JP6872546B2 - 圧力調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学装置のケーシングの内部空間と前記装置の周辺領域との間のガス交換を行うためのガス透過膜を少なくとも１つ含む、電気化学装置のケーシング内の内圧を調整するための圧力調整装置に関する。

かかる装置は、通常、電池／蓄電池内部の圧力調整に用いられる。閉鎖式電池システムの内圧は、電池ケーシングの損傷を防止するために外圧に合わせて調整しなければならない。該内圧は、電池の使用領域に応じて外圧より大きい場合も小さい場合もある（移動式電池における大気の圧力差、温度差による圧力差）。

圧力調整装置は、特許文献１により公知となっている。該公知の圧力調整装置においては、ガス透過膜がケーシング内圧に応じて変形し、限界圧力を超過すると、緊急排気針の先端によって破壊されるように設計されている。このため、ガス透過膜が、限界圧力を下回る時は無傷のままであり、限界圧力を超過した時にまさに緊急排気針によって破壊されるべく変形するように、ガス透過膜のサイズおよび材料、緊急排気針の形状、並びに緊急排気針からガス透過膜までの距離が、それぞれ精確に指定され、全体として相互に厳密に調整されていなければならない。

欧州特許出願公開第２５５４８８２号明細書

上記に基づき、本発明は、簡単な方法で所定の限界内圧に応じて設計することのできる圧力調整装置の提供を目的とする。

上記目的は、発明により、冒頭に記載の方式の圧力調整装置において、限界内圧を超過した時に、弁座に密接している静止位置から、弁座から離れた動作位置へと移動可能な弁体が圧力調整装置に含まれていること、および弁体にガス透過膜を用いて閉鎖されたガス流通間隙が設けられていることによって達成される。

発明により、限界内圧を超過した時に静止位置から動作位置へと移動される弁体が配置されている。これによって、弁体が弁座から分離し、分離した弁体と弁座との間において流路が開放される。該流路によって大量のガスの迅速な排出が可能になる。

電池の通常運転において、弁体は静止位置で弁座に密接しており、したがって、前述の流路は閉鎖されている。弁体にはガス透過膜を用いて閉鎖されたガス流通間隙が含まれる。弁体が静止位置ある間は、ガス交換がこの方法で行われ得る。

発明による圧力調整装置においては、限界内圧を超過した場合にガス透過膜を破壊する必要がない。これによって、ガス交換能力を最大にするという点からガス透過膜を最適化することが可能になる。さらに、比較的頑健なガス透過膜も実現し得ることから、圧力調整装置の操作が簡素化される。

したがって、ガス透過膜が一定の変型特性を有する必要がないことによって、所定の限界内圧に関する圧力調整装置の設計を、ガス透過膜のサイズおよび材料に関係なく行うことができる。その上、精確に配置された緊急排気針を設ける必要がない。

発明により、電池の通常運転において大量のガス交換を可能にし、同時に、（例えば、欠陥のある電池セルの爆発によって引き起こされる）電池内圧の突然の爆発的上昇の際に、最短時間で大量のガスを排出して、電池全体の爆発の危険性を大幅に低下させることが可能である。

該発明による圧力調整装置には、限界内圧の超過と同時に構成部分またはその一部が破壊されたり、吹き飛ばされたりすることがないという利点がある。この方法によって圧力調整装置の周辺領域は損傷を免れ、損傷を防ぐために、必要に応じて大量のガスの急速な排出を防止することのできる保護機構を配置しておく必要がない。

好ましい実施形態の１つにおいて、弁体に内圧を受けるバルブ面が設けられていること、および該バルブ面が少なくとも部分的にガス透過膜の表面によって形成されていることが考えられている。この方法によって、バルブ面の少なくとも一部を、ガス透過膜の配置に用いることが可能である。その際、バルブ面におけるガス透過膜の割合が大きいほど、一定の大きさの弁体に対して提供可能なガス流通断面が大きくなる。したがって特に好ましいのは、バルブ面が、全体的に、または基本的には全体的にガス透過膜によって形成されていることである。

