本发明是关于蓄电池组，特别是关于有效减缓蓄电池顶部空间中累积的可燃气体爆炸的多孔可压缩材料制备和安装的一种新方法和装置。 如技术上众所周知的原因，大部分类型的蓄电池组在工作中产生可燃气体，这些气体或是从蓄电池容器内排入大气，或是通过活性材料在蓄电池内进行副反应而被化合。然而，既使在电池结构上做得有助于可燃气体在电池内部进行化合，仍然会出现由于疏忽或误过充电的情况，这样蓄电池内的化合反应过程受到破坏，并将产生大量的可燃气体。
蓄电池顶部空间内的可燃气体会意外地被点燃并引起电池的爆炸这也是公知的。多年来，一直在寻找有效和可靠的防止或减少蓄电池的爆炸以及危险的后果。
蓄电池顶部空间内的可燃气体的燃烧是由于电池内部或外部地引爆源所致。在电池内产生的可燃气体，如果不能有效地进行化合，最终将产生很高的内部压力，因此，必须将可燃气体排入大气中。排气通常是使用简单的敞开式排气缝、火焰消除器或单道安全阀（有时称作为“冒气”阀）来完成的。
但是，如果外部引爆源或出现在容器内部的引爆源破坏了保护装置中的一个，那么电池顶部空间的可燃气体就可爆炸。聚集的气体（通常是氢气和氧气的混合物）和相当大的顶部空间体积会导致这样的爆炸，即炸坏容器、端盖或其它部件。另外，爆炸还常常会使容器内的酸液或其它危险的电解液从容器中飞溅出来。
因此，长期以来一直在寻找抑制或减小电池内爆炸作用的材料和方法是不足为奇的。当然，消除顶部空间或用一种固体材料填满顶部空间来消除可燃气体的存在，从而消除了爆炸的可能。然而，这是不能被接受的。中空的顶部空间对于所有二次蓄电池来说都是必需的。首先，顶部空间要容纳某些电池部件，如极板的同极连接片，电池室间的连接件或端子。另外，在应用自由液体电解液的蓄电池中（有时称为“溢流”系统），必要的中空顶部空间可用来调整电池工作期间电解液面的变化或在极端使用条件下（如极度过充电时）为酸液的流动提供必要的空间。
多年来，众所周知，为防止顶部空间中气体的爆炸和熄灭任何可能形成的火焰，可利用多孔材料部分地或全部地填充到电池的顶部空间里，并仍允许气体和电解液通过材料的流动。例如，美国专利2341382公开过利用疏松装填材料部分地填充在顶部空间里，所用材料如粉碎的石头或玻璃，硅藻土，或玻璃纤维。在该专利中暗示了疏松装填材料不能完全防止气体的爆炸，但借助于把顶部空间室分成许多小的相互连接的小室，可防止气体高速整体的燃烧，而代之以一系列微弱的和无关紧要的小爆炸直到火焰被熄灭。可以相信，在该专利中如前所述的基本理论（有时称为“链式终止”理论）对于大量的各种多孔填充材料来说基本上是正确并有效的。但是，由于该理论还未得到完善，并在随后的几年中许多改进的多孔材料的发展，特别是塑料，使得这一技术没有大规模的或总体的实施。因此，在电池工业的今天，急需有效减小危险爆炸的材料和使用方法，而不使其有损于电池安全有效的工作。
确信有许多因素妨碍或阻碍了抑制或减小爆炸技术在电池中的实际有效应用。概括地说，这些因素包括在电池性能上的其它危险和有害作用。当电池的顶部空间用多孔材料填充时，在顶部空间实际保留的中空体积将会减少，并与填充材料的孔隙率或有效中空体积成反比。换句话说，填充材料中固体存在越多，则用该材料填充的整个顶部空间体积减少的就越大。如前所述，尤其在溢流电池中，有效中空顶部空间的减小将减小电解液流动或电解液液面变化所占空间。我们知道在许多类型的蓄电池中，高速率充电或极度过充电都将导致频繁排气。如果电解液中形成的气泡不能迅速直接找到通往电池排气孔的通道，则电解液可向上波动并通过电池排气口溢出。这种情况被称为电解液的“抽吸”，流出蓄电池的腐蚀性电解液，其破坏和有害作用是明显的。
