(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の金属−空気セルを囲むハウジングと、
前記少なくとも１個の金属−空気セルには空気電極を有し、
前記ハウジングには少なくとも１個の空気吸入口と少なくとも１個の空気放出口とを有し、
ファンが作動しているときに、前記空気を前記空気吸入口へ押し込むとともに前記空気放出口の外へ押しやるように位置付けられた前記ファンと、
開口部は遮蔽されておらず、前記開口部の寸法は、前記ファンが停止しているときに前記少なくとも１個の空気吸入口への前記空気の流れと、前記少なくとも１個の空気放出口からの前記空気の流れとをほぼ無くすような大きさで、
前記空気電極の電圧をモニターする電圧検知手段を含むファン制御手段と、
を有する金属−空気バッテリー用空気管理システムであって、
前記ファンの作動が前記ファン制御手段に対応している、金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項２】
前記電圧検知手段で測定された前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記ファン制御手段が前記ファンを作動させる請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項３】
前記電圧検知手段で測定された前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以上であるかあるいは等しいとき、前記ファン制御手段が前記ファンを停止させる請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項４】
前記電圧検知手段は電圧モニタを含む請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項５】
前記空気電極は亜鉛アノードを含む請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項６】
前記少なくとも１個の金属−空気セル、前記ファン及び前記ファン制御手段は回路を形成している請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項７】
前記金属−空気バッテリーは５個の金属−空気セルを有する６Ｖバッテリーを含む請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項８】
前記金属−空気バッテリーは取り出し値が約０．５Ｗにおいて約２３０Ｗ／ｈの定格負荷のエネルギーを有する請求項７に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項９】
前記金属−空気バッテリーは取り出し値が約１．０Ｗにおいて約２２０Ｗ／ｈの定格負荷のエネルギーを有する請求項７に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項１０】
前記電圧検知手段で測定された前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記ファン制御手段が前記ファンを作動させ、前記電圧検知手段で測定された前記空気電極の電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等しいとき、前記ファン制御手段が前記ファンを停止させる、請求項７に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項１１】
前記前もって定められた電圧が１個のセルに対して約１．０Ｖである請求項１０に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項１２】
前記前もって定められた第２の電圧が１個のセルに対して約１．１Ｖである請求項１０に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項１３】
バッテリーハウジングと、
前記ハウジング内の少なくとも１個の金属−空気セルと、
前記金属−空気セルには空気電極を有し、
前記ハウジング内に位置付けられるファンと、
前記ハウジングには、ファンが作動しているときに酸素が入ることを許容し、前記ファンが停止しているときにガスの移動がほぼ妨げられるような寸法で作られた少なくとも１個の空気引き込み口を有し、
前記ハウジングには、ファンが作動しているときにガスが出ることを許容し、前記ファンが停止しているときにガスの移動がほぼ妨げられるような寸法で作られた少なくとも１個の空気放出口を有し、
前記ファンと、前記少なくとも１個の金属−空気セルと、前記金属−空気セルの電圧を決定する電圧モニタとを含む電圧検知回路であって、前記電圧モニタが前記金属−空気セルの電圧の指示に応答して前記ファンを作動させる前記電圧検知回路と、
を含む金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
【請求項１４】
