JP2006520083A - 蓄電池セル用熱流調整カバー - Google Patents

Abstract

短絡状態中にホットスポットで熱を生ずる電気エネルギ蓄電池セル（３０）に使用される温度調整カバー（３４、３６、３８）。前記カバーは、前記電気エネルギ蓄電池セルの外部表面（３１）に一致するように形成され、前記ホットスポットより広い表面積にわたってホットスポットから熱を拡散する、熱伝導性部材からなる第１の層（３４、３６）を含む。前記カバーは、さらに、前記第１の層の外部表面（３５）に一致するように形成され、前記第２の層の外部表面（３９）への熱の流れを阻止する断熱材料からなる第２の層（３８）を含む。

Description

本発明は、本質的に安全な（ＩＳ）電気機器が必要とされる危険な産業立地で使用される装置に関する。特に、本発明は、電気エネルギ蓄電池セル（electric energy strage cells）に本質的な安全性を提供することに関する。

プロセスオートメーション産業では、危険なプロセスがあることは一般的である。装置故障によって引き起こされる事故を防ぐために、独立の機関が装置に対して本質的な安全性（ＩＳ）を保証する。この保証は、危険な気体、ほこりあるいは液体に点火するのに十分なエネルギを放出するような装置故障の状態が無いという基準に基づく。

バッテリ技術の進歩につれて、蓄電池セルは、同じパッケージサイズ内により多くのエネルギを蓄積することができるようになった。これは、携帯用の、電池で電力供給される、本質的に安全な装置のために二分構造を生成する。バッテリを承認するために用いられる試験認可条件のうちの１つは、バッテリの短絡およびその表面温度の測定である。様々な温度区分があるが、バッテリ表面のどの箇所も、その区分の限度を越えてはいけない。例えば、区分Ｔ４の限度は１３０℃である。最新式のバッテリは、典型的にはこのテストに失敗し、区分Ｔ４の最高許可温度を超過する。本質的な安全基準が満たされるべき危険な産業用地で用いられるエネルギ蓄電池セルおよびバッテリを適応させるための方法と装置が必要とされている。

短絡状態中にホットスポットで熱を生ずる電気エネルギ蓄電池セル上で使用するための温度調整カバーが開示される。カバーは、電気エネルギ蓄電池セルの外部表面に一致するように形成され、ホットスポットより広い表面積にわたってホットスポットからの熱を拡散する熱伝導性材料からなる第１の層を含む。カバーは、さらに、第１の層の外部表面に一致するように形成され、第２の層の外部表面へ熱が流れるのを阻止する断熱材料からなる該第２の層を含む。

以下に記述される実施例では、電気エネルギ蓄電池セル（単電池）は短絡状態中にホットスポット（hot spot）で熱を生ずる。ホットスポットは、精油所などの産業用の環境において、本質的な安全な（ＩＳ）温度限度を越えて、気体、ほこりあるいは可燃性の液体に点火する可能性のある表面温度になる。この問題を解決するために熱調整カバーが提供される。

カバーは、ホットスポットより広い第１の層の外部表面の一部分にホットスポットからの熱の流れを拡散する熱伝導性材料からなる第１の層を含む。絶縁材料からなる第２の層は、熱伝導層を覆い、第２の層の外部表面への熱の流れを阻止する。カバーされたエネルギ蓄電池セルの外部表面の温度は、燃焼を引き起こし得る温度より低くなる。

カバーされた蓄電池セルは、データ収集ユニットあるいはキャリブレータなどの携帯型ポータブル器具にエネルギ供給するために用いられるバッテリのように、本質的な安全性が必要とされる用途において用いられることができる。

図１は、短絡テスト期間中に熱を生ずる電気エネルギ蓄電池セル３０上の典型的な熱流調整カバー２８を組み立てる工程段階２０〜２４を示す。

第１のステップ２０で、長いバッテリ寿命を提供するために高いエネルギ貯蔵密度を有するセル３０が選択される。セル３０は、短絡状態下でホットスポットを生ずる円筒状の外部表面３１を有する。一例では、セル３０は、直径約１６ｍｍ、長さ約４０ｍｍの単三電池サイズである。他のサイズのセルも使用可能である。また、セルは、使い捨てセルあるいは充電式セルのいずれかであってもよい。

