CN1256797A - 用于利用金属空气电池供电的电子器具的容器 - Google Patents

Abstract

一种防水壳体(6),用于例如为由标准的锌/空气电池供电的电子手表机芯的电子器具。一在壳体壁中的小孔(11)将进出壳体的水蒸气减慢,以便延长电池的寿命。该孔还限制了氧流入到电池阴极而不是到壳壁本身中的空气入口的流量。一疏水性可透气膜片(45)允许空气和水蒸汽进入到该孔而不允许水进入。

Description

用于利用金属空气电池供电的电子器具的容器

本发明涉及一种用于利用金属空气电池供电的电子器具的容器，该电子器具设计适合于低平均电流运行但断续需要高电流。该容器的一个实例是手表外壳，其包含一由锌空气电池供电的电子手表机芯，且连续需要低电流以便使手表作为时计运行，不过该手表包含用于(当按下一个按钮时)照亮时计的装置，或者使在寻呼机中的无线电接收器运行的装置。后一用电子器具当其工作时在短时内需要相当高的电流，因此需要高电流的电池予以支持。

金属空气电池在本技术领域内是公知的，其通常包含消耗性的金属阳极、催化用的消耗氧的非消耗性的阴极以及适当的电解液。金属空气电池是按微型按钮扣形式制造的，用于助听器和手表之类。一种典型的锌/空气钮扣电池通常如下的组成部分：

1一个阴极，其可包含至少一个孔用作空气入口以及包含非消耗空气的阴极结构，该阴极结构一可透气的疏水性聚合物膜，一金属汇流格栅压在该膜上；以及包含一防水多孔催化材料(例如与粘接剂混合的金属催化的活性碳)。不过作为电池的一个单独的实际组成部分，一或多个吸收电解液的隔板层置于在该阴极结构中的催化剂层上，以便将阴极与阳极隔开。

2一个阳极盒，其可通常通过卷曲结合到该阴极盒，以及包含一通常按掺汞的粉末形式(例如按重量计含3-8％Hg)的锌块状阳极或以浸入碱性电解液(例如含30-40％KOH的水溶液)多孔的锌压块的形式的锌块状阳极。

3一聚乙烯、聚丙烯、尼龙等材料的隔板，其在阴极与阳极盒之间，这一隔板在很多情况下还用作密封件。

对进入到消耗空气的阳极的进气量的控制是利用在钮扣电池容器中的一些小孔实现的，如在1975年07月29日授予Jaggard的3897265号美国专利中所介绍的。这种电池适用于相对高耗电电流(例如10毫安)的电子器具，例如用在助听器中。其次，由于电子手表的需要，已研究开发长寿命、低耗电电流的锌/空气电池，通过添加一专用的膜片来控制进入到消耗空气的阳极的进气量。由1978年8月8日授予Kordesch的4105830号美国专利可知这样一种类型的能透过氧的膜片。在1978年10月3日授予Przybyla等人的4118544号美国专利介绍了这样一种方案，其利用通过隔层到阴极的十分微小的孔或通道。

在所有上述的结构中，用于控制进入到消耗空气的阳极的进气量的装置是为特定的器具，或预计电池要适应的耗电电流的范围定制的。上述的结构不适合于变化电池的工作方式(或按照低平均电流模式或按照高电流模式)。

在先技术提出：气体例如空气或水蒸汽进出锌/空气电池的进入和流出量，可以通过使在电池壁中的(为使空气能进入到电池中所需的)孔口节流使之减慢。为了延长电池的寿命，控制相对湿度是特别重要的。锌/空气电池在低湿度的气体环境中和在高湿度的状态下的罗特(Rood)将会干透。这两种状态都妨碍电池在较长的一段时间内，以及在低平均耗电率下(即在这样一种情况下，额定容量在6个星期或其以下应不会耗尽)，实现全充额定容量。电池的电解液的起始浓度确立了电池的内部相对湿度(RH)接近58％。将活化的电池暴露于周围环境的RH等级(高于或低于这一数值)，分别会引起水蒸汽进入或流出。水蒸汽的进入或流出可以通过减少进气孔的的尺寸来节流限制。但是限制水蒸汽的输送的孔口也限制了氧输送到电池中。在高电流电池中的孔口其尺寸必须适应于为了维持最大放电率所需的氧进气量。

