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JP2016111006A - 構成部材補強部及びフィードスルーを備えている構成部材 - Google Patents

構成部材補強部及びフィードスルーを備えている構成部材 Download PDF

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Abstract

【課題】ケーシングにおいて、カバーとして使用される薄い材料において必要とされる機械的な強度が高まり、ハーメチックシールされたガラス付着部に必要とされる圧力又は半径方向力を提供する。
【解決手段】フィードスルー開口部３．１，３．２を介して、導体７．１，７．２、特に実質的にピン状の導体７．１，７．２が、ガラス材料外径ＧＡ及びガラス付着部長さＥＬを有するガラス材料又はガラスセラミック材料に挿入される、構成部材１が、フィードスルー開口部３．１，３．２の領域において、構成部材フィードスルー開口部厚さＢＤＤを有する補強部１０．１，１０．２を備えている構成部材１。構成部材フィードスルー開口部厚さＢＤＤは、構成部材厚さＢＤよりも大きく、且つ、補強部１０．１，１０．２は補強部材料外径ＶＡを有している構成部材１。
【選択図】図１

Description

本発明は、構成部材厚さ及び少なくとも一つのフィードスルー開口部を有している構成部材、並びに、特に電気的な蓄積装置のための、とりわけ本発明による構成部材を備えているバッテリ又はコンデンサのためのケーシング、及び、その種のケーシングを備えている蓄積装置に関する。
導体、特に金属ピンを、例えばアルミニウムのような軽金属から成る基体に挿入する際、その種の構成部材が、蓄積装置、例えばバッテリ及び／又はコンデンサのケーシングの一部である場合には、ハーメチックシールされたフィードスルーが必要になる。バッテリは、従来から公知のエネルギ源、例えば鉛酸電池、ニッケルカドミウム電池又はニッケル金属電池であってよい。本発明においてバッテリとは、放電後には廃棄及び／又はリサイクルされる使い捨て電池、又は、蓄電池と解される。
リチウムイオン電池は数年前より公知となっている。これに関しては、例えば、McGrawHill社より１９９５年に出版されたDavid Linden編集「Handbook of Batteries」第２版の第３６章及び第３９章を参照されたい。
特に、自動車分野におけるバッテリ及び／又はコンデンサの用途に関して、耐食性、事故時の安定性又は耐震性のような多くの問題を解決する必要がある。更には、バッテリは長期間にわたりハーメチックシールされるように設計されていることが保証されなければならない。例えば、バッテリの電極又はバッテリの電極フィードスルーの領域における漏れ、バッテリの短絡又は温度変化によって密封性が損なわれる虞があり、それらによってバッテリの寿命が短くなる。特に、バッテリセル内への湿気の浸入も回避されるべきである。
事故時により良好な安定性を保証するために、独国特許出願公開第１０１０５５８７７号明細書では、両面が開放されており、且つ、それら両面が密閉される金属ジャケットを有している、リチウムイオン電池のためのケーシングが提案されている。電源接続部は合成物質によって絶縁されている。合成物質による絶縁の欠点として、耐熱性が限定的であること、また、その寿命にわたる密封性が不確定であることが挙げられる。
軽金属に挿入される、蓄積装置、例えばバッテリのためのフィードスルーは多くの文献、例えば、国際公開第２０１２／１１０２４２号、国際公開第２０１２／１１０２４６号、国際公開第２０１２／１１０２４７号、国際公開第２０１２／１１０２４５号、また特に、国際公開第２０１２／１１０２４４号に開示されており、それらの開示内容の全範囲は本願明細書に組み込まれる。
独国特許出願公開第１０２０１１１０３９７６号明細書にも同様に、フィードスルー、特にケーシング部材を通って案内されるフィードスルーが開示されている。この明細書においては、基体に関する厚さは規定されているが、しかしながら、ガラス材料の外寸と補強部材料の外寸の比に関しては規定されていない。
