Brevet FR2513812A1 — publié le 19830401

Bac pour source chimique de courant électrique, notamment pour accumulateur alcalin La présente invention concerne l'industrie électrochimique et plus particulierement les bacs pour sources chimiques de courant électrique. L'invention est surtout utilisable pour les accumu- lateurs alcalins. Aujourd'hui, aucune branche industrielle ne peut se passer des sources chimiques de courant électrique, c'est-a-dire des sources du courant obtenu par transformation de l'énergie d'une réaction chimique d'oxydoréduction en l'énergie électrique. D'après le schéma électrochimique, les accumulateurs, considérés comme les sources chimiques de courant les plus répandues, se classent en deux catégories accumulateurs acides et accumulateurs alcalins. A l'heure actuelle, on constate un besoin accru en accumulateurs alcalins et, surtout, en accumulateurs ayant des caractéristiques améliorées et une durée de service prolongée. En fait il ne s'agit pas uniquement d'étendre la fabrication des types existants d'accumulateurs alcalins, mais aussi de perfectionner leur structure, d'améliorer leurs performances énergétiques et caractéristiques pondérales spécifiques et d'augmenter leur durée de service. Le perfectionnement des types existants d'accumulateurs alcalins est envisagé en particulier en termes d'une réalisation améliorée de leurs bacs servant à recevoir les blocs d'électrodes et l'électrolyte. Les bacs doivent offrir une bonne résistance mécanique pour s'opposer aussi bien à la pression exercée par le bloc d'électrodes sur les parois du récipient qu'à la pression extérieure exercée par les accumulateurs voisins assemblés en batterie; de plus, ils doivent résister aux vibrations et aux chocs prenant naissance au cours de l'utilisation des accumulateurs. L'électrolyte s'écoulant par un bac endommagé pro voque un échauffement de l'accumulateur en multipliant ainsi le risque de l'incendie. Les bacs des accumulateurs doivent posséder une isolation électrique extérieure fiable pour éviter les courants de fuite susceptibles d'affecter l'isolation de la batterie d'accumulateurs et d'accroître donc le risque de l'incendie. On connaît un bac en acier pour source chimique de courant, sous forme d'un parallélépipède rectangle non cubique, comportant des parois latérales, un fond et un couvercle doté d'un goulot et d'orifices destinés à recevoir les bornes, ces faces étant reliées entre elles par soudure. L'isolation électrique du récipient se présente sous la forme d'une gaine en caoutchouc recouvrant le récipient (voir Gratchev K.J. "Accumulateurs alcalins", Moscou-Leningrad, Editions "Gossenergoizdat", 1951, page 33). Ce bac pour source chimique de courant, tout en présentant une robustesse suffisante, possède des carac téristiques spécifiques pondérales (g/Ah) trop élevées, déterminant un poids considérable de la batterie d'accumulateurs obtenue à partir de bacs métalliques et, donc, de l'installation les utilisant. En outre, la fabrication d'un bac métallique pour source chimique de courant exige beaucoup de maind'oeuvre. Ces inconvénients sont éliminés avec des bacs pour sources chimiques de courant réalisés en matière plastique. Comme on le sait, les bacs en matière plastique sont fabriqués -à partir d'une matière préalablement chauffee'. Or,, le ref#oi- dissement d'un bac fini s'accompagne de l'apparition de contraintes internes dont la valeur peut dépasser la résistance mécanique du récipient. Aux lignes de jonction de deux plans distincts, autrement dit aux arêtes du bac, les contraintes se concentrent en mettant en question la résistance mécanique de ce dernier. Afin de réduire la concentration des contraintes internes dans les bacs pour sources chimiques de courant, les arêtes sont arrondies. Les bacs en matière plastique pour sources chimiques de courant peuvent être réalisés en recourant à deux procédés : coulée ou extrusion suivie d'un soufflage à