FR2478881A1 - Pile metal-air a commande de debit d'air permettant la production intermittente d'un courant intense - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE PILE METAL-AIR A COMMANDE DE DEBIT D'AIR PERMETTANT LA PRODUCTION INTERMITTENTE D'UN COURANT INTENSE. LA PILE, DISPOSEE DANS UN CONTENEUR 3, PRODUIT UN DEBIT DE COURANT DETERMINE PAR LE DEBIT D'AIR ARRIVANT A LA CATHODE. ELLE COMPREND UNE CHAMBRE 8, 9 LIMITEE PAR UN RECEPTACLE DE CATHODE 3A DOTE D'ORIFICES 14 D'ADMISSION D'AIR, UNE BARRIERE 13 FAITE D'UNE MEMBRANE PERMEABLE AU GAZ, ET UN MOYEN D'OBTURATION 17 RELIE AU RECEPTACLE DE CATHODE ET POUVANT ETRE OUVERT PAR APPLICATION D'UNE FORCE EXTERNE SUR LE RECEPTACLE POUR AMENER DE L'AIR A LA CATHODE 6 A UN DEBIT CORRESPONDANT A UN COURANT FORT. APPLICATION AUX MONTRES-BRACELETS.

Description

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La présente invention concerne les piles air-métal conçues pour fonctionner à faible courant auxquelles il est

demandé par intermittence de fournir un fort courant. Plus parti-

culièrement, l'invention se rapporte à une pile zinc-air perfec-

tionnée qui est normalement utilisée, dans une montre-bracelet, en liaison électrique avec le circuit de la montre et qui alimente en outre, de façon intermittente, des dispositifs accessoires, se trouvant à l'intérieur de la montre, comme par exemple une lampe

à incandescence demandant un courant plus élevé.

Les piles air-métal sont bien connues dans la technique, et elles comprennent généralement une anode métallique consommable, une cathode non consormmable de consommation d'oxygène catalytique, et un électrolyte approprié. Les principes de fonctionnement de ces piles sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3.41.9.900 et n 3.553,024. Bien que ces brevets illustrent le cas de piles ou de groupes de piles à combustible comportant des anodes remplaçables, les piles air-métal ont été plus commodément et récemment fabriquées sous forme de piles miniaturisées du type bouton destinées aux appareils pour sourds et â des appareils analogues. IL pile zinc-air de type bouton comporte généralement les éléments suivants: 1. Un boîtier de cathode qui comporte au moins une ouverture permettant l'entrée d'air et qui contient une structure de cathode à air non consommable comprenant ordinairement une pellicule de polymère hydrophobe perméable au gaz sur laquelle est appliquée une grille métallique de recueil de courant et un matériau catalyseur poreux, étanche à l'eau tel que du charbon

actif catalyse par un métal et mélangé avec un liant hydrophobe.

Bien qu'il! s'agisse en fait d'un élément indépendant de la pile, une ou plusieurs couches séparatrices d'absorption d'électrolyte sont placées sur la couche de catalyseur de la structure de cathode afin de séparer celle-ci de l'anode, 2. Un bocitier d'anode qui est réuni au bottier de cathode ordinairement par sertissage et qui comporte une masse anodique de zinc typiquement sous forme de poudre de zinc amalgamée (contenant par exemple un pourcentage pondéral de 3 à 8% de mercure)

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ou une masse compacifiée de zinc poreuse, saturés au moyen d'un électrolyte alcalin tel qu'une solution aqueuse de potasse de 30

à 407%.

3. Un isolant en polyéthylène, polypropylène, Nylon, etc. placé entre le bottier de cathode et le bottier d'anode et

faisant également fonction, dans de nombreux cas, de joint d'étan-

chéité d'électrolyte.

L'ajustement de l'admission d'air à l'électrode de consommation d'air est réalisé au moyen de petits trous formés dans le conteneur de la pile, comme cela est illustré dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3.897. 265. De telles piles peuvent commodément fournir un courant relativement élevé, par exemple un courant de 10 milliampères pouvant ttre utilisé dans les appareils pour sourds. On a ensuite mis au point des piles zinc- air à faible débit de courant et longue durée d'utilisation, comme il en est besoin dans les montres-bracelets électriques, par l'adjonction.d'une membrane spéciale permettant de commander

l'admission d'oxygène jusqu'au catalyseur de consommation d'air.

Un exemple typique est révélé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4.105.830 et est perméable à l'oxygene. Une autre approche est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4.118.544 et fait appel à de très petits pores ou passages

formés dans une barrière associée à la cathode.

Dans toutes les structures présentées ci-dessus, le moyen permettant de commander l'admission doxygène à la cathode est adapté à une application spécifique ou à une gamme de débits de courant susceptible d'être demandée à la pile. Les structures précédentes ne permettent pas d'utiliser la pile sur une base double, à la fois pour fournir un courant faible et un courant

fort.