独国特許発明第４４１３８０８号明細書には、電気化学セル並びにその種のセルの製造方法が開示されている。この電気化学セルは、陰極活材料及び陽極活材料並びに保持フレームを有している。ボタン電池として形成されている電気化学セルの寸法は規定されていない。
例えば国際公開第２０１２／１１０２４４号に開示されているようなフィードスルーの欠点は、基体が通常の場合、ガラス付着部長さに相当する厚さを有していることであった。これによって、ケーシング部材が比較的重くなり、また、内部空間が過度に小さくなるので、バッテリセルの容積が失われていた。
独国特許出願公開第１０１０５５８７７号明細書 国際公開第２０１２／１１０２４２号 国際公開第２０１２／１１０２４６号 国際公開第２０１２／１１０２４７号 国際公開第２０１２／１１０２４５号 国際公開第２０１２／１１０２４４号 独国特許出願公開第１０２０１１１０３９７６号明細書 独国特許発明第４４１３８０８号明細書
David Linden編集「Handbook of Batteries」第２版、McGrawHill社、１９９５年、第３６章及び第３９章
ケーシング部材を作製しようとした場合には、固体材料から機械加工により厚みを作ることが必要とされた。別の問題は、不十分なプレストレスに起因してハーメチックシールが達成されないことであった。本発明によれば、可能な限り薄く且つ可能な限り軽量な構成部材を提供するという問題は、要求されるハーメチックシールと共に、請求項１に記載の構成部材によって解決される。
ハーメチックシールとは、１ｂａｒの差圧において、ヘリウムの漏れ速度が１×１０-6ｍｂａｒ ｌｓ-1、有利には、１×１０-8ｍｂａｒ ｌｓ-1、とりわけ、１×１０-9ｍｂａｒ ｌｓ-1であり、これは、漏れ速度が、最大で１×１０-6ｍｂａｒ ｌｓ-1、有利には、最大で１×１０-8ｍｂａｒ ｌｓ-1、とりわけ、最大で１×１０-9ｍｂａｒ ｌｓ-1であることを意味する。
ハーメチックシールは、電気的な蓄積装置、特にバッテリの寿命を大幅に延ばすことを保証する。またこのハーメチックシールは、ガラス材料又はガラスセラミック材料を貫通して挿入されるピン状の導体が大電流及び／又は短絡に起因して短時間で強く加熱される場合にも保証される。特に、ハーメチックシールは湿気がバッテリセル内に浸入することも阻止する。
構成部材厚さ（ＢＤ）と、ガラス材料外径（ＧＡ）及びガラス付着部長さ（ＥＬ）を有するガラス材料又はガラスセラミック材料内に導体、特に実質的にピン状の導体を貫通させて挿入するための少なくとも一つのフィードスルー開口部と、を有している、本発明による構成部材は、フィードスルー開口部の領域において、構成部材厚さ（ＢＤ）よりも大きい構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）を有している補強部を備えている。補強部は、補強部材料外径（ＶＡ）を有している。本発明によれば、上述の条件を満たすためには、ガラス材料外径（ＧＡ）と補強部材料外径（ＶＡ）の比が１：１．２以上であること、即ちＧＡ／ＶＡ≧１／１．２であることが分かった。比ＧＡ／ＶＡが１／１．２から１／２．２の範囲にある場合には特に有利である。具体的にこの条件は、円柱状のガラス材料及び円環状の補強部において、円筒状の補強部リングの外径の比が１：１．２以上であること、特に１：１．２から１：２．２の範囲にあるということを意味する。そのような比ＧＡ／ＶＡを選択することによって、驚くべきことに、フィードスルー開口部の領域においてガラス材料に十分な圧力をかけることができ、それにより、ハーメチックシールが提供される。更には、補強部の外径の幅によって、ハーメチックシールに必要とされる圧縮力がガラスにかけられ、これもまたハーメチックシールを支援する。
本発明による構成の利点は、非常に薄い材料、従って重量が軽減された材料を構成部材に使用できることである。このことは、構成部材がケーシングの一部として、例えば蓄積装置のケーシング、例えばバッテリケーシング、特にバッテリカバーの一部として、又はコンデンサのケーシング、特にコンデンサカバーの一部として使用される場合には特に有利である。実質的に円柱状のガラス材料よりも遙かに大きい外径を有している補強部リングを用いる本発明の構成によって、驚くべきことに、フィードスルー開口部の領域においてガラス材料に十分な圧力をかけることができ、それにより、上述のようなハーメチックシールを生じさせることができる。更にはこれによって、フィードスルーの領域において十分な強度が提供される。
