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Die Erfindung betrifft allgemein eine Trockenzelle oder Trockenbatterie und
insbesondere eine zylindrische Zelle des Leclanche-Typs (nachfolgend nur als
Trockenzelle bezeichnet), bei der durch Verbesserungen an der Bodenplatte zur
Erhöhung der Sicherheit keine Gefahr des Platzens im Falle einer Zunahme des
Innendruckes besteht
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Die jüngste Entwicklung ging dahin, für die Trockenzelle statt einer
Papierumhüllung oder Papierummantelung eine Metallummantelung zu verwenden, bei
gleichzeitiger deutlicher Steigerung des Betriebsverhaltens der Zelle durch
verbesserte Auslaufsicherheit und Quellbeständigkeit. Für die vorgenannte
Ausführung mit Metallmantel wurden im allgemeinen ein Mantel mit
Doppelverschluß, dessen gegenüberliegende Kanten umgebogen sind, ein Mantel mit
Stoßfuge, bei dem die entgegengesetzten Kanten lediglich aneinanderstoßen,
und ein laserverschweißter Mantel, bei dem die entgegengesetzten Kanten per
Laser miteinander verschweißt sind (im folgenden als laserverschweißter
Mantel bezeichnet), usw. verwendet.
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Die US-A 3 442 716 offenbart eine alkalische Zelle mit einem Außengehäuse aus
Metall, das den Minuspol der Zelle bildet, und mit einem Innengehäuse aus
Metall, das den Pluspol der Zelle bildet. Die Bodenplatte ist in das
Außengehäuse eingebaut. Als Bodenabdichtelement ist ein elastisches Kunstharz
vorgesehen, mit dessen Körperteil die Bodenöffnung des Innengehäuses und mit
dessen Manschette der Zwischenraum am Boden zwischen dem Innengehäuse und dem
Außengehäuse abgedichtet ist. Zwischen Außen- und Innengehäuse ist eine
Manschette aus absorptionsfähigem Material eingelegt. Das absorptionsfähige
Material ist poröses Papier, das vorzugsweise eine gute Beständigkeit gegen
alkalische Elektrolyte aufweist. Ferner ist ein Gasauslaß-Mechanismus in
einer Kappe vorgesehen, der aus Gasauslaßöffnungen in der zylindrischen
Seitenwand der Kappe besteht.
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Das Bodenabdichtelement ist so elastisch, daß es jeden übermäßigen Anstieg
des Innendrucks, der durch ein Aufblähen des Anodenmaterials verursacht wird,
aus der Zelle abführt und ebenso den bei anomalen Betriebsbedingungen
entstehenden
Wasserstoffgasdruck abführt. Durch einen derartigen Überdruck
verlagert sich der Körperteil des Bodenabdichtelements. Wird das Gas
unerwartet nach außen gedrückt und nimmt es dabei Elektrolyt in den
Zwischenraum zwischen Außen- und Innengehäuse mit, wird der Elektrolyt von dem
absorptionsfähigen Manschettenmaterial aufgenommen, und nur das Gas gelangt
durch den Zwischenraum zwischen der Oberseite des Innengehäuses und einem
schirmförmigen Teil der Kappe. Das Gas entweicht dann durch eine
Entlüftungsöffnung in der Kappe.
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Aus der US-A 2 934 584 ist eine alkalische Zelle bekannt, bei der das
Innengehäuse, die innere Dichtungspackung und die Schlitzplatte so angeordnet
sind, daß der Luftabschluß dadurch gewährleistet ist, daß die Schlitzplatte
die innere Dichtungspackung gegen das Innengehäuse drückt. Steigt der
Innendruck in der Zelle, wird die Packung verformt oder im geschlitzten Bereich,
wo sie nicht durch die dahinterliegende Schlitzplatte gestützt wird, nach
oben gedrückt, wodurch das Gas entweichen kann.
