JP2012109130A

JP2012109130A - 制御弁式鉛蓄電池

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Publication number: JP2012109130A
Application number: JP2010257471A
Authority: JP
Inventors: Ikumi Motoi; 郁美元井
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-06-07

Abstract

【課題】制御弁の開閉動作における開弁圧、閉弁圧の値およびそのバラツキを抑制して、高信頼性の制御弁式鉛蓄電池を提供する。
【解決の手段】潤滑剤を介して電槽蓋弁筒に配置されるキャップ弁と、その弁を押圧する弁押さえ蓋を有する制御部を備える制御弁式鉛蓄電池であって、そのキャップ弁の内径と厚み、および潤滑剤の混和ちょう度との関係が、キャップ弁の厚みをキャップ弁の内径で除した値を、さらに潤滑剤の混和ちょう度で除して求めた値が、３．０×１０^−４より大きく、４．０×１０^−４より小さい範囲であることを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。
【選択図】図５

Description

本発明は制御弁式鉛蓄電池に関するもので、特に電槽蓋に備えられた安全弁を構成する制御弁の構造と使用する潤滑剤との関係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。この制御弁式鉛蓄電池に備わる弁構造の制御部には、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、安全のために開弁して最小限のガスを放出し、その後には確実に閉弁するもので、また開弁により電槽内部の圧力が低下した際にも、外気は電槽内部へ流入しないように制御動作する安全弁である制御弁が使用されている。

電槽内圧が上昇した場合に安全弁である制御弁が作動せずに、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制御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制御弁の機能低下は、電池性能、および寿命に致命的な影響を及ぼすものである。

鉛蓄電池に使用される制御部の弁には、一般にキャップ状のキャップ弁と板弁を用いたものに大別され、その材料にはクロロプレンゴム、ＥＰＤＭゴム等の耐酸、耐酸化性、耐候性にすぐれた弾性体が用いられている（特許文献１、２など参照）。
図１では、キャップ弁２が電槽蓋１０に備えられた排気口１２（図１では電槽蓋１０に設けられている場合を示すが、電槽（図示せず）に設けられている場合もある）に装着され、電池内圧が上昇した場合に、キャップ弁２の裾が拡がって開弁し、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２の裾は常に排気口１２の頭部（以下、弁筒と称す）に密着し、電池の密閉性を保つ仕組みとなっている。１１はキャップ弁を収納する弁収納部、１４は押圧蓋、１５は排気孔である。
このようなキャップ弁２では、その弁の密閉性はゴムの弾性に頼るため、弁筒とキャップ弁２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ものである。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。

そこで、この問題を解決するため、図２（図１のＡ−Ａ断面図）のようにキャップ弁２と弁筒１２ａとの間にオイルやグリースなどの潤滑剤３を塗布することが行なわれているが、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に潤滑剤を塗布しても、その潤滑剤の特性によっては開弁圧や閉弁圧が、設定された規準を超えてしまったり、低くなったりして、制御弁の安全弁としての正常な動作を阻害してしまうという問題や、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。

特開２００５−３４７０３５号公報特開２００４−３１０３９号公報

そこで、キャップ弁と弁筒との間に潤滑剤を塗布した構造を採用する鉛蓄電池用制御弁における問題点、特にオイルやグリースなどの潤滑剤を塗布しても塗布の程度によって開弁圧や閉弁圧が規準を達成しない、さらにバラツキが生じるという問題、さらには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して機能低下を起こすなどの問題を解決するために、本発明者らは弁筒並びにキャップ弁の構造と潤滑剤との関係を鋭意調査、研究し、本発明の完成に至ったもので、制御弁の開閉動作における開弁圧、閉弁圧の値およびそのバラツキを抑制して、高信頼性の制御弁式鉛蓄電池を提供するものである。

本発明の第１の発明は、潤滑剤を介して電槽蓋弁筒に配置されるキャップ弁と、その弁を押圧する弁押さえ蓋を有する制御部を備える制御弁式鉛蓄電池であって、そのキャップ弁の内径と厚み、および潤滑剤の混和ちょう度との関係が、キャップ弁の厚みをキャップ弁の内径で除した値を、さらに潤滑剤の混和ちょう度で除して求めた値が、３．０×１０^−４より大きく、４．０×１０^−４より小さい範囲であることを特徴とするものである。