補強部の領域における構成部材フィードスルー厚さは、ハーメチックシールされたフィードスルーを保証するために、ガラス付着部長さ（ＥＬ）に実質的に相当している。これによって、ガラスに付着されたアノード又はカソードのより高い機械的な強度を達成することができる。
本発明の第１の構成においては、構成部材が、例えばケーシングカバーを形成し、且つ、構成部材厚さ（ＢＤ）を有する非常に薄い基体を有しており、また、補強部材厚さ（ＶＤ）を有している別個の補強部材がフィードスルー開口部の領域に配置され、その結果、構成部材の厚さ、即ち、構成部材厚さ（ＢＤ）及び補強部材厚さ（ＶＤ）の合計が構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）となる。
構成部材フィードスルー開口部の領域に配置することができ、例えばフィードスルー開口部の領域において基体の下にリングとして配置することができる、別個の部材の代わりに、構成部材厚さ（ＢＤ）を有している基体及び補強部材を単一の構成部材に統合し、構成部材フィードスルー開口部の領域に構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）を提供することができる。これは例えば、非常に薄い基体がフィードスルー開口部の領域において深絞り加工されることによって実施することができる。補強部の領域において比較的大きい所要寸法を生じさせるために、基体には、深絞り加工に続いて据え込み加工が行われる。本発明の別の代替形態においてもまた、構成部材厚さ（ＢＤ）を有する基体と補強部材が単一の構成部材を形成し、構成部材フィードスルー開口部の領域において構成部材フィードスルー厚さ（ＢＤＤ）が提供される。これは、この別の代替形態においては、非常に薄い基体がフィードスルー開口部の領域において湾曲されることによって行われ、特に金属薄板が引っ張られ、続いて折り畳まれることによって行われる。
この場合、補強部の幅は、基体の厚さよりも大きい。
補強部の幅が、その材料の外径に関して、上述のように、ガラス材料の外径の１．２倍以上であることによって、ハーメチックシールに必要とされる圧縮力をガラスにかけることができ、これによってハーメチックシールされたフィードスルーが提供される。十分なハーメチックシールを達成するために、ガラス付着部長さが１．５ｍｍ以上であり、とりわけ１．５ｍｍから８ｍｍの範囲にある場合には特に有利である。
十分な安定性を有しており、且つ、変形とそれに続く据え込み加工が行われた場合でも十分な補強部を提供し、また、少なくともガラス付着部長さの範囲にあり、有利には少なくともガラス付着部長さ＋２ｍｍの範囲にあり、特に有利には３．５ｍｍから１０ｍｍの範囲にある厚さを有する薄い構成部材は特に有利である。
構成部材、特に基体に使用される材料、また補強部材にも使用される材料が、５ｋｇ／ｄｍ3未満の比重量、及び／又は、３５０℃から８００℃の範囲にある融点、及び／又は、５×１０6Ｓ／ｍから５０×１０6Ｓ／ｍの範囲にある導電率、及び／又は、１８×１０-6／Ｋから３０×１０-6／Ｋの範囲にある膨張率α（２０℃から３００℃）を有している軽金属を含む場合には非常に有利である。
軽金属の材料がアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、又は、他の金属及び特殊鋼のような合金である場合には特に有利である。特に有利には、本発明による構成部材は、ケーシングのカバー部材、特に、電気的な蓄積装置のためのケーシングのカバー部材である。蓄積装置は、例えばバッテリ又はコンデンサでよい。
ケーシングの他に、本発明は、フィードスルーが貫通される少なくともカバー部材としての、上述のような構成部材を備えている蓄積装置、特に、バッテリ又はコンデンサも提供する。
