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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betriffft eine zylindrische versiegelte Batterie
aufweisend eine mit einem Boden versehene zylindrische Anodenhülle in welcher
ein Stromerzeugungselement aufgenommen ist, sowie einen Dichtungsring,
der zwischen einer Innenwand an der Öffnung dieser Anodenhülle und
einer Kathodenanschlussplatte vorgesehen ist, und kann besonders
vorteilhaft auf zylindrische oder trommelförmige Lithium-Batterien angewendet
werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
den in den unten genannten Patentdokumenten 1 und 2 offenbarten
zylindrischen versiegelten Batterien ist, wie in 2 dargestellt,
ein Öffnungsabschnitt
einer Anodenhülse 11', in welcher
ein stromerzeugendes Element 20 aufgenommen ist, unter
Verwendung einer ringförmigen
Dichtung bzw. Versiegelungsdichtung 32' dicht versiegelt, die zwischen
der Innenwand des Öffnungsabschnitts
der Anodenhülse 11' und einem äußeren umlaufenden Rand
einer Kathodenanschlussplatte 27 vorgesehen ist.
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Die
Anodenhülse 11' hat die Form
eines mit einem Boden versehenen Hohlzylinders, wobei ein höckerförmiger Anodenanschluss 12 durch
Pressformung an der äußeren Bodenfläche des
Zylinders ausgebildet ist. In der Anodenhülse 11 sind eine Sicke 13,
welche das Dichtungselement 32' von unten stützt, sowie ein Abdichtungsabschnitt
(Bördelung) 14', welcher von
außen
gegen das Dichtungselement 32' drückt, ausgebildet. Als Material
für das
Dichtungselement 32' wird
herkömmlicherweise
ein Polyolefin-basiertes Harz verwendet.
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Die
exemplarisch dargestellte zylindrische versiegelte Batterie ist
eine zylindrische Lithium-Batterie, in welcher Lithium für das als
Kathode dienende Material 23 verwendet wird, wobei das
als Kathode dienende Material 23 zusammen mit einem Separator 22 und
einem als Anode dienenden Material 21 in die Anodenhülse 11' gefüllt und
mit einem nichtwässrigen
Elektrolyt getränkt
wird.
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Die
Anodenhülse 11' dient sowohl
als Anodenkollektor als auch als Anodenanschluss. Gegen das als
Kathode dienende Material 23 ist ein Kathodenkollektor 24 gedrückt, welcher über eine
Kathodenkollektorleitung 25 mit einem aus Metall gefertigten
Versiegelungsblech 26 verbunden ist. Das Versiegelungsblech 26 trennt
die Kathodenanschlussplatte 27 und die Anodenhülse 11' luftdicht voneinander
und der Rand des Versiegelungsblechs 26 ist zwischen die
Kathodenanschlussplatte 27 und das Dichtungselement 32' geklemmt.
- Patentdokument
1: JP 2000-315497A
- Patentdokument 2: JP 2003-208906A
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Von der Erfindung zu Lösende Probleme
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Als
die Erfinder die oben beschriebene zylindrische versiegelte Batterie
insbesondere hinsichtlich ihrer Lebensdauer sowie ihrer Hitzebeständigkeit
bei hohen Temperaturen untersucht haben, haben sie folgende Probleme
erkannt.
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Wenn
die Batterie bei hohen Temperaturen von z.B. 95°C oder darüber aufbewahrt wird, dann wird
das Dichtungselement 32' aus
Polyolefin-basiertem Harz brüchig
bzw. spröde,
und Flüssigkeit
läuft leicht
aus. Ferner bilden sich leicht Spalte zwischen der Anodenhülse 11' und dem Dichtungselement 32, was
auch wiederum eine Ursache für
Undichtigkeiten darstellt. Das Öffnungsende
der Anodenhülse 11' ist zwar derart
abgedichtet, dass das Dichtungselement 32' von außen abgedichtet sein sollte,
allerdings stellte sich heraus, dass zwischen dem Abdichtungsabschnitt 14' und dem Dichtungselement 32' Spalte entstehen,
so dass die Dichtigkeit beeinträchtigt
wurde.
