RU2683585C1

RU2683585C1 - Thermal battery

Info

Publication number: RU2683585C1
Application number: RU2018102050A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Архипенко; Михаил Васильевич Поверенный; Александр Иванович Карцев; Валентин Иванович Кондратенков; Александр Сергеевич Луппов; Александр Николаевич Грачиков
Original assignee: Акционерное общество "Энергия"
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2019-03-29

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, in particular to the design of an energy-intensive thermal battery, and can be used in the production of thermal chemical current sources. According to the technical solution, blocks of electrochemical elements of the thermal battery are placed in compartments made in a heat-resistant matrix mounted on the lid, having the diameter-height ratio that is as close as possible to one at a given volume, the blocks in the compartments are fixed in the radial direction by heat-insulating gaskets, and in the axial direction - prevailing torque lock springs and combined into a single electrical circuit by means of conductive plates, which are laid in grooves made between the compartments of the matrix, and their involvement is carried out by means of pyrotechnic cords, fixed in the grooves of the matrix along the perimeter of the blocks and connected to the ignition device located at the base of the matrix. Reduced heat loss from electrochemical cell blocks by installing heat-insulating gaskets not only between the battery case and the matrix, but also between the compartment wall and each block, allows you to increase the duration of the thermal battery.EFFECT: technical result of the invention is to increase the energy intensity and stability of the thermal battery to external mechanical influences.1 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в производстве тепловых батарей.The present invention relates to electrical engineering and can be used in the manufacture of thermal batteries.

Энергоемкость тепловых батарей является важнейшей характеристикой, определяющей их выбор для практического использования.The energy intensity of thermal batteries is the most important characteristic that determines their choice for practical use.

Для выбранной электрохимической системы повышение этой характеристики обеспечивается временем поддержания рабочей температуры электрохимического элемента. Это достигается, как путем поиска эффективной тепловой изоляции блока электрохимических элементов, так и введением в конструкцию дополнительных средств обогрева. Однако эти пути приводят к увеличению габаритов и массы батареи и, как следствие, к уменьшению ее удельной энергоемкости.For the selected electrochemical system, an increase in this characteristic is provided by the time of maintaining the working temperature of the electrochemical cell. This is achieved both by searching for effective thermal insulation of the block of electrochemical elements, and by introducing additional heating means into the design. However, these paths lead to an increase in the size and mass of the battery and, as a consequence, to a decrease in its specific energy consumption.

Известна тепловая батарея [Патент RU №245786 кл. Н01М 6/20 от 29.06.2011 г.], состоящая из помещенных в корпус электрически соединенных между собой блоков электрохимических элементов, расположенных друг за другом на центральном изолированном стержне. Для обеспечения необходимого усилия поджатая во время работы батареи между блоками установлены сильфоны, а сами блоки поджаты на стержне с помощью крепежных элементов.Known thermal battery [Patent RU No. 245786 class. Н01М 6/20 dated 06/29/2011], consisting of blocks of electrochemical elements placed in a housing electrically interconnected and arranged one after another on a central insulated rod. To ensure the necessary effort, the bellows are installed between the blocks during operation of the battery, and bellows are installed between the blocks, and the blocks themselves are tightened on the rod using fasteners.

Известная тепловая батарея обладает низкой удельной энергоемкостью, что объясняется значительными потерями тепла из-за неоптимального соотношения торцевых и боковой поверхностей корпуса батареи, определяемых диаметром и высотой, при заданном объеме. Значительное количество блоков элементов, располагаемых друг за другом на едином стержне с поджимающими элементами, а также большое количество коммутационных электрических соединений блоков элементов, выполняемых в виде сварки на внешней поверхности блоков снижает устойчивость батареи к внешним механическим воздействиям.The known thermal battery has a low specific energy consumption, which is explained by significant heat losses due to the non-optimal ratio of the end and side surfaces of the battery case, determined by the diameter and height, for a given volume. A significant number of element blocks arranged one after another on a single rod with pressing elements, as well as a large number of switching electrical connections of element blocks made in the form of welding on the outer surface of the blocks, reduces the battery's resistance to external mechanical influences.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам является тепловая батарея [Патент RU №2507642, кл. Н01М 6/36, 10.05.2012 г.], содержащая корпус, герметизированный крышкой, запальное устройство и блоки электрохимических элементов, помещенных в отсеки. Между блоками и корпусом отсека установлены теплоизоляционные прокладки.The closest in technical essence and the achieved results is a thermal battery [Patent RU No. 2507642, cl. H01M 6/36, 05/10/2012], comprising a housing sealed with a cover, an igniter and blocks of electrochemical elements placed in compartments. Heat-insulating gaskets are installed between the blocks and the body of the compartment.

