JP2012195218A - 安全弁及び安全弁を備えた電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 ばねの初期変形量がばらついても開弁圧のバラツキを小さく抑える。
【解決手段】 本願の安全弁３０は、電池ケース内と電池ケース外とを連通する通気孔２６ａが設けられたシール部材２４と、シール部材２４に当接可能な当接面３２ａを有する板ばね３１を備えている。板ばね３１の当接面３２ａが初期変形するように板ばね３１を電池ケースに取付けると、電池ケース内の圧力が所定の圧力以下のときは、板ばねの当接面３２ａとシール部材２４とが当接し、その当接部位が通気孔２６ａの周囲を一巡することで通気孔を封止している。電池ケース内の圧力が所定の圧力を超えると、板ばねの当接面３２ａがシール部材２４より離れて通気孔２６ａを開放する。そして、板ばね３１の当接面３２ａの初期変形量が増加するのに応じて、当接面のうち電池ケース内の圧力を受ける受圧面の面積が増大するように構成されている。
【選択図】図２

Description

本願は、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池等の電池に関する。詳しくは、電池ケース内の圧力が上昇したときに開弁する安全弁を備えた電池に関する。

この種の電池では、使用環境等によって電池ケース内の圧力が一時的に上昇することがある。このため、電池ケース内の圧力が上昇したときに開弁する安全弁を備えた電池が開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の電池では、電池ケースに形成された通気孔に安全弁が設けられる。安全弁は、通気孔を開閉する弁体と、弁体を通気孔に向けて付勢するコイルばねと、コイルばねを収容する収容ケースを備えている。コイルばねは、予め圧縮変形（初期変形）が与えられた状態（初期状態）で収容ケース内に収容される。これにより、コイルばねの初期変形量に応じた押圧力（初期荷重）が弁体に作用する。電池ケース内の圧力が所定圧力（開弁圧）以下であると、電池ケース内から弁体に作用する圧力がコイルばねから弁体に作用する力より小さいため、弁体が通気孔の周囲のシール部に当接して通気孔を閉じている。電池ケース内の圧力が所定圧力（開弁圧）を超えると、電池ケース内から弁体に作用する圧力がコイルばねから弁体に作用する力より大きくなるため、弁体が通気孔のシール部より離間して通気孔を開く。これにより、電池ケース内の圧力が開放される。

特開２０１０−１５３２３７号公報

上述したように、安全弁は複数の部品によって構成されるため、安全弁を製造する際には、各部品の寸法誤差や部品同士を組付ける際の組付け誤差など、様々な製造誤差が生じる。このような製造誤差が生じると、ばねの初期変形量（初期圧縮量）にバラツキが生じ、それによってコイルばねの初期荷重（開弁圧）にもバラツキが生じることとなる。開弁圧のバラツキが大きいと、安全弁が適切に動作しない場合が生じる。このため、製造誤差によってばねの初期変形量（初期圧縮量）がばらついても、開弁圧のバラツキを小さく抑えたいという要求がある。

しかしながら、特許文献１に記載の安全弁では、弁体を付勢するためにコイルばねを用い、このコイルばねの初期長さ（初期状態のときのコイルばねの長さ）を調整することで開弁圧を調整している。コイルばねは線形荷重特性を有するため、コイルばねの初期長さがばらつくと、コイルばねのばね定数に応じて開弁圧にバラツキが生じる。開弁圧のバラツキを小さくするためには、コイルばねのばね定数を小さくすることが好ましい。しかしながら、コイルばねのばね定数を小さくするためには、コイルばねを大型化しなければならず、コイルばねを設置するスペースに限りがあることから現実には難しい。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、製造誤差によってばねの初期変形量がばらついても、開弁圧のバラツキを抑えることができる安全弁を提供することを目的とする。

