JP2002532862A - 再密閉可能なセプタムを使用した空気電池のための空気管理システム - Google Patents
再密閉可能なセプタムを使用した空気電池のための空気管理システムInfo
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Abstract
Description
する主題を含んでいるとともに、本願と同時に出願されたものである。「CYL
INDRICAL METAL−AIR BATTERY WITH A CY
LINDRICAL PERIPHERAL AIR CATHODE(シリン
ダ状の周辺空気陰極を有するシリンダ状空気電池)」(代理人整理番号0144
6−0805)、「AIR MANAGER SYSTEM FOR META
L−AIR BATTERIES UTILIZING A DIAPHRAG
M OR BELLOWS(ダイヤフラムまたはベローズを使用した空気電池の
ための空気管理システム)」(代理人整理番号01446−0890)、「AI
RMOVER SYSTEMS FOR METAL−AIR BATTERY
UTILIZING A VARIABLE VOLUME ENCLOSU
RE(容量可変封入体を使用した空気電池のためのエアムーバー)」(代理人整
理番号01446−1110)、「DIFFUSION CONTROLLED
AIR VENT WITH AN INTERIOR FAN(内部ファン
を有する拡散制御された通気孔)」(代理人整理番号01446−0940)、
「UNIFORM SHELL FOR A METAL−AIR BATTE
RY(空気電池のための均一シェル)」(代理人整理番号01446−1100
)、「LOAD RESPONSIVE AIR DOOR FOR A ME
TAL−AIR CELL(空気セルのための負荷応答空気ドア)」(代理人整
理番号01446−1130)、「GEOMETRY CHANGE DIFF
USION TUBE FOR METAL−AIR BATTERIES(空
気電池のための幾何学的構成変化拡散管)」(代理人整理番号01446−10
00)、および「AIR DELIVERY SYSTEM WITH VOL
UME−CHANGEABLE PLENUM OF METAL−AIR B
ATTERY(空気電池の容量可変充填空間を有する空気給排システム)」(代
理人整理番号01446−0910)。
る。
陰極とを含む。亜鉛空気セルのような空気セルの放電中、外気からの酸素が酸素
電極で水酸化物に変換され、水酸化物により亜鉛が陽極で酸化され、水および電
子が電離されて電気エネルギーが供給される。陰極は、金属や金属合成物等の重
い材料とは異なり、電気化学反応における反応物質として外気からの酸素を利用
するため、空気電池は比較的高いエネルギー密度を有している。十分な量の出力
電力を供給するために、空気電池セルは、しばしば、共通のハウジンング内にあ
る複数のセルパック内に配置されている。その結果、比較的軽量な電池となる。
になる。一般に、空気管理システムは、反応空気を供給するとともに、セルが休
止している時に空気陰極を隔離するために使用される。所望の出力電力を得るこ
とができる十分な割合で酸素を供給するために、いくつかの従来のシステムは、
空気陰極を外気に対して広く開放しており、あるいは、開口から新しい外気の流
れを空気陰極にわたって一掃するファンを使用している。外気中の蒸気や酸素は
、ある状況下で、セルのフラッディングや乾燥あるいは放電を引き起こして、セ
ルの効率や寿命を低下させてしまうため、一般に、オープンエア陰極もしくは開
口は、不使用中において、シールテープ、プラグ、機械的なドアなどによって密
閉される。米国特許第5,691,074号に示されるように、拡散制御開口が
空気管理装置に適用された。しかしながら、長い有効期限のために、時として、
さらに厳格な隔離が望まれる場合もある。シールテープ等の上述の密閉システム
は、一般に使い捨てできるように形成されており、開口を再び密閉するためには
、新しいテープ等の新たなシール手段を必要とする。通常、機械的なドアは耐久
力があり、これにより開口を複数回開閉することができる。一般に、電池がその
電力を消失した後であっても再利用できるドア機構を、使い捨て可能な電池本体
が有するように、ドアは電池ハウジングケース上に位置決めされている。しかし
ながら、そのような機構は、高価な移動部品を必要とし、また、漏れる傾向にあ
る。
用可能で実用的な密閉システムが必要である。このようなシステムは、簡単で、
かつ電池寿命中に繰り返し動作する必要があるとともに、コストを低減して環境
を保護するために、使い捨て部品を最小にする必要がある。これらの目的に沿っ
て、セルの使用寿命が尽きた時でさえも空気管理装置を処分しなくて済むことが
有益である。電池が使い捨て可能部品と再利用可能部品とに分離できれば、これ
ら2つの部品を接続する簡単で信頼性のある係合手段が必要となる。
有効期限が長い空気セル、もしくは電池のための改良された通気システムおよび
改良された通気方法を提供することである。
つの空気通路セグメントと、セプタムに刺入される中空ニードルとを有する空気
電源システムによって達成される。したがって、本発明は、少なくとも1つの空
気セルと、少なくとも1つの自己密閉可能なセプタムと、1つまたはそれ以上の
中空ニードルとを封入するハウジングすなわちケースを有する空気電池のための