第２のステップ２２で、部材３４、３６の第１の層が、円筒状の外部表面３１を覆うように組み立てられる。部材３４、３６からなる第１の層は、高い比熱容量を有し、熱伝導性である。一例では、部材の第１の層は、円筒状の外部表面３１に一致するように形成された第１半殻３４および第２半殻３６を含む。部材３４、３６からなる第１の層は、外部表面３１を覆う。

第３のステップ２４で、部材３８からなる第２の層が提供される。部材３８からなる第２の層は断熱性である。部材３８からなる第２の層は、部材３４からなる第１の層の外部表面３５に一致するように形成される。部材３８からなる第２の層は弾力があるのが望ましく、セル３０の円筒状の外部表面３１に対して、部材３４、３６からなる第１の層をしっかりと適所に保持するように収縮される。部材３８からなる第２の層用に弾性材料を使用することによって、ギャップ成形加工における熱流の阻止問題が回避される。部材３８からなる第２の層は、ゴムまたは熱可塑性の材料で作られた、市販の熱収縮チューブであるのが望ましい。１つの実施例では、部材３８からなる層は、約１ｍｍの厚さを有する。

図２および図３は、共に高い伝導率層を形成する２つの半殻（half shells）３４、３６の正面図および左側面図である。各半殻３４、３６は、セル３０の外部表面３１に一致するように大きさを合わせられた、ほぼ半円筒形を有する。セル３０と半殻３４、３６との間の良好な嵌合および良好な熱接続を促すために、半殻３４、３６の間に小さなギャップＤが残される。小さなギャップＤは約０．８ｍｍで、高温で半殻３４、３６が熱膨張するためのスペースとなるように選択される。半殻３４、３６は、約１ｍｍの壁厚を有するアルミニウムチューブで形成されるのが望ましい。アルミニウムは、約４．９×１０^-2 (Kcal/sec)/ (meter²) (degree C/meter)の熱伝導率を有し、また、約０．２１９cal/ (gram) (degree C)の比熱を有する。半殻３４、３６は銅製でもよい。銅は、約９．２×１０^-2 (Kcal/sec)/ (meter²) (degree C/meter)の熱伝導率を有し、また、約０．０９３cal/ (gram) (degree C)の比熱を有する。適切な熱伝導率を有する他の物質が使用されてもよい。

セル３０の表面３１上にホットスポットがある場合、部材３４、３６からなる第１の層は、ホットスポットより広い第１の層３４の外部表面の一部分にわたってホットスポットからの熱の流れを拡散し、その一方で部材の第２の層３８は、第２の層３８の外部表面３９への熱の流れを阻止する。

１つの実施例では、第２の層３８の外部表面の温度が、短絡テスト期間中に摂氏１３０度またはそれ以下の測定最高温度を有するように、層３４、３６、３８の厚さが調節される。層３４、３６、３８の厚さは、熱有限要素解析（ＦＥＡ）の使用、熱試験、あるいは熱ＦＥＡと熱試験との組み合わせによって、選択されることができる。

図４および図５は、複数のカバーされた電気エネルギ蓄電池セル５２、５４、５６、５８、６０を含むバッテリ５０の１例を示す。図４はバッテリの平面図であり、図５はバッテリの部分左側面図である。このバッテリ５０は可燃性大気中での使用に適している。

複数の電気エネルギ蓄電池セル５２、５４、５６、５８、６０はそれぞれ、図１〜３に関連して上述されたような熱調整カバーで覆われている。電気的相互接続点６２、６４、６６、６８は金属片であり、直列回路を形成するように、セル５２、５４、５６、５８、６０に溶接された箇所である。保護装置７０は、セル６０と負極電気接続リード７２との間に直列に接続される。保護装置７０は、波形の継手７１によって電気接続リード７２に結合される。電気接続リード７２および保護装置７０は、埋め込み用樹脂７３によって適所に固定される。正極電気接続リード７４は、セル５２に接続される。