本明細書が開示する安全弁は、電池ケース内の圧力が所定の圧力を超えると開弁する安全弁であり、電池ケース内と電池ケース外とを連通する通気孔が設けられたシール部材と、そのシール部材に当接可能な当接面を有する板ばねを備えている。板ばねの当接面が初期変形するように板ばねを電池ケースに取付けると、（１）電池ケース内の圧力が所定の圧力以下のときは、板ばねの当接面とシール部材とが当接し、その当接部位が通気孔の周囲を一巡することで通気孔を封止し、（２）電池ケース内の圧力が所定の圧力を超えると、板ばねの当接面がシール部材より離れて通気孔を開放するように構成されている。また、当接面の初期変形量の増加に応じて、当接面のうち電池ケース内の圧力を受ける受圧面の面積が増大するように構成されている。

この安全弁では、板ばねの当接面の初期変形量が増大すると、電池ケース内の圧力が作用する受圧面の面積も大きくなる。電池ケース内から板ばね（当接面）に作用する力は、（受圧面の面積）×（電池ケース内の圧力）となるため、受圧面の面積が大きくなると電池ケース内から板ばねに作用する力も大きくなる。このため、当接面の初期変形量が増大することで、板ばねの当接面をシール部材に押圧するばね力が大きくなっても、電池ケース内から板ばねに作用する力も大きくなり、その影響を相殺することができる。その結果、初期変形量が変化しても開弁圧が大きく変化しない特性を示す区間を得ることができる。したがって、この区間内に初期変形量を設定することで、ばねの初期変形量がばらついても開弁圧のバラツキを小さくすることができる。

上記の安全弁においては、平面視すると円形状を有しており、シール部材に向かって凸もしくはほぼ平面状となる当接面を採用することができる。このような当接面を採用することで、上述した特性を得ることができる。

また、上記の安全弁においては、板ばねが発生させる荷重は、当接面の初期変形量が増加するのに応じて増加するように構成することができる。そして、板ばねの「当接面の初期変形量」と「当接面が通気孔を開放するときの電池ケース内の圧力」との関係が、前記所期変形量が変化しても「当接面が通気孔を開放するときの電池ケース内の圧力（開弁圧）」が一定となる特性を示す区間を有することが好ましい。この場合には、「当接面の初期変形量」を、「当接面が通気孔を開放するときの電池ケース内の圧力（開弁圧）」が一定となる特性を示す区間内に設定することが好ましい。このように初期変形量を設定することで、初期変形量のバラツキによる「開弁圧」のバラツキを効果的に抑えることができる。

ここで、「開弁圧（当接面が通気孔を開放するときの電池ケース内の圧力）が一定となる区間」には、初期変形量の変化に対して開弁圧の変化が十分に小さく、開弁圧が略一定とみなせるような区間まで含まれる。例えば、製造誤差から算出される初期変形量の変化（±Δｄ）に対して開弁圧の変化が±２０％以内となる場合には、このような区間は開弁圧が略一定となる区間ということができる。

上記の安全弁においては、板ばねは、電池ケースに固定される固定部と、固定部が電池ケースに固定された状態で当接面の受圧面積を調整するための調整部を有していることが好ましい。このような構成によると、板ばねを電池ケースに固定した状態で当接面の受圧面積を調整でき、板ばねの当接面に適切な初期変形量を与えることができる。ここで、上記の「電池ケースに固定」には、電池ケースに直接固定される場合だけでなく、電池ケースに他の部材を介して固定される場合も含まれる。

また、本明細書が開示する電池は、上記の安全弁を備えたことを特徴とする。この電池では、開弁圧のバラツキが小さく抑えられるため、安全弁の適切な動作を確保することができる。

本実施形態に係る電池の一部側面図。 本実施形態に係る電池に装備される安全弁の分解斜視図。 本実施形態に係る安全弁が電池に取付けられた状態の断面図。 本実施形態に係る安全弁の通気孔の部分を拡大した拡大図。 本実施形態の安全弁の荷重−初期変位特性と、開弁圧−所期変位特性とを併せて示すグラフ。