通気システムを提供する。ケースは、自己密閉可能なセプタムによってカバーさ
れ、かつ反応ガス源すなわち外気から密閉される少なくとも1つの開口を有して
いる。すなわち、セプタムは、空気通路を2つのセグメントに分割する。セルの
空気陰極からの第1のセグメントは、ケース内に封入されてセプタムで終端して
いる。外気に向かう第2のセグメントは、中空ニードルの管状通路を含んでいる
。ニードルがセプタムに刺入されると、2つのセグメントが接続され、空気通路
によって反応ガス、例えば酸素が外気から空気陰極へと流れる。
有する空気電池のためのマルチモード通気システムを提供する。少なくとも1つ
の空気移動デバイスが第2のセグメントに配置され、これによって、空気移動デ
バイスは、十分な空気流量を供給して、必要な電力を得ることができる。開口が
好ましいサイズである場合、空気移動デバイスが作動していない時に、不使用状
態のために、セルの漏れ電流を低下させても良い。また、好ましいサイズの開口
は、外気と水蒸気との置換によるセルのフラッディングもしくは乾燥を防止する
。すなわち、ローモードは保管のためのものであり、ミドルモードは不使用のた
めのものであり、ハイモードは空気移動デバイスを作動させて電力を供給するた
めのものである。
、1つまたはそれ以上の中空ニードルを備えた空気管理装置とを有する電源シス
テムを提供する。セルパックは、初期の電力を維持するために単独で保管されて
も良い。電源が必要な場合、空気管理装置はセルパックと係合する。本発明は、
さらに、空気管理装置を備えた電気デバイスと、自己密閉可能なセプタムを備え
た使い捨て可能なセルパックとを提供する。消費者が使い捨て可能なセルパック
を買うだけで済むように、空気管理装置は電気デバイス内に組み合わせられてい
る。
ハウジング内に1つまたはそれ以上の空気セルを含むセルパックを提供する。
を提供する。通気システムは、1つまたはそれ以上の中空ニードルと、少なくと
も1つの空気移動デバイス、すなわちファンと、吸気口および排気口としての1
つまたはそれ以上の開口とを有している。
の以下の好ましい実施形態の説明を参照すれば、明らかとなろう。
一の参照符号が付されているが、そのうち、図1、2および3は、本発明の一実
施形態を示している。この実施形態は、電力を供給し、かつファンが無くても十
分な酸素を供給して電力を形成できるセルの連続的な動作に適している。空気電
池は、セルケース12内に封入された複数のセル10を含む。本発明は第1およ
び第2の空気セルに適用されているため、第1の実施形態およびそれ以降の実施
形態のセルは、既に開示した既知のものに類似している。第1の空気セルに適し
た構成要素は、米国特許第5,721,065号に記載されている。また、第2
のセルは、米国特許第5,569,551号に記載されているような本発明を具
体化するエアムーバーとともに、あるいはエアムーバー無しで使用することがで
きる。全てのタイプの空気セルは、本発明の使用によって、利益を得ることがで
きる。図面は、説明のために強調されている。亜鉛空気電池に本発明を使用した
例が開示されているが、本発明は、他のタイプの空気電池セルに適用可能である
ことは言うまでもない。本発明は、第1の電池または第2の電池とともに使用で
きる。
セプタム16によってカバーされる開口14を形成している。一般に、セル10
は、反応空気充填空間18がセル10の下側に配置されるように設けられる。一
般に、空気充填空間18は、セル10の空気陰極に向かう空気通路を形成する。
セプタム16は、ケース12の下部に貼り付けられ、開口14で空気通路を終端
させる。セルパック20は、セル10と、充填空間18と、ケース12と、セプ
タム16とを含む。セルパック20は通気孔を全く有していない。中空のニード
ル22は、セプタム16に刺入されるように位置決めされる。ニードル22は、
長手方向に往復動できるように、ボードやケース等によって支持されていても良
い。
通路を形成する環状のシリンダ壁とを有している。ニードル22は、セプタム1
6に向かう長手方向動作によって、セプタム16の部位28およびニードル壁の
外側を密閉状態でしっかりと取り囲むセプタム材料(図3)に、ニードルチップ
24が刺入できるように、セプタム16に対して垂直に並べられていることが好
ましい。ニードル22の一部はセプタム16を通じて挿入され、ニードルは、ニ
ードル22の周囲のセプタム材料によって保持される。すなわち、長手方向の管
状通路26は、外気に向かう空気通路を形成する。
ル22が取り除かれて、セプタム16の裂かれた部位28が再び閉塞されて、セ
ルパック20が外気から密閉される。このような機構は、挿入される皮下注射針
がワクチンボトルのセプタムから取り除かれる機構に類似している。ニードル2
2は、セプタム16を通じて繰り返し再挿入されるとともに、再びセプタム16
から取り除かれる。
ても良い。セル10が外気に晒されないため、また、漏れ電流を最小にできるた
め、セル10は、通気孔を有するハウジングによって封入される任意のセルより
も長い有効期限を有する傾向にある。セルパック20の使用時、もしくはセル1
0の活性時には、中空のニードル22がセプタム16に刺入され、上述したよう
に、外気に向かう空気通路が長手方向の管状通路26によって形成される。すな
わち、セル10は、負荷に電力を与えることができる十分な電流を供給する。し
たがって、本発明によれば、セルが長い有効期限を有し得るとともに、複雑な任
意の機械的ドアや使い捨ての任意のテープを使用しなくても、いつでも十分な電
