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Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Sekundärzelle mit
mindestens jeweils einer ein aktives Material umfassenden positiven
und einer negativen Elektrode, die unmittelbar in einem einen Teil
eines aktiven elektronischen Hörimplantats
bildenden, hermetisch dichten Schutzgehäuse aufgenommen sind, dessen
Außenseite
als Ganzes biokompatibel ausgestaltet ist und das mindestens ein
dem Erfassen eines vorbestimmten unzulässigen Betriebszustands der
Sekundärzelle
dienendes Detektororgan aufweist, das bei unzulässigem Betriebszustand mindestens
ein Schaltorgan betätigt,
das einen Strom in einem Nachladeund/oder Entladestromkreis der
Sekundärzelle
irreversibel unterbricht.
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Bei elektrochemischen Sekundärzellen
kann es beispielsweise bei übermäßigem Laden
oder beim Entladen mit einem unzulässig hohen Strom zu einem Druckanstieg
im Inneren des Gehäuses
der elektrochemischen Sekundärzelle
kommen, der zu einer Verformung des Gehäuses führt, die so groß werden
kann, dass Chemikalien insbesondere in gasförmiger oder flüssiger Form
in großen
Mengen aus dem Gehäuse
austreten. Zur Erhöhung
der Betriebssicherheit von elektrochemischen Sekundärzellen
sind verschiedene Schutzmechanismen vorgeschlagen worden.
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Aus
US 5 411 537 A ist es bekannt, bei einem implantierbaren
aktiven medizinischen Gerät
zur Stromversorgung eine elektrochemische Sekundärzelle vorzusehen, deren Leerlaufspannung
eine im Wesentlichen lineare Funktion der Ladung der Zelle ist,
und eine Nachladung der Zelle zu beenden, wenn die Zellenspannung
einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Um ein Expandieren und Überhitzen
der Zelle zu verhindern, kann in die Zelle ein den Ladestrom unterbrechender
Sicherheitsschalter eingebaut sein.
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In
US 4 275 739 A ist ein implantierbares elektronisches
biomedizinisches Gerät
beschrieben, das von einer wiederaufladbaren Batterie gespeist wird,
die in einem hermetisch dichten Gehäuse untergebracht ist. Im voll
geladenen Zustand der Batterie liegt in dem Gehäuse ein erhöhter Gasdruck vor. Ein Kontaktelement
ist benachbart dem Batteriegehäuse angeordnet,
um eine auf die Druckerhöhung
zurückzuführende Auslenkung
des Batteriegehäuses
und damit das volle Aufladen der Batterie zu erfassen und den Ladevorgang
zu beenden.
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Aus
US
2 651 669 ist ein Akkumulator bekannt, bei dem die Elektroden
und der Elektrolyt in einem gasdichten Gehäuse untergebracht sind. Teil des
Gehäuses
ist eine Detektor membran, die ausgelenkt wird, wenn beim Aufladen
der Druck in dem Gehäuse
ansteigt. Die Detektormembran betätigt einen Schalter, der den
Ladestromkreis unterbricht.
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EP-A-0 470 726 offenbart eine elektrochemische
Sekundärzelle,
die ein zylindrisches Gehäuse mit
einer Druckmembran als Detektororgan besitzt. Das Gehäuse nimmt
die Elektroden der elektrochemischen Sekundärzelle unmittelbar auf, wobei
die Druckmembran als Teil des Gehäuses stirnseitig im Gehäuse integriert
ist und sich bei Druckanstieg im Inneren des Gehäuses wölbt, so dass ein zentrisch mit
der Druckmembran verbundenes tellerförmiges Schaltorgan einen elektrischen
Kontakt zwischen einer Elektrode und einem an der Außenseite
des Gehäuses
vorgesehenen Anschlusskontakt reversibel oder irreversibel unterbricht,
sobald der Druck im Inneren des Gehäuses einen vorbestimmten Wert
erreicht.
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Aus
EP-A-0 322 112 ,
EP-A-0 360 395 und
EP-A-0 370 634 ist es bekannt,
elektrochemische Zellen mit einem Schaltorgan zu versehen, das bei Überschreiten
einer bestimmten noch tolerierten Grenzverformung des Gehäuses einen
elektrischen Anschlusskontakt von einer zugehörigen elektrochemisch aktiven
Elektrode vorzugsweise irreversibel trennt, um eine weitere Verformung
des Gehäuses
zu verhindern. Das Gehäuse
nimmt die Elektroden unmittelbar auf und umfasst einen elektrisch
leitfähigen stirnseitig
geschlossenen zylindrischen Gehäuseabschnitt,
der mit einer Elektrode kontaktiert ist, wobei an der Stirnseite
das tellerförmige
Schaltorgan zentrisch mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffes von
außen
angebracht ist. Das elektrisch ebenfalls leitfähige Schaltorgan bildet in
seiner Grundstellung über
seinen Außenrand
eine elektrische Verbindung zwischen dem Gehäuseabschnitt und dem im Zentrum
des Schaltorgans angeordneten nach außen vorstehenden elektrischen
Anschlusskontakt. Bei Druckzunahme im Inneren des Gehäuses wölbt sich die
als Detektororgan wirkende Stirnseite des Gehäuseabschnitts nach außen, wodurch
der Kontakt zwischen dem Gehäuseabschnitt
und dem Außenrand
des Schaltorgans und somit zwischen der einen Elektrode und dem
Anschlusskontakt unterbrochen wird.
