DE3737336C1 - Schweiss- und Stuetzring und seine Verwendung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Schweiß- und Stützring zum Verbinden von zwei zylindrischen Gehäuseteilen eines druck­ festen Gehäuses einer elektrischen Zelle mit symmetrisch zur Schweißnaht angeordneten Elektrodenstapeln.

Solche elektrischen Zellen sind z. B. Nickel-Wasserstoff­ zellen. Sie bestehen normalerweise aus einem Elektrodensta­ pel, der von einem druckfesten, dünnwandigen Gehäuse um­ schlossen ist. Der Wasserstoff ist dabei unter hohem inneren Druck (z. B. 60 bar) gespeichert. Beim Endladen oder Laden der Zelle vermindert bzw. erhöht sich der Wasserstoffdruck proportional zu der entnommenen bzw. eingeladenen Ladungs­ menge. Durch diese zyklischen Druckschwankungen wird die Schweißnaht aufgrund des pulsierenden Innendruckes erheb­ lich belastet, wobei sie selbstverständlich absolut dicht bleiben muß. Das Gehäuse für solche Batterien besteht aus einem druckfesten zylindrischen Mantel, der durch eine ra­ diale Verbindungsschweißung aus zwei Gehäusehälften zu­ sammengesetzt ist. Um eine Beschädigung der Elektrodensta­ pel durch die Schweißwärme zu verhindern, wird die Schweiß­ naht so gelegt, daß sie axial gesehen zwischen zwei Elek­ trodenstapeln liegt. Die Zusammenfügung des Gehäuses ge­ schieht erst nach dem Aufbau der Elektrodenstapel, es muß daher das Eindringen von Schweißperlen in die Batterie sicher vermieden werden. Zu diesem Zweck ist die Anwen­ dung von Schweißringen bekannt, die die Gehäuseteile zen­ trieren und die zu verschweißende Naht von innen abdecken und so das Eindringen von Schweißperlen in das Gehäuse verhüten. Da der Schweißring bei dem Verschweißen der Ge­ häusehälften ebenfalls mit dem Gehäuse verschweißt wird, dient er zusätzlich als radiale Verstärkung des Gehäuses.

Es ist ferner bekannt, den Schweißring zusätzlich zur Hal­ terung der Elektrodenstapel zu verwenden. So ist aus US-PS 45 46 054 ein Schweißring für eine symmetrische Stapelan­ ordnung bekannt, der einen T-förmigen Querschnitt aufweist und mit nach innen gerichteten Metallplattenringen verbun­ den ist. Diese Schweiß-/Stützplattenanordnung besteht aus drei Metallteilen, die gut ineinander passen und somit mit großer Genauigkeit angefertigt werden müssen. Die Konstruk­ tion ist deshalb teuer und relativ schwer. Weil die Metall­ plattenringe eng beieinander liegen, besteht beim Vibrieren der Zelle, z. B. beim Raketenstart einer mit einer solchen Zelle ausgerüsteten Weltraumkapsel, ein gewisser Membran­ effekt, der nur durch relativ dicke Mittelisolierplatten un­ terbunden werden kann. Dies wiederum erhöht das Gewicht und verteuert die Zellen. Außerdem besteht aufgrund der relativ engen Verbindung beider Stapelhälften nur eine geringe ther­ mische Entkopplung, was zu Problemen führen kann.

Aus DE-PS 35 20 854 ist eine weitere Ausführungsform eines Schweißringes bekannt, der bereits eine Halterung der Elek­ trodenstapel durch zungenförmige Ausbildungen besitzt. Solche Zellen sind für gewöhnliche, erdgebundene Anwendungen sehr geeignet. Im Test unter Raumfahrtbedingungen, wie sie z. B. beim Start von Raketen auftreten, hat sich jedoch heraus­ gestellt, daß die Zungen aufgrund der sich einstellenden Vi­ brationskräfte sich verbiegen können oder daß die Stapel ihrerseits vibrieren, so daß es zur Zerstörung der Zellen kommen kann. Die Verschweißung der Gehäusehälften unter­ einander und mit dem Schweißring wurde nach dem Metall- Intertgas-Verfahren (MIG) vorgenommen. Dabei wird während des Schweißens über einen Schweißdraht zusätzlich Material an die Schweißstelle gebracht. Das hat den Vorteil einer großen Schweißwulstausbildung, welche zur Festigkeit der Schweißverbindung beiträgt. Nachteile dieses Verfahrens be­ stehen jedoch in dem durch die Schweißwulstbildung hervor­ gerufenen zusätzlichen Gewicht, das beim Weltraumeinsatz nicht vertretbar ist, und andererseits dadurch, daß der Wulst beim Einbau der Zellen in eng umliegende Kühlkörper sehr stört. Das Problem des Einbringens zusätzlicher Masse durch das Schweißverfahren kann dadurch umgangen werden, daß man z. B. die Verschweißung nach dem Wolfram-Inertgas- Verfahren (WIG) oder durch Plasmaschweißen vornimmt. Diese Verfahren erfordern aber eine wesentlich genauere Zentrierung, also einen genaueren Rundlauf und Planlauf der Gehäuseteile und des Schweißringes zueinander als bei den vorgenannten MIG-Schweißverfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schweiß­ und Stützring zu finden, der über eine hohe Rundlauf- und Planlaufgenauigkeit verfügt, der eine hohe axiale und ra­ diale Festigkeit bzw. Steifigkeit mit geringem Gewicht ver­ bindet, der eine hohe Zentriergenauigkeit gegenüber den Elektrodenstapeln und Gehäuseteilen ermöglicht und der mit geringer Schweißnahtwulstbildung mit den Gehäuseteilen ver­ schweißt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den in den Patentansprüchen be­ schriebenen Schweiß- und Stützring gelöst.

