Вибухобезпечна свинцева стартерна акумуляторна батарея

1. Вибухобезпечна свинцева стартерна акумуляторна батарея, що містить призматичний комірковий корпус, обладнаний комірковою кришкою з отворами для заливання електроліту й установки вентиляційних пробок і співвісно з ними циліндричними виступами на внутрішній стороні кришки, центральний газовивідний канал із двома вихідними отворами і два полюсних виводи, який відрізняється тим, що у кожну комірку кришки введена пластина, що демпфірує, з того ж матеріалу, що і кришка, що має центральний кільцевий отвір, діаметр якого дорівнює внутрішньому діаметру цилі A (54) ВИБУХОБЕЗПЕЧНА СВИНЦ ЕВА СТАРТЕРНА АКУМУЛЯТОРНА БАТАРЕЯ 40473 мпом і з'єднуються між собою сполучними смуж ками, при цьому сполучні смужки приклеюються до верхніх поверхонь розділових перегородок корпуса акумуляторної батареї (патент Німеччини (ДЕ) № 44232961, опубл. 07.04.1994, МКИ Н01М2/12). При ініційованому іскровим розрядом вибуху усередині корпуса акумуляторної батареї волокнистий мат демпфірує ударну хвилю, чим і досягається, відповідно до винаходу, зниження імовірності вибуху акумуляторної батареї. Недоліком зазначеної свинцевої стартерної акумуляторної батареї є недостатня вибухобезпечність, тому що тиск газів при вибуху на окремі ділянки волокнистого мата розподілено нерівномірно в площині кришки, у зв'язку з чим зусилля на окремі з'єднання виявляються вище граничних значень. А внаслідок того, що міцність склеювання волокнистого мата з верхніми поверхнями розділових перегородок комірок корпуса недостатньо висока внаслідок пористості структури волокнистого мата, неминучі руйнування клейового шва й окремих ділянок мата при вибуху. Крім того, розташування вихідних отворів центрального газовивідного каналу, розташованого уздовж лінії заливальних отворів, поблизу полюсних виводів не дозволяє уникнути вибухів, ініційованих іскріннями на полюсних виводах. В основу винаходу, що пропонується, поставлена задача удосконалення свинцевої стартерної акумуляторної батареї, у якій за рахунок введення додаткових вузлів і організації нового зв'язку між вузлами забезпечується рівномірний розподіл тиску газів на стінки кришки і газовивідного каналу, здійснюється гасіння ударної хвилі при ініційованому іскровим розрядом вибуху, запобігається влучення іскри усередину газовивідного каналу, і за рахунок цього забезпечується вибухобезпечність, підвищення терміну служби акумуляторної батареї, підвищення надійності експлуатації транспортного засобу з встановленою акумуляторною батареєю, виключення травматизму у екіпажів відповідних транспортних засобів. Поставлена задача вирішується тим, що у вибухобезпечній свинцевій стартерній акумуляторній батареї, що містить призматичний комірковий корпус, обладнаний комірковою кришкою з отворами для заливання електроліту й установки вентиляційних пробок і співосно з ними циліндричними виступами на внутрішній стороні кришки, центральний газовивідний канал із двома вихідними отворами і два полюсних виводи, відповідно до винаходу, у кожен осередок кришки введена пластина, що демпфірує, з того ж матеріалу, що і кришка, що має центральний кільцевий отвір, діаметр якого дорівнює внутрішньому діаметру циліндричного виступу, і ряд конусоподібних отворів, розташованих на її периферійних ділянках, більший діаметр яких виконаний з боку кришки, і орієнтованих у різних напрямках щодо вертикальної осі кришки, при цьому відношення діаметрів отвору дорівнює 2,1....2,5, відношення товщини пластини до меншого діаметра отвору дорівнює 1,5...1,7, а сумарна площа отворів складає 0,6...0,7 площі пластини, пластина закріплена на вузьких стінках комірки кришки на висоті не менш 2/3 висоти кришки і примикає до торцевої частини циліндричного виступу, що складає не менш половини висоти криш ки. Газовивідний канал виконаний П-подібним, одна частина якого збігається з лінією заливальних отворів, інша його частина - перпендикулярна лінії заливальних отворів, так що вихідні отвори газовивідного каналу встановлені на стороні кришки, протилежній стороні з полюсними виводами акумуляторної батареї, причому діаметр вихідних отворів у газовивіднім каналі складає не більше половини діаметра газовивідного каналу. Введення в кожну комірку кришки пластини, що демпфірує, з конусоподібними отворами - ряду геометричних конусоподібних дифузорів - дозволяє послабити тиск газів, що утворюються в результаті електрохімічних реакцій, при вибуху на кришку акумуляторної батареї і запобігти її руйнування. Це досягається завдяки тому, що кінетична енергія вибуху в дифузорах частково перетворюється в потенційну - на подолання внутрішнього опору дифузорів, і частково в кінетичну енергію виходу. Розрахунки показують, що (див., наприклад: Дейче М.