KR20180028463A - 배터리 셀 하우징 및 그 제조 방법 - Google Patents

배터리 셀 하우징 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20180028463A
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카르스텐 브레홀링
라이너 베르케펠트
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슐러 프레쎈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 전기 에너지를 제공하는 코어 재료(19)를 수용하기 위한 내부 챔버(18)를 한정하는 배터리 셀 하우징(15)에 관한 것이다. 배터리 셀 하우징(15)은 하우징 외피(16)와 하우징 커버(17)로 이루어진다. 하우징 외피(16)는 플로어(20), 및 하우징 축(G)에 대해 동축으로 플로어로부터 진행하는 하우징 외피 벽(21)을 가진다. 하우징 커버(17)는 냄비 또는 주발 형상의 형태를 가진다. 하우징 커버는 코어 재료(19)가 도입된 후에 플로어(20)로부터 일정 거리에서 하우징 외피 벽(21) 내로 삽입된다. 하우징 외피 벽(21)은 접힘 이음부(31), 바람직하게 이중 접힘 이음부에 의해 하우징 커버(17)에 기계적으로 연결된다. 본 발명에 따라서 일체로 이어지는 연결은 없다. 접힘 이음부(31)는 하우징 축(G)을 향해 반경 방향으로 내향하여 구현되고, 하우징 축(G)으로 반경 방향으로 볼 때 하우징 외피 벽(21)의 외부면보다 하우징 축(G)에 더욱 근접하여 위치된다.

Description

배터리 셀 하우징 및 그 제조 방법
본 발명은 전기 에너지를 제공하는 코어 재료를 수용하기 위한 배터리 셀 하우징에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 배터리 셀 하우징의 제조 방법에 관한 것이다.
배터리 셀 하우징은 하우징 외피, 및 하우징 외피에 연결된 하우징 커버를 포함한다. 연결이 확립되는 것으로, 하우징 외피와 하우징 커버는 코어 재료가 위치되는 내부 챔버를 둘러싼다. 하우징 커버와 하우징 외피는 적절한 방식으로 서로 연결된다. 종종, 하우징 커버는 물질 대 물질 결합 방식으로 하우징 외피에 연결된다.
또한, 하우징 커버가 접힘 이음부(folded joint)를 통해 원주 벽에 연결되는 배터리 셀 하우징이 공지되어 있다. 이러한 배터리 셀 하우징은 공보 DE 10 2010 030 993 A1로부터 공지되어 있다. 이러한 경우에, 접힌 부분(fold)이 접힌 부분을 접합하는 원주 벽의 외부 치수 이상으로 돌출하고, 그러므로 이러한 설치 영역에서 배터리 셀 하우징에 의해 취해진 공간을 넓히는 것은 유익하지 않다. 여러 개의 배터리 셀 하우징이 서로 나란히 배열되어 있으면, 원주 벽들은 접힌 부분으로 인하여 서로 접촉할 수 없으며, 및/또는 서로 나란히 무작위로 배열될 수는 없고 서로로부터 최소 거리를 보인다(접힌 부분의 크기에 따라).
공보 DE 699 28 674 T2는 원주 벽이 안쪽으로 당겨지고 하우징 개구의 영역에서 내부 챔버가 테이퍼진 영역에서 하우징 커버와 하우징 외피 사이에 접힘 이음부가 제공되는 것을 제안한다. 외부로 향해 실시된 접힘 이음부는 반경 방향으로 가장 작은 치수를 보이는 영역에 배열되고, 그러므로 배터리 셀 하우징의 여유 영역(clearance zone) 너머로 돌출하지 않는다. 그러나, 원추형 수축은 배터리 셀 하우징에 있는 코어 재료의 도입 전에 일어나야만 한다. 그렇지 않으면 오물 입자가 내부 챔버로 들어가, 코어 재료의 전기적 또는 전자적 기능을 손상시킬 수 있다. 수축 후의 코어 재료의 도입은 또한 불리하다. 하우징 개구를 향해 테이퍼지거나 또는 수축하는 하우징 벽을 구비하는 하우징 외피에서, 고체 물질의 원통형 외형의 코어 재료는 잠재적으로 더 이상 전체 내부 챔버를 채우지 않아서, 배터리 셀의 에너지 밀도는 감소된다. 그러므로, 이러한 공지된 배터리 셀 하우징은 적어도 부분적으로 액체 또는 젤리같은 코어 재료에 특히 적합하다.
공보 601 05 076 T2는 하우징 외피 벽의 연결 섹션이 하우징 축(housing axis)을 향해 안쪽으로 제한되는 것으로, 확실한 록킹 연결(positive-locking connection)이 하우징 외피의 원주 벽과 하우징 커버 사이에 확립되는 배터리 셀 하우징을 제안한다. 하우징 커버는 수축부와 내부로 성형된 축 방향 단부 섹션 사이에서 축 방향으로 둘러싸인다. 반경 방향의 수축은 상기된 수축만큼 불리하다.
이러한 종래 기술을 고려하여, 본 발명에 의해 달성될 수 있는 목적은 코어 재료를 위해 이용 가능한 내부 공간을 최대화하는 동시에 작은 디자인 및 간단한 제조를 보장하는 배터리 셀 하우징을 제공하는 것으로 간주될 수 있다.
이러한 목적은 청구항 제1항의 특징을 보이는 배터리 셀 하우징과, 청구항 제13항의 특징을 보이는 배터리 셀 하우징의 제조 방법에 의해 달성된다.
배터리 셀 하우징은 전기 에너지를 제공하는 코어 재료의 수용을 위한 내부 챔버를 포함한다. 코어 재료는 고체 물질, 겔 또는 유체로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징은 또한 "젤리 롤(jelly roll)" 또는 "스위스 롤(Swiss roll)"로 지칭되는 중실(solid) 코어 재료의 권취 요소(wound element)에 특히 적합하다.
배터리 셀 하우징은 하우징 외피와, 접힘 이음부에 의해 하우징 외피에 연결되는 하우징 커버를 포함한다. 바람직하게, 배터리 셀 하우징은 오직 이러한 2개의 부분으로만 이루어진다.