（実施例１） 本実施例にかかる電池１０を図面に基づいて説明する。本実施例にかかる電池１０は、角形密閉式ニッケル水素蓄電池であり、図１に示すように、電池ケース１２と、電池ケース１２に固定された安全弁３０を備えている。

電池ケース１２は、金属（例えば、ニッケルめっき鋼板）により形成されており、直方体形状を有している。電池ケース１２内には、電極体及び電解液が収容されている。電極体及び電解液は、公知のニッケル水素蓄電池に用いられているものと同様のものを用いることができる。電池ケース１２の上面１４には、図３に示すように、円形状の貫通孔１４ａが形成されている。貫通孔１４ａは、電池１０の製造時には電池ケース１２内に電解液を注入する注入孔として機能し、電池１０の使用時にはガス抜き孔として機能する。

電池ケース１２の上面１４には、安全弁３０が取付けられている。図２に示すように、安全弁３０は、弁座１６と、弁座１６に取付けられたシール部材２４と、シール部材２４に当接する板ばね３１を有している。

弁座１６は、金属（例えば、ニッケルめっき鋼板）により形成されている。弁座１６は、本体２０と、本体２０の下端に設けられたフランジ部１８を有している。本体２０は、フランジ部１８から上方に突出し、その上端に上端面２２が形成されている。上端面２２は、電池ケース１２の上面１４と平行な平面であり、その中央に取付孔２２ａが形成されている。取付孔２２ａは、本体２０を貫通し、本体２０の表面と裏面とを連通している（図３，４参照）。フランジ部１８は、電池ケース１２の上面１４に溶接される。フランジ部１８が電池ケース１２に溶接されることで、弁座１６が電池ケース１２に固定される。なお、本実施例では、電池ケース１２と弁座１６を別体で成形したが、電池ケース１２と弁座１６を一体で成形してもよい（すなわち、電池ケースが弁座を有していてもよい。）。

シール部材２４は、ゴム（例えば、ＥＰＤＭ）により形成されている。シール部材２４は、略円盤形状のシール部２６と、シール部２６の裏面から下方に突出する差込部２８を有している。シール部２６は、厚さ一定の平板状に形成されている。図３，４に示すように、弁座１６にシール部材２４が取付けられると、シール部２６の裏面が弁座１６の上端面２２に当接する。シール部２６の中央には、通気孔２６ａが形成されている。通気孔２６ａは、シール部２６の上端面から差込部２８の下端まで伸びており、シール部材２４を上下方向に貫通している。差込部２８は、弁座１６の取付孔２２ａに差込まれる。差込部２８の外径は、取付孔２２ａの内径よりわずかに大きくされている。このため、差込部２８が取付孔２２ａに差込まれると、差込部２８が取付孔２２ａにきつく嵌合し、差込部２８の外周面が取付孔２２ａの内周面に密着する。差込部２８の下端には、側方に突出する抜止部２８ａが形成されている。差込部２８が取付孔２２ａに差込まれた状態では、抜止部２８ａの上端面が弁座１６（本体２０）の裏面に当接する。これによって、シール部材２４が弁座１６より抜けてしまうことが防止される。

板ばね３１は、シール部材２４のシール部２６と当接する当接部３２と、当接部３２の周縁に設けられた側壁部３５を有している。当接部３２と側壁部３５とは、一体に成形されており、一枚の金属板（例えば、ばね用ステンレス鋼）を塑性加工（プレス成形、曲げ加工等）することで製作することができる。

当接部３２は、平面視すると円形状を有しており、図２，３に示されるように、シール部２６に向かって凸な曲面、もしくはほぼ平面形状となっている。板ばね３１の側壁部３５が弁座１６のフランジ部１８に溶接され、当接部３２に所定の初期変形量が与えられると、当接部３２の下面（当接面）３２ａがシール部２６の上面に当接して密着する。板ばね３１の当接部３２がシール部２６を押圧する力（両者を密着させる力）は、当接部３２の初期変形量が増加するのに比例して大きくなる。