Der Schweiß und Stützring ist demnach so ausgebildet, daß er einen rechteckförmigen Hohl-Querschnitt mit einem nach außen gerichteten, etwa äquatorial angeordneten Kragen be­ sitzt. Da der Ring somit ein Kastenprofil darstellt, kann die Wandstärke sehr dünn gehalten werden. Der äquatorial angeordnete, nach außen gerichtete Kragen dient einerseits als Anschlag für die Gehäusehälften des Zellengehäuses und andererseits als Materiallieferant bei der Verschweißung. Bevorzugt besteht der Ring aus zwei gleichen, spiegelbild­ lich verbundenen Ringen, deren Meridianquerschnitt Hutpro­ fil besitzt. Diese Ringe mit Hutprofil können verhältnis­ mäßig einfach aus Blech durch Tiefziehen hergestellt werden. Sie werden zentrisch aufeinander gelegt und z. B. durch Schweißen miteinander zu dem Kastenprofil verbunden. Zur Gewichtsersparnis und zur Erleichterung des Gasaustausches innerhalb der Zelle ist es vorteilhaft, die achssenkrecht liegenden Flächen des Rings mit Durchbrüchen zu versehen. Diese Durchbrüche können kreisförmig oder auch rechteckig gestaltet sein. Bei geringeren Anforderungen an die Festig­ keit des Ringes können auch an den innenliegenden, achs­ parallelen Flächen des Rings Löcher zum Zwecke der Gewichts­ ersparnis angebracht werden.

Die Wandstärke des Schweißrings soll so bemessen sein, daß der Schweißring eine optimale Festigkeit bei möglichst nie­ drigem Gewicht erreicht. Dabei spielt natürlich auch die Größe des druckfesten Gehäuses und die damit verbundene Blechstärke für das druckfeste Gehäuse eine Rolle. Es hat sich gezeigt, daß optimale Ergebnisse dann erreicht wer­ den, wenn die Wandstärke des Schweißringes etwa 50% der Wandstärke des druckfesten Gehäuses im zylindrischen Be­ reich entspricht. Die Höhe des Schweißringes in Achsrich­ tung soll etwa dem 15 bis 30-fachen, insbesondere etwa dem 20-fachen der Wandstärke des Schweißringes entsprechen; weiterhin soll die ra­ dial gemessene Breite des Schweißringquerschnittes etwa 5 bis 20%, insbesondere etwa 10% des Gehäusedurchmessers im zylindrischen Bereich betragen. Der nach außen gerichte­ te, etwa äquatorial angeordnete Kragen soll um etwa das 3fache der Wandstärke des Schweißringes abragen.

Anhand der Abbildung wird die Erfindung beispielhaft wei­ ter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zwei Teilhälften eines Schweißringes, deren Meridianquerschnitt Hutprofil besitzt,

Fig. 2 eine Seitenansicht mit geschnittenem Querschnitt eines kompletten Schweißringes,

Fig. 3 die Draufsicht auf einen Schweißring ,

Fig. 4 einen Ausschnitt eines Gehäuse-Schweißringver­ bundes vor dem Schweißen und

Fig. 5 den Ausschnitt gemäß Fig. 4 nach dem Schweißen sowie Fig. 6 die Draufsicht auf ein Teilstück eines Schweiß­ rings mit rechteckigen Aussparungen,

Fig. 7 die Teilansicht eines Rohlings für ein Hutprofil und

Fig. 8 die Teilseitenansicht eines Schweißringes, der aus zwei aus Rohlingen gemäß Fig. 7 herge­ stellten Hutprofile besteht.