l'air. Habituellement, les bacs obtenus par coulée comprennent deux éléments constitutifs, savoir un corps et un couvercle soudés l'un à l'autre après l'assemblage de la source chimique de courant. La résistance mécanique des bacs coulés en matière plastique est assurée en conférant à leurs parois une épaisseur suffisante. Toutefois, l'augmentation de l'épaisseur des parois accroit la quantité de matière nécessaire pour la fabrication des bacs, ce qui a un effet défavorable sur les caractéristiques pondérales spécifiques des accumulateurs et réduit le volume intérieur utile du bac pour les mêmes dimensions extérieures de celui-ci, Par ailleurs, les dispositifs d'usinage utilisés pour obtenir des bacs par le procédé de coulée sont compliqués et coûteux. C'est pourquoi des bacs monolithiques réalisés par extrusion, suivie d'un soufflage, sont de nos jours parmi les plus usuels. L'épaisseur des parois de tels bacs et donc leur rigidité doivent être partout les mêmes. Pour rendre la surface de jonction entre les parois plus uniforme, les arêtes sont arrondies. L'épaisseur de toutes les parois d'un tel récipient monolithique étant partout la même, les contraintes concentrées affectant la robustesse de ce dernier sont éliminées. On connaît déjà un bac en matière plastique pour source chimique de courant, réalisé sous forme monolithique avec des parois d'épaisseur uniforme, ce bac se présentant sous la forme d'un parallélépipède rectangle, non cubique, aux arêtes arrondies, muni de bossages pour les bornes et d'un goulot disposés sur la paroi supérieure du récipient (brevet des Etats-Unis n0 3,281.283). Ce bac a des parois relativement minces qui ne lui confèrent pas une robustesse suffisante pour être utilisé pour des sources chimiques de courant de grande capacité. Ledit inconvénient est éliminé dans un bac connu pour source chimique de courant, bac qui constitue d'ailleurs le point de départ de l'invention et qui est réalisé en matière plastique sous forme d'un parallélé pipe de rectangle non cubique aux arêtes arrondies, deS structure monolithique avec des parois d'épaisseur uniforme. Ce bac est pourvu de nervures rectangulaires extérieures, exécutées sur ses parois longues, ainsi que de bossages pour les bornes et d'un goulot disposés sur la paroi supérieure du bac (voir $'Recueil des mémoires sur les sources chimiques de courant", fasc. 10, Leningrad, 1975, page 173). Une telle réalisation de bac pour source chimique de courant présente une rigidité insuffisante des arêtes arrondies, affectant la résistance mécanique de l'ensemble du bac En outre, comme les parois supérieure et inférieure dudit bac, qui servent d'éléments porteurs de la construction, supportent les charges maximales au cours de l'utilisation du bac sans être suffisamment rigides, la robustesse du bac pour source chimique de courant, de même que sa fiabilité, s'en trouvent réduites. Des batteries formées par des accumulateurs comportant de tels bacs ne permettent pas de maintenir un régime thermique normal, vu l'absence, entre les accumulateurs, de lames d'air qui auraient permis un refroidissement des accumulateurs nécessaire pour le fonctionnement str de ces derniers. Le but de l'invention est un bac pour source chimique de courant dont les arêtes ainsi que les parois supérieure et inférieure contribueraient à améliorer la rigidité du bac pour augmenter sa résistance mécanique et, du même coup, sa fiabilité. Le but visé est atteint du fait que, dans un bac pour source chimique de courant, réalisé en matière plastique sous forme monolithique avec des parois d'épaisseur uniforme et se présentant sous la forme d'un parallélépipède rectangle, non cubique, avec arêtes arrondies et pourvu de bossages pour les bornes et d'un goulot disposés sur la paroi supérieure du bac, on prévoit, conformément à l'invention, que les arêtes verticales font saillie par rapport aux parois latérales, tandis que les arêtes horizontales