Brevet FR2002199A1 — publié le 19691017

la présente invention se rapporte cL'une façon générale aux piles sèches, notamment à de telles piles comportant une anode en magnésium, et elle concerne plus particulièrement un nouveau type d'évent pour laisser échapper la pression gazeuse développée au 5 cours de la décharge de la pile. Les piles sèches au magnésium constituent ■une source de courant idéale pour de nombreuses applications qui exigent une tension de travail élevée* Quand on les compare -à la pile sèche Leclanché à anode de zinc d'une conception classique, les piles au magnésium 10 fonctionnent sous une tension qui est supérieure d'environ 0,3 volt pour des conditions équivalentes de prélèvement de courant. Malgré cet avantage, assez notable, on ne peut pas dire que les piles au magnésium jouissent d'un succès généralisé, principalement du fait que leur fonctionnement pose de nombreuses difficultés d'un carac-15 tère sérieux. l'un des principaux inconvénients auxquels on se heurte avec les piles au magnésium est celui du dégagement gazeux et d'une éventuelle accumulation dangereuse de la pression gazeuse pendant le cycle de décharge de la pile. Il en est ainsi par suite de l'efficaci-20 té assez médiocre de l'anode en magnésium actif qui réagit en pure perte avec l'eau contenue dans 1'électrolyte en produisant de l'hydrogène gazeux en abondance. Dans la technique antérieure, on utilisait dans les piles leclanché des évents pour libérer la pression gazeuse développée dans 25 la pile. En général, un tel évent était un évent ouvert à diffusion d'un type ou d'un autre que l'on ménageait dans le boîtier de la pile. Bien qu'un évent de ce genre soit en général satisfaisant pour une pile sèche leclanché, il ne convient en aucune façon pour une pile au magnésium car il serait absolument incapable de laisser 30 échapper des quantités gazeuses importantes de l'intérieur de la pile. Une pile au magnésium produit en général, au cours de sa décharge normale, du gaz sous un débit qui peut atteindre 1000 fois celui d'une pile sèche leclanché, car cette dernière ne dégage pas de quantités importantes de gaz jusqu'à pratiquement sa décharge 35 complète. Un autre inconvénient d'un évent du type ouvert à diffusion, que l'on utilisait dans les piles sèches leclanché est qu'il permet trop facilement la perte continue de l'humidité de l'intérieur de la pile. Pour prolonger la vie en stockage d'une pile au magnésium, 40 cette dernière doit pouvoir conserver pratiquement la totalité de 69 04148 2 2002199 l'eau qu'elle contenait initialement et en conséquence la pile doit être hermétiquement close pendant la durée de son emmagasinage ou stockage. TJn autre inconvénient encore des évents à diffusion de ce 5 genre est qu'ils sont ouverts en permanence pendant la décharge mais aussi pendant que la pile est en magasin. Un évent idéal pour une pile au magnésium devrait pouvoir maintenir la pile à l'état hermétique pendant le stockage et ensuite dégager rapidement des quantités importantes du gaz se formant pendant la décharge de la " 10 pile. En outre, 1'évent doit pouvoir se refermer hermétiquement par ses propres moyens dès que la pression gazeuse s'est échappée# En outre, cet évent doit être de construction simple et d'une fabrication bon marché. En conséquence, la présente invention a pour but de réaliser 15 un dispositif d'évent d*un type nouveau et perfectionné pour une pile au magnésium, capable de maintenir la pile à l'état hermétique pendant toute la durée de stockage ou d'emmagasinage mais qui pourra libérer rapidement la pression gazeuse de l'intérieur de la pile aussitôt que des quantités importantes de gaz se seront accumulées ' 20 dans cette pile. En conséquence, la présente invention a pour objet une pile sèche comprenant un récipient cylindrique en forme de gobelet ayant une extrémité ouverte et un disque -1 obturateur monté dans l'extrémité ouverte de ce récipient, le bord périphérique extérieur de ce 25 disque venant buter contre la paroi latérale intérieure du récipient caractérisée en oe qu'une ouverture d'échappement de gaz est pratiquée dans le disque, une garniture d'étanchéité de forme annulaire plate est disposée sur le dessus du disque en surmontant ladite ouverture d'échappement, et une bague d'étanchéité profilée en L est 30 montée sur le bord périphérique supérieur, du récipient, une aile de cette bague d'étanchéité étant placée contre la paroi latérale