CN1334973A - 具有内部风扇的可控通气的扩散管 - Google Patents

Abstract

一种给一个或多个金属－空气电池单元用的空气管理器。该空气管理器包括一扩散通道以及位于该扩散通道内的空气移动装置。

Description

具有内部风扇的可控通气的扩散管

技术领域

本发明是有关于一种给金属-空气电池单元用的空气管理器，更特别的是，一种使用具有风扇或置于该处的类似形式的空气移动装置之扩散管的空气管理器。

背景技术

一般，金属-空气电池单元包括一个或多个氧电极，利用液状电解质而与金属阳极分隔开。金属-空气电池单元也可以包括一个或多个能与膏状电解质一起工作的氧电极，且有金属阳极颗粒分散在该膏状电解质内。金属-空气电池单元工作时，比如锌空气电池，从周围空气中的氧气以及从电解质而来的水在氧电极上被转换成氢氧离子。在阳极锌被氧化掉，并与该氢氧离子反应，将水与电子释放出来，以提供电能。

金属-空气电池单元已经被认为是一种向可携式电子装置供电的必需装置，比如个人计算机，数字相机(camcorder)以及电话。与传统电化学电源比较起来，金属-空气电池单元的重量相对较轻，但输出功率较高且使用时间较长。这些优点有一部分是因为金属-空气电池单元是利用周围空气中的氧当作电化学反应中的反应材料，而非较重的材料，比如金属或金属化合物。

然而，目前的金属-空气电池单元的设计有一缺点，该电池单元会比传统电化学电源的尺寸还大。该项尺寸大小的限制，有一部分是因为需要具有阳极，阴极，电解质，某种电池外壳，以及空气管理器或某种空气通道，用来提供反应气体给电池。这些元件都要占据一定量的宝贵空间。

例如，传统的多电池单元金属-空气电池块的外壳内具有至少一个空气输入通道以及至少一个空气排出通道，而该空气排出通道位于邻近一内部风扇。空气通道通常是用机械空气门密封住，以避免在非使用期间，将空气及湿气传送到外壳内或从外壳内传送到外界。机械空气门系统的实例显示于美国专利4913983，由Chieky所拥有。该参考资料描述一种风扇，用来提供周围空气流给电池外壳内一组金属-空气电池单元。当该电池块接通时，邻近空气输入口与空气排出口的机械空气门会打开，接着起动风扇产生进出该外壳的空气流。然后当电池关闭时，该空气门关闭，将电池单元与周围环境隔绝开。虽然机械空气门会限制氧气，水气以及污染物传送进出外壳，但是这种机械空气门会增加电池外壳本身的复杂性，而且无可避免的增加整体电池块的大小以及成本。

为了设计出较小的金属-空气电池单元以及电池，所要考虑到的其中一点是，要提供充足的空气，让电池能在所需的容量下工作，且在非使用期间内，要避免过多的空气进入电池内。由Pedicini所提出，标题为”Diffusion Controlled Air Vent for a Metal-Air Battery”的美国专利5691074，对空气管理器技术做了很大的改善。Pedicini在其中一实施例中揭示出一组除了输入通道与输出通道以外与周围空气隔绝开的金属-空气电池单元。例如，这些通道可以是长管。位于外壳内的空气移动装置迫使空气通过输入口与输出口，而越过氧气电极循环，并用周围空气更新循环空气。该通道的大小要在空气移动器还在运转时，能让充足的空气流通过，但也要在该通道不被封闭且空气移动器没有运转时，限制水气的流通。

当空气移动器关闭且电池单元内的湿度水平相对地是定值时，只有很少的空气会通过该通道扩散。电池单元内的水气会保护氧电极，而不会曝露到氧气中。该氧电极被水气与周围空气充分地隔绝开，使得电池具有很长的“储存时间”(shelf life)，而不需用机械空气门密封住通道。这些通道因为具有隔绝的能力而被称作“扩散管”，“隔绝通道”或“扩散限制通道”。

特别的说，图1显示出由Pedicini所揭露的金属-空气电池单元实施例。金属-空气电池单元10包括复数个电池单元15，被外壳20包围住。外壳20除了复数个通气开口25以外隔绝开电池单元15与周围空气。在此使用单一的空气入口30与单一的空气排出开口35。循环风扇40让空气产生对流，进出外壳20内外，以便将外壳20内的气体做循环以及混合处理。图1的箭头45代表进、出、和在外壳20内气体的循环情形，将反应气体送入电池单元15中。风扇40强迫空气穿过空气入口30，进入空气充气室入口55，跨越电池单元15，离开空气充气室排出口65，或者接着在外壳20内再循环或是由空气排出口35排出。美国专利5691074在此当作参考。

隔绝通道会将湿度对金属-空气电池单元的损害影响极小化，尤其是空气移动装置关闭时。金属-空气电池单元曝露到具有较高湿度的周围空气中，会经由氧电极吸收太多的水，并因称为“浸润”(flooding)的条件而失效。另外，金属-空气电池单元曝露到具有较低湿度的周围空气中，会经由氧电极而由其电解液释放太多的水气到周围空气中，并因称为“枯干”(drying out)的条件而失效。当空气移动装置关闭时，隔绝通道会限制湿气进出金属-空气电池单元，以极小化周围湿度的负面影响。

