用于碱性电池的端部帽盖组件 本发明涉及用于密封小直径电化学电池，特别是涉及AAAA(LR61)尺寸的碱性电池的端部帽盖组件。本发明涉及在该端部帽盖组件内的可破裂的装置，该装置使得气体可以由该电池的内部逸散。
传统的碱性电化学电池由有一个打开的端部的圆柱形壳体形成。初始用一个被扩大的开口端形成该壳体。在装入电池的内容物之后，通过在端部帽盖组件的边缘夹紧壳体的边缘，并在径向上围绕着该组件加压，把电池封闭起来，提供严密的密封。该端部帽盖组件包括一块暴露的终端帽盖板，并典型地包括一个塑料绝缘件，该件在壳体的开口端形成一个插头，并使终端帽盖板与电池的壳体绝缘。与碱性电池的设计有关的一个问题是当它继续放电超过一定的程度(通常是大约在该电池的有用能量完全耗尽)时电池会产生气体。碱性电池传统上设有一个可破裂的件，比如在端部帽盖组件内的一个隔膜或薄膜，例如，如在美国专利3617386中所公布的那样。把这样的隔膜或薄膜设计成当电池内的气体超过一个预定地值时破裂。端部帽盖组件可以设有通气孔，用来使气体当隔膜或薄膜破裂时散出。在美国专利3617386中公布的端部帽盖组件在可破裂的件上方有相当大的自由空间，这减小了在电池内用于活性材料的可用空间。
为了提供严密的密封，碱性电池有端部帽盖组件，它包括插进塑料绝缘件内的一个腔体中的一个金属支承盘。该金属支承盘可以有一个回旋状的表面，如在美国专利5532081或5080985中所示出的那样，这确保了端部帽盖组件可以在围绕该端部帽盖组件夹紧电池的壳体的过程中承受高的径向压缩作用力。这样的支承盘使得在夹紧的过程中可以施加高的径向作用力。这样，在任何时候围绕着端部帽盖组件形成严密的机械密封。为了在夹紧过程中提供附加的支承，也可以把终端帽盖的周边设置在塑料绝缘件内的一个腔室中，如在美国专利5080985中示出的那样。然而，这样的设计可能在电池内占用附加的空间，并且可能明显地增加制作的复杂性，特别是当用于非常小的电池时会这样。
美国专利47670362公布了一种塑料绝缘盘，把它搭扣装配进用于碱性电池的圆柱形壳体的开口端。所公布的绝缘盘不包括尼龙。在这篇参考文献中公布的绝缘盘不是用于非常小尺寸的电池，例如AAAA碱性电池。所公布的搭扣装配的绝缘盘为了插进圆柱形壳体的开口端需要附加的作用力。为了插入绝缘盘所需要的任何附加的作用力在密封非常小直径的电池例如AAAA尺寸的碱性电池时变成一个缺点，这是因为在处理这样小的电池时很困难。
可以破裂的通气薄膜可以作为包括在端部帽盖组件内的塑料绝缘件的一部分整体地形成。这样的通气薄膜典型地可以为圆形，如在美国专利4537841中所示出的那样。如在那篇参考文献中所示出的那样，可破裂的薄膜可以作为塑料绝缘件的一个薄的部分整体地形成。该可破裂的薄膜也可以为带凹槽的构形，或者为圆周的构形，如在美国专利5080985中公布的那样。
如果不使用嵌在壳体内的金属支承盘或端部帽盖板，在密封AAAA尺寸的电池时在壳体的开口端获得对电池壳体所需要的径向压力比密封较大的电池时更困难。这部分地是由于在非常小直径的碱性电池例如AAAA尺寸电池中，当初始形成壳体时，把壳体的开口端向外做出阶梯例如扩展开口端变得更困难。
与用于AAAA碱性电池的端部帽盖组件的设计有关的另一个问题是：用来密封电池的任何塑料绝缘盘必须有与小的电池直径相对应的非常小的直径。因为这些盘非常小，与用于较大尺寸电池的塑料绝缘盘相比，它们可能非常容易破裂。
