DE2849326A1

DE2849326A1 - Zerlegbare, gasdichte und druckfeste stromdurchfuehrung

Info

Publication number: DE2849326A1
Application number: DE19782849326
Authority: DE
Inventors: Rainer Klink
Original assignee: Deutsche Automobil GmbH
Current assignee: Deutsche Automobil GmbH
Priority date: 1978-11-14
Filing date: 1978-11-14
Publication date: 1980-05-29
Also published as: FR2441925A1; IT1126826B; FR2441925B1; US4241152A; GB2040547B; IT7950805A0; DE2849326C2; GB2040547A

Description

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Deutsche Automobilgesellschaft Daug 70

mit beschränkter Haftung 13.11.1978

"Zerlegbare, gasdichte und druckfeste Stromdurchführung"

Gegenstand der Erfindung ist eine zerlegbare, gasdichte und druckfeste Stromdurchführung.

Gasdichte, druckfeste Strotndurchführungen sind immer da erforderlich, wo ein elektrischer Stromleiter durch eine metallische Wand hindurchgeführt werden muß und die Wand einer großen Druckdifferenz ausgesetzt ist.

Solche Systeme sind beispielsweise ein Rezipient einer Vakuumanlage, in dessen Inneren sich ein Stromverbraucher befindet. Insbesondere werden derartige Stromdurchführungen für die Zellen der wartungsfreien wieder aufladbaren Nickel-Kadmium-Batterie benötigt und in Wasserstoff-Zellen, z.B. Nickel-Wasserstoffzellen, bei denen die aktiven Zellenteile von einem dichten Metallgehäuse umschlossen sind und in denen sich Wasserstoffgas unter einem Druck bis zu ca. 50 bar befindet. Da die Lebensdauer derartiger Zellen mehrere Jahre betragen soll, müssen die Stromdurchführungen eine äußerst

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geringe Leckrate aufweisen.

Im allgemeinen besteht eine Stromdurchführung aus einer äußeren metallischen Hülse, die hermetisch mit dem Behälter verbunden ist, einem inneren metallischen Leiter, der den Stromtransport bewirkt und einem zwischen Hülse und Leiter befindlichen Isolierstoff.

Es ist bekannt, als Isolierstoff zwischen Hülse und Leiter Glas oder Keramik zu benutzen. Derartige Stromdurchführungen sind jedoch nicht sonderlich standfest und zeigen hohe Ausfallraten über längere Zeiträume (J. Electrochem. Soc. 1972, S. 564 - 568).

Eine Verbesserung der Glas-Metall- oder Keramik-Metall-Stromdurchführung wird in der US-PS 3 IO9 055 beschrieben. Hierbei ist ein schmaler zylindrischer Stromleiter von einem zäh-harten thermoplastischen Material hülsenförmig umgeben. Auf diese Kunststoffhülse ist außen ein Spezialgewinde aufgebracht. Sie ist ihrerseits in eine Metallhülse, welche das entsprechende Innengewinde trägt, eingelassen. Eine Dichtwirkung kommt nun dadurch zustande, daß die Metallhülse im mittleren Bereich durch ein Werkzeug radial zusammengepreßt wird, wodurch die Gewindegänge vollständig vom Material der Gewindekunststoffbuchse ausgefüllt und darüber hinaus der Stromleiter mit hohem Druck dicht umschlossen wird.

Durch die oben beschriebene Konstruktion ergeben sich zwar günstige Eigenschaften in bezug auf mechanische Festigkeit

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bzw. Elastizität, Dichtheit gegenüber hohen Drücken und elektrische Isolation des Stromleiters selbst, als Nachteile müssen jedoch angeführt werden, daß sich die einzelnen Elemente der Stromdurchführung ohne Zerstörung nicht mehr demontieren lassen, daß das Verhältnis vom Durchmesser des Stromleiters zum Außendurchmesser der Metallhülse sehr ungünstig ist (ca. 1 : 6) und sich somit die Stromdurchführung nicht als Starkstromdurchführung, wie sie beispielsweise bei Traktionsakkumulatoren notwendig ist, eignet und daß eine im Verhältnis zum Durchmesser zu große Länge erforderlich ist (ca. 1 : 20), so daß sich insgesamt ein großer Bauraum aufdrängt. Weiterhin ist es erforderlich, die äußere Metallhülse nach dem Zusammenpressen ihrerseits mit einem Flansch zu verbinden oder an eine Gefäßwand anzubringen, welches eine weitere Schwierigkeit - auch in bezug auf Dichtheit - mit sich bringt.

