JP2013507735A - エネルギー貯蔵装置を格納する格納装置及び方法 - Google Patents

Abstract

内部容積（１６）を画定するカバー（１２）と内部容積（１６）への開口部（１８）を含む格納装置（１０）であって、カバー（１２）は少なくとも第１層（２４）及び第２層（２６）を含む層状構造として形成されており、第１層（２４）はセラミック織布を含み、第２層（２６）は酸化ポリアクリロニトリル繊維を含む。

Description

本特許出願は、エネルギー貯蔵装置を格納する安全装置および方法に関し、さらに具体的には、熱散逸の間にエネルギー貯蔵装置から放出されたエネルギーを格納する装置及び方法に関するものである。

高エネルギー密度のエネルギー貯蔵装置は、単位質量当たり比較的大量の電気エネルギーを貯蔵することができる。例えば、リチウムイオン電池はバッテリ１キログラム当たり１５０ワットを提供することが可能でありうる。対照的に、鉛酸バッテリはバッテリ１キログラム当たり２５ワットを供給することができるのみでありうる。したがって、高エネルギー密度のエネルギー貯蔵装置は、例えば民間航空機及び個人用電子機器等の全重量を考慮したときに特に魅力的である。

しかしながら熱散逸は、例えばリチウムイオン電池等の高エネルギー密度のエネルギー貯蔵装置にとって重要な課題である。リチウムイオン電池の熱散逸が起こると、発熱反応により高い温度と圧力が生じる。したがって、熱散逸が起こりやすいエネルギー貯蔵装置の使用及び輸送に対して様々な制約が課されてきた。

関連の課題に関わらず、高エネルギー密度のエネルギー貯蔵装置の重量の大きな利点により、上記エネルギー貯蔵装置の需要が促進され続ける。熱散逸が起こりやすいエネルギー貯蔵装置に関わる課題を対処するための以前のある方法には、発熱事象が起きている間に放出を格納するためのメタルベースの遮蔽を使用することが含まれる。しかしながら、上記遮蔽により全体重量が大幅に増加する。別の方法では、その他の機器及び動力装置からエネルギー貯蔵装置を分離することが含まれ、これにより、分離したエネルギー貯蔵装置につなげるための外延的な重い配線の必要性が要求される。

したがって、当業者はエネルギー貯蔵装置に関する危険性を最小化する新しい方法を探究し続ける。

ある態様では、本開示の格納装置は内部容積を画定するカバーと、内部容積への開口部を含むことができ、カバーは少なくとも第１層及び第２層を含む層状構造として形成されており、第１層はセラミック織布を含み、第２層は酸化ポリアクリロニトリル繊維を含む。

別の態様では、本開示の格納装置は内部容積を画定するカバーと、内部容積への開口部を含むことができ、カバーは少なくとも第１層及び第２層を含む層状構造として形成されており、第１層はアルミナホウケイ酸塩織り繊維を含み、第２層は酸化ポリアクリロニトリル繊維と構造補強繊維を含み、密閉材は内部容積を封鎖するために開口部に係合するように構成されている。

別の態様では、任意の種類の可動装置又はプラットフォームを広く指すビークルを、本開示内容にしたがって構成して、ビークルによって運ばれるエネルギー貯蔵装置を格納することができ、エネルギー貯蔵装置はビークルに電力を供給するように構成されており、カバーは内部容積と、内部容積に通じる開口部を画定し、エネルギー貯蔵装置は内部容積内に受け入れられ、カバーは少なくとも第１層及び第２層を含む層状構造として形成されており、第１層はアルミナホウケイ酸塩織り繊維を含み、第２層は酸化ポリアクリロニトリル繊維と構造補強繊維を含み、密閉材はエネルギー貯蔵装置を内部容積内に封鎖するために開口部と係合するように構成されている。

さらに別の態様では、本開示のエネルギー貯蔵装置を格納する方法は、内部容積を画定し、内部容積に通じる開口部を含むカバーであって、少なくとも第１層及び第２層を含む層状構造として形成され、第１層はセラミック織布を含み、第２層は酸化ポリアクリロニトリル繊維を含むカバーを提供するステップと、内部容積内にエネルギー貯蔵装置を位置決めするステップと、位置決めステップの後で開口部を密閉するステップを含むことができる。