本发明的目标是一种端部帽盖组件，它最好是用于小直径的圆柱形碱性电池。把该端部帽盖组件插进电池的壳体的开口端。本发明的目标是一种端部帽盖组件，它最好是用于直径比AAA尺寸电池的直径小(比大约10毫米小，希望直径在大约7与9毫米之间)的圆柱形碱性电池。在本发明的一个优选实施例中，本发明的目标是用于AAAA(四个A)电池(IEC命名为“LR61”电池)的一种端部帽盖组件。这样的电池的直径在大约7.7与8.3毫米之间，而长度在大约41.5与42.5毫米之间。
已经确定，对于非常小的圆柱形碱性电池即圆柱形电池壳体的直径比AAA电池壳体的直径小的电池，特别是用于AAAA(LR61)电池壳体的直径，在该电池壳体内不包括一个金属支承盘或任何的终端帽盖板，可以获得足够严密的密封。特别是，已经确定：在电池壳体内的任何位置不需要采用一个金属支承盘(不管它是平的还是回旋状的)。相反，通过仅只采用一个密封件即单一的塑料绝缘盘(它带有穿过它的电流收集器)，对于这样小的圆柱形碱性电池例如AAAA(LR61)电池可以在该电池壳体的开口端提供足够严密的密封。单一塑料密封件在电池夹紧的过程中提供了足够的支承，并产生严密的密封。当然，这不是说，这样的单一塑料绝缘盘不能用于较大的电池尺寸。
本发明的端部帽盖组件包括一个塑料绝缘密封盘，一个终端帽盖，以及一个细长的电流收集器。该绝缘密封盘最好由尼龙66或尼龙612制成，最好由尼龙612制成。该端部帽盖组件也可以包括一个绝缘垫片，该垫片在端部帽盖下面。该绝缘密封盘有一个厚的中心部分，形成一个带有穿过它的中心孔的突出部，有一个整体地形成的中间段区域在径向上由该突出部伸展，还有一个整体地形成的周围边缘。绝缘密封盘的中间段区域有至少一个变薄的部分，此部分形成一个可破裂的薄膜。此可破裂的薄膜最好为圆形小岛的构形，但是，它可以为其它构形，例如卵形，长方形，平行四边形，或多边形，或者为直的凹槽或弧形的凹槽。当电池内的气体压力达到一个预定的值时，该薄膜破裂。
通过把绝缘盘插进小型电池最好为AAAA尺寸的碱性电池的圆柱形壳体的开口端中形成端部帽盖组件。绝缘盘的周围边缘的外表面的一部分放在壳体的开口端处壳体的表面中的一个沿圆周的凹槽上。通过在该绝缘盘的周围边缘上夹紧壳体的周围边缘，把该绝缘盘固定在其位置。(壳体在竖直方向上时，端部帽盖组件在顶部)。可以在绝缘盘上设置一个绝缘垫片，使该垫片的周围边缘放在电池的开口端处壳体的周围边缘的顶部上。把细长的电流收集器的头部连接到终端帽盖板上，并把电流收集器插进突出部内的中心孔中。这样，当把绝缘垫片和终端帽盖叠放在壳体的周围边缘的顶部上时，使它们位于电池壳体的外面，使得端部帽盖或绝缘垫片没有任何部分位于电池壳体内部。该绝缘垫片使终端帽盖与电池壳体在电路上绝缘。
下文参考附图更充分地描述本发明，在图中有：
图1为密封在一个AAAA(LR61)碱性电池的开口端内的本发明的端部帽盖组件的一个具体实施例的剖面图。
图2为在图1中所示的端部帽盖组件的以透视图示出的切开的图。
图2A为绝缘盘的顶视平面图，示出了其中的一个可破裂的薄膜。
图3为包括图1和2中所示的端部帽盖组件的部件的部件分解图。
