CZ286099B6 - Pyrotechnický detonátor - Google Patents

Abstract

Pouzdro (3) detonátoru (1) obsahuje kovovou stěnu (4), připojenou ke dnu (5), vyrobenému z kovu, kterým procházejí nejméně dvě elektrody (8a, 8b), z nichž alespoň jedna je elektricky izolována od dna (5) izolačním materiálem (15). Pouzdro (3) je umístěno ve výlisku (10) z plastového materiálu, který obklopuje alespoň dno (5) a části elektrod (8a, 8b).ŕ

Description

Pyrotechnický detonátor

Oblast techniky

Vynález se týká pyrotechnických detonátorů, tj. součástek, schopných přenášet pyrotechnické efekty v pyrotechnickém obvodu.

Dosavadní stav techniky

Detonátory jsou známé z patentů US 2 968 985, US 2 767 655 a US 4 819 560, u kterých je pouzdro vyrobeno z plastových materiálů. Tyto nepříliš drahé detonátory jsou určeny hlavně pro odstřelování explozivních náloží, používaných v dolech a lomech. Obvykle mají pouzdro z plastového materiálu stejné tloušťky, které obklopuje detonační nálož a které se roztrhne na kousky při odpálení zmíněné nálože.

Přestože tyto detonátory nejsou drahé, úroveň jejich bezpečnosti a spolehlivosti je taková, že nemohou být použity v jiných technických oblastech než je hornictví, tj. nemohou být použity např. v oblasti střelných zbraní nebo u bezpečnostních systémů motorových vozidel. Navíc tyto detonátory nejsou chráněny proti elektrostatickým výbojům.

Podstata vynálezu

Účelem tohoto vynálezu je navrhnout detonátor, který nemá zmíněné nevýhody.

Vynález je tedy zaměřen na navržení detonátorů, který je mimořádně spolehlivý a robustní, přičemž je zároveň vysoce odolný proti elektrostatickým výbojům.

Dalším účelem vynálezu je navržení detonátorů, který je možno vyrábět ve velkém množství, za nízkou cenu a bezpečně, což dále umožní jeho využití např. pro detonační bezpečnostní zařízení, používaná ve vozidlech, zvláště pak v motorových vozidlech.

Konečně vynález tedy nabízí detonátor s velmi vysokou úrovní bezpečnosti, schopný odpalovat primární výbušniny, ale zároveň umožňující použití pyrotechnických složí o nízké citlivosti.

Předmětem vynálezu je tedy pyrotechnický detonátor obsahující pyrotechnickou látku, umístěnou uvnitř pouzdra, charakterizovaný tím, že pouzdro je složeno z kovové stěny, připojené ke dnu rovněž vyrobenému z kovu. Dnem prochází nejméně dvě elektrody, z nichž alespoň jedna je elektricky izolována od dna izolačním materiálem. Pouzdro obsahuje výlisek z plastového materiálu, který obklopuje alespoň dno a části elektrod.

Podle prvního provedení je pouzdro uzavřeno víčkem, přes které je přehnut okraj kovové stěny. Mezi víčkem a okrajem stěny je pak umístěno těsnění.

Podle druhého provedení plastový výlisek obklopuje také kovovou stěnu a nese zátku z plastového materiálu, která uzavírá pouzdro.

Na dnu může být rovněž připevněna tableta, složená z izolačního podkladu, na kterém je umístěn polovodičový můstek, částečně překrytý dvěma vodivými plochými kontakty. Podle přednostního provedení je jeden z vodivých plochých kontaktů připojen ke kovovému dnu pouzdra pomocí polovodičového kanálu, procházejícího podkladem, přičemž dno je samo připojeno k jedné z elektrod.

- 1 CZ 286099 B6

Ve variantě vynálezu je na polovodičový můstek nanesena vrstva tepelně a elektricky izolujícího materiálu pro izolaci zmíněného můstku od pyrotechnické látky.

Izolační materiál je přednostně složen z oxidu nebo nitridu křemíku, naneseného v tenké vrstvě tloušťky 0,5 až 10 mikrometrů.

Pyrotechnická látka je s výhodou uložena do pouzdra použitím mokrého nabíjecího procesu.

Střední velikost zrna složek pyrotechnické látky je přednostně volena tak, aby byla přibližně rovna alespoň jednomu rozměru polovodičového můstku.

