JP2015530282A - 防炎チャンバおよび装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】陸上車両（１０）は、電池システム（２２）を含み、バーストディスク（３６）を含むリリーフポート（３４）を有し、セラミックである第１の保護材料と炭素材料である第２の保護層を含む材料シートを含む防炎商品を有する防炎バッテリーパックチャンバ（１２）を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、熱およびまたは火炎封じ込め用の多層材料、こうした材料を含む防炎商品および、こうした防炎商品を備える車両などの装置に関する。

既知のバッテリーの一部は、例えば、過充電により発火して正常に機能しない場合がある。これは、それ自体が問題であり得るばかりでなく、こうしたバッテリーが可燃性物質の近くに配置されている場合、火が可燃性物質に広がる可能性がある点で、さらにより問題になり得る。

本発明は、従来技術のこの問題を少なくともある程度緩和することを目標とする。

本発明の第１の態様によれば、セラミック材料を含む第１の保護層と、炭素材料を含む第２の保護層と、を備える熱およびまたは火炎封じ込め用の多層材料が提供される。

一部の実施形態では、第１の保護層は、アルミナ、シリカまたはアルミノケイ酸塩セラミック材料を含む。セラミック材料は好適には、一層または複層のセラミックペーパーを含む。好適な実施形態では、第１の保護層は、１枚または複数枚の、好適には２枚のアルミナ繊維ペーパーを含む。セラミック材料層の厚みは、好適には約２〜１０ｍｍであり、より好適には約２〜５ｍｍである。

一部の実施形態では、第２の保護層は、炭素フェルトであり得る炭素材料あるいは、発泡体またはハニカム構造として供給され得る炭素材料を含む。炭素材料は好適には、予備酸化されたポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）炭素材料である。第２の保護層は好適には、炭素フェルトを含む。

一部の実施形態では、第２の保護層の厚みは、約１〜５ｍｍであり、好適には約１〜４ｍｍである。

一部の実施形態では、多層材料は、好適には第１の保護層に隣接して配置されている構造層をさらに含む。構造層は、例えば、ポリマー材料、金属、合金またはこれらの任意の混合物を含む任意の固形材料で形成されてもよい。

一部の実施形態では、構造層は、心材とコーティング（心材とコーティングを含むパネルなど）で形成される。コーティングは好適には、熱硬化性樹脂を含む。熱硬化性樹脂コーティングは、炭素繊維強化材を含んでいてもよい。熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂であってもよく、好適にはエポキシ樹脂であり、炭素繊維強化材を有することが好ましい。心材は、金属あるいは、アルミニウム合金（好適には５０００シリーズアルミニウム合金）などの金属合金を含んでいてもよい。代替となる実施形態では、心材は、アラミドポリマー材料、好適にはメタ−アラミドを含む。ある実施形態では、心材は、メタ−アラミドポリマー、好適にはポリ（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）を含む。アラミド、金属または金属合金材料は、好適には気泡構造を形成するように構成されたシートとして供給されることが好ましく、気泡構造はハニカム形態であるとよい。構造層は好適には、心材がコーティング間に挟持されたサンドイッチ構造を有する。

一部の実施形態では、構造層の厚みは、約５〜１２ｍｍであり、好適には約６〜９ｍｍである。

好適な多層材料では、第１の保護層は、第２の保護層に隣接して位置する。構造層が存在する好適な実施形態では、第１の保護層は、構造層と第２の保護層間に位置していてもよい。一部の実施形態では、構造層、第１の保護層および第２の保護層の任意の間あるいはそれらの外側に、シーラント（封止剤）およびまたは接着剤が存在していてもよい。

一部の実施形態では、第１の保護層の厚みと第２の保護層の厚みとの比は１：１〜２：１である。一部の実施形態では、構造層の厚みと、第１の保護層の厚みと、第２の保護層の厚みとの比は３〜６：１〜２：１である。

本発明のさらなる態様では、本発明の上記の態様に従った材料シートを含む防炎商品が提供される。

本発明のさらなる態様では、前述の態様の防炎商品を含み、中に配置されたバッテリーパックを備える防炎チャンバが提供される。

チャンバの少なくとも頂壁は、該材料シートで形成されていてもよい。

チャンバは、密閉あるいは実質的に密閉されていてもよい。

防炎チャンバは、その下面に配置され、所定の圧力が印加されるとチャンバ側から外部空間側に開口するように構成されたポートを備えていてもよく、ポートは、好ましくは、バーストディスクを含んでいる。

