NO163793B

NO163793B - Ventil for vannpaafylling av elektrokjemiske akkumulatorbatterier.

Info

Publication number: NO163793B
Application number: NO871546A
Authority: NO
Inventors: Per Enar Lennart Frode
Original assignee: Sab Nife Ab
Priority date: 1985-08-14
Filing date: 1987-04-13
Publication date: 1990-04-09
Also published as: SE8503797D0; AU6282386A; AU584460B2; EP0270547B1; ES2008878A6; WO1987001172A1; DK190987D0; IN166662B; SE448650B; NO871546D0; JPS63501827A; YU143486A; DE3663845D1; NO163793C; ZA865083B; DK160575C; DK160575B; CA1272755A; CN1011330B; BR8607172A

Description

Oppfinnelsen angår en ventil for påfylling av vann på elektrokjemiske akkumulatorbatterier, omfattende et ventilhus forsynt med en innløpsport med en innløpsåpning til ventilhuset og en utløpsport. En ventil av denne art er ment å skulle utgjøre en del av en anordning som omfatter nivåkontrollerende organer for hver celle i et batteri for tilførsel av vann til cellen til et forhåndsbestemt maksimumsnivå, idet organene er forbundet med en ledning for tilførsel av vann og lufting av cellenes gassrom, samtidig som den ene ende av ledningen er tilkoblet en ventil i henhold til oppfinnelsen til regulering av vanntil-førselen og ledningens andre ende gir lufting til atmosfæren via et stigerør.

En rekke forskjellige anordninger for tilsetning av vann til elektrokjemiske akkumulatorbatterier er allerede kjent. Felles for disse er at hver celle har organer som tillater tilførsel av vann til et forhåndsbestemt maksimumsnivå. Funksjonen av disse organer kan baseres på den hydrostatiske effekt eller på flottører i forskjellige varianter. Organene er forbundet i serie- eller parallellkobling med en forrådsbeholder for vann.

Systemene skiller seg først og fremst med hensyn til anord-ningen av vanntilførselen til de nivåkontrollerende organer. Denne oppgave kan synes triviell, men har i praksis vist seg vanskelig å løse med hensyn til kravene om fleksibilitet i utførelsen og lav kostnad. Et hensiktsmessig system bør nemlig kunne benyttes på:

<*> batterier med cellene plassert gruppevis i ulike plan,

f.eks. i en trinnformet ramme, på hyller anbragt vertikalt under hverandre eller på et skråplan såsom et gulv som

skråner mot en dreneringskanal i gulvet,

<*> batteriinstallasjoner i skjult eller ikke lett tilgjengelig stilling såsom i jernbanevogner og diesellokomotiver

e.l. ,

* batterier hvis celleomslutninger kan vise betydelige ulik-heter hva angår materiale, konstruksjon og dermed også trykkfølsomhet, hvorfor de utøvede over- og undertrykk bør

være små, slik at beholdervolumet ikke påvirkes i vesentlig grad eller man risikerer brekkasje; følgelig bør enhver serie av nivåkontrollerende organer som er koblet sammen via en innløpsmateledning, være kort av hensyn til det uunngåelige trykkfall i ledningen, idet fyllingstiden ellers

ville bli uakseptabelt lang,

<*> batterier som varierer i størrelse fra bare noen få celler opptil flere hundre celler; i tilfelle av større batterier er det på grunn av risikoen for lekkasjestrømmer nødvendig at disse deles opp i et hensiktsmessig antall cellegrupper, som kan få tilført vann gjennom separate ledninger.

Tidligere er der i GB 1 142 633 vist et fyllingssystem som benytter en forrådsbeholder anbragt nedenfor utløpsnivået for de nivåkontrollende organer i cellene. Fra forrådsbeholderen føres vannet ved hjelp av en pumpe enten direkte til de nivåkontrollerende organer eller indirekte til disse via et høyere anbragt reservoar med tilførsel til cellene ved tyngdekraften. Eventuelt overskuddsvann returneres ved tyngdekraft til den lavere anbragte forrådsbeholder. Dette opplegg krever tilgang på nettstrøm og er uegnet for flercellebatterier, hvor en rekke separate vanntilførselsgrener er nødvendige.

