JP2006216557A - フレームアレスターを組み込むバッテリ充填バルブを包含する一括バッテリ給水システム - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥下での補水中に複数のバッテリ間で火炎が内部伝播することを防止することができる、一括給水システムに使用する充填バルブを提供する。
【解決手段】バルブの入力ポート２０からバルブの出力ポート１２への内部流体流路を規定するバルブ構造体と、前記流路内に位置する多孔性フレームアレスター１４、１６を備え、そのフレームアレスター１４、１６はバッテリのセル間の火炎伝播を防止する。前記フレームアレスターの材料はポリビニルクロライド、ナイロン、フルオロカーボン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリプロピレン、セルロース誘導体樹脂、アクリル樹脂からなるグループより選択する。
【選択図】図３

Description

発明の背景

本発明は一般に一括バッテリ給水システムに関する。更に詳しくは、本発明は、乾燥下での補水中に複数のバッテリセル間で火炎が内部伝播することを防止するために、一括給水システムに使用する充填バルブの改良に関する。上述の機能を果たすために本発明の充填バルブは、バルブ内の流水路内に多孔性フレームアレスターを組み込んでいる。

鉛酸バッテリは、複数のセルユニット内で生じる電気化学反応により電気エネルギを与える。バッテリ内の各セルユニットは、過酸化鉛（ＰｂＯ_２）正極板と、鉛（Ｐｂ）負極板と、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）及び水（Ｈ_２Ｏ）からなる電解液とを収容している。電気エネルギは、硫酸が各極板中の鉛と反応して硫酸鉛（ＰｂＳＯ_４）及び水を形成する際の放電中に発生する。全体的な反応は以下の通りである。

Ｐｂ＋ＰｂＯ_２＋２Ｈ_２ＳＯ_４→２Ｐ_２ＳＯ_４＋２Ｈ_２Ｏ＋電気エネルギ
再放電の際には逆反応が生じ、ここでは各板における鉛が水と反応して変化して、その原形態へ復帰する。再放電反応は、電気分解、即ち二段階反応も誘発し、ここでは水が水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）ガスに変化する。

２Ｈ_２Ｏ_４→４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ^―
４Ｈ^＋＋４ｅ^―→２Ｈ_２
再放電及び電解は、バッテリに水損失をもたらす。更にバッテリセルは、乾燥化で作動しているならば蒸発によって水が失われる。従って鉛酸バッテリの多くは、そのセルに定期的に補水せねばならない。

鉛酸バッテリに補水する好ましい方法は、一括給水(single point watering: SPW)システムを用いるものである。一般に一括給水システムは、管系を通じて複数の充填バルブに接続された給水チューブを含んでいる。ＳＰＷシステムにおける各充填バルブはバッテリ内の単一のセル上に取り付けられている。この充填バルブは、セル内の液体が所定のレベルに達すると直ちに自動的に遮断される。

補水する間、電解により生成したＨ_２及びＯ_２ガスはセルから駆遂される。その後、これらのガスは着火して火炎を生じさせることがある。この火炎は管系を通じて他のセルへ伝播して破壊的な爆発を引き起こす。その未然防止策として、多くの充填バルブは内部ウォータトラップ及び外部フレームアレスターを包含している。

外部フレームアレスターは通常は充填バルブの外側のベントポートに配置されている。これは低酸素環境、即ち燃焼を持続させる充分な酸素がない環境を与えることにより、火炎の外部伝播を防止する。しかしながら外部フレームアレスターは、ガスがバルブ又は管系へいったん広がってしまったら、火炎伝播を防ぐことはできない。一方、内部ウォータトラップは充填バルブ内に位置しているので、そのような伝播の防止手段を与える。これらのトラップは貯水器内の保持水を用いて、ＳＰＷシステム内に発生した火炎又はスパークを消火する。トラップ内の水はセル間ガス拡散も防止する。

