SE526629C2 - Heat-activated power source, detonator comprising the power source, detonator system comprising the detonator, and method of manufacturing the power source - Google Patents
Heat-activated power source, detonator comprising the power source, detonator system comprising the detonator, and method of manufacturing the power sourceInfo
- Publication number
- SE526629C2 SE526629C2 SE0302973A SE0302973A SE526629C2 SE 526629 C2 SE526629 C2 SE 526629C2 SE 0302973 A SE0302973 A SE 0302973A SE 0302973 A SE0302973 A SE 0302973A SE 526629 C2 SE526629 C2 SE 526629C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- heat
- power source
- activated
- detonator
- electrolyte
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F42—AMMUNITION; BLASTING
- F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
- F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
- F42B3/10—Initiators therefor
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F42—AMMUNITION; BLASTING
- F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
- F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
- F42B3/10—Initiators therefor
- F42B3/12—Bridge initiators
- F42B3/121—Initiators with incorporated integrated circuit
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Primary Cells (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
Description
25 30 35 2 efterföljande laddning och en styrenhet till och med ef- ter detonation av en föregående laddning, som skulle kun- na vara belägen nära den efterföljande laddningen. Sådan kommunikation kan naturligtvis vara något problematisk, och fördröjningstiderna anges därför hellre i respektive detonatorenhet för varje laddning. 25 30 35 2 subsequent charge and a control unit even after detonation of a previous charge, which could be located close to the subsequent charge. Such communication can of course be somewhat problematic, and the delay times are therefore preferred in each detonator unit for each charge.
Säkerhet och tillförlitlighet måste alltid komma i första hand vid utformning av sprängningsutrustning. Oav- siktlig avfyrning av sprängämnena är naturligtvis helt oacceptabelt. Dessutom måste kommersiell sprängutrustning kunna utstå ganska oöm hantering med bibehållen funk- tionssäkerhet. Som en följd uppfyller endast en bråkdel av annars utnyttjade lösningar och tekniker de utomor- dentligt höga krav som ställs pà sprängutrustning.Safety and reliability must always come first when designing blasting equipment. Accidental firing of explosives is, of course, completely unacceptable. In addition, commercial blasting equipment must be able to withstand fairly sensitive handling while maintaining functional safety. As a result, only a fraction of otherwise utilized solutions and techniques meet the extraordinarily high demands placed on explosive equipment.
Likväl finns det flera olika utformningar tillgäng- liga för sprängkapslar med fördröjningsfunktion. Några av dessa är rent pyrotekniska, nägra är rent elektroniska, och ytterligare några är pyroelektriska. Rent pyroteknis- ka sprängkapslar kan verkligen göras säkra, men de pyro- tekniska reaktionerna kan endast styras i viss utsträck- ning. Som en följd är tidsfördröjningens noggrannhet en funktion av tidsfördröjningens varaktighet (d.v.s. nog- grannheten hos det pyrotekniska fördröjningselement som används är beroende av dess storlek). Detta leder till minskad noggrannhet hos fördröjningstiden, speciellt för fördröjningstider som överstiger 500 ms. Studier av ut- vecklingen av kommersiella initieringsanordningar för ci- vilt bruk under de senaste tjugo åren visar faktiskt att noggrannheten för kapslar med pyrotekniska fördröjnings- element har nått sin gräns. Ett exempel på ett rent pyro- tekniskt system kan man hitta i US6227ll6.Nevertheless, there are several different designs available for detonators with a delay function. Some of these are purely pyrotechnic, some are purely electronic, and some more are pyroelectric. Purely pyrotechnic detonators can really be made safe, but the pyrotechnic reactions can only be controlled to a certain extent. As a result, the accuracy of the time delay is a function of the duration of the time delay (i.e., the accuracy of the pyrotechnic delay element used depends on its size). This leads to reduced accuracy of the delay time, especially for delay times exceeding 500 ms. Studies of the development of commercial initiators for civilian use over the past twenty years actually show that the accuracy of capsules with pyrotechnic delay elements has reached its limit. An example of a purely pyro-technical system can be found in US6227ll6.
Idag kan fördröjningar på upp till 500 ms uppnås med en noggrannhet på omkring +/- 9 ms med användande av py- rotekniska fördröjningselement. För fördröjningstider mellan 600 ms och 1000 ms minskas noggrannheten till om- kring +/- 12 ms. En ökning av fördröjningstiden till 6 sekunder är än mer problematisk, och leder till en nog- 10 15 20 25 30 35 3 grannhet på omkring +/- 200 ms. Noggrannheten för för- dröjningstider i pyrotekniska system är alltså en funk- tion av fördröjningstidens storlek. En ökning av fördröj- ningstidens storlek minskar noggrannheten.Today, delays of up to 500 ms can be achieved with an accuracy of about +/- 9 ms using pyrotechnic delay elements. For delay times between 600 ms and 1000 ms, the accuracy is reduced to around +/- 12 ms. Increasing the delay time to 6 seconds is even more problematic, leading to an accuracy of about +/- 200 ms. The accuracy of delay times in pyrotechnic systems is thus a function of the size of the delay time. An increase in the size of the delay time reduces the accuracy.
Moderna metoder för sprängning, så som masspräng- ning, borrhål med stor diameter eller expanderad bas, samt skapande av noggranna tunnelprofiler kräver fördröj- ningstider på mellan l och 9 sekunder eller mer. Idag ut- förs detta arbete med hjälp av pyrotekniska sprängkapslar med långa fördröjningstider, vilka har en förhållandevis låg noggrannhet i fördröjningstid pà +/- 100 ms till +/- 2OO ms. Så låg noggrannhet är en av de största flaskhal- sarna för sprängning med större noggrannhet.Modern methods of blasting, such as mass blasting, large-diameter boreholes or expanded bases, and the creation of accurate tunnel profiles require delay times of between 1 and 9 seconds or more. Today, this work is carried out with the help of pyrotechnic detonators with long delay times, which have a relatively low accuracy in delay time of +/- 100 ms to +/- 200 ms. Such low accuracy is one of the biggest bottlenecks for blasting with greater accuracy.
Rent elektroniska utformningar använder en elektrisk kabel som buss, som skickar en elektrisk signal till sprängkapseln, varvid fördröjningstiden definieras me- delst en elektronisk krets som skickar en initieringssig- nal till sprängkapseln. Alternativt upprättas en radio- länk mellan styrenheten och sprängkapseln. Vid användning av elektroniska system kan fördröjningstiderna ställas in med förhållandevis hög noggrannhet, som är i stort sett oberoende av fördröjningstidens längd. Elektroniska sprängkapslar är emellertid förknippade med problem avse- ende bemötande av säkerhetsstandarder. Arbetande personal behöver dessutom systemspecifik utbildning. En övergång från ett pyrotekniskt system till ett elektroniskt system är därför förknippad med omfattande och dyra utbildnings- program för personalen.Purely electronic designs use an electrical cable as a bus, which sends an electrical signal to the detonator, the delay time being defined by means of an electronic circuit which sends an initiation signal to the detonator. Alternatively, a radio link is established between the control unit and the detonator. When using electronic systems, the delay times can be set with relatively high accuracy, which is largely independent of the length of the delay time. Electronic detonators are, however, associated with problems with meeting safety standards. Working staff also need system-specific training. A transition from a pyrotechnic system to an electronic system is therefore associated with extensive and expensive training programs for staff.
Pyroelektroniska sprängkapslar utnyttjar en kombina- tion av pyrotekniska reaktioner och elektriska signaler.Pyroelectronic detonators use a combination of pyrotechnic reactions and electrical signals.
Ett sådant system utnyttjar en pyroteknisk stubin (t.ex. ett stötvågsrör) som ger hög driftssäkerhet och dessutom kan tillämpas av personal som är utbildad pà rent pyro- tekniska system. Faktum är att pyroelektroniska system kan utformas att fungera och framstå precis som rent py- rotekniska system. Sprängkapseln är emellertid utrustad med en pyroelektronisk fördröjningsenhet som tar den py- 10 15 20 25 30 35 526 629 4 rotekniska stubinsignalen som insignal, och omvandlar den till en elektrisk signal som fördröjs i en elektronisk krets innan en pyroteknisk initieringsladdning antänds.Such a system uses a pyrotechnic tube (eg a shock wave tube) which provides high operational reliability and can also be applied by personnel who are trained in purely pyrotechnic systems. In fact, pyroelectronic systems can be designed to function and appear just like purely pyrotechnic systems. However, the detonator is equipped with a pyroelectronic delay unit which takes the pyro-technical stub signal as the input signal, and converts it into an electrical signal which is delayed in an electronic circuit before a pyrotechnic initiation charge is ignited.
