形成整体歧管的方法与流程

本发明涉及流动电解质蓄电池歧管。特别地，但是非排他地，本发明涉及一种形成整体歧管的方法，该整体歧管用于流动电解质蓄电池的电池堆。

背景技术：

在独立电源系统中使用的蓄电池通常是铅酸蓄电池。然而，铅酸蓄电池在性能和环境安全方面具有局限性。典型的铅酸蓄电池在热气候条件下通常具有非常短的寿命，特别是当它们偶尔完全放电时。铅酸蓄电池还是对环境有害的，因为铅是铅酸蓄电池的主要成分，并且在制造和处置的过程中可能引起严重的环境问题。

流动电解质蓄电池，例如锌-溴蓄电池、锌-氯蓄电池和钒液流蓄电池提供了克服铅酸蓄电池的上述局限性的可能性。特别地，流动电解质蓄电池的使用寿命不受深度放电应用的影响，并且流动电解质蓄电池的能量重量比高达铅酸蓄电池的能量重量比的六倍。

然而，制造流动电解质蓄电池可能比制造铅酸蓄电池更困难。如同铅酸蓄电池一样，流动电解质蓄电池包括电池堆以产生比单个电池的电压高的某个电压。但是与铅酸蓄电池不同，流动电解质蓄电池中的电池通过电解质循环路径液力地连接。这可能是有问题的，因为分路电流可以通过电解质循环路径从一个串联连接的电池流到另一个串联连接的电池，导致电池的单独充电状态中的能量损失和不平衡。为了防止或减少这种分路电流，流动电解质蓄电池在电池之间限定足够长的电解质循环路径，从而增加了电池之间的电阻。

电解质通常经由外部歧管供应到电池堆和从电池堆中排出。每个电池都具有在电解质循环路径的毛细管开口处的多个入口和出口，每个外部歧管都利用包括弹性体连接管阵列的精密连接装置连接到电池堆的循环路径。典型的54电池堆需要216个弹性体连接管。这种精密连接装置不仅难以制造，而且在组装和使用期间也易于损坏。为了减少损坏的可能性，已经研制了形成于蓄电池壳体内的内部歧管，以便减少损坏的可能性。

图1示出了根据现有技术构造的蓄电池10的局部透视图。蓄电池10包括一堆电池11和整体歧管12，整体歧管12包括穿过整体歧管12通向毛细管开口14的多个孔13。然后，围绕电池11构造模板16。销15穿过模板16并穿过每个孔13到达毛细管开口14。一旦已经构造了模板16，就通过填充孔18将模制材料(未示出)注入到空腔17中。一旦模制材料凝固，就移除销15和模板16，然后堵塞填充孔18和由销15在模具外侧上形成的孔，在毛细管开口14和内部歧管12之间形成流体连接。然后，经由用于连接到电解液流的密封件将配件(未示出)连接到整体歧管12。

然而，利用图1中所示的模具设计，模制材料和该堆电池11之间的结合相对较弱，并且可能是泄漏源。另外，另一个泄漏源可能是在配件和用于连接到电解液流的密封件之间的连接部。

此外，当模制相邻的相对精密的材料时，在现有技术的注射成型中使用的相对高的压力可能是有问题的。用于普通高密度聚乙烯(HDPE)部件的典型模制参数包括230至260括的温度和30至60巴的压力。对于嵌入成型(其中在进行模制之前将可以具有不同颜色或甚至不同材料的单独部件置于模具内部)，压力必须更高，否则嵌入部件将不会与注射的塑料结合。因此，用于嵌入成型的典型压力为50至70巴，并且温度将处于上述范围的较高端以改善结合。然而，在流动电解质蓄电池的电池堆中，由于模具的这么大的部分由嵌入部件构成，并且这些部件由软的、低强度且多孔的塑料制成，所以上述压力会使嵌入部件变形。

因此，需要克服或减轻与现有技术的流动电解质蓄电池相关的许多上述问题。

技术实现要素：

发明目的

本发明的一些实施方式的目的是向消费者提供优于上述现有技术的改进和优点，和/或克服和减轻现有技术的一个或多个上述缺点，和/或提供有用的商业选择。

根据一个方面，但不是唯一的方面，本发明包括一种形成与流动电解质蓄电池的电池堆相邻的整体歧管的方法，该方法包括：限定与电池堆相邻的模腔，模腔通向电池堆的半电池的毛细管开口；将多个销定位在模腔中，销的端部区域与毛细管开口邻接；通过使熔融材料进入模腔的第一端并从模腔的第二端离开来预热模腔；和用熔融材料填充模腔。