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Aus
EP-A-0 674 351 ist eine elektrochemische Sekundärzelle bekannt,
deren Gehäuse
eine von einer Druckmembran betätigbare
Schnittvorrichtung umfasst, die bei Überschreitung eines Grenzdrucks
im Inneren des Gehäuses
einen elektrischen Leiter irreversibel durchtrennt, der einen Anschlusskontakt
der elektrochemischen Sekundärzelle
mit einer elektrochemisch aktiven Elektrode verbindet.
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Auch bei Einsatz eines Schaltorgans,
welches bei Überschreitung
eines bestimmten Druckes im Inneren des Gehäuses die elektrische Verbindung zwischen
einem Anschlusskontakt und der zugehörigen elektrochemisch aktiven
Elektrode unterbricht, ist es möglich,
dass der Druck weiter ansteigt und es letztendlich zu einem Austritt
von Chemikalien aus dem Gehäuse
der elektrochemischen Zelle kommt oder dieses gar explodiert. Aus
diesem Grund wird beispielsweise in
EP-A-0 364 995 ,
EP-A-0 573 998 oder
EP-A-0 739 047 vorgeschlagen,
eine in das Gehäuse
integrierte, das Schaltorgan betätigende Druckmembran
mit einem Berstbereich zu versehen, über den nach Aktivierung des
Schaltorgans und weiterem Druckanstieg Chemikalien aus dem Inneren des
Gehäuses
austreten können.
Die im oben genannten Stand der Technik aufgeführten Mechanismen zur Erhöhung der
Betriebssicherheit von elektrochemische Sekundärzellen eignen sich nicht für solche
Zellen, die als Teil von Hörimplantaten
eingesetzt werden, da hierfür
besonders hohe Anforderungen, insbesondere in Bezug auf Sicherheit
und Zuverlässigkeit
bei gleichzeitig weitestgehender Reduzierung sämtlicher Abmessungen, erfüllt werden müssen. So
ist beispielsweise eine Kontamination umliegenden Gewebes mit toxischen
Substanzen sowie eine Gefährdung
des Implantatträgers
durch eine Fehlfunktion der elektrochemischen Sekundärzelle unter
allen Betriebsbedingungen auszuschließen. Dies ist bei elektrochemischen
Zellen, die einen Aufbau entsprechend dem beschriebenen Stand der Technik
aufweisen, nicht zu realisieren, denn es zeigt sich, dass insbesondere
toxische Gase auch bei bestimmungsgemäßem Normalbetrieb der elektrochemischen
Zelle in intolerabel großen
Mengen aus dem Gehäuse
der elektrochemischen Zellen austreten.
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Aus der älteren Anmeldung
DE 198 37 912 C1 ist ein
für eine
implantierbare Vorrichtung bestimmtes Energieversorgungsmodul mit
einem biokompatiblen, hermetisch dichten Schutzgehäuse bekannt,
das eine mehrfach nachladbare elektrochemische Batterie, zum Beispiel
eine übliche
Knopfzelle, aufnimmt und das ein Detektororgan aufweist, welches
ausgelegt oder einstellbar ist, bei einem vorbestimmten unzulässigen Betriebszustand
der Batterie mindestens ein Schaltorgan zu betätigen, welches ein Nachladen
und/oder Entladen der Batterie verhindert. Insbesondere bei einer
vorbestimmten unzulässig
großen
Volumenexpansion des Batteriegehäuses oder
einem Gasaustritt aus dem Inneren des Batteriegehäuses, der
zu einer unzulässig
großen
Druckerhöhung
im Inneren des Schutzgehäuses
führt, wird
dem Detektororgan vom Schutzgehäuse
eine Formänderung
aufgeprägt,
die das Schaltorgan betätigt.
Letzteres kann als Schließer
ausgebildet sein, der einen Nachladestromkreis elektrisch kurzschließt, welcher
mittels einer Ladevorrichtung speisbar ist.
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Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Sekundärzelle zu
schaffen, welche die spezifischen Anforderungen an Teile von aktiven
elektronischen Hörimplantaten
erfüllt,
wobei gleichzeitig der konstruktive Aufwand möglichst gering gehalten werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer
elektrochemischen Sekundärzelle
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Unter hermetischer Dichtheit wird
vorliegend vorzugsweise hermetische Gasdichtheit nach Mil-Std 883
D verstanden. Durch diese Ausführung
wird gewährleistet,
dass bei Verwendung der elektrochemischen Sekundärzelle in einem elektronischen
Hörimplantat,
das selbst wiederum in einem hermetisch dichten, biokompatiblen
Gehäuse
untergebracht sein kann, neben flüssigen toxischen Substanzen
auch keine Gase aus dem Schutzgehäuse der elektrochemischen Sekundärzelle austreten
können.
