CN1088263C - 用于电化学电池密封装置的向上挠曲的支承盘 - Google Patents

Abstract

用于电化学电池密封装置的金属支承盘(10)，包括一个通过环状挠性装置和外密封边缘的密封凸缘(28)连接的中央圆平台(14)，当在密封处理对电池一端径向卷边时该挠性装置允许密封边缘(30)径向向内和向外的运动。卷边还造成盘的中央部分(12)的向上运动造成对端帽电极向上施力。挠性装置是顺序的一组三个环状曲肋，第一肋(20)及第三肋(26)向下弯曲而第二肋(24)向上弯曲。环(22)径向向外从第一肋以向上角度连接第一和第二肋。

Description

用于电化学电池密封装置的向上挠曲的支承盘

本发明涉及用于电化学电池的密封装置的一种向上挠曲的金属支承盘。更具体地，本发明涉及诸如碱性原电池的一种电化学电池，其一端用一个含有一个支承盘的密封装置密封，当密封处理期间径向受压时该支承盘对该密封装置呈现出一个径向向外的弹性力并且轻微地向上挠曲，从而确保密封的完整性并且确保电池的金属端帽电极的可靠电气接触。

诸如碱性原电池的电化学电池是通过向一端敞开另一端封闭的金属罐中灌入电化学活性成分然后在敞开端插入一个密封组件并卷边以密封该电池制造的。该密封组件包括一个作为支承的塑料盘或金属盘对其进行密封以防止电池内部化学成分的泄漏。因此，该支承盘必须足够坚固，以便使密封在制造过程的密封工序期间不破碎。温度变化时采用刚性金属盘的密封装置不能按保持电池上均匀压力的方式收缩和膨胀。这是由于金属罐、包括该金属支承盘在内的密封装置中所采用不同材料的热膨胀及收缩特性的差异、不可避免的制造公差易变以及塑料密封件的蠕变等原因造成的。因此，这种电池易于泄漏。类似地，如果该支承是厚塑料，大的密封装置面积会产生施加在密封装置上的较小压力。这种相当刚性类型的塑料支承的一个例子，例如，在美国专利5,227,261中公开。近来，正努力研制用于电化学电池的更有弹性的密封装置。这些努力已导致研究出一种密封组件，它包括一个不导电塑料密封件、一个金属支承盘、一个集电器和一个充当电池的一个电极的金属端盖或端帽。该金属支承盘允许通过把径向向内力施加到密封组件上并且径向小程度压紧该支承的卷边工序密封电池。实现实际密封的密封件通常是盘状或轮状的并且制造成为一个单个的压注模制塑料件，尽管一些密封组件为达到密封采用两个或更多的塑料件。采用塑料密封件、金属支承盘、集电器和金属端帽电极的密封组件以及它们在电化学电池中的应用的示范但非限制性的例子例如公开在美国专利4,537,841和5,080,985中。但是，仍需要一种可在电池使用中预期的温度范围内保持电池上相当均匀和恒定压力的带有支承盘的密封装置，以便维持密封完整性并且同时确保保持和端帽电极的电气接触。

