專利名稱：用于為堿金屬能量轉換器填充和密封堿金屬電極容器的設備和為堿金屬能量轉換器填充 ...的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于為堿金屬能量轉換器填充和密封堿金屬電極容器的設備。本發明還涉及為使用堿金屬的堿金屬能量轉換器填充其堿金屬電極容器的方法。
這類轉換器利用一種堿金屬作為一個電極，有時作為兩個電極，放在一個電池里，其中包括放在兩個電極之間的隔離體，或稱為電解質，它由一種固體陶瓷材料構成，其電子學性質是絕緣的，但對于堿金屬的陽離子而言，它又是導體。
這種轉換器的一個具體實例是鈉硫電池，它采用液體鈉作為電池的陽極，液體硫/鈉構成的聚硫化合物作為陰極，這兩個電極由β-氧化鋁(betaalumina)固體電解質分隔開。
已經小批量制成了鈉硫電池用于實驗。在充滿適當的惰性氣體的密閉小室里進行填充作業，可以容易地填充電池里的鈉容器，在電池從小室移出之前被密封。全部操作在顯著高于鈉的熔點的溫度下進行，其典型溫度是150℃。
然而，這種技術不適于大量生產電池。因為電池必須在填充之前先在小室內加熱，然后再冷卻。再者，一旦填充過的電池已經冷卻，那小室必須開口以便把電池移出和放入新的一批電池。同時，在下一批電池被加熱和填充之前，還必須把小室內的空氣排除干凈。
GB-A-2061598描述了填充鈉硫電池的一種方法和設備，它避免了上述困難中的一部分。在所描述的結構中，每個鈉容器(或稱為鈉槽)有一個未端開口的金屬填充管從容器里伸出來。在大氣壓下將空的容器逐個加熱并連到鈉填充頭上。填充頭是專門設計的，可以密閉地插在鈉容器的填充管上。先將鈉容器內的空氣抽出，然后向抽空的容器中充鈉。然后，所設計的充鈉頭把金屬管夾斷，從而密封了容器，這樣就不會使填充管破壞密封。為方便此項操作，通常需要填充頭帶有一個供鈉管，它能通過電池的填充管伸入到鈉容器的內部，從而把鈉直接供給到容器中。要求填充頭能夠密封鈉容器的填充管，這也使填充頭的設計按上述技術指標來評價時顯得較為復雜。
根據本發明的一個方面，用于為堿金屬能量轉換器填充和密封堿金屬電極容器的設備由以下各部分組成;相互聯通的入口室、填充室和出口室;在分別把填充室與入口室和出口室密閉分開時可以依次關閉的入口門和出口門;分別通向入口室和出口室的可在密閉條件下密封的入口和出口;只有當所述入口門或出口門分別關閉時才允許打開所述入口或出口的互鎖裝置;將需要填充和密封的電極容器依次從入口室送入填充室并在完成填充和密封后再將其送入出口室的傳送裝置;用于獨立地控制入口室、填充室和出口室各自內部的氣體狀況從而為各室提供預先規定的惰性氣體壓強的抽真空裝置;至少可以獨立地控制所述入口室和填充室溫度的加熱裝置;以及用于填充和密封在填充室內的所述電極容器的填充和密封裝置。所述傳送裝置包括用于至少能托住一個所述電極容器的支架，用于引導和推動在各小室內支架的各小室中的驅動裝置，在相鄰的互通小室中的驅動裝置適用于共同支持和推進支架，把支架從一個小室經過室間打開的門送到下一個小室里。支架在傳輸方向上有足夠的長度，使傳送過程中一個驅動裝置一直保持與支架嚙合，至少等到支架與下一個驅動裝置嚙合好了為止，從而保證支架得到完全有引導的支持。
通過這種結構，使得在真空或充惰性氣體的加熱室內填充電池的工作簡化了，從而不再需要為單個填充頭對被填充的鈉容器單個密封。同時，借助于所提供的互相聯通的入口室和出口室，避免了低效率地依次重新抽空和加熱填充室。于是，入口室可用于加熱和排空電池容器，準備好在填充室已經完成前一次填充和密封作業后立即把這些容器送入填充室。與此同時，出口室能立即從填充室接收已經填充和密封的電池，而又不損害填充室中的惰性氣體狀態與操作溫度。然后，這些電池可以被冷卻和從出口室送到空氣環境中。互鎖裝置保證了在填充室里的總體氣體狀態維持不變，而傳送裝置能在整個工作過程中的適當時候在各小室之間傳送單個的電極容器或成批的電極容器。
每個驅動裝置適用于傳輸過程中方便地為支架提供一個懸臂，直至與下一個驅動裝置嚙合好並與前一個驅動裝置脫鉤之后為止。
在一個具體實施方案中，在填充室里的驅動裝置包括一條長軌，用于通過在支架上的相對的滾輪對與長軌的兩端相嚙合。在鄰近入口門處的導軌被削尖了，以便于傳送過程中導軌與所述滾輪對之間的嚙合。所述支架上的相對的各對滾輪最好安置得能夠相當嚴格地限制支架在垂直于傳送方向上的運動。但為了方便，支架在入口室和出口室中的運動並不限制得這樣嚴格，而是允許有一些這類運動。這種結構有利于把支架傳送到填充室時支架上的相對滾輪對與所述長導軌的嚙合。
利用上面描述的傳輸裝置結構，支架可以適用于把電極容器放在支架上的預定位置，而在填充室中的驅動裝置可以設計成能在填充室內把支架上的電極容器在填充臺與密封臺之間移動。該設備包括在支架上可以相互聯接的定位裝置，在填充室內可以開動它，來把電極容器分別相對于填充臺的密封臺上的填充和密封裝置精確地確定位置。所述相互聯接的定位裝置包括一個裝在支架上或裝在填充室的定位銷，它在啟動時可以縱向移動，從而嚙合到填充室或支架上的相應孔中。定位銷或相應的插孔(或者這兩者)都可削尖，以便有助于銷和孔之間的成功接合。
