жидкометаллический контакт для токосъема

Формула изобретения

1. ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ КОНТАКТ ДЛЯ ТОКОСЪЕМА, состоящий из подвижного и неподвижного электродов, причем оба электрода разделены зазором, заполненным металлической жидкостью с защитным покрытием свободной поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности и надежности, получения стабильности токосъема и снижения расхода электроэнергии, в металлическую жидкость введен компонент, электроотрицательный по отношению к компонентам жидкости, а свободная поверхность металлической жидкости покрыта слоем электролита, представляющего собой раствор минеральной соли введенного компонента в смеси воды и высокомолекулярной органической жидкости.

2. Контакт для токосъема по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлической жидкости использована легкоплавкая эвтектика состава Ga - In - Sn.

3. Контакт для токосъема по п.1, отличающийся тем, что в качестве компонента, электроотрицательного по отношению к компонентам металлической жидкости, использован цинк или железо.

4. Контакт для токосъема по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокомолекулярной органической жидкости использован глицерин или этиленгликоль.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в установках, в которых электрических ток передается с их неподвижных электродов на подвижные (вращающиеся), в частности для передачи сильных токов на вращающиеся катоды электролизеров, применяемых в производстве цветных металлов.

Известен жидкометаллический токосъемник, в котором вращающийся электрод выполнен в виде вала и установлен с кольцевым зазором внутри неподвижного электрода, имеющего горизонтальный разъем. В данном зазоре содержится жидкий металл, герметизированный с торцов уплотнениями, сопряженными с неподвижным электродом эластичными манжетами. Уровень жидкого металла в токосъемнике ниже уровня разъема. Наличие уплотнений и эластичных манжет предотвращает разбрызгивание жидкого металла [1].

Основным недостатком этой конструкции является то, что она не обеспечивает защиту металла от воздействия окружающей среды. В результате происходят испарение металла, а также его окисление, загустевание, образование и выпадение твердого осадка. Нарушается электрический контакт за счет налипания окисной пленки на электроды, что приводит к снижению надежности устройства и увеличению потерь электроэнергии.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является центробежный ртутный токосъемник, состоящий из внешнего вращающегося чашеобразного электрода (ротора), снабженного радиальными перегородками, и внутреннего неподвижного электрода (статора). В контактном зазоре между электродами помещают ртуть, свободная поверхность которой находится под слоем воды в полости ротора. Вода циркулирует по двум каналам, находящимся внутри статора и имеющим выход в полость ротора.

Вода в данном случае играет двойную роль. Во-первых, она является зазором для ртути, предотвращая ее испарение; во-вторых, охлаждает как саму ртуть, так и электроды [2] (прототип).

Такой токосъемник имеет следующие недостатки.

Вода, вступая во взаимодействие с ртутью и электродами, снижает долговечность и надежность токосъемника, а испаряясь с поверхности вращающегося электрода (ротора), вызывает его усиленную коррозию и образование на нем окисной пленки. Это приводит к увеличению переходного сопротивления на границе ртуть-ротор и, соответственно, увеличению падения напряжения на контакте до 150-200 mV. При непрерывной работе в течение 300 ч колебания величины передаваемого тока достигают 10-15%. Кроме того, наличие воды исключает возможность использования других жидких металлов, кроме ртути, и ограничивает выбор материала электродов, в результате чего существенно сужается область применения токосъемника.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности контакта, получение стабильности токосъема и снижение расхода электроэнергии.

Цель достигается тем, что в жидкометаллическом контакте для токосъема, состоящем из подвижного (вращающегося) электрода (ротора) и неподвижного электрода (статора), причем оба электрода разделены зазором, заполненным металлической жидкостью с защитным покрытием свободной поверхности, в металлическую жидкость введен компонент, электроотрицательный по отношению к основным компонентам жидкости, а свободная поверхность металлической жидкости покрыта слоем электролита, представляющего собой раствор минеральной соли введенного компонента в смеси воды и высокомолекулярной органической жидкости, при этом в качестве металлической жидкости использована легкоплавкая эвтектика состава Ga-In-Sn, в качестве компонента, электроотрицательного по отношению к компонентам металлической жидкости, использован цинк или железо, а в качестве высокомолекулярной органической жидкости использован глицерин или этиленгликоль.

На чертеже представлен жидкометаллический контакт для токосъема, продольный разрез.

Жидкометаллический контакт для токосъема состоит из ротора 1, представляющего собой, например, медный или железный диск на валу 2, и статора 3, представляющего собой, например, полый полуцилиндр, изготовленный из железа, разделенных зазором 4, заполненным металлической жидкостью 5, представляющей собой легкоплавкую эвтектику Ga-In-Sn. В жидкость введен электроотрицательный по отношению к Gа, In и Sn компонент, например Zn или Fе, в количестве 0,01-1,0 мас.%. Свободная поверхность металлической жидкости покрыта слоем электролита 6, представляющего собой 1-20%-ный раствор, например, хлорида или сульфата Zn или Fе в смеси воды и органической жидкости, взятых в соотношении 1;1, например глицерина или этиленгликоля.

Жидкометаллический контакт для токосъема работает следующим образом.

Перед началом работы контакта в зазор 4 заливают металлическую жидкость 5, содержащую электроотрицательный компонент, затем заливают электролит 6, который тонким слоем покрывает свободную поверхность металлической жидкости.

При подаче тока на статор 3 образуется электрическая цепь: статор 3 - металлическая жидкость 5 - ротор 1. Ротор 1 вращается и таким образом происходит токосъем с неподвижного электрода на подвижный. В процессе работы металлическая жидкость постоянно закрыта слоем электролита 6, который предохраняет ее от воздействия окружающей среды. За счет хорошего смачивания электролит также обволакивает выходящую из зазора часть ротора 1, предохраняя ее от коррозии. Электроотрицательный компонент, например Zn, находящийся в металлической жидкости, при подаче напряжения начинает восстанавливаться на роторе 1, который служит катодом и тем самым обеспечивает его постоянную регенерацию, компенсируя процесс растворения ротора в Ga-In-Sn-эвтектике. Кроме того, электролит понижает переходное сопротивление между контактными элементами и тем самым снижает падение напряжения на токосъеме с 150-200 до 1-10 mV, что дает снижение расхода электроэнергии на 7-10 кВт. Жидкометаллический контакт обеспечивает не менее 300 ч безотказной работы со стабильностью токосъема.

Повышение надежности и долговечности жидкометаллического контакта, получение стабильности токосъема и снижение расхода электроэнергии могут быть достигнуты только совокупностью заявленных существенных признаков. Так, испытания с ацетатом цинка в составе слоя защитного электролита дали отрицательный результат: диспергирование металлической жидкости и налипание окисных пленок на ротор. Использование в качестве органической составляющей электролита разного рода технических масел также ухудшает эксплуатационные характеристики устройства вследствие диспергирования электролита.