KR101805141B1 - 전해액을 공급하는 장치 - Google Patents

Abstract

감압실 내에 배치된 배터리 용기 내에 전해액을 공급하는 장치(1)는, 실린더(11) 내의 계량 공간(S)을 피스톤(12)이 제 1 방향을 따라 이동하는 계량 유닛(10)과, 배터리 용기(200)에 대해 상방으로부터 전해액을 주입하는 디스펜서(20)와, 계량 유닛(10)의 계량 공간(S)의 상단부와 디스펜서(20)를 연결하는 제 1 관로(41)와, 제 1 관로(41)에 배치된 배압 밸브(50)를 가진다. 디스펜서(20)는, 배터리 용기(200) 내 또는 배터리 용기(200)의 상단 근방에 배치되는 토출 노즐(21)과, 토출 노즐(21)의 내측에 배치되어, 토출 노즐(21)을 개폐하는 니들 밸브(23)와, 니들 밸브(23)를 상하로 구동하는 액추에이터(24)를 포함한다.

Description

전해액을 공급하는 장치{APPARATUS FOR SUPPLYING ELECTROLYTIC SOLUTION}

본 발명은, 배터리 용기 내에 전해액을 공급하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

배터리 용기 내에 전해액을 공급하는 공정에 있어서, 전해액을 침투시키는 시간을 단축하는 등의 목적으로, 배터리 용기를 진공 분위기(감압 분위기) 내에 배치하는 것이 행해지고 있다.

일본 공개특허공보 제2008-59973호에는, 전지 케이스 내를, 유기 전해액의 비점 이하인 -70kpa~-95kpa의 범위 내의 진공도로 진공화(vacuuming)하는 공정과, 소정량의 유기 전해액을 주입한 주액(注液) 호퍼 내의 일시 저액실(貯液室)을 전지 케이스 내의 압력에 대해 0.1kpa~5kpa 만큼 높은 압력차가 발생하는 진공도로 진공화하는 공정과, 주액 호퍼의 주액구를 개방하여 일시 저액실 내의 유기 전해액을 압력차에 의해 주액구 및 이에 연접(連接)시킨 주액 노즐을 통해 전지 케이스 내에 주액하는 공정을 가지는, 리튬 2차 전지의 주액 방법이 개시되어 있다.

전해액을 배터리 용기(전지 케이스)에 주입하는 시간(주액 시간)을 단축하기 위하여, 전지 케이스 내를 음압(負壓)으로 하거나, 소정량씩 분할하여 주액(분주(分注))하거나, 음압 분위기에서 분주하거나 하는 것이 행해지고 있다. 어느 경우도, 전해액의 비산을 억제하여, 주액 정밀도를 확보하는 것이 중요하다.

본 발명의 일 양태는, 감압실 내에 배치된 배터리 용기 내에 전해액을 공급하는 장치(공급 장치)이다. 이 장치는, 실린더 내의 계량 공간을 피스톤이 제 1 방향을 따라 이동하는 계량 유닛과, 배터리 용기에 대해 상방(上方)으로부터 전해액을 주입하는 디스펜서와, 계량 유닛의 계량 공간의 상단부(上端部)와 디스펜서를 연결하는 제 1 관로와, 제 1 관로에 배치된 배압(背壓) 밸브를 갖는다. 디스펜서는, 배터리 용기 내 또는 배터리 용기의 상단 근방에 배치되는 토출 노즐과, 토출 노즐의 내측에 배치되어 토출 노즐을 개폐하는 니들 밸브(needle valve)와, 니들 밸브를 상하로 구동하는 액추에이터를 포함한다.

본 발명의 다른 양태의 하나는, 상기의 공급 장치에 의해 감압실 내에 배치된 배터리 용기 내에 전해액을 공급하는 단계를 포함하는 방법이다. 전해액을 공급하는 단계는, 이하의 단계를 포함한다.

·제어 유닛이, 피스톤을 동작시켜 배압 밸브에 배압을 가하고, 계량 공간의 상단부로부터 제 1 관로의 배압 밸브 및 니들 밸브를 통해 전해액을 감압실 내의 배터리 용기에 주입하는 단계.

·피스톤을 정지하여 배압 밸브를 폐쇄하는 단계.

전해액을 공급(주입, 분주)하는 배터리 용기는 감압실 내에 배치된다. 한편, 전해액은 감압실 외(外), 전형적으로는 대기압 분위기로부터 공급된다. 게다가, 전해액의 비산을 억제하기 위하여, 전해액을 펌프 등으로 가압하여 주입하는 대신에 액주(液柱)의 압력(정압(靜壓), 액압)으로 배터리 용기 내에 주입한다. 그렇지만, 배터리 용기에 대한 주입구에는, 배터리 용기가 수납되어 있는 실내가 감압됨에 따른 차압(差壓)과, 전해액의 정압이 가해져, 전해액이 감압실측으로 강하게 흡인된다. 이 때문에, 주액량의 제어가 어렵다. 게다가, 주입구로부터의 액 누출(드리핑(dripping))을 정지시키기 어렵다. 즉, 액절(液切)이 양호하지 않다. 이러한 원인으로 액 누출이 멈출 때까지 시간이 걸리는 것이, 주액 시간을 단축하는 것을 어렵게 하고 있는 이유 중 하나임을 본원의 발명자 등은 찾아내었다.

