Герметичный щелочной аккумулятор с клапанным узлом

 

Изобретение относится к щелочным аккумуляторам. В герметичном щелочном аккумуляторе с по меньшей мере частично состоящим из пластмассы корпусом, в котором находятся окруженные электролитом и соответственно отделенные друг от друга сепаратором электроды, соединенные с полюсными контактами для подвода и отвода электрического тока, предусмотрен для повышения эксплуатационной надежности аккумулятора и устранения других недостатков клапан с отверстием, проходящим через корпус аккумулятора, и с деформируемым элементом, который при появлении внутри корпуса избыточного давления вызывает отпирание отверстия, а после снижения избыточного давления - запирание отверстия. Техническим результатом является повышение эксплуатационной надежности аккумулятора. 16 з.п.ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к герметичному щелочному аккумулятору.

В области электроники к таким аккумуляторам предъявляют все более высокие требования. Постоянно возрастающая мобильность и растущие требования к комфортабельности обслуживания заставляют разрабатывать все более мощные, легкие и малогабаритные источники энергии. Так например, удерживаемые в руках мобильные телефоны типа современных телефонов для сетей D или будущих сетей E становятся все меньше и легче, но вместе с тем для того, чтобы вообще достигнуть успеха на рынке сбыта, должны обеспечить минимальное время подготовки к работе, которое обычно составляет несколько часов.

При разработке интегральных систем управления и высокоинтегральных блоков на базе микросхем для таких мобильных телефонов и других переносных аппаратов, например портативных компьютеров типа Lap-Top или Palm-Top, Cancorder, слуховых аппаратов, на миниатюризацию электронных управляющих устройств выделяются огромные суммы, однако, одновременно нужны и соответствующие малые источники энергии.

С появлением призматических пластмассовых корпусов для герметичных щелочных аккумуляторов удалось уже достичь заметных успехов в усовершенствовании свойств таких аккумуляторов. Применение легкого пластмассового корпуса и подгонка корпуса к герметическим формам, задаваемым конкретным изготовителем, или применение широко распространенных прямоугольных форм корпусов способствуют появлению легких аккумуляторов с высокой плотностью накопления заряда. Применяя соответствующие формы электродов, можно использовать полнее оставшийся объем аппарата для накопления электрического заряда; в этом отношении см. германскую патентную заявку P 4325464, опубликованное содержание которой здесь полностью используется путем цитирования и становится содержанием данной заявки.

Однако именно в легких и малогабаритных аккумуляторах необходимо уделить большое внимание на их защиту от растрескивания, чтобы не пришлось без нужды путем дополнительного утолщения материала или применения сложных конструкций корпусов снижать эффект получаемых преимуществ. При зарядке или разрядке слишком сильными токами, а также после переполюсовки или короткого замыкания внутри корпуса могут возникать высокие давления, которые в конце концов могут стать причиной растрескивания таких элементов.

Хотя пластмассы, армированные стеклянными или углеродными волокнами, обладают весьма высокой прочностью и ударной вязкостью, нужно каждый раз исключить опасность растрескивания аккумуляторов. Особенно в аппаратах, удерживаемых рукой, взрывной выброс крепких щелочных и едких электролитов может привести к травмам людей и/или к повреждению дорогой аппаратуры.

Для устранения избыточных давлений и вызванного ими риска нарушения безопасности в больших аккумуляторах применяют резьбовые предохранительные клапаны, которые однако ввиду занимаемой дополнительной площади для винтовой резьбы и обычно сложной конструкции клапанного узла не могут найти применения в малых герметичных щелочных аккумуляторах.

Предусматриваемые в герметичных щелочных аккумуляторах с металлическими корпусами места заданного разрушения обладают недостатками ввиду повреждений высокоценных аппаратов при периодически повторяющемся выбросе электролитов. После открывания такое место приводит к нарушению уплотнения корпуса аккумулятора и поэтому может произойти нежелательный дальнейший выброс электролита.