Sådana pyroelektroniska system anses vara mycket lovande för framtida utveckling av allt bättre sprängsystem som kan handhas av personal utbildad på traditionella pyro- tekniska system. Särskilda fördelar innefattar det att noggranna fördröjningstider kan styras av en elektronisk krets, med en noggrannhet för fördröjningstiden som är i stort sett oberoende av fördröjningstidens längd, och det att systemet kan handhas av personal som är utbildad på rent pyrotekniska system. Fördröjningstiden kan alltså göras lika noggrann för fördröjningar på sekunder som för fördröjningar på milisekunder med ett system som, ur en handhavandesynvinkel, framstår som ett rent pyrotekniskt system.Such pyroelectronic systems are considered very promising for the future development of ever better blasting systems that can be handled by personnel trained in traditional pyro-technical systems. Particular advantages include that accurate delay times can be controlled by an electronic circuit, with an accuracy of the delay time that is largely independent of the length of the delay time, and that the system can be handled by personnel trained in purely pyrotechnic systems. The delay time can thus be made as accurate for delays of seconds as for delays of milliseconds with a system which, from a handling point of view, appears as a purely pyrotechnic system.
Pyrotekniska sprängkapslar som ger upp till 9 sekun- ders fördröjningtid med en noggrannhet på +/- 9 ms för- väntas få omedelbar kommersiell tillämpning. Detta stäl- ler höga krav på den elektriska strömkälla som omvandlar den pyrotekniska signalen till en elektrisk signal. Den elektriska strömkällan är alltså en avgörande komponent för framgångsrik tillämpning av ett pyroelektroniskt sy- stem. I grund och botten mäste strömkällan kunna ge en elektrisk signal inom ett mycket kort och noggrant tids- intervall från det att den har exponerats för den brin- nande stubinen.Pyrotechnic detonators that give a delay time of up to 9 seconds with an accuracy of +/- 9 ms are expected to have immediate commercial application. This places high demands on the electrical power source that converts the pyrotechnic signal into an electrical signal. The electric power source is thus a crucial component for the successful application of a pyroelectronic system. Basically, the power source must be able to give an electrical signal within a very short and accurate time interval from the time it has been exposed to the burning stub.
WO 01/18484 föreslår en möjlig utformning för en stötvågsinitierad strömkälla, innefattande en rörlig bat- terienhet. I huvudsak flyttas batteriet från ett passivt läge till ett aktivt läge, i vilket det ansluter till den elektroniska drivkretsen i sprängkapseln. Rörelsen orsa- kas av en pyroteknisk laddning som i sin tur initieras av signalen i stötvågsröret. Fastän det ovan beskrivna sy- stemet har fördelar för vissa tillämpningar, är det lik- väl förknippat med vissa problem. Det finns exempelvis alltid en risk för oavsiktlig aktivering av sprängkapseln 10 15 20 25 30 35 5 orsakad av oförsiktig hantering, eftersom batteriet all- tid är verksamt och redo att flyttas till det aktiva lä- get.WO 01/18484 proposes a possible design for a shock wave initiated current source, comprising a movable battery unit. Essentially, the battery is moved from a passive position to an active position, in which it connects to the electronic drive circuit in the detonator. The movement is caused by a pyrotechnic charge which in turn is initiated by the signal in the shock wave tube. Although the system described above has advantages for certain applications, it is nevertheless associated with certain problems. For example, there is always a risk of accidental activation of the detonator 10 15 20 25 30 35 5 caused by careless handling, as the battery is always active and ready to be moved to the active position.
En annan tänkbar utformning visas i WO 96/04522, där det föreslås att man ska använda en ”elektrolytströmkäl- la” i en "icke-elektrisk sprängkapsel” (vilket i själva verket är en pyroelektronisk sprängkapsel). Denna ”elekt- rolytströmkälla” anges som ett termobatteri som aktiveras av ett stötvàgsrör. Dokumentet ger dock inte någon indi- kation kring den faktiska utformningen och sammansätt- ningen av detta sà kallade termobatteri. I huvudsak före- slàr WO 96/04522 allmänt användning av elektrolytström- källor som ett alternativ till exempelvis piezo- elektriska strömkällor. Ett liknande tillvägagångssätt beskrivs i US5l33257, enligt vilket värme som alstras av den detonerande stubinen används för att smälta och där- med starta strömavgivande från en elektrolyt som endast avger ström när den befinner sig i smält tillstånd. Var- ken WO 96/04522 eller US5l33257 beskriver emellertid strömkällan i detalj. Icke desto mindre kan man inse att strömkällan bör innefatta ett elektrolytelement placerat intill stubinen och med tvà trådar anslutna därtill för bildande av de kontakter som skall koppla till resten av den elektriska kretsen.Another possible design is shown in WO 96/04522, where it is proposed to use an "electrolyte source" in a "non-electric detonator" (which is in fact a pyroelectronic detonator). However, WO 96/04522 generally proposes the general use of electrolyte power sources as an alternative to. A similar approach is described in US5l33257, according to which heat generated by the detonating tube is used to melt and thereby start emitting current from an electrolyte which emits current only when it is in a molten state. However, WO 96/04522 or US5133257 describes the current source in detail, Nevertheless, it can be seen that the current source should comprise an electrolyte element next to the socket and with two wires connected to it to form the contacts that are to connect to the rest of the electrical circuit.
Utformningar som använder tillvägagångssätt med kon- ventionella pyrobatterier har utretts och befunnits inte uppfylla de krav som ställs pà nästa generations pyroe- lektroniska sprängkapslar. De kan helt enkelt inte ge tillräckligt noggranna och snabba svar i form av elekt- risk energi på stubinens signal.Designs that use the approach with conventional pyro batteries have been investigated and found not to meet the requirements for the next generation of pyroelectronic detonators. They simply cannot provide sufficiently accurate and fast responses in the form of electrical energy to the stub signal.
Sammanfattning av uppfinningen För syftet att tillhandahålla pyroelektroniska sprängkapslar med förbättrad noggrannhet avseende för- dröjningstid, finns det alltså ett behov av en förbätt- rad, värmeaktiverad strömkälla. Uppfinningen baserar sig 6 på insikten om att vissa krav skall vara uppfyllda av eng sådan strömkälla, så som summeras nedan: - Ingen slumpartad aktivering; aktiveringstemperaturen 10 15 20 25 30 35 för strömkällan skall inte vara lägre än 200°C - 250°C, vilket motsvarar antändningstemperaturen för PETN (pentaerytritoltetranitrat, ett mycket kraft- fullt sprängmedel som ofta används som laddning i sprängkapslar). Detta krav har befunnits vara vik- tigt för syftet att uppfylla angivna säkerhetsstan- darder och innebär att strömkällan inte får aktive- ras av temperaturer under den kritiska aktiverings- temperaturen för sprängkapselns laddning. Vid tempe- raturer ovan denna gräns, kommer uppenbarligen sprängkapselns laddning att självantändas i alla fall.Summary of the Invention In order to provide pyroelectronic detonators with improved delay time accuracy, there is thus a need for an improved, heat-activated power source. The invention is based on the insight that certain requirements must be met by such a power source, as summarized below: - No random activation; the activation temperature of the power source shall not be less than 200 ° C - 250 ° C, which corresponds to the ignition temperature of PETN (pentaerythritol tetranitrate, a very powerful explosive often used as a charge in detonators). This requirement has been found to be important for the purpose of meeting specified safety standards and means that the power source must not be activated by temperatures below the critical activation temperature for the detonator charge. At temperatures above this limit, the charge of the detonator will obviously ignite in any case.
Tillförlitlig och omedelbar prestanda; spänningen skall öka upp till en angiven arbetsspänning (t.ex. 1 V) på kort tid, företrädesvis på under 10 ms. Den- na tid, eventuellt plus tidsfördröjningar i den elektroniska tidsfördröjningskretsen, anger den kor- tast möjliga tidsfördröjningen för sprängkapseln.Reliable and immediate performance; the voltage should increase up to a specified operating voltage (eg 1 V) in a short time, preferably in less than 10 ms. This time, possibly plus time delays in the electronic time delay circuit, indicates the shortest possible time delay for the detonator.
Den maximala tidsavvikelsen för utmatning av ar- betsspänningen (fördröjningsnoggrannheten) skall vara låg, eftersom tidsavvikelser från respektive element i sprängkapseln kommer att adderas till en total tidsavvikelse som anger den övergripande nog- grannheten för sprängkapseln. Företrädesvis skall tidsavvikelsen vara så låg som +/- 1 ms.The maximum time deviation for output of the operating voltage (delay accuracy) must be low, since time deviations from the respective elements in the detonator will be added to a total time deviation which indicates the overall accuracy of the detonator. Preferably the time deviation should be as low as +/- 1 ms.
Lagringsförmâga - sammansatta strömkällor skall ut- stå alla normala lagringstester, utan funktionsför- lust.Storage capacity - composite power sources must withstand all normal storage tests, without loss of function.
Enkel tillverkning med användande av konventionell tillverkningsutrustning för pressning och samman- sättning av konventionella, pyrotekniska fördröj- ningselement, utan behov av förhållanden med inerta gaser. 10 15 20 25 30 35 Cm na CA CN PJ \O 7 Dessa krav skall naturligtvis uppfyllas inom hela sprängkapselns intervall av arbetstemperaturer, t.ex. - 40°C till +70°C.Simple manufacturing using conventional manufacturing equipment for pressing and assembling conventional, pyrotechnic delay elements, without the need for inert gas conditions. 10 15 20 25 30 35 Cm na CA CN PJ \ O 7 These requirements must of course be met within the entire range of the detonator range of operating temperatures, e.g. - 40 ° C to + 70 ° C.