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Herkömmlicherweise
wurden Dichtungen mit Polybuten enthaltendem Siegelmaterial beschichtet, um
die Versiegelungsfunktion von Dichtungen zu verbessern. Allerdings
wurde festgestellt, dass auch mit solchem Siegelmaterial unter hohen
Temperaturen kein ausreichender Effekt erzielt werden kann. Mit anderen
Worten, es war nicht möglich,
die Hitzebeständigkeit
zu verbessern.
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Andererseits
ist es bekannt, dass die Verwendung von Fluor-basierten Harzen,
wie z.B. PTEE oder PFA, als Mittel zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit
von Dichtungen vorteilhaft ist. Nur sind Fluor-basierte Harze zwar
sehr hitzebeständig,
haben jedoch das Problem sehr teuer zu sein.
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In
Anbetracht der oben beschriebenen Probleme mit dem Stand der Technik
ist es eine Aufgabe der Erfindung, mit Materialien und einer Anordnung, die
für eine
Kostensenkung geeignet sind, auch ohne die Verwendung eines hochpreisigen
Fluor-basierten Harzes als Material für das Dichtungselement eine zylindrische
versiegelte Batterie bereitzustellen, welche eine Hitzebeständigkeit
aufweist, die für
Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist.
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Andere
Aufgaben und Anordnungen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden von der nachfolgenden Beschreibung sowie den beiliegenden
Figuren deutlich werden.
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MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
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Die
erfindungsgemäßen Mittel
sind wie folgt:
- (1) Eine zylindrische versiegelte
Batterie mit einer Anodenhülle,
welche die Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders aufweist
und in welcher ein Stromerzeugungselement aufgenommen ist, und einem
ringförmigen
Dichtungselement, welches zwischen der Innenwand an einem Öffnungsabschnitt
der Anodenhülle
und einer Kathodenanschlussplatte angeordnet ist, wobei in der Anodenhülle eine
Sicke, welche das Dichtungselement von unten stützt, sowie ein Abdichtungsabschnitt,
welcher von aussen gegen das Dichtungselement drückt, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass als Hauptmaterial des Dichtungselements mit Kaliumtitanat versetztes Polypropylen
verwendet wird, dass ein Siegelmaterial auf den äußeren Umfang und den inneren Umfang
des Dichtungselements aufgetragen ist, und dass ein Gemisch aus
Asphalt und Mineralöl als
Siegelmaterial verwendet wird.
Bei dem obigen Mittel (1) kann
ein noch vorteilhafterer Effekt erzielt werden, wenn zusätzlich die
folgenden Mittel eingesetzt werden.
- (2) Zylindrische versiegelte Batterie nach Mittel (1), dadurch
gekennzeichnet, dass als Siegelmaterial ein Siegelmaterial verwendet
wird, in welchem auf einen Teil Asphalt im Gewichtsverhältnis 1
bis 3 Teile Mineralöl
gemischt sind.
- (3) Zylindrische versiegelte Batterie nach Mittel (1) oder (2),
dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Anodenhülle Edelstahl
SUS 304 ist, ihre Dicke 0,2 bis 0,3 mm beträgt, und die Länge des
gekrümmten
Abschnitts, welcher den Abdichtungsabschnitt bildet, 1,2 bis 1,6
mm beträgt.
- (4) Zylindrische versiegelte Batterie nach einem der Mittel
(1) bis (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Materialhärte der
Anodenhülle
150 Hv bis 180 Hv beträgt.
- (5) Zylindrische versiegelte Batterie nach einem der Mittel
(1) bis (4), dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein metallenes
Versiegelungsblech vorgesehen ist, welches mit einer Kathodenanschlussleitung
des in der Anodenhülle
aufgenommenen Stromerzeugungselements leitend verbunden ist und
eine Kathodenanschlussplatte von der Anodenhülle trennt, wobei Rand des
Versiegelungsblechs zwischen die Kathodenanschlussplatte und das
Dichtungselement geklemmt ist.