本発明の第２の発明は、第１の発明におけるキャップ弁の厚みをキャップ弁の内径で除した値が、０．０７より大きく、０．１８より小さく、且つ、潤滑剤の混和ちょう度が２２０より大きく、４３０より小さいことを特徴とする制御弁式鉛蓄電池である。

本発明の第３の発明は、第１又は第２の発明におけるキャップ弁が、耐酸性を有する弾性体、さらには耐酸性を有するゴムであることを特徴とする制御弁式鉛蓄電池である。

本発明を適用することによって、制御弁式鉛蓄電池における制御部を構成するキャップ弁の開閉動作における開弁圧、閉弁圧の値およびそのバラツキを抑制して、使用中の鉛蓄電池に高信頼性を与え、且つ継続して安全な状態を保つことを可能とする。
さらには、潤滑剤の混和ちょう度の経時変化を予め把握しておくことで、制御弁式鉛蓄電池の使用時間における制御弁の機能低下に対するメンテナンスを可能とし、鉛蓄電池の安定した継続使用を可能とする。

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線における断面図で、制御部の断面を示す図である。本発明の実施例に係る制御弁式鉛蓄電池の斜視図である。キャップ弁の形状を示す図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）はａ−ａ’線断面図である。本発明におけるキャップ弁の内径、厚みと潤滑剤の混和ちょう度の関係を示す図である。実施例における指数「ｔ／φ÷ｋ」と開弁圧との関係を示す図である。

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２０は、図３に示すような電槽２１の上部が開口し、その電槽２１の内部は複数のセル室からなり、それらのセル室には極群２２が挿入されている。その極群２２は、セパレータ２５を介して正極板２３及び負極板２４が交互に積層されたものからなり、複数の正極板２３の耳部は正極用ストラップ２３ａ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接続桿２６よってセル間接続されている。また、セル室の正極用ストラップ２３ａからは正極用極柱２３ｂが開口部の方向に、負極用ストラップ（図示せず）からは負極用極柱（図示せず）が開口部の方向に設けられている。
それらの正極板２３、および負極板２４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。なお、２７はターミナル（電極端子）である。

一方、電槽の開口部は、図１に示されるように電槽蓋１０によって溶着又は接着されている。この電槽蓋１０には、正極用極柱及び負極用極柱を挿通するための孔部（図示せず）と、セル室に対応して設けられた注液口を兼ねる排気口１２とが設けられ、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。
この注液口を兼ねる排気口１２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開閉動作を行うキャップ弁２を備える制御部（安全弁構造とも称す）が排気口１２の頭部（弁筒）に設けられている。

その制御部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。
図２は本発明の制御部の構造を説明するための模式図で、１は制御部で、キャップ弁２、潤滑剤層３、弁押圧蓋１４を備えている。１０は電槽蓋、１１はキャップ弁を収める弁収納部、１２は排気口、１２ａは弁筒である。
図４はキャップ弁２の形状を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）ａ−ａ’線における断面図である。

図２、図４に示す制御部１において、使用するキャップ弁２の内径をφ、キャップ弁２の裾部２ａの厚み（肉厚とも称す）をｔとし、潤滑剤層３を構成する潤滑剤の動粘度を表す指標である混和ちょう度をｋとする場合、弁筒１２ａに備えられるキャップ弁２の開閉動作における開弁圧、閉弁圧の値およびそのバラツキを抑制して、使用中の鉛蓄電池に高信頼性を与え、且つ継続して安全な状態を保つためには、下記数式（１）に示す関係を満たすように、キャップ弁の内径φ、厚みｔ、混和ちょう度ｋを選択することが望ましい。下記数１の数式（１）の範囲内においては、状況に応じた確実な開閉動作を行う制御部（安全弁構造）を得ることができる。

より望ましくは、下記数２に示す数式（２）から（４）の関係を満たすものである。

ここで、ｔ／φは、キャップ弁の柔軟性を示す指標として使用するもので、キャップ弁２の裾部２ａの厚みｔ（以下、キャップ弁の厚みｔと称す）をキャップ弁２の内径φで除した値である。
キャップ弁の厚みｔは、その値が大きくなるにつれてキャップ弁は硬くなり柔軟性が失われる。一方、厚みｔが小さくなる場合では、柔軟性が増す傾向にある。
また、キャップ弁の内径φは、広がるにつれてキャップ弁の柔軟性が増加する傾向を示す。
したがって、ｔ／φの値は大きくなるにつれて、キャップ弁は柔軟性が失われ硬くなるものである。