Недостатком известной тепловой батареи является низкая энергоемкость и повышенная чувствительность к внешним механическим (ударным, вибрационным и центробежным) воздействиям. Низкая энергоемкость объясняется большими потерями тепла за счет быстрого охлаждения блоков, находящихся в отсеках, корпуса которых выполнены из металла и имеют большую внешнюю поверхность. Теплоизоляционные прокладки не позволяют в полной мере надежно обеспечить тепловую защиту блоков от потерь тепла, а также исключить влияние внешних механических воздействий.A disadvantage of the known thermal battery is its low energy consumption and increased sensitivity to external mechanical (shock, vibration and centrifugal) influences. Low energy consumption is explained by large heat losses due to the rapid cooling of the blocks located in compartments, the cases of which are made of metal and have a large external surface. Thermal insulating gaskets do not allow to fully reliably provide thermal protection of blocks from heat losses, and also to exclude the influence of external mechanical influences.

Целью настоящего технического решения является повышение энергоемкости тепловой батареи и ее устойчивости к внешним механическим воздействиям.The purpose of this technical solution is to increase the energy intensity of the heat battery and its resistance to external mechanical influences.

С этой целью предлагается тепловая батарея, содержащая корпус, герметизированный крышкой, тепловую изоляцию, запальное устройство и блоки электрохимических элементов, помещенные в отсеки, отличающаяся тем, что отсеки выполнены в теплостойкой, закрепленной на крышке матрице имеющей соотношение размеров диаметра и высоты максимально близкое к единице при заданном объеме, блоки в отсеках зафиксированы в радиальном направлении теплоизоляционными прокладками, а в осевом самоконтрящимися замковыми пружинами и объединены в единую электрическую цепь посредством токопроводящих пластин, уложенных в проточки, выполненные между отсеками матрицы, а их задействование осуществляется посредством пиротехнических шнуров, закрепленных в пазах матрицы на боковой поверхности блоков и соединенных с запальным устройством, расположенным в основании матрицы.For this purpose, a thermal battery is proposed, comprising a housing sealed by a cover, thermal insulation, an ignition device and blocks of electrochemical elements placed in compartments, characterized in that the compartments are made in a heat-resistant matrix fixed to the lid having a ratio of the size of the diameter and height as close as possible to unity for a given volume, the blocks in the compartments are fixed in the radial direction by heat-insulating gaskets, and in the axial self-locking lock springs and combined into a single electric circuit through conductive plates laid in grooves made between the compartments of the matrix, and their activation is carried out by means of pyrotechnic cords fixed in the grooves of the matrix on the side surface of the blocks and connected to the ignition device located at the base of the matrix.

Техническое решение, согласно которому соотношение размеров диаметра и высоты максимально близкое к единице при заданном объеме позволяет свести к минимуму потери тепла за счет минимизации отношения площади внешней поверхности матрицы (батареи) к объему и тем самым существенно увеличить время поддержания рабочей температуры электрохимических элементов. Отклонение от указанного соотношения в любую сторону ведет к увеличению отношения площади поверхности к объему и, тем самым, к повышению потерь тепла.The technical solution, according to which the ratio of the size of the diameter and height as close as possible to unity for a given volume, minimizes heat loss by minimizing the ratio of the external surface area of the matrix (battery) to the volume and thereby significantly increases the time to maintain the working temperature of the electrochemical cells. Deviation from the indicated ratio in any direction leads to an increase in the ratio of surface area to volume and, thereby, to an increase in heat loss.

При заданном объеме количество отсеков в матрице определяется необходимостью размещения требуемого по энергетическим характеристикам батареи числа электрохимических элементов с учетом указанного соотношения диаметра матрицы к ее высоте и заданного объема.For a given volume, the number of compartments in the matrix is determined by the need to place the number of electrochemical elements required by the battery’s energy characteristics, taking into account the indicated ratio of the matrix diameter to its height and the given volume.