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody vynálezu budou jasnější z popisu různých provedení konstrukce vynálezu s odkazem na připojené výkresy, na nichž představuje obr. 1 podélný řez detonátorem podle prvního provedení vynálezu, obr. 2 podélný řez detonátorem podle druhého provedení vynálezu a obr. 3 zvětšený pohled na detonační prostředek, použitý v druhém provedení vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Podle obr. 1 detonátor 1 podle vynálezu obsahuje pyrotechnickou látku 2 známého typu, např. výbušninu nebo zápalnou pyrotechnickou slož, umístěnou v pouzdru 3.

Pouzdro 3 obsahuje válcovou kovovou stěnu 4, připojenou ke dnu 5, rovněž zhotovenému z kovu.

Jak stěna 4 tak i dno 5 jsou vyrobeny z nerezové oceli.

Dno 5 má v tomto případě tvar kalíšku a jeho homí povrch 6 představuje styčnou plochu s pyrotechnickou látkou 2, přičemž má široký lem 7, ke kterému je přitlačena stěna 4.

Dno 5 a stěna 4 jsou navzájem spojeny elektrickým, laserovým nebo jiným typem svařování.

Dnem 5 procházejí dvě elektrody 8a a 8b, z nichž jedna elektroda 8a je v elektrickém kontaktu se dnem 5 a druhá elektroda 8b je elektricky izolována od zmíněného dna 5 pomocí izolačního materiálu 15, např. skelné výplně.

Prostředek pro spouštění pyrotechnické látky 2 je umístěn mezi elektrodami 8a, 8b. V tomto případě se skládá z odporového vlákna 9, které spojuje dohromady elektrody 8a a 8b a které je připojeno k jejich koncům připájením.

Elektrické parametry vlákna 9 určuje běžným způsobem zkušený operátor podle pyrotechnických parametrů látky 2. Např. vlákno 9 o odporu 2 ohmy může být přizpůsobeno pro látku kvartémího typu, čtyřsložkovou látku, např. známá kombinace chloristanu draselného, sulfokyanatanu olovnatého, sulfidu antimonitého a tricinátu olova.

Pouzdro 3 je zasazeno do plastového výlisku 10 z plastového materiálu, který obklopuje dno 5 a části elektrod 8a a 8b. Celistvost sestavy je zlepšena přítomností lemu 7.

Výlisek 10 zvyšuje mechanickou pevnost součásti, zvláště s ohledem na nárazy. Rovněž zlepšuje elektrickou izolaci elektrod 8a, 8b a chrání izolační materiál Γ5.

-2CZ 286099 B6

Výlisek 10 je zhotoven z plastového materiálu typu polyamidu nebo polykarbonátu, z materiálu, který může být vyztužen skleněnými vlákny pro zlepšení jeho mechanické pevnosti.

Např. může být provedeno vyztužení pomocí o 10 % až 40 % hmotnostních krátkých skleněných vláken (několik desetin milimetru dlouhých).

Výlisek 10 má vyboulení 11, poskytující nosnou plochu, která umožňuje např. umístění detonátoru 1 do dutiny, vytvořené v pyrotechnické složí nebo v detonačním zařízení, které není zobrazeno, do dutiny stejného průměru jako má pouzdro 3.

Stěna 4 pouzdra 3 je uzavřena víčkem 12, přes které je přehnut okraj 13 kovové stěny 4. Mezi víčkem 12 a okrajem 13 kovové stěny 4 je vloženo těsnění 14 ve tvaru O-kroužku.

Pyrotechnická látka 2 je uložena dovnitř pouzdra 3 přednostně použitím mokrého nabíjecího procesu, ale také tam může být zavedena pod tlakem.

Z těchto důvodů může být detonátor 1 podle tohoto vynálezu vyráběn snadno a s nižšími náklady, přičemž proces vyžaduje málo operací, z nichž každá je jednoduchá a snadno automatizovatelná.

Dno 5 nesoucí elektrody 8a, 8b a izolační materiál 15 tvoří podsestavu, která je vyráběna standardním způsobem ve velkých množstvích v elektronickém průmyslu pro výrobu takových součástek jako jsou tranzistory a tyristory. Taková součástka je velmi levná.

Plastový výlisek 10 také umožňuje získat tvar, který dovoluje přizpůsobení výrobku pro požadovanou aplikaci. Takový výlisek JO je levný.

Vlákno 9 je připájeno k elektrodám 8a, 8b použitím pájecích způsobů, přizpůsobených pro připojování integrovaných obvodů. Tyto techniky jsou levné a umožňují rychlou výrobu.