本発明の制御弁式鉛蓄電池に用いられるキャップ弁のｔ／φは、０．０７〜０．１８が望ましい。その値が０．０７より小さくなると、キャップ弁は、より軟らかくなり、変形し易くなって、わずかな圧力の元でも開弁、閉弁動作を生じてしまう。一方、０．１８より大きくなるとより硬くなり、潤滑材を選定しても開弁、閉弁動作には大きな圧力が必要となってしまうためである。

一方、潤滑剤の混和ちょう度ｋは、ＪＩＳＫ２２２０に標準化される潤滑剤の動粘度にあたるものである。その混和ちょう度ｋの値は数字が小さいほど潤滑剤は硬くなり、逆にその値が大きくなるにつれて潤滑剤は軟らかくなる。
本発明の制御弁式鉛蓄電池に用いる潤滑剤の混和ちょう度の範囲は、２２０〜４３０の範囲が望ましい。混和ちょう度が２２０未満の潤滑剤では硬くなるためキャップ弁との密着が強くなり、弁の開閉動作には高い圧力が必要となり、電槽の破裂などを起こす恐れが高くなり、反対に４３０を超える混和ちょう度の潤滑剤では軟らかいために、発生するガスに対する抵抗力が小さくなり、低い圧力で開弁動作をしてしまう。
この範囲内において、キャップ弁柔軟性指標ｔ／φに対応し、上記数１（数式（１））または数２（数式（２）から（４））を満足する適切な混和ちょう度を有する潤滑剤を選択する。

ここで、数１、２に示される本発明におけるキャップ弁柔軟性指標ｔ／φを潤滑剤の混和ちょう度ｋで除した関係（以下、制御弁指数と称す）は、キャップ弁の変形のし易さと塗布された潤滑剤の動粘度の大小との比であり、このキャップ弁の柔軟性が小さい場合には、軟らかい潤滑剤（混和ちょう度ｋは大）を用いることによって弁の開閉動作がスムーズに行え、一方、キャップ弁の柔軟性が大きい場合は、軟らかすぎない潤滑剤によって、弁の開閉動作を制御することができる。
その比が３．０×１０^−４〜４．０×１０^−４、望ましくは３×１０^−４〜４×１０^−４の比で、０．０７＜ｔ／φ＜０．１８、２２０＜ｋ＜４３０範囲になるようにキャップ弁の寸法と、使用する潤滑剤の混和ちょう度を適宜選択することによって、適当な開弁圧、閉弁圧を備える制御部に設定することが可能となる。

図５に上記数１、数２の関係を、横軸にキャップ弁柔軟性：ｔ／φ、縦軸に混和ちょう度：ｋを配したグラフで示し、本発明の選択範囲を表示する。

さらに、潤滑剤の混和ちょう度ｋの値は、ＪＩＳＫ２２２０にも示されるよう（表１）に、通常ある範囲を有して表示されるので、その範囲内において開閉動作のバラツキも把握可能である。

したがって、制御部の設計は、鉛蓄電池の弁筒（図２の１２ａに示す部位）の外径に対応するキャップ弁の内径φの寸法に合わせ、数式（１）または数式（２）〜（４）を満足するようにキャップ弁の厚みｔ、使用する潤滑剤の混和ちょう度ｋを設定する。

さらに、用いる潤滑剤の使用環境における混和ちょう度の経時変化を予め把握してデータテーブル化しておくことによって、本発明の制御弁式鉛蓄電池の利用開始からの経過時間に対応した潤滑剤の混和ちょう度の値を先のデータテーブルから読み取り、そのｋの値から「ｔ／φ÷ｋ」の値を求めて、図６に示す「指数「ｔ／φ÷ｋ」と開弁圧との関係を示す図」から、その経過時間に対応する開弁圧を求め、開弁圧の標準範囲と照らし合わせて制御部のメンテナンス時期を知ることも可能である。

以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
［開弁圧Ｐ_ｏの測定］
表１に示す材質、寸法のキャップ弁と潤滑剤の組み合わせを用いて、制御部を構成して電槽蓋を組み立て、各弁押え蓋を電槽蓋の上部に超音波接着して制御弁構造を形成し、開弁圧測定装置によって加圧時の開弁圧を測定した。
測定は、実施例および比較例の試料を各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試料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。