Кроме того, опыты показали, что такие места заданного разрушения металлических корпусов нельзя перенести прямо на пластмассовые корпуса. Металлические корпуса, особенно при круглых элементах аккумуляторных батарей, противостоят давлению до 20 бар и выше, однако призматические, особенно с прямоугольным поперечным сечением, пластмассовые корпуса при таких избыточных давлениях выпучиваются, что приводит к нарушению их размеров и поэтому тоже является нежелательным.

Концентрации, развиваемые в свинцово-кислотных аккумуляторах, как правило нельзя перенести на малые щелочные аккумуляторы с высокой плотностью рабочих параметров. В кислотных аккумуляторах обычно имеется гораздо больше места, в связи с чем вес и форма дополнительных клапанов не играют существенной роли.

В патенте EP-AI-0049081 показан электрохимический элемент аккумуляторной батареи с клапаном, размещенным в полюсном контакте. Благодаря размещению клапана в полюсном контакте, он не занимает пространство внутри элемента, что позволяет избежать потерю объема, приводящую к снижению емкости аккумулятора. Однако недостатком такой конструкции является то, что вызванный избыточным давлением выброс электролита загрязняет полюсные контакты и может их даже повредить.

В патенте EP-AI-0306146 показан клапанный узел, который однако предназначен не столько для устранения избыточного давления, сколько для вентиляции аккумуляторной батареи. Показанные там цилиндрические клапанные элементы окружают в виде завесы седло клапана лишь с легким прижимным давлением. Хотя при этом можно благодаря открытию уплотнительных элементов создать большой поток газа, уплотнительная способность при высоких давлениях, которая наблюдается, например, в щелочных герметичных аккумуляторах, не является достаточно эффективной. Вследствие малого остаточного газового объема в щелочных аккумуляторах обычно бывает достаточен выброс весьма малых количеств, чтобы произошел заметный спад давления.

В связи с этим в основу изобретения положена задача повысить эксплуатационную надежность аккумулятора указанного в ограничительной части пункта 1 типа и одновременно устранить или по меньшей мере уменьшить отмеченные выше недостатки.

Эта задача решается тем, что в герметичном щелочном аккумуляторе, имеющем корпус, по меньшей мере частично выполненный из пластмассы, в котором расположены окруженные электролитом и соответственно разделенные друг от друга сепаратором электроды, причем электроды соединены с полюсными контактами для подвода и отвода электрического тока, и клапан для снижения возникающего в аккумуляторе избыточного давления, согласно изобретению клапан имеет отверстие, проходящее через корпус аккумулятора и снабжен деформируемым элементом, который при возникающем внутри корпуса избыточном давлении вызывает отпирание отверстия, а после спада избыточного давления запирание отверстия, причем посредством определенного обжатия деформируемого элемента создают заданное избыточное давление для открывания клапана.

Посредством деформируемого элемента при возникающем в аккумуляторе избыточном давлении происходит открывание, а после спада избыточного давления немедленное запирание, благодаря чему имеет место только кратковременное стравливание газа и выбрасываются лишь самые малые количества газа или увлекаемые с ним частицы электролита. Это почти или совсем не сказывается отрицательным образом на емкости аккумулятора.

Если деформируемый элемент под действием приложенной силы, обусловленной его собственной упругостью, плотно прилегает к отверстию корпуса аккумулятора, то посредством одного естественного упругодеформируемого элемента достигается как открывание при избыточном давлении, так и уплотнение в нормальном эксплуатационном состоянии. Обе функции выполняются лишь одной деталью, благодаря чему клапанный узел при малой занимаемой площади может быть просто изготовлен. Потери объема остаются низкими, а при соответствующем, более подробно описанном далее размещении клапанного узла, можно устранить потери емкости.

Если деформируемый элемент опирается стороной, противоположной отверстию, и испытывает при этом определенное обжатие, то можно для открытия клапана создать заданное значение избыточного давления. Зная модуль упругости и заданное избыточное давление и площадь отверстия внутри корпуса аккумулятора, можно рассчитать обжатие деформируемого элемента. Кроме того, можно простым образом осуществить различные значения избыточного давления, например, для разных исполнений аккумуляторов лишь путем выбора длины деформируемого элемента.