优选地，该方法还包括：在预热模腔期间同时冷却销。

优选地，该方法还包括：将歧管芯置于模腔内部以限定歧管腔，其中多个销穿过歧管芯。

优选地，该方法还包括：使冷却剂流体进入歧管芯的第一端并从歧管芯的第二端离开以冷却多个销。

优选地，该方法还包括：使模板延伸到电池堆的上方以形成顶部端口，和使模板延伸到电池堆的下方以形成底部端口。

优选地，在预热期间使用的熔融材料是与在填充模腔期间使用的熔融材料相同的材料。

优选地，浇道和浇口连接到顶部端口。

优选地，浇道流体地连接到模腔，并且浇口流体地连接到歧管腔。

优选地，溢流槽或阀连接到模腔的第二端。

优选地，该方法还包括：使冷却剂流体通过浇口并进入歧管芯的第一端并从歧管芯的第二端离开，以冷却多个销；和其中使熔融材料进入模腔的第一端并且模腔的第二端离开包括使熔融材料进入浇道、通过模腔并且进入溢流槽中。

优选地，使冷却剂流体通过浇口并进入歧管芯的第一端并从歧管芯的第二端离开与使熔融材料进入模腔的第一端并从模腔的第二端离开同时进行。

优选地，在预热模腔期间，模腔内的压力不超过10巴。

优选地，在用熔融材料填充模腔期间，模腔内的压力不超过30巴。

优选地，在预热期间，熔融材料从模腔的第二端离开的持续时间小于10秒钟。

优选地，该方法还包括：从模腔的第一端切割浇道或浇口；和从模腔的第二端切割溢流槽。

根据另一个方面，本发明包括根据上述方法形成的用于流动电解质蓄电池的整体歧管。

优选地，毛细管开口被限定在延伸到半电池中的毛细管的管端部处。

优选地，销具有当熔融材料凝固时位于模腔外部的外端和被接收在毛细管开口中的内端。

优选地，销的外端具有比内端更大的直径。

优选地，模板具有限定在其中的孔，当将销插入模腔中时，销定位在所述孔中。

附图说明

为了帮助理解本发明和使得本领域技术人员能够将本发明付诸实践，以下仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的优选实施方式，其中：

图1是表示根据现有技术构造的流动电解质蓄电池的局部透视图的图；

图2是表示在制造整体歧管之前的流动电解质蓄电池的电池堆的角部的侧视图的图；

图3是表示根据本发明的实施方式的在整体歧管的制造期间电池堆的角部的横截面侧视图的图；

图4是表示图3的电池堆的角部的顶部透视图的图；

图5是表示在制造整体歧管之后的蓄电池的侧视图的图；和

图6是概括根据本发明的形成整体歧管的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方式包括一种形成与流动电解质蓄电池的电池堆相邻的整体歧管的方法。本发明的元件在附图中以简洁的轮廓形式示出，仅示出理解本发明的实施方式所必需的那些具体细节，从而不会使本公开内容被过多细节所混淆，根据本说明书，这些细节对于本领域普通技术人员是显而易见的。

在本专利说明书中，诸如第一和第二、左和右、前和后、顶部和底部等等形容词只是用于定义一个元件或方法步骤以使其区别于另一个元件或方法步骤，而不必要求由形容词描述的特定相对位置或顺序。诸如“包括”或“包含”的词语不是用于定义元件或方法步骤的排他性集合。相反，这些词语仅定义了包含在本发明的特定实施方式中的元件或方法步骤的最小集合。

参考图2，该图表示在制造整体歧管之前的流动电解质蓄电池的电池堆20的角部的侧视图。应当理解，类似的整体歧管将形成在电池堆的所有四个角处或流动电解质蓄电池上的其他位置处。

电池堆20包括由隔板22隔开以限定多个半电池的一堆电极板21。半电池类似于在2008年10月2日公开的申请人的公开号为WO2008/116248的PCT专利中描述的半电池，并且其通过引用方式并入本文。半电池均包括电极板21、相邻的隔板22和毛细管23，毛细管23位于形成在每个电极板21和相邻的隔板22之间的毛细管通道中。半电池在俯视图中大致为矩形，但是在其角部处具有切除区域24。毛细管23可以是聚合物材料或适于焊接到注入的塑料的任何其它材料。

