專利名稱：用于電蓄電池的熱流動(dòng)調(diào)節(jié)蓋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于需要真正安全(IS)的電力設(shè)備的危險(xiǎn)的工業(yè)場(chǎng)所中所使用的設(shè)備。特別是，本發(fā)明涉及提供電能蓄電池(storage cell)用的真正安全性。
背景技術(shù)：
在過程自動(dòng)工業(yè)中，通常具有比較危險(xiǎn)的過程。為了防止由于設(shè)備錯(cuò)誤所導(dǎo)致的意外事故，獨(dú)立的機(jī)構(gòu)認(rèn)證設(shè)備為真正安全的(IS)。此認(rèn)證的前提是無論在什么條件放電足以點(diǎn)燃危險(xiǎn)氣體、灰塵或者液體的設(shè)備缺陷也不會(huì)發(fā)生。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，蓄電池組電池(storage cell)能夠在相同的包裝尺寸中存儲(chǔ)增大量的能量。這產(chǎn)生便攜、電池動(dòng)力的以及真正安全的設(shè)備。用于通過電池的測(cè)試的認(rèn)證機(jī)構(gòu)之一是電池的短路和其表面溫度的測(cè)量?，F(xiàn)在具有不同的溫度分類，但是電池表面上沒有點(diǎn)(spot)超出了分類的限制。例如，T4分類具有130度的限制。現(xiàn)代的電池典型地不能通過此測(cè)試，并超過了T4分類用的最大的允許溫度。
需要一種方法和裝置來讓能量(energy)蓄電池和電池適于使用在必須達(dá)到真正安全標(biāo)準(zhǔn)的危險(xiǎn)的工業(yè)場(chǎng)所中。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種溫度調(diào)節(jié)蓋，用于使用在電能蓄電池上，其可以在短路條件的過程中在熱點(diǎn)(hot spot)上產(chǎn)生熱。蓋包括第一層導(dǎo)熱材料，其被成形以順應(yīng)電能蓄電池的外表面并將熱從熱點(diǎn)在比熱點(diǎn)更大的表面區(qū)域之上展開。所述蓋也包括第二層熱絕緣材料，其被成形以順應(yīng)第一層的外表面，并阻礙熱流到第二層的外表面。


圖1是說明在電能蓄電池上組裝熱流動(dòng)調(diào)節(jié)蓋的過程步驟；圖2-3說明了形成導(dǎo)熱層的兩個(gè)半殼體的主視和左視圖；圖4-5顯示了包括多個(gè)被覆蓋的電能蓄電池的電池。
圖6-8顯示了來自電能蓄電池的外表面上熱點(diǎn)的熱流動(dòng)。
具體實(shí)施例方式
在如下所述的實(shí)施例中，電能蓄電池可以在短路條件的過程中在熱點(diǎn)上產(chǎn)生熱。熱點(diǎn)具有超過真正安全(IS)溫度限制的表面溫度并具有點(diǎn)燃?xì)怏w、灰塵或者諸如煉油廠的工業(yè)環(huán)境中易燃的液體的可能。熱調(diào)節(jié)蓋被提供以克服這種問題。
蓋包括第一層導(dǎo)熱材料，其將熱流從熱點(diǎn)在比熱點(diǎn)更大的第一層的外表面的一部分之上擴(kuò)散。第二層絕緣材料覆蓋導(dǎo)熱層并阻礙熱流動(dòng)到第二層的外表面。被覆蓋的能量蓄電池的外表面低于導(dǎo)致燃燒的溫度。
被覆蓋的電池可以使用在需要真正安全的應(yīng)用中，諸如用于對(duì)諸如數(shù)據(jù)獲取單元或者口徑測(cè)量器的手持便攜工具提供動(dòng)力的電池。
圖1顯示了將典型的熱流動(dòng)調(diào)節(jié)蓋28組裝到電能蓄電池30上的過程步驟20-24，其可能在短路測(cè)試的間隔過程中產(chǎn)生熱。
在第一過程步驟20上，電池30被選擇具有較高的能量存儲(chǔ)密度以提供較長的電池壽命。電池30具有可以在短路條件下產(chǎn)生熱點(diǎn)的圓柱形外表面31。在一個(gè)示例中，電池30可以是具有直徑大約是16mm、長度大約是40mm的AA尺寸電池。其它尺寸的電池也可以被使用，電池可以是一次性電池或者充電電池。