In Fig. 1 sind zwei Schweißringhälften 1 und 1′ dargestellt, wie sie vor dem Zusammenfügen hergestellt worden sind. Eine Hälfte besteht aus einem Ring, dessen Meridianquerschnitt ein Hutprofil besitzt, mit nach außen und innen ausgebilde­ ten Rändern 2 und 3. Der Ring ist durch Tiefziehen herge­ stellt und hat mit Ausnahme der durch das Herstellverfahren bedingten geringen Abweichungen überall die gleiche Wand­ dicken. Die beiden Hälften 1 und 1′ sind absolut symmetrisch, d. h. es sind jeweils die gleichen Bauteile. Die beiden Hälften werden mittels einer Zentriervorrichtung zusammen­ gebracht und z. B. mittels Punktschweißen oder einem anderen gängigen Verbindungsverfahren am inneren Rand 3 unlösbar zu­ sammengefügt. Es ist dabei bevorzugt, die Verbindung le­ diglich am inneren Rand vorzunehmen, da dadurch jegliche Deformierung des äußeren Randes 2 durch irgendwelche Ver­ bindungstechniken vermieden wird und der Rand ja später noch beim Verschweißen des Schweißringes mit dem Gehäuse an dieser Stelle verschweißt wird. Durch das Zusammenfügen der beiden Teilhälften entsteht ein Schweißring 10 mit einem steifen kastenartigen Querschnitt, wie er in Fig. 2 zu sehen ist. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, ist der äquatorial angeordnete, nach außen gerichtete Kragen 20 doppelt so dick wie die Wandstärke des Schweißrings.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf einen solchen Schweiß­ ring. Auf den achssenkrecht liegenden Flächen des Schweiß­ rings sind kreisförmige Gewichtsentlastungslöcher 40 an­ gebracht. Sie dienen sowohl der Gewichtsverminderung als auch dem Gasaustausch innerhalb der Zelle. Wie aus den Fi­ guren 2 und 3 hervorgeht, beträgt die radial gemessene Breite des Schweißringquerschnittes etwa 10% des Außen­ durchmessers des Schweißringes oder mit anderen Worten ge­ sagt des Gehäusedurchmessers des Zellengehäuses im zylindri­ schen Bereich. Dies gewährleistet eine gute Auflage der an­ grenzenden Zellenteile, insbesondere der Isolierplatten auf dem Schweißring und schützt sie somit vor zu hoher mecha­ nischer Belastung infolge der Anpreß- und dynamischen Kräfte. Andererseits wird dadurch das Gewicht des aus Metall be­ stehenden Schweißringes, wobei der Werkstoff des Schweiß­ ringes bevorzugt gleich dem Behälterwerkstoff ist, durch den schmalen Rand sehr klein gehalten. Die Höhe des Schweiß­ ringes in Achsrichtung entspricht etwa dem 20-fachen der Wandstärke des Schweißringes. Dadurch wird eine Zerstörung der anliegenden Zellenteile durch Überhitzung beim Schweißen vermieden.

In den Fig. 4 und 5 wird ein Ausschnitt eines Gehäuse­ schweißverbundes vor bzw. nach dem Verschweißen gezeigt. Wie aus der Fig. 4 hervorgeht, ist der Innendurchmesser der Gehäusehälften 50 und 50′ bis auf ein geringes Passungs­ spiel gleich dem Außendurchmesser des Schweißrings 10. Es ergibt sich dadurch eine sehr gute Zentrierung zwi­ schen diesen Teilen und andererseits eine hervorragende Abstützung gegenüber einer Verbiegung, so daß die oben er­ wähnte Membranwirkung nicht auftreten kann. Die Zellensta­ pel 70 und 70′ stützen sich über die Isolierplatten 80 und 80′ an dem Schweißring 10 ab und werden durch ihn zentriert. Der Kragen 20 wird so bemessen daß er um etwa das 3-fache der Wandstärke des Schweißringes von dem Schweißring ab­ ragt bzw. im montierten Zustand zwischen zwei Gehäusehälf­ ten vor dem Verschweißen etwa um die halbe Gehäusewand­ stärke von dem Gehäuse absteht. Dies ist günstig, um beim Schweißen mit dem kostengünstigen Wolfram-Innertgas (WIG)­ oder Plasma-Schweiß-Verfahren ein Zuführen von Zusatz­ werkstoff zu vermeiden. Bei Einhaltung dieser Abmessungen können damit Schweißnähte erzeugt werden, die sich nicht vom Außendurchmesser der Zelle abheben, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, und die eine einwandfreie Verbindung aller an­ grenzenden Teile gewährleisten. Der Innenrand 30 des Schweiß­ und Stützringes ist in seiner Bemessung nicht so kritisch wie der Außenrand. Die Ausdehnung des Randes hängt vom ge­ wählten Fügeverfahren wie Punktschweißen, Nieten, Bördeln usw. ab. Natürlich dient auch er zur Versteifung und kann das Ausweichen des inneren Zylinderteils des Schweißringes bei Belastung verhindern. Auch hier hat sich gezeigt, daß es besonders günstig ist, wenn der Innenrand 30 um etwa das 3fache der Wandstärke des Schweißringes abragt.

