DE2849326C2 - - Google Patents

Description

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

Gasdichte, druckfeste Stromdurchführungen sind immer da er­ forderlich, wo ein elektrischer Stromleiter durch eine metal­ lische 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 wiederaufladbaren Nickel- Cadmium-Batterie benötigt und in Wasserstoff-Zellen, z. B. Nickel-Wasserstoffzellen, bei denen die aktiven Zellenteile von einem dichten Metallgehäuse umschlossen sind und in de­ nen 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 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 bereits bekannt, als Isolierstoff zwischen einer Hülse und einem Leiter Glas oder Keramik zu benutzen. Derartige Stromdurchführungen sind jedoch nicht sonderlich standfest und zeigen außerdem hohe Ausfallraten über längere Zeit­ räume (J. Electrochem. Soc. 1972, S. 564-568).

In der US-PS 31 09 055 wird eine Glas-Metall- oder Keramik- Metall-Stromdurchführung beschrieben. Hierbei ist ein schmaler zylindrischer Stromleiter von einem zähharten thermoplastischen Material hülsenförmig umgeben. Auf diese Kunststoffhülse ist außen ein Spezialgewinde aufgebracht. Sie ist ihrerseits in eine Metallhülse, welche das ent­ sprechende Innengewinde trägt, eingelassen. Ein Dicht­ wirkung kommt 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 eine derartige Konstruktion ergeben sich zwar günstige Eigenschaften in bezug auf mechanische Festigkeit bzw. Elastizität, Dichtheit gegenüber hohen Drücken und elektrische Isolation des Stromleiters selbst. Als Nach­ teile sind jedoch anzuführen, daß sich die einzelnen Ele­ mente der Stromdurchführung ohne Zerstörung nicht mehr demon­ tieren lassen und daß das Verhältnis vom Durchmesser des Strom­ leiters zum Außendurchmesser der Metallhülse sehr ungünstig ist (ca. 1 : 6), wodurch die Stromdurchführung sich nicht als Starkstromdurchführung, wie sie beispielsweise bei Traktions­ akkumulatoren notwendig ist, eignet und daß eine im Ver­ hältnis zum Durchmesser zu große Länge erforderlich ist (ca. 1 : 20), so daß insgesamt ein großer Bauraum notwendig ist. Weiterhin ist es bei dieser Konstruktion erforderlich, die äußere Metallhülse nach dem Zusammen­ pressen ihrerseits mit einem Flansch zu verbinden oder an eine Gefäßwand anzubringen, welches eine weitere Schwierig­ keit - auch in bezug auf die Dichtheit - mit sich bringt.

In der US-PS 35 10 353 ist eine Stromdurchführung für kleinere gasdichte Nickel-Cadmium-Zellen beschrieben. Hierbei ist ein langer, dünner Stromleiter mit einem Plastikröhrchen überzogen, über welches ein Metallrohr ge­ stülpt ist. Durch radiales Einquetschen an mehreren Stellen, über die Länge verteilt, wird die Dichtwirkung erzielt, wo­ bei eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Stromleiter und dem Metallrohr vermieden werden muß. Diese Stromdurch­ führungsart eignet sich praktisch nur für die in dieser Patentschrift gezeigte Anordnung. Das Verhältnis vom Durch­ messer des Stromleiters zum Außendurchmesser des Metall­ rohrs ist ebenfalls ungünstig, sie beträgt ca. 1 : 4,7. Darüber hinaus treten auch hier die gleichen Nachteile gegenüber einer allgemeinen Verwendung auf, wie sie bei dem vorher abgehandelten Schutzrecht angegeben worden sind.