본 발명의 일 양태의 공급 장치(주액 장치)에 있어서는, 디스펜서의 상류에 계량 유닛을 배치하고, 계량 공간의 상단부를 디스펜서와 연통시키고 있다. 따라서, 주액량을 계량 유닛으로 계량할 수 있다. 그와 함께, 계량 공간의 용적은 배관보다 커지므로, 디스펜서에 인가되는 정압을 작게 할 수 있다. 게다가, 계량 공간의 상단부에서 디스펜서와 접속함으로써, 계량 공간의 정압은 디스펜서에 실질적으로 인가되지 않고, 계량 공간의 유입측을 입구 밸브 등으로 차단함으로써 계량 공간으로부터 상류의 정압의 영향을 억제할 수 있다. 이 때문에, 계량 공간 및 디스펜서를 연결하는 관로에서의 정압과, 디스펜서 내의 정압과, 감압됨에 따른 차압이 실질적으로 토출 노즐에 가해지게 되는데, 그러한 압력의 합은, 관로 및 디스펜서 내를 전해액이 흐를 때의 압력 손실에 거의 필적하는 정도가 된다. 따라서, 전해액의 온·오프를 용이하게 제어할 수 있는 조건을 제공할 수 있다.

게다가, 계량 공간의 상단부가 디스펜서에 연통하여 있으므로 계량 공간 내에 압축성 유체인 기체가 모이기 어렵다. 따라서, 전해액의 비산을 억제할 수 있어, 주액 정밀도의 향상에 기여한다.

이에 더하여, 이 주액 장치는, 계량 유닛의 계량 공간의 상단부와 디스펜서를 연결하는 제 1 관로에 배압 밸브를 설치하고 있다. 이 때문에, 계량 공간 내를 피스톤이 이동하여 배압 밸브에 소정의 배압이 가해짐으로써, 피스톤의 이동에 대응하는 양의 전해액을 토출 노즐의 선단(先端)으로부터 양호한 정밀도로 토출할 수 있다. 또한, 피스톤의 이동에 의한 배압 밸브의 출구(디스펜서측)의 압력 상승은 작다. 따라서, 피스톤의 이동에 의해 주액량의 제어가 용이해지며, 액절성(液切性)이 개선된다. 이 때문에, 주액 정밀도를 향상하여, 주액 시간을 단축할 수 있다.

배압 밸브를, 배압 밸브의 상류의 제 1 관로의 정압에 대항하도록 설정함으로써, 주입할 때에 피스톤을 동작시키면 즉석에서 배압 밸브는 개방되며, 피스톤의 동작을 정지하면 즉석에서 배압 밸브는 폐쇄된다.

게다가, 토출 노즐에서의 압력차가 작기 때문에, 피스톤의 동작을 정지하는 동시에 니들 밸브를 폐쇄함으로써 액절성은 보다 더 개선된다. 따라서, 주액 정밀도를 확보하기 쉽고, 주액 시간도 단축하기 쉬운 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

이 장치에 있어서, 피스톤이 이동하는 제 1 방향은, 전형적으로는 상하 방향이다. 이 장치는, 게다가 계량 공간에 대한 전해액의 유입을 온·오프하는 입구 밸브와, 입구 밸브와 계량 공간의 하단부를 접속하는 제 2 관로를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 전해액을 공급하는 단계는, 제어 유닛이 입구 밸브를 개방하고, 피스톤을 동작시켜 제 2 관로를 통해 계량 공간의 하단부로부터 전해액을 계량 공간에 유입시키는 단계와, 주입하기 전에 입구 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 피스톤이 상하 방향으로 이동하여, 계량 공간의 하단부로부터 전해액을 공급함으로써, 계량 공간 내에서 전해액이 비교적 원활하게 유입하여, 기포의 발생을 억제할 수 있다.

배압 밸브의 전형적인 예는, 볼과, 이 볼을 가세(付勢)하는 코일 스프링을 포함하는 밸브이다. 이러한 종류의 배압 밸브여도, 제 1 관로 중에 배치되기 때문에, 코일 스프링은 전해액에 침지되어, 공기와 접촉할 기회는 적으므로 부식에 의한 손상을 억제할 수 있다.

게다가, 이 장치에 있어서, 제 1 관로는, 적어도 계량 공간의 하단부 근방까지 연장되며, 배압 밸브는, 제 1 관로의 계량 공간의 하단부 근방에 상당하는 위치에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 배압 밸브에 의해, 배압 밸브의 상류, 즉, 계량 공간에 상당하는 정압이 디스펜서측으로 인가되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 액절을 보다 개선할 수 있어, 주액 정밀도를 확보하기 쉽고, 주액 시간도 단축하기 쉽다.

이 장치에 있어서, 디스펜서는, 토출 노즐이 하단에 장착되고, 상하로 연장된 시린지(syringe)와, 시린지를 상하로 관통하고, 니들 밸브를 액추에이터에 의해 상하로 이동시키기 위한 밸브 제어 로드를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 관로는, L자형으로, 일방(一方)의 단(端)이 시린지의 측방에 접속되고, 타방(他方)의 단이 계량 공간의 상단부에 접속되며, 코너 부분에 배압 밸브가 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성은, 본 발명의 장치의 바람직한 형태 중 하나이다.

