RU2507641C1

RU2507641C1 - Ampoule chemical source of current

Info

Publication number: RU2507641C1
Application number: RU2012130707/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Барнашов; Владимир Александрович Загайнов; Любовь Петровна Бакулина; Татьяна Петровна Лихотникова; Евгений Альбертович Смирнов; Елена Эдуардовна Семичева
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-02-20
Also published as: RU2012130707A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device is made in the form of a cylindrical body with a cover, in which there is a rated number of blocks of electrochemical elements (ECE), in the form of ampoules filled with electrolyte based on sulfinyl chloride, a system of activation, an indicator of control of initial condition of an ampoule chemical current source. All ECE units are assembled at least in accordance with a double-channel circuit from serially arranged independent channels comprising single-channel blocks of ECE, each of which is equipped with an indicator of control of initial condition, a system of activation and an individual ampoule of bellows type with a system of elements for mechanical opening of these ampoules, each electrode block of ECE is made in the form of rolled solid layers of an anode, a cathode, separated with layers of separators placed in the body equipped with surface layers of ceramic electric insulation.

EFFECT: increased level of discharge characteristics of ampoule chemical sources of current with safety of operation and convenience of installation.

1 ex, 1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным химическим источникам тока ампульного типа, задействуемым при подаче электролита из ампулы в электродный отсек блока электрохимических элементов (ЭХЭ).The invention relates to the field of electrical engineering, namely to backup chemical current sources of the ampoule type, involved in the supply of electrolyte from the ampoule to the electrode compartment of the block of electrochemical elements (ECE).

Известен химический источник тока ампульного типа (АХИТ) (патент РФ №2168805, МПК H01M 6/14, публ. 10.06.2001 г.), содержащий корпус с размещенными в нем электродными блоками и ампулами в виде сильфонов, заполненными неводным электролитом на основе тионилхлорида, газогенератором. Ампулы образуют с электродными блоками индивидуальный электрохимический элемент, на подвижной крышке ампулы герметично закреплена разрушающаяся мембрана, на неподвижных основаниях электродных блоков в зазоре, образованном основанием электродного блока и крышкой ампулы, жестко фиксированы элементы вскрытия ампул.Known chemical current source of the ampoule type (AHIT) (RF patent No. 2168805, IPC H01M 6/14, publ. 06/10/2001), containing a housing with electrode blocks and ampoules in it in the form of bellows filled with a non-aqueous electrolyte based on thionyl chloride gas generator. Ampoules form an individual electrochemical cell with electrode blocks, a collapsing membrane is tightly fixed on the movable ampoule cover, on the fixed bases of the electrode blocks in the gap formed by the base of the electrode block and the ampoule cover, the ampoule opening elements are rigidly fixed.

Известен прототип предлагаемого АХИТ (патент РФ №02290723, МПК H01M 6/10, публ. 27.12.2006 г.), содержащий в корпусе с крышкой, колпаком и перформированной перегородкой для впуска электролита в электродные блоки, по крайней мере, одну ампулу с электролитом на основе тионилхлорида, расчетное количество электродных блоков с ЭХЭ, при этом ампулы выполнены в виде сильфонов с подвижными основаниями и установленными на них элементами вскрытия ампул.A known prototype of the proposed AHIT (RF patent No. 02290723, IPC H01M 6/10, publ. 12/27/2006), containing in the housing with a cover, cap and perforated partition for the inlet of the electrolyte into the electrode blocks, at least one ampoule with electrolyte based on thionyl chloride, the estimated number of electrode blocks with ECE, while the ampoules are made in the form of bellows with moving bases and the opening elements of the ampoules installed on them.

