電源装置、およびその製造方法
【課題】０．３ｍｍ以上の厚い蓋体を必要とする密閉電池で、弁の作動圧精度が良く、かつ高い生産性で製造可能な構造の安全装置を提供すること。
【解決手段】蓋体２０２の一部に安全弁部２０６を備え、安全弁部２０６は弁部２０７とその周囲の開裂部２０８からなり、開裂部２０８は蓋体２０２から電池外側に向かって蓋体厚みより薄肉に引き伸ばされて弁部２０７に繋がり、電池内圧上昇時、開裂部２０８の最薄部２０９に引っ張り応力が集中し破断する構造とする事で、開裂部位の材料の加工硬化が少なく安定した弁作動圧が確保でき、かつプレス機械により簡単に生産できる。
【解決手段】蓋体２０２の一部に安全弁部２０６を備え、安全弁部２０６は弁部２０７とその周囲の開裂部２０８からなり、開裂部２０８は蓋体２０２から電池外側に向かって蓋体厚みより薄肉に引き伸ばされて弁部２０７に繋がり、電池内圧上昇時、開裂部２０８の最薄部２０９に引っ張り応力が集中し破断する構造とする事で、開裂部位の材料の加工硬化が少なく安定した弁作動圧が確保でき、かつプレス機械により簡単に生産できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、特に繰り返しの再充電が可能な二次電池に使用して好適な電池の安全装置、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電池の安全装置としては、電池ケースの底部に環状薄肉部を、先端に一定面積の平坦部を有するパンチおよび上記パンチの平坦部と相似形状で、その８０〜９８％の面積の押出し穴を有する平坦な受け型を用いて形成しているものがある（例えば、特許文献１参照）。図７は、特許文献１に記載された従来の電池の安全装置を示す図で、薄肉部形成用のパンチを下降させ、電池ケースの底部に押し込んだときの状態の要部拡大断面図である。
【０００３】
図７において、パンチ１０１と押し出し穴１０２を有する受け型１０３によるプレス成形によって、電池ケース１０４の電池底部１０５の内部に凹部１０６、外部に凸部１０７を形成すると、ケース材料が矢印Ｐに示すように逃げて、パンチ平坦部１０８と対向する受け型平坦部１０９との間で薄肉部１１０が形成される。本構造により過充電や内部短絡等により、電池ケース１０４内の圧力が所定値以上になると、薄肉部１１０が破断して、電池ケース１０４の内部のガスを外部に放出し、電池の安全性を確保するようになっている。
【０００４】
また、従来の電池の安全装置としては、弁体の周囲にプレス加工のハーフカットによって弱強度部を形成しているものがある（例えば、特許文献２参照）。図８は、特許文献２に記載された従来の電池の安全装置である防爆封口板を構成する下部弁体の平面図である。
【０００５】
図８において、下部弁体１１１は図示しない上部弁体と電気的に接続される溶着部１１２を有している。溶着部１１２の周囲に弱強度部１１３がプレス加工のハーフカットにより形成されている。図９は図８のＡ−Ａ´’断面の拡大図である。電池内圧が上昇すると弱強度部１１３がせん断力により破断し、上部弁体と下部弁体との電気的接続が遮断され、電池の安全性を確保するようになっている。
【０００６】
なお、特許文献２では、ハーフカットによる弱強度部１１３を電気的切断に利用しているが、これはガスを放出するための安全弁としても使用できる。
【０００７】
また、従来の電池の安全装置としては、弁体の周囲に馬蹄形状の薄肉部を、ウェットエッチングで形成しているものがある（例えば、特許文献３参照）。図１０は、特許文献３に記載された従来の電池の安全装置を示す図で、安全弁の平面図と断面図である。
【０００８】
図１０において、安全弁１２１は直径２１ｍｍ、厚み０．０５ｍｍのＳＵＳ３０４の薄板であり、中央部に外径１５ｍｍ、内径１３ｍｍ、厚み０．０１５ｍｍの馬蹄形の彫り込み部１２２を有している。この彫り込み部１２２はウェットエッチングにて形成される。電池内圧が上昇すると彫り込み部１２２が破断し、電池内部のガスを外部に放出し、電池の安全性を確保するようになっている。
【０００９】
また、従来の電池の安全装置としては、弁体の周囲を上下からＶ字状に刻印プレスし、弱強度部を形成しているものがある（例えば、特許文献４参照）。図１１は、特許文献４に記載された従来の電池の安全装置を示す図で、防爆安全弁となる上部金属板の平面図と要部断面のプレス加工工程図である。
【００１０】
図１１において、上部金属板１３１は上面に輪郭形成溝１３２と下面に易変形溝１３３を有している。そして輪郭形成溝１３２と易変形溝１３３の間に薄肉部１３４が形成される。輪郭形成溝１３２と易変形溝１３３は刻印パンチ１３５で成形される。電池内圧が上昇すると薄肉部１３４が破断し、電池内部のガスを外部に放出し、電池の安全性を確保するようになっている。
【００１１】
また、従来の電池の安全装置としては、蓋体と弁体の間の開裂部を曲げ伸ばしとつぶし加工で薄肉に形成しているものがある（例えば、特許文献５参照。）。図１２は、特許文献５に記載された従来の電池の安全装置を示す図で、安全弁部の断面図である。図１３は同開裂部の拡大図である。
【００１２】
図１２において、安全弁部１４１は蓋体１４２の板厚内に形成され、弁部１４３と蓋体１４２との間に連結部１４４を有している。連結部１４４は、蓋体１４２と弁部１４３を繋ぐ肉部が曲げ伸ばしされて、弁部１４３よりも薄肉に形成される。
【００１３】
図１３において、さらに連結部１４４は第１の金型１４５の凸部１４６によりＶ字型のつぶしが入れられ、さらに薄肉の開裂部１４７が形成される。電池内圧が上昇すると開裂部１４７が破断し、電池内部のガスを外部に放出し、電池の安全性を確保するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平２−２８４３４７号公報
【特許文献２】特開平９−１２９２０８号公報
【特許文献３】特開２０００−３１１６６９号公報
【特許文献４】特開２００１−２３５９５号公報
【特許文献５】特開２００４−１１１１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている従来の構成では、薄肉部１１０の形成時、薄肉部１１０に圧縮応力が集中して加工硬化が起こり、脆くなるとともに加工硬化によって硬度が増すため、所定値以上の圧力で開裂させるための薄肉部１１０の肉厚をさらに薄肉にする必要がある。その結果、肉厚の精度が要求されて、均一な肉厚を得るのが難しくなり、弁の作動圧がばらつく。さらには最悪の場合クラックが生じるという課題を有している。
【００１６】
また、上記特許文献２に開示されている従来の構成では、ハーフカットで弱強度部１１３を形成するため、下部弁体１１１の板厚が０．３ｍｍ以下の薄板であれば可能だが、例えば大型電池などでそれ以上の厚板が必要な場合はプレス時に発生するせん断力で必要な薄肉にする前に切れてしまい、成形できないという課題を有している。
【００１７】
また、上記特許文献３に開示されている従来の構成では、ウェットエッチングで彫り込み部１２２を形成するため、プレスを用いて成形する場合と比べて寸法精度が悪く弁の作動圧がばらつく上、生産性が悪いという課題を有している。
【００１８】
また、上記特許文献４に開示されている従来の構成では、薄肉部１３４を刻印パンチ１３５でＶ字型に上下から打って刻印で形成するため、刻印深さには限界があり、上部金属板１３１の板厚が厚いと薄肉部１３４が形成されず、適用できないという課題を有している。また、刻印パンチ１３５の寿命が短い上に薄肉部１３４の材料の加工硬化が大きく、結果的に弁の作動圧がばらつくという課題も有している。