另外，如果相当大量的电解液通过顶部空间中多孔材料的抽吸作用而从电池室中抽走，或多孔材料通过抽吸而保留电解液时，保留在电池室中的电解液就不能有效地进行电池的电化学反应和工作。在电池中用作为减爆材料的任何材料还必须具有某些必不可少的物理特性。该材料必须具有足够的弹性来保持它们的形状，并可迅速填入电池顶部空间有时不太规则的形状中。
许多多孔塑料材料已用于燃料箱或类似容器的装置中用以减小爆炸的危险。在现有技术中已揭示了各种纤维状或多孔状塑料。美国专利3561639揭示了利用开孔聚氨脂泡沫塑料的单一块来填入燃料箱的内部空间中。
为了消除燃料箱中的火焰并减小爆炸的危险，可以应用许多类型的膨胀纤维塑料材料。可用于该用途的纤维塑料材料包括：聚烯烃、尼龙、涤纶、聚酯、丙烯酸类和聚氨脂，以及其他材料。借助于众所周知的任何方法，象绞合，打卷、卷曲，针穿孔以及如前所述的任何方法，使材料具有膨胀或具有膨松结构，从而提供高孔隙率和中空体积。这些材料的各种例子在美国专利3650.431、4141460和4154357中均有描述。
在宾德等入（Binder et al）共同拥有的名为“蓄电池减爆材料和方法”的相关申请中，描述了一种改进的多孔塑料材料，该材料具有独特的双峰孔隙分布，它包括较大比例的小孔隙和较小比例的大孔隙，小孔隙可有效地减爆，大孔隙可用来在电池工作期间调整电池内气体和/或电解液的流动并通过顶部空间。通过使用单一型多孔材料，适当地加以制备和安装，或利用两种不同孔隙的多孔材料混合物都可提供独特的双峰作用，并且还可应用纤维状或开孔的材料。
减爆材料最好是安装在电池室的中空顶部空间内，使之保持一定的压缩状态，例如，大约20%的压缩量。在材料上保持一定压力可提供两个不同的益处。如果材料在顶部空间内保持压缩状态，在它达到自由的完全膨胀状态之前它的固有弹性将使它填满整个顶部空间的中空体积，这将保证在顶部空间内不会有较大的中空体积而出现较大的爆炸。另外，已经公知，保持压缩状的某些材料（其作用有较微弱的压力）在减爆方面要比处于自由非压缩态的相同材料要好。
已被认为可有效减爆的材料可以通过适当的制备和安装得到加强，从而确保了材料在安装之后得到最佳的性能。由于蓄电池的制造具有相当高的自动化，这就需要为减爆材料提供自动的安装。但是，方便的自动安装不能损害安装后减爆材料的性能，而实际上，如果实际用于材料制备和安装的方法和装置加强了材料的最终的性能的话，这是最希望的。
本发明关于一种对于蓄电池室或蓄电池组的顶部空间中的减爆材料制备和安装以及相关的装置或设备。本发明的各个实施例给出了自动安装和组装，以及使用的方法和装置，从而导致当材料安置在顶部空间时优化材料的减爆性能。
按照本发明的方法，首先压缩多孔可压缩的减爆材料，以可释放的结合物保持压缩状态，在如此压缩状态下插入到顶部空间中，然后释放结合物，使材料在顶部空间内膨胀。
减爆材料可被单向地压缩，如通过平压，或双向地压缩，如通过辗压。另一方面，通过压缩减小减爆材料的体积并保持在压缩状态下，有助于减爆材料装入电池内常常较小的和有时被阻塞的顶部空间中。
