Хімічне джерело струму

Химические источники тока (ХИТ) широко используются почти во всех областях народного хозяйства и те хники, где требуются блоки автономного энергоснабжения. Традиционными областями их применения в качестве аккумуляторов являются автомобильный транспорт, ша хтная промышленность, электрические станции, телефонная и радиосвязь, радиовещание, В последнее время большое значение приделяется использованию ХИТ в военной и космической технике, морских судах, авиации и пр., испытывающих потребность в автономных источниках с высокими электрическими и эксплуатационными свойствами. Уровень эксплуатационных характеристик химического источника проявляется, прежде всего, в его надежности и долговечности, которые в значительной степени определяются конструктивными особенностями источника. Конструкция ХИТ кроме упомянуты х электрических показателей должна обеспечивать высокую вибро- и у да рос тонкость, возможность эксплуатации источника в любом пространственном положении, а также способность безотказной работы в экстремальных условиях - повышенной температуре вн утри корпуса, высокой или, наоборот, низкой температуре окружающей среды, в условиях значительных перегрузок: при запуске космических ракет, посадке и взлете самолетов, в условиях шторма на морских суда х пр. Изготовление ХИТ серийных типов в виде аккумуляторов является в достаточной степени отработанным процессом. В основе их работы лежит явление превращения химической энергии окислительно-восстановительных процессов в электрическую. Для оптимального перехода этих энергий из одного вида в другой внутри источника необходимо наличие определенного количества так называемого "свободного" (избыточного) электролита, который восполняет объемы активных веществ, расходуемых в процессе работы источника, и поддерживает в равновесии термодинамику химических реакций. Присутствие "свободного" электролита требует специально отведенного для него пространства в корпусе источника. Оно находится в верхней его части, над электродным блоком. Электродный блок, электролит и корпус пространственно разделены. Места закрепления электродного блока, расположенные, как правило, на верхней крышке источника тока, являются концентраторами напряжения, которые под действием механических нагрузок подвергаются разрушению в первую очередь. Это неизменно приводит к смещению или отрыву блоков в конечном итоге к короткому замыканию. Устранить смещение электродов внутри емкости с электролитом, как и смещение элементов любой конструкции относительно друг друга можно лишь в том случае, когда между этими элементами нет пространственных промежутков, т.е. когда они скреплены беззазорно и представляют собой как бы единую структур у монолит. Конструкции ХИТ в процессе совершенствования претерпевали всевозможные изменения. Но до настоящего времени ни в одной из них не предусмотрена внутренняя защита электродов от смещения путем выполнения системы "электроды - электролит - корпус" в виде монолита. Известна конструкция аккумулятора, широко используемого в автомобильном транспорте, которая для предотвращения проливаемости электролита и проникновения воздуха, окисляющего активную массу отрицательных электродов, герметизируется заливочной массой, состоящей из нефтяного бума, минерального масла и вулканизированной резиновой смеси (Дасоян М.А. и др. Производство электрических аккумуляторов. Учебное пособие. Изд. 3 - е. - М.: Высш. шк., 1977. - С.253, рис.142). Недостатком этого аккумулятора является то что он не выносит больших ударных нагрузок, его корпус не защищен от механических повреждений, что чревато смещением электродного блока и возникновением короткого замыкания. Ввиду относительно больших размеров электродов такого аккумулятора они обладают и большой инерционностью. Поэтому при значительных ударных нагрузках (толчках, ударах) электроды могут сместиться относительно друг. друга или корпуса и без повреждения последнего, тем более, что для смещения в корпусе достаточно свободного пространства. Недостатки аккумулятора отражают также жесткие требования, предъявляемые к условиям его хранения и эксплуатации: источник может хранится исключительно в сухом месте, температура воздуха должна быть не ниже минус 30°C и не выше плюс 50°C. Хранение при более низкой температуре может привести к растрескиванию герметизирующей мастики, а при более высокой - к оплыванию. Более надежным с точки зрения защиты конструкции от термических воздействий извне являетсяпуговичный литиевый элемент, описанный в заявке Японии №2142057 (кл. H01M2/08, Томидзуха Кодзи и др. от 24.11.88г., опубл. 31.05.90г., "Коккай токке кохо, сер.7(1) 1990г., 51 - С.311 - 313). В элементе для увеличения срока службы в условиях повышенной температуры и влажности установлено герметизирующую прокладку, выполненную из пропилена. Недостаток источника в том, что используемая в нем термоустойчивая прокладка эффективна преимущественно в конструкциях элементов пуговичного типа, где защи щаемая ею поверхность относительно мала. Кроме того, описанный источник легко деформируется, т.