在第二過程步驟22上，第一層材料34、36在圓柱形外表面31上組裝。第一層材料34、36具有較高的比熱容并熱學(xué)可導(dǎo)。在一個(gè)示例中，第一層材料包括第一半殼體34以及第二半殼體36，它們被成形以順應(yīng)圓柱形外表面31。材料34、36的第一層覆蓋外表面31。
在第三過程步驟24上，提供了第二層材料38。第二層材料38熱學(xué)絕緣。第二層材料38被成形以順應(yīng)第一層材料34的外表面35。第二層材料38優(yōu)選地是彈性的，并收縮在相對(duì)電池30的圓柱形外表面31的地方內(nèi)牢固地保持第一層材料34、36。使用彈性材料用于第二層材料38避免了將干涉熱流動(dòng)的間隙的形成問題。第二層材料38是優(yōu)選地商業(yè)上可獲得的熱收縮管(tubing)，其由橡膠或者熱塑材料所形成。在一個(gè)實(shí)施例中，第二層材料38具有大約1mm的厚度。
圖2-3顯示了一起形成具有高導(dǎo)熱層的兩個(gè)半殼體34、36的主視圖和側(cè)視圖。每個(gè)半殼體34、36具有大約半圓柱形形狀，其尺寸符合電池31的外表面31。在半殼體34、36之間留下較小的間隙D以促進(jìn)良好的配合和電池31與半殼體34、36之間的較好的熱接觸。較小的間距D可以大約是0.8mm，并且可以被選擇以允許半殼體34、36在更高的溫度上的熱膨脹的空間。半殼體34、36優(yōu)選地從具有大約1mm的壁厚的鋁管所形成。鋁具有熱導(dǎo)率大約為4.9×10-2(Kcal/sec)/(m2)(℃/m)，鋁具有比熱大約0.219cal/(gram)(℃)。半殼體34、36也可以由銅所制造。銅具有熱導(dǎo)率大約為9.2×10-2(Kcal/sec)/(m2)(℃/m)，以及銅具有大約0.093cal/(gram)(℃)的比熱。其它具有適當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率的材料也可以被使用。
當(dāng)電池30的表面31上具有熱點(diǎn)時(shí)，第一層材料34、36將來自熱點(diǎn)的熱流在比熱點(diǎn)大的第一層34的外表面的一部分上展開，同時(shí)材料的第二層38阻礙熱流動(dòng)到第二層38的外表面39。
在一個(gè)實(shí)施例中，層34、36、38的厚度被調(diào)節(jié)，這樣在短路測(cè)試間距的過程中，第二層38的外表面的溫度具有130度的最大測(cè)量溫度或者更小。層34、36、38的厚度可以通過使用熱有限元分析(FEA)、熱測(cè)試或者熱FEA和熱測(cè)試的組合來選擇。
圖4-5顯示了包括多個(gè)被覆蓋的電能蓄電池52、54、56、58、60的電池50的一個(gè)示例。圖4是電池的平面圖，圖5是電池的一部分的左視圖。電池50被安置用于易燃環(huán)境中。
多個(gè)電能蓄電池52、54、56、58、60每個(gè)覆蓋以熱調(diào)節(jié)蓋，如上結(jié)合圖1-3所述。電學(xué)互連62、64、66、68是金屬條，所述金屬條被點(diǎn)焊到電池52、54、56、58、60以形成串聯(lián)電路。保護(hù)裝置70在電池60和負(fù)極電連接導(dǎo)線(connection lead)72之間串聯(lián)連接。保護(hù)裝置70通過折邊(crimped)接合件71連接到電連接導(dǎo)線72。電連接導(dǎo)線72和保護(hù)裝置70通過灌注(potting)混合物73固定在位。正極電連接導(dǎo)線74連接到電池52。
保護(hù)裝置70優(yōu)選地包括熔線，特別是可以使用PICO Fuse部件號(hào)265002。在短路測(cè)試的過程中，保護(hù)裝置70可以被橋接以(臨時(shí)短路)模擬缺陷條件。
電池52、54、56、58、60、保護(hù)裝置70、互連62、64、66、68和導(dǎo)線72、74被安置在成形以提供機(jī)械支撐的塑料樹脂殼體80中。塑料樹脂殼體80包括安置在電池52-60和電學(xué)互連62-68之間安置的塑料樹脂分離桿82、84、86、88以減小短路并提供額外的機(jī)械支撐。