前記電圧モニタは負荷が前記金属−空気バッテリーに与えられているか否かを決定する、請求項１３に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
【請求項１５】
前記負荷が前記金属−空気バッテリーに与えられていると前記電圧モニタが決定した後で、前記金属−空気セルの電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記電圧モニタが前記ファンを作動させる請求項１４に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
【請求項１６】
前記金属−空気セルの電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記電圧モニタが前記ファンを作動させる請求項１３に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
【請求項１７】
前記金属−空気セルの電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等しいとき、前記電圧モニタが前記ファンを停止させる請求項１３に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
【請求項１８】
前記金属−空気セルの電圧が、再び、前記前もって定められた電圧以下になるかあるいは等しくなるまで、前記電圧モニタが前記ファンを停止させたままにする請求項１７に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
【請求項１９】
ハウジング内の少なくとも１個の金属−空気セルと、前記少なくとも１個の金属−空気セルには空気電極を有し、前記ハウジングの内部に含まれるファン、少なくとも１個の遮蔽されていない空気吸入口、および、少なくとも１個の遮蔽されていない空気放出口を有する前記ハウジングとを画定する工程と、
前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記ハウジングを通して空気を循環させるようにする前記ファンを作動させる工程と、
前記空気電極の電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等しいとき、前記ファンを停止させる工程と、
を含む金属−空気バッテリー内の空気の流れを制御する方法。
【請求項２０】
前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下であるか等しいとき、前記ファンを作動させる前に、前記バッテリーに負荷があるか否かを決定するステップを、更に含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ハウジングと、
前記ハウジングには、前記ハウジングの内部に含まれるファンと、少なくとも１個の遮蔽されていない空気吸入口と、少なくとも１個の遮蔽されていない空気放出口とを有し、
前記ハウジング内に閉じ込められた少なくとも１個の金属−空気セルと、
前記少なくとも１個の金属−空気セルには、空気電極を有し、
前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記ハウジングを通して空気が循環するように前記ファンを作動させる手段と、
前記空気電極の電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等しいとき、前記ファンを停止させる手段と、
を含む金属−空気バッテリー内の空気の流れを制御する装置。
【請求項２２】
ハウジングと、
前記ハウジングには、前記ハウジングの内部に含まれるファンと、少なくとも１個の遮蔽されていない空気吸入口と、少なくとも１個の遮蔽されていない空気放出口とを有し、
前記ハウジング内に閉じ込められた少なくとも１個の金属−空気セルと、
前記バッテリーの取り出し電流を決定する手段と、
前記取り出し電流の前記決定に対応して前記ファンの速度を制御する手段と、を含む金属−空気バッテリー内の空気の流れを制御する装置。
【請求項２３】
少なくとも１個の金属−空気セルを囲むハウジングと、
前記少なくとも１個の金属−空気セルには空気電極を有し、
前記ハウジングには少なくとも１個の空気吸入口と少なくとも１個の空気放出口とを有し、
空気移動装置が作動しているときに、空気を前記空気吸入口へ押し込むとともに前記空気放出口の外へ押しやるように位置付けられた前記空気移動装置と、
前記空気吸入口および空気放出口は、前記空気移動装置が停止しているときには、前記空気吸入口および空気放出口からの空気の流れを制限する大きさであり、
前記空気電極の電圧をモニターする前記空気電極に結合された電圧センサーと、
前記電圧センサーの出力に対応して前記空気移動装置を制御する制御手段と、
を有する金属−空気バッテリー用空気管理システム。
【請求項２４】
雰囲気中の空気から、少なくとも１個の通路を除いて遮断された少なくとも１個の空気電極と、
反応剤の空気を前記空気電極に供給する前記通路を通して、空気を移動させるように作動する少なくとも１個の空気移動装置と、
