CN103348505A - 用于铅酸电池的阻火器 - Google Patents

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Abstract

铅酸电池包括用于控制气体通过排气孔(3)从电池排出的阻火塞(1)，其中阻火塞具有用于控制气体从排气孔排出的阀部件(5)和与排气孔周围的电池壳体(2)相邻或接触的塞部分(4)，并且塞部分(4)和电池壳体一起限定了流动路径，从阀部件释放的气体能够通过流动路径从电池排出，至少一部分流动路径具有足够的窄的截面以防止火花沿流动路径传播。

Description

用于铅酸电池的阻火器
在VRLA(阀控铅酸)电池中，氢气(主要)和氧气形成在电池容器中并且需要被排到空气中。同时，电池容器需要被密封以防止氧气进入。这由在预定压力时释放气体且防止正压而关闭的排气口来实现。这些电池的排气口通常包括一般具有Bunsen或瓣阀设计的氯丁橡胶或EPDM(三元乙丙橡胶)阀门。
在排气口操作期间，可能的是，外部火花可以点燃气体且通过排气口进入电池内部。如果发生这种情况，电池内的气体可以点燃并可能引发危害性爆炸。阻火器越来越普遍地安装在VRLA电池排气口上以防止这种情况发生。那些阻火盘的厚度通常为3mm，并且通常是具有陶瓷或聚乙烯/聚丙烯材料的烧结结构。那些阻火器用于扩散气体并且提供曲折路径以防止外部火花通过阻火盘进入电池内部。
除了这些部件之外，塑料盘通常被安装在阻火器上以保持其清洁并且将排气口和阻火器保持在适当位置处。这三种部件之一经常被安装至电池的每个单元，这样12V的电池需要安装18个部件。
可以购买具有这些部件两个或三个的组件，该组件有时包括附加的塑料外壳或密封。这使得这些部件更容易或/和更快地安装，但是与单个装置相比组装通常成本更高，因此增加成品电池的材料成本。
US2007/0231677A1公开了一种具有排气系统的电池，其中在排气管的端部上放置有柔性橡胶帽。该橡胶帽是柔性的并且根据有电池内部生成气体所产生的压力而变形，从而打开在其自身内表面和排气管外表面之间的泄漏路径，通过该泄漏路径气体可以排放到电池外部。该排气系统的设计很简单。然而，在气体快速生成的情况下，柔性帽可能变形，使得泄漏路径比用于氢气火焰的熄灭路径更宽，因此可能使火焰进入电池内部。
因此，需要一种用于铅酸电池的改进阻火装置。
本发明提供了一种铅酸电池，包括具有至少一个排气孔的壳体以及用于控制气体通过至少一个排气孔从电池排出的至少一个阻火塞，其中该阻火塞或每个阻火塞与一个排气孔相关联并且具有用于控制气体从该排气口排出的阀部件和与排气孔周围的电池壳体相邻或接触的塞部分，该塞部分与电池壳体一起限定了流动路径，通过该流动路径从阀部件释放的气体能够从电池排出，流动路径的至少一部分具有足够窄的截面以防止火花沿流动路径传播。
在有利实施方式中，本发明提供了一种铅酸电池，包括具有至少一个排气孔的壳体以及用于控制气体通过至少一个排气孔从电池排出的至少一个阻火塞，其中该阻火塞或每个阻火塞与一个排气孔相关联并且具有用于控制气体从该排气口排出的阀部件和与排气孔周围的电池壳体相邻或接触的塞部分，并且塞部分与电池壳体一起限定了一个或多个通道，从阀部件释放的气体能够通过一个或多个通道从电池排出，该通道或每个通道的至少一部分具有足够窄的截面以防止火花沿通道传播。
因为在电池使用时电池中将产生气体，电池内部的压力增加直到压力足以使阻火塞的阀部件打开。当阀部件打开，气体通过排气孔和通过阀部件释放并且通过流动路径(例如在电池壳体和阻火塞的塞部分之间限定的一个或多个通道)排到电池外部。用于控制气体排放的阀部件和塞部分的结合具有优点，即对于电池的每个排气孔仅需要设置一个部件(阻火塞)，因此降低了组装过程的复杂性且在很多情况下有助于降低电池的总体成本，其中，该塞部分与电池壳体一起限定了气体能从电池中排出的流动路径，同时防止火花沿流动路径进入。
