JP2012221632A - 制御弁式鉛蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】制御弁式鉛蓄電池における作動弁圧の長期的な上昇を抑える。
【解決手段】制御弁式鉛蓄電池１０の内外を連通する排気筒２と、排気筒を覆う制御弁１とを有し、制御弁１は、その底面が凸部１ｂによって複数の領域に仕切られている。排気筒２の上端面２ａは凸部に接していると共に排気筒２の外周側面部２ｃは制御弁１の内周側面部１ｃと密着しており、所定の作動弁圧以上の圧力で開弁する。このように制御弁１の底面上に凸部１ｂを設けると、排気筒２との接触面積を減少させて、制御弁１が排気筒２の外周側面部２ｃに貼り付くことを抑えることができる。その結果、作動弁圧の上昇が抑えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御弁式鉛蓄電池における制御弁の構造に関する。

制御弁式鉛蓄電池の制御弁は、電池内部の圧力上昇時に排気筒からガスを排出する安全弁としての役割を担い、通常時には外気を遮断するために閉じているが、過充電時等に内部でガスが発生して圧力が上昇するとその圧力により開いてガスを排出する。制御弁式鉛蓄電池は長期間の使用を前提とした非常電源などに用いられることが多いため、制御弁による圧力調整の仕組みには極めて高い信頼性が要求される。

図７は、従来の制御弁式鉛蓄電池の制御弁の構造を示している。図７（ａ）は、排気筒に装着された制御弁の底面を正面に見た図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。制御弁８１は、ゴム等の弾性部材で構成され、排気筒８２のキャップとして、通常時には排気筒８２の上端面８２ａ及び外周側面部８２ｃをそれぞれ隙間なく覆っている。そして、電池内部の圧力が上昇するとその圧力により制御弁８１と排気筒８２の上端面８２ａ及び外周側面部８２ｃとの間に隙間が形成されて開弁し、外部にガスを排出する。

しかし、制御弁式鉛蓄電池を長期間に亘り使用すると、硫酸ミスト等にさらされて制御弁が劣化し、制御弁が排気筒の外周側面部に貼り付いて作動弁圧すなわち開弁圧が上昇するという問題がある。

そこで、作動弁圧の上昇を抑えることを目的として、天面を湾曲させた制御弁を具備する制御弁式鉛蓄電池（特許文献１）や、排気筒に段差部とその段差部に潤滑剤を含浸させた多孔弾性部材とを具備する制御弁式鉛蓄電池（特許文献２）等が開示されている。

特開２００２−２６０６２４号公報 特開２００３−４５３９７号公報

潤滑剤は制御弁と排気筒との気密性を高めると共に制御弁と排気筒外周側面部との貼り付きを抑えることに役立つが、従来の制御弁は制御弁と排気筒との接触部分に長期間潤滑剤を保持しにくく、潤滑剤が不足して制御弁が経年劣化し易かった。そのため、構造上、作動弁圧の長期的な上昇を抑えることが難しかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、制御弁式鉛蓄電池の制御弁について、気密性を十分に保持しつつ作動弁圧の上昇を抑えることを主たる技術的課題とする。

本発明に係る制御弁式鉛蓄電池は、制御弁式鉛蓄電池の内外を連通する排気筒と、前記排気筒を覆う制御弁とを有し、前記制御弁は、その底面が凸部によって複数の領域に仕切られており、前記排気筒の上端面は前記凸部に接していると共に前記排気筒の外周側面部は前記制御弁の内周側面部と密着しており、所定の作動弁圧以上の圧力で開弁することを特徴とする。なお、本明細書中「底面」というときとは、制御弁の内側底部、すなわち排気筒の上端面と接する面を指す。

このように、排気筒の外周側面部が制御弁の内周側面部と十分に密着することで気密性を確保しつつ、排気筒の上端部が制御弁の底面に設けられた凸部でのみ接することで作動弁圧の上昇を抑えることができる。しかも、制御弁の底面には凸部で仕切られた複数の領域に多量の潤滑剤を保持することができるため、長期に亘り、潤滑剤を保持することができる。