前記通路は、遮蔽されておらず、前記空気移動装置が停止している間は、前記通路に空気が通るのが制限され、
前記空気電極の電圧をモニターする電圧センサーを含む空気移動装置制御手段であって、前記空気移動装置の作動が、前記空気移動装置制御手段に対応する前記空気移動装置制御手段と、
を有する金属−空気電力供給装置。
【請求項２５】
負荷が存在しない状態での稼働において、金属−空気セルを維持する方法であって、
ハウジング内の金属−空気セルであって、前記金属−空気セルは空気電極を有し、前記ハウジングが空気移動装置と少なくとも１個の空気の通路とを有する少なくとも１個の前記金属−空気セルを前記ハウジング内に画定する工程と、
空気電極の電圧を検出する工程と、
空気電極の電圧が、前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいときに、前記空気移動装置を作動し、通路を通して空気を移動させる工程と、
空気電極の電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等しいときに、前記空気移動装置を停止させる工程と、
を含む金属−空気セルを維持する方法。
【請求項２６】
空気電極を含む少なくとも１個の金属−空気セルと、
前記空気電極に隣接した空気室と、
前記空気室に入る少なくとも１個の通路と、
前記通路を通して空気を移動させる空気移動装置と、
前記空気電極の電圧をモニターする、接続された電圧センサと、
前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいときに、前記空気移動装置を作動し、前記空気電極の電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等しいときに、前記空気移動装置を停止させるように構成された制御手段と、
を有する、負荷がない状態の金属−空気セル維持用システム。
【請求項２７】
バッテリーを稼働させる方法であって、
ハウジング内のセルであって、前記セルは空気電極を有し、前記ハウジングが空気移動装置と少なくとも１個の空気の通路とを有する少なくとも１個の前記セルを前記ハウジング内に画定する工程と、
前記空気電極の電圧を検出する工程と、
前記空気電極に負荷が存在し、空気電極の電圧が、前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいときに、前記空気移動装置を作動し、通路を通して空気を移動させる工程と、
空気電極の電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等しいときに、前記空気移動装置を停止させる工程と、
を含むバッテリーを稼働させる方法。
【請求項２８】
前記電圧検出手段がアナログ回路である請求項１記載の空気管理システム。
【請求項２９】
前記電圧モニタがアナログ回路である請求項１３記載の自己調整空気管理システム。
【請求項３０】
ファンを作動させるとき、前記ファンが単一のスピードで作動するような構成である請求項１９記載の方法。
【請求項３１】
前記ファンを作動させるための前記手段がアナログ回路である請求項２１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は一般的には電力用のバッテリー（電池）に関し、更に詳しくは、金属−空気バッテリー用空気管理システムに関する。
【０００２】
（従来の技術）
金属−空気バッテリーセルは空気透過性のカソード（正極）と、アノード（負極）とが水性の電解液によって分けられている。空気亜鉛バッテリーといった金属−空気バッテリーの放電中は、外気からの酸素がカソードで水酸化物に変換され、亜鉛は水酸化物によってアノードで酸化され、水と電子とが放出され、電気エネルギーが提供される。金属−空気バッテリーは比較的高いエネルギー密度を有しており、それは金属や金属組成物といった重い物質ではなく、外気からの酸素をカソードが電気化学反応の反応物質として利用しているためである。金属−空気バッテリーセルは、十分な電力出力を供給するために共通のハウジング内に複数セルバッテリーパックとしてしばしば並べ配置されている。
【０００３】
空気カソードへの酸素の安定供給は空気バッテリーを作動させるのに必要不可欠である。いくつかの従来のシステムでは所定の出力を達成するのに十分な流量で、空気カソードを通過する新たな外気の連続的な流れを押し流している。このような配置はＣｈｅｉｋｙの米国特許第４，９１３，９８３号に示されている。Ｃｈｅｉｋｙは金属−空気バッテリーセルのパックに所定の外気の流れを供給するためにバッテリーハウジング内にファンを用いている。バッテリーが作動する前は、機械的空気吸入口と空気排出口とは開口しており、ファンはハウジング内へ、外へそして通過する空気の流れを作るために駆動されている。バッテリーの作動が完了した後、空気ドアは密閉される。ハウジング内の残りの酸素はそれが殆ど枯渇するまでアノードへ送られる。セル内に残っている残余の低電力は、次回バッテリーを使用するときファンが再起動するのに十分な電力である、と開示されている。
【０００４】