隔绝通道的效率，就进出金属-空气电池单元的空气与水气来说，可以用“隔绝率”来描述。该“隔绝率”是指氧电极完全曝露到周围空气时的电池单元水损失或水增加，与氧电极除了一个或多个限制开口以外与周围空气隔绝开时的电池单元水损失或水增加之比。例如，给定的一样的金属-空气电池单元具有在水中约35％KOH的电解液，约50％的内部相对湿度，具有约10％相对湿度的周围空气，以及非风扇推动的循环系统，氧电极完全曝露到周围空气之电池单元的水损失约比氧电极除经由一个或多个上述隔绝通道外与周围空气隔绝开之电池单元的水损失大100倍以上。在本实例中，应该得到100比1以上的隔绝率。

依据上述Pedicini的实例，当风扇关闭以及内部湿度相对地为定值时，隔绝通道会限制到达氧电极的氧气量。这种隔绝作用会极小化金属-空气电池单元的自放电电流与漏电流或耗损电流(drain current)。自放电是指金属-空气电池单元内的化学反应并不提供有用的电流。自放电会降低金属-空气电池单元提供有用电流的能力。例如，自放电会发生在当金属-空气电池单元干枯时且锌阳极被电池单元在非使用期间渗到电池单元内的氧气氧化时。漏电流与耗损电流同义，当空气移动装置不提供空气给电池单元时，漏电流可以是提供给由金属-空气电池单元造成的封闭电路的电流。比起输出电流，上述的隔绝通道会限制耗损电流到小约至少50倍。

除了湿度差别以外，隔绝率又与由风扇或其它空气移动器所产生的压力差值有关，以及与在风扇关闭时，隔绝通道会减缓空气与水气的扩散的程度有关。在过去，比起金属-空气电池单元的体积与成本来说，金属-空气电池单元所使用的空气移动装置，其体积很大且很昂贵。虽然金属-空气电池单元的主要优点是因低重量的氧电极所带来的高能量密度，但是该优点被有效空气移动装置所需的空间与重量所损害。要不然可给电池化学带来延长电池寿限用的空间，必须被用来容纳空气移动装置。然而，增加风扇的尺寸与功率，或加长隔绝通道来增加隔绝率，一般是会导致电池单元或电池的尺寸增加。亦即，减少电池单元或电池尺寸的努力，受限于需要足够的隔绝率以及足够大小的风扇或空气移动器。对于要在很小封闭空间内做出实际金属-空气电池单元来说，比如在许多电子装置内当作标准电源装置的“AA”大小的圆柱形内的金属-空气电池单元，所损失掉的空间是致命的。

因此，需要一种金属-空气电池单元及/或电池块尽可能的小以及紧凑，只占用很少电池化学作用需要的空间，并提供足够的电功率，具有足够大的隔绝率。这些优点必须以低成本且高效率的方式，在金属-空气电池单元或电池块内达成，提供金属-空气电池单元的原有功率以及使用寿限能力。

发明内容

本发明是有关于一种给金属-空气电池单元或电池用的改进的反应空气通风系统，具有位于扩散管内的风扇或其它型式的空气移动装置。很有利的是，该通风系统提供较大的电功率与电容量的紧凑金属-空气电池单元元或电池。将空气移动装置放在扩散通道内，能提供很好空气流以及足够湿度控制，比已知装置来说该风扇或空气移动装置可以非常小。本发明因此能在耐用的金属-空气电池单元或电池块内提供足够的隔绝率。

本发明实施例包括使用以一条管状或多条管状的隔绝通道或扩散通道。可以使用进气通道与排气通道，或是使用单一通道。空气移动装置可以是具有马达以及一片或多片扇叶的风扇。该扇叶可以固定在扇叶套管内。空气移动装置是用一个或多个支撑柱，安置在通道内。另一实施例包括使用具有中央凸出部的扩散管。风扇或其它空气移动装置是安置在该凸出部内。

在另一实施例中，扩散通道具有切口。马达可位于相邻到该切口的扩散通道外，而扇叶是在通道内。马达可以使用摩擦转子，经由该切口，来驱动扇叶套管，以便驱动扇叶。单一马达会驱动在进气通道与排气通道内的空气移动装置。该扩散通道包括回旋扩散管或是具有收缩阀的收缩管。另一实施例使用复数个围绕扩散管的电磁铁，以驱动扇叶或扇叶套管。

在另一实施例中，空气移动装置还具有一个或多个固定到轮轴上的扇叶，一个或多个支撑柱，以及一个或多个在轮轴与支撑柱之间的致动器。该致动器可以是形状记忆合金线，形成在其间的电气电路。可以使用第一形状记忆合金线与第二形状记忆合金线。第一形状记忆合金线具有一个变形的转向，与第二形状记忆合金线的退火转向相反。当该电气电路沿着第一形状记忆合金线完成时，该电路会让第一形状记忆合金线回到其退火后形状。这种动作转动扇叶，并转动第二形状记忆合金线回到其变形形状。然后重复这种反复过程。

