JPH08506205A - 改良された端子特性を有するｎｉ−ｈ▲下２▼バツテリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 共通圧力容器型Ｎｉ−Ｈ₂バツテリは仕切り室の積層体を収容する外方圧力容器を有する。各仕切り室は少なくとも１つのバツテリセル、熱伝達部材、および隣接する仕切り室間に比較的一定の距離を維持するためのセルスペーサを包含する。熱伝達部材はバツテリセルと熱接触しているひれ状部分、および該ひれ状部分から長手方向に延びかつ圧力容器の内方壁と緊密に熱接触しているフランジ部分を含んでいる。熱伝達部材は発生された熱をバツテリセルから圧力容器に半径方向に外方に伝達するのに役立ち、それは熱を周囲雰囲気に消散することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された端子特性を有するＮＩ−Ｈ₂バツテリ 技術分野 本発明は、例えば、人工衛星に動力を供給するのに使用される、共通圧力容器 型Ｎｉ−Ｈ₂蓄電池に関する。より詳細には、本発明はセル積層体の個々のバツ テリセルとバツテリの圧力容器の壁との間の改善された熱伝達特性を有する共通 圧力容器型Ｎｉ−Ｈ₂蓄電池に関するものである。 従来技術 人工衛星用途の最も早期のＮｉ−Ｈ₂バツテリはバツテリ中の各々のセルに個 々の圧力容器を使用した。しかしながら、特定のエネルギおよびエネルギ密度の 改善を得るためにかつバツテリの合計重量および体積を減少するために、最近の 傾向は単一圧力容器内に積層体配置の多数のセルを組み込むようになつてきてい る。この型のＮｉ−Ｈ₂バツテリは従来技術において共通圧力容器型バツテリと 呼ばれる。共通圧力容器型Ｎｉ−Ｈ₂バツテリの例は以下の刊行物、すなわち、 「航空宇宙空間ＣＰＶ Ｎｉ−Ｈ₂バツテリの設計および開発」、第２４回イン ターソサイアテイ・エネルギー・コンバージヨン・エンジニヤリング・コンフア ランス（国際エネルギ変換技術会議）、１９８９年８月、ワシントン・デイー・ シ ー、議事録第３巻１３９５〜１４００頁；ジエイ・ダンロツプ等、「宇宙空間用 ニツケル／水素バツテリの軽量かつより安価な製造」、１９８７年８月、カリフ オルニア州モンテレー、軽量人工衛星装置に関するＡＩＡＡ／ＤＡＲＰＡ会議、 ＮＴＩＳＮｏ．Ｎ８８−１３５３０；ジー・ホレツク、「共通圧力容器ニツケル −水素バツテリ設計」、第１５回国際エネルギ変換技術会議、１９８０年８月、 ワシントン州シアトル、議事録第３巻１９０９〜１９１１頁；およびイー・アド ラー等、「ニツケル水素共通圧力容器バツテリモジユールに関する設計考察」、 第２１回国際エネルギ変換技術会議、１９８６年８月、カリフオルニア州サンジ エゴ、議事録第３巻１５５４〜１５５９頁である。 Ｎｉ−Ｈ₂バツテリにおいては、サイクルの充電および放電部分の間中かなり の廃熱が発生される。通常の共通圧力容器型Ｎｉ−Ｈ₂バツテリにおいて、個々 のセルは一般に絶縁担体の内部に配置される。セルの熱発生部分と圧力容器の壁 との間の熱通路はバツテリセル積層体要素を通ってかつ次いでバツテリの水素ガ スを通って圧力容器の隣接する壁に対して長い。結果として、個々のセルと圧力 容器との間の熱抵抗が高く、結果としてバツテリ内の所望しない大きな温度増加 を生じる。 発明の開示 それゆえ、本発明の目的は、バツテリの個々のセルと 圧力容器との間の熱抵抗が非常に減少され、それによりセルと圧力容器との間の 急速な熱伝達を行いかつバツテリの特定の容量を増加させる、共通圧力容器型Ｎ ｉ−Ｈ₂バツテリを提供することにある。 上記および他の目的によれば、本発明は、圧力容器および並べた関係に配置さ れた複数の仕切り室を包含し、複数の仕切り室の各々がひれ状部分および該ひれ 状部分から長手方向に延びかつ圧力容器の内方壁と熱接触しているフランジ部分 を有する熱伝達部材、および少なくとも１つのバツテリセルが各仕切り室に配置 されかつ熱伝達部材の隣接するひれ状部分と熱接触している複数のバツテリセル を有するバツテリを提供する。 