具有高耗电流容量的金属空气电池例如在助听器中使用的电池不加改变不适合于在手表中使用。为能用于通常需要低平均耗电电流但断续要求高耗电电流的电子器具，已对金属空气电池进行了改进。这些改进的一些实例介绍在1981年4月14日授予Zatsky的4262062号美国专利(已转让给申请人的受让人)中，以及在1995年9月19日授予Oltman的5451473号美国专利中。在后一专利中，金属空气电池包含一控制来自(在电池底部的进入内部储气小室的)空气入口的空气流量的节流膜片。该储气小室在电池承受高耗电电流时在短时间一段内向阴极组件提供足够的氧。

另一种用于使电池与接收该电池能量的电子器具匹配的装置，介绍在1993年3月2日授予Lloyd等人的5191274号美国专利中。在这一专利中，向电池进气或供给空气的孔的数量通过一密封件控制，该密封件决定了孔的数量，开通一些孔以便使氧能进入到电池的内部。在所有的在先技术中，都是金属空气电池本身的结构决定了进入到电池的空气流量。

由在先技术还已知，将一电子器具和金属空气电池(经设计与电子器具的用电电流要求相匹配)置入到一容器中。由于需要向电池提供空气以使之工作，容器不能是气密封的。在先技术允许通常的气源进入到容器中，以便在所有的状态下满足电子器具的电流要求。这种进气伴随着水蒸汽使得在容器中的相对湿度在很宽范围内波动，由其很多因素例如在容器外环境相对湿度的变化、容器中温度的变化以及电池的耗尽氧的程度。然而如果电子器具要经受过大的湿度或打算用于水下工作，液态的水也可以通过空气入口通道进入容器。已知在容器壁中利用疏水性的可透气膜片，允许空气不允许液态的水进入。用于仪器的这种壳体的一个实例介绍在1981年9月29日授予Kloss等人的4292681号美国专利中。Kloss等人的专利公开了一种用于电子器具的容器，其具有一个盖和一个密封件，其中或密封件本身或在盖中的一个孔或壳体本身可以由疏水性的可透气多孔物质构成。

参照附图中的图1，在授予Kloss等人的4292681号美国专利中介绍了一种用于电子器具的在先技术的容器。壳体由部分1和2组成，其中二壳体部分以水密封方式利用不透气的密封环3彼此连接在一起。采取壳盖形式的部分2设有一个气体通道4，其由一个含微孔的疏水性部件封闭。空气、氧及一些元器件(电子器具和金属空气电池)容纳在箱内部，通过这一部件提供空气，这一部件可以例如由非烧结的聚四氟乙烯构成。还可以形成几个这样的可由含微孔的密封体封闭的透气孔。例如，包含在壳体内部的锌/空气电池大约每小时使用5微升的空气。即使浸入水中，利用在壳体内部的空气手表能持续运转。

在上述的在先技术中介绍的锌/空气电池特别适用于手表，如果其具有的实用的使用寿命，利用在电池内部的气流节流膜片或用相似的器件例如在上述的4292681、5191274和5451473号美国专利中介绍的那些。在Kloss的专利中，使用了这样一种疏水性可透气的材料(通常以膜片的形式)是为了限制液态水的进入而不是试图主要限制空气或包含水蒸气的其它气体的进气流量。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于由金属空气电池供电的电子器具的改进的容器，其延长金属空气电池的寿命。