本发明涉及一种用于密封诸如碱性原电池的电化学电池的支承盘，其中在密封处理期间径向压紧时该盘向密封装置施加径向向外的弹性力并且轻微地向上挠曲，以确保密封完整性及与电池的金属端帽的可靠电气接触。该盘包括一个经一个充当弹性弹簧的环状挠性装置和一个外边缘密封装置连接的中央部分，这样当电池密封处理期间径向向内地轻微压挤盘后该盘的外边缘保持一个对密封装置的径向向外的弹性力，从而确保电池寿命期间的密封整体性。该盘的密封装置低于该中心部分平面。该盘径向向外在其周边终止于一个具有一个自由外边缘的凸缘，通过凸缘的自由外边缘径向向外地压迫一个设置在其和电池壳体内壁之间的独立密封件而形成密封，该凸缘构成实际的密封装置。当向支承盘的外周边施加径向压力时挠性装置径向向内地弯曲或运动。在一较佳实施方式中，这种径向向内的运动是弹性的。这意味着该挠性或弹簧装置的变形处于制造该盘的材料的弹性极限之内，从而发生弹性变形而不是塑性变形。如果支承出现塑性变形，支承的边缘仍会向密封装置施加径向向外的弹性力，但其大小不会如支承仅出现塑性变形时的弹性力那么大。该挠性装置包括一连串从盘的中央部分上环绕地附挂的并终止于外密封装置上的圆形曲肋或环。在一种实施方式里挠性装置包括一连串的三个环绕地附挂在盘的中央部分上的并终止于一个外凸缘的圆形曲肋或环。在该实施方式中第一肋和第三肋向下弯曲而第二肋向上弯曲，从而剖面轮廓看起来有些象一连串的两个浅S形曲线。在其它的实施方式里本发明涉及一种采用本发明的支承盘电化学电池密封组件，、一个塑性密封件、一个集电器以及一个端帽电极，还涉及含有该支承盘的一种电化学电池。

当电池被密封时，对凸缘的外周边施加一个环绕的径向向内的压力，该力永久地径向向内地压迫支承盘并且还迫使盘的中央部分向上抵着相邻的金属端帽电极。在电池密封后，凸缘的外边缘继续对电池的密封装置施加径向向外的环绕式弹性力以在电池的整个寿命期间在电池的所需运行温度范围之内确保密封完整性，该所需的运行温度范围对于一个碱性原电池一般约在-30℃到+80℃的范围内。支承盘的向上挠曲帮助保持支承或与支承连接的一个阳极集电器和相邻的充当一个电池电极的金属端帽之间的电气接触。

图1(a)和1(b)分别表示本发明的支承盘的示意性剖面图和部分透视图。

图2是用于电化学电池的一个采用本发明的支承盘的密封组件的透视剖视图。

图3表示一个碱性原电池的剖面图，该电池具有一个采用本发明的支承盘的密封装置。

参照图1(a)和1(b)，本发明的一种支承盘10表示成是整体构造的并且包括一个含有一个内部或中央环形平台14及具有一个轴向镗16的中央盘12，该中央盘在其周边终止于一个隆起的环18。从环18顺序附挂着组成挠性或弹簧装置的圆肋或环20、24和26。经过肋26的周边凸缘28附着在挠性装置的周边上。凸缘28径向向外地延伸并终止于一个自由边缘30。由这三个圆肋或环20、24及26组成的挠性装置的剖面轮廓看起来有些象二个浅S形曲线组。而且肋20和26向下弯曲，而肋24向上弯曲。连接肋20和24的环22表示成以一个相对于支承盘的大致水平平面为向上的角度附着在肋20上。这是本发明的一个重要特性，它使得由施加在支承盘的周边处的边缘30上的压应力而传递给挠性装置的拉应力被分配到三个肋20、24和26上。已经发现，如果环22不是如所示向上地成一个角度而是相对地水平的则密封电池时对边缘30施加的压力将取决于肋24和26的弧度角会在肋24或26处造成挠性装置的塑料变形。这意味着尽管仍在压缩引起的应力下肋24或26的曲率半径塑性地而非弹性地减小。其净效果是边缘30将在密封装置产生比仅出现或主要出现弹性变形下要小的径向向外力。在所示的实施方式中，该向上角度大致在10至20度之间。支承10的自由边缘显示成低于环18的平面。为了当向边缘30施加径向压力时迫使中央环状平台14向上这是必须的。环状平台14在其中央含有一个孔或镗16用于如图2和图3中所示容纳一个集电器，并且在本实施方式中该平台略低于环18的顶部以便当用于各图所示的电池里时不必增大支承上的空间而可容纳集电器一端的突出部。经过卷边密封处理环绕式地施加在支承10的边缘30上的径向向内的力迫使顶部向上，而不是象美国专利5,080,985中公开的支承的情况下向下。如上面所述，卷边密封期间环绕地施加在凸缘28的外周边的径向压力径向向内压迫凸缘。这使缘26在其较低部分径向向内的弯曲，这又趋于使环22向上倾斜，造成对中央部分12施加一个向上的力。会施加径向向内压力的卷边密封处理对于熟练的技术人员是周知的，这种处理例如在美国专利5,080,985和5,150,602中得到公开。最好在密封处理期间使该支承件承受弹性变形而非塑料变形，以便保持施加在实际密封装置上的是制造该密封装置的材料所能承受的最大径向向外的弹性力。