图3是表示在整体歧管的制造期间电池堆的角部的横截面侧视图的图，图4是表示根据本发明一实施方式的图3的电池堆的角部的顶部透视图的图。参考图2、3和4，歧管芯30位于切除区域24附近，并且模板(未示出)被置于电池堆20和歧管芯30周围。模板和歧管芯30之间的空间，以及电池堆20的边缘和歧管芯30之间的空间限定了模腔25。在一个实施方式中，模腔25是环形的，围绕歧管芯30。

在一个实施方式中，歧管芯30是限定了歧管腔的金属管。然而应当理解，歧管芯30可以是实心的，并且可以由在熔融材料存在的情况下不变形的任何合适材料制成。替代地，可通过对完成的模具进行机加工而形成歧管腔。

模板可以延伸到电池堆20的上方和下方，以分别形成整体的顶部端口31和整体的底部端口32。顶部端口31流体地连接到歧管芯30的第一端30A，底部端口32流体地连接到歧管芯30的第二端30B。在完成的蓄电池的使用期间，顶部端口31和底部端口32可以用于向电池堆20供应电解质，或从电池堆20接收电解质。另外，模板可以构造成限定多个翅片33。

参考图3和图4，销(未示出，但与销15相同)通过孔34插入，孔34从毛细管23的开口延伸穿过模腔25，穿过歧管芯30，并穿过模板的外壁(未示出)。销的内端与图2的毛细管23的开口邻接，从而封闭管23。销的外端具有比内端大的直径。这种布置类似于在2010年2月25日公开的申请人的公开号为WO2010/020013的国际专利申请中描述的布置，并且其通过引用方式并入本文。每个销的外端在模腔25和模板的外部，每个销的内端被接收在相应的毛细管开口中。

在一个实施方式中，浇道35和浇口36连接到顶部端口31。浇道35流体地连接到模腔25的第一端25A，浇口36流体地连接到歧管芯30的第一端30A。此外，溢流槽37连接到底部端口32，底部端口32流体地连接到模腔25的第二端25B。浇道35、浇口36和溢流槽37可以由塑料制成以使得它们可以在模制过程之后被修整(trimmed)，从而将顶部端口31和底部端口32留在适当位置中。

通过使熔融材料通过模腔25并进入溢流槽37中来预热邻近模腔25的电池堆20的边缘。一旦溢流槽37充满熔融材料，模腔25就填充有熔融材料。可选地，在中空歧管芯30的情况下，冷却剂流体同时经由浇口36进入歧管芯30的第一端30A，并从歧管芯30的第二端30B离开，以冷却销。这可以降低销将毛细管23熔化的可能性。在一个实施方式中，冷却剂流体是空气。

熔融材料可以是任何被加热的聚合材料，例如聚乙烯或聚丙烯，当在其熔融温度之上时，其有效地与电极板21和毛细管23结合，如本领域中已知的。熔融材料结合到电极板21的暴露边缘，并且在电极板21之间形成气密密封。此外，熔融材料结合到从电极板21的边缘延伸出来的每个毛细管23的外表面的周边并在该周边周围形成气密密封。

一旦电池堆20的边缘被填充溢流槽37的熔融材料充分加热，熔融材料就开始填充模腔25。应当理解，溢流槽37的尺寸可以改变以便控制预热量。替代地，模腔25的第二端25B可以通过阀封闭，以便于模腔25的填充。

一旦熔融材料凝固形成模具，就移除销和模板。此外，可以移除歧管芯30以形成歧管腔。一旦销被移除，通道就在模具中显露出来，该通道与毛细管开口流体连通。

接下来，可以修整并移除入口浇道35、浇口36和溢流槽37，并且堵塞整体歧管外侧上的孔34。此外，歧管芯30的顶部端口31可以用塞子封闭。

图5是表示在制造整体歧管之后的蓄电池40的侧视图的图。如图5中所示，浇道35、浇口36和溢流槽37已被移除，并且整体歧管的外侧上的孔34已被堵塞，留下了由蓄电池40的相对两侧上的底部端口32形成的电解质入口51和电解质出口52。如虚线箭头所示，电解质经由电解质入口51进入蓄电池40，并且经由电解质出口52从蓄电池40离开，或反之亦然。然而，本领域技术人员应该理解，电解质可以利用任何合适的端口31、32进入或离开电池堆20。

因为模具的很大一部分由电池堆20的嵌入塑料部件(包括电极板21和隔板22的边缘以及毛细管23)构成，并且这些部件包括软的、低强度且多孔的塑料，所以可能不能施加足够的压力或温度来将注入的塑料结合到嵌入塑料部件，除非嵌入塑料部件被预热。