En lignende anordning er vist i GB 2 041 629, som skiller

seg fra den ovenfor beskrevne anordning hovedsakelig ved at vannet fra en forrådsbeholder suges inn i de nivåkontrollerende organer ved hjelp av en pumpe tilsluttet forrådsbeholderen.

Dette system lider av de samme ulemper som systemet ifølge

GB 1 142 633. Dessuten kan der oppstå undertrykk som kan skade cellene. Ved innføring av en påfyllingsbeholder i serie mellom forrådsbeholderen og cellene ved en slik høyde at væskenivåene i påfyllingsbeholderen og cellene hovedsakelig er det samme, kan skadelige undertrykk unngås, slik det fremgår av SE 7910526-8. Denne anordning benytter et sentralforråd av batterivæske, hvorfra en pumpe fører væske til den før nevnte påfyllingsbeholder på cellene. Herfra suges væsken via de nivåkontrollerende organer til cellene, og et eventuelt overskudd returneres til forrådsbeholderen. Denne kompliserte anordning er bare egnet til fylling av batterier med forholdsvis få celler plassert på samme plan.

Kontrasterende enkel er en anordning beskrevet i DE 23 03 244, hvor celler med nivåkontrollerende organer forsynes med vann ved tyngdekraft fra en forrådsbeholder plassert over cellenes elektrolyttnivå. På tross av dets enkelhet er dette prinsipp ikke anvendelig på flercellebatterier, hvor de nødvendige nivåbeholdere ville resultere i et anlegg som er vanskelig å overvåke og tungvint å vedlikeholde.

Kjente systemer slik som de som er nevnt ovenfor, kan være

vel egnet for visse anvendelser, skjønt de mangler den nød-vendige fleksibilitet for å være i stand til å tilfredsstille de varierende krav som kan stilles til en påfyllingsanordning i henhold til den ovenstående kravliste, med sikte på å oppnå reduserte vedlikeholdskostnader gjennom lavere tilsynsbehov og/eller raskere service av batterianlegg under bibeholdelse av høy driftssikkerhet forbundet med lave fremstillings- og installasj onskostader.

Dette problem løses ved den foreliggende oppfinnelse ved hjelp av en ventil som tjener til regulering av vanntilførselen, og som er karakterisert ved at en i ventilhuset tettende anordnet membran er forspent ved hjelp av en fjær mot en vegg som er anordnet inne i ventilhuset konsentrisk med innløpsåpningen, og som deler et rom avgrenset av membranen og ventilhuset i et indre kammer med sirkulært tverrsnitt mot membranen og et ytre kammer som har ringformet tverrsnitt mot membranen og står i forbindelse med utløpsåpningen via en innsnevret åpning, og at membranen ved sitt sentrum er forsynt med en spindel som går fritt gjennom innløpsåpningen, som på denne måte reduseres til en ringformet spalte, og som utenfor innløps-åpningen har et kjegleformig utvidet parti hvis tverrsnitt øker med avstanden til innløpsåpningen og som er beregnet på

å skaffe en tetning når fjæren gir etter for membranen.

En tilsynelatende lignende reguleringsventil er kjent fra

FR-PS nr. 2189671. Denne ventil har imidlertid en vesensfor-skjellig reguleringsfunksjon sammenlignet med ventilen i henhold til den foreliggende oppfinnelse. I den førstnevnte ventil reguleres strømningsvolumet av en membran som påvirkes av en trykkforskjell mellom et styretrykkammer på hver side av membranen, mens strømningsvolumet ved ventilen i henhold til den foreliggende reguleres av mottrykket som påfyllingsvæsken utøver mot membranen.

Ventilen i henhold til oppfinnelsen kan som allerede nevnt, danne en del av en anordning for påfylling av vann på elektrokjemiske akkumulatorbatterier, inneholdende nivåregulerende organer som tillater tilførsel av vann til hver celle i et batteri opp til et forhåndsbestemt maksimumsnivå, idet organene er forbundet med en ledning for tilførsel av vann og lufting av gassrommene i cellene, samtidig som den ene ende av ledningen er tilkoblet en ventil i henhold til oppfinnelsen for å regulering av vanntilførselen og den andre ende av ledningen gir lufting til atmosfæren via et stigerør. I en anordning av denne art bør ventilen være anbragt i nær tilknytning til et nivåregulerende organ.