力を供給することができる。
の流量を規制しつつ、酸素に必要な負荷電力を満足し得るような寸法を有してい
る。すなわち、管状通路の直径は、エアフローを許容するように設定されていて
も良い。ニードル22が非常に細い場合、管状通路は、非常にわずかなエアフロ
ーを許容する。ニードル22が非常に大きい場合には、セプタム16による管状
通路の再閉塞が容易でなくなる。ニードルの長さが1/8インチよりも短い場合
には、ニードルによってセプタム16を刺入することが困難になったり、管状通
路によって空気の流量を所望の最大値に制限することができなくなる。ニードル
の長さが1/2インチよりも長いと、ニードル22を扱うことが難しくなるとと
もに、ニードルによってセプタム16を刺入することが困難になる。
の長手管状通路26すなわち任意の数のニードルを使用することができる。1つ
またはそれ以上の吸気管状通路および排気管状通路が供給される場合もあるため
、2つあるいはそれ以上のニードルが好ましい場合もある。一例として、2つの
ニードルを有するセルパック20において、上述したのと同じ電力が必要とされ
る場合には、各ニードルは、断面積が0.05〜0.25平方インチでかつ長さ
が0.2〜0.5インチの管状通路を有していても良い。
属、セラミックス、あるいは他の一般的にガスを透過しない材料であっても良い
。プラスチックのハウジングを通じて透過する幾分かのガスは許容できる。大抵
の電解液は酸もしくは塩基であるため、酸または塩基に不活性な材料であること
が好ましい。一般に、セプタム16は、ゴム、合成エラストマー、あるいは、セ
プタム16に自己密閉特性を与える既知の化合物によって形成されている。適当
なセプタム材料は、薬瓶内の薬剤を保護するために使用される材料、例えば、シ
リコン、PTFE/シリコン、天然ゴム、Viton(登録商標)等を含んでい
る。これらの材料は、通常、ガスを透過せず、あるいは、水分をほとんど浸透さ
せず、外気もしくは任意の他の反応ガス源からセルパックを良好に隔離して、セ
ルパックの有効期限を長くする。また、低い透過性により、外気の水蒸気濃度の
上昇あるいは降下によるセル10のフラッディングや乾燥が防止される。
って、新しいセルパックが非常に低い電圧を示していることを消費者に分からせ
ないようにすることが好ましい場合には、半透過材料を使用しても良い。半透過
材料は、酸素すなわち反応ガスを透過させて、セル10のオープンセル電圧を、
即座に使用することができる十分高い値に維持することができる。この場合、セ
プタム材料は、一般に、シリコンゴム、樹脂、他の酸素半透過材料から選択され
る。
19685(cm3−mm/m2day atm)である一般的なシリコンゴム
が使用される。また、必要な漏れ電流が約1maである場合には、必要な酸素流
量は、摂氏25℃で5.47cm3/日である。すなわち、セプタムの厚さtは
、以下の式によって与えられる。
しており、また、セルパック20と係合する電気デバイスに応じて必要電力が変
化することは言うまでもない。
様に、電池パック30は、空気を通すニードルの係合時の連続使用に適している
。空気電池は、セルケース32内に封入された複数のセル10を含む。図は説明
のために強調されている。ケース32は、セルパック34を形成しており、自己
密閉可能なセプタム38によってカバーされる開口36を除いて、複数のセル1
0を外気から隔離している。セルパック34の底面の開口36は、ケース材料か
ら成り、かつ各セル10を分割する複数のグリッド40によって定義されている
。グリッド40はセプタム38を機械的に支持している。この実施形態において
は、セルパック34内に、小さな反応空気充填空間42が存在する。セプタム3
8は、セルパック34の底面に貼付けられており、外気に向かう通路を開口36
で終端させている。したがって、セルパック34は、空気陰極と電解液との間に
あるセパレータの陰極側に、通気孔を全く有していない。
ル48および開口50を有している。空気充填ボックス46は、空気収集充填空
間として位置決めされて機能する。尖ったニードルチップ52と長手管状通路5
4とを有する中空ニードル48は、空気充填ボックス46の上面に位置決めされ
ている。必要な電力を満たすために、上面の任意の場所に任意の数のニードルを
使用しても良い。各開口36に1つまたはそれ以上のニードルを有することが好
ましい。
かつ不活性である不使用時すなわち格納時の有効期限が長くなるように、外気か
ら隔離されている。ニードルチップ52がセプタム38の部位56に刺入される
とともに、ニードル48がセプタム38を貫通して、セルパック34の使用時す
なわちセル10の活性時に、空気充填空間58に向かう空気通路が形成されるよ
うに、充填ボックス46はセルパックと係合する。管状通路54を通じた全エア
フローが開口50を通じた全エアフローよりも大きくなるように、一般に、管状
通路54の全断面積は開口50の全断面積よりも大きくなっている。したがって
、係合の直後において、セル10から利用可能な電流は、充填空間58内の反応
ガス、例えば酸素を急速に消費するように増大し、格納された酸素を使い果した
時に緩やかに減少する。そして、最終的に、利用可能な電流は、一定となって、
開口50を通じた空気流量によって決定される。すなわち、接続される電機デバ
イスに必要な初期の高電力を満足する電流特性は、管状通路54および開口50
の全断面積と充填空間58の容積とによって制御することができる。