図２〜４に示すように、側壁部３５は、当接部３２の周縁の２箇所に形成されている。２つの側壁部３５は、同一の構成を有しており、板ばね３１を平面視したときに当接部３２の中心を挟んで互いに対向した位置に配置されている。側壁部３５が当接部３２の周縁に部分的に設けられているため、板ばね３１の側方が外部に開放されている。なお、側壁部３５の数及びその配置等は上記の例に限られず、例えば、側壁部３５を４箇所又は８箇所に形成してもよい。また、板ばね３１の側方が大きく開放されている必要はなく、板ばね３１の側方がわずかに開放されているだけでもよい。

側壁部３５は、当接部３２の周縁から垂直下方に伸びる第１側壁部３４と、第１側壁部３４の下端に設けられた第２側壁部３６と、第２側壁部３６の下端に設けられた第３側壁部３８を有している。第３側壁部３８は、第２側壁部３６の下端から外側に向かって伸びており、弁座１６のフランジ部１８に溶接によって固定される。本実施形態では、第３側壁部３８が請求項でいう「固定部」に相当する。

第２側壁部３６は、第３側壁部３８の内周端から内側に向かって斜め上方に延び、その略中央で外側に屈曲し、その上端が第１側壁部３４に接続されている。第２側壁部３６に上下方向の圧縮力を作用させて永久変形させると、第１側壁部３４と第２側壁部３６の間の屈曲角度と、第２側壁部３６の中央における屈曲角度と、第２側壁部３６と第３側壁部３８の間の屈曲角度とが変化する。これによって、第３側壁部３８から第１側壁部３４までの距離（高さ）が変化するようになっている。したがって、板ばね３１が弁座１６に固定された状態であっても、第２側壁部３６に圧縮力を作用させて永久変形させることで、第３側壁部３８から第１側壁部３４までの距離（高さ）を調整することができる。後述する説明から明らかなように、本実施形態では、第２側壁部３６が請求項でいう「調整部」に相当する。

上述した安全弁３０を電池ケース１２に取付けるには、まず、弁座１６の取付孔２２ａにシール部材２４を取付ける。具体的には、弁座１６の取付孔２２ａにシール部材２４の差込部２８を差込む。これによって、差込部２８の外周面が取付孔２２ａの内周面に密着すると共に、シール部材２４のシール部２６が弁座１６の上端面２２に当接する。次に、板ばね３１の当接部３２がシール部材２４の上方に位置するように、板ばね３１の第３側壁部３８を弁座１６のフランジ部１８に溶接する。これにより、弁座１６、シール部材２４及び板ばね３１がユニット化されて安全弁３０となる。なお、この段階では、板ばね３１の当接部３２がシール部材２４に当接しておらず、シール部材２４の通気孔２６ａは閉じられていない。ただし、この段階で板ばね３１の当接部３２がシール部材２４に当接し、通気孔２６ａを閉じた状態をとるようにしてもよい。

次に、ユニット化された安全弁３０を電池ケース１２の上面１４に固定する。具体的には、弁座１６のフランジ部１８を電池ケース１２の上面１４に溶接する。この際、弁座１６の内部空間（すなわち、本体２０と電池ケース１２によって囲まれた空間）に電池ケース１２の貫通孔１４ａが開口するようにする。したがって、安全弁３０を電池ケース１２に取付けた状態では、電池ケース１２の内部空間は、電池ケース１２の貫通孔１４ａ、弁座１６の内部空間及び通気孔２６ａを介して電池ケース１２の外部空間と連通する。