En forrådsbeholder for vann kan i henhold til en utførelse

være anbragt tilstrekkelig høyt over ventilen til at dennes åpningstrykk skal være mindre enn vannets trykkhøyde.

Alternativt kan en pumpe, fortrinnsvis en sentrifugalpumpe, føre vann fra en forrådsbeholder til ventilen med et trykk som er større enn ventilens åpningstrykk.

Stigerøret munner fortrinnsvis ut i en eksplosjonshemmende ventil.

Cellene kan være anordnet på ett og samme plan eller på forskjellige plan såsom i en trinnformet ramme.

I en utførelse som er spesielt egnet for flercellebatterier, kan cellene gruppevis via de nivåkontrollerende organer være seriekoblet med en ledning for tilførsel av vann og lufting av cellene, samtidig som hver ledning i nær tilknytning til sin ene ende er forbundet med en ventil til regulering av vanntilførselen og ved den andre ende er forbundet med et stigerør.

Hver cellegruppe er forbundet med en tilførselsledning og kan hensiktsmessig bestå av 1-30 celler. Ventilene kan hensiktsmessig være forbundet i parallellkobling med en forrådsbeholder for vann.

Uttrykket "vann" skal forstås slik at det betegner en hvilken som helst annen batterivæske.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningen, hvor

fig. 1 er et snitt gjennom et eksempel på en ventil i henhold til oppfinnelsen.

fig. 2 viser ventilens virkemåte i tre forskjellige ventil-stillinger A, B og C,

fig. 3-6 viser skjematisk forskjellige anordninger til vannpåfylling i henhold til oppfinnelsen, og

fig. 7 er et vertikalt snitt gjennom en ventil i henhold til oppfinnelsen forbundet med et nivåkontrollerende organ i en elektrokjemisk celle.

Henvisningstallet 10 er benyttet på figurene for å angi en ventil i henhold til oppfinnelsen for påfylling av vann på elektrokjemiske akkumulatorbatterier. Ventilen består av et ventilhus 12 med sirkulært tverrsnitt og forsynt med en inn-løpssport 14 som har en sirkulær åpning 16 som vender mot ventilhuset og tjoner som ventilsete, og med en utløpsport 18 med en innsnevret åpning 20 som vender mot ventilhuset.

Et deksel 22 som er festet på ventilhuset ved hjelp av skruer 23, forbinder tettende en membran 24 med ventilhuset, men har en åpning 25 til den omgivende atmosfære. En fjær 26 som støtter seg mot dekselet 22, forspenner også membranen 24 mot en vegg 28 som er anordnet konsentrisk med innløpsåpningen 16 inne i ventilhuset, idet veggen deler rommet inne i ventilhuset i et indre kammer 30 og et ytre kammer 32, hvorav det indre kammer har ringformet tverrsnitt mot membranen. Ved sentrum av membranen går en ventilspindel 34 fritt gjennom innløpsåpningen 16, som på denne måte reduseres til en ringformet spalte. Utenfor innløpsåpningen 16 har ventilen et kjegleformet parti 36, hvis tverrsnittsflate øker med avstanden til ventilsetet 16, og som er beregnet på å skaffe ikke bare en variasjon i spalteflaten, men også en tetning når fjæren 26 gir etter for membranen 24. Membranen 24 kan hensiktsmessig støpes i gummi, f.eks. EPDM-gummi, som en integrert enhet sammen med spindelen 34 og det kjegleformede parti 36. Membranen og spindelen kan imidlertid utgjøre separate komponenter som settes sammen på hensiktsmessig måte. Bare det ringformede parti av membranen i det ytre kammer 32 behøver å oppvise noen vesentlig grad av elastisitet. Fjæren 26 kan hensiktsmessig bestå av rustfritt fjærstål, mens ventilhuset 12 og dekselet 22 passende kan sprøytestøpes i et plastmateriale såsom polypropen.

