CN102468462A - 电池壳体用的磁性密封阀门设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学电源(1)的壳体(2)用的阀门设备(4)、以及一种包括磁性阀门设备(4)的壳体(2)和一种包括配有磁性阀门设备(4)的壳体(2)的电化学电源(1)。此外，本发明还涉及磁性阀门装置(4)在尤其是电池壳体，燃料电池壳体以及化学或者生物反应器上的应用。通过将磁性阀门设备(4)用作安全阀，壳体(2)能够在使用数年后依然运行可靠，而且阀门装置(4)在打开后和在压力降低后能够自动重新转换进入闭锁位置，以及，在无外部作用的情况下重新建立起防止流体进入壳体内部空间(5)的防护。

Description

电池壳体用的磁性密封阀门设备
技术领域
本发明涉及一种电化学电源壳体用的阀门设备、以及一种包括磁性阀门设备的壳体和一种包括具有磁性阀门设备的壳体的电化学电源。此外，本发明还涉及磁性阀门装置在尤其是(蓄)电池壳体，燃料电池壳体以及化学或者生物反应器上的应用。
背景技术
大型电池系统或者其他电化学储存器诸如超级电容器得到越来越多的应用。它们特别是被用于备份应急，即应急供电。例如它们被应用于电动车辆或者混合动力车辆、工业用牵引系统，诸如叉车或者机器人，应用于地面运输车辆以及体育运动用车辆和娱乐活动用车辆。其他方面还应用于铁路和航空。
在所有这些应用中，电池通常由大量的被安置在电池壳体中的单个的电池单元组成。这种方式使用的能量储存器的典型电压可达1000V。电流强度能够大于100A。
电池壳体的典型长度和宽度为500mm×800mm。电池壳体的典型壁厚为1至5mm。电池壳体由金属特别是由钢或者铝制成，或者由塑料特别是聚酰胺制成。
当发生内部短路时，在单个电池单元内部能够产生气体。从40Ah(安培小时)的锂电池单元中释放出的典型总量在100L范围内。被释放出的由电解质或者电解质分解产物所构成的气体在这种情况下是可燃和有毒的。
作为典型例子，柔性的咖啡袋设计(Coffee-Bag-Design)中的电池单元在内压不足1bar时就会打开，而在圆筒状的或者棱柱形的设计中，具有坚固的金属罩的电池单元在压力大于10bar时也会打开。
被释放出的气体然后便到达电池壳体内并且导致那里的压力升高。该压力上升与电池壳体内的死点容积相关联。另外，该压力上升还与由例如壳体密封中的泄漏引起的压力下降的可能性相关联，与通过压力平衡口的气体的传输相关联，该压力平衡口用于在正常运行状态下调节电池内部的压力；以及与电池单元的种类或者电池单元打开的速度相关联。
在突然释放气体的情况下，电池壳体可能会破裂。在死点容积为20L和释放气体为100L的情况下，电池壳体将承受5bar的过压。如果可燃的有毒气体例如能够到达车辆的内部空间的话，该可燃的有毒气体可能会与人体接触。可燃的有毒气体可能会与输电的部件接触，这可能会导致燃烧或者爆炸。
在通常情况下释放出的气体不是特别热，因而NBR(丁腈橡胶)或者EPDM(三元乙丙橡胶)材料就能够承受得住所述气体。此外还有，当释放出气体时，因为阀门必须打开，所以密封件已经没有意义。常常要求阀门及其部件的耐热性在500℃以上，并且要求耐受氢氟酸腐蚀。
在电池燃烧时能够出现这种温度条件。在使用聚烯烃的弹性体如EPDM的情况下，能够耐受得住通常释放出的相对较小的氢氟酸浓度。为了避免由于电池单元的所述的打开引起的整个系统的非常危险的状态，所以每个大型的电池、特别是锂电池必须设置用于安全降低过压的装置。
用于降低过压的阀门在正常运行状态中是不允许打开的。例如，由于温度补偿造成的压力差或者由于上山行驶和下山行驶造成的压力差不允许导致阀门的开启。所述典型的压力波动在最大+/-0.2bar的范围内。此外，阀门在任何情况下都要防止水从外部进入。
因此，首先在汽车的使用的场合中，对阀门提出了更高的要求。通常情况下所述阀门必须具有防水能力。在洗车设备中或者在出现的高压喷水中必须具有密封性。在通常情况下此处要求IP67的防护级(“防水”按照DIN EN 60529或者DIN40050第9部分)。在这种情况下阀门必须能够承受外部产生的典型为1至2bar的过压。
另外还必须防止在阀门打开时部件的飞散。在打开的情况下，应该适度地降低过压。也就是说，不应该猛地一下子打开阀门，但是尽管如此，过压仍然是要顺利地被降低。整个系统应该坚固耐用。应该保证在“汽车条件规定”下10年之后依然工作正常。
因此所述阀门不应该出现老化以及在被弄脏或者被腐蚀时不应该固结。阀门的典型的敞开横截面积与电池单元的容量和电池的大小相关联。典型的横截面积在5cm2到30cm2的范围内。
为了解决所述的问题，大型锂电池的电池壳体在通常情况下包含有用于降低过压的单元。对此有多种实施方案。
可以纳入考虑之列的是一种与位于内部的压力传感器相连并被控制的阀门。在此，其缺点为：该实施方案技术成本高且价格贵、耗电、易受腐蚀和技术上过于复杂。也可以采用破裂板(Berstscheibe)的原理。对此在电池壳体的开口上例如敷设热塑性薄膜。在此，其缺点为：其可能会出现导致失灵的材料脆化。由于破裂板的破裂，适度的压力降低是不可能的。薄膜容易遭受来自外界的穿透和/或破坏。另外，还可以使用弹簧阀。在此，其缺点为：无法排除部件的飞散，弹簧易受腐蚀，并且开口横截面积受到限制。
发明内容