凸部の高さは、潤滑剤をその表面張力により十分に保持できる程度であればよく、一定であるか否かは問わない。

排気筒は、さらに、上端面の一部に切り欠き部を設けていてもよい。

潤滑剤は、具体的には、シリコン系オイル、フッ素系オイル又はフッ素系パウダー等を添加したグリスなどを用いることができる。

制御弁は、以下（ａ）から（ｃ）までの少なくとも１つの条件を満たすように構成することが好ましい。
（ａ）０．１・Ｓ１≦Ｓ２≦０．７・Ｓ１
ただし、Ｓ１は、排気筒の上端面の面積であり、Ｓ２は、排気筒の上端面と制御弁の凸部とが接する面積である。
（ｂ）０．１・Ｃ≦Ｂ≦２・Ｃ
ただし、Ｂは、制御弁の底面の凸部の高さであり、Ｃは、制御弁の底面の肉厚である。
（ｃ）０．１・Ｆ≦Ｄ≦０．７・Ｆ
ただし、Ｄは、底面において凸部の占める面積であり、Ｆは、制御弁の底面の総面積である。

本発明に係る制御弁式鉛蓄電池によると、気密性を確保しつつ、作動弁圧の上昇を抑えることができ、長期信頼性が向上する。

実施形態の制御弁式鉛蓄電池の構造を示す図。（ａ）排気筒に装着された制御弁の底面を正面に見た図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図。 図１に示す制御弁の周辺部分を示す断面図。 実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、実験結果を表したグラフを示す図。 実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、実験条件を説明する図。（ａ）は排気筒の上端面と制御弁の凸部との関係を示す図であり、（ｂ）は制御弁の底面の厚みと制御弁の凸部との関係を示す図であり、（ｃ）は、制御弁の底面と制御弁の凸部との関係を示す図。 実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、図５の実験結果を示す図。（ａ）は図５（ａ）の実験結果を表したグラフを示す図であり、（ｂ）は図５（ｂ）の実験結果を表したグラフを示す図であり、（ｃ）は図５（ｃ）の実験結果を表したグラフを示す図。 実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、制御弁の様々な例を示した図。（ａ）は凸部が略十字形状である制御弁を示す図であり、（ｂ）は凸部が一字形状である制御弁を示す図であり、（ｃ）は凸部が略Ｙ字形状である制御弁を示す図であり、（ｄ）は凸部が十字形状の凹部を形成する制御弁を示す図。 従来の制御弁式鉛蓄電池の制御弁の構造を示す図。（ａ）排気筒に装着された制御弁の底面を正面に見た図、（ｂ）Ｃ−Ｃ断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、各実施形態はいずれも例示であり、本発明の限定的な解釈を与えるものでない。

図１は、実施形態の制御弁式鉛蓄電池の構造を示す図である。（ａ）は、排気筒に装着された制御弁の底面を正面に見た図であり、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、制御弁１は排気筒２を覆うように取り付けられている。排気筒２は、制御弁式鉛蓄電池１０の筐体上面部に設けられ、内外を連通し、過充電時等、電池内部からガスが発生した際に排気する役割を担う。制御弁１の底面は凸部１ｂによって複数の領域に仕切られており、表面張力により各領域に潤滑剤３を保持することができる。この図の例では４つの領域に仕切られているがこのような態様に限定されない。排気筒２の上端面２ａはこの凸部１ｂでのみ接し、排気筒の外周側面部２ｃは制御弁の内周側面部と密着している。

このように制御弁１の底面上に凸部１ｂを設けると、排気筒２との接触面積を減少させて、制御弁１が排気筒２の外周側面部に貼り付くことを抑えることができる。その結果、作動弁圧の上昇が抑えられる。

一方、排気筒２の上端面２ａに、切り欠き部２ｂを設けてもよい。切り欠き部２ｂは気密性や作動弁圧を考慮して大きさや数が設定される。切り欠き部２ｂを複数設ける場合、制御弁１が開く際に傾くことを防止するため、対称に設けることが好ましい。

図２は、図１に示す制御弁の周辺部分を示す断面図である。図２に示すように、制御弁式鉛蓄電池１０は、上蓋４と中蓋５とを有し、排気筒２は、中蓋５の一部に設けられる。

制御弁１は、ゴム等の弾性部材、例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレン（ＣＲ）やフッ素ゴム等で構成することが好ましく、凸部１ｂを含め一体的に成形すると生産性に有利である。制御弁１は、硫酸ミスト等のガスや潤滑剤３による変質を抑えるために添加剤を含有させたり、表面に塗膜等の処理を施してもよい。

潤滑剤３は、ガスの排出時にガスとともに制御弁１の内周側面部１ｃと排気筒２の外周側面部２ｃとの接触面に徐々に供給され、制御弁１が排気筒２の外周側面部に貼り付くことを抑えることができる。その結果、作動弁圧の上昇が抑えられる。潤滑剤３は、主にシリコン系オイル、フッ素系オイル又はフッ素系パウダー等を添加したグリス等を用いることができる。