extérieure du récipient en contact radial de pression avec elle et l'autre aile de la bague étant pls,cée sur le sommet de la garniture annulaire plate et servant à pousser ladite garniture vers une po-35 sition de contact de pression élastique étanche avec la partie supérieure du disque tout autour de l'ouverture d'échappement. D'autres byts et avantages de l'invention ressortiront de la detaillée , „ , , description/qui va- en être faite ci-apres en se référant au dessin annexé sur "lequel : 40 la figure 1 est une coupe axiale d'une pile sèche comportant 69 04148 3 2002199 le nouveau "type d1 évent selon l'invention j la figure 2 est une coupe à plus grande échelle d,une partie de la pile sèche représentée sur la figure 1 et montrant plusieurs parties du nouvel évent de façon plus détaillée ; 5 la figure 3 est une coupe horizontale par la ligne 3-3 de la figure 1 ; la figure 4 est une vue partielle d'un fragment de la pile représentée sur la figure 3» montrant une variante de réalisation de l'invention j 10 la figure 5 est une vue en plan qui correspond à la coupe ho rizontale de la figure 3 mais qui montre une autre variante de réalisation de l'invention. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 a 3y ■ une pile sèche selon l'invention comprend un récipient cylindrique 15 en forme de gobelet 2 construit en magnésium métallique ou en alliage de magnésium consumable dont le rôle est celui de l'anode de la pile. En dedans de cette anode cylindrique en forme de gobelet 2. est installée la cathode usuelle en forme de bobine consistant en un mélange dépolarisant de bioxyde de manganèse 3 et une tige-catho-20 de en carbone 4o la tige-cathode 4 est noyée dans le mélange dépolarisant 3 et son extrémité supérieure dépasse au-delà des bords périphériques supérieurs de l'anode cylindrique 2. Une rondelle en étoile 5 est placée dans le bas de la bobine cathodique et a pour but d'isoler électriquement le mélange 3 et la tige-cathode 4 de 1'-25 extrémité inférieure de l'anode 2« Un séparateur perméable aux ion^ sous forme d'un fourreau gaufré en papier 6, entoure la cathode et est intérposé entre le mélange dépolarisant 3 et la paroi latérale de l'anode cylindrique 2. Ce séparateur peut être formé par exemple en un papier enduit de méthyl-cellulose0 30 la fermeture de la pile est constituée d'un disque annulaire isolant 7 qui est avantageusement en matière plastique et qui est ajusté étroitement sur le pourtour de l'extrémité supérieure de la cathode 4 en dedans de l'extrémité ouverte du récipient formant a-node 20 le disque isolant 7 présente une partie marginale périphé-35 rique annulaire qui est surélevée 8 sur la surface supérieure de ce disque et qui définit un épaulement 9 qui repose sur les bords périphériques supérieurs de l'anode 2„ Immédiatement au-dessous de 1'épaulement 9, les bords périphériques supérieurs de l'anode 2 sont déformés ou recourbés en dedans, comme on peut le voir en 10j 40 de manière à recevoir une aile 11a d'une bague d'étanchéité 11 a 69 04148 4 2002199 vantageusement formée en acier» L'aile 11a est comprimée ou forcée vers l'intérieur sous une pression radiale élevée contre la paroi latérale extérieure de l'anode 2, afin d'établir un joint radial hermétique entre les parties en aboutement qui sont les bords exté-5 rieurs du disque isolant 7 et la paroi latérale intérieure de l'anode cylindrique 2„ Un chapeau métallique d'extrémité 12 est ajusté sur l'extrémité supérieure de la tige en carbone 4 et constitue une borne électrique pour la pile» Sur la figure 2 on a représenté en détail à -une plus grande 10 échelle 1'évent obturable que l'on va maintenant décrire, Oet évent comprend en premier lieu une ouverture d'échappement 13 pratiquée dans la partie marginale périphérique 8 du disque isolant 7* Une garniture hermétique annulaire plate 14 recouvre cette ouverture d1-évent 13. La garniture annulaire 14 peut être construite en un maté -15 riau approprié quelconque pour un tel usage, par exemple en caoutchouc ou en un mélange de caoutchouc et, de préférence, sa dimension est étudiée pour recouvrir toute la surface supérieure de la partie marginale périphérique 8 du disque 7» L'aile 11b de l'a bague d'étanchéité 11 est dirigée radialement vers l'intérieur à partir du 20 bord périphérique de l'anode 2 et est montée en contact élastique de pression contre la surface - supérieure de la garniture annulaire hermétique plate 14. On voit donc que l'aile 11b constitue en fait un élément de retenue de la garniture qui pousse normalement cette garniture annulaire 14 vers sa position obturante sur le pourtour de 25 l'ouverture 13 mais qui en même temps peut fléchir à l'écart de la garniture annulaire plate 14, comme il est indiqué par la flèche sur la figure 2„ Oe fléchissement de l'aile 11b peut avoir lieu autour d'une extrémité fixe ou pivotante située à l'emplacement de la jonction avec l'autre aile 11a de la bague d'étanchéité 11. 