inférieures, s'étendant suivant la longueur du bac, font saillie par rapport à la paroi inférieure, toutes les arêtes susmentionnées étant jointes aux parois dont elles font saillie à l'aide de congés avec des rayons de raccordement égaux ou supérieurs à l'éloignement maximum de la surface de l'arête par rapport à la paroi du bac et avec un rapport dudit éloignement maximum entre la surface de l'arête et la paroi du bac à la largeur de l'arête compris entre 0,05 et 0,3, le bac étant en outre pourvu d'au moins deux nervures disposées dans le sens de sa largeur avec un rapport entre la hauteur de la nervure et sa largeur égal ou supérieur à 1, une nervure étant disposée sur la paroi inférieure, tandis que l'autre est disposée sur la paroi supérieure en passant par les bossages pour les bornes. Le fait que les arêtes verticales et les arêtes horizontales inférieures, disposées suivant la longueur du récipient, font saillie par rapport aux parois du récipient, permet d'augmenter la rigidité du récipient, attendu que de telles arêtes saillantes servent de nervures de rigidité,en améliorant ainsi la robustesse du bac. Par ailleurs, du fait que les arêtes verticales et les arêtes horizontales font saillie par rapport aux parois, il devient possible de laisser une lame d'air entre les accumulateurs au moment d'assemblage de ces derniers en batterie, ce qui, à son tour, améliore le régime thermique pendant le fonctionnement des accumulateurs réunis en batterie, en augmentant ainsi la sureté de fonctionne ment de ces derniers. Grâce au fait que les arêtes s'étendant suivant la longueur du récipient font saillie par rapport à la paroi inférieure, la surface qui supporte les charges de choc se réduit à une valeur minimale, en augmentant ainsi la robustesse du bac. L'existence de congés de raccordement entre les arêtes saillantes et les parois avec des rayons de raccordement égaux ou supérieurs à la valeur d'éloignement maximum de la surface de l'arête par rapport à la paroi du récipient permet de joindre progressivement les arêtes aux parois en évitant ainsi toute concentration de contraintes internes aux endroits de raccordement. Si le rapport de l'éloignement maximum entre la surface de l'arête et la paroi du bac à la largeur de ce dernier est inférieur à 0,05, la jonction entre l'arête et la paroi s'opère avec une progressivité trop poussée et n'offre pas la rigidité voulue au bac. Dans le cas où ledit rapport de l'éloignement maximun entre la surface de l'arête et la paroi du bac à la largeur de l'arête est supérieur à 0,30, il peut y avoir un rapprochement des arêtes sur la paroi latérale.s'étendant suivant la longueur du récipient, autrement dit la duplication de l'épaisseur de la paroi, ce qui perturberait l'uniformité d'épaisseur du bac pris dans son ensemble et affecterait de ce fait sa résistance mécanique. La présence de nervures sur les parois inférieure et supérieur constituant les éléments porteurs du bac qui supportent les charges maximales, permet d'augmenter la rigidité de celles-ci et donc celle de llensemble du bac. Dans le cas où le rapport de la hauteur de la nervure à sa largeur est inférieure à 1, la nervure perd ses propriétés rigides, de sorte qu'il devient impossible d'obtenir une nervure ayant la forme désirée. La présence de la nervure sur la paroi supérieure de façon qu'elle passe par les bossages pour les bornes per met de réaliser une liaison rigide entre les bossages, confère une rigidité au point de fixation du bloc d'électrodes et améliore la sûreté de fonctionnement du bac. Suivant un mode de réalisation du bac,selon l'invention, pour source chimique de courant, la hauteur de la nervure réalisée sur la paroi inférieure du récipient ne dépasse pas la valeur d'éloignement maximum de la surface des arêtes horizontales inférieures par rapport à la paroi inférieure du récipient. La réalisation de la nervure disposée sur la paroi inférieure du récipient avec une