本发明的目的是，提供一种阀门装置的改良的实施方式，该实施方式的出众之处特别在于：在正常运行中有可靠的密封性；在故障运行中可控制地排出产生的流体；使用数年后，在正常运行中以及在故障运行中仍然性能卓越。
所述目的根据本发明通过独立权利要求的主题内容得以实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题内容。
作为本发明的一个方面，提出了一种阀门设备，该阀门设备用于具有磁性阀门装置的电化学电源的壳体。其中，该磁性阀门装置包括一个闭锁元件，该闭锁元件在闭锁位置将壳体开口压力密封地封闭，并且在打开位置将壳体开口打开，由此流体能够从壳体内部空间中泄出。此外，该磁性阀门装置还包括至少一个磁场发生器，该磁场发生器直至在壳体内部空间中有预先规定的过压时都是将闭锁元件压力密封地固定于闭锁位置，而在达到或者超过所述预先规定的过压的情况下允许闭锁元件转换进入至少一个打开位置。
有利的是，由此在正常运行中通过磁力效应(磁力作用)保证了对壳体开口的压力密封的封闭。这具有重要的优点：将闭锁元件压力密封地固定在闭锁位置中的作用力超出作用期间以外地最大限度地保持恒定。因此能够最大限度地避免在较长时间使用后的磁力减弱，这样阀门装置的设计功能也能够长期得到保证。由于置入所述至少一个磁场发生器的温度范围通常不超过或者仅短时间超过大约100℃或者至少150℃，所述至少一个磁场发生器的磁力不会减弱，尤其是因为所述温度范围低于常用永久磁铁的居里温度。
阀门装置的磁性设计形式的另外一个重要的优点在于：当闭锁元件通过例如重力或者回弹的张力被重新移动至壳体开口的附近时，借助至少一个磁场发生器，壳体开口能够被闭锁元件自动重新闭锁。通过阀门装置的与此相应的构造，在无外部作用和基本上在至少一个磁场发生器的磁力作用下，阀门装置能够完全自动地、压力密封地重新闭锁。
电化学电源是指至少具有一个电化学能量储存器和/或至少一个电化学能量发生器的电源。因此，可从电化学电源送出的电流不是在送出之前直接电化学地产生，就是在此之前被以电化学方式储存于能量储存器中。作为电化学能量发生器可以考虑所有目前众所周知的燃料电池方案，诸如碱性燃料电池(AFC)、聚合物电解质燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、甲酸燃料电池，磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)或者固体氧化物燃料电池(SOFC)。作为电化学能量储存器可以使用电池或者蓄电池(充电电池)，诸如铅蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、镍金属氢化物蓄电池、镍铁蓄电池、锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池、锂金属蓄电池、锂金属聚合物蓄电池、锂锰蓄电池、磷酸盐铁锂蓄电池、钛酸锂蓄电池、锂硫蓄电池、锌硫锂蓄电池、钠-氯化镍高温蓄电池、锌硫锂蓄电池、银锌蓄电池、钒氧化还原蓄电池或者锌溴蓄电池或者能量密度例如超过4kWh/kg的所谓的双层电容器。作为电化学电源，还可以任意组合地使用多种不同的电化学电流发生器和/或电流储存器。例如可以使燃料电池与超级电容器或者黄金电容器组合来用作双层电容器，以便在燃料电池不再能单独应付出现的负载时，必要时通过双层电容器来承受负载峰值。
在液状电解液的场合，例如在过载时由于电解能够产生压力上升。在这种情况下能够释放出氢气。在有机电解液系统的场合，由于电解和化学分解能够产生压力上升。
关于阀门设备，这里是指一种能够使壳体内产生的过压受控制地排出而不损坏甚至毁坏壳体的设备。关于磁性阀门设备，是指通过磁力使闭锁元件定位在壳体开口的前面的阀门设备。其中，磁性阀门设备具有闭锁元件和至少一个磁场发生器，该磁场发生器将闭锁元件压力密封地保持在闭锁位置。，关于闭锁位置，是指闭锁元件的那一个位置，在该位置中闭锁元件被如此定位在壳体开口的前面，即壳体开口被所述闭锁元件压力密封地闲锁。如果壳体内部空间的内部压力现在达到或者超过了预先规定的过压，那么闭锁元件被内部压力从壳体开口处挤开，因此壳体开口被打开以及闭锁元件转换进入打开位置。在打开位置中壳体开口如此开放，即，使壳体内部空间中产生的流体能够排出。此时，闭锁元件能够占据预先规定的打开位置或者转换进入多个可能的打开位置。
关于流体，是指气体、蒸汽、微粒状物质、超细弥散的尘埃或者所述物质的混合体。
此外，闭锁元件可以被构造为活盖，盖，塞子，空心塞或者类似的。它们的造型可以构造为圆的，多角的，特别是三角的，四角的，五角的或者六角的或者椭圆的，并且如果是空心塞或者塞子的话可以具有锥形延伸的形状。优选闭锁元件是形状稳定的，并且因此应具有0.01mm至10mm的材料厚度。例如，材料厚度也可以是在0.1mm至10mm范围内，特别是在0.1mm至5mm范围内，以及必要时在0.5mm至5mm范围内。优选材料厚度是在1mm至5mm范围内。
此外，该元件也可被构造为轻的、刚性的和/或硬的。其中，闭锁元件可以具有最大为8kg/l的密度。例如密度也可以为最大5kg/l，特别是最大为3kg/l，以及必要时最大为2kg/l。优选密度最大为3kg/l。
闭锁元件也可以由如金属这样的材料制成，特别是铝和铝合金，不锈钢或者轻金属合金。此外作为可选或者补充，也可以具有聚合物，特别是作为涂层，或者由聚合物制成。也可以被构造为聚合物泡沫或者闭孔金属泡沫或者具有这种泡沫。此外闭锁元件还可以具有提高电磁相容性(EMV)的辅助材料或者涂覆有所述辅助材料。作为这样的辅助材料可以使用导电的材料诸如金属或者导电塑料或者导电的塑料改良材料。