阻火塞包括两个基本部件，第一部件是控制气体从排气孔排出的阀部分，第二部件是与电池壳体表面的一部分相邻或接触的塞部分，并且塞部分与电池壳体一起限定了流动路径，例如，具有可以将阀部件释放的气体从电池释放的一个或多个通道。流动路径很小，火花不能通过。在该实施方式中，流动路径包括一个或多个通道，一个或多个通道的每个尺寸设计成很小以不让火花通过。通过这种方式，本发明的阻火塞在一个部件中结合两种功能，即控制气体排出和防止火花传播。
优选地，阻火塞模制成单个部件。在优选实施方式中，阻火塞被注塑方式制成。注塑方式可以通过较低成本快速制造阻火塞。本发明人已经发现在注塑过程中可以使用单个开口模具制造本发明的阻火塞的某些实施方式。也可以使用诸如双开口模具的其它模具来制造阻火塞的更复杂形状，并且其也落入本发明范围内，但是与单开口模具相比使用双开口模具将增加成本。
为了在电池组装时使阻火塞有效地安装在壳体中，阻火塞必须具有一定刚性。然而，阻火塞的阀部件需要足够柔软和柔性以通过电池内气体压力强行打开阀部件。可选地，阻火塞是热塑性硫化橡胶材料，例如三元乙丙橡胶(EPDM)材料。可选地，材料的硬度为根据ISO868测得的60-95邵氏硬度A，优选地70-93邵氏硬度A。例如，材料可以是EPDM聚丙烯硫化橡胶。发明人已经发现这种材料可以提供刚性和柔性的良好平衡。一种合适材料是从土耳其的Enplast得到的EnflexVU-420-90A。
流动路径(例如，位于阻火塞的塞部分和壳体表面之间并且通过阻火塞的塞部分和壳体表面限定的一个或多个通道)应该具有充分的尺寸，从而其能够处理来自电池的气体的预期最大可能流量。当然，流动路径或者每个单个通道的尺寸应设计成至少沿其长度的一部分其内部尺寸小于氢气火花的熄灭间隙，这样如果氢气从电池排放并且被电池外部的火花或其它燃烧源点燃，火花将不能够沿着通道返回电池内部。熄灭间隙的概念在可燃科学领域中是已知的并且是指与保持火花的任何容器的壁的距离，其中火花因热损失而熄灭。如果通路或通道的尺寸小于特定的宽度，因为通过侧壁的火花的化学熄灭和/或热传递变得足够大以防止火花，所以火花前部熄灭。因此当熄灭间隙充满可燃氢气或混合气体时，熄灭间隙是阻止火花通过通路传播的最大通路。熄灭间隙将某种程度上取决于通道内的氢气浓度、温度、压力和几何形状，并且本领域的技术人员应当理解这些因素的相关性和它们与已知的阻火器设计的相关性。
流动路径可以是能够允许气流通过且防止火花传播的任何合适形式。优选地，流动路径包括一个或多个通道。优选地，塞部分和电池壳体将限定一个以上通道以增加通道作为一个整体的气体流动能力并且在电池使用时一个或多个通道被阻塞的情况下形成冗余性。优选地有5到100个通道，例如20到70个通道。优选地，该通道或每个通道的截面在任何方向上的跨度不超过0.6mm。一个或多个通道可具有任何合适的长度，例如，从2mm到20mm，优选地从3mm到10mm。通道可在任何方向上在其全部长度上具有不超过0.6mm的跨度，或者在另一实施方式中该通道或每个通道可在任何方向上在部分长度上具有不超过0.6mm的跨度。截面小于氢气的熄灭带隙的通道长度应该足以确保火花不能传播回通道。一个或多个通道可选的每个都沿至少1mm可选地至少2mm并且在另一个实施方式中沿其长度的至少4mm具有在任何方向上跨度不超过0.6mm截面。电池将优选地不具有用于氢气的任何泄漏路径，通过该泄漏路径氢气能够从电池离开而不用通过一个或多个通道。
在接口区域中形成一个或多个通道，在接口区域处阻火塞的塞部分壳体的表面相邻或接触。在一个实施方式中，阻火塞的塞部分或者在壳体表面接触塞部分时该区域内的壳体表面具有或都具有一个或多个凹槽，每一个凹槽部分地限定了通道。优选地，阻火塞的塞部分具有一个或多个凹槽，其与电池壳体一起限定了一个或多个通道。在有多个凹槽设在塞部分的外表面的情况下，例如20个或更多的凹槽，因为带凹槽的表面是可稍微压缩的，所以塞部分表面的凹槽使得塞部分更容易地安装在电池壳体中。进一步，在凹槽被设置在阻火塞的塞部分的实施方式中，本发明的阻火塞能安装在没有凹槽的传统电池壳体中，在这些情况下不需要改变现有的电池壳体。而且，通常与凹槽模制在电池壳体上相比，将凹槽模制在阻火塞上将更容易和更廉价，将凹槽模制在电池壳体上就本质而言通常是更大和更复杂的模制。