内部ウォータトラップが機能するのは、そこへ水分が補給されているときのみである。従ってトラップ内の水が蒸発する乾燥雰囲気下で用いるには実用的でない。このような乾燥雰囲気とは、暑い気候下又はバッテリが蒸発温度にあるときの操作を含む。後者は、最近の「迅速放電」システムを用いる機器ではしばしば生じる状況であり、そのようなシステムではバッテリが短時間に放電されて、冷却期間を伴わずに頻繁に使用される結果として、高温の使用温度がもたされる。ウォータトラップの更なる不都合は、かび菌その他の汚染物質がトラップ内を伝播してバルブに付着して、ひいてはバルブを故障させることである。

従来技術における制約から明らかなように、一括給水システムを通じるバッテリセル間の火炎の内部伝播の防止という未解決の要請がある。本発明は係る要請を解決する。

発明の概要

本発明は、湿式セルバッテリに補水する一括バッテリ給水システムに使用する充填バルブを対象としている。この充填バルブは、バルブの入口ポートからバルブの出口ポートへの内部流体流路を含んでいる。この充填バルブは内部多孔性フレームアレスターを使用しており、これは流体流路中にあって、火炎消火のための水分補給の必要はない。このような設計の利点は、乾燥雰囲気下でのバッテリ給水システムによりバッテリセル間の火炎の内部伝播を防止することである。

本発明を特徴付ける新規な特徴は添付の特許請求の範囲に記載してある。しかしながら、本発明の好ましい実施例は、更なる目的とそれに付随する利点と共に、添付図面に関連した以下の詳細な説明を参照することにより最もよく理解されよう。

好ましい実施例の詳細な説明

水の流路内に多孔性内部フレームアレスターを利用する一括バッテリ給水システムにおける充填バルブは管系を通じてのバッテリセルの間の火炎の内部伝播を防止する。ＳＰＷシステムの充填バルブにおける上述のようなフレームアレスターの使用は、頻繁な水和を必要とすることなく内部火炎伝播を防ぐ点で有益である。このようなフレームアレスターの使用は、ウォータトラップにみられる汚染物質から引き起こされるバルブ故障のおそれも解消する。本発明の内部フレームアレスターは、バッテリのベントプラグにおける従来の内部フレームアレスター及びフレームアレスターと同様な火炎阻止特性を持つ。しかしながら、この種の従来のフレームアレスターは、水の流路中に用いるには流路を過度に狭め、また小さな孔は浮遊する粋片で閉塞するものと考えられる。対照的に、本発明の内部フレームアレスターは水流に実質的に干渉しない。

ここで図１を参照すると、本発明に使用するのに適する充填バルブ１０が示されている。充填バルブ１０はバルブの入口ポートからバルブの出口ポートへの内部流体流路を含んでいる。流体は、充填バルブへその基端にて水口コネクタ１１を通じて入り、バルブの末端から出てバッテリセルへ入る。末端は、セルガスベントポート１３を備えており、これはバルブがセルに挿入された際に駆逐されるガスを受け入れる。それらのガスはポートを通じて充填バルブへ入り、セルガス出口ポート１２を通じて出る。充填バルブ１０の個々の部品は、流体流路内に配置される多孔性内部フレームアレスター１４を含んでおり、図２に示されている。また図２に示すように、本発明の充填バルブは外部火炎伝播を防止する外部フレームアレスター１６を更に備えてもよい。

ここで図３を参照すると、代表的な充填バルブ１０の断面図が示されている。図示のように内部フレームアレスター１４は水口コネクタ１１と入口ポート２０との間に配置することが好ましい。外部フレームアレスター１６は好ましくはバルブキャップ１８内に配置され、カバー１５及びバッフル１７により所定位置に保持される。このような配置によれば、セルガスベントポート１３へ入る排出ガスは、セルガス出口ポート１２を通じてバルブを出る前に、外部フレームアレスターへ接触することになる。