对支承顶部向上加力帮助确保在电池的寿命期间维持集电器的上部和图2及图3中所示的金属端帽电极100的物理接触以及伴随的电气接触。在一种备择的实施方式中，可以用支承盘的环18而不是用集电器的上部实现和金属端帽电极100的物理及电气接触，例如如′985和′602专利中所公开的那样。从而，本发明并不打算限于各图所示的特殊实施方式上。如熟练的技术人员周知的那样，本实施方式中把多个排气孔32表示成用于允许采用支承盘的电池里的空气从中逸出的装置。盘10可用任何适当的材料尤其是金属制造，例如冷轧钢、不锈钢等。材料的具体选择由专业人员的判断以及使用该盘的电池的具体设计决定。例如，在使导电集电器和金属端帽电极达到物理及电气接触的电池设计中，有可能采用不导电的支承。另一方面，当必须由支承本身实现和金属端帽的机械接触及伴随的电气接触时，则如熟练的技术人员理解的那样该支承必须用金属或者其它适当的导电材料。在下面说明的用于典型D号电池的实施方式中，本发明的支承盘是用28密耳厚或0.7mm厚的冷轧钢冲压的，已经证实对于支承盘这是相对容易及经济的方法和材料，而环22以大约15度的向上角度附着在肋20的底部。

图2是一个采用本发明的支承的电池密封组件的透视剖面图，本实施方式中的该密封组件用于D号碱性电池。图3示意性地表示一个D号碱性电池的剖面，该电池的一端通过卷边用所述密封组件密封。图2表示一种较佳实施方式，其中包含着本发明的支承10的密封组件50预装配为一个整部件，在电池装配期间可以把它作为一个单件对待。参照图2和图3，密封组件50表示成包括一个本发明的金属支承件10、一个模制的塑料密封件60、一个金属集电器80和一个还充当电池的一个电极的金属帽100。在该实施方式中，帽100是电池的负电极。熟练的技术人员通常把金属集电器称之为钉，如果需要在本发明的实施中可以采用这种类型的集电器。这里所显示的和所说明的实施方式中，金属集电器更象一个铆钉而不象一个钉。塑料密封组件60显示成大致为盘状或轮状并且为整体构造，它带有一个定位在中央的圆形毂62，从该毂按径向向外的顺序依次环绕地附着着一个环形排气口64、一个环状凸台66、一个向下突出的裙缘68、环状弹簧或挠性装置70，并且在外周边上以一个向上延伸的圆柱形缘或壁部分72终止。如所示毂62具有一个轴向的镗，集电器80的上部120穿过该镗。在本实施方式里该集电器的顶部处是锤击的或铆接的以把支承10固定在塑料密封件上。在所示的该实施方式中，环状排气口64大致是平面的并且包括一个作为环的及在其内边缘处附着在毂62上并和膜体59连接的薄膜63，一个较厚的环状膜体59以及一个作为环围绕其外边缘的铰接件65，依靠该外边缘该铰接件和环状凸台66连接。凸台66显示成是一个相对厚的环。它的作用是防止该密封件在电池压力下由其和支承盘10的圆环部分24的较低表面接触的上表面产生的膨胀。如图3中所示裙缘68附着在凸台66的外部上并且向下延伸以防止电池(例如碱性电池)的阳极部件与阴极部件相混。密封件60的弹簧装置70径向向外地附着裙缘68上并且包括由壁73和74形成的V形槽71。最后，向上延伸的缘72附着在壁74的上部，并包括多个在其上部76的内表面上径向向内延伸的突耳用于在其中可靠地固定金属端帽100，从而在电池的装配期间可以把该密封组件作为单个整件对待。在卷边期间缘72的内表面上的一个圆周形挂耳77支承金属支承盘10的边缘。制造塑料密封件60时所采用的适当材料的一些示范性的但非限制性的例子包括尼龙、尼龙合金、聚砜和填充聚丙烯，对于熟练的技术人员这些材料是周知的并且例如在′595专利中公开，该公开从而作为这里的参考资料。