依据一个实施例，本发明的金属-空气电池单元具有电池外壳以及一个或多个金属-空气电池单元，其外壳具有内部与外部，而金属-空气电池单元是在电池外壳的内部中。一个或多个扩散通道连系电池外壳的内部与外部，具有空气移动装置，位于至少一个或多个扩散通道内。特别的是，金属-空气电池单元具有电池外壳以及一个或多个金属-空气电池单元，其外壳具有内部与外部，而金属-空气电池单元是在电池外壳的内部中。进气扩散管与排气扩散管连系电池外壳的内部与外部。有一个或多个扇叶位于进气扩散管与排气扩散管内。马达在电池外壳内，介于进气扩散管与排气扩散管之间，以驱动管内的一个或多个扇叶。扩散管包括回旋扩散管或是具有收缩阀的收缩管。

另一实施例中包括由带有输入扩散管的金属-空气电池驱动的电子装置。此电子装置有一外表面和与金属-空气电池配合的电池接口。装置还有一进气扩散管，它位于装置内，当金属-空气电池位于电池接口内或其近旁时用于连系金属-空气电池的外部和输入扩散管。风扇位于电子装置的进气扩散管内。本实施例造成一个用于与带有提供反应空气的内部风扇的电子装置配合的可替换的金属-空气电池。

另一实施例包括至少具有一个金属-空气电池单元的金属空气电源。该电源还具有至少一个能通过足够空气的通道，该空气在与工作中的空气移动装置一起动作时，能让该电池单元运作。该通道在没有被密封住且不在该工作中的空气移动装置的影响下可继续运行，来限制流经该通道的空气流。该空气移动装置本身是在该通道内。

本发明的另一目的包括一金属-空气电池单元。该电池单元包括一电池单元外壳，具有内部区与外部侧壁。复数个空气电极位于电池单元外壳的内部区。扩散通道连系电池单元外壳的内部区与外部侧壁。该扩散通道内有一空气移动装置。电池单元外壳还具有空气管理器上盖，该空气管理器上盖具有空气管理器扩散通道，位于该上盖内。空气管理器扩散通道具有空气进气口与上盖匹配连接器。空气移动装置在空气管理器扩散通道内。电池单元外壳还具有化学本体，可以从空气管理器上盖脱离开。该化学本体具有化学本体扩散通道，而化学本体扩散通道具有空气排气口与本体匹配连接器。上盖匹配连接器与本体匹配连接器尺寸能相互匹配。空气移动装置能够往复运动。

本发明的其它目的，特点与优点将会在经过以下本发明优选实施例的详细说明，并结合相关附图以及所附的权利要求书而变得更为清楚。

附图说明

图1为美国专利5691074中描述的使用扩散管的金属-空气电池实施例；

图2为具有内部风扇之扩散管的剖示图；

图3显示出沿着图2的3-3线，具有内部风扇之扩散管的剖示图；

图4是具有中央凸出部的扩散管的剖示图；

图5是具有内部风扇扇叶与外部马达的扩散管的剖示图；

图6显示出沿着图5的6-6线，具有内部风扇扇叶与外部马达的扩散管的剖示图；

图6B是具有被复数个电磁铁所包围住的内部风扇扇叶的扩散管的剖示图；

图7是具有内部风扇扇叶的进气扩散管，具有内部风扇扇叶的排气扩散管，以及共有的马达的剖示图；

图8是具有图7扩散管以及共有的马达的金属-空气电池单元剖示图；

图9是具有内部风扇扇叶以及一对形状记忆合金线的扩散管剖示图；

图10是具有一对回旋进气与排气管以及内部风扇的金属-空气电池单元剖示图；

图11显示出沿着图10的11-11线，具有一对回旋进气与排气管以及内部风扇的金属-空气电池单元剖示图；

图12是具有一对进气与排气收缩管以及内部风扇的金属-空气电池单元剖示图；

图13是具有扩散管以及与具有进气与排气扩散管之金属-空气电池单元相匹配的内部风扇的电子装置剖示图；

图14是具有空气管理器上盖的“AA”大小的金属-空气电池单元剖示图，其中空气管理器上盖具有带有内部风扇的扩散管。

具体实施方式

现在更详细的参阅附图，其中相类似的标号代表相类似的构造部件，而图2与图3是以扩散管100方式显示出本发明所使用的隔绝通道或扩散通道。扩散管100是与包封在金属-空气电池10或是任何型式金属-空气电池单元15的外壳20内的复数个电池单元15或金属-空气电池10一起使用。扩散管100最好是圆柱形，但并不限定于此。任何能提供所需隔绝作用的剖面形状都很适合。如美国专利5691074描述的扩散管，扩散管100的大小要能在风扇110或空气移动装置关闭时，避免空气流流过，而当风扇110打开时，能有足够的空气流流过。特别是，扩散管100的长度大于其宽度，而且其长度最好是大于宽度的约2倍。最好是使用较大的长度与宽度比率。该比率是取决于金属-空气电池单元15的本性，可能大于200比1。然而，最好的长度与宽度比率约为10比1。