使用中にハウジング内へ十分な量の酸素が押し流されるのを確保する為に、Ｃｈｅｉｋｙは所定の出力要求によるファンの速度を変えるマイクロプロセッサを有するファン制御手段を開示している。特定の作動のための出力要求が大きいほどファンの速度は大きくなり、そしてバッテリーセルを通過する空気の流れも多くなる。いくつかの所定のファン速度が、負荷のいくつかの所定の出力レベルによって開示されている。開示された負荷はコンピュータである。従って、ファンの速度はコンピュータの種々の機能の出力要求に対して変化する。逆に、負荷が加えられたとき、多くの他の公知の空気管理システムはファンを連続的に作動する。
【０００５】
十分な酸素量の必要性に加えて、もう１つの金属−空気バッテリーに関する関心事はハウジングを通過する多すぎる酸素や他のガスの流入（admission）あるいは浪費（loss）である。例えば、金属−空気バッテリーの１つの問題は、外気の湿度レベルがバッテリーをダメにするということである。金属−空気バッテリーの平衡蒸気圧は通常約４５％の平衡相対湿度となる。外気湿度がバッテリーハウジング内の平衡湿度より高いとき、バッテリーはカソードを通して空気から水分を吸収し、フラディングと呼ばれる状態となりダメになる。フラディングはバッテリーを漏電させるかもしれない。外気湿度がバッテリーハウジング内の平衡湿度より低い場合は、金属−空気バッテリーは空気カソードを通して電解液から水蒸気を放出し、乾燥してダメになる。従って、技術者は、バッテリーハウジング内の湿度レベルと異なる外気湿度レベルがバッテリーの内へもしくは外へと水分の正味の移動を生じることを認識している。これらの問題は特にバッテリーが使用されていないときに関係する。それは湿気が、長時間に亘ってバッテリーハウジングの内へあるいは外へと浸透する傾向があるからである。
【０００６】
金属−空気バッテリーに関連するもう１つの問題は、外気からバッテリーセルへ二酸化炭素や汚染物質が運ばれることである。二酸化炭素は水酸化カリウムといった電解液を中和する傾向にある。従来、二酸化炭素吸収層が二酸化炭素をトラップするために外部のカソード表面に対して取り付けられていた。そのようなシステムの例は米国特許第４，０５４，７２５号に示されている。
【０００７】
適切な湿度レベルを有するバッテリーセルを維持し、二酸化炭素を排除することは、密閉されたバッテリーハウジングに通常要求される。上述のように、Ｃｈｅｉｋｙにより開示されたような先行技術のシステムは、使用する時にバッテリーハウジング内の大きな開口を通して外気を押し流す為にある種のファンを用い、また使用しない時には空気ドアを密閉していた。しかし、空気ドアがなかったり、使用しない時に閉まらない場合には、大量の外気がハウジング内へ流れ込む。この空気の流れは上述したハウジング内での湿度と二酸化炭素の問題を引き起こす。外気中の酸素もセルを放電させ、それにより、「漏れ」電流とセルの効率と寿命を下げることに繋がる。
【０００８】
しかし、空気ドアを使用しても、電池を使用しないときに、いくらかの量の酸素と汚染物質がセル内へ流れ込む傾向がある。従って、ある程度の漏れ電流は避けられないものである。空気ドアはこの漏れ電流と上記の他の問題に対し制限を課してはいるが、空気ドアの使用はバッテリーハウジング自体の複雑さを増し、バッテリー全体の製造コスト及び製造時間を増加させる。機械的空気ドアのもう１つの欠点は、ドアが必ず開閉されなければならず、従って、バッテリーを使用するのにいくつかのステップが追加されなければならない、という事実である。
【０００９】
本発明の譲受人は、「拡散制御空気ドア」と題する米国特許第５，６９１，０７４号および１９９５年１１月１３日に出願の「金属−空気バッテリー用拡散制御空気通気口及び再循環空気制御」と題する米国特許５，９１９，５８２号の所有者でもある。これらの参照文献には本出願に用いられるいくつかの好ましい金属−空気バッテリーパックが開示されている。ハウジング内の空気吸入口及び放出口は、ハウジングの厚さ方向に対して垂直な方向の幅よりも、ハウジングの厚さ方向の長さが大きくなっている。開口は遮蔽されておらず、そして、ファンが停止したとき空気吸入口へ入る空気の流れと空気放出口から出る空気の流れとが実質的になくなるような寸法に作られている。
【００１０】
開口された空気ドアバッテリーハウジングの使用はバッテリー全体の設計を簡単にし、バッテリーの使用を簡単にする。事実、これらのバッテリーハウジングの設計では、金属−空気バッテリーが従来のバッテリー以上に作動する、即ちバッテリーは空気ドアを開くといった何ら追加の動きもせずに与えられた負荷に対して利用できるようになる。これらの設計での唯一の要求はファン又は他の空気移動装置がセルに対して酸素の十分な流れを提供するために作動しなければないということである。
【００１１】
従って、これらの開口された空気ドア設計は従来のバッテリーとして機能する金属−空気バッテリーの完成に近いが、金属−空気バッテリーの技術では多分に自己調整することが必要である。このような金属−空気バッテリーは、機械的空気ドアやファンのための別個のスイッチを必要とせずに、効率の良い方法で負荷を変化させることと、作動していない期間を延長することとの両者を両立することができるであろう。しかし、機械的空気ドアがなくても、過剰な漏れ電流、フラディング、乾燥あるいは環境汚染物質の過度な吸収を導くことにはならない。