또한, 이 경우, 감압실 내에 배치된 배터리 용기 내에 양호하게 전해액을 공급하기 위해서는, 디스펜서의 시린지가 계량 공간의 하단보다 하측으로 연장되어 있는 것이 바람직하다. 게다가, 배압 밸브는, 코너 부분의 근방에서, 제 1 관로의 상하로 연장된 부분에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 배압 밸브가, 볼과 이 볼을 가세하는 코일 스프링을 포함하는 밸브 등인 경우에는, 특히 이러한 구성은 바람직하다. 배압 밸브를 제 1 관로의 상하로 연장된 부분에 배치함으로써, 코일 스프링의 동작을 상하 방향의 동작으로 할 수 있기 때문에, 밸브로서의 기능(동작)이 보다 안정된다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전해액 공급 장치(주액 장치)의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2는 주액 장치의 동작을 도시하는 타이밍 차트.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 장치의 개략 구성을 도시하고 있다. 이 장치(1)는, 감압실(100) 내의 감압 분위기(102)에 배치된 배터리 용기(200)의 내부에 전해액(19)을 공급(주액, 주입)하는 시스템(전해액 공급 장치, 주액 장치, 주입 장치)이다. 참고로, 이 시스템(1)은, 이하에서 '주액 장치'라고 한다. 감압실(100)의 내부는 진공 펌프(110)에 의해 소정의 압력(음압)이 되도록 감압된다.

주액 장치(1)는, 감압실(100)의 상벽(101; 천판) 위에 배치된 계량 유닛(10)과, 계량 유닛(10)의 상류에 배치된 리저버(2; 리저버 탱크)와, 계량 유닛(10)의 하류에 배치된 디스펜서(20)와, 주액 장치(1)에 의한 전해액(19)의 주입을 제어하는 제어 유닛(30)을 구비하고 있다. 전형적인 제어 유닛(30)은, CPU 및 메모리를 포함하는 하드웨어 자원을 구비하고, 프로그램(프로그램 제품)을 실행함으로써 주액 장치(1)를 제어하여, 배터리를 제조하는 과정에서 배터리 용기(200)에 전해액(19)을 공급하는 것이다.

도 1에 있어서, 굵은 선은 전해액(19)의 유로(관로), 굵은 파선은 제어용 공기의 유로(관로), 사선이 첨부된 가는 선은 제어용 전기 신호를 전달하는 배선을 각각 나타낸다. 전해액(19)은 가연성의 유기 용매를 포함하는 것이 있으며, 감압실(100)의 주위, 즉 주액 장치(1)의 계량 유닛(10)이 설치되는 영역은 일반적으로 방폭(防爆) 영역(H)에 포함된다.

계량 유닛(10) 상류의 리저버(2)는, 전해액 공급 수단의 헤더(3)에 접속되어, 계량 유닛(10)이 수회 분주할 액량을 일시적으로 확보한다. 리저버(2)는, 헤더(3)와 계량 유닛(10) 사이의 버퍼가 되어, 헤더(3)의 공급 능력에 대해 계량 유닛(10)의 소비량이 일시적으로 오버하는 것을 커버한다. 따라서, 계량 유닛(10)은 고속으로 동작할 수 있다. 또한, 리저버(2)는 기액(氣液) 분리 기구를 겸하고 있어, 벤트 밸브(4; vent valve)로부터 리저버(2)의 상부에 모인 기체를 배출할 수 있다. 벤트 밸브(4)는, 방폭을 고려하여, 공기 작동 밸브(에어 구동 밸브)가 이용되며, 방폭 영역(H) 외에 설치된 제 1 전자 밸브(31) 및 제어 유닛(30)에 의해 제어용 공기를 통해 제어된다. 덧붙여, 제어용 공기는, 컴프레서에 연결된 제어용 공기 헤더(39)를 통해 공급된다.

계량 유닛(10)은, 실린더(11)와 피스톤(12)을 가진다. 실린더(11)는 상하로 연장되어 있어, 실린더 내를 피스톤(12)이 상하 방향(연직 방향, 제 1 방향)을 따라 이동한다. 가는 파선으로 나타낸 바와 같이 실린더(11) 내부의 피스톤(12)이 출입하는 영역이 계량 공간(S)으로 되어 있어, 피스톤(12)의 출입하는 양(스트로크)을 제어함으로써 계량 공간(S)에서 계량되는 전해액(19)의 양을 자유롭게 제어(조정)할 수 있다.

계량 유닛(10)은, 또한 피스톤(12)을 상하로 구동하는 서보 모터(13)를 포함한다. 서보 모터(13)의 회전량, 회전 속도 및 회전 방향을 제어 유닛(30)에 의해 제어함으로써 피스톤(12)의 스트로크를 변경하여, 피스톤(12)을 상하로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 서보 모터(13)로서 스테핑 모터를 이용하여, 펄스 제어함으로써 고분해능의 용량 가변 제어를 행할 수 있다. 계량 유닛(10)으로서, 스트로크를 가변 제어할 수 있는 플런저 펌프를 이용할 수 있다.

주액 장치(1)는, 계량 유닛(10)의 계량 공간(S)에 대한 전해액(19)의 유입을 온·오프(개폐)하는 입구 밸브(5)를 포함한다. 입구 밸브(5)는, 계량 유닛(10)의 계량 공간(S)의 하단부(S1)에 설치된 입구 포트(P1)와 관로(42; 제 2 관로)에 의해 접속되어 있다. 입구 밸브(5)는, 입구 포트(P1)의 근방에 배치되며, 제 2 관로(42)를 가능한 한 짧게 하여, 계량 공간(S)에서의 계량 정밀도의 저하를 방지하고 있다. 입구 밸브(5)와 리저버(2)는 관로(43; 제 3 관로)에 의해 접속되어 있다. 입구 밸브(5)도, 방폭 영역(H) 내인 것을 고려하여 공기 작동 밸브(에어 구동 밸브)가 이용되며, 방폭 영역(H) 외에 설치된 제 2 전자 밸브(32) 및 제어 유닛(30)에 의해 제어용 공기를 통해 제어된다.

