CN1268252A - 原电池用的速通密封垫圈 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种装有速通密封垫圈(1)的电化学电池,该垫圈对速通垫圈的选定区域施加预压缩应力,能防止电池内所产生的压力气体过早的溢出。
Description
本发明的技术领域
本发明涉及的是用于原电池的经预压缩的速通密封垫圈，更具体地说涉及能防止电池内所产生的压力气体过早排气的密封装置。
本发明的背景技术
原电池在使用中的某些条件下可能产生大量的气体。由于原电池内可能产生的高压气体，因此这些电池要始终保持紧密封以防止电解液的泄漏损失。这种压力气体如果不通过适当的方式排出，那么就可能引起电池的泄漏、膨胀或爆破。如果使用排气阀就要再密封，以避免电池在整个使用寿命中电解液干透，并且防止能够耗蚀阳极的大气中的氧进入。
过去为释放密封原电池内的高压气体使用各种不同的可再密封的减压排气阀。其中一种常用的阀是基本上由阀门部件构成，如扁平的橡胶垫片，它是通过如螺旋弹簧这样的回弹部件加偏压使其进入排气孔上的密封位置。回弹部件或弹簧设计成当内部气压达到某一预定值时其能变形，以使其暂时解除密封并使气体通过排气孔释放。
另外一种可再密封的排气装置公布于1968年12月10日的Richman的美国专利No.3451690中。在这种排气装置中，平面弹性密封垫圈覆盖着排气孔处，并且通过电池顶部的回弹端帽能使其维持就位。这种排气操作和前面所述方式基本相同。
在1972年5月23日公布的Amthor的美国专利No.3664878中，一种可再密封的排气是将可变形回弹的弹性球覆盖在电池壳体内的排气孔上。其制动装置是设置于排气孔上的可回弹球上以维持球在排气孔上就位，并且该球与排气孔部件外缘所形成的阀座相接触而使可回弹球压缩和变形成扁平状，从而在扁平球和阀座之间形成通常的流体紧密封。可回弹球可在壳体内所设定的高气体压力达到时而经受暂时进一步的变形以便使密封暂时破坏并使气体通过排气孔排出。
另一种高压可再密封的排气装置是一种失效安全排放系统，它记载于美国专利No.3,218,197和3,314,824中。特别在专利′197中公开了一种排气装置，其中密封垫圈有薄的截面，当电池内气体累积到预定的高压值时该薄片密封垫圈就将破裂或“爆裂”。这种排气装置的难点就是通过传统生产技术很难获得用于小直径电池的密封垫圈的一致的“爆裂”厚度。在专利′824公开了穿孔型安全密封，它包含置于电池密封件内的弹簧垫圈，和径向作用的齿形穿孔垫圈。当内部气体累积到预定压力时，齿形垫圈相对弹簧垫圈而滑动，齿状垫圈将使密封垫圈穿孔，从而提供排气通道。这种排气装置需要多个部件组成，因此制造和组装非常昂贵，并且还不适合小直径的电池。
美国专利No.4079172公开的密封干原电池，其在壳体顶表面的界面处设置至少一个排气通道，再将壳体边缘卷曲。这种通道定义为置于卷边下的盖中的凹口和/或在卷边部件上的槽口。
美国专利No.5227261所涉及的电化学电池是由在中心放置的连结基片的圆柱套节的密封件组成，该基片有可排气的膈膜部分和不可排气的膈膜部分，该套节的一端延伸到基片的上面，另一端延伸到基片的下面，以与延伸到基片上面的端头的压配合使集流器插入其中，可排气膈膜部分与套节在界面处相接，形成135～250°的弧形，该界面是基片最薄部分。
美国专利No.4255499涉及一种原电池，它的第一弧形部分与壳体顶外边缘形成约150°～190°，第一弧形部分弄卷或弯曲在壳体的封口装置上，这样当电池内所产生高压积累达到预定值时，这一压力导致封口装置围绕第一弧形部分和剩余的第二弧形部分之间所形成的径向轴倾斜或翘起，以便在壳体与壳体顶外边缘的其余第二弧形部分之间的界面上产生一排气通道。
如上所述，可再密封的高压卸压阀通常是笨重的和/或很难装配在电池组件上，笨重型安全爆裂排气装置并不适用于小电池应用，而低压排气装置又不适宜某些电池系统，也不足以防止电解质经泄漏损失或不足以防止可能引起阳极耗蚀的大气中氧的进入。
因此本发明的一个重要目的是要提供一个用于原电池的紧凑而且经济的压力排气装置，它将在电池中实际上占有最小体积，并使电池的最大体积用于装入电池的有用部件。
本发明的另一目的是通过使用速通密封垫圈为原电池提供一个预定压力的排气装置，它容易制造并廉价生产。
本发明的还一目的是提供能防止原电池内气压过早地排放的排气装置。