拡散が実質的に制限されるように、開口50は、その長さすなわちケース44の
厚さ方向の長さが、その幅すなわちケース44の厚さに対して垂直な方向の長さ
よりも大きくなるように寸法付けられていることが好ましい。ここで、「実質的
に制限される」とは、開口50を通じた酸素や汚染物の拡散率が非常に遅いため
に、湿気の移動が非常にわずかであり、出力電流がほぼ一定になった後のセル1
0の効率または寿命にほとんど影響を与えないことを意味する。
セプタム38それ自身を再密閉することができるように、充填ボックス46とセ
ルパック34との係合状態を解除することができる。すなわち、使用されたセル
パックの残存電力をその保管中に維持することができる。さらに、セプタム38
を半透過材料によって形成して、上述したように長い保管後に初期のオープンセ
ル電圧が十分高い状態のままであるようにしても良い。第1の実施形態において
述べたように、ケース32、開口36、セプタム38、充填ボックス46、ニー
ドル48、ニードルの管状通路54、開口50のサイズ、数、材料は、変更する
ことが望ましい場合もある。特に、ニードル48は、その機能を損なわないよう
に短くする方が、扱う際に好ましい場合もある。
ルのフラッディングもしくは乾燥を防止するためには、電池パックを取り外して
セプタムを再密閉しなければならない。図1に示されるセルパックと同じセルパ
ック20を有する別の実施形態が図6に示されている。この実施形態は、フラッ
ディングもしくは乾燥に晒されることなくセプタムを介したニードルとの係合を
維持できる電池パックを提供する。セルパック20の特徴は、第1の実施形態に
おいて述べた特徴と同じである。しかしながら、この実施形態には、空気管理ケ
ース62と、2つのニードル70、72と、空気移動デバイスとしてのファン8
0と、ケース62の壁部を通じて外気に接続された2つの拡散規制管すなわち隔
離管82、84とを備えた空気管理装置60が示されている。
決めされている。ニードル70、72は中空であり、そのニードルチップ86、
88は、第1の実施形態で述べたように、セプタム16の部位90、92に刺入
し得るように尖っている。セルパック20の下側で空気管理装置をセプタム16
と係合させることができるように、ニードル70、72は空気管理装置ケース6
2の上面に位置決めされている。空気管理装置ケース62は実質的に不透過であ
り、2つのニードル70、72の管状通路94、96および開口82、84がケ
ース62の外側に向かう唯一の通路となっている。ファン80は、ケース62の
内部空間を2つのチャンバ98、100に分割するように、ケース内に位置決め
され、この場合、ファン80は、エアフローを形成、および/またはケース内に
圧力差を形成し、これにより、管状通路94を通じたセルからの排気エアフロー
と、管状通路96を通じたセルに向かう吸気エアフローを生じさせることができ
る。チャンバ100の加圧によって、空気は、管状通路96を通じて流れるとと
もに、チャンバ100から管84を介して外気に流れる。同時に、チャンバ98
内に形成される低い圧力により、空気が管状通路94を通じてセルから吸引され
るとともに、補給空気が管82を通じて外気からチャンバ98内に吸引される。
その後、補給空気は、空気管理装置とセルとの間で再循環される。
く、管状通路94、96のエアフロー抵抗は、開口82、84のエアフロー抵抗
よりも小さくなっている。したがって、一般には、再循環プロセスにおいては、
管状通路94、96を通じて、より多くの空気が移動する。
タム16は、セル10が長い有効期限を有するようにセル10を隔離する。セル
10の使用時、すなわち活性時には、空気管理装置60がセルパック20と係合
し、ニードル70、72は、その長さのほぼ中間までセプタム16に刺入される
。すなわち、管状通路94、96は、セル10の空気陰極(図示せず)から空気
管理装置60のチャンバ98、100に向かう空気通路を形成する。チャンバ9
8、100が大きくかつ反応ガスで満たされている場合であって、管状通路94
、96が広い場合には、初期に利用できる電流特性は、第2の実施形態で述べた
電流特性と同様である。開口82、84は拡散規制管であるため、ファン80が
作動していない時、ニードル70、72がセプタムに刺入されたままであっても
、セル10は、長い有効期限を有することができる。あるいは、管状通路94、
96を拡散規制管として形成してセル10を隔離することもできる。
することができる。米国特許第5,691,074号の例によれば、拡散規制通
路は、空気陰極に達し得る酸素の量を制限して、空気セルの自己放電および漏れ
電流すなわちドレン電流を最小にする機能を有する。
たエアフローを引き起こしていない場合には、拡散規制通路82、84(あるい
は、94、96)は、空気セルに悪影響を及ぼす湿気を最小にする。湿度レベル
が高い外気に晒される空気セルは、その空気電極を通じて多量の水分を吸収し、
「フラッディング」と称される状態に起因して機能しなくなる。あるいは、湿度
レベルが低い外気に晒される空気セルは、その電解液から空気電極を通じて多量
の水蒸気を解放し、「乾燥」と称される状態に起因して機能しなくなる。
散規制通路の流通効率は、「隔離率」という用語で説明することができる。「隔
離率」は、1つまたはそれ以上の限られた開口、すなわち拡散規制通路を除いて
その酸素電極が外気から隔離されている時のセルによる蒸発散の割合すなわち増
幅率と比較した、その酸素電極が完全に外気に晒された時のセルによる蒸発散の