Det första kravet förkastar användningen av välkända och funktionella batterier med flytande och torra (gel- formiga) elektrolyter, eftersom de är aktiva redan vid rumstemperatur.The first requirement rejects the use of well-known and functional batteries with liquid and dry (gel-like) electrolytes, as they are active already at room temperature.
Det andra kravet anger att aktiveringstiden måste vara mycket kort. Författare till tidigare beskrivningar avseende konventionella pyrobatterier förbiser denna frà- ga helt och hållet, eller accepterar tidsavvikelser som klart överstiger önskat maximum på 10 ms.The second requirement states that the activation time must be very short. Authors of previous descriptions regarding conventional pyro batteries completely ignore this question, or accept time deviations that clearly exceed the desired maximum of 10 ms.
Kända pyrobatterier har faktiskt använts för helt andra tillämpningar än för sprängkapslar. Den tidigare tekniken kring pyrobatterier kan därför uppenbarligen inte uppfylla ovannämnda krav på förbättrad prestanda för sprängkapslar.Known pyro batteries have in fact been used for completely different applications than for detonators. The prior art of pyrobatteries can therefore obviously not meet the above requirements for improved performance of detonators.
Det finns sålunda ett behov av förbättrade, värmeak- tiverade strömkällor, samt av pyroelektroniska spräng- kapslar innefattande en sådan strömkälla, och som alltså ger den önskade noggrannheten i fördröjningstid. Den för- bättrade, nä., värmeaktiverade strömkällan, och sprängkapslar- skall vidare vara reproducerbar i stor skala med bi- behållna prestanda.There is thus a need for improved, heat-activated power sources, as well as for pyroelectronic detonators comprising such a power source, and which thus provide the desired accuracy in delay time. The improved, namely, heat-activated power source, and detonators must also be reproducible on a large scale with maintained performance.
Baserat pà uppfinnarnas insikter ovan, och med syfte att uppfylla de specifika behoven, föreslås en ny värme- aktiverad strömkälla. I enlighet med en aspekt på före- liggande uppfinning åstadkommes alltså en värmeaktiverad strömkälla som innefattar en elektriskt ledande hylsa som sträcker sig längs en longitudinell axel, ett anodele- ment, ett värmeaktiverat elektrolytelement, samt ett ka- todelement. Anodelementet, elektrolytelementet och katod- elementet är staplade i nämnd ordning längs den longitu- dinella axeln i hylsan, och bildar tillsammans en enhet- lig kropp. Det värmeaktiverade elektrolytelementet kan switchas från ett jonisolerande grundtillstànd till ett jonledande, aktiverat tillstånd medelst en värmeenergi- 10 15 20 25 30 35 8 puls överstigande tröskelenerginivån. Ett första element av nämnda anodelement och katodelement fungerar som ett elektrodelement som är elektriskt isolerat från hylsan, och det andra elementet av nämnda anodelement och katod- element är elektriskt sammankopplat med hylsan och inne- fattar ett värmeenergiförstärkande material. Den elekt- riska isoleringen kan exempelvis åstadkommas medelst ett elektriskt isolerande foder som separerar det första ele- mentet fràn hylsan. Det värmeenergiförstärkande materia- let är verksamt att antändas som gensvar på en värmeener- gisignal under nämnda tröskelenerginivå, och att när det är antänt förse elektrolytelementet med en värmeenergi- puls som överstiger nämnda tröskelenerginivà. Det andra (värmeenergiförstärkande) elementet är alltså verksamt för de dubbla syftena att deltaga i den elektrokemiska processen som alstrar den elektriska energin och att för- stärka en annars alltför låg värmeenergisignal så att den resulterande värmeenergin är tillräcklig för aktivering av elektrolytelementet. Det första elementet (elektroden) och hylsan bildar därmed två anslutningar mellan vilka en spänning tillhandahålles när en värmeenergisignal under nämnda tröskelenerginivä tas emot av det andra elementet, som sedan förstärker energisignalen och aktiverar elekt- rolytelementet.Based on the inventors' insights above, and with the aim of meeting the specific needs, a new heat-activated power source is proposed. Thus, in accordance with one aspect of the present invention, there is provided a heat activated current source comprising an electrically conductive sleeve extending along a longitudinal axis, an anode element, a heat activated electrolyte element, and a cathode element. The anode element, the electrolyte element and the cathode element are stacked in said order along the longitudinal axis of the sleeve, and together form a uniform body. The heat-activated electrolyte element can be switched from an ion-insulating ground state to an ion-conducting, activated state by means of a heat energy pulse exceeding the threshold energy level. A first element of said anode element and cathode element functions as an electrode element which is electrically isolated from the sleeve, and the second element of said anode element and cathode element is electrically connected to the sleeve and comprises a heat energy amplifying material. The electrical insulation can be provided, for example, by means of an electrically insulating liner which separates the first element from the sleeve. The heat energy amplifying material is operative to ignite in response to a heat energy signal below said threshold energy level, and when ignited to provide the electrolyte element with a heat energy pulse exceeding said threshold energy level. The second (heat energy amplifying) element is thus effective for the dual purposes of participating in the electrochemical process that generates the electrical energy and of amplifying an otherwise too low heat energy signal so that the resulting heat energy is sufficient to activate the electrolyte element. The first element (electrode) and the sleeve thus form two connections between which a voltage is provided when a heat energy signal below said threshold energy level is received by the second element, which then amplifies the energy signal and activates the electrolyte element.
Ett rättframt sätt att minska den värmeenergi som behövs för aktivering av elektrolyten är att välja en elektrolytförening som är aktiverad redan vid låga tempe- raturer. En sådan lösning är emellertid inte möjlig av säkerhetsskäl. Faktum är att det finns en ofrànkomlig kompromiss mellan dels aktiveringsnoggrannhet (drivet av låga aktiveringstemperaturer), dels säkerhet (drivet av det önskade behovet av en väsentlig mängd värmeenergi för aktivering av elektrolyten). För detta ändamål har det befunnits att tillhandahållandet av ett värmeenergiför- stärkande element minskar aktiveringstiden väsentligt.A straightforward way to reduce the heat energy needed to activate the electrolyte is to choose an electrolyte compound that is activated even at low temperatures. However, such a solution is not possible for security reasons. In fact, there is an inescapable compromise between activation accuracy (driven by low activation temperatures) and safety (driven by the desired need for a significant amount of heat energy to activate the electrolyte). For this purpose, it has been found that the provision of a heat energy amplifying element significantly reduces the activation time.
Det värmeförstärkande materialet kan väljas så, att det svarar pà en mycket liten mängd värmeenergi, typiskt en 10 15 20 25 30 35 9 gnista eller en mycket begränsad detonation (t.ex. från ett stötvågsrör som NONEL°, som finns tillgängligt från Dyno Nobel), som inte ger tillräcklig energi för att på något påtagligt sätt värma något av elementen utan som istället tänder det värmeförstärkande materialet, varvid det andra elementet ger en mängd värmeenergi som är till- räcklig för aktivering av elektrolytelementet. Det andra elementet fungerar alltså som en värmeenergiförstärkare mellan värmesignalen som aktiverar strömkällan och den egentliga aktiveringen av elektrolytelementet. Därmed de- finierar den värmeaktiverade strömkällan två ändar, en ände i vilken det första elementet (elektroden) finns och i vilken spänningen levereras via elektrodelementet och den elektriskt ledande hylsan, och en motsatt ände i vil- ken det andra elementet (det värmeförstärkande elementet) finns och vilken ände svarar på och förstärker en extern värmeenergisignal som är lägre än tröskelenerginivàn.The heat-enhancing material can be selected to respond to a very small amount of heat energy, typically a spark or a very limited detonation (eg from a shock wave tube such as NONEL °, available from Dyno Nobel ), which does not provide sufficient energy to heat any of the elements in any appreciable way but which instead ignites the heat-reinforcing material, the other element providing an amount of heat energy which is sufficient for activating the electrolyte element. The second element thus functions as a heat energy amplifier between the heat signal which activates the current source and the actual activation of the electrolyte element. Thus, the heat-activated current source defines two ends, an end in which the first element (electrode) is located and in which the voltage is delivered via the electrode element and the electrically conductive sleeve, and an opposite end in which the second element (the heat-reinforcing element) is present and which end responds to and amplifies an external heat energy signal that is lower than the threshold energy level.
Energiförstärkningen ger kraftigt minskade aktive- ringstider jämfört med tidigare anordningar. Användningen av ett värmeförstärkande element som sådant är alltså fördelaktigt. Aktiveringstiden minskas emellertid ytter- ligare genom den kompakta utformningen som är resultatet av de kombinerade elektrokemiska och värmeenergiförstär- kande egenskaperna som ges av det andra elementet. I en- lighet med föreliggande uppfinning har det alltså dessut- om insetts att ett värmeenergiförstärkande element och antingen anod- eller katodelementet kan införlivas i ett enstaka element, som bildar ovannämnda andra element.The energy amplification results in greatly reduced activation times compared with previous devices. The use of a heat-reinforcing element as such is thus advantageous. However, the activation time is further reduced by the compact design resulting from the combined electrochemical and heat energy enhancing properties provided by the second element. In accordance with the present invention, it has thus further been realized that a heat energy amplifying element and either the anode or cathode element can be incorporated in a single element, which forms the above-mentioned other elements.
