Austauschteil für ein Primärelement Die Verwendung von Primärelementen, vielfach auch Batterie genannt, zur Versorgung von beliebigen Verbrauchern wie Taschenlampen, Spielzeugen, Blitz geräten, Rundfunkgeräten und dgl. ist bekannt. Wenn ein solches Primärelement entladen ist und keinen Strom mehr zu liefern vermag, wurde es bisher weggeworfen und durch ein neues ersetzt. Obwohl eigentlich nur Teile davon wirklich verbraucht sind, nämlich die eine Elek trode und der Elektrolyt.
Es sind eine Vielzahl von Spielzeugen auf dem Markt, die von solchen Batterien angetrieben werden und oftmals einen relativ hohen Stromverbrauch haben, so dass die Batterien relativ schnell verbraucht :sind und schnell ersetzt werden, wodurch der Betrieb des Spielzeuges relativ teuer wird. Der Betrieb solcher Geräte lässt sich verbilligen, wenn .das Primärelement in einen bleibenden Teil und einen austauschbaren Teil unterteilt ist, welcher sich während des Betriebes verzehrt bzw.
unbrauchbar wird, während der bleibende Teil auch nach völliger Entladung des Primärelementes unbeschädigt zurückbleibt. Ersetzt werden nur die tatsächlich bei der Entladung der Batterie verbrauchten Teile. Hierdurch wird eine we sentliche Verbilligung der Austauschteile erreicht, weil nur die verbrauchten Teile ausgetauscht werden, wäh rend man bisher stets die gesamte Batterie weggeworfen hat.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass sich solche Primärelemente nicht nur für Spielzeuge, sondern auch für beliebige andere Anwendungsfälle eignen, insbeson dere dann, wenn aus Platz- oder Gewichtsgründen nur Batterien von relativ geringer Kapazität und Lebens dauer eingesetzt werden können, welche demzufolge schnell entladen sind und oft ausgetauscht werden müssen. Hier macht sich der Vorteil der billigen Aus- tauschteile besonders bemerkbar. Aber auch für viele andere Anwendungsfälle erweist sich das neue Primär element als vorteilhaft.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Austauschteil für das Primärelement so zu ,gestalten, dass es einerseits möglichst billig, andererseits aber auch möglichst lange langerfähig ist. Die bisher üblichen Batterien haben nämlich den Nachteil, dass sie während längerer Aufbe wahrung auch ohne Anschluss eines äusseren Verbrau chers sich in Folge von Leckströmen allmählich selbst entladen und dann beim Einsatz nur noch eine verrin gerte Leistungsfähigkeit haben.
Die gestellte Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass das Austauschteil eine zweite Elektrode, einen Separator sowie wenigstens einen Bestandteil des Elek trolyten enthält.
Besonders günstig ist es, wenn das Austauschteil ein durch Zugabe eines Lösungsmittels eine Elektrolytflüs- sigkeit bildendes Salz enthält. Die in Reserve gehaltenen Austauschteile werden also erst beim oder nach dem Einsetzen des Austauschteils in das bleibende Teil aktiviert. Durch späteres Einfüllen eines Elektrolyten in den Elektrodenraum zu beliebiger Zeit aktivierbare Batterien sind an sich bekannt; jedoch nicht bei Unter teilung in ein bleibendes Teil und ein Austauschteil.
Die chemische Zusammensetzung der Bestandteile der heute üblichen Batterien ist in vielen Fällen giftig und deshalb für die Verwendung durch Laien nicht ungefährlich. Es wird deshalb bei den heute üblichen Batterien meistens empfahlen, diese, wenn sie ver braucht sind, möglichst unverzüglich aus den Geräten herauszunehmen, weil sie sich sonst gänzlich zersetzen und sowohl das Gerät als auch gegebenenfalls denjeni- gen gefährden, welcher sie später aus dem Gerät herausnimmt.
Dieser Nachteil fällt natürlich besonders bei der Verwendung von Batterien in Spielzeugen ins Gewicht, weil damit gerechnet werden muss, dass Kinder die Batterie herausnehmen und anschliessend mit Hand, Mund oder Augen berühren, was im Falle giftiger Substanzen zu beträchtlichen Schädigungen führen kann.
Für Batterien, welche in einen bleibenden Teil und ein Austauschteil unterteilt sind, empfiehlt es sieh, zumindest das Austauschteil aus ungiftigen Substanzen aufzubauen, indem die Kathode - aus einem Stoff der Gruppe Ferrizitrat, Ferriazetat, Kobaltzitrat, Kobaltaze tat besteht und der Elektrolyt eine wässerige Lösung eines Salzes enthält aus der Gruppe Chlorkalium, Magnesiumsulfat und Mischungen dieser beiden Salze. Die Anode kann aus Magnesium bestehen. Diese Sub stanzen sind weder für sich giftig noch erzeugen sie bei der Reaktion mit den anderen Substanzen der Batterie giftige Stoffe. Der Ausdruck ungiftig soll hierbei Stoffe bezeichnen, welche keinen grösseren Grad der Giftigkeit haben, als er in der zweiten Ausgabe des Buches Dangerous Properties of Industrial Materials von N.