圖6-8分別顯示了分別從電能蓄電池106、108、110的外表面上的熱點(diǎn)100、102、104的熱的流動(dòng)。在圖6-8中，熱流用箭頭示意顯示，并且等溫線用點(diǎn)劃線示意顯示。
在圖6中，電池106上的熱點(diǎn)100沒有被覆蓋，電池106的外表面112上的溫度在短路測(cè)試的過程中超過了130度。未覆蓋的電池106不適于使用在需要真正安全(IS)批準(zhǔn)評(píng)定的工業(yè)環(huán)境中。
在圖7中，電池108上的熱點(diǎn)102用熱絕緣材料114所覆蓋。絕緣材料的外表面116上的表面溫度在短路測(cè)試的過程中保持在130度之下，但是熱點(diǎn)114被絕緣到這樣的程度其過熱并且永久損壞電池108，這樣證明不適合用于真正安全環(huán)境中。
在圖8中，熱點(diǎn)108覆蓋以導(dǎo)熱材料的第一層120和如上結(jié)合圖1-3所述的熱絕緣材料的第二層122。第一層120將來自熱點(diǎn)104的熱流在更大的表面區(qū)域上擴(kuò)展，如圖所示。每單位面積的表面的熱流被減小。熱流沿著電池的軸線和周向地?cái)U(kuò)展，這樣可獲得的用于熱流的區(qū)域相當(dāng)?shù)刈兇?。熱絕緣層122限制了熱流并進(jìn)一步促進(jìn)熱通過導(dǎo)熱層120擴(kuò)展。外表面124上的溫度保持低于130度，但是熱很好地被散開，因?yàn)槠湓谳^大的區(qū)域上進(jìn)行。電池110沒有過分的加熱，電池110可以使用在真正安全的環(huán)境中。
在短路測(cè)試的過程中出現(xiàn)在電池表面上的“熱點(diǎn)”被有效地屏蔽與可燃物相接觸。緊密接觸的第一導(dǎo)熱層用具有較高的熱導(dǎo)率的材料圍繞電池。此層將“熱點(diǎn)”的熱能分配到更大的表面區(qū)域上并由此減小最大的表面溫度。緊密接觸的第二層包圍第一層材料。第二層材料具有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。此材料用作第一層和周圍環(huán)境之間的熱絕緣體。各層的熱導(dǎo)率值使得第二層材料的表面溫度在所需的溫度分類的值之下。
使用如上所述的蓋布置高能密度電池可以使用在用于溫度類T1-T4的區(qū)域1和2的危險(xiǎn)區(qū)域中。蓋可以使用在可充電電池以及一次性電池上?，F(xiàn)代具有更大的內(nèi)部容量的電池可以與本發(fā)明一起使用。這些現(xiàn)代電池包括在短路測(cè)試上達(dá)到了比允許批準(zhǔn)更高表面溫度的電池。所述蓋調(diào)節(jié)熱流并提供對(duì)具有較大的內(nèi)部容量的電池的此問題的解決方案。同時(shí)一系列電池的布置已經(jīng)被說明，普通技術(shù)人員可以理解也可以使用電池的并聯(lián)布置。
盡管對(duì)本發(fā)明的一些實(shí)施例進(jìn)行了說明，普通技術(shù)人員可以理解在不背離本發(fā)明的精神和原則的情況下可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改和變化，其范圍由所附權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1.