In der DE-OS 19 27 730 wird eine Stromdurchführung be­ schrieben, bei der die Dichtwirkung durch teilweises Um­ stülpen und Verquetschen einer elastischen konischen Ring­ dichtung erzielt wird. Dabei dient ein Konusring lediglich dazu, daß sich eine Dichtrippe leichter umstülpen läßt. Dieser Konusring dringt dabei aber nicht in das Dicht­ material ein, sondern dient nur dazu, das Dichtmaterial an den Falz des Gehäuses anzuquetschen. Beim Betrieb mit sehr hohen Drücken besteht dabei die Gefahr, daß die Stülplippe der Neoprendichtung durch den Falz des Gehäuses abgequetscht wird oder im Laufe der Zeit wegbricht. In solchen Fällen ist nicht nur die Dichtwirkung in Frage gestellt, sondern es kann auch zusätzlich zu einem elektrischen Kurzschluß zwischen Bolzen und Gehäuse kommen.

Nach der US-PS 34 88 277 wird bei einer Stromdurchführung die Dichtwirkung durch zwei Flachdichtungen erzeugt. Es ist aber allgemein bekannt, daß Flachdichtungen für das Ab­ dichten gegenüber hohen Drücken relativ ungeeignet sind. Außerdem besteht bei Flachdichtungen immer die Gefahr, daß sie bei zu kräftigem Anziehen zerquetscht werden.

Im einzelnen ist dabei zu dieser Patentschrift zu bemerken, daß die Dichtwirkung dadurch erzielt wird, daß zwei äußere Isolierringe axial verspannt werden und eben nach Art einer Flachdichtung auf die abzudichtende Begrenzungsfläche drücken sollen. Dabei ist es notwendig, daß sich diese Ringe radial frei ausdehnen können. Es ergibt sich damit ein erheblicher Platzbedarf für die Dichtung. Da zudem bei der angegebenen Einrichtung keine axiale Begrenzung vor­ gesehen ist, können bei unbedachtsamem Anziehen der Mutter die Dichtringe zerquetscht werden, womit die Dichtwirkung insgesamt in Frage gestellt ist.

Der Gegenstand der US-PS 36 78 178 stellt lediglich eine Weiterentwicklung des Gegenstandes der bereits vorher ange­ gebenen US-PS 31 09 055 dar. Danach soll das Austreten von Dichtmaterial bei hohen Temperaturen durch zwei Dicht­ ringe verhindert werden.

Aus der US-PS 13 72 603 ist schließlich nur eine einfache Abdichtung nach der Art einer Stopfbuchse zu entnehmen.

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

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen be­ schriebene Stromdurchführung gelöst. Die erfindungsgemäße Stromdurchführung wird anhand der Zeichnungen weiter er­ läutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Stromdurchführung,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer mit dem Behälter­ material 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 4, der der Aufnahme der Kräfte beim Verspannen der Isolierkörper dient. Der Bund 4 kann auch als Mutter ausge­ bildet sein, die mittels eines Gewindes mit dem Bolzen ver­ schraubbar 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 Un­ terlegscheibe 7 dient dabei dem Schutz des oberen Isolier­ körpers. 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 umge­ ben. Der mittlere Isolierkörper 9 besteht aus einem praktisch gasdichten, d. h. eine äußerst geringe Permeabilität gegenüber Gasen und Flüssigkeiten aufweisenden verformbaren Material wie z. B. vulkanisierter Kautschuk, Styrol-Butadien-Kopolymere, Acrylnitril-Butadien-Kopolymere, Butylkautschuk, Polychlor­ butadiene, Siliconkautschuk, Polyolefine. Besonders geeignet sind fluorhaltige Polykohlenwasserstoffe wie Polytetrafluorethylen, Polychlortrifluorethylen. Der mitt­ lere Isolierkörper 9 ist von zwei aus formbeständigem Material bestehenden Isolierkörpern 8 und 10 eingeschlossen, wobei die­ se Isolierkörper eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen müssen. Als formbeständiges Material sind beispiels­ weise Phenol-Formaldehydharze, einige Polyamide, Melamin-Har­ ze, Polyester, Polyimide oder Polyoximethylene geeignet. Gute Ergeb­ nisse werden erzielt, wenn das Verhältnis des Elastizitäts­ moduls der äußeren Isolierkörper zu dem des inneren Isolier­ körpers größer als 5 : 1 ist. Als besonders geeignet hat sich Polysulfon gezeigt. Die beiden äußeren Isolierkörper 8 und 10 werden mittels Mutter 6 und Bund 4 axial verspannt und ver­ formen dabei den Isolierkörper 9, so daß ein dichter Abschluß zwischen Behälterwand 1 und Bolzenteil 3 erreicht wird. Im 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 axialer 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 da­ durch vermindert werden, daß man diese Isolierkörper auf der dem verformbaren Material zugewandten Seite, wie dargestellt, mit einer Ringschneide 18 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 4 bzw. Mut­ ter 6 und Unterlegscheibe 7.