通过下面的叙述和附图，以上和更多的目的将更加充分明显。
本发明概述
本发明涉及一种包含在壳体中的含有阳极电极、阴极电极和电解质的电化学电池，所说的壳体有开口端和闭合端，其中壳体的开口端被密封垫圈所密封，所说的密封垫圈包含带有直立外围壁和中心定位的直立壁的基片，形成被称为开口的套节，所说的基片有第一片段，它由直立外围壁向内径向地延伸至被设置成基本上平行于套节直立壁的第二片段，所说的第二片段延伸至设置在第二片段与套节的直立壁之间的第三片段，所说的第三片段有面向壳体的封闭端的弓形表面和一凹口，凹口优选设置在第三片段的内表面，弓形的第三片段在其紧靠着与套节的直立壁相接处的至少一部分区域施加了预压缩应力，优选在10°～360°区域，该压缩应力将延迟由于电池内所产生的气体压力积累所导致的该区域内拉伸应力的冲击，以便防止电池内气体过早排出。
与套节的直立壁相连接的第三片段的横截面的厚度优选为在凹口和第二片段之间的第三片段厚度的1/8～3/4。与垫圈的套节相连接的减薄区将处于压缩状态，因此能吸收电池内气体积累的初始低压力，从而防止电池过早排放。连邻接第一片段和第二片段区域的横截面厚度优选是第一片段横截面厚度的1.25～2.5倍。第一片段和第二片段共同作用将提供铰式装置，使得施加在垫圈外壁的径向力经第一片段传到第二片段，依次传到第三片段。由于第三片段内表面有一凹口，该凹口使得第三片段更具挠性，所以作用在第三片段上的力将使第三片段将向内弯曲。凹口使第三片段更具挠性，并在壳体朝向垫圈再拉伸和/或卷曲时，第三片段将向内弯曲。第三片段的弯曲将在邻接套节壁的第三片段区域处提供一压缩应力。电池最终组装后，垫圈的第三片段将使邻接套节的排气区域处于预压缩状态，并以此延迟作用在垫圈上的拉伸应力的冲击。垫圈能够经受电池内积累的预定压力，防止电池过早排放，除非电池内积累压力高于此值。垫圈的第三片段被设计为具有速通特征，这样第三片段能从面向壳体闭合端的凸弯形状而快速变为面向壳体开口端的凸弯形状。具有速通特征的新型垫圈由于其垫圈高度最小，这样的结构将占有壳体内部最小的体积，而壳体有最大的内部容积用于电池的有用部件。因为具有本发明垫圈的新型结构，作用在垫圈上电池压力能够增加而不会排放。这种特性可由本垫圈第三片段的预压缩和速通性能组合作用来实现。
本发明的垫圈是由多片段构成的，它们在电池组装过程中相互配合，并在垫圈的一片段上预施一压缩载荷，将延迟在垫圈排气区的拉伸应力的冲击并由此防止电池的过早排气。本发明的新型垫圈将会发现拉伸应力的冲击能够被抑制，假如需要，对于C-型电池其延迟值高达内压200磅/英寸2(psi)。电池封口有可能提高在紧邻套节的垫圈减薄区上的压缩力。
预压缩的目的是消除在正常操作压力作用下由第三片段和套节壁的相接合所形成的内角处的拉伸应力。在电池组装过程中邻近套节的垫圈区域处于压缩状态。邻近套节的区域和套节壁之间的夹角被定义为内角，随着内压的增加，此内角将超过90度。
第三片段减薄区的厚度优选为置于凹口和第二片段之间的第三片段横截面平均厚度的1/8～3/4。
套节的直立壁上有凸缘以适应电池盖(内盖)的以中心配置的边缘。垫圈的直立外围壁可有凸缘以适应内盖外缘。假如需要，可以在垫圈的直立外围壁上布置肋条或齿圈以使内盖的外缘与垫圈的第一和第二片段夹紧。
最好是内盖带有适应套节的开口，内盖置于套节外壁内并被夹于外壁和套节的密封件之间。
与盖相连接的垫圈最好通过再拉伸和/或将壳体的边紧靠着垫圈和盖卷曲来与壳体紧密封接。在该实施方案中，垫圈通常是由非导电的合成材料制成，它的作用是绝缘体和阻挡层，用于阻隔空气和潮气，并且在经受诸如摔落或经受振动和/或经受强烈的温度变化和/或潮湿变化和/或滥充电的非正常使用后，仍将有足够的强度以保持其密封性。
圆柱形碱性电池通常是由容器和放置在容器内的部件组成。容器包括一端开口的长形壳体和排气组件。该排气组件是由端盖板、弹性垫圈、内盖和集流器组成。排气组件插放入壳体的开口端以密封壳体。将壳体外边向内拉伸和/或卷曲以形成密封。
本发明的密封垫圈所用材料的选择考虑到了在电解液存在下其能保持稳定并具有回弹能力以及抗冷变形能力。适用的聚合物材料是选自：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯类、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。熟悉该技术的人也能知到其他适用的材料。在某些应用中，其它的保护措施可以与本发明的垫圈结合使用以使密封更有效，例如在垫圈的凸缘表面上涂覆如聚酰胺树脂或沥青粘结剂。本发明的密封垫圈适合于如塑料注模生产技术。本发明垫圈凸缘的表面外形很容易适合从压模机、冲模机等中脱模。该垫圈优选是尼龙。端盖应由在与电池内物质接触时不产生腐蚀或其他损害的导电材料组成。电池壳体可以由不锈钢、铁、镍、镀镍钢或某些其他导电材料制成。