保護装置７０は、溶融結合方式（fusible link）で構成されるのが望ましく、特に部品番号２６５００２のピコヒューズが用いられる。短絡試験の間中、保護装置７０は、故障状態をシミュレートするために、橋絡される（一時的に短絡される）ことができる。

セル５２、５４、５６、５８、６０、保護装置７０、相互接続点６２、６４、６６、６８、およびリード７２、７４は、機械的にそれらを支持するように形成されたプラスチック樹脂シェル８０内に配置される。プラスチック樹脂シェル８０は、前記半殻との短絡を低減し、付加的な機械的支持を提供するために、セル５２〜６０と電気的相互接続点６２〜６８の間に配置されるプラスチック樹脂分離棒８２、８４、８６、８８を含む。

図６〜８はそれぞれ、電気エネルギ蓄電池セル１０６、１０８、１１０の外部表面上のホットスポット１００、１０２、１０４から流れる熱を示す。図６〜８図においては、熱の流れが概略的に矢印で示され、等温線が概略的に破線で示される。

図６では、セル１０６上のホットスポット１００はカバーの無い状態のままで、セル１０６の外部表面１１２の温度は、短絡テストの間中、摂氏１３０度を超える。カバーの無いセル１０６は、本質的安全（ＩＳ）規格等級が要求される産業環境で使用するのに適さない。セル１０６の外部表面は、可燃物に点火するのに十分熱いホットスポット１００を有している。

図７では、セル１０８上のホットスポット１０２は断熱材料１１４で覆われている。断熱材料の外部表面１１６の表面温度は、短絡テストの間中、１３０度より低くとどまるが、ホットスポット１０２は断熱されて、セル１０８を過熱し永続的に損傷（damage）を与えるので、本質的な安全環境で使用するのに適さないことが分かる。

図８では、ホットスポット１０４は、熱伝導性材料からなる第１の層１２０と、図１−３に関して上述したような断熱材料からなる第２の層１２２とで覆われている。図示されるように、第１の層１２０は、ホットスポット１０４からの熱の流れを広い表面積上にわたって拡散する。表面の単位面積あたりの熱流が低減される。熱流は、セルの軸に沿っておよび周辺のどちらにも拡散するので、熱が流れるのに利用可能な面積は事実上拡大する。断熱層１２２は、熱流を制限し、さらに熱伝導層１２０を通して熱を拡散するのを助長する。外部表面１２４の温度は摂氏１３０度より低くとどまるが、熱は広い面積一帯に導かれるので、十分に拡散される。セル１１０は過度に熱せられないので、本質的に安全な環境で使用することができる。

短絡テストの間中バッテリ表面で生じる「ホットスポット（hot spots）」は、可燃物との接触から効果的に遮蔽される。第１の熱伝導性層は、密接に接触して、高い熱伝導率を有する部材でセルを囲む。この層は、より広い表面積上に「ホットスポット」の熱エネルギを分配し、それにより最高表面温度を低くする。第２の層は、密接に接触して、部材の第１の層を覆う。部材の第２の層は、低い熱伝導率を有する。この部材は、第１の層と周囲の空気との間の断熱材の役割をする。各層の熱伝導率の値は、部材の第２の層の表面温度が所望の温度区分の要求値未満であるような値である。

高エネルギ密度のバッテリは、前述のカバー配列を使用するＴ１からＴ４の温度区分のゾーン１および２の危険領域内で使用されることができる。カバーは、使い捨てのバッテリ用にだけでなく二次電池にも使用されることができる。より大きな内部容量を有する最新式のバッテリにも、本発明を使用することができる。これらの最新式のバッテリは、短絡テスト時に、規定で許可されるよりも高い表面温度に達するセルを含んでいる。カバーは熱流を調整し、内部容量の大きいバッテリのこの問題に対する解決策を提供する。セルの直列配列が示されたが、セルの並列配列も使用可能であることは当業者によって理解されるだろう。