最好是有一個定位銷，而在填充臺和密封臺各有一個相應的定位孔。但也可以不這樣，也可以在填充室內分別裝上兩個定位銷，以便依次與支架上的共用孔相聯，從而首先把電極容器定位在填充臺，然后再定位于密封臺。
在一個最佳實施方案中，該設備可以包含一個在填充室的導向裝置，用于在填充室內支持和引導電極容器在填充臺與密封臺之間移動，還包括一個提升裝置，可以啟動它來提升前述導向裝置及其所支持的電極室，使它們與填充裝置和密封裝置進行操作聯接。
根據本發明的另一個方面，提供了用于堿金屬能量轉換器的堿金屬電極容器填充方法，其中每個容器裝有固體物質，其堿金屬相對于固體物質有較大的浸濕角(wettingangle)。該方法包括用對于堿金屬而言是惰性的氣體填充所述容器;把預定數量的堿金屬泵入容器;減少容器中所述氣體的壓強然后再提高氣體壓強從而增大固態物質被堿金屬浸潤程度等一系列步驟。
具體地說，這種容器可以是鈉-硫電池的鈉室;堿金屬可以是鈉，而固體物質可以是顆粒狀鋁，一般用作為吸收劑，以保持鈉免受污染。本發明的方法允許實現固體物質的有效浸濕并顯著減少堿金屬中存在的氣體含量。
現將參考附圖詳細地描述本發明的一個實例。這些附圖是
圖1是實現本發明的填充與密封設備的示意圖，該設備特別適用于填充鈉硫電池的鈉容器;
圖2是圖1所示設備中用于裝載十個鈉容器以供填充和密封的支架的平視圖，其中一部分繪出了截面;
圖3是圖2所示支架從一端看去的立視圖，其中一部分繪出了截面圖;
圖4是一個典型的鈉硫電池的鈉容器的截面圖，該容器可以由這些圖中給出的裝置來填充和密封;
圖5是圖1所示設備中的入口室的立視側面圖，顯示出在入口室中引導和推動圖2與圖3所示支架的驅動裝置;
圖6是圖5所示驅動裝置從一端沿A-A線(圖5)所作截面圖;
圖7是一幅立視側面圖，表示出一個支架從入口室的驅動裝置向填充室的驅動裝置傳送時的情況;
圖8是填充室中的驅動裝置從一端看去的立視圖，部分為截面圖;
圖9是穿過入口室的立視截面圖，使人可以看到通向填充室的入口門;
圖10是從一端看去的圖9所示入口門的截面圖;
圖11是從填充室一側看去的立視圖，特別表示出室內的填充頭和密封臺;
圖12和13更詳細地顯示出用于把電流收集針放入鈉容器孔中以供密封容器的部件;
圖14和圖15是分別從一側和從一端看去的填充室，圖中特別顯示出的機構用于在填充室內提升導軌以把支架上的鈉容器送去，與填充室內的填充頭、電流收集針定位頭以及密封頭相聯接。
圖16是從一端看去的填充室詳圖，其中部分為截面圖，顯示出的機構用于推動定位銷去把支架在填充室內相對于填充頭、電流收集針定位頭和密封頭精確地確定位置;
圖17是支架組件的詳細截面圖，繪出了用于接收定位銷的插孔;
最后，圖18是該設備的抽真空與供氬氣系統的示意圖。
參考圖1，該設備是由三個小室構成的密封容器。容器中的每個小室的形狀總體上看是園柱狀的，這三個小室呈同軸排列，其中外側的兩個小室比中間室直徑略小些也略短些。在圖1中由左向右，這些小室依次為入口室1、填充和密封室2以及出口室3。入口門4使入口室1與填充室2相通。出口門5與入口門4相似，使填充室2與出口室3相通。門4和門5使填充室相對于入口室1和出口室3呈密閉狀態。
入口6為入口室1提供了進入口，類似的出口7為出口室3提供了出口。入口6和出口7也可以閉合，使入口室1和出口室3分別密閉。
在這三個小室1、2和3中，每個里都有驅動裝置，它們是8、9和10，用于在小室中引導和推動支架11，在支架11上可以放置一批鈉容器，供本設備去填充和密封。
正如后面還要進一步詳細描述的那樣，驅動裝置8、9和10以及支架11的構成能使支架11從入口室進入填充室(此時入口門4開啟)時仍然得到入口室1中的驅動裝置8的支持和向前推動，直至支架11與填充室的驅動裝置9完全聯接為止，這樣它便可以再由驅動器9把它由入口室完全拉到填充室中。類似地，填充室2中的驅動裝置9與出口室中的驅動裝置10合作，在需要的時候把支架從填充室傳送到出口室。在填充室內，驅動器9推動支架11在填充臺13和雙位置密封臺之間運動，在填充臺13用鈉填充容器12，而密封臺用于密封已填充過的容器。鈉容器只在其蓋上有一個小孔供填充用，密封作業的第一步就是把通常供鈉電極使用的電流收集頭插入這個小孔。這件事是在電流收集頭插入臺14上完成的。然后將被填充過的容器由驅動裝置9移到焊接臺15，在那里把電流收集頭焊到容器的孔內，從而密封了容器。
本文后面將進一步詳細說明在填充室內進行的填充與密封操作過程。
在入口室1和填充室2中還分別裝有加熱器16和17，在示意圖中已經畫出了。這些加熱器可以作成為電的紅外線加熱器，使之適用于放到每個小室中加熱和在整個填充與密封操作過程中保持容器的溫度。最好是將鈉以熔化狀態送入每個鈉容器，因此保持容器溫度明顯高于鈉金屬的熔點是很重要的。