本発明のさらなる態様では、バッテリーパックを含み；所定の圧力が印加されるとチャンバ側から外部空間側に開口するように構成され、該チャンバの下面に配置され、好適にはバーストディスクを含むポートを備える防炎チャンバが提供される。

本発明のさらなる態様では、前述のいずれかの態様の防炎チャンバと、可燃燃料を含むように構成されたタンクと、を備える装置が提供される。

タンクは、防炎チャンバに隣接して、あるいはこの上部に配置されていてもよい。

装置は、陸上車両などの自動車を含んでいてもよい。無停電電源システム、航空機あるいは宇宙船などの他の環境での応用も考えられる。

バッテリーパックは、自動車の牽引バッテリーパックを含んでいてもよい。

牽引バッテリーパックは、自動車のパワートレインモーターに電気エネルギーを供給する（およびまたはそれから電力を受け取る）ように構成されていてもよい。

発電機は、車両内で発信されたブレーキ指令を示す信号が送信されると、電気エネルギーを供給してバッテリーパックを充電するように動作可能である。

本発明は種々の方法で実行されてもよく、本発明による好適な材料および装置について、例示の目的で添付図を参照しながら説明する。

好適な実施形態による好適な多層材料を用いた好適な防炎バッテリーパックチャンバを備える自動車の概略図である。 バッテリーパックチャンバの概略図である。 バッテリーパックチャンバの下面図である。 蓋を取り外したバッテリーパックチャンバの図である。

以下、本発明を非限定的に詳細に説明する。

ここでの「セラミック材料」は結晶性無機材料である。セラミック材料がアルミナ、シリカまたはアルミノケイ酸塩セラミックの場合、セラミック結晶構造内に他の成分も存在し得ることは理解されるべきである。従って、アルミナセラミックでは、アルミナが優勢な酸化物として存在するが、シリカを含む他の酸化物も存在し得る。

ここでの「セラミックペーパー」は、セラミック繊維と任意にバインダを含む柔軟なシートの形態をしたセラミック材料の一種である。セラミック繊維は耐火性でなければならず、例えば耐火性アルミナ繊維であってもよい。

炭素繊維はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）から誘導され得る。「予備酸化ポリアクリロニトリル炭素材料」は、任意に、例えばフェルトを形成するためにさらに加工された、予備酸化されたＰＡＮ炭素繊維で形成された材料である。予備酸化材料は酸化されていてもよく、あるいは、好適には予備酸化された形態で存在していてもよい。

ここでの「炭素フェルト」は、炭素繊維の圧縮により形成され得る炭素含有不織布である。炭素フェルトは好適には、予備酸化ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）炭素材料から形成される。このフェルトを予備酸化ＰＡＮ炭素フェルトと呼んでもよい。

ここでの「アルミニウム合金」は、好適にはアルミニウムが優勢金属として（重量で）存在する合金である。存在する他の元素としては、例えば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、ＳｉおよびＺｎが挙げられ得る。ここでのアルミニウム合金は好適には、例えば５０００シリーズアルミニウム合金などのアルミニウム・マグネシウム合金である。

ここでの「アラミド」は芳香族ポリアミドである。アラミドは好適には、アミド結合の少なくとも８５％が２つの芳香環に直接結合した芳香族ポリアミドである。

「ハニカム」構造または形態は、壁間に形成された多くの中空セルを含む。セルの形状は一般に六角形である。

実施例
［試験手順］
リチウムイオン電池の封じ込めシステムに使用する多層材料の適合性評価試験手順は、米連邦航空局（ＦＡＡ）の「ＦＡＡ Ａｄｖｉｓｏｒｙ Ｃｉｒｃｕｌａｒ２０−１３５：ＰＯＷＥＲＰＬＡＮＴ ＩＮＳＴＡＬＬＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＰＲＯＰＵＬＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＦＩＲＥ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ ＴＥＳＴ ＭＥＴＨＯＤＳ，ＳＴＡＮＤＡＲＤＳ，ＡＮＤ ＣＲＩＴＥＲＩＡ」に基づくものとした。

