Brevet FR2667446A1 — publié le 19920403

"Structure de borne coaxiale pour une batterie étanche sous pression" Des batteries oxyde métallique-hydrogène, telles que les batteries oxyde de nickel-hydrogène, ont été utilisées comme batteries de démarrage d'avion et dans des applications aérospatiales, car elles sont rechargeables, ont une durée de vie extrêmement longue et délivrent une sortie uniforme pendant tout le cycle de décharge. Dans la batterie oxyde de nickel-hydrogène typique, les éléments de batterie sont scellés dans une enveloppe externe sous pression qui contient de l'hydrogène sous pression Lors de la décharge de la batterie, l'hydrogène diffuse à travers l'électrolyte entourant les surfaces de catalyseur des plaques négatives et est dissocié à l'état mono-atomique. L'hydrogène mono-atomique est ionisé et se combine avec des ions hydroxyles pour former de l'eau, avec un électron qui est libéré au cours du processus de formation de chaque ion hydrogène De plus, des ions hydroxyles sont formés au niveau de la plaque positive par la réaction de l'eau avec la teneur en oxygène disponible de l'oxyde de nickel Il résulte de ces réactions qu'un courant d'électron est produit à l'extérieur du circuit. Lors de la recharge, la réaction est inversée, la recharge étant caractérisée par la régénération de l'hydrogène au niveau de l'électrode négative et la réoxydation de l'hydroxyde de nickel au niveau de l'électrode positive. En pratique, la connexion électrique extérieure est faite avec les éléments de batterie après que l'enveloppe extérieure sous pression soit formée autour des éléments Une technique courante a été de former des barrettes de polarité unique à chaque extrémité de l'enveloppe qui sont scellées dans des ouvertures dans les têtes opposées de l'enveloppe. Dans certains cas, un assemblage de borne coaxiale est souhaitable afin de répondre aux exigences de l'utilisateur, les pôles négatif et positif sortant tous deux à la même extrémité de l'enveloppe Par exemple, dans une batterie de démarrage d'avion, la batterie contient normalement une connexion enfichable externe, et pour recevoir la connexion enfichable, il est avantageux d'avoir une borne de batterie coaxiale dans laquelle les deux pôles s'étendent en relation coaxiale à travers une extrémité unique de l'enveloppe sous pression Si les pôles sortent par des extrémités opposées de l'enveloppe, au moins un des conducteurs externes menant à la connexion enfichable doit avoir une longueur suffisamment accrue, ce qui peut nuire aux performances de la batterie tout comme augmenter la longueur totale de la batterie, ce qui est un facteur critique dans certaines applications ayant un espace limité, telles que les applications de démarrage d'avion. L'invention se rapporte à une structure de borne coaxiale pour une batterie étanche sous pression, telle qu'une batterie oxyde métallique- hydrogène La batterie comporte une enveloppe externe étanche sous pression qui renferme une série d'éléments de batterie et des pôles ou bornes positif et négatif sont reliés aux éléments et sont disposés à l'intérieur de l'enveloppe. Selon l'invention, une unité de borne pré- montée s'étend à travers une bride de montage annulaire qui est fixée à l'intérieur d'une ouverture dans la paroi de l'enveloppe et l'unité de borne comporte une électrode interne, une électrode externe coaxiale et un élément ou manchon de montage tubulaire qui est disposé coaxialement et à l'extérieur des électrodes Les trois éléments coaxiaux sont séparés par des manchons isolants réalisés de préférence en résine thermoplastique, et les trois éléments sont tous pourvus de filetages externes du même pas. L'unité de borne est insérée à travers i 'ouverture dans la bride de montage et le manchon de montage est vissé dans la bride, et simultanément, l'électrode externe est vissée dans un écrou relié à l'un des pôles de batterie, alors que l'électrode interne est vissée à un deuxième écrou relié à l'autre pôle de batterie. Avec cette structure, les trois connexions vissées sont toutes réalisées simultanément du fait du pas commun des filetages, même si les trois éléments filetés ont des diamètres différents. L'unité de borne non seulement procure une connexion électrique positive aux éléments de batterie, mais procure également une étanchéité hermétique qui supporte la pression élevée de l'hydrogène contenu à l'intérieur de l'enveloppe L'étanchéité est assurée par un joint torique compressible qui est disposé entre le manchon de montage et la bride de montage, et le joint torique est comprimé lorsque l'élément de montage est vissé dans la bride De plus, une partie de la longueur du manchon de montage est sertie ou déformée radialement vers l'intérieur afin de procurer un joint positif entre les trois composants concentriques. Du fait que les conducteurs positif et négatif sortent en relation coaxiale par la même extrémité de l'enveloppe, la longueur totale de l'enveloppe est réduite comparée aux batteries dans lesquelles les pôles positif et négatif sortent par des extrémités opposées La borne coaxiale rend la batterie particulièrement adaptée à une utilisation dans des applications ayant des exigences d'espace limité. