JP6093580B2 - 安全弁 - Google Patents

Description

本発明は、安全弁に関する。さらに詳述すると、本発明は、密閉型電池などに用いて好適な安全弁の改良に関する。

リチウムイオン電池などで利用されている密閉容器において、容器内における圧力（内圧）の異常時に開口して圧力を逃がすための安全弁が利用されている。安全弁は、例えば容器の蓋と一体化した弁として形成されており、容器の内圧が所定値（開放圧）を超えると作動して内圧を逃がす構造となっている（例えば特許文献１参照）。

特許第４４６８２９０号公報

しかしながら、従来の安全弁は、耐久性に劣り、また、設定されている開放圧が十分に低いものが稀であり、低く設定されているとしても開放圧のばらつきが大きい、といった問題を含む場合があった。

そこで、本発明は、耐久性に優れ、開放圧のばらつきを抑えつつ該開放圧を十分に低くすることが可能な構造の安全弁を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。開放圧を低くするための手法の一つとして破断部分を極薄にすることが考えられるが、そうすると設計や加工が難しくなるし、より高い精度を備えたプレス加工機械を導入するためのコストもかかる。また、単に破断部分を薄くするだけの設計をすると、これと引き換えに耐久性が低下し、開放圧の安定度を失い、製品毎の開放圧のばらつきが大きくなるおそれがある。そこで、例えば従来のごとくコイニング加工（凹凸のついた上下一対の型で金属板材を強く圧縮し、型の模様を材料に写すプレス加工法。圧印加工）による圧印について考慮してみると、圧縮時、単に肉を潰す感じで加工していることが耐久性の低下、開放圧のばらつきを生じさせている一つの因子になっているように考えられた。そこで、このような点に着目しつつ、耐久性の向上、低い開放圧の実現と開放圧の安定化との両立という観点から、特に破断部分を中心とした境界部分の形状や強度について、加工のしやすさといった点も加味して鋭意検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくもので、密閉容器の板状部材に形成されており、該密閉容器の内圧の増加時に板状部材から弁体を破断させて内圧を逃がす安全弁において、
板状部材側に形成された、弁体の周囲の部位であり、当該安全弁を構成する部位の中で強度が最大に加工されている周縁部と、
該周縁部の内周側に連なっており、前記弁体を構成する部位の中で強度が最小に加工され、密閉容器の内圧が所定値を超えた際に少なくとも一部が破断することによって弁体を開口させる破断部と、
該破断部の内周側に連なっており、加工前の時点における被加工材の厚みと同等もしくはそれ以上の厚みを有しており、加工前と同等の強度を有している湾曲厚肉部と、
湾曲厚肉部の内周側に連なっている、弁体の中央部と、
周縁部の外周側に連なっており、該周縁部よりも厚く、尚かつ加工前の被加工材の厚みと同等もしくはそれ以上の厚みを有している板状部材側厚肉部と、
を含み、
前記板状部材と前記弁体の周囲の前記周縁部との境界には、前記破断部のうち前記周縁部に隣接する領域である境界領域が形成され、
破断部は、前記湾曲厚肉部側へ流動した肉により隆起した前記湾曲厚肉部に連なっており、
当該安全弁の作動時に発生する応力が境界領域に集中する構造であることを特徴としている。

このように構成された安全弁においては、弁体とそれ以外の部分との境界となる領域に、当該安全弁を構成する部位の中で強度最小である破断部が、強度最大である周縁部に隣接する領域が形成されている。このように、いわば硬軟部分を互いに隣接させた該構造においては、当該破断部の特に境界領域に応力が集中することから、従来よりも十分に低い開放圧によって当該安全弁が作動する。

しかも、従来構造であれば、圧縮時に肉を潰すように加工されていることが、耐久性に劣り、開放圧にばらつきを生じさせている一つの因子になっていたのに対し、本発明に係る安全弁においては、破断部（の境界領域）の加工硬化および熱変性を抑制していることから、耐久性に優れ、金属疲労が少なく、製品毎の開放圧のばらつきを抑えることが可能となっている。このため、この安全弁によれば、低く尚かつ安定した開放圧にて破断部（の境界領域）が破断することから、ばらつきを抑えつつ開放圧を十分に低くすることが可能となる。また、当該安全弁の加工精度を高める為に下死点制御及びスピードの制御をすることなく、汎用プレス機によって製作が可能であるという利点もある。

このような安全弁は、周縁部の内周側端部に、厚みを急激に変化させる壁部が形成されているものであることが好ましい。このような安全弁においては、周縁部の内周側端部から破断部にかけての応力集中係数が変化し、破断部の境界領域に応力が集中する結果、当該安全弁が低い開放圧でより確実に作動するようになる。

