ВЕНТИЛЯЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2008 года по МПК H01M2/12 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к производству аккумуляторов и аккумуляторных батарей (изделий).

Важной конструктивной частью аккумуляторов и аккумуляторных батарей является вентиляционное устройство, обеспечивающее выход газов, образующихся при работе изделий, задержку аэрозолей и капель электролита, а также предохраняющее изделие от попадания во внутренний его объем возможной пыли, электрической искры или пламени.

Известно вентиляционное устройство, сообщающееся на одной стороне с внутренним объемом аккумулятора, на противоположной стороне - с внешней средой, содержащее корпус с камерой и отверстиями, отражатель и улавливатель аэрозолей электролита [А.с. СССР №1017133, 1981]. Устройство выполнено в виде пробки заливочного отверстия. Отражателем является нижняя часть корпуса пробки с узким отверстием для прохода газов. Отражатель позволяет возвратить капли и брызги электролита обратно в объем изделия. Улавливатель аэрозолей электролита исполнен как наполнитель из гранулированного нерастворимого в электролите материала. Гранулированный материал улавливателя задерживает аэрозольные фракции, препятствуя выбросу их во внешнюю среду. Недостатком такого устройства является нетехнологичность его сборки, а также взрывоопасность. В конструкции вентиляционного устройства отсутствует элемент, который бы предохранял внутренний объем изделия от детонации из-за возможных электрических искр, возникающих во внешнем пространстве, например на выводах аккумулятора, и способных привести ко взрыву смеси газов во внутреннем объеме, выделяющихся при работе изделия.

Известно вентиляционное устройство, сообщающееся на одной стороне с внутренним объемом аккумулятора, на противоположной стороне - с внешней средой, содержащее корпус с камерой и отверстиями, улавливатель аэрозолей электролита и элемент взрывобезопасности [А.с. СССР №1238654, 1981]. Устройство выполнено в виде пробки заливочного отверстия. Улавливателем аэрозолей электролита служит корпус пробки со вставленным внутрь стержнем с кольцевыми выступами. За счет турбулизации потока газов в зазорах между корпусом пробки и стержнем происходит охлаждение газов и конденсация аэрозолей электролита и последующий возврат капель во внутренний объем аккумулятора. Элемент взрывобезопасности исполнен в виде колпачка из пористого материала. В порах колпачка происходит гашение возможной внешней искры или пламени. Недостатком устройства является его низкая надежность. Отсутствие в конструкции отражателя приводит к тому, что брызги электролита проникают в корпус пробки, и жидкость заполняет внутренний объем, предназначенный для конденсации аэрозолей электролита. В результате снижается эффективность улавливания аэрозолей, и часть аэрозольных фракций конденсируется на пористом колпачке, забивая его поры. Это приводит к выдуванию капель электролита во внешнюю среду. Кроме того, поры колпачка не защищены от внешней пыли и могут быстро засориться, что выведет устройство и все изделие из строя.

Наиболее близким техническим решением, взятым нами как прототип, является вентиляционное устройство, сообщающееся на одной стороне с внутренним объемом аккумулятора или аккумуляторов, на противоположной стороне - с внешней средой, содержащее корпус с камерой и отверстиями, отражатель, улавливатель аэрозолей электролита и элемент взрывобезопасности [Патент РФ №2113746, 1998, бюл. №17]. Корпусом служат съемный колпачок и прилегающая часть крышки аккумулятора, в которой имеется камера. Отражатель и улавливатель аэрозолей электролита совмещены в конструкции конденсирующего диска, образующего со стенками камеры дугообразный зазор для прохода газов. Конденсирующий диск препятствует прямому попаданию брызг электролита на элемент взрывобезопасности, выполняя роль отражателя, а также служит для конденсации аэрозолей электролита. Элемент взрывобезопасности выполнен в виде диска из пористого кислотостойкого материала. В порах диска происходит гашение возможной внешней искры или пламени. Преимуществом устройства-прототипа является простота его сборки. В устройстве-прототипе поры элемента взрывобезопасности более или менее защищены от попадания внешней пыли. Недостатком устройства является его низкая надежность. Конструкция улавливателя аэрозолей электролита в виде обычного диска является малоэффективной. Она не обеспечивает достаточной турбулизации и охлаждения потока газов, в результате чего конденсирующий диск пропускает часть аэрозольных фракций, которые конденсируются на пористом диске, забивая его поры, препятствуя свободному выходу газов. Это приводит к выдуванию капель электролита во внешнюю среду.

