DE1959108A1 - Verschlussvorrichtung - Google Patents

Description

Frankfurt am Main, den ' .

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HONEYWELL INC.

2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn·, USA

Vers chlußvorri chtung

Die Erfindung betrifft eine Verschlußvorrichtung, die mit einer elastischen Membran versehen ist und die durch Zerstörung dieser Membran den Zugang eines in einem ersten Raum befindlichen Stoffes zu einem hinter der Membran liegenden zweiten Raum freigibt.

Derartige Verschlußvorrichtungen sind für eine große Zahl von Einrichtungen sehr vorteilhaft. Als besonders nützlich haben sie sich in elektrochemischen Batterien erwiesen, deren Aktivierung zu einem wählbaren Zeitpunkt eingeleitet werden kann. Solche Batterien werden oft als Reservebatterien verwendet. Die Aktivierung erfolgt dadurch, daß durch das Zerreißen der Membran ein Verbindungsweg zwischen dem Elektrolyten und den Batteriezellen hergestellt werden, wobei der Elektrolyt und die Batteriezellen sich in räumlich getrennten Kammern befinden, über diesen Verbindungsweg fließt der Elektrolyt oder eine Elektrolytflüssigkeit zu den Batteriezellen und wirkt auf diese ein, wodurch die Batterie aktiviert ist. Gewöhnlich sitzt die Membran in einer Trennwand, die den Aufnahmeraum für den Elektrolyten von dem Aufnahmeraum für die Batteriezellen abtrennt. Um die Membran zu einem erwünschten Zeitpunkt wirkungslos zu machen, ist in diesem Falle meist eine Einrichtung vorgesehen, die auf den an die Membran angrenzenden

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Elektrolyten einen Druck ausübt und damit die Membran zerstört.

Bei den bekannten elektrochemischen Batterien der oben beschriebenen Art wird die Membran gewöhnlich durch eine längs ihrem äußeren Rand laufende Lötstelle festgehalten. Zum Zweck des Pesthaltens der Membran ist diese Befestigungsart durchaus zufriedenstellend. Sie bildet aber eine gewisse Schwierigkeit bei der Bestimmung des Zerreißpunktes der Membran. Der zum Zerreißen der Membran notwendige Druck hängt von folgenden Größen ab: a) die Festigkeit des Materials aus dem die Membran gebildet ist, b) die Stärke der Membran, c) die wirksame Fläche der Membran, die dem auf die Membran wirkenden Differenzdruck ausgesetzt ist. Der letzte dieser drei Faktoren ist bei der bisher gebräuchlichen Befestigungsart besonders schwer einzuhalten, da sieh die Lötstelle nicht genau abgrenzen läßt und damit die Größe der wirksamen Merabranfläche nicht genau bekannt ist. Je nach dem wie sich das flüssige Lötmaterial zwischen der Membran und der die Membran festhaltenden Fläche verteilt, ergibt sich eine etwas größere oder kleinere innerhalb der Lötstelle liegende Fläche, die gleich der wirksamen Fläche der Membran ist. Wegen der Unbestimmtheit dieser wirksamen Fläche läßt sich bei den bekannten Verschlußvorrichtungen der Differenzdruck, bei dem die Membran zerstört wird, nicht genau vorhersagen. Je größer die durch das Lötmaterial eingenommene Fläche ist, desto kleiner ist die wirksame Fläche und desto höher ist der zum Zerreißen der Membran notwendige Druck, Die Unmöglichkeit, den Druck,bei dem die Membran zerstört wird genau zu bestimmen, ist ein wichtiger Grund für das relativ häufige Versagen der bekannten Verschlußvorriehtungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verschlußvorrichtung zu schaffen, bei der der Druck bei dem die Membran zerreißt, genau bestimmbar ist, wodurch sich die Zuverlässigkeit der Vorrichtung stark erhöht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Membran vor einer zwei Räume verbindenden öffnungen liegt, deren vorzugsweise kreisförmige Durchtrittsfiäehe in zur Membran senkrechter Richtung

