專利名稱：原電池用的速通密封墊圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是用于原電池的經(jīng)預(yù)壓縮的速通密封墊圈，更具體地說涉及能防止電池內(nèi)所產(chǎn)生的壓力氣體過早排氣的密封裝置。
本發(fā)明的背景技術(shù)原電池在使用中的某些條件下可能產(chǎn)生大量的氣體。由于原電池內(nèi)可能產(chǎn)生的高壓氣體，因此這些電池要始終保持緊密封以防止電解液的泄漏損失。這種壓力氣體如果不通過適當(dāng)?shù)姆绞脚懦觯敲淳涂赡芤痣姵氐男孤?、膨脹或爆破。如果使用排氣閥就要再密封，以避免電池在整個使用壽命中電解液干透，并且防止能夠耗蝕陽極的大氣中的氧進(jìn)入。
過去為釋放密封原電池內(nèi)的高壓氣體使用各種不同的可再密封的減壓排氣閥。其中一種常用的閥是基本上由閥門部件構(gòu)成，如扁平的橡膠墊片，它是通過如螺旋彈簧這樣的回彈部件加偏壓使其進(jìn)入排氣孔上的密封位置?；貜棽考驈椈稍O(shè)計成當(dāng)內(nèi)部氣壓達(dá)到某一預(yù)定值時其能變形，以使其暫時解除密封并使氣體通過排氣孔釋放。
另外一種可再密封的排氣裝置公布于1968年12月10日的Richman的美國專利No.3451690中。在這種排氣裝置中，平面彈性密封墊圈覆蓋著排氣孔處，并且通過電池頂部的回彈端帽能使其維持就位。這種排氣操作和前面所述方式基本相同。
在1972年5月23日公布的Amthor的美國專利No.3664878中，一種可再密封的排氣是將可變形回彈的彈性球覆蓋在電池殼體內(nèi)的排氣孔上。其制動裝置是設(shè)置于排氣孔上的可回彈球上以維持球在排氣孔上就位，并且該球與排氣孔部件外緣所形成的閥座相接觸而使可回彈球壓縮和變形成扁平狀，從而在扁平球和閥座之間形成通常的流體緊密封?？苫貜椙蚩稍跉んw內(nèi)所設(shè)定的高氣體壓力達(dá)到時而經(jīng)受暫時進(jìn)一步的變形以便使密封暫時破壞并使氣體通過排氣孔排出。
另一種高壓可再密封的排氣裝置是一種失效安全排放系統(tǒng)，它記載于美國專利No.3,218,197和3,314,824中。特別在專利′197中公開了一種排氣裝置，其中密封墊圈有薄的截面，當(dāng)電池內(nèi)氣體累積到預(yù)定的高壓值時該薄片密封墊圈就將破裂或“爆裂”。這種排氣裝置的難點就是通過傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)很難獲得用于小直徑電池的密封墊圈的一致的“爆裂”厚度。在專利′824公開了穿孔型安全密封，它包含置于電池密封件內(nèi)的彈簧墊圈，和徑向作用的齒形穿孔墊圈。當(dāng)內(nèi)部氣體累積到預(yù)定壓力時，齒形墊圈相對彈簧墊圈而滑動，齒狀墊圈將使密封墊圈穿孔，從而提供排氣通道。這種排氣裝置需要多個部件組成，因此制造和組裝非常昂貴，并且還不適合小直徑的電池。
美國專利No.4079172公開的密封干原電池，其在殼體頂表面的界面處設(shè)置至少一個排氣通道，再將殼體邊緣卷曲。這種通道定義為置于卷邊下的蓋中的凹口和/或在卷邊部件上的槽口。
美國專利No.5227261所涉及的電化學(xué)電池是由在中心放置的連結(jié)基片的圓柱套節(jié)的密封件組成，該基片有可排氣的膈膜部分和不可排氣的膈膜部分，該套節(jié)的一端延伸到基片的上面，另一端延伸到基片的下面，以與延伸到基片上面的端頭的壓配合使集流器插入其中，可排氣膈膜部分與套節(jié)在界面處相接，形成135～250°的弧形，該界面是基片最薄部分。