【００１９】
更に、上記特許文献５に開示されている従来の構成では、開裂部１４７は曲げ伸ばしで形成されるというものの、最後は凸部１４６を有する第１の金型１４５にてＶ字断面にするためのつぶしが入るため、加工硬化がやはり生じてしまう。さらには前工程として蓋体１４２よりも薄い弁部１４３を形成するための切削加工などの前処理が必要で生産性が悪いという課題も有している。
【００２０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、比較的板厚が厚い蓋体を必要とする大型電池などにおいても、１回のプレス成形にて製作可能で、かつ金型の寿命も長く、加工硬化が小さいため弁の作動圧のばらつきの小さい構造の電源装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者は、電池の安全弁の開裂部を、単純な引き伸ばしにて成形し引っ張り応力で破断させる構造とすることで、破断メカニズムが単純で、かつ加工硬化が小さいため弁の作動圧のばらつきが小さい安全弁を実現できることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。
【００２２】
すなわち、本発明は以下に示される電源装置に関する。
【００２３】
［１］電池ケースの内部を気密に遮蔽する金属板材からなる蓋体と、この蓋体の一部に形成され、前記電池ケース内の圧力が所定値以上に上昇すると破壊して、前記電池ケース内の気体を外部に放出する安全弁部とを備え、前記安全弁部は、前記蓋体の板厚と同じ厚みを有し、前記蓋体よりも電池外側に位置する弁部と、この弁部と前記蓋体との間で、前記弁部の外周に形成され、前記蓋体から電池の外側に向かって前記弁部へと繋ぐ肉部が前記蓋体厚みよりも薄い開裂部とを有し、前記開裂部はさらに最薄部を有し、前記最薄部から前記蓋体に向かって肉厚を次第に増し、前記蓋体厚みとなり、同様に前記最薄部から前記弁部に向かっても肉厚を次第に増し、前記弁部厚みとなる形状であり、かつ前記弁部の内表面が前記蓋体の外表面より電池外側に位置していることを特徴とする電源装置。
【００２４】
［２］電池ケースが複数の電池収納室を有する組電池で、複数の前記安全弁部を有する１枚の蓋体が、前記電池収納室をそれぞれ気密に遮蔽することを特徴とする［１］記載の電源装置。
【００２５】
［３］前記安全弁部近傍の電池外部空間を遮蔽し、弁の方向には開口部がなく、弁と直角方向に開口部を持つカバーを有することを特徴とする［２］記載の電源装置。
【００２６】
［４］電池ケースの内部を気密に遮蔽する金属板材からなる蓋体と、この蓋体の一部に形成され、前記電池ケース内の圧力が所定値以上に上昇すると破壊して、前記電池ケース内の気体を外部に放出する安全弁部とを備え、前記安全弁部は、前記蓋体の板厚と同じ厚みを有し、前記蓋体よりも電池外側に位置する弁部と、この弁部と前記蓋体との間で、前記弁部の外周に形成され、前記蓋体から電池の外側に向かって前記弁部へと繋ぐ肉部が前記蓋体厚みよりも薄い開裂部を有する電池の安全装置において、前記開裂部は金型で成形し、前記弁部を押すパンチの先端外周角部および前記蓋部を受けるダイの穴角部をそれぞれに滑らかな弧状とし、パンチの下死点にてパンチの先端外周角部の弧とダイの穴角部の弧でつくられる隙間で最薄部を成形するとともに、前記最薄部から滑らかに前記蓋体と前記弁体に繋がる前記開裂部を成形し、前記パンチの下死点はパンチの先端面がダイの表面よりも深い位置としたことを特徴とする電源装置の製造方法。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、本発明の電源装置、およびその製造方法によれば、０．３ｍｍを超える比較的厚い蓋体であっても１回のプレス成形で加工硬化が小さい安全弁を形成できる。したがって対応範囲が広く、弁の作動圧のばらつきが小さく、生産性にすぐれる電池の安全装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１における安全装置を含む電池の平面図
【図２】本発明の実施の形態１における安全装置を含む電池の断面図
【図３】本発明の実施の形態１における安全装置の加工工程図
【図４】本発明の実施の形態１における電池の安全装置の断面図
【図５】本発明の実施の形態１における安全装置の不適切な加工図
【図６】本発明の実施の形態２における安全弁部を含む組電池の斜視図
【図７】特許文献１に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図８】特許文献２に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図９】特許文献２に記載された従来の電池の安全装置の拡大断面図
【図１０】特許文献３に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図１１】特許文献４に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図１２】特許文献５に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図１３】特許文献５に記載された従来の電池の開裂部の拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における安全装置を有する電池の平面図、図２は、図１に示すＸ−Ｘ断面図である。図３は、同安全装置の加工工程図、図４は同電池の安全装置部の拡大断面図を示す。
【００３１】
図１および図２において、電池ケース２０１と蓋体２０２で電池外装容器を構成している。電池ケース２０１と蓋体２０２の材料は金属で、軽量化のため通常アルミニウムであることが多い。電池ケース２０１を深絞り加工により袋状に加工し、開口部を蓋体２０２で閉じる構造となっている。電池ケース２０１と蓋体２０２は、接触面全周を溶接等で完全に接合され気密が保たれている。蓋体２０２には２個の穴がある。１個目の穴は、負極電極の取り出し用で絶縁ガスケット２０３を介して負極端子２０４をかしめることで閉じられる。なお、正極端子は電池ケース２０１または蓋体２０２で兼ねられる。２個目の穴は、電解液の注液用で、注液後に封止栓２０５が接合されて閉じられる。このように密閉電池が構成される。
【００３２】
また、蓋体２０２は、２個の穴以外に安全弁部２０６を有する。安全弁部２０６は、弁部２０７と開裂部２０８から構成される。弁部２０７は、円形状で蓋体２０２の板厚と同じ厚みを有している。弁部２０７は、弁部２０７の外周に形成され蓋体２０２から電池外装容器の外側に向かって弁部２０７の厚みよりも薄肉に引き伸ばしされた開裂部２０８で蓋体２０２とつながりを維持している。開裂部２０８は中央部が最薄部２０９となっており、図２において最薄部２０９より上方に行くほど次第に厚くなり弁部２０７の板厚になる。
【００３３】
同様に図２において、開裂部２０８は中央の最薄部２０９より下方に行くほど次第に厚くなり蓋体２０２の板厚になる。弁部２０７の下面は蓋体２０２の上面より上方、すなわち電池外側に位置している。なお、図２では電池の内容物の記載を省いてある。
【００３４】
図３はプレス金型を使用して開裂部２０８の形状を成形する場合の加工状態図で、図２のＹ部を抜き出して開裂部形状の変遷を（ａ）〜（ｅ）で順に示している。
【００３５】