真空裝置18、19和20分別用于對小室1、2和3抽真空以及控制其中的氣體狀況。在填充室進行的填充和密封作業是在惰性氣體環境里進行的(典型氣體是氬氣)，并采取了措施以便在打開入口6送入供填充的新的一批鈉容器之后從入口室1中排除空氣。另一方面，真空裝置20允許在打開出口7以便從出口室中移出已填充和密封的容器之前，使出口室3中的氣壓等于大氣壓。在重新關閉出口室3之后，真空裝置20也要把全部空氣從室3中排出。
填充室的入口門4和出口門5通過氣缸21和22遙控使其開門和關門。門4和門5在關閉時被緊壓在所處位置以保證密閉，這是通過各自的機構實現的，每個機構由一組氣缸來完成，圖1中只畫出了一個，標號為23和24。
入口6和出口7一旦解鎖，可用于直接打開和關閉。但它們每個都由各自的一組氣缸鎖在閉合位置，在圖中也只畫出了一個氣缸，參考標號為25和26。
圖1所示設備的全部操作都由一個中央控制單元來控制，圖中用方框27表示。具體地說，用于控制閉鎖和操作門4、門5、口6及口7每個氣動閥都是由控制單元27進行遙控的。控制單元27的結構提供了一種互鎖功能，這樣，除非通向填充室2的入口門4處于閉合位置(由氣缸21控制)并且由氣缸23緊壓在所處位置，否則入口6便不能由氣缸25打開。類似地，除非填充室2和出口門5處在閉合位置(由氣缸22控制)並由氣缸24緊壓在所處位置，否則出口門7便不能由氣缸26來解鎖。
通過這種辦法，便可以保持填充室2里的整個氣體環境不必考慮偶而打開入口6和出口7以送入和取出成準鈉容器時對填充室2內的氣體環境所造成的影響。
現在來參看圖2和圖3，圖中更詳細地繪出了支架11，用它可將一批鈉容器輸送通過圖1所示的密封容器。可以用本設備填充的鈉容器的典型結構如圖4所示。鈉容器包括一個固體電解質(通常為β-氧化鋁)杯30。電絕緣械α-氧化鋁(alphaalumina)蓋31粘在杯30的開口端。這個由杯30和粘在上面的蓋31組成的容器將用于填充鈉然后被密封。鈉容器為填充裝置提供了一個穿過蓋31的小孔32。一個金屬墊圈33通常用熱壓粘合劑粘在蓋31的表面以包圍小孔32，如圖中所示，在被填充和密封的鈉容器中，針34構成鈉電極的電流收集頭并通過小孔32插入容器，使之與其中的鋼34接觸，然后把針34焊到墊圈33上，使納容器完全密封起來。
當把容器加到鈉填充設備來填充和密封時，針34還設有插入到孔32中，在填充設備中即通過這個孔向容器內注入鈉金屬。通常，在鈉容器充鈉之前要在鈉容器中放入許多干燥的粒狀填充物質。例如，這種干粒物質可以包括鋁屑或鋁粉，并且希望在整個鈉硫電池的鈉電極槽內都放上這種物質，因為它提供了一種“吸收劑”的功能，在電池工作時能從電池內的鈉中把雜質清除出去。這些粒狀鋁物質是在容器送入充鈉設備進行充鈉之前放入容器的。
再參看圖2和圖3，所畫出的支架能容納十個鈉容器，作為一批供填充設備處理。支架包括一個上平臺40，其上有11個園孔41(見圖2)，用于接受被填充的鈉容器的杯30。中間的一個孔41不是用于接收要填充的容器，而是一個空位，有一個虛設容器用于在通過填充設備將處理過程中的溫度控制。
上平臺40是用一組支撐桿44、45從下平臺43支持在空中的。沿著一排孔41的一側有一組支撐桿44，每個孔有一個支桿(見圖2)，其中只有5個支桿44帶有絲扣部分，它們穿過平臺40延伸出去，用螺帽46把平臺40固定在支桿上。每個支桿44(鄰近中央虛設孔42的那一根除外)都從上端沿著軸向鉆了洞，通過上平臺40上面的孔可以看到這些支桿上的洞，這些洞用于接受電流收集針52(見圖3)，供上平臺上位于鄰近的孔41的各個鈉容器使用。這樣，不僅有十個開口的鈉容器放置在支架的上平臺上的各個孔41里，而且這些容器的電流收集針也放在了各相應容器的臨近位置上。
支架上的平臺43帶有滾輪(圖3)，用于與填充設備的入口室、填充室和出口室中的導軌相嚙合。滾輪47和48繞水平軸轉動，放在平臺43的兩側，它們與入口室和出口室的垂直相對導軌對相嚙合(下文將詳細描述)。另一方面，滾輪49和50繞垂直軸轉動，它們放在平臺43的下面，用于與填充室2內的水平延伸的導軌的相對邊緣相嚙合。有三組水平相對的滾輪49和50沿支架的長度方向分布。
與孔41中的虛設容器里的溫度傳感器的連線被接到一個連接塊上，它粘在平臺43的一部分53上，于是在部分53的下側面形成接觸墊片。如下文將要描述的那樣，當支架在小室1、2和3當中任何一個里的時候，都能與這些墊片相接，從而能夠連續地監視容器的溫度。
在每個容器正下方的位置上，也就是在上平臺40的每個孔41、42的正下方的位置上，有逐漸縮小的孔51向上穿過平臺43。這個穿過平臺43的孔51適用于接受本設備的填充室里的定位銷，從而使各個鈉容器相對于室內的填充臺和密封臺精確地定位。