Durch die hermetische Gasdichtheit des Schutzgehäuses wird eine Gefährdung der
umliegenden Elektronik sicher verhindert; dies bedeutet, dass die
elektronischen Schaltungen, insbesondere integrierte Schaltungen, ungeschützt bleiben
können,
da eine Kontamination auch durch kleinste Mengen austretender Gase
nicht möglich
ist. Wird die elektrochemische Sekundärzelle nicht in einem Gehäuse eines
elektronischen Implantats untergebracht, sondern unmittelbar in
ihrem Schutzgehäuse
implantiert, wird durch die hermetische Gasdichtheit nach Mil-Std
883 D eine entsprechende Kontamination des umliegenden Gewebes ausgeschlossen.
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Der Begriff der unmittelbaren Aufnahme
der mindestens jeweils einen ein aktives Material umfassenden positiven
und der negativen Elektrode in dem als Schutzgehäuse ausgebildeten Gehäuse der
elektronischen Sekundärzelle
wird vorliegend in dem Sinne verstanden, dass zwischen dem hermetisch
dichten Schutzgehäuse
und den Elektroden kein weiteres die Elektroden aufnehmendes Gehäuse vorgesehen ist,
insbesondere kein Gehäuse,
welches im Wesentlichen der Aufnahme mechanischer Belastungen wie etwa
der Aufnahme von Druckkräften
durch Gasentwicklung oder dergleichen der elektrochemischen Zelle
dient und/oder welches einen elektrisch leitenden Gehäuseabschnitt
aufweist, dessen Innenseite mit einer Elektrode kontaktiert ist.
Dies schließt
nicht aus, dass zwischen wenigstens einer Elektrode und dem Schutzgehäuse eine
elektrische Isolierung oder ähnliches
vorgesehen ist, oder eine elektrische Isolierung und/oder eine biegeweiche
Umhüllung
die Elektroden umschließt.
Ferner können
im Schutzgehäuse
mechanisch Einbauten vorgesehen und/oder dieses in mehrere Innenvolumina
unterteilt sein, wobei durchaus ein Innenvolumen nur eine der Elektroden
unmittelbar aufnehmen kann.
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Es versteht sich, dass das Schutzgehäuse neben
den Elektroden weitere Bestandteile der elektrochemischen Sekundärzelle aufnimmt,
die für
den Ablauf der elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden erforderlich
sind. Dies gilt insbesondere für
einen Elektrolyten und gegebenenfalls für einen Separator (Diaphragma),
auf welchen letzteren verzichtet werden kann, wenn dessen Funktion
als ein eine Innenwanderung gestattender elektrischer Isolator vom
Elektrolyten übernommen
wird, wie dies etwa bei Polymerelektrolyten der Fall ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf bestimmte Elektroden/Elektrolytsysteme beschränkt, vielmehr
können
prinzipiell jegliche gebräuchliche Systeme
verwendet werden. Als Beispiele seien genannt: Nickel-Cadmium-Systeme
(Sinterelektroden; Masseelektroden; flüssige, pastöse oder feste Elektrolytsysteme;
Separator); Nickel-Metallhydrid-Systeme (Sinterelektroden; Masseelektroden;
flüssige, pastöse oder
feste Elektrolytsysteme; Separator); Lithium-basierende Systeme
((a) Lithium-Metall- oder -Legierungsanode, anorganische oder organische Einlagerungs-
oder Redox- oder andere Kathode; flüssiges, gelartiges, pastöses oder
festes Elektrolytsytem; gegebenenfalls Separator; oder: (b) Lithium-Interkalations-Anode,
anorganische oder organische Einlagerungs- oder Redoxoder andere
Kathode; flüssiges,
gelartiges, pastöses
oder festes Elektrolytsystem; gegebenenfalls Separator); Nickel-Eisen-Systeme;
Nickel-Zink-Systeme; Zink-Silberoxid-Systeme; Cadmium-Silberoxid-Systeme; Zink-Mangandioxid-Systeme;
Redoxsysteme wie z.B. Chinon/Hydrochinon-Systeme; oder Zink-Quecksilberoxid-Systeme
und Silber-Metallhydrid-Systeme.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
können
ferner mehr als nur eine positive und eine negative Elektrode zum
Einsatz kommen, wobei die Elektroden vom Schutzgehäuse unmittelbar
aufgenommen sind und in an sich bekannter Weise zur Spannungsvervielfachung
serienverschaltet oder bipolar angeordnet oder zur Kapazitätsvervielfachung
parallelverschaltet werden können.
Ebenfalls möglich
ist eine Kombination der genannten Verschaltungsarten.