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description suivante. Les dessins illustrent la forme de réalisation de l'invention présentement considéré comme le meilleur. Sur les dessins: La figure 1 est une vue en perspective avec des parties en arraché d'une batterie oxyde métallique- hydrogène comprenant la structure de borne coaxiale de l'invention; et La figure 2 est une coupe longitudinale de l'unité de borne. La figure 1 illustre une batterie oxyde métallique-hydrogène rechargeable, telle qu'une batterie oxyde de nickel-hydrogène La batterie se compose d'une enveloppe externe sous pression 1 qui renferme un groupe de modules d'élément de batterie qui peuvent être construits comme cela est divulgué par la demande de brevet U S no 07/334 341, déposée le 7 Avril 1989 et intitulée "Metal Oxide-Hydrogen Battery". Comme cela est divulgué par la demande de brevet citée ci-dessus, l'enveloppe 1 contient deux piles semi- cylindriques de modules d'élément 2, avec les modules dans chaque pile qui sont en relation côte-à-côte En général, chaque module se compose d'une paire d'électrodes positives dos à dos séparées par une couche de séparation, ainsi que d'une paire d'électrodes négatives, chacune disposée de façon adjacente à et séparée d'une électrode positive Les électrodes positives se présentent sous la forme de plaques de métal fritté, poreuses et plates, imprégnées d'hydroxyde de nickel, tandis que les électrodes négatives se présentent sous la forme de grilles en nickel à maille fine ayant un catalyseur, tel que du noir de platine, lié à une face de la grille au moyen d'une matière polymère hydrophobe Un électrolyte, tel qu'une solution d'hydroxyde de potassium, est imprégné dans les couches de séparation fibreuses qui séparent les électrodes Les modules peuvent être reliés en série ou bien en parallèle de façon à obtenir la tension de sortie souhaitée. L'enveloppe 1 est réalisée en métal, tel que de l'acier inoxydable, et comporte une coque cylindrique centrale 3, dont les extrémités sont fermées par des têtes en forme de dôme 4 Une couche enroulée 5 en résine renforcée de fibre peut être enroulée autour de l'enveloppe métallique 1 à l'aide d'un processus d'enroulement de filament conventionnel. Comme cela est représenté sur la figure 1, les plaques négatives des éléments sont reliées par une paire de conducteurs ou tirants 6 tandis que les plaques positives sont reliées par des tirants 7. Les modules d'élément 2 sont fixés ensembles en relation côte-à-côte par plusieurs ensembles de boulon de montage indiqués d'une manière générale en 8. Une plaque conductrice 9 est reliée électriquement aux tirants négatifs 6 et un support de forme générale en L 10 s'étend vers l'avant depuis la plaque 9 et porte un écrou taraudé 11 De manière similaire, une plaque conductrice 12 est reliée électriquement aux tirants positifs 7 et un support de forme générale en L 13 s'étend vers l'avant depuis le bord inférieur de la plaque 12 et porte un écrou taraudé 14 Les écrous 11 et 14 sont disposés en alignement axial et espacés axialement. Selon l'invention, un ensemble ou unité de borne pré-montée 15 procure une connexion électrique simultanée entre les électrodes extérieures et les écrous 11 et 14 L'unité pré-montée 15 comporte un élément ou manchon de montage tubulaire 16 ayant un filetage externe qui est engagé avec le filetage interne d'une bride de montage 17, qui est fixée à l'intérieur d'une ouverture dans l'une des têtes de l'enveloppe 1 Le manchon 16 est de préférence réalisé en métal à résistance élevée, tel que de l'acier inoxydable ou Inconel Comme cela est représenté sur la figure 2, la bride de montage 17 est pourvue d'une lèvre périphérique 18 et le bord de la tête métallique 3 bordant l'ouverture qui s'y trouve est soudé à la lèvre De plus, la couche enroulée 5 s'étend par dessus le bord de la tête 3 ainsi que la lèvre 18, comme cela se voit sur la figure 2. Le manchon de montage 16 est pourvu d'une bride s'étendant radialement 19 et la bride 19 est prévue pour être rendue étanche contre la surface extérieure de la bride de montage 17 par un joint torique 20 qui