本開示の格納装置と、エネルギー貯蔵装置を格納する方法のその他の態様は、下記の説明、添付の図面及び請求項により明らかとなる。

図１は開放された構成を示す、本開示のエネルギー貯蔵装置の格納装置の一態様の概略図である。 図２は密閉された構成を示す、図１の本開示の格納装置の概略図である。 図３は密閉された構成を示す、本開示のエネルギー貯蔵装置の格納装置の代替態様の概略図である。 図４は図２に示す格納装置の一部の断面図である。 図５は本開示の別の態様による格納装置の一部の断面図である。 図６は本開示のエネルギー貯蔵装置を格納する方法の一態様を示すフロー図である。 図７は熱散逸が起きているエネルギー貯蔵装置を保護する例示格納装置の内部温度及び外部温度を示すグラフである。

図１及び２を参照すると、おおむね１０で指定される本開示のエネルギー貯蔵装置の格納装置の一態様は、保護カバー１２及び密閉材１４を含むことができる。保護カバー１２は内部容積１６と、内部容積１６へのアクセスを提供することができる開口部１８を画定することができる。密閉材１４は、エネルギー貯蔵装置２０を内部容積１６内部に封鎖することができるように開口部１８を密閉するように構成することができる。

開口部１８と密閉材１４は、エネルギー貯蔵装置２０が格納装置１０に封鎖されている間に放電できるように、配線等が開口部１８を介して延在することができるように構成することができる。任意に、追加のポート（図示せず）を保護カバー１２を介して提供し電気接続しやすくすることができる。

エネルギー貯蔵装置２０は例えば電池等の電気エネルギーを貯蔵することができるどんな装置であってもよい。ある特定の態様では、エネルギー貯蔵装置２０は高エネルギー密度の電池、例えばリチウムイオン電池であってよい。別の特定の態様では、エネルギー貯蔵装置２０は例えばリチウム等のグループ１又は２の金属を含むいかなる電池であってもよい。

一態様では、密閉材１４は図１及び図２に示すように開口部１８の上に設置されるフラップであってよい。任意の取付機構２２を密閉材１４と保護カバー１２の間に配置して、密閉材１４と保護カバー１２の間の係合をしっかり固定しやすくすることができる。例えば、取付機構２２はマジックテープ（登録商標）であってよく、マジックテープの第１部分２２Ａは保護カバー１２に固定され、マジックテープの第２の対応する部分２２Ｂは密閉材１４に固定される。密閉材１４を保護カバー１２に固定する取付機構２２のその他の例は、スナップ、ボタン及びバックルを含む。

図３を参照すると、一代替態様では、本開示の格納装置１０’の密閉材１４’は保護カバー１２に固定されているジッパー留め具であってよい。したがって、開口部１８’はジッパー留め具が開けられている時に形成され、開口部１８’はジッパー留め具が閉められているときに密閉されうる。

この時点で当業者は、「密閉」という単語が、格納装置１０内部のエネルギー貯蔵装置２０に発熱事象が起きたときに、大量の高温プラズマ、気体及び瓦礫類の放出を阻止するために、保護カバー１２によって画定される内部容積１６への開口部１８を密閉することができるすべての装置又は機構を広く指すことを認識するだろう。

保護カバー１２は様々な形状及び配置構成を有するように構成することができ、この形状及び配置構成はエネルギー貯蔵装置２０を受けいれるのに必要である内部容積１６のサイズおよび形状によって決定されうる。内部容積１６は、発熱事象の際にエネルギー貯蔵装置２０から出て行くプラズマ、気体及び瓦礫類を受ける空間を得るために、エネルギー貯蔵装置２０よりもわずかに大きくなるように構成することができる。ある特定の態様では、保護カバー１２は（後述する）本開示の層状構造の２つのパネルを例えば、（ＣａｒｂｏｎＸ（登録商標）繊維糸で）縫い合わせて互いに固定された袋として形成することができる。第２の特定態様では、保護カバー１２は、本開示の層状構造の多数のパネルを互いに固定することによって三次元の直線的な本体として形成することができる。当業者が本開示内容を読むことでその他の形状及び配置構成も明らかとなるだろう。

ここで図４を参照すると、保護カバー１２は少なくとも第１層２４と第２層２６を含む層状構造から形成することができる。例えば、第２層２６を第１層２４及び内部容積１６の間に配置することができる。ある特定態様では、図５に示すように、第２層２６を第１層２４及び第３層２８の間に挟むことができる。この時点で、当業者は本開示内容の範囲から逸脱することなく、様々な層２４、２６を規則的に／均一に又なランダムに互い違いにすることによって追加の層を含めることができることを認識するだろう。別の特定態様では、保護カバー１２を形成する層状構造は例えば放出が起こる可能性が高い領域等の高応力領域に隣接して追加の層２４、２６を含むことにより、格納装置１０をさらに構造補強することができる。