Е. Технічна газодинаміка. - М.: Енергія, 1974. - С. 352-374), для випадку вісесиметричного руху ядра газового потоку по конусоподібному геометричному дифузорі і при малій довжині дифузора (товщини пластини) у припущенні, що відриву ламінарного шару не відбувається і при дозвукових швидкостях потоку газів, оптимальний перерозподіл кінетичної енергії газового потоку відбувається, якщо співвідношення більшого і меншого діаметрів конусного отвору (дифузора) знаходиться в інтервалі 2,1-2,5 і відношення висоти отвору (товщини пластини) до меншого діаметра конусного отвору дорівнює 1,5-1,7. Оптимальність визначена з розумінь, щоб загальмованість газового потоку була максимальною і потенційна частина енергії (идентифікована як енергія тиску на пластину) відповідала механічній міцності матеріалу пластин. Розрахунки показують, що для дозвукових швидкостей газового потоку на вході дифузорів міцність пластин з типових матеріалів для корпусів сучасних свинцевих акумуляторних батарей (ебоніт, сополімер пропилена і етилена, термопласт) при сумарній площі конусоподібних отворів у їхньому медіальному перетині, рівної 0,6...0,7 площі пластини, відповідає обраним геометричним співвідношенням подовжніх і поперечних розмірів конусоподібних отворів. Таким чином, уведення пластини з конусоподібними отворами виконує роль демпфера для прямих газових потоків при вибуху газів в акумуляторній батареї, ініційованому як зовнішніми, так і внутрішніми факторами. Причому, тому що канали отворів орієнтовані в різних напрямках щодо вертикальної осі акумуляторної батареї (інтервал кутів між вертикаллю й осьовими лініями каналів 030° - зі збільшенням до периферійних ділянок пластини), то за пластинами, з боку верхньої частини кришки, забезпечується рівномірність поля вихідних швидкостей і щільностей газів, у зв'язку з чим тиск на внутрішню поверхню кришки і на її стінки стає рівномірним, що також знижує імовірність ушкодження кришки. Крім того, відбиті від торцевої і бічних поверхонь комірок кришки газові потоки спрямовуються по конусних отворах-дифузорах у зворотну сторону, погашаючи швидкість і тиск прямих газових потоків, частково компенсуючи тиск прямих газових 2 40473 потоків на пластини, що демпфірують, на грані комірок, інтегрально - на кришку, запобігаючи руйнування останньої, викликаючи підвищення температури елементів конструкції акумуляторної батареї, що неминуче відбувається при надлишкових тисках. Закріплення пластини, що демпфірує, на вузьких стінках комірки кришки на висоті не менш 2/3 висоти кришки і примикає до торцевої частини циліндричного виступу, що складає не менш половини висоти кришки, так що їхні периферійні області вище центральної частини, що спирається на циліндричні виступи, дозволяє електроліту, що звичайно вихлюпується при нахилах, вібраціях, при підвищеннях температури і при вибуху газів, стікати в акумуляторну комірку. Крім того, при інтенсивному вибуху газів, ініційованому внутрішніми джерелами іскроутворення (трибоелектричні ефекти, коротке замикання електродів при проколах і інших порушеннях цілісності сепараторів, іскроутворення при обривах електричного ланцюга перемичка-борн-ушко), підняття ділянок кришки, що спираються на циліндричні виступи, дозволяє вийти газам, що утворяться у вільному просторі над електролітом, що також підвищує вибухобезпечність акумуляторної батареї. Виконання газовивідного каналу П-подібної форми, так що одна частина каналу збігається з лінією заливальних отворів, інша перпендикулярна першої і вихідні отвори газовивідного каналу встановлені на стороні кришки протилежній стороні з полюсними виводами акумуляторної батареї, запобігає вибухам батарей, обумовлених іскроутворенням на полюсних виводах і спостерігаються часто в акумуляторних батареях, у яких розташування вихідних отворів і полюсних виводів таке ж, як в акумуляторної батареї-прототипі. Виконання вихідних отворів газовивідного каналу з діаметром, що складає не більш половини діаметра каналу, тобто завуженими в порівнянні з перетином його основної частини, знижує імовірність влучення іскри у внутрішній простір акумуляторної батареї від усі х зовнішніх джерел іскроутворення, у тому числі і від іскрінь, що виникають унаслідок несправності електроустаткування транспортного засобу. Завуженість вихідних отворів забезпечує також рівномірний розподіл тиску газів у газовивідному каналі, а більш високий тиск у вихідних отворах утр уднює проникнення детонацій по газах у зовнішньому просторі навколо батареї усередину. Це також підвищує вибухобезпечність акумуляторної батареї. У результаті дослідження відомих у науці і техніку рішень сукупність істотних ознак, що цілком чи частково співпадаюча з сукупністю ознак за винаходом і що дозволяє вирішити поставлену задачу, не була виявлена. Отже, винахід, що