ガス炎の約２０ｍｍ上に試験材料を置き、その表面に直接炎が当たるようにした。この試験設定におけるプロパンガスボンベで達成された温度は９８０℃〜１０２０℃であった。比較試験の目的のために、火炎温度は１０００℃を目標とした。プロパンガストーチは、試験材料の面から短い距離にセットした。試験材料表面の前にセットした熱電対で「火炎」温度を測定した。パネルの反対側の中心位置に、熱電対をテープで接着した。試験中、フルーク（Ｆｌｕｋｅ）マルチメータを用いて２つの温度をモニターした。ガスを細かく調整して火炎の最高温度を維持した。一般に、初期火炎温度は約９６０℃であり、１０分以上後に１０２０℃に上昇した。

本発明の封じ込めシステムでの使用に適した材料の要件は、材料の厚みと重量が最小であり、構造完全性を維持しながら材料表面直上の温度１０００℃の火炎に１５分以上耐えられ、十分な断熱性が得られて、車両の封じ込めシステムに隣接して位置し得る燃料容器を保護できることである。

本発明の多層材料は、上記の要件を満たせない多くの他の材料の組合せと対照的に、良好な性能を有し、上記の基準を満たすことが分かった。

表１に示すように、予備酸化ＰＡＮ炭素フェルト、チタン合金箔、シリカエアロゲル、セラミックシート、ポリイミドフォーム（Ｓｏｌｉｍｉｄｅ（登録商標））、耐火性アルミナ繊維ペーパー（Ｋａｏｗｏｏｌ１６００ペーパー）およびアルミナ−ボリア−シリカ繊維織物（Ｎｅｘｔｅｌ（登録商標）３１２）の種々の組合せ材料を保護層として試験した。種々のサンドイッチパネル材料を構造層として試験した。パネル心材は、Ｎｏｍｅｘ（登録商標）（ポリ（ｍ−フェニレンイソフタルアミド））、アルミニウム合金およびセラミックボード（Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ３６０−１）を含む。

表１：試験した材料組合せと試験要約。内面がガス火炎に最近接。

予備酸化ＰＡＮ炭素不織布フェルトから優れた火炎バリアが得られることが実証された。１０００℃を超える温度の火炎暴露という最も厳しい試験において、該フェルトは、４０分暴露後でわずかに分解しただけであった。チタン合金箔は、直接の火炎バリアとして使用するには性能が劣った。かなりの変形と変色が見られ、その背後のＣＦＲ−エポキシサンドイッチパネルに対する熱保護性能も非常に劣っていた。セラミックシート（Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ３６０−１）は、表面上の直接の火炎への１５分暴露後で損傷はなかったが、最上層は著しく分解した。表１に示す結果から、セラミックと炭素フェルトの組合せは、他の材料と比較して有利な保護特性が得られることが分かる。

フルスケールの試験用バッテリー封じ込めボックスの試験に進めた多層材料は、１．４ｍｍ厚のＫａｏｗｏｏｌ１６００セラミックペーパー（アルミナ８８％、シリカ９％、他の酸化物３％）２層と、呼称厚１．８ｍｍの予備酸化ＰＡＮ炭素不織布フェルト１層と、の組合せを含む。アルミニウム合金（５０５２合金）ハニカムコア（厚み６．５２５ｍｍ）と炭素繊維強化エポキシマトリックス各層（各厚み０．６ｍｍ）とを有するサンドイッチパネルを含む構造層を提供した。応力分析で見られるように高強度を有しているので、アルミニウム合金を試験材料に用いた。一部の用途では、代替の心材が使用できるであろう。代替となる軽量の心材は、例えばＮｏｍｅｘ（登録商標）ハニカムコアである。

試験用バッテリー封じ込めボックスの試験では、リチウムイオン電池を点火後、燃え尽きるまで火炎を燃焼させた。外部温度は５０℃を超えなかった。分解すると、多層材料の構造的完全性は低下していなかった。この材料組合せは、リチウムイオン電池の封じ込めに適していると結論付けられた。