【００１２】
つまり、所望の金属−空気バッテリーは、ユーザーが行う必要があるすべてのことが負荷を取付けそして作動させることである、従来のバッテリーと同一な方法で用いられるであろう。バッテリー自体は個別の活性化操作は必要ない。更に、そのようなバッテリーはエネルギー効率がよく、静かな空気管理システムである。
【００１３】
（発明の概要）
本発明は金属−空気バッテリー用の空気管理システムを提供する。システムは、空気電極を有する少なくとも１個の金属−空気セルを囲むハウジングを含む。ハウジングは、更に少なくとも１個の空気吸入口と、少なくとも１個の空気放出口と、ファンが作動しているときに開口を通して空気を押しやるように位置付けられたファンとを有する。これらの開口は遮蔽されておらず、開口の寸法は、ファンが停止しているときに開口を通して空気の流れが殆どないように作られる。また、システムは、空気電極の電圧を監視し、所定の電圧レベルに達したときファンを作動させるための電圧検知手段を有するファン制御手段を含んでいる。
【００１４】
ファン制御手段は、金属−空気セルの電圧が予め定められた電圧以下あるいは等しくなったときにファンを作動させる。ファン制御手段はファンが作動する前に、金属−空気セルに負荷があるか否かの第１の決定をする。同様に、ファン制御手段はセルの電圧が予め定められた第２の電圧以上あるいは等しくなったときにファンを停止させる。ファン制御手段、金属−空気セル及びファンは回路を形成している。電圧検知手段は電圧モニタ手段を含む。
【００１５】
本発明の特定の実施例では５個の金属−空気セルを有する６Ｖの金属−空気バッテリーを含んでいる。そのようなバッテリーは取り出し値（drain rate）約０．５Ｗで約２３０Ｗ／ｈの定格負荷のエネルギーを有するとともに、取り出し値約１．０Ｗで約２２０Ｗ／ｈの定格負荷のエネルギーを有する。ファンを起動する前もって定められた電圧は１個のセルあたり約１．０Ｖであり、ファンを停止する前もって定められた第２の電圧は１個のセルあたり約１．１Ｖである。セルの電圧が１個のセルあたり約１．０Ｖ以下あるいは等しいとき、電圧モニタはファンを作動させる。同様に、セルの電圧が１個のセルあたり約１．１Ｖ以上あるいは等しいとき、電圧モニタはファンを停止させる。
【００１６】
本発明の方法は、ハウジング内に空気電極を有する少なくとも１個の金属−空気セルを閉じ込める工程を含む。ハウジングは、ファンと、少なくとも１個の遮蔽されていない空気吸入口と、少なくとも１個の遮蔽されていない空気放出口とを有する。更に、この方法は金属−空気セルの電圧が予め定められた電圧以下あるいは等しいとき、ハウジングを通過して空気を循環させるようにファンを作動させ、金属−空気セルの電圧が予め定められた第２の電圧以上あるいは等しいとき、ファンを停止させる。方法は、更に空気電極の電圧が予め定められた電圧以下あるいは等しいとき、前記ファンを作動させる前に前記バッテリーに負荷があるか否かを決定することを含む。
【００１７】
従って、本発明の目的は、改良された金属−空気バッテリー用の空気管理システムを提供することである。
【００１８】
本発明のもう１つの目的は、金属−空気バッテリー用の自己調整空気管理システムを提供することである。
【００１９】
更に本発明の目的は、機械的空気ドアを有さない金属−空気バッテリー用の空気管理システムを提供することである。
【００２０】
また、更に本発明の目的は、自動ファンを有する金属−空気バッテリー用の空気管理システムを提供することである。
【００２１】
また、更に本発明の目的は、金属−空気バッテリー用の効率的な空気管理システムを提供することである。
【００２２】
また、更に本発明の目的は、長期の保管寿命を有する金属−空気バッテリー用の空気管理システムを提供することである。
【００２３】
また、更に本発明の目的は、金属−空気バッテリー用の静かな空気管理システムを提供することである。
【００２４】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、図面と添付した請求の範囲とを関連させたとき、以下の発明の好ましい実施形態の記載から明らかとなるであろう。
【００２５】
（詳細な説明）
詳細について図面を参照すると、そこでは図面の全体に亘って同様の参照番号は同様の部品に言及しているが、図１〜図４は本発明を具体化した金属−空気バッテリー１０を示している。金属−空気バッテリー１０は、参照文献として引用し、共有している、Ｓｉｅｍｉｎｓｋｉらの米国特許第５，６４１，５８８号、Ｐｅｄｉｃｉｎｉらの米国特許第５，３５６，７２９号、米国特許第５，６９１，０７４号、米国特許第５，９１９，５８２号に開示されたものや、あるいは、他の公知の空気バッテリーの構成と同様のものであっても良い。
【００２６】
金属−空気バッテリー１０は、ハウジング２０内に囲まれた複数の金属−空気セル１５を含む。ハウジング２０は、複数の換気開口２５を除いて外気からセル１５を隔離している。図１及び図２に示す実施例において、単一の空気吸入口３０と単一の空気放出口３５が用いられている。開口２５の数は、各々の開口２５の形状と関連する開口２５の全体的な大きさほど重要ではない。