本发明还涉及一种制造具有安全特性的压力排气闭合结构并能够防止电池过早排气的原干电池的方法，其步骤如下：
(a)在导电壳体中放入隔膜、阳极、阴极和电解液；
(b)准备垫圈，该垫圈包含带有直立外围壁和中心定位的直立壁的基片部件，形成定义为开口的套节，所说的基片部件有第一片段，它由直立外围壁向内径向地延伸至被设计成基本上平行于套节直立壁的第二片段，所说的第二片段延伸至设置于第二片段与套节的直立壁之间的第三片段，所说的第三片段是弓形的，这样它面向壳体的封闭端，并且还带有一凹口，弓形的第三片段在紧邻套节的直立壁处的第三片段的区域上施加有预压缩应力，该压缩应力将延迟由于电池内所产生的气体压力积累所导致的邻近套节处的区域的内拉伸应力的冲击，以便防止电池内气体过早排气。
(c)将内盖、垫圈和集流器组装入壳体中；和
(d)压延内盖上的垫圈外围壁上面的壳体的顶部边缘部分以得密封电池，其中所说的与套节的邻接区处于预压缩应力状态。在本文中，术语“压延壳体的顶部边缘部分”是指再拉伸工序、卷曲工序或其他任何能在垫圈减薄厚度上产生压应力的工序。
在第三片段中的凹口优选处于第三片段长度的1/4-3/4之间，更为优选处于第三片段长度的1/3-2/3之间。
附图说明
通过下面的叙述并结合考虑所附的示意图将更加理解本发明，这些示意图只是对本发明实施方案的举例说明，并不意味着对本发明有任何限制，这些示意图如下：
图1是电池所用的垫圈的部分截面图。
图2是已经装配完的原电池的图1所示垫圈装置的垂直剖面图。
图3是经受内部高压后的变形垫圈的部分横截面图。
参照图1～3可以看出，垫圈1包含有一直立的外围壁4和直立于中心的圆柱套节6的基片2。设置在基片2中的位于直立的外围壁4和直立于中心的圆柱套节6之间是第一片段8、第二片段10、第三片段12。第一片段8和第二片段10之间所形成角A如图所示约为70°。如图2所示凸缘38被设计为支承内盖19。如图1所示，11部分的厚度大约为第一片段8的厚度的1.5倍。图2所示为图1垫圈装配在原电池20中。在图1所示的在减薄区片段18与套节6之壁7之间所成的内角B约为80°。在垫圈1的第三片段12上有一凹口15。这一凹口15使第三片段12更具挠性并当在再拉伸或卷曲壳体到垫圈上的过程中使第三片段向内弯曲。第三片段12的弯曲将对邻接到套节上的第三片段12的减薄部分18提供一压应力。
图2是已组装的碱性二氧化锰-锌电池20，它包含壳体22及设置在内的由隔膜28分离的的阳极混合物24以及阴极26。阳极混合物24可包含含凝胶剂的颗粒状锌和如含水氢氧化钾的电解液。阴极可含二氧化锰和如石墨类导电物质。如图2所示，图1的密封圈1被放置在壳体22的开口端，并且密封圈1倚靠在阴极26上。假如需要，可以在密封件和壳体之间的界面处放置密封胶。在壳体22中插入密封垫圈1、盖19和集流器30后，集流器30与阳极混合物24保持良好的导电接触。一旦垫圈1座入壳体22内、盖19座入密封圈1内，顶盖32覆盖在集流器30上，随后壳体22的环形缘片34经径向压向和卷向密封圈1、盖19、盖32，由此沿径向将垫圈1密封到壳体22的开口处。
内盖19被设计成座入在密封垫圈1的套节6的外壁7之凸缘38上。开口35被布置在内盖19上以及开口37布置在顶盖32上以使内压排出。
如图2所示，垫圈1的第三片段12的减薄区在再拉伸和/或卷曲工序中被施于压应力。这种在垫圈上预加应力推迟了在减薄区中拉应力的冲击以防止电池气体过早排气。图3所示为图1和图2的垫圈1在经受电池内高压压力后，使第三片段12朝外翻转以及使减薄区18处于被拉伸状况。假如压力积累巨大，那么密封圈将速通以排气。
只要不脱离本发明的精神实质和范围，参照下面所示和陈述的本发明的具体例子作些其他修改和变动是可以理解的。
Claims (20)