以下では、添付の図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
別個の補強部材を備えている本発明の第１の実施の形態を示す。 補強部分を有している１ピースの構成部材を備えている本発明の第２の構成を示す。 補強部分を有している１ピースの構成部材を備えている本発明の第３の構成を示す。
図１には、二つのフィードスルー開口部３．１，３．２を備えている本発明による構成部材１が示されている。フィードスルー開口部は、有利には、軸５．１又は５．２の周りに円筒状の形状、例えば円形の形状、又は楕円の形状を有している。
ここではピンの形態の導体７．１，７．２が、フィードスルー開口部３．１，３．２を通り、ガラス材料９．１，９．２を貫通するように案内される。
構成部材の厚さはＢＤであり、構成部材フィードスルー開口部厚さはＢＤＤであり、且つ、別個の補強部材１０．１，１０．２の厚さはＶＤである。
図１から見て取れるように、構成部材フィードスルー開口部厚さＢＤＤは、ＢＤとＶＤの和に等しい。
ガラス材料９．１，９．２のガラス材料外寸はＧＡである。またガラス材料が有利には円形又は楕円形である場合には、このガラス材料の外寸は、ガラス栓の直径に等しい。
有利には同様に円形又は環状に形成されている、別個の補強部材の補強部材料外寸ＶＡは、ガラス材料外寸ＧＡの１．２倍である。即ち、ガラス栓が環状又は円形であり、且つ、補強部材料が環状又は円形である場合には、補強部材料の直径は、ガラス材料の直径の少なくとも１．２倍である。
また、構成部材フィードスルー開口部内でのガラス付着部長さＥＬも示されている。図示されている構成部材においては、ガラス付着部長さ（ＥＬ）は、構成部材フィードスルー開口部の長さ又は構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）に相当する。
勿論、ガラス付着部長さＥＬが構成部材フィードスルー開口部厚さＢＤＤより短くてもよいが、それとは反対に構成部材フィードスルー開口部厚さＢＤＤがガラス付着部長さＥＬよりも短くあってはならない。
この実施例では例えばバッテリのような蓄積装置のケーシング部材、有利にはカバー部材である基体２０の材料として、５ｋｇ／ｄｍ3未満の比重量、及び／又は、３５０℃から８００℃の範囲にある融点、及び／又は、５×１０6Ｓ／ｍから５０×１０6Ｓ／ｍの範囲にある導電率、及び／又は、１８×１０-6／Ｋから３０×１０-6／Ｋの範囲にある膨張率α（２０℃から３００℃）を有している軽金属が有利である。軽金属は有利には、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタニウム又はチタニウム合金である。導体ピン７．１，７．２の材料は、有利には、金属、特に銅、Cusic、銅合金、ＡＳＣ、銀、銀合金、金又は金合金であるが、しかしながらまたアルミニウム又はアルミニウム合金であってもよい。
ガラス付着部９．２のためのガラス材料として、有利には国際公開第２０１２／１１０２４７号（その開示内容全体は本願に含まれる）に記載されているような燐酸塩ガラスが使用される。
図２には、本発明の代替的な構成が示されている。ここでもまた、構成部材には参照番号１が付されているが、しかしながら図１とは異なり、ここでは、構成部材が、構成部材フィードスルー開口部３．１，３．２の領域において２ピースで形成されているのではなく、１ピースで形成されている。即ち、基体２０は、構成部材フィードスルー開口部３．１，３．２の領域において厚み部分１１０．１，１１０．２を有している。この厚み部分１１０．１，１１０．２は、補強部１１０．１，１１０．２の領域にある構成部材１が深絞り加工されることによって得られる。これによって、構成部材は構成部材フィードスルー開口部の領域において厚さＢＤＤを有している。この厚さＢＤＤは常に、構成部材の厚さＢＤよりも大きい。深絞り加工とそれに続く据え込み加工による変形によって、図２に示されている補強部の形状が得られる。この形状において、補強部材の領域における外径ＶＡは、ガラス付着部ＧＡの外径よりも１．２倍大きい。図１と同じ部材には、同一の参照番号を付している。