к. его металлический корпус ничем не защищен от механических нагрузок, а составные части конструкции представляют собой отдельные элементы или узлы. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является погружной аккумулятор типа СП-200 или СП-680 для глубоководных батискафов (Вырыпаев В.Н. и др. Химические источники тока. Учебное пособие для хим.-техн. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1990. - С.240, с.117). Для компенсации наружного давления в конструкции аккумулятора использована специальная камера-компенсатор с эластичными стенками, заполненная электролитом, в котором размещен ряд чередующи хся пар положительных и отрицательных электродов, разделенных сепаратором. Компенсатор соединен с корпусом аккумулятора, который изготовлен из полиэтилена. Система имеет стравливающий клапан, срабатывающий при избыточном давлении внутри источника. Конструкция обеспечивает работу аккумулятора на глубине до 6000м и проведение под водой доя пяти зарядноразрядных циклов. Недостаток изобретения заключен в несовершенстве его конструкции, проявляющемся, прежде всего, в ненадежности защиты элементов аккумулятора от механического разрушения как внутреннего, так и извне. Специфика работы подводного аккумулятора такова, что в процессе медленного погружения даже на большую глубину, он, как правило, не испытывает динамических нагрузок, приводящих к смещению узлов источника. Характерная нагрузка на аккумулятор - статическая. Другими словами, корпус аккумулятора испытывает равномерное обжатие, от возможных разрушительных последствий которого он защищен эластичными стенками компенсатора. Но с возникновением динамических нагрузок, особенно резких, возможностей компенсационной камеры будет недостаточно для предотвращения смещения электродных блоков относительно друг друга. В результате смещения может произойти внутренне короткое замыкание, вследствие которого в аккумуляторе выделяется избыточное количество энергии, приводящее к перегреву, а в некоторых случаях и к взрыву источника тока. Стравливающий канал способен защитить от внутреннего избыточного давления, но не от избыточного внутреннего перегрева. Защита от механических повреждений конструкций, подобных описанному аккумулятору, неизменно приводит к увеличению их габаритов и веса. Анализируя недостатки вышеописанных изобретений следует отметить, что ни одна из конструкций не обеспечена комплексной мерой предохранения от повреждений, охватывающей одновременно защиту от разрушающего воздействия так теплового, так и механического характера. Главной причиной этого недостатка является то, что составляющие элементы конструкции смонтированы с возможностью смещения относительно друг друга при повышенных нагрузках, что снижает их сопротивляемость к механическому разрушению. Задачей предлагаемого изобретения является улучшение характеристик химического источника тока, выражающихся, прежде всего, в обеспечении комплексной защиты элементов конструкции от механического разрушения и увеличении надежности его работы. Технический результат от использования изобретения проявляется в уменьшении влияния разрушающих механических и термических факторов за счет беззазорного взаиморасположения элементов конструкции и взаимодействия защитных слоев наполнителя. Сущность изобретения заключается в том, что в химическом источнике тока, состоящем из ряда чередующи хся пар положительных и отрицательных электродов, разделенных сепаратором и заключенных в заполненную электролитом оболочку, размещенную внутри корпуса, электроды вместе с электролитом беззазорно обжаты оболочкой, а между оболочкой и корпусом расположен наполнитель, состоящий из ряда чередующи хся слоев материалов с разными механическими и теплофизическими свойствами, образующий вместе с оболочкой единый монолит. Отличие заявляемого устройства в том, что все элементы конструкции связаны в единую монолитную систему, включая заключенные в оболочку электроды и электролит. Следующее отличие изобретения заключается в том, что наполнитель содержит несколько защитных слоев, проявляющих различные свойства. Особенностью химического источника тока является то, что защитную функцию в нем выполняет не только входящие в состав наполнителя разнородные слои, а и основной узел конструкции - электродный блок, беззазорно заключенный в оболочку. Такая беззазорная сборка достигается путем плотного обжатия пакета электродных полублоков оболочкой, которая в заявляемом ХИТ выполнена из эластичного материала. Между материалом оболочки и электродами не остается никаких пространственных пустот и зазоров, а значит, и возможности для смещения электродов. Собранный таким образом узел представляет собой монолитную структуру, способную в гораздо большей степени противостоять внешним воздействиям, чем аналогичные узлы известных изобретений, собранные с пространственным разделением составляющих. Описанный узел является составной частью всей монолитной структуры ХИТ, остальная часть которой образована обжатием наложенных друг на друга слоев разнородных защитных материалов. Конструктивные особенности предлагаемого источника отражены на приведенной иллюстрации (фиг.). ХИТ состоит из оболочки 1,заполненной электролитом 2, в котором размещен электродный блок, состоящий из полублоков положительных 3 и отрицательных 4 электродов. Оболочка 1 находится в корпусе 5, отделенном от нее наполнителем, представляющим собой монолит из чередующихся слоев различных материалов 6 ... 