Pyrotechnická látka 2 je zaváděna přímo do dutiny v pouzdře 3 a na vlákno 9 podtlakem.

Kovová stěna 4 a dno 5 také poskytují detonátoru 1 vynikající mechanickou tuhost a tím, že vytvářejí Faradayovu klec, dávají detonátoru 1 podstatnou schopnost odolávat elektrostatickým výbojům. Tím chrání detonátor 1 před proudy indukovanými elektromagnetickým prostředím.

Variantně je možno nahradit odporové vlákno 9 polovodičem, tištěným spojem nebo integrovaným obvodem, který sám může být připojen ke dnu 5.

Pyrotechnická látka 2 je přednostně vkládána použitím známého mokrého nabíjecího procesu.

Pyrotechnickou látkou 2 je např. kvartemí látka známého typu, kombinující následující složky v konvenčních poměrech zde neuvedených, ale známých zkušenému operátorovi:

- primární výbušninu, např. tricinát olova,

- oxidační činidlo, např. chloristan draselný, chlorečnan draselný nebo dusičnan draselný,

- redukční činidlo, např. sulfid antimonitý, silicid vápenatý, grafit nebo hliníkový prášek,

- aditiva určená pro zvýšení nebo k redukci síly detonátoru, např. sulfokyanatan olovnatý, hliníkový prášek nebo oxid olovičitý.

-3 CZ 286099 B6

Tato pyrotechnická látka 2 je smíchána s 1 až 5 % hmotnostními pojidla jako je přírodní guma nebo syntetické pojidlo a dále s vodou (5 až 30 % hmotnostních).

Výhodou použití mokré směsi je možnost práce se směsí, jejího rozdělování a tím i snížení rizika náhodného výbuchu.

Pyrotechnická látka 2 je proto formována do tvaru tablet stejného průměru jako má pouzdro 3 za pomoci odpovídajících nástrojů. Tato tableta může být vtlačena do pouzdra 3 pomocí nabíječky mírným tlakem (20 až 40 megapascalů), čímž je umožněno kompletní vyplnění pouzdra 3 pyrotechnickou látkou a dále je zajištěn těsný kontakt pyrotechnické látky 2 s vláknem 9.

Výsledkem stlačení je to, že voda je vytlačena k hornímu okraji pyrotechnické látky 2. Naplněné detonátory 1 pak procházejí horkým tunelem (50 až 80 °C), kde je voda odpařena.

Výsledkem vysušení pyrotechnické látky 2 je obnovení její citlivosti.

Obr. 2 ukazuje další provedení vynálezu, u kterého dno 5 má tvar desky s obvodovým lemem 7, na které je nasazena kovová stěna 4.

Obojí, kovová stěna 4 a dno 5, jsou opět vyrobeny z nerezové oceli a svařeny elektrickým obloukem.

Druhá elektroda 8b je připájena do slepé díry v dnu 5, zatímco elektroda 8a dnem 5 prochází. Od dna 5 je elektricky izolována izolačním materiálem 15 ve tvaru skleněného kroužku.

V tomto provedení obklopuje výlisek 10 z plastového materiálu dno 5, části elektrod 8a, 8b a také kovovou stěnu 4 po celé její výšce. Sestávaje zpevněna přítomností lemu 7.

Pouzdro 3 je uzavřeno zátkou 16, vyrobenou ze stejného plastového materiálu jako výlisek 10.

Zátka 16 má střední válcovou část 17 stejného průměru jako kovová stěna 4 a její přední povrch doléhá na pyrotechnickou látku 2.

Okraj zátky 16 má kuželový profil 16a, který přichází do dotyku s odpovídajícím profilem, vytvořeným na výlisku 10. Kuželovitý profil 16a je oddělen od střední části 17 prstencovou drážkou 19.

Když je zátka 16 zasazena do součástky, naplněné pyrotechnickou látkou 2, mezi dnem drážky v zátce 16 a vrcholem výlisku 10 je vůle j řádu desetin milimetru. Vůle j je zvětšeně ukázána na obrázku.

Tato vůle j jednak umožňuje lehké stlačení pyrotechnické látky 2 během procesu montáže, např. při ultrazvukovém svařování.

Toto uspořádání jednak umožňuje odstranit jakýkoliv prázdný prostor uvnitř pouzdra 3, což omezuje všechna rizika spojená se třením, a dále zajišťuje dobrý kontakt mezi pyrotechnickou látkou 2 a detonačním prostředkem.