하우징 외피는 플로어와, 플로어에 인접하는 하우징 외피 벽을 포함하며, 상기 하우징 외피 벽은 하우징 축을 둘러싼다. 하우징 외피 벽은, 플로어에 접하고 플로어로부터 멀어지게 축 방향으로 연장되는 중공의 원통형 원주 섹션을 가진다. 플로어에 대향하는 축 방향 측면에서, 하우징 외피 벽의 연결 섹션은 중공의 원통형 원주 섹션에 접합된다. 연결 섹션은 하우징 개구를 한정한다. 하우징 외피를 하우징 커버에 연결하기 전에, 연결 섹션은 또한 원통형이며, 원주 섹션과 동일한 내경 및/또는 외경을 가진다.
하우징 커버에 연결되기 전에, 원주 섹션 및 연결 섹션은 원형 원통의 형태를 하는 단면을 가진다. 또한, 다각형 또는 아치형 단면과 같은 다른 원통형 단면 형태가 사용될 수 있거나, 또는 다른 부분에서 선형 및 곡선인 단면이 대안적으로 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 하우징 외피 벽은 하우징 외피 벽을 형성하기 위해 적어도 일부 부분에서 만곡된 벽 섹션들을 통해 연결되는 적어도 한 쌍의 대향하는 평행 평면 벽 섹션을 포함한다. 적어도 일부 섹션에서 만곡된 각각의 벽 섹션은 곡선 영역에서 일정한 곡률 반경을 가질 수 있다. 단면으로 보았을 때 적어도 일부 부분에서 만곡된 각각의 벽 섹션은 원호의 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어, 반원의 윤곽을 가질 수 있다. 적어도 일부의 부분에서 만곡된 적어도 각각의 벽 섹션은 대안적으로 몇몇 곡률 영역을 또한 가질 수 있다.
적어도 일부의 부분에서 만곡되고 평면 벽 섹션에 접합되는 벽 섹션의 각각의 영역의 곡률 반경은 바람직하게 하우징 외피 벽의 원주 섹션 두께의 4배에 달한다. 적어도 일부 부분에서 만곡되고 평면 벽 섹션에 접합되는 벽 섹션의 각 영역의 곡률 반경은 바람직하게 대향하는 평면 벽 섹션들 사이의 거리의 반의 절반만큼 크다.
하우징 커버는 축 방향에 대해 경사지게, 바람직하게 직각으로 연장되는 커버 부분을 가진다. 커버 부분에 인접하여 가장자리 부분이 있다. 가장자리 부분은 링의 형태로 하우징 축을 둘러싼다. 가장자리 부분은 몇 개의 섹션으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 커버 부분에 연결된 중공의 원통형 측 방향 섹션을 포함할 수 있다. 커버 부분에 대향하는 축 방향 측면 상에서, 측 방향 섹션은 축 방향에 대해 비스듬하게 또는 직각으로 하우징 축을 향해 내향하여 연장되는 플랜지 섹션을 가질 수 있다. 가장자리 부분의 외측 치수가 최대로 연결 섹션의 내측 치수와 동일하게 커서, 하우징 커버는 하우징 외피 벽의 연결 섹션에 삽입될 수 있으며, 접힘 이음부를 생성하는 것에 의해 연결 섹션에 연결될 수 있다. 연결이 확립되는 것으로, 하우징 커버의 커버 부분은 중공의 원통형 원주 섹션에 의해 둘러싸이는 방식으로 배열된다. 하우징 외피의 플로어와 커버 부분 사이에서, 내부 챔버는 원통형이며 바람직하게 일정한 내부 단면적을 가지며, 예에 따라서, 일정한 내경을 가진다. 접힘 이음부는 연결 섹션 뿐만 아니라 가장자리 부분을 하우징 축을 향해 내향하여 접는 것에 의해 연결 섹션과 가장자리 부분 사이에 생성된다. 바람직하게, 접힘 이음부는 이중 접힘 이음부이다.
결과적으로, 원주 섹션으로부터 보았을 때 접힘 이음부는 하우징 커버의 커버 부분 위에서, 하우징 축에 대해 상대적으로 더욱 내측에 위치된다. 접힘 이음부를 구현하기 전에, 하우징 개구의 가능한 최대 개구 단면이 제공된다. 그러므로, 내부 챔버 내로 중실 코어 재료를 도입하는 것이 가능하고, 상기 코어 재료는 축 방향 또는 하우징 축에 대해 직각으로 내부 챔버를 최대로 채우고, 그러므로 배터리 셀의 높은 에너지 밀도를 가능하게 한다. 또한, 접힘 이음부가 배터리 셀 하우징의 원통형 여유 영역 너머로 돌출하지 않아서, 몇몇 배터리 셀 하우징들은 배터리의 설치 공간에서 서로 매우 밀착하여 나란하게, 필요하면 서로 접촉하여 배열될 수 있다.
하우징 외피 및 하우징 커버는 적어도 내부 챔버에 대해 전기적으로 절연된다. 이러한 것을 달성하도록 코팅이 제공될 수 있다. 하우징 외피 및 하우징 커버는 또한 외부를 향해 코팅되거나 전기적으로 절연될 수 있다. 예를 들어, 하우징 외피 및 하우징 커버는 형상화(shaping)에 의해 판금 재료로 만들어질 수 있으며, 상기 재료는 한쪽 또는 양쪽면에 전기적으로 절연 코팅을 가진다. 이러한 절연은 하우징 외피 또는 하우징 커버가 제조된 후에 코팅을 도포하는 것에 의해 또한 달성될 수 있다.
접힘 이음부가 중공 원통의 곡면에 의해 한정된 영역 내에 완전히 배열되면 바람직하다. 중공 원통의 곡면은, 원주 섹션의 외측면이 연장되고 축 방향으로 전체 배터리 셀을 둘러싸는 표면이다.
바람직하게, 하우징 외피뿐만 아니라 하우징 커버는 중공 원통의 곡면에 의해 한정된 영역 내에 완전히 위치된다.