주액 장치(1)는, 배터리 용기(200)에 대해 상방으로부터 전해액(19)을 주입하는 디스펜서(20)를 포함한다. 디스펜서(20)는, 배터리 용기(200) 내 또는 배터리 용기(200)의 상단 근방에 배치되는 토출 노즐(21)과, 이 토출 노즐(21)이 하단에 장착된 단관(22; 單管; 원통 또는 시린지, 이후에서는 시린지)과, 토출 노즐(21)의 내측에 배치되어 이 토출 노즐(21)의 선단을 개폐하는 니들 밸브(23)와, 시린지(22)의 내부를 상하로 관통하도록 설치된 밸브 제어 로드(25)와, 밸브 제어 로드(25)를 통해 니들 밸브(23)를 상하로 구동하여, 니들 밸브(23)를 개폐 제어하는 공기 구동형 액추에이터(24)를 포함한다. 니들 밸브(23)는 노멀 오프(노멀 폐쇄)이며, 밸브 제어 로드(25)를 통해 니들 밸브(23)를 토출 노즐(21)의 선단에 가세(付勢)하는 수단(26; 예를 들면, 코일 스프링)을 포함한다.

시린지(22)는, 감압실(100)의 상벽(101)을 관통하여 상하로 연장되어 있으며, 선단은 감압실(100)의 내부(102)에 배치된 배터리 용기(200)에 도달하고 있다. 따라서, 시린지(22)의 선단(하단)이 되는 토출 노즐(21) 주위는 감압 분위기로 되어 있다. 시린지(22)의 하단은, 상벽(101) 위에 배치된 계량 유닛(10)의 계량 공간(S)의 하단부(S1)보다 하측까지 연장되어 있다.

시린지(22)의 내부를 밸브 제어 로드(25)가 관통하고 있어, 시린지(22)의 밸브 제어 로드(25)를 따른 부분이, 전해액(19)이 흐르는 공간으로 되어 있다. 따라서, 시린지(22)의 내경(內徑)에 대해 적당한 외경(外徑)의 밸브 제어 로드(25)를 선택함으로써, 계량 유닛(10)으로부터 시린지(22) 선단의 토출 노즐(21)에 이르는 관로의 면적을 조정할 수 있다. 이 때문에, 적절한 내경의 시린지(22)와 적절한 외경의 밸브 제어 로드(25)를 선택함으로써, 전해액(19)의 점도, 감압실(100)의 내압(음압), 전해액(19)의 유량 등의 주입 조건에 맞추어, 계량 유닛(10)으로부터 토출 노즐(21)까지의 압력 손실을 제어할 수 있다. 따라서, 이 구성을 이용하여, 배터리 용기(200)에 원활하게 전해액(19)을 주입할 수 있는 조건을 설정할 수 있다.

밸브 제어 로드(25)는, 토출 노즐(21)의 내측을 개폐하는 니들 밸브(23; 커트 밸브)를 액추에이터(24)에 의해 상하로 이동시키기 위한 것이다. 밸브 제어 로드(25)의 선단(하단)에 니들 밸브(23)가 접속되며, 타단(상단)이 액추에이터(24)와 접속되어 있다. 니들 밸브(23)는, 코일 스프링(26)에 의해 노멀 오프로 설정되어 있다. 액추에이터(24)는 공기 작동이며, 제 3 전자 밸브(33)에 의해 제어 공기를 이송하는 것에 의해 니들 밸브(23)는 온(개방)되며, 제어 공기를 배출함으로써 오프(폐쇄)된다. 시린지(22)의 내부에 설치된 니들 밸브(23)에 의해 토출 노즐(21) 바로 위를 폐쇄함으로써, 토출 노즐(21)이 감압 분위기에 면하고 있는 경우에 있어서도, 토출 노즐(21)로부터의 전해액(19)의 액 누출을 억제할 수 있어, 액절성을 개선할 수 있다.

디스펜서(20)는, 계량 유닛(10)의 계량 공간(S)의 상단부(S2)에 설치된 출구 포트(P2)와 관로(41; 제 1 관로)에 의해 접속되어 있다. 이 제 1 관로(41)는, 적어도 계량 공간(S)의 하단부 근방까지 연직 방향(상하)으로 연장되는 제 1 부분(41a)과, 제 1 부분(41a)의 하단으로부터 디스펜서(20)의 상단을 향해 수평 방향으로 연장되는 제 2 부분(41b)을 가진다. 즉, 제 1 관로(41)는, 전체적으로 L자형으로 형성되어 있고, 수평으로 연장된 부분의 일방의 단(제 2 부분(41b)의 단)이 시린지(22)의 측방에 접속되며, 수직(연직)으로 연장된 부분의 타방의 단(제 1 부분(41a)의 단)이 계량 공간(S)의 상단부(S2)에 접속되어 있다.

제 1 관로(41)의 도중에서, 제 1 관로(41)의 계량 공간(S)의 하단부 근방에 상당하는 위치에, 배압 밸브(50)가 배치되어 있다. 본 예에서는, 배압 밸브(50)는, 제 1 관로(41)의 제 1 부분(41a)과 제 2 부분(41b)의 코너 부분의, 상하로 연장된 제 1 부분(41a)측에 배치되어 있다.