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Als Materialien für das biokompatible Schutzgehäuse kommen
vorzugsweise Titan, Titanlegierungen, Niob, Tantal, implantierbare
Stähle
oder ein Verbund aus diesen oder anderen implantierbaren metallischen
mit keramischen Werkstoffen wie Aluminium-Oxid-Keramik in Betracht,
wobei eine Ummantelung des gesamten Schutzgehäuses mit einem biokompatiblen
Polymer, wie beispielsweise Silikon, Polytetrafluorethylen (PTFE),
Polymethan, Parylen oder dergleichen, sinnvoll sein kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfndung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So kann zusätzlich mindestens eine Überstromsicherung
zum Begrenzen oder Unterbrechen eines Stromes in dem Nachlade- und/oder
Entladestromkreis vorgesehen sein. Die Überstromsicherung kann als
Schmelzsicherung ausgebildet sein, die bei Kurzschluss von der in
der elektrochemischen Sekundärzelle
gespeicherten Restenergie durchgebrannt wird. Reicht die Energie
hierzu nicht aus, kann die elektrochemische Sekundärzelle vollständig entladen
werden. Es ist ebenso möglich,
dass wenigstens eine Überstromsicherung
den Strom im Nachlade- und/oder einem Verbraucherstromkreis lediglich begrenzt,
wobei vorteilhaft die Überstromsicherung als
Kaltleiter (PTC-Widerstand) ausgebildet ist, dessen Widerstand mit
zunehmender Temperatur ansteigt.
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Ferner kann zusätzlich mindestens ein weiteres
Schaltorgan zum reversiblen Unterbrechen eines Stroms in dem Nachlade-
und/oder Entladestromkreis vorgesehen werden. Reversibel arbeitende
Schaltorgane bieten den Vorteil, dass man ihre Funktion zerstörungsfrei,
beispielsweise im zusammengebauten Zustand im Zusammenwirken mit
anderen Komponenten der elektrochemischen Sekundärzelle bzw. der implantierbaren
medizinischen Vorrichtung, prüfen
kann. Insbesondere können
dabei mindestens ein Detektororgan zum Erfassen der Temperatur der
Sekundärzelle,
insbesondere innerhalb des Schutzgehäuses, und zum Betätigen des weiteres
Schaltorgans bei Erreichen einer unzulässigen Temperatur und/oder
mindestens ein Detektororgan zum Erfassen des Drucks im Innenraum
des Schutzgehäuses
und zum Betätigen
des weiteres Schaltorgans bei Erreichen eines unzulässigen Drucks
vorgesehen sein.
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Bei Verwendung mindestens ein weiteres Schaltorgans
zum reversiblen Unterbrechen eines Stroms in dem Nachlade- und/oder
Entladestromkreis ist mindestens ein solches Detektororgan vorzugsweise
dergestalt ausgelegt oder einstellbar, dass demselben bei einem
unzulässigen
Betriebszustand der Sekundärzelle
eine Formänderung
aufgeprägt
wird, die mindestens ein weiteres Schaltorgan betätigt. Dabei
kann das Detektororgan so angeordnet und/oder ausgebildet sein,
dass ihm in Abhängigkeit
vom Innendruck und/oder der Temperatur im Schutzgehäuse und/oder
einem Quellen der Elektroden eine elastische und/oder plastische
Formänderung
aufgeprägt
wird. Die dem Detektororgan bei einem unzulässigen Betriebszustand der
elektrochemischen Sekundärzelle
aufgeprägte
Formänderung
betätigt
zweckmäßig mindestens
ein Schaltorgan mechanisch. Eine unmittelbare mechanische Betätigung des
weiteren Schaltorgans durch die Formänderung des betreffenden Detektororgans
ist besonders zuverlässig,
da sie zwangsweise arbeitet, ohne auf nichtmechanische LJbertragungsglieder
angewiesen zu sein.
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Dies schließt nicht aus, dass, insbesondere wenn
zwei oder mehrere Schaltorgane redundant vorhanden sind, mindestens
ein Schaltorgan mittels einer die Formänderung des Detektororgans
erfassenden Auswerteelektronik betätigbar ist. Vorteilhaft wird
ein elektrischer Dehnungsmesser eingesetzt, der die Formänderung
des Detektororgans erfasst und mit Änderung einer elektrischen
Größe, die
von der Auswerteelektronik überwacht
wird, antwortet. Handelt es sich bei dem elektrischen Dehnungsmesser
um ein passives System, kann er die Formänderung des Detektororgans
in eine Änderung
seines elektrischen Widerstands (Dehnungsmessstreifen), seiner Induktivität oder seiner
Kapazität
umwandeln. Alternativ kann ein aktiver elektrischer Dehnungsmesser
eingesetzt werden, der, wie z.B. ein Piezoelement, mit einer Ladungsänderung
auf eine vom Detektororgan auf den Dehnungsmesser aufgebrachte Formänderung
reagiert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist mindestens ein Detektororgan Teil des Schutzgehäuses und
insbesondere als wölbbare
Membran ausgebildet, die vorzugsweise eine Außen- oder Trennwand des hermetisch
dichten Schutzgehäuses
bildet. Mindestens ein Detektororgan kann im Inneren des Schutzgehäuses untergebracht
sein. Dies erlaubt eine raumsparende Konstruktion und eine gut vorherbestimmbare
Formänderung
des Detektororgans bei Druckanstieg im Schutzgehäuse.