さらに上記および他の目的によれば、本発明は、外方圧力容器、該容器内に並 べた関係に配置された複数のセルモジユール、隣接するセルモジユール間に配置 され、各々隣接するセルモジユール間に配置された略平坦なひれ状部分および該 ひれ状部分の周部から延びかつ圧力容器の内方面と係合して配置される熱伝達部 材、フランジの長手方向長さより大きくそれにより各フランジの外方端が隣接す る熱伝達部材との接触から外れて配置されるセルモジユールの幅、および積層体 として並んだ関係においてセルモジユールおよび熱伝達モジユールを接続するた めの手段を包含する金属酸化物水素バツテリを提供する。 さらに同様に、本発明は、略筒状金属殻体を含む外方 圧力容器、各々隣接するセルモジユールの各対間に配置された略平坦なひれ状部 分を含みかつ金属殻体と係合して配置された周辺フランジを有する複数の熱伝達 部材、熱伝達部材のフランジの長さより大きくそれにより各フランジが隣接する 熱伝達部材との接触から外れて配置されるセルモジユールの幅、積層体として並 んだ関係においてセルモジユールおよび熱伝達部材をともに締め付けるための締 め付け手段、および圧力容器の半径方向膨張にフランジを追随させるための手段 から構成される金属酸化物水素バツテリを提供する。 さらに、同様に、本発明は、外方圧力容器、該圧力容器内に並んだ関係に配置 される１群のセルモジユール、隣接するセルモジユール間に配置された略平坦な ひれ状部分および各ひれ状部分の周縁部から長手方向に延びかつ圧力容器の内方 面と係合して配置される周部フランジを包含する複数の熱伝達部材、長手方向に 延びて周部に間隔を置いた複数のスリツトを備えている前記フランジ、各フラン ジの長さより大きくそれにより各フランジの外方端が隣接する熱伝達部材との接 触から外れて配置される各セルモジユールの幅、および積層体として並んだ関係 にセルモジユールおよび熱伝達部材を締め付けるための締め付け手段を包含する 金属酸化物水素バツテリを提供する。 図面の簡単な説明 第１図は本発明の好適な実施例により構成された共通圧力容器型Ｎｉ−Ｈ₂バ ツテリを示す部分切り欠き断面図； 第２図は本発明の第１実施例による熱伝達部材を示す概略図； 第３図は第１図の圧力容器と接触する第２図の熱伝達部材を示す断面図； 第４図は内部セルスペーサを有する仕切り室の積層体を示す概略図； 第５図は外方端セルスペーサを有する仕切り室の積層体を示す概略図； 第６図は第２図の熱伝達部材内に配置された２つのバツテリセルを示す概略図 ； 第７図は熱伝達部材、バツテリセル、セルスペーサ、および端部セルスペーサ を包含する１群の仕切り室を示す拡大部分長手方向断面図； 第８図は容器壁、熱伝達部材、個々のバツテリセル、セルスペーサ、及びスペ ーサ間の関係を示す拡大断面図； 第９図は隣接するバツテリセルを相互に接続するモードを示す断面図； 第１０図は本発明の第２実施例による熱伝達部材を示す概略図；そして 第１１図は本発明による第３実施例による熱伝達部材を示す概略図である。 発明を実施するための最良の形態 本発明の好適な実施例を以下に添付図面を参照して説明する。 第１図を参照して、本発明のＮｉ−Ｈ₂バツテリの好適な実施例の圧力容器５ は端部分２および３によりそれぞれの端部で覆われる中央筒状部分４から構成さ れる。圧力容器５内には、並んだ関係に配置される個々の筒状仕切り室２０の積 層体６がある。筒状仕切り室６の積層体６の外方壁は該積層体の外方壁がその表 面の隅から隅まで圧力容器５の中央筒状部分４の内方壁または表面と熱接触にあ るように中央筒状部分４の形状に適合させる。以下でより詳細に説明されるよう に、各仕切り質量流量２０は少なくとも１つのバツテリセル８０、熱伝達部材２ １、および例えば第５図に示されるようなセルスペーサ２２または端部プレート ２４から構成される。 第２図および第３図はバツテリの中央から圧力容器５の内方壁へかつそれゆえ 周囲雰囲気中へ半径方向に外方に熱を伝達するのに役立つ熱伝達部材２１を示す 。該熱伝達部材２１はアルミニウムまたは高い熱伝導率を有する他の材料から作 られる。