JP6275621B2

JP6275621B2 - 容器の防爆弁の構造

Info

Publication number: JP6275621B2
Application number: JP2014215335A
Authority: JP
Inventors: 小西　晴之; 晴之小西; 寛子落合
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: CN105546173B; KR20160047407A; CN105546173A; KR101805264B1; JP2016081867A

Description

本発明は、飲料容器、電解コンデンサ容器や電池容器等の密封構造をなす容器の防爆弁の構造に関するものである。

従来の密封構造をなす容器、例えば、リチウムイオン二次電池の容器においては、電池の充放電や使用環境下の温度上昇によって内部圧力が上昇することがあり、この内部圧力で電池容器が変形したり、さらには破裂する危険性を抱えている。このような電池容器の破裂を防ぐため、破裂しない程度の内部圧力で電池容器の一部が開裂して内部圧力を開放するような防爆弁が設けられている(特許文献１参照)。この防爆弁を低コストに製作するためには、防爆弁を電池容器の蓋と一体に成形することが望ましい(特許文献２参照)。

上記特許文献２に記載された防爆弁２０として、塑性加工の一種であるコイニング加工により、図７に示すような電池容器の蓋１０（厚さｔ_１（後記図８参照））に蓋１０の周辺部より薄肉に形成された薄肉平坦部３０（厚さｔ_２（後記図９参照））と、薄肉平坦部３０に線状に（陸上競技のトラックのように）形成された破断用溝部４０と、を備えた構造のものが知られている。

図８は、図７に示す蓋１０に設けられた防爆弁２０の構造を詳細に示すためのＣＣ断面図である。また、図９は、図８に示す防爆弁２０の構造をより詳細に示すため、曲線オで囲まれた部分を拡大した拡大断面図である。

図８および図９において、破断用溝部４０は、破断用溝部４０の肉厚を規定している幅Ｗ_３の平坦状底部４０ａと、この底部４０ａから薄肉平坦部３０まで立ち上がる対向した傾斜両側壁４０ｃ、４０ｄと、により形成された略Ｖ字形の断面形状（開口部の幅はＷ_４）をなしている。そして、傾斜側壁４０ｃの傾斜角度θと傾斜側壁４０ｄの傾斜角度θはともに、これまでから知られている同じ６０度である。

特開２００９−４２７１号公報特開２０１３−２４３０７５号公報

しかし、上記特許文献２に記載された破断用溝部４０が形成された場合、図８に示す破断用溝部４０の平坦状底部４０ａの下方（符号クの部分）にくびれが生じてしまうという問題点があった。

発明の目的は、破断用溝部が塑性加工により形成された場合にも、破断用溝部の平坦状底部におけるくびれの発生が防止され、かつ、前記平坦状底部の厚さも安定した容器の防爆弁の構造を提供することにある。

この目的を達成するために、第１発明に係る容器の防爆弁の構造は、
密封構造をなす容器の防爆弁の構造であって、
前記防爆弁は、
前記容器を構成する表面に、この表面の周辺部より薄肉に形成された薄肉平坦部と、塑性加工により前記薄肉平坦部に線状に形成された破断用溝部と、を備え、
この線状に形成された破断用溝部は、
前記破断用溝部の肉厚を規定している平坦状底部と、この底部から前記薄肉平坦部まで立ち上がる対向した傾斜両側壁と、により形成されたＶ字形の断面形状をなし、
前記傾斜両側壁の一方の傾斜側壁の傾斜角度θ_１が他方の傾斜側壁の傾斜角度θ_２に比べて大きくなるような構成を有したことを特徴とする容器の防爆弁の構造である。

また、第２発明に係る容器の防爆弁の構造は、第１発明に係る容器の防爆弁の構造において、前記線状に形成された破断用溝部は、曲線からなるまたは一部に曲線を含む閉曲線、あるいは、前記閉曲線の一部が不連続となる不連続閉曲線、あるいは、複数の直線が組み合わされたように形成された破断用溝部であることを特徴とする。