凹槽可以具有任何合适的结构，例如，它们可以是直的或者弯曲的。
可选地，塞的尺寸设计成使得间隙形式的通道限定在塞和电池壳体表面之间，间隙具有足够窄的截面以防止火花沿其传播。在该实施方式中，流动路径将是环形间隙的形式。优选地，塞部分和壳体表面之间的间隙不宽于0.6mm。在该实施方式中并且塞表面具有凹槽的情况下，塞的尺寸可以设计成使得限定在凹槽之间的脊部不与电池壳体接触，或者仅在其一部分长度上接触电池壳体。例如，在脊部和安装有塞的电池壳体中的凹部内壁之间具有宽度可达0.1mm的间隙。
应当理解，虽然阻火塞部分的材料通常具有某一柔软度和弹力，但是该材料不会柔软至使得流动路径(例如一个或多个通道)被施加在电池壳体和塞部分之间的力关闭并且因此流动路径(例如一个或多个通道)将具有较好限定的尺寸和形状，这与例如在US2007/0231677A1中所描述的某些已知阻火系统形成对比，在该已知阻火系统中，泄漏通道被电池内的气体压力打开并且泄漏通道的尺寸因此一定程度上基于来自电池的气流等级。
阻火塞的塞部分可以是任何合适的形状。在一个实施方式中，塞部分具有环形截面，并且在该实施方式中一个或多个凹槽被优选地形成在塞部分的周边外表面中。有利地，塞部分具有至少一个平的面，通过操作者或组装机器可以轻易地将力施加到该平的面上，以在电池组装期间将塞推入电池壳体内的凹部中。
塞部分可以具有单独的功能，即与电池壳体一起限定了用于使气体通过排气孔和阀部件排出的流动路径。但是，在优选实施方式中，塞部分还具有其他功能，安装在电池壳体内的凹部时帮助将阻火塞保持在排气孔上的适当位置处。任选地，该排气孔或每个排气孔形成在壳体内的凹部的底部内，并且阻火塞的塞部分被接纳在凹部内。优选的，每个阻火塞的塞部分被压到电池壳体内的凹部中。任选地，每个凹部具有稍微反向锥部，这样与最接近电池外部的端部处相比在朝向电池内部处的凹部更宽，因此进一步有助于将塞部分保持在适当位置。
有利的是，塞部分具有环形截面并且具有5-20mm优选6-20mm的直径。
阀部件可以具有任何合适的形式，例如Bunsen阀门或瓣状阀门。通常阀部件将被设计成：当电池的附加压力达到某水平时，阀门将被打开，因此使气体通过阀部件从电池排出并且然后经流动路径到达电池外部。可选地，阀部件被设计成在附加压力超过1psi(例如1.1-10psi优选地1.2-8psi)时，打开阀部件。
在一个实施方式中，阀部件是柔性构件，其接触绕排气孔的壳体以在排气孔上形成柔性密封。柔性构件可直接从阻火塞的塞部分延伸或可通过中间部件或其他构件连接至塞部分。可选地，柔性构件直接从塞部分延伸。可选地，阀部件是从塞部分延伸的柔性裙部。可选地，柔性裙部大体呈截头锥形。在另一个实施方式中，柔性裙部是杯形并且在孔上形成圆顶形状。可选地，裙部的厚度在远离塞部分的方向中沿其长度减少，也就是说，裙部沿其长度方向成锥形从而在裙部接触排气孔周围的壳体的端部处裙部更柔软。可替代地，裙部可以沿其长度具有近乎相同的厚度。因为在电池内形成其他时，额外压力最终将使柔性构件(例如裙部)变形并且离开排气孔周围的壳体，从而形成将气体从排气孔排出的间隙。
任选地，该阻火塞或每个阻火塞还包括通过排气口延伸进电池内部并且在排气孔中作为推入配合件的构件，从而有助于将塞保持在排气孔上的适当位置处。相应地，该阻火塞或每个阻火塞也包括从阻火塞通过相关排气孔延伸的并且接触排气孔内壁的保持构件，从而有助于将阻火塞保持在适当位置。保持构件可以具有任何合适形式，但是当然其形状应该设计成当被安装时，它不完全阻挡排气孔并且防止气体从排气孔漏出。相应地，因此保持构件将通常具有不同于排气孔的形状的截面。任选地，保持构件具有至少部分呈锥形的端部以帮助保持构件在排气孔内的定位。
本发明还提供了一种用于铅酸电池的阻火塞，其包括用于控制气体从铅酸电池的排气孔排出的阀部件和外表面上具有一个或多个凹槽的塞部分。有利地，在其长度的至少1mm中，该凹槽或每个凹槽具有不超过0.6mm的深度。优选地，阻火塞具有多个凹槽。优选地，该凹槽或每个凹槽具有至少6mm长度和不超过0.6mm的深度。可选地，阻火塞还包括保持构件，其大小和形状设计成适合安装在铅酸电池的排气孔内，从而有助于将塞保持在排气孔上的适当位置处。