Därigenom ger den värmeaktiverade strömkällan elektrisk energi så snart som den värmeenergisignal som förstärks av det andra elementet är tillräckligt intensiv, vilket för många föreningar är i stort sett omedelbart (typiskt inom mindre än 3 ms).Thereby, the heat-activated power source provides electrical energy as soon as the heat energy signal amplified by the second element is sufficiently intense, which for many compounds is largely immediate (typically in less than 3 ms).
Det värmeaktiverade elektrolytelementet överför jo- ner endast när det är värmt över en viss temperatur. Den tröskelenergi som behövs för aktivering av elektrolytele- mentet är alltså lika med den energi som behövs för ök- 10 15 20 25 30 35 10 ning av elektrolytelementets temperatur från dess initia- la temperatur till aktiveringstemperaturen. Den faktiska mängden energi som behövs för denna temperaturökning be- ror uppenbarligen pà elektrolytelementets volym och vär- mekapacitet.The heat-activated electrolyte element transmits ions only when it is heated above a certain temperature. The threshold energy required for activating the electrolyte element is thus equal to the energy required for increasing the temperature of the electrolyte element from its initial temperature to the activating temperature. The actual amount of energy required for this temperature increase obviously depends on the volume and heat capacity of the electrolyte element.
Tröskelenergin för aktivering av elektrolytelementet beror med andra ord pà valet av elektrolytförening och dess volym, men också pá elektrolytens initiala tempera- tur. En större mängd energi behövs därför om elektrolyten är mycket kall än om den är varm. Strömkällan skall emel- lertid företrädesvis kunna arbeta i temperaturer mellan - 40°C och +70°C, och energiförstärkningen skall därför vara tillräcklig även om elektrolyten initialt är -40°C kall.In other words, the threshold energy for activating the electrolyte element depends on the choice of electrolyte compound and its volume, but also on the initial temperature of the electrolyte. A larger amount of energy is therefore needed if the electrolyte is very cold than if it is hot. However, the power source should preferably be able to operate in temperatures between -40 ° C and + 70 ° C, and the energy boost should therefore be sufficient even if the electrolyte is initially -40 ° C cold.
I syfte att minimera tiden mellan mottagning av den initiala initieringssignalen (värmeenergisignalen) och tillhandahållandet av en elektrisk spänning, skall de re- spektive elementen ha små volymer och stora kontaktytor.In order to minimize the time between receiving the initial initiation signal (heat energy signal) and providing an electrical voltage, the respective elements should have small volumes and large contact areas.
Den totala värmeenergi som behövs för aktivering av elek- trolyten minimeras därmed tack vare den lilla volymen, och hastigheten för värmeenergiöverföringen maximeras tack vare att de ytor som exponeras för värmen är stora.The total heat energy required for activating the electrolyte is thus minimized due to the small volume, and the speed of the heat energy transfer is maximized due to the large areas exposed to the heat.
Stora kontaktytor accelererar dessutom den elektrokemiska processen, eftersom denna är baserad pà jonutbyte mellan de respektive elementen. Av denna anledning har tunna, cirkulära element befunnits vara de mest effektiva for- merna för de respektive elementen, och hylsan är därför företrädesvis cylindrisk. Anodelementet, elektrolytele- mentet och katodelementet är vidare staplade i direkt kontakt med varandra och bildar tillsammans en enhetlig kropp. Därmed maximeras gränsytorna och därigenom också värmeöverföringen mellan de respektive elementen.Large contact surfaces also accelerate the electrochemical process, as this is based on ion exchange between the respective elements. For this reason, thin, circular elements have been found to be the most effective shapes for the respective elements, and the sleeve is therefore preferably cylindrical. The anode element, the electrolyte element and the cathode element are further stacked in direct contact with each other and together form a uniform body. This maximizes the interfaces and thereby also the heat transfer between the respective elements.
Beroende på aktuell tillämpning kan antingen katod- elementet eller anodelementet användas som värmeenergi- förstärkande element. I enlighet med en utföringsform fungerar alltså katodelementet som det andra (värmeför- stärkande) elementet och fungerar anodelementet som det första elementet (elektroden). Den omvända konfiguratio- 10 15 20 25 30 35 ll nen har emellertid befunnits ge än högre spänningar för många materialsammansättningar. I enlighet med en annan' utföringsform fungerar därför anodelementet som det andra (värmeförstärkande) elementet och fungerar katodelementet som det första elementet (elektroden).Depending on the current application, either the cathode element or the anode element can be used as heat energy amplifying elements. In accordance with one embodiment, the cathode element thus functions as the second (heat-amplifying) element and the anode element functions as the first element (electrode). However, the reverse configuration has been found to give even higher stresses for many material compositions. According to another embodiment, therefore, the anode element functions as the second (heat-amplifying) element and the cathode element functions as the first element (electrode).
I en sprängkapseltillämpning tar exempelvis typiskt det andra värmeenergiförstärkande elementet emot en vär- meenergisignal från ett stötvågsrör. En signal i ett stötvågsrör är tillräcklig för aktivering av strömkällan enligt föreliggande uppfinning fastän signalen är ganska liten, eftersom signalen inte behöver aktivera den värme- aktiverade elektrolyten i sig. Istället behöver signalen i stötvågsröret endast initiera (d.v.s. antända) det vär- meförstärkande elementet, vilket i sin tur ger den bety- dande värmeenergisignal som behövs för befrämjande av tillräckligt korta fördröjningstider (d.v.s. tillräckligt snabb uppvärmning av elektrolytelementet).In a detonator application, for example, the second heat energy amplifying element typically receives a heat energy signal from a shock wave tube. A signal in a shock wave tube is sufficient to activate the current source according to the present invention, although the signal is quite small, since the signal does not have to activate the heat-activated electrolyte itself. Instead, the signal in the shock wave tube only needs to initiate (i.e. ignite) the heat amplifying element, which in turn provides the significant heat energy signal needed to promote sufficiently short delay times (i.e., sufficiently rapid heating of the electrolyte element).
I enlighet med en utföringsform innefattar det andra elementet dessutom ett joniskt aktivt material utöver det värmeenergiförstärkande materialet. Det andra elementet innefattar sålunda två material, ett material som är jo- niskt aktivt och som deltar i den elektrolytiska proces- sen, samt ett material som ger den värmeförstärkande egenskapen. I ett sådant fall är det viktigt att de två materialen är väl integrerade till ett enhetligt element, i syfte att befrämja värmetransport till det värmeaktive- rade elektrolytelementet. Denna utföringsform är fördel- aktig genom att de respektive materialen kan optimeras för deras respektive funktion. Det joniskt aktiva materi- alet är företrädesvis anordnat vänt mot elektrolytelemen- tet och det värmeförstärkande materialet kan då vara an- ordnat vänt mot den motsatta sidan av elementet, som så- lunda svarar pà en värmeinitieringssignal.In accordance with one embodiment, the second element further comprises an ionically active material in addition to the heat energy reinforcing material. The second element thus comprises two materials, a material which is ionically active and which participates in the electrolytic process, and a material which gives the heat-amplifying property. In such a case, it is important that the two materials are well integrated into a single element, in order to promote heat transport to the heat-activated electrolyte element. This embodiment is advantageous in that the respective materials can be optimized for their respective function. The ionically active material is preferably arranged facing the electrolyte element and the heat-reinforcing material can then be arranged facing the opposite side of the element, which thus responds to a heat initiation signal.
Användning av två material kan emellertid begränsa initieringshastigheten, eftersom den värme som avges av det värmeförstärkande materialet först måste färdas genom det joniskt aktiva materialet innan det når elektrolyte- 10 15 20 25 30 35 526 629 12 lementet. I enlighet med en annan utföringsform innefat- tar därför det andra elementet endast ett material, vil- ket är både värmeförstärkande och joniskt aktivt. Detta är fördelaktigt eftersom det andra elementet då kan göras kompaktare, och eftersom den avgivna värmen träffar elek- trolyten direkt.However, the use of two materials may limit the rate of initiation, since the heat given off by the heat-reinforcing material must first travel through the ionically active material before it reaches the electrolyte element. In accordance with another embodiment, the second element therefore comprises only one material, which is both heat-reinforcing and ionically active. This is advantageous because the second element can then be made more compact, and because the heat emitted hits the electrolyte directly.
I det fall det andra elementet innefattar endast ett material, är elementet företrädesvis mellan 2 mm och 5 mm tjockt, och mest föredraget omkring 3 mm tjockt. I det fall det andra elementet innefattar ett joniskt aktivt material och ett värmeförstärkande material, är dessa fö- reträdesvis anordnade i separata skikt, så som beskrivs ovan. Det värmeförstärkande skiktet är då företrädesvis mellan 2 mm och 5 mm, och mest föredraget omkring 3 mm, tjockt, medan det joniskt aktiva skiktet företrädesvis är mellan 0,1 mm och 3 mm, och mest föredraget omkring 0,3 mm, tjockt (vilket typiskt är en lämplig minsta tjocklek för enkel tillverkning).In case the second element comprises only one material, the element is preferably between 2 mm and 5 mm thick, and most preferably about 3 mm thick. In case the second element comprises an ionically active material and a heat-reinforcing material, these are preferably arranged in separate layers, as described above. The heat-reinforcing layer is then preferably between 2 mm and 5 mm, and most preferably about 3 mm, thick, while the ionically active layer is preferably between 0.1 mm and 3 mm, and most preferably about 0.3 mm, thick (which typically is a suitable minimum thickness for easy manufacture).