В аккумуляторах прямоугольной формы при габаритных размерах 17 х 6 х 48 мм избыточное давление, при котором открывается клапан, можно простым и надежным способом отрегулировать в диапазоне 2,5-10 бар. Однако можно обеспечить и другие значения избыточного давления. Избыточное давление в диапазоне 3,5-4,5 бар оказалось целесообразным для устранения ранее описанных недостатков.

Если рядом с деформируемым элементом расположить выходной канал, который проходит внутри стенки около деформируемого элемента, то, несмотря на малую величину выходного канала, получается лабиринт для выходящих газов, а также увлекаемых ими частиц электролитов. Спад давления происходит равномернее, потому что поперечное сечение выходного канала ограничивает проход для газов, а выходящие компоненты газа затормаживаются уже внутри выходного канала. Образование выходного канала внутри стенки клапанной камеры является также экономически благоприятным решением без необходимости участия других узлов и осуществляется технологически просто.

Если деформируемый элемент расположен внутри клапанной камеры с боковым зазором между уплотнительным элементом и окружающей камерой, то образуется пространство с предкамерным эффектом, избыточное давление ослабляется уже внутри этой камеры и стравливание газа из аккумулятора происходит со значительно меньшим давлением.

При помощи фиксатора, запрессованного с наружной стороны, можно изготовить клапанный узел независимо от остальных узлов аккумулятора. В других, уже установленных аккумуляторах, можно вставить деформируемый элемент дополнительно в клапанную камеру и прижать фиксатор снаружи. Тогда можно применять для разных избыточных давлений одинаковые аккумуляторы, упрощая складское хозяйство, и в зависимости от конкретных условий используя деформируемые элементы различной длины.

Если согласно одному из вариантов выполнения окружить сбоку деформируемый элемент чашеобразным колпачком, удерживать его заднюю сторону в контакте с этим элементом и предусмотреть в нем выходное клапанное отверстие, то можно создать механически прочную и изолированную от внешних влияний конструкцию клапанного узла весьма малых размеров. При сваривании крышки с корпусом предпочтительно путем термической или ультразвуковой сварки корпус получает дополнительное увеличение механической прочности. Дополнительное выходное клапанное отверстие в крышке повышает предкамерный эффект и может дополнительно снизить скорость выходящих газов.

Если согласно другому варианту выполнения деформируемый элемент удерживать в контакте с чашеобразным колпачком по передней стороне и при этом предусмотреть в корпусе отверстие у днища чашеобразного колпачка, то клапанный узел, защищенный от механических воздействий, можно узнать только по выходному отверстию.

Боковой буртик колпачка, который в наружной концевой части выполнен более широким, улучшает механический контакт между крышкой и корпусом, так как свариванию подвергают большие, прилегающие друг к другу участки стенок. Кроме того, удлиняются зоны пропускания для выхода газов или электролитов и улучшаются уплотнительные свойства.

Расположение клапана в крышке аккумулятора дает возможность изготовлять клапанный узел с этой крышкой. Если клапан размещен между полюсными контактами аккумулятора, получается механически защищенное от внешних воздействий место, и участок между электродными проводами внутри аккумулятора можно использовать без потери емкости. Кроме того, корпус клапана можно применить для механического центрирования и/или закрепления электродного узла и обеспечить его положение механически внутри аккумулятора.

Технологически чрезвычайно целесообразная форма выполнения основана на применении сварки путем впрыска "горячего в горячее" для соединения части пластмассового корпуса с деформируемым элементом. При этом методе поверхность сварки образует при впрыске пластмассы деформируемого элемента вдоль поверхности контакта механически прочное соединение с пластмассой корпуса аккумулятора. При этом целесообразно в качестве материала, как по меньшей мере одной части корпуса, так и деформируемого элемента, применять термопласт-эластомер, в частности модифицированный полиамид, стирол-этилен-бутиленстирол-сополимер и/или полипропилен. Твердость пластмассы подбирается путем добавления пластификаторов и/или подбором степени образования сетчатых молекул таким образом, чтобы она обеспечивала обычную прочность корпусов. Твердость более мягкой пластмассы деформируемого элемента можно подбирать путем добавления пластификаторов и/или путем подбора степени образования сетчатых молекул таким образом, чтобы она находилась на уровне известных уплотнительных материалов.

