NO750004L - - Google Patents

Description

Beskyttelsesanordning mot brann for et termisk batteri.

Foreliggende oppfinnelse vedrører termiske celler eller batterier og anordninger for polernes kortslutning når cellen eller batteriet blir utsatt for ytre varme, og den dreier seg nærmere bestemiom en varmeavkjennende anordning for å forhindre strøm-avgang fra et termisk batteri som følge av ytre varmetilførsel.

Termiske celler eller batterier er ålment kjente og kan være av den type som er beskrevet.i US-patentskrift 3.677.822. Slike an-vendes vanligvis som strømkilder når det kreves reservebatterier med lang lagringstid. I disse batterier benyttes vanligvis elektrokjemiske celler som på hensiktsmessig kommando aktiveres ved hjelp av indre varmekilder. Dersom slike tidligere kjente batterier blir utsatt for en uønsket eller ukontrollert ytre varmekilde, f.eks. fra flamme, kan varmen være tilstrekkelig for å smelte elektrolytten, med en uønsket aktivering og strømproduk-sjon fra det termiske batteri som følge.

Hensikten med oppfinnelsen er å frembringe en anordning for å forhindre en slik uønsket strømproduksjon som følge av en uventet eller uønsket varm omgivelse. En slik beskyttelsesanordning skal kunne avkjenne termisk energi som kommer inn i batteriet utenfra fra en vilkårlig eller bestemt retning, skal fortrinnsvis ha minst mulig vekt og tykkelse, særlig for romanvendelser hvor massen er kritisk, og den skal ikke kortslutte eller sette batteriet ut av funksjon på annen måte under bruken som strømkilde når den indre varmekilden aktiveres for drift av et system som det termiske batteriet er plassert i.

De formål som er nevnt foran kan ifølge oppfinnelsen realiseres ved hjelp av en anordning som er utformet i overensstemmelse med patentkrav 1.

Ifølge oppfinnelsen er det således frembragt et termisk batteri med en varmeavkjennende anordning som ved at den utsettes for varme fra en varmekilde som er plassert utenfor batteriet,virker slik at batteriets poler blir kortsluttet og det termiske batteriet hindres i å produsere strøm, mens den under batteriets normale drift ikke hindrer eller påvirker batteriets aktivering på ugunstig måte, ved hjelp av et hensiktsmessig styresignal.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere ved hjelp av utførelses former som er valgt som eksempel og som er. illu-strert i tegningen, hvor: Fig. 1 viser et sideriss, delvis i vertikalsnitt, som viser, en utførelsesform av et termisk batteri som er forsynt med den varmeavkjennende anordningen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen.

Fig. 3 viser et batteri ifølge (fig. 1 sett ovenfra.

Fig. 4 viser et bilde i større målestokk av en del av den varmeavkjennende anordningen som er vist i fig. 1. Fig. 5 motsvarer fig. 4 etter at den varmeavkjennende anordningen er blitt aktivert med en ytre varmekilde.

Fig. 6 og 7 viser alternative utførelses former av oppfinnelsen.

I fig. 1 vises et brannsikkert termisk batteri 10 som omfatter

en rekke elektrokjemiske celler 14 som på kjent måte er stablet på en isolerende kjerne. De elektrokjemiske cellene inneholder en anode 16 som er skilt fra naboanoden 16a med en elektrolyttablett 18 og en varmeproduserende tablett 20. En typisk sammensetning og anordning av et termisk batteri og en elektrokjemisk celler beskrives i det ovenfor nevnte US-patentskrift 3.677.822.