美國專利No.4255499涉及一種原電池，它的第一弧形部分與殼體頂外邊緣形成約150°～190°，第一弧形部分弄卷或彎曲在殼體的封口裝置上，這樣當(dāng)電池內(nèi)所產(chǎn)生高壓積累達(dá)到預(yù)定值時，這一壓力導(dǎo)致封口裝置圍繞第一弧形部分和剩余的第二弧形部分之間所形成的徑向軸傾斜或翹起，以便在殼體與殼體頂外邊緣的其余第二弧形部分之間的界面上產(chǎn)生一排氣通道。
如上所述，可再密封的高壓卸壓閥通常是笨重的和/或很難裝配在電池組件上，笨重型安全爆裂排氣裝置并不適用于小電池應(yīng)用，而低壓排氣裝置又不適宜某些電池系統(tǒng)，也不足以防止電解質(zhì)經(jīng)泄漏損失或不足以防止可能引起陽極耗蝕的大氣中氧的進(jìn)入。
因此本發(fā)明的一個重要目的是要提供一個用于原電池的緊湊而且經(jīng)濟(jì)的壓力排氣裝置，它將在電池中實際上占有最小體積，并使電池的最大體積用于裝入電池的有用部件。
本發(fā)明的另一目的是通過使用速通密封墊圈為原電池提供一個預(yù)定壓力的排氣裝置，它容易制造并廉價生產(chǎn)。
本發(fā)明的還一目的是提供能防止原電池內(nèi)氣壓過早地排放的排氣裝置。
通過下面的敘述和附圖，以上和更多的目的將更加充分明顯。
本發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種包含在殼體中的含有陽極電極、陰極電極和電解質(zhì)的電化學(xué)電池，所說的殼體有開口端和閉合端，其中殼體的開口端被密封墊圈所密封，所說的密封墊圈包含帶有直立外圍壁和中心定位的直立壁的基片，形成被稱為開口的套節(jié)，所說的基片有第一片段，它由直立外圍壁向內(nèi)徑向地延伸至被設(shè)置成基本上平行于套節(jié)直立壁的第二片段，所說的第二片段延伸至設(shè)置在第二片段與套節(jié)的直立壁之間的第三片段，所說的第三片段有面向殼體的封閉端的弓形表面和一凹口，凹口優(yōu)選設(shè)置在第三片段的內(nèi)表面，弓形的第三片段在其緊靠著與套節(jié)的直立壁相接處的至少一部分區(qū)域施加了預(yù)壓縮應(yīng)力，優(yōu)選在10°～360°區(qū)域，該壓縮應(yīng)力將延遲由于電池內(nèi)所產(chǎn)生的氣體壓力積累所導(dǎo)致的該區(qū)域內(nèi)拉伸應(yīng)力的沖擊，以便防止電池內(nèi)氣體過早排出。
與套節(jié)的直立壁相連接的第三片段的橫截面的厚度優(yōu)選為在凹口和第二片段之間的第三片段厚度的1/8～3/4。與墊圈的套節(jié)相連接的減薄區(qū)將處于壓縮狀態(tài)，因此能吸收電池內(nèi)氣體積累的初始低壓力，從而防止電池過早排放。連鄰接第一片段和第二片段區(qū)域的橫截面厚度優(yōu)選是第一片段橫截面厚度的1.25～2.5倍。第一片段和第二片段共同作用將提供鉸式裝置，使得施加在墊圈外壁的徑向力經(jīng)第一片段傳到第二片段，依次傳到第三片段。由于第三片段內(nèi)表面有一凹口，該凹口使得第三片段更具撓性，所以作用在第三片段上的力將使第三片段將向內(nèi)彎曲。凹口使第三片段更具撓性，并在殼體朝向墊圈再拉伸和/或卷曲時，第三片段將向內(nèi)彎曲。第三片段的彎曲將在鄰接套節(jié)壁的第三片段區(qū)域處提供一壓縮應(yīng)力。電池最終組裝后，墊圈的第三片段將使鄰接套節(jié)的排氣區(qū)域處于預(yù)壓縮狀態(tài)，并以此延遲作用在墊圈上的拉伸應(yīng)力的沖擊。墊圈能夠經(jīng)受電池內(nèi)積累的預(yù)定壓力，防止電池過早排放，除非電池內(nèi)積累壓力高于此值。墊圈的第三片段被設(shè)計為具有速通特征，這樣第三片段能從面向殼體閉合端的凸彎形狀而快速變?yōu)槊嫦驓んw開口端的凸彎形狀。具有速通特征的新型墊圈由于其墊圈高度最小，這樣的結(jié)構(gòu)將占有殼體內(nèi)部最小的體積，而殼體有最大的內(nèi)部容積用于電池的有用部件。因為具有本發(fā)明墊圈的新型結(jié)構(gòu)，作用在墊圈上電池壓力能夠增加而不會排放。這種特性可由本墊圈第三片段的預(yù)壓縮和速通性能組合作用來實現(xiàn)。
