RU2118873C1

RU2118873C1 - Storage battery with metal-gas cells

Info

Publication number: RU2118873C1
Application number: RU96120945A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Челяев; В.А. Никитин; В.И. Матренин; А.П. Цедилкин
Original assignee: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева; Уральский электрохимический комбинат
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 1998-09-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: storage battery is assembled of disk-shaped series- connected metal-gas cells filled with electrolyte, case-mounted heat pipe, and two coaxial cylindrical spacers installed in case. One external end of spacer is loosely mounted in one of case bottom plates and its other end is rigidly fixed in opposite bottom plate of case. Diffusivity ratio of internal and external spacers is between 20 and 30. Heat pipe is installed in central duct of internal spacer, and disks are fitted onto external cylindrical spacer. EFFECT: improved reliability and convenience in service. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики, преимущественно к аккумуляторам с металлогазовыми элементами, например к металл-водородным электрохимическим системам. The invention relates to the field of electric power, mainly to batteries with metal-gas elements, for example, metal-hydrogen electrochemical systems.

Среди аккумуляторов с металлогазовыми элементами наиболее известен никель-водородный аккумулятор [1], содержащий последовательно включенные и заполненные электролитом элементы, выполненные в виде дисков, насаженных на штангу, и установленные в корпусе с двумя полусферическими днищами. Among the batteries with metal-gas elements, the most known is a nickel-hydrogen battery [1], which contains cells connected in series and filled with electrolyte, made in the form of disks mounted on a rod, and installed in a housing with two hemispherical bottoms.

Недостатком такого аккумулятора является, то что эксплуатировать его очень сложно, так как сбросить тепло можно только, охлаждая корпус. Тепло, образующееся в основном в центре диска, может привести к перегреву как элемента, так и штанги и, следовательно, вывести из строя аккумулятор. The disadvantage of such a battery is that it is very difficult to operate, since heat can only be lost by cooling the case. The heat generated mainly in the center of the disk can lead to overheating of both the element and the rod and, therefore, damage the battery.

Наиболее близкой к изобретению является взятая за прототип батарея с металлогазовыми элементами, содержащая последовательно включенные и заполненные электролитом металлогазовые элементы, выполненные в виде дисков, и тепловую трубу, установленную в корпусе [2]. Closest to the invention is taken as a prototype battery with metal-gas elements, containing metal-gas elements made in the form of disks in series and filled with electrolyte, and a heat pipe installed in the housing [2].

Недостатком известного устройства является малая надежность устройства. Это связано с жестким креплением тепловой трубы, так как температура корпуса обычно отличается от температуры центрального тела (металлогазовых элементов и тепловой трубы), поэтому постоянно возникают температурные напряжения, что может привести к потере герметичности и, как следствие, к выходу из строя батареи, а может быть и взрыву, так как водород взрывоопасен. Кроме того, постоянный непосредственный тепловой контакт тепловой трубы в период, когда батарея не работает, может привести к переохлаждению батареи, что может привести к отказу. A disadvantage of the known device is the low reliability of the device. This is due to the rigid fastening of the heat pipe, since the temperature of the case usually differs from the temperature of the central body (metal-gas elements and heat pipe), therefore temperature stresses constantly arise, which can lead to loss of tightness and, as a result, to battery failure, and there may be an explosion, since hydrogen is explosive. In addition, constant direct thermal contact of the heat pipe during the period when the battery is not working can lead to overcooling of the battery, which can lead to failure.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание аккумулятора, обладающего повышенной надежностью и удобством эксплуатации. Thus, the task of the new technical solution is to create a battery with increased reliability and ease of use.

Техническим результатом решения задачи является разработка такого аккумулятора, который удовлетворяет заданным требованиям за счет сброса тепла из внутренней центральной его части через цилиндрические проставки. The technical result of solving the problem is the development of such a battery that meets the specified requirements due to the discharge of heat from its inner central part through cylindrical spacers.