第１層２４は例えばセラミック織布等の無機織布からできていてよい、又は例えばセラミック織布等の無機織布を含むことができる。一態様では、セラミック織布はアルミナホウケイ酸塩織り繊維を含むことができる。例えば、第１層２４はミネソタ州セントポールの３Ｍ社から入手可能なＮＥＸＴＥＬ（登録商標）織布からできていてよい、又はＮＥＸＴＥＬ（登録商標）織布を含むことができる。ある特定例では、第１層２４はＮＥＸＴＥＬ（登録商標）織布３１２からできていてよい、又はＮＥＸＴＥＬ（登録商標）織布３１２を含むことができる。

第２層２６は有機布又は有機由来の布であってよい。一態様では、第２層は酸化ポリアクリロニトリル繊維と、任意に一又は複数の構造補強繊維を含む布でできていてよい、又は酸化ポリアクリロニトリル繊維と、任意に一又は複数の構造補強繊維を含むことができる。構造補強繊維の例には、ポリベンゾイミダゾール、ポリフェニレン−２、６−ベンゾビスオキサゾール、モダクリルｐ−アラミド、ｍ−アラミド、ポリビニルハロゲン化物、ウール、耐火性ポリエステル、耐火性ナイロン、耐火性レーヨン、綿、メラミンが挙げられる。例えば、第２層２６はユタ州ソルトレイクシティのＣｈａｐｍａｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社から入手可能な耐火性布ＣａｒｂｏｎＸ（登録商標）からできていてよい、あるいはこれを含むことができる。第２層２６を形成することができる又は第２層２６に含まれていてよいその他の例示の材料は、参照することで全体内容を本明細書に組み入れる米国特許第６２８７６８６号明細書に記載されている。ある特定の実施例では、第２層２６は耐火性布ＣａｒｂｏｎＸ（登録商標）Ｃ−５９でできていてよい、又はこれを含むことができる。

第３層２８は第１層２４を形成するのと同じ又は類似の材料でできていてよい。

任意の特定の理論に限定することなく、例えばＮＥＸＴＥＬ（登録商標）織布等のセラミック織布の使用により、保護カバー１２の層状構造に機械的強度及び耐熱性が加わると考えられる。さらに、任意の特定の理論に限定することなく、例えばＣａｒｂｏｎＸ（登録商標）耐火性布等の酸化ポリアクリロニトリル繊維からできた布を使用することは、保護カバー１２の層状構造の耐熱性だけでなく気体拡散抵抗性がさらに増し加わると考えられる。したがって、任意の特定の理論に限定することなく、上述した少なくとも第１及び第２層２４、２６を有する保護カバー１２は、高温、高速の瓦礫類を含む一方で、気体が布の細孔を通って放出されるのは可能だが高密度プルーム又はプラズマを通っては放出されないために発熱事象を格納することができると考えられる。

図４及び５を参照すると、保護カバー１２を形成する層２４、２６、２８を縫い糸３０で互いに固定することができ、これにより保護カバー１２にキルト風の層状構造を設けることができる。縫い糸３０は例えばＣａｒｂｏｎＸ（登録商標）繊維糸等の耐火性の糸でできていてよい。この時点で当業者は、保護カバー１２を形成する層２４、２６、２８は例えば熱接着等の縫合以外の手法を使用して互いに固定することができることを認識するだろう。

ある例示の格納装置１０は、ＮＥＸＴＥＬ（登録商標）織布３１２の２つの層の間に位置づけされた耐火性布ＣａｒｂｏｎＸ（登録商標）Ｃ−５９の層を含む層状構造から直線的な箱として準備された。層状構造のパネルは、ＣａｒｂｏｎＸ（登録商標）の複列糸を使用して、工業用ワーキングフットミシン上で１インチ当たり１０の縫い目で互いに縫い合わせた。バッテリ端末ポートが格納装置に形成され、５０アンペア時のリチウムイオン電池が内部容積内に挿入された。バッテリ端部はカバー内のポートを介してテスト機器に電気接合され、熱散逸を発生させた。放出の間、電池から炎と約１ポンドの電解質材料が高温気体プルームとして噴出し、格納装置が膨れ上がった。しかしながら、縫い目と縫い目で保持された布および格納装置１０により図７に示すように、カバー外部の温度の最大約１５０度までの上昇が数分のみに制限された一方で、カバー内部の温度は最大約３７５℃まで達し、さらに長い時間上昇したままであった。

したがって、図６を参照すると、おおむね５０で指定されるエネルギー貯蔵装置を格納する本開示の方法の一態様は、ブロック５２に示すように本開示の格納装置の内部容積内にエネルギー貯蔵装置を位置づけするステップを含むことができる。次に、ブロック５４に示すように格納装置を密閉することができる。任意に、密閉後にブロック５６で示すように格納装置を補強することができる。密閉した格納装置を補強するある例示の手法には、密閉した格納装置周囲にストラップ又はベルト（例えばケブラーベルト）を巻きつけることが含まれる。密閉した格納装置を補強する別の例示の手法には、ケブラーメッシュで密閉した格納装置を包むことが含まれる。