Особенно целесообразным образом можно деформируемый элемент соединять посредством сварки путем впрыска "горячего в горячее" с уплотнителями корпуса аккумулятора или одновременно соединять таким же методом с уплотнителями фланца аккумулятора и/или полюсного контакта.

Ниже описывается изобретение подробно, исходя из различных примеров выполнения с учетом прилагаемых чертежей, на которых: фиг. 1 - поперечное сечение в продольном направлении аккумулятора согласно первому примеру выполнения изобретения; фиг. 2 - увеличенное сечение клапанного устройства аккумулятора, изображенного на фиг. 1, без фиксатора и деформируемого элемента; фиг. 3 - вид на крышку с клапанным узлом аккумулятора согласно фиг. 1 и 2, после сварки уплотнений с внутренней стороны аккумулятора путем впрыска; фиг. 4 - вид уплотнений спереди на крышку с клапанным узлом аккумулятора согласно фиг. 1 - 3, после сварки путем впрыска; фиг. 5 - поперечное сечение А-А на фиг. 4 по крышке с клапанным узлом; фиг. 6 - изображение сборки выполненного согласно изобретению клапанного узла первого примера выполнения; фиг. 7 - поперечное сечение клапанного узла согласно второму примеру выполнения изобретения; фиг. 8 - поперечное сечение клапанного узла согласно второму варианту выполнения изобретения, повернутому на 90^o по отношению к изображению, показанному на фиг. 7; фиг. 9 - вид снаружи на клапанный узел, изображенный на фиг. 7 и 8;
фиг. 10 - поперечное сечение клапанного узла согласно третьему примеру выполнения;
фиг. 11 - вид снаружи на клапанный узел, изображенный на фиг. 10.

Изображенный на фиг. 1 герметичный щелочной аккумулятор 1 согласно первой форме выполнения изобретения состоит из корпуса 2, выполненного по меньшей мере частично из пластмассы, с крышкой 3. Внутри корпуса 2 расположены окруженные электролитом и разделенные друг от друга сепаратором 4 положительные 5 и отрицательные электроды 6. Электроды 5, 6 соединены соответственно с положительным полюсным контактом 7 и отрицательным полюсным контактом 8 для подвода и отвода электрического тока.

Между полюсными контактами 7, 8 в крышке 3 расположен клапан 9, имеющий отверстие 10, которое проходит через корпус 2 аккумулятора 1, главным образом, через крышку 3. К отверстию 10 плотно прилегает деформируемый элемент 11, который размещен в клапанной камере 13 и обжат фиксатором 12. При появлении избыточного давления внутри корпуса 2 давление, действующее на площадь поперечного сечения отверстия 10, вызывает, начиная с некоторого заданного значения избыточного давления, отход деформируемого элемента 11 и тем самым по меньшей мере частичное отпирание отверстия 10, вследствие чего происходят выход газа и снижение избыточного давления внутри корпуса 2. После снижения избыточного давления восстанавливающееся затем плотное прилегание деформируемого элемента 11 к отверстию 10 приводит к прекращению выхода газа.

При применении надлежащих материалов, например резины или более подробно описанных впоследствие термопластов, деформируемый элемент может под действием собственной упругости без применения дополнительных пружинных элементов под действием приложенной силы плотно прилегать к отверстию 10.

Посредством фиксатора 12 при сборке клапанного узла, которая наглядно изображена на фиг. 6, происходит определенное обжатие деформируемого элемента 11, которое требуется для настройки заданного избыточного давления. Фиксатор 12 состоит из химически инертного материала, в частности из такого же материала, как и корпус 2. При известном модуле упругости материала деформируемого элемента можно, зная площадь поперечного сечения отверстия 10 и заданное избыточное давление для открывания, рассчитать силу, необходимую для плотного прилегания деформируемого элемента 11 и тем самым необходимое обжатие. Избыточное давление, начиная с которого клапан открывается, находится в пределах 2,5-10 бар, предпочтительно 3,5-4,5 бар.