【００２７】
ハウジング２０そのものは、従来のほぼ密閉した構造の形式の何れでも良い。ハウジング２０内のセル１５の数はバッテリー１０の要求される負荷の性質による。本発明は、ハウジング２０内のセル１５の形状あるいはハウジング２０内のセルの数には関係しない。従って、図１及び図２は、金属−空気バッテリーハウジング２０の破断図を示し、本発明の必須の構成要素のみ、即ち、ハウジング２０、１個以上のセル１５、空気穴２５を示す。図１及び図２には２個のセル１５のみが示されているが、セル１５の数や形状はバッテリー１０の要求電力に依存することは言うまでもない。
【００２８】
循環ファン４０は、ハウジング２０の内外に空気の流れを対流させ、ハウジング２０内でガスを循環させ且つ混合させるために設けられている。図１に示す矢印は、セル１５へ反応する空気を供給するためにハウジング２０内へ、外へ、あるいはその内部でのガスの標準的な循環を表わしている。ファン４０の能力もハウジング２０の大きさとバッテリー１０の出力要求に依存している。ここで用いられる「ファン」４０という用語は、ポンプを含む空気を動かすどのような装置であってもよいことを意図している。
【００２９】
ファン４０は開口２５の１つと連通するようにハウジング２０内部あるいはハウジングに隣接して配置することができる。ファン４０がハウジング２０内部に配置されている場合、換気開口２５は、吸入口３０と排出口３５とがファン４０に対して対向するような位置に位置付けられる。ファン４０と開口２５とをハウジング２０内に位置決めするための唯一の要求は、ハウジング２０の中へ、外へあるいはハウジングを通して対流する空気流を作るために互いに十分に近接させることである。ファン４０は従来の方法でハウジング内部にあるいは隣接して取り付けることができる。ファン４０は通常、ガスケット４１又は、ファン４０の高圧側と低圧側とを互いに隔離することができる従来の他の手段を用いて取り付けられ、シールされている。
【００３０】
図２に示すように、ハウジング２０内部の複数のセル１５は、通常反応する空気が充満した空間５０がセル１５の下方に位置するように配置される。空気充満空間５０は空気充満空間入り口５５、空気通路６０、及び空気充満空間出口６５を定める。ファン４０は、ハウジング２０を通過する空気の流れを効率的にするため、通常、空気充満空間入り口５５と空気充満空間出口６５との間で、しかも空気充満空間入り口５５と空気充満空間出口６５とを分けるように位置付けられる。空気充満空間設計の例としては、上記の共有する参考文献に示されている。上述のように、本発明は特定の空気充満空間設計には依存しない。
【００３１】
図３に示すように、複数の換気開口２５は好ましくは、それらの長さ２６、即ちハウジング２０の厚さ方向を貫通する方向、がそれらの幅２７、即ちハウジング２０の厚さ方向に対して垂直な方向より大きくなるような寸法で作られる。換気開口２５の長さ２６と幅２７間との比が十分大きなものを用いることによって、開口２５を通過する、ファン４０の助けなしでの空気の拡散を十分に取り除けることが分かった。「十分に取り除く」ことによって、これは、開口２５を通過する酸素又は汚染物質の拡散速度が非常に小さくなるので、湿気の移動又は放出電流が十分に小さく、バッテリー１０の効率や寿命に目に見えるほどの影響が殆どない、ということを意味している。つまり、ファン４０が停止しているとき、開口２５はそれを通してガスが拡散するのを阻むために十分に長くかつ狭くなっている。
【００３２】
長さ２６と幅２７との間に要求される比率は、少なくとも約２対１である。これらの比は、ファン４０が作動しているときに開口２５を通過する対流空気の流れを許すと同時にファン４０が停止しているときに開口２５を通過する認めうる拡散を抑制するのに十分なものである。長さ２６と幅２７間との比が大きなものを用いることが好ましい。バッテリー１０の性質により、この比率は２００対１以上にできる。
【００３３】
使用に際しては、ファン４０が作動されたときにファン４０の吸い込みによって空気吸入口３０へ外気が引き込まれる。次いで、図１の矢印４５で示されているように、空気はファン４０を通過して空気充満空間５０へ引き込まれる。空気は、空気充満空間入り口５５を通過して空気充満空間５０へ入り、通路６０を通って移動し、セル１５用の反応する空気の流れを与え、空気充満空間出口６５を介して外へ出る。次いで、空気は再びファン４０へ引き込まれ、空気はここで新鮮な外気が入ってきたときには混合されるか、あるいは出口３５を介してハウジング２０の外へ押し出される。ファン４０が停止したとき、開口２５を通過する空気の拡散速度は、機械的空気ドアが必要としないような許容できるレベルに減少する。
【００３４】