Ventilen har tre forskjellige funksjoner som oppnås med bare

én bevegelig del. Ventilen-har et bestemt åpningstrykk, dvs.

at fluidtrykket i innløpsrøret må overstige en forhåndsbestemt verdi før ventilen lar seg åpne for gjennomstrømning. Straks denne betingelse er oppfylt, vil fluid strømme gjennom ventilen, som deretter vil holde strømningshastigheten på konstant nivå. Den tredje funksjon kommer til virkning når et mottrykk oppstår i utløpsrøret. Da b": ir strømningshastigheten redusert, og ventilen lukker seg helt ved et visst mottrykk.

Disse funksjoner er vitale for at der skal fås kontrollerte betingelser for påfylling av vann på elektrokjemiske akku-mulatorer, og det er i den forbindelse viktig:

<*> at vannstrømningen til cellene justeres på en slik måte

at den vil gi en viss hurtighet og kontinuitet under på-fyllingsforløpet, men ikke vil overstige en viss forhåndsbestemt terskelverdi over hvilken den samtidige lufting av

gassrommet i cellene blir vanskeliggjort eller hindret,

<*> at trykket av vanntilførselen til cellene forblir upåvirket av det vanntrykk som virker på ventilen, og innstilles på

en slik måte at skadelig overtrykk ikke kan oppstå i cellene,

<*> at ventilen har et minimums åpningstrykk for strømning

til cellene, hovedsakelig for å hindre passasje av gass

fra cellene via ventilen, og

<*> at strømningen gjennom ventilen opphører ved et visst mottrykk.

Ventilens funksjoner er vist som stillingene A, B og C på

fig. 2, som for tydelighets skyld er uten henvisningsbeteg-nelser. I stilling A hviler membranen 24 mot veggen 28. Innløpet via 14 er åpent mot det indre kammer 30, men utløpet via det ytre kammer 32 og porten 18 er lukket. Denne tilstand vil herske så lenge innløpstrykket på membranoverflaten i det indre kammer 30 ligger under en av fjærkraften balansert minimumsverdi.

Om denne verdi overskrides, vil fjæren 26 gi etter for membranen 24 og skaffe åpning til det ytre ventilkammer 32 og således til porten 13. Ventilen vil da være i stilling B. Det innkommende vann, hvis trykk nettopp har bragt fjæren til å

gi etter for membranen, vil samtidig også få adgang til det ytre ventilkammer og således virke på hele membranens blottlagte overflate som vender mot kamrene. Fjæren virker da mot en tilsvarende større kraft, som utvider åpningen mellom membranen og kamrene for å tillate en stabil strømning. På denne måte sikres ventilen en bestemt åpning for gjennomstrøm-ning.

Strømningen gjennom ventilen i stilling B på fig. 2 er kontinuerlig og konstant, forutsatt at mottrykket på utløpssiden er forholdsvis lavt og også konstant. Strømningen reduseres imidlertid når mottrykket øker, og opphører fullstendig ved en viss forhåndsbestemt verdi. Denne tilstand er representert på fig. 2 av stilling C. Fjæren har i dette tilfelle gitt ytterligere etter for membranen, slik at det kjegleformede parti 36 på spindelen 34 tetter mot ventilsetet 16.

Dimensjoneringen av fjæren 26 som regulerer bevegelsene av membranen 24 og også åpningen og lukkingen av innløpsåpningen, bestemmer ventilens driftstrykk, dvs. minimumstrykket for at den skal åpne seg mot det ytre ventilkammer, og trykket for lukking av innløpet 16. Den ønskede strømning bestemmes av passende valg av overflatearealer for innløpsspalten mellom innløpet 16 og det kjegleformede parti 36 av spindelen og for utløpsåpningen, dvs. innsnevringen 20. Justerbar kalibrering av fjæren 26 kan naturligvis oppnås, hvis det anses fordelaktig, ved hjelp av et justerbart feste i dekselet 22.

Ved kontinuerlig strømning vil membranen vekselvis øke og redusere innløpsspalten, dvs. at den vil veksle mellom stillingene B og C på fig. 2 under opprettholdelse av det forhåndsbestemte driftstrykk og således den forhåndsbestemte strømningshastighet gjennom utløpsåpningen. Strømningen gjennom ventilen er upåvirket av variasjoner i trykket på matesiden, forutsatt at dette ligger over minimumstrykket for åpning av ventilen.