本發(fā)明的墊圈是由多片段構(gòu)成的，它們在電池組裝過程中相互配合，并在墊圈的一片段上預(yù)施一壓縮載荷，將延遲在墊圈排氣區(qū)的拉伸應(yīng)力的沖擊并由此防止電池的過早排氣。本發(fā)明的新型墊圈將會發(fā)現(xiàn)拉伸應(yīng)力的沖擊能夠被抑制，假如需要，對于C-型電池其延遲值高達(dá)內(nèi)壓200磅/英寸2(psi)。電池封口有可能提高在緊鄰套節(jié)的墊圈減薄區(qū)上的壓縮力。
預(yù)壓縮的目的是消除在正常操作壓力作用下由第三片段和套節(jié)壁的相接合所形成的內(nèi)角處的拉伸應(yīng)力。在電池組裝過程中鄰近套節(jié)的墊圈區(qū)域處于壓縮狀態(tài)。鄰近套節(jié)的區(qū)域和套節(jié)壁之間的夾角被定義為內(nèi)角，隨著內(nèi)壓的增加，此內(nèi)角將超過90度。
第三片段減薄區(qū)的厚度優(yōu)選為置于凹口和第二片段之間的第三片段橫截面平均厚度的1/8～3/4。
套節(jié)的直立壁上有凸緣以適應(yīng)電池蓋(內(nèi)蓋)的以中心配置的邊緣。墊圈的直立外圍壁可有凸緣以適應(yīng)內(nèi)蓋外緣。假如需要，可以在墊圈的直立外圍壁上布置肋條或齒圈以使內(nèi)蓋的外緣與墊圈的第一和第二片段夾緊。
最好是內(nèi)蓋帶有適應(yīng)套節(jié)的開口，內(nèi)蓋置于套節(jié)外壁內(nèi)并被夾于外壁和套節(jié)的密封件之間。
與蓋相連接的墊圈最好通過再拉伸和/或?qū)んw的邊緊靠著墊圈和蓋卷曲來與殼體緊密封接。在該實施方案中，墊圈通常是由非導(dǎo)電的合成材料制成，它的作用是絕緣體和阻擋層，用于阻隔空氣和潮氣，并且在經(jīng)受諸如摔落或經(jīng)受振動和/或經(jīng)受強(qiáng)烈的溫度變化和/或潮濕變化和/或濫充電的非正常使用后，仍將有足夠的強(qiáng)度以保持其密封性。
圓柱形堿性電池通常是由容器和放置在容器內(nèi)的部件組成。容器包括一端開口的長形殼體和排氣組件。該排氣組件是由端蓋板、彈性墊圈、內(nèi)蓋和集流器組成。排氣組件插放入殼體的開口端以密封殼體。將殼體外邊向內(nèi)拉伸和/或卷曲以形成密封。
本發(fā)明的密封墊圈所用材料的選擇考慮到了在電解液存在下其能保持穩(wěn)定并具有回彈能力以及抗冷變形能力。適用的聚合物材料是選自尼龍、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯類、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。熟悉該技術(shù)的人也能知到其他適用的材料。在某些應(yīng)用中，其它的保護(hù)措施可以與本發(fā)明的墊圈結(jié)合使用以使密封更有效，例如在墊圈的凸緣表面上涂覆如聚酰胺樹脂或瀝青粘結(jié)劑。本發(fā)明的密封墊圈適合于如塑料注模生產(chǎn)技術(shù)。本發(fā)明墊圈凸緣的表面外形很容易適合從壓模機(jī)、沖模機(jī)等中脫模。該墊圈優(yōu)選是尼龍。端蓋應(yīng)由在與電池內(nèi)物質(zhì)接觸時不產(chǎn)生腐蝕或其他損害的導(dǎo)電材料組成。電池殼體可以由不銹鋼、鐵、鎳、鍍鎳鋼或某些其他導(dǎo)電材料制成。