배압 밸브(50)는, 볼(51)과, 이 볼(51)을 상방으로 가세하여, 이 배압 밸브(50)를 폐쇄(오프)로 유지하는 코일 스프링(52)을 포함한다. 코일 스프링(52)은, 계량 유닛(10)의 피스톤(12)이 동작(스트로크, 이 경우는 하측으로 이동)하지 않는 한, 배압 밸브(50)를 통해 전해액(19)이 흐르지 않을 정도의 압력을 볼(51)에 부여하도록 설정되어 있다. 예를 들어, 감압실 내(102)의 최대 음압(진공도)과 대기압의 차압이 배압으로서 가해져도 전해액(19)이 흐르지 않는 설정으로 되어 있다. 이 배압 밸브(50)는, 감압실 내(102)의 음압이 파기되어 대기압이 되거나, 혹은 역으로 가압됨에 따른, 시린지(22)의 내압이 계량 공간(S)의 내압보다 높아지는 이상 사태에서는 체크 밸브로서도 작용한다.

도 2에, 배터리를 제조하는 과정에 있어서, 제어 유닛(30)의 제어에 의해, 주액 장치(1)가 배터리 용기(200)에 전해액(19)을 공급하는 방법의 일례를 도시하고 있다. 이 예에 있어서는, 주액 장치(1)는, 배터리 용기(200)에 전해액(19)을 복수회로 나누어 주입(분주)한다. 우선, 분주 개시하는 시각 t0에 일단 벤트 밸브(4)를 개폐하여, 리저버(2)를 통기(vent)한다.

시각 t1에 입구 밸브(5)를 개방하며, 니들 밸브(23; 커트 밸브)가 폐쇄된 상태로, 리저버(2)와 계량 유닛(10)의 계량 공간(S)을 연통시킨다. 시각 t2에 피스톤(12)의 스트로크(상방으로의 동작)를 개시하며, 시각 t3에 스트로크를 정지함으로써 소정 양의 전해액(19)을 계량 공간(S) 내로 유입시킨다(전해액을 계량 공간으로 유입시키는 공정). 피스톤(12)이 상방으로 스트로크하고 있는 동안은, 배압 밸브(50)를 개방으로 하는 배압이 배압 밸브(50)에는 가해지지 않아, 배압 밸브(50)는 폐쇄 상태로 유지된다.

이 주액 장치(1)에 있어서는, 피스톤(12)의 이동을, 서보 모터(13)를 통해 펄스 제어하고 있으므로, 피스톤(12)의 이동 속도는 가변이다. 이 때문에, 도 2에서 전해액(19)의 인입(引入) 속도를 나타내는 각도 θ1을 임의로 변경할 수 있다. 따라서, 전해액(19)의 특성, 인입 조건 등에 따라 인입 속도 θ1을 상승시킬 수 있는 환경이면, 인입 속도 θ1을 빠르게 하여 주액 시간을 단축하는 것이 가능하다.

전해액(19)을 계량 공간(S)으로 인입할 때, 계량 공간(S)을 피스톤(12)이 상방으로 이동함에 따라, 전해액(19)은, 입구 밸브(5) 및 제 2 관로(42)를 경유하여 계량 공간(S) 하단부(S1)의 입구 포트(P1)로부터 유입한다. 따라서, 피스톤(12)의 이동과, 전해액(19)이 유입하는 포트(P1)와는 멀어지는 방향이 되므로, 전해액(19)은 비교적 원활하게, 난류가 일어나기 어려운 상황에서 계량 공간(S)으로 유입한다. 이 때문에, 계량 공간(S)의 내부에서 기액 분리가 일어나기 어렵다.

피스톤(12)의 스트로크가 정지한 후, 시각 t4에 입구 밸브(5)를 폐쇄한다(입구 밸브를 폐쇄하는 공정). 입구 밸브(5)가 폐쇄된 후, 시각 t5에 니들 밸브(23)를 개방한다(니들 밸브를 개방하는 공정). 입구 밸브(5)를 폐쇄하고 있으므로, 계량 공간(S)은 입구 밸브(5) 상류의 계(係)로부터 차단되어, 리저버(2)를 포함하는 상류의 계의 정압은 계량 공간(S)에 가해지지 않는다. 따라서, 니들 밸브(23)에 계량 유닛(10)의 상류, 즉 입구 밸브(5)보다 상류의 시스템의 정압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 실린더(11) 및 피스톤(12)에 의해 구성되는 계량 공간(S)의 단면적은 배관 단면적의 1자리수 이상, 통상은 2자리수~3자리수 이상 크다. 따라서, 분주하는 전해액(19)을 단면적이 큰 계량 공간(S)에 일단 축적함으로써, 분주하는 전해액(19)의 정압(액주에 의한 압력)이 니들 밸브(23)에 인가되는 것을 최소한으로 억제할 수 있다. 게다가, 이 주액 장치(1)에 있어서는, 배압 밸브(50)에 의해 니들 밸브(23)에 가해지는 압력을 더욱 억제하고 있다.

니들 밸브(23)를 개방한 후, 시각 t6에 피스톤(12)의 스트로크(하방으로 동작)를 개시한다. 계량 유닛(10)의 계량 공간(S) 상단부(S2)와 디스펜서(20)를 연결하는 제 1 관로(41)에 배압 밸브(50)를 설치하고 있다. 이 때문에, 배터리 용기(200)에 전해액(19)을 공급할 때 디스펜서(20)의 토출 노즐(21)의 니들 밸브(23)를 시각 t5에서 개방해도, 이 시점에서는 전해액(19)은 토출되지 않는다. 시각 t6에 피스톤(12)이 이동하여 배압 밸브(50)에 소정의 배압이 가해지는 것에 의해 배압 밸브(50)가 개방되어, 피스톤(12)의 이동에 대응하는 양의 전해액(19)이 토출 노즐(21)의 선단으로부터 양호한 정밀도로 토출된다(전해액을 주입하는 공정).