风扇110位于扩散管100内。该风扇110是传统的空气移动装置。例如，虽然空气移动装置在此是用“风扇”110的名词，但是该空气移动装置可以包括其它的装置，比如泵，风箱以及该技术领域之技术人员所熟知的类似装置。风扇110包括复数个风扇扇叶120，由传统的电动马达130或其它类似的装置所驱动。电动马达130从电池单元或电池本身取得电力。风扇110位于扩散管100内，由一个或多个支撑柱140或其它类似的固定装置固定住。支撑柱140固定住位于扩散管100中间部分的风扇110。将风扇110安置在扩散管100内，让风扇110移动空气，穿过扩散管100，很像用叶片推动内燃机内的空气。

依据本发明第一实施例，扩散管100兼起进气口与排气口的作用，因为风扇110会让空气流在扩散管100内来回流动。另一替代的形式中，周围空气流过扩散管100，朝向电池单元15或氧电极，而至少部分缺乏氧气的空气会从电池单元15或氧电极经扩散管100流出。此外，在又一替换形式中可以使用集合体式的多扩散管100，让扩散管100一起当作进气口用，然后，一起当作排气口用。当经过一个或多个扩散管100的来回空气流提供空气给电池单元15或氧电极时，风扇110最好能造成电池单元15或氧电极附近的空气至少有某种混合。这种混合能确保电池单元15或电极曝露到很均匀的氧气中。

依据本发明的第二实施例，至少使用二个扩散管100，响应风扇110的运行提供空气流给电池单元15。扩散管100与风扇110被安置成有一个扩散管100当作进气口，周围空气经过该进气口，流向电池单元15或氧电极，而且另一个扩散管100当作排气口，让缺乏氧气的空气经过该排气口，从电池单元15或氧电极流出去。此外，第一组扩散管100可以一起当作进气口用，而第二组扩散管100可以一起当作排气口用。

图4显示另一实施例的扩散管100。在该实施例中，扩散管150具有中央凸出部160，而有一风扇170固定到该中央凸出部160的里面。中央凸出部160的的直径要够大，以固定住风扇170。如图2与图3的实施例所示，风扇170包括复数个风扇扇叶180，由电动马达190或其它型式的装置所驱动。风扇170由一个或多个支撑柱200，在扩散管150内支撑住。在本实施例中，扩散管150具有第一扩散段210与第二扩散段220。第一扩散段210与第二扩散段220的直径或宽度都比相对应的长度还小。第一扩散段210与第二扩散段220的长度与直径能充分的隔绝开电池单元与外部环境。类似的，中央凸出部160允许装很大或更强的风扇170，推动足够的空气量，同时提供电池单元充分的隔绝作用。

图5与图6显示本发明的另一实施例。该实施例显示出具有很小间隙或切口260的扩散管250，该间隙或切口相邻到扩散管250的一端。切口260很接近扩散管250的一端，使得剩余的扩散管250能进行扩散作用，而不会传送很多的空气或水气穿过切口260。风扇270被固定在扩散管250内。如上所述，风扇270具有复数个风扇扇叶280，将其内端固定到轮轴290上。风扇扇叶280还将其外端连结到风扇扇叶套管300上。该扇叶套管300的大小实质上填满切口260。上述的电动马达310或类似的装置被安置在扩散管250外且邻接切口260处。电动马达310具有传动轴320，连接到摩擦转子330或其它类型的驱动机构。摩擦转子330位在切口260内，使得摩擦转子330利用摩擦力来转动扇叶套管300，以便让风扇扇叶280转动。

将电动马达310安置到扩散管250外，扩散管250的直径便可以比较小，因为不用再考虑电动马达310的大小。类似的，电动马达310不需要过度的缩小。虽然这些较小的马达在商业上可买到，但是这些马达比起普通尺寸的马达较为昂贵。风扇扇叶280可以利用注塑成型而达到很小的直径，并能配合扩散管250的所需直径大小。除了上述的摩擦驱动以外，还可以使用其它用来驱动风扇扇叶280的传统方法。传统的方法包括使用齿轮，皮带轮，磁性耦合以及本领域技术人员所熟知的类似方法，来驱动没有与驱动马达传动轴320成一直线的负载。

例如，图6B显示固定到风扇扇叶套管300内的风扇扇叶280。此时，风扇扇叶280及/或风扇扇叶套管300是用金属，金属涂复或其它能起电磁作用的材料制成。复数个具有马达绕组345的电磁铁340包围住与风扇扇叶套管300相邻的扩散管250。电磁铁340与风扇扇叶280或风扇扇叶套管300以给定的方向同步转动。电磁铁340可以同时位于进气与排气扩散管250上，或是电磁铁340可以反转，使得只有一个扩散管250被用到。

图7显示本发明的另一实施例。该实施例使用进气扩散管350与排气扩散管360。进气扩散管350与排气扩散管360都具有如图5与图6所示切口370。进气扩散管350与排气扩散管360都还具有复数个风扇扇叶380，每个风扇扇叶380都固定在轮轴390与风扇扇叶套管400上。马达410位于扩散管350与360之间。该马达410具有传动轴420与摩擦转子430。摩擦转子430是在扩散管350与360的切口370内，以便能同时以摩擦驱动的方式，来驱动扩散管350与360的风扇扇叶套管400。单一马达410因此能兼驱动扩散管350与360内的风扇扇叶380。