割合すなわち増幅率である。例えば、水に約35パーセント(35%)でKOH
を溶解した電解溶液を有する同一の空気セルが与えられた場合であって、内部の
相対湿度が約50パーセント(50%)で、外気の相対湿度が約10パーセント
(10%)であり、ファンの循環が無い場合、酸素電極が完全に外気に晒された
セルからの蒸発散は、1つまたはそれ以上の拡散規制通路を通じた場合を除いて
酸素電極が外気から隔離されたセルからの蒸発散の100倍以上である。この例
では、100:1よりも大きい隔離率が得られる。
の通路を通じた流れ方向に対してほぼ垂直な幅と、この通路を通じた流れ方向と
ほぼ平行な長さとを有していることが好ましい。長さおよび幅は、空気移動デバ
イスが拡散規制通路82、84(あるいは、94、96)を通じてエアフローを
引き起こしていない時に拡散規制通路82、84(あるいは、94、96)を通
じたエアフローおよび拡散が実質的に生じないように選択される。長さは幅より
も大きく、長さが幅の約2倍よりも大きいことがさらに好ましい。長さと幅との
間の比を大きく設定することが望ましい。空気セルの性質に応じて、この比を2
00:1以上にすることができる。しかしながら、長さと幅との好ましい比は約
10:1である。
いは、94、96)は、外気と酸素電極との間に設けられなければならない。各
拡散規制通路82、84(あるいは、94、96)は、ケース62の厚さを貫い
て形成されても良いが、上述したように管の形態を成していることが好ましい。
規制通路は、約0.3〜2.5インチもしくはそれ以上、好ましくは約0.88
〜1.0インチの長さを有することができ、また、約0.03〜0.3インチ、
好ましくは約0.09〜0.19インチの内径を有することができる。したがっ
て、そのような用途において、通路を通じた流れ方向に対して垂直な方法で測定
した各拡散規制通路の全開口面積は、約0.0007〜0.5平方インチである
。他の用途において、各拡散規制通路は、約0.1〜0.3インチもしくはそれ
以上、好ましくは約0.1〜0.2インチの長さを有することができ、また、約
0.01〜0.05インチ、好ましくは約0.15インチの内径を有することが
できる。特定の用途における好ましい寸法は、通路、陰極充填空間、使用される
特定のエアムーバーの幾何学的構成および所望のレベルでセルを動作するために
必要な容積すなわち空気に関係している。
成されたセルパック20の好ましい実施形態においては、6個のセル10を有す
る6V電池が使用される。各セル10は、約1〜4アンプで、約1Vもしくはそ
れよりもわずかに高い出力を有する。各セル10の露出した陰極(図示せず)の
面積は約18〜22平方インチであり、したがって、露出した陰極の全面積は約
108〜132平方インチである。したがって、電池は、陰極表面の1平方イン
チ当たり、約50〜200maの電流密度を有する。この電力要件を満たすため
に、33〜200立方インチ/分のエアフローが必要となる。
合には、必ずしもシリンダ状である必要はない。各拡散規制通路の少なくとも一
部が所望の隔離状態を形成するように作用する限りにおいては、隔離通路はその
長さ方向に沿って均一である必要はない。さらに、拡散規制通路はその長さ方向
に沿って直線状、あるいは湾曲状を成していても良い。要するに、空気分子が十
分に規制された通路を通じて外気から空気陰極へと流れる限りにおいては、拡散
規制通路は、互いに離間する2次元面間の隙間によって形成されても良い。他の
典型的な拡散規制通路およびシステムは、米国特許第5,691,074号およ
び米国特許出願第08/556,613号に開示されており、これら各文献の開
示内容の全体は、参照してここに組み込まれる。
外側から開口82を通じて比較的多量のエアフローが流れ込み、このエアフロー
は、管状通路94を通じて流れ込んだエアフローと混合された後、管状通路96
を通じて充填空間18内に流れるとともに、開口84を通じてケース62の外側
に排気される。したがって、セルパックは、接続された電気デバイスに必要な電
力を供給することができる。必要な電力を供給するために、ファンの回転速度を
調整しても良い。ファンは、セル10からの電力を用いて動作するとともに、図
6に示されていないリードおよび端子によって接続されている。
ーを定量化できる。これによって、通路82、84は、空気移動デバイスすなわ
ちファン80の作動時にこれらの通路を通じて十分な量のエアフローが生じ、十
分な出力電流、一般的には少なくとも50ma、好ましくは少なくとも130m
aの出力電流が空気セル10から得られるように、構成されて配置されているこ
とが好ましい。さらに、拡散規制通路82、84は、これらの通路を通じたエア
フローおよび拡散を制限して、ファン80が通路82、84を通じたエアフロー
を生じさせていない時に空気セルが負荷に供給することができるドレン電流を、
出力電流よりも約50以上のファクターだけ小さくするように構成されているこ
とが好ましい。したがって、ファン80が作動しておらず、かつセル内の湿度レ
ベルが比較的一定している場合には、非常に限られた量の空気だけが通路を通じ
て拡散する。セル内の水蒸気は、空気陰極(図示せず)が酸素に晒されることを
防止する。空気陰極は水蒸気によって外気から十分に隔離され、これにより、通
路82、84を機械的なドア等によって密閉しなくても、セル10の有効期限を
長くすることができる。さらに、拡散規制通路82、84は、50:1以上の隔