また、安全弁は、板状部材側厚肉部から中央部に至るまでの断面が上下にうねる波状であることが好ましい。一般に、安全弁に対しては、開放圧を低くするといった要望以外にも、当該安全弁が採用された電池等の大型化を抑制するべく、薄く形成されることが望まれる。この点、このように断面が上下にうねる波状とされた本発明に係る安全弁によれば、弁全体としての性能、特に、柔軟性があるという性能を保持しつつ厚みを少なくすることが可能となることから、省スペース化を図ることができ、厚みに制約がある場合にも対応しやすいという点で有利である。

また、安全弁は、破断部から湾曲厚肉部に向かうにつれて徐々に厚みを増す断面形状であることが好ましい。

また、安全弁は、湾曲厚肉部から中央部に向かうにつれて徐々に厚みを減ずる断面形状であることが好ましい。

また、安全弁の中央部は、内圧の作用する方向に向けて凸であることが好ましい。

また、このような安全弁においては、中央部の厚さが破断部の厚さとほぼ等しいことが好ましい。

さらに、このような安全弁において、中央部の上面は円形の平面であることが好ましい。

本発明によれば、耐久性に優れ、開放圧のばらつきを抑えつつ該開放圧を十分に低くすることが可能な構造の安全弁を提供することができる。

安全弁が設けられた板状部材の一例を示す平面図である。 板状部材および容器本体の斜視図である。 板状部材の裏面側の構成例を示す斜視図である。 図１のIV-IV線における安全弁および板状部材の断面形状を示す図である。 図１のIV-IV線における安全弁および板状部材の断面形状を示す斜視図である。 図４に示す断面図のうち弁体部分を拡大して示す図である。 安全弁の破壊試験の結果を示す表である。

本発明に係る安全弁１は、密閉容器１００の板状部材２に形成されており、該密閉容器１００の内圧の増加時に板状部材２から弁体３を破断させて内圧を逃がす構造の弁である。以下、リチウムイオン電池などで利用されている密閉容器に適用した安全弁１を例示しつつ、本発明の一実施形態について説明する（図１〜図６等参照）。なお、便宜上、本明細書においては、容器本体４に取り付けられた状態における板状部材２の表面（図１、図２のおいて見える面）を「上面」、裏面を「下面」と呼ぶ場合がある。

本実施形態の安全弁１は板状部材２のほぼ中央に形成されている略円形の弁体３等によって構成されており（図１〜図３等参照）、密閉容器１００の内圧が増加すると弁体３が板状部材２から破断することによって内圧を逃がすようになっている。このような本実施形態の安全弁１は、弁体３、周縁部１１、板状部材側肉厚部１５を備えており、弁体３は、破断部１２、湾曲厚肉部１３、中央部１４などで構成されている（図６等参照）。

板状部材２は、本実施形態ではほぼ矩形に形成されているもので、容器本体４（図２参照）の開口縁に取り付けられて密閉容器１００を構成する。板状部材２の周縁は、容器本体４の開口縁２の形状と大きさに合わせて成形されており、接合によって当該開口縁に気密に取り付けられるようになっている（図２、図３等参照）。

周縁部１１は、弁体３の周囲に環状に形成された部位である（図６等参照）。本実施形態において、この周縁部１１は、当該安全弁１を構成する部位の中で強度が最大となるように加工されている。また、周縁部１１は、その内側に形成される破断部１２よりも厚肉に形成されている（図６等参照）。

破断部１２は、周縁部１１の内周側に形成された薄肉の部位である（図６等参照）。本実施形態の破断部１２は、当該安全弁１を構成する部位の中で強度が最小となるように加工されており、密閉容器１００の内圧が所定値を超えた際には、少なくとも一部が破断することによって、板状部材２から弁体３が開口した状態とする。

ここで、本実施形態では、密閉容器１００の内圧が増加した際、より低く、尚かつばらつきの少ない開放圧にて破断部１２を安定して破断させるべく、以下のごとき構造としている。すなわち、上述のように、当該安全弁１を構成する部位の中で周縁部１１の強度を最大とする一方で、破断部１２の強度については最小としている。より具体的には、圧延加工時、周縁部１１に対しては、圧延と同時に肉が板状部材側厚肉部１５の方向に逃げるようにして、当該周縁部１１に対しては、必要以上に加工硬化するのを回避しつつ強度を向上させる一方で、破断部１２に対しては、ただ圧延するのではなく、内周側（湾曲厚肉部１３側）へ肉を流動させ、流動させた肉で湾曲厚肉部１３を隆起させることによって、当該破断部１２の加工硬化および熱変性を抑制している。