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sich ändert und daß die öffnung an ihrem von der Membran abge-„ schlossenen Eingang einen ersten Durchmesser aufweist, der in zur Membran senkrechten- kurzem Abstand stufenförmig zu einem kleineren zweiten Durchmesser hin abgesetzt ist, wodurch sich in der öffnung eine umlaufende Kante ergibt, gegen die sich die Membran vor dem Zerreißen legt. Durch diese Maßnahme ist die wirksame Fläche der Membran genau bestimmt, da der Differenzdruck nur auf die innerhalb der umlaufenden Kante liegende Fläche der Membran wirken kann.

Der zum Zerreißen der Membran notwendige Differenzdruck läßt sich besonders einfach bestimmen, wenn die Membran zumindest in dem innerhalb der umlaufenden Kante liegenden Bereich eine gleichbleibende Stärke besitzt.

In weiterer Ausgestaltung der Verschlußvorrichtung empfiehlt es sich, daß die öffnung den Innenraum einer Hülse bildet, an deren einer Stimmfläche die Membran befestigt ist.

Soll der durch die öffnung dringende Stoff auf eine bestimmte Strömungsmenge begrenzt werden, so läßt sich das dadurch erreichen, daß am anderen Hülsenende der zweite Durchmesser in einen noch engeren dritten Durchmesser übergeht, wodurch sich ein erwünschter Strömungswiderstand für den nach dem Zerreißen der Membran durch die Hülse strömenden Stoff ergibt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Verschlußvorrichtung in die einen Aktivierungs- von einem Zellenbehälter trennende Zwischenwand einer mit einem nach außen abgeschlossenen Gehäuse versehenen Batterie eingesetzt ist, welcher mit einer zum Aktivieren der Batterie den Druck im Aktivierungsbehälter schlagartig erhöhenden Betätigungseinrichtung versehen ist. Der von der Betätigungseinrichtung erzeugt Druck zerstört bei einer bestimmten Druckdifferenz die Membran, wodurch der Elektrolyt oder das Lösungsmittel in den Behälter mit den Batteriezellen strömt.

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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel, das nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben wird. Darin zeigt:

Figur 1 in geschnittener Darstellung eine elektrochemische Batterie, die mit der erfindungsgemäßen Verschluß-

vorriiehtung versehen ist,

Figur 2 in größerem Maßstab die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Verschlußvorrichtung,

Figur 2A und Figur 2B die Verschlußvorrichtung nach Figur 2 während verschiedener Stadien der Aktivierung der Batterie nach Figur 1. *

Figur 1 zeigt eine verzögert aktivierbare elektrochemische Batterie, die mit einem zylInderförmigen Gehäuse versehen ist. Das Innere dieses Gehäuses ist in einen zur Speicherung eines Elektrolyten dienenden Raum 11 und einen zur Aufnahme der Batteriezellen dienenden Raum 12 aufgeteilt. Die beiden Räume sind durch eine Zwischenwand Ij5 voneinander getrennt. Das die Batteriezellen tragende Ende des Gehäuses 10 ist durch eine Verschlußplatte 14 abgeschlossen, in der die Anschlußklemmen der Batterie untergebracht sind. Der obere, den Elektrolyten aufnehmende Raum 11 ist durch, einen Deckel 15 abgeschlossen.

Die Zellen in dem als Zellenbehälter ausgestalteten Raum 12 sind um eine koaxial zum Gehäuse 10 liegende Trägersäule 20 angeordnet', die sich fast über die gesamte Länge des Zellenbehälters 12 erstreckt. Die Säule 20 besitzt eine zur Säulenlängsachse koaxiale Durchgangsbohrung 21, die von der Verschlußplatte l4 bis zur Zwischenwand 13 reicht, und ist darüberhinaus noch mit einer Anzahl in radialer Richtung verlaufender öffnungen 17 versehen, die über die gesamte Länge der Säule 20 verteilt sind. Die Radialbohrungen 17 gewährleisten einen FlUssigkeitsausgleich zwischen der Durchgangsbohrung 21 und den um die Trägersäule 20 herum angeordneten Batteriezellen.