したがって、本開示の格納装置及び方法により、発熱事象の間にエネルギー貯蔵装置から高圧及び高温プラズマ、気体及び瓦礫類の放出を含むための比較的低費用で軽量の方法を提供することができ、これにより（例えば本開示の格納装置及び関連のエネルギー貯蔵装置を搭載するビークル等の）周囲の外部環境への巻き添え損害が最小限に抑えられる。さらに、本開示の格納装置及び方法により、外部の熱的事象から格納されたエネルギー貯蔵装置を保護する比較的低費用で軽量な方法を提供することができる。

エネルギー貯蔵装置を格納するための本開示の格納装置及び方法の様々な態様を示し、説明してきたが、本明細書を読むときに当業者が複数の変形例を発想することが可能である。本願は上記変形例を含み、請求項の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (15)

1. 内部容積を画定するカバーと、前記内部容積への開口部を含む格納装置であって、前記カバーは少なくとも第１層及び第２層を含む層状構造として形成されており、前記第１層はセラミック織布を含み、前記第２層は酸化ポリアクリロニトリル繊維を含む格納装置。
2. さらに密閉材を含み、前記密閉材が前記開口部を密閉するときに前記内部容積が封鎖される、請求項１に記載の格納装置。
3. 前記密閉材がフラップを含み、前記フラップは前記層状構造から形成されている、請求項２に記載の格納装置。
4. 前記密閉材がジッパー留め具を含む、請求項２に記載の格納装置。
5. 前記第２層が前記第１層及び第３層の間に位置づけされており、前記第３層は前記セラミック織布を含む、請求項１に記載の格納装置。
6. 前記第１層は縫い合わせることにより前記第２層に接続されている、請求項１に記載の格納装置。
7. 前記セラミック織布はアルミナホウケイ酸塩繊維を含む、請求項１に記載の格納装置。
8. 前記第２層はさらに構造補強繊維を含む、請求項１に記載の格納装置。
9. 前記構造補強繊維は、ポリベンゾイミダゾール、ポリフェニレン−２、６−ベンゾビスオキサゾール、モダクリルｐ−アラミド、ｍ−アラミド、ポリビニルハロゲン化物、ウール、耐火性ポリエステル、耐火性ナイロン、耐火性レーヨン、綿、メラミン及びこれらの組合せからなるグループから選択される、請求項８に記載の格納装置。
10. 第２層は基本的に前記酸化ポリアクリロニトリル繊維とアラミド繊維からなる、請求項１に記載の格納装置。
11. 前記封鎖された容積に収容されたエネルギー貯蔵装置をさらに含む、請求項１に記載の格納装置。
12. 前記エネルギー貯蔵装置はリチウムイオン電池を含む、請求項１１に記載の格納装置。
13. ビークルであって：
    前記ビークルによって運ばれるエネルギー貯蔵装置であって、前記ビークルに電力を供給する前記エネルギー貯蔵装置と；
    内部容積を画定するカバーと前記内部容積への開口部であって、前記エネルギー貯蔵装置は前記内部容積に収容され、前記カバーは少なくとも第１層及び第２層を含む層状構造として形成されており、前記第１層はアルミナホウケイ酸塩織り繊維を含み、前記第２層は酸化ポリアクリロニトリル繊維及び構造補強繊維を含むカバーと開口部と；
    前記開口部と係合して前記エネルギー貯蔵装置を前記内部容積内に封鎖する密閉材
    を含むビークル。
14. 前記構造補強繊維はポリベンゾイミダゾール、ポリフェニレン−２、６−ベンゾビスオキサゾール、モダクリルｐ−アラミド、ｍ−アラミド、ポリビニルハロゲン化物、ウール、耐火性ポリエステル、耐火性ナイロン、耐火性レーヨン、綿、メラミン及びこれらの組合せからなるグループから選択される、請求項１３に記載のビークル。
15. エネルギー貯蔵装置を格納する方法であって：
    内部容積を画定し、前記内部容積への開口部を含むカバーを提供するステップであって、前記カバーは少なくとも第１層及び第２層を含む層状構造として形成されており、前記第１層はセラミック織布を含み、前記第２層は酸化ポリアクリロニトリル繊維を含む、カバーを提供するステップと；
    前記エネルギー貯蔵装置を前記内部容積内に位置づけし、前記位置づけステップの後で前記開口部を密閉するステップ
    を含む方法。

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