過剰帯電または他の何らかの誤動作による電池発火時の耐火性を得るために、ここに記載の有利で好適な材料を封じ込めシステムに好都合に組み込んでもよい。従って、こうした封じ込めシステムは有利なことに、火炎と熱の拡散を１５分以上制限できることが分かった。

図１は、一実施形態による陸上車両１０であって、陸上車両１０の少なくとも１つの接地駆動輪２０に牽引力を供給する内燃エンジン１８（ＩＣエンジンなど）に、燃料ライン１６経由で可燃性液体または気体燃料を供給する燃料タンク１４の下方に配置された防炎バッテリーパックチャンバ１２を備える地上車両１０の例を示す。

バッテリーパックチャンバ１２は、エンジン１８と共に牽引電動機電力によって、あるいはエンジン１８の代替動力源として車両に電力を供給するように構成されたリチウム系（例えばリチウム−イオン）牽引電池システム２２を含んでおり、ここで牽引電池システムは、例えば、エンジン１８からおよびまたは回生ブレーキ機能で駆動され、一実施例では、上記の牽引電動機電力を供給する電動機として再構成できる車両１０の発電機（非図示）などの従来の方法でも充電できる。

図４に示すように、電池システム２２は、支持物２６によってチャンバ１２の矩形ベース２４に固定されている。また、チャンバ１２は、矩形天面３０と４つの側面３２（図２では２つの側面を図示）を含む蓋２８も有しており、４つの側面３２、蓋２８およびベース２４は、蓋２８をベース２４上に固定すると、電池システム２２を含む密閉または実質的に密閉した筐体を形成する。

蓋２８の少なくとも天面３０および好適には、蓋２８の側面３２の少なくとも一部および典型的にはそのすべても、アルミニウム合金ハニカムコアと、２枚のアルミナ繊維セラミックペーパー（予備酸化ＰＡＮ炭素不織布フェルトの１層で補完され、セラミックペーパーと炭素フェルトは、１層のアラミド−エポキシ複合織物を含む被覆で所定位置に保持されている）を有する炭素繊維強化−エポキシの表皮付きサンドイッチパネルを含む多層材料で製造されている。ベース２４も任意にこの材料で製造されている。

ベース２４は、それを貫通して形成され、電池システム２２の下部に位置する円形開口３４の形態のリリーフポートを包含し、円形のバーストディスク３６は、円形開口３４内に配置されている。

電池システムの過充電などの誤動作により火災が発生した場合、まず第一に、火災の継続に利用される酸素の量が限定される。チャンバ１２内の火災が継続して圧力が増加する場合、バーストディスク３６が破裂することによって、リリーフポート３４、３６は所定の圧力で好都合に開口し得る。従って、壊滅的な圧力形成は好都合に回避されて、チャンバ１２は爆発し得ず、あるいは圧力は非制御的に解放され得る。さらに、比較的小さな破裂開口３４によって、チャンバ１２から火災燃焼生成物は流出し得るが、酸素含有空気のチャンバ１２内への流入は制限される。さらに好都合なことに、燃焼生成物はチャンバから下方に、さらに燃料タンク１４から遠方に放出される。

さらに、火が燃えている間およびそれが継続する場合でも、チャンバ１２の構造に使用される好適なラミネート材によって、１５分を超え得る継続時間の間、優れた防炎性能と伝熱制限性能が得られる。可燃燃料を含む燃料タンク１４がチャンバ１２に近接して、隣接してまたは上部に位置する場合にも、チャンバ１２の優れた性能によって、火炎およびまたは熱により燃料タンク領域または地上車両１０の他の領域で容易に火災が発生しないことが保証される。

他の実施形態では、複数の同様のリリーフポート３４、３６がチャンバ１２のベース２４を貫通して設けてもよいと考えられる。

具体的に記述した実施例には種々の変更が考えられるが、特許法の下で解釈される添付の請求項によって画定される本発明の範囲に包含されるものと考えられる。

Claims (35)

