СПОСОБ ЗАКУПОРИВАНИЯ ПРОПИТОЧНОГО ОТВЕРСТИЯ УСТРОЙСТВА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
METHOD FOR CLOSURE OF IMPREGNATING HOLE IN ENERGY STORAGE DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технической области устройств накопления электрической энергии.
В частности, изобретение относится к способу изготовления таких устройств накопления.
В рамках настоящего изобретения под «устройством накопления электрической энергии» следует понимать либо конденсатор (то есть пассивную систему, содержащую электроды и изолятор), либо суперконденсатор (то есть пассивную систему, содержащую, два электрода, электролит и, по меньшей мере, один разделитель), либо батарею (то есть систему, содержащую анод, катод и раствор электролита между анодом и катодом), например, литиевую батарею.
Уровень техники
Известные суперконденсаторы содержат корпус, имеющий гнездо для размещения двух электродов, разделенных электроизоляционным разделителем. Корпус выполнен в виде трубки, имеющей дно и закрываемой крышкой. Корпус, то есть трубка и/или крышка, содержит пропиточное отверстие (или несколько пропиточных отверстий) для заполнения гнезда электролитом.
После заполнения гнезда электролитом пропиточное отверстие закрывают для обеспечения герметичности корпуса по отношению к пыли, воде и т.д.
В известных технических решениях пропиточное отверстие обычно закупоривают заклепкой, под которую помещают уплотнительную прокладку, или при помощи детали, выполненной из полимерного материала и защелкиваемой на корпусе в пропиточном отверстии.
Таким образом, известные способы предусматривают использование одной или нескольких деталей, предназначенных специально для закупоривания пропиточного отверстия.
Кроме того, недостатком, связанным с использованием прокладки или эластомерной детали для герметизации корпуса, является то, что они со временем становятся пористыми, что приводит к сокращению срока службы суперконденсатора. Кроме того, необходимо контролировать размер и центровку пропиточных отверстий, предназначенных для установки заклепок или полимерных деталей, что в определенной степени затрудняет закупоривание этих отверстий в промышленном масштабе.
Следовательно, такой способ закупоривания пропиточного отверстия является относительно дорогим.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в разработке простого и недорогого способа закупоривания пропиточного отверстия.
Поставленная задача решена в способе закупоривания пропиточного отверстия устройства накопления энергии, при этом устройство содержит корпус, содержащий, по меньшей мере, два электрода, а отверстие выполнено в одной из стенок корпуса и имеет наружное устье, расположенное с наружной стороны корпуса, и внутреннее устье, расположенное с внутренней стороны корпуса, при этом способ включает в себя:
- этап введения в отверстие через наружное устье, по меньшей мере, концевой части головки инструмента, вращаемого в направлении, в основном соответствующем осевому направлению отверстия, для нагрева зоны корпуса вблизи отверстия, при этом головка имеет, по меньшей мере, первое сечение в своем основании и второе сечение на своем конце, имеющее размеры, меньшие размеров первого сечения,
- после нагрева зоны корпуса - этап поступательного перемещения инструмента в направлении внутреннего устья для смещения материала в направлении внутреннего устья корпуса и закупоривания отверстия за счет сцепления материала.
Смещаемым материалом является материал корпуса, образующий стенки отверстия до осуществления способа. Таким образом, закупоривание отверстия может происходить без добавления материала.
Закупоривание отверстия осуществляют за счет придания материалу, находящемуся вблизи отверстия, пастообразного состояния, затем путем его проталкивания в сторону внутреннего устья отверстия для его сцепления в этом месте. Следовательно, закупоривание отверстия можно осуществлять только обработанным таким образом материалом.
Таким образом, для закупоривания пропиточного отверстия нет необходимости в использовании дополнительных деталей. Кроме того, устройство, используемое для закупоривания пропиточного отверстия является очень простым и не требует особого обслуживания. Следовательно, оно является исключительно экономичным. Кроме того, закупоривание пропиточного отверстия можно осуществлять при помощи заявленного способа за очень короткое время (порядка нескольких секунд) с использованием ограниченной энергии и, следовательно, с более высокой производительностью.
Кроме того, нет необходимости в предварительной подготовке поверхности отверстия, как это было раньше при применении классической сварки или заклеивания. Кроме того, способ не требует использования дополнительных расходных материалов, так как закупоривание происходит за счет материала, образующего корпус. Кроме того, способ является экологичным, в частности, не сопровождается выделением дымов.
Таким образом, заявленный способ закупоривания пропиточного отверстия является простым и недорогим.