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Insbesondere die für ein Hörimplantat
besonders kritische Dicke des Schutzgehäuses lässt sich auf ein Minimum reduzieren,
wenn mindestens eine Membran in eine Seitenwand des hermetisch dichten
Schutzgehäuses
integriert ist, wobei die Wölbungsrichtung
der Membran im Wesentlichen lotrecht zur kleinsten Ausdehnung des
Schutzgehäuses verläuft. Ein
in Richtung der kleinsten Ausdehnung des Schutzgehäuses ober-
und unterhalb derselben vorgesehener Deckel bzw. Boden des Schutzgehäuses bleiben
dann sinnvollerweise frei von Detektor- und Schaltorganen, so dass
die Dicke des Schutzgehäuses
diejenige der Elektroden/Elektrolyt-Anordnung nur wenig übersteigt.
Ferner ist es möglich, mindestens
ein Detektororgan außerhalb
eines die Elektroden aufnehmenden Abschnitts des Schutzgehäuses anzuordnen
und in Fluidverbindung mit dem Inneren des Schutzgehäuses zu
bringen, so dass eine größere Freiheit
bei der Anpassung an Gegebenheiten des Implantationsortes besteht.
Eine redundante Absicherung gegen einen unzulässigen Betriebszustand der
elektrochemischen Sekundärzelle ergibt
sich, wenn beispielsweise zwei Membranen vorgesehen werden, von
denen eine als Teil eines Schließers ausgebildet und mittels
dieser Membran bei einem unzulässigen
Betriebszustand der elektrochemischen Sekundärzelle ein Kontaktpaar des Schließers elektrisch
kurzschließbar
ist. Die zweite Membran kann als Teil eines Öffners ausgebildet sein, wobei
mittels dieser zweiten Membran bei einem unzulässigen Betriebszustand der
elektrochemischen Sekundärzelle
ein Kontaktpaar des Öffners elektrisch
außer
Eingriff bringbar ist.
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Das Schutzgehäuse muss unter allen Betriebsbedingungen
eine hermetisch dichte Barriere mit Bezug auf einen außerhalb
des Schutzgehäuses befindlichen
Außenraum
bilden. Insbesondere dürfen weder
die Energiezufuhr und Energieabfuhr noch die in der elektrochemischen
Sekundärzelle
gespeicherte Energie sowie die beim Betrieb ablaufenden chemischen
Prozesse zu einer Zerstörung
der hermetischen Dichtheit führen.
Faktoren, die bei der Auslegung des Schutzgehäuses und der Materialwahl besonders
berücksichtigt
werden sollten sind: Chemische Einwirkungen des Elektrolyten und
der Elektroden auf das Schutzgehäuse
bei Lager- sowie Betriebstemperatur; Elektrochemische Prozesse im
Innenraum des Schutzgehäuses
aufgrund aller denkbar möglichen
Lade- bzw. Entladevorgänge;
Mechanische Belastungen des Schutzgehäuses infolge chemischer, elektrochemischer
oder physikalischer (insbesondere thermischer) Prozesse wie z.B.
Gasentwicklung im Inneren des Schutzgehäuses, Quellen der Elektroden, Änderungen
des Umgebungsdrucks, Erwärmung
durch Energiezufuhr oder Energieabfuhr und Änderung der Lagertemperatur.
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Ein geeignetes Schutzgehäuse lässt sich insbesondere
als hermetisch dichter stoffschlüssiger Verbund
zwischen wenigstens einem elektrisch leitenden metallischen Gehäuseabschnitt
und mindestens einem elektrisch isolierenden anorganisch-nichtmetallischen
Gehäuseabschnitt
erzielen. Die Gehäuseabschnitte
werden bevorzugt miteinander verschweißt, können aber auch mittels eines
Lötvorgangs
miteinander hermetisch dicht verbunden werden.
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Materialien, die insbesondere chemisch
inert gegenüber
den üblicherweise
verwendeten Elektroden/Elektrolytsystemen sowie beständig mit
Bezug auf die ablaufenden elektrochemischen Prozesse sind, umfassen
Metalle und Edelmetalle, die eine Passivierungsschicht gegen chemische
Zersetzung bilden. Hierzu zählen
unter anderem: Platin, Chromnickelstahl, Nickellegierungen, Titan,
Tantal und Niob. Als anorganisch-nichtmetallische Isolatorwerkstoffe
werden vorzugsweise Keramikwerkstoffe eingesetzt, die mit dem mindestens
einen metallischen Gehäuseabschnitt
stoffschlüssig
hermetisch dicht verbindbar sind.