배터리 셀 하우징 및 하우징 외피 및 하우징 커버는 각각 바람직하게 예를 들어 강 또는 알루미늄을 함유할 수 있는 금속 또는 금속 합금으로 만들어진다. 하우징 외피는 예를 들어 충격 압출 또는 아이어닝(ironing)과 같은 변형 공정에 의해 블랭크로부터 제조될 수 있다.
배터리 셀 하우징은 예를 들어 일회용 배터리, 재충전 배터리, 캐패시터 등과 같은 모든 형태의 전기 에너지 저장 장치에 사용될 수 있다.
한 실시예에서, 외피 하우징 벽의 원주 섹션의 내측 치수 및/또는 외측 치수는 일정하다. 단면에서 보았을 때, 원주의 내부 윤곽 및 외부 윤곽은 바람직하게 원형의 형태를 가진다.
접힘 이음부가 만들어지기 전에, 하우징 외피 벽 내에서 하우징 커버의 위치를 특정하기 위해 외피 하우징 벽의 원주 섹션의 위치에서 하우징 커버에 적어도 하나의 지지 돌출부를 제공하는 것이 또한 가능하다. 적어도 하나의 지지 돌출부는 예를 들어 하우징 외피 벽의 두께를 변경하는 것에 의해 생성될 수 있다. 적어도 하나의 지지 돌출부는 또한 원주 섹션의 국부적인 형상화에 의해 생성될 수 있다. 적어도 하나의 지지 돌출부는 하우징 축 주위에서 원주 방향으로 링의 형태로 폐쇄되거나, 또는 몇몇(적어도 3 개) 지지 돌출부는 원주 방향으로 서로로부터 일정 거리에 제공될 수 있다.
하우징 커버 및/또는 하우징 외피는 이음매 및 이음부들없이 원피스로 또는 일체로 만들어질 수 있다.
하우징 커버의 가장자리 부분이 서로에 대해 동축으로 배열되는 제1 커버 접힘 섹션 및 제2 커버 접힘 섹션을 가지면(확립된 연결 섹션과의 연결에 의해) 바람직하다.
하우징 외피 벽의 연결 섹션은 서로에 대해 동축으로 배열되는 제1 외피 접힘 섹션 및 제2 외피 접힘 섹션을 가질 수 있다(확립된 하우징 커버와의 연결에 의해).
이렇게 함에 있어서, 제1 외피 접힘 섹션은 제1 커버 접힘 섹션과 제2 커버 접힘 섹션 사이에 배치열고, 바람직하게 2개의 커버 접힘 섹션들에 직접 접합하면 바람직하다. 바람직하게, 제2 커버 접힘 섹션은 제1 외피 접힘 섹션과 하우징 외피 벽의 원주 섹션 사이에 배열될 수 있으며, 바람직하게 외피 접힘 섹션과 원주 섹션에 직접 접합된다.
또한, 제1 커버 접힘 섹션은 제1 외피 접힘 섹션과 제2 외피 접힘 섹션 사이에 위치될 수 있고, 바람직하게 2개의 외피 접힘 섹션에 직접 접합된다.
접힘 이음부의 하나 이상의 실시예들로 인해, 하우징 커버와 하우징 외피 사이의 단단한 연결을 달성하는 것이 가능하며, 상기 연결은 간단한 방식으로 생성된다.
예시적인 실시예는 하우징 외피와 하우징 커버를 만드는 시작 판금의 두께가 동일한 것을 제공한다.
전술된 하우징 외피와 상기된 전술된 하우징 커버의 연결을 생성하기 위해, 다음과 같이 진행할 수 있다:
미형상화된(unshaped) 상태에서, 원주 섹션뿐만 아니라 연결 섹션은 각각 중공 원통 형태의 형태를 한다(바람직하게 동일한 외형 치수를 가지는). 연결 섹션의 내측 치수는 적어도 원주 섹션의 내측 치수만큼 크다. 결과적으로, 최대 단면은 하우징 개구에 코어 재료를 삽입하는데 이용할 수 있다. 코어 재료를 하우징 외피에 도입할 때, 내부 챔버는 접힘 이음부를 생성하는 것에 의해 하우징 외피가 하우징 커버에 연결되는 것으로 폐쇄된다.
접힘 이음부를 생성하기 위해, 하우징 커버가 하우징 축을 따라 하우징 외피 내로 삽입되어서, 하우징 외피 벽은 하우징 커버를 원주 방향으로 둘러싼다. 이러한 위치에서, 하우징 외피 벽의 연결 섹션은 적어도 부분적으로 축 방향으로 하우징 외피 커버 위에 위치된다. 접힘 이음부는 하나 이상의 공구를 사용하는 접이 디바이스(folding device)의 도움으로 제조된다. 연결 섹션 및 가장자리 부분의 적어도 하나의 플랜지 섹션은 하우징 축을 향해 내향하여 접혀지거나 또는 플랜지로 되며(flanged), 그 결과, 상호 록킹 연결이 형성된다. 연결 섹션 및 가장자리 섹션은 접힘 이음부를 개선하기 위해 하우징 축에 대해 직각으로 함께 프레싱 또는 압착될 수 있다.
본 발명의 유익한 실시예는 종속항, 상세한 설명 및 도면으로부터 얻어진다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 배터리 셀 하우징의 예시적인 실시예의 개략 사시도,
도 2는 영역 Ⅱ에서 도 1에 따른 배터리 셀 하우징의 경우에 하우징 커버와 하우징 외피 사이의 접힘 이음부의 부분 단면도,
도 3은 도 1의 배터리 셀 하우징의 분해도,
도 4는 접힘 이음부의 구현 전에 도 1 내지 도 3의 배터리 셀 하우징의 예시적인 실시예를 통한 부분 종단면도,
도 5a는 외피 하우징 벽이 한 지점에서 변화하는 두께를 가지는, 도 4와 비교하여 변형된 배터리 셀 하우징의 예시적인 실시예를 도시한 도면,
도 5b는 별도의 설치부가 하우징 커버를 위한 지지부로서 제공되는, 도 5a와 비교하여 변형된 배터리 셀의 예시적인 실시예를 도시한 도면,
도 6 내지 도 8은 접이 디바이스의 도움으로 접힘 이음부 제조의 상이한 단계들의 개략적 예시의 개략도,
도 9는 확립된 접힘 이음부에 의해 하우징 커버의 영역에 있는 배터리 셀 하우징의 예시적인 실시예를 도시한 종단면도,
도 10 및 도 11은 각각 배터리 셀 하우징의 플로어의 하나의 예시적인 실시예의 부분 사시도,
도 12는 하우징 축에 평행한 하우징 커버 상으로의 배터리 셀 하우징의 몇몇 예시적인 실시예의 평면도, 및
도 13 내지 15는 하우징 외피를 통한 개략 단면도.