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In der Mitte der Zwischenwand 13 befindet sich ein Durchgangsloch 22, das durch eine zerstörbare Membran 25 verschlossen ist. Die Membran 25 ist so aufgebaut, daß sie bei einem bestimmten auf sie einwirkenden Flüssigkeitsdruck zerstört wird.

Der Durchmesser des Durchgangsloches 22 _t vor dem die Membran 25 liegt, ist ungeführ so groß wie der Durchmesser der Durchgangsbohrung 21 in der Trägersäule 20. Die Längsachse des Durchgangsloches 22 liegt koaxial zur Durchgangsbohrung 21, so daß beim Zerreißen der Membran 25 Elektrolytflüssigkeit von dem als Aktivierungsbehälter dienenden Raum 11 über die Durchgangsbohrung 21 und die radialen öffnungen 17 in den Zellenbehälter 12 fliessen kann.

Innerhalb des Raumes 11 ist ein zusammenpreßbarer Behälter 16 untergebracht, dessen Abmessungen in etwa denen des Raumes 11 entsprechen. Die untere Begrenzungsfläche des zusammenpreßbaren Behälters 16 wird durch die Zwischenwand 13 gebildet, mit der der untere Rand der Seitenwand des Behälters 16 fest verbunden ist. Der Behälter 16 ist so aufgebaut, daß aus ihm die Elektrolytflüssigkeit nur über das Durchgangsloch 22 in der Zwischenwand in den Zellenbehälter 12 fließen kann. Dies geschieht aufgrund eines' Druckes der gleichzeitig auch die Membran 25 zerstört.

Am Deckel 15 ist ein Initialzünder 31 befestigt, der mit einer Zündladung 30, einer ZündpilIe, einem Schlagbolzen 32, einem Hammer 33 und einer Auslösevorrichtung 34 versehen ist. Der die Zündladung 30 aufnehmende Raum ist über eine öffnung 35 im Deckel 15 mit dem Aktivierungsbehälter 11 verbunden, so daß bei der Betätigung der Initialzündung die durch die Explosion erzeugten Gase in den Raum 11 eintreten und einen plötzlichen Druckanstieg innerhalb des Behälters 16 und damit in der in diesem Raum enthaltenen Flüssigkeit bewirken.

Aus den Figuren 2 bis 2B ergibt sich, daß die Membran 25 mittels einer Hülse 27 in dem Durchgangsloch 22 der Zwischenwand 13 fest-

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gehalten wird. Der Durchmesser des Durchgangsloches 22 ist stufenförmig abgesetzt und die Hülse 27 in den Teil des Durchgangsloches 22 eingeschoben, der den größten Durchmesser aufweist. Die Hülse 27 wird durch Lötmaterial 29 innerhalb des Durchgangsloches 22 festgehalten. Ober den größten Teil der Länge des Durchgangsloches 22 in der Trennwand 13 und der öffnung 25 in der Hülse 27 haben beide den gleichen Innendurchmesser. Der Öffnungsdurchmesser von Zwischenwand I3 und Hülse ändert sich an der Stelle, wo die Membran 25 festgehalten wird. An dieser Stelle nimmt sowohl der Innendurchmesser der Hülse 27 als auch der Durchmesser der Zwischenwandöffnung 22 stufenförmig zu, so daß sich ein zylinderförmiger Raum ergibt, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser des nicht eingespannten Teils der Membran 25 ist. Am der Zwischenwand 13 abgewandten Ende der Hülse 27 geht der Hülsendurchmesser 26 in einen engeren zweiten Durchmesser 28 über, wodurch sich eine Blende ergibt. Das der Zwischenwand 13 abgewandte Ende der Hülse 27 besitzt an seiner Außenfläche einen ringförmigen Ansatz. Der am meoibranseitigen Hülsenende liegende größte Innendurchmesser der Hülse 27 ist unterhalb der Membran 25 zu einem kleineren, zweiten Durchmesser hin abgesetzt, der noch weiter unter der Membran in den erwähnten noch kleineren dritten Durchmesser 28 übergeht. Durch den stufenförmigen Übergang vom ersten zum zweiten Durchmesser ergibt sich eine scharfe umlaufende Kante 26 gegen die sich die Membran 25 legt, sobald der auf den Elektrolyten in dem Aktivierungsbehälter 11 ausgeübte Druck sich erhöht und damit die Membran 25 in Richtung zur Blende 28 hin ausgedehnt wird (siehe Figur 2B).