Generelt skaffer denne ventil en konstantregulering av en væskestrøm.

De forskjellige funksjoner av ventilen gjør den spesielt velegnet til bruk som en innretning til regulering av vanntilførselen i anordninger til påfylling av vann på elektrokjemiske akkumulatorbatterier. Eksempler på slike anordninger er vist på fig. 3-6. Hver slik anordning inneholder nivåkontrollerende organer 38 som tillater vanntilførsel til hver celle 40 i et batteri 42 opp til et forhåndsbestemt maksimumsnivå 44. De nivåkontrollerende organer 3 8 er forbundet med en ledning 46 for vanntilførsel og for ventilasjon av gassrommene i cellene. En ventil 10 i henhold til oppfinnelsen er forbundet med den ene ende 48 av ledningen 46 like ved et nivåkontrollerende organ. Den andre ende 50 av ledningen 46 er forbundet med et stigerør 52 for lufting til atmosfæren.

I en utførelse som er vist på fig. 3, er ventilen 10 via en ledning 56 forbundet med en forrådsbeholder 58 for vann, anbragt i tilstrekkelig høyde over ventilen til at dens åpningstrykk skal være mindre enn vannets trykkhøyde. Stigerøret 52 munner fortrinnsvis ut i en eksplosjonshemmende ventil 54.

Forrådsbeholderen 5 8 for vann kan også anbringes lavt i forhold til cellene, og i den forbindelse tvinger en pumpe 60 - fortrinnsvis en sentrifugalpumpe - vann gjennom ledningen 56 til ventilen 10, se fig. 4. Cellene kan etter ønske anordnes på

ett og samme plan, som vist på fig. 3-5, eller på forskjellige plan, f.eks. i en trinnformet ramme 62 som vist på fig. 6.

Funksjonen av de nivåkontrollerende organer 3 8 kan illustreres ved hjelp av fig. 7. Denne viser et detaljert bilde av en membranventil 10 i henhold til oppfinnelsen, som via lednings-enden 48 er tilknyttet like ved et nivåkontrollerende organ 38 i den første av en rekke celler 40 som inngår i et batteri 42, f.eks. som vist på fig. 3.

Som nevnt i innledningen er forskjellige typer av nivåkontrollerende organer kjent. Hvilke av disse som velges, har ingen konsekvenser for funksjonen av en vannpåfyllingsanordning i henhold til oppfinnelsen. Organet 38 på fig. 7 viser slange-forbindelser 66 resp. 68 for innløpet og utløpet av vann-strømmen, som føres til cellen 40 fra en forrådsbeholder 58 (ikke vist her) gjennom ledningen 56 og via ventilen 10, ledningen 48 og porten koblingen 66, og deretter føres til neste celle gjennom koblingen 68 og ledningen 46.

Det nivåkontrollerende organ 38 har en nedre og en øvre vannlås 70 resp. 72. Vannstrømningen i organet 38 følger den vei som er angxtt med en fet pil, via en kolonne 74 til elektrolytt-rommet i cellen, samtidig som luft og batterigasser evakueres via en kanal 7 6 langs den vei som er vist med en tynn pil. Vannstrømningen til cellen opphører når elektrolyttnivået har nådd det angitte maksimumsnivå 44. Den nedre åpning av kolonnen 74 er da avstengt av cellens elektrolytt, og et trykk lik det trykknivå som fastlegges av ventilen 10 ved vannlåsen 70, har dannet seg inne i kolonnen 74.

Vannstrømmen fra ventilen 10 kan fortrinnsvis justeres slik

at bare noen få celler, kanskje en fjerdedel til en halvdel av cellene, fylles samtidig i en serie matet fra samme ventil. Den første celle i strømningsretningen tar en større andel

av strømningen enn de følgende celler og blir derfor fylt raskest, og de umiddelbart etterfølgende celler fylles suk-sessivt langsommere. Straks den første celle er full, vil de umiddelbart etterfølgende celler få en større andel av strøm-ningen til fordeling, og fyllingen pågår på denne måte til siste celle i serien er fylt. Vannet føres deretter videre,

se fig. 3, til stigerøret 52 via ledningen 50, hvor det stiger til en høyde som svarer til det mottrykk som er nødvendig for at ventilen 10 skal stenge vannstrømmen.