К недостаткам известных АХИТ относятся недостаточно высокие безопасность при работе и хранении, недостаточно высокие монтажные свойства и плотность сборки, что актуально при наличии жестких масс - габаритных ограничений при проектировании АХИТ, а также отсутствие средств для предотвращения несанкционированного выхода из строя оборудования АХИТ при удаленном доступе к нему.The disadvantages of the well-known AHIT include insufficient safety during operation and storage, insufficiently high mounting properties and assembly density, which is important in the presence of rigid mass and dimensional restrictions during the design of AHIT, as well as the lack of means to prevent unauthorized failure of AHIT equipment with remote access to him.

Задачей авторов изобретения является разработка АХИТ повышенной безопасности, удобством монтажа, с высоким уровнем разрядных характеристик и в котором выполнены требования по масс - габаритным ограничениям.The task of the inventors is the development of AHIT with increased safety, ease of installation, with a high level of discharge characteristics and in which the requirements for mass and dimensional restrictions are met.

Новый технический результат, обеспечиваемый при реализации предлагаемого АХИТ, заключается в повышении его безопасности, обеспечении монтажных свойств и требований по масс - габаритным ограничениям за счет повышения плотности сборки и повышении уровня разрядных характеристик.A new technical result provided during the implementation of the proposed AHIT is to increase its safety, ensure installation properties and requirements for mass and dimensional restrictions by increasing the density of the assembly and increasing the level of discharge characteristics.

Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в известном ампульном химическом источнике тока, содержащем в едином цилиндрическом корпусе с крышкой блоки электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых содержит расчетное количество ЭХЭ, ампулы с неводным электролитом на основе тионилхрода, систему активации, индикатор контроля рабочего состояния АХИТ, согласно предлагаемому изобретению все блоки ЭХЭ скомпонованы по крайней мере по двухканальной схеме с последовательным расположением независимых одноканальных блоков, каждый из которых снабжен индивидуальными сильфонными ампулами с элементами механического вскрытия этих ампул, каждый блок электрохимических элементов снабжен снаружи слоем керамической электроизоляции и выполнен в виде свернутых в рулон твердых слоев анода, катода, разделенных слоями сепараторов, блоки ЭХЭ расположены по периферии усиленного цилиндрического корпуса осесимметрично относительно друг друга и продольной оси цилиндрического корпуса и собраны на едином керамическом основании совместно с индикатором контроля рабочего состояния и системой активации источника тока, дополнительно в центре этого основания сформирована схема симметричной диодной защиты, при этом все ЭХЭ пневматически связаны посредством газораспределительной системы с системой активации, изготовленной совместно с индикатором исходного состояния, электрические контакты каждого независимого канала блоков ЭХЭ для соединения АХИТ с внешними потребителями расположены выводными контактами наружу от центра последнего.These tasks and a new technical result are ensured by the fact that in a known ampoule chemical current source containing in a single cylindrical body with a cover blocks of electrochemical elements (ECE), each of which contains a calculated amount of ECE, ampoules with a non-aqueous electrolyte based on thionylrod, an activation system, indicator for monitoring the operating state of AHIT, according to the invention, all ECE units are arranged in at least a two-channel circuit with a sequential arrangement of independent single-channel units, each of which is equipped with individual bellows ampoules with elements of mechanical opening of these ampoules, each unit of electrochemical elements is provided externally with a layer of ceramic electrical insulation and is made in the form of rolled solid layers of the anode, cathode, separated by layers of separators, ECE blocks are located on the periphery of the reinforced cylindrical housings are axisymmetric with respect to each other and the longitudinal axis of the cylindrical housing and are assembled on a single ceramic base together with a control indicator I have a working state and a current source activation system, in addition, a symmetrical diode protection circuit is formed in the center of this base, while all ECEs are pneumatically connected via a gas distribution system to an activation system made in conjunction with an initial state indicator, and the electrical contacts of each independent channel of ECE units are used to connect AKHIT with external consumers are located output contacts outward from the center of the latter.