Nachfolgend wird die erfindungsgeinäße Verschluß vorrichtung in Verbindung mit der in Figur 1 gezeigten, verzögert aktivierbaren Batterie beschrieben. Die Aktivierung der Batterie erfolgt durch Zerstörung der Membran 25 und durch Einpressen der Elektrolytlösung vom Aktivierungsbehälter 11 in den Zellenbehälter 12. Bei der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Batterie werden beide Vorgänge durch einen Gaserzeuger am oberen Ende der Batterie bewirkt. Dieser Gaserzeuger wird durch einen Zug oder einen Schlag auf die Auslösevorrichtung 34 ausgelöst, wodurch der Hammer 3.3

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auf den Schlagbolzen 32 schlägt. Der sich daraufhin nach unten bewegende Schlagbolzen 32 bringt die zur Initialzündung 31 gehörende Zündpille zur Explosion, die ihrerseits die gaserzeugende Zündladung 30 zündet. Das durch die Zündladung 30 erzeugte Gas wird über die öffnung 35 im Deckel 15 in den Aktivierungsbehälter 11 gepreßt. Der anwachsende Druck im Behälter 11 drückt den Behälter 16 zusammen, welcher die Elektrolytflüssigkeit enthält. Durch das Zusammenpressen des Behälters 16 wird der Druck auf die Membran 25 übertragen, die zerstört wird, sobald der Druck einen bestimmten Wert überschreitet. Nachdem die Membran 25 zerstört ist, wird die Elektrolytflüssigkeit über das Durchgangsloch 22 in den Zellenbehälter 12 gepreßt. Die Aktivierung ist beendet sobald die Elektrolytflüssigkeit mit den Batteriezellen in f Berührung kommt.

Die zufriedenstellende Wirkung der in Figur 1 gezeigten verzögert aktivierbaren Batterie hängt weitgehend von der Verläßlichkeit und Wiederholbarkeit der Membranzerstörung ab. Vor der Zündung der Zündladung 30 befindet sich die Membran 25 in ihrem unbelasteten Normalzustand, indem sie die in Figur 2 gezeigte, im wesentlichen flache, Plattenform besitzt. Mit anwachsendem Druck in der Elektrolytflüssigkeit der durch die Verbrennung der Zündladung bedingt ist, wirkt ein wachsender Druck auf die Membran 25 ein, wodurch sich diese in Richtung zum Zellenbehälter 12 hin ausdehnt, bis sie sich gegen die umlaufende Kante 26 in der öffnung 23 legt (siehe Figur 2A)..Nachdem sich die Membran 25 gegen die umlaufende Kante 26 gelegt hat, ist die wirksame Membranfläche durch die von der umlaufenden Kante eingeschlossene Fläche bestimmt. Da nun der Zerreißpunkt bei gleichbleibender Membranstärke und gleichbleibendem Material im wesentlichen von der wirksamen Membranfläche abhängt, bestimmt die umlaufende Kante den Druck bei dem die Membran 25 zerstört wird.