參看圖5，在圖2和圖3中所示的支架被裝在本設備的入口室1中的傳送或者說驅動裝置上。圖5中支架代號為11(相應于圖1中使用的代號)，為了清楚起見在圖5中只畫出了支架的平臺43。
在圖5中的左手一側繪出了入口室1的入口6，支架可以從入口室穿過入口門(未畫出)送到圖5中的最右邊。圖5中繪出了支架左手端的縱向截面，從而可以看到支架一側的滾輪49。
圖6中更清楚地表現出在入口室1中支架被安裝和引導的方式，圖6是沿著圖5中的A-A線作的截面圖。從圖6可以看到，支架11在入口室中由橫向延伸的滾輪47和48支撐著。滾輪49和50(見圖3)在入口室中沒有使用，為清楚起見，在圖6中把它們去掉了。滾輪47和48分別在上下軌道對55和56以及57和58之間嚙合。滾輪48在支架11的一側，周邊有凹槽，使之與軌道57和58嚙合，對支架11提供橫向支持。垂直相對的軌道對55、56以及57、58彼此之間的間距最好使滾輪47和48分別在與上軌或下軌嚙合時能夠轉動。這樣，有一個小縫隙保證單個滾輪不能同時與上下兩根導軌嚙合。
支架11沿導軌55至58由驅動輪59實現摩擦驅動。驅動輪59是通過驅動鏈由電動馬達(圖中未畫出)驅動的，驅動鏈包括離合器與制動器組件60、轉動真空密封61、撓性驅動耦合器62以及等徑直角斜齒輪63和64。
在導軌55至58的另一端，如圖5中的軸承65所指出的位置上還有一個與輪59相對應的摩擦驅動輪。這第二個驅動輪通過驅動帶連到第一個驅動輪的軸上。在圖6中示出了該驅動帶一端的滑輪。
在入口室1中有位置傳感器，用于當支架11最初引入導軌55至58時監測支架的位置，一旦支架完全與導軌嚙合便開始驅動，並在支架完全進入室內時停止驅動。當入口6完全關閉和鎖住時，抽真空裝置18便開始工作，從(入口)室中排除空氣并提供所需壓強的氬氣。與此同時，加熱器16被通電，開始對支架和鈉容器加熱直至所需溫度。
當達到所需溫度而且填充室2已準備好接收支架時，便打開入口門4并把支架從入口室1傳送到填充室2。
圖7和圖8繪出填充室2中的驅動裝置，尤其是圖7給出的截面圖顯示出支架11如何通過入口門4傳送與填充室2的驅動裝置9相嚙合。在圖7中右手邊是入口室，而左手邊是填充室。
在通過入口門傳送支架時，支架被入口室中的驅動裝置向前驅動，從而從驅動裝置那里穿過入口門延伸過去，仍以懸臂方式由至少兩組滾輪47和48支持著，直到支架的滾輪49和59嚙合到填充室2的水平延伸導軌70的相對一邊為止。圖8中的截面圖上可以看到導軌70，它的斜角邊緣與滾輪49和50上的凹槽相嚙合，對支架給予橫向和垂向兩種導向支持。
在把支架從小室1向小室2傳送時，來自小室1的對支架的驅動將繼續直到支架與填充室內的驅動機構的第一個摩擦驅動輪71嚙合為止。再者，小室2中的導軌70與小室1中的軌道55至58彼此相對延伸到足夠接近，從而使支架從小室1向前驅動嚙合到軌道70上的滾輪49和50的過程中得到完全的懸臂式支持，結果，支架在小室1中得到滾輪對47和48的至少一對滾輪的支持，直到第二套滾輪49、50已與小室2中的導軌70嚙合好為止。在支架被完全推入室2時，支架以懸臂方式由導軌70來支持。
傳感器監測到支架已進入室2足夠遠並與第一摩擦驅動輪71嚙合，便啟動該驅動輪把支架繼續推向小室內部。
如圖8所看到的，小室2中的驅動器由電動馬達72經過齒輪箱73、撓性耦合74、離合器和制動器單元75、第二個撓性耦合接頭76、轉動真空密封77、又一個撓性耦合接頭78、以及等徑直角斜齒輪79和80來驅動。
沿著小室2中的導軌70的長度方向提供了與輪71類似的若干附加摩擦驅動輪，以保證支架在整個穿過該室的過程中至少與一個驅動輪嚙合。這些附加的摩擦驅動輪由驅動帶經由滑輪(相應于圖8中的滑輪81)來驅動。
現在參照圖9和圖10來更詳細地描述對小室2的入口門4和出口門5。每種情況里的門都是由閉合平板85構成的，它在關閉時蓋上了穿過填充室2與其相應的外室之間的隔板87的孔86。
裝有密封板85，使之對上、下導軌88和89之間孔86的平面平行滑動，導軌88和89固定在隔板87上。通過安裝在密封板85上的滾輪90和91把密封板85安裝到導軌88和89上。安裝滾輪90和91使得可沿水平沿伸軸92、93軸向地滑動，軸92和93與密封板平面垂直，于是密封板對該平面和孔86的平面的橫向運動受到一些限制，這個橫向運動相應于滾輪90和91沿軸92和93的滑動。在密封部件85上裝有彈簧94和95推動滾輪90和91使之離開密封板85的外表面96，從而推動密封部件85使之離開圍繞孔86的底座97。
在密封板85的環形凹槽中裝有彈性密封環98，以使密封板85向底座壓住彈簧94和95時保證密封板與底坐之間的密閉性。然而，當密封板未被壓向底坐時，彈簧94和95會幫助密封板部件橫向離開底坐97，放開密封環98，從而使密封板85能滑行開啟。