Задача решается совокупностью всех существенных признаков, а именно: в батарею, содержащую последовательно включенные и заполненные электролитом металлогазовые элементы, выполненные в виде дисков, тепловую трубу, установленную в корпусе, введены две коаксиально установленные в корпусе цилиндрические проставки, один конец внешней проставки установлен свободно в одном из днищ корпуса, а другой - жестко закреплен в противоположном днище корпуса, при этом соотношение температуропроводности внутренней проставки к внешней находится в пределах 20 - 30, тепловая труба установлена в центральном канале внутренней цилиндрической проставки, а на внешнюю цилиндрическую проставку насажены диски. The problem is solved by the combination of all the essential features, namely: in a battery containing metal-gas elements made in the form of disks sequentially connected and filled with electrolyte, a heat pipe installed in the housing, two cylindrical spacers installed coaxially installed in the housing, one end of the external spacer is installed freely in one of the bottoms of the housing, and the other is rigidly fixed in the opposite bottom of the housing, while the ratio of thermal diffusivity of the inner spacer to the outer is in At 20-30, the heat pipe is installed in the central channel of the inner cylindrical spacer, and discs are mounted on the outer cylindrical spacer.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображено сечение батареи с металлогазовыми элементами. The invention is illustrated in the drawing, which shows a section of a battery with metal-gas elements.

Батарея с металлогазовыми элементами содержит корпус 1 с приваренными полусферическими жесткими днищами 2 и 3. Внутри корпуса установлены последовательно включенные и заполненные электролитом элементы 4, выполненные в виде дисков, насаженных на цилиндрическую проставку 5, при этом один конец цилиндрической проставки 6 установлен свободно в сферическом днище 2 корпуса, а другой 7 жестко закреплен в противоположном днище 3 корпуса. Цилиндрическая проставка 8 установлена внутри цилиндрической проставки 5 и выполнена из материала с большей температуропроводностью, чем проставка 5. В канале проставки 8 установлена тепловая труба 9, конденсаторная часть 10 которой установлена на радиаторе 11, а испарительная часть 12 тепловой трубы установлена в проставке 8. На чертеже показаны две тепловые трубы. The battery with metal-gas elements contains a housing 1 with welded hemispherical rigid bottoms 2 and 3. Inside the housing are mounted sequentially connected and filled with electrolyte elements 4 made in the form of disks mounted on a cylindrical spacer 5, while one end of the cylindrical spacer 6 is mounted freely in a spherical bottom 2 cases, and the other 7 is rigidly fixed in the opposite bottom 3 of the case. A cylindrical spacer 8 is installed inside the cylindrical spacer 5 and is made of a material with a higher thermal diffusivity than spacer 5. In the channel of the spacer 8, a heat pipe 9 is installed, the condenser part 10 of which is installed on the radiator 11, and the evaporation part 12 of the heat pipe is installed in the spacer 8. On the drawing shows two heat pipes.

Устройство работает следующим образом: в период, когда батарея выдает электроэнергию, т.е. при разряде батареи, элементы 4 выделяют тепло, которое через проставки 5 и 8 нагревает испарительную часть 12 тепловой трубы 9. В конденсаторной части 10 этой трубы, находящейся в более холодном месте, например на радиаторе 11, происходит сброс тепла. The device operates as follows: during the period when the battery produces electricity, i.e. when the battery is discharged, the elements 4 emit heat, which heats the evaporator part 12 of the heat pipe 9 through spacers 5 and 8. Heat is discharged in the condenser part 10 of this pipe, which is located in a colder place, for example, on the radiator 11.