ガス流通断面を大きくするために、ガス透過膜が、弁体の動作軸に設置された、特に該軸に対して垂直に延びる膜面に広がることもまた、好ましい。

コンパクトな構造にしつつ、同時に最大のガス流通断面を獲得するために、ガス透過膜および動作軸は互いに同軸配置されている。

弁体が破壊可能な接合部を用いて弁座に固定されていること、および限界内圧を超過すると該接合部が外れることが考えられ得る。しかし好ましいのは、圧力調整装置が、内圧に対抗して作用し、限界内圧を超過しない限りは、弁体を静止位置に留める押圧力発生装置を有することである。かかる押圧力発生装置として使用されるのは、特に、弁体と共同作用し、弁体を弁座の方向に圧するスプリングである。これには、弁体が繰り返し操作可能であるという利点がある。これが特に有利であるのは、ガス透過膜が頑健に設計されていることにより、限界内圧を超過した時に、単に弁体が動作位置に移動されるだけで、その場合にもガス透過膜が破壊されない場合である。これにより、再利用可能で、限界内圧の超過時における大量のガスの排出を何度も行うことのできる圧力調整装置の供給の可能性が開かれる。

電気化学装置のケーシングへの圧力調整装置の取付けを容易にするために、圧力調整装置が、電気化学装置のケーシング開口部の表面または内部に固定することのできるケーシング連結部を有することが好ましい。

かかるケーシング挿入体は、好ましくは、弁体、および弁体と接続されたガス透過膜の配置に用いられる内部空間を有する。

該発明による圧力調整装置によって、弁体の静止位置においてはガス交換路に沿ってガスが導かれ、弁体の動作位置においてはガス交換路とは異なる流路に沿ってガスが導かれることが可能になる。したがって、圧力調整装置の通常運転（ガス交換路）、および圧力調整装置の非常時運転（流路）に対してそれぞれ最適化することのできる、異なる通路の供給が可能になる。

特に好ましいのは、圧力調整装置の非常時運転の間に使用される流路が、弁体の周囲に沿って延びることである。

本発明のさらなる特徴および利点は、好ましい実施例の図面と以下の説明において示される。

図１は、弁体が静止位置にある、圧力調整装置の実施形態の１つの側面を示した図である。 図２は、弁体が動作位置にある、図１に準じた圧力調整装置の側面を示した図である。

図１および図２は、全体として引用符号１０で示されている、ケーシング挿入体１２を含む圧力調整装置１０の実施形態の１つを示している。ケーシング挿入体１２は、カバー部１６から装着部１８までの間で、中心軸１４に沿って広がる。

カバー部１６はガス流通開口部２０を少なくとも１つ備える。装着部１８は圧入部またはネジ部２２を１つ備える。

ケーシング挿入体１２はさらに、相互に接続された、相互に合流する複数のセクション２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを含み、中心軸１４に沿って延びる内部空間２４を有する。

圧力調整装置１０は、電気化学装置、特に電池（その内部空間は図面において引用符号２８で示されている）のケーシング２６内の内圧を調整するために用いられる。ケーシング２６の周辺領域は引用符号３０で示されている。

ケーシング２６は、ケーシング開口部３４を備えたケーシング壁３２を有する。ケーシング挿入体１２の装着部１８は、ケーシング開口部３４の境界部とネジ止め、圧着、および／またはスナップ留めされている。

ケーシング挿入体１２の、好ましくは内部空間２６に面する端部に、弁座３６が配置されている（図２を参照）。弁座３６は、好ましくは中心軸１４を囲む環状に延び、同時に内部空間セクション２４ｄの境界面となる。

弁座３６は、全体として引用符号４０で示されている弁体のパッキン３８（図１を参照）と共同作用する。弁体４０は、中心軸１４に沿って可動である。弁体４０は、ケーシング２６の内部空間２８に面する側に密封面４２を有しており、該面の少なくとも一部、好ましくは全体がガス透過膜４４の外側によって形成されている。ガス透過膜４４は円板形状であることが好ましい。