本发明的另一个目的是提供一种改进的容器，用于延长向需要低平均电流的电子器具提供能量的高容量金属空气电池的寿命。

本发明的另一个目的是提供一种改进的容器，用于控制由在容器内部的金属空气电池经受的相对湿度的变化。

本发明的另一个目的是提供一种改进的方法，用于使用一用于助听器类型的标准锌/空气高容量电池向包含在防水壳体中的手表机芯供电。

简单地说，本发明包含一个容器，用于控制向需要低平均电流以及断续需要高电流的电子器具提供能量的高电流金属空气电池的空气和水蒸汽的进出流量，金属空气电池和电子器具两者都配置在该容器中，金属空气电池具有的空气入口的尺寸使氧的流量能明显超出电池为向需要低平均电流的电子器具供电所需要的流量。该容器包含一个密封的壳体，该壳体限定了一个包含金属空气电池的储气小室，该密封的壳体具有的一个壁限定了一个在储气小室和壳体外侧的环境气体之间连通的节流通道以及其尺寸仅使氧的流量能充分满足电子器具低平均电流的需要。按照它的一种优选形式，该壳体还包含一个配置在节流通道和壳体外侧的环境气体之间的疏水性的可透气膜片，以及适于阻止液体进入该壳体而允许氧流入节流通道。在该优选实施例中，节流通道是在容器壁中的细小的孔，其直径约为0.08毫米(0.0032英寸)，是由用GORE-TEX膜片覆盖的孔形成的。另外，任何其它具有疏水性的可透气适宜的带状材料也是可以采用的。

通过结合附图阅读如下的说明将会更好地理解本发明的其它目的和优点。

图1是在先技术的用于电子器具的容器以断面示意表示的简化纵剖面图。

图2是根据本发明的用于电子器具和储能电池的容器以断面示意表示的简化纵剖面图。

图3是简化的视图，表示本发明的一种改进形式。

图4是简化的视图，表示本发明的另一种改进形式。

图5是简化的视图，表示本发明的再一种改进形式。

图6是简化的视图，表示本发明的再一种改进形式。

在图2中以最简单的形式简化表示根据本发明的容器。密封壳体利用部分5和6构成，二壳体部分以水密封方式利用不透气的密封环7彼此连接还在一起。电子器具8配置在壳体内部，该电子器具需要由利用引线10连接到其上的储能电池9提供电能。由于在图中所示的各特征部分是以简化示意的方式表示的，未表示关于电子器具8或9的机械结构和支承部分，应理解这些都是要需的。电子器具8意在代表一种器具例如为电子手表机芯或电子仪器，它们需要连续的处于微安级范围内(2-250微安)的低电流以便计时以及还周期性地或断续性地需要处于毫安级范围内(2-12毫安)的高电流。一个实例是寻呼机电子手表，其消耗大约5微安的稳定电流，以便执行计时功能，不过其断续性地需要10毫安量级的相当高电流，以便执行寻呼机功能。由于寻呼机仅是有时工作，平均耗电电流是低的。

储能电池9是一种标准的高容量或高电流例如用在助听器中的锌/空气电池(例如市售的13号电池或675号电池)，不过未利用前面讨论的其中一种方案对提供到阴极结构的空气节流加以改进。这样，在去掉如图中9a所示的空气入口的盖使之活化以后，设计的高电流锌/空气电池9的使用寿命仅在3到6周的量级。

所有这种类型的电池对相对湿度和其它大气环境参数是敏感的，这些大气环境参数会改变电池中的化学性质，使电池性能变差和能量过早耗尽。在低湿度的环境中，水分是由电解液中蒸发的并由电池中逸出，降低了电解液的数量且最终引起脱水。在高湿度时，将使电池得到水，影响电解液的稀释并最终溢出电池。在这一实例中，在“低湿度”和“高湿度”之间的划分线是电池由其内部的化学性质试图维持的相对湿度的稳定数值(相对湿度约为58％)。高于约为58％的相对湿度，电池加水；低于约为58％的相对湿度，电池脱水。通过使水蒸汽扩散进入在电池壁中的空气入口9a和由其逸出可以实现加水和脱水。

空气还通过空气入口9a流入电池9以及由于与水反应产生氢氧离子而消耗氧。在典型的市售高电流锌/空气电池(助听器电池)的空气入口的数量和尺寸的实例提供在下表中：

              孔(尺寸)直径         总流过面积

电池  孔数    毫米  (英寸)         平方毫米(平方英寸)

A     4       0.51  (0.020)0.82    (0.0013)

B     2       0.46  (0.018)0.33    (0.0005)

C     6       0.28  (0.011)0.37    (0.0006)