图8显示出图3与图7扩散管实施例的一种可能应用。图8显示，电池外壳440，其内具有复数个金属-空气电池单元442。电池外壳440还包括具有分隔板446的充气室444。在此使用图7的双扩散管概念，虽然也可以使用其它实施例。特别是，马达410位于进气扩散管350与排气扩散管360之间。当马达410接通时，进气扩散管350的风扇扇叶380会将周围空气推入电池外壳440内。空气进入充气室444，绕过分隔板446，排出排气扩散管360外。当马达410关闭时，扩散管350与360都具有足够的长度，实际上排除空气流经其中。

将风扇扇叶380安置到扩散管350与360内，而马达410在扩散管350与360外，本实施例能提供直径较小的扩散管350与360，而可以提供足量进气的能力。提供足量空气经过细长管子的这种能力，也能提供较大的隔绝率。此外，驱动风扇扇叶380所需的电功率被限制于一个马达410，因而增加电池的整体能量效率。

图9显示出图2到图8马达驱动风扇的另一种实施例。图9显示，扩散管450内具有一个或多个风扇扇叶460。该风扇扇叶460固定在轮轴470上。第一支撑柱480是固定在扩散管450的第一侧上，而第二支撑柱490是固定在扩散管450的第二侧上。支撑柱480与490可以是任何型式的固定装置，能让足够的空气通过。致动器495连接在第一支撑柱480与风扇扇叶460的轮轴470之间。其中致动器495是第一形状记忆合金(“SMA”)线500。设于第二支撑柱490和风扇扇叶460的轮轴470是第二SMA线510。

“形状记忆合金线”500与510一般是指镍钛合金(nitinol)，具有大约等原子量的镍与钛，用来”记忆”特殊形状。这种SMA线是在低温下形成所需的形状，再夹住，再进行加热处理，经过其转变温度过渡到退火温度。冷却时，SMA线很容易变形。因此，该线在加热后会回复到其退火形状。去除掉加热源后，该线可以被迫回到其变形的形状，这种变化可重复。SMA线因此能提供机械式的移动功能，而不需使用传统的马达。较佳的形状记忆合金线是由美国加州Erin的Dynalloy公司所贩售，商标为“Flexinol”。

此时，线500与510是在旋向下形成退火形状。接着将线500与510中的一个线朝相反方向变形。线500与510以此相反旋向被装入扩散管450上。当电流，热或其它能量加到变形线500与510上时，线500与510会回复到未变形的或退火的形状。一般，线500与510是一次加热一个，让线500与510中的一个线加热到其退火形状，使第二线500与510回复到其变形状态，或相反。

特别是，沿着第一支撑柱480与风扇扇叶460的轮轴470之间的第一SMA线500，完成第一电路520。沿着第二支撑柱490与风扇扇叶460的轮轴470之间的第二SMA线510，完成第二电路530。将第一SMA线500朝相反方向变形到其退火形状。将电压脉冲加到第一SMA线500上，该第一SMA线500会扭变到其退火形状。线500的运动会转动轮轴470与风扇扇叶460。轮轴470的转动会将第二SMA线510扭变。类似的，将电压脉冲加到第二SMA线510上，第二SMA线510回到退火形状，进而反向转动该轮轴470与风扇扇叶460，让第一SMA线500扭转变形。

重复这种反复过程，并造成双向来回空气流经过扩散管450。因为有双向气流，所以只需要一个扩散管450，便可以使电池运行。此外，使用此处所示形状记忆合金线500与510就不需要一般的风扇马达。另一方式是，只使用第一SMA线500而第二SMA线510仅用来储存转动能量，当作扭力弹簧用。可以使用其它致动器，比如双金属组件，螺线管，压电组件，以及本领域技术人员所已知的其它类似组件。

图10与图11显示出本发明的另一应用。这些附图显示约“AA”大小的电池单元550。电池单元550具有外空气电极，围绕内空气电极的阳极层560，以及阴极层570。空气进气通道580与空气排气通道590是在电池单元550内的中央。空气管理器600是在电池单元550顶部上。空气管理器600包括回旋进气管610与回旋排气管620。“回旋”是指回旋进气管610与回旋排气管620都是在空气管理器600内绕或是组装成“折叠”的形状。回旋进气管610与回旋排气管620的目的是要尽可能的加长空气进气路径与空气排气路径，以提供给电池单元550足够的隔绝作用。回旋进气管610与回旋排气管620都具有约0.05-0.20cm的直径，以及约0.2-2.0cm的长度。回旋进气管610与回旋排气管620对位置的唯一要求是，不可以完全折叠在一起，以便切断空气进气通道580与空气排气通道590。

每个回旋进气管610与回旋排气管620内有复数个风扇扇叶630，固定在风扇扇叶套管635内，如上所述。风扇扇叶630的大小要能配合回旋进气管610与回旋排气管620的直径。马达640位在回旋进气管610与回旋排气管620内，如上所述。马达640包括传动轴650与摩擦转子660。在此所揭示的马达640是1.5伏特的电动马达，占约一立方公分的空间。每个回旋进气管610与回旋排气管620都包含一切口690，让马达640的摩擦转子660驱动两者的风扇扇叶套管635，提供经过电池单元550的进气空气流以及排气空气流。虽然显示出进气与排气风扇扇叶630，但是只需要进气风扇扇叶630。