装配期间把帽100放在各突耳的顶部上并且对它施压或压紧通过这些突耳并向下进入由缘72的圆柱形壁确定的空腔中。多个肋条表示成为壁74的上部径向向外延伸的外表面并且向下向缘72的底部外挂耳78延伸。这些肋条允许把该密封组件插入到充当电池正电极的圆柱形金属容器的顶部里，并且同时在把密封组件放在罐中时允许夹带的空气逸出以避免在装配期间从罐中“抽出”电解液。这些肋条的尺寸定为如图3中所示与对应的电池内壁112达到轻微的压力配合，从而在装配及卷边操作期间该密封组件保持在电池容器内的定位。尽管密封装置该特殊设计是一种最佳实施方式。熟练的技术人员会理解对于该密封装置可采用其它的设计，其中包括在′985和′602专利中说明类型的示范性但非限制性的设计例子。

当通过卷边形成密封时，如图2和图3中所示支承10的径向边缘30咬入密封件60的缘或壁72的内部。为了达到好的密封，最好使支承的边缘30在至少25％的壁的厚度上压着密封件60的缘壁72。如上面所述，按所说明的那样设计支承，从而使得该边缘呈现弹簧式的弹性并且在密封件上施加一个在电池的寿命期间保持的径向向外的压缩力以便在大的温度范围内(例如约为-30至+80℃)保持密封。另外，可以理解挠性装置70允许密封件的缘在装配及卷边操作期间以及在温度波动期间径向向内和向外的运动，而不影响密封装置的基座包括压力排气口在内的其它部分。

通过把内部环绕式的挂耳卷曲到构成电池的容器及其正电极的金属罐110中，缘72底部上的挂耳78如图3中所示支承电池120里的密封组件。金属端帽100是电池120的负电极，在本实施方式中它被表示成一个具有中央平面盘部分112的金属盘，该盘向其中心轻微地向下倾斜并在其外周边处终止于一个具有圆周形外边缘119的向上延伸的缘118。如同上面所说明的密封装置一样，该特殊的端帽结构是一种最佳实施方式，但它的意图并不是要限制本发明的实施方法。从而可以采用其它的例如′985专利中所说明的端帽设计。

通过一个环绕地在金属电池壁的上端上构成的永久弯管，密封组件50表示成卷边密封到电池120的上端。该卷曲迫使电池壁靠着塑料密封件60的缘72的外表面并且使它们一起向下弯曲盖住金属帽100的边缘119以密封电池。同时在卷边操作期间一个向内的径向力环绕式地施加在支承10的外边缘30上，其产生永久性的向上挠曲并导致施加在该支承的中央平台12上的力，这帮助确保集电器的上端和端帽100里的凹坑之间的物理及电气接触。金属阳极集电器或铆钉80表示成其上部的顶端被锤击或铆接到金属支承10上，这保证其牢固地定位在靠着毂62的顶部。集电器的向上移动是由凸缘122阻止的。为了说明卷边之前的端帽的结构，在图3中端帽的上平面部分表示成盘状向下对着中心。但是，在卷边和密封操作期间向密封组件的侧面施加一个向内的径向力，在该最佳实施方式里该力使该组件永久性地向内受压。这反过来又使支承的上部轻微地向上挠曲，随着集电器的上端永久性地上推凹坑从而端帽电极的上平面部分永久性地是平的。这还造成由集电器的上端在凹坑上施加一个永久向上的力，该力在电池的寿命期间确保金属集电器和端帽之间的永久性机械连接以及伴随的永久性电气连接。