В основу изобретения положена задача повышения надежности работы вентиляционного устройства за счет улучшения защиты элемента взрывобезопасности от конденсата электролита путем усиления турбулизации потока газов, образующихся при эксплуатации изделия.

Поставленная задача решается тем, что в вентиляционном устройстве, сообщающемся на одной стороне с внутренним объемом аккумулятора или аккумуляторов, на противоположной стороне - с внешней средой, содержащем корпус с камерой и отверстиями, отражатель, улавливатель аэрозолей электролита и элемент взрывобезопасности, причем отражатель и улавливатель аэрозолей электролита совмещены в единой конструкции, элемент взрывобезопасности выполнен в виде диска из пористого кислотостойкого материала, согласно изобретению конструкция совмещенного отражателя и улавливателя аэрозолей электролита представляет собой лабиринт цилиндрической формы, имеющий как минимум две камеры лабиринта, расположенные одна над другой и образованные узкими местами лабиринта, отделенные как минимум двумя широкими местами лабиринта, прилегающими вплотную к корпусу вентиляционного устройства, на широких местах лабиринта сделаны по два среза, создающие с корпусом вентиляционного устройства по два зазора для прохождения газов, причем срезы на соседних широких местах, ограничивающих одну камеру лабиринта, расположены под углом друг к другу π/2, максимальная ширина зазоров, образованных срезами, составляет 0,1-0,3 части от радиуса широких мест лабиринта, соотношение радиусов широких и узких мест лабиринта составляет значение в пределах 2-4, соотношение высот широких и узких мест лабиринта составляет величину в пределах 0,5-2,0.

Сущность изобретения.

Цилиндрический лабиринт, помещенный в корпусе вентиляционного устройства, эффективно выполняет роль отражателя брызг электролита. Брызги электролита отражаются двумя нижними широкими местами лабиринта, прилегающими вплотную к корпусу вентиляционного устройства. Расположение, количество и ширина зазоров подобраны эмпирически так, что не снижают отражательной способности лабиринта. Если максимальная ширина зазоров превосходит 0,3 части от радиуса широкого места лабиринта, а количество зазоров превышает два, то снижается отражательная способность лабиринта, в результате чего брызги электролита могут проникать вплоть до элемента взрывобезопасности, забивая его поры. Это происходит потому, что открывается прямой путь от внутреннего объема аккумулятора до элемента взрывобезопасности. То же самое происходит, если угол взаимного расположения зазоров на соседних широких местах лабиринта отличается от π/2. Если максимальная ширина зазоров менее 0,1 части от радиуса широкого места лабиринта, а количество зазоров менее двух, то затрудняется стекание конденсата обратно во внутренний объем аккумулятора.

Цилиндрический лабиринт эффективно выполняет роль улавливателя аэрозолей электролита, поскольку аэрозольные фракции вынуждены пройти извилистый путь по цилиндрическому лабиринту от внутреннего объема аккумулятора до элемента взрывобезопасности и выхода во внешнюю среду. Газы и аэрозоли, проходя по извилистому пути через зазоры и камеры лабиринта, сильно меняют скорость и направление потока, поскольку в зазорах скорость газов максимальная, а в камерах лабиринта - минимальная. Такая пульсация потока приводит к его турбулизации и охлаждению. В результате этого аэрозоли конденсируются и оседают на стенках лабиринта и корпуса вентиляционного устройства в виде капель, и через зазоры капли стекают обратно во внутреннее пространство аккумулятора. Количество камер лабиринта, количество широких мест лабиринта с зазорами, соотношение радиусов широких и узких мест лабиринта, соотношение высот широких и узких мест лабиринта подобраны эмпирически для обеспечения активной турбулизации потока газов. Если камер лабиринта и широких мест лабиринта будет менее двух, или высоты широких и узких мест лабиринта будут заметно отличаться (соотношение высот широких и узких мест лабиринта выйдет за пределы 0,5-2), или соотношение радиусов широких и узких мест лабиринта будет менее двух, то не обеспечится достаточная турбулизация потока газов и конденсация аэрозолей. Если соотношение радиусов широких и узких мест лабиринта будет более четырех, то недопустимо уменьшится прочность самого лабиринта, что может привести к его повреждению при сборке вентиляционного устройства.