さらに、本実施形態では、周縁部１１の内周側端部に、厚みを急激に変化させる壁部１１ａを形成することにより、当該周縁部１１と破断部１２との間で厚みが急激に変化するようにしている（図６参照）。このように、本実施形態では、耐圧強度に優れるいわば硬い部分（周縁部１１）と、耐圧強度に劣るいわば軟らかい部分（破断部１２）という硬軟部分を互いに隣接させた構造とすることで、周縁部１１の内周側端部から破断部１２にかけての応力集中係数を変化させ、破断部１２に応力集中を生じさせることによって、より低い開放圧でより確実に安全弁１が作動するようにしている。

湾曲厚肉部１３は、上述の破断部１２の内周側に連なるように形成された、比較的厚肉の部位である。この湾曲厚肉部１３は、加工される前の時点における被加工材の厚みと同等もしくはそれ以上の厚みを有しており、尚かつ、加工される前と同等の強度を有している。すなわち、圧延加工される際、破断部１２から内周側へと流動した肉がこの湾曲厚肉部１３の部分を隆起させる結果、当該湾曲厚肉部１３は、加工される前の時点における被加工材の厚みと同等もしくはそれ以上の厚みを有する部位となっている（図６等参照）。また、これにより、本実施形態の安全弁１の断面形状は、破断部１２から湾曲厚肉部１３に向かうにつれて徐々に厚みを増すようになっている（図６参照）。さらに、本実施形態の湾曲厚肉部１３は、下面側へ凸となるように湾曲している（図６等参照）。

中央部１４は、弁体３の中心に位置する部位で、上述の湾曲厚肉部１３に連なるように形成されている（図６等参照）。また、中央部１４は、内圧の作用する方向に向けて上面に凸になるように形成されている。このように、本実施形態の安全弁１は、湾曲厚肉部１３が下面側へ凸となるように湾曲し、尚かつ湾曲厚肉部１３から中央部１４に向かうにつれて上面側に凸となるように形成されることにより、裂板側厚肉部１５から中央部１４に至るまでの断面が上下にうねる波状となっていることから、弁体３が全体として厚みが少ない形状となっている。このため、電池などの密閉容器における省スペース化の要請に応えやすい。また、当該安全弁１が占めるスペースに制約がある場合にも対応しやすい。しかも、このように中央部１４が上面側に凸になるように波状に形成されている本実施形態の弁体３は、成形後におけるスプリングバック（加工後に材料が少しもとに戻ろうとする現象）を効果的に抑制できるという利点もある。

また、本実施形態の安全弁１は、湾曲厚肉部１３から中央部１４に向かうにつれて徐々に厚みを減ずる断面形状であり、尚かつ、中央部１４の厚さが破断部１２の厚さとほぼ等しくなるように形成されている（図６等参照）。ただし、中央部１４における薄肉部分の面積は他の部位に比較して狭小である（図６等参照）。本実施形態では、中央部１４を前述の形状にすることにより、当該中央部１４の形状を凍結状態とし、スプリングバックを抑制し、弁全体の形状の安定化に寄与するようにしている。また、中央部１４に作用する応力の大きさは、破断部１２に作用する応力に比べて極めて少ない為、中央部１４が破断部１２より先に破断することはない。

板状部材側厚肉部１５は、上述した周縁部１１のさらに外周側に連なっている部位で、該周縁部１１よりも厚く、尚かつ加工前の被加工材の厚みと同等もしくはそれ以上の厚みを有するように形成されている（図６等参照）。すなわち、圧延加工される際、周縁部１１から外周側へと流動した肉がこの板状部材側厚肉部１５の部分を隆起させる結果、当該板状部材側厚肉部１５は、加工される前の時点における被加工材の厚みと同等もしくはそれ以上の厚みを有する部位となっている。

このように構成された本実施形態の安全弁１においては、弁体３とそれ以外の部分（板状部材２）との境界に、当該安全弁１を構成する部位の中で薄肉であり強度が最小である破断部１２が、強度が最大である周縁部１１に隣接した境界領域が形成されている（図６等参照）。本実施形態では、このように硬軟部分を互いに隣接させたいわばメリハリのある構造としたことから、当該破断部１２の特に境界領域に応力を集中させ（換言すれば、安全弁１の作動時に発生する応力が境界領域に集中するようにし）、従来よりも十分に低い開放圧によって当該安全弁１を作動させることができる。

しかも、従来構造であれば、圧縮時に肉を潰すようにして刻印加工ないし圧延加工されていることが、耐久性の低下および開放圧にばらつきを生じさせている一因になっていたのに対し、本実施形態では、境界領域を構成する破断部１２は、加工硬化および熱変性が抑制されるように加工されて形成されていることから、耐久性に優れ、金属疲労と製品毎の開放圧のばらつきが極めて少ない。このため、この安全弁１によれば、低く尚かつ安定した開放圧にて破断部１２を破断させることを可能とし、ばらつきを抑えつつ開放圧を十分に低くすることを実現する。