hauteur ne dépassant pas la valeur d'éloignement maximum de la surface des arêtes horizontales inférieures par rapport à la paroi inférieure du bac contribue à rendre le bac suffisamment stable. Suivant un autre mode de réalisation du bac,selon l'invention,pour source chimique de courant, la hauteur de la nervure réalisée sur la paroi supérieure du bac ne dépasse pas celle des bossages pour les bornes. La réalisation de la nervure disposée sur la paroi supérieure du bac avec une hauteur ne dépassant pas celle des bossages pour les bornes permet de simplifier les opérations d'assemblage des accumulateurs en batterie. L'invention ressortira mieux de la description dë- taillée d'un exemple de réalisation particulier décrit ci-après avec référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente un bac pour source -chimique de courant conforme à l'invention, vu en perspective; la figure 2 représente le bac en une vue axonométrique partielle de dessous. On exécute le bac pour source chimique de courant électrique sous forme monolithique avec des parois d'épaisseur uniforme en soufflant l'air sur une pièce brute chaude,de sorte qu'elle se déploie autour d'un bloc d'électrodes, de polarités contraires, isolées par un séparateur (non représenté), pour la soumettre ensuite à un moulage par extrusion. Le bac pour source chimique de courant ainsi obtenu se présente sous la forme d'un parallélépipède rectangle non cubique ayant des parois latérales 1, 2 (figure 1), une paroi inférieure 3 (figure 2), une paroi supérieure 4 (figure 1) et des arêtes arrondies, notamment - des arêtes verticales 5 entre les parois latérales 1, 2; - des arêtes horizontales inférieures 6 (figure 2) entre les parois latérales 1 et la paroi inférieure-3, ces arêtes s'étendant suivant la longueur du bac; - des arêtes horizontales inférieures 7 (figures 1, 2) disposées entre les parois latérales 2 et la paroi inférieure 3 et s'étendant suivant la largeur du bac; - des arêtes horizontales supérieures 8 (figure 1) entre les parois latérales 1 et la paroi supérieure 4 (suivant la longueur du bac); et - des arêtes horizontales supérieures 9 entre les parois latérales 2 et la paroi supérieure 4 (suivant la largeur du bac). Les arêtes verticales 5, ayant une largeur al, font saillie par rapport aux parois latérales 1, 2 d'une distance L1. L'éloignement maximum L1 de la surface de l'arête par rapport aux parois 1, 2 du récipient est déterminé à partir de la plus grande valeur possible de l'énergie volumique spécifique (Wh/dm3) d'un accumulateur ayant certains encombrements normalisés, de la largeur d'électrode adoptée dans les conditions de fabrication et d'une épaisseur minimale de paroi du bac, admissible pour le type donné d'accumulateur, pourvu qu'elle permette d'atteindre la robustesse voulue de ce dernier. La largeur al de l'arête doit être inférieure à la distance entre les saillies situées sur une même paroi pour donner aux arêtes 5 une rigidité suffisante, propre aux nervures. Les arêtes 5 ont des congés 10 les raccordant aux parois latérales 1, 2. Les arêtes horizontales inférieures 6 (figure 2) font saillie d'une distance L2 par rapport à la paroi inférieure 3 et ont une largeur a2. Les valeurs L2 et a2 sont déterminées de la meme façon que L1 et al pour les arêtes 5. Les are tes 6 ont des congés 11 les raccordant à la paroi inférieure 3 du bac. Les rayons Rl, R2 des congés de raccordement respectifs 10, 11 doivent être égaux ou supérieurs à la valeur d'éloignement maximum de la surface des arêtes 5 par rapport aux parois 1, 2 et des arêtes 6 par rapport à la paroi 3 pour assurer une jonction progressive entre les arêtes et les parois en y évitant la concentration de contraintes. Le rapport de la valeur d'éloignement maximum entre la surface des arêtes 5, 6 et les parois du bac à la largeur de ces arêtes (L1/a1 et L2/a2) est compris entre 0,05 et 0,3, un tel rapport conférant aux arêtes 5, 6 une rigidité suffisante