Следует отметить, что способ в соответствии с изобретением можно осуществлять без риска повреждения суперконденсатора. Действительно, нагрев корпуса является ограниченным, так как скрепление происходит, когда материал находится в пастообразном состоянии. Это позволяет закупоривать пропиточное отверстие, не повреждая находящиеся рядом с ним электроды.
Кроме того, поскольку зона термической обработки корпуса является очень небольшой, способ не приводит к ухудшению механической прочности корпуса. Такой способ не влияет на электропроводимость суперконденсатора, так как не использует никакого другого материала, кроме материала, образующего корпус.
Способ в соответствии с изобретением имеет также следующие предпочтительные, но неограничивающие отличительные признаки:
- после поступательного перемещения инструмента до заранее определенного положения способ содержит этап, на котором инструмент продолжают вращать. Во время этого этапа нагретый материал перемешивается, что обеспечивает его лучшее скрепление на уровне внутреннего устья отверстия,
- головка инструмента содержит острие. Иначе говоря, сечение, по меньшей мере, части головки непрерывно меняется,
- размеры острия выбирают таким образом, чтобы, по меньшей мере, сечение отверстия было меньше сечения острия в его основании, но превышало сечение острия на его конце, соответствующем, в частности, концу инструмента. Действительно, это позволяет нагревать материал по всему контуру отверстия, не прибегая к движению инструмента перпендикулярно к направлению оси его вращения,
- острие имеет форму тела вращения, что позволяет более равномерно нагревать материал. В целом весь инструмент тоже может иметь форму тела вращения,
- острие имеет форму усеченного конуса,
- головка инструмента может также содержать периферический заплечик, выполненный в плоскости, в основном перпендикулярной к оси вращения,
- поскольку сечение пропиточного отверстия имеет переменный размер, сечение головки на уровне заплечика выбирают таким образом, чтобы оно находилось в пределах между самым малым и самым большим сечениями отверстия. Это тоже позволяет избежать дополнительных движений инструмента,
- на конце головки инструмент может содержать выступ,
- инструмент выполняют из металла, такого как сталь, например, из быстрорежущей стали, поскольку такой материал является жаростойким и достаточно твердым, что позволяет ограничивать износ инструмента,
- во время осуществления способа инструмент вращают со скоростью от 600 до 2000 об/мин, предпочтительно от 800 до 1200 об/мин, причем эту скорость адаптируют к природе нагреваемого материала, то есть алюминия для большинства корпусов,
- заранее определенное положение и/или продолжительность различных этапов определяют при помощи средств контроля усилий и/или положения и/или температуры, например, интегрированных в инструмент, что позволяет гарантировать постоянное качество закупоривания, причем несмотря на допуски, связанные с промышленным применением способа, например, разброс размеров корпусов,
- способ содержит этап, на котором, поскольку головка инструмента выполнена съемной по отношению к корпусу инструмента, тело инструмента извлекают из корпуса, тогда как головка остается на месте в корпусе. Головка будет оставаться постоянно на устройстве накопления энергии. Она имеет форму, точно соответствующую форме корпуса, так как материал корпуса принял форму этой головки. Таким образом, она удерживается в корпусе за счет взаимодействия форм. Удержание этой головки в корпусе обеспечивает дополнительную безопасность в плане закупоривания пропиточного отверстия и позволяет снизить степень отбраковки при применении этого способа, даже если этот вариант выполнения является более дорогим. В этом варианте выполнения присутствие пробки не мешает сцеплению материала корпуса, первоначально образующего стенки отверстия,
- способ содержит этап, на котором инструмент извлекают из корпуса, например, перед охлаждением и затвердеванием материала, таким образом, чтобы головка инструмента не входила в контакт с корпусом. Во время этого этапа извлечения инструмент, в частности, его головка может продолжать вращаться. Это позволяет избежать ее сцепления с устройством (при охлаждении материала корпуса). Вместе с тем, это не является обязательным, так как, если извлечение производить достаточно быстро, инструмент можно легко удалить из устройства, избегая его сцепления с последним. Таким образом, инструмент можно использовать многократно, что обеспечивает экономию производственных затрат,
- корпус содержит, по меньшей мере, одну трубку, в случае необходимости, имеющую дно, и, по меньшей мере, одну крышку, при этом пропиточное отверстие выполнено в трубке или крышке.