Кроме оптимизации геометрических размеров матрицы уменьшению потерь тепла от блоков способствует выполнение матрицы из теплоизоляционного материала, а также установка теплоизоляционных прокладок не только между корпусом батареи и матрицей, но и между стенкой отсека и каждым блоком. Эти конструктивные приемы позволяют существенно уменьшить потери тепла от блоков электрохимических элементов и, увеличивая их продолжительность работы, повышают энергоемкость тепловой батареи.In addition to optimizing the geometric dimensions of the matrix, the heat loss from the blocks is also facilitated by the implementation of the matrix of heat-insulating material, as well as the installation of heat-insulating gaskets not only between the battery case and the matrix, but also between the compartment wall and each block. These design methods can significantly reduce heat loss from blocks of electrochemical cells and, increasing their duration, increase the energy consumption of the heat battery.

Одновременно теплоизоляционные прокладки, установленные между корпусом батареи и матрицей, а также между блоками электрохимических элементов и стенками отсеков позволяют за счет их амортизирующих свойств свести к минимуму воздействие различных механических нагрузок на блоки электрохимических элементов. Этот эффект дополняется установкой в каждом отсеке самоконтрящихся замковых пружин, фиксирующих рабочее давление на блок электрохимических элементов.At the same time, heat-insulating gaskets installed between the battery case and the matrix, as well as between the blocks of electrochemical elements and the walls of the compartments, due to their shock-absorbing properties, minimize the effect of various mechanical loads on the blocks of electrochemical elements. This effect is complemented by the installation of self-locking lock springs in each compartment, fixing the working pressure on the block of electrochemical elements.

На рисунке 1 представлена предлагаемая тепловая батарея. На крышке 1 корпуса 8 установлена матрица с отсеками 3. В отсеки помещены блоки 4, состоящие из набора электрохимических элементов 5 и проложенных между ними пиронагревателями 6. В пазах матрицы по периметру блоков электрохимических элементов установлены пиротехнические шнуры 13, сообщающиеся с запальным устройством 14, расположенном в нижнем основании матрицы.Figure 1 shows the proposed thermal battery. A matrix with compartments 3 is installed on the lid 1 of housing 8. Blocks 4 are placed in the compartments, consisting of a set of electrochemical elements 5 and pyro-heaters laid between them 6. Pyrotechnic cords 13 are installed in the grooves of the matrix around the perimeter of the blocks of electrochemical elements, which communicate with the ignition device 14 located at the bottom base of the matrix.

Коммутация блоков электрохимических элементов, как параллельная, так и последовательная осуществляется посредством токопроводящих пластин 10, уложенных и сваренных в проточках 11, выполненных в верхнем основании матрицы. Блоки электрохимических элементов зафиксированы боковой теплоизоляцией 12 и самоконтрящимися замковыми пружинами 9, обеспечивающими необходимое рабочее давление на блок электрохимических элементов. Как и блоки электрохимических элементов, матрица со всех сторон покрыта теплоизоляцией 7.Switching blocks of electrochemical elements, both parallel and serial, is carried out by means of conductive plates 10, laid and welded in grooves 11, made in the upper base of the matrix. Blocks of electrochemical elements are fixed by lateral insulation 12 and self-locking lock springs 9, which provide the necessary working pressure on the block of electrochemical elements. Like blocks of electrochemical elements, the matrix is coated with heat insulation from all sides 7.

Таким образом, конструкция батареи предполагает отсутствие коммутирующих и инициирующих элементов вне матрицы, что вносит существенный вклад в устойчивость батареи к механическим нагрузкам.Thus, the design of the battery assumes the absence of commuting and initiating elements outside the matrix, which makes a significant contribution to the battery's resistance to mechanical stress.

Claims

A thermal battery comprising a housing sealed by a cover, thermal insulation, an ignition device and blocks of electrochemical elements placed in compartments, characterized in that the compartments are made in a heat-resistant matrix mounted on the cover with a ratio of diameter and height sizes as close to unity as possible for a given volume, the blocks in the compartments are fixed in the radial direction by heat-insulating gaskets, and in the axial - by self-locking lock springs and combined into a single electrical circuit by means of a current ovodyaschih plates stacked in the grooves formed between the compartments of the matrix, and their involvement of performed by pyrotechnic cords, fixed in the grooves of the matrix blocks of the perimeter and connected to an ignition device located in the base matrix.