ガス透過膜４４は接着などによって弁体４０と固着されている。弁体４０は、ガス透過膜４４の内側４６との流体連結が有効に行われるガス流通間隙４７を有する。

弁体４０の、ケーシング２６の周辺領域３０の方向の端部には、弁体４０の周囲に沿って、複数の固定要素４８が分散配置されている。例えば相互に１２０度の角度間隔を開けて３つの固定要素４８が配置されている。固定要素４８は、好ましくは中心軸１４に対して傾斜した固定面５０を有する。

固定面５０は、スプリングアーム５４によって形成される支持面５２と共同作用する。スプリングアーム５４は中心軸１４に対して基本的に平行に延び、ケーシング挿入体１２の段部５８において支持されるリング体５６から下へ突出する。

スプリングアーム５４は、支持面５２を介して弁体４０の固定面５０に圧縮力を加え、これによって弁体４０のバルブ面４２を弁座３６の段部６２（図２を参照）に対して押し付ける押圧力発生装置（Ｋｒａｆｔｅｒｚｅｕｇｕｎｇｓｅｉｎｒｉｃｈｔｕｎｇ）６０となる。

弁体４０および押圧力発生装置６０は、例えば、ケーシング挿入体１２と固定連結された回転防止部６２を用いて、中心軸４０での回転が防止されていることが好ましい。この方法により、固定要素４８とスプリングアーム５４は全体として単に弁体４０の周囲の僅かな部分に広がるだけでよく、したがって、周方向に見て固定要素４８同士の間、および周方向においてスプリングアーム５４同士の間に、ガスの通流可能な隙間６４を残すことが可能である。

電気化学装置の通常運転において、弁体４０は静止位置にある（図１を参照）。内部空間２８内の圧力が低いために、内部空間２８内およびバルブ面４２の内圧の増加によって引き起こされる開放力が、反対方向に作用する押圧力発生装置６０の力に打ち勝つには至らない。弁体４０の静止位置では、電気化学装置の内部空間２８と周辺領域３０との間の圧力調整を可能にするために、ガス透過膜４４を通したガス交換が行われる。その際、交換されるべきガスは、基本的にケーシング挿入体１２の中心軸１４に対して平行に、ガス交換路６６に沿って導かれている。ガス交換の過程において、ガスの通流は弁体４０のガス流通間隙４７も介して行われる。

障害が発生した場合、電気化学装置の内部空間２８内の圧力が急激に上昇する可能性がある。その場合、損傷を防止または軽減するために、迅速に大量のガスを電気化学装置の内部空間２８から周辺領域３０に排出することが望まれる。したがって、押圧力発生装置６０は、限界内圧に達した際には、押圧力発生装置６０の閉鎖力が、バルブ面４２にかかっている圧力およびそれによって発生する開放力に打ち負かされるように設計されている。この場合、弁体４０は、弁座３６に密接している静止位置（図１を参照）から、弁座３６から分離した動作位置（図２を参照）に移動する。弁体４０が静止位置から動作位置へと移動する過程において、スプリングアーム５４は面５２を通して放射状外側に弾性的に変形され、それによって固定要素４８の固定面５０は前記面５２に沿って滑動することができ、弁体４０がバルブ３６から外れて中心軸１４に対して平行な方向へ移動する。

弁体４０の動作位置においては、図２において引用符号６８で示されている、通常運転のガス交換路６６とは異なる流路が生じる。流路６８は内部空間２８から出発し、内部空間セクション２４ｄおよび隣接する放射状に広がる内部空間セクション２４ｃを通って弁体４０のパッキン３８の周囲を放射状外側に向かい、周方向に見てスプリングアーム５４と固定要素４８との間を通り抜けて内部空間セクション２４ｂの中心領域へ、そして最終的に内部空間セクション２４ａを通って周辺領域３０へと通じる。

流路６８に沿ってガス透過膜４４の周囲を通る流れには、短時間で大量のガスが排出され得るという利点がある。その際、ガス透過膜４４が無傷のままであることが好ましい。

図面に示した実施例においては、スプリングアーム５４は放射状外側に反れた後、再び放射状内側に跳ね戻り、弁体４０とは、弁体が動作位置にある場合は、もはや接触していない状態である。しかし、スプリングアーム５４が固定要素４８と接触した状態を保ち、大量のガスを排出して、弁体４０の内部空間２８内の圧力が低下した後、再び動作位置から静止位置へと自動的に移動されるように形成されていることが考えられ得る。