用来保持材料处于压缩状态的结合物可以包括化学粘合剂或物理包容物。另一方面，结合物最好通过在蓄电池中使用的液体电解液的溶解而释放。术语“溶解”“可溶”和所用的其它变化，是试图概括结合物的离子溶解，以及导致结合物释放的化学反应。现已发现硅酸钠是特别有效的化学结合剂。它可溶解于铅酸电池中使用的硫酸电解质水溶液中，以及一些碱性电解液中，并在溶解时对于蓄电池或减爆材料的工作无害。材料还可由辗压或緾绕而压缩在一限定的外层中，如网状物，网状物或以此来包容的物件，可由溶于电解液的材料制成，从而使减爆材料有效释放并再次膨胀。
结合物放开后减爆材料在原处再次膨胀，这也将有助于使顶部空间的中空体积完全由材料占据，并可提供防爆。压缩程度的变化和/或最初装在顶部空间的压缩材料量的变化将有助于使再次膨胀的材料以一定的压缩力保持在顶部空间之中，换句话说，材料不会完全的重新膨胀，这也可以加强材料减爆的效果。
图1为拿掉端盖部分的多室蓄电池的俯视图，示出了按照本发明的最佳实施例制备的减爆材料安装在蓄电池室顶部空间的情况。
图2为沿图1中2-2线垂剖通过电池室端部的垂直截面图，而且还示出了在顶部空间内释放和膨胀后的减爆材料。
图3为类似于图1的蓄电池俯视图，示出了以不同的方法制备和安装并在顶部空间内的类似的减爆材料。
图4为通过电池端部，沿图3中4-4线切下的垂直剖视图，而且还示出了结合物在释放和重新膨胀以前的减爆材料。
图5示出了按照最佳实施例的方法和装置压缩和包含的减爆材料的单一圆柱体。
图6为沿图5中6-6线所截的垂直截面图。
图7为从图4中所示最初安装的块上切下的重新结合的材料垫的俯视图。
图8为沿图7中线8-8切下的放大截面图。
图9为类似于图1和3的俯视图，它示出了按照另一种实施例制备的减爆材料的安装。
参照附图1和2，蓄电池10包括容器12和端盖14。容器和端盖由聚丙烯注塑制成并具有大约0.1英寸的平均厚度。容器12由整体注塑并由室间隔板16分割成一系列的室体13。每一个小室包含-电极组件18，它是由绝缘隔板19分开的正负极板15和17叠层组件构成。这都是以众所周知的方法构成的。每个小室内的电极组件18还包括接线片21和同极连接片23，相邻电极的接线片21通过小室隔板16以适当导电室间连接件25串联连接，所有各部分都是由现有技术中众所周知的普通结构组成。蓄电池10的端部电池室还包括同向上延伸通过端盖14的外部接线柱20的连接。
端盖14包括一系列向下延伸的排气塞孔27确定的排气/充气孔22，每个电池室13对应一个孔。排气/充气孔22由可固定或移动的孔盖部件24来封闭。孔盖部件24通常包括置入排气塞孔27并完全密封孔22的向下垂置的孔塞29，然而可提供一小的通道，使电池室内产生的气体通过排气孔而排向大气。孔盖部件24通常还包括与每个排气孔22相邻的微孔火焰消除器，这可以防止外部火焰或引爆源漫延到蓄电池的电池室中。前述的结构是具有代表性的，为了理解发明，没有必要将各个部件都示出。
在前述结构通常的铅酸蓄电池组件中，组成的电池组件18放在蓄电池的电池室13内，相邻电极组件18之间的电池室间连接25通过隔板16来制成（同时，依据这种方式，还可制成外部接线柱的连接），端盖14用于封闭容器12。每个电池室充满硫酸电解液达到略高于电极组件18顶部的液面高度，并且蓄电池是由电化学反应而形成，在正负极板15和17上，使正负极板上的氧化铅和硫酸铅材料分别变为二氧化铅和铅。