密封板部件的滑行是由裝在密封容器外面的氣缸來推動的，通過操縱一個穿過隨動密封套101的活塞桿100來實現。活塞桿100作用于杠桿102，后者繞樞軸103在其下端轉動。杠桿102的上端有一個開口104，它與固定在密封板85上的雙頭螺栓105相嚙合。這樣，操作氣缸把活塞桿100沿軸向從壓力室向外拉出(通過密封套101)，便使杠桿102轉動，進而使密封板85滑行而打開室門。
當室門處于關閉位置時，如上所述，它必須被壓緊，通過緊緊地把彈簧94和95壓向底座97來壓緊彈性密封環98。壓緊密封板部件85的動作是由一組四個肘節桿106、107來實現的。每個杠桿106和107都是以固定在室壁87上的支柱108、109為中心轉動的。杠桿106、107繞軸線轉動，它們平行于密封板85平面，並帶有與滾輪110、111隨動的偏心輪，滾輪110、111位于鄰近密封板85的杠桿的兩端。這些滾輪110、111嚙合在固定于密封板85上的凸輪面(或者說斜面)112、113上，于是杠桿106、107的轉動把滾輪110、111相對于壓力容器中心向外推，從而使滾輪沿斜面112、113向上滾動，于是把密封板85壓向底座97。
肘節桿106、107由各自的氣缸114通過活塞桿115來啟動，該活塞桿與杠桿106、107的與滾輪110、111相對的兩端相連。為清楚起見，在圖中只畫出了推動下肘節桿107的氣缸114。
在圖10中，下肘節桿107處在釋放開的位置，而圖中所示上肘節桿106處于夾緊狀態，它把密封板85壓向底座97。實際上，所有的肘節桿都將同時動作，或者將密封板85壓緊或者放開它。
在圖10中還能看到，肘節桿106、107及滑面112、113的幾何形狀允許當壓緊密封板部件85時使肘節桿稍許超過密封板85的最大壓縮點，從而產生一個肘節作用。當杠桿106、107轉動到完全壓緊位置時便停止在止動點116，而它們的幾何形狀使得在密封板85上的向外壓力傾向于把肘節桿106、107推向止動點116。這樣，只有用正向作用把活塞桿115從壓緊位置拉開才能解脫其壓緊作用。
圖11是填充室2的截面圖，顯示出支架11(為使圖清晰只畫出平臺43)裝在導軌70上并由導軌70來引導。圖中示意性繪出支架11所支持的11個鈉容器120(包括一個虛設容器)。
填充室2包括一個填充臺，它含有一個填充頭121，用于將精確控制的一定量熔化鈉通過容器上蓋的開孔32(見圖4)注入到電池120之中。在本設備運行過程中，支架11在通過入口門(圖11中的左側)進入之后被沿著導軌70推動直到第一個容器正確地位于充鈉頭121處為止。在支架被推動到足以使下一個容器到達充鈉位置之前，對上一個電池便進行首次充鈉，充鈉作業將繼續進行，直到十個容器都接受了首次充鈉。然后，必須使每個容器充滿鈉，因此將支架向回推，使第一個電池回到與填充頭成一線的位置。
當所有容器都裝滿鈉后，支架11又被驅動，把第一個容器帶到電流收集針插入頭122(見圖11)下方的位置上。這個插入頭122操作時把容器所用電流收集針從支架上緊鄰容器的位置上(如參照圖2和圖3所描述過的)拾起來。針被從這個位置上拾起並通過容器頂部的孔32插入容器。然后支架11再被推動，使下一個容器到達插入收集針的位置。
沿著填充容器2，在稍遠處有一個焊接頭123。當支架11上的第4個電池被帶到插入頭122的下面以便插入電流收集針時，也就同時把第一個容器帶到焊接頭123下面的位置。這樣，當收集針被插入第4個鈉容器時，已經插入第一個容器的針被焊到墊圈33(見圖4)上，從而密封了容器。操作將一直繼續下去，直到支架上的十個容器全都充滿鈉、插入了電流收集針並被焊接上從而密封住容器為止。
充鈉頭121和焊接頭123的詳細設計與本發明無關，將不在此作進一步描述。但針插入頭122的進一步細節可由圖12和圖13清楚地看出來。與填充頭121和焊接頭123相似，插入頭122被裝在固定于填充室2內的框架組件124上。有一對沿軸向可移動且可以旋轉的傳動軸125和126向下延伸穿過填充室2的法蘭盤127并繼續延伸穿過支持框架124。這兩個傳動軸125和126沿填充室寬度方向并排放置，而圖12是沿著小室長度方向從焊接頭123看去的插入頭結構圖。導向栓129由支桿128支持，保持在與框架124相對固定的位置上。這個導向栓被定位，從而在需要插入電流收集針的鈉容器的小孔32的正上方提供一個導向孔。
取放臂130連接在傳動桿125的下端。取放臂130在其一端131有一個彈簧加載的“抓爪”，取放臂用它與電流收集針的頭部嚙合。為了能把針插入容器，傳動桿125首先要轉動到圖13中虛線所示的位置，使其抓爪131精確地位于裝在支架上的電流收集針頭的上方。然后，傳動桿125沿軸向向下移動，使抓爪與針頭機械嚙合，然后傳動桿向上運動，把針從支架上提起來。然后，借助傳動桿125，使頭130轉動90°，把針精確地移到容器蓋上的小孔32的正上方。然后向下移動傳動桿125，在導向栓129的引導下把針插入容器孔中。