允许通过上述空气入口的氧流量明显超过电池向需要微安级的低平均电流的电子器具，不过还能充分提供电子器具需要的处于几毫安数量级的断续高电流。

根据本发明，利用一个节流通道11控制水蒸汽的进出量和用于维持电子器具需要的低平均电流的空气(氧)的进气量。通道11连通在壳体内侧的储气小室12和壳体外侧的大气环境之间。在图2所示的实施例中，节流通道包含在金属板13中的一个细微钻孔或利用激光形成的孔。板13密封或者另外支承在壳体部分6的壁中的孔14的内部。承受低平均耗电电流2毫安的适宜尺寸的节流通道11是直径为0.08毫米(0.0032英寸)或流过面积为0.005平方毫米(0.000008平方英寸)的一个小孔。用于节流通道11的小孔直径的常用范围处在0.05-0.1毫米之间，具体取决于预期的低平均耗电电流。这一直径可以计算或通过实验确定。通过这种尺寸的小孔进入储气小室12的空气流量充分满足电子器具8的持续低平均电流的需要。然而我们已经发现，该小孔还明显阻碍或慢化水蒸汽向储气小室12的扩散或由储气小室12向外的扩散，以及明显延长金属空气电池的寿命。即使阻塞该小孔或即使电子器具8中的部件需要高耗电电流，储气小室12也能在短期内电池9所需的空气。

参照附图中的图3，其中表示了另一实施例，与图2中相同的部件使用相同的标号表示。然而在这一实例中，具有节流通道11的板13位置朝向孔14的内侧，孔14的外侧由包含膜片15的疏水性透气元件封住。膜片15最好是非烧结的聚四氟乙烯形成的箔。一种适宜的膜片15是按商标GORE-TEX@市售的膜片，其允许空气和水蒸汽透入而阻止液态水通过。膜片15覆盖孔14并围绕其支承和密封在容器器壁上。在壳体6壁中的(在孔11和膜片15之间的)小室6a汇集空气和水蒸汽，空气和水蒸汽通过膜片中的孔。膜片15并不设计成对进入到储气小室12中的空气节流，这一功能是利用节流通道11实现的。该孔的尺寸是经过选择的，以便使通过膜片15的空气流量充分满足电子器具需要的低平均电流。然而，膜片15承担进入小室6a的足够的空气流量而不允许液态水进入，使得在恶劣的气候下也能连续保证电子器具的运行。即使将壳体完全浸入到水中，在需要低平均电流时，也能持续相当长的时间由储气小室12向电池供给空气。即使短时需要高电流，也可以短时由围绕电池的储气小室12向电池9供给空气。由于水蒸汽是一种气体，其也通过膜片16。通过扩散形成的空气进出流量由于膜片和节流通道11的综合作用可以大为减慢。

参照附图中的图4，其中表示的改进的壳体部分16如前所述具有盖5和密封环7。在壳体内侧有电池间隔壁17，其限定电池间隔18，用作围绕电池9的储气小室。一可取下的电池盖19提供到电池间隔18的进出通道。盖19装有密封垫或O形环20，其可以利用卡口或螺丝或任何适宜的方法附着到壳体部分16上。盖19限定了孔21。在面向电池间隔18的内侧上的密封在孔21内部的是一个板或垫片22具有与对于节流通道11先前介绍相似的节流通道23。面向大气覆盖孔21的是一以膜片形式的疏水性透气材料，其可以与上述的在图3中以标号15表示的相同。小室汇集通过膜片24的空气和水蒸汽。

图4表示在电子手表中经常遇到的代表性的结构，其中该电子器具在与储能电池隔开的间隔中，电池利用例如可取下的盖19通过一单独的孔可取出。电引线25通过在壁17中的密封件26将电池9连接到电子器具8。图4所示配置在实际使用中更实用，这是由于除了能保证正常替换储能电池9外，盖19可取下以及节流通道23和膜片24易于检查和测试。

参照附图中的图5，其中表示的一种改进方案与图3中表示的非常相似，除了用标号27表示的壳体的下部是由例如为聚碳酸酯的塑料材料构成的以外。在壳体部分27的外侧表面上的孔28与壳体部分27的内侧表面内中的节流通道29相连通。孔28的适宜直径为1.75毫米(0.069英寸)。正如前述的，对于为制造时注模形成在壁中的节流通道29的优选直径为0.08毫米(0.0032英寸)。该图是未按比例画的，而是为了表示清晰放大的。疏水性透气材料构成的膜片15覆盖孔28，并由壳体27的外壁支承并形成密封。一中间小室30汇集通过前述的膜片15中的孔的气体。