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Die Bauweise einer weiteren herkömmlichen Trockenzelle wird unter Bezugnahme
auf die Abbildungen 1 bis 3 beschrieben.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Trockenzelle allgemein einen Zinkbehälter z
auf, der folgendes enthält: ein Kathodengemisch m, einen Kohlenstoffstab c,
ein Trennpapier p, dessen eine Seite mit einer Pastenschicht versehen ist
usw., ein Kunstharzabdichtelement 2 zum Abdichten der Öffnung 1 des
Zinkbehälters z, eine wärmeschrumpfbare Kunstharzumhüllung 6, die den gesamten
Außenumfang des Zinkbehälters z bedeckt, einschließlich einer Bodenplatte 4
(Anode) an der Unterseite 3 des Zinkbehälters z, einer Dichtungspackung 5 und
eines Schulterabschnitts des Dichtelements 2, ein Dichtmaterial 7,
beispielsweise Pech oder ähnliches, das in einer Aussparung an der Oberseite des
Dichtelements 2 angebracht ist, und eine Dichtplatte 8a, die mit der Kappe 8
(Kathode) einstückig ausgebildet ist und auf dem Dichtelement 2 aufliegt. Die
ganze Trockenzelle ist über eine auf der Dichtplatte 8 aufliegende
Harzpakkung 9 und die Abdichtpackung 5 an der Unterseite der Trockenzelle von einem
Hüllbehälter aus Metall oder einen Metallmantel 10 (im folgenden als
Metallmantel
bezeichnet) umklammert, um die Trockenzelle luftdicht zu halten.
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Wird statt des Metallmantels mit-Doppelverschluß (Fig. 2(A)) oder des
Metallmantels mit Stoßfuge -(Fig. 3(B)) ein laserverschweißter Metallmantel (Fig.
2(B)) verwendet, kann dieser, da der laserverschweißte Bereich 22 eine um den
Wert α geringere Dicke hat als der Doppelverschlußbereich 21, eine Rohzelle
23' aufnehmen, die einen größeren Außendurchmesser hat als die Rohzelle 23
für den Metallmantel mit Doppelverschluß nach Fig. 2(A), weshalb die
Kapazität der Zelle entsprechend höher sein kann. Da der laserverschweißte
Metallmantel (Fig. 3(A)) in diametraler Richtung und insbesondere im
laserverschweißten Bereich 22 eine höhere Zugfestigkeit hat als der Metallmantel mit
Stoßfuge (Fig. 3(B)), gibt es hier auch bei übermäßiger Entladung keinen
Stoßfugenbereich 31 oder offenen Bereich w wie beim Metallmantel mit Stoßfuge
(Fig. 3(B)).
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Wird eine Trockenzelle mit laserverschweißtem Metallmantel (Fig. 2(B)) falsch
gehandhabt, indem sie beispielsweise zu stark geladen wird oder bei einer
Umgebungstemperatur von mehr als 85ºC verwendet wird usw., kann sich die
Trockenzelle bei einer Zunahme des Innendrucks infolge von Gasentwicklung in
der Zelle aufblähen. Das entstandene Gas tritt durch einen Spalt zwischen dem
Zinkbehälter z und dem Harzabdichtelement 2 hindurch und sammelt sich
zwischen dem Zinkbehälter z und der Kunstharzummantelung 6, wobei ein Teil des
Gases durch die Dichtungspackung 5 an der Unterseite des Zinkbehälters z
(Fig. 1) nach außen entweicht. Steigt der Innendruck in der Trockenzelle
rasch an, bewirkt die im Vergleich zur Zugfestigkeit des
Doppelverschlußmetallmantels (Fig. 2(A)) oder des Stoßfugen-Metallmantels (Fig. 3(B))
außerordentlich große diametrale Zugfestigkeit des laserverschweißten
Metallmantels (Fig. 2(B), Fig. 3(A)), daß sich die Trockenzelle in Richtung ihrer
Höhe ausdehnt, was zu Problemen führt, beispielsweise zum Herausdrücken der
Kappe 8, die mit der Dichtungsplatte 8a einstückig ist und an der Oberseite
angebracht ist, oder zum Verstreuen des Kathodengemischs m. Vor allem beim
Verstreuen des Kathodengemischs m können die Geräte, in denen die
Trockenzelle eingesetzt ist, stark beschädigt werden, wodurch es in einigen Fällen
zu unterschiedlichen Unfällen kommt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine
Trokkenzelle zur Verfügung zu stellen, die einen verbesserten
Gasauslaß-Mechanismus besitzt, wodurch die inhärenten Nachteile herkömmlicher Zellen weitgehend
beseitigt werden, die eine einfache Bauweise hat, zuverlässig funktioniert
und ohne weiteres im großen Maßstab zu geringen Kosten hergestellt werden
kann.