Предлагаемый АХИТ поясняется следующим образом.The proposed AHIT is explained as follows.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого АХИТ, где 1 - блок ЭХЭ 2 - колпак, 3 - цилиндрический корпус АХИТ, 4 - крышка, 5 - электрический соединитель, 6 - кронштейн.Figure 1 presents a General view of the proposed AHIT, where 1 - ECE unit 2 - cap, 3 - cylindrical body AHIT, 4 - cover, 5 - electrical connector, 6 - bracket.

Наличие жестких масс - габаритных ограничений для предлагаемого АХИТ и необходимость обеспечения высокого уровня разрядных электрических характеристик приводит к обязательному уплотнению общей конструкции АХИТ, в связи с чем сборку всех элементов конструкции ведут в едином усиленном металлическом корпусе, располагая блоки ЭХЭ осесимметрично относительно друг друга и продольной оси корпуса по его периферии на едином керамическом основании совместно с индикатором контроля, системой активации. Общая компоновка АХИТ выполнена по двухканальной схеме с последовательным расположением одноканальных блоков ЭХЭ с разворотом их на 180° относительно друг друга. Основу каждого независимого канала составляют, например, восемь соединенных электрически последовательно блоков ЭХЭ. Для удобства монтажа и контроля блоки ЭХЭ расположены электрическими контактами наружу.The presence of rigid mass - dimensional restrictions for the proposed AHIT and the need to ensure a high level of discharge electrical characteristics leads to a compulsory compaction of the general structure of AHIT, in connection with which the assembly of all structural elements is carried out in a single reinforced metal case, placing ECE blocks axisymmetrically relative to each other and the longitudinal axis housing along its periphery on a single ceramic base in conjunction with a control indicator, activation system. The general arrangement of AHIT is made according to a two-channel scheme with a sequential arrangement of single-channel ECE blocks with their rotation by 180 ° relative to each other. The basis of each independent channel is, for example, eight ECE units connected electrically in series. For ease of installation and control, ECE units are located with electrical contacts outward.

В предлагаемом АХИТ цилиндрический корпус 3 выполнен усиленным из металла с повышенной толщиной стенок. С торцевых поверхностей цилиндрического корпуса выполнены фланцы для закрепления блоков ЭХЭ на резьбовой посадке. Для соединения блоков ЭХЭ первого и второго независимых каналов в АХИТ предусмотрены кронштейны 6 для установки электрических соединителей 5 каждого канала. Через соединители 5 осуществляется электрическая связь обоих каналов с внешними потребителями энергии, контроль исходного состояния и задействования АХИТ.In the proposed AHIT, the cylindrical body 3 is made reinforced of metal with increased wall thickness. Flanges are made from the end surfaces of the cylindrical body for fixing ECE blocks to a threaded fit. To connect the ECE blocks of the first and second independent channels, AHIT provides brackets 6 for installing electrical connectors 5 of each channel. Through connectors 5, electrical communication of both channels with external energy consumers is carried out, control of the initial state and activation of AHIT.

Исходя из требований минимизации габаритов АХИТ все ЭХЭ расположены равномерно по периферии керамического основания блока ЭХЭ, на корпусах ЭХЭ закреплена газораспределительная система для совмещения их с системой активации и элементами контроля исходного состояния блоков ЭХЭ, пневматически связывающая каждую ампулу ЭХЭ с источником импульса давления (газогенератором). На едином базовом основании с закрепленными на нем ЭХЭ в центре установлен блок диодов, содержащий колодки симметрично размещенных диодов, залитых изоляционным компаундом, выполняющий функцию защиты АХИТ от коротких замыканий.Based on the requirements to minimize the dimensions of the AHIT, all the ECEs are located uniformly on the periphery of the ceramic base of the ECE unit, a gas distribution system is fixed on the ECE housings to combine them with the activation system and elements for controlling the initial state of ECE units, pneumatically connecting each ECE ampoule with a pressure pulse source (gas generator). A diode block is installed in the center on a single base base with an ECE mounted on it. It contains blocks of symmetrically placed diodes filled with an insulating compound, which performs the function of protecting the AHIT from short circuits.