8, выполняющих защитную функцию. Критерием подбора конкретных материалов слоев являются требования, предъявляемые к условиям эксплуатации, хранения, а также назначение источника тока. Количество защитных слоев наполнителя также варьируется в зависимости от тех же требований. Как было указано выше, наиболее часто встречающимся фактором, приводящим к потере работоспособности ХИТ, является перегрев последнего ввиду выделения внутри него избыточной энергии. Этому предшествует короткое замыкание, происходящее в большинстве случаев из-за смещения электродов относительно друг друга либо электродов относительно корпуса. В свою очередь, смещение электродов является следствием удара, вибрации, повышенной нагрузки и пр., т.е. механического воздействия. Так, налицо два взаимосвязанных разрушающих фактора, от которых необходимо оградить конструкцию в первую очередь: термический и механический. Поэтому для отбора избыточного тепла от стенок оболочки, в которой расположен электродный блок, ее заключают в защитную оболочку 6 из теплопоглощающего материала с низкой температурой плавления, который аккумулирует избыток энергии. Таким материалом может быть, например, парафин, пластик, низкоплавкие металлические сплавы, теплопоглощающие соли и т.д. Изоляция электродного блока от источника возникновения коротких замыканий и возможных деформаций осуществляется с помощью материала, способного амортизировать и смягчать ударное действие механических нагрузок. В случае, если ХИТ претерпит внезапный удар, толчок, падение и пр., воздействие разрушающего усилия принимает на себя защитный слой 7. При этом нагрузка распределяется на весь объем защитного слоя который в значительной степени или полностью демпфирует или поглощает ее влияние. Наполнитель может иметь несколько амортизирующи х слоев с разной степенью поглощения механической нагрузки. Слои из более упругого материала целесообразно размещать ближе к корпусу источника тока, менее устойчивые к восприятию динамических нагрузок у стенок емкости с электродами. В заявляемом ХИТ амортизатором является не только наполнитель, а и вся конструкция. Заключенный в эластичную оболочку электродный блок уже сам по себе может противостоять всевозможным динамическим нагрузкам, а в совокупности с защищаемыми его слоями наполнителя эта способность усиливается. Непосредственно у стенок корпуса источника тока размещен армирующий слой, выполненный из пористого материала (например, стеклоткани, лавсана, стальной сетки и пр.), назначение которого - удержание формы конструкции от деформации при возникновении динамических нагрузок. Армирующий слой может присутствова ть и между другими слоями наполнителя для придания жесткости промежуточных слоям, в частности, термопластичного. Слои наполнителя имеют надежный контакт, не разрушаются в процессе эксплуатации источника и представляют собой монолитную структур у. Выполнение источника тока в виде монолитной структуры позволяет оградить ее от перегрузок и вибраций, а сочетание свойств различных материалов, находящихся в одном наполнителе, позволяет защитить конструкцию как от термического, так и механического воздействия одновременно, в отличие от известных решений, где влияние каждого из факторов устраняется отдельно. Работа предлагаемого устройства - это, по сути, проявление свойств использованных в наполнителе слоев монолитной конструкции. Так, при выделении избыточной энергии внутри источника тока выше критической прилегающий к стенкам оболочки термопластичный слой отбирает на себя избыточное тепло. При этом он либо размягчается, либо плавится - в зависимости от материала, из которого он сделан. Динамические или статические нагрузки нейтрализуются армирующим и амортизирующим защитными' слоями, а также упругими свойствами монолитной структуры. Например, локальная динамическая нагрузка (удар, падение, столкновение с другим предметом) равномерно распределяется по всему объему конструкции, теряя при этом свою разрушительную силу. Заявляемое устройство является усовершенствованным вариантом химического источника тока, обладающим улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет конструктивного исполнения и использования широкого диапазона свойств входящи х в наполнитель составляющих. ХИТ не чувствителен к кантовке, вибрации, падению, может использоваться в любом пространственном положении, имеет улучшенную герметизацию. Конструкция источника исключает воздействие электролита или высокогигроскопичной соли электролита на герметизирующие участки ХИТ. Сочетание всех эти х факторов увеличивает надежность работы источника тока и его долговечность.