フレームアレスター１４は複数の気孔を有する多孔性ディスクであることが好ましい。好ましくは、気孔は９０乃至１２０ミクロン径であり、更に好ましくは約１２０ミクロン径である。フレームアレスター１４の厚さは好ましくは１インチ（約２．５ｃｍ）未満であり、更に好ましくは約１／８インチ（約３ｍｍ）厚である。気孔は内部フレームアレスター１４の体積の約３０乃至４０％を占めることが望ましい。内部フレームアレスターの気孔寸法、気孔容積及び厚さが好ましい範囲外にあっても、それらが水流を実質的に遮断しないのであれば、そのようなフレームアレスターを本発明に用いてもよい。同様に、ディスク状以外の形状（例えば立方体、球状又は円筒状）を持つフレームアレスターも本発明への使用に適する。

一つの実施形態では、内部フレームアレスター１４は一つ以上のセラミック材料、例えば酸化アルミニウムセラミックから構成してもよい。他の実施形態においては、内部フレームアレスター１４は熱可塑性ポリマー、例えばポリビニルクロリド、ナイロン、フルオロカーボン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリプロピレン、セルロース誘導体樹脂、及びアクリル系樹脂から構成してもよい。

本発明に用いるのに適した内部フレームアレスターの一例は、Ｐｏｒｅｘ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社の「Ｘ−５６６６ 多孔性ポリプロピレンフレームアレスター」である。このフレームアレスターはディスク状であって、３／８インチ（約９ｍｍ）径、１／８インチ（約３ｍｍ）厚、気孔寸法約１２０ミクロン、気孔容積約３０乃至４０％である。ＳＡＥ規格試験"Battery Flame Retardant Venting System Test SAE J1495"を用いて、一括バッテリ給水システムの充填バルブにおけるＸ−５６６が鉛酸バッテリセル間の火炎伝播を阻止することを実証した。他の試験は、内部フレームアレスターは、高圧流下の耐用年数５年相等の後も劣化又は腐食の兆候が表れないことを示している。

試験はＸ−５６６フレームアレスターが流量を制限する兆候を示さないことも実証した。試験中に給水した水は水道水であり、一括給水システムに用いられる代表的な工業用水供給機器である８０メッシュスクリーン管内ストレーナを用いた。このフレームアレスターに起因する流量制限は、１／１６径オリフィスに相当することが見いだされており、これは図３に示す充填バルブの入口ポート２０とほぼ同じ大きさである。更に、内部フレームアレスターにおける気孔の累積断面積は、入口ポート２０の断面積の約１０倍と見積もられる。

充填バルブ１０のより詳細な断面図を図４に示す。ここでは流体が水口コネクタ１１を通じて充填バルブへ入る。次いで流体は内部フレームアレスター１４及び入口ポート２０を貫流して貯水器２１へ入り、この貯水器は内部ウォータートラップとしての役割を果たす。満水になると、貯水器２１内の流体はチャンバ２２へ流れる。図４に示される充填バルブはバッテリのセルが流体で充満したときに生じる閉止位置にある。ディスプレーサー２６はバルブ支持アセンブリのステム２７へ直接に接続されている。流体レベルが低いとき、ディスプレーサーはそのリセット位置にあり、この位置では上部バルブ２８と下部バルブ２９との両方を開放する。このように配向されると、水はチャンバ上部バルブポート２３及び下部バルブポート３０へ自由に流れる。次いで水は開口２４を通じてバッテリセルへ流れる。上部バルブポート２３は、水をセルへ流す他の開口２５も備えている。電解液液面がディスプレーサー２６を持ち上げるのに充分な程度に上昇すると、供給ラインの圧力によって上部及び下部バルブがそれらの弁座３１及び３２へ押し付けられて、セルへの更なる流れを遮断する。このようなアセンブリは米国特許第６，２２７，２２９号に更に詳細に説明されており、同米国特許は本願に参照により組み込まれている。

単一の内部フレームアレスターのみを図２乃至４に示したが、本発明の他の実施態様においては、フレームアレスターが水流に実質的に干渉しない限りは、複数のフレームアレスターを用いてもよい。