Det första av nämnda anod- och katodelement skall företrädesvis vara mellan 0,1 mm och 5 mm tjockt, och mest föredraget omkring 3 mm.The first of said anode and cathode elements should preferably be between 0.1 mm and 5 mm thick, and most preferably about 3 mm.
I enlighet med en utföringsform av uppfinningen in- nefattar katodelementet en förening som är vald från gruppen bestående av wolfram, molybden, tenn, bly, plati- na, palladium, silver och guld. Föreningen som bildar ka- toden är företrädesvis i form av ett komprimerat pulver.In accordance with one embodiment of the invention, the cathode element comprises a compound selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, tin, lead, platinum, palladium, silver and gold. The compound which forms the cathode is preferably in the form of a compressed powder.
I enlighet med en utföringsform av uppfinningen in- nefattar anodelementet en förening som är vald fràn grup- pen bestående av aluminium, zink, magnesium och järn. Den förening som bildar anodelementet föreligger företrädes- vis i form av komprimerat pulver. Anodelementet skulle emellertid alternativt kunna vara bildat av en fast kropp, t.ex. en folie eller en skiva.In accordance with one embodiment of the invention, the anode element comprises a compound selected from the group consisting of aluminum, zinc, magnesium and iron. The compound which forms the anode element is preferably in the form of a compressed powder. However, the anode element could alternatively be formed by a solid body, e.g. a foil or a disc.
Elektrolyten skall företrädesvis ha ett snabbt och tydligt uppträdande vid switchning från det jonisolerande tillståndet till det jonledande tillståndet. Snabbheten behövs naturligtvis i syfte att hålla nere fördröjnings- 10 15 20 25 30 35 6 f» f» ä.. 13 tiderna (i själva verket den tid det tar för att aktivera strömkällan), men denna tydlighet är lika viktig för syf- tet att ge den begärda tidsnoggrannheten. I enlighet med en utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar således det värmeaktiverade elektrolytelementet en före- ning som är vald från den grupp som består av LiAlClM LiBF4, LiCl och LiBr. Dessa föreningar har befunnits vara speciellt bra för âstadkommande av snabba och noggranna aktiveringsprocesser, d.v.s. de switchar snabbt och tyd- ligt från det jonisolerande tillståndet till det jonle- dande tillståndet. Oberoende av det speciella valet av förening, är föreningen företrädesvis en granulerad före- ning eller en förening i kristallint eller polykristal- lint tillstànd.The electrolyte should preferably have a fast and clear behavior when switching from the ion-insulating state to the ion-conducting state. The speed is of course needed in order to keep down the delay times (in fact the time it takes to activate the power source), but this clarity is equally important for the purpose. to provide the requested time accuracy. Thus, in accordance with one embodiment of the present invention, the heat-activated electrolyte element comprises a compound selected from the group consisting of LiAlClM LiBF 4, LiCl and LiBr. These compounds have been found to be particularly good for achieving rapid and accurate activation processes, i.e. they switch quickly and clearly from the ion-insulating state to the ion-conducting state. Regardless of the particular choice of compound, the compound is preferably a granular compound or a compound in the crystalline or polycrystalline state.
Oberoende av vilken speciell förening som väljs för elektrolytelementet, skall elektrolyten företrädesvis uppvisa en negativ temperaturkoefficient för jonresi- stans, samt plötslig ökning av jonkonduktivitet (switch- ning), helst i temperaturintervallet 200°C - 250°C.Regardless of which particular compound is selected for the electrolyte element, the electrolyte should preferably have a negative temperature coefficient for ionic resistance, as well as a sudden increase in ionic conductivity (switching), preferably in the temperature range 200 ° C - 250 ° C.
Elektrolytelementet skall företrädesvis vara så tunt som möjligt, i syfte att minimera värmesvarstiden. Till- verkningsvillkor kan emellertid begränsa elektrolytele- mentets utformning. I en speciellt utföringsform är elektrolytelementet typiskt omkring 0,3 mm tjockt.The electrolyte element should preferably be as thin as possible, in order to minimize the heat response time. However, manufacturing conditions can limit the design of the electrolyte element. In a particular embodiment, the electrolyte element is typically about 0.3 mm thick.
I enlighet med en utföringsform skall elektrolytele- mentet ha en temperatur över 200°C, och företrädesvis över 250°C, för att ändra tillstànd från nämnda jonisole- rande grundtillstånd till nämnda jonledande aktiva till- stånd. Tröskelenerginivån är då den mängd värmeenergi som behövs för uppvärmning av elektrolytelementet från dess initiala temperatur till 200°C respektive 250°C. Om ström- källan används i en sprängkapsel, är denna temperatur normalt tillräckligt hög för att inte påverka säkerhets- regleringar avseende sprängkapseln, eftersom sprängkap- seln typiskt innefattar en laddning som självantänder vid dessa temperaturer. 10 15 20 25 30 35 14 De ovan definierade kraven för strömkällor till sprängkapslar är önskvärda inte bara för detonatortil- lämpningar, utan även för en rad andra tillämpningar. Ex- empel på sådana alternativa tillämpningar skulle kunna vara brandlarm, rymdfärjor, kraftreserver etc. Det inses alltså att strömkällor som uppfyller ovannämnda krav kom- mer att ha alternativa användningsområden utanför spräng- kapslar, och varje sådan alternativ användning liggeri alltså inom ramen för föreliggande uppfinning. Det skall emellertid noteras att de krav som ställs på den värmeak- tiverade strömkällan i enlighet med föreliggande uppfin- ning är mycket specifika och uppfylls inte tillnärmelse- vis av strömkällor enligt den kända tekniken som används för andra tillämpningar. Strömkällan enligt föreliggande uppfinning tillhandahåller därför nya möjligheter, inte bara för detonatortillämpningar utan även för en rad and- ra tillämpningar.According to an embodiment, the electrolyte element must have a temperature above 200 ° C, and preferably above 250 ° C, in order to change the state from said ion-insulating basic state to said ion-conducting active state. The threshold energy level is then the amount of heat energy needed to heat the electrolyte element from its initial temperature to 200 ° C and 250 ° C, respectively. If the power source is used in a detonator, this temperature is normally high enough not to affect safety regulations regarding the detonator, since the detonator typically includes a charge that ignites automatically at these temperatures. 10 15 20 25 30 35 14 The above-defined requirements for power sources for detonators are desirable not only for detonator applications, but also for a variety of other applications. Examples of such alternative applications could be fire alarms, space shuttles, power reserves, etc. It is thus understood that power sources that meet the above requirements will have alternative uses outside of detonators, and any such alternative use is thus within the scope of the present invention. . It should be noted, however, that the requirements imposed on the heat-activated power source in accordance with the present invention are very specific and are not substantially met by prior art power sources used for other applications. The power source of the present invention therefore provides new possibilities, not only for detonator applications but also for a number of other applications.
Den värmeaktiverade strömkällan i enlighet med före- liggande uppfinning kan alltså användas för många olika tillämpningar. Beroende på aktuell tillämpning kan den värmesignal som det andra, värmeförstärkande elementet svarar på (d.v.s. den värmesignal som antänder det värme- förstärkande elementet) ha många olika ursprung. Om strömkällan enligt uppfinningen används i ett brandlarm alstrar exempelvis en ökande omgivningstemperatur vid brand en tillräcklig värmesignal. För det fall då ström- källan används i en pyroelektronisk sprängkapsel alstras emellertid den initierande värmeenergisignalen typiskt av ett stötvágsrör eller liknande. I enlighet med ännu en utföringsform, är sålunda förstärkningselementet anpassat att antändas av en värmeenergisignal som tillhandahàlles från ett stötvâgsrör.The heat-activated power source in accordance with the present invention can thus be used for many different applications. Depending on the current application, the heat signal to which the second heat-strengthening element responds (i.e. the heat signal which ignites the heat-strengthening element) can have many different origins. If the power source according to the invention is used in a fire alarm, for example, an increasing ambient temperature in the event of a fire generates a sufficient heat signal. However, in the case where the power source is used in a pyroelectronic detonator, the initiating heat energy signal is typically generated by a shock wave tube or the like. Thus, in accordance with yet another embodiment, the gain element is adapted to be ignited by a heat energy signal provided from a shock wave tube.