За счет наличия электрической изоляции каждого ЭХЭ друг от друга и выполнения независимого для каждого блока ЭХЭ впуска электролита через индивидуальную ампулу предлагаемый АХИТ в целом обладает повышенной безопасностью и автономностью при обслуживании и контроле по сравнению с прототипом.Due to the presence of electrical isolation of each ECE from each other and the implementation of an independent electrolyte inlet for each ECE unit through an individual ampoule, the proposed AHIT as a whole has increased safety and autonomy during maintenance and control compared to the prototype.

Предлагаемый АХИТ работает следующим образом.The proposed AHIT works as follows.

При подаче электрического сигнала от внешнего источника на контакты газогенератора системы активации происходит срабатывание газогенератора (работающего на принципе сжигания пиротехнического элемента с выделением газообразного азота), выдающего импульс давления, который передается через газораспределительную систему одновременно в полость всех сильфонов ампул ЭХЭ и к индикатору контроля рабочего состояния АХИТ. Вследствие возрастания давления газа в корпусах электролитных блоков и перемещения сильфонов происходит срез разделительной мембраны и подача электролита на основе тионилхлорида в электродные блоки. В результате электрохимической реакции на контактах ЭХЭ появляется напряжение. При возрастании давления в газораспределительной системе происходит срабатывание индикатора контроля - разрыв закорачивающего проводника и при последующих проверках индикатор контроля соответствует состоянию АХИТ «задействовано».When an electric signal is supplied from an external source to the contacts of the gas generator of the activation system, the gas generator (operating on the principle of burning a pyrotechnic element with the release of gaseous nitrogen) is triggered, which generates a pressure pulse that is transmitted through the gas distribution system simultaneously to the cavity of all bellows of the ECE ampoules and to the indicator for monitoring the operating state AHIT. Due to the increase in gas pressure in the housings of the electrolyte blocks and the movement of the bellows, the separation membrane is cut and the electrolyte based on thionyl chloride is fed into the electrode blocks. As a result of the electrochemical reaction, voltage appears at the ECE contacts. With increasing pressure in the gas distribution system, the control indicator is triggered - the short-circuit conductor ruptures, and during subsequent checks, the control indicator corresponds to the state of AHIT “engaged”.

При экспериментальных отработках предлагаемого АХИТ было подтверждено достижение нового технического результата, заключающегося в повышении его безопасности, обеспечении требований по масс - габаритным ограничениям за счет применения новой конструкции электродных блоков, увеличения площади электродов, повышения плотности сборки и повышении уровня разрядных характеристик.During experimental testing of the proposed AHIT, the achievement of a new technical result was confirmed, namely, increasing its safety, ensuring requirements for mass and dimensional restrictions through the use of a new design of electrode blocks, increasing the area of electrodes, increasing the density of the assembly and increasing the level of discharge characteristics.

Возможность промышленной реализации предлагаемого АХИТ подтверждается следующим примером конкретного выполнения.The possibility of industrial implementation of the proposed AHIT is confirmed by the following specific example.

Пример 1. В лабораторных условиях опробована работоспособность предлагаемого АХИТ на опытном образце, представляющем собой цилиндрическое устройство (фиг.1), состоящее из двух блоков ЭХЭ 1, колпака 2, цилиндрического корпуса 3, крышки 4, выполненных из нержавеющей стали и соединенных между собой сваркой.Example 1. In the laboratory, the performance of the proposed AHIT was tested on a prototype, which is a cylindrical device (Fig. 1), consisting of two ECE units 1, cap 2, cylindrical body 3, cover 4 made of stainless steel and interconnected by welding .