離率を提供するように構成されていることが望ましい。
実質的に隔離され、ドレン電流を、セルパック20を最初に使用する前の保管モ
ードと同じ位に低くすることができる。半透過セプタム16の作用によって、初
期のオープンセル電圧を維持しても良い。空気管理装置60がセルパック20に
係合すると、開口82、84が外気に向かう唯一の空気通路となり、ファンが作
動していない状態でのドレン電流モードが上述したように低下する。ファンが作
動される場合には、ファンの速度制御によって調整される複数のモード間で負荷
への電流を変化させて、必要な電力を満たすことができる。
であっても、他のセルパックを用いて再利用することができるため、使い捨て部
品を最小にすることができる。ケース12、開口14、セプタム16、充填空間
18、空気管理装置ケース62、ニードル70、72、ニードルの管状通路94
、96、チャンバ98、100、ファン80、および開口82、84のサイズ、
数、材料は、先に示した実施形態で使用されたと同様の部品に関して述べたよう
に、変更することが好ましい場合もある。
6が拡散規制管よりも大きい場合には、ファン80は外気からより多くのエアフ
ローを吸引することができる。したがって、空気陰極は、高い濃度の酸素を含む
空気に晒され、電池は、ファン80の作動時に、より多くのエネルギーを供給す
ることができるようになる。一方、ファン80が作動せず、かつ空気管理装置6
0がセルパック20と係合している時、すなわち、電池が一時的に不活性である
場合には、低湿度レベルもしくは高湿度レベルの外気からセルがほとんど隔離さ
れず、したがって、セル10は、上述したように、「フラッディング」もしくは
「乾燥」と称される状態に起因して機能しなくなる可能性がある。このような事
態は、空気管理装置60がセルパック20から取り外されて空気通路がセルパッ
ク16によって再閉されていれば、回避することができる。
ックケース112内には、セル10と、反応空気充填空間(図示せず)と、ファ
ン118によって分離された2つのチャンバ114、116を有する空気管理装
置部とが封入されている。開口120は、チャンバ114、116を充填空間に
接続している。開口122は、両方のチャンバ114、116を横切って延びて
おり、セプタム124によってカバーされて外気から密閉されている。空気管理
装置は、チャンバ114、116間にエアフローや圧力差を形成するファン11
8を有する空気移動デバイスである。ニードルボード130に固定された2つの
ニードル126、128は、セプタム124の部位132、134に刺入される
ように位置決めされる。他の実施形態で記載されたように、ニードル126、1
28は、尖ったニードルチップ136、138と、管状通路140、142とを
有している。
がセプタム124から離間し、上述したように、セルの隔離状態が最大になる。
セプタム124が半透過材料によって形成されている場合には、保管中に、十分
な初期オープンセル電圧を維持できる。セル10の使用時すなわち活性時におい
ては、ニードル126、128がセプタム124の部位132、134に刺入さ
れ、これによって、セルの空気陰極(図示せず)から外気に向かう空気通路が形
成される。ファンが作動されると、管状通路140、142を通じて補給された
外気とともに空気が循環され、接続された電気デバイスに必要な高電力を満たす
ため、ファン速度を変化させることにより負荷電流が調整される。
、上述したように、拡散規制隔離管となるように管状通路を寸法付けても良い。
ニードル126、128がセプタム124から離間されると、セル10が外気か
ら実質的に隔離され、ドレン電流を、セルパック110を最初に使用する前の保
管モードと同じ位に低くすることができる。半透過セプタム124の作用によっ
て、初期のオープンセル電圧を維持しても良い。ニードル126、128がセプ
タム124の部位132、134に刺入されると、管状通路140、142が外
気に向かう唯一の空気通路となり、ファンが作動していない状態でのドレン電流
モードが上述したように低下する。ファンが作動される場合には、ファンの速度
制御によって調整される複数のモード間で負荷への電流を変化させて、必要な電
力を満たすことができる。この実施形態においては、ニードルボード130等の
小さな部品が、電気接点のないスイッチとして、セルパックを始動させることが
でき、予め電池が取り付けられた電気デバイスに電力を供給することができる。
ケース112、開口120、122、セプタム124、充填空間(図示せず)、
チャンバ114、116、ファン118、ニードル126、128、ニードルの
管状通路140、142、ボード130のサイズ、数、材料は、上述した目的の
ために、変更することが好ましい場合もある。
とを含む他の実施形態が図8に示されている。セルパック150は、ケース15
6と、セル10と、セルの下側に設けられた反応空気充填空間(図示せず)と、
セプタム162によってカバーされた開口160に隣接する予備充填空間158
とを含む。正および負のリード(図示せず)に接続された一対の端子164、1
66は、空気管理ヘッド152に面するケース156の外面に位置決めされてい
る。ケース156は、他の実施形態で記載されたように、セプタム162と協働
して外気からセルを隔離する。予備充填空間158は、ケース156内の新鮮な
空気および残存空気を拡散して混合し、反応ガス、すなわち酸素を各空気陰極に
対して均一に供給する。あるいは、予備充填空間を設けなくても良い。この場合