本發(fā)明還涉及一種制造具有安全特性的壓力排氣閉合結(jié)構(gòu)并能夠防止電池過早排氣的原干電池的方法，其步驟如下(a)在導(dǎo)電殼體中放入隔膜、陽極、陰極和電解液；(b)準(zhǔn)備墊圈，該墊圈包含帶有直立外圍壁和中心定位的直立壁的基片部件，形成定義為開口的套節(jié)，所說的基片部件有第一片段，它由直立外圍壁向內(nèi)徑向地延伸至被設(shè)計成基本上平行于套節(jié)直立壁的第二片段，所說的第二片段延伸至設(shè)置于第二片段與套節(jié)的直立壁之間的第三片段，所說的第三片段是弓形的，這樣它面向殼體的封閉端，并且還帶有一凹口，弓形的第三片段在緊鄰套節(jié)的直立壁處的第三片段的區(qū)域上施加有預(yù)壓縮應(yīng)力，該壓縮應(yīng)力將延遲由于電池內(nèi)所產(chǎn)生的氣體壓力積累所導(dǎo)致的鄰近套節(jié)處的區(qū)域的內(nèi)拉伸應(yīng)力的沖擊，以便防止電池內(nèi)氣體過早排氣。
(c)將內(nèi)蓋、墊圈和集流器組裝入殼體中；和(d)壓延內(nèi)蓋上的墊圈外圍壁上面的殼體的頂部邊緣部分以得密封電池，其中所說的與套節(jié)的鄰接區(qū)處于預(yù)壓縮應(yīng)力狀態(tài)。在本文中，術(shù)語“壓延殼體的頂部邊緣部分”是指再拉伸工序、卷曲工序或其他任何能在墊圈減薄厚度上產(chǎn)生壓應(yīng)力的工序。
在第三片段中的凹口優(yōu)選處于第三片段長度的1/4-3/4之間，更為優(yōu)選處于第三片段長度的1/3-2/3之間。
通過下面的敘述并結(jié)合考慮所附的示意圖將更加理解本發(fā)明，這些示意圖只是對本發(fā)明實施方案的舉例說明，并不意味著對本發(fā)明有任何限制，這些示意圖如下圖1是電池所用的墊圈的部分截面圖。
圖2是已經(jīng)裝配完的原電池的圖1所示墊圈裝置的垂直剖面圖。
圖3是經(jīng)受內(nèi)部高壓后的變形墊圈的部分橫截面圖。
參照圖1～3可以看出，墊圈1包含有一直立的外圍壁4和直立于中心的圓柱套節(jié)6的基片2。設(shè)置在基片2中的位于直立的外圍壁4和直立于中心的圓柱套節(jié)6之間是第一片段8、第二片段10、第三片段12。第一片段8和第二片段10之間所形成角A如圖所示約為70°。如圖2所示凸緣38被設(shè)計為支承內(nèi)蓋19。如圖1所示，11部分的厚度大約為第一片段8的厚度的1.5倍。圖2所示為圖1墊圈裝配在原電池20中。在圖1所示的在減薄區(qū)片段18與套節(jié)6之壁7之間所成的內(nèi)角B約為80°。在墊圈1的第三片段12上有一凹口15。這一凹口15使第三片段12更具撓性并當(dāng)在再拉伸或卷曲殼體到墊圈上的過程中使第三片段向內(nèi)彎曲。第三片段12的彎曲將對鄰接到套節(jié)上的第三片段12的減薄部分18提供一壓應(yīng)力。
圖2是已組裝的堿性二氧化錳-鋅電池20，它包含殼體22及設(shè)置在內(nèi)的由隔膜28分離的的陽極混合物24以及陰極26。陽極混合物24可包含含凝膠劑的顆粒狀鋅和如含水氫氧化鉀的電解液。陰極可含二氧化錳和如石墨類導(dǎo)電物質(zhì)。如圖2所示，圖1的密封圈1被放置在殼體22的開口端，并且密封圈1倚靠在陰極26上。假如需要，可以在密封件和殼體之間的界面處放置密封膠。在殼體22中插入密封墊圈1、蓋19和集流器30后，集流器30與陽極混合物24保持良好的導(dǎo)電接觸。一旦墊圈1座入殼體22內(nèi)、蓋19座入密封圈1內(nèi)，頂蓋32覆蓋在集流器30上，隨后殼體22的環(huán)形緣片34經(jīng)徑向壓向和卷向密封圈1、蓋19、蓋32，由此沿徑向?qū)|圈1密封到殼體22的開口處。