［閉弁圧Ｐ_ｃの測定］
上記の開弁圧Ｐ_ｏの測定と同様にして減圧時の閉圧弁Ｐ_ｃを測定した。

キャップ弁の内径３．２０ｍｍ、肉厚０．３５ｍｍ、潤滑剤の混和ちょう度３１０の制御弁を作製し、開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

潤滑剤の混和ちょう度を３４０に変えた以外は、実施例１と同様にして開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

キャップ弁の内径５．７０ｍｍ、肉厚０．４５ｍｍ、潤滑剤の混和ちょう度２２０の制御弁を作製し、開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

潤滑剤の混和ちょう度を２５０に変えた以外は、実施例３と同様にして開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

キャップ弁の内径１１．５５ｍｍ、肉厚１．００ｍｍ、潤滑剤の混和ちょう度２６５の制御弁を作製し、開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

潤滑剤の混和ちょう度を２９５に変えた以外は、実施例５と同様にして開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

キャップ弁の材質をＥＰＤＭに換えて、キャップ弁の内径５．７０ｍｍ、肉厚１．００ｍｍ、潤滑剤の混和ちょう度４４５の制御弁を作製し、開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

（比較例１）
キャップ弁の内径５．８５ｍｍ、肉厚０．４５ｍｍ、潤滑剤の混和ちょう度１７０の制御弁を作製し、開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

（比較例２）
潤滑剤の混和ちょう度を３０５に変えた以外は、比較例１と同様にして開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

（比較例３）
キャップ弁の内径５．７０ｍｍ、肉厚１．００ｍｍ、潤滑剤の混和ちょう度４００の制御弁を作製し、開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

（比較例４）
潤滑剤の混和ちょう度を４３０に変えた以外は、比較例３と同様にして開弁圧Ｐｏ、閉弁圧Ｐｃを測定した。その結果を表２に示す。

図６は、実施例における指数「ｔ／φ÷ｋ」と開弁圧との関係を示す図で、黒丸は「実施例」、白抜き四角は「比較例」を示し、実施例を貫く線分は、実施例における線形近似曲線を示している。また、開圧弁Ｐｏの上限は４４．１［ｋＰａ］、下限は９．８「ｋＰａ」である。

表２および図６に示す試験結果から、本発明に係る制御部の構造は加圧時の開弁圧、および減圧時の閉弁圧の値を制御することができ、そのバラツキも抑制できることがわかる。
さらに、鉛蓄電池の使用時において、本発明に係る数１、数２は混和ちょう度ｋの項のみが、経時的に変化する項であることから、その変化を予め使用環境ごとに把握して置くことで、蓄電池の使用時間に対する潤滑剤の性能変化を、図６に示す開弁圧と制御弁指数との関係に当てはめることによって制御部に使われる潤滑剤のメンテナンス時期を推し量ることで、鉛蓄電池の安定した安全な継続した利用を実現できることを可能とするものである。

１制御部
２キャップ弁
２ａキャップ弁の裾部
３潤滑剤層
１０電槽蓋
１１弁収納部
１２排気口
１２ａ弁筒（排気口の頭部）
１４キャップ弁の押圧蓋
１５排気孔
２０鉛蓄電池
２１電槽
２２極群
２３正極板
２３ａ正極用ストラップ
２３ｂ正極用極柱
２４負極板
２５セパレータ
２６接続桿
２７ターミナル（電極端子）

Claims

潤滑剤を介して電槽蓋弁筒に配置されるキャップ弁と前記弁を押圧する弁押さえ蓋を有する制御部を備える制御弁式鉛蓄電池であって、
前記キャップ弁の内径と厚み、および前記潤滑剤の混和ちょう度との関係が、
キャップ弁の厚みをキャップ弁の内径で除した値を、さらに潤滑剤の混和ちょう度で除して求めた値が、３．０×１０^−４より大きく、４．０×１０^−４より小さい範囲であることを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。
前記キャップ弁の厚みをキャップ弁の内径で除した値が、０．０７より大きく、０．１８より小さく、
且つ、前記潤滑剤の混和ちょう度が、２２０より大きく、４３０より小さいことを特徴とする請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池。
前記キャップ弁が、耐酸性を有する弾性体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。
前記キャップ弁が、耐酸性を有するゴムであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の制御弁式鉛蓄電池。