連在另一個傳動桿126下端的是第二個活動臂132，它載有脫卸頂桿(strippespin)133。在上述取放臂130運行過程中，脫卸頂桿133被完全拉回和轉動到圖13中所示的位置132′。當取放臂把針插入容器孔之后，脫卸頂桿臂132便由傳動桿126來轉動，把脫卸頂桿133帶到與抓在取放臂130的抓爪里的電流收集針頭成一線的位置上。然后借助傳動桿126的軸向移動把脫卸頂桿133向下放，使之與電流收集針頭嚙合並把它從取放臂130的抓爪中推出來，并把它穩固地靠在鈉容器蓋上。
然后，把脫卸頂桿從取放臂抽回並再次轉回到132′位置上。
再來參看圖11，載有支架11的導軌70本身裝在一個中間支撐框架140上，這個框架可在室2內相對于框架124作垂直運動。載有導軌70和支架11的中間支持框架140能借助于支持傳動桿141的垂直軸向運動使其整個地上升。傳動桿141穿過填充室2的外壁142中的軸向密封套向外延伸。圖14和圖15更詳細地顯示出這種提升機械的構造。兩個支持傳動桿141借助于偏心輪143而動作偏心輪143作用于偏心輪隨動滾輪144，后者裝在延伸到壓力室壁142外部的傳動桿141的下端。偏心輪143裝在傳動桿145上，它縱向延伸到園筒形壓力室的下面。通過氣缸作用于杠桿146使傳動桿145轉動，從而轉動偏心輪143以提高和降低支持傳動桿141，進而提高和降低框架141及載有支架11的導軌70。
支架11的升降動作使單個鈉容器能在需要時被帶到與填充頭121、插針頭122和焊接頭123相聯接的地方。
這樣，當支架沿著導軌70被推動，從而把一個新的容器送到操作頭121、122和123當中的一個的下面時，支架保持在較低位置上。一旦容器被正確地放在操作頭要求的位置上，支架便被提升(借助偏心輪143、傳動桿141)，把容器按需要與操作頭聯接。
值得重視的是，每個鈉容器相對于操作頭121、122和123精確地定位是至關重要的。為此，在填充室2中裝有定位銷150、151，它們可沿軸向移動以便與支架11上的平臺43的插孔51(圖3)相嚙合。這樣，支架首先被推到近似于所需的位置上，把要處理的容器正放在操作頭121、122和123下面，然后，定位銷150和151被向上推，使之與支架上的一個或多個孔51牢固地嚙合，于是把支架可靠地放在了正確的位置上，保證了所選容器與所需操作頭的聯接。
圖16和圖17說明了定位銷150、151的運行機構。每個帶標號的定位銷150、151裝在一個固定在于框架153上的軸承152里，從而可以沿軸向移動，框架153又固定在小室2中。每個定位銷150的下端聯接杠桿臂154的一端，杠桿臂154的另一端與旋轉軸155相連。旋轉軸155與用于定位銷150和151的傳動桿154相互連接，而旋轉軸155本身可在固定于室2內的軸承156之間轉動。另一個活動杠桿157連在旋轉軸155上，在杠桿154和杠桿157之間，通過活塞桿158(它借助軸向密封套穿過室2的壁142向外延伸)與氣缸159相連。
這樣，操作氣缸159使活塞桿158向上移動(見圖16)，轉動旋轉軸155，于是使定位銷150、151沿軸向向上運動。
圖17顯示出支架11的平臺43的截面，特別顯示出定位銷150、151的哪一個能夠插入其中的孔51。應該指出，穿過導軌70有孔160，它們也正好與定位銷150、151相對，允許定位銷穿過導軌再與孔51嚙合。
現在再結合圖18來描述使用上述附圖所示設備的操作過程。圖18是抽真空系統的示意圖，該系統用于獨立地控制本設備三個小室中各自的氣體環境，構成了圖1中所示的分立系統18、19和20。應該理解，本設備的全部功能都可以由控制單元27來遙控，該控制單元可以包括一個使過程自動化的可編程序控制器。
首先，一個如圖2和圖3所示的支架裝上了如前所述的鈉容器和電流收集針。在通向入口室的入口6開啟之前，入口室通過打開閥門V7(由控制單元27控制)使室內氣壓等于大氣壓。當入口室氣壓與外界相等并且通向填充室2的入口門4是緊閉的時候，由控制單元27啟動開門按鈕以使入口6解鎖，從而使它能夠被打開。然后，載有鈉容器的支架11便被引到入口室的軌道系統上，并被完全拉入入口室，正如前面所描述的那樣。
如前所述，支架上的中央容器位置上有一個虛設的鈉容器，其中裝有溫度傳感器，當支架被完全拉入入口室后，由螺線管操縱的開關觸點把這個溫度傳感器與控制單元27相連。在該最佳實施方案中，當負重臂在入口室中轉動并使安置的彈性接觸指與支架平臺43下側的接觸墊片(如前所述)相嚙合時，即構成了這些開關觸點。當支架被推入入口室的時候，負重臂由螺線管操縱從接觸點位置轉開。當支架處在正確位置以后，螺線管能被斷開電源，讓負重臂擺動下來，把接觸指壓在接觸墊片上。
當入口6隨后被關閉和鎖住時，在入口室中的加熱器16便被加上電源，開始把鈉容器的溫度提高到所需溫度，例如150℃。與此同時，關閉閥門V7，入口室通過閥門V1和泵RP1被抽空到壓強為1×102毫巴(mbarAbs)。在抽空之后，入口室可以打開閥門V8來充以氬氣，使壓強回升到1巴(barAbs)左右。