Die Fig. 6 zeigt eine Teildraufsicht auf einen Schweißring mit rechteckigen Aussparungen 90. Fig. 7 zeigt eine Auf­ sicht auf einen Rohling, aus dem ein Hutprofil gemäß Figur gezogen werden soll. Der Rohling ist bereits vor dem Ver­ formen mit den Gewichtsersparnisöffnungen 400 versehen. Nach der Verformung des Rohlings zu einem Hutprofil werden zwei Hutprofile zu einem Schweiß- und Stützring, wie er in Fi­ gur 8 in Teilseitenansicht dargestellt ist, zusammengefügt. Dabei ist natürlich bei der Bemessung der Aussparungen 400 darauf zu achten, daß eine genügend hohe Steifigkeit und Festigkeit des fertigen Schweißringes erhalten bleibt.

Die Aussparungen 40 nach Fig. 3 oder 90 nach Fig. 6 können sowohl vor als auch nach dem Ziehprägen des Hutpro­ fils eingebracht werden, während diejenigen nach Fig. 7 vorteilhafterweise bereits vor dem Umformgang in die Blech­ ronde eingebracht werden.

Mit Hilfe des beschriebenen Schweiß- und Stützringes ge­ lingt es, eine auch bei hohen statischen und dynamischen Belastungen befriedigende Verbindung der Zellhälften sowie Stützung der Elektrodenstapel zu erreichen. Z. B. konnte ein Schweißring mit einer Wandstärke von 0,3 mm und einem Außendurchmesser von 89 mm, der für eine Zelle mit 89 mm Innendurchmesser und einer Wandstärke von 0,6 mm vorgesehen war, axial mit über 40 KN belastet werden, ehe er sich ver­ formte. Ein mit Hilfe dieses Ringes hergestelltes verschweiß­ tes Zellengehäuse überstand mehr als 1 20 000 Druckzyklen zwischen 45 bar und 55 bar ohne Schaden. Auch Vibrations­ tests mit kompletten 50 Ah-Zellen unter Weltraumbedingungen wurden schadlos überstanden. Dabei betrug das Gewicht des Schweiß- und Stützringes in Bezug auf das komplette Zellen­ gewicht lediglich 1,35%.

Der neue Schweißring gestattet nicht nur den einwandfreien Bau einer Zelle mit symmetrisch angeordneten Stapeln, sondern, gerade wegen seiner hervorragenden Verwindungssteifigkeit, auch den Bau von Zellen mit einseitig angeordneten Elektro­ denstapeln.

Claims (8)

1. Schweiß- und Stützring zum Verbinden von zwei zylindri­ schen Gehäuseteilen eines druckfesten Gehäuses einer elek­ trischen Zelle mit symmetrisch zur Schweißnaht angeordne­ ten Elektrodenstapeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißring einen rechteckförmigen Hohl-Querschnitt mit einem nach außen gerichteten, etwa äquatorial angeord­ neten Kragen besitzt.

2. Schweiß- und Stützring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißring aus zwei gleichen, spiegelbildlich ver­ bundenen Ringen besteht, deren Meridianquerschnitt Hut­ profil besitzt.

3. Schweiß- und Stützring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die achssenkrecht liegenden Flächen des Schweißringes mit Durchbrüchen versehen sind.

4. Schweiß- und Stützring nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Schweißringes etwa 50% der Wandstärke des druckfesten Gehäuses im zylindrischen Bereich entspricht.

5. Schweiß- und Stützring nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Schweißringes in Achsrichtung etwa dem 15- bis 30-fachen, insbesondere dem 20-fachen der Wand­ stärke des Schweißringes entspricht.

6. Schweiß- und Stützring nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radial gemessene Breite des Schweißringquerschnitts etwa 5% bis 20%, insbesondere etwa 10% des Gehäusedurch­ messers im zylindrischen Bereich entspricht.

7. Schweiß und Stützring nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen um etwa das 3-fache der Wandstärke des Schweißringes abragt.

8. Verwendung eines Schweiß- und Stützringes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zum Verbinden der Gehäuseteile sowie zur Halterung der Elektrodenstapel einer druckfesten elektrischen Zelle.