Блоки ЭХЭ крепятся к торцевым поверхностям цилиндрического корпуса 1 винтами, позволяющими производить оперативную замену блоков ЭХЭ при монтаже или контроле. На крышке 4 установлены кронштейны 6 с электрическими соединителями 5, обеспечивающими электрическую связь каждого канала АХИТ с внешним потребителем. Для крепления АХИТ у потребителя на цилиндрическом корпусе 3 выполнен фланец с цилиндрическими крепежными отверстиями.ECE blocks are attached to the end surfaces of the cylindrical housing 1 with screws, which allow for the rapid replacement of ECE blocks during installation or control. On the lid 4, brackets 6 are installed with electrical connectors 5, providing electrical connection of each channel of AHIT with an external consumer. For mounting AHIT at the consumer, a flange with cylindrical mounting holes is made on the cylindrical body 3.

Блок ЭХЭ (фиг.2) является самостоятельной сборочной единицей (модулем), состоящем из 8 ЭХЭ (1), зафиксированных (клеем) на диэлектрическом основании 3, к которому переходными стойками крепится блок симметричных диодов 5 (диодная защита). К цилиндрическим втулкам корпусов ЭХЭ через керамические изоляторы 2 крепится корпус 7 газораспределительной системы, имеющий резьбовое отверстие для установки газогенератора 4 и цилиндрический выступ для установки индикатора контроля 6 исходного состояния блока ЭХЭ. Корпус 7 закрывается и герметизируется (сваркой) крышкой 8, образуя герметичный внутренний объем газораспределительной системы. Электрический монтаж блока ЭХЭ осуществляется через контакты ЭХЭ, блока диодов 5, индикатора контроля 6 и электрических выводов газогенератора 4. ЭХЭ (фиг.3) выполнен в виде двух последовательно соединенных цилиндров разного диаметра. В корпусе 5, имеющем меньший диаметр, установлен рулон электродов 1, изолированный по торцам прокладкой 4 с одной стороны и упором 6 с другой для предотвращения перемещения рулона электродов под действием гидравлического давления электролита при приведении ЭХЭ в рабочее состояние между знакопеременными токовыводами рулона электродов. С торцевой поверхности корпус 5 герметизирован крышкой 7 с изолирующими прокладками, имеющей отрицательный токовывод 8 и положительный гермовывод 9 на основе спая «металл - стекло - металл». В корпусе 3 большего диаметра ампула 2 с электролитом на основе тионилхлорида, включающая в свою конструкцию систему приведения (активации) ЭХЭ в рабочее состояние под действием давления газа, вырабатываемого газогенератором блока ЭХЭ (фиг.2), и подводимого к ампуле через специальный выступ с отверстиями корпуса 3. Разность диаметров корпусов электродного и электролитного блоков позволяют получить опорные поверхности для механического крепления ЭХЭ на диэлектрическом основании блока ЭХЭ.The ECE block (Fig. 2) is an independent assembly unit (module), consisting of 8 ECEs (1) fixed (with glue) on a dielectric base 3, to which a block of symmetrical diodes 5 (diode protection) is attached by transitional posts. The housing 7 of the gas distribution system is attached to the cylindrical bushings of the ECE housings through ceramic insulators 2, having a threaded hole for installing the gas generator 4 and a cylindrical protrusion for installing the indicator 6 of the initial state of the ECE block. The housing 7 is closed and sealed (welding) with a cover 8, forming a sealed internal volume of the gas distribution system. The electrical installation of the ECE unit is carried out through the contacts of the ECE, the diode unit 5, the control indicator 6 and the electrical terminals of the gas generator 4. The ECE (Fig. 3) is made in the form of two cylinders of different diameters connected in series. In the case 5, which has a smaller diameter, an electrode roll 1 is installed, insulated at the ends by a gasket 4 on one side and an abutment 6 on the other to prevent the electrode roll from moving under the action of hydraulic pressure of the electrolyte when the ECE is brought into operation between alternating current leads of the electrode roll. From the end surface, the housing 5 is sealed by a cover 7 with insulating spacers having a negative current terminal 8 and a positive pressure terminal 9 based on a metal-glass-metal junction. In the case 3 of a larger diameter, an ampoule 2 with an thionyl chloride-based electrolyte, including in its design a system for bringing (activation) the ECE into working condition under the influence of the gas generated by the gas generator of the ECE unit (figure 2), and supplied to the ampoule through a special protrusion with holes cases 3. The difference in the diameters of the cases of the electrode and electrolyte blocks allows one to obtain supporting surfaces for mechanical fastening of the ECE on the dielectric base of the ECE block.