图3中的电池120是用以代表具有胶凝锌阳极和M_nO₂阴极的典型D号碱性电池。熟练的技术人员周知，在电池120内部M_nO₂阴极材料122和金属罐110的内表面接触，并且通过不导电薄膜126把它和胶凝锌阳极材料124隔开，该不导电薄膜还防止阳极材料和罐的底部接触。塑料密封件60的裙缘68复盖该隔离物并防止阳极材料和阴极材料在电池中相混。如图3中所示，集电器80延伸到阳极材料中并且从而造成胶凝锌阳极和金属端帽之间的电气连接。

应该理解，在不违背上面所说明的本发明的范围和精神的前提下熟练的技术人员会清楚并且容易实现在实施本发明上的不同的各种实施方式以及修改。因此，所附的权利要求书的范围不是限定于上面所叙述的说明，而是该权利要求书被解释成包含着寄于本发明上的可成为专利的新产品的所有特性，其中包括可由与本发明相关的业内熟练的技术人员作为与本发明等同物对待的所有特性以及实施方式。

Claims (33)

1.一种用于密封电化学电池的支承，它由一个大致平面形的盘构成，该盘具有一个通过一个环状挠性装置和一个外密封边缘连接的中央圆形平台，该挠性装置允许所述边缘径向向内地及向外地运动，所述挠性装置包括一组顺次同心的环状曲肋，其中相邻的肋具有不同的曲率并且其中至少两个相邻的肋是由一个和所述盘平面具有向上角度的环连接的。

2.权利要求1的支承，其中相对于所述盘的所述平面所述环的外周边高于它的内周边。

3.权利要求2的支承，其中所述密封边缘的平面低于所述平台的平面。

4.权利要求3的支承，其中所述挠性装置包括三个所述肋。

5.权利要求4的支承，其中所述第一及第三肋是向下弯曲的，而所述第二肋是向上弯曲的。

6.权利要求5的支承，其中所述第一肋附着在所述平台的周边上。

7.权利要求6的支承，其中所述第一及第二肋由所述环连接。

8.权利要求7的支承，其中所述环以一个向上的角度从所述第一肋的周边上延伸。

9.权利要求8的支承，其中所述角度的范围约为10至20度。

10.一种用于密封电化学电池的整体构造的金属支承，所述支承由一个大致平面的盘构成，该盘具有一个在其外周边上通过一个环状挠性装置和一个带有密封边缘的凸缘连接的中央圆形平台，该挠性装置包括一组顺次同心的环状曲肋，其中相邻的肋具有不同的曲率并且其中至少两个相邻的肋是由一个对所述盘平面具有向上角度的环连接的，而且其中所述边缘低于所述平台的平面，从而当向所述边缘施加环绕式的径向向内的压力时所述边缘产生径向向外力并迫使所述平台向上。

11.一种用于密封电化学电池的密封组件，它包括一个圆形塑料密封件和一个支承盘，该密封件具有由一个包括壁的缘所确定的外周边，支承盘由一个通过所述密封件及所述盘的中心轴向延伸的金属集电器和所述密封件连接，所述盘位于所述密封件的所述壁之内并且由一个大致平面的盘构成，该盘具有一个通过一个环状挠性装置和外密封边缘连接的中央圆平台，挠性装置包括一组同心的环状曲肋，其中相邻的肋具有不同的曲率并且其中至少两个相邻的肋是由一个从所述盘平面具有向上的角度的环连接的，而且其中所述边缘低于所述平台的平面，从而当向所述边缘施加环绕的径向向内的压力时所述边缘产生径向向外力并迫使所述平台向上。