まず、図３（ａ）において、加工前の蓋体板材の弁部２０７となる部分に下側からパンチ２１０をあて、上から弁部押さえ２１１で弁部２０７となる部分をクランプする。このときパンチ２１０の先端外周角部は滑らかな弧状となっており、蓋体板材との間には空隙２１４がある。一方、弁部押さえ２１１の先端外周角部は直角であり、蓋体板材との間に空隙は存在しない。同様に弁部２０７となる部分の外側周囲に上側からダイ２１２をあて、下から蓋体押さえ２１３で蓋体２０２をクランプする。
【００３６】
このときダイ２１２の穴角部は滑らかな弧状となっており、蓋体２０２との間には空隙２１５がある。一方、蓋体押さえ２１３の穴角部は直角であり、蓋体２０２との間に空隙は存在しない。空隙２１４と空隙２１５に接する蓋体板材の部分が変形部２１６で、後に開裂部２０８となる部分である。
【００３７】
なお、パンチ２１０とダイ２１２の嵌合時のクリアランスは０でも良いが、安全のためわずかに隙間を持たせている。
【００３８】
図３（ｂ）は、前記加工前状態から、パンチ２１０と弁部押さえ２１１が一体となって上方にＺ１だけ上昇したときの状態図を示す。基本的に蓋体２０２として残る部分と弁部２０７となる部分はそれぞれクランプされているため、この部分の材料が変形部２１６に流れ込むことは基本的にはなく、自由度を持つ変形部２１６のみが主に引っ張りで伸ばされて後の開裂部２０８となる。
【００３９】
図３（ｃ）は、さらにパンチ２１０と弁部押さえ２１１が上方にＺ２まで上昇したときの状態図を示す。
【００４０】
このとき、弁部２０７の電池内側表面が蓋体２０２の電池外側表面と同じ位置にある（Ｌ＝０）。ここまでパンチが上昇すると、変形部２１６は蓋体板厚よりも薄い最薄部２０９を有する開裂部２０８の形状となり、安全弁としての機能を持つことができるようになる。但し、この時点での最薄部２０９の肉厚ｔはまだ比較的大きいため、安全弁としての作動圧はかなり高いものとなる。
【００４１】
図３（ｄ）は、さらにパンチ２１０と弁部押さえ２１１が上方にＺ３まで上昇したときの状態図を示す。パンチ２１０の先端外周角部の弧状部分とダイ２１２の穴角部の弧状部分で作られる空間の形に添って開裂部２０８の形状が形成される。従って、プレスの下死点を制御することにより、最薄部２０９の肉厚ｔも決定される。すなわち、所定の安全弁の作動圧を得ることができる。
【００４２】
ここで、本発明では、プレスの下死点位置のばらつきがそのまま最薄部２０９の肉厚のばらつきにはならないことについて説明する。
【００４３】
プレスを用いて安全弁を加工する従来例のほとんどすべては、プレスの下死点位置のばらつきが最薄部の肉厚のばらつきに直結する。すなわち、そのまま弁の作動圧がばらつくことになる。プレスの下死点位置はプレスのフレームの熱膨張などである程度の変動は避けられない。
【００４４】
一方、本発明では、最薄部の肉厚はパンチの進行方向とほぼ直角をなす。従って、プレスの下死点位置のばらつきが、そのまま最薄部の肉厚のばらつきには直結しない。例えば、後述する図４に示すように、最薄部の軸線がパンチ進行方向と１６．２８４°の角度を成す場合を考えると、パンチの下死点のばらつきがΔｓのときの最薄部２０９の肉厚ｔのばらつきΔｔは、Δｔ＝Δｓ・ｓｉｎ１６．２８４°＝０．２８・Δｓとなる。すなわち、肉厚ｔのばらつきは、下死点位置ばらつきの１／３以下に縮小される。パンチの下死点位置のばらつきが最薄部の肉厚のばらつきに与える影響の感度が鈍いことは本発明固有の優れた特徴のひとつである。
【００４５】
さらに従来例では、材料を押しつぶしたり材料の肉を移動させたりして成形するため、加工時に大きな力がプレスのフレームに掛かり、多少なりともフレームが変形する。本発明では、材料は引き伸ばしで成形するため、加工に必要な力は小さい。よって同じ剛性のプレスを使用すれば、本発明ではプレスのフレームの変形は小さいため、プレスの下死点位置のばらつきも小さくてすむという利点も有する。
【００４６】
図３（ｅ）は、さらにパンチ２１０と弁部押さえ２１１が上方にＺ４まで上昇したときの状態図を示す。
【００４７】
パンチ２１０の先端外周角部の弧状部分とダイ２１２の穴角部の弧状部分の上下方向の重なりが０となる位置のため（Ｌ＝ｒ１ｙ＋ｒ２ｙ）、最薄部２０９の肉厚が最小となる。すなわち、最薄部２０９の肉厚は、パンチ２１０とダイ２１２の嵌合時のクリアランスと等しくなり、これ以上に最薄部が薄くなることはないため、本発明の安全弁の作動圧としてはこの状態が最小値となる。
【００４８】
なお、弁部と弁部周辺の蓋体の板厚はプレス時、クランプされるため、それぞれ元の材料の板厚より、わずかに薄くなることがある。
【００４９】
かかる構成によれば、弁部２０７の肉厚は母体である蓋体２０２の板厚と等しく剛体とみなせ、弁部２０７にかかる電池内部圧力Ｐにより、弁部２０７に上向きに生じる力は、そのまま開裂部２０８に掛かる。従って、最も小さな断面積となる最薄部２０９において、電池内圧上昇時、電池外装容器の中では最大の内部応力が発生する。開裂部２０８は電池内部の圧力が弁部２０７にかかる力の方向に薄肉に伸ばされているため、開裂部２０８に発生する内部応力は、ほぼ引っ張り応力とみなせる。従って、材料の引っ張り強さが分かれば破断する電池内部圧力を計算することができる。
【００５０】
例えば、引っ張り強度が９５Ｎ／ｍｍ2の材料で、弁部２０７の凹部内径Ｄが１８ｍｍで、電池内部圧力Ｐが１ＭＰａで作動する安全弁を作製するとする。このときの蓋体２０２の板厚は、充分な強度を持たせるため、１．５ｍｍ以上は必要である。電池内部圧力Ｐにより、弁部２０７に上方向にかかる力は、９ｍｍ×９ｍｍ×π×１ＭＰａ＝２５４Ｎである。
【００５１】
開裂部２０８の最薄部２０９の肉厚ｔを０．０４７ｍｍとすると、最薄部２０９の軸方向の断面積Ｓは、（９＋０．０４７）2・π−９2・π＝２．６６ｍｍ2。従って、内部応力σは、２５４Ｎ／２．６６ｍｍ2＝９５．４Ｎ／ｍｍ2となり、これはほぼ、材料の引っ張り強さに相当するため、開裂部２０８は最薄部２０９にて１ＭＰａで破断することが期待される。
【００５２】
このように、本発明の電池の安全弁は、簡単な計算で所望に近い作動圧の安全弁を設計できることが特徴である。通常の安全弁は薄膜の破れなど複雑な破壊モードとなるため、有限要素法を用いても正確に設計することは難しい。試行錯誤を繰り返しながら所望の破断強度を得ることになるが、本発明は、比較的簡単に所望の作動圧を有する安全弁を得ることができる。
【００５３】
厳密に言うと、実際には実施の形態１では図４に示すように、開裂部２０８は若干の角度θを持つ。例えばパンチ２１０の先端外周角部の弧状形状を単純な円弧とし、大きさをｒ１＝０．５ｍｍとする。同様にダイ２１２の穴角部の弧状形状も単純な円弧とし、大きさを同じくｒ２＝０．５ｍｍとした場合を考えて見る。パンチ２１０とダイ２１２の嵌合時のクリアランスｅを５μｍとし、開裂部２０８の最薄部２０９の肉厚ｔを０．０４７ｍｍにしようとした場合、θは１６．２８４°となる。
【００５４】
従って、この場合は引っ張り応力だけでなく、せん断力も発生する。計算すると引っ張り応力σｘは９１．９Ｎ／ｍｍ2、せん断力τｘｙは２６．９Ｎ／ｍｍ2で主応力σ１は９９．２Ｎ／ｍｍ2となる。すなわち、主応力の９３％は引っ張り応力であることがわかるので、通常はほぼ引っ張り応力で破断するとみなしてよい。
【００５５】
一方、図５は、図３に示したプレスを使用して開裂部２０８の形状を成形する場合の加工状態図であり、図３（ｅ）よりさらにパンチ２１０と弁部押さえ２１１を上方にＺ５まで上昇させたときの状態図を示す。
【００５６】
開裂部２０８は、さらに引き伸ばされ最薄部２０９は円ではなく円筒状になり、円筒部の肉厚は、パンチ２１０とダイ２１２の嵌合時のクリアランスと等しい。現実的には、ここまで引き伸ばしを行うと材料の限界を超えクラックが発生し、通常のようには成形できない。また、仮にこの形状に成形できたとしても、開裂部２０８が薄肉円筒となり、弁部２０７の引っ張り応力ではなく、薄肉円筒の内圧による破壊モードが優勢となる。