Элемент взрывобезопасности в заявленном изобретении, как и в прототипе, выполнен в виде диска из пористого кислотостойкого материала. В порах диска происходит гашение возможной внешней искры или пламени.

На фиг.1 изображены две проекции вентиляционного устройства. На фиг.2 показан общий вид цилиндрического лабиринта, совмещающего в себе функции отражателя и улавливателя аэрозолей электролита, а также показана проекция цилиндрического лабиринта с указанием необходимых размеров.

Вентиляционное устройство изготовлено в виде пробки заливочного отверстия аккумулятора или аккумуляторной батареи и имеет корпус 1 с камерой 2, с отверстиями 3, 4 для входа и выхода газовых и аэрозольных фракций. В большое отверстие, расположенное внизу пробки, плотно вставлен цилиндрический лабиринт 5, через который входят газовые и аэрозольные фракции непосредственно из внутреннего объема аккумулятора. Внутри корпуса пробки плотно вставлен элемент взрывобезопасности - диск 6. Порядок сборки вентиляционного устройства следующий. Сначала в корпус 1 пробки плотно вставляется диск 6 под самый верх пробки, а затем плотно вставляется цилиндрический лабиринт 5. Цилиндрический лабиринт 5 имеет камеры 7 лабиринта, расположенные одна над другой, количество которых в данном примере две, но в общем случае - не менее двух. Количество камер 7 ограничивается лишь размерами пробки. Камеры 7 образованы узкими местами лабиринта 5 и отделены широкими местами 8 лабиринта, количество которых в данном примере два, но в общем случае - не менее двух. При установке лабиринта 5 в корпус 1 широкие места 8 лабиринта вплотную прилегают к корпусу 1. Соотношение радиусов широких R и узких r мест лабиринта составляет R/r=2-4. Соотношение высот широких Н и узких h мест лабиринта составляет H/h=0,5-2,0. На широких местах 8 сделаны по два среза 9. Эти срезы 9 образуют зазоры 10 для прохождения газов и аэрозолей. Максимальная ширина d зазоров, образованных срезами 9, составляет 0,1-0,3 части от радиуса R широких мест лабиринта 5. Расположение срезов 9, ограничивающих одну камеру лабиринта, взаимно перпендикулярно (под углом π/2). Конструкция цилиндрического лабиринта 5 может иметь некоторые необязательные детали, не влияющие на общий замысел. Так, в данном примере мы имеем отверстие 11 для прохождения газов и аэрозолей и выступ 12, расположенный на верхнем уширении 13 лабиринта 5 (радиус верхнего уширения 13 равен R - радиусу широких мест 8 лабиринта). Их назначение - направить газы и аэрозоли через резиновый клапан, который в принципе возможно установить на выступе 12. Кроме того, в данном примере мы имеем основание 14 лабиринта 5, служащее для удобства установки лабиринта 5 в корпус 1 или извлечения его из корпуса.

