NO180740B - Toppdel for tetting av en sylindrisk beholder - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører tettede beholdere slik som elektrokjemiske celler, eventuelt alkaliske primær-celler, og mer spesielt en toppdel med et tettende og isolerende organ for slike celler. Det tettende organet har en sentral plattform med et navparti, og plattformen har fler enn to utluftingsmembraner utformet integrert i seg. Utluftings-membranene har hver en tykkelse som er lettere å danne ved injeksjons-sprøyting enn de tykkelser som er nødvendige når det benyttes bare én enkelt utluftingsseksjon.

Den generelle konstruksjonen av tettede, sylindriske galvaniske celler er slik at hovedkomponenten, en anode og en katode, blir samlet i en beholder sammen med de nødvendige separatorer, elektrolytt o.s.v. Vanligvis er den beholderen som cellens hovedkomponenter er samlet i, en positiv katode-kontakt, d.v.s at beholderen og vanligvis dennes bunn-ende utgjør en katode-kontakt for cellen og cellen er lukket ved hjelp av et organ anbrakt i beholderens toppende. Et slikt organ er vanligvis et tettende og isolerende organ som tetter cellen slik at elektrolytt-lekkasje fra denne forhindres, og slik anodekontakten til cellen er isolert fra beholderen ved den motsatte ende av den lukkede bunnende. Det tettende og isolerende organ som heretter kalles toppdelen, er vanligvis dannet av et polymermateriale som kan være sprøytestøpt.

Det er vanlig å inkludere en utluftingsmembran som er dannet i ett stykke med toppdelen. Utluftingsmembranen har vanligvis en tykkelse mindre enn den omgivende tykkelse av toppdelen slik at membranen kan briste ved et forut bestemt indre trykk. Toppdeler med en rekke forskjellige utluft-ingskonstruksjoner er beskrevet i US-patent nr. 4 191 806, 4 237 203 og 4 476 200. Toppdelen som er beskrevet i US-patent nr. 4 476 200 er sprøytestøpt ved å bruke et polypropylen materiale med en smelteindeks mellom 4 og 30. En smelteindeks i dette området muliggjør sprøytestøpning av meget tynne utluftingsmembraner. US-patent nr. 4 191 806 lærer at det er vanskelig å danne tynne utluftingsmembraner når det benyttes hardere plastmaterialer til å lage toppdeler ved hjelp av sprøytestøping. For å få riktig utlufting beskriver dette patentet dannelse av riller i utluftingsmembranen.

Mineralfylte polyolefiner utgjør en klasse materialer som oppviser spesielle problemer når det gjelder å lage toppdeler ved sprøytestøping. Mineralfylte tetnings-organer er beskrevet i Britisk patent nr. 2 149 198. Disse materialene har en høy viskositet i smeltet tilstand, noe som gjør det vanskelig å danne tynne utluftingsmembraner i topporganene ved hjelp av sprøytestøping. Et problem er at utluftings-membranene ikke kan lages tynne nok fordi de mineralfylte polyolefiner ikke lett flyter gjennom det tynne tverrsnittet av sprøyteformen. For å overvinne dette problemet kan membranen innledningsvis dannes tykkere enn ønsket og et bevegelig tapporgan i formen brukes til ytterligere å trykke sammen den seksjonen som danner utluftingsmembranen til den ønskede tykkelse. På denne måten er det mulig å danne utluftingsmembraner som har en tykkelse i området fra 0,06 til 0,12 mm, avhengig av den spesielle cellestørrelse. Denne fremgangsmåten tilveiebringer imidlertid ikke fullstendig uniforme toppdeler, og det er en variasjon i det trykk som er nødvendig for å få membranen til å briste. Et annet problem man støter på ved bruk av mineralfylte polyolefiner, er at det ofte dannes en søm under sprøytestøping der hvor materialet som flyter fra forskjellige retninger gjennom formen, møtes. Denne sømmen påfører en bruddsone i toppdelen.