次に、制御弁１の製造方法について説明する。まず、弾性部材等の原料に添加剤を加えて混練し、その溶融したものを制御弁１の金型に流し込んで成形する。その成形されたものを制御弁単体に個片化した後、底面に潤滑剤３を塗布することで制御弁１が完成する。この潤滑剤３の塗布工程は、制御弁式鉛蓄電池１０を組み立てる際に実施してもよい。

（実施例）
実施形態の制御弁式鉛蓄電池と従来の制御弁式鉛蓄電池とを比較評価するために以下の実験を実施した。

制御弁及び排気筒は、以下の２種類をそれぞれ使用した。
（１）制御弁について
（１−１）従来の制御弁
制御弁は、外径１５［ｍｍ］、内径１２［ｍｍ］、高さ１０［ｍｍ］の円筒に、厚さ１．５［ｍｍ］の底面を一端に設けたものである。なお、底面は、凸部がなく平坦である。
（１−２）凸部及び潤滑剤を有する制御弁
制御弁は、外径１５［ｍｍ］、内径１２［ｍｍ］、高さ１０［ｍｍ］の円筒に、厚さ１．２［ｍｍ］の底面を一端に設けたものである。そして、制御弁は、底面上に幅３［ｍｍ］、高さ０．５［ｍｍ］の十字状の凸部を有し、その凸部によって分割される領域に潤滑剤を保持する。

（２）排気筒について
（２−１）切り欠き部無しの排気筒
排気筒は、外径１２［ｍｍ］、内径９［ｍｍ］、高さ９．７［ｍｍ］の円筒である。
（２−２）切り欠き部を有する排気筒
排気筒は、幅１［ｍｍ］、深さ１．５［ｍｍ］の切り欠き部を有し、その切り欠き部は、円筒の中心軸に対して対称に設けられている。

以上の制御弁２種類及び排気筒２種類を組み合わせ、総計４種類の制御弁式鉛蓄電池を用いて高温フロート加速寿命試験をそれぞれ実施した。ここで、高温フロート加速寿命試験とは、高温度下で制御弁式鉛蓄電池のフロート充電を実施することにより電池の劣化を加速させるものであり、実際の測定時間を、制御弁式鉛蓄電池を所定温度で使用したときの経過年数に換算することができる。そのため、高温フロート加速寿命試験では、実験の結果に長時間を要するものであっても比較的短時間でその長時間に相当する結果を得ることができる。本実験では、６０［℃］でフロート充電を実施し、２５［℃］の経過年数に換算して一定期間毎に制御弁の開く作動圧（以下、単に「作動弁圧」という。）の測定を行った。なお、作動弁圧を測定するために、制御弁式鉛蓄電池では、予めセルに測定ゲージが取り付けられおり、その測定ゲージで作動弁圧を測定した。

上記実験を実施して、以下の表１及び図３のグラフの結果を得た。なお、比較例１は上記（１−１）の制御弁及び上記（２−１）の排気筒を、比較例２は上記（１−１）の制御弁及び上記（２−２）の排気筒を、実施例１は上記（１−２）の制御弁及び上記（２−１）の排気筒を、実施例２は上記（１−２）の制御弁及び上記（２−２）の排気筒を、用いた組み合わせをそれぞれ示す。また、表１の経過年数は、高温フロート加速寿命試験で実際に測定した時間を２５［℃］に換算したものを示す。

図３は、実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、実験結果を表したグラフを示す図であり、上記表１をグラフに示した図である。図３に示すように、実施例１の制御弁式鉛蓄電池では、作動弁圧が経過年数（２５℃換算）の１０年で１４．０［ｋＰａ］であり、当初（経過年数（２５℃換算）の０年）の作動弁圧１０．８［ｋＰａ］から３．２［ｋＰａ］増加しただけである。また、実施例２の制御弁式鉛蓄電池では、作動弁圧が経過年数（２５℃換算）の１０年で１２．６［ｋＰａ］であり、当初の作動弁圧１０．４［ｋＰａ］から２．２［ｋＰａ］増加しただけである。それに対して、比較例１の従来の制御弁式鉛蓄電池では作動弁圧が経過年数（２５℃換算）の１０年で４８．０［ｋＰａ］であり、比較例２の従来の制御弁式鉛蓄電池では作動弁圧が経過年数（２５℃換算）の１０年で４４．０［ｋＰａ］であり、共に当初の作動弁圧約１０．０［ｋＰａ］から大幅に増加している。また、制御弁式鉛蓄電池は、排気筒に切り欠き部を設けると、相対的に作動弁圧が下がっている。

