содержит барий хромовокислый или оксид меди, а катод - оксид меди. Сепаратор кроме асбеста содержит фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или их смесь при следующем соотношении компонентов (в % по массе):

анод:

цирконий	37-83
барий хромовокислый или
оксид меди	15-51
асбест	2-12

катод:

цирконий	3-28
оксид меди	60-95
асбест	2-12

сепаратор:

асбест	3-20
фторид лития, или фторид
щелочноземельного металла,
или их смесь	80-97.

Сепаратор может содержать дополнительно оксид циркония в количестве до 60% по массе.

Основными недостатками прототипа являются низкие и нестабильные значения тока и напряжения, обусловленные, прежде всего, высоким и нестабильным внутренним сопротивлением ПГЭТ из-за неупорядоченной структуры высокотемпературных продуктов взаимодействия катода и сепаратора, что приводит к "подкороткам", шумам и "провалам" тока.

Задачей настоящего изобретения является создание пиротехнического источника электрического тока (ПИТ) с высокими и стабильными значениями силы тока и напряжения.

Указанная задача решается тем, что пиротехнический источник электрического тока, состоящий из металлических токовыводов, анода и катода, выполненных в виде пластин из пиротехнических составов, причем анод в качестве горючего содержат цирконий, а в качестве окислителя - барий хромовокислый или оксид меди, катод в качестве горючего содержит цирконий, а в качестве окислителя - оксид меди, и сепаратора, выполненного в виде пластины, расположенной между анодом и катодом, и содержащего фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или их смесь, при этом сепаратор может содержать дополнительно диоксид циркония, анод, катод и сепаратор в качестве связующего содержат асбест, выполнен с отношением толщин анода, катода и сепаратора (0,9-1,2):(0,4-0,9):(0,4-0,9), катод и сепаратор дополнительно содержат двойной оксид кремния и циркония (циркон), или его смесь с диоксидом циркония, а в качестве горючего анод содержит цирконий или его смесь с титаном при следующем соотношении компонентов в электродах и сепараторе (в % по массе):

анод:

цирконий или его смесь с титаном	35-83
барий хромовокислый или оксид меди	15-53
асбест	2-12,

катод:

цирконий	2-28
оксид меди	50-86
двойной оксид кремния и циркония
(циркон) или его смесь с диоксидом
циркония	2-20
асбест	2-10,

сепаратор:

асбест	2-6
фторид лития, или фторид
щелочноземельного металла,
или смесь фторидов металлов	34-78
двойной оксид кремния и циркония
(циркон) или его смесь
с диоксидом циркония	20-60.

Основными отличиями заявляемого устройства от прототипа являются новые соотношения толщин электродов и сепаратора, наличие в катоде и электролите двойного оксида кремния и циркония (циркона) или его смеси с диоксидом циркония, наличие титана в аноде, новые рецептурные решения анода, катода и сепаратора (смеси фторидов металлов в сепараторе, образующие при плавлении эвтектики или легкоплавкие растворы).

При отношении толщины катода к толщине анода менее 0,4 катод не воспламеняется от инициирующего импульса и не сгорает (толщина катода становится критической), а ПИТ не генерирует электрического тока, так как не обеспечивается расплавление электролита в сепараторе (фторида лития, или фторида щелочноземельного металла, или смеси фторидов металлов). При отношении толщины катода к толщине анода более 0,9 сгорание катода и анода сопровождается выделением избыточного количества тепла, которое вызывает термическое разложение оксида меди в катоде на металл (медь) и газообразный кислород. Это снижает напряжение ПИТ из-за недостаточного количества катодного материала для протекания электрохимических процессов. Одновременно происходит перегрев катода и электролита в сепараторе, вытекание электролита и меди, замыкание ячеек электропроводными продуктами и снижение стабильности характеристик. При отношении толщины сепаратора к толщине анода менее 0,4 происходит снижение напряжения из-за недостаточного количества электролитного материала для протекания электрохимических процессов между электродами. При отношении толщины сепаратора к толщине анода более 0,9 происходит снижение напряжения из-за недостаточного количества тепла, выделившегося при сгорании пиротехнических электродов, для расплавления электролита в сепараторе и нагрева его до оптимальной температуры.