本发明的端部帽盖组件10(图1-3)适宜用于圆柱形的碱性电池，最好它们的壳体直径比AAA尺寸电池壳体的直径小，即，比大约10毫米小，希望壳体的外径在大约7与9毫米之间。本发明的端部帽盖组件10特别适宜用于圆柱形的AAAA尺寸的碱性电池。这些电池的壳体外径典型地在7.7与8.3毫米之间。当然，这不是说这样的端部帽盖组件不能在较大的电池尺寸中使用，这取决于塑料的强度和/或预期的内部压力。
在图1-3中示出了优选用于AAAA(四个A)碱性电池100的本发明的端部帽盖组件10的一个具体的实施例。(AAAA电池被美国国家标准研究所(ANSI)对照为“25A”电池，而在欧洲，被国际电工技术委员会(IEC)命名为“LR61”电池)。AAAA(LR61)碱性电池100(图1)为圆柱形电池，它包括长度在大约41.5与42.5毫米之间而外径在大约7.7与8.3毫米之间的一个圆柱形壳体70。该壳体70的壁厚可以在0.1毫米与0.25毫米之间。AAAA(LR61)碱性电池100(图1)可以采用碱性电池的阳极、阴极、和电解化学物，以及在较大的电池中例如AA或C和D电池中传统上使用的分离材料。这样，电池100可以由包括锌的一个阳极20，包括压紧的氧化锰的一个阴极30，以及在包括氢氧化钾的阳极内的电解液。可以采用添加剂，如传统上那样，以便改变电池的化学组份。碱性电池可以采用一种渗透离子的分离材料40，它典型地为人造丝或纤维素。本发明的端部帽盖组件10不限于任何具体的碱性电池化学组份和/或碱性电池尺寸。端部帽盖组件10在一个优选实施例中是用于采用传统的碱性电池化学组份和它们的改型的AAAA(LR61)尺寸的碱性电池。例如在美国专利5401590中公布了这样的代表性的化学组份，该专利在这里被结合作为参考。
在图1,2和3中所示出的端部帽盖组件包括一个绝缘密封盘150，一个端部帽盖200，以及一个细长的电流收集器80。端部帽盖200形成AAAA碱性电池100的负极终端(图2)。端部帽盖组件10也可以包括一个绝缘垫片130，该垫片在端部帽盖200的下面。(这里的描述是参考着图的，当使电池的取向为竖直位置而端部帽盖组件10在顶部时，这些图示出了该端部帽盖组件10)。终端帽盖200最好为“帽子的形状”，它有一个平的中心部分205，一个向下带阶梯的平的环形边缘230由此中间部分伸展，如在图1中所示的那样。
绝缘盘150有一个厚的中间段，它形成一个突出部151，此部分有一个穿过它的中心孔90。设置此中心孔90是为了在其中插进金属的电流收集器80。希望把电流收集器80的头部85焊接到端部帽盖200的平的中心部分205的底表面上。绝缘垫片130在端部帽盖200与电池壳体70的周围边缘72之间提供了电绝缘。在碱性电池100中，壳体70的任何部分可以形成正极终端。最好，该正极终端是位于壳体70的封闭端74上的凸头(表面突起)76。绝缘盘150有位于突出部151与周围边缘155之间的一个中间段区域154。一个沿圆周的腿157由周围边缘155向下伸展，并在沿圆周的凹槽75下面和围绕着绝缘盘150的底部形成一个沿圆周的裙部157a。腿157朝向电池的内部伸展到在突出部151的底表面159的平面下面的一个高度。腿157不与电池壳体70接触，并且，围绕沿圆周的凹槽75最好不会形成一种搭扣配合，从而使得在电池装配的过程中盘150的周围边缘155容易插到沿圆周的凹槽75上。这就是说，只需要很小的作用力就可以把盘150的周围边缘155插到沿圆周的凹槽75上，这就是为什么围绕凹槽75最好不是搭扣配合。