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In mindestens einem elektrisch isolierenden anorganisch-nichtmetallischen
Gehäuseabschnitt lässt sich
eine mindestens einpolige elektrisch leitende Durchführung hermetisch
dicht und elektrisch isoliert aufnehmen. Dabei kann der Isolatorwerkstoff
einer elektrischen Isolierung der Pole der Durchführung sowohl
untereinander als auch mit Bezug auf angrenzende elektrisch leitende
metallische Gehäuseabschnitte
dienen.
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Vorzugsweise weist mindestens ein
Pol der hermetisch dichten Durchführung einen metallischen Kontaktstift
auf, der den elektrisch isolierenden anorganisch-nichtmetallischen
Gehäuseabschnitt
hermetisch dicht durchsetzt. Die Kontaktstifte sind zweckmäßig in dem
Isolatorwerkstoff, beispielsweise in einem keramischen Substrat,
und dieser seinerseits in einer Außenwand des Schutzgehäuses hermetisch dicht
mittels einer stoffschlüssigen
Verbindung, vorzugsweise einer Lötverbindung,
insbesondere einer Goldlötverbindung,
aufgenommen. Als besonders geeignete Werkstoffe für den Kontaktstift
können
Platin-Iridiumlegierungen
betrachtet werden.
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Es kann von Vorteil sein, dass die
Kontaktstifte in dem elektrisch isolierenden anorganisch-nichtmetallischen
Gehäuseabschnitt
und dieser in einer metallischen Aufnahme hermetisch dicht mittels
einer stoffschlüssigen
Verbindung aufgenommen sind, wobei die metallische Aufnahme mit
einer Außenwand
des Schutzgehäuses
ebenfalls stoffschlüssig
verbunden ist. Zur Verbindung der metallischen Aufnahme mit der
Außenwand
des Schutzgehäuses
kann eine Schweißverbindung
eingesetzt werden.
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Die Durchführung kann prinzipiell ein-
oder mehrpolig ausgeführt
sein, wobei vorteilhafterweise mindestens ein Pol der hermetisch
dichten Durchführung
mit einer Elektrode der elektrochemischen Sekundärzelle kontaktiert ist. Mittels
der hermetisch dichten Durchführung
ist jedoch nicht nur eine Energie- sondern prinzipiell auch eine
Signalübertragung durch
eine Wandung des Schutzgehäuses
möglich. Beispielsweise
kann mittels eines Pols der Durchführung ein Potential einer Potentialsonde
durch die Schutzgehäusewandung
durchgeführt
werden, wobei die Potentialsonde insbesondere im Elektrolyten zwischen
einer positiven und einer negativen Elektrode der elektrochemischen
Sekundärzelle
angeordnet ist.
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Die Abmessungen des im Schutzgehäuse vorgesehenen,
vorzugsweise von einem keramischen Werkstoff gebildeten, elektrisch
isolierenden Abschnitts können
minimiert werden und sich auf den die Durchführung aufnehmenden Abschnitt
beschränken,
wenn die Anzahl der Pole der Durchführung der Anzahl der Energie-
und Signalabgriffe entspricht, über
welche die elektrochemischen Sekundärzelle mit weiteren Komponenten
der implantierbaren medizinischen Vorrichtung in Verbindung steht.
In diesem Fall kann das übrige
Wandung des Schutzgehäuses
in einem metallischen Werkstoff ausgeführt werden, dessen Innenseite
mit Bezug auf die Elektroden elektrisch isoliert ist.
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Auch mindestens ein elektrisch leitender
metallischer Gehäuseabschnitt
kann mit einem im Inneren des Schutzgehäuses untergebrachten Energie- oder
Signalabgriff kontaktiert werden. Insbesondere ist mindestens ein
elektrisch leitender metallischer Gehäuseabschnitt mit einer Elektrode
der elektrochemischen Sekundärzelle
elektrisch kontaktiert. Ein besonders einfacher Aufbau des Schutzgehäuses ergibt
sich, wenn die positive und die negative Elektrode der elektrochemischen
Sekundärzelle
jeweils mit einem elektrisch leitenden metallischen Gehäuseabschnitt
verbunden sind, wobei die beiden metallischen Gehäuseabschnitte
gegeneinander elektrisch isoliert sind, wobei auf eine Durchführung verzichtet werden
kann.
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Die Elektroden weisen vorzugsweise
in an sich bekannter Weise einen elektrischen Abgriff auf, der seinerseits
entweder einen Pol der hermetisch dichten Durchführung oder einen elektrisch
leitenden metallischen Gehäuseabschnitt
von der Innenseite des Schutzgehäuses
her kontaktiert. Die Kontaktierung der Abgriffe am elektrisch leitenden
Gehäuseabschnitt
oder am Pol der Durchführung
kann dabei vorzugsweise unmittelbar über Schweiß- oder Lötverbindungen, oder aber mittelbar über kraftschlüssig anliegende
elektronenleitende Zwischenglieder wie z.B. Federn, Stifte, Metallschäume oder
dergleichen realisiert werden.