Двойной оксид кремния и циркония (циркон) в соответствии с техническими условиями на упомянутый продукт предназначен для производства огнеупорных изделий и материалов, эмалей и глазурей, стекол, металлического циркония, ферросплавов и лигатур с цирконием, а также для использования его в литейном производстве и т.д. (ОСТ 48-82-81). В заявляемом устройстве введение циркона в состав катода и сепаратора позволяет уменьшить количество связующего (асбеста) в катоде и сепараторе, оптимизирует тепловые процессы за счет частичной диссоциации циркона в волне горения катода, что сглаживает пик температуры. Кроме того, эта добавка повышает стабильность напряжения, т.к. улучшает структуру продуктов реакции как катода, так и продуктов взаимодействия катода с сепаратором, уменьшает возможность снижения толщины продуктов реакции по сравнению с толщиной исходных образцов, что сохраняет качество электрических контактов, сводит до минимума возможность вытекания жидких электропроводных продуктов реакции (электролит, металлическая медь). Подобную задачу выполняет и диоксид циркония в смеси с цирконом (у чистого диоксида циркония это свойство проявляется в значительно меньшей степени). При содержании в сепараторе менее 20, а в катоде менее 2% циркона, или его смеси с диоксидом циркония по массе не обеспечиваются упорядочение структуры упомянутых продуктов и стабильность напряжения. При введении в катод более 20, а в сепаратор более 60% по массе двойного оксида кремния и циркония (циркона), или его смеси с диоксидом циркония недопустимо уменьшаются скорость горения, калорийность и интенсивность токообразующих процессов, что снижает характеристики ПИТ, и их стабильность.

Дополнительно введенный в анод титан способствует уменьшению сопротивления продуктов реакции анода и внутреннего сопротивления ПИТ, а также его стабилизации, в первую очередь благодаря дополнительному образованию при работе ПИТ токопроводящих продуктов реакции (с электронной проводимостью) в аноде, что увеличивает и стабилизирует напряжение.

В заявляемом устройстве асбест является связующим. Наличие в катоде и электролите двойного оксида кремния и циркония (циркона), или его смеси с диоксидом циркония позволяет уменьшить количество асбеста, что способствует увеличению разности потенциалов между электродами и напряжения на нагрузке. При содержании асбеста в электродах и сепараторе менее 2% по массе не обеспечиваются прочность изделий и требуемая интенсивность протекания токообразующих процессов. При введении асбеста в электроды более 10-12%, а в сепаратор более 6% по массе недопустимо уменьшаются скорость горения и калорийность электродов, увеличивается объем газообразных продуктов сгорания, что снижает номинальные значения характеристик ПИТ и их стабильность (не обеспечивается увеличение характеристик по сравнению с прототипом).

Цирконий и титан являются горючими, оксид меди и барий хромовокислый выполняют функции окислителя. В заявляемом устройстве происходит выделение тепла после прохождения фронта горения по электродам за счет взаимодействия высокотемпературных продуктов сгорания анода и катода между собой через сепаратор в диффузионном режиме в количестве, компенсирующем тепловые потери в окружающую среду. Это обеспечивает равномерность распределения температуры по всему объему источника тока (тепло выделяется в каждом тонком электроде электрохимической ячейки). Все это способствует увеличению напряжения и силы тока и их стабилизации за счет исключения возможности перегрева и замыканий, вызывающих шумы, "подкоротки" и другие проявления нестабильности названных характеристик.

Новые соотношения толщин и новые рецептурные решения всех элементов ПИТ обеспечивают увеличение силы тока и напряжения заявляемого устройства и повышают их стабильность по сравнению с прототипом.

В том случае, если отношение толщин анода, катода и сепаратора и их рецептуры (природа и количество горючих, окислителей, связующего, электролита и добавок) будут отличны от значений, приведенных в формуле изобретения, то достижения указанных выше преимуществ обеспечить будет невозможно.

Заявляемый ПИТ, фиг.1, представляет собой элементарную электрохимическую ячейку (высокотемпературный гальванический элемент), в которой анод 1 и катод 3 выполнены в виде пластин из пиротехнических составов, разделены сепаратором 2, выполненным в виде пластины из смеси асбеста с электролитным материалом, и размещены соосно между металлическими токовыводами 4 и 5. Наименее предпочтительным вариантом исполнения изобретения из заявляемых интервалов значений является отношение толщин анода, катода и сепаратора равное 1:0,6:0,5. При этом содержание компонентов в аноде: цирконий - 65; титан - 10, барий хромовокислый - 20, асбест - 5 (мас.%); в катоде: цирконий - 15, оксид меди - 70, циркон - 10, асбест - 5 (мас.%); в сепараторе - фторид лития - 40, циркон - 55, асбест - 5 (мас.%). Указанное отношение толщин электродов и сепаратора, применение горючих (циркония и титана), окислителей (бария хромовокислого и оксида меди), добавки (циркона), связующего (асбеста) и электролитного материала (фторида лития) в указанном соотношении обеспечивают увеличение силы тока и напряжения заявляемого устройства и повышают их стабильность по сравнению с прототипом. Они являются наименее предпочтительной комбинацией, т.к. достигаемые технические эффекты при их использовании в заявляемом устройстве являются наименьшими по сравнению с аналогичными техническими эффектами, обеспечиваемыми применением других возможных комбинаций горючих, окислителей, связующего, электролитного материала и добавок, толщин электродов и сепаратора.