도 1 및 도 3은 본 실시예에 따라 원형 원통의 형태를 가지는 원통형의 배터리 셀 하우징(15)의 예시적인 실시예를 도시한다. 배터리 셀 하우징(15)는 하우징 외피(16) 및 하우징 커버(17)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 배터리 셀 하우징(15)은 이러한 2개의 부분(16, 17)으로만 이루어진다.
배터리 셀 하우징(15)은, 코어 재료 및 바람직하게 중실 코어 재료(19)의 수용을 위해 배치되고 제공되는 내부 챔버(18)를 한정한다. 중실 코어 재료(19)는 예를 들어, "젤리 롤" 또는 "스위스 롤"로서 또한 지칭되는 권취체(wound body)일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 중실 코어 재료(19)는 원통형 윤곽을 가지며, 본 실시예에 따라서, 원형 원통의 윤곽을 가진다. 내측 챔버(18)의 내경은 필요한 여유를 제외하면 중실 코어 재료(19)의 외경에 대응한다.
하우징 외피(16)는 플로어(20), 뿐만 아니라 하우징 축(G)을 둘러싸는 하우징 외피 벽(21)을 포함한다. 하우징 축(G)은 축 방향(A)으로 연장된다. 하우징 축(G)에 대한 반경 방향은 반경 방향(R)으로서 지칭된다.
하우징 외피 벽(21)은 플로어(20)에 접합되고, 하우징 축(G) 주위에서 원주 방향으로 플로어(20)을 완전히 둘러싼다. 하우징 외피 벽(21)(플로어(20)에 접합된)은 중공 원통의 윤곽을 가지는 원주 섹션을 가진다. 원주 섹션(22)의 내경은 내부 챔버(18)의 내경을 특정한다.
플로어(20)에 대향하는 축 방향 측면에서, 원주 섹션(22)은 연결 섹션(23) 내로 천이한다. (하우징 외피(16)(도 3)의 변형되지 않은 초기 상태에서) 연결 섹션(23)은 또한 중공 원통의 형태를 가지며, 하나의 예시적인 실시예에서, 원주 섹션(22)과 동일한 내경 및 동일한 외경을 가질 수 있다. 연결 섹션(23)은 하우징 개구(24)을 한정하며, 코어 재료(19)는 하우징 개구를 통하여 하우징 외피(16) 내로 도입될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 하우징 개구(24)의 단면은 원형이고, 하우징 외피(16)의 변형되지 않은 상태에서, 연결 섹션(23)의 내경에, 예에 따라서, 또한 원주 섹션(22)뿐만 아니라 내부 챔버(18)의 내경에 대응한다. 결과적으로, 완전한 내부 챔버 단면은 코어 재료(19)의 도입을 위해 이용 가능하다.
도 13 내지 도 15는 원주 섹션(22)을 통한 단면으로, 하우징 외피(16)의 다른 원통 형태를 예로서 도시한다. 이미 설명한 바와 같이, 하우징 외피는 원형 원통의 단면을 가질 수 있다(도 13). 이에 대해 대안적으로, 다각형 단면을 구비한 하우징 외피(16)를 설계하는 것이 또한 가능하다. 육각형은 도 14에서 단지 예로서 도시된다. 모서리들의 수는 다양할 수 있다. 다각형 단면은 규칙적이거나 불규칙적일 수 있다.
타원형 또는 "레이스 트랙 형상"의 단면을 구비한 하우징 외피의 원통형 형태가 도 15에 개략적으로 도시되어 있다. 하우징 외피 벽(21)과 원주 섹션(22)은 각각 대향하여 위치된 평행한 평면 벽 섹션(22a)들을 가진다. 2개의 평면 벽 섹션(22a)은 서로 일정 거리에 있다. 이러한 것들은 몇몇(예에 따라서 3개) 만곡 벽 섹션(22b)들에 의해 서로 연결된다. 예시적인 실시예에서, 각각의 만곡 벽 섹션(22b)은 일정한 곡률 반경을 가진다. 단면으로 보았을 때, 각각의 만곡 벽 섹션(22b)은 반원의 형태를 가진다. 이에 대해 대안적으로, 각각의 평면 벽 섹션(22a)이 곡면 벽 섹션(22b)에 의해 양쪽 측면에 각각 접합될 수 있으며, 만곡 벽 섹션은 동일한 곡률 반경을 가지며, 천이 벽 섹션을 통해 서로 연결된다. 예를 들어, 천이 벽 섹션은 평면일 수 있거나 또는 다른 구성을 가질 수 있다.
적어도 부분적으로 만곡된 벽 섹션(22b)들의 곡률 반경은 최대로, 2개의 평면 벽 섹션(22a) 사이의 거리의 절반에 대응하며, 곡선 영역이 다른 영역에 의해 서로 연결되면 또한 더욱 작을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 곡률 반경은 원주 섹션(22)의 벽 두께 보다 적어도 4배 크다.
바람직하게, 연결 섹션(23)(하우징 커버(17)와의 연결이 생성되기 전에 변형되지 않은 상태에 있는)은 도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 하우징 외피 벽(21)의 원주 섹션(22)의 단면과 동일한 단면을 가진다.
도 3은 하우징 커버(17)의 사시도이고, 도 4는 그 단면도이다. 하우징 커버는 예시적인 실시예에서 반경 방향(R)으로 연장되는 커버 부분(29)을 가진다. 커버 부분(29)은 적어도 일부분에서 하우징 축(G)에 대해 경사지는 방식으로 또한 연장될 수 있다.