Объектом изобретения является также способ закупоривания пропиточных отверстий нескольких устройств накопления энергии, при этом каждое устройство содержит корпус, содержащий, по меньшей мере, два электрода, и запорное отверстие, выполненное в одной из стенок корпуса и имеющее наружное устье, находящееся с наружной стороны корпуса, и внутреннее устье, находящееся с внутренней стороны корпуса, при этом способ содержит:
- этап введения в отверстие первого устройства через наружное устье, по меньшей мере, концевой части головки инструмента, вращаемого в направлении, в основном соответствующем осевому направлению отверстия, для нагрева зоны корпуса вблизи отверстия, при этом головка имеет, по меньшей мере, первое сечение в своем основании и второе сечение на своем конце, имеющее размеры, меньшие размеров первого сечения,
- после нагрева зоны корпуса - этап поступательного перемещения инструмента в направлении внутреннего устья для смещения материала корпуса, первоначально образующего стенки отверстия, в направлении внутреннего устья корпуса и закупоривания отверстия за счет сцепления указанного материала корпуса,
при этом этапы введения и поступательного перемещения инструмента повторяют, по меньшей мере, один раз для закупоривания пропиточного отверстия, по меньшей мере, еще одного устройства накопления энергии.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично показан суперконденсатор, в котором применяют способ в соответствии с изобретением, вид в разрезе;
на фиг.2 схематично показан инструмент, при помощи которого осуществляют заявленный способ согласно варианту осуществления, вид в разрезе;
на фиг.3A-3D показана часть A суперконденсатора, изображенного на фиг.1, во время различных этапов осуществления способа закупоривания пропиточного отверстия суперконденсатора согласно варианту осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Далее следует более подробное описание способа закупоривания пропиточного отверстия суперконденсатора согласно варианту осуществления изобретения.
На фиг.1 представлен пример осуществления суперконденсатора, в котором применяют способ в соответствии с изобретением.
Суперконденсатор 10 содержит обмотку 12, расположенную в корпусе 14, состоящем в описанном варианте осуществления из трубки 16, содержащей цилиндрическую боковую стенку 16A и дно 16B, и крышки 18, закрывающей сверху трубку 16. Трубку 16 и крышку 18 скрепляют сваркой по всей периферии для обеспечения герметичности суперконденсатора. Как правило, трубку 16 и крышку выполняют из алюминия.
Обмотка 12 представляет собой элемент, содержащий уложенные друг на друга два электродных листа 20, 21 и изоляционный разделитель 22, причем разделитель располагают между двумя электродными листами 20, 21.
Каждый электродный лист содержит коллектор и электрод, выполненный из активного материала, в частности, из активированного угля и нанесенный на две противоположные стороны коллектора.
Крышка 18 содержит в центре сквозное пропиточное отверстие 24. Такое отверстие позволяет заливать внутрь корпуса электролит, необходимый для работы суперконденсатора. Это пропиточное отверстие необходимо закупоривать. Оно имеет наружное устье 24E, выходящее с наружной стороны корпуса, и внутреннее устье 24I, выходящее с внутренней стороны корпуса.
Как показано на фиг.3, отверстие имеет форму воронки, расширяющейся на уровне его наружного устья 24E. По сути оно имеет первую часть 26 постоянного сечения, включающую в себя внутреннее устье 24I, и вторую часть 28 с расширяющимся сечением, сообщающуюся с первой частью 26 на уровне свое малого сечения и включающую в себя наружное устье 24E на своем другом конце на уровне своего большого сечения.
Для обеспечения герметичности суперконденсатора после заливки электролита пропиточное отверстие необходимо закупорить. Именно этот процесс и будет описан ниже.
Сначала следует описать инструмент, позволяющий применять способ согласно варианту осуществления изобретения.
Инструмент содержит тело 1 цилиндрической формы, проходящее вдоль оси вращения A-A′. Тело 1 выполнено из стали или из материала любого типа, имеющего твердость, превышающую твердость материала корпуса, то есть алюминия в описанном примере.
Инструмент содержит также головку 2, выполненную на одном из осевых концов тела 1. Головка содержит острие 3 в виде усеченного конуса, а также периферический заплечик 4, расположенный в плоскости, по существу перпендикулярной к оси вращения A-A′ тела 1.
Тело 1 и головка инструмента выполнены с возможностью их приведения во вращение вокруг оси вращения, соответствующей оси вращения A-A′ тела 1. Инструмент имеет также, по меньшей мере, одну степень свободы, позволяющую ему совершать поступательное движение в направлении его оси вращения.
Инструмент содержит привод (не показан) для приведения во вращение тела и головки устройства. Привод выполнен, например, с возможностью приведения во вращение тела и головки устройства со скоростью от 600 до 2000 об/мин, предпочтительно равной 1000 об/мин.
Предпочтительно инструмент может содержать средства индексации положения для контроля проникновения тела и головки в корпус. Он может также содержать средства измерения усилия для контроля силы, прикладываемой вращающимся инструментом к материалу корпуса, и/или средства измерения температуры для определения температуры нагрева материала корпуса.