Fra US-patent nr. 4.075.398 er kjent en teknikk med bruk av en plugg som er plassert i en enkelt luftepassasje i en endehette. Når trykk bygger seg opp inne i cellen, løsner pluggen fra passasjen som den er anbrakt i. Patentet viser ikke noen egentlig utluftingsmembran, og langt mindre en rekke utluftingsmembraner slik som definert i herværende oppfinnelse .

Europeisk patentpublikasjon EP-A-107267 viser en rekke åpninger i et deksel, men det forekommer imidlertid bare en enkelt, fleksibel membranseksjon. Når et trykk bygger seg opp inne i cellen, oppblåses den del av membranen som ligger under hver åpning, gjennom åpningen, og punkteres av innoverragende tenner. Utluftingsmembranene i herværende oppfinnelse revner av seg selv, dvs. de er ikke avhengige av hjelp fra punkter-ingsanordninger for å gi utlufting. Og i ethvert fall er den fleksible membranen som fremgår av den europeiske publika-sjonen, ikke noen integrert del av noen plattform, slik som i herværende oppfinnelsen.

Det er derfor et behov for en toppdel-konstruksjon av den innledningsvis angitte type, som lett kan sprøytestøpes ved bruk av fylte polyolefiner og som innbefatter en pålitelig utluftingsmembran som er lett å støpe.

Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebrakt en

toppdel med de trekk som fremgår av det vedføyde patentkrav 1. Ifølge oppfinnelsen er det dessuten frembrakt en tett elektrokjemisk celle med de trekk som fremgår av det vedføyde patentkrav13. Ytterligere mer spesifikke utførelser av oppfinnelsen fremgår av de vedføyde uselvstendige kravene.

Trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil bli nærmere diskutert nedenfor under henvisning til de vedføyde figurer, hvor: Fig. 1 viser et oppriss av et tettende og isolerende organ laget i samsvar med foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 viser et bunnriss av det tettende og isolerende organ på figur 1; Fig. 3 viser et sideriss av det tettende og isolerende organ på figur 1; Fig. 4 viser et vertikalt tverrsnitt gjennom toppdelen på figur 1, tatt langs linjen A-A; Fig. 5 viser et vertikalt tverrsnitt gjennom det øvre parti av en ukrympet galvanisk celle med en beholder med en avsats og en toppdel laget i samsvar med foreliggende oppfinnelse; Fig. 6 viser et vertikalt tverrsnitt gjennom det øvre parti av en ukrympet galvanisk celle med en kanne med innadrettet vulst og en toppdel laget i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

Det vises nå til figurene 1-5 hvor det er vist et typisk tettende og isolerende organ laget i henhold til foreliggende oppfinnelse og av en type som kan brukes for tette alkaliske celler. Den topp delen som er vist på figurene, er konstruert for bruk i en alkalisk celle av størrelse "AA". En fagmann vil imidlertid lett kunne innse hvordan konstruksjonen med flere utluftingsorganer kan modifiseres for bruk i andre celler på bakgrunn av de betraktninger som framsettes neden-under .

Den tettende og isolerende toppdelen 10 har en skive-formet plattform 18 som er sammensatt av vekslende tynne seksjoner 20 og tykke seksjoner 22 og et sentralt, sylindrisk navparti sammensatt av en øvre del 14 og en nedre del 16. De tynne seksjonen 20 av plattformen 18 som diskuteres nærmere nedenfor, virker som utluftingsmembraner for toppdelen10. I foreliggende foretrukne form av oppfinnelsen rager et organ 36 med form som en avkortet kjegle, nedover fra omkretsen fra den sentrale plattform 18. Et ringformet bunnorgan 38 strekker seg utover fra den nedre ende av organene 26 og strekker seg så oppover og danner en ytre vegg 34 som omfatter en utadrettet skulder 42, og en øvre rand 44. Organet 36 med form som en avkortet kjegle, det ringformede bunnorgan 3 8 og det nedre parti av den ytre veggen 34 danner en omkretsmessig brønn som er i stand til å inneholde eventuelt celleinnhold som kan unnslippe under utlufting.