12.权利要求11的密封组件，进而包括一个圆形金属端帽电极。

13.权利要求12的密封组件，其中所述端电极设置在所述密封件的所述壁之内并邻近所述支承盘。

14.权利要求13的密封组件，其中所述支承盘是金属的。

15.一种含有一个其一端用一个密封组件卷边密封的圆柱形容器的电化学电池，该密封组件包括一个圆形的塑料密封件、一个金属支承盘和一个集电器，该密封件具有一个由一个大致垂直于所述密封件的平面的壁确定的外周边，该金属盘与所述密封件相邻，所述盘位于所述密封件的所述壁之内并且由一个大致平面的盘构成，该盘具有一个通过一个环状挠性装置和外密封边缘连接的中央圆平台，该挠性装置包括一组顺序同心的环状曲肋，其中相邻的肋具有不同的曲率并且其中至少两个相邻的肋是由一个对所述盘平面具有向上的角度的环连接的，而且其中所述边缘低于所述平台的平面。

16.按照权利要求15的电池，其中所述卷边密封使所述支承盘在所述边缘处径向向内受压并且其中所述边缘向所述塑料密封件的内壁表面施加径向向外的弹性力并把它压在所述圆柱形容器的内壁表面上以形成密封。

17.按照权利要求16的电池，其中所述支承盘弹性地而非塑性地受压。

18.按照权利要求16的电池，其中所述集电器轴向延伸通过所述密封件及所述盘的中心。

19.按照权利要求18的电池，其中所述支承盘由所述集电器和所述密封件连接。

20.按照权利要求19的电池，进而包括一个设置在所述密封件的所述壁内并与所述支承盘相邻的圆形金属端帽电极。

21.按照权利要求20的电池，其中所述金属端帽电极造成和所述集电器的物理及电气接触。

22.按照权利要求20的电池，其中所述金属帽造成和所述支承盘的物理及电气接触。

23.按照权利要求15的电池，其中所述支承盘和所述密封件共同防止所述密封件在电池压力下的膨胀。

24.一种包括一个一端封闭另一端用一个密封组件卷边密封的圆柱形金属容器的电化学电池，该密封组件包括一个具有一个中央镗及由一个向上延伸的壁确定的一个外周边的轮状塑料密封件，所述密封组件进而包括一个通过一个金属阳极集电器和所述密封件连接的金属支承盘，金属阳极集电器轴向延伸通过所述盘及所述密封件的所述镗的中心，所述密封组件还包括一个设置在所述密封件的所述壁之内并和所述支承盘相邻的圆形金属端帽电极，其中所述支承由一个大致平面的盘构成，该盘具有一个在其外周边上通过一个环状挠性装置和一个外密封边缘连接的中央圆形平台，该挠性装置包括一组顺次同心的环状曲肋，其中相邻的肋具有不同的曲率并且其中至少两个相邻的肋是由一个对所述盘平面具有向上的角度的环连接的，而且其中所述边缘低于所述平台的平面，其中所述卷边密封使所述支承盘在所述边缘处径向向内受压，从而所述边缘向所述塑料密封件的内壁表面施加径向向外的弹性力并把它压在所述圆形容器的内壁表面上以形成密封，而且使所述支承的所述中央部分向上受压以形成所述集电器和所述端帽电极之间的机械及电气接触。

25.权利要求24的支承，其中相对于所述盘的所述平面所述环的外周边高于它的内周边。

26.权利要求25的支承，其中所述密封边缘的平面低于所述平台的平面。

27.权利要求26的支承，其中所述挠性装置包括三个所述肋。

28.权利要求27的支承，其中所述第一及第三肋是向下弯曲的而所述第二肋是向上弯曲的。

29.权利要求28的支承，其中所述第一肋从所述平台的周边延伸。

30.权利要求29的支承，其中由所述环连接所述第一及第二肋。

31.权利要求30的支承，其中所述环以一个向上的角度从所述第一肋的周边延伸。

32.权利要求31的支承，其中所述角度范围约为10至20度。

33.权利要求24的支承，其中所述支承盘和所述密封件共同防止电池压力下的所述密封件的膨胀。

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