Dans une montre-bracelet à piie, qu'elle soit du type numérique ou du type analogique (à aiguilles entraînées par un moteur), la montre est conçue de façon à ne demander qu'un très

faible courant à la pile, laquelle peut ainsi durer un an ou plus.

Ces montres consomment en outre des couraeîts élevés par intermit-

tence lorsqu'il s'agit de faire fonctionner une lampe à incandes-

cence miniature, une sonnerie ou un -dispositif analogue. Il serait 2 4788-t 1

souhaitable qu'une pile zinc-air puisse remplir ces deux fonc-

tions, à savoir fournir un courant faible et, par intermittence,

un courant élevé.

Par conséquent, un but de l'invention est de proposer une pile air-métal perfectionnée pouvant à la fois fonctionner

en courant fort et en courant faible.

Un autre but de l'invention est de proposer une pile zinc-air perfectionnée pouvant commodément être utilisée dans une

montre-bracelet à pile.

Un autre but de l'invention est de proposer une struc-

ture de montre perfectionnée utilisant cette pile air-métal perfec-

tionnée. En bref, l'invention propose une pile air-métal comportant une barrière limitant le débit d'oxygène arrivant à la cathode et possédant un moyen d'obturation sélectivement actionnable qui permet de contourner la barrière et d'admettre un plus grand débit d'oxygène à la cathode. Dans le mode de réalisation préféré, le moyen d'obturation est actionné par un moyen de commutation électrique fermant un circuit qui nécessite

une plus grande consommation de courant.

La description suivante, conçuesà titre d'illustration

de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - - la figure la est une vue en élévation et en coupe simplifiée d'une pile zinc-air du type bouton constituant un mode de réalisation de l'invention, l'obturateur étant fermé;

- la figure lb est une vue identiquemontrant l'obtura-

teur ouvert; - la figure 2 est un schéma de circuit; - la figure 3 est une vue en élévation et en coupe simplifiée d'une montre-bracelet à pile illustrant une application préférée de l'invention; et - la figure 4 est une vue en élévation et en coupe

partielle d'un autre type de structure de montre-bracelet.

Sur la figure 1, est présentée en coupe une pile zinc-air de type bouton. Parmi les éléments classiques de la pile, on trouve une anode 1 en zinc compacifié ou en poudre de zinc amalgamée disposée dans un réceptacle 2 pour anode, un réceptacle 3 inférieur complémentaire pour cathode possédant une paroi circu- laire 3a et des parois latérales cylindriques 3b qui sont serties sur le réceptacle 2 et hermétiquement fermées à l'aide d'un élément d'écartement isolant 4 du type rondelle de caoutchouc. Cette rondelle comporte également une encoche annulaire 4a qui reçoit les parois verticales du réceptacle 2 de l'anode. Un séparateur 5 à plusieurs couches peut âtre constitué d'un matériau cellulosique fibreux contenant une solution aqueuse de potasse. La cathode 6 peut être constituée d'une couche de catalyseur revêtue par un polymère hydrophobe comme le polytétrafluoroéthylène ou mélangée avec celui-ci. La cathode 6 est portée par une toile métallique 16 de manière à âtre en contact électrique avec elle, cette toile faisant également contact électrique avec le réceptacle 3 de la cathode. Les matériaux et structures présentés ci-dessus ne sont donnés qu'à titre illustratif et ne visent pas à limiter le type des matériaux et des structures pouvant être utilisé avec l'invention. Il s'agit plutôt d'une illustration typique de pile air- métal. Selon l'invention, une barrière 7 en matière plastique perforée sépare la chambre existant entre la cathode 6 et le fond

3a du réceptacle, en deux chambres 8 et 9 de réception d'air.

L'élément perforé 7 sert de support à une membrane 13 perméable à l'air et comporte plusieurs passages 10 d'écoulement d'air, dont la dimension est sans importance particulière pour

l'invention. L'élément de support.perforé 7 comporte une ouver-

ture centrale 11 entourée par une partie non perforée 12.

La membrane 13 perméable à l'air est disposée du côté cathode de l'élément de support perforé 7 de façon à recouvrir les perforations 10 et à commander le débit d'oxygène de la chambre 9 à la chambre 8. On choisit la membrane perméable > l'air selon des critères bien connus dans la technique pour obtenir le

débit voulu d'oxygène de la chambre 9 à la cathode 6 de consomma-

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tion d'oxygène intervenant dans la réaction de la pile, de manière à commander le courant limite qui peut être tiré de la pile pour sa tension nominale. Des matériaux typiques permettant de réaliser la membrane 13 perméable à l'air sont les matériaux microporeux tels que le polyéthylêne de haute densité ou le polytétrafluoro- éthylène non fritté. Le type précis de membrane perméable à l'air ne concerne pas spécialement l'invention et on le choisit de façon à obtenir une consommation limite de courant en rapport avec l'application visée. Dans le cas d'une montrebracelet celle-ci

doit Etre de l'ordre de 7 microampères.