最後に、板ばね３１の第２側壁部３６に上下方向の圧縮力を作用させて永久変形させ、第３側壁部３８から第１側壁部３４までの距離（高さ）を調整し、板ばね３１の当接部３２に初期変形を与える。すなわち、第２側壁部３６に上下方向の圧縮力を加えて、第３側壁部３８から第１側壁部３４までの距離を短くしていくと、板ばね３１の当接部３２がシール部材２４に近接する方向に移動して、当接部３２がシール部材２４のシール部２６に当接して初期変形が与えられる。これによって、当接部３２の当接面３２ａがシール部材２４のシール部２６に押し付けられる。当接面３２ａがシール部２６に押し付けられると、シール部材２４の通気孔２６ａが閉じられ、電池ケース１２内のガスが電池ケース１２外に流出することが規制される。なお、本実施例では、安全弁３０を電池ケース１２に固定した後に、板ばね３１を上下方向に圧縮して板ばね３１に初期変形を与えたが、このような取付方法に限られず、安全弁３０を電池ケース１２に固定する前に板ばね３１に初期変形を与えてもよい。

図４は、電池ケース１２内のガスの圧力が安全弁が開弁する開弁圧よりわずかに低い圧力となったときの状態を示している。図４に示すように、安全弁３０が電池ケース１２に取付けられた状態で、かつ、電池ケース１２内のガス圧が所定値（開弁圧）以下のときは、板ばね３１の当接部３２を上方に押圧する力（電池ケース１２内のガス圧による力）が板ばね３１の当接部３２を下方に押圧する力（板ばね３１の当接部３２の初期変形による力）より小さい。このため、当接部３２の当接面３２ａとシール部材２４のシール部２６とが当接し、当接面３２ａとシール部２６とが当接する部位Ｓが通気孔２６ａの周囲を一巡することで通気孔２６ａを封止する。これによって、電池ケース１２内のガスが外部に流出することが禁止される。

一方、電池ケース１２内の圧力が所定値（開弁圧）を超えると、板ばね３１の当接部３２を上方に押圧する力（電池ケース１２内のガス圧による力）が、板ばね３１の当接部３２を下方に押圧する力（板ばね３１の当接部３２の初期変形による力）より大きくなる。このため、板ばね３１の当接面３２ａがシール部材２４のシール部２６より離れ、シール部材２４の通気孔２６ａが開放される。これによって、電池ケース１２内のガスが外部に排出され、過大な力が電池ケース１２に作用することが防止される。

ここで、図４に示す状態では、当接部３２の当接部位Ｓより外側の部分は、電池ケース１２内のガス圧を受けることはなく、当接部３２の当接部位Ｓより内側の部分が電池ケース１２内のガス圧を受け、上方に撓んでいる。すなわち、当接部位Ｓより内側の部分が受圧面となっている。したがって、当接部３２を上方に押圧する力は、当接部３２の当接部位Ｓより内側の部分の面積（π×ｄ^２／４）と電池ケース１２内のガス圧の積で決まる。なお、電池ケース１２内のガス圧が十分に低ければ、当接部３２の当接部位Ｓより内側の部分が上方に撓むことは無く、当接部位Ｓより内側の部分の全体がシール部２６に当接する。

また、当接部３２の当接部位Ｓより内側の部分の面積は、当接部３２に与える初期変形量が大きくなるほど増加する。例えば、板ばね３１の当接部３２が下方に凸な曲面となっている場合、当接部３２がシール部２６に近接する方向に移動すると、当接部３２の中央先端からシール部２６に当接を開始し、当接部３２の初期変形量が増加するほど、当接部３２とシール部２６とが当接する面積も外側に向かって増大する。その結果、図４に示す状態となったときの当接部位Ｓより内側の部分の面積も、初期変形量の増加に応じて増大する。