Далее со ссылками на фиг.3A-3D следует более подробное описание способа закупоривания пропиточного отверстия 24.
На первом этапе способа, представленном на фиг.3A, тело 1 и головку 2 инструмента приводят во вращение при помощи привода относительно оси A-A′. Головку располагают над пропиточным отверстием 24.
Затем тело 1 инструмента поступательно перемещают вдоль его оси вращения A-A′ таким образом, чтобы ввести головку, в частности, острие 2 в пропиточное отверстие 24 через наружное устье 24E. Как показано на фиг.3B, размеры острия предусмотрены таким образом, чтобы сечение конца острия было меньше сечения первой части отверстия, тогда как сечение основания острия превышает сечение первой части. Точно так же, размеры инструмента предусмотрены таким образом, чтобы заплечик 4 входил в контакт со второй расширяющейся частью отверстия 24.
Таким образом, острие 3 и заплечик 4 инструмента входят в контакт с отверстием по всему его контуру.
После достижения этой конфигурации трение между зоной крышки 18, находящейся вблизи отверстия 24, и головкой (на уровне усеченного конусного острия и заплечика) приводит к нагреву детали до температуры примерно 450°C. В результате этого материал переходит из твердого состояния в пастообразное состояние.
Когда материал достигает этого состояния, инструмент перемещают поступательным движением в сторону внутреннего устья 24I пропиточного отверстия до заранее определенного положения, показанного на фиг.3C.
Это заранее определенное положение определяют, в частности, при помощи средств индексации положения инструмента.
На этом этапе материал проталкивают вглубь пропиточного отверстия 24 в сторону внутреннего устья 24I, как показано стрелками на фиг.3B, под действием поступательного движения поверхностей заплечика и острия, которые приводят также в движение пастообразный материал в этом направлении. Материал, который раньше образовывал стенки пропиточного отверстия, сцепляется с нижней частью отверстия на уровне линии скрепления 30, находящейся вблизи внутреннего устья 24I. Форма острия инструмента способствует закупориванию отверстия.
При достижении конфигурации, показанной на фиг.3C, способ содержит этап, на котором вращение инструмента продолжается, тогда как инструмент удерживают в заранее определенном положении. Это позволяет перемешать материал крышки для обеспечения лучшего сцепления материала на уровне скрепления.
Затем инструмент извлекают из корпуса, и он больше не входит в контакт с материалом корпуса. Материал охлаждается и затвердевает в конфигурации, показанной на фиг.3D. Пропиточное отверстие закупорено. Этап извлечения инструмента можно осуществлять, продолжая вращать инструмент.
После извлечения инструмента можно закупорить пропиточные отверстия других устройств накопления, поскольку во время закупоривания устройства инструмент не претерпел никаких изменений.
Специалисту понятно, что в описанный способ можно вносить различные изменения, не выходя за рамки заявленного изобретения. Таким образом, понятно, что представленные примеры являются чисто иллюстративными и ни в коем случае не ограничивающими. Например, изобретение может иметь следующие версии.
Форма пропиточного отверстия не ограничена описанной формой. Например, пропиточное отверстие может иметь постоянное сечение. Корпус может также содержать трубку без дна, оборудованную двумя крышками на каждом из своих концов. Устройство может также содержать более одного пропиточного отверстия и/или пропиточное отверстие, выполненное в трубке.
Можно также выполнить корпус в виде параллелепипеда, при этом электродные листы и разделитель расположены не в виде обмотки, а уложены друг на друга в виде стопы.
Инструмент может также иметь форму, отличную от описанной формы. Например, он может содержать заплечик и элемент меньшего размера на своем конце, при этом элемент имеет цилиндрическую или прямоугольную форму. Он может также не иметь заплечика, а только элемент в виде острия на своем конце.
Можно предусмотреть размеры инструмента таким образом, чтобы сечение основания его головки не обязательно было больше, по меньшей мере, одного сечения отверстия. В этом случае способ содержит дополнительный этап поступательного перемещения, например, вращательно-поступательного движения инструмента в плоскости нормали, в основном параллельной оси вращения инструмента.
Скорость инструмента может также отличаться от указанной выше или может быть переменной. Материалы корпуса и/или инструмента могут также отличаться от описанных выше.
Можно также предусмотреть, чтобы головка инструмента была съемной и чтобы ее отсоединять от тела инструмента до его извлечения из корпуса. Форма головки в этом случае точно соответствует форме корпуса. Таким образом, она остается на месте в корпусе и выполняет функцию пробки.
Следует также отметить, что этап вращения инструмента после его поступательного перемещения является факультативным.