本発明の第１実施例によれば、熱伝達部材２１は切り欠き２１および複 数のスリツト２１ｃにより互いに分離される複数の一体のフランジ２１ｂを有す る円形ひれ状部分または本体２１ａを包含する。フランジ２１ｂは熱伝達部材２ １の断面図から「Ｌ形状」を形成するように本体２１ａから長手方向に延在する 。 フランジ２１ｂはまた、容器５の内方壁と熱的接触にある、仕切り室２０の外側 壁を形成する。 第３図に示されるように、フランジ２１ｂは圧力容器に挿入されるときフラン ジと容器の内方壁との間に堅固な熱接触を保証するように熱伝達部材２１のひれ 状部分または本体２１ａと鈍角θを形成する。熱伝達部材２１が容器に挿入され るとき、フランジ２１ｂが内方に偏向または屈曲されそしてフランジの柔軟性に より半径方向の力または偏倚作用が容器の内方壁との緊密な係合に断片を維持す るように働かされる。これはさらに熱が容器内から抜き出されるとき、熱が容器 にかつその後周囲雰囲気へ十分に伝達されることを保証する。 第８図および第９図を参照してかつ参考として本書に組み込まれた共同で譲渡 された特許出願第０７／７１１６０２号に記載されているように、各バツテリセ ル８０は略半筒状または筒状形状からなりそしてガス拡散スクリーン８２、負電 極８３、セパレータ８４、および正電極８５からなる繰り返しパターンを収容す る。これらの構成要素用配置および材料は普通のものでかつ当該技術に熟知して いる者の技術の範囲内である。各セル８０は、例えば、ひれ状部分２１およびセ パレータ２２から上述した構成要素を電気的に絶縁するプラスチツクバツグ８１ により覆われる。しかしながら、バツグ８１の外側は、その表面全体にわたつて 、セル８０と熱伝達部材２１との間の良好な熱伝導を設けるようにセルの両側で 熱伝達 部材２１のひれ状部分２１ａと緊密に熱接触している。 第６図は２つの略半筒状のバツテリセル８０が熱伝達部材２１内に配置される 方法を示すが、一方第７図および第８図は隣接する熱伝達部材２１の隣接するひ れ状部分２１ａと緊密に熱接触しているバツテリセル８０の被覆８１を示す。第 ７図および第８図はまたフランジ２１ｂの長さがバツテリセル８０および構成要 素２０の幅に対して変化することができることを示す。すなわち、フランジ２１ ｂの最大長さは該フランジの端部を隣接する熱伝達部材２１と接触させる。けれ ども好ましくは、フランジの長さは隣接する熱伝達部材２１間の距離が以下でよ り詳細に説明されるようにスペーサ２２により決定されるように仕切り室２０ま たはバツテリセル８０の幅より小さい。しかしながら、フランジの長さは十分な 量の熱が引き出され得るようにフランジと容器５の内方壁との間に十分な量の表 面接触を設けるために一定の長さからならねばならない。 再び第７図および第８図を参照して、第１仕切り室の熱伝達部材２１は、第４ 図に最良に示されるように、略リング形状からなる、セルスペーサ２２により隣 接する仕切り室の熱伝達部材２１から間隔が置かれる。スペーサの第１および第 ２側は隣接する熱伝達部材２１のひれ状部分または本体２１ａと接触する。セル スペーサ２２は熱伝達部材２１が固定してかつ互いに比較的一定の間隔に保持さ れるように堅固な材料（例えば、アルミニウ ム）から作られる。スペーサ２２はまた比較的一定の圧縮器で維持するように仕 切り室２０を設ける。第５図および第８図に示されるように、外方仕切り室２０ は端部セルスペーサ２４により間隔が置かれ、該スペーサ２４はセルスペーサ２ ２と同様な、リング形状部分２４ａ、および切り欠き２４ｃを有する一体の円形 本体部分２４ｂから構成される。 次に第９図を参照して、各セル８０はそれぞれセル８０の正および負電極８５ および８３に接続される正電極端子８６および負電極端子８７を有する。仕切り 室２０のバツテリセル８０は所望の電圧出力を得るために直列または並列に隣接 する仕切り室のバツテリセルに接続され得る。隣接する端子の接続は端子８６お よび８７の中央孔をそれぞれ通りかつ各熱伝達部材の切り欠き２１ｄおよび端部 セルスペーサ２４の切り欠き２４ｃを通り抜ける絶縁された相互接続ロツド３６ および４６の使用によることができる。