然后，入口室維持在這個氬壓整和所需150℃的溫度，直到填充室準備好接收下一批裝載時為止。
當填充室可以使用時，它必然是已經把上一批填充過的容器送入了出口室，而它本身處在壓強略高于1巴(barAbs)的氬氣之中，其溫度處在150℃。
于是，入口門固定栓在控制單元27的控制下被解鎖，當然這是在控制單元檢測到入口已經閉鎖的情況下實現的。因為在填充室中的壓強略高于入口室中的壓強，門4的密閉部件便在解鎖門栓時被從底坐上推離，于是能夠滑行打開。
然后，入口室中的加熱器被關掉;通過給螺線管加電使負重臂被拉回，從而把虛設容器中的溫度傳感器切斷。然后，入口室中的驅動裝置被連上，把支架向前推，通過入口門，再使支架與填充室中的驅動裝置嚙合，后者接著把支架完全拉入填充室中。當支架完全進入填充室2之后，入口門4重新關閉并壓緊到位。當支架在入口室中等待的時候，泵RP1可能已被調用去對出口室抽真空。這時閥門V1是關閉的，在入口室中的壓強接著由打開閥門V5和運行泵RP2來維持。一旦把支架送入填充室并重新關閉入口門4之后，即關閉閥門V5，氣門閥V7重新打開，讓入口室恢復到大氣壓，以便接收下一個支架。
在填充室2中，虛設容器中的溫度傳感器被接通，從而可以始終監測容器的溫度。正如在入口室中那樣，傳感器的連通是通過一個負重臂來實現的，當把一個螺線管斷電時，負重臂被釋放，從而使觸點接觸。然而，在填充室里的負重臂的安裝結構使它能沿著室內的一個導軌在平行于支架運動的方向上滑動。在負重臂上的一個附加指與支架平臺43下側上的小口相嚙合，這樣，當負重臂被放開從而使觸點指與觸點墊片相聯時，這附加指便與小口相嚙合，于是支架以后的運動便拉著負重臂沿它的導軌滑動。一個螺線形引線與負重臂相連，提供了電引出線，這樣當支架在室中被往復驅動時能連續保持與溫度傳感器接通。
在填充室2中的氣壓是由泵RP2經閥門V4和V6來維持的。在入口室中的驅動裝置把支架帶入填充室，把第一個容器放在填充頭處，定位銷(圖11中的150、151)的動作使第一個容器被正確地確定位置。然后支架被提高(如參照圖14和圖15所描述的那樣)，從而使充鈉頭的充填嘴插入第一個容器蓋上的孔中。然后充鈉頭向第一個電池注入第一部分液態鈉。
在此之后，支架被降低，定位銷150和151被撤回，啟動驅動裝置把支架向前推，使下一個容器到位，于是對第二個容器重復填充過程。當全部十個容器接收了第一部分熔液鈉之后，控制單元使小室抽空到1×10-1毫巴(mbarAbs)，抽空作業是使用輔助泵MB1及前級泵RP1實現的，此時讓閥門V6關閉而閥門V4和V2開啟。然后，填充室通過打開閥門V9用氬氣重新加壓，使壓強恢復到1巴。
這一步驟是必須的，這是為了迫使鈉容器中的鈉滲入到容器中的粒狀鋁填充物質吸收劑中去。可以加入足夠量的鈉，這樣在重新加壓時粉末狀或碎屑狀的鋁顆粒能完全被鈉復蓋。然后對這十個容器重復填充過程，使在每個容器中再加入鈉直至填滿容器。通常第二次注入的鈉量比第一次注入的少些。
一旦完成了這最后一次填充過程，閥門V4和V2重又打開，用泵MB1和RP2使填充室壓強減小到880毫巴，然后閥門V4和V2重又關閉。然后支架被驅動，把第一個容器帶到針插頭14(見圖1)下面，同時重新啟動定位銷，使支架放到適當的位置。然后支架象以前那樣升高，啟動針插頭把電流收集針插入支架上的第一個容器。
接著，支架再次下降并被向前推動，對支架上的第二個容器重復這一過程。
當電流收集針被插入支架上的第4個容器時，已經插入針的第一個容器將正好在焊接頭15(見圖5)下面，這樣，對第一個容器的焊接與第4個容器上插入電流收集針是同時進行的。
沿著支架依次對每一個容器繼續焊接和插針動作，跳過中間的虛設容器，直到針插入第10個容器，同時焊接第7個容器。然后把第8、第9和第10個容器依次送到焊接頭完成焊接和密封全部容器。
全部10個容器應該在880毫巴氬氣環境中在150℃溫度下完成充鈉和適當密封。當全部容器完成之后，支架返回初始位置，在那兒把溫度傳感器切斷線路。然后，關掉填充室內的加熱器17，當出口室3準備好的時候，支架被推出口門5。當出口室壓強恰好低于880毫巴而且出口7是閉鎖狀態時，出口門5能被解鎖和打開。然后支架被從填充室推出，使它與出口室驅動裝置10嚙合，后者把支架完全拉入出口室，這時門5重新關閉和壓緊，這時填充室2立即準備從入口室接收新的支架。
在出口室里，在虛設容器中的溫度傳感器重新被接通，從而在容器冷卻過程中能監測它們的溫度。一旦容器溫度已降到預定值，便打開通向外界的通氣閥V10，使出口室壓強等于大氣壓。然后斷開虛設容器中的溫度傳感器，這時如果中央控制單元檢測到出口門5是閉鎖的，便對出口7解鎖。當出口7打開后，其上裝有充鈉和密封過的容器的支架便可以移出去，以便卸掉容器和作進一步處理。