また、第３発明に係る容器の防爆弁の構造は、第１または第２発明に係る容器の防爆弁の構造において、
前記一方の傾斜側壁の傾斜角度θ_１が４５〜８０度であり、前記他方の傾斜側壁の傾斜角度θ_２が３５〜７０度であることを特徴とする。

また、第４発明に係る容器の防爆弁の構造は、第１〜第３発明のいずれか１つの発明に係る容器の防爆弁の構造において、
前記容器は、リチウムイオン電池用容器であることを特徴とする。

以上のように、本発明に係る容器の防爆弁の構造は、
密封構造をなす容器の防爆弁の構造であって、
前記防爆弁は、
前記容器を構成する表面に、この表面の周辺部より薄肉に形成された薄肉平坦部と、塑性加工により前記薄肉平坦部に線状に形成された破断用溝部と、を備え、
この線状に形成された破断用溝部は、
前記破断用溝部の肉厚を規定している平坦状底部と、この底部から前記薄肉平坦部まで立ち上がる対向した傾斜両側壁と、により形成されたＶ字形の断面形状をなし、
前記傾斜両側壁の一方の傾斜側壁の傾斜角度θ_１が他方の傾斜側壁の傾斜角度θ_２に比べて大きくなるような構成を有しているため、
破断用溝部が塑性加工により形成された場合にも、破断用溝部の平坦状底部におけるくびれの発生が防止され、かつ、前記平坦状底部の厚さも安定した容器の防爆弁の構造を提供することができる。

本発明の実施形態のリチウムイオン電池用容器の防爆弁の構造を示す斜視図である。図１のＡＡ断面図である。図２のア部拡大断面図である。塑性加工により破断用溝部を形成する場合の破断用溝部周辺箇所（符号イ、ウ）に発生する変形状態および応力状態を模式的に説明する模式説明図である。本発明の別の実施形態の線状に形成された破断用溝部であり、（ａ）は両端の曲線を直線で結びつけたような構成の場合の平面図、（ｂ）は４本の直線が組み合わされたような構成の場合の平面図である。本発明のさらに別の実施形態のリチウムイオン電池用容器の防爆弁の構造を示す斜視図である。従来のリチウムイオン電池用容器の防爆弁の構造を示す斜視図である。図７のＣＣ断面図である。図８のオ部拡大断面図である。塑性加工により破断用溝部を形成する場合の破断用溝周辺箇所（符号カ、キ）に発生する変形状態および応力状態を模式的に説明する模式説明図である。

本発明者らは、如何にすれば、密封構造をなす容器（例えば、リチウムイオン電池用容器）を構成する表面としての蓋の一部（略中央）に、周辺部より薄肉に形成された薄肉平坦部を設けるとともに、その薄肉平坦部にＶ字形の断面形状をなした破断用溝部を塑性加工（例えば、コイニング加工）により線状に形成した場合にも、前記破断用溝部の平坦状底部におけるくびれの発生が防止され、かつ、前記平坦状底部の厚さも安定した容器の防爆弁の構造を提供することができるのか鋭意検討した。

その結果、前記平坦状底部から前記薄肉平坦部まで立ち上がる対向した傾斜両側壁と、により形成されるＶ字形の断面形状をなした破断用溝部において、前記傾斜両側壁の一方の傾斜側壁の傾斜角度θ_１が他方の傾斜側壁の傾斜角度θ_２に比べて大きくなるような構成を有したことで、破断用溝部を塑性加工（コイニング加工）により線状に形成した場合にも、前記破断用溝部の平坦状底部におけるくびれの発生が防止され、かつ、前記平坦状底部の厚さも安定した容器の防爆弁の構造を提供することが可能であることを初めて見出した。