En katodeleder 24 er over et elektrisk ledende skikt, som skal beskrives i det følgende, koblet til en positiv polplate 26. En anodeleder 28 er over et ledende materiale og en leder 29, som skal beskrives nærmere i det følgende, koblet til en negativ polplate 30. Inntil den positive og den negative polplate og cellestabelens motsatte sider er det plassert varmeakkumulerendé tabletter 32a hhv. 32b i bérøring med varmeproduserende tabletter 36a hhv. 36b. Stabelen av celler og de mellom dem plasserte forskjellige tablettene holdes i stilling ved hjelp av en kjerne av isolerende materiale og en låseanordning, f.eks. en skrue og en mutter (ikke vist). Den positive polplaten 26 og den negative polplaten 30 tjener som strømuttak under batteriets bruk. Det termiske batteriet er hensiktsmessig innbygget i et hus 34 som kan ligne en vanlig hermetikkboks av blikkplate med tilhørende lokk, eller kan være fremstilt av koldvalset eller strekkpresset stålplate eller et annet hensiktsmessig materiale, så som metall eller plast. Mellom husets 44 vegger og cellestabelen er det inn-satt isolatorer 46a, 46b, 46c som effektivt hindrer varmetap etter at det.termiske batteriet er aktivert. Disse isolatorer tjener også til, sammen med den her beskrevne varmeavkjennende anordningen ifølge oppfinnelsen, og hindre eller retardere utilsik-tet aktivering av det termiske batteriet for produksjon av elektrisk strøm. Isolatormaterialet og dets tykkelse velges på slik måte at en riktig aktivering av den termiske cellen eller det termiske batteriet ikke samtidig aktiverer den varmeavkjennende anordningen under batteriets normale drift. Isolatorene kan være tilvirket av et halvfast isolasjonsmateriale som kan slipes til de ønskede former og som kan motstå de pålagte krefter under batteriets tilvirkning og bruk. Isolasjonsmaterialet kan bestå av en blanding av submikroskopisk pyrogen kiseldioksyd, kvartsfibre og titandioksyd i et vektsforhold på ca.' 79:9:16. Disse bestanddeler kan blandes og presses til en presstetthet på ca. 320 kg/m med en varmekonduktivitet på ca. 25 cal/m.h.°C (0,07 W/m.K) ved en gjen-nomsnittstemperatur på 260 °C. Ethvert annet hensiktsmessig materiale med den ønskede trykkfasthet, lave varmekonduktivitet og lignende, kan benyttes.

Mellom isolasjonsorganet 46b og cellestabelens omkrets kan det anordnes et gap 50 eller fritt rom hvori strenger eller Vulster av ledende materiale som kjent kan dannes under driften.

Det termiske batteriet 10 kan på hensiktsmessig måte aktiveres

ved hjelp av en elektrisk tenner 52 eller lTgnende, som tenner en smeltestrimmel 54 opp til og mellom stabelen av elektrokjemiske celler og det isolerende skikt 56.

Den termiske sikkerhets anordningen, som muliggjør at batteriklem-mene kortsluttes, kan bestå av eller omfatte en laminering, som vist i fig. 1, hvorav en del er vist i større målestokk i fig. 4, plassert mellom alle yttersider av eller utvalgte ytterdeler av isolasjonsmaterialet, så som isolatorene 46a, 46b, 46c og batteri-husets 44 vegger for å forhindre at det termiske batteriet aktive res for tidlig på grunn av varme fra ytre kilder i vilkårlige eller utvalgte retninger. Den termiske sikkerhets anordningen kan bestå av en elektrisk ledende del 60, f.eks. et skikt, en film eller lignende, som er belagt med et lavsmeltende, elektrisk ledende mateiriale i form av et belegg, et skikt eller en utfelning 62 av tinn (smeltepunkt 232°C), bly (smeltepunkt 327°C) eller et annet lavtsmeltende element, eller en lavsmeltende legering, feks. en legering av tinn og bly ved den eutektiske sammensetningen 37 % Pb og 63 % Sn (smeltepunkt 183°C) eller andre metaller eller legeringer med det ønskede smeltepunkt. Det lavtsmeltende skiktet 62a kan legges på den ledende delen eller skiktet 60 på siden midt imot isolasjonsmaterialet 46. Det lavtsmeltende materiale kan an-bringes på skiktet 60 ved elektrolytisk utfelling, vakuumutfelling eller lignende i en tykkelse på ca 75-250 ym. Disse dimensjoner så vel som andre som er angitt, er ikke begrensende så lenge som materialet er tilgjengelig i en mengde som er tilstrekkelig for å.. fylle porene eller frembringe elektrisk kontakt som beskrevet nedenfor.

