SE526629C2 - Värmeaktiverad strömkälla, sprängkapsel innefattande strömkällan, detonatorsystem innefattande sprängkapseln samt förfarande för tillverkning av strömkällan - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Pyroelektroniska sprängkapslar utnyttjar en kombina- tion av pyrotekniska reaktioner och elektriska signaler.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Lagringsförmâga - sammansatta strömkällor skall ut- stå alla normala lagringstester, utan funktionsför- lust.

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.

Det första kravet förkastar användningen av välkända och funktionella batterier med flytande och torra (gel- formiga) elektrolyter, eftersom de är aktiva redan vid rumstemperatur.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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).

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.

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.

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).

Det första av nämnda anod- och katodelement skall företrädesvis vara mellan 0,1 mm och 5 mm tjockt, och mest föredraget omkring 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Den metalliska kapseln fungerar alltså som ett elektriskt anslutningselement mellan det andra elementet i nämnda strömkälla och nämnda elektroniska fördröjningskrets.

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.

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.

Då strömkällan skall användas i en sprängkapsel, kan den tillverkas direkt i själva sprängkapseln.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Strömkällans 304 två polariteter är elektriskt samman- kopplade med en fördröjningskrets direkt via elektrodele- mentet 307 i strömkällan respektive via kapseln 303.

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.

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.

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.

Claims (21)

10 15 20 25 30 35 22 PATENTKRAV

1. l. Värmeaktiverad strömkälla, innefattande: en elektriskt ledande hylsa som sträcker sig längs en longitudinell axel, ett anodelement, ett värmeaktiverat elektrolytelement, ett katodelement, varvid nämnda anodelement, nämnda elektrolytelement och nämnda katodelement är staplade i nämnd ordning längs nämnda longitudinella axel i nämna hylsa, och som samman- taget bildar en enhetlig kropp, varvid nämnda värmeaktiverade elektrolytelement är switchbart från ett jonisolerande grundtillstånd till ett jonledande aktivt tillstånd med hjälp av en värmeenergi- puls som överstiger en tröskelenerginivå, varvid ett första element av nämnda anodelement och nämnda katodelement är ett elektrodelement som är elekt- riskt isolerat från nämnda hylsa, och varvid ett andra element av nämnda anodelement och nämnda katodelement är elektriskt sammankopplat med nämn- da hylsa och innefattar ett värmeenergiförstärkande mate- rial som är anordnat att antändas som gensvar på en vär- meenergisignal som är lägre än nämnda tröskelenerginivå och, när det har antänts, att förse nämnda elektrolytele- ment med en värmeenergipuls som överstiger nämnda trös- kelenerginivà, så att nämnda elektrodelement och nämnda hylsa bil- dar tvà anslutningar mellan vilka en spänning tillhanda- hålles när en värmeenergisignal som är lägre än nämnda tröskelenerginivå tas emot av nämnda andra element.

2. Värmeaktiverad strömkälla enligt krav 1, varvid ka- todelementet är nämnda första element och varvid anodele- mentet är nämnda andra element. 10 15 20 25 30 35 629 23

3. Värmeaktiverad strömkälla enligt krav 1, varvid anodelementet är nämnda första element och varvid katod- elementet är nämnda andra element.

4. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 3, varvid nämnda värmeaktiverade elektrolytelement inne- fattar en förening som är vald från gruppen bestående av LiAlCl4, LiBF4, LiCl och LiBr.

5. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 4, varvid nämnda värmeaktiverade elektrolytelement inne- fattar en granulerad förening eller en förening i kris- tallint eller polykristallint tillstånd.

6. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 6, varvid nämnda katodelement innefattar en förening som är vald från gruppen bestående av wolfram, molybden, tenn, bly, platina, palladium, silver och guld.

7. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 6, varvíd nämnda katodelement innefattar en förening i form av ett komprimerat pulver.

8. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 7, varvid nämnda anodelement innefattar en förening som är vald från gruppen bestående av aluminium, zink, magne- sium och järn.

9. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 8, varvid nämnda anodelement innefattar en förening i form av ett komprimerat pulver.

10. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 8, varvid nämnda anodelement utgörs av en fast kropp.

11. ll. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 10, varvid nämnda andra element innefattar ett joniskt 10 15 20 25 30 35 526 629 24 aktivt material annat än det värmeenergiförstärkande ma- terialet.

12. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 10, varvid nämnda andra element innefattar endast ett ho- mogent material, vilket är värmeenergiförstärkande och joniskt aktivt.

13. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 12, vidare innefattande ett elektriskt isolerande foder som omger nämnda första element och som sålunda isolerar det från hylsan.

14. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 13, varvid nämnda andra element är anordnat att antändas av en värmeenergisignal som tillhandahålles från ett stötvågsrör.

15. Värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1- 14, varvid nämnda elektrolytelement kräver en temperatur över 200°C för att ändra tillstånd från nämnda jonisole- rande grundtillstànd till nämnda jonledande aktiva till- stånd.

16. Sprängkapsel innefattande en värmeaktiverad ström- källa enligt något av kraven 1-15, en elektronisk för- dröjningskrets och en pyroteknisk sprängkapselladdning, varvid nämnda elektroniska fördröjningskrets är anordnad att ta in elektrisk ström från nämnda strömkälla och att mata ut en elektrisk initieringssignal som initierar nämnda pyrotekniska sprängkapselladdning.

17. Sprängkapsel enligt krav 16, vidare innefattande ett initieringselement som är anordnat att initiera nämnda pyrotekniska sprängkapselladdning medelst nämnda elekt- riska initieringssignal. 10 15 20 25 cn FJ A Ch RJ \3 25

18. Sprängkapsel enligt något av kraven 16-17, varvid nämnda elektroniska fördröjningskrets innefattar en kon- densator som är anordnad att lagra elektrisk ström från strömkällan under en fördröjningstid för nämnda elektro- niska fördröjningskrets.

19. Sprängkapsel enligt något av kraven 16-18, vidare innefattande en metallisk kapsel som innehåller nämnda elektroniska fördröjningskrets, nämnda strömkälla och nämnda sprängkapselladdning, och som vidare bildar en del av strömkällans hylsa, varigenom den metalliska kapseln fungerar som ett elektriskt anslutningselement mellan det andra elementet av nämnda strömkälla och nämnda elektro- niska fördröjningskrets.

20. Detonatorsystem innefattande en sprängkapsel enligt något av kraven 16-19 och ett stötvågsrör, varvid nämnda stötvàgsrör är sammankopplat med nämnda strömkälla och är anordnat att antända nämnda andra element i nämnda värme- aktiverade strömkälla.

21. Förfarande för tillverkning av en värmeaktiverad strömkälla enligt något av kraven 1-15, varvid vart och ett av det första elementet, det andra elementet och elektrolytelementet pressas in separat i hylsan.