Eine andere Art einer solchen Stromdurchführung für kleinere gasdichte Nickel-Cadmium-Zellen wird in US-PS 3 510 353 beschrieben. Hierbei ist ein langer, dünner Stromleiter mit einem Plastikröhrchen überzogen, über welches ein Metallrohr gestülpt ist. Durch radiales Einquetschen an mehreren Stellen über die Länge verteilt wird die Dichtwirkung erzielt, wobei eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Stromleiter und dem Metallrohr vermieden werden muß. Diese Stromdurchführungsart eignet sich praktisch nur für die in der Patentschrift gezeigte Anordnung. Das Verhältnis vom Durchmesser des Stromleiters zum Außendurchmesser des Metallrohrs ist gegenüber der oben beschriebenen Anordnung zwar besser, beträgt aber immer noch ca. 1 : ^,7· Darüber hinaus treten auch hier die gleichen Nachteile gegenüber einer allgemeinen Anwendung auf,

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die die Stromdurchführung gemäß US-PS 3 109 055 besitzt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Stromdurchführung zu finden, die absolut dicht ist, die mit normalen technischen Hilfsmitteln montiert und wieder zerlegt werden kann und die einen möglichst kleinen Bauraum in Anspruch nimmt.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Stromdurchführung gelöst. Die erfindungsgemäße Stromdurchführung wird anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Stromdurchführung ,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer mit dem Behältermaterial verbundenen äußeren Hülse und

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Stromdurchführung.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gefäßwand 1, in die die Stromdurchführung eingelassen ist. Die Gefäßwand ist in diesem Falle dick genug, um als äußere Hülse zu dienen. Der die Stromleitung bewirkende metallische Bolzen 2, der aus einem gut stromleitenden Material, z.B. Nickel hergestellt ist, ist im mittleren Bereich 3 als Zylinder mit glatter Oberfläche ausgebildet. Unterhalb des mittleren Bereichs 3 befindet sich ein Bund k, der der Aufnahme der Kräfte beim Verspannen der

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Isolierkörper dient. Der Bund 4 kann auch als Mutter ausgebildet sein, die mittels eines Gewindes mit dem Bolzen verschraubbar ist. Oberhalb des mittleren Bereichs 3 trägt der Bolzen ein Gewinde 5» das der Aufnahme der Mutter 6 dient, mit deren Hilfe die Isolierkörper verspannt werden. Die Unterlagscheibe 7 dient dabei dem Schutz des oberen Isolierkörpers. Sie kann auch als Sicherungsscheibe gegen ungewolltes Verdrehen der Mutter ausgebildet sein. Der mittlere Bereich des Bolzens ist von den drei Isolierkörpern 8, 9 und 10 umgeben. Der mittlere Isolierkörper 9 besteht aus einem praktisch gasdichten, d.h. eine äußerst geringe Permeabilität gegenüber Gasen und Flüssigkeiten aufweisenden verformbaren Material z.B. vulkanisierter Kautschuk, Styrol-Butadien-Kopolymere, Acrylnitril-Butadien-Kopolymere, Butylkautschuk, Polychlorbutadiene, Siliconkautschuk, Polyolefine und dergleichen. Besonders geeignet sind fluorhaltige Polykohlenwasserstoffe wie Polytetrafluorethylen, Polychlortrifluorethylen. Der mittlere Isolierkörper 9 ist von zwei aus formbeständigem Material bestehenden Isolierkörpern 8 und 10 eingeschlossen, wobei diede Isolierkörper eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen müssen. Als formbeständiges Material sind geeignet beispielsweise Phenol-Formaldehydharze, einige Polyamide, Melamin-Harze, Polyester, Polyimide oder Polyoximethylene. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der äußeren Isolierkörper zu dem des inneren Isolierkörpers größer als 5 i 1 ist. Als besonders geeignet hat sich Polysulfon gezeigt. Die beiden äußeren Isolierkörper 8 und werden mittels Mutter 6 und Bund k achsial verspannt und verformen dabei den Isolierkörper 9» so daß ein dichter Abschluß zwischen Behälterwand 1 und Bolzenteil 3 erreicht wird. Im

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allgemeinen wird mit engen Toleranzen gearbeitet, d.h. daß in unverspanntem Zustand die Zwischenräume zwischen der Wand 1, den Isolierkörpern und dem Bolzenteil 3 nur gering sind. Dadurch wird erreicht, daß nur ein relativ geringer achsialer Weg der Isolierkörper 8 und 10 ausreicht, um die nötige Verspannung zu erzielen. Der auf die Isolierkörper mittels der Schraube 6 ausgeübte Druck kann vorteilhaft dadurch vermindert werden, daß man diese Isolierkörper auf der dem verformbaren Material zugewandten Seite, wie dargestellt, mit einer Ringschneide l8 versieht. Als besonders günstig hat sich erwiesen, wenn die Seiten der Ringschneide einen Winkel von 90 miteinander bilden. Es ist weiter von Vorteil, wenn die Isolierkörper 8 und 10 wie abgebildet mit einem Kragen versehen sind, der sich beim Verspannen auf die Wand 1 legt. Dieser Kragen bildet dann einen zusätzlichen Schutz gegen einen evtl. Kurzschluß zwischen der Wand 1 und dem Bund k bzw. Mutter 6 und Unterlegscheibe 7·