另外，闭锁元件还可以设置有卷边，该卷边将从壳体壁伸出的壳体开口如此环绕围住，有利地防止例如喷水进入所述壳体开口。如后所述，所述闭锁元件可以被固定在壳体上或者框架元件上，同样如后所述，必要时借助铰链元件。在此，可以借助插塞连接，通过粘合、螺栓连接、卡夹紧固、注射成型或者借助注射成型的元件将闭锁元件固定在壳体上或者框架元件上。
关于过压，是指壳体外部产生的压力与壳体内部空间中存在的压力之间的压差。关于压力密封，是指直至在壳体内部空间中有预先规定的过压时阀门装置的压力密封性。此外关于压力密封，同样也指防止流体进入壳体内部空间和/或从壳体内部空间流出的紧密性。这样就能在正常运行中防止水、油或者气体从外部进入壳体内部空间，以及防止流体从壳体内部空间流出。因此能够有利地防止例如由于进水而导致的电化学电源的短路和发生故障。
至少一个磁场发生器能够被构造为永久磁铁或者超级磁铁或者以电磁感应为基础。作为永久磁铁或者超级磁铁的原材料例如可以使用钴钐合金，钕铁硼合金，铝镍钴合金和/或以钡或锶为基的硬铁氧体。另外，制造永久磁铁或者超级磁铁用的原料可具有超过100℃的居里温度。例如居里温度也可以高于110℃，特别是高于120℃，以及必要时高于130℃。优选居里温度高于140℃或者150℃。
因此能够保证：即使在长年使用后磁场发生器的性能也不会丧失。
磁场发生器可以被构造为磁性聚合物。对此，例如永久磁铁可以以粉末状或者另外或多或少地呈超细弥散状分布在聚合物中。其中，在这种情况下磁性聚合物可以作为开孔泡沫和/或闭孔泡沫存在。另外，磁场发生器也可以考虑构造为由实心材料构成的超级磁铁或者永久磁铁。同样作为磁场发生器也可以使用磁带和/或磁纸(Magnetpapier)。此外，磁场发生器同时也可以被构造为止挡停止器。磁场发生器可以被构造为平面的或者也可以只使用点状的。
与至少一个磁场发生器共同产生磁力效应的那一对应构件可以同样被构造为磁场发生器，可以具有一个这样的磁场发生器或者可以由能够被至少一个磁场发生器吸附的磁性材料或者可以磁化的材料构成。用于这样的由磁性材料或者可以磁化的材料构成的对应构件，可以采用铁、软铁、钢特别是低碳钢、硅钢或者其他钢类、以及镍铁合金、钴铁合金或者其他的合金、以及铁氧体或者这些物质的混合物。此外，磁场发生器可以完全由稳定的材料包封，例如聚合物材料，这样能够有利地防止或者减少由于腐蚀对磁场发生器造成的毁坏或者损伤。与磁场发生器共同形成磁力效应的对应构件也同样可以完全由例如聚合物材料包封以保护其不受毁坏，诸如腐蚀。
在装配阀门设备时，可以采用已经完全磁化的磁场发生器，或者也可以在装配完成后再对相应的构件进行磁化。可以采用一个或者多个磁场发生器，该磁场发生器与一个或者多个由相应的磁性材料或者可以磁化的材料构成的对应构件形成磁力效应。作为附加或者选择也可以如下地采用多个磁场发生器，即在至少两个磁场发生器之间产生磁力效应，该磁力效应将闭锁元件压力密封地固定在壳体开口的前面。这样可考虑将闭锁元件自身构造为磁场发生器，比如作为磁性聚合物，涂覆磁性薄膜或者另外设置磁场发生器。此外，至少一个磁场发生器也可以被固定在壳体和/或框架元件上。壳体和/或闭锁元件也可以由能够与磁场发生器共同产生所期望的磁力效应的磁性材料或者可以磁化的材料构成。另外，鉴于磁力效应和相应的对应构件-磁场发生器配对，允许对上述实施方式进行任意组合。
磁场发生器的形状分布可以是圆柱形的，方形的，环形的，带状的，平面的或者点状的。同样也可以采用基于电磁感应而动作的磁场发生器。由于在壳体内布置有电源，至少可以如此构造一个电导线段，即该电导线段借助在该电导线段内流过的电流能够产生电磁感应。借助该电磁感应能够产生磁场，借助该磁场在闭锁元件和阀门装置的其他的部件和/或壳体之间能够产生磁力效应。
在此，所述预先规定的过压(从该过压起闭锁元件从闭锁位置转换进入打开位置)可选择为大于在正常运行期间壳体内部空间中出现的最大过压的2至8倍。因此在正常运行中闭锁元件能够保持在闭锁位置中，并且在产生流体时，尤其是在电化学电源故障运行时，能够转换进入至少一个打开位置。
如果闭锁元件在过压明显升高后才从闭锁位置转换进入打开位置之一的话，能够有利地防止在电化学电源正常运行中阀门装置打开。因此在这种运行状态下，壳体内部空间也受到防止流体可能进入的保护。这样能够保证正常运行中的足够的运行可靠性，而不会发生在可能出现的故障运行中由于壳体内部空间中产生的流体而不得不蒙受壳体损伤或毁坏的事情。
因此阀门装置应该按如下方式构造，即，不开启该阀门装置时，为压力波动规定的公差为在+/-0.5bar的范围内。例如为压力波动规定的公差也可以在+/-0.4bar的范围内，尤其是在+/-0.35bar之间和必要时在+/-0.3bar之间。压力波动的容许误差优选在+/-0.2bar之间。
这一点通过能够在壳体内部空间中的预先规定的过压达到0.5至1.0bar的过压时打开闭锁元件的磁力效应得到保证。例如预先规定的过压也可以在0.55至1.0bar之间，特别是在0.55至0.9bar之间以及必要时在0.55至0.8bar之间。优选预先规定的过压被调定到0.6至0.8bar之间。
下表中列出了一些特定应用场合的特性压力值。
