JP2005347035A - 制御弁式鉛蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 板弁を備えた制御弁式鉛蓄電池において、板弁の作動圧のバラツキを抑制し、信頼性、耐久性を向上させる。
【解決手段】 板状で中央部に切込み２を有する板弁１と、該板弁１を押圧する弁押さえ蓋３を備えた制御弁式鉛蓄電池であって、板弁１の切込み２に当たる弁押さえ蓋３の部分に凹部３１を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は制御弁式鉛蓄電池に関するもので、特に、電槽蓋に備えた板弁と該板弁を押圧する弁押さえ蓋の改良に関するものである。

正極板から発生する酸素ガスを負極板上で吸収する制御弁式鉛蓄電池は、通信機器の負荷平準化用、無停電電源装置（ＵＰＳ）のバックアップ用として多く用いられている。制御弁式鉛蓄電池に設けられている排気構造には、通常の使用時には閉じているが、大電流による充電の終期などのガス発生により電槽内部の圧力が上昇した場合には、開弁して最小限のガスを放出し、その後には確実に閉弁し、電槽内部の圧力が低下した際にも、外気が電槽内部へ流入しないようにした排気弁が用いられる。電槽内圧が上昇した場合に排気弁が作動せず電槽内部のガスが放出されない場合には、電槽に変形が生じ、極群を圧迫する力が低下して容量低下を引き起こしたり、極限に至れば電槽が破損する場合もある。また、電槽内圧が減少した場合に排気弁が正常に機能しない場合には、外気が電池内部に侵入して負極板の金属鉛が酸化され、電池の劣化を引き起こす。これらのことから、制御弁式鉛蓄電池において排気弁の機能低下は電池性能、寿命に致命的な影響を及ぼす。

鉛蓄電池に使用される排気弁は一般にキャップ弁と板弁に大別され、材料にはクロロプレンゴム、ＥＰＤＭゴム等、耐酸、耐酸化性、耐候性にすぐれた弾性体が用いられている。周知のとおり、キャップ弁は電槽蓋または電槽に備えられた弁筒に装着され、電池内圧が上昇した場合に、排気弁のゴムのすそが拡がって開弁し、電池内部のガスを排出し、ガスが排出されて電池内圧が正常になった後は、キャップ弁のすそは常に弁筒に密着し、電池の密閉性を保つ仕組みとなっている。このようなキャップ弁では、弁の密閉性はゴムの弾性に頼るため、弁筒とキャップ弁との貼り付きや材質の劣化などで、電槽内圧が上昇しても開弁しなかったり、また、電槽内圧が低下しても完全に密閉できなかったりする問題を引き起こす。この現象は、酸霧としてガスと一緒に排出された電解液が、弁筒に付着した場合に、より発生しやすい。この問題を解決するため、キャップ弁と弁筒との間にオイルやグリースを塗布することが行なわれている。しかしながら、材料や工程数が増加することによるコスト上の問題や、オイルやグリースなどを塗布しても塗布の程度によって開弁圧にバラツキが生じるという問題や、塗布直後は正常に機能しているものの使用中にオイルやグリースが劣化するなどの問題は解決には至っていない。

一方、板弁には、電槽蓋に備えられた排気構造において、排気孔を覆うゴム板と該ゴム板を押圧するスポンジ状ゴム板とからなるものがある。このような板弁は、スポンジ状ゴム板を圧縮する力と電槽内圧との関係によって、電池内部のガスを排出する仕組みになっている。この方式では、キャップ弁より排気構造の高さを小にできる利点があり、また、組立て工数の削減ができて、コストを下げることができるが、スポンジ状ゴム板の圧縮力によって開弁圧を制御するため、開弁圧の制御が困難であった。この対策のため、排気孔を電槽上部に設けたくぼみの中に備え、この排気孔を覆うゴム板に、くぼみに嵌合するふくらみを設けて、スポンジ状ゴム板を用いない提案がなされている（例えば、特許文献１参照）が、排気構造が複雑となる問題を有していた。