가장자리 부분(30)은 커버 부분(29)에 인접한다. 가장자리 부분(30)은 하우징 외피 벽(21)의 연결 섹션(23)과 함께 접힘 이음부(31)를 형성하도록 배치된다(도 2 및 도 9). 도 4는 변형되지 않은 초기 상태의 하우징 커버(17)를 도시한다. 그 변형되지 않은 초기 상태에서, 하우징 커버(17)는 냄비(pot) 또는 주발과 유사한 형태를 가진다. 이러한 초기 상태에서, 가장자리 부분(30)은 측 방향 섹션(32)과 플랜지 섹션(33)에 의해 형성된다. 측 방향 섹션(32)은 하우징 축(G)에 대해 동축으로 연장되며, 상기 커버가 여전히 변형되지 않는 한 하우징 커버(17)의 중공 원통부를 형성한다. 플랜지 섹션(33)은 하우징 축(G)을 둘러싸는 링의 형태를 가진다. 예시적인 실시예에서, 플랜지 섹션(33)은 반경 방향 평면으로 연장된다. 플랜지 섹션은 또한 원추 형태를 가질 수 있으며, 하우징 축(G)에 대해 비스듬하게 배향될 수 있다. 바람직하게, 접힘 이음부(31)가 구현될 때, 플랜지 섹션(33)은 연결 섹션(23)과 함께 재형상화될 수 있다. 측 방향 섹션(32)은 적어도 실질적으로 변형되지 않고 있을 수 있다.
배터리 셀의 제조를 위하여, 코어 재료(17)는 하우징 외피 벽(21) 내로 도입되고, 내부 챔버(18)에서 거기에 배열된다. 그 뒤에, 하우징 커버(17)는 하우징 외피 벽(21) 내측의 코어 재료(19) 위에 배치된다. 초기에, 하우징 커버(17)는 상기된 시작 상태에 있다. 하우징 커버(17)를 규정된 위치에 배열하기 위하여, 하우징 외피 벽(21)으로부터, 특히 원주 섹션(22)으로부터 하우징 축(G)을 향해 반경 방향(R)으로 멀리 연장되는 적어도 하나의 지지 돌출부(34)가 있을 수 있다. 몇몇, 예를 들어, 예시에서와 같이 3개의 지지 돌출부(34)를 (하우징 축(G) 주위에 분포된 원주 방향으로) 제공하는 것이 충분하다. 예를 들어, 돌출부들은 변형력(F)으로 인해 하우징 외피 벽(21)을 가압하는 것에 의해 코어 재료의 도입 후에 또한 생성될 수 있다. 지지 돌출부(34)들이 접힘 이음부(32)와 관련되지 않기 때문에, 돌출부들은 반경 방향(R)으로 매우 작을 수 있고, 예를 들어, 이 지점에서 원주 섹션(22)의 두께의 최대 1.0배 또는 1.5배, 또는 2.0배에 대응하는 반경 치수를 가질 수 있다 .
예를 들어, 지지 돌출부(34)들은 내측에서 보았을 때 오목할 수 있으며, 외측에서 보았을 때 하우징 외피 벽(21)의 원주 섹션(22)에서 볼록하다. 도 4는 점선으로 나타낸 범프 형상의 지지 돌출부(34)를 개략적으로 도시한다.
이에 대해 대안적으로, 하우징 커버(17)의 커버 부분(29)이 위치되는 지점에서 하우징 외피 벽(21)의 두께를 증가시켜, 환형 지지 돌출부를 형성하는 것이 또한 가능하다. 이렇게 함으로써, 지지 돌출부는 반경 방향 평면(R)으로 연장되거나 또는 하우징 축(G)에 대해 비스듬히 경사질 수 있다. 도 5a는 하우징 외피 벽(21)의 두께 변화에 의해 형성되는 개략적으로 링 형상의 폐쇄 지지 돌출부(34)를 도시한다. 도 5b는 지지 돌출부(34)가 바람직하게 플라스틱 재료로 만들어진 인서트 부분(35)에 의해 형성되는 예시적인 실시예를 도시한다. 예를 들어, 인서트 부분(35)은 중공 원통의 형태를 가질 수 있다. 인서트 부분(35)의 외경은 하우징 외피 벽(21)의 원주 섹션(22)의 내경과 실질적으로 대응할 수 있다. 인서트 부분(35)의 상부 가장자리는 하우징 축(G)에 대해 직각으로 연장될 수 있거나, 또는 상기 인서트 부분은 원추의 곡면에 안치될 수 있다. 인서트 부분(35)은 배터리 셀 하우징(15)의 하우징 외피(16) 내로의 코어 재료(19)의 도입 전에 삽입될 수 있다.
도 4 및 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 하우징 커버(17)는, 적어도 하우징 외피(16)의 커버 부분(29)이 배열되어야 하는 지점까지, 즉, 예를 들어, 적어도 하나의 지지 돌출부(34)까지, 하우징 개구(24)의 영역에서 하우징 벽 섹션(21)의 내부 반경에 대응하는(필요한 여유로부터 멀어지게) 최대 외경을 가진다.
하우징 외피(16)에 하우징 커버(17)를 배치한 후에, 접힘 이음부(31)는 하우징 외피 벽(21)의 연결 섹션(23)과 가장자리 부분(30), 특히 플랜지 섹션(33) 사이에서 구현된다. 공정은 도 6 내지 도 8에 의해 매우 단순화된 방식으로 도시된다.
접힘 이음부(31)를 제조하기 위해, 몇몇 공구를 포함하는 접이 디바이스(38)가 사용된다. 도 6 및 도 7은 제1 공구(39) 및 제2 공구(40) 모두를 도시한다. 2개의 공구(39, 40)는 대향하는 반경 방향 측면들로부터 접촉하게 된다. 제1 공구(39)는 일부 섹션들에서 원통형이며, 하우징 커버(17)가 위치되는 영역에서 하우징 외피 벽(21)의 외부에 대해 가압한다. 제2 공구(40)는 냄비 형상 하우징 커버(17) 내로 연장된다. 접힘 이음부(31)를 제조하기 위한 변형 공정은 접이 디바이스(38) 상에서 공구로 달성된다.