Sá som har angivits ovan lämpar sig den värmeaktive- rade strömkällan enligt föreliggande uppfinning väl för användning i en sprängkapsel. En annan aspekt pà förelig- gande uppfinning tillhandahàlles således en sprängkapsel som innefattar en värmeaktiverad strömkälla enligt ovan, 10 15 20 25 30 35 15 en elektronisk fördröjningskrets, och en detonerande laddning. Sprängkapseln är företrädesvis av en typ som används för civilt bruk i kommersiell sprängningsutrust- ning. Den elektroniska fördröjningskretsen är anpassad att ta in elektrisk ström frán nämnda strömkälla och att mata ut en elektrisk signal som initierar nämnda pyrotek- niska laddning i sprängkapseln. Tack vare prestandan hos den uppfinningsenliga strömkällan, kan en sådan spräng- kapsel ge mycket noggranna fördröjningstider som sträcker sig från nâgra få millisekunder till tiotals sekunder.As stated above, the heat-activated power source of the present invention is well suited for use in a detonator. Thus, another aspect of the present invention is provided by an explosive capsule comprising a heat-activated power source as above, an electronic delay circuit, and a detonating charge. The detonator is preferably of a type used for civilian use in commercial detonation equipment. The electronic delay circuit is adapted to receive electrical current from said current source and to output an electrical signal which initiates said pyrotechnic charge in the detonator. Thanks to the performance of the power source according to the invention, such a detonator can give very accurate delay times ranging from a few milliseconds to tens of seconds.
Den elektriska signalen som tillhandahàlles av den värmeaktiverade strömkällan behandlas sålunda i den elek- troniska fördröjningskretsen, varpå en mer eller mindre fördröjd elektrisk initieringssignal matas ut, vilken initierar laddningen i sprängkapseln. För detta ändamål, i enlighet med en utföringsform, innefattar sprängkapseln vidare ett initieringselement som har till uppgift att initiera nämnda pyrotekniska laddning i sprängkapseln med hjälp av nämnda elektriska initieringssignal. Initie- ringselementet kan exempelvis vara en tändpärla av något slag.The electrical signal provided by the heat-activated power source is thus processed in the electronic delay circuit, whereupon a more or less delayed electrical initiation signal is output, which initiates the charge in the detonator. For this purpose, according to an embodiment, the detonator further comprises an initiation element which has the task of initiating said pyrotechnic charge in the detonator by means of said electrical initiation signal. The initiating element can, for example, be an ignition bead of some kind.
Beroende på aktuell tillämpning, kanske den värmeak- tiverade strömkällan inte kan ge ström under hela spräng- kapselns fördröjningstid. En större livslängd för ström- källan kräver större volymer och dimensioner för anod-, elektrolyt- och katodelementen. Så som har nämnts ovan är dimensionerna kritiska faktorer vid minskning av aktive- ringstiden. Ofta är det därför föredraget att använda en strömkälla med en livslängd som är kortare än den önskade fördröjningstiden för sprängkapseln. I enlighet med en utföringsform innefattar därför den elektroniska fördröj- ningskretsen en kondensator som är anpassad att lagra elektrisk energi från strömkällan under en fördröjnings- tid för nämnda elektroniska fördröjningskrets.Depending on the current application, the heat-activated power source may not be able to supply power during the entire detonation time of the detonator. A longer life for the power source requires larger volumes and dimensions for the anode, electrolyte and cathode elements. As mentioned above, the dimensions are critical factors in reducing the activation time. Therefore, it is often preferable to use a power source with a life that is shorter than the desired delay time for the detonator. According to an embodiment, therefore, the electronic delay circuit comprises a capacitor adapted to store electrical energy from the current source for a delay time of said electronic delay circuit.
I enlighet med ännu en utföringsform innefattar sprängkapseln vidare en metallkapsel som bildar hylsan för strömkällan och som vidare innehåller den elektronis- 10 15 20 25 30 35 52 CA Ch RJ \3 16 ka fördröjningskretsen och den detonerande laddningen.According to yet another embodiment, the detonator further comprises a metal capsule which forms the sleeve for the power source and which further contains the electronic delay circuit and the detonating charge.
Den metalliska kapseln fungerar alltså som ett elektriskt anslutningselement mellan det andra elementet i nämnda strömkälla och nämnda elektroniska fördröjningskrets.The metallic capsule thus functions as an electrical connection element between the second element in said current source and said electronic delay circuit.
Enligt en annan aspekt tillhandahåller uppfinningen ett detonatorsystem som innefattar en sprängkapsel enligt uppfinningen så som har definierats ovan, samt ett stöt- vágsrör. Stötvågsröret är sammankopplat med strömkällan enligt uppfinningen och har till uppgift att antända det andra (värmeförstärkande) elementet.In another aspect, the invention provides a detonator system comprising a detonator according to the invention as defined above, as well as a shock wave tube. The shock wave tube is connected to the current source according to the invention and has the task of igniting the second (heat-amplifying) element.
En stor fördel med den värmeaktiverade strömkällan i enlighet med föreliggande uppfinning är att den underlät- tar tillverkning, exempelvis med befintlig tillverknings- utrustning för tillverkning av traditionella pyrotekniska sprängkapslar. I enlighet med en aspekt på föreliggande uppfinning tillhandahålles sålunda ett förfarande för tillverkning av en sådan värmeaktiverad strömkälla som har beskrivits. Enligt detta förfarande pressas vart och ett av det första elementet, det andra elementet och elektrolytelementet separat in i hylsan. Beroende på vil- ka material som används, kan dessa tillverkningssteg ty- piskt utföras utan något behov av förhållanden med inert gas. I fall då de respektive materialen är granulerade eller i form av ett pulver, doseras typiskt varje materi- al och hälls in i hylsan innan det komprimeras till ett komprimerat element vilket utgör en del av den enhetliga anod/elektrolyt/katod-kroppen.A major advantage of the heat-activated power source in accordance with the present invention is that it facilitates manufacturing, for example with existing manufacturing equipment for the manufacture of traditional pyrotechnic detonators. Thus, in accordance with one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing such a heat activated power source as has been described. According to this method, each of the first element, the second element and the electrolyte element is pressed separately into the sleeve. Depending on the materials used, these manufacturing steps can typically be performed without any need for inert gas conditions. In cases where the respective materials are granulated or in the form of a powder, each material is typically dosed and poured into the sleeve before it is compressed into a compressed element which forms part of the unitary anode / electrolyte / cathode body.
Då strömkällan skall användas i en sprängkapsel, kan den tillverkas direkt i själva sprängkapseln.When the power source is to be used in a detonator, it can be manufactured directly in the detonator itself.
Kortfattad beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att beskrivas utförligt med hänvisning till de bifogade, exemplifierande ritningarna, på vilka: Fig. l visar ett tvärsnitt av en första utförings- form av den värmeaktiverade strömkällan enligt förelig- gande uppfinning, 10 15 20 25 30 35 526 G29 17 Fig. 2 visar ett tvärsnitt av en andra utföringsform av den värmeaktiverade strömkällan enligt föreliggande uppfinning, Fig. 3 visar ett tvärsnitt av en utföringsform av en sprängkapsel som innefattar en värmeaktiverad strömkälla enligt föreliggande uppfinning.Brief Description of the Drawings The invention will now be described in detail with reference to the accompanying, exemplary drawings, in which: Fig. 1 shows a cross-section of a first embodiment of the heat-activated power source according to the present invention, Fig. 2 shows a cross section of a second embodiment of the heat-activated power source according to the present invention, Fig. 3 shows a cross-section of an embodiment of a detonator comprising a heat-activated power source according to the present invention.
Utförlig beskrivning av uppfinningen Exempel på föreningar som potentiellt skulle kunna användas i den värmeaktiverade elektrolyten innefattar salter, så som BaSO4, Li2SO4, LiBF4, LiAlCl4, NaBF4, KCl, NaCl, LiCl, AlCl, ZnCl, LiF, LiBr; ammoniumföreningar så som NH4Cl, (NHQZSO4, AlNH4(SOU2, organiska föreningar så som litiumformat LiOOCHdbO, polyetenoxid etc. De mest lo- vande för uppfyllande av kraven på aktiveringshastighet är dock LiAlCl4, LiBF4, LiCl och LiBr. Det skall emeller- tid inses att godtycklig konventionell eller ny värmeak- tiverad elektrolyt som uppfyller plötslig ökning av kon- duktiviteten (switchning) i temperaturintervallet 200°C - 250°C kan användas med föreliggande uppfinning.Detailed Description of the Invention Examples of compounds that could potentially be used in the heat activated electrolyte include salts such as BaSO 4, Li 2 SO 4, LiBF 4, LiAlCl 4, NaBF 4, KCl, NaCl, LiCl, AlCl, ZnCl, LiF, LiBr; ammonium compounds such as NH4Cl, (NHQ2SO4, AlNH4 (SOU2), organic compounds such as lithium formate LiOOCHdbO, polyethylene oxide, etc. However, the most promising for meeting the activation rate requirements are LiAlCl4, LiBF4, LiCl and LiBr. However, it should be understood that any conventional or new heat-activated electrolyte which satisfies a sudden increase in conductivity (switching) in the temperature range 200 ° C - 250 ° C can be used with the present invention.
Beroende på den elektroniska krets som används i fördröjningsenheten i sprängkapseln enligt uppfinningen, skulle spänningen kunna behöva bibehàllas under hela för- dröjningstiden. Alternativt skulle kretsen kunna vara ut- rustad med en kondensator, varvid det medges användning av kortare spänningspulser vilka kan lagras i kondensa- torn. Användningen av kondensatorer tar bort kravet att strömkällan skall mata ut ström under hela fördröjnings- tiden, och förenklar därmed utformningsspecifikationen.Depending on the electronic circuit used in the delay unit of the detonator according to the invention, the voltage might need to be maintained throughout the delay time. Alternatively, the circuit could be equipped with a capacitor, allowing the use of shorter voltage pulses which can be stored in the capacitor. The use of capacitors removes the requirement that the power source must supply current throughout the delay time, thus simplifying the design specification.