特開２００２−１１０１２３号公報

本発明が解決しようとする課題は、板弁を備えた制御弁式鉛蓄電池において、排気構造の作動圧のバラツキを抑制し、信頼性、耐久性を向上させるところにある。

本発明は、請求項１では、板状で中央部に切込みを有する板弁と該板弁を押圧する弁押さえ蓋を電槽蓋に備えた制御弁式鉛蓄電池であって、該板弁の切込みに当たる弁押さえ蓋の部分に凹部を設けたことを特徴とする制御弁式鉛蓄電池である。

また、請求項２では、板弁が凸型形状で、切込みが凸型の頂部から周辺に向かって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御弁式鉛蓄電池である。

また、請求項３では、切込みが直線状または十字状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の制御弁式鉛蓄電池である。

また、請求項４では、板状の上面の切込み寸法がその下面の切込み寸法より大きいことを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の制御弁式鉛蓄電池である。

また、請求項５では、弁押え蓋の凹部の直径より、電槽蓋の排気構造に設けられた排気筒の内径が小さいことを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載の制御弁式鉛蓄電池である。

また、請求項６では、板弁の下面が接する排気構造に、排気筒の開口部の周囲を囲むように突起を備えたことを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記載の制御弁式鉛蓄電池である。

請求項１の発明では、排気構造を低くできるので電池の小型化が可能となり、また、長期間にわたり信頼性のすぐれた制御弁式鉛蓄電池を低コストで得ることができ、具体的には、請求項３〜６のような構造のものが考えられる。

請求項２の発明では、請求項１の効果に加え、電池内圧が低下した場合の気密性を更に向上せしめることができる。

以下に説明する本発明の実施の形態に係る制御弁式鉛蓄電池は、電槽は上部が開口し、内部が複数のセル室からなり、前記セル室には極群が挿入されており、前記極群はセパレータを介して正極板及び負極板が交互に積層されたものからなり、複数の正極板の耳部は正極用ストラップによって一体的に連結され、隣接する異極性のストラップ同士がセル間接続されている。又、セル室の正極用ストラップからは正極用極柱が開口部の方向に、負極用ストラップからは負極用極柱が開口部の方向に設けられている。前記正極板、負極板は、鉛又は鉛合金からなる格子体に活物質を充填した後、乾燥、熟成工程を経て作製される。前記電槽の開口部は電槽蓋によって溶着又は接着される。前記電槽蓋には、前記正極用極柱及び負極用極柱を挿通するための孔部と、前記セル室に対応して設けられた注液口を兼ねる排気口とが設けられ、前記各孔部に正極用極柱及び負極用極柱がそれぞれ挿通され、孔部の上部の正負極端子に溶接されて、挿通する部分を気密、液密に保つようにしている。前記注液口を兼ねる排気口は、極群から発生したガスを外部に排出するとともに、外気の電池内部への侵入を防止するための排気構造を有している。

上記の排気構造の詳細を図面により説明する。各図面において、同一形状の部分は同一の符号を付す。なお、繁雑を避けるため、電槽、極群など、その余の部分は図示、説明を省略する。

図１は本発明の制御弁式鉛蓄電池の電槽蓋の上部を、その一部を分解、拡大した斜視図で示したもので、１は板弁、２は該板弁１に設けた線状の切込みで、該切込み２を介して板弁１のゴム同士は互いに密着している。３は弁抑え蓋、４は該弁押え蓋３に設けた貫通孔、５は板弁１の収納部５１をセル数だけ備えた電槽蓋、６は収納部５１に設けられた、電槽蓋５を貫通する排気筒である。

図２は図１のＡ−Ａ部の断面図で、弁押え蓋３はその中央下面に円形の凹部３１が設けられており、排気構造は、弁押え蓋３が該凹部３１を除いて板弁１に密着し、板弁１を中心方向に圧迫するようになっている。板弁１は弾性を有する材質からなるため、弁押え蓋３によって切込み２は周辺部から圧迫されることになり、切込み２はその圧迫によって接触が密になり、電槽内圧が該接触圧以上になるまでガスは通過せず、また電槽内圧が大気圧より低下したときにも外気は侵入しないようにできる。また、凹部３１を設けているため、板弁１の切込み２が開いた場合に板弁１の動く空間を確保することができ、板弁１の作動を妨げたり、板弁１の切込み２が開いた状態で板弁１が弁押え蓋３に貼り付くこともない。

