JP5478611B2 - 流体消費バッテリへの流体を制御するシステム及び方法 - Google Patents

流体消費バッテリへの流体を制御するシステム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に流体消費電極を備えた電気化学バッテリ及びセルを出入りするガスなどの流体の侵入率を制御するための流体調節システムに関し、またこのような流体調節システムを使用するバッテリ及びセル、特に空気限極セル及びバッテリ、空気補助燃料セル及びバッテリ、及び燃料セル及びバッテリに関する。
様々な携帯用電子機器に給電するために、空気限極電池、空気補助電池、及び燃料セル電池などの、セル外部からの酸素及びその他のガスなどの流体を電気エネルギーを生成するための活物質として使用する電気化学電池を使用することができる。例えば、空気限極セル又は空気補助セルに空気が侵入すると、この空気を正極活物質として使用することができ、又はこの空気が正極活物質を再充電することができる。酸素還元電極は、酸素のセル電解液との反応、最終的には負極活物質の酸素による酸化の反応を促進する。酸素還元電極内の、酸素の電解液との反応を促進する物質は、多くの場合触媒と呼ばれる。しかしながら、酸素還元電極で使用する一部の物質のなかには、特に放電率が比較的高い周期中に少なくとも部分的に還元され得るという理由で真の触媒ではないものもある。
空気限極セルの1つの種類に、亜鉛/空気セルがある。この種のセルは、負極活物質として亜鉛を使用し、(KOHなどの)水性アルカリ性電解液を有する。亜鉛/空気セルの空気電極内で使用できるマンガン酸化物は、特に空気電極内への酸素の拡散率が不十分なときに、負極活物質の酸化に合わせて電気化学還元を行うことができる。その後、低率の放電又は休止期間中に、これらのマンガン酸化物を酸素により再酸化することができる。
空気補助セルは、消費可能な正及び負極活物質並びに酸素還元電極を含むハイブリッドセルである。正電極は、かなりの期間にわたって高い放電率を持続することができるが、低放電又は無放電期間中に、酸素還元電極を介して酸素が正電極を部分的に再充電することができるので、総セル放電容量の大部分に酸素を使用することができる。このことは、セルに注入される正極活物質の量を低減させるとともに、負極活物質の量を増加させて総セル容量を増加させることができることを意味する。空気補助セルの例は、同一出願人による米国特許第6,383,674号及び米国特許第5,079,106号に開示されている。
空気限極セル、空気補助セル及び燃料セルの利点は、電極の少なくとも一方の活物質の少なくとも一部がセル外部からの(ガスなどの)流体に由来することにより、又はこの流体によって再生されることによりエネルギー密度が高いという点である。
これらのセルの短所は、酸素還元電極に酸素が侵入できる割合により、これらのセルが可能とする最大放電率が制限される可能性があるという点である。これまでに、酸素還元電極内への酸素の侵入率を増加させるための、及び/又は無駄の多い反応の原因となり得る二酸化炭素などの好ましくないガスの侵入率、並びに放電反応生成物の体積の増加に対応するための、又はセルを乾燥させるためのセル内の空間を満たすことができる(セル内外の相対的水蒸気分圧に左右される)水の侵入率又は損失率を制御するための努力がそれぞれ行われてきた。これらの方法の例を、米国特許第6,558,828号、米国特許第6,492,046号、米国特許第5,795,667号、米国特許第5,733,676号、米国特許出願公開第2002/0150814号、及び国際特許公開第2/35641号に見いだすことができる。しかしながら、これらのガスの1つの拡散率を変更すると、一般に他のガスも影響を受ける。酸素の拡散率を高くしてCO2と水の拡散率を低くするというニーズのバランスをとるための努力を行ったときも、限られた成功しか得られなかった。
放電率が高くなるほど、酸素還元電極内に十分な酸素を取り込むことがより重要となるが、放電率が低い期間中及びセルが使用されていない期間中は、CO2と水の拡散を最小限に抑える重要性が増加する。放電率が高い期間中にのみセル内への気流を増加させるために、ファンを使用してセル内に空気を強制的に送り込んできた(米国特許第6,500,575号など)が、ファン及びこれらのコントローラにはコスト及び製造の複雑さを伴う可能性があり、ファンは、たとえマイクロファンであっても個々のセル、複数の電池パック及び機器内の貴重な容積を占領する可能性がある。
提案されてきた別の方法に、弁を使用してセルに侵入する空気の量を制御する方法がある(米国特許第6,641,947号及び米国特許出願公開第2003/0186099号など)が、弁を動作させるためにファン及び/又は比較的複雑な電子部品などの外部手段が必要となる可能性がある。
さらに別の方法は、例えばバッテリの放電中に酸素が消費されることに起因して生じる空気圧の差異によって開閉できるフラップを有する非透水性膜を酸素還元電極と外部環境の間に使用することであった(米国特許出願公開第2003/0049508号など)。しかしながら、この圧力差が小さい場合があり、バッテリ外部の大気条件の影響を受ける可能性もある。
同一出願による米国特許出願公開第2005/0136321号には、アクチュエータによって動作する弁を開示しており、このアクチュエータは、アクチュエータ全体に印加される電位の変化に応答して弁を開閉させる。
米国特許第6,383,674号 米国特許第5,079,106号 米国特許第6,558,828号 米国特許第6,492,046号 米国特許第5,795,667号 米国特許第5,733,676号 米国特許出願公開第2002/0150814号 国際特許公開第2/35641号 米国特許第6,500,575号 米国特許第6,641,947号 米国特許出願公開第2003/0186099号 米国特許出願公開第2003/0049508号 米国特許出願公開第2005/0136321号 米国特許出願第11/860,117号 米国特許出願第11/852,516号 米国特許出願公開第2004/0098081号
本発明の1つの態様によれば、流体消費バッテリに供給される流体を制御する方法が提供される。この方法は、流体がバッテリの流体消費電極内に侵入する割合を調整する弁と、弁を動作させるためのアクチュエータとを備えた流体調節システムを提供するステップを含む。この方法はまた、流体調節システムの動作状態を感知するステップと、弁を開位置に保持するために最低限必要な時間を感知した動作状態に基づいて決定するステップとを含む。この方法は、必要なバッテリの電気出力がより大きな場合に弁を開くように弁の作動を制御するステップと、弁を最低限必要な時間にわたって開位置に保持するステップと、必要なバッテリの電気出力がより小さい場合に弁を閉じるように弁の作動を制御するステップとをさらに含む。
本発明の別の態様によれば、流体消費バッテリへの流体を調節するための流体調節システムが提供される。このシステムは、流体がバッテリの流体消費電極内に侵入する割合を調節する弁と、弁を少なくとも開位置と閉位置との間で動作させるためのアクチュエータとを備える。このシステムはまた、流体調節システムの動作状態を感知するためのセンサも備える。このシステムは、弁を開閉するようにアクチュエータの動作を制御するためのコントローラをさらに備える。このコントローラは、必要なバッテリの電気出力がより大きな場合に弁を開き、必要なバッテリの電気出力がより小さな場合に弁を閉じるようにアクチュエータを制御する。コントローラは、最低限必要な時間にわたって弁を開位置に保持する。この最低限必要な時間は、感知した動作状態に基づいて決定される。
当業者であれば、以下の明細書、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより、本発明の上記の及びその他の特長、利点、及び目的をさらに理解し認識するであろう。
本発明の第1の実施形態により構成されたバッテリの頂部を示す斜視図である。 図1に示すバッテリの底部を示す斜視図である。 バッテリの底部を、バッテリとともに使用する流体調節システムを形成する構成部品とともに示す分解斜視図である。 図1及び図16に示すバッテリ内で有用な流体調節システムの第1の構造の斜視図である。 開位置にある流体調節システムの弁を示す部分断面図である。 閉位置内にある流体調節システムの弁を示す部分断面図である。 本発明で有用な別のアクチュエータ構造及びオーバーモールド成形したシャーシを使用する流体調節システムの平面図である。 別の実施形態による、単ピンを含むアクチュエータを使用する流体調節システムの平面図である。 代替のピンアクチュエータアセンブリを使用する流体調節システムの平面図である。 本発明の1つの実施形態で使用する弁を含むバッテリの一部の断面図である。 本発明の1つの実施形態で使用する弁を含むバッテリの一部の断面図である。 本発明の様々な実施形態で使用できる流体調節システムの代替構造である。 本発明の第1の実施形態のバッテリの変形例の分解斜視図である。 図11に示す代替のバッテリ構造の1つの考えられる実施構成の部分断面図である。 図11に示す代替のバッテリ構造の別の考えられる構成である。 第1の実施形態の異なるバッテリ構造を示す部分断面図である。 第1の実施形態によるバッテリのさらに別の考えられる実施構成の部分断面図である。 本発明により構成されたバッテリの第2の実施形態の分解斜視図である。 図16に示すバッテリの部分断面図である。 本発明の第1又は第2の実施形態とともに使用できる電気接点タブの詳細を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態によるバッテリの代替構造を示す部分断面図である。 図19に示す構造で使用できる修正した缶の部分斜視図である。 図19に示す構造で使用できるガスケットの部分斜視図である。 図21に示すガスケットの一部の断面図である。 本発明の第3の実施形態によるバッテリの、流体調節システムアクチュエータ及び制御回路を図示していない分解斜視図である。 図23に示すバッテリの流体調節システムを右側から見た断面図である。 本発明の第4の実施形態による流体調節システムの断面図である。 本発明の実施形態による流体調節システムの一部の分解部分斜視図である。 閉位置にある弁の、制御回路の一部の概略図を含む実施形態の平面図である。 図27Aに示す弁の実施形態の弁が開位置にある場合の平面図である。 図27Bに示す弁の実施形態のアクチュエータが伸びた状態の平面図である。 図27Aに示す弁の実施形態の両アクチュエータが縮んだ状態の平面図である。 コネクタに固定されたSMAワイヤの斜視図である。 1つの実施形態による、受動閉鎖アクチュエータを使用する流体調節システムの平面図である。 別の実施形態による、均圧流路をシャーシ内に設けた流体調節システムを有するバッテリの斜視図である。 図30に示す流路を備えた流体調節システムを有するバッテリの分解斜視図である。 図30の線XXXII−XXXIIに沿って切り取ったバッテリ及び流体調節システムの一部の断面図である。 図31の線XXXIII−XXXIIIに沿って切り取ったシャーシの、蛇行した流路を形成するバッフルをさらに示す断面図である。 別の実施形態による、均圧流路を備えた流体調節システムを有するバッテリの分解斜視図である。 1つの実施形態による、シャーシ及びシャーシ内に封入された導電性フレームを使用する流体調節システムを有するバッテリの分解斜視図である。 図35の流体調節システムで使用する導電性フレームの斜視図である。 上部に位置センサを取り付けた電気部品を有する導電性フレームの斜視図である。 実質的にシャーシ内に封入された導電性フレームの斜視図である。 余分なフレーム素子を除去した後のシャーシ及びフレームの斜視図である。 1つの実施形態による、アクチュエータを取り付けた後の流体調節システムの斜視図である。 図40のXLI部分の、クリンプ開口部内のアクチュエータクリンプの圧入アセンブリ及び位置センサをさらに示す拡大図である。 図41の線XLII〜XLIIに沿って切り取った、圧入アセンブリをさらに示す断面図である。 別の実施形態による取り付け前のクリンプ接続部の断面図である。 図43に示す取り付けたクリンプ接続部の断面図である。 さらなる実施形態による取り付け前のクリンプ接続部の断面図である。 図45に示す取り付けたクリンプ接続部の断面図である。 流体消費セルをシャーシに取り付けた後のバッテリの斜視図である。 フレームからバッテリ端子へのバッテリ接点の接続部を示すバッテリの斜視図である。 完全に組み立てたバッテリの斜視図である。 本発明の1つの実施形態による、シャーシに埋め込んだ2つの位置センサを示す流体調節システムの平面図である。 本発明の1つの実施形態による、流体調節システムの弁を制御するための制御回路を示すブロック図である。 本発明の1つの実施形態による、制御回路により弁を制御するように実行される状態論理を示す状態図である。 1つの実施形態による、感知温度に基づいて弁を開位置に保持するために最低限必要な時間を示すルックアップテーブルである。 本発明の1つの実施形態によるブロック図である。
本発明の実施形態は、セル外部からの(酸素又は別のガスなどの)流体を電極の一方の活物質として利用する電気化学セルを含むバッテリのための流体調節システムを含む。セルは、酸素還元電極などの流体消費電極を有する。セルは、空気限極セル、空気補助セル、又は燃料セルであってもよい。バッテリは、流体が(空気限極セル及び空気補助セル内の空気電極などの)流体消費電極に通過する割合を、高率又は高出力時のセルの放電に十分な量の流体をセル外部から供給するように調整する一方で、低率放電又は無放電の期間中には流体の流体消費電極内への侵入及びセルとの間における水の獲得又は損失を最小限に抑えるための流体調節システムを使用する。
流体調節システムは、セル電位の変化に素早く応答し、耐用年数のサイクルが長く、動作電圧が放電時のセル電圧の範囲に十分に適合するように低く、高効率であることが好ましい。また、この調節システムは、閉位置で管理されている流体に対する浸透率が低く、セル内の活性流体の必要性に比例して開閉し、非常に少量の総セル放電容量しか必要とせず、容積が小さく、製造が容易で製造費が安く、セル、バッテリ又は装置に組み込まれることが好ましい。
本明細書では、特に指示しない限り「流体」という用語は、セルによる電気エネルギーの生成において流体消費セルの流体消費電極が消費できる流体を意味する。以下、酸素還元電極を含む空気限極セルによって本発明を例示するが、燃料セルなどの他の種類の流体消費電極を有する流体消費セルにおいて本発明をより一般的に使用することもできる。燃料セルは、セルハウジング外部からの様々なガスをセル電極の一方又は両方の活物質として使用することができる。