在本实施例中，风扇扇叶630提供足够的空气流给AA大小的电池单元用。马达640驱动风扇扇叶630，提供每分5到500立方厘米的空气给电池单元550。当马达640关闭且风扇扇叶630静止时，低于每分约0.001立方厘米的空气会到达该电池单元。此外，比起没有空气管理器的电池单元来说，使用具有内部风扇扇叶630的回旋进气与排气管610与620，提供大于100比1的隔绝率。本实施例因此提供了一种传统AA大小的锌-空气电池单元。

本发明的另一实施例显示于图12中。该实施例具有如上所述相同的AA大小。不用回旋进气与排气管610与620，本实施例是一种具有收缩管720的电池单元690，而收缩管720是在进气风扇开口700与排气风扇开口710上。“收缩”管是指当没有支撑时，通道面积会沿着足够长度内减少，使得水汽穿过该路径的扩散率可以降低。因为扩散率是正比于开口面积除以长度，所以收缩管720能提供高度限制性的路径。收缩管720基本上当作单向阀门来用。当风扇马达640关闭时，收缩管720实质上保持封闭状，但是当风扇扇叶630转动而强迫空气通过它流通时，收缩管720会在空气压力下充分的打开。

收缩管720可以用轻薄材料做成，能够很容易在空气压力下打开并支撑住。例如，聚酯高分子与耐伦都是轻薄的塑料薄膜，能做成要求的形状。这些材料能在制造过程中做定向处理，使得只能偏向到封闭的方位上。这会让该材料在打开后回复到收缩状态。此外，这些材料的静态吸力可以极小化收缩开口的面积。相类似的，比如latex的高弹性材料可以用来制造出薄的收缩管。在被空气压力打开后，这种材料的机械特性可以收缩到封闭位置上。类似的，使用具有低水气传送率的材料或涂布具有这种特性的材料，便能进一步降低收缩管720的水气传送特性。例如，这些材料可以是用金属化处理过的。因此当风扇扇叶630静止时，收缩管720能提供高度隔绝率给电池单元690，但是当风扇扇叶630转动时，能让足够的空气流过。

图13是本发明的另一实施例。该实施例显示一种由金属-空气电池760供电的电子装置750。该电子装置750包括具有内部风扇780的进气扩散管770。进气扩散管770连接大气与金属-空气电池760。电子装置750也包括正极与负极电池端790。相类似的，金属-空气电池760包括进气扩散管800，其大小要能配合电子装置750的进气扩散管770。金属-空气电池760也包括排气扩散管810，将气体排放到大气，或是经过电子装置75再收回来。金属-空气电池也具有正极与负极电池端820。金属-空气电池760的大小要能放到电子装置750内或是靠近电子装置750边，使得相对应的扩散管770与800以及相对应的电池端790与820都相互接触到并相通。

共同拥有而与本案同时申请的标题为“Air-Managing System ForMetal-Air Battery Using Releasable Septum”的申请案，标题为“Replaceable Metal-Air Cell Pack With Self-Sealing Adaptor”的文章中，显示出一种金属-空气电池760与电子装置750耦合的较佳方法。该申请案描述在具有尖针与隔膜的关系的电子装置与金属-空气电池间分隔开的扩散管的配合。电子装置内扩散管的一端安装中空尖针，而金属-空气电池内扩散管的端头用隔膜覆盖住。隔膜会避免空气到达金属-空气电池。当电子装置与金属-空气电池连接在一起，中空尖针贯穿金属-空气电池内的隔膜，让空气流通。当该二装置被隔离开时，隔膜会以气密的方式关闭，避免空气流入电池内。

在使用时，风扇780将空气抽入电子装置750的进气扩散管770。空气经由进气扩散管800而注入金属-空气电池760内，并经过金属-空气电池760做循环。该空气接着排出排气扩散管810外到大气中。电力经由相对应电池端820与790，而从金属-空气电池760提供给电子装置750。将风扇780安置到电子装置750内，与金属-空气电池760内相反，金属-空气电池760变得较小是可能的。金属-空气电池760很小而且不贵，因为风扇780是固定在电子装置750内，所以不需要每次金属-空气电池760用完时都要换新。此外，金属-空气电池760具有进气扩散管800与排气扩散管810，所以金属-空气电池760在非使用期间，能正确的与周围环境隔绝开。

图14是相类似的实施例。图14显示出AA大小的电池单元900。该电池单元900具有空气管理器上盖910，而该空气管理器上盖910的上盖扩散管920，是从空气入口930延伸出去而将大气与上盖匹配连接器940相通。风扇950或其它类似于上述的其他形式空气移动装置位于上盖扩散管920内。风扇950能产生来回流动的空气流。空气管理器上盖910还包括正极电池端960与上盖电池连接器970。电池单元900进一步包括可更换的化学本体980，与空气管理器上盖910配合。化学本体980内可以有锌胶阳极材料990，隔离层1000以及阴极层1010。锌胶阳极材料990，隔离层1000以及阴极层1010都是传统的设计。锌胶阳极材料990经由弹簧加载桥架1020或其它传统可压缩组件，而接触到隔离层1000，以保持对锌胶的机械接口。化学本体980还包括本体扩散管1030。本体扩散管1030是从用来配合上盖匹配连接器940的本体匹配连接器1040延伸出去，到相邻于阴极层的空气出口1050。化学本体980包括负极电池端1060与本体电池连接器1070。