図面に示した実施例においては、弁体４０を手動で、または道具を用いて再び動作位置（図２を参照）から静止位置（図１を参照）へと押し付けることが可能である。弁体へは、内部空間セクション２４ａを介して容易に到達できる。

Claims (8)

1. 電気化学装置のケーシング（２６）内の内圧を調整するための圧力調整装置（１０）であって、
   前記ケーシング（２６）のケーシング開口部（３４）に固定されるケーシング挿入体（１２）であって、前記ケーシング（２６）は内部空間（２８）を有し、前記ケーシング挿入体（１２）の中心軸（１４）を囲むように延在する弁座（３６）を備えるケーシング挿入体（１２）と、
   前記弁座（３６）に密着している静止位置と、前記弁座（３６）から離れた動作位置との何れか一つをとるように構成されているとともに、前記静止位置から前記動作位置へと遷移するときは前記ケーシング挿入体（１２）の中心軸（１４）に沿って移動する弁体（４０）と、
   前記弁体（４０）上に形成されたガス流通間隙（４７）と、
   前記ケーシング（２６）の前記内部空間（２８）と前記電気化学装置の周辺領域（３０）との間のガス交換を行うとともに前記ガス流通間隙（４７）を閉鎖するように構成された少なくとも１つのガス透過膜（４４）であって、前記弁体（４０）が静止位置にあるときは、ガスは、前記ケーシング（２６）の内部空間（２８）から前記ガス透過膜（４４）を通って前記電気化学装置の周辺領域（３０）へとガス交換路（６６）に沿って導かれるガス透過膜（４４）と、
   内圧に対抗して作用し、前記内圧が限界内圧を超過しない限りは、前記弁体（４０）を静止位置に留める押圧力発生装置（６０）と、を備え、
   前記押圧力発生装置（６０）は、前記ケーシング（２６）の前記内圧が前記限界内圧を超えたとき、前記押圧力発生装置（６０）の閉鎖力が前記弁体（４０）の前記ケーシング（２６）の前記内部空間（２８）側の面である密封面（４２）に加わる圧力によって発生する開放力に打ち負かされて、前記密封面（４２）に加わる圧力によって記弁体（４０）を前記静止位置から前記動作位置に移動させるとともに、前記弁体（４０）が前記動作位置にある時、前記押圧力発生装置（６０）は、前記弁体（４０）とは接触せず、且つ前記弁体（４０）には作用しないように構成されている
   ことを特徴とする、圧力調整装置（１０）。
2. 前記密封面（４２）は、少なくとも部分的に前記ガス透過膜（４４）の表面によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力調整装置（１０）。
3. 前記密封面（４２）は、全体的または基本的には全体的に前記ガス透過膜（４４）によって形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の圧力調整装置（１０）。
4. 前記ガス透過膜（４４）が、前記ケーシング挿入体（１２）の前記中心軸（１４）に沿って延在する前記弁体（４０）の動作軸に対して垂直に延びる膜面上に広がることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の圧力調整装置（１０）。
5. 前記ガス透過膜（４４）および前記中心軸（１４）が互いに同軸配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の圧力調整装置（１０）。
6. 前記ケーシング挿入体（１２）に、前記弁体（４０）、および前記弁体（４０）と接続された前記ガス透過膜（４４）の配置に用いられる内部空間（２４）が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の圧力調整装置（１０）。
7. 前記ガス交換路（６６）は、前記ケーシング挿入体（１２）の前記中心軸（１４）に対して平行であり、且つ前記弁体（４０）が動作位置にあるときは、前記ガス交換路（６６）とは異なるとともに、前記弁体（４０）の半径方向外側を通る流路（６８）に沿ってガスが導かれることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の圧力調整装置（１０）。
8. 前記流路（６８）が、前記弁体（４０）の周囲に沿って延びることを特徴とする、請求項７に記載の圧力調整装置（１０）。
   

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