図1〜図3に関して以下でさらに説明するように、図示のバッテリ10は、流体消費セル20及び流体調節システム50を含む。流体調節システム50は、流体消費セル20の(単複の)流体消費電極への流体の流れを調節する。空気限極セルでは、流体調節システムが、流体消費セル20のセルハウジング30の内部又は外部に、及び酸素還元電極の空気側(すなわち、セルハウジング外部からの空気が到達できる酸素還元電極側)に配置される。
バッテリ10の第1の実施形態を図1〜図3に示す。図示のように、流体消費セル20(この場合は空気限極セル)は、セルハウジング30を含み、セルハウジング30は、第1のハウジング構成部品及び第2のハウジング構成部品を含み、これらは缶34及びカバー36をそれぞれ含むことができ、或いは缶又はカバーと考えられるであろうはずのものとは異なる形状又はサイズを有することができる。例示を目的として、以下第1のハウジング構成部品を缶34と呼び、第2のハウジング構成部品をカバー36と呼ぶ。缶34及びカバー36は、両方とも導電性材料で作られるが、ガスケット38により互いに電気的に絶縁される(図12)。一般に、缶34は流体消費セル20の外部正接点端子として機能し、カバー36は外部負接点端子として機能する。以下でさらに説明するように、セル20は、流体消費電極又は空気電極とすることができる第1の電極40、負電極(すなわちアノード)とすることができる第2の電極42、及び第1の電極と第2の電極の間に配置された分離器44をさらに含む(図12を参照)。第1の電極40は、缶34に電気的に結合されることが好ましく、第2の電極42は、カバー36に電気的に結合されることが好ましい。
缶34は、流体がセルハウジング30の内部に入り込んで流体消費電極40に到達できるように複数の流体入口32を設けた底面35を含む(図12を参照)。
図1〜図3に示す実施形態では、流体調節システム50が、缶34の底面35の外部に固定されている。流体調節システム50をセル20の外部に装着できる特定の態様についてはさらに先で説明する。また、流体調節システム50を流体消費セル20の内部に組み込んださらなる実施形態についても以下で説明する。
この特定の実施形態による流体調節システム50は、(流体入口32に対応することができる)複数のアパーチャ64を有する(缶34の底面35に対応することができる)第1のプレート62と、第1のプレート62内に形成されたアパーチャ64にサイズ、形状、数及び位置が一致する複数のアパーチャ68を含む移動可能な第2のプレート66とを含む弁60を含むことができる。アパーチャ64及び68のサイズ、形状、数及び位置は、流体消費電極に印加される流体の所望の体積及び配分を実現するように最適化されることが好ましい。アパーチャ64のサイズ、形状、数及び相対位置は、アパーチャ68のサイズ、形状、数及び相対位置と同じである必要はない。例えば、アパーチャ64がアパーチャ68とサイズがわずかに異なる場合、プレート62及び66を貫く総開放区域を最大にするためにアパーチャ64及び68を正確に位置合わせすることは必須ではない。
流体調節システム50は、内部に第2のプレート66を配置する開口部74を備えた環状本体部分72を有するシャーシ70をさらに含むことができる。開口部74は、プレート66の細長い側端部に接触しながら、プレート66の短い方の側に余分な空間を与えて、プレート66をその最長寸法と平行に軸に沿って線形に摺動できるようにするような形状及びサイズにされることが好ましい。従って、図5A及び図5Bに示すように、第2のプレート66のアパーチャ68を第1のプレート62のアパーチャ64と位置が合うように、及び位置がずれるように動かすことにより弁60を開閉することができる。以下でさらに説明するように、シャーシは、第2のプレート66を第1のプレート62に隣接して導くとともに、場合によってはそこに保持するように構成されることが好ましい。図5A及び図5Bに示すように、プレート62と66の間に油又はTEFLON((登録商標)で作られた潤滑層69を配置して、第2のプレート66がプレート62の表面に沿ってより容易に摺動できるようにすることができる。このようにして、潤滑層69により、アクチュエータがより少ない力で弁を開閉できるようになる。また、プレート62及び66の表面を良好な密封を行うのに十分に滑らかにすることは困難であると考えられるので、これらの表面を別様にさらに滑らかにする複雑かつ高価なプレートの機構を必要とせずに、潤滑流体69を利用して弁の密封特性を高めることができる。第2のプレート66は、冷蔵庫に設けられるガスケットで一般に使用されているような磁性材料で作成することができる。磁気プレート66を利用することにより、プレート66をプレート62に対してしっかりと別様に保持する機構を含むようにシャーシ70を構成する必要はない。磁気プレート66は、隣接プレート62の形状に適合できる可撓性磁石であることが好ましい。磁気プレート66は、(バリウム/ストロンチウムフェライトなどの)強磁性材料とエラストマ材料を混ぜ合わせたような適当な磁性材料で作成することができる。磁気プレート66は、十分な磁力を保持するためにセル20からエネルギーを消費しない永久磁石であってもよい。図3及び図11に示す実施形態では、(以下でさらに説明するような)缶34の蓋100及び底面35により、移動可能な第2のプレート66を頂部及び底部上で制約することができる。代替の実施形態では、バッテリ10’が、図23及び図24に示す流体調節システム50’を有する。図3及び図11では、シャーシ70’の方がシャーシ70よりも背が高い。これにより、蓋100と可動プレート66との間の流体の動きを容易にすることができ、この結果、プレート66の表面全体にわたって流体の分布が均一になり、プレート66及び62が開位置で位置合わせされたときにアパーチャ68及び64を通る流体の流れがより均一になる。
シャーシ70’は、中でプレート66を摺動できるようにするレース又は溝73を作り出す、内向きに延びるレッジ71を含むことができる。レッジ71の垂直位置を、プレート66を表面35に対して十分にしっかりと保持するのに望ましい寸法のレース73を作り出すように選択して、プレート66及び62が閉位置で、ただしプレート66の所望の摺動運動を妨げるほどきつくないように位置合わせされたときに良好な密封を実現するようにすることができる。レッジ71は、シャーシ70’の一体部品であってもよく、又は別個の構成部品であってもよい。例えば、レッジ71は、シャーシ本体72’内に成形された平坦なワッシャ又は挿入ストリップの形状であってもよく、又はシャーシ本体72’に取り付けられた別個の構成部品であってもよい。レッジ71は、シャーシ本体72’と同じ材料又は異なる材質で作成することができる。シャーシ本体72’及びレッジ71の材料は、レース73内のプレート66に所望の強度及び滑らかなすべりの両方を提供するように選択することができる。シャーシ本体72’又はレッジ71を導電性材料で作成した場合、アクチュエータ80及び制御回路90の電気部品から絶縁させることが必要となり得る。連続的なレッジの代替として、一連の突起を使用することができる。
プレート66の中央部分を平坦に保つために、プレート66の上方にある開口部74’を横切って延びるリブなどの1又はそれ以上のさらなる構造体を組み込むようにレッジ71及び/又はシャーシ本体72’を変更することもできる。或いは、蓋100からの下方への突起を使用して、プレート66の中央部分を平坦に保つことができる。
図25に示すように、シャーシ70’は、蓋100を内部に保持する第2のレース77を含むことができる。この第2のレースは、1又はそれ以上のさらなるレッジ79a及び79bにより形成することができる。この構成により、製造工程内の別の段階で流体消費セルに追加すべき流体調節システムの蓋及び構成部品の予備組立を容易にすることができる。固定プレート62が缶34の表面35ではない別の実施形態では、シャーシ70’が、固定プレート62及び可動プレート66を保持するより大きなレースを形成する、レッジ71よりも下方の別のレッジ(図示せず)を含むことができる。
シャーシ70’のレッジ71は、開口部74’の周辺部全体の周りに延びる連続的なレッジであってもよく、又は図23に示すように、周辺部の一部のみに沿って延びる不連続なレッジであってもよい。この不連続なレッジが適当に位置して移動プレート66が十分に可撓性である場合、セル内の圧力が過剰になると、移動プレート66の端部が不連続なレッジ71の端部間で外向きにしなってプレート66とプレート62及びシャーシフレーム72’との間に通路を提供し、弁が部分的に開いているか又は閉じているときにガスが外部環境へ逃げることができるようになる。このような実施形態では、プレート66が、セルの内圧が十分に下がったときに缶34の表面35の形に再び適合するようにバネ様の特性を有することが好ましい。
蓋が固定弁板として機能し、この蓋に隣接して可動プレートを配置した代替の実施形態では、シャーシが、可動プレートを蓋に対して保持しながら可動プレートと缶底部の表面との間の空間を維持するレッジを含んで、缶内のアパーチャに空気が均一に分布することを容易にする。上述したように、この実施形態はまた、内部に蓋を保持するシャーシ内に第2のレースを含むこともできる。
以下で説明するように、流体調節システムは、流体限極セルの電圧に応答して起動することができ、又はユーザが起動させることができ、或いは方法の組み合わせを使用することができる。例えば、セル装置によって給電を受ける装置のユーザが装置のスイッチをオン位置に切り替えた場合、弁が機械的作用により最初に開くことができ、ユーザが装置のスイッチをオフ位置に切り替えた場合、弁が機械的作用により最初に閉じることができる。装置のスイッチがオン位置にとどまっている間は、制御回路が弁の動作を制御することができる。別の例では、装置がオンにされたときに、セルからの電力を流体調節システムに印加して最初に弁を開くことができ、装置がオフにされたときに、弁が閉じるように作動させることができる。
アクチュエータは、弁60を作動させるための流体調節システム50の一部として設けられることが好ましい。アクチュエータは、流体消費セル20の電圧を感知して、検出したセル電圧に応答して制御信号を生成する制御回路90を含むことができる。回路90は、特定用途向け集積回路(ASIC)であってもよく、シャーシ70の表面上に装着されることが好ましい。以下でさらに説明するように、シャーシ70の本体72は、シャーシの表面にトレーシング96及び98をプリントできるように非導電性材料で作成されることが好ましい。従って、シャーシ70はプリント回路基板であってもよい。シャーシを成型又は成形し、電気的接続の大半又は全てを圧力接点として、アセンブリの複雑さを最小限に抑えることができる。しかしながら、シャーシは何らかの機械加工を必要とする場合があり、電気的接続によっては何らかの半田付け又は溶接を必要とし得るものもある。シャーシ材料の選択は、弁を収容するためのフレームとしての、電子部品用プリント回路基板としての、及びセル、バッテリケース又は装置に、又はこれらに接して固定される能力/適合性のための多機能用途との適合性に基づくことができる。シャーシの層状構造内及び/又は構造上に、制御回路90を取り付けるための戦略的な窪みを設けることができる。これにより、装着部品をシャーシの表面と同一平面上に保持してセルとの組み立てを容易にできるようになる。トレーシング96及び98などのプリント回路トレーシングを非導電性材料で被覆して、金属製蓋100又は缶34に押し付けられた場合に短絡を防ぐことが望ましくなり得ることも考えられる。或いは、制御回路及びアクチュエータの1又はそれ以上の構成部品の全部又は一部に対応するように、シャーシ内に成型又は機械加工になどによる1又はそれ以上の凹部を設けることができる。以下で説明するように、これらの凹部は、シャーシフレームを越えて延びる構成部品のシャーシ及び固定部上の異なる場所に構成部品を位置決めできるようにするために有用なものとなり得る。
電子部品用のプラットフォームとして、シャーシ70の基材を既存のPCB材料とすることが望ましいと思われる。最も一般的な基材には、エポキシ樹脂及びガラス繊維強化材が含まれる。シャーシ70を層状構造にして、電子部品の回路部品を一体化して保護するとともに、缶34の底面35と平行な平らな面を保持することが望ましいと思われる。上述したように、シャーシの内径に金属レースを利用して、摺動弁板66を収納するための耐久性を得るようにすることができる。レースは、プレート66を適所に(抜けないように)「ロック」し、使用中に弁が離れるのを防ぐのに十分な軸方向の力を与えることができるが、プレート66の摺動を防ぐ力としては不十分である。従って、材料選択に応じてシャーシを形成、成型、又は機械加工して、金属であるかどうかに関わらず弁レース形状を実現し、チップを同一面上に取り付けてビア(貫通孔)を生成することができる。導電回路をセルの外部に取り付ける場合、シャーシの片側及び端部のビア内に、或いはセルの内部に取り付ける場合、シャーシ70の両側に取り付けることができる。
シャーシ70の両側及びビア内に回路90用の導電経路を設けることができる。めっき工程又は導体ペーストをスクリーン印刷することにより、特にビアを満たすためにこれを行うことができる。基板の形成時に基板に導体箔を塗布することができ、また不要な部分をエッチングにより除去することができる。銅が、最も一般的に使用される材料である。利用する基材によっては、基板への付着を確実にするために複数の層及び複数の材料が必要となる場合がある。
制御回路90として機能するASICを取り付ける1つの方法は、容積上の制約に起因してパッケージチップとは対照的に直接法を使用することである。直接的チップ取り付けの一般的な方法として、ワイヤボンディング、フリップチップ及びその他の既知の技法が挙げられる。1つの実施形態によれば、ワイヤボンディングに、4〜6個のチップパッド及び回路基板に接合される直径約0.02mm(0.0008インチ)のワイヤを使用することができる。フリップチップの実施形態によれば、物理的及び電気的接続部を形成する半田バンプを使用してパッケージフリップチップを取り付けることができる。保護のために、チップ及びワイヤボンドを非導電性エポキシ内に封入することができる。フリップチップ取り付けでは、パッドをPb/Sn半田で予め仕上げ、これをさらに基板に半田付けすることができる。取り付けたら、チップを保護するために、チップを非導電性エポキシ内に封入することができる。