本发明可应用在任何类型的产生氢气的铅酸电池。可选地，电池是阀控铅酸(VRLA)电池。任选地，电池可以是多单元电池(multi-cellbattery)，例如，12V电池。电池壳体可以具有任何合适的形式。
可选地，壳体包括盖子，并且在一个实施方式中该排气孔或每个排气孔位于盖子中。
通常，电池的每个单元将具有至少一个排气孔。在制造电池时，排气孔也可被用为酸填充孔。
仅为示意性目的，将参照附图更详细地描述本发明的几个实施方式，其中：
图1是根据本发明的一部分电池壳体和阻火塞的截面图；
图2示出了图1的阻火塞和电池壳体一部分的俯视图；
图2a示出了图2的局部放大图；
图3示出了图1的阻火塞的仰视立体图；
图4示出了图1的阻火塞的俯视立体图；
图5示出了根据本发明第二实施方式的电池壳体和阻火塞的局部截面图；
图6示出了图5的阻火塞的仰视立体图；
图7示出了图5的阻火塞的俯视立体图；
图8示出了根据本发明第三实施方式的电池壳体和阻火塞的局部截面图；
图9示出了图8的阻火塞的仰视立体图；以及
图10示出了阻火塞的变形。
图1示出了根据本发明的第一实施方式的阻火塞(flame arrestorplug)1。阻火塞1被紧密地安装在铅酸电池的电池壳体2(图1中仅部分示出)的盖子中的柱状凹部内。壳体2包括排气孔3，在制造电池时排气孔3还用作酸填充孔。
阻火塞1包括塞部分4，塞部分4包括通常圆形(circular)的部分4a和从圆形部分4a的下表面延伸的通常环形(annular)的部分4b。阻火塞1还包括阀部件5，从塞部分4的圆形部分4a的下表面直接延伸并且呈具有类似于截头圆锥的形状的裙状。如图1所示，阀部件5沿其长度渐缩，这样阀部件5在其端部更薄且更柔性，在该端部处，阀部件5接触环绕排气孔3的电池壳体2。
如图2、2a、3和4所示，阻火塞1的环形部分4b的外周表面具有多个凹槽6，其在与环形部分4b的轴平行的方向中沿环形部分4b的长度纵向延伸。从图2和2a可以看出，凹槽6和安装阻火塞的电池壳体2内的凹部的内侧壁一起限定了流动路径，该流动路径呈多个通道7的形式，利用该通道7，通过排气孔3和阀部件5释放的气体可以从电池内部流到电池外部。凹槽6的深度为0.4mm，因此通道7具有约0.4mm跨度的截面。
壳体盖2由常规材料制成，例如聚丙烯、ABS或ABS合金。通过EPDM聚丙烯树脂的注塑成型而将阻火塞1制成一体。EPDM聚丙烯树脂具有充分的柔性，以便可以通过操作人员的手在圆形部分4a的圆形上表面施加力来使阻火塞1安装在适当位置，因此使其进入盖子内的凹部。材料的柔性和阀部件5的锥形形状使得阀部件根据电池内生成气体的压力而变形，这样阀部件5将升起而离开壳体2以使气体进入空间8，空间8在阀部件5和塞部分4的环形部分4b之间。壳体模制有小斜面9，该小斜面9位于壳体2凹部的侧壁11与底面10之间。小斜面9阻止已被驱动至凹部的塞部分4的环形部分4b接触凹部的底面10。在环形部分4b的最下端和壳体2内的凹部的底面10之间的间隙为0.4mm，这样空间8内的氢气可以流入到通道7中并且通过这些通道从电池中流出。
图5-7示出了根据本发明的第二实施方式的阻火塞20，其基本与图1的阻火塞类似，但是阀部件21不是锥形的而是沿其长度具有近乎均匀的厚度。如图6所示，阀部件21是杯型的，这样其在排气孔22上形成圆顶形状。
图8和图9示出了根据本发明的第三实施方式的阻火塞30，其基本与图5-7的阻火塞类似，但是在第三实施方式中阻火塞包括三瓣状茎部形式的保持构件，其通过排气孔33从阻火塞的塞部分31的圆形部分32a的中心部分延伸。如图8所示，茎部31的瓣在排气孔33的周边处接触壳体34，因此也助于将阻火塞30定位和保持在壳体内适当位置。
应当理解，保持构件31的三个瓣和在排气孔33的外周处的壳体34一起限定了三个大体三角形的通道，通过这些通道，气体可以流过排气孔33。如图9所示，保持茎部31的端部具有锥形部分35，以便将保持构件轻易地安装到排气孔33中。