一種電能蓄電池的溫度調(diào)節(jié)用蓋，包括第一層導(dǎo)熱材料，其被成形以順應(yīng)電能蓄電池的外表面；以及第二層熱絕緣材料，其被成形以順應(yīng)第一層的外表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓋，其特征在于，電能蓄電池在短路條件的過程中在熱點(diǎn)上產(chǎn)生熱，并且第一層材料將熱流在比熱點(diǎn)更大的第一層的外表面的一部分之上擴(kuò)展，并且第二層材料阻礙熱流動(dòng)到第二層的外表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓋，其特征在于，第二層的外表面的溫度在短路條件的過程中具有被測(cè)量的最大溫度130攝氏度或者更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓋，其特征在于，第一層材料包括鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓋，其特征在于，第一層材料包括銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓋，其特征在于，第二層材料包括熱縮管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓋，其特征在于，第二層材料包括彈性材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓋，其特征在于，所述蓋包括兩個(gè)半殼體，每個(gè)覆蓋能量蓄電池的圓形表面的一側(cè)。
9.一種使用在易燃環(huán)境中的電池，包括多個(gè)電能蓄電池，每個(gè)電池通過被成形以順應(yīng)電能蓄電池的外表面的第一層導(dǎo)熱材料所覆蓋；以及通過被成形以順應(yīng)第一層的外表面的第二層熱絕緣材料所覆蓋；電連接導(dǎo)線；包括熔線的保護(hù)裝置；以及電學(xué)互連，所述電學(xué)互連以串聯(lián)電路的形式將多個(gè)電能蓄電池與保護(hù)裝置和電連接導(dǎo)線相連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池，其特征在于，還包括塑料樹脂殼體，其被成形以容納多個(gè)被覆蓋的電池和保護(hù)裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池，其特征在于，塑料樹脂殼體包括安置在電池和電學(xué)互連之間的塑料樹脂分離桿以減少短路。
12.一種覆蓋電能蓄電池的過程，所述電能蓄電池在短路的條件的過程中產(chǎn)生熱，包括將電能蓄電池的外表面覆蓋順應(yīng)電能蓄電池的外表面的第一層導(dǎo)熱材料；提供第二層熱絕緣材料；以及成形第二層以順應(yīng)第一層材料的外表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的過程，其特征在于，第一層材料是鋁。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的過程，其特征在于，第一層材料是銅。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的過程，其特征在于，第二層材料是熱縮管。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的過程，其特征在于，還包括將第一層材料成形為兩個(gè)半殼體形狀，其覆蓋能量蓄電池的彎曲的表面。
全文摘要
一種溫度調(diào)節(jié)蓋(34、36、38)，用于電能蓄電池(30)上，其可以在短路條件的過程中在熱點(diǎn)上產(chǎn)生熱。所述蓋包括可導(dǎo)熱材料的第一層(34、36)，其被成形以順應(yīng)電能蓄電池的外表面(3)并將熱從熱點(diǎn)在表面區(qū)域之上展開，所述表面區(qū)域比熱點(diǎn)更大。所述蓋也包括熱絕緣材料的第二層(38)，其被成形以順應(yīng)第一層的外表面(35)，并阻礙熱流到第二層的外表面(39)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK1754273SQ200480004934
公開日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
發(fā)明者布萊得·N·馬蒂奧爾茨, 約阿希姆·迪倫, 京特·肯佩爾 申請(qǐng)人:費(fèi)希爾-羅斯蒙德系統(tǒng)公司