Tímto způsobem je zvýšena bezpečnost a spolehlivost detonátoru L

Je-li pyrotechnická látka 2 vložena pomoci mokrého procesu, zátka 16 je přivařena na své místo po odpaření vody, jak již bylo popsáno dříve.

-4CZ 286099 B6

Ultrazvukové svařování se provádí známým způsobem přiložením transduktorů svařovací jednotky na kruhový prstenec plochého vnějšího povrchu zátky 16, přičemž prstenec je umístěn v podstatě proti kuželovému profilu 16a směrem S.

Vibrace transduktoru způsobí vzájemné svaření dotýkajících se povrchů, tj. kuželových povrchů. Variantně je možno připojit zátku 16 k pouzdru 3 pomocí lepidla nebo příchytkami.

Zátka 16 také obsahuje slepou díru 20 na vnějším povrchu, která tak na zátce tvoří zónu se sníženou tloušťkou, či jinak řečeno, průrazný kotouč 21.

Během výbuchu detonátoru £ roztrhne tlak, vytvořený pyrotechnickou látkou 2, nejprve zónu se sníženou tloušťkou, tj. průrazný kotouč 21, adetonátor £ pak přenáší pyrotechnický efekt axiálním směrem.

Výhodou této posledně zmíněné konstrukce je, že vytváří zcela utěsněný detonátor £.

Přítomnost kovové stěny 4 a dna 5 také tvoří ochranu před elektromagnetickou interferencí a statickou elektřinou.

Obr. 3 představuje částečný zvětšený pohled na detonační prostředky použité v tomto druhém provedení.

Detonační prostředky se skládají z tablety 22, tvořené izolačním podkladem na bázi nedopovaného křemíku, na níž je umístěn polovodičový můstek 23, tvořený dopovaným křemíkem, částečně překrytý dvěma vodivými plochými kontakty 24a a 24b, např. z hliníku.

Vzdálenost mezi plochými kontakty 24a a 24b je mezi 50 až 100 mikrometry, přednostně pak 80 mikrometrů. Charakteristika detonátoru £ je určena známým způsobem změnou vzdálenosti plochých kontaktů 24a a 24b a změnou rozměrů a dopování polovodičového můstku 23.

Plochý kontakt 24a je připojen k elektrodě 8a připájeným spojovacím drátem 25.

Jeden z vodivých plochých kontaktů 24b je spojen s druhou elektrodou 8b přes kovové dno 5 a přes polovodičový kanál 26 (dopovaný křemík), který prochází izolačním podkladem.

Takové uspořádání umožňuje zredukovat riziko přerušení spojovacích drátů (je použit jeden drát místo dvou) během nabíjení pyrotechnické látky 2. Technologie výroby tablety 22 jsou dobře známé zkušenému operátorovi v oboru výroby elektronických polovodičových součástí (např. dopování křemíku, vakuové pokovení, pájení).

Tyto technologie jsou přizpůsobeny k výrobě součástí ve velkých množstvích a jsou proto levné.

Využití detonačních prostředků s polovodičovým můstkem 23 umožňuje získat detonátor £, jehož práh bezpečnosti a pracovní práh jsou přesné, což zvyšuje jeho bezpečnost.

Pyrotechnická látka 2 je přizpůsobena tak, že střední velikost jejího zrna má řádově stejnou velikost jako rozměry polovodičového můstku 23. Takové uspořádání umožňuje omezit přenos tepla za nízkých teplot, přičemž umožňuje přenos tepla při vysoké teplotě vedením a/nebo zářením, což zvětšuje nelineární účinek polovodiče, tj. přesnost pracovního práhu a tím i bezpečnost.

Například jako směs pro můstek 23, široký 80 mikrometrů, bude vybrána směs se střední velikostí zrna 80 mikrometrů, tj. skutečná velikost zrna bude mezi 10 a 200 mikrometry.

-5 CZ 286099 B6

Takové detonační prostředky také umožňují získat vysokou koncentraci energie v malé oblasti (polovodičový můstek 23).

Z tohoto důvodu tato technologie umožňuje použít méně citlivé pyrotechnické látky, např. směs složenou z 20 % hmotnostních bóru a 80 % hmotnostních dusičnanu draselného nebo směs obsahující 20 % hmotnostních hliníku a 80 % hmotnostních oxidu mědnatého.

Pyrotechnická látka 2 je přednostně nabíjena pomocí mokrého procesu, jak již bylo popsáno. Tato metoda nabíjení zajišťuje reprodukovatelnost kontaktu mezi polovodičovým můstkem 23 a pyrotechnickou látkou 2 a také umožňuje získat přesně požadovanou hmotnost pyrotechnické látky 2.