30 Pendant que la pile est en stockage ou dans la première partie de son cycle de décharge, c'est-à-dire que la formation du gaz est faible ou même nulle, 1'évent est maintenu dans sa position normalement close et la perte de l'humidité de l'intérieur de la pile est insignifiante ou même inexistante. Quand cependant on met la pile 35 sur le cycle de- décharge, il peLit se produire la formation abondante d'un gaz et celui-ci risque de provoquer une accumulation excessive de pression au point de rendre la pression gazeuse interne de la pile dangereuse pour l'utilisateur. Quand cette pression gazeuse prédéterminée est atteinte, l'aile 11b de la bague d'étanchéité profi-40 lée 11 fléchit en s'écartant de la garniture annulaire plate 14, ce 69 04148 5 2002199 qui provoque une rupture momentanée du joint sur le pourtour de l'ouverture 13 et permet au gaz de s'échapper de la pile. Une fois que la pression gazeuse a été libérée, l'aile 11b reprend sa position initiale de pression contre le dessus de la garniture annulai-5 re plate 14, à la suite de quoi 1'évent est encore une fois hermétiquement fermé. En utilisation de ce dispositif d'évent, l'aile 11b de la bague d'étanchéité 11 fléchit lors de l'établissement d'une pression gazeuse interne dans la pile sous l'effet de la force de cette pres-10 sion appliquée à travers l'ouverture 13 contre la face inférieure de la garniture annulaire plate 14» En même temps, la pression gazeuse interne est appliquée directement contre le dessous du disque isolant 7. Cette action force l§£isque 7 à se mouvoir vers l'extérieur à travers l'extrémité ouverte de l'anode cylindrique 2 et, par voie 15 de conséquence, l'aile 11b est déviée à l'écart de la face supérieure de la garniture annulaire plate 14. On voit donc que le fléchissement ou la déviation de l'aile 11b de la bague 11, pour ouvrir 1'évent, est provoqué par l'application de la pression gazeuse interne contre la surface de contact réelle avec le gaz de la garnitu-20 re annulaire 14 et -de la face inférieure du disque isolant 7. Etant donné que la surface latérale du disque isolant 7 est plus étendue que la surface de contact entre le gaz et la garniture annulaire 14, la force exercée par la pression gazeuse interne sur la face inférieure du disque 7 aura un effet plus fort sur le flé-25 chissement de l'aile 11b et par conséquent sur le mouvement d'ouverture de l'évent. Un tel mode opératoire est avantageux car il permet l'utilisation d'un évent 13 d'une dimension relativement faible. Une faible dimension de cette ouverture d'évent est souhaitable car elle ré-30 duit la perte d'humidité de l'intérieur de la pile ; en effet, une grande ouverture permet un échappement plus important d'humidité de l'intérieur de lapilei Cependant, si l'on ne maintient pas à un^aleur d'équilibre correcte le rapport des pressions (c'est-à-dire le rapport entre la 35 pression exercée sur le disque isolant 7 et la pression exercée sur la garniture annulaire 14), il existe toujours un risque d'une expulsion du disque isolant 7 hors de la pile. Pour établir cette valeur d'équilibre du rapport des pressions, on peut augmenter la surface de contact avec le gaz de -la face inférieure de la garniture 40 annulaire plate 14. Une technique évidente pour aboutir à ce résul 69 04148 6 2002199 tat- consiste à augmenter la dimension de l'ouverture 13 mais il s'agit d'un expédient non-souhaitable aussi bien en raison de l'accroissement de la perte d'humidité que pour des motifs d'espace disponible. Un autre expédient consiste à augmenter le nombre d1ouver-5 tures d'évent, par exemple en installant trois ouvertures espacées de 120°, mais encore une fois il s'agit d'un agencement peu avantageux car la présence dIun plus grand nombre d'ouvertures risque d'affaiblir mécaniquement le disque isolant 7. Dans le dispositif qui est représenté sur les figures 1 à 3* 10 l'orifice d'évent 13 présente une ouverture circulaire agrandie 15 sur la surface supérieure du disque 7. la présence de cette ouverture ou évidement agrandi 15a pour effet d'accroître la surface de contact entre le gaz et la face inférieure de la garniture annulaire plate 14. Une fois que la surface de contact avec le gaz est ainr.'