Durch praktische Versuche hat sich ergeben, daß eine gemäß der hier beschriebenen Erfindung aufgebaute Verschlußvorrichtung immer bei dem gleichen auf die Membran wirkenden Druck zerreißt, ohne daß ein nennenswerter Druckunterschied festgestellt werden konnte.

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Claims (11)

1. -8- 19591

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   Patentansprüche

   Mit einer elastischen Membran versehene und durch deren Zerstörung den Zugang eines in einem ersten Raum befindlichen Stoffes zu einem hinter der Membran liegenden zweiten Raum freigebende Verschlußvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (25) vor einer die beiden Räume (11,12) verbindenden Öffnung (23) liegt, deren vorzugsweise kreisförmige Durchtrittsfläche in zur Membran senkrechter Richtung sich ändert,

   daß die Öffnung an ihrem von der Membran abgeschlossenen Eingang einen ersten Durchmesser aufweist, der im zur Membran senkrechten, kurzem Abstand stufenförmig zu einem kleineren zweiten Durchmesser hin abgesetzt ist, wodurch sich in der Öffnung eine umlaufende Kante (26) ergibt, gegen die sich die Membran vor dem Zerreißen legt.
2. 2. Verschlußvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (25) zumindest in dem innerhalb der umlaufenden Kante (26) liegenden Bereich eine gleichbleibende Stärke besitzt.
3. 3. Verschlußvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (25) aus kaltbearbeitetem Stahlblech hergestellt ist.
4. 4. Verschlußvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a durch gekennzeichnet, daß die Öffnung (23)

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   den Innenraüm einer Hülse (27) bildet, an deren einer Stirnfläche die Membran (25) befestigt ist.
5. 5. Verschlußvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Hülsenende der zweite Durchmesser (26) in einen noch engeren dritten Durchmesser (28) übergeht, wodurch sich ein erwünschter Strömungswiderstand für den nach dem Zerreißen der Membran (25) durch die Hülse strömenden Stoff (11) ergibt.
6. 6. Verschlußvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekenn z.ei chnet, daß die Membran (25) an die eine Hülsenstirnfläche angelötet ist.
7. 7« Verschlußvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d a durch gekennzeichnet, daß eine Zwischenwand (15) mit einem stufenförmig abgesetzte Durchmesser aufweisenden Durchgangsloch (22) versehen ist, dessen den größten Durchmesser aufweisender, am Locheingang liegender Teil das die Membran (25) tragende Hülsenende aufnimmt und dessen in Richtung zur anderen Wandseite sich anschließender Teil einen Durchmesser von der Größe des ersten Durchmessers der öffnung (25) besitzt, wobei die Membran zwischen der Hülsenstirnfläche und der Fläche des durch die stufenförmige Durchmesseränderung des Durchgangsloches gebildeten Absatzes eingespannt ist.
8. 8. Verschlußvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Zwischenwand (Ij5) aufgenommene Hülsenende an der Wand des aufnehmenden Durchgangsloches (22) befestigt, vorzugsweise festgelötet ist.
9. 9· Verschlußvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie in die einen Aktivierungsbehälter (11) von einem Zellenbehälter (12) trennende Zwischenwand (13) einer mit einem nach außen

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   abgeschlossenen Gehäuse (10) versehenen Batterie eingesetzt ist, welche mit einer zum Aktivieren der Batterie den Druck im Aktivierungsbehälter schlagartig erhöhenden Betätigungseinrichtung (30-35) versehen ist.
10. 10. Verschlußvorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Elektrolyt oder ein
    Elektrolytlösungsmittel in einer innerhalb des Aktivierungsbehälters (l 1) befindlichen zusammendrüekbaren Kammer (l6) untergebracht ist und die zerstörbare Membran (25) einen Teil

    der Kammerwand bildet.
11. 11. Verschlußvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung mit einem Gaserzeuger (32) versehen ist.

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    Le e rs e i t e