Figure BSA00000552715100091
例如，所述预先规定的过压(从该过压起闭锁元件从闭锁位置转换进入打开位置)可选择为大于在正常运行期间壳体内部空间中出现的最大过压的2至6倍，特别是3至6倍，以及必要时是3至5倍。优选预先规定的过压大2至5倍。
由于温度补偿或者在电动车辆在上山行驶和下山行驶中能够产生这种在正常运行中出现的特别是最大的过压。这里正常运行中的最大过压是指能够作为最大值出现的那个过压。关于正常运行是指电化学电源无故障情况的运行。相反当出现故障情况时，例如电化学电源的部件之一破裂，那么这种运行状态被称为故障运行。在故障运行的情况下，能够产生超过壳体内部空间的自由死点容积5倍的流体。如果所述释放出的流体不被有控制地从壳体中排出的话，这种流体的产生能够导致壳体的毁坏或者损伤。
另外，该阀门设备可以具有一种铰链元件，通过该铰链元件闭锁元件能够被保持在相应的打开位置中。
采用铰链元件的有利之处在于：在壳体开口的区域内对闭锁元件进行定位和/或对其运动进行导向。此外通过这样的铰链元件能够防止闭锁元件从壳体上脱落，并且防止该闭锁元件被从壳体上甩出去，这样由于闭锁元件被铰链元件所固定，在故障情况中不存在伤人或者损物的危险。可能会出现由于电缆被割断而导致的损害。另外有利的是，在闭锁元件与此相应地定位的情况下，在完成降压后能够实现自动关闭，其中由于例如重力的原因闭锁元件能够重新移动返回闭锁位置，这样在完成降压后，阀门装置自行和自动地重新关闭。另外有利的是，铰链元件能够很简单地构造，因而其在结构设计方面容易制造，并且制造成本低。
为了在壳体开口打开时闭锁元件不会被甩出去，铰链元件优选具有针对突然的机械负荷防断裂的构造。此外，如果铰链元件有助于壳体开口的密封或者至少不会不利地妨碍壳体开口的密封的话，这一点是有利的。在此，铰链元件可以被构造为机械方面稳定的热塑性塑料薄膜和/或被构造为特别是被成型上去的密封件。其可以与闭锁元件和/或与后述的框架元件构造为一体，以及例如可以通过注射成型法被注射成型在闭锁元件、框架元件和/或壳体上。因此其可以由通常的，尤其是弹性的聚合物构成。另外也可以将铰链元件构造为传统概念的铰链，其中在这种情况下该铰链元件可以由塑料和/或金属构成或者可以具有这种材料。
另外，铰链元件可以处于一定的张力下，这样在闭锁元件从闭锁位置转换进入打开位置以后，并且在壳体内部空间减压以后，闭锁元件由于铰链元件的张力的作用被重新压回闭锁位置。因此铰链元件在将闭锁元件压向壳体开口方面所起的作用仅仅是微不足道的，这样闭锁元件基本上是通过磁力效应被压力密封地压在壳体开口上。但是有利的是，通过密封元件的张力能够实现在减压后壳体开口自动、自行地重新闭锁。
此外，阀门装置可以具有一种框架元件，通过该框架元件，阀门装置能够被固定在壳体上面。
有利的是，通过采用框架元件，壳体开口能够被如此设计：能够保证对壳体开口的压力密封的封闭。
在此，框架元件可以被设置为与壳体整合为一体或者被构造为可以插入壳体开口的单独的构件。在与壳体整合为一体的构造的场合，框架元件可以通过与此相应的成型方法，例如冲压、挤压成型，必要时在高温情况下，卷边或者类似的方法制造。也可以使用注射成型法将框架元件注射成型在壳体开口处，其中在这种情况下作为材料可以使用诸如聚合物、金属或者陶瓷的材料。在使用陶瓷的场合有利的是，能够构成壳体开口的绝缘。
如果框架元件被构造为单独的构件的话，就可简单地更换该框架元件，并且当阀门装置出现故障时，必要时甚至可更换整个阀门装置。这样框架元件可以被构造为单件式的或者多件式的。为了将框架元件固定在壳体开口中，框架元件上可以具有沿开口平面延伸的环槽，该环槽双面包住壳体开口，并且该环槽可以具有部分中断的构造。借助于这个环槽，框架元件能够被固定在壳体开口中。也可以将框架元件构造为至少两件式的，其中至少框架元件的一个部分被布置在壳体的外侧，而至少框架元件的第二部分被定位在壳体的内侧。通过采用如卡锁、夹扣、粘合、焊接或者类似的方法将框架元件的两个部分连接起来，框架元件就能够被固定在壳体开口中。为了进行密封，可以在框架元件和壳体之间单侧或者双侧安置密封件或者可以将框架元件与壳体粘接或者焊接在一起。
此外，框架元件可以成形为一个独立的构件或者也可以由壳体成形而成，可以具有至少部分环绕的向外开放的槽，该槽中能够装入后述的密封元件。此外，框架还可以具有其他的收纳磁场发生器的空隙。
在此，阀门装置可具有至少一个密封元件。如果采用密封元件的话，那么借助该密封元件就能够结构简单地保证阀门装置的密封性。在此，通过磁力效应，闭锁元件能够被如此挤压在密封元件上，即，该阀门装置是压力密封地封闭的，直至在壳体内部空间中有预先规定的过压为止。而且通过使用密封元件还能够防止流体可能从外部进入壳体内部空间。因此通过该设备例如能够满足保护等级IP67的要求。
有利的是，密封元件的材料具有抵抗如在洗车通道中使用的洗涤剂的能力和/或抵抗油的成分的能力。另一方面，通过密封元件也能够实现闭锁元件的材料相对框架元件或者壳体的公差补偿。在可能的情况下，这种公差补偿也能够照顾到不同的热膨胀系数。密封元件可以被构造成密封环的形式或者成型构件的形式。也可以将密封元件构造成密封片或者密封唇。另外，也可以使用一个以上的密封元件，例如一个密封环和附加于密封环的环绕的密封片或者密封唇。
密封元件可以被布置在一个如前所述的槽中，因此就是被设置在框架元件上或者壳体上的槽中，以及直接被涂覆，例如被注射成型在框架元件上或者壳体上。另外也可以将密封元件布置在闭锁元件上面，或者使用前述的布置和构造的随意组合。