除了由连接片23，接线片21，最端接线柱20和排气塞孔27所占空间以外，在每个小室的电极组件18顶部以上和端盖14以下的空间通常是中空的，这个中空顶部空间（在图1至图4中通常是用字母H标出）是由下述各个实施例中的减爆材料所占据，该顶部空间在通常6室12伏蓄电池中每室可具有20～25立方寸（325～410立方厘米）的空间体积。
由于电池室内电化学反应而产生的氢气和氧气，向上通过电解液，极板15和17之间以及电极组件18的隔板19，而聚集在顶部空间H中，直到具有足够的正压，使气体通过排气孔22和火焰消除器或排气盖24上的其它排气装置而排出。众所周知，该气体混合物具有很强的爆炸力。引燃累积在中空顶部空间中的该气体可导致这样的爆炸，即很容易炸坏容器和/或端盖以及其它连接部件。除了电池的破坏以外，众所周知，爆炸后的电池碎片和酸性电解液还会对人身造成潜在危险。由于需要容纳一定的结构部件并为电解液面的波动提供空间，因此必须保留蓄电池组内的顶部空间。
在上述的同一相关申请中描述的减爆材料的最佳实施例中，以两种不同类型的开孔聚氨酯泡沫材料的混合物提供了双峰孔隙分布，该分布于于有效地减爆和气体/电解液的控制是必要的。特别参照图2和3，混合减爆材料26是由小的随机取向的小孔隙小块28和大孔隙小块30组成。小孔隙小块28对减爆而言最有效，而大孔隙小块30对于电解液的回流和现有气体向排气孔22的运动提供了敞开的空间。
混合的双峰孔隙材料26可采用切割或斩切而成的任一相宜尺寸或形状的泡沫材料28和30的小块。应使随机分布的混合材料的小块以确保蓄电池的顶部空间完全充满材料26的方式被装入每个蓄电池室中空的顶部空间H内。这些聚氨脂泡沫具有高度的可压缩性和弹性，因此，将这些材料经某种程度的压缩而装入顶部空间并使它在顶部空间内胀开将有助于保确完全填充。利用块体较小的28和30也可提高完全填充。事实证明，一般1/2英寸大小的泡沫材料可令人满意地工作。
可利用各种方法来制备用于装入蓄电池顶部空间的混合减爆材料并使之便于装填和获得合适的最终定位。在图1、5和6中所示的最佳实施例中，大的和小的多孔泡沫块28和30的适当混合物可被压缩并辗成圆柱形，通过合适材料（如尼龙）的网状物或网32保持在压缩状态。压缩的混合材料的圆柱体31在容器12安放端盖14以前被放置在电极组件18上方的每个电池室的顶部空间内。尼龙网32在硫酸中是可溶解的，并在蓄电池充满电解液后很快溶解。网的溶解导致被压缩的混合材料膨胀从而完全充满顶部空间。通过对于被压缩的圆柱体31的尺寸和多孔材料压缩程度的适当控制，考虑到要填充的顶部空间大小，可充分改变材料最终保持在顶部空间的压缩程度。
如从图1中可看到的，被压缩的减爆材料的圆柱体引插到敞口容器12的每个电池室内是容易的。当网32或其它可释放的粘合剂（借此该材料被保持在压缩状态下）溶解后，该材料必须膨胀（或重新膨胀）到完全充满该电池室的顶部空间，如图2和3中减爆材料26所示。通过辗压使该材料成为圆柱体31的减爆材料双轴压缩将导致当封闭的网32在该电池室内松脱时一种一致的双轴膨胀。材料的双轴膨胀主要有助于确保材料在垂直方向（图2）和水平方向（图3）膨胀至顶部空间的各部分。对于位于或延伸于顶部空间的各种不规则形状的部件如终端接线柱20，接线片21，连接片23或排气塞孔27等，使减爆材料围绕这些部件周围或处于它们之间是特别重要的。
特别参考图1，可将被压缩的减爆材料26的圆柱体31分成两个较短的圆柱体33体35，以便于插到含有垂直的终端接线柱20的未端电池室13中。另一方面，采用电池室完整长度的圆柱体31时要求在接线柱20和电池室隔板16或容器12的端壁之间使其受到挤压，而不以自动装配的方式进行。