pour servir de nervures. La paroi inférieure 3 (fig. 2) comporte une nervure 12 se disposant suivant la largeur du bac, c'est-à-dire parallèlement aux parois latérales 2. La nervure 12 est rectangulaire et présente une hauteur hl et une largeur a3 ; étant donné qu'elle est disposée au milieu de la paroi 3, on réussit à répartir uniformément la rigidité tout au long de cette dernière. La hauteur hl et la largeur a3 liées par la relation h1/a3#1, permettent d'obtenir une arête du profil rectangulaire voulu qui assure une rigidité plus élevée. Les bacs de grande longueur comportent avantageusement un plus grand nombre de nervures réparties uniformé- ment sur toute la surface de la paroi 3. La paroi supérieure 4 (fig. 1) du récipient comporte une nervure 13 disposée dans le sens de la largeur du bac, ctest-à-dire parallèlement aux parois latérales 2, deux bossages 14 pour les bornes (non représentées) et un goulot 15. La nervure 13 passe par les bossages 14 pour les bornes et le goulot 15, ce qui permet une liaison rigide entre le bossage 14 et le goulot 15, en améliorant ainsi la fiabilité du bac. La nervure 13 est-de forme rectangulaire et possède des chanfreins 16 entre les bossages 14 et la paroi supérieure 4, ce qui fournit une liaison rigide supplémentaire entre ces derniers. La hauteur h2 et la largeur a4 de la nervure 13 sont liées par la relation h2/a42/1 permettant d'obtenir une nervure de la forme rectangulaire requise. Pour des bacs ayant un plus grand nombre de paires de bornes (non représentées) le nombre de nervures 13 disposées sur la paroi supérieure 4 est égal à celui de paires de bossages 14 pour les bornes. Conformément à l'invention, la hauteur hl de la nervure 12 (fig. 2) réalisée sur la paroi inférieure 3 ne dépasse pas la valeur L2 d'éloignement maximum de la surface des arêtes horizontales inférieures par rapport à la paroi 3, ce qui fournit au récipient une plus grande stabilité. La hauteur h2 de la nervure 13 (fig. 1) réalisée sur la paroi supérieure 4 ne dépasse pas la hauteur h3 des bossages 14 pour les bornes, une augmentation de la hauteur h2 au-delà de la limite indiquée rendant plus compliqué l'assemblage des accumulateurs en batterie sans accroltre la rigidité de la liaison entre les bornes. Les parois latérales 2 peuvent recevoir en addition des nervures rectangulaires (non représentées) sans ou avec un congé de raccordement à la surface de la paroi, ce qui donne aux parois une rigidité supplémentaire, leur permettant de mieux résister à la poussée du bloc d'électrodes due au gonflement des électrodes au cours de l'utilisation. Des essais de résistance des bacs monolithiques en matière plastique pour sources chimiques de courant électrique ont été effectués en amenant de l'air, sous une pression jusqu'à 1 atm, à l'intérieur desdits bacs. Les essais comparatifs des bacs connus et de celui de la présente invention ont montré que : - les bacs traditionnels présentaient des fentes le long des arêtes verticales et horizontales inférieures ; - les bacs ayant des arêtes en saillie sans congés de raccordement les joignant aux parois par rapport auxquelles elles font saillie, présentaient des fentes suivant les lignes de raccordement ; - les bacs selon la présente invention n'avaient pas de fentes ou autres défectuosités à la pression indiquée. Cependant, si le rapport de la valeur d'éloignement maximum entre la surface de l'arête et la paroi à la largeur de l'arête (L1, 2/a1 2) est égal ou inférieur à 0,05, une déformation (cambrure) des parois du récipient a été observée, déformation due à une rigidité insuffisante. Une telle déformation peut conduire à la longue à la destruction du bac. La déformation minimale des parois a été constatée pour des bacs ayant un rapport L1 2/a1, 2 égal à 0,3. Des essais de résistance des bacs aux charges de choc ont été effectués en soumettant les accumulateurs fonctionnant, pendant 5 heures, à des vibrations sous un