【００５７】
すなわち、内圧を受ける薄肉円筒の周方向の内部応力は、弁部２０７による軸方向の引っ張り応力よりも大きくなる。実際、内径１８ｍｍ、肉厚０．０４７ｍｍの薄肉円筒が１ＭＰａの内圧を受けた場合の周方向の内部応力σを、近似式σ＝ｒ・Ｐ／ｔ（ここでｒは平均半径、Ｐは内部圧力、ｔは肉厚である）を用いて計算すると、１９２Ｎ／ｍｍ2となり、弁部２０７による引っ張り応力の２倍になる。
【００５８】
これは、均一な肉厚の薄肉円筒の場合の数値である。実際には、パンチ２１０とダイ２１２は偏心するため、どうしても肉厚の薄い箇所が発生し、そこに応力が集中するため、より小さい内圧で破壊するうえ、偏心量がばらつくと破壊する圧力もばらつくという問題が発生する。しかし、図３（ｃ）〜図３（ｅ）に示す状態であれば、最薄部２０９以外の開裂部２０８は急激に肉厚が増すため引っ張り応力が優勢となる。弁部２０７による引っ張り応力では、パンチ２１０とダイ２１２が偏心しても、同じパンチとダイを使う限り最薄部２０９の断面積は同じのため、破壊する圧力は常に一定になる。
【００５９】
すなわち、弁の作動圧ばらつきが小さい。よって、開裂部２０８の最薄部２０９は、開裂部２０８が伸ばされる方向に長さを持たないのが良い。すなわち、図３における図３（ｅ）の状態が本発明におけるパンチ２１０の実用上の最大ストロークと考えてよい。
【００６０】
以上のように、本発明の安全弁はプレス成形で、引き伸ばしにより開裂部が形成されるため、肉の移動・圧縮がなく従来の方法に比べて加工硬化が極めて小さい。よって、最薄肉厚が大きく取れ、クラックの恐れも少ない。また、０．３ｍｍを超える板厚の蓋体でも１回のプレスで加工できるうえ、事前の切削加工や最後のつぶしも必要なく、生産性に優れる。更に、刻印のようにエッジ部がないため金型の寿命も長い。
【００６１】
なお、本実施の形態において、弁部２０７の形状は円形としたが、楕円、四角形、角丸四角形、六角形などでも良い。
【００６２】
また、開裂部２０８の破断応力の試算では、計算の単純化のためパンチ２１０の先端外周角部とダイ２１２の穴角部を円弧としたが、円弧でなくても良く、要は滑らかな弧状であれば良い。むしろ材料の流れからは蓋体に垂直方向の弧状部分の長さｒ１ｙ、ｒ２ｙより、蓋体に水平方向の弧状部分の長さｒ１ｘ、ｒ２ｘを大きめに取る方が好ましい（図３（ａ）参照）。
【００６３】
更に、弁部押さえ２１１の先端外周角部と蓋体押さえ２１３の穴角部は直角としたが、パンチ２１０とダイ２１２と同様の弧状でも、面取りがなされていても良い。要はパンチ２１０とダイ２１２の弧状の大きさより小さく、パンチ２１０とダイ２１２の直線部分との間で弁部２０７と蓋体２０２を確実にクランプできればよい。
【００６４】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２の電池の安全装置の分解斜視図である。図６において、図１および図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００６５】
図６において、電池ケース３０１は複数の電池収納室３０２を持つ。蓋体３０３は電池ケース３０１の開口部に当接され接合されて、各電池収納室３０２を密閉する。蓋体３０３には複数の安全弁部２０６が、各々の電池収納室３０２に対応して設けられている。安全弁部２０６の個々の構造は実施の形態１と同じである。
【００６６】
更に、ガス排出口３０４を有するカバー３０５が蓋体３０３にかぶせられて固定される。ガス排出口３０４は安全弁作動時に発生する高温高圧のガスを少しでも低温低圧にして外部へ排出するため、ガスが直接流れてしまう安全弁部２０６の方向にはなく、安全弁部２０６と直角方向にある。なお、図６では電池の内容物の記載を省いてある。
【００６７】
かかる構成によれば、安全弁部２０６が単純な１回のプレスで成形可能なため、蓋体３０３は順送プレス金型で簡単に製作可能となり、また、個々の単電池ごとに封口する必要がなくなるため生産性が大幅に向上するという効果を有する。
【００６８】
なお、カバー３０５は安全弁部２０６が作動した場合に噴出する高温高圧ガスをガス排出口３０４を通じて外部のダクトへ導くためのものであるが、安全弁部２０６を保護する役目も持つ。すなわち、本発明の安全弁部２０６の弁部２０７は、蓋体３０３外面より飛び出る構造のため、電池の取扱時、誤って外的に弁部２０７に力が加わり、強度が弱い開裂部２０８が破損する恐れがある。カバー３０５はそのような事態になるのを防ぐという効果も有する。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の電源装置は、大型の密閉電池を必要とするフォークリフトやハイブリッドカー、電気自動車などの車両用電源装置、電子機器のバックアップ電源および家庭用の蓄電池装置の電池の安全装置として好適に用いることができる。さらには電池用途に限らず、コンデンサーなどあらゆる金属密閉容器の防爆弁として、広く用いることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０４，２０１，３０１ 電池ケース
１４２，２０２，３０３ 蓋体
２０３ 絶縁ガスケット
２０４ 負極端子
２０５ 封止栓
１４１，２０６ 安全弁部
１４３，２０７ 弁部
１４７，２０８ 開裂部
２０９ 最薄部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、特に繰り返しの再充電が可能な二次電池に使用して好適な電池の安全装置、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電池の安全装置としては、電池ケースの底部に環状薄肉部を、先端に一定面積の平坦部を有するパンチおよび上記パンチの平坦部と相似形状で、その８０〜９８％の面積の押出し穴を有する平坦な受け型を用いて形成しているものがある（例えば、特許文献１参照）。図７は、特許文献１に記載された従来の電池の安全装置を示す図で、薄肉部形成用のパンチを下降させ、電池ケースの底部に押し込んだときの状態の要部拡大断面図である。
【０００３】
図７において、パンチ１０１と押し出し穴１０２を有する受け型１０３によるプレス成形によって、電池ケース１０４の電池底部１０５の内部に凹部１０６、外部に凸部１０７を形成すると、ケース材料が矢印Ｐに示すように逃げて、パンチ平坦部１０８と対向する受け型平坦部１０９との間で薄肉部１１０が形成される。本構造により過充電や内部短絡等により、電池ケース１０４内の圧力が所定値以上になると、薄肉部１１０が破断して、電池ケース１０４の内部のガスを外部に放出し、電池の安全性を確保するようになっている。
【０００４】
また、従来の電池の安全装置としては、弁体の周囲にプレス加工のハーフカットによって弱強度部を形成しているものがある（例えば、特許文献２参照）。図８は、特許文献２に記載された従来の電池の安全装置である防爆封口板を構成する下部弁体の平面図である。
【０００５】
図８において、下部弁体１１１は図示しない上部弁体と電気的に接続される溶着部１１２を有している。溶着部１１２の周囲に弱強度部１１３がプレス加工のハーフカットにより形成されている。図９は図８のＡ−Ａ´’断面の拡大図である。電池内圧が上昇すると弱強度部１１３がせん断力により破断し、上部弁体と下部弁体との電気的接続が遮断され、電池の安全性を確保するようになっている。