本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識できるであろう。

電気エネルギ蓄電池セル上に熱流調整カバーを組み立てる工程段階を示す。 熱伝導性層を形成する２つの半円シェルの正面図および左側面図である。 熱伝導性層を形成する２つの半円シェルの正面図および左側面図である。 複数のカバーされた電気エネルギ蓄電池セルを含むバッテリを示す。 複数のカバーされた電気エネルギ蓄電池セルを含むバッテリを示す。 複数の電気エネルギ蓄電池セルの外部表面上のホットスポットからの熱の流れを示す。 複数の電気エネルギ蓄電池セルの外部表面上のホットスポットからの熱の流れを示す。 複数の電気エネルギ蓄電池セルの外部表面上のホットスポットからの熱の流れを示す。

符号の説明

２８……熱流調整カバー、３０……電気エネルギ蓄電池セル、３１……円筒状の外部表面、３４……第１の層の第１半殻、３５……第１の層の外部表面、３６……第１の層の第２半殻、３８……第２の層、３９……第２の層の外部表面

Claims (16)

1. 電気エネルギ蓄電池セルの外部表面に一致するように形成された熱伝導性部材からなる第１の層、および
   前記第１の層の外部表面に一致するように形成された断熱材料からなる第２の層を含む電気エネルギ蓄電池セルの温度調整用カバー。
2. 電気エネルギ蓄電池セルが短絡状態中にホットスポットで熱を生じ、前記部材の第１の層が、前記ホットスポットより広い第１層の一部外部表面にわたって熱流を拡散し、前記部材の第２の層が、前記第２の層の外部表面へ熱が流れるのを阻止する請求項１のカバー。
3. 前記第２の層の外部表面の温度が、短絡状態中に、摂氏１３０度またはそれより低い測定最高温度を有する請求項１のカバー。
4. 前記部材の第１の層がアルミニウムからなる請求項１のカバー。
5. 前記部材の第１の層が銅からなる請求項１のカバー。
6. 前記部材の第２の層が熱収縮チューブからなる請求項１のカバー。
7. 前記部材の第２の層が弾性部材からなる請求項１のカバー。
8. 前記カバーが、エネルギ蓄電池セルの丸い表面の片側をそれぞれ覆う２つの半殻からなる請求項１のカバー。
9. 複数の電気エネルギ蓄電池セルであって、各々のセルが、当該電気エネルギ蓄電池セルの外部表面に一致するように形成された熱伝導性部材からなる第１の層によって覆われ、前記第１の層の外部表面に一致するように形成された断熱材料の第２の層によって覆われた電気エネルギ蓄電池セル、
   電気的接続リード、
   溶融結合方式を含む保護装置、および
   前記保護装置および前記電気的接続リードと直列の複数の前記電気エネルギ蓄電池セルに相互接続する電気的相互接続点を含む可燃性大気中で使用されるバッテリ。
10. さらに、複数のカバーされたセルおよび前記保護装置を収容するように形成されたプラスチック樹脂シェルを含む請求項９のバッテリ。
11. 前記プラスチック樹脂シェルが、短絡を低減するために前記セルと前記電気的相互接続点との間に配置されたプラスチック樹脂分離棒を含む請求項９のバッテリ。
12. 電気エネルギ蓄電池セルの外部表面に一致する、熱伝導性材料からなる第１の層で前記電気エネルギ蓄電池セルの外部表面を覆うこと、
    断熱材料からなる第２の層を提供すること、および
    前記部材の第１の層の外部表面に一致するように前記第２の層を形成することを含む短絡状態中に熱を生ずる電気エネルギ蓄電池セルを覆うプロセス。
13. 前記部材の第１の層がアルミニウムである請求項１２のプロセス。
14. 前記部材の第１の層が銅である請求項１２のプロセス。
15. 前記部材の第２の層が熱収縮チューブである請求項１２のプロセス。
16. 前記エネルギ蓄電池セルの湾曲した表面を覆う、２つの半殻形のように前記部材の第１の層を形成することを含む請求項１２のプロセス。

Images