なお、この見出された結果は、リチウムイオン電池用容器の防爆弁の構造にのみ限定されるものではなく、飲料容器や電解コンデンサ容器等の密封構造をなす容器の防爆弁の構造にも広く適用可能である。以下、本発明について、リチウムイオン電池用容器の防爆弁の構造の場合を例示しつつ、実施形態を詳細に説明する。

（実施形態）
図１は本発明の実施形態のリチウムイオン電池用容器の防爆弁の構造を示す斜視図、図２は図１のＡＡ断面図、図３は図２のア部拡大断面図である。

図１〜図３において、１はリチウムイオン電池用容器の蓋、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは蓋１の側壁、２は蓋１の略中央に設けられた防爆弁、３は防爆弁２を構成する要素であり、蓋１の周辺部より薄肉に形成された薄肉平坦部、３ａは蓋１の表面に向けて外方に広がる傾斜壁、４は防爆弁２を構成する要素であり、薄肉平坦部３に塑性加工の一種であるコイニング加工により線状に形成した破断用溝部である。

携帯電話やノート型パーソナルコンピュータあるいは自動車用等の電源として用いられるリチウムイオン電池用容器の蓋１としては、アルミニウム合金薄板を成形素材として、その厚さｔ_１が０．５〜２ｍｍの範囲であるのが好ましい。蓋１の厚さｔ_１が０．５ｍｍ未満では、リチウムイオン電池蓋用の素材として広く使われる１０００系あるいは３０００系のアルミニウム合金薄板を蓋１の素材として用いたとしても、蓋１として要求される剛性や強度が不足する。一方、蓋１の厚さｔ_１が２ｍｍを超えると、電池容器本体をアルミニウム合金薄板としても、重量が重くなるとともに、厚さが厚くなって、上記薄肉平坦部３や破断用溝部４から構成される防爆弁２の精度の良い加工が難しくなる。さらに、破断用溝部４をコイニング加工により形成する際の、蓋１のたわみの不均一性の発生や破断用溝部４の平坦状底部４ａにおけるくびれの発生が防止され、かつ、前記平坦状底部４ａの厚さを安定させる等の加工性や耐食性等を総合に考慮すると、蓋１は耐力が３０〜１３０ＭＰａの１０００系あるいは３０００系のアルミニウム合金で、その厚さｔ_１は、０．６〜１．６ｍｍの範囲がより好ましい。

図１に示す線状に形成した破断用溝部４は、図７に示す従来技術の場合と同様に、陸上競技のトラックのような閉曲線（曲線と直線を繋ぎ合わせた閉曲線）に形成されている。しかし、コイニング加工により薄肉平坦部３に形成される線状の破断用溝部４も上記陸上競技のトラックのような閉曲線（曲線と直線を繋ぎ合わせた閉曲線；すなわち、一部に曲線を含む閉曲線の一種）に限定されるものではなく、曲線からなるまたは一部に曲線を含む閉曲線（図５（ａ）参照）、あるいは、前記閉曲線の一部が不連続となる不連続閉曲線、あるいは、複数の直線が組み合わされた（図５（ｂ）参照）ように形成された破断用溝部とすることも可能である。

また、図６は本発明のさらに別の実施形態のリチウムイオン電池用容器の防爆弁の構造を示す斜視図である。図６は、図１に示す構成を基本とするものであるため、その差異についてのみ説明する。すなわち、図６においては、図１に示す陸上競技のトラックのような閉曲線（曲線と直線を繋ぎ合わせた閉曲線）に形成された破断用溝部４の内、直線状の破断用溝部４の一部に破断用溝部４が存在しない不連続部５が設けられていることが図１との特徴的な差異である。

なお、薄肉平坦部３の厚さｔ_２（図３参照）は、７０〜２００μｍである。薄肉平坦部３の厚さｔ_２が７０μｍ未満では、前記１０００系あるいは３０００系のアルミニウム合金薄板を蓋１の素材として用いたとしても、蓋１として要求される剛性や強度が不足する。一方、薄肉平坦部３の厚さが２００μｍを超えると、後に加工される破断用溝部４の厚さを十分薄くする加工（コイニング加工）が困難となり、電池容器の内部圧力上昇に対して、電池容器の破裂を防ぐため、破裂しない程度の内部圧力で開裂せず、防爆弁の起点となれない。