(如果沿圆周的裙部157a在沿圆周的凹槽75下面的最大外径比电池在所述沿圆周的凹槽75的平面中的内径大，会出现搭扣配合。相反，如果沿圆周的裙部157a在所述沿圆周的凹槽75下面的最大外径比电池在所述凹槽75的平面中的内径小，就不会出现在壳体内的搭扣配合，如在图1和2中所示出的实施例中那样)。腿157对绝缘盘150提供了附加的结构支承，并使得在围绕所述密封盘150夹紧电池壳体的顶部71的过程中，可以对绝缘盘150施加较大的径向作用力。中间段154有至少一个整体的变薄部分152，此部分形成一个可破裂的薄膜，其取向最好垂直于电池的纵向轴线190。希望可破裂的薄膜152可以为圆形小岛的构形，如在图2A中所示出的那样。可破裂的薄膜152可以为其它形状，例如，卵形、长方形、平行四边形、或者多边形。另外，可破裂的薄膜152可以为直的凹槽或弯曲的凹槽，它们在绝缘盘150的一部分内形成一个薄的可破裂的区域。可破裂的薄膜152最好在模塑绝缘盘150的过程中形成，最好通过注塑形成。
由个别的部件(图3)组装出端部帽盖组件10(图1和2)，是通过首先把塑料的绝缘盘150插进圆柱形壳体70的开口端79中。壳体70在靠近开口端79的表面有一个沿圆周的凹槽75，形成一沿圆周的垫圈。绝缘盘150具有一凹槽156，位于其周围边缘155外表面(图1和3)上。把绝缘盘150插入，使得凹槽156放在沿圆周的垫圈75上，该垫圈对于绝缘盘150形成一个基座。初始时形成壳体70，从而它在其开口端79有一个扩大的部分71。这就是说，壳体70在开口端79的直径初始时比壳体的其余部分的直径大。围绕着绝缘盘150的周围边缘155在径向上对壳体70的扩大的部分71加压，直到壳体的扩大部分71的内表面非常严密地压在周围边缘155的外表面158上为止。随后，在绝缘盘150的周围边缘155上把电池壳体70的周围边缘72夹紧。随后，围绕着突出部151的顶部放置一个绝缘垫片130，从而使垫片130的周围边缘132放在壳体70的周围边缘72的顶部上(图1)。随后，把端部帽盖200的中心部分205的内表面焊接到电流收集器80的头部85上。随后，把电流收集器80向下插，穿过突出部151内的孔90。初始时突出部151可以在孔90的基座上设有一个薄的壁，使得孔90在开始时不完全穿过突出部151。在这样的情况下，当迫使电流收集器穿过孔90时，此薄壁破裂，从而在电流收集器80与形成壁的孔90之间实现一种摩擦配合。初始时孔90也可以有比电流收集器80的直径稍微小一点的直径。这样将增强电流收集器80与形成壁的孔90之间的摩擦配合。推动电流收集器80穿过孔90，直到电流收集器的头部85靠在突出部151的顶表面153上为止，使绝缘垫片130位于端部帽盖200的周围边缘230与壳体70的周围边缘72之间(图1)。在此实施例中，把端部帽盖200与下面的绝缘垫片130一起叠放在电池壳体70的周围边缘72的顶部上。当电池内的气体压力达到一个预定的数值时，薄膜152破裂，使得气体通过在垫片130和端部帽盖200中的通气孔逸散到周围环境中。