使用时，空气由空气入口930经过空气管理器上盖910内的上盖扩散管920，送入电池单元900内。空气经由位于上盖扩散管920内的风扇940抽入该管920。该空气通过上盖扩散管920，进入化学本体980与经由相应的匹配连接器940与1040进入本体扩散管1030内。接着空气被排出相邻于阴极层1010的空气出口1050外。当有足够的进气空气被推入化学本体980内后，风扇950会反向运转。排出的空气被推入空气出口1050，经过相对应的扩散管920与1030，而排到空气入口930外。当锌胶阳极材料990用完后，化学本体980会从空气管理器上盖910拿掉。空气管理器上盖910接着会接到新的化学本体980。空气流会由于相对应的上盖电池连接器970与1070，而流过电池单元900。电池单元900可经由相对应电池端960与1060，提供电力给电路用。

或是相应的扩散管920与1030或是只有本体扩散管1030整个地当作电池单元900的隔绝通道。因为本体扩散管1030起隔绝通道作用，化学本体980具有很长的储存寿限，而不需要密封或连接到空气管理器上盖910。另一方式是，如果本体扩散管1030不连接到空气管理器上盖910且是密封时，上盖扩散管920可当作隔绝通道。可以使用本实施例的许多变化。例如，化学本体980与往复式风扇不同，使用进气与排气扩散管。

在不同实施例中，反应于风扇的操作，在此处描述的让空气流能流通的扩散管较佳能力，是取决于所需金属-空气电池单元的电容量。可以使用任意数目的扩散管，使得多个扩散管的总空气流容量等于较佳总空气流容量。本领域的技术人员会了解到，如果空气移动装置所造成的压差增加时，可以增加扩散管的长度，及/或减少扩散管的直径。当移动装置不再经由扩散管强迫空气流动时，可以找到空气移动装置所造成的压差以及扩散管大小之间的平衡点，此时经过扩散管的空气流与扩散会大幅的降低。

不论使用单向流通或往复式流通，上述的扩散管可以是隔绝通道，如上所述以及美国专利5691074所揭露的。在此同时使用“扩散管”与“隔绝通道”术语。隔绝通道的大小要能(I)对应于风扇的运作或空气移动装置的运作通过足够的空气流，使得金属-空气电池单元能提供输出电流，供电给负载，但是(ii)当扩散管未密封而且该风扇并不强迫空气流通过它时，限制空气流与扩散，使得电池单元或氧电极至少是部分与周围空气隔绝开。扩散管保持固定湿度水平，让内部水气保护该电池单元的氧电极。这些扩散管维持金属-空气电池单元的效率，功率以及使用时间。每个扩散管都提供隔绝功能，同时至少部分限定了开放的周围空气与电池单元或氧电极之间的连接路径。因此，在不需传统的空气门或其它类似的构造下，扩散管能提供隔绝功能，以便密封住扩散管。

虽然扩散管在风扇不驱动空气流经过它时会限制空气流与扩散作用，但是在某些系统中要求当风扇不是打开时，经过扩散管的有限量扩散作用。例如，对于二次金属-空气电池单元或充电金属-空气电池单元，扩散管最好能提供氧气从电池单元或氧电极扩散到周围环境中。另一实例是，某些时候需要至少将有限量的氧气，从周围空气中经由扩散管扩散到氧电极。这种扩散作用保持恒定的“开路电池电压”，并对金属-空气电池单元从低电流需求量或没有电流需求量状态下转变到最大输出电流时可能发生的任何延迟减小到最低程度。

扩散管最好是设计成，在风扇运转时，能提供足够的空气流通过它，使得从金属-空气电池单元得到足够大的输出电流，一般至少50ma，而最好为至少130ma。此外，在风扇关闭下扩散管最好是设计成能限制经过它的空气流与扩散，使得金属-空气电池单元所能提供的漏电流或耗损电流小于输出电流的因数约有50或更大。此外，扩散管最好是能提供大于50比1的“隔绝率”，如上述。此隔绝率可提供高功率的金属-空气电池，并具有较长的储存寿限。此外，整体上电池的体积能量密度会增加，因为给充气室与风扇用的体积会减少。

Claims (38)