Som nevnt ovenfor omfatter plattformen 18 tynne og tykke seksjoner 20, 22. Antallet vekslende tynne og tykke seksjoner kan variere. For en alkalisk celle av størrelse "AA" foretrekkes det at toppdelen 10 omfatter 3 tynne seksjoner 2 0 og 3 tykke seksjoner 22. Overflatematerialet og tykkelsen til hver utluftingsmembran 2 0 er bestemmende for det trykk som er nødvendig for å sprenge utluftningsmembranen. Hvis overflate-arealet til en enkelt membran er for stort, kan membranen bule utover når det indre celletrykk stiger. En slik virkning kan gjøre utluftingen upålitelig fordi det punkt hvor bulen brister, ikke kan forutsies. For å holde utbulingseffekten på et minimum bør derfor overflatearealet til hver utluftingsmembran ikke overstige en spesiell verdi. For AA-toppdelen som er beskrevet her, er denne verdien omkring en seksdel av overflatearealet til det ringformede organ 18. Utluftings- membranene 20 bør alle ha hovedsakelig samme størrelse og tykkelse slik at de alle er konstruert for utlufting ved tilnærmet samme trykk.

Toppdelen 10 blir ofte brukt i forbindelse med en for-sterkende metallring 48 som vist på figur 4. Forsterkningsringen gir understøttelse for toppdelen 10 under krympning. Således kan det av figur 4 sees hvorfor utbulning av utluftingsmembranene 2 0 bør holdes på et minimum. Hvis utluftingsmembranene 2 0 bulet utover slik at de kom i kontakt med forsterkningsringen 48, ville membranen ikke briste og det indre celletrykket ville fortsette og stige.

Det høye arealet til utluftingsmembranene muliggjør bruken av en tykkere utluftingsmembran uten å øke det trykk som er nødvendig for å oppnå utlufting. For eksempel har en celle med størrelse "AA" med en toppdel som vist på figur 1, en total diameter på omkring 1,3 cm. Hver utluftingsmembran har en tykkelse på 0,018-0,02 cm og et areal på omkring 0.06 cm<2>som er omkring 17% av arealet til plattformarealet bortsett fra navet. En stor "AA"-celle som har en slik topp, kan for eksempel konstrueres for utlufting ved et trykk i størrelsesorden 7,6 MPa. Til sammenligning har en enkelt, sirkulær utluftingsmembran som passer innenfor en 60 graders seksjon av det ringformede organ, et areal på omkring 0,04 cm<2>og krever bruk av en tynnere membran, for eksempel en som har en tykkelse mellom 0,006-0,012 cm for utlufting ved omkring 7,6 MPa. De tykkere utluftingsmembranene som kan brukes i toppdelen i følge oppfinnelsen, kan lettere støpes ved sprøytestøping uten behov for bevegelige tapper. Avhengige av cellestørrelsen kan tykkelsene på utluftingsmembranen variere så lite som 0,006 cm for celler mindre enn "AA" til så meget som 0,04 cm for større celler slik som størrelse "C" og "D". Hvis videre åpningen for innsprøyting av den smeltede polymer inn i formen er anbrakt ved midten, d.v.s der hvor det sentrale navparti er anbrakt, blir utluftingsmembranene dannet jevnt etterhvert som det smeltede materiale flyter utover mot toppdelens omkrets. På denne måten dannes det ingen sømmer eller bruddsoner. Dette resulterer i meget mer pålitelige

utluftingsegenskaper for toppdelen 10.