図１及び図４に示すように、本発明は電圧モニタ１００を含み、セル１５全体にわたる電圧又は他の電気特性の決定し、ファン４０の作動の制御を行う。電圧モニタ１００は、ハウジング２０の内部あるいはそれに隣接して都合の良い位置に位置付けることができる。好ましい電圧モニタ１００は、Ｍａｘｉｍ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓで販売されている商標ＭＡＸ８２１１とＭＡＸ８２１２といったプログラム制御できる電圧検出装置あるいは電圧感知装置である。ファンの所望の作動に従い、電圧モニター１００は単純な「オン／オフ」スイッチ用アナログ回路とすることができ、あるいはより複雑なアルゴリズム用にマイクロプロセッサ（図示せず）を組み込むことができる。図１及び４の電圧モニタ１００はアナログ回路である。
【００３５】
電圧モニタ１００はセル１５の空気電極１５０全体の電圧を決定する。空気電極１５０は図４では想像線で示されている。各々のセル１５の空気電極１５０内の亜鉛電位は比較的安定しており、空気電極１５０はセル１５内の残余酸素を検知するのに用いられる。ハウジング２０内部の酸素は消耗されるので、各々の空気電極１５０全体の電圧は降下する。一方、ハウジング２０内への酸素の流れが増加するにつれて、空気電極１５０の電圧は上昇する。
【００３６】
好ましい空気電極１５０は、共有する米国特許第５，５６９，５５１号及び米国特許第５，６３９，５６８号に開示されている。米国特許第５，６３９，５６８号は双空気電極の金属−空気セルに使用するスプリット型アノードが開示されている。亜鉛−空気バッテリーの使用の発明が開示されているが、この発明は金属−空気バッテリーセルの他の型にも応用できることはいうまでもない。
【００３７】
図４に示されているように、電圧モニタ１００はカソード・タブ１３０とアノード・タブ１４０を介して電圧モニタ回路１０５内でセル１５に接続されている。電圧モニタ回路１０５はファン４０も含む。ハウジング２０内部の全てのセル１５はこの回路１０５に接続されている。セル１５の電圧は連続的にモニターされ、前もって定められた電圧Ｖｐ１より下がらないようしている。電圧がＶｐ１に下がったとき、ファン４０は作動し、次いで電圧が前もって定められた第２の電圧Ｖｐ２に上昇するまで連続的に動かされる。その後、ファン４０は停止し、電圧が再びＶｐ１に下がるまで停止した状態を維持する。前もって定められた電圧Ｖｐ１及びＶｐ２は電圧モニタ１００内でプログラム制御可能な値である。
【００３８】
ファン４０の作動は図５に示されている。アルゴリズムは前もって定められた値を有する「オン／オフ」タイプである。ステップ２０１に示すように、電圧モニタ１００は空気電極１５０の電圧を測定する。ステップ２０２において、電圧モニタ１００は電圧がＶｐ１以下あるいはそれと等しいか否かを決定する。もしそうなら、ステップ２０３で電圧モニタ１００はファン４０を作動する。もしそうでなかったなら、ステップ２０４で電圧モニタ１００は電圧がＶｐ２以上あるいはそれと等しいか否かを決定する。もしそうなら、ステップ２０５で電圧モニタ１００はファン４０を停止する。もしそうでなかったなら、電圧モニタ１００はステップ２０１に戻る。このアルゴリズムを、バッテリー１０に負荷が存在するか否かをチェックする第１の追加ステップを加えるように改良してもよい。もしそうなら、電圧モニタ１００は上述のようにステップ２０１に進む。もしそうでなかったなら、ファン４０は停止状態を維持する。
【００３９】
その代わりに、ファン４０の速度を全体としてあるいは他の電気的パラメーターとしてバッテリー１０の放出値に従って変更してもよい。言いかえれば、電圧モニタ１００をこの技術の当業者に公知の従来の他のタイプの電気的センサーに交換することもできる。たとえば、従来の電流センサ、即ちセンスレジスター（sense resistor）が使用できる。このモニタ１００は取り出す電流の関数として速度可変ファン４０の速度を設定できる。図５のアルゴリズムに変えて、回路１０５は、決定された取り出し電流とファン４０用の電圧入力値とを比較する索引テーブルを有する従来のマイクロプロセッサを含んでもよい。ファン４０の入力電圧と速度は所定の出力取り出し電流を変化させる。本実施例の構成要素の物理的配置は上記の配置と同一である。
【００４０】
本発明の動作は６Ｖバッテリー１０を用いた実施例で示される。そのようなバッテリー１０は５個の金属−空気セル１５を有し、各々のセル１５は約１〜４Ａで約１．２Ｖあるいはこれより僅かに高い電圧を有する。アップコンバータ（図示せず）も使用される。ハウジング２０は長さ２６と幅２７の比が約４対１の開口２５を有する。ファン４０が作動している時のハウジングを通過するガスの流量は、出力電流が約１Ａの場合に１分間当たり約２４５．８〜４９１．６立方センチメーターである。ファン４０が停止したとき、ガス流量は、漏れ電流が１ｍＡ未満の状態で、１分間当たり約０〜約０．４９立方センチメーターあるいはそれ以下に減少する。ファン４０が作動した状態での取り出し電流密度の、ファン４０が停止した状態での取り出し電流密度に対する比は、効率的なバッテリー１０で少なくとも１００対１と予測される。上記した、各々の寸法、容量、密度、流速及び他の要素はバッテリー１０の全体の寸法及び要求される出力に依存することは言うまでもない。
【００４１】