【０００６】
なお、特許文献２では、ハーフカットによる弱強度部１１３を電気的切断に利用しているが、これはガスを放出するための安全弁としても使用できる。
【０００７】
また、従来の電池の安全装置としては、弁体の周囲に馬蹄形状の薄肉部を、ウェットエッチングで形成しているものがある（例えば、特許文献３参照）。図１０は、特許文献３に記載された従来の電池の安全装置を示す図で、安全弁の平面図と断面図である。
【０００８】
図１０において、安全弁１２１は直径２１ｍｍ、厚み０．０５ｍｍのＳＵＳ３０４の薄板であり、中央部に外径１５ｍｍ、内径１３ｍｍ、厚み０．０１５ｍｍの馬蹄形の彫り込み部１２２を有している。この彫り込み部１２２はウェットエッチングにて形成される。電池内圧が上昇すると彫り込み部１２２が破断し、電池内部のガスを外部に放出し、電池の安全性を確保するようになっている。
【０００９】
また、従来の電池の安全装置としては、弁体の周囲を上下からＶ字状に刻印プレスし、弱強度部を形成しているものがある（例えば、特許文献４参照）。図１１は、特許文献４に記載された従来の電池の安全装置を示す図で、防爆安全弁となる上部金属板の平面図と要部断面のプレス加工工程図である。
【００１０】
図１１において、上部金属板１３１は上面に輪郭形成溝１３２と下面に易変形溝１３３を有している。そして輪郭形成溝１３２と易変形溝１３３の間に薄肉部１３４が形成される。輪郭形成溝１３２と易変形溝１３３は刻印パンチ１３５で成形される。電池内圧が上昇すると薄肉部１３４が破断し、電池内部のガスを外部に放出し、電池の安全性を確保するようになっている。
【００１１】
また、従来の電池の安全装置としては、蓋体と弁体の間の開裂部を曲げ伸ばしとつぶし加工で薄肉に形成しているものがある（例えば、特許文献５参照。）。図１２は、特許文献５に記載された従来の電池の安全装置を示す図で、安全弁部の断面図である。図１３は同開裂部の拡大図である。
【００１２】
図１２において、安全弁部１４１は蓋体１４２の板厚内に形成され、弁部１４３と蓋体１４２との間に連結部１４４を有している。連結部１４４は、蓋体１４２と弁部１４３を繋ぐ肉部が曲げ伸ばしされて、弁部１４３よりも薄肉に形成される。
【００１３】
図１３において、さらに連結部１４４は第１の金型１４５の凸部１４６によりＶ字型のつぶしが入れられ、さらに薄肉の開裂部１４７が形成される。電池内圧が上昇すると開裂部１４７が破断し、電池内部のガスを外部に放出し、電池の安全性を確保するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平２−２８４３４７号公報
【特許文献２】特開平９−１２９２０８号公報
【特許文献３】特開２０００−３１１６６９号公報
【特許文献４】特開２００１−２３５９５号公報
【特許文献５】特開２００４−１１１１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている従来の構成では、薄肉部１１０の形成時、薄肉部１１０に圧縮応力が集中して加工硬化が起こり、脆くなるとともに加工硬化によって硬度が増すため、所定値以上の圧力で開裂させるための薄肉部１１０の肉厚をさらに薄肉にする必要がある。その結果、肉厚の精度が要求されて、均一な肉厚を得るのが難しくなり、弁の作動圧がばらつく。さらには最悪の場合クラックが生じるという課題を有している。
【００１６】
また、上記特許文献２に開示されている従来の構成では、ハーフカットで弱強度部１１３を形成するため、下部弁体１１１の板厚が０．３ｍｍ以下の薄板であれば可能だが、例えば大型電池などでそれ以上の厚板が必要な場合はプレス時に発生するせん断力で必要な薄肉にする前に切れてしまい、成形できないという課題を有している。
【００１７】
また、上記特許文献３に開示されている従来の構成では、ウェットエッチングで彫り込み部１２２を形成するため、プレスを用いて成形する場合と比べて寸法精度が悪く弁の作動圧がばらつく上、生産性が悪いという課題を有している。
【００１８】
また、上記特許文献４に開示されている従来の構成では、薄肉部１３４を刻印パンチ１３５でＶ字型に上下から打って刻印で形成するため、刻印深さには限界があり、上部金属板１３１の板厚が厚いと薄肉部１３４が形成されず、適用できないという課題を有している。また、刻印パンチ１３５の寿命が短い上に薄肉部１３４の材料の加工硬化が大きく、結果的に弁の作動圧がばらつくという課題も有している。
【００１９】
更に、上記特許文献５に開示されている従来の構成では、開裂部１４７は曲げ伸ばしで形成されるというものの、最後は凸部１４６を有する第１の金型１４５にてＶ字断面にするためのつぶしが入るため、加工硬化がやはり生じてしまう。さらには前工程として蓋体１４２よりも薄い弁部１４３を形成するための切削加工などの前処理が必要で生産性が悪いという課題も有している。
【００２０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、比較的板厚が厚い蓋体を必要とする大型電池などにおいても、１回のプレス成形にて製作可能で、かつ金型の寿命も長く、加工硬化が小さいため弁の作動圧のばらつきの小さい構造の電源装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者は、電池の安全弁の開裂部を、単純な引き伸ばしにて成形し引っ張り応力で破断させる構造とすることで、破断メカニズムが単純で、かつ加工硬化が小さいため弁の作動圧のばらつきが小さい安全弁を実現できることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。
【００２２】
すなわち、本発明は以下に示される電源装置に関する。
【００２３】
［１］電池ケースの内部を気密に遮蔽する金属板材からなる蓋体と、この蓋体の一部に形成され、前記電池ケース内の圧力が所定値以上に上昇すると破壊して、前記電池ケース内の気体を外部に放出する安全弁部とを備え、前記安全弁部は、前記蓋体の板厚と同じ厚みを有し、前記蓋体よりも電池外側に位置する弁部と、この弁部と前記蓋体との間で、前記弁部の外周に形成され、前記蓋体から電池の外側に向かって前記弁部へと繋ぐ肉部が前記蓋体厚みよりも薄い開裂部とを有し、前記開裂部はさらに最薄部を有し、前記最薄部から前記蓋体に向かって肉厚を次第に増し、前記蓋体厚みとなり、同様に前記最薄部から前記弁部に向かっても肉厚を次第に増し、前記弁部厚みとなる形状であり、かつ前記弁部の内表面が前記蓋体の外表面より電池外側に位置していることを特徴とする電源装置。
【００２４】
［２］電池ケースが複数の電池収納室を有する組電池で、複数の前記安全弁部を有する１枚の蓋体が、前記電池収納室をそれぞれ気密に遮蔽することを特徴とする［１］記載の電源装置。
【００２５】
［３］前記安全弁部近傍の電池外部空間を遮蔽し、弁の方向には開口部がなく、弁と直角方向に開口部を持つカバーを有することを特徴とする［２］記載の電源装置。
【００２６】