1. セラミック材料を含む第１の保護層と、
   炭素材料を含む第２の保護層と、を備えることを特徴とする熱およびまたは火炎封じ込め用の多層材料。
2. 前記第１の保護層は、アルミナ、シリカまたはアルミノケイ酸塩セラミック材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の材料。
3. 前記セラミック材料は、１層または複層のセラミックペーパーを含むことを特徴とする請求項１に記載の材料。
4. 前記第１の保護層は、１層または複層のアルミナ繊維ペーパーを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の材料。
5. 前記セラミック材料層の厚みは好適には約２〜１０ｍｍであり、より好適には約２〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の材料。
6. 前記第２の保護層は炭素フェルトを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の材料。
7. 前記炭素材料は、予備酸化ポリアクリロニトリル炭素材料であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の材料。
8. 前記第２の保護層の厚みは、約１〜５ｍｍであり、好適には約１〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の材料。
9. 前記材料は、さらに構造層を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の材料。
10. 前記構造層は、心材とコーティングを含むパネルで形成されることを特徴とする請求項９に記載の材料。
11. 前記コーティングは熱硬化性樹脂を含むことを特徴とする請求項１０に記載の材料。
12. 前記コーティングは炭素繊維強化材を含むことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の材料。
13. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂であり、好適には炭素繊維強化材を有することを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれかに記載の材料。
14. 前記心材は、金属合金、金属、アラミドポリマー材料あるいはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれかに記載の材料。
15. 前記心材はアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項１０乃至請求項１４のいずれかに記載の材料。
16. 前記心材は、好適にはハニカム形態の気泡構造を形成するように構成されたシートとして提供されることを特徴とする請求項１０乃至請求項１５のいずれかに記載の材料。
17. 前記構造層の厚みは、約５〜１２ｍｍであり、好適には約６〜９ｍｍであることを特徴とする請求項１０乃至請求項１６のいずれかに記載の材料。
18. 前記第１の保護層の厚みと前記第２の保護層の厚みとの比は１：１〜２：１であることを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれかに記載の材料。
19. 前記第１の保護層は、前記構造層と前記第２の保護層間に位置していることを特徴とする請求項１０乃至請求項１８のいずれかに記載の材料。
20. シーラント層およびまたは接着層が、前記構造層、前記第１の保護層および前記第２の保護層の任意のものの間に、あるいはそれらの外部に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の材料。
21. 請求項１乃至請求項２０のいずれかに記載の材料のシートを含むことを特徴とする防炎商品。
22. 請求項２１に記載の防炎商品を含み、中に配置されたバッテリーパックを備えることを特徴とする防炎チャンバ。
23. 前記チャンバの少なくとも頂壁は前記材料シートで形成されていることを特徴とする請求項２２に記載の防炎チャンバ。
24. 前記チャンバは密閉又は実質的に密閉されていることを特徴とする請求項２３に記載の防炎チャンバ。
25. 防炎チャンバであって、その下面に配置され、好適にはバーストディスクを含み、所定の圧力が印加されると前記チャンバ側から外部空間側に開口するように構成されたポートを備えることを特徴とする請求項２４に記載の防炎チャンバ。
26. バッテリーパックを含み；所定の圧力が印加されるとチャンバ側から外部空間側に開口するように構成され、前記チャンバの下面に配置され、好適にはバーストディスクを含むポートを備えることを特徴とする防炎チャンバ。
27. 請求項２２乃至請求項２６のいずれかに記載の防炎チャンバと、可燃燃料を含むように構成されたタンクと、を備えることを特徴とする装置。
28. 前記タンクは、前記防炎チャンバに隣接して、あるいはその上部に配置されることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
29. 自動車を含むことを特徴とする請求項２７または請求項２８に記載の装置。
30. 前記バッテリーパックは、前記自動車の牽引バッテリーパックを含むことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
31. 前記牽引バッテリーパックは、前記自動車のパワートレインモータ（または発電機）に電気エネルギーを供給するように（およびまたはそれから電力を受け取るように）構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
32. 前記発電機は、前記自動車内で発信されたブレーキ指令を示す信号が送信されると、電気エネルギーを供給して前記バッテリーパックを充電するように動作可能であることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
33. 添付の実施例に実質的に準拠することを特徴とする材料。
34. 添付の図面に実質的に準拠することを特徴とする防炎チャンバ。
35. 添付の図面に実質的に準拠することを特徴とする陸上車両。

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