绝缘盘150和整体的可破裂的薄膜152可以由一种耐用的耐腐蚀的塑料制成。希望绝缘盘150和整体的可破裂的薄膜152由一种聚酰胺(尼龙)组成，最好由尼龙66或尼龙612组成，更可取的是由尼龙612组成。另外，绝缘盘150和薄膜152可以由聚丙烯，充有滑石粉的聚丙烯，磺化的聚乙烯或者其它的聚酰胺(尼龙)制成。然而，已经确定：尼龙66或尼龙612对于AAAA碱性电池100中的绝缘盘150和薄膜152是更希望的材料。这些材料更希望的是由于它们耐用但是仍然比填充的高聚物比如填充了滑石粉的聚丙烯要柔软。尼龙66和尼龙612也比不填充的或填充的聚丙烯在电池的正常使用中可能暴露的所有温度下有较少的蠕变。由较软的材料即尼龙66或尼龙612制成的绝缘盘150，使得可以以比如果使用填充的高聚物材料、比如充有滑石粉的聚丙烯所可能需要的通常要小的作用力，在盘150的周围边缘155上把壳体70的周围边缘72夹紧。已经确定：这样将比较容易地并且更可靠地实现对非常小直径的AAAA电池100的密封。尼龙612对于绝缘盘150是更可取的材料，这是因为它能更好地吸收湿气，并且更耐化学作用，和更能经受破损。绝缘盘150的直径与电池壳体70的内径相对应。对于比AAA尺寸更小的电池，绝缘盘150的直径比10毫米小，典型地在大约7与9毫米之间。具体地说，对于AAAA尺寸的电池，绝缘盘150的直径为大约7.6与8.2毫米之间，而它的总厚度为大约3与5毫米之间，最好大约为4毫米。
绝缘垫片130可以由塑料或厚纸或硬纸板制成。最好，绝缘垫片130是涂布了塑料的纸，例如涂布了聚乙烯的纸，它的总厚度在大约0.2与0.5毫米之间。壳体70最好是镀镍的钢。每个帽盖200由一种机械强度好并耐腐蚀的导电金属制成，比如镀镍的冷轧钢板或不锈钢板，最好为镀镍的低碳钢。电流收集器80可以由多种已知的导电的金属中挑选，发现这些金属可以用作电流收集器的材料，例如黄铜、镀锡的黄铜、青铜、铜或镀铟的黄铜。为了增强在绝缘盘150与壳体70之间的密封，可以使用一种传统的耐水的密封胶，比如一种以沥青为基础的密封剂，例如它包括沥青和一种适当的芳香溶剂例如甲苯。可以在把绝缘盘150插进壳体70的开口端之前，把此种密封胶施加到绝缘盘150的周围边缘155的外壁上，或者施加到壳体70的内表面上。也可以在把电流收集器80插进孔90之前，把相同的密封剂施加到形成壁的孔90上，或者施加到电流收集器80的外表面上。
在上面描述的实施例中，已经确定：如果绝缘盘150由尼龙66或尼龙612制成，圆形的可破裂的薄膜152的直径希望在大约1与2毫米之间，而它的厚度可以在大约0.03与0.2毫米之间。这样的范围使薄膜152可以在电池的内部气压达到大约500与2000psig(3.45×10+6与13.8×10+6帕)之间的一个数值时破裂。(出现破裂的压力随着薄膜的厚度增加而增加，并随着薄膜直径的增加而减小)。在一个优选实施例中，薄膜152为圆形的构形(图2A)，它的厚度大约为0.08毫米，而直径大约为1.5毫米。在这样的设计中，薄膜152将在AAAA电池的内部压力达到大约1100psig(7.6×10+6帕)时破裂。相信在绝缘盘150内单一的可破裂薄膜152对于在所要求的内部压力数值时实现破裂是足够的。然而，应该认识到，绝缘盘150可以设置多个分离开的可破裂的薄膜，使得更安全，确保在所要求的电池压力出现破裂。
虽然已经关于具体的实例描述了本发明，但是，应该认识到，在本发明的概念内，改型是可能的。因此，不打算把本发明限制为这里所描述的具体的实施例，而将由权利要求书以及它的等同物限定本发明。