1.一种供一个或多个金属-空气电池单元用的空气管理器，其特征是包括：；

一扩散通道；以及

位于该扩散通道内一空气移动装置。

2.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该扩散通道包括一管状物。

3.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该扩散通道包括一进气通道。

4.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该扩散通道包括一排气通道。

5.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该空气移动装置包括一风扇。

6.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该空气移动装置包括一马达。

7.如权利要求1所述空气管理器，其特征是其中该空气移动装置包括一个或多个风扇扇叶。

8.如权利要求7所述的空气管理器，其特征是其中该空气移动装置包括一风扇扇叶套管，所述一个或多个风扇扇叶装在所述风扇扇叶套管内。

9.如权利要求8所述的空气管理器，其特征是其中该扩散通道包括一在其上之切口。

10.如权利要求9所述的空气管理器，其特征是进一步包括一位于该扩散通道外而相邻于该切口的马达。

11.如权利要求10所述的空气管理器，其特征是其中该马达包括一摩擦转子，该摩擦转子经由该切口，接触到该风扇扇叶套管，以驱动该一个或多个风扇扇叶。

12.如权利要求7所述的空气管理器，其特征是其中该空气移动装置包括一致动器，转动该一个或多个风扇扇叶。

13.如权利要求12所述的空气管理器，其特征是其中该致动器包括一形状记忆合金线。

14.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该扩散通道包括一具有中央凸起的管状物。

15.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该空气移动装置位于该扩散通道内，由一个或多个支撑柱固定住。

16.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该扩散通道包括一进气通道与一排气通道，其中该空气管理器进一步包括一马达，以驱动进气通道与排气通道内的空气移动装置。

17.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该空气移动装置包括一个或多个固定在轮轴上的风扇扇叶，一个或多个支撑柱，以及一个或多个形状记忆合金线，该形状记忆合金线位于该轮轴与至少其中一支撑柱之间，以便在所述轮轴与至少其中一支撑柱之间形成一电路。

18.如权利要求17所述的空气管理器，其特征是其中该一个或多个形状记忆合金线包括一第一形状记忆合金线与一第二形状记忆合金线。

19.如权利要求18所述的空气管理器，其特征是其中该第一形状记忆合金线包括一变形的旋向与该第二形状记忆合金线的退火旋向相反，当该电路沿着该第一形状记忆合金线完成时，该电路会让该第一形状记忆合金线回复到其退火形状，以转动该风扇扇叶，并转动该第二形状记忆合金线。

20.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该扩散通道包括一回旋扩散管。

21.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该扩散通道包括一收缩扩散管。

22.如权利要求21所述的空气管理器，其特征是其中该收缩扩散管包括一扩散管与收缩阀门。

23.如权利要求1所述的空气管理器，其特征是其中该空气移动装置包括复数个电磁铁。

24.一种金属-空气电池，其特征是包括：

一电池外壳，该电池外壳具有一内部与一外部；

一个或多个金属-空气电池单元，位于该电池外壳的内部中；

一个或多个扩散通道，连系该电池外壳的内部与外部；以及

一空气移动装置，位于所述一个或多个扩散通道的至少一个之内。

25.一种金属-空气电池，其特征是包括：

一电池外壳，该电池外壳具有一内部与一外部；

一个或多个金属-空气电池单元，位于该电池外壳的内部中；

一进气扩散管，连系该电池外壳的内部与外部；

一个或多个风扇扇叶，位于该进气扩散管内；

一排气扩散管，连系该电池外壳的内部与外部；

一个或多个风扇扇叶，位于该排气扩散管内；以及

一马达，位于该电池外壳内的所述进气扩散管与所述排气扩散管之间，驱动所述进气扩散管内的该一个或多个风扇扇叶以及所述排气扩散管内的该一个或多个风扇扇叶。

26.一种电子装置，由带有一输入扩散管的金属-空气电池所驱动，其特征是包括：

一外表面；

一电池接口，供和所述金属-空气电池配合；

一装置进气扩散管，位于所述电子装置内，当所述金属-空气电池位于或靠近于所述电池接口时，连系所述金属-空气电池的所述外部和所述输入扩散管之间；以及

一风扇，位于所述电子装置的所述装置进气扩散管内。

27.一种金属空气电源，其特征是包括：

至少一金属-空气电池单元；

至少一通道，能让足够的空气通过，以便让该电池单元与工作中的空气移动装置一起运行，其中该通道能在未被密封住且不在该工作中的空气移动装置的影响下进一步工作，以限制流过该通道的空气流；以及

该空气移动装置位于至少一通道内。

28.一种金属-空气电池单元，其特征是包括：

一电池外壳；

所述电池外壳包括内部区域和外壁；

多个空气电极位于所述外壳的所述内部区域；

一扩散通道，连系于所述外壳的所述内部区域和外壁之间；以及

一空气移动装置，位于所述扩散通道内。

29.如权利要求28所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述电池外壳包括一空气管理器上盖。

30.如权利要求29所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述扩散通道包括一位于所述空气管理器上盖上的空气管理器扩散通道。

31.如权利要求30所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述空气管理器扩散通道包括一进气口及一上盖配合连接器。

32.如权利要求31所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述空气移动装置位于所述空气管理器扩散通道内。

33.如权利要求29所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述电池外壳包括一化学本体。

34.如权利要求33所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述化学本体可从所述空气管理器上盖拆下。

35.如权利要求33所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述扩散管包括一化学本体扩散管。

36.如权利要求35所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述化学本体扩散管包括一出气口及一本体配合连接器。

37.如权利要求36所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述上盖配合连接器和所述本体配合连接器的尺寸互相配合。

38.如权利要求28所述的金属-空气电池单元，其特征是其中所述空气移动装置包括往复运动。

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