図3及び図4に示す実施形態では、アクチュエータが、特に第1のSMAワイヤ82a及び第2のSMAワイヤ82bを含む複数の形状記憶合金(SMA)構成部品をさらに含む。SMAワイヤは、シャーシ70の両端に固定されるとともに、制御回路90からシャーシ70の反対側へ延びるトレーシング96及び98に電気的に結合される。電流をSMAワイヤ82a及び82bに通す制御信号を供給することにより、制御回路90がSMAワイヤを加熱させ、これによりSMAワイヤが特定の長さに伸び縮みすることができる。さらにこの結果、SMAワイヤ82a及び82bが第2のプレート66を一方向又は逆方向に引き、ひいてはプレート66が開位置又は閉位置に出入りして、(空気などの)流体がセルハウジング30の内部に選択的に移動できるようになる。
図4に示すように、シャーシ70上には、セル20の正及び負の端子と接続するための2つの接点端子92及び94が設けられる。接点端子92及び94はシャーシ70のいずれの表面上に設けてもよく、また以下で説明するように、接点端子の一方、特に端子94をシャーシ70の外側端部面上に設けて、その後セル20のカバー36に接続するようにバッテリアセンブリの外側に露出できるようにすることが好ましい。一方、接点端子92は、押されて蓋100の導電部と電気的に接触するようになる内面上に、又は缶34の底面35と電気的に接続する反対面上に設けることができると最も良い。接点端子92及び94をセル20の缶34及びカバー36に電気的に接続する方法についてはさらに先で説明する。
図3に示すように、流体調節システム50は、流体調節システム50を保護して遮蔽するためにシャーシ70を覆って、及び任意にシャーシ70の周りに延びる蓋又はカバー100をさらに含むことができる。蓋100は、流体が外部から弁60へ移動してセル20内へ選択的に侵入できるようにするための1又はそれ以上の孔102を含むことが好ましい。上述したように、蓋100は第1のプレート62として機能することができる。
1つの実施形態では、弁60は、電流が印加されてセル20が使用中であることが示されたときには開放状態にあり、電流が印加されずにセルが使用中でないことが示されたときには閉じられる。図3、図4、図6、図11、図26及び図27A〜図27Dに関して説明した実施形態では、SMAワイヤ82a〜82eが第2の弁板66を引くが、押すことはない。従って、図3及び図4では、第1のSMAワイヤ82aが弁を引いて開けるのに対し、第2のSMAワイヤ82bは弁を引いて閉じる。SMAワイヤ82は平行に配置し、これらを弁板66の中心点を中心に左右対称に設け、均一な力を与えてプレート66がシャーシ70内に拘束されないようにすることができる。一般に、SMAワイヤに印加される電流がセルから供給される場合、セル容量の不必要な使用を防ぐために、電流がアクチュエータの動作を開始するためにのみ印加され、アクチュエータが静止状態にある間は電流が印加されないことが有利となり得る。図示のように、SMAワイヤを互いに実質的に平行に延びるように取り付けることができる。SMAワイヤを、プレート66が移動する方向(図3などを参照)と平行に延びるように、又はプレート66が移動する方向(図6、図7及び図8などを参照)と垂直に延びるように取り付けることもできる。
SMAワイヤは、いずれかの従来の形の金属合金で作成することができる。形状記憶合金とは、1つの温度で変形することができるが、加熱又は冷却されたときに以前の形に戻る合金のことである。この特性は、マルテンサイト位相とオーステナイト位相の間の固相変換に起因する。好ましい形状記憶合金は双方向形状記憶を有しており、すなわち加熱時及び冷却時で変換が可逆である。形状記憶合金の例として、ニッケルチタン、ニッケル−チタン−銅、銅製−亜鉛−アルミニウム及び銅製−アルミニウム−ニッケル合金が挙げられる。(約5〜10重量パーセントなどの銅を含む)ニッケル−チタン−銅の使用は、この耐疲労性により何回も動作できるアクチュエータにとって有利と成り得る。ニッケル−チタン及びその他の形状記憶合金のメーカーとして、Specialty Metals社、Shaped Memory Alloy事業部(米国ニューヨーク州ニューハートフォード)、Memory Corporation社(米国コネチカット州ベセル)及びDynalloy社(米国カリフォルニア州メーサ)が挙げられる。
図6は、プレート66を動かすためにSMAワイヤ82a及び82bに取り付けるための別の方法を示している。この変形例によれば、SMAワイヤ82a及び82bは、プレート66の最長寸法に沿って延びるように設けられておらず、その代わりにプレート66の移動方向と実質的に垂直になる。第1のワイヤ82aを加熱してこれを収縮させることができるのに対し、第2のワイヤ82bは曲がるように加熱されることはない。従って、プレート66を第1の方向に(実線で示すように図6では右に)動かすことができる。プレートを反対方向に(すなわち左に)動かすためには、ワイヤ82aから電流を除去し、ワイヤ82aが冷却されて曲がるようにする一方で、電流をワイヤ82bに印加し、ワイヤ82bが加熱されて収縮するようにすることができる。この結果、プレート及びワイヤは図6の破線で示す位置に移動するようになる。
図示のシャーシ70は、シャーシ本体72の頂面上に形成された制御回路90及び回路トレースを有する。また、SMAワイヤ82a及び82bは、回路トレースと電気的に接触するシャーシ70の頂面に取り付けられる。図6に示すシャーシ70は、シャーシ70上に設けられた構成部品を封入して保護するために制御回路90及び回路トレースを覆って形成されたオーバーモールド体300をさらに有する。従って、オーバーモールド体300はシャーシ70の一部として機能する。オーバーモールド体300は、非導電性エポキシ又はその他のオーバーモールド材料を含むことができる。また、図示のオーバーモールド体300は、移動プレート66の上方で開口部74を横切って延びる一体形成リブ302を含む。図示のリブ302は略V形に形成されており、移動プレート66の中央部分を下にある固定プレート62の上方に平らに保つ役目をする。1つの実施形態では、固定プレート62がシャーシ70又はそのオーバーモールド体300の底部側に接続され、電池セルがシャーシ70のオーバーモールド体300の頂部側に接続される。
図6に示す実施形態では、第1及び第2のSMAワイヤ82a及び82bが、別個のアクチュエータピン304a及び304bにそれぞれ係合し、これらが移動プレート66に接続される。図7に示す実施形態では、流体調節システム50内で単一のアクチュエータピン304を利用することができる。単一のアクチュエータピン304を使用して、第1のSMAワイヤ82aがピン304の片側に係合する一方で、第2のSMAワイヤ82bがピン304の反対側に係合することにより、SMAワイヤ82a及び82bがピン304を反対方向に作動させ、プレート66を左右に移動させて弁を開閉するようになる。この実施形態では、アクチュエータピン304が、対応するSMAワイヤ82a及び82bに異なる高さで係合するための戻り止め又はスロットなどの異なる高さのワイヤ受け入れ部を含むことにより、SMAワイヤ82a及び82bが互いに接触したり、或いは別様に妨げ合わないようにすることができる。
図8を参照すると、別の実施形態による流体調節システム50において使用される代替のアクチュエータピン304を示している。第1及び第2の部分306a及び306bを含むピン304を示しており、これらの部分は、SMAワイヤ82aが部分306aに係合し、SMAワイヤ82bが部分306bと係合するように、大まかに矩形のピン304の残り部分よりも上方に高くなっている。部分306a及び306bは、図示のように直立部材を含むことができる。或いは、部分306a及び306bは、ピン又はその他の構造体304内に形成されたスロットを含むことができる。従って、単一の又は複数のアクチュエータ係合構造を使用して、SMAワイヤ82a及び82bが、弁を開閉するためのいずれかの方向に移動プレート66を作動できるようにすることができる。
図9A及び図9Bは、缶34の外面に隣接させて使用する弁60の2つの側面図を示している。図9Aは静止時のセルを示しており、この場合、弁60は、アパーチャ64及び68の位置が合わないように閉じられている。図9Bは、セルの使用時に発生する、開位置に移動したときの弁の第2のプレート66の位置を示している。これにより、アパーチャ64及び68の位置が合い、この結果流体がセル内部に侵入することができる。図示のように、SMAワイヤ82a及び82bを1対のばね接点76によりシャーシ70に取り付けて、これにSMAワイヤを圧着、固締、半田付け、又は溶接することができる。
図10は、本発明の様々な実施形態において利用できる弁60の別の実施形態を示している。弁60は、複数のアパーチャ64を含む第1のプレート62を含む。プレート62は、シャーシ70に対して固定状態に保たれた別個のプレートであってもよく、或いはセルハウジング30の缶又はカバーの一部であってもよい。プレート62は、磁性であっても又は非磁性であってもよい金属で作成することができる。弁60は、アパーチャ64及び第1のプレート62と数、サイズ、形状、及び位置が一致する複数のアパーチャ68を含む第2のプレート66をさらに含む。プレート66は、磁性金属であっても又は非磁性金属であってもよい。上述の実施形態と同様に、好ましくは非導電性材料で作られたシャーシ70は、プレート66を収容する中央開口部74を備えた環状本体72を含む。開口部74が、プレート66をプレート62に対して線形に摺動できるようにプレート66よりも一方向にわずかに大きく構成されることにより、アパーチャ64及び68が位置が合うように及び位置がずれるように動いて弁60を開閉できるようになる。図10に示す実施構成は、レバーアーム84をアクチュエータ80の一部として利用するという点で、上述の実施構成とは異なる。レバーアーム84は、レバーアーム84をシャーシ70に枢動可能に固定できるようにシャーシ70内に形成されたアパーチャ又はスロット又は凹部78内に受け入れられる枢動ピン86を含む。例えば、枢動ピン86を凹部78内に捕捉するものの、レバーアーム84が相変わらず凹部78内で枢動できるような方法で凹部78を枢動ピン86の周りに嵌合するとともに枢動ピン86とレバーアーム84の本体との間のネック領域内に部分的に延びるように拡大及び再形成することによりこれを行うことができる。凹部78の底部においてレッジ内の孔に受け入れられる枢動ピン86から下向きに突出する突起部などの、枢動ピン86をシャーシに固定する他の手段を使用することもできる。アクチュエータピン88は、第2のプレート66内に形成された孔67がこれを受け入れることができるようにレバーアーム84の本体から下向きに延びることが好ましい。これにより、レバーアーム84がプレート66に係合し、従って第2のプレート66を第1のプレート62に対して摺動させることができるようになる。この特定の構成では、1対のSMAワイヤ82a及び82bが、装着点89を介してレバーアーム84の頂面に取り付けられる。ワイヤ82a及び82bの他端は、シャーシ70に取り付けることができる。例えば凹部78と同様に、ワイヤ82a及び82bをシャーシ内の凹部に固定することができる。これらのワイヤは、接着材、ピン、又は制限された開口部を有する凹部に拡大した頭部を嵌合させることなどのいずれかの適当な方法で固定することができる。SMAワイヤは、感知したセル電圧に応答してSMAワイヤ82a及び82bに電流を選択的に印加する制御回路(図10では図示せず)に電気的に結合される。このようにして、SMAワイヤ82a及び82bは、レバーアームを2つの逆方向のいずれにも引くことができ、この結果レバーアーム84が第2のプレート66を第1のプレート62に対して摺動させるようになる。この場合、シャーシ70は、レバーアーム84及びSMAワイヤ82端部の枢動点の取り付け場所として機能する一方で、プレート66をプレート62に対して導くためのガイドを提供することができる。
流体調節システム内の弁を動作させるために、SMAワイヤ及びレバーの他の構成を使用することもできる。例えば、SMAワイヤ82a及び82bを、単一の装着点89ではなく2つの別個の装着点を介してレバーアーム84に取り付けることができる。
SMAワイヤは、いずれかの適当な方法で流体調節システムの構成部品に接続することができる。1つの実施形態では、図28に示すように、適当なサイズにされたコネクタ87内にSMAワイヤ82の一端又は両端が捕捉される。SMAワイヤ82は、コネクタ87に圧着されることが好ましい。任意に、圧着前又は後に、ワイヤをコネクタに接着、溶接、又は半田付けすることができる。その後、コネクタを、(シャーシ70又はレバーアーム84などの)構成部品内の対応するアパーチャに挿入して、SMAワイヤ82をこの構成部品に接続することができる。コネクタ85は導電性であるとともに、これをSMAワイヤ82と、アパーチャを定める構成部品の表面上に配置された制御回路の一部との間に電気的に接触できることが好ましい。例えば、締り嵌め、導電性接着剤、半田又は溶接により、コネクタ87をアパーチャ内の適所に保持することができる。
制御回路を使用して(単複の)SMAワイヤを通る電流の流量を、弁を開位置又は閉位置に動かすのに必要な時間のみに制限する実施形態では、電流の流れが止まった後にSMAワイヤが(細長形などの)元の長さに戻ることができる。これを行う場合、SMAワイヤは、プレートを所望の位置に保持することができず、プレートが、例えば部分的に開いた位置又は部分的に閉じた位置に摺動できるようになる。このことは、摺動プレートを別の位置に移動させる対向するSMAワイヤが存在する場合に特にあてはまり、作動したSMAが電流の停止後に伸びるにつれて、作動していない対向するSMAからの伸縮張力により摺動弁が引かれる可能性がある。このような状況では、摺動プレートがその位置から意図的に移動されるまでプレートを所望の位置に保持することができる。摺動プレートを所望の位置に保持する手段の例にラッチ機構がある。いずれかの適当な機構を使用することができる。1つの実施形態では、バネ付勢式戻り止めを、摺動プレートからの突起部又は摺動プレートの表面の凹部と協働させることができる。バネ力は、プレートが意図せず摺動しないようにするには十分であるが、対向するSMAワイヤの作用によりプレートが別の所望の位置に摺動するように簡単に克服されるほどの弱さとなるように選択することができる。