［４］電池ケースの内部を気密に遮蔽する金属板材からなる蓋体と、この蓋体の一部に形成され、前記電池ケース内の圧力が所定値以上に上昇すると破壊して、前記電池ケース内の気体を外部に放出する安全弁部とを備え、前記安全弁部は、前記蓋体の板厚と同じ厚みを有し、前記蓋体よりも電池外側に位置する弁部と、この弁部と前記蓋体との間で、前記弁部の外周に形成され、前記蓋体から電池の外側に向かって前記弁部へと繋ぐ肉部が前記蓋体厚みよりも薄い開裂部を有する電池の安全装置において、前記開裂部は金型で成形し、前記弁部を押すパンチの先端外周角部および前記蓋部を受けるダイの穴角部をそれぞれに滑らかな弧状とし、パンチの下死点にてパンチの先端外周角部の弧とダイの穴角部の弧でつくられる隙間で最薄部を成形するとともに、前記最薄部から滑らかに前記蓋体と前記弁体に繋がる前記開裂部を成形し、前記パンチの下死点はパンチの先端面がダイの表面よりも深い位置としたことを特徴とする電源装置の製造方法。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、本発明の電源装置、およびその製造方法によれば、０．３ｍｍを超える比較的厚い蓋体であっても１回のプレス成形で加工硬化が小さい安全弁を形成できる。したがって対応範囲が広く、弁の作動圧のばらつきが小さく、生産性にすぐれる電池の安全装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１における安全装置を含む電池の平面図
【図２】本発明の実施の形態１における安全装置を含む電池の断面図
【図３】本発明の実施の形態１における安全装置の加工工程図
【図４】本発明の実施の形態１における電池の安全装置の断面図
【図５】本発明の実施の形態１における安全装置の不適切な加工図
【図６】本発明の実施の形態２における安全弁部を含む組電池の斜視図
【図７】特許文献１に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図８】特許文献２に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図９】特許文献２に記載された従来の電池の安全装置の拡大断面図
【図１０】特許文献３に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図１１】特許文献４に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図１２】特許文献５に記載された従来の電池の安全装置を示す図
【図１３】特許文献５に記載された従来の電池の開裂部の拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における安全装置を有する電池の平面図、図２は、図１に示すＸ−Ｘ断面図である。図３は、同安全装置の加工工程図、図４は同電池の安全装置部の拡大断面図を示す。
【００３１】
図１および図２において、電池ケース２０１と蓋体２０２で電池外装容器を構成している。電池ケース２０１と蓋体２０２の材料は金属で、軽量化のため通常アルミニウムであることが多い。電池ケース２０１を深絞り加工により袋状に加工し、開口部を蓋体２０２で閉じる構造となっている。電池ケース２０１と蓋体２０２は、接触面全周を溶接等で完全に接合され気密が保たれている。蓋体２０２には２個の穴がある。１個目の穴は、負極電極の取り出し用で絶縁ガスケット２０３を介して負極端子２０４をかしめることで閉じられる。なお、正極端子は電池ケース２０１または蓋体２０２で兼ねられる。２個目の穴は、電解液の注液用で、注液後に封止栓２０５が接合されて閉じられる。このように密閉電池が構成される。
【００３２】
また、蓋体２０２は、２個の穴以外に安全弁部２０６を有する。安全弁部２０６は、弁部２０７と開裂部２０８から構成される。弁部２０７は、円形状で蓋体２０２の板厚と同じ厚みを有している。弁部２０７は、弁部２０７の外周に形成され蓋体２０２から電池外装容器の外側に向かって弁部２０７の厚みよりも薄肉に引き伸ばしされた開裂部２０８で蓋体２０２とつながりを維持している。開裂部２０８は中央部が最薄部２０９となっており、図２において最薄部２０９より上方に行くほど次第に厚くなり弁部２０７の板厚になる。
【００３３】
同様に図２において、開裂部２０８は中央の最薄部２０９より下方に行くほど次第に厚くなり蓋体２０２の板厚になる。弁部２０７の下面は蓋体２０２の上面より上方、すなわち電池外側に位置している。なお、図２では電池の内容物の記載を省いてある。
【００３４】
図３はプレス金型を使用して開裂部２０８の形状を成形する場合の加工状態図で、図２のＹ部を抜き出して開裂部形状の変遷を（ａ）〜（ｅ）で順に示している。
【００３５】
まず、図３（ａ）において、加工前の蓋体板材の弁部２０７となる部分に下側からパンチ２１０をあて、上から弁部押さえ２１１で弁部２０７となる部分をクランプする。このときパンチ２１０の先端外周角部は滑らかな弧状となっており、蓋体板材との間には空隙２１４がある。一方、弁部押さえ２１１の先端外周角部は直角であり、蓋体板材との間に空隙は存在しない。同様に弁部２０７となる部分の外側周囲に上側からダイ２１２をあて、下から蓋体押さえ２１３で蓋体２０２をクランプする。
【００３６】
このときダイ２１２の穴角部は滑らかな弧状となっており、蓋体２０２との間には空隙２１５がある。一方、蓋体押さえ２１３の穴角部は直角であり、蓋体２０２との間に空隙は存在しない。空隙２１４と空隙２１５に接する蓋体板材の部分が変形部２１６で、後に開裂部２０８となる部分である。
【００３７】
なお、パンチ２１０とダイ２１２の嵌合時のクリアランスは０でも良いが、安全のためわずかに隙間を持たせている。
【００３８】
図３（ｂ）は、前記加工前状態から、パンチ２１０と弁部押さえ２１１が一体となって上方にＺ１だけ上昇したときの状態図を示す。基本的に蓋体２０２として残る部分と弁部２０７となる部分はそれぞれクランプされているため、この部分の材料が変形部２１６に流れ込むことは基本的にはなく、自由度を持つ変形部２１６のみが主に引っ張りで伸ばされて後の開裂部２０８となる。
【００３９】
図３（ｃ）は、さらにパンチ２１０と弁部押さえ２１１が上方にＺ２まで上昇したときの状態図を示す。
【００４０】
このとき、弁部２０７の電池内側表面が蓋体２０２の電池外側表面と同じ位置にある（Ｌ＝０）。ここまでパンチが上昇すると、変形部２１６は蓋体板厚よりも薄い最薄部２０９を有する開裂部２０８の形状となり、安全弁としての機能を持つことができるようになる。但し、この時点での最薄部２０９の肉厚ｔはまだ比較的大きいため、安全弁としての作動圧はかなり高いものとなる。
【００４１】
図３（ｄ）は、さらにパンチ２１０と弁部押さえ２１１が上方にＺ３まで上昇したときの状態図を示す。パンチ２１０の先端外周角部の弧状部分とダイ２１２の穴角部の弧状部分で作られる空間の形に添って開裂部２０８の形状が形成される。従って、プレスの下死点を制御することにより、最薄部２０９の肉厚ｔも決定される。すなわち、所定の安全弁の作動圧を得ることができる。
【００４２】
ここで、本発明では、プレスの下死点位置のばらつきがそのまま最薄部２０９の肉厚のばらつきにはならないことについて説明する。
【００４３】
プレスを用いて安全弁を加工する従来例のほとんどすべては、プレスの下死点位置のばらつきが最薄部の肉厚のばらつきに直結する。すなわち、そのまま弁の作動圧がばらつくことになる。プレスの下死点位置はプレスのフレームの熱膨張などである程度の変動は避けられない。
【００４４】
一方、本発明では、最薄部の肉厚はパンチの進行方向とほぼ直角をなす。従って、プレスの下死点位置のばらつきが、そのまま最薄部の肉厚のばらつきには直結しない。例えば、後述する図４に示すように、最薄部の軸線がパンチ進行方向と１６．２８４°の角度を成す場合を考えると、パンチの下死点のばらつきがΔｓのときの最薄部２０９の肉厚ｔのばらつきΔｔは、Δｔ＝Δｓ・ｓｉｎ１６．２８４°＝０．２８・Δｓとなる。すなわち、肉厚ｔのばらつきは、下死点位置ばらつきの１／３以下に縮小される。パンチの下死点位置のばらつきが最薄部の肉厚のばらつきに与える影響の感度が鈍いことは本発明固有の優れた特徴のひとつである。