このことから、制御弁１の底面上に凸部１ｂを設けてその凸部１ｂで分割された領域に潤滑剤３を保持させること及び排気筒２に切り欠き部２ｂを設けることで、従来の制御弁式鉛蓄電池よりも作動弁圧を大幅に下げることができた。

次に、実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、以下の実験を行った。この実験では、制御弁及び排気筒は以下の（イ）及び（ロ）をそれぞれ使用し、上記実験と同様に高温フロート加速寿命試験を以下の条件でそれぞれ実施した。
（イ）凸部及び潤滑剤を有する制御弁
制御弁は、底面上に十字状の凸部を設け、その凸部によって分割される領域に潤滑剤を保持する。
（ロ）切り欠き部無しの排気筒

図４は、制御弁式鉛蓄電池１０において、実験条件を説明する図である。図４（ａ）は、排気筒の上端面と制御弁の凸部との関係を説明する図であり、図４（ｂ）は、制御弁の底面の厚みと制御弁の凸部との関係を説明する図であり、図４（ｃ）は、制御弁の底面と制御弁の凸部との関係を説明する図である。

図４（ａ）に示すように、排気筒の上端面の面積Ｓ１に対して、排気筒の上端面と制御弁の凸部とが接する面積Ｓ２を変更して経過年数（２５℃換算）の１０年に対する作動弁圧（以下、単に「経過年数１０年の作動弁圧」という。）を測定した。また、図４（ｂ）に示すように、制御弁の底面の厚みＣに対して、制御弁の凸部の高さＢを変更して経過年数１０年の作動弁圧を測定した。また、図４（ｃ）に示すように、制御弁の底面の総面積Ｆに対して、制御弁の凸部の占める面積Ｄを変更して経過年数１０年の作動弁圧を測定した。

図５は、実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、図４の実験結果を示す図である。図５（ａ）は、図４（ａ）の実験結果を表したグラフを示す図であり、図５（ｂ）は、図４（ｂ）の実験結果を表したグラフを示す図であり、図５（ｃ）は、図４（ｃ）の実験結果を表したグラフを示す図である。

図５（ａ）は、排気筒の上端面の面積Ｓ１に対する排気筒の上端面と制御弁の凸部とが接する面積Ｓ２の比率（以下、単に「面積Ｓ１に対する面積Ｓ２の比率」という。）が０．０であるとき、すなわち、制御弁の凸部がないとき、経過年数１０年の作動弁圧が最も高い６０［ｋＰａ］となり、面積Ｓ１に対する面積Ｓ２の比率が０．４のとき、最も低い１３［ｋＰａ］となることを示している。

図５（ｂ）は、制御弁の底面の厚みＣに対する制御弁の凸部の高さＢの比率（以下、単に「厚みＣに対する高さＢの比率」という。）が０．０であるとき、すなわち、制御弁の凸部がないとき、経過年数１０年の作動弁圧が最も高い６０［ｋＰａ］となり、厚みＣに対する高さＢの比率が０．５のとき、最も低い１３［ｋＰａ］となることを示している。

図５（ｃ）は、制御弁の底面の総面積Ｆに対する制御弁の凸部の占める面積Ｄ（以下、単に「総面積Ｆに対する面積Ｄの比率」という。）が０．０であるとき、すなわち、制御弁の凸部がないとき、経過年数１０年の作動弁圧が最も高い６０［ｋＰａ］となり、総面積Ｆに対する面積Ｄの比率が０．３のとき、最も低い１３［ｋＰａ］となることを示している。

以上のことから、実施形態の制御弁式鉛蓄電池は、以下（ｉ）〜（ｉｉｉ）のいずれかの条件を満たすことが好ましい。
（ｉ）０．１・Ｓ１≦Ｓ２≦０．７・Ｓ１
ただし、Ｓ１は、排気筒の上端面の面積であり、Ｓ２は、排気筒の上端面と制御弁の凸部とが接する面積である。
なお、図５（ａ）によれば、比率が０．０より大きければ、作動弁圧を下げる効果は認められるものの、作動弁圧を下げるうえにおいては、必要最小限の潤滑剤が保持できる領域を設けることが有効と考えられることから、上記（ｉ）の条件を満たすことが好ましい。
（ｉｉ）０．１・Ｃ≦Ｂ≦２・Ｃ
ただし、Ｂは、制御弁の底面の凸部の高さであり、Ｃは、制御弁の底面の肉厚である。
（ｉｉｉ）０．１・Ｆ≦Ｄ≦０．７・Ｆ
ただし、Ｄは、底面において凸部の占める面積であり、Ｆは、制御弁の底面の総面積である。