Selon l'invention, le fond 3a du réceptacle 3 de cathode comporte des orifices de délivrance 14 qui font entrer l'air ambiant dans la chambre 9. Le fond 3a est conçu de façon à légèrement bomber vers l'extérieur, si bien qu'une force externe, appliquée suivant la flèche 15, amène le fond du réceptacle à se déplacer vers l'intérieur, par effet de "bidon d'huile", et à prendre la position écartée qui est présentée sur la figure lb. Sur le fond 3a du réceptacle, est fixé un élément obturateur 17. Lorsque le fond du réceptacle 3a se trouve dans sa position normale, l'élément obturateur 17 ferme l'ouverture centrale 11 Toutefois, lorsqu'une pression externe est appliquée, l'élément obturateur s'ouvre et autorise le passage d'un plus grand débit d'air de la chambre 9 à la chambre 8, comme cela est présenté sur la figure lb. Dans cette situation, le débit d'air ambiant arrivant à la cathode est commandé par l'aire des orifices 14 et non plus par la membrane 18 perméable à l'air. On choisit la taille des orifices 14 de manière que le débit limite de courant pour la tension nominale soit approprié au dispositif consommateur de

fort courant que la pile doit faire fonctionner.

La manière dont la pile fonctionne apparaît maintenant clairement, En fonctionnement normal, le débit d'air (oxygène) admis au niveau de la cathode 6 est commandé par la membrane 13 et est approprié à l'utilisation d'un courant faibie, Pour permets tre la consommation intermittente d'un courant fort, une force externe 15 ouvre l'obturateur 17 et le débit plus élevé d'air

(oxygène) est commandé par les orifices i4.

Sur la figure 2, est illustrée l'application d'une

semblable pile zinc-air à une montre-bracelet numérique. L'appli-

cation de la force externe est associée à la fermeture d'un circuit

par un moyen de commutation, lequel connecte la pile à un dispo-

sitif consommateur d'un fort courant, par exemple une lampe à incandescence d'éclairage par l'arrière destinée à permettre la

visualisation du cadran de la montre-bracelet électronique à semi-

conducteurs. La figure 2 présente un circuit électrique simplifié dans lequel une pile 20 est connectée en parallèle avec une charge 21, relative à la mesure du temps et à l'affichage, de la montre et une ampoule à incandescence 22 d'éclairage par l'arrière. Le circuit 21 est un dispositif à faible consommation de courant qui peut comporter un circuit intégré de type CMOS connecté en permanence à la pile 20. Des commutateurs de réglage 23 peuvent être actionnés manuellement pour permettre la réalisation de certaines fonctions, telles que la fixation de l'heure, du jour, etc. La lampe à incandesence 22 est un dispositif consommant un fort courant et peut être sélectivement connectée à la pile par

l'intermédiaire d'un moyen de commutation 24. Le moyen de comnmu-

tation 24 est également conçu pour enercer une pression matérielle sur la pile lorsque l'interrupteur a été fermé, comme cela est indiqué par la flèche 25 en trait pointillé. Ainsi, la manoeuvre du moyen de commutation 24 a pour effets simultanés de connecter le dispositif 22 consommateur d'un fort courant et de placer la pile 20 dans le mode de production d'un fort courant en autorisant

l'arrivée d'un débit supplémentaire d'oxygène à la cathode.

Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe de montres

électroniques à semi-conducteurs constituant des modes de réali-

sation de l'invention. Sur la figure 3, une boite de montre

conductrice 30, un fond 31 de botte de montre et un verre transpa-

rent 32 enferment un module de montre contenant un dispositif

d'affichage 33 à cristaux liquides, un élément diffusant transpa-

rent 34 d'éclairage par l'arrière, un circuit intégré 35 et une lampe à incandescence 22 d'éclairage par l'arrière. Le circuit intégré 35 est connecté à la pile zinc-air 36 de l'invention par des conducteurs appropriés (non représentés). Un élément 37 de

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type bouton-poussoir, qui est électriquement connecté à la boite de montre 30, est conçu pour pousser contre un élément 38 en forme de ressort courbe, lequel est isolé de la pile par une

bande de matériau isolant 39. Des bandes conductrices de l'élec-

tricité 40 et 41 servent à fermer le circuit. Lorsqu'on actionne le bouton-poussoir 37, celui-ci ferme le circuit électrique de la lampe à incandescence 22 et agit également sur le ressort 38 de manière à comprimer matériellement la pile 36, en ouvrant donc

l'obturateur interne et en placant la pile dans le mode de pro-

duction d'un courant fort destiné au dispositif 22 consommateur de fort courant. L'ampoule à incandescence d'éclairage par l'arrière éclaire le dispositif d'affichage 33 par l'intermédiaire de

l'élément diffusant 34.