第１の予め定められた電圧Ｖｐ１は、セル１５当たり約１．０Ｖ以下あるいはバッテリー１０全体として約５．０Ｖ以下にすべきではない。電圧モニタ１００がバッテリー１０の電圧がセル１５当たり約１．０Ｖあるいはバッテリー１０全体で約５．０Ｖに達したと判断したとき、ファン４０が作動する。ファン４０はそれからバッテリー１０の電圧がセル１５当たり約１．１Ｖあるいはバッテリー１０全体で約５．５Ｖに達するまでその状態を継続する。ファン４０は、電圧がセル１５当たり約１．０Ｖあるいはバッテリー１０全体として約５．０Ｖに再度達するまで停止状態を維持する。
【００４２】
上述のように与えられた取り出し値を想定した場合、本実施例の６Ｖバッテリー１０では、未使用の期間中に、セル１５当たり約１．１Ｖからセル１５当たり約１．０Ｖに下降してファン４０が駆動されるのは、約１ヶ月となる。バッテリー１０の保管寿命は少なくとも数年である。バッテリー１０はファン４０を起動することによるか、あるいは機械的空気ドアを開けることによるといった別個の活性化操作を必要とすることなく、すぐに使用できるよう準備ができている。むしろ、バッテリー４０はいつでも使用できる準備ができている。バッテリー１０に負荷を与えて起動すると、セル１５の電圧がハウジング２０内の酸素を消耗しながら低下する。この電圧降下は、適量の酸素がハウジング２０内に導入されて適切な電圧に回復するまでファン４０を駆動させる。
【００４３】
本発明の自己調整することに加えて、本発明はエネルギー効率的な空気管理システムも提供する。バッテリー１０の全体としての効率は、ファン４０の作動が最小になると、上昇する。図６は、種々の取り出し値において、本発明のエネルギー対負荷の比３００を、ファンを有さないバッテリーのエネルギー対負荷の比３１０および連続的に作動するファンでのエネルギー対負荷の比３２０と比較したものである。上述のように、殆どの空気管理システムでは、ファンを連続的に作動させるか、あるいはＣｈｅｉｋｙに開示されているように速度可変ファンを用いている。図６に示すように、本発明は、ファンを有さない空気管理システムの９０％の効率を有している。
【００４４】
例えば、本発明の６Ｖバッテリーのエネルギー対負荷の比３００は約２３５Ｗｈであり、ファンを有さない空気管理システムのエネルギー対負荷の比３１０は約２５０Ｗｈである。連続的に作動しているファンを有する空気管理システムのエネルギー対負荷の比３２０は約１３５Ｗｈにすぎない。従って、本発明の律動的なファンの作動は、連続して作動するファンと比較して、ほぼ１００Ｗｈの改善を示す。この改善は取り出し値が約５Ｗに達するまで維持される。この時点において、本発明のファン４０は基本的には連続的に作動する。
【００４５】
これらの効率性はＣｈｅｉｋｙの速度可変ファンでも可能であると思われるが、本発明ではＣｈｅｉｋｙに開示されているような複雑な、負荷特異的なアルゴリズムよりはむしろ単純なオン／オフ・スイッチを使用している。言いかえれば、Ｃｈｅｉｋｙは各々の異なったタイプの負荷に対して特定のアルゴリズムが必要である。しかしながら、本発明は、ほぼあらゆるタイプの電気装置の電力を提供するのに利用できる。
【００４６】
つまり、ここで述べたファン４０の律動的動きによって、種々の目標が達成される。
【００４７】
１．バッテリー１０の寿命は環境的な暴露という見地から最大となる。言いかえれば、予め定められた電圧を維持するのに必要であるのに十分量なのみの酸素がハウジング２０内へ入るようにしている。
【００４８】
２．ファン４０の電力消費は、バッテリー１０全体として消費される電力の割合として、最小にされる。例えば、低い取り出し値では５０％の使用率だけが要求されていても良い。このことはバッテリー１０全体で消費される総エネルギーを減少させる。
【００４９】
３．ファン４０は使用率内で作動するので、バッテリー１０全体は連続的に作動するファン４０を有するバッテリー１０より静かである。
【００５０】
本発明は、機械的空気ドアあるいはファンスイッチを必要とせずに比較的長い保管寿命を有するバッテリー１０を提供することができる。本発明は、自動的に駆動されるているというものよりは、非常用装置の電源として機能できる。それは分離した駆動ステップを必要としないからである。更に重要なことは、本発明はファン４０を作動と、ファン４０に関連するエネルギーの取り出し量とを最小にする効率的な空気管理システムを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を具体化するバッテリーハウジングの切り取り平面図であり、セル、ファン及び空気穴の位置をハウジングに対する空気の流れの方向と組み合わせて示している。
【図２】  図１の２−２線に沿って切断した縦断面図である。
【図３】  空気穴の絵画的線図である。
【図４】  電圧検知回路の概略図である。
【図５】  検知電圧に基くファン作動のフローチャートである。
【図６】  いくつかのファンを選択した、６Ｖバッテリーの空気管理システムの電力消費を比較した図である。
【図１】
0003655548.tif 000002
【図２】
0003655548.tif 000003
【図３】
0003655548.tif 000004
【図４】
0003655548.tif 000005
【図５】
0003655548.tif 000006
【図６】
0003655548.tif 000007