また据え込み加工により補強された領域の厚さは、厚さＢＤＤを有しており、基本材料の厚さＢＤよりも大きい。据え込み加工により補強された領域の幅はＳＢＤで表されている。
補強部の領域における処理を可視とすることができる。何故ならば、構造の流れ線は、据え込み加工の領域において切削加工法によって処理される構成部材とは異なり、変形プロセスによって曲げられるからである。
図３には、本発明の別の代替的な構成が示されている。
ここでもまた、構成部材には参照番号１が付されているが、しかしながら図１とは異なり、ここでは、構成部材が、構成部材フィードスルー開口部３．１，３．２の領域において２ピースで形成されているのではなく、１ピースで形成されている。即ち、基体２０は、構成部材フィードスルー開口部３．１，３．２の領域において厚み部分２１０．１，２１０．２を有している。この厚み部分２１０．１，２１０．２は、補強部２１０．１，２１０．２の領域にある構成部材１が深絞り加工され、それに続いて折り畳まれることによって得られる。これによって、構成部材は構成部材フィードスルー開口部の領域において厚さＢＤＤを有している。厚さＢＤＤは、折り畳みによって、図示されている実施の形態の構成部材の厚さＢＤの約２倍になる。深絞り加工とそれに続く折り畳みによる変形によって、図３に示されている補強部の形状が得られる。この形状において、補強部材の領域における外径ＶＡは、ガラス付着部ＧＡの外径よりも１．２倍大きい。図１と同じ構成部材には、同一の参照番号を付している。
補強された領域の厚さは、おおよそ２×ＢＤの厚さを有しており、基本材料ＢＤの厚さよりも大きい。本発明から逸脱することなく補強部の領域における厚さを調整するために、１回だけの折り畳み以外にも複数回の折り畳み、例えば３回及び４回の折り畳みも可能である。
補強部の領域における処理を可視とすることができる。何故ならば、構造の流れ線は、据え込み加工又は折り畳みの領域において切削加工法によって処理される構成部材とは異なり、変形プロセスによって曲げられるからである。
その他の点では、図１に示したものと同じ部材に、図３においても同一の参照番号を付している。有利には、構成部材の材料、即ち、補強部の領域を含めた基体の材料は、図１に示した基体について既に説明したように、軽金属である。
上記において説明した第２及び第３の代替形態は、付加的な部材、即ち補強リングの取り付けを省略できるという利点を有している。
以下のｍｏｌ−％の成分を含むガラス材料が特に有利である：
Ｐ2Ｏ5 ３５−５０ｍｏｌ−％，特に３９−４８ｍｏｌ−％
Ａｌ2Ｏ3 ０−１４ｍｏｌ−％，特に２−１２ｍｏｌ−％
Ｂ2Ｏ3 ２−１０ｍｏｌ−％、特に４−８ｍｏｌ−％
Ｎａ2Ｏ ０−３０ｍｏｌ−％、特に０−２０ｍｏｌ−％
Ｍ2Ｏ ０−２０ｍｏｌ−％、特に１２−２０ｍｏｌ−％、但しＭ＝Ｋ，Ｃｓ，Ｒｂであってもよい、
ＰｂＯ ０−１０ｍｏｌ−％、特に０−９ｍｏｌ−％
Ｌｉ2Ｏ ０−４５ｍｏｌ−％、特に０−４０ｍｏｌ−％，極めて有利には１７−４０ｍｏｌ−％
ＢａＯ ０−２０ｍｏｌ−％、特に５−２０ｍｏｌ−％、極めて有利には５−１８ｍｏｌ−％
Ｂｉ2Ｏ3 ０−１０ｍｏｌ−％、特に１−５ｍｏｌ−％、極めて有利には２−５ｍｏｌ−％
有利には、ガラス材料は、１３×１０-6／Ｋ以上、好適には１３×１０-6／Ｋから２５×１０-6／Ｋで２０℃から３００℃の範囲の膨張率αを有するように構成されている。
本発明によって、材料厚さＢＤＤが非常に薄く、従って重量が軽く、またセル容積が大きく、更には、導体用のフィードスルーの領域においてガラス付着部長さＥＬを有しているハーメチックシールされたガラス付着部が設けられていることを特徴とする、薄いケーシング部材、特に蓄積装置のケーシングのための薄いケーシング部材が初めて提供される。
特に、本発明によって、１ピースの構成部材であっても、１回の変形プロセスによって、ハーメチックシールされたフィードスルーのための十分な圧縮力を提供することができる。
本発明により、一方では、ケーシングにおいて例えばカバーとして使用される薄い材料において必要とされる機械的な強度が高まり、他方では、ハーメチックシールされたガラス付着部に必要とされる圧力又は半径方向力が提供される。