Irving Sax, Reinhold Publishing Corporation, unter dem Begriff Moderate Toxicity :definiert ist.
Wie erwähnt besteht :die Anode aus einem stark elektropositivem Metall, vorzugsweise Magnesium. Die für die Kathode beispielsweise vorgeschlagenen oben erwähnten Stoffe sind ebenfalls nicht giftig. Der Elektro lyt enthält vorzugsweise ein Salz eines Leichtmetalls, beispielsweise Chlorkalium und Magnesiumsulfat oder eine Mischung der beiden Salze in einem ungiftigen Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser. Eine bevorzugte Konzentration für den Elektrolyten sieht vor, dass etwa 10 g Chlorkalium und 20 g Magnesiumsulfat auf 100m1 Wasser kommen. Ein poröser Separator trennt die Anode von der Kathode.
Bei Anwendung der zuvor beschriebenen Primärele mente, in mit Strom zu versorgenden Geräten, insbeson dere Spielzeugen, ergibt sich eine besonders günstige Lösung, wenn das Gerät zwei abgeteilte Räume auf weist, in dem ersten Raum ein Stromverbraucher ange ordnet und mit Leitungen zum Anschluss an eine Stromquelle versehen ist, der zweite Raum eine dichte, schliessbare, zur Aufnahme einer Elektrolytflüssigkeit geeignete Kammer ist, in welcher eine :
erste Elektrode fest angebracht ist, in die Kammer das Austauschteil einsetzbar ist, welches beispielsweise einen als Separator dienenden topfförmigen porösen Mantel hat, auf und in der Wand des Mantels ein elektrolytbildendes Salz und vom Mantel umschlossen eine zweite Elektrode aufweist, und elektrische Kontakte die beiden Elektroden mit den Anschlussleitungen .des Verbrauchers verbinden. Der Verbraucher kann beispielsweise :ein Elektromotor, eine Lampe oder dgl. sein. Die Primärelemente mit Aus tauschteil können, wie bereits erwähnt, jedoch keines wegs nur in Spielzeug, sondern auch in anderen batterie betriebenen Geräten, wie Taschenlampen, Rasierappa raten, Werkzeugen, Rundfunkempfängern, Warn- und Notleuchten sowie für viele andere Zwecke eingesetzt werden.
Die Verwendung nicht giftiger Substanzen in Batterien ist darüberhinaus nicht nur bei aus einem bleibenden Teil und einem austauschbaren Teil beste henden Primärelementen, sondern auch bei allen Batte rien von Vorteil, die, wie bisher üblich, als Einheit ausgetauscht werden, insbesondere dann, wenn damit zu rechnen ist, dass Kinder mit den Batterien bzw. deren Bestandteilen in Berührung kommen, sei es, dass die Batterie bei unsachgemässer Behandlung des von der Batterie angetriebenen Gerätes zerstört wird, sei es, :dass ein Kind versucht, sich Einblick in :das Innere einer solchen Batterie zu verschaffen.
Die Erfindung soll im folgenden anhand einiger in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausfüh rungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt Figur 1 ein Primärelement, bestehend aus einem bleibenden und einem Austauschteil, Figur 2 das Austauschteil eines solchen Primärele ments im Schnitt und Figur 3 ein mit einem solchen Primärelement ausge stattetes Spielzeug. Zunächst wird anhand der Figuren 1 und 2 der Aufbau des Primärelements erläutert.
Es sei vorausge schickt, dass mehrere solcher Primärelemente zu einer Batterie zusammengefasst werden können, indem bei spielsweise die bleibenden Teile all dieser Primärele mente zusammen eine Einheit bilden, in welche die Austauschteile einsetzbar sind. Ein weiterer Vorteil solcher in zwei Teile unterteilter Primärelemente besteht übrigens darin, dass sich der Benutzer gleich mehrere Austauschelemente auf Vorrat beschaffen und aufbe wahren kann und im Bedarfsfall zur Hand hat, ohne dass er Gefahr läuft, dass sich diese Austauschteile während einer längeren Lagerzeit verbrauchen oder unwirksam werden.