Die axiale Verspannung kann selbstverständlich auch auf eine andere übliche Art, z. B. bei einem Bolzen mit Lochschlitz mittels eines Keils geschehen. Durch die Wandstärke der Iso­ lierkörper sowie die Höhe des mittleren Isolierkörpers 9 und/oder durch die Höhe der Ringschneide 18 kann eine Anpas­ sung 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 Wand­ stärke bzw. Dicke der Isolierkörper beträgt im allgemeinen 20 bis 40% des Durchmessers des Bolzenteils 3. Gut geeignet ist eine Wandstärke von etwa 30%. Bei der Materialauswahl für die Isolierkörper müssen selbstverständlich die Betriebsbe­ dingungen für die Stromdurchführung berücksichtigt werden, wie Temperatur, Druck oder chemischer Angriff durch z. B. Elektrolytflüssigkeiten unter besonderer Berücksichtigung der elektrischen Isoliereigenschaften.

Muß eine Stromdurchführung in einen dünnwandigen Behälter ein­ gebracht 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 un­ tere Isolierkörper 13 besitzt einen ringförmigen Halsfortsatz 14, 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 Reibungs­ kräfte 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 zweck­ mäßig, die Höhe des mittleren Isolierkörpers 17 größer als ge­ wöhnlich 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, Lötfahnen. Diese Möglichkeiten sind nicht besonders dar­ gestellt. In Fig. 1 kann beispielsweise oberhalb der Mutter 6 eine Lötöse auf den Bolzen geschoben und mit einer weiteren Mutter befestigt werden.

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 ausge­ zeichnet, so konnten z. B. bei einem Wasserstoffdruck von ca. 65 bar Leckraten festgestellt werden, die lediglich der Diffusionsrate von Wasserstoff durch die Werkstoffe ent­ sprachen.

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

Mit dem Gegenstand der Erfindung wird weiterhin eine Strom­ durchführung geschaffen, mit der auch mit den für hohe Drücke und geringe Gaspermeabilitäten erforderlichen, verhältnismäßig harten Dichtmaterialien (z. B. Teflon) eine sichere und dauerhafte Abdichtung erreicht wird.

Claims (5)

1. Zerlegbare, gasdichte und druckfeste Stromdurchführung für Batteriezellen, bestehend aus einer metallischen festen äußeren Hülse, einem die Stromleitung bewirkenden metalli­ schen Bolzen und einem zwischen Hülse und Bolzen befindlichen Isolierstück aus drei axial hintereinander angeordneten hülsenförmigen, den Zwischenraum zwischen Bolzen und Hülse ausfüllenden Isolierkörpern, wobei der mittlere Körper nach Art einer Stopfbuchsenpackung aus einem gasdichten verform­ baren, die beiden äußeren Körper aus einem formbeständigen Material bestehen und wenigstens einer der beiden äußeren Körper gegen den mittleren Körper axial verspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Körper an ihrer dem mittleren Körper zugewandten Seite mit einer Ringschneide versehen sind, die bei axialer Verspannung in den mittleren Körper eindringt.

2. Stromdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten der Ringschneide einen Winkel von 90° miteinan­ der bilden.

3. Stromdurchführung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des mittleren Körpers gleich dem Durchmesser des Bolzens im Bereich des mittleren Körpers ist.

4. Stromdurchführung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Körper aus Polysulfon und der mittlere Körper aus Polytetrafluorethylen bestehen.

5. Stromdurchführung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der äußeren Kör­ per zu dem des inneren Körpers größer als 5 : 1 ist.