도시되지 않은 제1 단계 동안, 하우징 외피 벽(21)이 연결 섹션(23)에서 내측으로 각을 이루어서, 상기 벽은 플랜지 섹션(33)에 접합되거나, 또는 플랜지 섹션(33) 위에서 연장된다.
제2 공구(40)는 오목홈, 예를 들어 오목 환형홈을 가지며, 하우징 축(G)과 반경 방향으로 관련된 연결 섹션(23) 및 플랜지 섹션(33)의 단부들은 오목홈 내로 연장된다. 이렇게 함으로써, 연결 섹션(23)은 이를테면 제2 공구(40)에 의해 플랜지 섹션(33)의 반경 방향 내측 가장자리 주위에서 움직이거나 또는 접혀진다. 공구(39, 40)의 계속적인 움직임으로, 플랜지 섹션(33)은 만곡 위치에서 만곡되어서, 플랜지 섹션의 가장자리들은 커버 부분(29)을 향하여 비스듬한 방향으로 향한다(도 7).
각각 연결 섹션(23)과 하우징 커버(17) 및 플랜지 섹션(33)의 상기된 롤링에 대한 대안으로서, 또한 하우징 축(G)의 방향으로의 움직임에 의한 전도 공정(upsetting process)에 의해 도 7에 도시된 상호 록킹 중간 단계를 구현하는 것이 가능하다.
추가의 형상화를 위해, 제2 공구(40)는, 접힘 이음부(31)가 궁극적으로 가져야만 하고 예를 들어 제2 공구(40)의 오목홈보다 축 방향으로 약간 더 큰 형태를 하는 오목홈 또는 환형홈을 가지는 제3 공구(41)로 대체된다(예에 따라서, 또는 제2 공구(40)가 원하는 형태를 가지지 않으면). 제1 공구(39) 및 제3 공구(41)가 반경 방향으로 서로에 대해 가압되어서, 가장자리 부분(30), 특히 플랜지 섹션(33)은 연결 섹션(23)과 함께 밀착 가압되고, 접힘 이음부(31)가 제조된다.
접힘 이음부(31)를 제조하는 다양한 방법과는 관계없이, 하우징 부분(17)과 하우징 외피(15)는 압력-밀봉 방식으로 서로 가압된다.
예를 들어, 완성된 접힘 이음부(31)는 도 2 및 도 9에 개략적으로 도시되어 있다. 예에 따라서, 하우징 커버(17)와 하우징 외피(16) 사이의 연결은 접힘 이음부(31)에 의해서만 실행된다. 물질 대 물질 연결은 제공되지 않는다.
접힘 이음부(31)의 실시 동안 변형 공정으로 인하여, 제1 커버 접힘 섹션(45)이 가장자리 부분(30) 상에 형성되고, 제2 커버 접힘 섹션(46)이 형성되며, 이러한 경우에, 제2 커버 접힘 섹션(46)은 제1 커버 접힘 섹션(45)을 동축으로 둘러싼다. 제1 커버 접힘 섹션(45)은 재형상화된 플랜지 섹션(33)의 자유 가장자리에 접합된다. 제2 커버 접힘 섹션(45)은 플랜지 섹션(33)에 접합되는 측 방향 섹션(32)의 영역에 의해 나타난다.
제1 외피 접힘 섹션(47)뿐만 아니라 제2 외피 접힘 섹션(48)은 연결 섹션(23) 상에 형성된다. 제1 외피 접힘 섹션(47)은 제2 외피 접힘 섹션(48)을 동축으로 둘러싼다. 제1 외피 접힘 섹션(47)은 2개의 커버 접힘 섹션(45, 46) 사이에 배열되어 이것들과 직접 접촉되거나 또는 2개의 커버 접힘 섹션(45, 46) 사이에서 클램핑된다. 유사하게, 제1 커버 접힘 섹션(45)은 2개의 외피 접힘 섹션(47, 48) 사이에 배열되어 이것들과 직접 접촉되거나 또는 그 사이에 클램핑된다. 접힘 부분 섹션(45, 46, 47, 48)들은 하우징 축(G)에 대해 축선 방향(A)으로 동축으로 연장된다. 제2 커버 접힘 섹션(46)은 하우징 외피 벽(21)의 원주 섹션(22)에 의해 동축으로 둘러싸이며 이와 직접 접촉한다.
천이 섹션이 2개의 커버 접힘 섹션(45, 46) 사이에 제공되며, 상기 천이 섹션은 적어도 일부의 부분에서 만곡된다. 이와 유사하게, 천이 섹션은 2개의 외피 접힘 섹션(47, 48) 사이에 있으며, 상기 천이 섹션은 적어도 일부에서 만곡된다. 또한, 제2 외피 접힘 섹션(48)은, 적어도 일부의 부분에서 만곡되고 배터리 셀 하우징(15)의 상부 가장자리(50)가 형성되는 천이 섹션을 통해 하우징 외피 벽의 원주 섹션(22)에 연결된다.
상부 가장자리(50)는 하우징 커버(17)의 커버 부분(29)으로부터 일정 거리에서 축 방향(A)으로 배열된다(도 2 및 도 9). 이러한 거리는 커버 부분(29)과, 제1 외피 접힘 섹션(47)으로부터 제2 외피 접힘 섹션(47)으로의 천이 섹션 사이에서 축 방향(A)으로 자유 공간(x)의 함수이며, 천이 섹션은 접힘 이음부의 제조 동안 공구(40, 41)에 의해 요구된다(도 8).
예에 따라서, 하우징 커버(17) 및 하우징 외피(16)는 모두 이음매 및 이음부없이 제조된다. 하우징 커버(17) 및 하우징 외피(16)는 강 또는 알루미늄을 함유하는 금속 또는 금속 합금으로 이루어질 수 있다. 하우징 커버(17)뿐만 아니라 하우징 외피(16)는 내부 챔버(18)에 대해 전기적으로 절연된다. 이러한 것을 달성하도록, 전기 절연 코팅이 제공될 수 있다. 이러한 코팅은 하우징 커버(17) 및 하우징 외피(16)를 각각 제조하는 시작 판금 상에 이미 존재할 수 있다. 배터리 셀 하우징(15)은 또한 전기 절연 코팅에 의해 완전히 피복될 수 있다.