est logé dans une gorge 21 formée dans la surface extérieure de la bride de montage 17. Lorsque le manchon de montage 16 est vissé dans la bride de montage 17, le joint torique 20 est comprimé afin d'assurer une étanchéité entre les éléments. L'unité de borne pré-montée 15 comporte également une électrode tubulaire externe 22 qui est disposée à l'intérieur du manchon de montage 16 et est isolée du manchon de montage par un manchon isolant 23, réalisé de préférence en résine thermoplastique, telle que du Nylon ou équivalent L'extrémité intérieure de l'électrode 22 se projette au- delà de l'extrémité intérieure du manchon de montage 16 et est pourvue d'un filetage externe 24 qui est engagé avec l'écrou 11, comme cela est représenté sur la figure 2. L'unité de borne pré-montée 15 comporte également une électrode interne 25 qui est disposée de manière concentrique à l'intérieur de l'électrode externe 22 et en est séparée par un manchon isolant 26 réalisé en résine thermoplastique, telle que du Nylon ou équivalent Comme cela est représenté sur la figure 2, l'extrémité intérieure de l'électrode 25 se projette au-delà de l'extrémité intérieure de l'électrode 22 et est filetée, comme cela est représenté en 27 Le filetage 27 est engagé avec l'écrou 14 afin d'assurer une connexion électrique positive entre l'écrou et l'électrode. Les filetages sur le manchon de montage 16 et les électrodes 22 et 25 sont espacés axialement les uns des autres et ont tous le même pas Normalement, des éléments de diamètres différents ont des pas de filetage différents, mais comme les pas sur les trois filetages sont les mêmes, les liaisons vissées des trois éléments concentriques peuvent être réalisées simultanément. Les électrodes 22 et 25 sont de préférence réalisées dans une matière ayant un coefficient élevé de conductivité électrique, tel que du cuivre, et il est préférable que la section de l'électrode interne 25 soit sensiblement la même que la section de l'électrode tubulaire externe 22. L'extrémité saillante extérieure de l'électrode interne 25 est reliée électriquement à une barre collectrice 28, et l'extrémité extérieure de l'électrode 22 est de manière similaire reliée à une barre collectrice 29 Les barres collectrices 28 et 29 sont reliées de manière respective à des bornes 30 et 31 d'un connecteur enfichable 32, qui est supporté par un support 33. Les barres collectrices 28 et 29 sont séparées l'une de l'autre par une feuille de matière isolante 34, alors que la barre collectrice 29 est séparée de la surface extérieure de la bride de montage 17 par une deuxième feuille ou couche de matière isolante 35 Les couches isolantes 34 et 35 peuvent se composer de résine thermoplastique, telle que du Nylon ou du polyéthylène. Afin de procurer une étanchéité hermétique entre les trois éléments concentriques 16, 22 et 25 et empêcher une fuite du gaz contenu le long des interfaces entre les éléments, une partie de l'extrémité interne du manchon de montage 16 est sertie radialement vers l'intérieur, comme cela est représenté en 36 Le sertissage tend à légèrement déformer les électrodes, comprimant les manchons isolants 23 et 26, et procurant une étanchéité positive entre les éléments. Comme cela est représenté sur la figure 2, la zone sertie 36 est espacée de la partie filetée du manchon de montage 16, tout comme elle est espacée des extrémités filetées des électrodes 22 et 25, de telle sorte que le sertissage n'affecte pas les filetages. Afin d'assembler l'unité de borne 15, les deux électrodes 22 et 25, ainsi que les manchons isolants 23 et 26, sont assemblés à l'intérieur du manchon de montage 16 et l'extrémité intérieure de l'élément de montage est alors sertie vers l'intérieur comme en 36 afin de procurer l'étanchéité entre les trois éléments concentriques L'unité pré-montée est alors insérée dans l'ouverture dans la bride de montage 17 et les filetages sont disposés de telle sorte que l'élément de montage 16 commence à se visser dans la bride 17 sensiblement en même temps que les électrodes 22 et 25 se vissent de manière respective dans les écrous Il et 14 Lorsque l'unité de borne est vissée à fond, le joint torique 20 est comprimé de façon à procurer une étanchéité entre le manchon 16 et la bride de montage 17. Bien que la description ci-dessus représente l'unité de borne associée à une batterie oxyde métallique-hydrogène, l'unité de borne peut être incorporée dans n'importe quel type de batterie étanche qui est enfermée à l'intérieur d'une enveloppe externe sous pression. L'invention permet aux trois liaisons vissées d'être réalisées simultanément du fait du pas de filetage commun Une liaison vissée positive est non