En möjlig utföringsform av strömkällan enligt före- liggande uppfinning visas i figur 1. I enlighet med denna utföringsform är strömkällan 100 inmonterad i en spräng- kapsel, och använder sprängkapselns metalliska skal som hylsa 108. Strömkällan bildar därför en integrerad del i sprängkapseln. Strömkällan enligt denna utföringsform in- nefattar alltså en metallisk hylsa 108, som bildar en in- tegrerad del av sprängkapseln, ett anodelement 102 som 10 15 20 25 30 35 18 utgörs av en pyroteknisk komposition (t.ex. FenOm/Al) som är inpressad i en skål 101 av aluminium. Den pyrotekniska kompositionen enligt denna utföringsform fungerar både som ett värmeförstärkande element och som ett joniskt ak- tivt parti av anodelementet. Enligt en speciell utfö- ringsform används järn-aluminium-termit med ett överskott av aluminium och med formeln [30%Al/70%Fe2O3]+70%Al20 i anodelementet 102. Föreningen Alm är huvudsakligen ett aluminiumpulver med en partikelstorlek på omkring 20 um, och finns kommersiellt tillgängligt från exempelvis ALFA AESAR. Brinnhastigheten för 3 mm av en sådan anodförening är omkring 20 +/- 1 ms, varpå en värmestötvåg läggs på elektrolytelementet 104. Strömkällan innefattar vidare ett katodelement 105 och ett elektrolytelement 104. Ka- todelementet är inpressat i en elektriskt isolerande tub 107 av plast, och hela strömkällan är staplad i den me- talliska hylsan 108. Enligt denna utföringsform är katod- elementet 105 bildat av wolframpulver som är inpressat i plasttuben 107. Vid uppvärmning joniseras elektrolytele- mentet och strömkällan övergår till ett aktivt tillstànd på 7-8 ms, varvid en elektrisk spänning 106 tillhandahål- les mellan den metalliska hylsan och katodelementet (d.v.s. elektroden). I denna utföringsform används alltså anodelementet som ett värmeförstärkande element och är bildat av en enstaka del.A possible embodiment of the current source according to the present invention is shown in Figure 1. In accordance with this embodiment, the current source 100 is mounted in an explosive capsule, and uses the metallic shell of the detonator as sleeve 108. The current source therefore forms an integral part of the detonator. The current source according to this embodiment thus comprises a metallic sleeve 108, which forms an integral part of the detonator, an anode element 102 which is constituted by a pyrotechnic composition (eg FenOm / Al) which is pressed into a bowl 101 of aluminum. The pyrotechnic composition according to this embodiment functions both as a heat-amplifying element and as an ionically active portion of the anode element. According to a special embodiment, iron-aluminum termite is used with an excess of aluminum and with the formula [30% Al / 70% Fe 2 O 3] + 70% Al 2 O in the anode element 102. The compound Alm is mainly an aluminum powder with a particle size of about 20 μm. , and is commercially available from, for example, ALFA AESAR. The burn rate for 3 mm of such an anode compound is about 20 +/- 1 ms, whereupon a heat shock wave is applied to the electrolyte element 104. The current source further comprises a cathode element 105 and an electrolyte element 104. The cathode element is pressed into an electrically insulating tube 107 of plastic, and the entire current source is stacked in the metal sleeve 108. According to this embodiment, the cathode element 105 is formed of tungsten powder which is pressed into the plastic tube 107. Upon heating, the electrolyte element is ionized and the current source changes to an active state of 7-8 ms. wherein an electrical voltage 106 is provided between the metallic sleeve and the cathode element (ie the electrode). In this embodiment, the anode element is thus used as a heat-reinforcing element and is formed by a single part.
Figur 2 visar en andra utföringsform av den värmeak- tiverade strömkällan, varvid det värmeförstärkande ele- mentet innefattar två separata delar, en joniskt aktiv del 203 och en värmeenergiförstärkande del 202. Enligt denna utföringsform finns strömkällan i en metallisk hyl- sa 201 och innefattar ett anodelement 202, 203, ett elek- trolytelement 204 och ett katodelement 205. Katodelemen- tet är inpressat i en plasttub 207. ett joniskt aktivt material 203 och ett tändmaterial 202.Figure 2 shows a second embodiment of the heat-activated power source, wherein the heat amplifying element comprises two separate parts, a ionically active part 203 and a heat energy amplifying part 202. According to this embodiment, the current source is in a metallic sleeve 201 and comprises a anode element 202, 203, an electrolyte element 204 and a cathode element 205. The cathode element is pressed into a plastic tube 207. an ionically active material 203 and an ignition material 202.
Anodelementet innefattar sålunda tvâ material: Tändmaterialet 202 utgörs företrädesvis av någon pyrotek- nisk komposition som uppvisar en brinnhastighet med hög 10 15 20 25 30 35 19 precision. Detta kan exempelvis åstadkommas genom lämp- ligt val av komprimerat pulver, så som Pb3O4/Si, Bi2O3/Si etc. Det joniskt aktiva materialet 203 utgörs företrädes- vis av ett pulver, en platta, en skiva, en disk etc. som är bildad från en metall så som aluminium, zink, magnesi- um eller järn. Den värmeaktiverade strömkällan är sålunda anordnad att tillhandahålla en spänning 206 mellan katod- elementet (d.v.s. elektrodelementet) och hylsan.The anode element thus comprises two materials: The ignition material 202 preferably consists of some pyrotechnic composition which has a burning rate with high precision. This can be accomplished, for example, by appropriate selection of compressed powder, such as Pb 3 O 4 / Si, Bi 2 O 3 / Si, etc. The ionically active material 203 is preferably a powder, a plate, a disk, a disk, etc. from a metal such as aluminum, zinc, magnesium or iron. The heat-activated current source is thus arranged to provide a voltage 206 between the cathode element (i.e. the electrode element) and the sleeve.
Elektrolytelementet 104, 204 kan vara sådant att det smälter när det switchar från det jonisolerande tillstån- det till det jonledande tillståndet, eller det skulle kunna vara av något annat slag. Det är emellertid viktigt att materialet blir aktivt (d.v.s. börjar leda joner) inom ett mycket kort tidsintervall (företrädesvis inom 3 ms) från det att värmeenergipulsen från anodelementet har mottagits. Katodelementet utgörs företrädesvis, pre- cis som anodelementet, av ett pulver, an platta, en skiva eller en disk bildad av en metall. Företrädesvis är me- tallen en av följande: wolfram, molybden, tenn, bly, pla- tina, palladium, silver eller guld.The electrolyte element 104, 204 may be such that it melts when it switches from the ion-insulating state to the ion-conducting state, or it could be of some other kind. However, it is important that the material becomes active (i.e. begins to conduct ions) within a very short time interval (preferably within 3 ms) from the time the heat energy pulse from the anode element has been received. The cathode element preferably consists, just like the anode element, of a powder, a plate, a disk or a disk formed of a metal. Preferably the metal is one of the following: tungsten, molybdenum, tin, lead, platinum, palladium, silver or gold.
Den värmeaktiverade strömkällan har företrädesvis cylindrisk form, vilket är föredraget både ur tillverk- ningssynpunkt och för maximering av gränsytorna mellan de respektive elementen. I utföringsformerna ovan är ström- källas dimensioner typiskt någonstans mellan 3 mm och 20 mm i diameter och mellan 5 mm och 20 mm i längd.The heat-activated power source preferably has a cylindrical shape, which is preferred both from a manufacturing point of view and for maximizing the interfaces between the respective elements. In the above embodiments, the dimensions of the power source are typically somewhere between 3 mm and 20 mm in diameter and between 5 mm and 20 mm in length.
Figur 3 visar en hel sprängkapsel 300 som innefattar ett stötvâgsrör 301, en propp 302 för stötvàgsröret, en metallisk och cylindrisk kapsel 303 och en värmeaktiverad strömkälla 304 i enlighet med föreliggande uppfinning.Figure 3 shows an entire detonator 300 comprising a shock wave tube 301, a shock wave tube plug 302, a metallic and cylindrical capsule 303 and a heat activated current source 304 in accordance with the present invention.
Strömkällans 304 två polariteter är elektriskt samman- kopplade med en fördröjningskrets direkt via elektrodele- mentet 307 i strömkällan respektive via kapseln 303.The two polarities of the current source 304 are electrically connected to a delay circuit directly via the electrode element 307 in the current source and via the capsule 303, respectively.