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Nachfolgend sind vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen
schematischen Schaltplan mit einer in einen Verbraucher- und einen
Nachladestromkreis eingebundenen elektrochemischen Sekundärzelle;
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2 einen
schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer elektrochemischen Sekundärzelle mit
einem Schaltorgan in geschlossenem Zustand;
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3 einen
schematischen Schnitt durch die Ausführungsform nach 2 mit dem Schaltorgan in
geöffnetem
Zustand;
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4 eine
schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform
einer elektrochemischen Sekundärzelle
mit irreversibel arbeitendem Schaltorgan;
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5 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren abgewandelten Ausführungsform
einer elektrochemischen Sekundärzelle;
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6 eine
schematische Darstellung im Schnitt einer elektrochemischen Sekundärzelle mit hermetisch
dichter einpoliger Durchführung
durch eine Außenwand
eines Schutzgehäuses
zur Bildung eines Strompfads zu bzw. von einer Elektrode der elektrochemischen
Sekundärzelle;
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7 eine
schematische perspektivische Sicht auf eine weitere Ausführungsform
einer elektrochemischen Sekundärzelle
mit einem Kurzschlussschalter und einem Berststreifen als irreversiblem Öffner;
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8 eine
schematische Schnittdarstellung der Ausführungsform nach 7 und
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9 bis 17 Sekundärzellen mit abgewandelten Gehäuseausbildungen
und mit Schaltorganen, die fakultativ zusätzlich zu den erfindungsgemäß ausgebildeten,
anhand der 2 bis 8 erläuterten und in den 9 bis 17 nicht gezeigten Schaltorganen vorgesehen
sein können.
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Entsprechend der 1 weist eine elektrochemische Sekundärzelle als
Teil eines aktiven elektronischen Hörimplantats ein Schutzgehäuse 14 auf, welches
eine positive Elektrode 2, eine negative Elektrode 4,
einen Elektrolyten 12 sowie einen der Vermeidung eines
elektrischen Kurzschlusses zwischen den Elektroden 2, 4 dienenden
Separator 6 hermetisch dicht aufnimmt. Der Separator 6,
der zwischen den beiden Elektroden 2 und 4 positioniert
ist, dient als elektrischer Isolator, der jedoch eine Innenwanderung
zwischen den Elektroden 2 und 4 erlaubt. Die positive
Elektrode 2 und die negative Elektrode 4 weisen
je einen elektronenleitenden Abgriff 8 bzw. 10 auf, wobei
der Abgriff 8 mit einem elektrisch leitenden Gehäuseabschnitt 13 und
der Abgriff 10 mit einem elektrisch leitenden Gehäuseabschnitt 11 des Schutzgehäuses 14 kontaktiert
sind. Die beiden Gehäuseabschnitte 11 und 13 sind
gegeneinander mittels eines anorganisch-nichtmetallischen Gehäuseabschnitts 15 elektrisch
isoliert, welcher vorzugsweise in einem keramischen Werkstoff ausgeführt ist. Ein
weiterer elektrisch isolierender anorganisch-nichtmetallischer Gehäuseabschnitt 19 nimmt eine
elektrisch leitende Durchführung
auf, die der Durchführung
eines Signals von einem als Temperatursensor ausgeführten Detektororgan 21 dient,
welches an vorgegebener Stelle innerhalb des Schutzgehäuses 14 eine
Temperatur der elektrochemischen Sekundärzelle aufnimmt und einen unzulässigen Betriebszustand
der elektrochemischen Sekundärzelle in
Form einer unzulässig
hohen Temperatur erfasst.
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Die Gehäuseabschnitte 11 und 13 weisen
an ihren Außenseiten
je einen Anschluss 18 bzw. 16 auf, über welche die negative Elektrode 4 bzw.
die positive Elektrode 2 mit einem Nachladestromkreis 22 und einem
Verbraucherstromkreis 24 verbunden sind. Das Schutzgehäuse 14 steht
dergestalt mit einem weiteren Detektororgan 20 in Wirkverbindung,
dass dem Detektororgan 20 bei einem unzulässigen Betriebszustand
der elektrochemischen Sekundärzelle in
Form eines unzulässig
hohen Innendrucks im Inneren des Schutzgehäuses 14 eine Formänderung
aufgeprägt
wird. Dabei kann eine Gasentwicklung und/oder ein Quellen der Elektroden 2, 4 und/oder eine
Temperaturerhöhung
beim Betrieb der elektrochemischen Sekundärzelle die Druckerhöhung im
Inneren des Schutzgehäuses 14 bewirken.
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Die elektrochemische Sekundärzelle versorgt
im Verbraucherstromkreis
24 über einen Öffner
50 einen Verbraucher
26 des
Hörimplantats.
Der Nachladestromkreis
22 weist eine Empfangsspule
28 auf,
die zusammen mit einem Kondensator
30 einen Serienresonanzkreis
bildet, der durch einen nicht dargestellten zweiten Serienresonanzkreis
eines externen Sendeteils mit gleicher Resonanzlage angeregt wird,
wie dies in der
EP-B-0
499 939 näher
beschrieben ist. Der Nachladestromkreis
22 schließt sich
je nach Phase über
Dioden
32,
38 bzw.