【００４５】
さらに従来例では、材料を押しつぶしたり材料の肉を移動させたりして成形するため、加工時に大きな力がプレスのフレームに掛かり、多少なりともフレームが変形する。本発明では、材料は引き伸ばしで成形するため、加工に必要な力は小さい。よって同じ剛性のプレスを使用すれば、本発明ではプレスのフレームの変形は小さいため、プレスの下死点位置のばらつきも小さくてすむという利点も有する。
【００４６】
図３（ｅ）は、さらにパンチ２１０と弁部押さえ２１１が上方にＺ４まで上昇したときの状態図を示す。
【００４７】
パンチ２１０の先端外周角部の弧状部分とダイ２１２の穴角部の弧状部分の上下方向の重なりが０となる位置のため（Ｌ＝ｒ１ｙ＋ｒ２ｙ）、最薄部２０９の肉厚が最小となる。すなわち、最薄部２０９の肉厚は、パンチ２１０とダイ２１２の嵌合時のクリアランスと等しくなり、これ以上に最薄部が薄くなることはないため、本発明の安全弁の作動圧としてはこの状態が最小値となる。
【００４８】
なお、弁部と弁部周辺の蓋体の板厚はプレス時、クランプされるため、それぞれ元の材料の板厚より、わずかに薄くなることがある。
【００４９】
かかる構成によれば、弁部２０７の肉厚は母体である蓋体２０２の板厚と等しく剛体とみなせ、弁部２０７にかかる電池内部圧力Ｐにより、弁部２０７に上向きに生じる力は、そのまま開裂部２０８に掛かる。従って、最も小さな断面積となる最薄部２０９において、電池内圧上昇時、電池外装容器の中では最大の内部応力が発生する。開裂部２０８は電池内部の圧力が弁部２０７にかかる力の方向に薄肉に伸ばされているため、開裂部２０８に発生する内部応力は、ほぼ引っ張り応力とみなせる。従って、材料の引っ張り強さが分かれば破断する電池内部圧力を計算することができる。
【００５０】
例えば、引っ張り強度が９５Ｎ／ｍｍ2の材料で、弁部２０７の凹部内径Ｄが１８ｍｍで、電池内部圧力Ｐが１ＭＰａで作動する安全弁を作製するとする。このときの蓋体２０２の板厚は、充分な強度を持たせるため、１．５ｍｍ以上は必要である。電池内部圧力Ｐにより、弁部２０７に上方向にかかる力は、９ｍｍ×９ｍｍ×π×１ＭＰａ＝２５４Ｎである。
【００５１】
開裂部２０８の最薄部２０９の肉厚ｔを０．０４７ｍｍとすると、最薄部２０９の軸方向の断面積Ｓは、（９＋０．０４７）2・π−９2・π＝２．６６ｍｍ2。従って、内部応力σは、２５４Ｎ／２．６６ｍｍ2＝９５．４Ｎ／ｍｍ2となり、これはほぼ、材料の引っ張り強さに相当するため、開裂部２０８は最薄部２０９にて１ＭＰａで破断することが期待される。
【００５２】
このように、本発明の電池の安全弁は、簡単な計算で所望に近い作動圧の安全弁を設計できることが特徴である。通常の安全弁は薄膜の破れなど複雑な破壊モードとなるため、有限要素法を用いても正確に設計することは難しい。試行錯誤を繰り返しながら所望の破断強度を得ることになるが、本発明は、比較的簡単に所望の作動圧を有する安全弁を得ることができる。
【００５３】
厳密に言うと、実際には実施の形態１では図４に示すように、開裂部２０８は若干の角度θを持つ。例えばパンチ２１０の先端外周角部の弧状形状を単純な円弧とし、大きさをｒ１＝０．５ｍｍとする。同様にダイ２１２の穴角部の弧状形状も単純な円弧とし、大きさを同じくｒ２＝０．５ｍｍとした場合を考えて見る。パンチ２１０とダイ２１２の嵌合時のクリアランスｅを５μｍとし、開裂部２０８の最薄部２０９の肉厚ｔを０．０４７ｍｍにしようとした場合、θは１６．２８４°となる。
【００５４】
従って、この場合は引っ張り応力だけでなく、せん断力も発生する。計算すると引っ張り応力σｘは９１．９Ｎ／ｍｍ2、せん断力τｘｙは２６．９Ｎ／ｍｍ2で主応力σ１は９９．２Ｎ／ｍｍ2となる。すなわち、主応力の９３％は引っ張り応力であることがわかるので、通常はほぼ引っ張り応力で破断するとみなしてよい。
【００５５】
一方、図５は、図３に示したプレスを使用して開裂部２０８の形状を成形する場合の加工状態図であり、図３（ｅ）よりさらにパンチ２１０と弁部押さえ２１１を上方にＺ５まで上昇させたときの状態図を示す。
【００５６】
開裂部２０８は、さらに引き伸ばされ最薄部２０９は円ではなく円筒状になり、円筒部の肉厚は、パンチ２１０とダイ２１２の嵌合時のクリアランスと等しい。現実的には、ここまで引き伸ばしを行うと材料の限界を超えクラックが発生し、通常のようには成形できない。また、仮にこの形状に成形できたとしても、開裂部２０８が薄肉円筒となり、弁部２０７の引っ張り応力ではなく、薄肉円筒の内圧による破壊モードが優勢となる。
【００５７】
すなわち、内圧を受ける薄肉円筒の周方向の内部応力は、弁部２０７による軸方向の引っ張り応力よりも大きくなる。実際、内径１８ｍｍ、肉厚０．０４７ｍｍの薄肉円筒が１ＭＰａの内圧を受けた場合の周方向の内部応力σを、近似式σ＝ｒ・Ｐ／ｔ（ここでｒは平均半径、Ｐは内部圧力、ｔは肉厚である）を用いて計算すると、１９２Ｎ／ｍｍ2となり、弁部２０７による引っ張り応力の２倍になる。
【００５８】
これは、均一な肉厚の薄肉円筒の場合の数値である。実際には、パンチ２１０とダイ２１２は偏心するため、どうしても肉厚の薄い箇所が発生し、そこに応力が集中するため、より小さい内圧で破壊するうえ、偏心量がばらつくと破壊する圧力もばらつくという問題が発生する。しかし、図３（ｃ）〜図３（ｅ）に示す状態であれば、最薄部２０９以外の開裂部２０８は急激に肉厚が増すため引っ張り応力が優勢となる。弁部２０７による引っ張り応力では、パンチ２１０とダイ２１２が偏心しても、同じパンチとダイを使う限り最薄部２０９の断面積は同じのため、破壊する圧力は常に一定になる。
【００５９】
すなわち、弁の作動圧ばらつきが小さい。よって、開裂部２０８の最薄部２０９は、開裂部２０８が伸ばされる方向に長さを持たないのが良い。すなわち、図３における図３（ｅ）の状態が本発明におけるパンチ２１０の実用上の最大ストロークと考えてよい。
【００６０】
以上のように、本発明の安全弁はプレス成形で、引き伸ばしにより開裂部が形成されるため、肉の移動・圧縮がなく従来の方法に比べて加工硬化が極めて小さい。よって、最薄肉厚が大きく取れ、クラックの恐れも少ない。また、０．３ｍｍを超える板厚の蓋体でも１回のプレスで加工できるうえ、事前の切削加工や最後のつぶしも必要なく、生産性に優れる。更に、刻印のようにエッジ部がないため金型の寿命も長い。
【００６１】
なお、本実施の形態において、弁部２０７の形状は円形としたが、楕円、四角形、角丸四角形、六角形などでも良い。
【００６２】
また、開裂部２０８の破断応力の試算では、計算の単純化のためパンチ２１０の先端外周角部とダイ２１２の穴角部を円弧としたが、円弧でなくても良く、要は滑らかな弧状であれば良い。むしろ材料の流れからは蓋体に垂直方向の弧状部分の長さｒ１ｙ、ｒ２ｙより、蓋体に水平方向の弧状部分の長さｒ１ｘ、ｒ２ｘを大きめに取る方が好ましい（図３（ａ）参照）。
【００６３】
更に、弁部押さえ２１１の先端外周角部と蓋体押さえ２１３の穴角部は直角としたが、パンチ２１０とダイ２１２と同様の弧状でも、面取りがなされていても良い。要はパンチ２１０とダイ２１２の弧状の大きさより小さく、パンチ２１０とダイ２１２の直線部分との間で弁部２０７と蓋体２０２を確実にクランプできればよい。
【００６４】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２の電池の安全装置の分解斜視図である。図６において、図１および図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００６５】