angle de 100 par rapport à la verticale avec une accélération de 9,8 m/s2 (1 g) et une fréquence jusqu'à 60 Hz. Les essais comparatifs de bacs connus et de bacs selon la présente invention ont montré que - les bacs classiques présentaient après essais des fentes aux endroits de jonction de trois parois : deux latérales et une inférieure ; - les bacs selon l'invention n'avaient pas, après essais, des fentes aux endroits de jonction de trois parois, là où les arêtes horizontales inférieuresfont saillie. Les essais de rigidité, ayant pour but de s'assurer de l'efficacité des nervures des parois supérieure et inférieure, ont été effectués en utilisant des plaques exécutées en une même matière et ayant une épaisseur et une superficie identiques à celles des parois supérieure et inférieure du bac, ces plaques ayant été fixées par leurs côtés correspondant à la longueur du bac. On a appliqué aux plaques des charges correspondant au poids du bloc d'électrodes (pour la paroi supérieure) ou au poids du bloc d'électrodes, du bac et de l'électrolyte (pour la paroi inférieure) et l'on a mesuré la déformation (cambrure) des plaques. Les essais comparatifs ont montré que les plaques pourvues de nervures subissaient une déformation beaucoup moins importante que celles sans nervures. On voit donc que la robustesse des parois supérieure et inférieure pourvues de nervures est bien supérieure et leur permet de répondre aux exigences concernant la résistance mécanique. Ainsi, les essais de résitance du bac selon l'invention pour source chimique de courant ont permis de prouver sa bonne résistance mécanique. Le bac selon l'invention pour source chimique de courant présente une résistance mécanique élevée et donc une haute fiabilité. Il ressort de la description de l'exemple concret de réalisation de la présente invention que le but de l'invention peut être effectivement atteint dans le cadre défini par les revendications qui suivent. Revendications 1. Bac pour source chimique de courant électroique, réalisé en matière plastique sous forme monolithique avec des parois d'épaisseur uniforme et se présentant sous la forme d'un parallélépipède rectangle non cubique avec des arêtes arrondies (5, 6, 7, 8, 9) et pourvu de bossages (14) pour les bornes et d'un goulot (15) disposés sur la paroi supérieure (4) du bac caractérisé en ce que les arêtes verticales (5) font saillie par rapport aux parois latérales (1, 2), alors que les arêtes horizontales inférieures (6), disposées suivant la longueur du bac, font saillie par rapport à la paroi inférieure (3), toutes lesdites arêtes (5, 6) étant jointes aux parois (1, 2, 3) dont elles font saillie à l'aide de congés (10, 11) avec des rayons de raccordement (R1 2) égaux ou supérieurs à la valeur (L11 2) d'éloignement maximum de la surface de l'arête (5, 6) par rapport à la paroi (1, 2, 3) du récipient et avec un rapport de ladite valeur (L1 2) d'éloignement maximum entre la surface de l'arête (5, 6) et la paroi (1, 2, 3) du récipient à la largeur (a1 2) de l'arête (5, 6) compris entre 0,05 et 0,3, le bac étant en outre muni d'au moins deux nervures (12, 13) disposées dans le sens de la largeur du bac avec un rapport entre la hauteur (hl 2) de la nervure (12, 13) et sa largeur (a3, 4) égal ou supérieur à 1, une des nervures (12) étant disposée sur la paroi inférieure (3), tandis que l'autre (13) est disposée sur la paroi supérieure (4) en passant par les bossages (14) pour les bornes. 2. Bac selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur (h1) de la nervure (12) disposée sur la paroi inférieure (3) du bac ne dépasse pas la valeur (L2 > d'éloignement maximum de la surface des arêtes horizontales inférieures (6) par rapport à la paroi inférieure (3) du bac. 3. Bac selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la hauteur (h2) de la nervure (13) réalisée sur la paroi supérieure (4) du bac ne dépasse pas la hauteur (h3) des bossages (14) pour les bornes.