（その他）
実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、制御弁の凸部のパターンは上述した例に限られない。
図６は、実施形態の制御弁式鉛蓄電池において、制御弁の様々な例を示した図である。図６（ａ）は、凸部が略十字形状である制御弁を示す図であり、図６（ｂ）は、凸部が一字形状である制御弁を示す図であり、図６（ｃ）は、凸部が略Ｙ字形状である制御弁を示す図であり、図６（ｄ）は、凸部が十字形状の凹部を形成する制御弁を示す図である。なお、図６（ａ）〜図６（ｄ）は、いずれも制御弁の底面を正面に見た図である。

図６（ａ）に示すように、制御弁１は底面上に略十字形状の凸部１ｂとその凸部１ｂに分割された領域に潤滑剤３とを備えてもよい。凸部１ｂは、中心に円柱部１ｂｃを有している。円柱部１ｂｃの高さは、適宜変更してもよく、その他の凸部の高さと同じであってもよい。

また、図６（ｂ）に示すように、制御弁１は底面上に一字形状の凸部１ｂとその凸部１ｂに分割された領域に潤滑剤３とを備えてもよい。

また、図６（ｃ）に示すように、制御弁１は、底面上に略Ｙ字形状の凸部１ｂとその凸部１ｂに分割された領域に潤滑剤３とを備えてもよい。

また、図６（ｄ）に示すように、制御弁１は、底面上に十字形状の凹部を形成する凸部１ｂとその凸部１ｂに形成された十字形状の凹部に潤滑剤３とを備えてもよい。

制御弁式鉛蓄電池は、図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すいずれの制御弁を用いても、制御弁と排気筒との接触面積を減少させるとともに、制御弁と排気筒との接触面に潤滑剤を供給することができ、制御弁と排気筒との固着を抑えることができる。そのため、図６（ａ）〜図６（ｄ）に示す制御弁を用いた制御弁式鉛蓄電池は、いずれも従来の制御弁式鉛蓄電池よりも制御弁を開閉するガス排出機能を長期的に維持できる。

本発明によれば、制御弁式鉛蓄電池の制御弁による圧力調整の仕組みについて信頼性を高めることができることから、産業上の利用可能性はきわめて大きい。

１ 制御弁
１ａ 底面
１ｂ 凸部
１ｃ 内周側面部
２ 排気筒
２ａ 上端面
２ｂ 切り欠き部
２ｃ 外周側面部
３ 潤滑剤
４ 上蓋
５ 中蓋
１０ 実施形態の制御弁式鉛蓄電池
８０ 従来の制御弁式鉛蓄電池
８１ 制御弁
８２ 排気筒
８２ａ 上端面
８２ｃ 外周側面部

Claims (5)

1. 制御弁式鉛蓄電池の内外を連通する排気筒と、前記排気筒を覆う制御弁とを有し、前記制御弁は、その底面が凸部によって複数の領域に仕切られており、前記排気筒の上端面は前記凸部に接していると共に前記排気筒の外周側面部は前記制御弁の内周側面部と密着しており、所定の作動弁圧以上の圧力で開弁することを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。
2. 前記排気筒は、前記制御弁と接する上端面に切り欠き部を備えることを特徴とする請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池。
3. 前記凸部は、前記底面を十字形状に仕切るものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制御弁式鉛蓄電池。
4. 前記潤滑剤は、主にシリコン系オイル、フッ素系オイル又はフッ素系パウダー等を添加したグリスであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の制御弁式鉛蓄電池。
5. 前記制御弁及び前記排気筒は、以下の（ａ）から（ｃ）までの条件、
   （ａ）０．１・Ｓ１≦Ｓ２≦０．７・Ｓ１
   ただし、Ｓ１は前記排気筒の上端面の面積であり、Ｓ２は前記排気筒の上端面と前記凸部とが接する面積である、
   （ｂ）０．１・Ｃ≦Ｂ≦２・Ｃ
   ただし、Ｂは前記凸部の高さであり、Ｃは前記底面の肉厚である、
   （ｃ）０．１・Ｆ≦Ｄ≦０．７・Ｆ
   ただし、Ｄは前記底面において前記凸部の占める面積であり、Ｆは前記底面の総面積である、
   を少なくとも１つ満たす
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の制御弁式鉛蓄電池。

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