Det lavtsmeltende metallet eller legeringen kan også plasseres på det ledende skiktet som en plate eller et annet skikt, f.eks. som en bimetallisk materialremse eller -vegg, ved like tykkelser. Med bimetallremser oppfattes for eksempel slike remser av tinn eller jern,.nikkel og tinn eller lignende. De lavtsmeltende skiktene eller beleggene skal ha et smeltepunkt som ligger lavere enn elektrolytttablettenes 18 smeltepunkt og over den omgivelsestempe-ratur som batteriet kan forventes å bli utsatt for under normal bruk. Uttrykket "kortslutning" brukes her i sin vanlige betydning, dvs. en elektrisk krets anses å være kortsluttet når en elektrisk forbindelse etableres mellom de utgående klemmer eller de ledere som fører ut av kretsen, slik at ingen motstand finnes mellom dem og ingen spenning derfor kan oppstå.

På det lavtsmeltende skiktet 62a kan det være plassert et perforert ikke-ledende materiale 64 eller separatormateriale 64 så som perforert glimmer eller glassduk med åpninger som er tilstrekkelig store for å tillate at åpningene gjennomflytes eller gjennom-trenges av det anvendte lavtsmeltende materiale, og tilstrekkelig små for å forhindre uønsket kontakt mellom de lavtsmeltende skiktene 62a, 62b over skiktets 64 perforeringer. En foretrukket størrelse på åpningene er ca 3 mm diameter. Det perforerte mate riale kan ha hvilken tykkelse som helst som tillater flytning av det smeltede tinnet eller et annet lavtsmeltende materiale, for å oppnå elektrisk konduktivitet under bibeholdelse av adskil-lelsen mellom skiktene på motsatte sider av det perforerte materiale. En hensiktsmessig tykkelse på det perforerte skiktet 64 er ca 75-250 ym eller større. Separatormaterialet 64 kan ellers bestå av et for samme formål benyttet luftgap.

Et ytterligere skikt eller en annen form for lavtsmeltende materiale 62b kan som nevnt være plassert på det perforerte isolasjonsmateriale 64 på en side midt imot det lavtsmeltende skiktet 62a. Det andre lavtsmeltende skiktet 62b kan etter ønske bestå av samme materiale som materialet i skiktet 62a eller et annet materiale. Et ledende organ eller materialet 66, f.eks. jern i form av en plate eller lignende, med en hensiktsmessig tykkelse, f.eks. på ca 75-250 ym eller større, er anordnet i elektrisk kontakt med det andre lavtsmeltende skiktet 62b.

En separator eller annet perforert elektrisk isolerende materiale 64 er plassert mellom de lavtsmeltende skiktene 62a, 62b. Ved til-førsel av tilstrekkelig varmeenergi fra en varmekilde som befinner seg utenfor det termiske batteriet, før aktiveringen av de elektrokjemiske cellene som befinner seg i det termiske batteriet, smelter det lavtsmeltende materiale i skiktene 62a, 62b slik at det smeltede materialet flyter gjennom perforeringene og kort-slutter det termiske batteriet, siden, som vist i fig. 1, det indre ledende skiktet er elektrisk tilsluttet cellestabelens katodeplate 26 og over lederen 24 til batteriets ene uttaksstift 87, og det ytre ledende skiktet 66 over lederen 29 er elektrisk tilkoblet cellestabelens anodeplate 30 og over lederen 28 til batteriets andre tilkoblingsstift 88.

Fig. 5 viser de smeltede skiktene 62a, 62b etter at de har gjen-nomtrengt porene i det perforerte materialet og etablett den elektriske kOntakt mellom de elektrisk ledende skiktene 60 og 66 og således kortsluttet batteriet. Det smeltede skiktet 62 om--slutter i hovedsaken det perforerte materialet 64.

Et hvilket som helst hensiktsmessig elektrisk isolasjonsmateriale 68, f.eks. glimmer, kan anordnes over det ledende skiktet 66 for å isolere dette mot batterihuset 44.