如果用热空气预热嵌入的塑料，则密封毛细管的销也变热并且可能使毛细管23熔化，导致管23在注射过程中毁坏。为了防止这个问题，可以通过使用中空的歧管来在空气预热期间同时冷却销，其中冷空气可以在空气预热操作期间降低销的温度。这种利用空气的预热允许模制在足够低的压力下成功，使得嵌入塑料部件不变形，并且注入的材料不会越过嵌入塑料部件或在嵌入塑料部件之间逸出。

然而，空气预热过程可能显著减慢模制过程并使所需机械复杂化。因此，本发明的用于预热嵌入塑料部件的优选方法包括上述注入熔融材料使其通过模腔并进入溢流室(或通过具有可关闭的阀的出口离开)的过程。因此，注入的熔融材料本身可以用于预热嵌入塑料部件。

在流过阶段的过程中，压力非常低，约小于10巴。该压力可以通过改变温度、注射速率或入口流量限制的注射参数来进行调节，也可以通过改变出口限制来进行调节。在流过的过程中增大模腔中的压力将增大向嵌入塑料部件的热传递，并减小必须流过嵌入塑料部件以将该部件加热到使该部件充分地结合到注射的塑料所需的温度的材料的体积。

此外，因为与空气预热相比，流过阶段在相对短的时间段内发生，所以上述销冷却过程不是必需的。例如，有效的空气预热可能需要1到5分钟；然而流过过程可能在几分之一秒内发生，至多在约10秒内发生。

图6是概括根据本发明的形成整体歧管的方法的流程图60。在步骤61，邻近电池堆20形成模腔25，其中模腔25通向电池堆20的电池的毛细管开口23。在步骤62，将多个销定位在模腔25中，销的端部区域与毛细管开口邻接。在步骤63，通过使熔融材料进入模腔25的第一端25A并从模腔25的第二端25B离开，预热模腔。最后在步骤64，用熔融材料填充模腔25。

也可以通过改变允许流过模腔25的材料的量来调节流过预热的量，这可以通过调节溢流槽37的室容积或调节位于模腔25的第二端25B处的阀(未示出)的关闭时机来进行。当溢流槽37充满或阀关闭时，则模腔25中的压力增加并完全填充在溢流过程中没有填充的任何部分或空隙。使用该方法，如果使用足够的预热，在熔融材料的注入期间在模腔25内的压力可以为30巴或低至20巴。

本发明的优点包括通过使熔融材料通过模腔来预热电池堆的边缘的能力，其能够改善熔融材料与电池堆边缘和毛细管的结合。此外，电解质入口和出口与歧管芯整体形成，这进一步减小了泄漏的可能性。另一个优点是，由于整体形成的电解质入口和出口，可以减小蓄电池的高度。

此外，通过预热电池堆的嵌入塑料部件，比用于标准嵌入成型的温度更低的注射温度是可能的，同时仍然获得在注入材料和嵌入部件之间的良好结合。如果使用高的注射温度，则注射的塑料的较低粘度使得密封嵌入部件更加困难，并且可能在嵌入部件之间或经过嵌入部件发生注射材料的泄漏。

此外，快速预热意味着更高的压力和温度是可能的。如果使用热空气预热，则较长的加热时间不仅可能预热嵌入部件的表面，而且还可能更深入地加热那些部件。这可能导致部件失去强度和刚度，并且降低了在部件变形以允许注射材料泄漏之前的可能的最大注射压力。由于嵌入部件的初始强度和刚度较高，所以如果预热快速发生，例如在流过预热的情况下，可以使用较高的注射温度。较高的压力和温度允许改善模腔的其余部分的填充，并且还减少收缩量，因此改善了成品部件在冷却时的尺寸公差。

此外，使熔融材料流过模腔的过程具有把氧化物或外来污染物从嵌入塑料部件的暴露表面清除掉的附加益处，如果存在氧化物或外来污染物，会使得结合更加困难。例如，用空气预热通常不会除去这些污染物。

出于对相关领域的普通技术人员进行描述的目的，提供了本发明的各种实施方式的以上描述，其并不旨在穷举或将本发明限制于单个披露的实施方式。如上所述，本发明的许多替代和变化对于受到上述教导的本领域技术人员将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些替代实施方式，但是本领域普通技术人员将明白或相对容易地研究出其他实施方式。本专利说明书旨在涵盖本文已经讨论的本发明的所有替代、修改和变化，以及落入上述发明的精神和范围内的其它实施方式。