密封元件可以被构造为经过硫化处理的弹性体，采用履带式涂敷法涂覆的弹性体，挤压成型的热塑性弹性体(TPE)，热塑性聚氨酯树脂(TPU)，粘合弹性体，粘合热塑性弹性体，实心或者闭孔泡沫。
在构造为弹性体的情况下，可以使用诸如丁腈橡胶(NBR)，氢化丁腈橡胶(HNBR)，三元乙丙橡胶(EPDM)，氟橡胶(FKM)，丙烯酸酯橡胶(ACM)或者甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)的弹性体。
密封元件的材料中可以具有磁性粒子。有利的是，通过在密封元件中嵌入磁性粒子，磁性材料受到至少抗腐蚀的保护。也可以在密封元件中置入金属粒子，这样磁场发生器就能够与该金属粒子产生相互作用。至少可以考虑，密封元件含有导电粒子或者被构造为导电塑料。由此至少能够减少干扰场从壳体内部空间的选出和/或进入壳体内部空间。因此通过密封元件还能够提高电磁相容性。
阀门设备可以具有一拉紧元件，通过该拉紧元件，闭锁元件能够从至少一个打开位置转入闭锁位置。
有利的是，通过使用拉紧元件，闭锁元件能够受控制地从一个打开位置重新返回闭锁位置。
首先可将阀门装置如此定位在壳体上，即通过重力闭锁元件也能够实现从一个打开位置到闭锁位置的这样的返回。如前所述，这个过程此外还能够得到处于张力之下的铰链元件的支持。然而作为对此的辅助或者选择，还可以设置一个拉紧元件，通过该拉紧元件闭锁元件能够从一个打开位置转入闭锁位置。这样的拉紧元件可以被构造为弹簧元件或者应变元件。因此如果由于达到或者超过预先规定的过压，闭锁元件从闭锁位置进入一个打开位置的话，那么在这种情况下拉紧元件被如此置于张力之下，即在压力降低后蓄积在该拉紧元件中的机械能量使闭锁元件从一个打开位置返回闭锁位置。如果出现这种情况的话，那么由于在闭锁元件与壳体开口之间存在有利的间距，磁力效应致使闭锁元件被压向壳体开口。因此拉紧元件可由诸如金属或者弹性体这样的材料制成。
此外，阀门设备可以具有一个传感元件，通过该传感元件能够显示闭锁元件被打开。
有利的是，通过使用传感元件能够显示闭锁元件或者阀门装置被打开。
就此而言，传感元件可以被构造为光学式、触觉式、发声式和/或电动式。在传感元件构造为光学式的场合，通过该传感元件能够以光学的方式，例如通过变色或者类似的方式示意使用者，阀门设备已经被打开。此外也可以通过触觉信号或者在气体流出的场合通过发声，例如通过鸣笛显示阀门装置的这种被打开的信息。传感元件也可以被构造为电动式，这样闭锁元件打开的信息能够显示给一个信号处理装置。在此，所述信号处理装置例如可以是车辆的发动机控制系统或者车载电子系统。
一种特别简单的传感元件是显示“处于打开状态的”阀门的封印。
另外，阀门设备应该具有有至少一个缓冲元件，通过该缓冲元件，闭锁元件在各位置之间转换过程中的力作用能够得到缓冲。
在壳体内部空间内生成的流体排出时能够出现磁力效应，有利的是，通过使用缓冲元件能够避免由于出现的磁力效应而导致的阀门装置和/或壳体的毁坏或者损伤。在此，缓冲元件可以被构造为置于壳体上、框架元件上和/或闭锁元件上的泡沫体。这样在使用铰链元件的情况下，能够如此减弱闭锁元件的震动或者发出的吱嘎声，即能够避免损伤壳体或者闭锁元件。同样在由于磁力效应关闭闭锁元件的场合，通过使用缓冲元件能够缓冲关闭过程。同时也可以认为，作为对缓冲元件的补充或者选择，密封元件同样承担这样的缓冲作用。
此外，阀门设备可以具有一种稳定元件，通过该稳定元件，尤其是能够将框架元件保持稳定，特别是防止机械变形。
有利的是，通过在框架元件上使用稳定元件，框架元件能够得到特别是针对于机械变形的加固稳定。另外，在稳定元件为金属构造的情况下，在所述稳定元件与所述少一个磁场发生器之间能够产生磁力效应。另外有利的是，可以使拉紧元件与稳定元件相连接，这样在闭锁元件从闭锁位置转入一个打开位置的情况下，通过拉紧元件的伸展拉紧而能够将机械能量储存在拉紧元件中，用以重新闭锁壳体开口。其中稳定元件优选地固定在框架元件中或者上面，或者与该框架元件构造为一体。优选稳定元件被布置为伸入壳体内部空间。这样的稳定元件也可以由壳体材料通过相应的成型方法构造而成。因此稳定元件可以被置入框架元件中或者框架元件被置入稳定元件中。
阀门设备可以具有过滤元件，排出的流体能够通过该过滤元件被过滤。
通过过滤元件能够有利地从排出的流体中清除掉对环境有害的成分。其中过滤元件可以构造为无纺布、固体填料或者类似材料。它能够粘合或者吸附排出的流体中的有害成分。因此它可以具有活性炭，干燥剂、酸接合剂、碱浸滤接合剂或者类似物质。
阀门设备可以配备有联接元件，用于排出的流体的排放管能够耦联到该联接元件上。
有利的是，通过联接元件和与该联接元件耦联的排放管，可能排出的流体能够被目标准确地导出到这样的区域中，在该区域，流体的可能有害作用并不会令人担忧。
这样，联接元件的构造可以为管件、软管、套管接头、卡口式连接，螺栓连接，插塞连接或者类似的方式。在使用排放管的场合，阀门装置可以不是直接被安装在壳体上，而是与壳体隔开距离被定位在排放管中。
本发明的另一个方面是，提出一种电化学电源用的壳体，其包括磁性阀门装置。其中，该磁性阀门装置的构造设计可以如前所述。