seulement assurée entre les électrodes 22 et 25, et les écrous correspondants Il et 14, mais l'unité de borne procure également une liaison étanche qui est capable de supporter la pression élevée du gaz contenu à l'intérieur de l'enveloppe. Du fait que les connexions électriques sont faites par une unique ouverture dans la paroi d'enveloppe, au contraire de multiples ouvertures, la construction est simplifiée et le potentiel de fuite est réduit. Du fait que les deux électrodes sortent par la même extrémité de l'enveloppe, la longueur totale de l'enveloppe est réduite comparée à une batterie dans laquelle les pôles positif et négatif sortent par des extrémités opposées de l'enveloppe Ceci rend la batterie particulièrement adaptable à une utilisation dans des applications ayant des exigences d'espace limité. REVENDICATIONS 1 Structure de borne coaxiale pour une batterie étanche sous pression, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe étanche ( 1) ayant une ouverture; une bride de montage annulaire ( 17) fixée à l'intérieur de l'ouverture et ayant un filetage interne; un groupe d'éléments de batterie ( 2) disposé à l'intérieur de l'enveloppe ( 1) et ayant une paire de moyens de borne électrique ( 12, 9); une unité de borne pré- montée ( 15) comprenant une première électrode ( 25), une deuxième électrode ( 22) isolée de ladite première électrode ( 25) et disposée concentriquement autour de ladite première électrode ( 25), un élément de montage tubulaire ( 16) disposé concentriquement autour de ladite deuxième électrode ( 22) et isolé de celle-ci, ledit élément de montage ( 16) ayant un filetage externe engagé avec le filetage interne de ladite bride de montage ( 17); des premiers moyens de connexion ( 14, 27) destinés à effectuer une connexion électrique entre lesdits premiers moyens de borne ( 12) et ladite première électrode ( 25) lorsque ledit élément de montage ( 16) est vissé dans ladite bride de montage ( 17); et des seconds moyens de connexion ( 11, 24) destinés à effectuer une connexion électrique entre lesdits seconds moyens de borne ( 9) et ladite deuxième électrode ( 22), lorsque ledit élément de montage ( 16) est vissé dans ladite bride de montage ( 17). 2 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'étanchéité disposés ( 20) entre ladite bride de montage ( 17) et ledit élément de montage ( 16). 3 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'étanchéité disposés entre lesdites première et deuxième électrodes ( 25, 22) et disposés entre ladite deuxième électrode ( 22) et ledit élément de montage ( 16). 4 Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une partie dudit élément de montage ( 16) est déformée radialement vers l'intérieur afin de procurer lesdits moyens d'étanchéité. 5 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers moyens de connexion ( 14, 27) comportent un élément taraudé ( 14) relié auxdits premiers moyens de bornes ( 12), et un filetage externe ( 27) sur ladite première électrode ( 25) engagé avec ledit élément taraudé ( 14). 6 Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits seconds moyens de connexion ( 11, 24) comportent un élément taraudé ( 11) relié auxdits seconds moyens de bornes ( 9), et un filetage externe ( 24) sur ladite deuxième électrode ( 22) engagé avec ledit élément taraudé ( 11). 7 Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que le pas du filetage sur l'élément de montage ( 16) est le même que le pas du f iletage externe de la première électrode ( 25). 8 Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que le pas du filetage sur l'élément de montage ( 16) est le même que le pas du filetage externe de la deuxième électrode ( 22). 9 Structure de borne coaxiale pour une batterie étanche sous pression, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe étanche sous pression ( 1) ayant une ouverture; une bride de montage annulaire ( 17) fixée en alignement avec l'ouverture et ayant un filetage interne; plusieurs éléments de batterie ( 2) disposés à l'intérieur de l'enveloppe ( 1) et ayant une paire de moyens de borne électrique ( 12, 9); une unité de borne pré-montée ( 15) s'étendant à travers ladite bride de montage annulaire ( 17) et comprenant un premier élément d'électrode ( 25), un deuxième élément d'électrode ( 22) disposé concentriquement autour dudit premier élément d'électrode ( 25) et isolé de celui-ci, et un élément de montage tubulaire ( 16) disposé concentriquement autour dudit deuxième élément d'électrode ( 22) et isolé de celui-ci, ledit premier élément d'électrode ( 25) ayant un filetage externe ( 27), lesdits premiers moyens de borne ( 12) ayant un élément taraudé ( 14) engagé avec le filetage ( 27) sur ledit premier élément d'électrode ( 25), ledit deuxième élément d'électrode ( 22) ayant un filetage externe ( 24), un deuxième élément taraudé ( 11) relié auxdits seconds moyens de borne ( 9) et engagé avec le filetage ( 24) sur ledit deuxième élément d'électrode ( 22), ledit élément de montage ( 16) ayant un filetage externe engagé avec le filetage interne de ladite bride de montage ( 17), le filetage ( 27) sur ledit premier élément d'électrode ( 25) et le filetage ( 24) sur ledit deuxième élément d'électrode ( 22) et le filetage sur ledit élément de montage ( 16) ayant tous le même pas. Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce que les éléments taraudés ( 11, 14) sont des écrous. 11 Structure selon la revendication 10, caractérisée en ce que chacun des moyens de borne ( 9, 12) comporte un support ( 10, 13) destiné à supporter l'écrou respectif ( 11, 14). 12 Structure selon la revendication 10, caractérisée en ce que les écrous ( 11, 14) sont axialement alignés et espacés axialement l'un de l'autre. 13 Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une barre collectrice ( 28, 29) reliée à l'extrémité extérieure de chaque électrode ( 25, 22). 14 Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce que la section dudit premier élément d'électrode ( 25) est sensiblement égale à la section dudit deuxième élément d'électrode ( 22). Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce que les f iletages des dits éléments sont espacés axialement sur la longueur de ladite unité. 16 Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une partie de la longueur de l'élément de montage ( 16) est déformée radialement vers l'intérieur afin de procurer une étanchéité entre les éléments ( 16, 22, 25). 17 Structure selon la revendication 16, caractérisée en ce que la partie déformée radialement est espacée axialement des filetages desdits éléments. 18 Structure de borne coaxiale pour une batterie étanche sous pression, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe étanche ( 1) ayant une ouverture; une bride de montage annulaire ( 17) fixée à l'intérieur de l'ouverture et ayant un filetage interne, un groupe d'éléments de batterie ( 2) disposé à l'intérieur de l'enveloppe ( 1) et ayant une paire de moyens de borne électrique ( 12, 9); une unité de borne pré-montée ( 15) comprenant une première électrode ( 25), une deuxième électrode ( 22) isolée de ladite première électrode ( 25) et disposée concentriquement autour de ladite première électrode ( 25), un élément de montage tubulaire ( 16) disposé concentriquement autour de ladite deuxième électrode ( 22) et isolé de celle-ci, ledit élément de montage ( 16) ayant un filetage externe engagé avec le filetage interne de ladite bride de montage ( 17); des premiers moyens de connexion ( 14, 27) destinés à effectuer une connexion électrique entre lesdits premiers moyens de borne ( 12) et ladite première électrode ( 25) lorsque ledit élément de montage ( 16) est vissé dans ladite bride de montage ( 17); et des seconds moyens de connexion ( 11, 24) destinés à effectuer une connexion électrique entre lesdits seconds moyens de borne ( 9) et ladite deuxième électrode ( 22), lorsque ledit élément de montage ( 16) est vissé sur ladite bride de montage ( 17), une partie de la longueur dudit élément de montage ( 16) étant déformée radialement vers l'intérieur afin de procurer un engagement d'étanchéité entre ledit élément de montage ( 16) et ladite deuxième électrode ( 22) et entre ladite deuxième électrode ( 22) et ladite première électrode ( 25). 19 Structure selon la revendication 18, caractérisée en ce qu'elle comprend un manchon isolant ( 23) disposé entre ledit élément de montage ( 16) et ladite deuxième électrode ( 22), et un deuxième manchon isolant ( 26) disposé entre ladite deuxième électrode ( 22) et ladite première électrode ( 25). Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite enveloppe ( 1) est composée de métal. 21 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites électrodes ( 22, 25) sont réalisées en cuivre. 22 Structure selon la revendication 18, caractérisée en ce que ledit élément de montage ( 16) comporte une section tubulaire et une section radiale ( 19) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis ladite section tubulaire, le filetage externe sur ledit élément de montage ( 16) étant disposé sur ladite section tubulaire, ladite construction comportant également des moyens d'étanchéité ( 20) entre ladite section radiale ( 19) et ladite bride de montage ( 17). 23 Structure selon la revendication 22, caractérisée en ce que lesdits moyens d'étanchéité ( 20) comportent un joint torique.