Ved regulering av strømningen på den angitte måte skaffes rikelig plass til å lede luft og batterigasser bort fra cellene, noe som er viktig om det ønskede fyllingsnivå i cellene med sikkerhet skal oppnås. Ventilen 10 bør være forbundet nær ved og omtrent på et nivå med det første nivåkontrollerende organ 38 i en serie, slik det fremgår av fig. 7, slik at de forhåndsbestemte og deretter ikke justerbare driftsbetingelser

for ventilen kan utnyttes fullt ut. Ventilen sikrer således at de ønskede strømnings- og trykkforhold opprettholdes i påfyllingsanordningen, uansett plasseringen av vannforråds-beholderen, og den sikrer at batterigasser alltid føres bort

fra anlegget via stigerøret, eventuelt gjennom en eksplosjonshemmende ventil 54 anbragt på dette.

Ventilen 10 hindrer også den vannledning 56 som fører fra forrådsbeholderen 58, i å tømmes for vann ved lukkingen av ventilen når der benyttes en lavt anbragt beholder, se fig. 4. På denne måte kan forstyrrelser i funksjonen av de nivåkontrollerende organer 38 unngås, noe som det er risiko for om luftlommer dannes i ledningen 5 6 og føres inn ii ledningen 46 ved åpning av ventilen.

I henhold til en ytterligere utførelse av oppfinnelsen er cellene 40 gjennom de nivåkontrollerende organer 3 8 forbundet i serie i grupper 64 med en ledning 46 for hver gruppe, idet hver ledning 46 ved en ende 48 er forbundet like ved en ventil 10 for å regulere vanntilførselen og ved sin andre ende 50 er forbundet med et stigerør 52. Denne utførelse er vist skjematisk på fig. 5 og 6.

Denne utførelse kan spesielt benyttes ved batterier med et stort antall celler for å sikre den ønskede påfyllingshastighet. Hver serie bør derfor normait ikke bestå av mer enn 30 celler. Antallet er imidlertid avhengig av cellenes størrelse, den ønskede påfyllingshastighet og den relative plassering av cellene etc. Således kan enkelte celler plassert på plan under hverandre behøve sin egen ventil for å funksjonere pålitelig. Det er følgelig fornuftig å sette grensen for en gruppe på mellom 1 og omtrent 30 celler.

Hver ventil 10 er festet til en forrådsbeholder 58 for vann, fortrinnsvis gjennom parallellkobling på en tilførselsledning 56.

Oppfinnelsen gir et meget fleksibelt og allikevel billig system for påfylling av vann på elektrokjemiske, akkumulatorbatterier og kan anvendes på alle strømkilder som behøver vannpåfylling, uansett størrelsen, antallet eller de relative plasseringer av de celler som inngår, og uansett hvorvidt nettstrøm er tilgjengelig eller ikke. Systemet innbefatter en kontrollert gassutslippsanordning og forøvrig et forseglet vannsystem. Det er også robust og vel egnet for både stasjonært bruk og til fremdrift.

Claims

Ventil for påfylling av vann på elektrokjemiske akkumulatorbatterier, omfattende et ventilhus (12) forsynt med en inn-løpsport (14) med en innløpsåpning (16) til ventilhuset og en utløpsport (18) , karakterisert ved at en i ventilhuset (12) tettende anordnet membran (24) er forspent ved hjelp av en fjær (26) mot en vegg (28) som er anordnet inne i ventilhuset konsentrisk med innløpsåpningen (16), og som deler et rom avgrenset av membranen og ventilhuset i et indre kammer (30) med sirkulært tverrsnitt mot membranen og et ytre kammer (32) som har ringformet tverrsnitt mot membranen og står i forbindelse med utløpsporten (18) via en innsnevret åpning (20), og at membranen ved sitt sentrum er forsynt med en spindel (34) som går fritt gjennom innløpsåpningen (16), som på denne måte reduseres til en ringformet spalte, og som utenfor innløpsåpningen har et kjegleformet, utvidet parti (36) hvis tverrsnittsflate øker med avstanden til innløps-åpningen (16), og som er beregnet på å skaffe en tetning når fjæren (26) gir etter for membranen (24).