內(nèi)蓋19被設(shè)計成座入在密封墊圈1的套節(jié)6的外壁7之凸緣38上。開口35被布置在內(nèi)蓋19上以及開口37布置在頂蓋32上以使內(nèi)壓排出。
如圖2所示，墊圈1的第三片段12的減薄區(qū)在再拉伸和/或卷曲工序中被施于壓應(yīng)力。這種在墊圈上預(yù)加應(yīng)力推遲了在減薄區(qū)中拉應(yīng)力的沖擊以防止電池氣體過早排氣。圖3所示為圖1和圖2的墊圈1在經(jīng)受電池內(nèi)高壓壓力后，使第三片段12朝外翻轉(zhuǎn)以及使減薄區(qū)18處于被拉伸狀況。假如壓力積累巨大，那么密封圈將速通以排氣。
只要不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍，參照下面所示和陳述的本發(fā)明的具體例子作些其他修改和變動是可以理解的。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)電池，它包含殼體中的陽極電極、陰極電極和電解質(zhì)，所說的殼體有開口端和封閉端，其中殼體的開口端被密封墊圈所密封，該墊圈包括帶有直立外圍壁和中心定位的直立壁的基片，形成定義為開口的套節(jié)，所說的基片有第一片段，它由直立外圍壁向內(nèi)徑向地延伸至基本上平行于套節(jié)直立壁的第二片段，所說的第二片段延伸至置于第二片段與套節(jié)的直立壁之間的第三片段，所說的第三片段有弓形表面，它面向內(nèi)殼體，并且還帶有一凹口，弓形的第三片段在其緊靠著與套節(jié)的直立壁相接處的至少部分區(qū)域施于了預(yù)壓縮應(yīng)力，它將防止電池的過早排氣。
2.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中的凹口的位置處在第三片段長度的1/4～3/4之間。
3.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中在鄰接套節(jié)的第三片段與套節(jié)的直立壁之間所形成的角大約小于90°。
4.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中與套節(jié)相鄰接的第三片段區(qū)域的厚度是位于第三片段的凹口至第二片段之間的區(qū)域厚度的約1/8～3/4。
5.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中套節(jié)的直立壁上有一凸緣。
6.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中蓋帶有開口以適應(yīng)套節(jié)，并放置在墊圈的直立外壁和套節(jié)的直立壁之中。
7.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中墊圈是由選自下面的材料制成尼龍、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯類、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
8.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中陽極是鋅、陰極是二氧化錳以及電解液是氫氧化鉀。
9.權(quán)利要求2的電化學(xué)電池，其中陽極是鋅、陰極是二氧化錳以及電解液是氫氧化鉀。