또한, 배압 밸브(50)가 설치된 제 1 관로(41)는, 계량 공간(S)의 상단부(S2)의 출구 포트(P2)에 접속되어 있고, 출구 포트(P2)에 가해지는 정압(액주에 의한 압력)은 기본적으로는 제로이며, 피스톤(12)의 위치(상하 위치)가 변화해도 변동하지 않는다. 따라서, 배압 밸브(50)에는, 배압 밸브(50)의 상류의 제 1 관로(41; 배관) 내부의 전해액(19)의 정압과, 피스톤(12)의 이동(하측으로의 스트로크)에 의한 압력만이 가해진다. 배압 밸브(50)의 상류의 제 1 관로(41) 내부의 전해액(19)의 정압(관로의 정압)은 일정하므로, 이 관로의 정압, 혹은 관로의 정압보다 약간 높은 압력에 대항하도록 배압 밸브(50)를 설정해 둠으로써, 배압 밸브(50)는 피스톤(12)의 이동에 순간(즉석)으로 반응하여 개방된다(배압 밸브가 즉석에서 개방되는 공정).

따라서, 시각 t7에 피스톤(12)이 스트로크를 정지하면, 배압 밸브(50)에 의해, 매우 짧은 시간에, 거의 순간에 계량 유닛(10)과 디스펜서(20)를 압력적으로 분리할 수 있다(배압 밸브를 폐쇄하는 공정, 배압 밸브가 즉석에서 폐쇄되는 공정). 이 때문에, 디스펜서(20)의 선단이 감압(진공) 상태에 놓여져 있어도, 계량 공간(S)의 전해액(19)이 감압으로 끌어 들여져 대량으로 유출해 버리는 사태를 미연에 방지할 수 있다.

이 주액 장치(1)에 있어서는, 피스톤(12)의 이동을, 서보 모터(13)를 통해 펄스 제어하고 있으므로, 피스톤(12)의 이동 속도는 가변이다. 이 때문에, 도 2에서 전해액(19)의 토출 속도를 나타내는 각도 θ2를 임의로, 인입 속도 θ1과는 독립하여 변경할 수 있다. 따라서, 전해액(19)의 특성, 인입 조건 등에 따라 인입 속도 θ1에 대해 토출 속도 θ2를 느리게 하는 것도 가능하고, 또한 토출 속도 θ2를 인입 속도 θ1에 대해 빠르게 하는 것도 가능하다. 이 때문에, 토출 속도 θ2를 빠르게 할 수 있는 환경이면, 주액 시간을 보다 단축하는 것이 가능하다. 또한, 인입 속도 θ1에 대해 토출 속도 θ2를 느리게 하여 니들 밸브(23)의 액절성을 보다 개선하거나, 배터리 용기(200)에서의 전해액(19)의 함침(含浸) 시간을 확보하거나 하는 것도 가능하다.

배압 밸브(50)를 압력 변동에 의해 순간에 개폐시키려면, 어느 정도의 일정한 배압이 가해지고 있는 것이 바람직하다. 이 때문에, 주액 장치(1)에 있어서는, 제 1 관로(41)의 형상을 L자형으로 하고, 그 코너부의 수직(연직) 방향으로 연장된 부분에 배압 밸브(50)를 설치하여, 제 1 관로(41)의 상부의 정압이 항상 배압 밸브(50)에 배압으로서 가해지도록 하고 있다. 게다가, 배압 밸브(50)의 코일 스프링(52)이 연직 방향으로 연장되어, 코일 스프링(52)과 배관 혹은 밸브 케이스와의 사이에 기계적인 마찰이 발생하기 어려운 상태로 배치되어 있다. 따라서, 이 점에서도, 배압 밸브(50)가 피스톤(12)의 이동(스트로크)에 연동하여 민감하게 온·오프하도록 하고 있다.

또한, 배압 밸브(50)를 제 1 관로(41)의 관로 내에 배치함으로써, 배압 밸브(50)의 볼(51) 및 코일 스프링(52)은, 항상 전해액(19)에 침지된다. 이 때문에, 볼(51) 및 코일 스프링(52)이 공기 중에 노출되지 않으므로, 전해액(19)의 성분과 공기 중의 성분에 의해 볼(51) 및 코일 스프링(52)이 부식되거나, 볼(51) 및 코일 스프링(52)에 석출물이 부착하거나 하는 경우는 적다. 이 때문에, 배압 밸브(50)의 동작은 안정되어 있어, 배압 밸브(50)를 피스톤(12)의 이동(스트로크)에 연동하여 민감하게 개폐시킬 수 있다. 따라서, 계량 유닛(10)의 피스톤(12)의 이동에 따라 디스펜서(20)에 대한 전해액(19)의 공급량을 매우 양호한 정밀도로 제어할 수 있다.

소정 양의 전해액(19)을 계량한 시각 t7에, 피스톤(12)의 스트로크를 정지한다. 그와 동시에, 니들 밸브(23)를 폐쇄로 한다(니들 밸브를 폐쇄하는 공정). 니들 밸브(23)를 폐쇄로 함으로써 디스펜서(20)의 토출 노즐(21)로부터 전해액(19)이 누출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 시각 t7에 계량 유닛(10)에서의 계량을 종료하는 동시에, 니들 밸브(23)에 의해 디스펜서(20)로부터 배터리 용기(200)에 대한 주입도 정지할 수 있어, 토출 노즐(21)로부터의 액 누출을 방지할 수 있다.