図３〜図６は本発明の実施例を示す。各図において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は切込みを通る線で破断した断面図である。なお、図７は比較例として示した従来のキャップ弁、図１０は該キャップ弁を装着した一例である。

図３は、図１および図２で述べた平板状の板弁１の中央部に一文字の切込み２を設けた例である。このような一文字の切込み２は、板弁１を一定の刃幅のカッター等で切り込むだけで形成できるから、作製が容易で、構造も単純であり、円滑な作動が可能な板弁１を得ることができる。

図４は、板弁７が凸型形状で、一文字の切込み８を凸型の頂部から周辺に向かって形成した例であり、凸形の先端は図２の弁押え蓋３の凹部３１内に収まるようになっている。このような形状の板弁７は、凸型形状を有した型に溶融したゴム材料を流し込むことによって作製でき、電槽内圧が低下した場合に、大気圧によって切込み８に対して板弁７を電槽の内側に引き込むように力がかかるので、大気中の酸素の侵入を完全に防止することができる、気密性にすぐれた排気構造となり、電槽内圧が低下した場合の信頼性の向上が可能となる。上記した一文字の切込み８は、図３の切込み２と同様に形成することができる。

図５は、平板状の板弁９の中央部に十字状の切込み１０を設けた例である。このような十字状の切込み１０は、板弁９を十字形状の刃のカッター等で切り込むことで形成でき、特に小型の電池で、寸法（直径）が小さい場合であっても確実に作動させることが可能な板弁９を得ることができる。なお、このような十字状の切込み１０は、上記した図４の板弁７にも適用することができる。

図６は、平板状の板弁１１に、上面の切込み寸法が下面の切込み寸法より大である切込み１２を設けた例である。このような切込み１２は、板弁１１をＶ字形状の刃のカッター等で切り込むことで形成でき、電槽内圧が低下した場合に、大気圧によって切込み１２に対して板弁１１を電槽の内側に引き込むように力がかかるので、弁が開きにくく、大気中の酸素の侵入を完全に防止することができる、気密性にすぐれた排気構造となり、電槽内圧が低下した場合の信頼性の向上が可能となる。なお、このような切込み１２は、上記した図３の板弁１、図４の板弁７および図５の板弁９にも適用することができる。

図８は、図２の排気構造に対し、弁押え蓋３の凹部３１の直径より小さい内径の排気筒１５を備えた電槽蓋１４の例であり、電槽内圧が低下した場合に、板弁１の下面の切込み２にかかる負圧が小さくできるので、電槽内圧が低下した場合の切込み２を開きにくくすることができて、信頼性の向上が可能となる。このような排気構造は、上記した図４の板弁７、図５の板弁９および図６の板弁１１を用いた排気構造にも適用することができる。

図９は、板弁１の収納部５１の内面が板弁１の下面と接触する部分に、排気筒６の開口部周囲を取り囲む突起１６を備えた電槽蓋１７の例を示す。該突起１６は排気構造を組み立てる際に板弁１の下面に食い込み、かつ該突起１６の内側と外側において収納部５１の内面と板弁１の下面とが接触して切込み２を塞ぐ作用をするので、板弁１の下面と収納部５１の内面の接触部分からのガスの漏洩をより完全に防止し、気密性をさらに向上させることができる。このような排気構造は、上記した図４の板弁７、図５の板弁９および図６の板弁１１を用いた排気構造や図８の排気構造にも適用することができる。

上記した本発明に対し、図７に示すようなキャップ弁１３を図１０のように装着した比較例に係る排気構造の一例を示す。この場合、排気筒２０は上端が電槽蓋１９の一部を構成する収納部５１内に突出し、キャップ弁１３が該上端を覆うように冠着されている。この場合の弁押え蓋１８には、通常、凹部を設けないで、キャップ弁１３の上面と弁押え蓋１８の下面との間に若干の隙間を設けて電槽蓋１９に装着されるが、キャップ弁１３の上面が弁押え蓋１８いよって圧迫され、ガスの排出を阻害することもあり、隙間の調節が困難であった。