別の実施形態では、摺動プレートが、摺動プレートと別のセル又は流体調節システムの構成部品との間の摩擦により意図せず摺動しないようにされる。プレートと他の構成部品との間の摩擦は、意図しない摺動を防ぐには十分であるが、対向するSMAの動作による別の位置への効率的な動きを妨げるほどは大きくない。摺動プレート及びその他の構成部品の材料、一方又は両方の部品に施した被覆、又は隣接面の一方又は両方のテクスチャリングの選択を通じて摩擦を制御することができる。
以下で説明する様々な技法を使用して、流体調節システム50をセル20の外部に固定することができる。図11に示すように、複数の絶縁体104を有するように蓋100を構成することができ、これらの絶縁体は蓋100の内面から下向きに延び、その後シャーシ70上の対応する場所にある孔75を通過して、絶縁体104を缶34の底部35に装着できるようにする。図12及び13は、図11に示す構成の異なる2つの構造を示している。
図12では、蓋100をプラスチックで形成した構成を示している。この場合、絶縁体104を缶34の底面に超音波溶接することができる。この場合、蓋100と缶34の間には電気的接続は存在しない。
図13では、絶縁体104が、スタンピングなどによって形成できる金属蓋100の窪み/突起106として実現されている。この場合、金属蓋100を缶34の底面35に抵抗溶接又はレーザ溶接することができる。
図14は、セル20の外部にシャーシ70及び蓋100を接続する代替の方法を示している。この場合、蓋100を缶34に結合する役目を果たすシャーシ70の孔75を通じてビア105が設けられる。この結合により、蓋100とセル20の間の電気接続も行われる。
図15は、シャーシ70の孔75内に提供される導電性エポキシ107を使用して金属蓋100を缶34に固定するさらに別の技法を示している。さらに別の代替案として、接着剤、接着剤とラベル(図示せず)の組み合わせを使用して、缶34の底面内に作られた1又はそれ以上の溝内にシャーシを圧入することにより、接着剤の利用に加えてこのようなシャーシの圧入により、第2の缶内に缶34を圧着して第2の最外部の缶を蓋100に取って代わらせることにより、層状シャーシを半田付け又は溶接することにより、又は流体調節システム50をエポキシ内に封入することにより、流体調節システム50を缶34の底面に固定することができる。
流体調節システムでは、様々な他の代替のアクチュエータ及び弁を使用することができる。流体調節システムで使用される様々なアクチュエータ及び弁の例が、2007年9月24日に出願された米国特許出願第11/860,117号に開示されており、該特許はその開示全体が引用により本明細書に組み入れられる。SMAワイヤの使用をアクチュエータ80の好ましい構成部品として説明したが、人工筋肉に関連する線形電極活性高分子(EAP)及び屈曲電子活性高分子(EAP)などのその他の構成部品又は材料を利用することもできる。このような材料は、設計がより単純であること、又は電子部品が存在せず又は簡略化されていること、及び電圧への比例的な応答を含む潜在的な利点を与える。電子活性高分子(EAP)の例が、2007年9月10日に出願された米国特許出願第11/852,516号に開示されており、該特許はその開示全体が引用により本明細書に組み入れられる。
別の検討事項は、バッテリの初期活性化に関するものである。バッテリは、開位置にある弁と、従来のボタン空気セルと同様のタブによって保護された孔102とで作成することができる。タブを除去した後に空気を供給するとセルが起動し、弁の電子制御が開始され、バッテリの有効寿命が最大化される。或いは、バッテリを機能流体調節システムで作成することもできる。これであれば、消費者が直ぐにバッテリを使用できるが、湿った環境での水分の侵入及び乾燥した環境での水分の脱出を防ぐために適当なパッケージング及び倉庫、保管棚などでの保存状態も必要となり得る。
上述した構造では、缶34が弁60の固定プレート62として機能することを提案した。しかしながら、缶34を利用するよりはむしろ別個の固定プレート62を設けて、缶底部が孔のパターンを保持するものの、弁アセンブリの一体化部分ではなく散気装置のように作用できるようにする方が望ましいと思われる。また、固定プレート62を缶底部から離して、缶34が膨らんだり、曲がったり、或いは場合によっては皺になったりした場合でも弁60の作動を妨げないようにすることができる。なお、缶34は、強化した材料で、より大きな厚みで、又は(底部の隆起部のような)異なる形で作成することができる。別個の固定プレート62を利用するさらなる利点は、弁60を全体的に予め組み立てることにより、潤滑流体層69をさらに安定させることができるという点である。しかしながら、これにはバッテリの肉厚化という犠牲が伴う恐れがある。
図に示していないが、セルハウジング30の外面にラベルを貼付けることができる。このようなラベルは、セルの周辺部の周囲で延びて、(以下で説明する)導体タブ110、及び流体調節システム50とセル20との間の接触面をさらに覆うとともに、缶34とカバー36の間の接触面を覆うことができる。バー36及び缶34及び/又は導電蓋100の十分な部分を露出したままにして、バッテリの外部上の電気接点端子を提供することができる。
図1〜図3に示す特定のセル構造は、角柱形のセル設計である。この構造は、このセルの相対的サイズ及び矩形の性質が従来のボタンタイプの空気セルとは異なる。従って、従来の空気セルにおいて現在使用されている類似の空気電極、アノード、分離器及び缶/カバー材料をセル20でも利用することができる。しかしながら、当業者には、セル20が図面に示すような特定の形状、サイズ又は相対寸法を有する必要はないことを理解されたい。
図16は、流体調節システム50をセルハウジング30の内部に配置した本発明の代替の実施形態を示している。図17は、この実施形態の一部の断面図を示している。これらの図に示すように、セルハウジングは、セルをわずかに肉厚化して空気電極40と缶34の内面との間に流体調節システム50を収容できるようにした点を除き、上述したものと同様に構成される。この実施形態では、シャーシ70をセルの外部に適用した場合、このシャーシを、上述したような弁、アクチュエータ及び制御回路90とともに利用することもできる。同様に、缶34の底部は、弁60の第1のプレート62として機能できるとともに、アパーチャ64として機能する複数の流体入口32を含むことができる。この実施形態は、第2のプレート66が缶34の外面ではなく内面に沿って摺動するという点で異なる。この実施形態及び以下で説明する他の実施形態では、シャーシ70、従って弁60をガスケット38により適所に保持することができる。
内部流体調節システム50を利用する場合のセル20の構造のその他の1つの相違点は、セルの負及び正の接点端子をアクチュエータの制御回路90に電気接続できるようにセルを再構成すべき点である。この電気接続を行う1つの態様を図16〜図18に示す。図16に示すように、缶34の底面35内には接点開口部39が形成される。図17に示すように、シャーシ70の底部にはシャーシ内のビアを介して負の接点端子94が設けられ、開口部39を介して露出される。このようにして、導体110をセルハウジング30のカバー36に電気的に接続することができ、また導体110は、接点端子94と電気的に接触する一方で、セル20の外側周囲を開口部39まで延びる。これにより、セルの負端子との接続が行われる。図17にも示すように、シャーシ70上に設けられた正の接点端子92を缶34の内面に接触するように位置決めして、セルの正端子と接続するようにすることができる。上述したように、接点端子92及び94を制御回路90に電気的に接続して、検出したセル電圧又は電流の引き込みに応答して弁を開閉するようにアクチュエータを制御するようにすることができる。
図18に示すように、導体110は、缶34とカバー36の間のセルの短絡を防ぐ2つの絶縁層間に配置されたホイルストリップ112を含むタブであってもよい。セルハウジング30と導体箔112の間には第1の絶縁層114を配置することができる。この絶縁層114は、両面テープで作成することができる。箔を覆って第2の外側の絶縁層116を配置することができ、この絶縁層116は、片面テープのストリップを含むことができる。内部流体調節システム50に関して、この特定の外部電気的接続を示しているが、同じ導体110を適用して、図1〜図3に示す外部流体調節システムのカバー36と、同様の接点端子94との間に電路を提供することができる。この場合、蓋100内に接触開口部39と類似するアパーチャを形成することができ、或いは導体110が、シャーシ70と缶34の間の接触面、又はシャーシ70と蓋100の間の接触面の間に延びることができる。
図19〜図22は、シャーシ70上のカバー36と端子94の間に電気接続を作り出すことができるさらに別の態様を示している。この実施形態では、図20に最も分かりやすく示すように、缶34の内面の一部が3層の材料で被覆される。第1の層は電気絶縁体層151であり、第2の層は、缶34と導電層153の間に電気接続が存在しないように絶縁体層151を覆って施された導電層153であり、第3の層は、空気電極40の端部を導電層153から絶縁するために導電層153の一部を覆って施された電気絶縁層154である。図20に示すように、層151及び153は、缶34の内側底部の(単複の)角の周囲で延びるとともに缶34の底部を辛うじて覆って延びて、シャーシ70の対向面上に形成された端子94に物理的に接触する。上述したように、シャーシ70をガスケット38により缶34の内部底面に圧接して、導電層153と接点94の間の接触をこのような圧力によるものとすることができる。層151及び153は、缶34とガスケット38の接触面の間で缶34の側壁を上に延びる。図19、図21及び図22に最も分かりやすく示すように、ガスケット38はアパーチャ155を含むことができ、これを通じてリベット又はピン157が延びることができる。リベット又はピン157が、カバー36と導電層153の間にガスケット38を介して電気的接続を形成することにより、カバー36とシャーシ70上の接点94との間の導電路が完結する。リベット/ピン157は、ガスケット38内の適所に成型することができる。さらに、このようなリベット/ピン157を2つ以上使用することができる。リベット/ピン157は、ガスケットの圧縮を可能にするだけの十分な長さを有することができる。層151、153及び154は、空気電極40の端部が缶34の内面と電気的に接触できるようにするために、図20に示すようにストリップの形をとる。他の実施形態によれば、その他の電気的接続を使用することができる。
上述したように、流体調節システムは、セル(又はバッテリ)電圧に部分的に基づいて、電子制御を使用して弁を動作させることができる。しかしながら、スイッチを使用して、弁を開位置又は閉位置に動かす長さを変えるアクチュエータを介して電気回路を閉じることができ、その後弁が完全な開位置又は閉位置に到達すると、回路が遮断されてアクチュエータを通る電流の流れが止まる。これにより、制御回路の複雑さを排除できる一方で、弁を開閉するのに必要な場合にのみ依然としてセルからエネルギーを引き出すことができる。スイッチは、バッテリ自体の上又はこの中に存在することができ、或いはバッテリを使用する装置の一部とすることができる。1つの実施形態では、装置のオン/オフスイッチも対向するアクチュエータを介して交互に回路を閉じて弁を開閉させる。このような流体調節システムの動作を図27A〜図27Dに示す。
図27Aは、図3に示す弁60と同様の弁260の平面図を含む。弁260は、シャーシ270内に摺動可能に配置された可動プレート266を含む。図27Aでは、可動プレート266を閉位置(すなわち、アパーチャ268の位置が固定プレートのアパーチャの位置とずれた状態)で示している。SMAアクチュエータ282a及び282bが可動プレート266及びシャーシ270の両端に固定され、これらをそれぞれ使用してプレート266を引っ張り開け及び引っ張り閉じる。アクチュエータ282a及び282bは、それぞれ平坦な電気接点277a及び277bを介してプレート266に固定され、それぞれ電気接点292a及び292bを介してシャーシ270に固定される。平坦な接点277a及び277bは、プレート266が開位置及び閉位置にそれぞれある場合、ばね接点276a及び276bとそれぞれ電気的に接触するようにプレート266の頂面の両端近くに位置する。ばね接点276a及び276bは、制御回路290の残りに接続する接点端子としても機能し、このことを概略的に示している。制御回路は、オン/オフスイッチ295と、装置に電気エネルギーを供給するための流体限極バッテリ210とを含む。バッテリ210からの電気エネルギーが不要な場合、図27Aに示すように、スイッチ295はオフ位置にあり、弁260は閉位置にある。アクチュエータ282a及び282bを含む回路がいずれも閉じられないので、これらに電流が流れず、従ってアクチュエータ282a及び282bは周囲温度にあり、引き伸ばされた状態にある。
スイッチ295をオン位置に動かすと、アクチュエータ282bを通って電流が流れ、アクチュエータが加熱されて縮み、プレート266を開位置へ向けて左に引っ張る。図27Bに示すように、プレート266が開位置に到達すると、接点276bと277bの間の電気接続が遮断される。回路が遮断されると、電流がアクチュエータ282bを通って流れなくなる。これにより2つのことが行われる。第1に、装置がオンになったままの間にはバッテリ210からさらなるエネルギーが引き出されることはなく、第2に、図27Cに示すように装置がオフになると、アクチュエータ282bが冷えて引き伸ばされた状態に戻るので、プレート266を左へ戻すことができるようになる。スイッチ295をオフ位置に動かすと、アクチュエータ282aを含む回路が閉じ、ここを通る電流の流れによりこのアクチュエータが縮んで、プレート266を閉位置へ向けて右に引っ張る。図27Dに示すように、プレート266が閉位置に到達すると、接点276aと276bの間の電気接続が遮断され、電流がアクチュエータ282aを通って流れなくなり、図27Aに示すようにこのアクチュエータが冷えて細長くなることができる。
接点276a、276b、277a及び277bとの電気的接続は、あらゆる適当な態様で行うことができる。例えば、シャーシ270を介して、又はシャーシ270の頂面と、シャーシ270及び弁260を覆う蓋などの隣接する構成部品の対応する面との間の接触面を介して、流体調節システムの端部に接続を行うことができる。別の例では、弁260を覆う蓋を貫いて延びる適当に配置された接点を介して電気接続を行うことができる。蓋の外面上などのセル及び/又は流体調節システムの適当な面に、セルの一部であるスイッチを取り付けることができる。或いは、複数のセルバッテリの外面上に、又はバッテリを組み込んだ装置内にスイッチを配置し、対応する接点間を溶接、半田付け又は圧接することなどによる適当な態様で流体調節システムとの電気的接続を行うことができる。他の実施形態では、3以上のアクチュエータを使用することができる。