Wie Figur 1 zeigt, hat das Primärelement ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 35, welches, wie Figur 3 erkennen lässt, Teil des Spielzeugs selbst sein kann. Innerhalb des Gehäuses 35 und an diesem befestigt, ist die zylindrische Anode 36 und zwar konzentrisch und gleichachsig in dem Gehäuse 35. Das Austauschteil 37 befindet sich in der zentralen zylindri schen Öffnung der Anode 36. Es hat einen Anschluss 38 für die elektrischen Zuleitungen. Die andere Anschluss- leitung liegt an der Anode 36 bzw. am Gehäuse 35. Öffnungen 39 in der Anode 36 erlauben den Durchtritt des Elektrolyt-Lösungsmittels zum Austauschteil 37.
Dieses besteht,aus einem porösen topfförmigen Mantel 40, der zugleich als Behälter für :das Kathodenmaterial 43 dient. Ein Kathodenanschluss 42 aus stromleitendem Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, liegt zentrisch innerhalb des Topfes 40 und erstreckt sich durch einen den Topf am Ende abschliessenden Deckel 41 hindurch und bildet mit seinem herausragenden Teil den An- schlusskontakt 38.
Der Topf 40 dient nicht nur als Behälter für das Kathodenmaterial, sondern gleichzeitig auch als Separa- tor. In der bevorzugten Ausführungsform ist das elektro- lytbildende Salz an der Wand des Topfes in den porösen Zwischenräumen niedergeschlagen. Solches Salz kann sich auch innerhalb des Topfes 40 mit dem Kathoden material befinden. Wird Wasser oder ein anderes Lö sungsmittel in die Zelle eingeführt, so geht das Elektro- lytsalz in Lösung und erzeugt einen Elektrolyten.
Indem Masse, wie das Salz gelöst wird, öffnen sich die Zwischenräume in der Topfwand und der Druchtritt des Elektrolyten zwischen Anode und Kathode wird ermög licht. Der Topf 40 kann aus Kunststoff, Papier oder anderem geeigneten Material bestehen. Es ist ein neues Merkmal der Erfindung, dass diejenigen Teile, welche bei der Benutzung des Primärelements, d. h. während der Stromnetnahme am ehesten verbraucht werden, zu einer einzigen entfernbaren Einheit, dem sogenannten Austauschteil, zusammengebaut sind, dessen Austausch und Ersatz durch ein neues Austauschteil praktisch eine völlige Erneuerung des Primärelements zur Folge hat.
Im folgenden werden Beispiele für die Herstellung und den Betrieb ungiftiger Primärelemente mit Aus tauschteilen gemäss der Erfindung erläutert, ohne dass hierdurch der Umfang der Erfindung beschränkt werden soll: <I>Beispiel 1</I> Der Aufbau des Primärelements entspricht etwa dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten. Die Anode besteht aus Magnesium, der Separator ist ein topfförmi- ges Kunskstoffziehteil, welches gleichzeitig als Behälter für das Kathodenmaterial dient. Letzteres besteht aus Ferrizitrat. Als Elektrolyt wird eine Lösung von Chlor kalium (KCl) in Wasser verwendet.
Der Kathodenan schluss besteht aus rostfreiem Stahl und liegt zentrisch im Separatortopf in engem und gutem Kontakt mit dem Kathodenmaterial, wie dies aus Figur 2 ersichtlich ist. Beim Aktivieren des Elements durch Eingiessen von Wasser zeigte sich bei Raumtemperatur und einer konstanten Stromentnahme von 50 mA folgender Span nungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit:
EMI0003.0008
Zeit
<tb> in
<tb> Minuten <SEP> 0 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 30 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 60
<tb> Volt <SEP> 1;9 <SEP> 1,9 <SEP> 1,7 <SEP> 1,'6 <SEP> 1,5 <SEP> 1,2 <SEP> 1,0 <I>Beispiel 11</I> Der Aufbau der Zelle ist ähnlich wie der beim Beispiel I entsprechend -den Figuren 1 und 2, mit der Ausnahme, dass anstelle von Kaliumchlorid nunmehr Magnesiumsulfat (MgSO4) als Elektrolytsalz verwendet wird.
Wiederum bei einer konstanten Stromentnahme von 50 mA ergibt sich folgender Spannungs-Zeitver- lauf:
EMI0003.0012
Zeit
<tb> in
<tb> Minuten <SEP> 0 <SEP> 8 <SEP> 16 <SEP> 24 <SEP> 32 <SEP> 40 <SEP> 48
<tb> Volt <SEP> 1,5 <SEP> 1,5 <SEP> 1,5 <SEP> 1,4 <SEP> 1,3 <SEP> 1,1 <SEP> 0,6 <I>Beispiel 111</I> Wie beim Beispiel I dient Magnesium als Anode und Wasser als Lösungsmittel. Als Elektrolytsalz wird eine Mischung von Chlorkalium und Magnesiumsulfat im Verhältnis von 20 g Magnesiumsulfat und 10 g Chlorka lium pro 100 ml Wasser verwendet. Als Kathode dient Ferriazetat.