To ytterligere fordeler ved bruk av toppkonstruksjonen i følge foreliggende oppfinnelse, er forbedret pålitelighet av strukturen med flere utluftingsmembraner og forsterket diffusjon av hydrogengass. Med hensyn til pålitelighet virker toppdelen med flere utluftingsmembraner på følgende måte. Selv om hver utluftingsmembran stort sett har lik størrelse, form og tykkelse og teoretisk vil briste ved det samme trykk, er det mulig at bare en ventileringsmembran innledningsvis vil åpne seg for å avlaste indre trykk. I noen tilfeller når en celle luftes ut, kan celleinnholdet delvis bli drevet ut. Dette kan plugge igjen utluftingsåpningen og få det ytre trykk til å stige ytterligere. Foreliggende oppfinnelse sørger for at en annen utluftning skjer med en av de gjenværende utluftingsmembraner. For en celletopp med en membran kan derimot en annen utlufting ikke skje, og det indre trykk kan stige til uønsket høye nivåer. Etterhvert som antallet utluftings-membraner øker, for eksempel med en celletopp med tre utluftingsmembraner som vist på figur 1, blir mekanismens pålitelighet øket, og frigjøring av indre trykk blir sikret.

Konstruksjonen av toppdelen ifølge foreliggende oppfinnelse gir øket hydrogendiffusjon p.g.a det store overflate-arealet til de kombinerte utluftingsmembraner. Dette er særlig gunstig i alkaliske celler hvor små mengder hydrogengass blir generert under en celles levetid. Det totale utluftingsområde som er diskutert ovenfor under henvisning til figurene, er omkring 45-50% av det totale arealet av den sentrale plattform (ikke innbefattet det området som opptas av navet som diskutert ovenfor). Mens et totalt utluftingsareal på minst 3 0% (d.v.s hver ventileringsmembran er 10%) av plattformen ville gi riktig utlufting, er det ønskelig å benytte et høyere overflateareal på utluftingsmembranene for å forsterke hydrogendiffusjon. Derfor ville det være ønskelig å maksimalisere utluftingsarealet for å maksimalisere hydrogendiffusjonen, samtidig som den strukturelle helheten av toppdelen ikke ødelegges. Hvis den langsomme utlufting av hydrogengass var det viktigste kriterium ved konstruksjon av en toppdel, så ville den optimale konstruksjon være en plattform som i sin helhet er sammensatt av tynne utluftings-seksjoner, atskilt av de vertikale støtteribber som diskuteres nedenfor. Avhengig av det ønskede resultat omfatter således foreliggende oppfinnelse en toppdel med flere utluftings-seksjoner hvor det totale utluftingsareal ligger i området fra 30% til 100% av plattformens overflateareal.

Det foretrekkes at toppdelen 10 ytterligere omfatter vertikale avstivnings-ribber 24 som strekker seg oppover og radielt utover fra det sentrale navorgan. Ribbene 24 er dannet ved sammenføyningen av de tynne seksjoner 2 0 og de tykke seksjoner 22. Det foretrekkes at ribbene strekker seg utover til litt innenfor den ytre omkrets av plattformskiven og strekker seg oppover til litt lavere enn høyden av den ytre veggen 34. Disse ribbene gir ytterligere strukturell under-støttelse som bidrar til å minimalisere utbulningen av membranene 20. Understøttende streverorganer 26 er tilveiebrakt på undersiden av toppdelen 10 for å gi ytterligere styrke. Streverne 26 er fortrinnsvis anordnet i en posisjon overfor tilsvarende ribber 24 på oversiden.

Vertikale ribber 46 strekker seg i aksial retning langs den ytre overflaten av veggen 34. Ribbene 46 er fortrinnsvis anordnet med lik avstand omkring den ytre overflate av veggen 34. Antallet og størrelsen av vertikale ribber 46 vil avhenge av cellestørrelsen. For en celle med størrelse "AA", som vist på figur 1-5, kan toppdelen ha ti slike vertikale ribber. Ribbene 46 er konstruert for å skape en presspasning med en del av innerveggen til en cellebeholder. Etter at en anode, katode, og en separator er anbrakt inne i en cellebeholder, blir således toppdelen 10 presset på plass og blir holdt på plass ved hjelp av ribbene 46. Cellene kan så punkteres uten fare for tap av celleinnhold før cellen endelig krympes.