Claims (10)

  1. 構成部材厚さ（ＢＤ）及び少なくとも一つのフィードスルー開口部（３．１，３．２）を有し、有利にはケーシング部材、特にバッテリケーシング又はコンデンサケーシングのケーシング部材である構成部材（１）であって、
    前記フィードスルー開口部（３．１，３．２）を介して、導体（７．１，７．２）、特に実質的にピン状の導体が、ガラス材料外径（ＧＡ）及びガラス付着部長さ（ＥＬ）を有するガラス材料又はガラスセラミック材料に挿入され、
    前記構成部材（１）は、前記フィードスルー開口部（３．１，３．２）の領域において、構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）を有する補強部（１０．１，１０．２）を備えており、
    前記構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）は、前記構成部材厚さ（ＢＤ）よりも大きく、且つ、前記補強部（１０．１，１０．２）は補強部材料外径（ＶＡ）を有する、構成部材（１）において、
    前記ガラス材料外径（ＧＡ）と前記補強部材料外径（ＶＡ）の比は、１：１．２以上、特に１：１．２から１：２．２の範囲にあることを特徴とする、構成部材（１）。
  2. 前記補強部（１０．１，１０．２）の前記構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）は、少なくとも、前記ガラス付着部長さ（ＥＬ）に相当する、請求項１に記載の構成部材。
  3. 前記構成部材（１）は、前記構成部材厚さ（ＢＤ）を有する基体（５）と、補強部材厚さ（ＶＤ）を有する別個の補強部材（１０．１，１０．２）と、を備えており、補強部材厚さ（ＶＤ）及び構成部材厚さ（ＢＤ）の合計が構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）となる、請求項１又は２に記載のモジュール。
  4. 前記構成部材（１）は、単一の構成部材において、構成部材厚さ（ＢＤ）を有する基体（５）と、前記補強部材（１０．１，１０．２）と、を備えており、前記構成部材フィードスルー開口部（３．１，３．２）の領域において、前記構成部材フィードスルー開口部厚さ（ＢＤＤ）が提供される、請求項１又は２に記載の構成部材。
  5. 前記ガラス付着部長さ（ＥＬ）は、１．５ｍｍ以上、特に１．５ｍｍから８ｍｍの範囲にある、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の構成部材。
  6. 前記構成部材厚さ（ＢＤ）は、少なくとも前記ガラス付着部長さ（ＥＬ）の範囲にあり、有利には少なくとも前記ガラス付着部長さ（ＥＬ）よりも２ｍｍ長く、特に有利には３．５ｍｍから１０ｍｍである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の構成部材。
  7. 前記構成部材（１）は、少なくとも部分的に、５ｋｇ／ｄｍ3未満の比重量、及び／又は、３５０℃から８００℃の範囲にある融点、及び／又は、５×１０6Ｓ／ｍから５０×１０6Ｓ／ｍの範囲にある導電率、及び／又は、１８×１０-6／Ｋから３０×１０-6／Ｋの範囲にある膨張率α（２０℃から３００℃）を有する軽金属を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の構成部材。
  8. 前記軽金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、又は、チタン又はチタン合金である、請求項７に記載の構成部材。
  9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の構成部材を備えている、特に電気的な蓄積装置、とりわけバッテリ又はコンデンサのためのケーシング。
  10. 請求項９に記載のケーシングを備えている、蓄積装置、特にバッテリ又はコンデンサ。
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