접힘 이음부(31)는 완전히 배터리 셀 하우징(15)의 축 방향 여유 영역 내에 위치된다. 즉, 하우징 축선(G)에 대해 동축으로 연장되는 중공의 원통 곡면(M)이 한정되고, 상기 곡면은 배터리 셀 하우징(15)을 완전하게 홀딩한다. 중공 원통(M)의 곡면은 하우징 축(G) 주위에서 원통형 영역(B)을 한정하며, 이 영역으로부터, 접힘 이음부(31)는 돌출하지 않는다. 이 예에 따라서, 전체적인 배터리 셀 하우징(15)은 이러한 영역(B) 내에 위치된다. 이렇게 함으로써, 중공의 원통 곡면(M)은 하우징 외피 벽(21)의 원주 섹션(22)의 외측 반경에 대응하는 반경 방향(R)으로의 반경을 가진다. 중공의 원통 곡면(M)과 결과적인 한정된 영역(B)은 도 9에서 개략적으로 도시된다.
도 10 및 도 11은 하우징 외피(16)의 플로어(20)의 상이한 실시예를 도시한다. 도 1 및 도 3에 따른 예시적인 실시예에서와 같이, 플로어(20)는 플레이트 또는 디스크의 구성을 가질 수 있으며, 본질적으로 반경 방향 평면으로 연장된다(도 11). 이에 대해 대안적으로, 플로어(20)는 또한 적어도 일부 부분에서 기울어 지거나, 또는 반경 방향(R)에 대해 직각으로 연장될 수 있다. 배터리 극의 형성을 위하여, 플로어는 내부 챔버(18)로부터 보았을 때 실질적으로 원통형인 오목부를 가질 수 있다. 외부로부터 배터리 셀 하우징(15)을 보았을 때, 이러한 것은 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같은 상승부(51)를 초래한다.
도 12는 여러 개의 배터리 셀 하우징(15)들의 배열을 개략적으로 도시한다. 도 12는 각각 상부로부터 하우징 커버(17) 및 하우징 커버(17)의 커버 부분(29)으로 축 방향(A)으로 본 배터리 셀 하우징(15)을 도시한다. 접힘 이음부(31)에 의해 형성된 상부 가장자리(50)도 또한 보일 수 있다. 배터리 셀 하우징(15)들은 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다(배터리의 실시예에 의존하여). 이러한 것은 각각 필요한 배터리 전압 및 필요한 배터리 전력의 함수이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 하우징(15)들은 서로 매우 밀착하게 이웃하여 배열될 수 있다. 접힘 이음부(31)가 중공의 원통 곡면(M) 너머로 돌출하지 않는 결과로서, 배터리 셀 하우징(15)들은 원통형 윤곽을 가지며, 서로 매우 밀착하게 이웃하여 배열될 수 있어, 최소의 공간을 필요로 한다.
인접한 배터리 셀 하우징(15)들은 서로 접합될 수 있다. 도 12의 예시의 변형예에서, 이러한 배터리 셀 하우징들은 또한 서로로부터 한정된 거리에 배열될 수 있다. 배터리 셀 하우징(15)들 사이의 중간 공간은 충전재(53)가 채워질 수 있다. 충전재는 양호한 열전도체인 재료일 수 있다. 예를 들어, 열전도성이 좋은 입자 또는 열전도체인 분말과 수지의 혼합물이 사용될 수 있다. 수지에 혼합된 입자 또는 분말은 질산붕소 및/또는 구리 및/또는 다른 금속 및/또는 탄화수소를 함유할 수 있다. 입자 또는 분말 대신에, 배터리 셀 하우징(15)들 사이에 상기된 물질의, 예를 들어 막대와 같은 다른 바디를 사용하는 것이 또한 가능하다. 충전재(53)는 또한 히트싱크의 제조를 위해 사용될 수 있으며, 예를 들어, 아세트산 나트륨 등과 같은 상 변화 물질(PCM)을 함유할 수 있다.
본 발명은 전기 에너지를 제공하는 코어 재료(19)를 수용하기 위한 내부 챔버(18)를 한정하는 배터리 셀 하우징(15)에 관한 것이다. 배터리 셀 하우징(15)은 하우징 외피(16)와 하우징 커버(17)로 이루어진다. 하우징 외피(16)는 플로어(20), 및 하우징 축(G)에 대해 동축으로 플로어로부터 진행하는 하우징 외피 벽(21)을 가진다. 하우징 커버(17)는 냄비 또는 주발 형상의 형태를 가진다. 하우징 커버는 코어 재료(19)가 도입된 후에 플로어(20)로부터 일정 거리에서 하우징 외피 벽(21) 내로 삽입된다. 하우징 외피 벽(21)은 접힘 이음부(31), 바람직하게 이중 접힘 이음부에 의해 하우징 커버(17)에 기계적으로 연결된다. 본 발명에 따라서 일체로 이어지는 연결은 없다. 접힘 이음부(31)는 하우징 축(G)을 향해 반경 방향으로 내향하여 구현되고, 하우징 축(G)으로 반경 방향으로 볼 때 하우징 외피 벽(21)의 외부면보다 하우징 축(G)에 더욱 근접하여 위치된다.