1.一种电化学电池，它包含壳体中的阳极电极、阴极电极和电解质，所说的壳体有开口端和封闭端，其中壳体的开口端被密封垫圈所密封，该垫圈包括带有直立外围壁和中心定位的直立壁的基片，形成定义为开口的套节，所说的基片有第一片段，它由直立外围壁向内径向地延伸至基本上平行于套节直立壁的第二片段，所说的第二片段延伸至置于第二片段与套节的直立壁之间的第三片段，所说的第三片段有弓形表面，它面向内壳体，并且还带有一凹口，弓形的第三片段在其紧靠着与套节的直立壁相接处的至少部分区域施于了预压缩应力，它将防止电池的过早排气。
2.权利要求1的电化学电池，其中的凹口的位置处在第三片段长度的1/4～3/4之间。
3.权利要求1的电化学电池，其中在邻接套节的第三片段与套节的直立壁之间所形成的角大约小于90°。
4.权利要求1的电化学电池，其中与套节相邻接的第三片段区域的厚度是位于第三片段的凹口至第二片段之间的区域厚度的约1/8～3/4。
5.权利要求1的电化学电池，其中套节的直立壁上有一凸缘。
6.权利要求1的电化学电池，其中盖带有开口以适应套节，并放置在垫圈的直立外壁和套节的直立壁之中。
7.权利要求1的电化学电池，其中垫圈是由选自下面的材料制成：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯类、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
8.权利要求1的电化学电池，其中阳极是锌、阴极是二氧化锰以及电解液是氢氧化钾。
9.权利要求2的电化学电池，其中阳极是锌、阴极是二氧化锰以及电解液是氢氧化钾。
10.权利要求3的电化学电池，其中垫圈是选自由下面的材料制成：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯类、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
11.权利要求4的电化学电池，其中垫圈是选自由下面的材料制成：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯类、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
12.一种制备具有压力排放关闭结构并能够防止电池过早排气的安全特征的干原电池的方法，包括步骤如下：
(a)在导电壳体中放入隔膜、阳极、阴极和电解液；
(b)准备垫圈，该垫圈包含带有直立外围壁和中心定位的直立壁的基片部件，形成定义为开口的套节，所说的基片部件有第一片段，它由直立外围壁向内径向地延伸至被设计成基本上平行于套节直立壁的第二片段，所说的第二片段延伸至设置于第二片段与套节的直立壁之间的第三片段，所说的第三片段是弓形的，这样它面向壳体的封闭端，并且还带有一凹口，弓形的第三片段在紧邻套节的直立壁处的第三片段的至少部分区域上施加有预压缩应力，该压缩应力将延迟由于电池内所产生的气体压力积累所导致的邻近套节处的区域的内拉伸应力的冲击，以便防止电池内气体过早排气；
(c)将内盖、垫圈和集流器组装入壳体中；和
(d)压延垫圈外围壁上面的壳体的顶部边缘部分到内盖上，以得密封的电池，其中所说的减薄区处于预压缩应力状态。
13.权利要求12的方法，其中(d)步骤中压延程序是拉伸操作。
14.权利要求12的方法，其中(d)步骤中压延程序是卷曲操作。
15.权利要求13的方法，其中(d)步骤中也采用卷曲操作。
16.权利要求12的方法，其中凹口位于第三片段长度的1/4～3/4之间。
17.权利要求12的方法，其中与套节邻接的第三片段区的厚度是位于凹口和第二片段之间的第三片段区厚度的约1/8～3/4。
18.权利要求12的方法，其中垫圈是选自由下面的材料制成：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯类、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
19.权利要求12的方法，其中阳极是锌、阴极是二氧化锰以及电解液是氢氧化钾。
20.权利要求17的方法，其中垫圈是选自由下面的材料制成：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯类、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
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