DE3722020C2 - Galvanisches Primärelement, dessen hermetisch abgedichtetes Gehäuse eine Sollbruchstelle besitzt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Primärelement mit einem herme­ tisch abgedichteten Gehäuse, welches zum Schutz vor Explosionsgefahr bei überhöhtem Innendruck mit einer durch Schwächung der Wandstärke erzeugten Sollbruchstelle versehen ist.

Es ist eine Vielzahl von Vorrichtungen bei galvanischen Elementen be­ kannt, die im Falle hoher Gasansammlung durch Überhitzung oder unsach­ gemäßen Betrieb ein Bombieren der Zelle verhindern sollen, indem sie eine Belüftung oder zumindest ein kontrolliertes Bersten des Zellenge­ häuses gestatten, noch ehe ein kritischer Zustand erreicht ist. Sicherheits­ ventile, die beispielsweise dann öffnen, wenn die Kraft auf einen Ventil­ körper den Gegendruck einer Feder überschreitet, sind verhältnismäßig teuer und mit dem Risiko von Undichtigkeiten behaftet, wenn sie mit korrosiven Bestandteilen der Zelle, z. B. alkalischer Elektrolyt, in Be­ rührung kommen.

Bei Zellen aus der Massenfabrikation behilft man sich daher mit einer oder evtl. mehreren Schwachstellen in der Gehäusestruktur, ohne daß deren Dichtigkeit unter normalen Betriebsverhältnissen gefährdet ist. Selbst nach lokaler Zerstörung des Gehäuses an diesen sogenannten Sollbruchstellen ist in den meisten Fällen eine beschränkte Weiterverwen­ dung eines solchen Elements, nämlich als offene Zelle, möglich.

Einfache Sollbruchstellen können z. B. aus Reißmembranen bestehen, bei denen es allerdings schwierig ist, ihre Zerstörung bei einem ganz be­ stimmten Druck herbeizuführen. Andere Sicherheitsvorrichtungen benöti­ gen einen gewissen Raum, so daß bei vorgegebenem Gasamtvolumen das galvanische Element eine geringere Kapazität besitzt.

Eine unter den eingangs formulierten Gattungsbegriff fallende Gehäuse­ konstruktion für eine Lithiumzelle, die allerdings recht aufwendig ist, läßt sich der US-PS 4,601,959 entnehmen. Dort ist in den Gehäuseboden durch Aufwölben eine zentrisch verlaufende Verformungszone mit lediglich zwei schmalen Unterbrechungen bzw. Brücken, die nur wenig verformt, dafür aber eingekerbt sind, hineingeprägt. Bei zunehmendem Innendruck des Behälters können sich die wenig verformten Brücken nicht in gleichem Maße dehnen wie die vorverformten Nachbarbereiche. Sie unterliegen daher einer hohen Zugspannung, die zum Aufreißen des Werkstoffes an diesen Stellen führt, definieren somit Berstzonen, in denen sich eine Öffnung zum Ausströmen der unter Überdruck stehenden Gase bildet.

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Behälterkonstruktion für ein Primärelement anzugeben, bei der die Möglichkeit der Druckent­ lastung durch gezieltes Bersten auf einfachere Weise realisiert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Der für eine Sollbruchstelle bzw. für Sollbruchstellen vorgesehene Ort ist demnach bei einem zweiteiligen Gehäuse der Rand bzw. die Kante, entlang welcher die Stirnseite des Deckels oder die Stirnseite des Gehäu­ sebechers in den vertikalen, meist zylindrischen Teil des Gehäusemantels übergeht. Besonders günstig, aber nicht ausschließlich, lassen sich deshalb Primärelemente vom Rundzellentyp in erfindungsgemäßer Weise ausge­ stalten. Die Formgebung geschieht durch beidseitiges Prägen des Gehäuse­ werkstoffs im Kantenbereich an gegenüberliegenden Stellen, wodurch die Wanddicke bis auf einen stegförmigen Rest reduziert wird. Alternativ zum Prägen können auch spanabhebende oder erodierende Verfahren eingesetzt werden.

Das Zellengehäuse verfügt damit über eine zentrisch umlaufende, sehr schmale Zone erhöhter Bruchempfindlichkeit, wobei sich die beschriebene Schwächung des Wandmaterials jedoch nicht über die volle Umfangslänge der Kante erstrecken soll.