15 : 배터리 셀 하우징
16 : 하우징 외피
17 : 하우징 커버
18 : 내부 챔버
19 : 코어 재료
20 : 플로어
21 : 하우징 외피 벽
22 : 원주 섹션
23 : 연결 섹션
24 : 하우징 개구
29 : 커버 부분
30 : 가장자리 부분
31 : 접힘 이음부
32 : 측 방향 섹션
33 : 플랜지 섹션
34 : 지지 돌출부
35 : 인서트 부분
38 : 접이 디바이스
39 : 제1 공구
40 : 제2 공구
41 : 제3 공구
45 : 제1 커버 접힘 섹션
46 : 제2 커버 접힘 섹션
47 : 제1 외피 접힘 섹션
48 : 제2 외피 접힘 섹션
50 : 상부 가장자리
51 : 상승부
53 : 충전재
A : 축 방향
B : 영역
F : 변형력
G : 하우징 축
M : 중공 원통의 곡면
R : 반경 방향
x : 자유 공간

Claims (13)

  1. 전기 에너지를 제공하는 코어 재료(19)를 수용하기 위한 내부 챔버(18)를 구비하는 배터리 셀 하우징(15)으로서,
    플로어(20), 및 하우징 축(G)을 둘러싸는 하우징 외피 벽(21)을 가지는 하우징 셀(16)로서, 상기 하우징 외피 벽은 상기 플로어(20)로부터 멀어지게 축 방향(A)으로 연장되는 중공의 원통형 원주 섹션(22) 및 상기 플로어(20)에 대향하는 축 방향 측면 상에서 상기 원주 섹션(22)에 접합되는 연결 섹션(23)을 가지며, 상기 연결 섹션(23)은 하우징 개구(24)를 한정하는, 상기 하우징 외피, 및
    상기 축 방향(A)에 대해 비스듬하게 또는 직각으로 연장되는 커버 부분(29), 및 상기 커버 부분(29)에 접합되고 상기 하우징 축(G)을 둘러싸는 가장자리 부분(30)을 가지는 하우징 커버(17)로서, 상기 가장자리 부분(30)의 외측 치수는 상기 하우징 외피 벽(21)의 연결 섹션(23)의 내측 치수와 최대로 대응하는, 상기 하우징 커버를 포함하며,
    상기 하우징 커버(17)의 커버 부분(29)은 상기 하우징 외피 벽(21)의 원주 섹션(22)에 의해 둘러싸이며, 상기 가장자리 부분(30)은 상기 하우징 개구(24)가 폐쇄되도록, 상기 하우징 축(G)을 향해 내향하여 플랜지로 되는 접힘 이음부(31)에 의해 상기 하우징 외피 벽(21)의 연결 섹션(23)에 연결되는, 배터리 셀 하우징.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접힘 이음부(31)는 중공의 원통 곡면(M)에 의해 한정된 영역 내측에 완전히 배열되며, 상기 원주 섹션(22)의 외부면은 상기 중공의 원통 곡면(M)을 따라서 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하우징 외피(16)뿐만 아니라 상기 하우징 커버(17)는 상기 중공의 원통 곡면(M)에 의해 한정된 영역 내에 완전히 배열되며, 상기 원주 섹션(22)의 외부면은 상기 중공의 원통 곡면(M)을 따라서 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 상기 하우징 외피 벽(21)의 원주 섹션(22)의 내측 치수 및/또는 외측 치수는 일정한 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 상기 하우징 커버(17)의 적어도 하나의 지지 돌출부(34)는 상기 내부 챔버(18)를 향하는 상기 하우징 외피 벽(21)의 내부면 또는 상기 원주 섹션(22) 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  6. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서, 상기 접힘 이음부(31)는 이중 접힘 이음부로서 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서, 상기 하우징 커버(17) 및/또는 상기 하우징 외피(16)는 각각 이음매 또는 이음부들 없이 원피스로 만들어지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서, 상기 하우징 커버(17)의 가장자리 부분(30)은 서로에 대해 동축으로 배열되는 제1 커버 접힘 섹션(45) 및 제2 커버 접힘 섹션(46)을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  9. 제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서, 상기 하우징 외피 벽(21)의 연결 섹션(23)은 서로에 대해 동축으로 배열된 제1 외피 접힘 섹션(47) 및 제2 외피 접힘 섹션(48)을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  10. 제8항 및 제9항에 있어서, 상기 제1 외피 접힘 섹션(47)은 상기 제1 커버 접힘 섹션(45)과 상기 제2 커버 접힘 섹션(46) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  11. 제8항 및 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 제2 커버 접힘 섹션(46)은 상기 제1 외피 접힘 섹션(47)과 상기 하우징 외피 벽(21)의 원주 섹션(22) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  12. 제8항 및 제9항 또는 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 제1 커버 접힘 섹션(45)은 상기 제1 외피 접힘 섹션(47)과 상기 제2 외피 접힘 섹션(48) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
  13. 전기 에너지를 제공하는 코어 재료(19)를 수용하기 위한 내부 챔버(18)를 구비하는 배터리 셀 하우징(15)의 제조 방법으로서,
    - 플로어(20), 및 하우징 축(G)을 둘러싸는 하우징 외피 벽(21)을 가지는 하우징 외피(16)를 제공하는 단계로서, 상기 하우징 외피 벽은 상기 플로어(20)로부터 멀어지게 축 방향(A)으로 연장되는 중공의 원통형 원주 섹션(22) 및 상기 플로어(20)에 대향하는 축 방향 측면 상에서 상기 원주 섹션(22)에 접합되는 연결 섹션(23)을 가지며, 상기 연결 섹션(23)은 하우징 개구(24)를 한정하는, 상기 단계,
    - 상기 축 방향(A)에 대해 비스듬하게 또는 직각으로 연장되는 커버 부분(29), 및 상기 커버 부분(29)에 접합되고 상기 하우징 축(G)을 둘러싸는 가장자리 부분(30)을 가지는 하우징 커버(17)를 제공하는 단계로서, 상기 가장자리 부분(30)의 외측 치수는 상기 하우징 외피 벽(21)의 연결 섹션(23)의 내측 치수와 최대로 대응하는, 상기 단계,
    - 상기 연결 섹션(22)이 상기 가장자리 부분(30)를 둘러싸도록, 상기 하우징 외피 벽(21) 내로 상기 하우징 커버(17)를 삽입하는 단계, 및
    - 상기 연결 섹션(23)과 상기 가장자리 부분(30) 사이에 접힘 이음부를 구현하는 단계를 포함하며, 상기 연결 섹션(23)과 상기 가장자리 부분(30)은 상기 하우징 축(G)을 향하여 플랜지로 되는 방법.
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