пропонується, відповідає критерію "новизна". Сутність винаходу не випливає для фахівця явно з відомого рівня техніки. Сукупність ознак, що характеризують відомий пристрій, не забезпечує нових властивостей і тільки наявність відмітних ознак дозволяє одержати новий технічний результат. Отже, запропонований винахід відповідає критерію "винахідницький рівень". Пропоноване технічне рішення може бути використане в якості стартерного акумулятора в транспортних засобах із двигунами внутрішнього згоряння, а також як тяговий акумулятор в електромобілях. На фіг.1, 2 зображена вибухобезпечна свинцева стратерная акумуляторна батарея з комірковою кришкою, загальний вид, медіальний перетин; на фіг. 3 - коміркова кришка, вид знизу; на фіг. 4, 5 - осередок кришки з пластиною, що демпфірує, поперечний переріз, і фрагмент пластини, що демпфірує. Акум уляторна батарея містить призматичний комірковий корпус 1, коміркову кришку 2 з отворами 3 для заливання електроліту і циліндричними виступами 4, центральний газовивідний канал 5 з вихідними отворами 6, пластини, що демпфірують 7 з центральним отвором, діаметр якого дорівнює внутрішньому діаметру циліндричного виступу, і конусоподібними отворами 8, полюсні виводи 9. При зборці акумуляторної батареї комірки кришки 2 сполучаються по торцевих поверхнях з комірками корпуса 1, утворюючи цільну конструкцію акумуляторної батареї. Гази, що утворюються в результаті фізико-хімічних реакцій (водень, кисень) надходять у центральний газовивідний канал 5 і відтіля через вихідні отвори 6 у навколишній простір. Тому що зазначені вихідні отвори виконані завуженими в порівнянні з поперечними розмірами самого газовивідного каналу, то це, поперше, забезпечує рівномірний розподіл тиску газів на стінки газовивідного каналу і на стінки комірок кожного акумулятора, що входить в акумуляторну батарею, і, по-друге, надлишковий тиск витікаючих газів у вихідних отворах і їхній близькій околиці утруднює влучення іскри по газах усередину батареї. Наявність у кожній з комірок кришки пластин, що демпфірують 7, які спираються на циліндричні виступи 4 і стінки комірки й утримують ряд конусоподібних отворів 8, що є геометричними дифузорами, дозволяє істотно зменшити тиск газів при вибуху на стінки кришки 2 як за рахунок розсіювання енергії вибуху на стінках конусоподібних отворів (збиткова частина), так і за рахунок утворення двох зустрічних газових потоків, знижуючи в остаточному підсумку тиск і на горизонтальну поверхню комірок і на самі пластини і тим самим запобігти руйнування акумуляторної батареї при вибуху. Гарантована схоронність елементів конструкції акумуляторної батареї при вибуху забезпечується за рахунок відповідного вибору форми і розмірів каналів отворів у пластинах, що демпфірують, ви ходячи зі строгої теорії геометричних конусних дифузорів, кількості отворів, обумовленого як відношення їхньої загальної площі до площі пластини з урахуванням відомих міцносних характеристик матеріалу пластин, що демпфірують. Обрані співвідношення між меншим і більшим діаметрами конусоподібних отворів і між подовжнім і поперечним розмірами конусоподібних отворів, відбиті у формулі винаходу, забезпечують оптимальний перерозподіл енергії вибуху на енергію тиску на пластини, що демпфірують, і внутрішню поверхню кришки, рівномірність тиску газових потоків на елементи конструкції акумуляторної батареї. Завдяки тому, що центральні частини пластин, що демпфірують, спираються на циліндричні ви 3 40473 ступи, вісесиметричні з заливальними отворами, а периферійні частини жорстко закріплені на стінках комірок і площина їх кріплення на вузьких стінках комірок вище площини центральної частини пластини, то електроліт, що може вихлюпуватися при вибуху газів, при нахилах акумуляторної батареї, при вібраціях, при значних підвищеннях температури електроліту, має можливість стікати в акумуляторну комірку. Тому що в пропонованій конструкції акумуляторної батареї вихідні отвори центрального газовивідного каналу розташовані з боку кришки протилежній стороні, де встановлені полюсні виводи, то це запобігає проникненню в акумулятори дето націй, викликаних іскроутворенням на полюсних виводах. У реальних умовах експлуатації зазначене іскроутворення є досить частим явищем і представляє одну з найбільш частих причин вибухів акумуляторних батарей. Представлене технічне рішення по зниженню вибухонебезпечності стратерних свинцево-кислотних акумуляторних батарей ємністю 55...190 ампергодин дозволяє в 5-10 разів знизити частоту вибухів при аналогічних умовах експлуатації батарей у порівнянні з акумуляторними батареями, що випускаються серійно, зазначеного діапазону ємностей. Фіг. 1 Фіг. 2 4 40473 Фіг. 3 Фіг. 4 5 40473 Фіг. 5 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6