图10示出了阻火塞的变形，其中每个保持构件31的三个瓣都具有凹口36，凹口36与在排气口外围处的电池壳体啮合，以进一步将阻火塞保持在排气孔中的适当位置处。
应当理解，保持构件31足以将阻火塞保持排气口33中，因此塞部分32不需要推入配合到壳体的凹部中。因此在一些实施方式中，塞部分32的直径优选小于凹部的直径，从而在凹槽和凹部内侧壁之间的塞的末端区域(脊部)之间存在例如达0.1mm的间隙，这样如果凹部具有如图1的附图标记9所示的斜面，塞部分就不接触内侧壁或仅在凹部底部处接触内侧壁接触。在该实施方式中，用于释放气体的流动路径是间隙的形式，该间隙在塞部分32和壳体34之间绕塞部分32的外周延伸。该间隙通常是圆环形的。
根据以上一般性描述和具体实施方式，显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所示的所有发明形式进行改变。因此，本发明并不由其限制。

Claims (15)

1.一种铅酸电池，包括：
具有至少一个排气孔的电池壳体以及用于控制气体通过所述至少一个排气孔从所述电池排出的至少一个阻火塞，
其中，每个阻火塞与一个排气孔相关联并且具有阀部件和塞部分，所述阀部件用于控制气体从所述排气孔排出，所述塞部分与所述排气孔周围的所述电池壳体相邻或接触，并且所述塞部分和所述电池壳体一起限定了流动路径，通过所述阀部件释放的气体能够通过所述流动路径从所述电池排出，所述流动路径的至少一部分具有足够窄的截面以防止火花沿所述流动路径传播。
2.根据权利要求1所述的铅酸电池，其中，所述阻火塞由三元乙丙橡胶(EPDM)聚合物模制而成。
3.根据权利要求1或2所述的铅酸电池，其中，所述阻火塞具有邵氏A硬度为60-90的材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的铅酸电池，其中，所述流动路径包括由所述塞部分和所述电池壳体限定的一个或多个通道。
5.根据权利要求3所述的铅酸电池，其中，所述阻火塞的所述塞部分具有设有一个或多个凹槽的外表面，所述一个或多个凹槽与所述电池壳体一起限定所述一个或多个通道。
6.根据权利要求5所述的铅酸电池，其中，所述一个或多个通道的每个都沿其长度的至少1mm具有在任何方向上不超过0.6mm跨度的截面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的铅酸电池，其中，所述阀部件是柔性构件，接触所述排气孔周围的所述电池壳体以在所述排气孔上形成柔性密封。
8.根据权利要求7所述的铅酸电池，其中，所述阀部件是从所述塞部分延伸的柔性裙部。
9.根据权利要求8所述的铅酸电池，其中，所述裙部的厚度沿其长度在远离所述塞部分的方向上减少。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的铅酸电池，其中，所述阀部件在所述排气孔上形成圆顶形状。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的铅酸电池，其中，每个排气孔位于所述壳体内的凹部中，并且与每个排气孔相关联的所述阻火塞的所述塞部分是进入所述凹部的推入配合件。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的铅酸电池，其中，每个阻火塞还包括保持构件，所述保持构件从所述阻火塞通过相关排气孔延伸并且与所述排气孔的内壁接触，从而将所述阻火塞保持在适当位置。
13.一种用于铅酸电池的阻火塞，包括阀部件和塞部分，所述阀部件用于控制气体从所述铅酸电池中的排气孔排出，所述塞部分在其外表面中设有一个或多个凹槽。
14.根据权利要求13所述的阻火塞，其中，每个凹槽在其长度的至少1mm上具有不超过0.6mm的深度。
15.根据权利要求13或14所述的阻火塞，其中，每个凹槽具有至少6mm的长度和不超过0.6mm的深度。
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