上述した安全弁３０の「当接部３２の初期変位（初期変形量）」と「当接部３２で発生する荷重（当接部３２がシール部２６に押付けられる力）」との関係と、「当接部３２の初期変位（初期変形量）」と「開弁圧」との関係について説明する。図５に示すように、「当接部３２で発生する荷重」は「当接部３２の初期変位」の増加に比例して増加する。上述したように、「当接部３２の初期変位」が増加すると、当接部３２とシール部２６の当接部位Ｓが外側に移動し、当接部位Ｓより内側の部分の面積（受圧面）が増大する。ここで、開弁圧をｐとすると、ｐ×（受圧面の面積（π×ｄ^２／４））＝「当接部３２の初期変位により発生する荷重」の関係が成立する。したがって、「当接部３２の初期変位により発生する荷重」が「当接部３２の初期変位」の増加に応じて増加しても、（受圧面の面積（π×ｄ^２／４））も「当接部３２の初期変位」の増加に応じて増加する。このため、「当接部３２の初期変位」が変化しても開弁圧ｐが殆ど変化しない区間（図中のＳＥＴ区間）を得ることができる。本実施形態では、このＳＥＴ区間内に、「当接部３２の初期変位」を設定している。したがって、種々の製造誤差によって、「当接部３２の初期変位」にバラツキが生じても、開弁圧ｐにバラツキが生じることを防止することができる。

上述した説明から明らかなように、本実施形態の安全弁３０では、板ばね３１の当接部３２を下側に凸な曲面とし、当接部３２の初期変形量に比例して電池ケース１２内のガス圧が作用する受圧面の面積を増大させることで、当接部３２の初期変形量が変化しても開弁圧ｐが殆ど変化しない区間を得ている。そして、このＳＥＴ区間に当接部３２の初期変形量を設定することで、製造誤差によって初期変形量が変化しても、開弁圧ｐのバラツキを効果的に抑えることができる。

また、当接部３２の初期変形量は、板ばね３１の第２側板部３６により調整できるため、安全弁３０を電池ケース１２に取付けた後で調整することができる。このため、板ばね３１の当接部３２に適切な初期変形量を与えることができる。

また、本実施形態では、電池ケース１２に形成された貫通孔１４ａと比較して、シール部材２４の通気孔２６ａの径が小さくされている。これによって、板ばね３１に要求される機械的強度を下げることができ、安全弁３０を小型化することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した実施形態では、電池ケース１２に弁座１６を取付け、その弁座１６にシール部材２４を取付けたが、本願の技術はこのような構成に限られない。例えば、電池ケースの貫通孔に直接シール部材を取付け、そのシール部材に板ばねの当接部を当接させるような構成を採用してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ 電池
１２ 電池ケース
１６ 弁座
２４ シール部材
３０ 安全弁
３１ 板ばね

Claims (6)

1. 電池ケース内の圧力が所定の圧力を超えると開弁する安全弁であり、
   電池ケース内と電池ケース外とを連通する通気孔が設けられたシール部材と、
   そのシール部材に当接可能な当接面を有する板ばねを備えており、
   板ばねの当接面が初期変形するように板ばねを電池ケースに取付けると、
   （１）電池ケース内の圧力が所定の圧力以下のときは、板ばねの当接面とシール部材とが当接し、その当接部位が通気孔の周囲を一巡することで通気孔を封止し、
   （２）電池ケース内の圧力が所定の圧力を超えると、板ばねの当接面がシール部材より離れて通気孔を開放するように構成されており、
   当接面の初期変形量の増加に応じて、当接面のうち電池ケース内の圧力を受ける受圧面の面積が増大するように構成されている、安全弁。
2. 当接面は、平面視すると円形状を有しており、シール部材に向かって凸もしくはほぼ平面状となっている、請求項１に記載の安全弁。
3. 板ばねが発生させる荷重は、「当接面の初期変形量」が増加するのに応じて増加するように構成されており、
   板ばねの「当接面の初期変形量」と「当接面が通気孔を開放するときの電池ケース内の圧力」との関係が、前記所期変形量が変化しても「当接面が通気孔を開放するときの電池ケース内の圧力」が一定となる特性を示す区間を有している、請求項１又は２に記載の安全弁。
4. 「当接面の初期変形量」が、「当接面が通気孔を開放するときの電池ケース内の圧力」が一定となる特性を示す区間内に設定されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の安全弁。
5. 板ばねは、電池ケースに固定される固定部と、固定部が電池ケースに固定された状態で当接面の受圧面積を調整するための調整部を有している、請求項１〜４のいずれかに記載の安全弁。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の安全弁を備える電池。

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