Die achsiale Verspannung kann selbstverständlich auch auf eine andere übliche Art,*z.B. bei einem Bolzen mit Lochschlitz mittels eines Keils geschehen. Durch die Wandstärke der Isolierkörper sowie die Höhe des mittleren Isolierkörpers 9 und/oder durch die Höhe der Ringschneide i8 kann eine Anpassung der Dichtfähigkeit an die verschiedensten Anforderungen vorgenommen werden. In der Regel hat sich ein Verhältnis des Durchmessers des Bolzenteils 3 zur Höhe des Körpers 9 von 1 : 0,5 bis 1 : 1,5 als geeignet erwiesen. Besonders günstig ist im allgemeinen ein Verhältnis 1 : 1. Die Wandstärke bzw. Dicke der Isolierkörper beträgt im allgemeinen 20 bis k0% des Durchmessers des Bolzenteils 3· ^Gut geeignet

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ist eine Wandstärke von etwa 30%. Bei der Materialauswahl für die Isolierkörper müssen selbstverständlich die Betriebsbedingungen für die Stromdurchführung berücksichtigt werden, wie Temperatur, Druck oder chemischer Angriff durch z.B. Elektrolytflüssigkeiten unter besonderer Berücksichtigung der elektrischen I soliereigenschäften.

Muß eine Stromdurchführung in einen dünnwandigen Behälter eingebracht werden, so wird, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Hülse 11 mit der Wand 12 verbunden, z.B. durch Schweißen, Löten oder Einrollen.

Eine andere Form der Stromdurchführung zeigt Fig. 3« Der untere Isolierkörper 13 besitzt einen ringförmigen Halsfortsatz Ik, in welchen der in diesem Falle zylindrische Bund 15 des stromführenden Bolzens eingepaßt ist. Auch hier wird durch Anziehen der Mutter der mittlere Isolierkörper entsprechend verformt. Hierbei kann es vorkommen, daß allein die Reibungskräfte am Außenmantel des mittleren Isolierkörpers 17 den Kräften das Gleichgewicht halten müssen, die aus dem Druck im Innern des Behälters resultieren. Es ist daher mitunter zweckmäßig, die Höhe des mittleren Isolierkörpers 17 größer als gewöhnlich zu halten.

Die Stromdurchführungen sind auf übliche Art und Weise mit Möglichkeiten für den Anschluß an Stromquellen versehen, z.B. mit Gewinden, Bolzen, Schlitzen, Stegen, Bohrungen, Lotfahnen und dergleichen. Diese Möglichkeiten sind nicht besonders dargestellt. In Fig. 1 kann beispielsweise oberhalb der Mutter 6 eine Lötöse auf den Bolzen geschoben und mit einer weiteren Mutter befestigt werden.

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Um beim Anziehen einer solchen Mutter ein Verdrehen der Anordnung zu vermeiden, kann der Bolzen 2 im oberen Bereich z.B. mit zwei Schlüsselflächen, einem Sechskant oder einem Schlitz ausgebildet sein, welche zum Gegenhalten mit Hilfe eines Werkzeuges dienen.

Die erzielbare Dichtheit der Stromdurchführung ist ausgezeichnet, so konnten z.B. bei einem Wasserstoffdruck von ca. 65 bar Leckraten festgestellt werden, die lediglich der Diffusionsrate von Wasserstoff durch die Werkstoffe entsprachen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen weiterhin in einer einfachen Herstellung der Teile für die Stromdurchführung, in einer außerordentlich platzsparenden Bauweise und einer einfachen Montage und Demontage.

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Claims

Deutsche Automobilgesellschaft Daug 70

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Patentansprüche

Il Zerlegbare, gasdichte und druckfeste Stromdurchführung für Batteriezellen, bestehend aus einer metallischen festen äußeren Hülse, einem die Stromleitung bewirkenden metallischen Bolzen und einem zwischen Hülse und Bolzen befindlichen Isolierstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Bolzen und Außenhülse befindliche Isolierstoff aus drei achsial hintereinander angeordneten hülsenförmigen, den Zwischenraum zwischen Bolzen und Hülse ausfüllenden Isolierkörpern besteht, wobei der mittlere Körper nach Art einer Stopfbuchsenpackung aus einem praktisch gasdichten verformbaren Material besteht und die beiden äußeren Körper aus einem formbeständigen Material bestehen und daß wenigstens einer der beiden äußeren Körper gegen den mittleren Körper achsial verspannbar ist.
2. Stromdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Körper an ihrer dem mittleren Körper zugewandten Seite mit einer Uingschneide versehen sind, die in den mittleren Körper eindringen kann.
3- Stromdurchführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dnß- die Seiten der Ringschnoide einen Kinkel von 90 miteinander bilden.

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4. Stromdurchführung nach den Ansprüchen 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des mittleren Körpers gleich dem Durchmesser des Bolzens im Bereich des mittleren Körpers ist,
5· Stromdurchführung nach den Ansprüchen 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Körper aus Polysulfon und der mittlere Körper aus Polytetrafluorethylen bestehen.
6. Stromdurchführung nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der äußeren Körper zu dem des inneren Körpers größer als 5 '· 1 ist.

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