バツテリセルとの間のかつバツテリセル から外部の正負電極９，１０への接続は上述した特許出願に記載される接続と同 様にすることができる。 第１図に戻って、第１および第２溶接リング７は外方端部分２および３を中央 筒状部分４に固定しかつまた軸方向への仕切り室２０の積層体６のどのような移 動をも阻止するように仕切り室の積層体を所定位置に保持する。 波形ばね８が積層体の端部セルスペーサ２４と溶接リング７との間に配置される 。波形ばね８はその軸方向にお いて仕切り室の積層体上に予備負荷力をならびに振動または衝撃の吸収を備える 。 第４図および第５図は積層体６の分解図を示す。とくに、第４図は熱伝達部材 ２１内に配置された２つのバツテリセル８０を示す。セルスペーサ２２は熱伝達 部材のひれ状部分２１ａにかつ２つのバツテリセル８０の外周のまわりに当接す る。第５図は端部セルスペーサ２４のリング形状部分２４ｂが熱伝達部材２１の ひれ状部分２１ａに対してかつ２つのバツテリセル８０の外周のまわりに配置さ れる外方端仕切り室を示す。端部セルスペーサ２４の円形本体２４ａはセル８０ のバツグ８１と接触している。切り欠き２４ｃはロツド３６，４６を通過させる 。 上記で議論したバツテリ構造によれば、各バツテリセル８０内に発生された熱 は熱伝達部材２１を通ってひれ状本体２１ａからフランジ２１ｂへ、かつそれゆ え、圧力容器の内方壁とフランジとの間の緊密な接触により、圧力容器５へ急速 に伝達される。結果として、バツテリセル８０と圧力容器５との間の熱伝導率は 通常の共通圧力容器型Ｎｉ−Ｈ₂バツテリと比べて非常に改善される。 上述したバツテリの幾つかの代替物および変形例が可能である。例えば、第１ ０図に示されるように、熱伝達部材２１は形状が半円形でならびにスペーサであ つても良い。この場合に、各々形状が略半筒状である、２つの仕切り室の積層体 が筒状形状を形成するようにともに組 み立てられる。すなわち、仕切り室の積層体の各々は小さいギヤツプが２つのセ ル積層体の間に設けられるようにシリンダの長手方向軸線から僅かにずれた平面 に沿って縦に分割されたシリンダの形状を有する外方壁を有する。いつたん組み 立てられた２つの仕切り室の積層体は容器５内に挿入される。２つの積層体間に ギヤツプを維持する備えは従来良く知られており、そして適切な例は上述した特 許出願に例示されかつ記載されている。 他の実施例は第１１図に示される熱伝達部材のごとく「Ｔ形状」の熱伝達部材 を包含する。ここでは、熱伝達部材はひれ状本体２１ａおよび該ひれ状本体２１ ａの両側から長手方向に延在する複数のフランジ２１ｂ，２１ｂ’を包含する。 フランジ２１ｂ，２１ｂ’は複数のスリツト２１，２１ｃ’により分離されてい る。 かくしてすべての目的およびそれ求められる利点を実行する改善された熱特性 を有する新規なＮｉ−Ｈ₂バツテリが示されかつ記載された。主題の発明の多く 変化、変更、変形および他の使用および用途は、しかしながら、その好適な実施 を開示する明細書および添付図面を検討した後当該技術に熟練した者には明らか となる。本発明の精神および範囲から逸脱しないかかるすべての変化、変更、変 形および他の使用および用途は後に続く請求の範囲のみにより制限される本発明 により保護されるものと見做される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１１月２１日 【補正内容】 請求の範囲 ２． 圧力容器；および 並んだ関係に配置された複数の仕切り室からなり、該仕切り室の各々が、 ひれ状部分および該ひれ状部分から長手方向に延びかつ前記圧力容器の内方壁 と熱接触しているフランジ部分を有する熱伝達部材； 少なくとも１つのバツテリセルが前記各仕切り室に配置されかつ前記熱伝達部 材の隣接するひれ状部分と熱接触している複数のバツテリセル；および 隣接する仕切り室の隣接する熱伝達部材を互いに予め定めた距離に維持するた めのセルスペーサからなることを特徴とするバツテリ。 ３． 前記セルスペーサがリング形状であることを特徴とする請求の範囲第２ 項に記載のバツテリ。 ４． さらに、第１および第２溶接リングおよび波形ばねからなり、そして前 記仕切り室の第１の外方仕切り室が端部セルスペーサからなり、前記第１溶接リ ングが第２の外方仕切り室の熱伝達部材と接触しており、そして前記波形ばねが 仕切り室の前記積層体上に予備負荷力を設けるように前記端部セルスペーサおよ び前記第１溶接リングと接触していることを特徴とする請求の範囲第２項に記載 のバツテリ。 ５． 前記熱伝達部材の前記フランジ部分の長さが前 記バツテリセルの幅より小さいことを特徴とする請求の範囲第２項に記載のバツ テリ。 ６． 前記熱伝達部材の前記フランジ部分の長さが前記バツテリセルの幅と同 一であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のバツテリ。 ７． 前記フランジ部分が前記ひれ状部分と鈍角を形成することを特徴とする 請求の範囲第２項に記載のバツテリ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャン，ウェイン−シェン アメリカ合衆国 メリーランド、ジャーマ ンタウン、ティークウッド・レーン 13517 (72)発明者 ケスラー，ロナルド・アール アメリカ合衆国 メリーランド、マウン ト・アイリー ウォールストン・ロード 2691 (72)発明者 ブラントナー，フレッド・ダヴリュ アメリカ合衆国 メリーランド、フレデリ ック、シングレトリー・ドライヴ 5647

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 圧力容器；および 並んだ関係に配置された複数の仕切り室からなり、該仕切り室の各々が、 ひれ状部分および該ひれ状部分から長手方向に延びかつ前記圧力容器の内方壁 と熱接触しているフランジ部分を有する熱伝達部材；および 少なくとも１つのバツテリセルが前記各仕切り室に配置されかつ前記熱伝達部 材の隣接するひれ状部分と熱接触している複数のバツテリセルからなることを特 徴とするバツテリ。 ２． 前記仕切り室の各々が隣接する仕切り室の隣接する熱伝達部材を互いに 予め定めた距離に維持するためのセルスペーサからなることを特徴とする請求の 範囲第１項に記載のバツテリ。 ３． 前記セルスペーサがリング形状であることを特徴とする請求の範囲第２ 項に記載のバツテリ。 ４． さらに、第１および第２溶接リングおよび波形ばねからなり、そして前 記しきり室の第１の外方仕切り室が端部セルスペーサからなり、前記第１溶接リ ングが第２の外方仕切り室の熱伝達部材と接触しており、そして前記波形ばねが 仕切り室の前記積層体上に予備負荷力を設けるように前記端部セルスペーサおよ び前記第１溶接リングと接触していることを特徴とする請求の範囲第 ２項に記載のバツテリ。 ５． 前記熱伝達部材の前記フランジ部分の長さが前記バツテリセルの幅より 小さいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のバツテリ。 ６． 前記熱伝達部材の前記フランジ部分の長さが前記バツテリセルの幅と同 一であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のバツテリ。 ７． 前記フランジ部分が前記ひれ状部分と鈍角を形成することを特徴とする 請求の範囲第１項に記載のバツテリ。 ８． 金属酸化物水素バツテリにおいて、外方圧力容器、該容器内に並べた関 係に配置された複数のセルモジユール、隣接するセルモジユール間に配置され、 各々隣接するセルモジユール間に配置された略平坦なひれ状部分および該ひれ状 部分の周部から延びかつ前記圧力容器の内方面と係合して配置される周部フラン ジを含む熱伝達部材、前記フランジの長手方向長さより大きくそれにより各フラ ンジの外方端が隣接する熱伝達部材との接触から外れて配置される前記セルモジ ユールの幅、および積層体として並んだ関係において前記セルモジユールおよび 前記熱伝達部材を接続するための手段を包含することを特徴とする金属酸化物水 素バツテリ。 ９． 