次に、図２、図３を用いて、コイニング加工により薄肉平坦部３に形成される線状の破断用溝部４の断面形状について詳述する。

図２は、図１に示すＡＡ断面であり、上記陸上競技のトラックのような閉曲線の内の曲線箇所を切断した断面である。図２において、破断用溝部４は、破断用溝部４の肉厚を規定している平坦状底部４ａと、この底部４ａから薄肉平坦部３まで立ち上がる対向した傾斜両側壁４ｃ、４ｄと、により形成されたＶ字形の断面形状をなしている。

図３は、破断用溝部４のＶ字形の断面形状（図２に示す曲線アで囲まれた断面形状）を拡大し、さらに詳細に説明するための拡大断面図である。図３において、破断用溝部４の厚さ（破断用溝部４の肉厚を規定している平坦状底部４ａの残存厚さｔ_３）は、１０〜７０μｍの範囲とする。破断用溝部４の厚さが１０μｍ未満では、前記１０００系あるいは３０００系のアルミニウム合金薄板を蓋１の素材として用いたとしても、蓋１として要求される剛性や強度が不足する。一方、破断用溝部４の厚さが７０μｍを超えると、電池容器の内部圧力上昇に対して、電池容器の破裂を防ぐため、破裂しない程度の内部圧力で開裂せず、防爆弁の起点となれない。また、平坦状底部４ａの幅Ｗ_１は、特に限定されないが、加工性および強度の点で好ましくは５〜３０μｍである。また、傾斜両側壁４ｃ、４ｄの一方の傾斜側壁４ｃの傾斜角度θ_１が他方の傾斜側壁４ｄの傾斜角度θ_２に比べて大きくなるような構成を有している。例えば、θ_１＝６０度、θ_２＝４５度である。したがって、破断用溝部４の薄肉平坦部３の表面に開口している幅Ｗ_２は、上記平坦状底部４ａの幅Ｗ_１とも整合するように、
Ｗ_２＝Ｗ_１＋（ｔ_２−ｔ_３）×（cotanθ₁＋cotanθ₂）
である。本実施形態においては、θ_１＝６０度、θ_２＝４５度である場合について説明したが、必ずしもこれにのみ限定されるものではなく、容器としての要求仕様、加工性や耐食性等を総合的に考慮した場合、θ_１は４５〜８０度の範囲、θ_２は３５〜７０度の範囲で、かつθ_１＞θ_２の条件を満足していればよい。

ここで傾斜角度θ_１や傾斜角度θ_２は、立ち上がりから薄肉平坦部３までを均一な角度とせずとも、途中で角度が段階的に変わったり、途中に水平な部分や段差を部分的に設けても良い。その場合の傾斜角度θの目安は、これらの違う角度を平均した平均角度とする。

何故、本発明のような構成を採用すると、破断用溝部４が塑性加工により形成された場合にも、破断用溝部４の平坦状底部４ａにおけるくびれの発生が防止され、かつ、平坦状底部４ａの厚さも安定した容器の防爆弁の構造を提供することが可能になったのかについて、解析シミュレーションにより考察を試みた。

その結果、塑性加工（コイニング加工）により薄肉平坦部３に線状の破断用溝部４を形成する際に、防爆弁２を構成する破断用溝部４の周辺箇所（後記図４に示す符号イ、ウ）内の内部応力に特徴的な現象が現れることが判明した。なお、図４は、塑性加工（コイニング加工）により破断用溝部４を形成する場合の破断用溝部４の周辺箇所（符号イ、ウ）に発生する変形状態および応力状態を図２に示す矢印Ｂの方向から観察した（上面視）結果を模式的に説明する模式説明図である。