（実験１：開弁圧σの測定）
ＥＰＤＭゴムを用いて、図３、図４、図５、図６の形状の板弁１、７、９、１１と図７のキャップ弁１３を、ＡＢＳ樹脂を用いて、図２に示した電槽蓋５、弁押え蓋３、図８に示した電槽蓋１４、弁押え蓋３、図９に示した電槽蓋１７、弁押え蓋３、図１０に示した電槽蓋１９、弁押え蓋１８をそれぞれ作製した。サンプル１〜４は図３、図４、図５、図６の形状の板弁１、７、９、１１に対し、すべて図２に示した電槽蓋５、弁押え蓋３を使用した。サンプル５、サンプル６はいずれも図２に示した弁押え蓋３、図３に示した板弁１を使用し、サンプル５は図８に示した電槽蓋１４を、サンプル６は図９に示した電槽蓋１７を使用した。比較例は図１０に示した電槽蓋１９、弁押え蓋１８を使用し、図７に示したキャップ弁１３を使用した。これらの組合わせの一覧を表１に示す。これらをそれぞれ組み立て、各弁押え蓋を各電槽蓋の上部に設けられた棚部に超音波接着して排気構造を作製し、開弁圧測定装置によって加圧時の開弁圧のバラツキを測定した。

上記試験はサンプル１〜６および比較例を各１００個用い、圧力センサーとポンプを備えた開弁圧測定装置を各サンプルに接続して内部圧力を測定しながら加圧し、開弁時の圧力を測定した。測定した圧力の標準偏差σを表１に示す。表１から、比較例のσは１．４６であったのに対して、サンプル１〜６のσはそれぞれ０．９２、０．８６、０．８８、０．８４、０．９１、０．８９であった。この結果から、本発明に係る排気構造は加圧時の開弁圧のバラツキを抑制できることがわかる。

（実験２：加圧耐久回数の測定）
実験１と同じサンプル１〜６および比較例を作製した。これを用いて、各板弁の加圧耐久試験を行なった。試験は、実験１と同様に、開弁圧測定装置にて、内圧を測定しながら所定の圧力（１０ｋＰａ）まで加圧した後、大気圧まで戻す操作を繰り返して行い、所定の開弁圧（１０ｋＰａ）を維持できなくなった時点を加圧耐久回数として、結果を表１に示す。この加圧耐久回数を寿命と判定した場合、比較例の加圧耐久回数は８１４回であったのに対して、サンプル１〜６の加圧耐久回数はそれぞれ１７５６回、１５２１回、１８３８回、１７９３回、１９０２回、１８４４回であった。この結果から、本発明に係る排気構造は加圧耐久性が向上できることがわかる。

（実験３：負圧耐久回数の測定）
実験１と同じサンプル１〜６および比較例を作製した。これを用いて、各弁の負圧耐久試験を行なった。試験は、実験１と同様に、開弁圧測定装置にて、内圧を測定しながら所定の圧力（−１０ｋＰａ）まで減圧した後、大気圧まで戻す操作を繰り返して行い、この操作を１００回繰り返す毎に所定の圧力（１０ｋＰａ）まで加圧して、開弁圧（１０ｋＰａ）が維持できなくなった時点を負圧耐久回数として、結果を表１に示す。この負圧耐久回数を寿命と判定した場合、比較例の負圧耐久回数は１２００であったのに対して、サンプル１〜６の負圧耐久回数はそれぞれ２１００回、２０００回、２８００回、３１００回、３３００回、２２００回であった。この結果から、本発明に係る排気構造は負圧耐久性が向上できることがわかる。

これらのことから、板状で中央部に切込みを有する板弁と、該板弁を押圧する弁押さえ蓋を電槽蓋に備え、該板弁の切込みに当たる弁押さえ蓋の部分に凹部を設けたことにより、板弁の耐久性が向上でき、開弁圧のバラツキが抑制できることがわかる。