前記圧力容器が略筒状の金属裏張りを含み、前記フランジが前記金属裏 張りと接触して配置されることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の金属酸化 物水素 バツテリ。 １０． 前記熱伝達部材が高い熱伝導率を有する材料から構成されることを特 徴とする請求の範囲第９項に記載の金属酸化物水素バツテリ。 １１． 各セルモジユールが形状において半筒状でありそして前記ひれ状部分 が形状において略半円形であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の金属 酸化物水素バツテリ。 １２． 各セルモジユールが形状において略筒状でありかつ各ひれ状部分が形 状において略円形であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の金属酸化物 水素バツテリ。 １３． 各フランジが略長手方向の周部に間隔が置かれる複数のスリツトを備 えることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の金属酸化物水素バツテリ。 １４． 各フランジが柔軟でありそして前記圧力容器との積層体の組立て前の 抑制されていない状態において対応するひれ状部分に対して鈍角において延びる ことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の金属酸化物水素バツテリ。 １５． 各フランジが前記圧力容器に対して外方に半径方向の力を働かすよう に構成かつ配置されることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の金属酸化物水 素バツテリ。 １６． 金属酸化物水素バツテリにおいて、略筒状金 属殻体を含む外方圧力容器、各々隣接するセルモジユールの各対間に配置された 略平坦なひれ状部分を含みかつ金属殻体と係合して配置された周辺フランジを有 する複数の熱伝達部材、該熱伝達部材のフランジの長さより大きくそれにより各 フランジが隣接する熱伝達部材との接触から外れて配置されるセルモジユールの 幅、積層体として並んだ関係において前記セルモジユールおよび前記熱伝達部材 をともに締め付けるための締め付け手段、および前記圧力容器の半径方向膨張に 前記フランジを追随させるための手段からなることを特徴とする金属酸化物水素 バツテリ。 １７． 各セルモジユールが形状において略半筒状でありかつ各ひれ状部分が 形状において半円形であることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の金属酸 化物水素バツテリ。 １８． 各セルモジユールが形状において略筒状でありかつ各ひれ状部分が形 状において円形であることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の金属酸化物 水素バツテリ。 １９． 金属酸化物−水素バツテリにおいて、外方圧力容器、該圧力容器内に 並んだ関係に配置される１群のセルモジユール、隣接するセルモジユール間に配 置された略平坦なひれ状部分および各ひれ状部分の周縁部から長手方向に延びか つ前記圧力容器の内方面と係合して配置される周部フランジを包含する複数の熱 伝達部材、長 手方向に延びて周部に間隔を置いた複数のスリツトを備えている前記フランジ、 各フランジの長さより大きくそれにより各フランジの外方端が隣接する熱伝達部 材との接触から外れて配置される各セルモジユールの幅、および積層体として並 んだ関係にセルモジユールおよび熱伝達部材を締め付けるための締め付け手段を 包含することを特徴とする金属酸化物−水素バツテリ。 ２０． 前記圧力容器との前記積層体の組立て前の抑制されていない状態にお いて各フランジが対応するひれ状部分に対して鈍角に延び、前記フランジが前記 容器との前記積層体の組立て後圧力容器に対して外方に半径方向の力を働かすこ とを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の金属酸化物−水素バツテリ。