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Zur Lösung dieser Aufgaben weist die erfindungsgemäße Trockenzelle auf: eine
Rohzelle, die an ihrer Öffnung mit Dichtungsmaterial abgedichtet ist, eine an
einem ersten Teil der Rohzelle vorgesehene Bodenplatte, eine an einem zweiten
Teil der Rohzelle vorgesehene Kappe, einen Metallmantel, der den äußeren
Umfang der Rohzelle und den Umfangsteil der Bodenplatte bedeckt, und einen
Gasauslaß-Mechanismus, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte
deformierbar ist und eingespannt ist durch Falten der Unterkante des
Metallmantels nach innen, daß zwischen die Unterkante des Metallmantels und eine
Umfangskante der Bodenplatte eine Dichtungspackung eingesetzt ist, daß die
einander gegenüberliegenden Stoßkanten des Metallmantels miteinander mittels
Laser verschweißt sind und daß die Bodenplatte an ihrer Umfangskante mit
einem Gasauslaß-Mechanismus versehen ist, der aus mehr als einem Öffnungselement
in der Umfangskante der Bodenplatte besteht (H; V), welches von der
Dichtungspackung abgedeckt und normalerweise verschlossen wird und bei
Deformation der Bodenplatte durch eine Zunahme des Innendrucks der
Trockenzelle geöffnet wird, um Gas von innerhalb der Trockenzelle durch sie hindurch
nach außen abzulassen.
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Die Bauweise des Gasauslaß-Mechanismus und somit der gesamten
erfindungsgemäßen Trockenzelle ist sehr einfach. Dies wird dadurch erreicht, daß die
Bodenplatte verformbar ist und an ihrer Umfangskante mit einem Gasauslaß-
Mechanismus versehen ist, der normalerweise von der Dichtungspackung
verschlossen wird und im Falle der Verformung der Bodenplatte durch eine Zunahme
des Innendrucks der Trockenzelle freigegeben wird. Die Gasauslaß-Einrichtung
ist mit anderen Worten so gestaltet, daß sie bei normalem Gebrauch von der
Dichtungspackung bedeckt ist. Nimmt der Innendruck zu, wölbt sich die
verformbare Bodenplatte nach außen, wodurch der Luftabschluß zwischen
Bodenplatte, Dichtungspackung und Metallmantel verlorengeht und ein kleiner Spalt
entsteht, durch den das Gas unmittelbar nach außen entweicht. Erfindungsgemäß
kann der Gasauslaß nicht durch ein Aufblähen des Innengehäuses behindert
werden.
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Die erfindungsgemäße Trockenzelle ist aus Teilen zusammengesetzt, deren
Funktionenen das Betriebsverhalten der Zelle bei normalem Gebrauch nicht
beeinträchtigen, und die Anordnung der Teile von innen nach außen ist so, daß
zuerst der Zinkbehälter (Innengehäuse) kommt, dann die Bodenplatte mit dem
Gasauslaß-Mechanismus und dann die Dichtungspackung.
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Zur besseren Nutzung des Innenvolumens der erfindungsgemäßen Zelle mit dem
Ziel einer Verbesserung der Zellenkapazität wird außerdem der
laserverschweißte Metallmantel verwendet, wodurch der Außendurchmesser des
Zinkbehälters größer ist, so daß mehr reaktionsaktive Substanzen eingefüllt werden
können als bei herkömmlichen Trockenzellen. Beim laserverschweißten
Metallmantel wird ein Aufblähen der Zelle infolge einer Zunahme des Innendrucks
dadurch verhindert, daß die Schweißnaht an der Stoßfuge ausgeführt wird. Bei
einer Zunahme des Innendrucks durch Gasbildung bläht sich die Zelle jedoch in
Richtung der Pluspol- und der Minuspolplatte auf. Deshalb ist die
erfindungsgemäße Trockenzelle mit der Gasauslaßeinrichtung an der Bodenplatte versehen
worden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die genannten und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der bevorzugten
Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich; es zeigen:
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Fig. 1 eine Seitenansicht - teilweise im Schnitt - einer typischen,
herkömmlich verwendeten Trockenzelle (bereits erwähnt);
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Fig. 2(A) und 2(B)
einen schematischen Querschnitt einer Trockenzelle mit Doppel
verschluß-Metallmantel und einer Trockenzelle mit laserverschweißtem
Metallmantel zur Herausstellung des Unterschieds des
Außendurchmessers der darin enthaltenen Rohzellen (bereits erwähnt);
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Fig. 3(A) und 3(B)
ebenfalls schematische Querschnitte einer Trockenzelle mit
laserverschweißtem Metallmantel und einer Trockenzelle mit
Stoßfugen-Metallmantel zur Darstellung des jeweiligen Verhaltens bei einer
übermäßigen Entladung der Zellen (bereits erwähnt);
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Fig. 4 eine Draufsicht der Bodenplatte mit Gasauslaßöffnungen im