Рядом с деформируемым элементом 11 расположен выходной канал 14, который проходит внутри стенки 15 клапанной камеры 13 около деформируемого элемента 11, от отверстия 10 к внешней части аккумулятора 1 или до упругих лепестков 16, 17.

Изображенный на фиг. 2 лишь схематично фиксатор 12 надежно удерживается за счет своего упругого свойства между обоими упругими лепестками 16, 17 корпуса 2, которые в продольном направлении примыкают к клапанной камере 13. Между фиксатором 12 и отверстием 10 деформируемый элемент зажат таким образом, что боковой зазор внутри клапанной камеры 13 остается и после обжатия деформируемого элемента 11.

На фиг. 3 и 4 изображен вид на расположенный во фланце 3 клапан 9 с передней и обратной сторон. Видны также уплотнения 18, 19 полюсных контактов 7, 8 и уплотнение 20 для уплотнения крышки 3. Уплотнения 18, 19 и 20 соединены соответственно с крышкой методом сварки с напылением "горячее по горячему".

Уплотнение 20 для крышки 3, согласно изображению на фиг. 5, установлено таким образом, что выступающие вперед боковые участки 21 крышки 3 обеспечивают возможность надежного сваривания с остальной частью корпуса 2.

На фиг. 7, 8 и 9 изображен второй вариант выполнения клапана 9 согласно изобретению.

Следует отметить, что во всех вариантах выполнения одинаковые или одинаково функционирующие элементы обозначены одинаковыми позициями. В этом варианте выполнения деформируемый элемент 11 установлен в клапанной камере 13, которая образована участком корпуса 2, в частности фланца 3, и крышкой 22. Крышка 22 охватывает деформируемый элемент 11 сбоку и прилегает к его задней стороне таким образом, что обеспечивается описанная ранее определенная осадка. Находящийся в стенке 15 выходной канал 14 имеет выходное клапанное отверстие 23, выходящее на наружную сторону аккумулятора 1. В радиальном направлении крышка имеет боковой буртик 24, который в наружном концевом участке выполнен более широким и путем замыкания формы вставлен в корпус 2, в частности в крышку 3. В зоне бокового буртика 24 крышка 22 соединена с корпусом 2, в частности с крышкой 3, путем термической или ультразвуковой сварки.

Как показано на фиг. 1, клапан 9 согласно второму, а также третьему описанному ниже варианту выполнения, может быть расположен в крышке 3 между полюсными контактами 7 и 8. Однако в альтернативном выполнении клапан 9 согласно второму и третьему варианту выполнения может быть расположен в любом ином месте, например в днище 25 аккумулятора 1.

В третьем варианте выполнения данного изобретения предусмотрена крышка 22, имеющая отверстие 10, как в предыдущем примере выполнения. Выходное отверстие 23 предусмотрено в корпусе 2, в частности в крышке 3. Крышка 22 прилегает к передней стороне деформируемого элемента 11.

Деформируемый элемент 11 изготовлен заодно с корпусом 2, в частности с крышкой 3, при помощи сварки путем впрыска "горячего в горячее". Для этого канал 26 соединяет уплотнения 18, 19 полюсных контактов 7, 8 с отверстием 27, которое дает возможность прохода напыленной в горячем состоянии пластмассы для образования деформируемого элемента 11.

При изготовлении деформируемого элемента 11 целесообразно в зависимости от расположения клапана 9 образовывать уплотнения 18, 19 для полюсных контактов 7, 8 и/или уплотнение 20 для крышки 3.

Хотя деформируемый элемент 11 может состоять из любого химически стойкого упругого материала, при применении метода сварки с напылением "горячее по горячему" предпочтительными являются термопласт-эластомеры, в частности модифицированный полиамид, стирол-этилен-бутилен-стирол-сополимеры и/или полипропилен. Твердость пластмассы деформируемого элемента 11 регулируется путем добавления пластификаторов и/или путем выбора ее степени образования сетчатых молекул таким образом, чтобы она находилась в диапазоне известных уплотнительных материалов. Твердость пластмассы корпуса 2, в частности крышки 3, регулируется таким образом, чтобы достигался уровень прочности обычных корпусов. Согласно другому выполнению изобретения для улучшения прочностных свойств в пластмассу корпуса 2, в частности крышки 3, вводят волокнистый материал из стекла, углерода, кефлара или бора.