Mit einer Belastung von 47 Ohm wurde folgende Spannungs-Zeitkurve beobachtet:
EMI0003.0013
Zeit
<tb> in
<tb> Minuten <SEP> 0 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 30 <SEP> 38 <SEP> 45
<tb> Volt <SEP> 1,7 <SEP> 1,6 <SEP> 1,5 <SEP> 1,4 <SEP> 1,2 <SEP> 0,0 <I>Beispiel IV</I> Der Aufbau des Primärelements ist ähnlich dem beim Beispiel III mit Ausnahme, dass Kobaltazetat anstelle von Ferriazetat als Kathodenmaterial verwendet wird.
Bei einer Belastung von 47 Ohm ergibt sich folgende Spannungskurve:
EMI0003.0014
Zeit
<tb> in
<tb> Minuten <SEP> 0 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 100
<tb> Volt <SEP> 1,7 <SEP> 1,0 <SEP> 0,9 <SEP> 0,8 <SEP> 0,8 <SEP> 0,75 <SEP> 0,75 <I>Beispiel V</I> Abgesehen von der Verwendung von Kobaltzitrat anstelle von Kobaltazetat als Kathodenmaterial ist das Primärelement gleich aufgebaut wie beim Beispiel IV. Es ergibt sich eine Leerlaufspannung von 1,95 V.
Bei einem konstanten Entnahmestrom von 60 mA wurde folgender Spannungs-Zeitverlauf gemessen:
EMI0003.0017
Zeit
<tb> in
<tb> Minuten <SEP> 0 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 30 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 60 <SEP> 70
<tb> Volt <SEP> 1,6 <SEP> 1,45 <SEP> 1;41 <SEP> 1,35 <SEP> 1,21 <SEP> 1,15 <SEP> 1,05 <SEP> 0,75 Zur Erläuterung der Anwendung des Primärele ments in einem Spielzeug ist in Figur 3 ein Spielzeug-U- Boot 10 dargestellt, dessen Aussenmantel :aus einem dauerhaften Material, beispielsweise Kunststoff, besteht.
Der Bootskörper enthält wenigstens zwei Kammern. Die eine Kammer 11 liegt etwa in der Mitte und umschliesst einen als Antrieb für das Boot dienenden Elektromotor 12. Die Kammer 11 ist nach aussen hin abgedichtet. Über eine Welle 15 treibt der Motor die Schiffsschraube 16 an. Am Bug des Bootes ist eine zweite Kammer 18 vorgesehen, welche ein Primärelement 20 aufnimmt. Dieses besteht aus einer Anode 21, einem Austauschteil 22 und einem Hohlraum 23 für das Elektrolyt-Lösungs mittel. Ein abnehmbarer Deckel 24 schliesst die Kam mer 18 nach vorn ab.
Er gestattet das leichte Heraus nehmen und ersetzen des Austauschteils 22, sobald das Primärelement entladen ist. Eine Einfüllöffnung 25 für das Elektrolyt-Lösungsmittel ist durch eine Kappe 26 verschlossen. Durch die Einfüllöffnung 25 kann der Hohlraum 23 mit Wasser oder einemanderen Lösungs mittel gefüllt werden. Das Austauschteil 22 wird durch eine Feder 28 in der richtigen Lage gehalten, die sieh am Deckel 24 abstützt.
Elektrische Anschlussleitungen 30 und 31 verbinden die Anode und die Kathode des Primärelements durch die Trennwand zwischen den beiden Kammern 18 und 11 hindurch mit dem Motor.
Wie ohne weiteres ersichtlich ist, stellt Figur 3 nur ,eine besondere Ausführungsform eines allgemeineren Prinzips dar, nämlich des Zusammenbaus der bleiben den Teile einer in zwei Gruppen von Teilen, nämlich bleibende und austauschbare Teile, unterteilten Batterie, mit dem durch die Batterie anzutreibenden Gerät, Werkzeug, Spielzeug oder dgl. Diese mit dem Gerät verbundenen bleibenden Teile können beispielsweise zur Aufnahme mehrerer Austauschteile ausgebildet sein, so dass für den Betrieb des Gerätes die Kapazität mehrerer in geeigneter Weise elektrisch zusammengeschalteter Primärelemente zur Verfügung steht.
Diese Primärele mente können ausser einem Motor auch beliebige andere Verbraucher wie Lampen oder dgl. gemein schaftlich oder wahlweise antreiben. Zwischen Strom quelle und Verbraucher können Schalter oder Anzeige vorrichtungen eingefügt sein. Es ist auch nicht erfor derlich, dass, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, die Kammer 11 nach aussen hin völlig abgedichtet ist. Bei Spielzeugen, die nicht zum Gebrauch im Wasser be stimmt sind, kann -der Verbraucher auch im Freien oder in einem offenen Raum untergebracht sein.