図６において、電池ケース３０１は複数の電池収納室３０２を持つ。蓋体３０３は電池ケース３０１の開口部に当接され接合されて、各電池収納室３０２を密閉する。蓋体３０３には複数の安全弁部２０６が、各々の電池収納室３０２に対応して設けられている。安全弁部２０６の個々の構造は実施の形態１と同じである。
【００６６】
更に、ガス排出口３０４を有するカバー３０５が蓋体３０３にかぶせられて固定される。ガス排出口３０４は安全弁作動時に発生する高温高圧のガスを少しでも低温低圧にして外部へ排出するため、ガスが直接流れてしまう安全弁部２０６の方向にはなく、安全弁部２０６と直角方向にある。なお、図６では電池の内容物の記載を省いてある。
【００６７】
かかる構成によれば、安全弁部２０６が単純な１回のプレスで成形可能なため、蓋体３０３は順送プレス金型で簡単に製作可能となり、また、個々の単電池ごとに封口する必要がなくなるため生産性が大幅に向上するという効果を有する。
【００６８】
なお、カバー３０５は安全弁部２０６が作動した場合に噴出する高温高圧ガスをガス排出口３０４を通じて外部のダクトへ導くためのものであるが、安全弁部２０６を保護する役目も持つ。すなわち、本発明の安全弁部２０６の弁部２０７は、蓋体３０３外面より飛び出る構造のため、電池の取扱時、誤って外的に弁部２０７に力が加わり、強度が弱い開裂部２０８が破損する恐れがある。カバー３０５はそのような事態になるのを防ぐという効果も有する。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の電源装置は、大型の密閉電池を必要とするフォークリフトやハイブリッドカー、電気自動車などの車両用電源装置、電子機器のバックアップ電源および家庭用の蓄電池装置の電池の安全装置として好適に用いることができる。さらには電池用途に限らず、コンデンサーなどあらゆる金属密閉容器の防爆弁として、広く用いることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０４，２０１，３０１ 電池ケース
１４２，２０２，３０３ 蓋体
２０３ 絶縁ガスケット
２０４ 負極端子
２０５ 封止栓
１４１，２０６ 安全弁部
１４３，２０７ 弁部
１４７，２０８ 開裂部
２０９ 最薄部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池ケースと、
前記電池ケースの内部を気密に遮蔽する金属材からなる蓋体と、
前記蓋体の一部に形成され、前記電池ケースの内部の圧力が所定値以上になると破壊される安全弁部とを備え、
前記安全弁部は、前記蓋体と連続的に形成されてなり、前記蓋体の外側表面よりも外側に突出する弁部と、前記弁部の外周に形成されかつ前記弁部と前記蓋体とを繋ぐ開裂部とを有し、前記開裂部の厚みは、前記弁部の厚みよりも薄いこと、
を特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記開裂部は更に最薄部を有し、前記最薄部から前記蓋体に向かって肉厚を次第に増加し、かつ、前記最薄部から前記弁部に向かって肉厚を次第に増加する形状である、請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記電池ケースは、複数の電池収納室を有する組電池であって、
複数の安全弁部を有する１枚の蓋体が、前記複数の電池収納室それぞれに対して気密に遮蔽する、請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記安全弁部の近傍の電池外部空間を遮蔽し、弁の方向には開口部がなく、弁と直角方向に開口部を持つカバーを有する、請求項３記載の電源装置。
【請求項５】
電池ケースの内部を気密に遮蔽する金属板材からなる蓋体と、
この蓋体の一部に形成され、前記電池ケース内の圧力が所定値以上に上昇すると破壊して、前記電池ケース内の気体を外部に放出する安全弁部とを備え、
前記安全弁部は、前記蓋体の板厚と同じ厚みを有し、前記蓋体よりも電池外側に位置する弁部と、
この弁部と前記蓋体との間で、前記弁部の外周に形成され、前記蓋体から電池の外側に向かって前記弁部へと繋ぐ肉部が前記蓋体厚みよりも薄い開裂部を有する電池の安全装置において、
前記開裂部は金型で成形し、前記弁部を押すパンチの先端外周角部および前記蓋体を受けるダイの穴角部をそれぞれに滑らかな弧状とし、パンチの下死点にてパンチの先端外周角部の弧とダイの穴角部の弧でつくられる隙間で最薄部を成形するとともに、前記最薄部から滑らかに前記蓋体と前記弁部に繋がる前記開裂部を成形し、
前記パンチの下死点はパンチの先端面がダイの表面よりも深い位置としたこと、
を特徴とする電源装置。
【請求項１】
電池ケースと、
前記電池ケースの内部を気密に遮蔽する金属材からなる蓋体と、
前記蓋体の一部に形成され、前記電池ケースの内部の圧力が所定値以上になると破壊される安全弁部とを備え、
前記安全弁部は、前記蓋体と連続的に形成されてなり、前記蓋体の外側表面よりも外側に突出する弁部と、前記弁部の外周に形成されかつ前記弁部と前記蓋体とを繋ぐ開裂部とを有し、前記開裂部の厚みは、前記弁部の厚みよりも薄いこと、
を特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記開裂部は更に最薄部を有し、前記最薄部から前記蓋体に向かって肉厚を次第に増加し、かつ、前記最薄部から前記弁部に向かって肉厚を次第に増加する形状である、請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記電池ケースは、複数の電池収納室を有する組電池であって、
複数の安全弁部を有する１枚の蓋体が、前記複数の電池収納室それぞれに対して気密に遮蔽する、請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記安全弁部の近傍の電池外部空間を遮蔽し、弁の方向には開口部がなく、弁と直角方向に開口部を持つカバーを有する、請求項３記載の電源装置。
【請求項５】
電池ケースの内部を気密に遮蔽する金属板材からなる蓋体と、
この蓋体の一部に形成され、前記電池ケース内の圧力が所定値以上に上昇すると破壊して、前記電池ケース内の気体を外部に放出する安全弁部とを備え、
前記安全弁部は、前記蓋体の板厚と同じ厚みを有し、前記蓋体よりも電池外側に位置する弁部と、
この弁部と前記蓋体との間で、前記弁部の外周に形成され、前記蓋体から電池の外側に向かって前記弁部へと繋ぐ肉部が前記蓋体厚みよりも薄い開裂部を有する電池の安全装置において、
前記開裂部は金型で成形し、前記弁部を押すパンチの先端外周角部および前記蓋体を受けるダイの穴角部をそれぞれに滑らかな弧状とし、パンチの下死点にてパンチの先端外周角部の弧とダイの穴角部の弧でつくられる隙間で最薄部を成形するとともに、前記最薄部から滑らかに前記蓋体と前記弁部に繋がる前記開裂部を成形し、
前記パンチの下死点はパンチの先端面がダイの表面よりも深い位置としたこと、
を特徴とする電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２４３４３３（Ｐ２０１２−２４３４３３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０９９９４（Ｐ２０１１−１０９９９４）
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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