流体調節システムに制御回路電子部品を組み込む代わりに、これらを外部に配置することができる。この構成は、例えば内部的に都合よく取り付けることができないような状況において望ましいものとなり得る。1つの実施形態では、図26に示すように、流体調節システム及び/又はセルの側壁上に取り付けられたキャップ内などの流体調節システムの外部に電子部品を取り付けることができる。図26には、シャーシ70、可動プレート66、SMAワイヤ82a及び82b、接点端子92’及び94を示しており、これらは図4のものと同様である。しかしながら、図4とは異なり、図26のSMAワイヤ82a及び82bは接点端子92’及び94に直接接続されており、中間制御回路90は存在しない。図26の制御回路は、シャーシ70の側面に回路基板91を保護するキャップ93で固定された回路基板91に収容される。シャーシ70上の接点端子92’及び94は、回路基板91の表面上の対応する端子と電気的に接触する。電気的接触は、圧接などのいずれかの適当な態様で行うことができる。回路基板91は単一の基板層を有することができ、或いは2又はそれ以上の層を含む積層基板としてもよい。電子部品及び電気的接続は、プリント部品又は非プリント部品、又はこれらの組み合わせを含むことができる。回路基板91表面の凹部内により大きな部品を配置して、シャーシ70及びキャップ93との面一固定を実現することができる。回路基板91とセルの間の電気的接続については図示していないが、これらの接続もシャーシ70を介して行うことができる。
図29を参照すると、さらなる実施形態による、弁の開閉を制御することによりバッテリへの(空気などの)流体を調節するとともに、受動温度クロージャをさらに含む流体調節システム50を示している。(図29に示すように)SMAワイヤ82aに電気を印加して加熱及び収縮させることにより、アクチュエータピン304aを介して移動プレート66を開弁位置に移動させることができる。SMAワイヤ82bに電気を印加して加熱及び収縮させることにより、アクチュエータピン304bを介して移動プレート66を閉弁位置に移動させることができる。従って、SMAワイヤ82a又は82bに印加する電流に応答して、弁を能動的に開閉させることができる。また、本実施形態の1つの実施形態によれば、異なる作動温度のSMAワイヤ82a及び82bを選択して、弁の受動温度クロージャを実現することができる。SMAワイヤ82a及び82bは、弁の所望の受動クロージャを実現するために不均衡な作動温度を有する。従って、移動プレート66は、所定の温度限界に至ると閉弁位置に移動する。
図29に示して説明する実施形態では、SMAワイヤ82aが約90℃の第1の作動温度で構成され、SMAワイヤ82bは約60℃のより低い第2の温度で構成される。SMAワイヤ82aは電気を印加されると加熱し、高い方の第1の温度になると収縮して、移動プレート66を開位置に動かす力を印加する。同様に、SMAワイヤ82bも電気を印加されて加熱し、低い方の第2の温度になると収縮して、移動プレート66を閉位置に動かすことができる。第1の温度の方が第2の温度よりも高いことにより、SMAワイヤ82bの温度が低い方の第2の温度に到達するとSMAワイヤ82bが弁を閉じるようになる。従って、SMAワイヤ82a及び82bに印加される電流に基づいて弁を能動的に開閉することに加え、SMAワイヤ82bは、周囲温度が最初に低い方の第2の温度に到達すると移動プレート66を閉弁位置に押しやる。環境の温度が上昇し続けて高い方の第2の温度になっても、SMAワイヤ82aは、弁の位置をその閉位置から変えるだけの十分な力は印加しない。
SMAワイヤ82a及び82bは、市販されているSMA構成部品を含むことができる。60℃作動SMAワイヤの一例に、Flexinol社から市販されている直径0.102mm(0.004インチ)の60℃ワイヤがある。90℃作動SMAワイヤの一例に、Flexinol社から市販されている直径0.076mm(0.003インチ)の90℃ワイヤがある。上述の例では、60℃SMAワイヤは、温度が再び約40℃に下がるまで収縮したままとなり、この結果温度ヒステリシスが生じる。
不均衡な温度のSMAワイヤを使用する流体調節システム50は、所定の温度を上回ると弁を閉じてバッテリセルへの流体の侵入を防ぐための受動的方法を提供するという利点を有する。60℃などの所定の温度で流体調節システム50を閉じることにより、バッテリの劣化を最低限に抑え、或いは防ぐことができる。また、60℃などの温度限界に到達すると弁を動かして閉じることにより、高温での弁の開放が防がれる。弁を閉じるための所定の温度は45℃よりも高くすることができ、より詳細には、約60℃に設定することができる。
1つの実施形態によれば、SMAワイヤ82a及び82bを、異なる作動力を生み出すために異なるサイズを有するようにして、SMAワイヤ82bの方がSMAワイヤ82aにより生成される作動力よりも大きな力を生み出すように構成することができる。例示的な実施形態では、SMAワイヤ82bの方が、SMAワイヤ82aよりも大きな直径などのように大きな断面積を有する。断面積がより大きいことにより、周囲温度が高い方の第1の温度に到達した場合、SMAワイヤ82bは、弁の移動プレートにより大きな閉鎖力を印加する。SMAワイヤ82a及び82bの断面は円形とすることができ、第2のSMAワイヤの方がより大きな直径を有する。他の実施形態によれば、SMAワイヤ82a及び82bは、卵形、正方形、又は矩形などのその他の断面形状を有することができ、第2のSMAワイヤ82bの方が大きな寸法を有することにより断面積が大きくなり、この結果第1のSMAワイヤ82aよりも大きな作動力を生み出す。別の実施形態では、SMAワイヤ82a及び82bが異なる断面積及び異なる相転移温度の両方を有して、周囲温度が増加するにつれて一般にSMAワイヤ82bの方が最初に作動するようにすることができ、この結果、周囲温度がSMAワイヤ82aの高い方の相転移温度を超えても弁が閉じられたままとなる。
図30〜図34を参照すると、2つの実施形態による、バッテリセル20と、セル20と外部環境との間の均圧を実現するシャーシ本体300を通る流路を有する流体調節システム50とを有する流体消費バッテリ10を示している。図示の実施形態では、中央開口部332と内向きに延びるレッジ354とを有するオーバーモールド体300によりシャーシを大まかに示している。シャーシ300の頂面上には、空気限極セルなどの流体消費電池20が接続される。シャーシ300の底面には流体入口64を含む固定プレート62が接続され、内向きに延びるレッジ354の下壁と固定プレート62との間にはポート68含む移動プレート66が配置されて、プレート66をプレート62に対して移動できるようになっている。
図30〜図33に示す実施形態では、セル20と移動プレート66の間に大まかに位置し、開口部332及びセル20と流体連通している第1のポート(入口350とも呼ぶ)を有するオーバーモールドシャーシ本体300を大まかに示している。シャーシ本体300はまた、オーバーモールド材料の外側に設けられた外部環境に通じる第2のポート(出口352とも呼ぶ)も有する。オーバーモールドシャーシ300は、無孔性外層360及び流路356を実現する多孔性内部容積を有するように製造される。1つの例によれば、無孔性外層360は、一般に流体(特に空気)を通さず、エポキシを含むことができる。多孔性内部容積は、入口350から出口352へ延びる均圧流体流路356を実現する。多孔性内部容積は、微孔性ポリテトラフルオロエチレン材料、又は通路356を通る気流を低拡散率に制限できるようにする不織布多孔材などの通気性材料を含むことができる。これとは別に、或いはこれに加えて、流路356は、低拡散率の気流を可能にする十分に制限された通路を実現する空の空隙容量を含むことができる。流路356は、空気が入口350から出口352までゆっくりと通過できるようにするが、この流路356は、流体が入口350と出口352の間でいずれの方向にも通過できるようにして、セル20と外部周囲環境との間に均圧を提供することができるという利点を有する。
流路356の入口350は、バッテリセル20と弁板66及び62との間の開放容積と流体連通する。バッテリセル20と外部環境内のガスとの間に存在する圧力差により、ガスが流路を通って移動できるようになる。バッテリセル20がガスを生成すると、このガスが制限された流路356を通って外部環境に移動して、弁板66及び62間の密閉を損なうことを防ぐことができる。これに反して、ガスは、出口352から入口350に流れることもできるが、一般に弁が閉じられている場合、バッテリセル20に空気が自由に供給されて、セル20が高い率で放電しないように制限される。
1つの実施形態によれば、流路356が、水分の損益に起因して室温で1年当たりセル容量のわずか10パーセント(10%)しか失われない大気拡散率を有する。流路356の多孔性容積は、蛇行又は制限された気流路を実現するために一般にガスに対して多孔性の膜を含むことができるが、流体がセル20内に自由に制限無く流れ込まないようにする。1つの実施形態によれば、図33に示すように、多孔性容積356が、バッフル358によって実現されるように蛇行流路356を含むことができる。基本的に、バッフル358は、オーバーモールドシャーシ300を通る気流路356の有効長を増加させ、従って正味有効流体流路長が増加する。他の実施形態によれば、この蛇行流体流路に、過剰ガスがセル20から外部環境へ逃げ出せるようにする一方で、セル20に入り込む空気量を最小限に抑える、一般に多孔性のハニカムパターンを使用することができる。
図34に示す実施形態では、オーバーモールドシャーシ本体300の頂面に、内側開口部332から開口部332の周りを約360°矩形の形で延びてシャーシ300の外面に至る、一般に蛇行する形状のスロット334がシャーシ300内に形成される。スロット334内には、全体がスロット334内に収まるサイズにされ、これに嵌め込まれるようになっている構成の中空管336が配置される。管336は、シャーシ300の内側開口部332及びセル20と流体連通する一方の端部に第1のポート(入口338とも呼ぶ)を有し、外部環境と流体連通する他方の端部に第2のポート(出口340とも呼ぶ)を有する。シャーシ300の底面上に接続された固定プレート62も示している。レッジ354の下方には移動プレート66が配置され、これが固定プレート62に隣接するとともに固定プレート62で密封された関係にあることにより、プレート66がプレート62に対して弁を開閉するように動くことができるようになる。
シャーシ300内に設けられる管336は、入口338と出口340の間に延びる流路を実現して、バッテリセル20から放出された流体が管336の流路を通じて外部環境へ通過できるようになる。1つの実施形態によれば、流体入口338は、バッテリセル20と固定プレート62及び移動プレート66との間の開口部332の容積内の適所に位置する。従って、管336の延ばされた長さ及び小さな半径により、低拡散率に起因して流体が十分に低い拡散率でセル20から逃げ出せるようにする一方で、セル20への空気の侵入を十分に制限する蛇行流路が実現される。1つの実施形態では、管336が、0.5mm未満の十分に制限された内径及び少なくとも200mmの有効長を有する。別の実施形態によれば、スロット334を覆い、管336を使用する代わりにこれを流路として利用することができる。
図30〜図34の開示する実施形態では、バッテリセル20内のガスと、セル20がさらされる周囲外部環境との間に存在する圧力差により、後で流体バリアの障害を招く可能性のある破壊が生じる恐れがある。従って、弁板62及び66間の所期の1次シールバリアが損なわれる可能性があり、これにより、水、酸素、水素及び二酸化炭素などの流体が自由に出入りできるようになる可能性があり、ひいてはバッテリ保存寿命が失われるという受け入れ難い状態になる可能性がある。シャーシ300内に設けられた均圧流路336又は356は、ガスなどの流体が流路を通って出入りできるようにする。適当な長さで適当な大きさの孔を設けることにより、この流路が、金属空気限極セル内で生成された水素などガスを流出できるようにする一方で、酸素及び二酸化炭素のセル20への過剰な侵入を妨げる。
図35〜図49を参照すると、本発明の1つの実施形態による、一体形成した導電性フレーム500及び構成部品を内部に備えたシャーシ550を含む流体消費バッテリセル20及び流体調節システム50を有する流体消費バッテリ10を大まかに示している。流体消費セル20及び流体調節システム50を有する組み立て済みのバッテリ10を図35に部分的に分解して大まかに示すとともに、この組み立て段階を図36〜図49に大まかに示す。この実施形態によれば、流体調節システム50が導電性フレーム500を含み、この上に複数の電気部品540、542、544及び546が取り付けられる。導電性フレーム500及びこの上に取り付けられた電気部品540〜546は、非導電性シャーシ550内に実質的に封入される。本明細書で説明したように、シャーシ550は、基本的に導電性フレーム500及び電気部品を覆う非導電性材料で作成することができる。
シャーシ550は、所望の構成で形成できるエポキシ又はその他の非導電性材料を含んで、導電性フレーム500及びこの上に取り付けられた電気部品540〜546を実質的に封入することができる。シャーシ550は、弁の構成部品の少なくとも一部を支持するとともにバッテリセル20に接続する形状に形成される。(挿入成形などの)成型又は(吹き付け、浸漬などの)被覆のようないずれかの適当な方法を使用して、フレーム500及び電気部品540〜546がシャーシ550に実質的に封入されるようにすることができる。本明細書で使用する「実質的に封入」とは、フレーム500及び電気部品540〜546を組み合わせた表面積の大部分がシャーシ550によって覆われることを意味するが、電気接点及び接点パッドなどの、フレーム500及び/又は電気部品540〜546の一部は露出していてもよく、或いはシャーシ550から延びていてもよい。フレーム500及びシャーシ550に使用する材料については、フレーム500の熱膨張率(CTE)がシャーシのCTEと実質的に同様になるように選択することができる。CTEを一致させることにより、結果として得られるフレーム及びシャーシ構造は、温度変化時の膨張率の変動による漏れ経路の形成の影響を受けにくくなる。