本発明の充填バルブは、別のＳＰＷシステムと共に用いてもよい。一つの実施態様では、ＳＰＷシステムは、水口コネクタ１１を持つ複数の充填バルブ１０と、単独の水供給源と、水口コネクタを通じて充填バルブへ給水する管系とを備えてもよい。このようなＳＰＷシステム及びその変形例は米国特許第５，８３２，９４６号、同第５，２８４，１７６号、同第５，４８２，７９４号、及び同５，４５３，３３４号に詳細に説明されており、これらの米国特許の開示事項は本明細書に参照により組み込まれている。

硬質マニホルド配列を持つ一括バッテリ給水システムを本発明の充填バルブに用いてもよい。このようなＳＰＷシステムは幾つかの硬質マニホルドを備え、その各々のマニホルドは複数の充填バルブを収容する。各マニホルドは、それに収容された複数の充填バルブを互いに流体連通させる長手給水管も包含して入る。更に管系は水供給管によりマニホルドを互いに流体連通させる。このような硬質マニホルド配列を持つＳＰＷシステムは、米国特許第６，７８２，９１３号、同第６，６４４，３３８号、及び米国特許出願第２００４／０１６１６６１号に開示されており、それらの開示事項も本明細書に参照により組み込まれている。

本発明のＳＰＷシステムに使用されるバッテリは任意の湿式セルバッテリとしてもよく、好ましくは湿式セル鉛酸バッテリ、更に好ましくは迅速放電装置に用いられるディープサイクル鉛酸バッテリである。本発明の充填バルブは好ましくはＳＰＷシステムに用いられてバッテリセルに補水するが、他の流体、例えば電解液をセルへ供給するために用いてもよい。

上述の説明には特に明示しなくても本発明の多数の実施形態が本発明の目的及び要旨の範囲内にあることが明らかであろう。従って上述の説明は例示のみを意図したものであり、本発明の範囲は専ら添付の請求項によって判断すべきものである。

図１は本発明の充填バルブの一実施例の斜視図である。 図２は図１の充填バルブの個々の部品を示す拡大図である。 図３は本発明の実施に有益な充填バルブの単純化した断面図である。 図４は図１の充填バルブの詳細な断面図である。

符号の説明

１０：充填バルブ
１４：性内部フレームアレスター
１６：外部フレームアレスター
２０：入口ポート（入力ポート）

Claims (8)

1. バッテリセルへ流体を供給する一括バッテリ給水システムに使用する充填バルブであって、
   バルブの入力ポートからバルブの出力ポートへの内部流体流路を規定するバルブ構造体と、
   前記流路内に位置する多孔性フレームアレスターとを備え、そのフレームアレスターはバッテリのセル間の火炎の内部伝播を防ぐ充填バルブ。
2. 請求項１に記載の充填バルブにおいて、前記フレームアレスターは、ポリビニルクロリド、ナイロン、フルオロカーボン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリプロピレン、セルロース誘導体樹脂、及びアクリル系樹脂からなるグループから選択された材料により形成されている充填バルブ。
3. 請求項１に記載の充填バルブにおいて、前記フレームアレスターはセラミック材料からなる充填バルブ。
4. 請求項１に記載の充填バルブにおいて、前記フレームアレスターは気孔の大きさが約１２０ミクロンである充填バルブ。
5. 請求項１に記載の充填バルブにおいて、前記フレームアレスターは、その厚さが約１／８インチ（約３ｍｍ）である充填バルブ。
6. 請求項１に記載の充填バルブにおいて、外部フレームアレスターを更に備える充填バルブ。
7. 請求項１に記載の充填バルブにおいて、内部ウォータートラップを更に備える充填バルブ。
8. 請求項７に記載の充填バルブにおいて、前記充填バルブを所定の流体レベルで遮断させる制御デバイスを更に備える充填バルブ。
   

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