Det finnes to vanlig typer krympende celler i generell bruk i elektrokjemiske celler. En type omfatter en beholder med en avsats og den andre typen omfatter en beholder med en innadrettet vulst. Figur 5 viser hvordan skulderen 42 på toppdelen 10 er i inngrep med avsatsen 52 til en celletype med en beholder 50 utstyrt med en avsats. Under krymping vil en del 54 av cellebeholderen 50 bli krympet radielt innover mot randen 44 på toppdelen 10 og skape en tetning mellom disse. Likeledes viser figur 6 hvordan skulderen 42 til toppdelen 10 vil være i inngrep med den innadrettede vulst 62 i celletypen med beholder 60, slik at et parti 64 av cellebeholderen 60 likeledes kan krympes radielt innover mot toppdelen10.

Som fastslått tidligere er toppdelen 10 fortrinnsvis laget av et fylt polyolefin materiale. Materialet er fortrinnsvis et mineralfylt polypropylen hvor mineralet er valgt fra den gruppe som består av talkum, kalsiumkarbonat, glimmer og blandinger av disse. Mineralfyllingen er tilstede i mengder opp til 45%, og fortrinnsvis 15% til 40%. Fyllmaterialet er meget finmalt eller er et fint partikkel-formet materiale. Nesten ingen eksponering av fyllmaterialet viser seg på overflaten av den støpte delen. I denne forbindelse foretrekkes det særlig at omkring 20% fyllstoff blir brukt i toppdelen. Et eksempel på et foretrukket materiale er 20% talkumfylt polypropylen.

I sylindriske celler er den sentrale elektrode vanligvis i form av en stift innsatt gjennom toppdelen eller lukke-organet til cellen. Astivningsribbene 24 tjener også til å gi styrke mellom det sentrale nav og plattformen under innføring av stiftelektroden gjennom en membran som er tilveiebrakt i en aksial boring i navet, for å forhindre brudd av toppdelen under innføring av stiftelektroden.

Andre utførelsesformer enn de som er nevnt spesielt ovenfor, og andre materialer enn de som er nevnt kan selvsagt benyttes, og andre tettede systemer kan benytte foreliggende oppfinnelse uten å avvike fra rammen for de vedføyde krav.

Claims (17)

1. Toppdel for tetting og isolering av den åpne ende av en sylindrisk beholder som er utsatt for indre trykkvariasjoner, hvor toppdelen omfatter et tettende og isolerende organ som omfatter en sentral plattform med et navparti som strekker seg i aksial retning, idet plattformen har fler enn to utluftings-membraner utformet integrert i seg, karakterisert ved at hver utluftingsmembran er konstruert for utlufting ved tilnærmet samme trykk, hvor membranene i kombinasjonen omfatter minst omkring 3 0% av overflatearealet av plattformen når man ser bort fra navpartiet, og at det tettende organet omfatter anordninger for å forsterke toppen.

2. Toppdel ifølge krav 1, karakterisert ved at utluftingsmembranene omfatter 100% av plattformens overflateareal, og at anordningen for å forsterke toppdelen omfatter vertikalt ragende avstivningsribber som strekker seg radielt fra det sentrale navorgan, og hver ribbe er i ett stykke med den øvre overflate av plattformen ved sammenføyningen mellom to tilstøtende utluftingsmembraner slik at ribbene deler plattformen i like store utluftings-membraner.

3. Toppdel ifølge krav 1, karakterisert ved at plattformen er skive-formet, at utluftingsmembranene omfatter opptil omkring 50% av plattformens overflateareal og er anordnet med lik avstand rundt skivens overflate og er adskilt fra hverandre med tykkere, ikke-utluftende partier av plattformen.