Опишем теперь работу вентиляционного устройства - пробки заливочного отверстия. В процессе заряда и эксплуатации из изделий выделяются газы (кислород и водород) и аэрозоли электролита, при этом газы необходимо выводить во внешнюю среду. Кроме того, во внутреннем объеме аккумуляторов возможно образование брызг электролита. В то же время в связи с требованиями безопасности и охраны окружающей среды аэрозоли необходимо осаждать обратно во внутренний объем аккумулятора. На пути брызг электролита, газов и аэрозольных фракций расположена пробка заливочного отверстия с цилиндрическим лабиринтом 5. Первая функция лабиринта 5 - это отражатель брызг и капель электролита. Брызги электролита отражаются двумя нижними широкими местами 8 лабиринта 5, прилегающими вплотную к корпусу 1 вентиляционного устройства. Газы же попадают в камеру 2, пройдя через цилиндрический лабиринт 5 данной пробки. Аэрозоли задерживаются на стенках лабиринта 5 и стекают обратно во внутренний объем аккумулятора. Таким образом, цилиндрический лабиринт 5 выполняет вторую функцию - функцию улавливателя аэрозолей электролита. Предложенная конструкция допускает и другой возможный путь выхода газов из аккумуляторов, который не влияет на общий замысел. Газы могут проходить через цилиндрические лабиринты других пробок, где они освобождаются от аэрозолей электролита, которые конденсируются в лабиринте, и далее газы через центральный газоотводящий канал (на чертежах не представлен) и отверстие 3 попадают в камеру 2. После камеры 2 газы проходят через пористый диск 6. Здесь в порах диска 6 происходит гашение возможных продуктов горения в случае возникновения во внешней среде искры или пламени. Таким образом, пористый диск 6 позволяет обеспечить взрывобезопасность изделия. Пройдя диск 6, газы выводятся во внешнюю среду через узкое отверстие 4. Малый диаметр отверстия 4, как и в случае прототипа, обеспечивает более или менее надежную защиту от забивания пор диска 6 пылью из внешней среды.

Лабораторные испытания в условиях циклирования и перезаряда по европейскому стандарту EN 50342, а также более чем двухлетний опыт эксплуатации изделий подтверждают эффективность заявленного вентиляционного устройства. Поры элемента взрывобезопасности не забиваются электролитом или пылью, капли электролита не проникают во внешнюю среду.

Вентиляционное устройство, сообщающееся на одной стороне с внутренним объемом аккумулятора или аккумуляторов, на противоположной стороне - с внешней средой, содержит корпус с камерой и отверстиями, элемент взрывоопасности в виде диска из пористого кислотостойкого материала и совмещенный отражатель и улавливатель аэрозолей электролита, изготовленный в виде лабиринта цилиндрической формы. Лабиринт имеет как минимум две камеры лабиринта, расположенные одна над другой и образованные узкими местами лабиринта, отделенные как минимум двумя широкими местами лабиринта, прилегающими вплотную к корпусу вентиляционного устройства, на широких местах лабиринта сделаны по два среза, создающие с корпусом вентиляционного устройства по два зазора для прохождения газов, причем срезы на соседних широких местах, ограничивающих одну камеру лабиринта, расположены под углом друг к другу π/2, максимальная ширина зазоров, образованных срезами, составляет 0,1-0,3 части от радиуса широких мест лабиринта, соотношение радиусов широких и узких мест лабиринта составляет значение в пределах 2-4, соотношение высот широких и узких мест лабиринта составляет величину в пределах 0,5-2,0. Изобретение улучшает защиту взрывобезопасности от конденсата электролита и повышает надежность устройства. 2 ил.

Вентиляционное устройство, сообщающееся на одной стороне с внутренним объемом аккумулятора или аккумуляторов, на противоположной стороне - с внешней средой, содержащее корпус с камерой и отверстиями, отражатель улавливатель аэрозолей электролита и элемент взрывобезопасности, причем отражатель и улавливатель аэрозолей электролита совмещены в единой конструкции, элемент взрывобезопасности выполнен в виде диска из пористого кислотостойкого материала, отличающееся тем, что конструкция совмещенного отражателя и улавливателя аэрозолей электролита представляет собой лабиринт цилиндрической формы, имеющий как минимум две камеры лабиринта, расположенные одна над другой и образованные узкими местами лабиринта, отделенные как минимум двумя широкими местами лабиринта, прилегающими вплотную к корпусу вентиляционного устройства, на широких местах лабиринта сделаны по два среза, создающие с корпусом вентиляционного устройства по два зазора для прохождения газов, причем срезы на соседних широких местах, ограничивающих одну камеру лабиринта, расположены под углом друг к другу π/2, максимальная ширина зазоров, образованных срезами, составляет 0,1-0,3 части от радиуса широких мест лабиринта, соотношение радиусов широких и узких мест лабиринта составляет значение в пределах 2-4, соотношение высот широких и узких мест лабиринта составляет величину в пределах 0,5-2.