. • 15 si agrandie, il devient facile d'établir un rapport équilibré entre les pressions sans pour cela augmenter la dimension de l'orifice proprement dit ou le nombre de tels orifices d'évent. le, figure 4 représente une modification de l'évent selon laquelle l'orifice d'évent 13a présente une ouverture quelque peu el-20 liptique ou en forme de haricot 16. En disposant l'orifice 16 le long dTune ligne circonférehtielle normale à l'axe radial du disque isolant 7» on voit qu'on peut établir une surface de contact avec le gaz encore plus grande sans augmenter pour autant les dimensions de l'aile 11b ou de la garniture annulaire plate 14. 25 Une autre variante de réalisation encore est représentée sur la figure 5. Dans ce cas, l'évent présente un orifice 13h qui communique avec une gorge annulaire ou circonférentielle 17 creusée dans la surface supérieure de la partie marginale périphérique 8 du disque isolant 7. Oette gorge annulaire ou circonférentielle 17 assure 30 une surface de contact fortement accrue entre le gaz et le côté inférieur de la garniture annulaire plate 14, pour permettre l'échappement du gaz a des pressions faibles. On remarquera que dans toutes les constructions décrites de la pile sèche, la bordure périphérique annulaire surélevée 8 sert 35 à conférer un surcroît de résistance à la partie du disque isolant 7 dans laquelle est formé l'orifice d'évent 13. Alors que la partie marginale périphérique 8 peut être éliminée si on le désire, sa présence est recommandée pour des piles de plus petit format, par exemple pour 3es piles de format "A" (les dimensions d'une pile de for-40 mat "A) sont fournies par le National Bureau of Standards du U.S« 69 04148 7 2002199 Department of Commerce, comme suit : diamètre nominal- 15,9 mm, •z hauteur - 47,6 mm, volume - 9,34 cm , poids - 20,4 g). Dans une série d'essais, on a construit un certain nombre de piles au magnésium du format A en utilisant un orifice d'évent com-5 prenant une ouverture de 0,63 mm de diamètre munie d'un évidement de 1,6 mm de diamètre dans le haute On a stocké les piles pendant environ un mois à 71 °C et on a constaté que la perte d'humidité est inférieure à 5 f° de la teneur initiale en eau. A la décharge, on a constaté que les piles libèrent le gaz sous des débits acceptables 10 allant jusqu'à 80 cm^/minute. Il va de soi que l'on peut apporter des modifications aux formes de réalisation qui ont été décrites et qui sont représentées sur le dessin, uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir pour cela du cadre de cette invention. 69 04148 8 2002199 BEYEHDICATIOUS 1 •— Pile sèche comprenant un récipient cylindrique en forme de gobelet ayant une extrémité ouverte et un disque d'obturation monté dans l'extrémité ouverte de ce récipient, le bord périphéri-5 que extérieur de ce disque venant buter contre la paroi latérale intérieure du récipient, caractérisée en ce-qu'une ouverture d'échappement de gaz est pratiquée dans le disque, une garniture d'étanchéité de formé annulaire plate est disposée sur le dessus du disque en surmontant ladite ouverture d'échappement, et utie bague 10 d'étanchéité profilée en L est montée sur le bord périphérique supérieur du récipient, une aile de cette bague d'étanchéité étant placée contre la paroi latérale extérieure du récipient en contact radial de pression avec elle et l'autre aile de la bague étant placée sur le sommet de la garniture annulaire plate et serrant à poùs-15 ser ladite garniture vers une position de contact de pression élastique étanche avec la partie supérieure du disque tout autour de 1T-ouvertur§/d*échappement 1 2#— Pile sèche selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ouverture d'évent se termine par un évidement circulaire a-20 grandi à la surface supérieure du disque d'obturation. 3»- Pile sèche selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ouverture d'échappement se termine en un évidement agrandi de forme elliptique sur la surface supérieure du disque obturant. 4.- Pile sèche selon la revendication 1, caractérisée en ce 25 que l'ouverture d'échappement communique avec une gorge circonférentielle creusée dans la surface supérieure du disque obturant.