La figure 4 présente une autre conception du bouton-

poussoir. Dans ce cas, la pile 36 est directement mise en contact avec un conducteur souple 45 qui est lui-même relié à la masse de la boite de montre. Un bouton-poussoir 46 également mis à la masse connecte, lorsqu'il est manoeuvré, le circuit électrique par l'intermédiaire de conducteurs 47 et 48. Le bouton-poussoir manoeuvre aussi un élément 49 en forme de coin isolé qui amène

le conducteur souple 45 à appuyer contre la pile 36.

Il vient donc d'être décrit une pile zinc-air perfec-

tionnée pouvant répondre à une demande intermittente de courant élevé, cette pile étant principalement destinée à alimenter un dispositif consommateur d'un faible courant monté en parallèle,

par exemple une montre-bracelet à semi-conducteurs.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure

d'imaginer, à partir de la pile dont la description vient d'être

donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.

R E V E N D I C ATI O N S

1. Pile air-métal du type possédant une cathode (6)

de consommation d'air catalytique qui est disposée dans un conte-

neur (3) et qui offre une capacité de débit de courant déterminée par le débit d'air admis à la cathode, la pile étant caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre (8, 9) connectée de façon à faire parvenir de l'air ambiant au conteneur, une barrière (7, 13)

limitant le débit d'air allant de la chambre à la cathode en corres-

pondance avec un débit de courant faible choisi à l'avance pour la pile, et un moyen d'obturation (11, 17) conçu pour être actionné par

une force externe à la pile afin de contourner la barrière et de per-

mettre un débit d'air arrivant à la cathode qui correspond à un débit

de courant élevé choisi à l'avance pour la pile.

2. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est du type bouton et possède un Réceptacle de cathode définissant une partie de ladite chambre, le moyen d'obturation

étant disposé dans cette chambre.

3. Pile selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen d'obturation est conçu pour être actionné par une force

exercée contre le réceptacle de cathode.

4. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce que la barrière est une membrane (13) perméable au gaz portée par un élément perforé (7) divisant ladite chambre en deux chambres

plus petites (8 et 9).

5. Pile selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moyen d'obturation (11, 17) comprend un élément obturateur (17) disposé dans une ouverture (11) formée dans l'élément perforé

et relié à une partie du conteneur.

6. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce

que le conteneur comporte une partie en farme de bulbe (3a) fonc-

tionnellement reliée au moyen d'obturation et conçue pour

s'incurver et ouvrir ledit obturateur par un effet dit ée "i&i.

d'huile" lorsqu'une force externe est appliquée.

7. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle conmporte un moyen de commnutation électrique (37, 38, 40) fonctionnement relié de manière à ouvrir le moyen d'obturation

lorsqu'il est actionné.

8. Pile selon la revendication 7, caractérisée en ce que le conteneur comporte une partie en forme de bulbe (3a) reliée au moyen d'obturation et en ce que le moyen de commutation appuie

contre la partie en forme de bulbe afin d'ouvrir le moyen d'obtu-

ration a;-ec un effet dit de "'bidon d'huile".

9o Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une montre électrique (21) consommant un faible courant: fourni par la pile, la montre possédant un bouton-poussoir (24) conçu pour fermer una circuit afin de faire fonctionner un dispositif (22) de la montre consommant un courant fort qui est également fourni par la pile, le bouton-poussoir étant destiné à

exercer une force sur le conteneur de la pile.

I0o. Pile air-métal en forme de bouton, du type possédant une cathode (6) de consommation d'air catalytique disposée dans un conteneur (3) qui cormporte un réceptacle de cathode, la pile produisant un débit de courant qui est déterminé par le débit d'air arrivant à la cathode, la pile étant caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre (8, 9) définie dans le réceptacle de cathode, celui-ci comportant des orifices (14) d'admission d'air à la chambre, une barrière (7, 13) limitant le débit d'air

à la cathode de façon qua la pile délivre un courant faible pré-

sélectionné, la barrir e comportant un élément perforé (7) supportant une membrane (13) perméable au gaz, et un moyen d'obturation (11, 17) possédant un élément obturateur (17) dans le réceptacle de cathode et conçu pour faire passer l'air au travers de la barrière afin d'amener de l'air à la cathode pour permettre à la pile de fournir un courant fort présélectionné, l'obturateur étant relié au réceptacle de cathode afin de pouvoir

Atre actionné par l'exercice d'une force externe sur le réceptacle.