図35で分かるように、複数のアパーチャ68を有する移動プレート66と、複数のアパーチャ64を有する固定プレート62とを含む弁を示している。シャーシ550は、中央開口部555を大まかに定めるとともに、内向きに延びるレッジ552を含む。移動プレート66の周辺部は、内向きに延びるレッジ552の底面上に位置してこれに当接する。また、シャーシ550は、移動プレート66の上方にある開口部555を横切って延びるリブ554を有する。開口部555を斜めに貫いて延びるV字形状に形成されたリブ554を示しており、このリブ554は、移動プレート66の中央部分を下層固定プレート62よりも上方で平坦に保つ働きをする。図示の実施形態では、固定プレート62がシャーシ550の底部側に接続され、流体消費バッテリセル20がシャーシ550の頂部側に接続される。この構成では、弁が開いた場合、外部環境からの(酸素及びその他のガスなどの)流体が弁を介してセル20の流体入口に入ることができる。
図示のシャーシ550は、所望の場所に形成されるとともに、SMAワイヤアクチュエータ82a及び82bのクリンプ562を受け入れるようになっているクリンプコネクタ開口部560をさらに有する。クリンプコネクタ開口部560は、シャーシ550の形成中に一体形成することができ、或いはその後、(機械加工又はエッチングなどにより)材料を除去して所望の開口部形状及びサイズを形成することにより形成することができる。クリンプコネクタ開口部560の各々からは、接点パッド520として機能する、フレーム500のそれぞれの回路素子が延びる。接点パッド520は、フレーム500の導電性回路素子の一部として形成されて、SMAワイヤアクチュエータ82a及び82bと電気的に接触してこれらに電流を印加するようになっている。フレーム500は、シャーシ550から延びるバッテリ接点530、532、534a、534b、536a及び536bとして機能する複数の回路素子をさらに含み、これらの回路素子の各々は、湾曲して流体消費セル20の端子と接触するようになっている。図示のように、接点530、532、534a、534b、536a及び536bは、シャーシ550の角から又はその他の部分から延びることができる。
1つの実施形態によれば、図35〜図41にさらに示すシャーシ550は、シャーシ550上に位置する1対の位置センサ600を有する。位置センサ600は、弁の移動プレート66の位置を感知するようにシャーシ550の両端上に位置する。図示の実施形態では、位置センサ600の一方が、移動プレート66の、開弁位置を定めるシャーシ550の一端に対する位置を感知し、他方の位置センサ600が、移動プレート66の、閉弁位置を定めるシャーシ550の反対端に対する位置を感知する。従って、位置センサ600を使用して、可動弁板66がいつ開位置及び閉位置にあるか感知することができる。移動プレート66が開位置にある場合、図示の位置センサ600の一方は、移動プレート66がこの位置センサ600と接触すると予想される位置に存在する。移動プレート66が閉位置にある場合、図示の他方の位置センサ600は、移動プレート66がこの位置センサ600と接触すると予想される位置に存在する。弁が開位置又は閉位置にあることを感知することにより、制御回路が、流体調節システムの弁の制御を、流体消費電極に供給される最適な流体を実現するようにさらに高めることができる。
1又はそれ以上の位置センサ600を使用して、弁が開位置及び閉位置の少なくとも一方にあるかどうかを感知することができる。また、1又はそれ以上の位置センサ600は、開位置と閉位置の間における弁の移動プレート66の中間位置を感知することができる。1つの実施形態によれば、位置センサ600が線形変換器を含むことができる。別の実施形態によれば、位置センサ600が近接センサを含むことができる。位置センサ600の他の実施形態として、レーザセンサ、光センサ、マイクロスイッチ位置センサ、及び弁板が開位置にあるか又は閉位置にあるかを示すことができるその他の感知装置を含むことができる。或いは、別の実施形態によれば、間接的な感知方法として、バッテリセルの電圧をモニタし、このバッテリセルの電圧に基づいて弁の位置を判定する方法を挙げることができる。
位置センサ600を使用して、弁が正しく作動していることを検証することができる。別の実施形態によれば、弁位置センサの代わりに冗長なトリガ点の組を設定することができる。弁が正しく開かない場合、例えば、バッテリセルの電圧が、第1の上位開電圧設定値未満にまで落ち続ける恐れがある。第2の下位開電圧設定値に到達すると、弁は、弁が第1の時間に開かなかったと想定して、アクチュエータを介して第2の作動パルスを送ることができる。位置センサが、弁が正しい場所にないことを示す場合、第2の作動信号を与えて弁を開き又は閉じることができる。弁が第2の作動信号でも動かない場合、弁により深刻な問題があると仮定することができる。一連の開信号及び閉信号を送って弁を動かそうと試みるなどの、他のより思い切った手段を使用することができる。弁が動けないと想定した場合、開信号及び閉信号により弁を前後に揺動させて障害物から解放することができる。或いは、通信能力が存在する場合、この情報を装置及びユーザに逆伝達することができる。
流体調節システム50は、この例示的な実施形態に示す、第1のSMAワイヤ82a及び第2のSMAワイヤ82bからなる弁アクチュエータを含む。図示の実施形態によれば、SMAワイヤ82a及び82bは、弓形スロット564によりレバー84に接続される。具体的には、第1のSMAワイヤ82aは、端部クリンプ562と一方のスロット564との間に延びて、レバー84を一方の方向に引いて弁を開くように起動させることができ、第2のSMAワイヤ82bは、端部クリンプ562と他方のスロット564との間に接続され、レバー84を反対方向に引いて弁を閉じる。本明細書で説明したるように、レバー84は、移動プレート66と係合してプレート66を開弁位置と閉弁位置の間で移動させるアクチュエータピン88を含む。本明細書で図示し説明する弁アクチュエータは、それぞれの弓形スロット564を介してレバー84に接続された2つのSMAワイヤ82a及び82bを使用するが、他の種類及び構成の弁アクチュエータを使用して移動プレート66固定プレート62に対して作動させ、弁を開閉することができる。さらに、本明細書では移動プレート66の略線形の作動を図示し説明しているが、他の構成の弁を使用して流体消費セル20への流体の流れを制御することもできる。
流体調節システム50及びバッテリ10の組み立てを図36〜図49に示す。図36を参照すると、1つの実施形態による導電性フレーム500を大まかに示している。導電性フレーム500は、一般に導電性及び取り扱いのための構造的完全性をもたらす導電性材料で作られる。1つの実施形態によれば、フレーム500をリードフレームとして実現することができる。フレーム500は、様々な電気部品の間に電流を導くように構成された導電性回路素子を含む。
1つの実施形態によれば、フレーム500が、鉄ニッケル合金を含むことができる。鉄ニッケル系合金の例として、INVAR(登録商標)、スーパーINVAR(登録商標)、KOVAR(登録商標)及びINVAR(登録商標)合金36、42、46、48及び52が挙げられる。「本物の」INVAR(登録商標)の化学式は、Fe65Ni35である。INVAR(登録商標)合金では、合金番号が、ニッケルの重量パーセントにほぼ一致する。より具体的なの例によれば、導電性フレーム500は、KOVAR(登録商標)という商品名で販売されているニッケルコバルト合金鉄を含むことができ、この商品は、一般に約29重量パーセントのニッケル、17重量パーセントのコバルト、0.2重量パーセントのシリコン、0.3重量パーセントのマンガン及び53.5重量パーセントの鉄で構成される。
別の実施形態によれば、フレーム500を少なくとも部分的に銅で構成することができ、より具体的には、銅−INV AR(登録商標)−銅とすることができる。銅−INVAR(登録商標)−銅は、銅の層間にINVAR(登録商標)の層を挟持する層状物質であり、プリント回路基板技術で使用されてきた。フレーム500内にその他の導電材を使用して、導電性であるとともに取り扱いに対して十分に剛性であるフレーム構造を実現することができ、またこれらの導電材を再成形して所望の接点接続部を形成することができる。
図示のフレーム500は、電気部品及び弁アクチュエータのSMAワイヤ82a及び82bに電流を供給するための様々な回路素子522、524、526及び接点パッド520を有する。また、フレーム500は、バッテリセル20の正又は負の端子との電気接触を可能にするバッテリ接点530、532、534a、534b、536a及び536bとして機能する回路素子を含む。フレーム500はまた、一般に電気部品を受け入れて及び/又はこれらの電気部品との電気的接続を形成するように構成された接点パッド502、504、506、508、510、512、514及び516も含む。フレーム500は、以下で説明するように、最終的にリードフレームの一部を形成するが、最終的なフレーム構成には必要なく、組立工程中に除去されるフレーム要素538をさらに含む。フレーム500は、位置センサ600の取り付け用パッドを実現する、シャーシ500の両端に位置する1対のセンサ接点パッド602をさらに含む。この取り付け用パッド602は、制御回路に制御信号を供給する回路部品に接続される。
導電性フレーム500は、実質的に均一な厚みを有するように形成することができる。1つの例によれば、フレームは約100ミクロンの最小厚さを有する。フレーム500の諸要素の厚み及び幅により、フレーム500の構造的完全性を決定することができるので、本明細書で説明するように、これらの要素を接点接続部の再成形を可能にするように選択すべきである。1つの実施形態によれば、フォトエッチング法を使用することによりフレーム500を形成することができる。或いは、スタンピング、成型、プリンティングのうちの1又はそれ以上を使用する、或いは導電性フレーム500を別様に作製するその他のフレーム作製技術を介してフレーム500を形成することができる。組立工程中は、フレーム500を容易に取り扱うことができる。導電性フレーム500形成後、フレーム500に1又はそれ以上の電気部品を取り付ける。図37で分かるように、図示の電気部品540、542、544及び546を特定の接点上に取り付け、フレーム500に電気的に接続して所望の回路構成を形成する。図示の実施形態では、電気部品540は、(32キロヘルツなどの)タイミング信号を供給するように構成された発振結晶などのタイミング回路を含むことができる。図示のタイミング回路540は、接点パッド502、504及び506上に位置する。構成部品542は、接点パッド508及び510上に位置する誘導子を含むことができる。構成部品544は、接点パッド512及び514にわたって接続されたコンデンサを含むことができる。コンデンサ、誘導子及び任意の(単複の)抵抗を、電圧ブースト回路を実現するように構成することができる。構成部品546は、パッドにつながる回路素子への電気的接続を提供する、パッド516上に配置された特定用途向け集積回路(ASIC)チップを含むことができる。ASIC546は、アクチュエータの起動を弁を作動させるように制御するための制御回路として機能することができる。タイミング回路540、誘導子542、コンデンサ544及びASICチップ546を、適当なSMAワイヤアクチュエータ82a又は82bに電流を供給することによって弁アクチュエータの起動を制御して弁を開閉することにより、流体消費セル20への流体の侵入を制御するように構成することができる。センサ接点パッド602上には位置センサ600が取り付けられて、移動プレート66の位置を感知する。図示の特定の電気部品の例はフレーム500上に設けられているが、本発明の教示内容から逸脱することなく他の回路部品及び回路装置を使用することもできる。
フレーム500上に電気部品540〜546を取り付けた後、フレーム500は、図38に示すようにシャーシ550に入れられる。シャーシ550は、フレーム500の回路素子及びフレームに取り付けられた電気部品540〜546を実質的に封入する非導電性材料を含む。シャーシ550は、プリント回路基板内で使用するのに適した基板材料を含むことができる。1つの実施形態によれば、シャーシ550は、EPICLAM(登録商標)L9035(Epic Resins Electronic Products社、米国ウィスコンシン州パルマイラ)など、又は、ADTECH(登録商標)EL−323−TC−1エポキシ(Cass Polymers社、米国オクラホマ州オクラホマシティ)などのエポキシを含むことができる。1つの例によれば、シャーシ550を形成するエポキシは、5.8パーツパーミリオンパー℃(ppm/℃)の熱膨張率を有し、フレーム500を形成するKOVAR(登録商標)は、5ppm/℃の熱膨張率を有する。従って、フレーム500の熱膨張率とシャーシ550の熱膨張率は実質的に一致する。シャーシ550は、低い(空気などの)流体浸透率を有し、実質的に一致するCTEに起因してフレーム500とともに膨張及び収縮する。従来の金型を使用することにより、シャーシ550の非導電性材料をフレーム500を覆って成型して所望の構成を実現することができる。シャーシ550の流体透過性が十分に低くない実施形態では、シャーシ550をより透過性の低い別の材料で被覆することができる。
図38に示す実施形態では、シャーシ550が、フレーム500の主回路素子の周りに形成された略矩形の本体を有するとともにこれらの主回路素子を封入するように形成される。また、シャーシ550は、フレーム500の接点パッド520よりも下方に延びる内向きに突出するレッジ552を含む。レッジ552は、弁の移動プレート66の周辺部の頂面に当接する上面を提供する。レッジ552からは、対角リブ554及びフレーム500上に取り付けられた追加の回路部品を封入する高さを低くした本体556が延びる。シャーシ550は、フレーム500の回路素子及びフレームに取り付けられた電気部品540〜546を実質的に封入するように構成された形状及びサイズを有する。シャーシ550は、図31〜図34に示すとともに本明細書で説明するような空気均一化経路の包含に対応するように成型することができる。