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EFFEKT DER ERFINDUNG
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Mit
Materialien und einer Anordnung, die besonders für eine Kostensenkung geeignet
sind, kann auch ohne die Verwendung eines hochpreisigen Fluor-basierten
Harzes als Material für
das Dichtungselement eine zylindrische versiegelte Batterie bereitgestellt
werden, welche eine Hitzebeständigkeit
aufweist, die für
Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist.
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Die
obigen Effekte werden von der nachfolgenden Beschreibung und den
beiligenden Figuren deutlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine zylindrische versiegelte Batterie nach
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
sowie einen vergrößerten Ausschnitt
desselben.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch eine herkömmliche zylindrische versiegelte
Batterie sowie einen vergrößerten Ausschnitt
desselben.
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
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- 11 ... Anodenhülse, 12 ...
Anodenanschluss, 13 ... Sicke, 14 ... Abdichtungsabschnitt
(Bördelung), 20 ... stromerzeugendes
Element, 21 ... als Anode dienendes Material, 22 ...
Separator, 23 ... als Kathode dienendes Material, 24 ...
Kathodenkollektor, 25 ... Kathodenanschlussleitung, 26 ... Versiegelungsblech, 27 ...
Kathodenanschlussplatte, 32 ... Dichtungselement, 41 ...
Versiegelungsmaterial.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine zylindrische versiegelte Batterie nach
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
sowie einen vergrößerten Ausschnitt
desselben. Die Batterie nach der in dieser Figur dargestellten Ausführungsform
ist eine zylindrische (oder trommelförmige) Lithium-Batterie, in
welcher Lithium für
das als Kathode dienende Material 23 verwendet wird. Dieses
als Kathode dienende Material 23 ist zusammen mit einem
Separator 22 sowie einem als Anode dienendes Material 21 in
die Anodenhülse 11 gefüllt und
in einem nicht-wässrigen Elektrolyt
getränkt,
um somit ein stromerzeugendes Element 20 zu bilden.
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Die
Anodenhülse 11,
welche das stromerzeugende Element 20 aufnimmt, hat die
Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders und ist mit einer
ringförmigen
Dichtung bzw. Versiegelungsdichtung luftdicht versiegelt. Dieses
Dichtungselement 32 ist zwischen der Innenwand des Öffnungsabschnitts der
Anodenhülse 11 und
einem äußeren umlaufenden
Rand einer Kathodenanschlussplatte 27 vorgesehen.
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Die
Anodenhülse 11 ist
durch tief gezogenes Pressformen gebildet, wobei ein höckerförmiger Anodenanschluss 12 einstückig mit
der äußeren Bodenwand
der Anodenhülse
ausgebildet ist. In der Anodenhülse 11 sind
eine Sicke 13, welche das Dichtungselement 32 von
unten stützt,
sowie eine Abdichtungsabschnitt (Bördelung) 14, welche
von außen gegen
das Dichtungselement 32 drückt, ausgebildet.
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Dabei
ist der Abdichtungsabschnitt 14 so gebildet, dass seine
Länge Lr
vom Öffnungsende
der Anodenhülse 11 mithin
1.2 bis 1.6 mm beträgt.
Das heisst, die Abdichtung erfolgt so, dass die Länge Lr des
durch den Abdichtungsabschnitt 14 gebildeten gebogenen
Abschnitts im Bereich von 1.2 bis 1.6 mm liegt.
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Als
Material für
die Anodenhülse 11 kann Edelstahl
SU5304 mit einer Materialhärte
von 150 Hv bis 180 Hv verwendet werden. Ihre Dicke beträgt 0.2 bis
0.3 mm.
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Als
Hauptmaterial für
das Dichtungslement 32 wird mit Kaliumtitanat versetztes
Polypropylen verwendet. Dabei wird pulverförmiges Kaliumtitanat dem Polypropylen
bei einem Gewichtsverhältnis
von etwa 30% hinzugefügt.
Die äußere umlaufende Oberfläche und
die innere umlaufende Oberfläche des
Dichtungselements 32 ist mit einem Versiegelungsmaterial 41 beschichtet.