Följaktligen finns det inget behov av ytterligare tråd- dragning i kapseln. Kapseln innefattar vidare en elektro- nisk fördröjningskrets 305 för åstadkommande av önskad fördröjningstid, en tändpärla 306 och en laddning 307 för 10 15 20 25 30 35 526 679 20 sprängkapseln. Den uppfinningsenliga sprängkapseln kan därmed utformas så att den uppträder och fungerar på sam- ma sätt som rent pyrotekniska sprängkapslar. Därmed kan den handhas av varje person som är utbildad på sådana rent pyrotekniska sprängkapslar utan ytterligare instruk- tioner.Consequently, there is no need for additional wire drawing in the canister. The capsule further includes an electronic delay circuit 305 for providing the desired delay time, an igniter bead 306 and a charge 307 for the detonator. The detonator according to the invention can thus be designed so that it appears and functions in the same way as purely pyrotechnic detonators. Thus, it can be handled by any person trained on such purely pyrotechnic detonators without further instructions.
Den värmeaktiverade strömkällan enligt uppfinningen kan tillverkas med hjälp av konventionell tillverknings- utrustning. Tillverkningen innefattar typiskt ett antal doserings- och pressningscykler, under vilka de respekti- ve ingredienserna först doseras och sedan pressas in i kapseln. Eftersom den värmeaktiverade strömkällan i en- lighet med föreliggande uppfinning inte kräver någon tråddragning, utan istället använder kapseln (eller hyl- san) som en elektrisk ledare, elimineras den kända tekni- kens tillverkningssteg för tillhandahållande av dessa trådar i exakta positioner i strömkällan. Till skillnad från många strömkällor enligt den kända tekniken, finns det inget behov av förhållanden med inert gas, eftersom alla tillverkningssteg kan utföras under normala rumsbe- tingelser.The heat-activated power source according to the invention can be manufactured by means of conventional manufacturing equipment. The manufacture typically comprises a number of dosing and pressing cycles, during which the respective ingredients are first dosed and then pressed into the capsule. Since the heat-activated power source according to the present invention does not require any wiring, but instead uses the capsule (or sleeve) as an electrical conductor, the manufacturing steps of the prior art for providing these wires in exact positions in the power source are eliminated. Unlike many current sources according to the prior art, there is no need for conditions with inert gas, since all manufacturing steps can be performed under normal room conditions.
I grund och botten tillhandahåller föreliggande upp- finning en värmeaktiverad strömkälla som innefattar ett anodelement, ett katodelement och ett elektrolytelement, vilka alla är staplade i en elektriskt ledande hylsa så att de bildar en enhetlig kropp däri. Elektrolyten är av en typ som är joniskt passiv under en viss temperatur och som är joniskt aktiv över den temperaturen. Antingen anodelementet eller katodelementet har det ytterligare syftet att ge värmeförstärkningen, och förstärker sålunda den annars alltför svaga värmeenergisignalen så att den blir tillräcklig för aktivering av elektrolyten. Ström- källan är speciellt lämpad för användning vid pyroelekt- riska detonatortillämpningar, där den befrämjar mycket noggranna fördröjningstider vilka är i stort sett obero- ende av fördröjningstidens längd. Strömkällan lämpar sig för storskalig tillverkning, med bibehållna prestanda för 526 629 21 tidsfördröjningen och utan behov av speciell tillverk- ningsutrustning eller förhållanden med inert gas.Basically, the present invention provides a heat-activated current source comprising an anode element, a cathode element and an electrolyte element, all of which are stacked in an electrically conductive sleeve so as to form a unitary body therein. The electrolyte is of a type which is ionically passive below a certain temperature and which is ionically active above that temperature. Either the anode element or the cathode element has the additional purpose of providing the heat amplification, and thus amplifies the otherwise too weak heat energy signal so that it becomes sufficient for activating the electrolyte. The power source is particularly suitable for use in pyroelectric detonator applications, where it promotes very accurate delay times which are largely independent of the length of the delay time. The power source is suitable for large-scale production, with maintained performance for the time delay and without the need for special manufacturing equipment or conditions with inert gas.
Claims (21)
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE0302973A SE526629C2 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Heat-activated power source, detonator comprising the power source, detonator system comprising the detonator, and method of manufacturing the power source |
| PE2004001058A PE20050803A1 (en) | 2003-11-11 | 2004-11-02 | POWER SOURCE |
| US10/579,072 US20070068413A1 (en) | 2003-11-11 | 2004-11-03 | Power source |
| PCT/SE2004/001585 WO2005045355A1 (en) | 2003-11-11 | 2004-11-03 | Power source |
| AU2004288105A AU2004288105A1 (en) | 2003-11-11 | 2004-11-03 | Power source |
| ARP040104148A AR047768A1 (en) | 2003-11-11 | 2004-11-10 | POWER SOURCE ACTIVATED BY HEAT AND A DETONATOR THAT INCLUDES SUCH SOURCE AND A DETONATOR SYSTEM |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE0302973A SE526629C2 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Heat-activated power source, detonator comprising the power source, detonator system comprising the detonator, and method of manufacturing the power source |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SE0302973D0 SE0302973D0 (en) | 2003-11-11 |
| SE0302973L SE0302973L (en) | 2005-05-12 |
| SE526629C2 true SE526629C2 (en) | 2005-10-18 |
Family
ID=29707885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SE0302973A SE526629C2 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Heat-activated power source, detonator comprising the power source, detonator system comprising the detonator, and method of manufacturing the power source |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20070068413A1 (en) |
| AR (1) | AR047768A1 (en) |
| AU (1) | AU2004288105A1 (en) |
| PE (1) | PE20050803A1 (en) |
| SE (1) | SE526629C2 (en) |
| WO (1) | WO2005045355A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104132590B (en) * | 2014-08-04 | 2016-03-02 | 山西江阳兴安民爆器材有限公司 | Safe initiation tool |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3738872A (en) * | 1968-01-02 | 1973-06-12 | Gen Electric | Miniaturized thermal cell |
| US3750584A (en) * | 1968-03-05 | 1973-08-07 | Gen Electric | Readily manufacturable thermal cell unit for explosive projectiles |
| US4207388A (en) * | 1978-11-29 | 1980-06-10 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Copper (II) chloride-tetrachloroaluminate battery |
| SE459123B (en) * | 1987-08-14 | 1989-06-05 | Bert Jonsson | LIGHTING SYSTEM AND WAY TO INITIATE THE SAME |
| DE4427296A1 (en) * | 1994-08-02 | 1996-02-08 | Dynamit Nobel Ag | Non-electric detonator |
| BR9502995A (en) * | 1995-06-23 | 1997-09-23 | Ibq Ind Quimicas Ltda | Electronic delay detonator |
| US6818344B2 (en) * | 2002-04-12 | 2004-11-16 | Textron Systems | Thermal battery |
-
2003
- 2003-11-11 SE SE0302973A patent/SE526629C2/en not_active IP Right Cessation
-
2004
- 2004-11-02 PE PE2004001058A patent/PE20050803A1/en not_active Application Discontinuation
- 2004-11-03 AU AU2004288105A patent/AU2004288105A1/en not_active Abandoned
- 2004-11-03 US US10/579,072 patent/US20070068413A1/en not_active Abandoned
- 2004-11-03 WO PCT/SE2004/001585 patent/WO2005045355A1/en active Application Filing
- 2004-11-10 AR ARP040104148A patent/AR047768A1/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SE0302973D0 (en) | 2003-11-11 |
| PE20050803A1 (en) | 2005-10-25 |
| SE0302973L (en) | 2005-05-12 |
| AR047768A1 (en) | 2006-02-22 |
| WO2005045355A1 (en) | 2005-05-19 |
| AU2004288105A1 (en) | 2005-05-19 |
| US20070068413A1 (en) | 2007-03-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5466537A (en) | Intermetallic thermal sensor | |
| JP2002025568A (en) | Performance-improved thermobatter | |
| US5206456A (en) | Ordinance thermal battery | |
| US7377690B1 (en) | High trigger temperature lithium intermetallic thermal sensors | |
| US5006429A (en) | Externally heated thermal battery | |
| AU2003254091A8 (en) | Lead-free electric match compositions | |
| CN103877688A (en) | Self-starting thermal power generation device | |
| KR20090102254A (en) | Battery system having battery module, thermal switch, heating source and pin structure | |
| SE457380B (en) | DEFROST EXPLOSION Capsule with pre-drying agent | |
| US3625767A (en) | Thermal battery | |
| SE526629C2 (en) | Heat-activated power source, detonator comprising the power source, detonator system comprising the detonator, and method of manufacturing the power source | |
| US3960083A (en) | Igniter containing titanium hydride and potassium perchlorate | |
| US3594750A (en) | Device for measuring temperature of molten materials and method of use | |
| US20080190316A1 (en) | Initiatorless Electric Detonator | |
| US3738872A (en) | Miniaturized thermal cell | |
| US3750584A (en) | Readily manufacturable thermal cell unit for explosive projectiles | |
| US3554181A (en) | Method for the rapid reaching and maintenance of a certain temperature level | |
| US3759749A (en) | Readily manufacturable thermal cell unit for explosive projectiles | |
| US3955507A (en) | Proximity fuse | |
| JP3136903B2 (en) | Thermal battery | |
| US4054724A (en) | Isotope heated deferred action thermal batteries | |
| RU2091917C1 (en) | Pyrotechnical mixture for heater of thermal chemical current source | |
| US4123597A (en) | Thermal cells | |
| JP3283395B2 (en) | Power supply system for flying objects | |
| JPH0547946B2 (en) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NUG | Patent has lapsed |