然后出口室和出口7被關閉和鎖住，關閉通氣閥門V10，打開閥門V3，于是用泵RP1把出口室壓強減至1×10-1毫巴。在此之后，關閉閥門V3，打開閥門V11，用氬氣充入出口室，使氣壓達到880毫巴。然后出口室便重新準備好從填充室接收新的一批已處理過的容器。
權利要求
1.為堿金屬能量轉換器填充和密封堿金屬容器的設置，包括互通的入口室、填充室和出口室；能夠關閉以便把填充室分別與入口室和出口室密閉隔開的入口門和出口門；分別通向入口室和出口室的可以密封的入口和出口；只有當所述入口門或出口門關閉時才允許打開所述入口或出口的互鎖裝置；用于把要填充和密封的堿金屬容器順序地從入口室送入填充室以及在完成填充和密封后把它們從填充室再送入出口室的傳送裝置；獨立控制入口室、填充室和出口室各自的內部氣體狀態以便在所述各室中造成預定惰性氣體壓強的抽真空裝置；至少夠獨立控制所述入口室和填充室溫度的加熱裝置；以及在填充室內填充和密封所述容器的填充和密封裝置，所述傳送裝置包括至少能支持一個所述電極容器的支架以及在每個所述小室里的用于在各室引導和推動支架的驅動裝置，在相鄰的互通室內的驅動裝置適用于合作支持和推動支架通過兩室之間的開門從一個所述小室進入下一個小室，支架在傳送方向上有足夠長度，以保證在傳送過程中至少當支架與下一個驅動裝置嚙合之前能保持與一個驅動裝置完全的引導與支持的嚙合。
2.根據權項1所述的設備，其中每個驅動裝置適于在傳送過程中對支架提供懸臂支持，直到支架與下一個驅動裝置嚙合並與前一個驅動裝置解除嚙合為止。
3.根據權項1所述的設備，其中在填充室的驅動裝置包括一個長軌，用于在其兩側與支架上的相對滾輪對相嚙合，長軌鄰近于入口門的一端被削尖，以利于傳送過程中軌道在所述滾輪對之間的嚙合。
4.根據權項3所述的設備，其中相對的滾輪對被安排得足以能夠限制支架在垂直于傳送方向上的運動。
5.根據權項4所述的設備，其中在入口室和出口室的驅動裝置允許支架在垂直于傳送方向上有預定程度的運動。
6.根據權項1所述的設備，其中的支架適用于把所述電極容器放在支架上的預定位置，在填充室中的驅動裝置能在填充室內的填充臺和密封臺之間推動支架上的電極容器，該設備包含有放在支架上和填充室中的可互相嚙合的定位裝置，它啟動后可以把電極容器分別相對于填充臺和密封臺上的填充與密封裝置精確地定位。
7.根據權項6所述的設備，其中所述可互相嚙合的定位裝置包括裝在支架上或填充室中的定位銷，它可以縱向移動並分別與填充室或支架上的相應孔相嚙合。
8.根據權項7所述的設備，其中至少有一個定位銷和所述孔是削尖的，以利于銷和孔之間的可靠嚙合。
9.根據權項7所述的設備，其中有單個的所述定位銷，而對每個填充臺和密封臺各有自己的相應插孔。
10.根據權項7所述設備，其中約少有兩個定位銷裝在填充室里，依次與支架上的公用孔相嚙合，從而先把電極容器定位于填充臺，然后再定位于密封臺。
11.根據權項1所述設備，在填充室中含有導向裝置，用于支持和引導電極容器在填充室內的填充臺與密封臺之間移動;含有提升裝置，用于提升導向裝置及所支持的電極容器，使其與填充和密封裝置實現操作聯接。
12.為堿金屬能量轉換器填充堿金屬電極容器的方法。這里每個容器裝有固態物質，堿金屬對于這種固態物質有較大的浸濕角。所述方法的步驟包括用相對于堿金屬為惰性的氣體填充所述容器;向容器中泵入預定量的堿金屬;減小容器中所述氣體的壓強，然后再增大氣體壓強以增大堿金屬對固態物質的浸濕程度。
13.根據權項12所述的方法，其中容器最初在預定氣壓下填充所述氣體，在所述降低壓強步驟之后，其壓強再重新提高到預定壓強。
14.根據權項12所述的方法，還包含有另一步驟在氣壓重新提升之后，把另一部分預定量堿金屬泵入容器。
15.根據權項12所述方法，其中的固態物質是一種吸收劑。
16.根據權項15所述方法，其中的吸收劑是鋁粉或鋁屑。
17.根據權項12所述的方法，其中所述堿金屬的預定量是在提高氣體壓強后足以完全復蓋固態物質所需要的堿金屬量。
18.根據權項14所述的方法，其中預先確定的堿金屬量超過再次充入的堿金屬預定量。
19.根據權項12所述的方法，其中的容器被放在充滿所述氣體的壓力室的內部。
20.根據權項19所述的方法，其中容器內氣體壓強的變化是通過改變壓力室內氣體壓強來實現的。
全文摘要
一種用于為堿金屬能量轉換器填充和密封堿金屬電極容器的設備，包括入口室，填充和密封室以及出口室，盛有堿金屬容器的支架可以被傳送穿過各室，每個室中對支架的驅動裝置帶有懸臂以利于各室間的傳送，同時在填充和密封室內支架相對于傳送方向的橫向運動受到限制。一種為堿金屬能量轉換器填充堿金屬電極容器的方法，其中容器周圍氣體壓強先被降低然后再提高，以減小堿金屬中不需要的氣體的含量。
文檔編號H01M10/38GK1031780SQ88104788
公開日1989年3月15日 申請日期1988年8月3日 優先權日1987年8月7日
發明者戴維·里利, 邁克爾·史泰克波萊 申請人:克勞賴德塞蘭特電力公司