シャーシ550は複数のクリンプコネクタ開口部560を有し、これらはシャーシ550の成型中に形成することができ、或いは成形工程の後に機械加工又は切断により形成し、材料を除去してクリンプコネクタ開口部560を形成することができる。クリンプコネクタ開口部560は、SMAワイヤクリンプ562を受け入れて、クリンプ562をクリンプ開口部560内に圧入してSMAワイヤ82a及び82bが接点パッド520と電気的に接触するようにされる。本明細書では、わずかな実施形態による、接点パッド520及びクリンプ562及び/又はSMAワイヤ82a及び82bにより形成された電気的接続について説明する。
図39を参照すると、導電性フレーム500の残りの不要な要素が除去されている。これにはフレーム要素538の除去が含まれる。このように、要素538は構造的剛性を提供し、組立前及び組立中におけるリードフレーム500の取り扱いを可能にする。その後、流体調節システム50及びこれのバッテリセル20への取り付けが完了する前に要素538は除去される。
図40を参照すると、図示の弁及びアクチュエータは、シャーシ550に取り付けられている。弁の移動プレート66は、内向きに延びるレッジ552よりも下方に挿入され、下にある固定プレート62は、シャーシ550の底面に取り付けられる。固定プレート62は、シャーシ550に接着、締結、又は別様に接続することができる。移動プレート66にはレバー84を接続し、シャーシ550の開口部586内にはピボット部分86を配置して、レバー84が枢動及び回転し、移動プレート66を左右に移動させて弁を開閉するようにする。
シャーシ550内のクリンプコネクタ開口部560内には、SMAワイヤクリンプ562が圧入される。図示の第1の実施形態では、クリンプ562をそれぞれの開口部560の底部に圧入して完全に挿入し、SMAワイヤ82a及び82bが接点パッド520と電気的に接触するようにする。図41及び図42でさらに詳細に分かるように、クリンプ562は、開口部560の底部に完全に嵌め込まれ、SMAワイヤ82aと接点パッド520の間に十分な電気接点が存在するようになる。この実施形態では、図42で分かるように、クリンプ562が、接点パッド522を形成する回路経路上に押し付けられてるとともに、開口部560とクリンプ562の壁部との間の締り嵌めにより適所に保持される。クリンプ562は、開口部560のサイズ及び形状に実質的に一致するサイズ及び(円筒形などの)形状を有する。図示のSMAワイヤ82a及び82bは、それぞれの接点パッド520と電気的に接触して、接点パッド520を介して供給された電流がSMAワイヤ82a及び82bのうちの1つを通過できるようにする。クリンプ562を開口部560に対して適所に保持するために導電接着剤などの接着剤を塗布し、SMAワイヤ82a及び82bとそれぞれの接点パッド520との間の電気接触を保持することができる。クリンプ562上に非導電性プラグ(図示せず)をさらに挿入して、上にあるバッテリセル20からクリンプ526を隔離することができる。
図43及び図44を参照すると、クリンプ562と接点パッド520の間の代替の電気的接続を示している。この実施形態では、図43で分かるように、接点パッド520が、クリンプコネクタ開口部560内で内向きに折り曲げられて略W字形になる。一般に、接点パッド520の屈曲したW字形には弾力性があり、バネ様の特性を提供するようになる。開口部560の壁部内にはクリンプ562が圧入されて下向きに強制され、弾性接点パッド520に係合し、これを圧迫する。接点パッド520を折り曲げることにより、接点パッドがバネ様の付勢を提供する弾性を有して、接点パッド520とクリンプ562及び/又はこれに接続されたSMAワイヤとの間に適当な電気接触を保持する。図44で分かるように、クリンプ562は、クリンプ開口部580に完全に挿入され、接点パッド520に付勢接触したままとなる。
図45及び図46を参照すると、さらなる実施形態による別の構成では、図示の接点パッド520が、クリンプコネクタ開口部560内で内向きに折り曲げられる。この構成では、接点パッド520が、弾力性があってクリンプコネクタ開口部560の底部から上向きに延びる1又はそれ以上の導電性要素を提供する。図46で分かるように、クリンプコネクタ開口部560にはクリンプ562が圧入されて、接点パッド520を圧迫する。その他のサイズ及び形状の接点を使用してクリンプ562及び/又はSMAワイヤ82a及び82bに接触することもできる。
アクチュエータ及び弁をシャーシ550及びフレーム500に取り付けた後、図47で分かるように、シャーシ550の頂面に流体消費セル20を取り付ける。流体消費セル20は、シャーシ520に接着、締結、又は別様に接続することができる。
流体消費セル20をシャーシ550に取り付けると、バッテリ接点が上向きに屈曲して、流体消費セル20の適当な端子と接触するようになる。図48に示す実施形態では、バッテリ接点530、534a及び534bが上向きに屈曲して、正端子を形成する缶34の側壁と接触するようになる。さらに、バッテリ接点532(見えず)も、正端子を形成する缶34の側壁と同様に接触する。残りのバッテリ接点536a及び536bは上向きに屈曲して、流体消費セル20の負端子を形成するカバー36と接触するようになる。バッテリ接点の屈曲は、バッテリ10ダイの中に入れて導体素子を再形成することにより実現することができる。缶34の側壁上のバッテリ接点536a及び536bの下には下側電気絶縁テープ580を貼り付けて、接点536a及び536bを正のバッテリ端子から電気的に絶縁する。バッテリ接点536a及び536bは、絶縁テープ580をさらに越えて、負のバッテリ端子を形成するカバー36上に延び、このカバー36と接触する。その後、図49で分かるように、バッテリ接点536a及び536bを覆って、上側電気絶縁テープ582を貼り付ける。
従って、流体調節システム50及び結果としてのバッテリ10は、一体形成された導電性フレーム500を内部に形成するとともに電気部品を実質的に封入したシャーシ550を有利に使用する。結果としてシャーシ550内に導電性フレーム500を取り付けるアセンブリは組み立てが簡単であり、シャーシ550を通じた流体の漏れの影響を受けにくい、回路素子及び構成部品を保護する構造となる。
1つの実施形態によれば、位置センサ600が、又はこれが少なくとも部分的にシャーシに組み込まれているとみなされるように、位置センサ600及び接続回路の少なくとも一部を覆ってシャーシ550を成型することができる。位置センサ600及び接続回路の一部を組み込むことができる一方で、個々の位置センサの一部は、シャーシ550から弁の移動プレート66の位置を感知できる場所まで延びて、少なくとも弁が開位置にあるか又は閉位置にあるかを判断することができる。
図50を参照すると、位置センサ600を移動プレート66に関してさらに示している。開弁位置では、移動プレート66が、位置センサ600の一方に接触することができる。閉弁位置では、移動プレート66が、他方の最も遠い位置で他方の位置センサ600に接触することができる。導電性移動プレート66と位置センサ600の一方との接触を実現することにより、接点接続が閉じることによって移動プレート66の開位置又は閉位置を示すことができる。或いは、非接触式センサ600を使用して、移動プレート66が開位置及び閉位置のいずれかにあるときを感知することもできる。例えば、容量センサ又はレーザセンサを使用して、センサ600から移動プレート66までの距離を感知することができる。さらに、1つ又は2つの位置センサ600を使用して、開位置と閉位置の間の中間位置にある移動プレート66の位置を感知することができる。本明細書で開示する流体調節システムの様々な実施形態を含む様々な弁構成で1又はそれ以上の位置センサ600を使用して弁の開位置及び閉位置を感知し、流体消費バッテリへの流体を調節することができる。
図51を参照すると、1つの実施形態による弁制御回路610を示している。この実施形態によれば、弁制御回路610はコントローラ620を使用する。1つの実施形態によれば、コントローラ620は、状態論理ルーチン700を実行するソフトウェアなどのロジックで構成された特定用途向け集積回路(ASIC)を含むことができる。ASICは、図37に示す構成部品546などのチップ上に構成することができる。別の実施形態によれば、コントローラ620は、マイクロプロセッサを有するマイクロコントローラを含むとともに、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び読み取り専用メモリ(ROM)などのメモリを含むことができる。マイクロコントローラ620は、感知した入力を処理し、制御出力信号を供給して弁作動を制御するための、本明細書で説明するような状態論理700を実行する。制御回路610に図37の構成部品546又は図4、図6〜図8及び図11に示す制御回路90を含め、或いはこれらの代わりに制御回路610を使用することができる。
図示の弁制御回路610は、様々な入力を受け取って、アナログ入力を、コントローラ620に入力するデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換器(ADC)回路654も含む。タイミング回路638は、コントローラ620にタイミング信号を供給する。また、弁を開閉する期間を定めるための入力をコントローラ620に供給するために、ブロック626のパルスタイマ1及びブロック628のパルスタイマ2をそれぞれ設ける。
弁制御回路610は、入力端子612及び614においてバッテリの正及び負の端子にかかる感知バッテリ電圧を示す感知電圧+VE及び−VEを含む様々な入力を受け取る。入力612及び614からの感知電圧は、バッテリとの逆極性接続に対する保護を行う逆極性保護回路616に入力される。感知電圧+VE及び−VEは、電圧センサ及び時間帯比較回路618にも入力される。電圧センサ及び時間帯比較回路618は、差動電圧を感知して、動作の時間帯を定める電圧閾値とバッテリ電圧を比較する。1つの実施形態によれば、1.10ボルトの第1の低電圧を低閾値電圧として使用して、感知電圧が1.10ボルトの第1の低閾値未満に下がったときに、弁を開いてバッテリに流体を供給すべきかどうかを判断する。この実施形態によれば、1.275ボルトの第2の高電圧を高閾値電圧として使用して、感知電圧が1.275ボルトの第2の高閾値を超えたときに、弁を閉じるべきかどうかを判断する。電圧センサ及び時間帯比較回路618の出力は、コントローラ620に入力として供給される。また、回路の動作に使用できる逓増電圧を供給するために、0.9ボルト〜3.0ボルトのチャージポンプ636が設けられる。
弁制御回路610は、アナログ/デジタル変換器654によってアナログ信号からデジタル信号に変換された様々なセンサ入力も受信する。これには、弁の移動プレートの位置を感知するための1又はそれ以上の位置センサ600からの信号入力が含まれる。また、湿度センサ632は、弁の湿度を感知して制御回路610に入力を供給する。さらに、温度センサ634は弁の温度を感知して、この感知温度信号を制御回路610に供給する。湿度センサ632及び温度センサ634は、基本的に流体調節システムの動作状態を感知する。流体調節システムの動作状態を感知することにより、この感知した動作状態に基づいて、弁を開位置に保持するために使用される最低限必要な時間TMINを判断することができる。時間TMINをルックアップテーブルから選択することにより、この最低限必要な時間TMINを、感知した動作状態に基づいて定期的に動的に調整することができる。さらに、位置センサは、弁の摩耗パラメータを示すことができる位置信号を供給して、感知した流体調節システムの動作状態も提供することができる。本明細書で使用する摩耗パラメータとは、弁の予想寿命内のある時点を推定する際に、又は弁の故障が迫っていることの表示などに有用であるような、弁の耐用年数中に変化し得る弁構成部品の物理的特性又は電気的特性などの特性を意味する。例えば、1対の位置センサが示めすように、弁が1つの位置から別の位置に移動するのに必要な時間又はエネルギーは、時間とともに徐々に増加する可能性があり、及び/又は弁がもはや満足に動作しなくなる直前に過大になる。このような変化は、摩擦を原因とする物理的摩耗、反復動作による疲労、誤動作、又は汚れ又は破断による故障などの要因に起因する可能性がある。
弁制御回路610は、ドライバ回路642に出力信号を供給する。1つの実施形態によれば、ドライバ回路642は、アクチュエータを駆動させて弁を開閉するための駆動信号を出力644及び646において生成する駆動トランジスタを含むことができる。
図52を参照すると、1つの実施形態による、コントローラにより実行される状態論理ルーチン700を示している。論理ルーチン700は、給電すべき装置に電圧が加えられる、ブロック702における電源オン状態を含む。電源オン状態702では、亜鉛空気セルなどの流体消費セルが弁スイッチング制御回路に接続され、電源オンリセットが起動される。ブロック704に示すように、電源がオンになる前は、弁は閉弁状態にある。閉弁状態704では、SMAドライバは無効であり、電圧センサが有効である。バッテリセル電圧が1.10ボルトの低い方の第1の閾値未満に落ちるまで、或いはイベント706で示すように、電圧(dv/dt)の変化率などのバッテリ電気出力の変化率が400ミリボルト/秒などの変化率閾値を超えた場合、弁は閉弁状態704にとどまる。イベント706が発生すると、弁は開弁状態に移行し始め、この間、適当なSMAアクチュエータに電力を印加することにより弁が開き始める。開弁状態708では、電圧センサが無効になり、弁を開位置に作動させるSMAドライバが有効になってアクチュエータが起動する。弁は、一度作動すると、パルスタイマ1が判断した時間後に開弁状態712に移行する。1つの例によれば、パルスタイマ期間は約0.5秒である。これは、SMAドライバが弁を完全な開位置に駆動するのに十分な時間である。開弁状態712では、弁を開くためのSMAドライバが無効になり、(単複の)位置センサの状態がチェックされる。開弁状態12に入ると、ルーチン700は、ステップ714において、誤ったトリガの発生を防ぐために期間t_valve−openの debounceの間待機する。期間t_valve−open debounceは、1つの例では50msなどの安定した電圧出力を実現するのに十分な所定の時間であることができる。その後、ルーチン700は開弁状態716に進む。開弁状態716において、電圧センサが有効になり、弁を開いたままにしておくために必要な最低時間TMINが計算される。