通过如前所述的这种磁性阀门装置，电化学电源用的壳体能够具有即使在故障运行中也运行可靠的构造。在此，在正常运行中，壳体能够压力密封地封闭，这样在壳体外部可能出现的流体不能到达壳体内部空间，因为，阀门装置容许较小的压力波动，该阀门装置只有当达到或者超过壳体内部空间内的预先规定的过压时才打开。此外，尽管该壳体具备很高运行可靠性，却仍是结构简单地构造的，并且即使在故障情况下也是安全的，因为此外不会有破裂的部分能够引起损害，并且此外，该壳体具有无论是在正常运行中还是在故障运行中都不易发生故障的构造设计，因为磁力效应即使是经过长年使用之后也仅仅是遭受很小的、可以忽略不计的削弱。
壳体在此能够用于收纳电化学电源。因此作为阀门装置的补充，壳体也可以具有电连接装置以及必要时具有用于冷却系统的连接装置。此外，在壳体内，在壳体壁内和/或在壳体外部可以布置用于冷却电化学电源的冷却管。此外，壳体还可以具有其他的开口，通过该开口能够将电化学电源的单个的部件安装到壳体中，或者可从壳体中移除。这样的电化学电源用壳体可以由金属、金属合金和/或塑料制造而成。作为金属，可以使用钢、铝、铝合金或者类似的材料。作为塑料材料，聚酰胺或者聚丁烯对苯二甲酸酯被证明是合适的。壳体的壁厚可以是1至10mm厚，并且可以有1至1000L的内部容积。
在此，开口横截面与壳体内部空间的死点容积之比例可以为至少0.2cm2/L。
通过开口横截面与壳体内部空间的死点容积的相应比例，能够保证在壳体内部空间内产生的处于过压下的流体被平稳地导出。另外，通过这样的开口横截面还能够相当顺畅地从壳体内部空间排出流体。这样当例如40Ah的蓄电池发生内部短路时释放出的气体体积能够具有100L的范围。在该范围内可采用的壳体的可能死点容积为20L的情况下，过压瞬间就达到5bar。尽管前述的阀门装置在较早的压力下打开，但是根据产生的流体的量如此确定壳体开口的尺寸是有利的，即能够平稳和顺畅地排出壳体内部空间产生的流体。
在此，壳体的死点容积是指可供使用和没有被电化学电源的部件占用的那个容积。因此死点容积就意味着产生的流体能够聚集或者停留的壳体内部空间中的那个容积。
作为本发明的另一个方面，提出了一种包括具有磁性阀门设备的壳体的电化学电源。磁性阀门设备和/或壳体的构造可以如前所述。
配备有这种壳体的电化学电源在故障运行中也是运行可靠的，这是因为，在由于所形成的流体而导致电源故障的情况下，能够可控制地将该形成的流体排出。此外有利的是，在发生所述的故障情况后，针对于流体侵入壳体内部空间的情况，通过构造上简单而可靠的方式进一步保证运行可靠性。
本发明的另一个方面提出了磁性阀门装置的应用，其可应用于：其内部可能会出现压力波动的壳体；化学或者生物反应器；(蓄)电池壳体；双层电容器壳体或者燃料电池壳体。其中，所述磁性阀门装置可以按如前所述的方式构造。
有利的是，这样的磁性阀门装置也可以被用在化学或者生物化学反应器领域的电源用壳体中。原则上可以应用在由于所产生的流体引起的压力上升可能导致壳体或者设备毁坏以及通过磁性阀门装置能够避免该现象的所有领域。在此，通过这样的磁性阀门装置能够实现在不危害环境的情况下受控制地排放气体。
另外，还可以实现这样一种应用，即，用在新的以及特别是用过的/受损的电池单元或电池所用的运输容器中。这时必须保证：在由于故障情况导致气体发生时，随后出现的突然压力上升不会导致运输容器的爆裂。如果空运电池单元或者电池组的话，这样是特别危险的。
附图说明
附图中分别示意性表示：
图1为具有壳体和磁性阀门装置的电化学电源；
图2为具有封闭元件、框架元件、密封元件和磁场发生器的磁性阀门装置；
图3为密封元件和磁场发生器在框架元件上的设置情况；
图4为在壳体开口区域内框架元件的剖视图；
图5为通过铰链元件与框架元件相连接的闭锁元件；
图6为具有沿闭锁元件环绕的密封元件的磁性阀门装置；
图7为具有多个点状布置的磁场发生器的阀门装置；
图8为具有构造成磁场发生器的密封元件的阀门装置；
图9为构造成磁场发生器的密封元件在框架元件上的设置情况；
图10为具有金属稳定元件的磁性阀门装置；
图11为具有环状或者点状磁场发生器和金属制稳定元件的磁性阀门装置；
图12为图10和图11中示出的实施方式的三维图；
图13为壳体的壳体内部空间内的可能的过压曲线图；
图14为例如在图10至图12中示出的实施方式所用的磁场发生器的可能的构造。
具体实施方式
图1示出的是一个电化学电源，该电源设置有一个壳体2，在该壳体的壳体开口3内被置入一个磁性阀门装置4。其中，作为组成部件，该电化学电源1可具有至少一个电化学电流发生器和/或至少一个电化学能量储存器，其中，电化学电源1的这些组成部件是被设置在壳体内部空间5内。
图2中示出的磁性阀门装置4具有一个被构造为盖或者翻盖的闭锁元件6。另外，磁性阀门装置4还设置有一个框架元件7，通过该框架元件，磁性阀门装置4能够被固定在壳体开口3中。此外，闭锁元件6通过铰链元件8与框架元件7相连接，其中，该铰链元件8具有如此的构造，即，使闭锁元件6能够从壳体开口3处翻转开并且因此使壳体开口3打开或者说敞开。
此外，磁性阀门装置4还设置有密封元件9和磁场发生器10。其中，磁场发生器10是被定位在框架元件7的上面，位于密封元件9和壳体开口3之间。然而也可以调换密封元件9和磁场发生器10的相对设置位置。不论是密封元件9还是磁场发生器10都与框架元件7紧固连接。其中，框架元件7可以设有一道或者多道图2中未示出的沟槽，在该沟槽中置入密封元件9和/或磁场发生器10。密封元件9可以被构造为弹性体，而磁场发生器10可以被构造为磁带、磁膜或者类似物。密封元件9可以被环绕地布置在框架元件7上，或者与铰链元件8一起来保证阀门装置的压力密封性。