は、ニードルが反応空気充填空間内へと方向付けられる。セプタム162が半透
過材料によって形成されている場合には、保管中に、初期オープンセル電圧を維
持することができる。
ルパック150を受けるための外側に面する矩形の凹部172を定義している。
ノブ176を備えた2つの係合アーム174は、セルパック150の一部を受け
てこれと係合する凹部を形成している。セルパックケース156の両側の外壁に
設けられた2つの凹部178は、ラチェット機構と同様な方法で、アーム174
の弾性的な撓みによって生じる力によりノブ176を受ける。凹部172の背壁
には、各端子164、166と係合する2つの端子180、182が位置決めさ
れている。ヘッド152の他方側には、セルパック150からの電力を電気デバ
イス154に供給する2つの電気端子184、186すなわちハード配線が設け
られている。
れた2つのチャンバ188、190が形成されている。チャンバ188からはニ
ードル194が延出されており、チャンバ190からはニードル196が延出さ
れている。チャンバ188、190はそれぞれ管198、200を介して外気に
接続されている。管198、200(概略的に示されている)は、上述したタイ
プの拡散規制隔離管であることが好ましく、ニードル194、196は、隔離の
目的ではなく自由なエアフローを許容する大きい開口202、204を有してい
る。
に保持され、これと同時に、ニードル194、196がセプタム162に刺入さ
れる。ニードル194、196は、セプタム162の部位210、212に刺入
される、尖ったニードルチップ206、208と、セル10の空気陰極(図示せ
ず)と2つのチャンバ188、190との間で空気通路を形成する管状通路20
2、204とを有している。
ンバ188、190間にエアフローや圧力差を形成する。開口198、200は
外気すなわち反応ガス源に連通しており、これにより、反応ガス、例えば酸素は
、上述した方法で、開口198、200の一方および管状通路すなわち開口20
2、204の一方を通じて、セル10の空気陰極に達することができる。
、空気管理ヘッド152が電気デバイスに取り付けられている。不透過性のセプ
タム162を用いてセルパックを完全に密閉された状態で保管することができる
。あるいは、不透過性のテープ(図示せず)を半透過性のセプタム162上に貼
り付けることができる。後者の場合、セルパックが十分な初期オープンセル電圧
を有するように、小売店がテープを除去した後にセルパック150を保管しても
良く、あるいは、消費者が使用前にテープを除去しても良い。ケース156、開
口160、セプタム162、充填空間(図示せず)、予備充填空間158、チャ
ンバ188、190、ファン192、開口198、200、ニードル194、1
96、ニードルの管状通路202、204、他の部品のサイズ、数、材料は、上
述したように、変更することが好ましい場合もある。
池すなわち電源は、図6に示された実施形態と同様、空気管理ヘッド220と、
セルパック222とを有している。空気管理ヘッド220は、シリンダ状のカッ
プリング224と、外側ケース226と、2つの開口228、230と、正端子
232とを有している。セルパックは、負端子234と、外側ケース236と、
カップリング部238とを有している。カップリング部238は、2つの正端子
240と、2つの負端子242と、長尺な自己密閉セプタム244とを有してい
る。
配置された2つの正端子246と、円形のシリンダ224内に正端子246と直
交する位置に配置された2つの負端子(図示せず)と、電池の軸方向に対して平
行な2つの中空ニードル248、250と、ファン256によって分割された2
つのチャンバ252、254と、ファンコントローラ258とを含む。
て規定されており、空気管理ヘッド220内でファン256のようなエアムーバ
ーにより分割されて形成されている。チャンバ252からはニードル248が延
出されており、チャンバ254からはニードル250が延出されている。チャン
バ252、254はそれぞれ開口228、230を通じて外気に接続されている
。開口228、230(概略的に示されている)は、上述したタイプの拡散規制
隔離管であることが望ましく、ニードル248、250は、隔離の目的ではなく
自由なエアフローを許容する大きい開口262、264を有している。
極270と絶縁端部プレート272、274、276と電流コレクタリード27
8、280と空気充填空間282とを有する2つのセルを備えている。端部プレ
ート276は、長尺セプタム244によってカバーされるスリット開口を有して
いる。2つの負端子242は、リード280を用いて、陽極コンテナ268に接
続されている。2つの正端子240は、リード(図示せず)を用いて、空気陰極
270の電流コレクタ(図示せず)に接続されている。これらの4つの端子は、
空気管理ヘッド220のシリンダ状カップリング224内に設けられた対応する
端子と接続して電力をファン256に供給できるように、カップリング部238
の外周面に位置決めされている。また、電源の正端子232は、リード(図示せ
ず)を用いて端子246に接続されている。また、ファンコントローラ258は
、セルパック222からファン256への電流供給を制御するために接続されて
いる。長尺セプタム244が半透過材料によって形成されている場合には、保管
中に、十分な初期オープンセル電圧を維持することができる。
これと同時に、ニードル248、250が長尺セプタム244に刺入される。セ