開弁状態716にある間、ルーチン700は、最低限必要な時間TMINが経過したかどうかをステップ718においてチェックし、経過していなければ、弁を開弁状態716に保持する。この最低時間TMINにより、弁は、繰り返し開閉されないように開位置に保持される。また、弁アクチュエータによるエネルギーの使用及び対応するバッテリ容量の損失を最小限に抑えるような方法で弁を開位置に保持し、弁を最低時間TMINにわたって開位置に保持することを要求することによって弁を別様に早く開くために、最低限必要な時間TMINが使用される。これにより、弁がより大きな周波数で動作することを制限して、バッテリ容量を無駄にしないようにする。最低時間TMINは、弁を開閉するために必要なバッテリ容量及び弁が開いている間に失われるバッテリ容量に基づいて計算することができる。弁を閉じるために必要な第1のバッテリ容量の損失を最初に計算し、弁を開くために必要な第2のバッテリ容量の損失を計算し、弁を開位置のままにしておくことによるバッテリ容量の損失率を計算し、計算した第1及び第2のバッテリ容量の損失と、計算したバッテリ容量の損失率との比較に基づいて最低限必要な時間を計算することにより、最低時間TMINを算出することができる。その後、温度などの1又はそれ以上の動作状態に基づいて最低限必要な時間TMIN内の変化をメモリに記憶し、これを使用して起動時に弁を開位置に保持することができる。
1つの実施形態によれば、最低限必要な時間TMINが、感知した動作状態に基づいて決定される。より詳細には、最低限必要な時間TMINが、感知した動作状態に基づいて動的に調整される。1つの実施形態によれば、感知した動作状態が、感知温度を含むことができる。別の実施形態によれば、感知した動作状態が、湿度センサを使用して感知した湿度を含むことができる。さらなる実施形態によれば、感知した動作状態が、摩耗パラメータを含むことができる。弁の既知の状態、及び位置センサが、弁が開位置及び閉位置にあると感知したことに基づいて、感知した摩耗パラメータを決定することができる。
弁は、ステップ720における、セル電圧が1.275ボルトの高い方の第2の電圧制限を超えること、及び最低時間TMINが経過したことという両方のイベントまで開弁状態716にとどまる。セル電圧が、1.275ボルトの高い方の第2の電圧閾値を上回り、かつ最低時間TMINが経過した場合、弁が閉弁状態722に移行し、この間に弁は閉位置へ向けて作動される。閉弁状態722では、電圧センサが無効になり、弁を閉鎖するためのSMAドライバが有効になる。その後ステップ724において、弁は、1つの例では0.5秒なのど、パルスタイマ2が設定した時間待機した後に閉弁状態726に移行する。閉弁状態726では、電圧センサが有効になり、位置センサの状態がチェックされる。その後、ルーチン700は、ステップ728における誤ったトリガの発生を防ぐための期間t_valve−closed debounce後に閉弁状態704にさらに移行する。期間t_valve−closedは、定常状態出力電圧を実現するのに十分な、50msなどの所定の時間であることができる。閉弁状態704では、SMAドライバが無効になり、電圧センサが有効になる。その後、様々な状態間でルーチン700を繰り返すことができる。
流体調節システムは、バッテリの電圧をモニタして、モニタした電圧がセル当たり1.10ボルトの第1の低い方の閾値電圧未満に落ちたときに弁を開き、電圧がセル当たり1.275ボルトの第2の高い方の電圧を超えたときに弁を閉じることによって流体消費バッテリへの流体の供給を制御することにより、流体消費バッテリに供給される流体を有利に制御する。また、本発明の流体調節システム及び方法は、時間に対するバッテリ電圧の変化率をさらにモニタする。具体的には、バッテリの電圧dv/dtの変化率をモニタし、400ミリボルト/秒/セルなどの電圧変化率閾値と比較して、モニタした電圧の変化率が変化率閾値を超えたときに弁を開く。本明細書では、バッテリの電気出力の変化率を電圧の変化率として図示し説明しているが、他の実施形態によれば、開回路電圧、閉回路電圧、電流、電力及びこれらの組み合わせなどの、様々なエネルギー測定値を使用することができる。別の実施形態によれば、モニタしたバッテリの電気出力が、電流検出器によって検出したバッテリ電流を含むことができ、バッテリ電流の変化率が電流変化率閾値と比較される。1つの実施形態によれば、弁が閉位置にあるときの電圧の変化率がモニタされ、電圧の変化率は電圧の減少率である。本発明の流体調節システム及び方法は、モニタした電圧の変化率が電圧変化率閾値を超えたときに弁を開くことにより迅速に弁を開いて、バッテリにより給電されている装置のサービスが中断しないようにするという利点を有する。さらに、感知した動作状態に基づいて変化率閾値を調整することができる。1つの実施形態によれば、変化率閾値を調整するための感知する動作状態が、温度、湿度及び摩耗パラメータから成る群の少なくとも一部である。別の実施形態によれば、感知した動作状態は、温度、湿度及び摩耗パラメータのいずれか1つ又はいずれかの組み合わせを含むことができる。
弁を開位置に保持するために最低限必要な時間TMINは、感知した動作状態に基づいて動的に調節される。1つの実施形態によれば、感知する動作状態が、温度センサが感知した感知済みの温度である。図23を参照すると、1つの例によれば、最低限必要な時間を調整するために選択できる複数の温度及び対応する最低時間TMINがルックアップテーブルにより与えられる。感知温度が変化するにつれて、最低限必要な時間TMINが、感知温度の関数として動的に調整される。温度データを補間又は推定することによって最低限必要な時間TMINを判断することができ、また方程式に基づいて判断することができる。湿度及び摩耗パラメータなどのその他の感知した動作状態に基づいて同様のルックアップテーブルを使用することができ、複数の感知した動作状態を組み合わせたものを使用して最低限必要な時間TMINを調整することができる。
以上、単一のセルを有する単一のバッテリに流体を供給する流体調節システムに関して本発明を説明したが、本発明の様々な態様を、複数のセルを有するバッテリ及び複数のバッテリを有するバッテリパックに適用することもできる。例えば、流体調節システムをバッテリパックのハウジング内に完全に又は部分的に配置して、空気又は別の流体がバッテリパックのハウジングに入り込めるようにする弁を選択的に開閉することができる。この場合、個々のバッテリごとに別個の流体調節システムは必要でない。さらに、流体調節システムには、バッテリのいずれか1つ又は群、又はバッテリパック内の全てのバッテリから、或いはバッテリパック外部の別のバッテリから給電を行うことができる。
バッテリ、バッテリ群又はバッテリパックにより給電される、或いはバッテリ、バッテリ群又はバッテリパックと分離して設けられた装置内に、流体調節システムを完全に又は部分的に配置することもできる。例えば、弁は、様々なマルチセルパックのサイズに対応する予め同梱したモジュールであってもよい。従って、弁、弁の電源及び制御装置を流体消費セルと別に梱包することには様々な利点があると考えられる。
流体消費バッテリと流体調節システムの組み合わせとして、1又はそれ以上の交換可能な流体消費バッテリを挿入した流体調節システムの全て又は一部を収容したモジュールを挙げることができる。これによって、流体調節システムの少なくとも一部を再使用できるようになり、この結果、ユーザにとってバッテリ当たりのコストが削減される。モジュールは、1又はそれ以上の流体入口を含むことができ、また流体がバッテリに到達するための通路を提供する内部チャネル、プレナム、又はその他の内部空間を含むこともできる。バッテリの一部である対応する電気接点と協働するモジュールの一部である電気接点を使用してモジュール及びバッテリの意図しない分離を防ぐことを含むあらゆる適当な態様で、モジュール及びバッテリをまとめることができる。例えば、モジュールの電気接点を突出ブレードの形にして、これをバッテリ電気接点を含むバッテリケース内のスロットにはめ込むことができる。このブレードを、締り嵌め、1又はそれ以上のバネ、機械式係止機構及びこれらの様々な組み合わせなどのあらゆる適当な手段によってスロット内に保持することができる。正しい電気接続を確実にしてバッテリの逆転を防ぐために、モジュールとバッテリを正しい方向でしか接合できないようにモジュール及びバッテリの寸法、形状及び電気接点を構成することができる。モジュール、バッテリ、又はこれらの両方は、組み合わせたバッテリ及びモジュールを取り付けた装置と正しい電気接触を行う外部接点端子を有することができる。いくつかの実施形態では、装置からモジュールを取り除かずにバッテリを交換することができる。
700:状態論理ルーチン
702:電源オン
−Zn−空気セルを弁切り替え制御回路に接続
−電源オンリセット
704:閉弁
−SMA分割器を無効化
−電圧センサを有効化
706:CELL V>セルV<1.100V又は−dv/df>400Mv/s
708:開弁
−電圧センサを無効化
−SMAドライバを有効化(開)
710:期間後:パルスタイマ(0.5秒)
712:開弁
−SMAドライバを無効化(開)
−位置センサの状態をチェック
714:期間後:t_VALVE−OPEN DEBOUNCE
716:開弁
−電圧センサを有効化
−TMINを計算
718:TMIN経過せず
720:セルV>1.275V及びTMIN経過
722:閉弁
−電圧センサを無効化
−SMA分割器を有効化
724:期間後:パルスタイマ(0.5秒)
726:閉弁
−電圧センサを無効化
−位置センサの状態をチェック
728:期間後:t_VALVE−OPEN DEBOUNCE

Claims (13)

  1. 流体消費バッテリに供給する流体を制御する方法であって、
    バッテリの流体消費電極への流体の侵入率を調整するための弁と、前記弁を動作させるためのアクチュエータとを備えた流体調節システムを提供するステップと、
    前記流体調節システムの動作状態であって、温度、湿度、及び、弁が1つの位置から別の位置に移動するのに必要な時間又はエネルギーを表す摩耗パラメータから選択される動作状態を感知するステップと、
    前記弁を開位置に保持する最低限必要な時間を前記感知した動作状態に基づいて決定するステップと、
    を含み、
    前記最低限必要な時間は、
    前記弁を閉じるのに必要な第1のバッテリ容量の損失を計算するステップと、
    前記弁を開くのに必要な第2のバッテリ容量の損失を計算するステップと、
    前記弁を前記開位置にあるままにしておくことによるバッテリ容量の損失率を計算するステップと、
    前記最低限必要な時間を、さらに、前記第1のバッテリ容量の損失及び前記第2のバッテリ容量の損失の比較及び前記計算したバッテリ容量の損失率に基づいて計算するステップと、
    に基づいて算出され、
    方法は、さらに、
    感知したバッテリ電気出力が第1の低閾値より小さくなった場合に前記弁を開くように前記弁の作動を制御するステップと、
    前記弁を前記最低限必要な時間にわたって前記開位置に保持するステップと、
    感知したバッテリ電気出力が第2の高閾値より大きくなった場合に前記弁を閉じるように前記弁の作動を制御するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記最低限必要な時間を、前記感知した動作状態に基づいて定期的に調整するステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記最低限必要な時間を決定する前記ステップが、前記最低限必要な時間をルックアップテーブルから選択するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の方法。
  4. 前記動作状態が感知温度を含む、
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の方法。
  5. 前記動作状態が前記摩耗パラメータを含む、
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の方法。
  6. 前記動作状態が感知湿度を含む、
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の方法。
  7. 前記流体消費電極が空気電極を含む、
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の方法。
  8. バッテリ電圧の変化率をモニタするステップと、前記モニタしたバッテリ電圧の変化率に基づいて前記弁を開くように前記弁を制御するステップとをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の方法。
  9. 前記弁の位置を感知するステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の方法。
  10. 前記弁が可動プレートを含み、前記可動プレートを動かすことにより前記弁が開閉される、
    ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の方法。
  11. 流体消費バッテリへの流体を調節するための流体調節システムであって、
    バッテリの流体消費電極への流体の侵入率を調整するための弁と、
    前記弁を少なくとも開位置と閉位置の間で動作させるためのアクチュエータと、
    前記流体調節システムの前記動作状態を感知するためのセンサと、
    前記アクチュエータの動作を前記弁を開閉するように制御するためのコントローラと、を備え、前記コントローラが、必要なバッテリ電気出力がより大きな場合に前記弁を開くように、及び必要なバッテリ電気出力がより小さな場合に前記弁を閉じるように前記アクチュエータを制御し、前記コントローラが、前記弁を前記最低限必要な時間にわたって前記開位置に保持し、前記流体調節システムが、前記流体消費バッテリに供給する流体を請求項1から請求項10のいずれかに記載の方法に基づいて調節する
    ことを特徴とするシステム。
  12. 前記弁が、前記アクチュエータが前記弁を開閉するように作動できる可動プレートを含む、
    ことを特徴とする請求項11に記載のシステム。
  13. 前記コントローラが、必要なバッテリ電圧がより大きな場合に前記弁を開き、必要バッテリ電圧がより小さな場合に前記弁を閉じるように前記アクチュエータを制御する、
    ことを特徴とする請求項11又は請求項12に記載のシステム。
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