시각 t7에 피스톤(12)의 정지와 동시에, 배압 밸브(50)가 동작하여 배압 밸브(50) 상류의 정압을 차단한다. 이 때문에, 니들 밸브(23)에 가해지는 차압은 작아진다. 따라서, 동시에 혹은 거의 시간차 없이 니들 밸브(23)를 폐쇄함으로써, 니들 밸브(23)로 전해액(19)을 용이하게 차단할 수 있어, 액절을 개선할 수 있다. 이 때문에, 주액 장치(1)의 주액 정밀도를 개선할 수 있다. 더욱이, 액 누출이 정지하는 것을 기다리는 시간이 기본적으로는 불필요하므로, 주액 시간도 단축할 수 있다.

게다가, 배압 밸브(50)가 설치된 제 1 관로(41)에 연결되는 출구 포트(P2)를 계량 공간(S)의 상단부(S2)에 설치하고 있으므로, 계량 공간(S)에는 기체가 모이기 어렵다. 계량 공간(S) 내의 전해액(19)이 기액 분리하기 쉬운 상황이 되어도, 기포가 생성되기 이전에 기액 분리 직전 상태의 액층이 계량 공간(S)의 상방으로부터 전해액(19)과 함께 배출되므로, 계량 공간(S)에는 기포가 생성되기 어렵다. 기포가 생성되면, 기체는 압축성이므로, 계량 공간(S)의 계량 정밀도에 영향을 미치며, 게다가 감압에 의해 기체가 팽창하면 디스펜서(20)의 토출 노즐(21)로부터 전해액(19)이 비산하는 요인이 된다. 따라서, 이 주액 장치(1)에 있어서는 계량 공간(S)에 기포가 생성되기 어려우므로, 계량 정밀도, 즉 주액 정밀도를 확보할 수 있고, 액 누출도 억제할 수 있으며, 게다가 전해액(19)이 감압실 내(102)에서 비산하는 사태도 미연에 방지할 수 있다.

감압실 내(102)에 복수의 배터리 용기(200)가 세팅되어 있는 경우에는, 배터리 용기(200)와 디스펜서(20)를 상대적으로 이동시켜, 디스펜서(20) 아래로 다음의 배터리 용기(200)를 이동시킴으로써, 주액 장치(1)에 의해 복수의 배터리 용기(200)에 대해 분주가 차례로 행해진다. 이 경우, 이 주액 장치(1)에 있어서는, 액절이 양호하여 액 누출이 정지하는 대기 시간이 대부분 불필요하며, 게다가 토출 노즐(21)로부터의 비산도 대부분 없다. 따라서, 대부분 대기 시간 없이 다음의 분주를 개시할 수 있다. 즉, 시각 t7에 이전의 배터리 용기(200)에 대한 분주가 종료되면, 배터리 용기(200)의 이동 시간을 두고, 시각 t11에 입구 밸브(5)를 개방하여, 시각 t12에 피스톤의 스트로크(상방)를 개시하여, 이후, 상기 사이클과 동일하게 분주를 반복할 수 있다.

게다가, 토출 노즐(21)의 선단으로부터의 액 누출이 기본적으로 없으므로, 계량 유닛(10)으로 계량하고 있는 동안, 즉, 시각 t13 혹은 시각 t14까지를 배터리 용기(200)의 이동 시간에 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 주액 시간을 더욱 단축하는 것이 가능해진다. 또한, 인입 속도 θ1을 변경하는 것도 가능하므로, 배터리 용기(200)의 이동 시간과 동기시켜 피스톤(12)의 이동 시간을 설정하는 것도 가능하다.

또한, 이 주액 장치(1)에 있어서는, 계량 유닛(10)의 피스톤(12)의 스트로크를 조정함으로써 주액량(분주량)을 거의 자유롭게 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 있어서, 최초 사이클의 피스톤(12)의 스트로크 시간 t2~t3에 대해, 다음 사이클의 피스톤(12)의 스트로크의 시간 t12~t13을 단축함으로써, 주액량을 Δq만큼 줄일 수 있다. 따라서, 이 주액 장치(1)는, 다양한 패턴의 분주에 대해 매우 플렉시블하게 대응할 수 있으며, 게다가 주액 정밀도도 높고 분주에 필요한 시간도 단축할 수 있다.

또한, 전해액을 계량 공간에 유입시키는 공정과, 전해액을 주입하는 공정이 일대일로 대응하고 있지 않아도 되며, 전해액(19)을 계량 공간(S)에 유입시킨 후, 복수회로 나누어 전해액(19)을 배터리 용기(200)에 주입해도 된다.

참고로, 상기 계량 유닛(10)은, 실린더(11)가 상하로 연장되고, 피스톤(12)이 상하로 이동하는 타입이지만, 실린더(11)가 좌우 방향(수평 방향)을 따라 배치되고, 피스톤(12)을 좌우 방향(수평 방향)을 따라 이동하는 타입으로 해도 된다. 계량 공간(S)에 대한 전해액(19)의 유입 및 유출을 원활하게 행하도록 배관을 배열(arrange)할 필요가 있지만, 상하 방향의 치수를 작게 할 수 있으므로, 보다 컴팩트한 주액 장치에 적합하다.

또한, 상기 계량 유닛(10)은 서보 모터 구동이지만, 구동 방식은 서보 모터로 한정되지 않는다. 주액량을 플렉시블하게 가변시키는 요구가 없으면, 피스톤을 솔레노이드 타입의 액추에이터로 구동하는 것도 가능하다. 게다가, 상기 입구 밸브, 벤트 밸브 및 니들 밸브는, 방폭 영역인 것을 고려하여, 공기 작동의 액추에이터를 채용하고 있지만, 방폭 영역이 아니면, 전자 밸브 혹은 솔레노이드 타입의 액추에이터를 채용하는 것도 가능하며, 액추에이터에는 다양한 타입의 것을 사용할 수 있다. 상기 장치(시스템)에서는, 볼 타입의 배압 밸브는 간이한 구조로 배관에 대한 조립설치가 용이하며, 동작도 안정되어 있으므로 바람직한 것이지만, 다이아프램 타입 등의 다른 타입이어도 된다.