Fig. 1 viser en foretrukket utførelsesform hvor den termiske avkjenningsanordningen er plassert som sylinderformete skikt. Disse omslutter hovedsakelig en sentral del av det termiske batteriet, fortrinnsvis rundt cellestabelen som vist. Batterihuset 44 består fortrinnsvis av et varmeledende"materiale, som uavhengig av varmekildens retning eller art transporterer varme til den termiske avkjenningsanordningen og aktiverer denne for å kortslutte batteriets poler og forhindre produksjon av elektrisk strøm fra det termiske batteriet. Fig. 2 viser en alternativ utførelsesform hvor den termiske av-kj ennings anordningen hovedsakelig omslutter hele det termiske batteriet, medregnet isolatorene 46a, 46b, 46c. Fig. 3, som er et planriss av det brannsikre termiske batteriet 10, viser typiske stillinger for hensiktsmessige gjennomførings-isolatorer 80, 82, 84 for motsvarende elektriske ledere 86a, 86b, den positive tilkoblingsstift 87 og den negative tilkoblingsstift 88. Disse gjennomføringsisolatorer benyttes for å oppnå hermetisk tetning på kjent måte.

Selv om det termiske batteriet i den utførelsesform som er vist

i fig. 1 er forsynt med tynne, konsentriske, sylinderformede skikt, kan det være ønskelig å" beskytte bare en del av det termiske batteriet, f.eks. bunndelen, idet et lignende arrangement av skikt kan anordnes bare på den del som skal beskyttes. Forskjellige kon-struksjoner og tilpasninger kan således gjøres for å utnytte oppfinnelsen. Denne termiske sikkerhetsanordning eller brannbeskyt-telsesanordning for termiske batterier gir en kompakt, enkel og lett konstruksjon ved konvensjonelle termiske batterier og beskyt-ter dem mot aktivering i nærheten av flamme. Skiktene, som danner den brannsikre eller termiske sikkerhetsanordning, kan hvert en-kelt ha en tykkelse på fortrinnsvis ca. 125 ym.

Det kan være ønskelig å benytte den konfigurasjonen som er vist

i fig. 6 og 7, hvor det ytre skiktet eller huset 44 benyttes for å erstatte det ledende skiktet 66 og det isolerende skiktet 68. Huset 44 tjener fremdeles som beholder for hele det termiske batteriet 10 og har en tykkelse på ca 0,25 - 1,5 mm eller mer.

Dette skulle eliminere behovet for det ledende skikt 66 og det isolerende skikt 68. Denne utførelsesform skulle.kunne benyttes dersom den ytre beholderen 44 skal kobles elektrisk enten til det postive eller det negative uttaket fra batteriet. Som vist i fig. 7 kan bare ett av de lavtsmeltende materialene 62a være tilstrekkelig for den termiske sikkerhetsanordningen, idet det forut-settes at det smeltede materiale flyter gjennom porene og etable-rer elektrisk kontakt med det ledende skiktet på motsatt side av det perforerte skiktet 64.

I utførelses formene ifølge fig. 4, 5, 6 og 7 har ytre varmetil-førsel til følge at det lavtsmeltende materiale smelter og danner elektrisk kortslutning mellom sluttkatoden 26 og sluttanoden 30.

Oppfinneren har brukt forskjellige utførelses former, f.eks. den som er vist i fig. 1, for å beskytte termiske batterier. Således ble f.eks. brannsikre termiske batterier med en stabel (28 volt) av celler med 50 mm diameter i en boks med 64 mm diameter utsatt for simulerte brannmiljøer. En enhet ble oppvarmet til over 9 00°C og den brannsikre anordningen virket riktig idet varme da ble fjernet før den elektrokjemiske celleaktivering. En annen enhet ble oppvarmet til de termiske cellene ble aktivert etter at den termiske avkjennings- og brannbeskyttelsesanordningen hadde trådt i funksjon. I begge tilfellene ble det ikke registrert noen strøm-produksjon fra batteriet, begge termiske sikkerhetsanordninger ble aktivert og kortsluttet batteriet over strømuttakene og i det andre tilfelle ble det, til tross for cellenes aktivering, ikke registrert noen strømproduksjon siden batteriet var kortsluttet over strømuttakene.

De nevnte forsøk viser at den termiske avkjenningsanordning ifølge oppfinnelsen vil utløses av en ytre varmekilde før batteriet aktiveres og vil kortslutte batteriuttakene for å forhindre strømtap.