在附图中的图6中表示另一种改进方案，其具体表示一具有的塑料外壳或壳体31的电子手表。虽然这一实施例表示本发明适用于手表，但应当认识到，其也可以用于如在图2-5中更一般表示的任何由金属空气电池供电的电子器具。壳体31包含有限定的内部电池间隔33的电池间隔壁32。间隔33包含一对串联的金属空气电池34，b。电池进出通道盖36装有一密封垫圈或O形环20以及利用卡口或螺纹附着到壳体31上。在壳体31的壁上的外表面中的孔37渐缩到在电池间隔33内侧的内壁上的节流通道38。孔37和节流通道38的尺寸可以为如联系图5前面所介绍的数值。按联系图5前面所介绍构成和附着的膜片15封住孔37。膜片b允许气体进入，但是不允许液体进入小室39再由其提供到电池间隔33。串联的锌/空气电池34、35通过该通过电池间隔壁32的引线41向手表机芯40供电。按照常规结构的手表机芯40b包含一操作按钮和(当操作该按钮时)照亮手表表盘的装置(未表示)。一种适宜的机芯表示在1993年11月23日授予Thorgersen等人的5265071号美国专利(已转让给本受让人)中，这里引用可供参考。操作该按钮时短时需要接近6毫安的高电流。电池间隔33形成可以预选体积的一对储气小室，以便持续规定的时间断续向在机芯40中的照明装置提供所需的高电流。具有足够尺寸的节流通道38适应于向手表机芯8提供所需的低平均电流。这样的计算处在本技术领域的人员的知识范围内。透镜密封到壳体31上，以便观看在手表机芯提供的时间。

在图6中所示的储气小室33设计得具有足够的尺寸，(如果通道被阻塞)以按选择的耗电电流持续选择的时间保证机芯的运行。例如，如果将两个电池串联以及如果在储气小室(1立方厘米体积储气小室，高于由电池本身占据的体积)中的气体由通常比例为氧占21％的空气组成，将提供约1/2毫安小时的电量。因此如果容器浸没到水中，机芯需要连续提供2毫安的电流，两个电池将使机芯运行持续约15分钟。

                     实例

利用置入在一密封容器中的675号助听器电池，安排电子器具在4个月的持续时间内吸收500毫安小时的电量，在可控条件下进行测试。该容器形成有一个直径为0.08毫米(0.0032英寸)单一的孔。在容器外部的相对湿度维持恒定，在4个月的时间内进行3次测试，一次按照10％的相对湿度、一次按照90％的相对湿度、第三次按照58％的相对湿度，均是指由电池电解液维持的相对湿度。在每一个实例中，电池在4个月的时间内能很好地工作。

在一对照测试中，未将容器和电池敞露，维持相同的相对湿度状态。按照10％的相对湿度和按照90％的相对湿度，在每一个实例中在一个月之后，电池不能工作，而在按照58％的相对湿度时，电池对于所有测试都能持续正常工作。

因此，已对用于电子器具的改进容器进行了介绍，其可以利用标准高电流锌/空气电池和延长其使用寿命。壳体本身控制水蒸气的进出流量，减慢相对湿度状态的变化，这种相对湿度状态的变化会缩短电池寿命。壳体还控制向包含锌/空气电池的储气小室提供氧的流量，以便使其更密切地与电子器具的需要相匹配。按照改进的结构，壳体具有上述的优点，不过还应使其阻止由于配置的膜片产生的液体，以防止水进入。膜片能保证气流通过节流通道，用于控制在壳体内侧的电池的使用，同时与节流通道一起起作用以降低水蒸汽的进出。

通过减慢水蒸汽向电池所在的储气小室内的扩散以及由其向外的扩散，电池寿命明显增加。

虽然已对被认为是本发明的优选实施例和其几种改进方案进行了介绍，希望在所提出的权利要求中使所有这些改进都落入到本发明的构思和范围内。

Claims (16)

1.一种用于减慢水蒸汽进出高电流容量的金属空气电池的容器，该电池连接到需要低平均电流的电子器具，所述金属空气电池以及所述电子器具两者都配置在所述容器的内部，所述金属空气电池具有用于允许氧流动的空气入口，所述容器包含：