图3示出的是位于框架元件7上的密封元件9和磁场发生器10的设置情况和可能的形状。这样，密封元件9的可以被构造为横截面是圆的，而磁场发生器10可以具有角形的、特别是矩形的横截面。
图4中示出的框架元件7具有一个环槽11，通过该环槽，框架元件7能够被定位并且被固定在壳体开口3中。其中，在装配状态下，环槽11至少部分地被壳体壁12填充。
为了进一步说明，图5示出的是在与壳体开口3的装配状态下的框架元件7连同其环槽11和通过铰链元件8相连接的闭锁元件6，其中，壳体壁12则又填满了环槽11。
图6中示出的磁性阀门装置4实施方式具有一框架元件7，该框架元件通过铰链元件8与闭锁元件6相连接。在框架元件7中布置有多个点状磁场发生器13、13′，并且该闭锁元件6配备有密封元件14。优选地，密封元件14在本实施方式中被构造为密封唇或者密封片。其中，在本实施方式中，如此地选择闭锁元件6的材料，即，在点状磁场发生器13、13′和闭锁元件6之间能够产生磁力效应。
图7中示出的磁性阀门装置4同样具有一框架元件7，该框架元件通过铰链元件8与闭锁元件6相连接。在框架元件7中设置有多个点状磁场发生器13、13′，该点状磁场发生器能够与闭锁元件6共同产生磁力效应。因此，在本实施方式中，闭锁元件6也必须由与此相应的材料构成。此外，在框架元件7上还设置有密封元件9，借助该密封元件能够保证对壳体开口3的压力密封的封闭。
图8中示出的是一个磁性阀门装置4，该磁性阀门装置同样具有一框架元件7，该框架元件通过铰链元件8与闭锁元件6相连接。在框架元件7上设置有磁性密封元件15，该磁性密封元件既起到密封元件的作用也起到磁场发生器的作用。因此，在本实施方式中，在磁性密封元件15与闭锁元件6之间也产生磁力效应，其中，闭锁元件6必须由与此相应的材料构成。因此密封元件15应该含有永磁性材料。
图9示出的是密封元件15在框架元件7上的设置情况。密封元件15具有圆横截面。在这种情况下，磁场发生部件被整合于密封元件中。
图10示出的是处于与壳体开口3装配状态中的磁性阀门装置4。该磁性阀门装置设置有具有环槽11的框架元件7，该环槽被壳体壁12填充。磁性阀门装置4还具有通过铰链元件8相连接的闭锁元件6。此外，在闭锁元件6上设置有密封元件9，该密封元件被构造为密封唇或者密封片的形式。在框架元件7中嵌入有优选由金属构成的稳定元件16。闭锁元件6配备有磁场发生器10。在本实施方式中，在磁场发生器10与稳定元件16之间产生磁力效应。此外，闭锁元件6通过乳头状接头形式的拉紧元件17与稳定元件16相连接。如果现在闭锁元件6从其闭锁位置转入打开位置的话，拉紧元件17就被置入拉紧状态。在实现压力降低后，拉紧元件17使闭锁元件6从打开位置重新回到其闭锁位置。在闭锁位置中，阀门装置4由于磁场发生器10与稳定元件16之间产生的力效应(力作用)而重新被压力密封地封闭。
图11示出的是与图10中实施方式不同的实施方式，其不同之处在于：作为磁场发生器10，不是采用平面的磁场发生器10，而是采用孔板状的磁场发生器10或者点状的磁场发生器13、13′。
图12为图10、11的磁性阀门装置4的三维图，用以更清楚地说明磁性阀门装置4的装配状态。在此可以确认，稳定元件16具有如下构造，即，其朝向壳体内部空间5具有多个开口18。由于有这些开口18，壳体内部空间5中产生的流体就能够通过稳定元件16排出。基于所述开口的原因以及为了使拉紧元件17能与稳定元件16相连接，设置了多个桥接片19，这些桥接片汇聚于壳体开口3的中心部，这样，在桥接片19的连接位置，拉紧元件17能够与稳定元件16相互连接。
图13说明的是在壳体内部空间5中可能出现的压力曲线20。从该压力曲线20可以看到，在正常运行21中可能出现较小的压力波动。因此磁性阀门装置4被如此构造，即，其允许这种在正常运行21中产生的压力波动，而不会打开。然而与正常运行21相反，在故障运行22中产生的压力波动23可能会大得达到或者超过预先规定的过压24，从该过压起，磁性阀门装置4由其闭锁位置转入一个打开位置。在这种情况下，磁性阀门装置4打开，在壳体内部空间5内产生的流体能够受控制地泄出，而不会毁坏或者损伤壳体2。在磁性阀门装置4打开以后，短时间内压力还可能会上升，然而随后就下降至正常水平。
图14示出的是磁场发生器10的一种可能的实施方式，该实施方式适用于图11中所示磁性阀门装置4的实施方式。在此，磁场发生器10具有环状构造，并且基于图14中未被示出的密封元件9而与金属制稳定元件16以距离s被间隔开。其中，环状磁场发生器10具有环的高度h、环的宽度b和内径d。为使磁场发生器10能够对稳定元件16产生足够高的磁力效应，磁场发生器10的磁性材料、磁场发生器10中可作为磁性聚合物构造的磁性材料份额、宽度b、高度h和距离s可以进行变化组合。
下述实施例说明了前述磁场发生器10的变化方案和由此产生的结果。其中，力的值是经数学计算确定的。
举例：图14所示磁场发生器的变化方案
使用内径d为36mm的环。F1表示力，直至此力，磁性阀门装置都是关闭的；F2表示力，从此力起便开始打开。“-”表示负结果以及“+”表示正结果。
所使用的材料(以mT为单位表示的剩磁)
1各向同性钡铁氧体(210)
2各向异性钡铁氧体(390)
3各向异性锶铁氧体(350)