これについてさらに詳述すれば以下のとおりである。すなわち、従来のごとく刻印加工ないしは圧延加工により成形された安全弁は、破砕部（本実施形態における「破断部１２」に相当する部分）や薄肉部の管理板厚精度を上げるため、被加工材の肉を逃がさない状態で強制的に圧縮する結果、破砕部が加工硬化している。このようにして成形された破砕部は金属疲労によって破砕する（作動する）ようになることから、このことが、耐久性に劣り、開放圧（作動圧）が安定しない要因となっている。この点、本実施形態の安全弁１においては、上述のごとく硬い部分（周縁部１１）、薄い部分（破断部１２）、さらにそれ以外のいわば普通の部分を意図的に作り出し、さらに硬い部分（周縁部１１）と薄い部分（破断部１２）とを隣接させて境界部を形成し、密閉容器の内圧が増加した際、硬い部分（周縁１１）と薄い部分（破断部１２）の境界部（より詳しくは、境界部において最も周縁部１１に近接している部分である破断部１２の端部、すなわち境界領域）が一気に破断する構造としている。このような特有の構造は耐久性に優れ、ばらつきを抑えつつ開放圧を十分に低くすることに寄与している。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

作動圧（開放圧）のどの程度のばらつきがあるのかを確認するべく、安全弁１の破壊試験を実施した。試験データを示しつつ、その結果を実施例として以下に示す（図７参照）。

本実施例においては、狙い作動圧（開放圧の設定目標）を「0.5MPa以下」とし、試験サンプルの数（ｎ数）１〜３１のそれぞれについて、当社の規定圧力および規定時間による耐久試験を１万２千サイクル実施した。その後、安全弁に漏れが無いことを確認した上で、破壊試験を実施し、この時の各サンプルの作動圧（開放圧）を記録するとともに、圧力を作用させて実際の作動圧を調べた（図７参照）。表中に、基準作動圧「0.5MPa」に対してどの程度の差異あったかを、基準作動圧より大きかった場合を正の数で、基準作動圧より小さかった場合を負の数でそれぞれについて示す。

本発明は、圧力容器、配管系、ダクトなどの密閉された装置が過剰圧力（正圧）によって破損することを防止するために設けられる安全装置における安全弁、防爆弁として適用して好適である。

１…安全弁
２…板状部材
３…弁体
４…容器本体
１１…周縁部
１１ａ…（周縁部に形成された）壁部
１２…破断部
１３…湾曲厚肉部
１４…中央部
１５…板状部材側厚肉部
１００…密閉容器

Claims (8)

1. 密閉容器の板状部材に形成されており、該密閉容器の内圧の増加時に前記板状部材から弁体を破断させて内圧を逃がす安全弁において、
   前記板状部材側に形成された、前記弁体の周囲の部位であり、当該安全弁を構成する部位の中で強度が最大に加工されている周縁部と、
   該周縁部の内周側に連なっており、前記弁体を構成する部位の中で強度が最小に加工され、前記密閉容器の内圧が所定値を超えた際に少なくとも一部が破断することによって前記弁体を開口させる破断部と、
   該破断部の内周側に連なっており、加工前の時点における被加工材の厚みと同等もしくはそれ以上の厚みを有しており、加工前と同等の強度を有している湾曲厚肉部と、
   前記湾曲厚肉部の内周側に連なっている、前記弁体の中央部と、
   前記周縁部の外周側に連なっており、該周縁部よりも厚く、尚かつ加工前の被加工材の厚みと同等もしくはそれ以上の厚みを有している板状部材側厚肉部と、
   を含み、
   前記板状部材と前記弁体の周囲の前記周縁部との境界には、前記破断部のうち前記周縁部に隣接する領域である境界領域が形成され、
   前記破断部は、前記湾曲厚肉部側へ流動した肉により隆起した前記湾曲厚肉部に連なっており、
   当該安全弁の作動時に発生する応力が前記境界領域に集中する構造であることを特徴とする安全弁。
2. 前記周縁部の内周側端部に、厚みを急激に変化させる壁部が形成されている、請求項１に記載の安全弁。
3. 前記板状部材側厚肉部から前記中央部に至るまでの断面が上下にうねる波状である、請求項２に記載の安全弁。
4. 前記破断部から前記湾曲厚肉部に向かうにつれて徐々に厚みを増す断面形状である、請求項３に記載の安全弁。
5. 前記湾曲厚肉部から前記中央部に向かうにつれて徐々に厚みを減ずる断面形状である、請求項４に記載の安全弁。
6. 前記中央部は、内圧の作用する方向に向けて凸である、請求項５に記載の安全弁。
7. 前記中央部の厚さが前記破断部の厚さとほぼ等しい、請求項６に記載の安全弁。
8. 前記中央部の上面は円形の平面である、請求項７に記載の安全弁。

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