Claims (10)

1. 실린더 내의 계량 공간을 피스톤이 제 1 방향을 따라 이동하는 계량 유닛을 포함하는 공급 장치에 의해 감압실 내에 배치된 배터리 용기 내에 전해액을 공급하는 단계를 포함하는 방법으로서,
   상기 공급 장치는, 상기 배터리 용기에 대해 상방(上方)으로부터 전해액을 주입하는 디스펜서와,
   상기 계량 유닛의 상기 계량 공간의 상단부(上端部)와 상기 디스펜서를 연결하는 제 1 관로와,
   상기 제 1 관로에 배치된 배압(背壓) 밸브와,
   상기 디스펜서는, 상기 감압실 내에 배치된 선단(先端)으로부터 전해액을 토출하는 토출 노즐로서, 상기 배터리 용기 내 또는 상기 배터리 용기의 상단 근방에 배치되는 토출 노즐과,
   상기 토출 노즐의 내측에 배치되어, 상기 토출 노즐을 개폐하는 니들 밸브(needle valve)를 포함하며,
   상기 전해액을 공급하는 단계는,
   제어 유닛이, 상기 피스톤을 동작시켜 상기 배압 밸브에 배압을 가하고, 상기 계량 공간의 상단부로부터 상기 제 1 관로의 상기 배압 밸브 및 상기 니들 밸브를 통해 전해액을 상기 감압실 내의 상기 배터리 용기에 주입하는 단계와,
   상기 피스톤을 정지하고 상기 배압 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 배압 밸브는 상기 배압 밸브의 상류의 제 1 관로의 정압(靜壓)에 대항하도록 설정되어 있고,
   상기 주입하는 단계는, 상기 피스톤을 동작시키면 즉석에서 상기 배압 밸브가 개방되는 단계를 포함하며,
   상기 배압 밸브를 폐쇄하는 단계는, 상기 피스톤의 동작을 정지하면 즉석에서 상기 배압 밸브가 폐쇄되는 단계를 포함하는, 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 전해액을 공급하는 단계는, 상기 피스톤의 동작을 정지하는 동시에 상기 니들 밸브를 폐쇄하는 단계를 더 포함하는, 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공급 장치는, 상기 계량 공간의 전해액의 유입을 온·오프하는 입구 밸브와,
   상기 입구 밸브와 상기 계량 공간의 하단부를 접속하는 제 2 관로를 더 가지며,
   상기 전해액을 공급하는 단계는,
   상기 제어 유닛이, 상기 입구 밸브를 개방하고, 상기 피스톤을 동작시켜 상기 제 2 관로를 통해 상기 계량 공간의 하단부로부터 전해액을 상기 계량 공간에 유입시키는 단계와,
   상기 주입하는 단계 전에, 상기 입구 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
5. 감압실 내에 배치된 배터리 용기 내에 전해액을 공급하는 장치로서,
   실린더 내의 계량 공간을 피스톤이 제 1 방향을 따라 이동하는 계량 유닛과,
   상기 배터리 용기에 대해 상방으로부터 전해액을 주입하는 디스펜서와,
   상기 계량 유닛의 상기 계량 공간의 상단부와 상기 디스펜서를 연결하는 제 1 관로와,
   상기 제 1 관로에 배치된 배압 밸브를 가지며,
   상기 디스펜서는, 상기 감압실 내에 배치된 선단으로부터 전해액을 토출하는 토출 노즐로서, 상기 배터리 용기 내 또는 상기 배터리 용기의 상단 근방에 배치되는 토출 노즐과,
   상기 토출 노즐의 내측에 배치되어, 상기 토출 노즐을 개폐하는 니들 밸브와,
   상기 니들 밸브를 상하로 구동하는 액추에이터를 포함하는, 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 디스펜서는, 상기 토출 노즐이 하단에 장착되고, 상하로 연장된 시린지(syringe)와,
   상기 시린지를 상하로 관통하여, 상기 니들 밸브를 상기 액추에이터에 의해 상하로 이동시키기 위한 밸브 제어 로드를 포함하며,
   상기 제 1 관로는, L자형으로, 일방(一方)의 단(端)이 상기 시린지의 측방에 접속되고, 타방(他方)의 단이 상기 계량 공간의 상단부에 접속되며, 코너 근방의 상하로 연장된 부분에 상기 배압 밸브가 배치되어 있는, 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 시린지는, 상기 계량 공간의 하단부보다 하측으로 연장되어 있는, 장치.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 관로는, 적어도 상기 계량 공간의 하단부의 근방까지 연장되며, 상기 배압 밸브는, 상기 제 1 관로의 상기 계량 공간의 하단부의 근방에 상당하는 위치에 배치되어 있는, 장치.
9. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 1 방향은 상하 방향이며,
   상기 계량 공간의 전해액의 유입을 온·오프하는 입구 밸브와,
   상기 입구 밸브와 상기 계량 공간의 하단부를 접속하는 제 2 관로를 더 가지는, 장치.
10. 제 5 항에 있어서,
    상기 배압 밸브는, 볼과, 상기 볼을 가세(付勢)하는 코일 스프링을 포함하는 밸브인, 장치.

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