Som vist i fig. 1 og beskrevet ovenfor, kan ifølge en foretrukket utførelsesform batteriets strømuttak være seriekoblete med den

termiske avkjennings- og sikkerhetsanordningen som forhindrer strøm fra å å nå den ytre belastning som batterikretsen er tilkoblet i det tilfelle at en indre ledningsbane åpnes på grunn av en høy kortslutningsstrøm. Denne beskrivelse av oppfinnelsen er ikke ment å skulle utelukke andre elektriske sammenstillinger. I en

utførelsesform kan f.eks. polplatene eller sluttelektrodene 26, 30 strekke seg til en ytre del av batterihuset for å danne batte-ripolene, slik at henvisningen til termiske celleelektroder og

batteripoler eller strømuttak anses synonyme. En henvisning til "kortslutning av strømuttakene" eller "kortslutning av deler av uttakene" anses å omfatte "kortslutning av elektrodene". Av beskrivelsen ovenfor fremgår det at en termisk sikkerhetsanordning kan innbygges i et termisk batteri for å frembringe et brannsikkert termisk batteri. Selv om det i beskrivelsen er henvist til et termisk batteri med flere elektrokjemiske eller termiske celler, er det tydelig at oppfinnelsen kan benyttes på et termisk batteri med bare en termisk celle og den brukte betegnelse batte-

ri omfatter den situasjonen hvor "batteriet" bare inneholder en termisk celle. I et brannmiljø eller et annet ytre varmemiljø forhindred således uønsket produksjon av elektrisk strøm fra det termiske batteriet.

Den termiske avkjenningsanordningen eller brannbeskyttelsesanordningen er kompakt, enkel og forholdsvis lett og kan således brukes for rom- og andre formål der dette er av betydning. Selv om det er henvist til at et spesielt uttak er en anode eller katode, er det åpenbart at en vilkårlig av dem kan være katoden eller anoden eller at disse uttak kan være ført gjennom et batterihus på forskjellige steder.

Claims (10)

1. Varmeavkjennende anordning ved et termisk batteri for å forhindre strømproduksjon som følge av ytre varmetilførsel, idet det termiske batteriet er førsynt med et par strømuttak som normalt er elektrisk isolert fra hverandre, karakterisert ved at den består av en kortslutningsanordning omfattende et materiale med lav smeltetemperatur plassert opptil en utside av det termiske batteriet for smelting og elektrisk forbindelse av deler av nevnte strømuttak ved tilførsel av varme i tilstrekkelig mengde fra det termiske batteriets utside.

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at strømuttakene omfatter utgangselektroder i det termiske batteriet.

3. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved et første organ i elektrisk kontakt med det lavtsmeltende materiale, og med det ene strømuttaket, et andre organ i elektrisk kontakt med det andre strømuttaket og et gjennomtrengbart organ som under, normale driftsbetingelser isolerer det lavtsmeltende materiale elektrisk fra det andre organet, for frembringelse av elektrisk kortslutning ved det smeltede materialets kontakt med det første og det andre organet.

4. Anordning i samsvar med krav 3, karakterisert ved at det lavtsmeltende materialet er et skikt med ca 75-250 ym tykkelse og at det første og det andre organet består av skikt med ca. 75-250 ym tykkelse.

5. Anordning i samsvar med krav 3, karakterisert av et lavtsmeltende materiale som befinner seg i elektrisk kontakt med det andre organet, for smelting og elektrisk forbindelse med det lavtsmeltende materiale som står i elektrisk kontakt med det første organet.

6. Anordning i samsvar med krav 3, karakterisert ved at det gjennomtrengbare organet er perforert glimmer, glas-duk eller luft.

7. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det ene av de nevnte organer danner et ytterhus for det termiske batteriet.

8. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det lavtsmeltende materialet er bly, tinn eller en blanding av disse.

9. <;> Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert av en varmeisolering mot varme som utvikles under driften av den termiske cellen, plassert mellom den termiske cellen og det lavtsmeltende materialekiktet.

10. Anordning i samsvar med krav 3, karakterisert ved at det termiske batteriets ene strømuttak, det første organet som befinner seg i kontakt med det lavtsmeltende materialet samt en utgangselektrode fra det termiske batteriet er elektrisk seriekoblet og at batteriets andre strømuttak, det andre organet, og den andre utgangselektroden av det termiske batteriet også er elektrisk seriekoblet.