Anhand einiger Figurendarstellungen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Bodenpartie eines erfindungsgemäß gestalteten Gehäuse­ bechers im Schnitt;

Fig. 2 zeigt den Bereich der Becherkante vergrößert;

Fig. 3 zeigt den Becherboden von der Stirnseite in einer Draufsicht.

Nach Fig. 1 gibt sich die Sollbruchzone äußerlich durch einen abgestuften Übergang 3 des Becherbodens 1 in den Mantelteil 2 zu erkennen.

Fig. 2 macht in einer vergrößerten Wiedergabe des Wandprofils in dem Übergangsbereich die Beteiligung auch der Innenseite der Kante an der Wanddickenreduzierung deutlich. Der erfindungsgemäße Prägevorgang erzeugt somit entlang der Becher- bzw. Deckelkante eine Verjüngung des Wandprofils bis auf einen stegförmigen Rest 4, der an seiner schwächsten Stelle nur noch etwa ein Zehntel der originalen Wandstärke aufweist. Gemessen an einer Wanddicke von ca. 0,3 mm im Falle eines Stahlbechers sollte die Restdicke bei 40 bis 60 µm liegen.

Die Spuren 5 und 6 in der Figur geben das Wandprofil vor der Verformung wieder.

Erfindungsgemäß bleibt ein geringerer Teil der Umfangslänge der Gehäu­ sekante von der Wanddickenreduzierung ausgespart.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 sind zwei längere Kantenabschnitte 4 mit reduzierter Wanddicke und zwei kürzere in der Originaldicke belassene Kantenabschnitte 7 in paarweise gegenüberliegenden Positionen vorgesehen. Die ungeschwächten Kanten­ abschnitte 7 bilden somit Anbindungen für die Sollbruchstellen 4, welche bei einem Bersten der Zelle das ihnen benachbarte dünne Wandmaterial während des Aufreißens festhalten und so verhindern, daß Teile desselben losgesprengt werden.

Durch die einfache Herstellbarkeit der Sollbruchstellen mittels eigens hierzu bestimmten Prägewerkzeugen kann über die genau definierte Restwandstärke der Berstdruck exakt bestimmt werden. Toleranzen erge­ ben sich nur durch das verwendete Gehäusematerial und durch thermische Einflüsse. Die in Frage kommenden Werkstoffe sind neben elastischen Kohlenstoffstählen vor allem hochfeste Edelstahlsorten. Aber auch in Kunststoffe oder keramische Werkstoffe können erfindungsgemäße Soll­ bruchstellen eingebracht werden.

Die Wirkung des Prägevorgangs ist teils diejenige einer Materialverdich­ tung, teils die einer Materialverdrängung, wobei Material sowohl in den Mantelteil als auch in den Boden- bzw. Deckelteil des Gehäuses einfließt. Die erfindungsgemäße Wahl der mit dem Gehäusedurchmesser umlau­ fenden Kante als Ort für die Sollbruchstellen ist besonders vorteilhaft, weil der Becher bzw. Deckelboden in vollem Umfang als Druckfläche genutzt wird. Dadurch kommen auch die Scherkräfte optimal zur Wirkung.

Bei den metallischen Gehäusewerkstoffen hat sich übrigens gezeigt, daß nach dem Ausprägen der Sollbruchstellen ein Rekristallisationsglühen nicht erforderlich ist.

Die Prägewerkzeuge bedürfen wegen ihrer einfachen geometrischen Form keiner besonderen Wartung und unterliegen einem geringen Verschleiß.

Claims (3)

1. Galvanisches Primärelement mit einem hermetisch abgedichteten Gehäuse, welches zum Schutz vor Explosionsgefahr bei überhöhtem Innendruck mit einer durch Schwächung der Wandstärke erzeugten Sollbruchstelle versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß entlang eines größeren Abschnitts der Gehäusekante, welche am Deckelteil oder am Becherteil den Übergang von dem Mantelteil (2) des Gehäuses zu einer der Stirnflächen (1) bildet, durch beidseitiges Prägen des Gehäusewerkstoffs die Wanddicke bis auf einen stegför­ migen Rest (4) reduziert ist.

2. Primärelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante über ihre Umfangslänge zwei gegenüberliegende Abschnitte (4) größerer Länge mit reduzierter Wanddicke und zwei gegenüber­ liegende Abschnitte (7) kleinerer Länge mit unverformtem Wand­ material aufweist.

3. Primärelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stahlbecher mit ca. 0,3 mm Wanddicke die reduzierte Wand­ dicke an den Sollbruchstellen 40 bis 60 µm beträgt.