上述の実施形態では、電槽蓋の孔を極柱が挿通しているものについて説明したが、本発明は排気弁構造に関するものであるから、極柱の設け方はブッシング方式であってもよく、実験例に限定されるものではない。

また、板弁の材質はＥＰＤＭゴムやクロロプレンゴムに限定されず、電槽、電槽蓋にはＡＢＳ以外にポリプロピレンや、その他、耐酸性、耐酸化性と所要の剛性を有する合成樹脂を用いることができ、実験例に限定されるものではない。

本実験では、オイルやグリースを用いていないが、板弁の作動を妨害しないように、板弁の下面などに薄く塗布するのであれば、板弁の硫酸による劣化を防止することができる。

また、切込みの形状は一文字と十文字につき記載したが、弁に切り込みを有するにより効果がもたらされるものであるから、切込みの形状は図面や実験例に限定されるものではない。

また、弁押え蓋の固定方法は実験例では超音波接着を用いたが、これは板弁及び弁押え蓋の形状と材質によって決まるものであり、樹脂接着、嵌着、螺着などでもよく実験例に限定されるものではない。

また、図９に示す排気筒６の開口部の周囲を取り囲むように設けた突起１６の形状は、実施例では、断面形状が三角形であるものについて説明したが、これは半円形または四角形などでもよく、その本数も複数であってもよい。

図１は、電池の各セルにそれぞれ独立した板弁を備えた排気構造を示したが、排気構造の収納部５１を複数のセル室にまたがる溝状とし、個別のセル室に対応する切込みを設けた帯状の板弁とすることも可能であり、これも本発明に含まれる。

本発明の制御弁式鉛蓄電池は、その排気構造が簡単な構成で小型にできる上、耐久性、信頼性が高いので、通信機器、ＵＰＳは勿論、各種動力用などに広く使用することができ、産業上の利用可能性が大である。

本発明の実施例に係る制御弁式鉛蓄電池の電槽蓋の斜視図である。 図１のＡ−Ａ部の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例の、板弁の斜視図および切込みに沿う断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施例の、板弁の斜視図および切込みに沿う断面図である （ａ）、（ｂ）は本発明のさらに他の実施例の、板弁の斜視図および切込み沿った断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明のさらに他の実施例の、板弁の斜視図および切込みに沿った断面図である。 （ａ）、（ｂ）は比較例のキャップ弁の斜視図および中心を通る線に沿った断面図である。 他の実施例に係る制御弁式鉛蓄電池の電槽蓋に用いられる、図１のＡ−Ａに対応した断面図である。 さらに他の実施例に係る制御弁式鉛蓄電池の電槽蓋に用いられる、図１のＡ−Ａに対応した断面図である。 比較例に係る制御弁式鉛蓄電池の電槽蓋に用いられるキャップ弁の、図１のＡ−Ａに対応した断面図である。

符号の説明

１、７、９、１１ 板弁
２、８、１０、１２ 切込み
３、１８ 弁押え蓋
４ 貫通孔
５、１４、１７、１９ 電槽蓋
６、１５、２０ 排気筒
３１ 凹部
５１ 収納部
１３ キャップ弁
１６ 突起

Claims (6)

1. 板状で中央部に切込みを有する板弁と該板弁を押圧する弁押さえ蓋を電槽蓋に備えた制御弁式鉛蓄電池であって、該板弁の切込みに当たる弁押さえ蓋の部分に凹部を設けたことを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。
2. 板弁が凸型形状で、切込みが凸型の頂部から周辺に向かって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御弁式鉛蓄電池。
3. 切込みが直線状または十字状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の制御弁式鉛蓄電池。
4. 板弁の上面の切込み寸法がその下面の切込み寸法より大きいことを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の制御弁式鉛蓄電池。
5. 弁押え蓋の凹部の直径より、電槽蓋の排気構造に設けられた排気筒の内径が小さいことを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載の制御弁式鉛蓄電池。
6. 板弁の下面が接する排気構造に、排気筒の開口部の周囲を囲むように突起を備えたことを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記載の制御弁式鉛蓄電池。

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