Variantně je také možno zavést do pouzdra 3 suchou pyrotechnickou látku 2.

Pyrotechnická látka 2 je potom vtlačena do dutiny pouzdra 3 při větším tlaku (např. velikosti 100 až 200 megapascalů). Stejně jako v předchozím případě je zátka 16 přitisknuta k pyrotechnické látce 2, když je pak připevňována přivařením.

Variantně je také možno nanést na polovodičový můstek 23 vrstvu tepelně a elektricky izolujícího materiálu. Tato vrstva může být tvořena např. oxidem nebo nitridem křemíku o tloušťce 0,5 až 10 mikrometrů.

Taková izolační vrstva umožňuje podstatně zredukovat přenos tepla mezi polovodičovým můstkem 23 a pyrotechnickou látkou 2. Pyrotechnická látka 2 proto nemůže být odpálena nebo degradována průchodem malého proudu (řádově 0,3 ampéru). Při vysokých proudech (nad 0,8 ampéru) je izolační vrstva protrhána křemíkovou plazmatickou sprškou při vysokém tlaku a teplotě a tak mohou být odpáleny výbušniny nebo pyrotechnické látky 2 nízké citlivosti, např. směs složená z bóru a dusičnanu draselného.

Taková varianta umožňuje získat ještě bezpečnější detonátor 1.

Je také možno použít technologii integrovaných obvodů za účelem vytvoření tablety 22, obsahující logické obvody, které řídí integrované spínače, založené na tranzistorech a tyristorech, což může zabránit vzniku proudů v polovodičovém můstku 23. Detonátor 1 nemůže být potom odpálen jinak než v odezvě na předdefinovaný kódovaný signál, přenášený namodulováním na napájecí signál, dodávaný elektrodami 8a, 8b. nebo přenášený speciálními dodatečnými elektrodami procházejícími koncovou deskou.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Pyrotechnický detonátor, obsahující pyrotechnickou látku (2), umístěnou uvnitř pouzdra (3), vyznačující se tím, že pouzdro (3) se skládá z kovové stěny (4) připojené ke dnu (5) rovněž zhotovenému z kovu, přičemž dnem (5) procházejí nejméně dvě elektrody (8a, 8b), z nichž alespoň jedna je elektricky izolována od dna (5) izolačním materiálem (15) a pouzdro (3) je umístěno ve výlisku (10) z plastového materiálu, který obklopuje alespoň dno (5) a části elektrod (8a, 8b).

   -6CZ 286099 B6
2. 2. Detonátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že pouzdro (3) je uzavřeno víčkem (12), přes které je přehnut okraj (13) kovové stěny (4).
3. 3. Detonátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi víčkem (12) a okrajem (13) kovové stěny (4) je umístěno těsnění (14).
4. 4. Detonátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že výlisek (10) obklopuje také kovovou stěnu (4) a nese zátku (16) z plastového materiálu, uzavírající pouzdro (3).
5. 5. Detonátor podle nároků laž4, vyznačující se tím, že na dno (5) je připojena tableta (22) z izolačního substrátu, na kterém je umístěn polovodičový můstek (23), částečně překrytý dvěma vodivými plochými kontakty (24a, 24b).
6. 6. Detonátor podle nároku 5, vyznačující se tím, že jeden z vodivých plochých kontaktů (24b) je připojen ke kovovému dnu (5) pouzdra (3) pomocí polovodičového kanálu (26), procházejícího podkladem, přičemž dno (5) je samo připojeno k jedné z elektrod (8b).
7. 7. Detonátor podle nároků 5 nebo 6, vyznačující se tím, že na polovodičový můstek (23) je nanesena vrstva tepelně a elektricky izolačního materiálu pro izolaci polovodičového můstku (23) od pyrotechnické látky (2).
8. 8. Detonátor podle nároku 7, vyznačující se tím, že izolační materiál je složen z oxidu nebo nitridu křemíku, který je nanesen v tenké vrstvě o tloušťce 0,5 až 10 mikrometrů.
9. 9. Detonátor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že pyrotechnická látka (2) je typu, nabíjeného do pouzdra (2) mokrým nabíjecím procesem.
10. 10. Detonátor podle nároku 9, vyznačující se tím, že střední velikost zrna složek pyrotechnické látky (2) je přibližně rovna alespoň jednomu rozměru polovodičového můstku (23).