Als Versiegelungsmaterial 41 wird ein Gemisch aus Asphalt
und Mineralöl verwendet.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn auf einen Teil Asphalt im Gewichtsverhältnis 1
bis 3 Teile Mineralöl
gemischt werden.
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Ferner
trennt in der dargestellten Ausführungsform
das metallene Versiegelungsblech 26 die Kathodenanschlussplatte 27 und
das Innere der Anodenhülse 11 luftdicht
voneinander. Zu diesem Zwecke ist der Rand des Versiegelungsblechs 26 zwischen
die Kathodenanschlussplatte 27 und das Dichtungselement 32 geklemmt.
Somit ist das Versiegelungsblechs 26 leitend mit der Kathodenanschlussplatte 27 verbunden.
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Eine
Kathodenanschlussleitung 25 ist durch Punktschweißen oder
dergleichen mit der Innenwand des Versiegelungsblechs 26 (also
der Wand auf der Seite des stromerzeugenden Elements 20)
leitend verbunden. Die Kathodenanschlussleitung 25 ist elektrisch
leitend mit einem netzförmigen
Kathodenkollektor 24 verbunden, der an das als Kathode
dienende Material 23 gepresst ist.
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In
der oben beschriebenen zylindrischen versiegelten Batterie wird
als Hauptmaterial für
das Dichtungselement 32 mit Kaliumtitanat versetztes Polypropylen
verwendet. Dieses Hauptmaterial ist wesentlich billiger als Fluor-basierte
Harze und dergleichen, es wurde jedoch gefunden, dass es als Dichtungselement 32 verwendet
auch unter hohen Temperaturen nicht dazu neigt, brüchig bzw.
spröde zu
werden.
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Ferner
wurde gefunden, dass auch das auf die äußere umlaufende Oberfläche und
die innere umlaufende Oberfläche
des Dichtungselements 32 aufgetragene Versiegelungsmaterial 41 den
Effekt hat, zu verhindern, dass das Dichtungselement 32 bei
hohen Temperaturen brüchig
bzw. spröde
wird. Dies liegt daran, dass eine Mischung aus Asphalt und Mineralöl als Versiegelungsmaterial 41 verwendet wird.
Als Mineralöl
kann vorteilhafterweise Turbinenöl verwendet
werden. In dieser Ausführungsform
wurde „FBK
Turbine 32" von
Nippon Oil Corporation verwendet.
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Durch
den synergistischen Effekt des Versiegelungsmaterials 41 und
des Hauptmaterials des Dichtungselements 32 konnte die
Hitzebeständigkeit der
Batterie beträchtlich
erhöht
werden. Somit kann eine zylindrische versiegelte Batterie bereitgestellt werden,
welche bei für
eine Kostensenkung geeignetem Material und Konfiguration eine Hitzebeständigkeit
aufweist, welche für
Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist,
und zwar auch ohne ein teures Fluor-basiertes Harz als Material
für die
Dichtung zu verwenden.
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Ferner
haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass
bezüglich
der Dicke und der Materialhärte
der Anodenhülse 11,
sowie der Länge
Lr des Abdichtungsabschnitts 14 die folgenden besonders
optimalen Bedinungen vorliegen.
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Der
optimale Bereich für
die Dicke der Anodenhülse 11 ist
0.2 bis 0.3 mm. Bei weniger als 0.2 mm tritt das Problem auf, dass
die Hülse
während
der Sickenverarbeitung brechen kann. Ferner ist bei Edelstahl mit
einer solchen Dicke (von weniger als 0.2 mm) die Verarbeitung der
Anodenhülse
durch tief gezogenes Pressformen schwierig. Wenn die Dicke andererseits
mehr als 0.3 mm beträgt,
dann verringert sich das Innenvolumen der Anodenhülse, das Füllvolumen
des Elektrodenmaterials (stromerzeugendes Volumen) sinkt und die
Batterieeigenschaften werden beeinträchtigt.