Формула изобретения

1. Герметичный щелочной аккумулятор, имеющий корпус, по меньшей мере частично выполненный из пластмассы, в котором расположены окруженные электролитом и соответственно разделенные друг от друга сепаратором электроды, причем электроды соединены с полюсными контактами для подвода и отвода электрического тока, клапан для снижения возникающего в аккумуляторе избыточного давления, отличающийся тем, что клапан (9) имеет отверстие (10), проходящее через корпус (2, 3) аккумулятора (1), и снабжен деформируемым элементом (11), который при возникающем внутри корпуса (2, 3) избыточном давлении вызывает отпирание отверстия (10), а после спада избыточного давления запирание отверстия (10), причем посредством определенного обжатия деформируемого элемента (11) создают заданное избыточное давление для открывания клапана (9).

2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что деформируемый элемент (11) под действием силы, обусловленной его собственной упругостью, плотно прилегает к отверстию (10).

3. Аккумулятор по п.1 и 2, отличающийся тем, что деформируемый элемент (11) опирается со стороны, противолежащей отверстию (10).

4. Аккумулятор по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что избыточное давление, начиная с которого открывается клапан (9), находится в пределах 2,5 - 10 бар, в частности 3,5 бар.

5. Аккумулятор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что рядом с деформируемым элементом расположен выходной канал (14), который проходит внутри стенки (15) около деформируемого элемента (11).

6. Аккумулятор по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что деформируемый элемент (11) расположен в клапанной камере (13) с боковым зазором и удерживается с противоположной стороны посредством фиксатора (12).

7. Аккумулятор по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что деформируемый элемент (11) окружен сбоку чашеобразным колпачком (22) и удерживается в прилегающем контакте с его противоположной стороной, причем колпачок (22) имеет выходное клапанное отверстие (23).

8. Аккумулятор по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что деформируемый элемент (11) окружен сбоку чашеобразным колпачком (22) и удерживается в прилегающем контакте с передней стороной, причем отверстие (10) расположено в днище чашеобразного колпачка (22), а корпус (2, 3) имеет выходного отверстие (23).

9. Аккумулятор по п.7 или 8, отличающийся тем, что колпачок (22) имеет боковой буртик (24), который выполнен более широким в наружном концевом участке.

10. Аккумулятор по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что клапан (9) расположен в крышке (3) аккумулятора (1).

11. Аккумулятор по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что клапан (9) расположен между полюсными контактами (7, 8) аккумулятора (1).

12. Аккумулятор по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что аккумулятор (1) является призматическим, в частности прямоугольным.

13. Аккумулятор по одному из пп.8 - 12, отличающийся тем, что деформируемый элемент (11) соединен по меньшей мере с некоторой частью корпуса (2, 3) посредством сварки путем впрыска "горячего в горячее".

14. Аккумулятор по п. 13, отличающийся тем, что деформируемый элемент (11) одновременно соединен с уплотнениями корпуса аккумулятора (18, 19, 20) посредством сварки путем впрыска "горячего в горячее".

15. Аккумулятор по п.13 или 14, отличающийся тем, что деформируемый элемент (11) одновременно соединен с уплотнением (20) крышки и/или уплотнениями (18, 19) полюсных наконечников посредством сварки путем впрыска "горячего в горячее".

16. Аккумулятор по одному из пп.1 - 15, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторая часть корпуса (2) аккумулятора (1) и деформируемый элемент (11) состоит из термопласта-эластомера, в частности из модифицированного полиамида, стирол-этилен-бутилен-стирол-сополимера и/или полипропилена, при этом корпус (2) и деформируемый элемент (11) имеют различную твердость.

17. Аккумулятор по одному из пп.1 - 16, отличающийся тем, что в пластмассу корпуса (2, 3) введены волокна из стекла, углерода, кефлара или бора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11