虽然尼龙网32容易在铅酸蓄电池中使用的硫酸电解质水溶液中溶解，但可要求限制溶解了的有机材料进入到作为网的溶剂的电解液中的量。另一方面，网可由不溶解塑料，如聚丙烯制成，通过一种可溶解的材料，如尼龙，将其缝合从而封闭压缩的减爆材料。还可以适当地采用可溶解于电解液的粘合剂。
如果利用可溶解的尼龙网32，采用简单的热封技术可最便利地围绕压缩减爆材料封闭。因此，约束网的搭接边角可一起溶解。
化学粘合剂也可用作于粘接圆柱状的减爆材料的手段。例如，由聚氨脂泡沫小块28和30组成的混合材料26以硅酸钠水溶液浸透，并压入到刚性外缘的圆柱管中，再干燥使硅酸钠固定。当将减爆材料从使其成型的管内取出后，硅酸钠可把减爆材料固定成压缩的棒。另一方面，粘合剂裹围的减爆材料圆柱体以前面网状物裹围的材料相似的方法插入电池室。硅酸钠在稀硫酸中容易溶解并且都知道对于铅酸蓄电池的工作是无害的。
经过双轴压缩的材料，不管是由网或其它外部包容层或一种化学粘合剂来保持其压缩状态，当然可直接制成准备插入的电池室的长度，或者可被切割为合适大小的较长的长度。在任何情况下被压缩的减爆材料的棒或圆柱体适合于依次或同时放下或其它方式插入蓄电池各电池室内的自动装配。如前面所述的，对于含有垂直终端接线柱的蓄电池未端电池室需要在自动装配工序中进行调整，在此类调整过程中，压缩减爆材料的完整电池室长度的圆柱体31可以制成较小的直径，比如是图1所示的圆柱体31直径的1/2或更小。两个这样小直径的圆柱体被插到每个电池室13中。在未端电池室，可以很方便地将这两个圆柱体置于终端接线柱的相对应的两侧。这样的定位也可避免在减爆材料安装完后当端盖14放在容器上时向下延伸的排气塞孔27的相互影响。
混合型的减爆材料还可以采用另外的方法制备和安装，如在下面将要描述的那样，并可特别参考图4、7和8。减爆材料任意取向的小块28和30的一种混合物被分布成一薄的连续层，由粘合剂（如硅酸钠水溶液）的溶液使其湿润，在两个相对表面上非方向性地压缩并使之在保持压缩状态下干燥。做成了减爆材料的垫34由前述的硅酸钠粘合剂被结合在一起并处于压缩状态，利用类似于人们所熟知的“再胶合”工艺所采用的方法，例如用碎塑料泡沫材料小块作成毡垫的方法制作垫。通常，将薄层混合小块28和30压在具有通孔的网络36的平面之间，以便排除过量的粘合剂溶液及便于后续对材料干燥。
减爆材料通常地被压缩并由粘合剂保持在其自由非压缩状态下体积的1/2至1/3。再次胶合的混合材料小块自垫34切成能方便插入蓄电池容器的敞开的各电池室的尺寸。实际被填装的压缩材料的量很大程度上取决于它所保持的压缩状态。但在任何情况下，粘合剂溶解后材料充分膨胀下必须能完全充满顶部空间H。因此，在膨胀后，减爆材料以所描述的关于双轴压缩或碾压圆柱体31（如图2和3所示）类似的方法充满顶部空间。
例如，一再次胶合的混合垫34按下列方法进行制备和安装。