Umfangsbereich für eine Trockenzelle (Fig. 5 und 6) gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 5 eine teilweise Seitenansicht - teilweise im Schnitt - des unteren
Abschnitts einer Trockenzelle mit der Bodenplatte von Fig. 4 gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 5, die speziell den Zustand der
Verformung der Bodenplatte nach Gasentwicklung infolge einer
unerwünschten Ladung der Trockenzelle zeigt;
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Fig. 7 eine Draufsicht einer Bodenplatte mit Gasauslaßkerben im
Umfangsbereich für eine Trockenzelle gemäß einer Abwandlung der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 8 eine teilweise Seitenansicht - teilweise im Schnittbild - des unteren
Teils einer Trockenzelle mit der Bodenplatte von Fig. 7 gemäß der
Abwandlung der vorliegenden Erfindung, und
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fig. 9 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 8, die speziell den Zustand der
Verformung der Bodenplatte nach einer Gasentwicklung infolge einer
unerwünschten Ladung der Trockenzelle zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Eingangs sei darauf hingewiesen, daß in den beigefügten Zeichnungen gleiche
Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Zunächst wird darauf hingewiesen, daß aus Gründen der Vereinfachung bei den
Fig. 5, 6, 8 und 9 nur der untere Bereich der Trockenzellen mit dem die
Erfindung unmittelbar betreffenden Gasauslaß-Mechanismus dargestellt ist, da
der obere Bereich der Trockenzellen im allgemeinen gleich gebaut ist wie bei
der herkömmlichen Trockenzelle nach Fig. 1, wobei gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform B1 der erfindungsgemäßen
Trokkenzelle, die aufweist: eine an ihrer Öffnung 1 (Fig. 1) mit Abdichtmaterial
2 (Fig. 1) abgedichtete Rohzelle, eine am unteren Teil der Rohzelle
vogesehene Bodenplatte 4A, eine am oberen Teil der Rohzelle vorgesehene Kappe 8 (Fig.
1), einen Metallmantel 10, der den Außenumfang der Rohzelle umschließt bzw.
umklammert und dessen Stoßkanten 22 (Fig. 2(B)) miteinander mittels Laser
verschweißt worden sind, sowie eine Dichtungspackung 5 zwischen der
Unterkante des Metallmantels 10 und der Umfangskante der Bodenplatte 4A, und die
gekennzeichnet ist durch einen Gasauslaß-Mechanismus in der Umfangskante der
Bodenplatte 4A, der normalerweise von der Dichtungspackung 5 verschlossen ist
und bei einer Verformung durch eine Zunahme des Innendrucks der Trockenzelle
freigegeben wird, um Gas aus der Trockenzelle austreten zu lassen.
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Wie in Fig. 4 gezeigt, ist die Bodenplatte 4A mit mehreren Gasauslaßlöchern
H versehen, die in der Umfangskante 4Af der Bodenplatte 4A ausgebildet sind.
Genauer gesagt sind mehrere Gasauslaßöffnungen H, die jeweils einen
Durchmesser von 1 mm haben, im Abstand von je 1,6 mm zur Umfangskante und in
gleichen Abständen zueinander angebracht, so daß sie von unten durch die
Dichtungspackung 5 verschlossen werden. Die Ausgestaltung der Öffnungen H
kann modifiziert werden, beispielsweise können sie nicht nur rund, sondern
auch länglich sein, und die Größe der Öffnungen H kann ebenfalls je nach
Wunsch gewählt werden.
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Wie in Fig. 5 zu sehen, sind die Gasauslaßöffnungen H in der Umfangskante 4Af
der Bodenplatte 4A größenmäßig so gewählt und der Lage nach so angebracht,
daß sie von der Dichtungspackung 5 an der Unterseite abgedeckt werden, und
die Bodenplatte 4A wird dadurch fixiert, daß die Unterkante des Metallmantels
10 in herkömmlicher Art nach innen gefaltet wird. In diesem Fall sollte die
Unterkante des Metallmantels 19 so nach innen gefaltet werden, daß sie die
Gasauslaßlöcher H überdeckt, was von Vorteil für einen effektiven Verschluß
der Gasauslaßlöcher H während des normalen Gebrauchs ist, so daß die
Auslaufsicherheit durch einen ausreichenden Flüssigkeits- und Luftabschluß
gewährleistet ist.
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Durch die beschriebene Bauweise werden die Anschlußklemmen (nicht abgebildet)
auf der Ladeseite normalerweise polrichtig an die Klemmen der Trockenzelle B1
angeschlossen, so daß die Trockenzelle vor unerwünschtem Laden usw. geschützt
ist. Durch verschiedene Ursachen jedoch kann sich die Trockenzelle, wenn sie
falsch behandelt wird, beispielsweise beim Laden, infolge von Gasentwicklung
in der Trockenzelle aufblähen, wobei sich die Bodenplatte 4A nach außen wölbt
und sich, wie am Punkt D in Fig. 6 gezeigt, verformt und zwischen der
Bodenplatte 4A und der Dichtungspackung 5 ein schmaler Spalt entsteht, durch den
das Gas aus der Trockenzelle B1 auf dem durch Pfeile markierten Weg nach
außen entweicht.