4. Toppdel ifølge krav 1, karakterisert ved at anordningen for å understøtte toppdelen omfatter vertikalt ragende avstivnings-ribber som strekker seg radielt fra det sentrale nav-parti, og hver ribbe er i ett stykke med den øvre overflate av platt formen ved sammenføyningen mellom en utluftningsmembran og et tilstøtende ikke-utluftende parti av denne.

5. Toppdel ifølge krav 4, karakterisert ved at det tettende og isolerende organ omfatter tre utluftingsmembraner med lik størrelse som har et totalt overflateareal på omkring 50% av overflatearealet til plattformen bortsett fra navpartiet, og ved at membranene hver har en tykkelse mellom omkring 0,018-0,02 cm.

6. Toppdel ifølge krav 5, karakterisert ved at det tettende og isolerende organ er laget av en mineralfylt polyolefin.

7. Toppdel ifølge krav 4, karakterisert ved at det tettende og isolerende organ videre omfatter et nedadragende organ med form som en avkortet kjegle festet til den ytre omkrets av plattformen, et ringformet bunnorgan festet ved sin indre omkrets til den nedre ende av organet med form av en avkortet kjegle, og en oppadragende ytre vegg festet til den ytre omkrets av det ringformede bunnorgan.

8. Toppdel ifølge krav 7, karakterisert ved at den ytre vegg omfatter en utadragende skulder.

9. Toppdel ifølge krav 7, karakterisert ved at det tettende og isolerende organ videre omfatter understøttende streberorganer som strekker seg utover fra navorganet og er festet til den nedre overflate av plattformer overfor de vertikale støtte-ribber på dennes øvre overflate.

10. Toppdel ifølge krav 9, karakterisert ved at den ytre vegg av det tettende og isolerende organ omfatter vertikale ribber på den ytre overflate av veggen.

11. Toppdel ifølge krav 6, karakterisert ved at det tettende og isolerende organ er dannet av mineralfylt polypropylen hvor mineralet er valgt fra den gruppe som består av talkum, kalsiumkarbonat, glimmer og blandinger av disse, og ved at fyll-stoffet er til stede i en mengde fra 5 til 45 vektprosent.

12. Toppdel ifølge krav 6, karakterisert ved at det tettende og isolerende organ er dannet av 20 vektprosent talkumfylt polypropylen .

13. Tett elektrokjemisk celle med en anode, en katode, en sylindrisk beholder med en åpen ende og et tettende og isolerende organ anbrakt i den åpne ende av cellebeholderen, hvor det tettende og isolerende organ omfatter en sentral plattform som har et sentralt navparti som strekker seg i aksial retning, idet plattformen har fler enn to utluftings-membraner utformet integrert i seg, karakterisert ved at membranene omfatter minst omkring 30 % av overflate-arealet til plattformen bortsett fra navpartiet.

14. Celle ifølge krav 13, karakterisert ved at utluftingsmembranene omfatter opptil omkring 50 % av plattformens overflateareal og det tettende og isolerende lag er laget av en mineralfylt polyolefin.

15. Celle ifølge krav 14, karakterisert ved at det tettende og isolerende organ videre omfatter et nedadragende organ i form av en avkortet kjegle som er festet til den ytre omkrets av plattformen, et ringformet organ festet ved sin indre omkrets til den nedre ende av den avkortede kjegle, en oppadragende ytre vegg som er festet til den ytre omkrets av det ringformede bunnorgan, og hvor den ytre vegg omfatter en utadrettet skulder.

16. Celle ifølge krav 14, karakterisert ved at den sylindriske beholder har en utadrettet avsats anordnet nær sin åpne ende slik at skulderen på det tettende og isolerende organ er i inngrep med avsatsen.

17. Celle ifølge krav 14, karakterisert ved at den sylindriske beholder har en innadrettet vulst anbrakt nær den åpne ende av beholderen slik at skulderen på det tettende og isolerende organ ligger an mot vulsten.