破断用溝部４付近の材料には紙面垂直方向から圧縮応力が加わるため、材料内は高い圧縮応力が作用し、圧力が高くなる。しかしながら、破断用溝部４の外側の位置ウでは、周方向に広がるような引張変形が加わるため、上記圧縮応力が緩和され、圧力は他の部位より低くなる。その一方で、仮に図３に示すようなθ_１＞θ_２の条件を満足させずに、従来のようにθ_１＝θ_２に設定すると、破断用溝部４の内側の位置イでは、周方向に縮むような圧縮変形が加わるので、圧縮応力がより高くなり、圧力はより高くなる。したがって、これらのイ、ウ間の圧力差により、破断用溝部４を通じての材料の移動を引き起こしてしまい、平坦状底部４ａの厚さの安定性に悪影響する（より詳細は、後記参照）。しかしながら、本発明では、図４からも明らかなように、前記した図２および図３の通り、傾斜両側壁４ｃ、４ｄの、一方の傾斜側壁４ｃの傾斜角度θ_１を、他方の傾斜側壁４ｄの傾斜角度θ_２に比べて大きくしており、蓋１の内側の位置イ（傾斜側壁４ｃ側）での周方向圧縮変形が緩和されるため、蓋１の外側の位置ウ（傾斜側壁４ｄ側）との圧力差が減少し、平坦状底部４ａの厚さの安定性も改善される。

より具体的に、上面視円弧状に設けられた破断用溝部４のＶ字形の断面形状における中央に近い、内側の箇所（符号イの箇所）の材料、すなわち傾斜側壁４ｃ側の材料に作用する圧力（圧縮応力）と、破断用溝部４のＶ字形の断面形状における中央から遠い、外側の箇所（符号ウの箇所）の材料、すなわち傾斜側壁４ｄ側の材料に作用する圧力（圧縮応力）が略同じ位になり、圧力差が減少している。

これによって、符号イの側から符号ウの側に材料が流れ出すような変形が阻止されたものと考えられる。これが、破断用溝部４の平坦状底部４ａにおけるくびれの発生が防止され、かつ、平坦状底部４ａの厚さも安定した容器の防爆弁２の構造を提供することが可能になった原因と推察している。

比較のために解析シミュレーションした結果、塑性加工（コイニング加工）により薄肉平坦部３０に線状の破断用溝部４０を形成する際に、防爆弁２０を構成する破断用溝部４０の周辺箇所（後記図１０に示す符号カ、キ）内の内部応力にも特徴的な現象が現れていることが判明した。なお、図１０は、塑性加工（コイニング加工）により破断用溝部４０を形成する場合の破断用溝部４０の周辺箇所（符号カ、キ）に発生する変形状態および応力状態を図８に示す矢印Ｄの方向から観察した（上面視）結果を模式的に説明する模式説明図である。

この図１０からも明らかなように、上面視円弧状に設けられた破断用溝部４０のＶ字形の断面形状における中央に近い、内側の箇所（符号カの箇所）の材料、すなわち傾斜側壁４０ｃ側の材料に作用する圧力（圧縮応力）は大きく、破断用溝部４０のＶ字形の断面形状における中央から遠い、外側の箇所（符号キの箇所）の材料、すなわち傾斜側壁４０ｄ側の材料に作用する圧力（圧縮応力）は符号カの箇所の圧力（圧縮応力）に比べて小さく、むしろ材料を周方向に広げる引張圧力が働いていることが分かる。

これが、傾斜側壁４０ｃの傾斜角度θと傾斜側壁４０ｄの傾斜角度θとを等しくした破断用溝部４０を塑性加工（コイニング加工）により形成した場合、図８に示す破断用溝部４０の平坦状底部４０ａの下方（符号クの部分）にくびれが生じてしまう原因と推察している。