Из заявляемых ПИТ могут быть собраны батареи (наборы из любого числа заявляемых устройств, соединенных последовательно или параллельно) для обеспечения необходимых электрических параметров, фиг.2.

Заявляемый ПИТ работает следующим образом. От инициирующего импульса воспламеняются и сгорают анод 1 и катод 3. При воспламенении электродов 1 и 3 плавится электролит в сепараторе 2. При этом начинается процесс генерирования электрического тока - перенос электронов по внешней цепи от анода 1 через анодный токовывод 6, нагрузка (сопротивление) 5 и катодный токовывод 4 к катоду 3. Движение заряженных частиц (электронов в металле и ионов в расплавленном электролите) обусловлено электрохимическим окислением пространственно разделенных сепаратором 2 горючего в аноде 1 и электрохимическим восстановлением окислителя в катоде 3 благодаря одновременному контакту электродов с ионопроводящим расплавленным электролитом в сепараторе 2.

Заявляемое отношение толщин и рецептур анода 1, сепаратора 2 и катода 3, образующих заявляемое устройство, обеспечивает высокие и стабильные значения силы тока и напряжения ПИТ. Оптимизация конструкции ПИТ и рецептур анода 1, сепаратора 2 и катода 3 проведена на основании лабораторных (стендовых) и натурных испытаний, которые показали высокую эффективность заявляемого объекта.

Заявляемый ПИТ обеспечивает автономное задействование и питание бортовой аппаратуры, приборов и устройств, а также автоматических систем различного назначения (пожаротушение, сигнализация, оповещение, блокировка и т.д.).

Результаты сравнительных испытаний подтвердили более высокую эффективность заявляемого ПИТ по сравнению с прототипом. Батареи из двух и более заявляемых устройств, соединенных последовательно или параллельно, обеспечивают длительное и стабильное генерирование тока после подачи инициирующего импульса на пиротехнические электроды. Чем больше число элементов в батарее, тем меньше время достижения максимального значения параметров, больше длительность работы и меньше скорость снижения характеристик во времени. Продукты сгорания имеют меньшее электрическое сопротивление и дают усадку в 1,3-1,5 раза меньше, что улучшает удельные характеристики ПИТ и их стабильность на 30-40% по сравнению с прототипом. В частности, батарея из 10 ПИТ генерирует ток силой 8-10 А на нагрузке 2 Ом в течение 6-8 с, время достижения рабочего значения напряжения составляет не более 0,2 с, что превышает на 30-40% аналогичные показатели устройства - прототипа.

Пиротехнический источник электрического тока, состоящий из металлических токовыводов и электродов, выполненных в виде пластин из пиротехнических составов и разделенных сепаратором, причем анод в качестве горючего содержит цирконий, а в качестве окислителя - барий хромовокислый или оксид меди, катод в качестве горючего содержит цирконий, а в качестве окислителя - оксид меди, сепаратор выполнен в виде пластины и содержит фторид лития, или фторид щелочноземельного металла, или их смесь, при этом сепаратор может содержать дополнительно диоксид циркония, анод, катод и сепаратор в качестве связующего содержат асбест, отличающийся тем, что отношение толщин анода, катода и сепаратора составляет соответственно (0,9-1,2):(0,4-0,9):(0,4-0,9), катод и сепаратор дополнительно содержат двойной оксид кремния и циркония (циркон), или его смесь с диоксидом циркония, а в качестве горючего анод содержит цирконий или его смесь с титаном при следующем соотношении компонентов в аноде, катоде и сепараторе (в % по массе):

анод:

цирконий или его смесь с титаном	35-83
барий хромовокислый или
оксид меди	15-53
асбест	2-12,

катод:

цирконий	2-28
оксид меди	50-86
двойной оксид кремния и циркония
(циркон) или его смесь с диоксидом
циркония	2-20
асбест	2-10,

сепаратор:

асбест	2-6
фторид лития, или фторид
щелочноземельного металла,
или смесь фторидов металлов	34-78
двойной оксид кремния и циркония
(циркон) или его смесь
с диоксидом циркония	20-60