以标移1/2立方英寸的泡沫塑料小块28和30被布置成1英寸的深度，由含有大约25%重量百分比硅酸钠的硅酸钠水溶液湿润，压缩至大约3/8英寸的厚度并干燥。这些小块被基本上切成电池室设计尺寸并在每个电池室中放置两层38。因为材料的压缩是非方向性的（相对于图4中的部分垂直），材料的再次膨胀也主要是以相同方向进行。以上描述的两层38的原始非压缩厚度为2英寸，假定在顶部空间内充分地再次膨胀，将能完全充满于具有2英寸垂直尺寸的顶部空间。然而，可要求装入更多的减爆材料，即多于在完全非压缩状态下充满顶部空间所需材料的量。换句话说，通过顶部空间的边缘限制材料再次完全膨胀，使得材料最终保持一定的压缩状态。这有助于确保材料膨胀到有时由其它元件占据顶部空间所造成的小的和不规则的空间。也就是，已经知道的以一定压缩状态存在的减爆材料比同样材料处于自由非压缩状态下工作更有效果。
混合材料层38的小块28和30保持在一起的粘接剂的溶解将导致减爆材料的再次膨胀，类似于前面所述的与图1，5和6对短的双轴压缩的圆柱体发生的情况。因此，再次膨胀的材料将以图2和3所示的方式使其布置于顶部空间内。
图9表示了安置于蓄电池电池室的顶部空间内的一种减爆材料，其制备方式类似于图4，7和8所示和描述的方法，只是材料的类型不同。单独材料的小块42由单一型多孔可压缩塑料材料制成，如上述同一相关申请中所详细描述的可以是开孔或纤维材料中的任意一种。然而双峰孔隙功能由任意取向的小块42之间的敞开空间或通道44提供。
用图7所示混合垫相似的方法制备减爆材料。例如，小孔隙聚氨脂泡沫塑料的单一的薄片由具有大约含20%重量百分比硅酸钠的硅酸钠水溶液湿润。被湿润的薄片被压缩和干燥，其方法与对应于图7的混合垫所述的方法相似。然后，将被压缩和粘合的薄片切成为合适大小的片体（标称1/2英寸大小的片体被证实可令人满意地工作）。该小片体被装入到电极组件18和其他相关部件顶上的电池室13的敞开的顶部空间H中。任何多余的小片体42在封闭或其它方式加端盖14以前，可被方便地刷去，使其保持在容器12顶端的高度。然后通过排气/充气孔22将池解液充入电池室中，使硅酸钠粘合剂溶解而小片体42膨胀并充满顶部空间。在某些情况下，化成过程可使粘合剂的完全溶解和减爆材料的再次膨胀变得更容易。在化成过程中通常发生电解液通过顶部空间的流动和频繁排气现象，这有助于粘合剂的完全溶解。
虽然，对于采用开孔聚氨脂泡沫塑料已经主要描述了上面关于制备和安装减爆材料的方法，各种类型的膨胀纤维材料包括许多聚烯烃和聚脂纤维也可用于所述的各种安装方式。例如，膨胀的非纺织聚丙烯纤维小块和垫可被：（1）由碾压压缩为圆柱体并由可溶解的网包裹住;（2）压缩并结合成一个再次胶合的垫;或（3）从单一被压缩和粘合的垫上切割。因此，除了材料的不同，制备和安装方法基本上与上面在实施例详细描述的相同。
不管前面用于制备和安装减爆材料的方法和装备如何，也不管所用减爆材料的类型如何，本发明为有助于最终有效减爆和相对容易地将材料装入到蓄电池内提供了很大的灵活性和适应性。因此，通过严格地控制选择用来安装在给定体积的顶部空间中的减爆材料的体积，材料再次膨胀后顶部空间边界内所保持的实际残余压缩量可相当精确地控制。控制减爆材料最终所保持的压缩量可提供二个不同的好处。首先，通过采用大于减爆材料处于自由无压缩状态下所需体积填入顶部空间中，则使材料膨胀到完全充满顶部空间内的所有不规则的空间具有较大的可能性。完全充分地充满对于消除顶部空间任何没有占据的较大空间是很重要的，该较大空间足以由于其中的气体引燃而导致潜在的有破坏性的高压。另外，在顶部空间内保持减爆材料具有一定程度的残余压缩状态可增强材料的减爆效果。残余的压缩对于减小多孔材料的孔隙尺寸有实际效果，从而对所有其它因素也有效，因为材料的孔隙尺寸越小，其减爆性能越好。