ルパック222をヘッド220に対して選択的にロックするために、先の実施形
態のノブおよび凹部のようなコネクタ(図示せず)を設けても良い。ニードル2
48、250は、セプタム244の部位288、290に刺入される、尖ったニ
ードルチップ284、286と、セルの空気陰極270から2つのチャンバ25
2、254に向かう空気通路を形成する管状通路262、264とを有している
。
成する。開口228、230は外気に連通しており、これにより、酸素は、上述
した方法で、開口228、230の一方および管状通路262、264の一方を
通じて、セルの空気陰極270に達することができる。
を買うだけで済むように、分離して再利用することができる。不透過性のセプタ
ム244を用いてセルパックを完全に密閉された状態で保管することができる。
あるいは、不透過性のテープ(図示せず)を半透過性のセプタム244上に貼り
付けることができる。後者の場合、セルパックが十分な初期オープンセル電圧を
有するように、小売店がテープを除去した後にセルパック222を保管しても良
く、あるいは、消費者が使用前にテープを除去しても良い。ケース236、セプ
タム244、充填空間282、チャンバ252、254、ファン256、開口2
28、230、ニードル248、250、ニードルの管状通路262、264、
他の部品のサイズ、数、材料は、上述したように、変更することが望ましい場合
もある。特に、電池全体が「単三電池(AA)」等の標準的な電池サイズに形成
されるように、シリンダ状カップリング224を外側ケース226と同じサイズ
に形成しても良い。
求に記載されたような本発明の技術的思想および広い形態から逸脱しない範囲で
、様々に変形したり変更したりすることができる。クレームは、均等論を含む特
許法の原則にしたがって解釈される。
るためのニードルの移動方向を示す、本発明を具体化したセルパックケースおよ
びニードルの平面線図である。
に沿う垂直横断面図である。
パックを示す、本発明の第2の実施形態の斜視図である。
る。
んだセルパックの平面線図である。
動デバイスの平面線図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 各々が空気電極を含む、1つまたはそれ以上の空気セルを取
り囲む封入体と、前記空気電極から、前記セルを取り囲む封入体の少なくとも一
部を構成する、刺入可能で、かつ再密閉可能なセプタムへと向かう第1の空気通
路セグメントを封入体内に形成する構造体と、反応ガス源に接続される第2の空
気通路セグメントの一部を形成するとともに、セプタムに刺入され得るように位
置決めされた中空ニードルとを備える空気電源システム。 - 【請求項2】 さらに、前記第2の空気通路セグメント内に、少なくとも1
つの拡散規制通路を備えていることを特徴とする請求項1に記載の空気電源シス
テム。 - 【請求項3】 前記拡散規制通路は、前記ニードルによって形成されている
ことを特徴とする請求項2に記載の空気電源システム。 - 【請求項4】 さらに、前記空気通路内に少なくとも1つの空気移動デバイ
スを備えていることを特徴とする請求項2に記載の空気電源システム。 - 【請求項5】 前記空気移動デバイスは、前記ニードルと前記拡散規制通路
との間に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の空気電源システム。 - 【請求項6】 さらに、前記第2の空気通路セグメント内に設けられた、少
なくとも1つの吸気拡散規制通路、および少なくとも1つの排気拡散規制通路と
、前記空気通路内に設けられた少なくとも1つの空気移動デバイスとを備える請
求項1に記載の空気電源システム。 - 【請求項7】 前記空気移動デバイスは、前記ニードルと前記拡散規制通路
との間に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の空気電源システム。 - 【請求項8】 さらに、前記第2の空気通路セグメント内に設けられ、前記
中空ニードルと反応ガス源とに連通する少なくとも1つの拡散規制通路と、前記
空気電極と前記セプタムとの間で、前記第1の空気通路セグメント内に設けられ
た少なくとも1つの空気移動デバイスとを備える請求項1に記載の空気電源シス
テム。 - 【請求項9】 前記セプタムは、前記反応ガスを半透過する膜を備えている
ことを特徴とする請求項8に記載の空気電源システム。 - 【請求項10】 前記セプタムは、前記反応ガスを半透過する膜を備えてい
ることを特徴とする請求項1に記載の空気電源システム。 - 【請求項11】 さらに、前記空気電極と前記セプタムとの間に少なくとも
1つの空気移動デバイスを備えていることを特徴とする請求項1に記載の空気電
源システム。 - 【請求項12】 1つまたはそれ以上の空気セルを含み、前記セルの空気電
極に関連付けられた反応空気充填空間を定義するハウジングと、前記ハウジング
の外壁の一部を形成し、空気通路によって前記充填空間に接続される刺入可能か
つ再密閉可能なセプタムとを備える空気セルパック。 - 【請求項13】 封入体内に設けられた空気移動デバイスと、前記封入体に
設けられ、外気の侵入を許容する1つまたはそれ以上の通気口、および前記封入
体から外側へ延びる1つまたはそれ以上の中空ニードルとを備える通気システム
。
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