10.權(quán)利要求3的電化學(xué)電池，其中墊圈是選自由下面的材料制成尼龍、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯類、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
11.權(quán)利要求4的電化學(xué)電池，其中墊圈是選自由下面的材料制成尼龍、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯類、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
12.一種制備具有壓力排放關(guān)閉結(jié)構(gòu)并能夠防止電池過早排氣的安全特征的干原電池的方法，包括步驟如下(a)在導(dǎo)電殼體中放入隔膜、陽極、陰極和電解液；(b)準(zhǔn)備墊圈，該墊圈包含帶有直立外圍壁和中心定位的直立壁的基片部件，形成定義為開口的套節(jié)，所說的基片部件有第一片段，它由直立外圍壁向內(nèi)徑向地延伸至被設(shè)計成基本上平行于套節(jié)直立壁的第二片段，所說的第二片段延伸至設(shè)置于第二片段與套節(jié)的直立壁之間的第三片段，所說的第三片段是弓形的，這樣它面向殼體的封閉端，并且還帶有一凹口，弓形的第三片段在緊鄰套節(jié)的直立壁處的第三片段的至少部分區(qū)域上施加有預(yù)壓縮應(yīng)力，該壓縮應(yīng)力將延遲由于電池內(nèi)所產(chǎn)生的氣體壓力積累所導(dǎo)致的鄰近套節(jié)處的區(qū)域的內(nèi)拉伸應(yīng)力的沖擊，以便防止電池內(nèi)氣體過早排氣；(c)將內(nèi)蓋、墊圈和集流器組裝入殼體中；和(d)壓延墊圈外圍壁上面的殼體的頂部邊緣部分到內(nèi)蓋上，以得密封的電池，其中所說的減薄區(qū)處于預(yù)壓縮應(yīng)力狀態(tài)。
13.權(quán)利要求12的方法，其中(d)步驟中壓延程序是拉伸操作。
14.權(quán)利要求12的方法，其中(d)步驟中壓延程序是卷曲操作。
15.權(quán)利要求13的方法，其中(d)步驟中也采用卷曲操作。
16.權(quán)利要求12的方法，其中凹口位于第三片段長度的1/4～3/4之間。
17.權(quán)利要求12的方法，其中與套節(jié)鄰接的第三片段區(qū)的厚度是位于凹口和第二片段之間的第三片段區(qū)厚度的約1/8～3/4。
18.權(quán)利要求12的方法，其中墊圈是選自由下面的材料制成尼龍、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯類、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
19.權(quán)利要求12的方法，其中陽極是鋅、陰極是二氧化錳以及電解液是氫氧化鉀。
20.權(quán)利要求17的方法，其中墊圈是選自由下面的材料制成尼龍、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧聚合物、聚乙烯類、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種裝有速通密封墊圈(1)的電化學(xué)電池,該墊圈對速通墊圈的選定區(qū)域施加預(yù)壓縮應(yīng)力,能防止電池內(nèi)所產(chǎn)生的壓力氣體過早的溢出。
文檔編號H01M6/08GK1268252SQ98808420
公開日2000年9月27日 申請日期1998年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月30日
發(fā)明者G·R·塔克爾斯基 申請人:永備電池有限公司