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Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4
bis 6 beschriebenen Bodenplatte 4A.
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Bei der abgewandelten Bodenplatte 4B nach Fig. 7 sind die Gasauslaßlöcher H,
die als in der Umfangskante 4Af der Bodenplatte 4A ausgebildet beschrieben
worden sind, durch vier Gasauslaßkerben V ersetzt, die in gleichen Abständen
in die Außenlinie der Umfangskante 4Bf der Bodenplatte 4B eingearbeitet sind.
Jede der V-förmigen Einkerbungen V hat zwei Seiten, die einen Winkel von 60º
einschließen und, wie gezeigt, jeweils 1,5 mm lang sind. Die Einkerbungen V
können nicht wie beschrieben nur V-förmig sein, sondern auch U-förmig, und
ihre Größe kann ebenfalls wie gewünscht geändert werden.
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Fig. 8 zeigt eine Trockenzelle B2, bei der die Bodenplatte 4A der
Trockenzelle B1 von Fig. 4 bis 6 durch die abgewandelte Bodenplatte 4B nach Fig. 7
ersetzt ist.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 8 sollten auch die Positionen der Einkerbungen
V der Bodenplatte 4B, der Dichtungspackung 5 und des Metallmantels 10
zueinander vorzugsweise ähnlich sein wie bei der mit Gasauslaßlöchern H versehenen
Bodenplatte 4A gemäß Fig. 4 bis 6.
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Auch in diesem Fall verformt sich durch ein Aufblähen der Trockenzelle
infolge von Gasentwicklung durch falschen Gebrauch, beispielsweise
unerwünschtes Laden usw., die Bodenplatte 4B, wie im Punkt D dargestellt, und das
Gas entweicht auf dem in Fig. 9 durch Pfeile angezeigten Weg nach außen.
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Tabelle 1 gibt eine Gegenüberstellung für das Verstreuen von Kathodengemisch
infolge eines Platzens von Trockenzellen mit oder ohne Gasauslaß-Mechanismus
in der Bodenplatte.
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Jede der für die Versuche nach Tabelle 1 verwendeten Trockenzellen wurde in
üblicher Weise vorbereitet, indem ein Zinkbehälter durch ein Trennpapier,
dessen eine Seite mit einer Pastenschicht bedeckt war, mit einem
Kathodengemisch gefüllt wurde, welches hergestellt wurde durch Mischen von 20
Gewichtsteilen Acetylenruß, 83 Gewichtsteilen hauptsächlich aus Zinkchlorid
bestehendem Elektrolyt und einem Gewichtsteil Zinkchlorid auf 100 Gewichtsteile
Mangandioxid.
Tabelle 1
Ladestrom/Ladedauer Art der Bodenplatte ohne Gasauslaß-Mechanismus mit Gasauslaßlöchern mit Gasauslaßkerben
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Wie aus Tabelle 1 zu ersehen ist, wird das Gas bei den Trockenzellen mit dem
erfindungsgemäßen Gasauslaß-Mechanismus selbst bei einer Erhöhung des
Innendrucks der Trockenzelle durch falsche Handhabung, wie beispielsweise
kurzzeitiges Laden mit hoher Stromstärke oder Langzeitladen mit geringer
Stromstärke, durch den Gasauslaß-Mechanismus nach außen abgelassen, ohne daß es
zum Platzen der Zelle kommt, selbst wenn sie sich in Längsrichtung aufbläht;
somit wurde auch kein Verstreuen des Kathodengemischs beobachtet.
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Wie aus obiger Beschreibung klargeworden ist, wird für die erfindungsgemäße
Trockenzelle ein laserverschweißter Metallmantel verwendet, und sie besitzt
in der Umfangskante der Bodenplatte einen Gasauslaß-Mechanismus, so daß auch
dann, wenn die Trockenzelle sich infolge einer Gasentwicklung durch falschen
Gebrauch der Trockenzelle, wie beispielsweise unerwünschtes Laden usw.,
aufbläht und sich an der Bodenplatte verformt, das Gas durch den Gasauslaß-
Mechanismus in der Bodenplatte rasch nach außen gelangt und somit das
Verstreuen von Kathodenmaterial in vorteilhafter Weise verhindert werden kann.