密封壳体，形成一储气小室，用于容纳所述金属空气电池，所述壳体具有一形成一节流通道的壁，所述通道连通在所述储气小室和壳体外侧的大气之间，且其尺寸允许预定流量的空气进入所述储气小室，仅充分满足电子器具的所述低平均电流需要。

2.根据权利要求1所述的容器，其中该节流通道包含在所述壁中的至少一个孔。

3.根据权利要求1所述的容器，其中该节流通道是在所述壁中的一个孔，其直径在0.05毫米-0.1毫米之间。

4.根据权利要求1所述的容器，其中所述壳体还包含一疏水性可透气元件，其在节流通道和壳体外侧的大气之间形成一个小室，并适合于阻塞液体进入所述小室，以及还适合于允许预选的流量的氧进入到所述小室，足以满足该电子器具的所述低平均电流的需要。

5.根据权利要求1所述的容器，其中所述壳体包含一可取下的盖，用于进出该金属空气电池，所述壁配置在所述盖中。

6.根据权利要求1所述的容器，其中所述壳体形成有第一和第二间隔，分别用于所述金属空气电池和所述电子器具，以及包含一可取下的盖，用于进出第一间隔，所述储气小室位于在第一间隔中。

7.一种用于延长高电流容量的金属空气电池寿命的容器，该电池连接到需要低平均电流具断续需要高电流类型的电子器具，所述金属空气电池以及所述电子器具两者都配置在所述容器的内部，所述金属空气电池具有其尺寸适于允许足够的氧流动以满足高电流的需要，所述容器包含：

密封壳体，形成一储气小室，用于容纳所述金属空气电池，所述密封壳体具有一形成一节流通道的壁，所述通道连通在所述储气小室和壳体外侧的大气之间，且其尺寸允许预定流量的空气进入所述储气小室，仅充分满足电子器具的所述低平均电流需要，所述储气小室的体积是预选的，以便当节流通道被阻塞时持续预定的时间满足预定的平均耗电流。

8.根据权利要求7所述的容器，其中该节流通道包含在所述壁中的至少一个孔。

9.根据权利要求7所述的容器，其中该节流通道是在所述壁中的一个孔，其直径在0.05毫米至0.1毫米之间。

10.根据权利要求7所述的容器，其中所述壳体还包含一疏水性可透气元件，其在节流通道和壳体外侧的大气之间形成一个小室，并适合于阻止液体进入所述小室，以及还适合于允许预选的流量的氧进入到所述小室，足以满足该电子器具的所述低平均电流的需要。

11.根据权利要求7所述的容器，其中所述壳体包含一可取下的盖，用于进出该金属空气电池，所述壁配置在所述盖中。

12.根据权利要求6所述的容器，其中所述壳体形成有第一和第二间隔，分别用于所述金属空气电池和所述电子器具，以及包含一可取下的盖，用于进出第一间隔，所述储气小室位于在第一间隔中。

13.一种结合电子手表机芯使用的防水手表外壳，该手表机芯由至少一个高电流锌/空气电池提供为计时需要范围在2-250微安的耗电电流以及有时范围在2-12毫安的电流，从而形成低平均耗电电流，手表机芯和锌/空气电池两者都配置在所述手表外壳的内部，手表外壳包含：

密封壳体，形成一储气小室，用于容纳锌/空气电池，所述壳体具有一形成有一个孔的壁，以及一疏水性可透气膜片覆盖所述孔，所述壁形成有一由所述孔引到所述储气小室的节流通道，所述节流通道适合于允许预定流量的氧进入所述储气小室，仅充分支持所述电池按照所述低平均耗电电流连续工作，所述膜片适合于允许预定流量的氧进入所述节流通道，充分支持所述电池按照所述低平均耗电电流连续工作。

14.根据权利要求13所述的容器，其中该节流通道是在所述壁中的直径在0.08毫米量级的一个孔。

15.根据权利要求13所述的容器，其中该孔具有的直径在1.75毫米量级以及该膜片为GORE-TEX@型的。

16.根据权利要求13所述的容器，其中该节流通道和膜片是经选择的，以便支持电池按照2毫安的量级的低平均耗电电流的工作。

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