したがって、図２のように、材料に作用する圧力（圧縮応力）が大きい側の、蓋１の内側に位置する傾斜側壁４ｃの傾斜角度θ_１を、材料に作用する圧力（圧縮応力）が小さく、材料に引張圧力が働いている側の、蓋１の外側に位置する傾斜側壁４ｄの傾斜角度θ_２よりも大きくすれば、蓋１の内外（破断用溝部４の内外両側）に位置する両側の材料に作用する圧力（圧縮応力）差を減少させることができる。そして、これによって、コイニング加工の際の破断用溝部４の平坦状底部４ａの下方に生じるくびれを抑制することができる。

このため、これら傾斜側壁４ｃの傾斜角度θ_１と傾斜側壁４ｄの傾斜角度θ_２の互いの角度差は、破断用溝部４の内側と外側での圧縮応力の差、圧縮応力と引張応力との差の程度によって、前記した角度範囲から選択すれば良い。

また、これら傾斜側壁４ｃの傾斜角度θ_１と傾斜側壁４ｄの傾斜角度θ_２の互いの角度差を設ける位置も、破断用溝部４の全長あるいは全てでなくとも、これらの圧力差が大きくなる、破断用溝部４が平面視で円弧状となる部分など、選択的あるいは部分的に選択できる。

本実施形態においては、上述したような上面視円弧状に設けられた破断用溝部４のＶ字形の断面形状についての内部応力状態について説明したが、必ずしも円弧状に設けられた破断用溝部４に関してのみに言えることではなく、平坦状底部４ａと底部４ａから薄肉平坦部３まで立ち上がる対向した傾斜両側壁と、により形成されたＶ字形の断面形状をなし、それぞれの側に圧力（圧縮応力）状態の差が生じやすい箇所には、本発明が様々な変形態様として採用可能であると推察する。例えば、図５（ａ）に示される曲線からなるまたは一部に曲線を含む閉曲線の場合は、閉曲線状の破断用溝部４ｅの内側の傾斜側壁の傾斜角度を、外側の傾斜側壁の傾斜角度よりも大きくすることが効果的である。また、図５（ｂ）の場合においては、薄肉平坦部３における破断用溝部４の位置を勘案し、上述のまたは図４で示した圧力バランスの考えに基づいて個々の直線状の破断用溝部４ｆ、４ｇの傾斜側壁の傾斜角度を決めることができる。

なお、本実施形態においては、容器の蓋に防爆弁を設ける例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、容器を構成するいずれかの表面に防爆弁が設けられていればよい。

１リチウムイオン電池用容器の蓋
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ蓋１の側壁
２防爆弁
３薄肉平坦部
３ａ傾斜壁
４、４ｅ、４ｆ、４ｇ破断用溝部
４ａ平坦状底部
４ｃ、４ｄ傾斜側壁
５破断用溝部４の不連続部

Claims

密封構造をなす容器の防爆弁の構造であって、
前記防爆弁は、
前記容器を構成する表面に、この表面の周辺部より薄肉に形成された薄肉平坦部と、塑性加工により前記薄肉平坦部に線状に形成された破断用溝部と、を備え、
この線状に形成された破断用溝部は、
前記破断用溝部の肉厚を規定している平坦状底部と、この底部から前記薄肉平坦部まで立ち上がる対向した傾斜両側壁と、により形成されたＶ字形の断面形状をなし、
前記傾斜両側壁の前記薄肉平坦部の中心側の傾斜側壁の傾斜角度θ１が他方の傾斜側壁の傾斜角度θ２に比べて大きく、
前記傾斜角度θ１が４５度以上８０度以下、前記傾斜角度θ２が３５度以上７０度以下であること
を特徴とする容器の防爆弁の構造。
前記線状に形成された破断用溝部は、曲線からなるまたは一部に曲線を含む閉曲線、あるいは、前記閉曲線の一部が不連続となる不連続閉曲線、あるいは、複数の直線が組み合わされたように形成された破断用溝部であることを特徴とする請求項１に記載の容器の防爆弁の構造。
前記容器は、リチウムイオン電池用容器であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の容器の防爆弁の構造。