Как показали эксперименты, использование предлагаемого АХИТ обеспечивает комплекс требований по масс - габаритным ограничениям за счет применения новой конструкции электродных блоков, увеличения площади электродов, улучшения монтажности, повышения плотности сборки и повышении уровня разрядных характеристик.As experiments have shown, the use of the proposed AHIT provides a set of requirements for mass and dimensional restrictions through the use of a new design of electrode blocks, an increase in the area of electrodes, improved mounting ability, increased assembly density and increased level of discharge characteristics.

Таблица 1Table 1 Примеры реализацииImplementation examples Количество независимых каналов в АХИТThe number of independent channels in AHIT Разрядные характеристики одного канала АХИТBit characteristics of one channel AHIT Безопасность АХИТSafety AHIT АХИТ прототипAHIT prototype Два с параллельным расположением каналов в едином корпусеTwo parallel channels in a single enclosure Электрическая емкость не менее 30 А × мин. Напряжение от 21 до 30 В. Ток разряда до 1 А. Сопротивление изоляции между электрическими несвязанными цепями не менее 20 МОмThe electric capacity is not less than 30 A × min. Voltage from 21 to 30 V. Discharge current up to 1 A. Insulation resistance between electric unconnected circuits not less than 20 megohms Один блок электролитный связан с четырьмя электродными сборками. Возможен риск короткого замыкания между электродными сборками. Диодная защита вынесена как отдельный элемент за пределы АХИТOne electrolyte block is connected to four electrode assemblies. There may be a risk of short circuit between the electrode assemblies. Diode protection is taken as a separate element outside AHIT Предлагаемый АХИТProposed AHIT Два и более с последовательным расположением независимых каналов в едином корпусеTwo or more with sequential arrangement of independent channels in a single enclosure Электрическая емкость не менее 120 А × мин. Напряжение от 21 до 30 В. Ток разряда до 3 А. Сопротивление изоляции между электрическими несвязанными цепями не менее 20 МОмThe electric capacity is not less than 120 A × min. Voltage from 21 to 30 V. Discharge current up to 3 A. Insulation resistance between electric unconnected circuits not less than 20 megohms Один блок электролитный связан с одной электродной сборкой. Исключен риск короткого замыкания между электродными сборками. Диодная защита встроена в конструкцию каждого блока ЭХЭ в составе АХИТOne electrolyte block is connected to one electrode assembly. There is no risk of short circuit between electrode assemblies. Diode protection is built into the design of each ECE unit as part of AHIT

Claims

Ampoule chemical current source, containing in a single cylindrical case with a cover the estimated number of blocks of electrochemical elements (ECE), ampoules filled with an electrolyte based on thionyl chloride, an activation system, an indicator for monitoring the initial state of the ampoule chemical current source, characterized in that all ECE units are assembled according to at least according to a two-channel scheme of sequentially located independent channels consisting of single-channel ECE units, each of which is equipped with an initial control indicator state, an activation system and an individual ampoule of a bellows type with a system of elements for mechanically opening these ampoules, each ECE electrode block is made up of solid anode layers, cathode rolled up in a roll, separated by separator layers, and equipped with surface layers of ceramic electrical insulation, all ECE blocks are located on the periphery of the base of the reinforced cylindrical body axisymmetrically relative to its longitudinal axis and each other and are placed on a single dielectric base, on which in the central of the part, an symmetrical diode protection circuit is additionally formed, while all ECEs are pneumatically connected via an gas distribution system to an activation system made together with an initial state indicator, the electrical contacts of each independent channel of ECE units for connecting an ampoule chemical current source to external consumers are located with output contacts outward from the center last one.