В период, когда батарея не выдает электроэнергию, т.е. при хранении или заряде малыми токами, элементы 4 не выделяют тепла, происходит охлаждение батареи. При этом более интенсивно начинает охлаждаться цилиндрическая проставка 8, выполненная из материала с большой температуропроводностью. В результате чего проставка 8 более интенсивно уменьшается в объеме, т.е. изменяются все линейные размеры, в том числе и внешний диаметр, контактирующий с проставкой 5, имеющей меньшую температуропроводность, чем у проставки 8. В результате чего происходит уменьшение контакта между проставками 5 и 8, что приводит к резкому увеличению термического сопротивления, т.е. к резкому сопротивлению теплопередаче от проставки 8 к проставке 5. Это приводит к тому, что элементы 4 сохраняются в нагретом состоянии в процессе всего функционирования. In the period when the battery does not produce electricity, i.e. when stored or charged with small currents, the elements 4 do not emit heat, the battery is cooled. In this case, the cylindrical spacer 8, made of a material with high thermal diffusivity, begins to cool more intensively. As a result, the spacer 8 decreases more intensively in volume, i.e. all linear dimensions are changed, including the outer diameter in contact with the spacer 5, which has a lower thermal diffusivity than that of the spacer 8. As a result, the contact between the spacers 5 and 8 decreases, which leads to a sharp increase in thermal resistance, i.e. to a sharp resistance to heat transfer from the spacer 8 to the spacer 5. This leads to the fact that the elements 4 are stored in a heated state during the entire operation.

При этом деформации за счет воздействия тепла компенсируются тем, что цилиндрическая проставка 5 свободно установлена в жестком полусферическом днище 2. Свободная установка в полусферическом днище проставки дает возможность выполнить днища жесткими, а не эластичными, как в прототипе. Это значительно увеличивает надежность устройства, так как сохраняет целостность материала и решает вопрос увеличения прочности и ресурса этих днищ. In this case, deformations due to the effect of heat are compensated by the fact that the cylindrical spacer 5 is freely installed in the rigid hemispherical bottom 2. The free installation in the hemispherical bottom of the spacer makes it possible to make the bottoms rigid and not elastic, as in the prototype. This significantly increases the reliability of the device, as it maintains the integrity of the material and solves the issue of increasing the strength and resource of these bottoms.

Экспериментально-теоретическими исследованиями подтверждено, что при соотношении температуропроводности материалов внутренней и внешней проставок меньше 20 эффект незначителен, а при более 30 резко ухудшается теплопередача от элементов 4 к тепловым трубам. Experimental-theoretical studies have confirmed that when the thermal diffusivity of the materials of the internal and external spacers is less than 20, the effect is negligible, and at more than 30 the heat transfer from elements 4 to the heat pipes sharply worsens.

В качестве примера исполнения можно выбрать материал для проставки 8 - сплавы алюминия (например, АМЦ), а для проставки 5 - нержавеющие стали на основе Ni. В этом случае отношение температуропроводности будет находиться в пределах 25-28. As an example of execution, you can choose the material for spacer 8 - aluminum alloys (for example, AMC), and for spacer 5 - stainless steel based on Ni. In this case, the thermal diffusivity ratio will be in the range of 25-28.

Именно совокупностью новых элементов и их исполнением достигаются преимущества предлагаемого устройства, т.е. простота автоматического регулирования сброса тепла и, следовательно, большая надежность устройства. Это позволяет добиться минимальных массогабаритных характеристик и избежать аварийной ситуации (замораживания батареи) при эксплуатации устройства как на земле, так и в космическом пространстве. It is by the combination of new elements and their implementation that the advantages of the proposed device are achieved, i.e. ease of automatic regulation of heat loss and, therefore, greater reliability of the device. This allows you to achieve minimum weight and size characteristics and avoid an emergency (battery freezing) when the device is used both on the ground and in outer space.

Claims

A battery with metal-gas elements, containing metal-gas elements made in the form of disks sequentially connected and filled with electrolyte, a heat pipe installed in the housing, characterized in that two cylindrical spacers coaxially installed in the housing are inserted into it, one end of the external spacer is installed freely in one of the bottom of the housing, and the other is rigidly fixed in the opposite bottom of the housing, while the ratio of thermal diffusivity of the inner spacer to the outer is within 20-30, thermal deckhouse mounted in the central channel of the inner cylindrical spacer and the outer cylindrical spacer disks impaled.