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Der
optimale Bereich für
die Materialhärte der
Anodenhülse 11 ist
150 Hv-180 Hv. Wenn die Härte
weniger als 150 Hv beträgt,
dann neigt das Öffnungsende
der Anodenhülse
dazu, beim Abdichtungprozess (Bördelungsprozess)
verbogen bzw. verzogen zu werden. Bei einer Härte von mehr als 180 Hv tritt
dagegen leicht das Problem auf dass die Sicke 13 beim Abdichtungprozess
leicht knickt bzw. eingedellt wird.
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Der
optimale Bereich für
die Länge
Lr des Abdichtungsabschnitts 14 beträgt 1,2 bis 1,6 mm. Bei weniger
als 1,2 mm kommt es leicht zu Knicken bzw. Eindellungen während des
Abdichtungsprozesses und das Problem tritt auf, dass die Dichtung
reisst oder bricht oder Spalte zwischen der Dichtung und der Anodenhülse entstehen
(siehe 2). Wenn die Länge
Lr dagegen 1,6 übersteigt,
dann wird die Kraft, die die Dichtung niederdrückt, verteilt und somit zu schwach
und Undichtigkeiten können
auftreten. Ferner kann das Problem auftreten, dass das Versiegelungsmaterial
der Kathodenanschlussplatte oder dergleichen sich bei abnormalen
Stößen löst.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Mehrere
Proben einer zylindrischen versiegelten Batterie nach der vorliegenden
Erfindung sowie einer herkömmlichen
Batterie desselben Typs wurden hergestellt. Ein Test wurde durchgeführt, in dem
die erfindungsgemäßen Produkte
und die herkömmlichen
Produkte jeweils bei einer hohen Temperatur von 95°C aufbewahrt
wurden, und der Gewichtsverlust über
die Anzahl von Tagen ermittelt wurde. Dabei steht der Gewichtsverlust
im Zusammenhang mit einem Lecken der elektrolytischen Flüssigkeit
und ist bei den Batterien größer, je
schwächer
ihre Versiegelungskraft ist.
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Bei
diesem Test betrug der Gewichtsverlust nach 20 Tagen bei 95°C bei den
herkömmlichen
Produkten 50 mg und bei den erfindungsgemäßen Produkten 20 mg. Ferner
waren unter den herkömmlichen
Produkten solche, welche nach 40 Tagen leckten. Auch bei den Produkten,
die nicht leckten, erreichte der Gewichtsverlust 100 mg. Dagegen
war unter den erfindungsgemäßen Produkten
keines, das leckte, und auch der Gewichtsverlust war bei Werten bis
zu 45 mg gering.
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Vorstehend
wurde die vorliegende Erfindung anhand eines typischen Ausführungsbeispiels
erläutert,
allerdings sind für
die Erfindung auch verschiedene andere Ausführungen als die oben erläuterten möglich. Zum
Beispiel ist die Erfindung zwar besonders vorteilhaft, wenn sie
auf zylindrische oder trommelförmige
Lithiumbatterien angewendet wird, aber sie kann auch vorteilhaft
auf zylindrische versiegelte Batterien, die keine Lithiumbatterien
sind, angewendet werden.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Mit
Materialien und einer Anordnung, die besonders für eine Kostensenkung geeignet
sind, kann ohne die Verwendung eines hochpreisigen Fluor-basierten
Harzes als Material für
das Dichtungselement eine zylindrische versiegelte Batterie bereitgestellt werden,
welche eine Hitzebeständigkeit
aufweist, die für
Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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[Zusammenfassung]
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[Problem]
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Mit
Materialien und einer Anordnung, die besonders für eine Kostensenkung geeignet
sind, auch ohne die Verwendung eines hochpreisigen Fluor-basierten
Harzes als Material für
das Dichtungselement eine zylindrische versiegelte Batterie bereitzustellen, welche
eine Hitzebeständigkeit
aufweist, die für
Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist.
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[Mittel zum Lösen des Problems]
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Als
Hauptmaterial des Dichtungselements 32 wird mit Kaliumtitanat
versetztes Polypropylen verwendet, ein Siegelmaterial 41 ist
auf den äußeren Umfang
und den inneren Umfang des Dichtungselements 32 aufgetragen,
und ein Gemisch aus Asphalt und Mineralöl wird als Siegelmaterial 41 verwendet.