4AlNiCo 500钐钴SM 18(1120)
5SmCo5钐钴SM 24(850)
6Sm2Co17(100)
7钕铁硼NdFeB(1180)
  材料   份额[％]   h[mm]   b[mm]   s[mm]  F1   F2   结果
  1   70   4   6   0.1  2   3   -
  2   70   4   6   0.1  7   8   -
  3   70   4   6   0.1  6   7   -
  6   70   4   6   0.1  ＜＜1   1   -
  4   50   4   6   0.1  34   35   +/-
  4   70   4   6   0.1  65   70   +
  4   70   4   6   0.3  50   55   +
  4   70   4   4   0.3  40   45   +
  5   50   4   6   0.1  19   20   -
  5   70   4   6   0.1  38   40   +
  5   70   4   6   0.3  30   35   +/-
  5   70   4   4   0.3  23   25   -
  7   50   4   6   0.1  38   40   +/-
  7   70   4   6   0.1  74   80   +
  7   70   4   6   0.3  58   59   +
  7   70   4   4   0.3  45   50   +

Claims (15)

1.电化学电源(1)的壳体(2)用的阀门设备，其具有磁性阀门装置(4)和至少一个磁场发生器(10、13、13′)；所述磁性阀门装置包括一闭锁元件(6)，该闭锁元件在闭锁位置将壳体开口(3)压力密封地封闭，并且在打开位置将壳体开口(3)打开，由此能使流体或者气体从壳体内部空间(5)中泄出；所述磁场发生器直至在壳体内部空间(5)中有预先规定的过压时都是将闭锁元件(6)压力密封地固定于闭锁位置，而在达到或者超过所述预先规定的过压的情况下允许所述闭锁元件(6)转换进入至少一个打开位置。
2.如权利要求1所述的阀门设备，其特征在于，所述预先规定的过压(24)，即闭锁元件(6)从闭锁位置转换进入打开位置的起始过压，选择为大于在正常运行(21)期间壳体内部空间(5)中出现的最大过压的2至8倍，使得所述闭锁元件(6)在正常运行(21)期间保持于闭锁位置，并且当流体或者气体产生时，特别是在电化学电源(1)的故障运行中转换进入至少一个打开位置。
3.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)具有一种铰链元件(8)，通过该铰链元件，所述闭锁元件(6)能被保持在相应的打开位置中。
4.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)具有一种框架元件(7)，通过该框架元件，所述阀门设备(4)能被固定在所述壳体(2)上。
5.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)具有至少一个密封元件(9、14、15)。
6.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)具有一种拉紧元件(17)，通过该拉紧元件，所述闭锁元件(6)能够从所述至少一个打开位置转入所述闭锁位置。
7.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)具有一种传感元件或者封印，通过该传感元件或者封印，能够显示所述闭锁元件(6)被打开过。
8.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)具有至少一个缓冲元件，通过该缓冲元件，所述闭锁元件(6)在各位置之间转换过程中的力作用能够得到缓冲。
9.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)具有一种稳定元件(16)，通过该稳定元件，尤其是能够将框架元件(7)保持稳定，特别是防止机械变形。
10.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)具有过滤元件，通过该过滤元件，排出的流体能够被过滤。
11.如前述权利要求之任一项所述的阀门设备，其特征在于，该阀门设备(4)配备有联接元件，用于排出的流体的排放管能够耦联到该联接元件上。
12.电化学电源用的壳体或者运输容器，其包括磁性阀门装置(4)，特别是如权利要求1至11之任一项所述。
13.如权利要求12所述的壳体或者运输容器，其特征在于，开口横截面与壳体内部空间的死点容积之比例为至少0.2cm2/L。
14.电化学电源，其包括如权利要求12至13之任一项所述的壳体(2)，该壳体具有如权利要求1至11之任一项所述的磁性阀门设备(4)。
15.如权利要求1至11之任一项所述的磁性阀门装置的应用，其应用于：其内部可能会出现压力波动的壳体(2)；化学或者生物反应器；电池壳体；双层电容器壳体或者燃料电池壳体。
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