34,
36, einen Öffner
48,
eine Überstromsicherung
42 und
die im Schutzgehäuse
14 aufgenommenen
Elektroden
2,
4. Eine Zenerdiode
40 schützt die
elektrochemische Sekundärzelle
vor zu hoher Spannung des Nachladestromkreises. Parallel zu der
Empfangsspule
28 und dem Kondensator
30 ist ein
Schließer
44 vorgesehen.
Ein weiterer Schließer
46 ist
parallel zur elektrochemischen Sekundärzelle und der Überstromsicherung
42 angeordnet.
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Wie durch strichpunktierte Linien
in 1 angedeutet, betätigen die
Detektororgane 20 und 21 die Schaltorgane 44, 46, 48 und 50,
die Teil des Hörimplantats
sind. Dies erfolgt beim Detektororgan 20 unmittelbar durch
mechanische Kopplung von Detektororgan 20 und einem oder
mehreren der nachstehend an Hand der 2 bis 7 näher erläuterten Schaltorgane, oder
mittelbar über
eine optionale Auswerteelektronik 52, welche die Formänderung des
Detektororgans erfasst und ein oder mehrere Schaltorgane elektrisch
bzw. elektromechanisch betätigt.
Die Auswerteelektronik 52 dient ferner der Erfassung des
Signals des als Temperatursensor ausgebildeten Detektororgans 21 und
der Betätigung
eines oder mehrerer der Schaltorgane 44, 46, 48 und 50.
Es versteht sich, dass nicht alle Schaltorgane 44, 46, 48 und 50 vorhanden
sein müssen;
und dass die Einteilung, welche der Schaltorgane unmittelbar oder über die
optionale Auswerteelektronik 52 betätigt werden, je nach Einsatzzweck
und gewünschter
Redundanz variiert werden kann. Es kann weiterhin vorgesehen sein,
die Betätigung
eines Schaltorgans oder mehrerer Schaltorgane nur dann auszuführen, wenn
beide Detektororgane 20 und 21 einen unzulässigen Betriebszustand
der elektrochemischen Sekundärzelle
signalisieren.
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Die in 1 gezeigte
Stellung der Schaltorgane 44, 46, 48 und 50 entspricht
einer Grundposition bei normalem Betrieb. Im Falle eines unzulässigen Betriebszustandes
der elektrochemischen Sekundärzelle
wird wenigstens eines dieser Schaltorgane betätigt.
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Eine erste Ausführungsform einer elektrochemischen
Sekundärzelle
ist in den 2 und 3 dargestellt und umfasst
ein hermetisch dichtes Schutzgehäuse 154,
dessen elektrisch leitfähiger
Boden eine Seitenwand 156 in der Form eines Rohrabschnitts
aufweist, die stirnseitig von einer Bodenplatte 158 verschlossen
ist. Eine umlaufend geschlossene Schweißnaht 160 verbindet
die Bodenplatte 158 mit der Seitenwand 156. An
der zweiten Stirnseite der Seitenwand 156 ist über eine
Lötschicht 164 ein keramischer
Isolierring 162 festgelegt, der einen runden Durchbruch
mit einem Innendurchmesser besitzt, der kleiner ist als der Innendurchmesser
der Seitenwand 156, wobei auf einer in Richtung auf die Bodenplatte 158 weisenden
Unterseite des Isolierrings 162 eine den Durchbruch überspannende Membran 166 aus
elektrisch leitfähigem
Material angebracht ist und ein hermetisch dichter Innenraum entsteht.
In diesem Innenraum ist die positive Elektrode 2 über eine
elektrisch isolierende, ringförmige Aufnahme 124 dergestalt
aufgenommen, dass ein elektrischer Kontakt zwischen der positiven
Elektrode 2 und der Seitenwand 156 ausgeschlossen
ist und erstere gleichzeitig im Schutzgehäuse 154 zentriert wird.
Während
die positive Elektrode 2 mittels einer Kontaktlasche 68 von
unten mit der Membran 166 elektrisch kontaktiert ist, bildet
eine Kontaktlasche 70 einen elektrischen Kontakt zwischen
der negativen Elektrode 4 und der Seitenwand 156.
Eine Aussparung 140 in der Aufnahme 124 erleichtert
die Verlegung der Kontaktlasche 68. Eine elektrisch leitende Kontaktmembran 168 mit
zentralem, nach unten weisendem Kontaktpunkt 170 ist an
der Oberseite des Isolierrings 162 mit diesem verbunden
und überspannt
dessen Durchbruch. Die Kontaktmembran 168 ist nach innen
in Richtung auf die Membran 166 federnd vorgewölbt und
steht mittels des Kontaktpunkts 170 in elektrischem Kontakt
mit der Membran 166. In dieser Position der Kontaktmembran 168 kann
eine Energiezufuhr und -abgabe zu bzw. von der elektrochemischen
Sekundärzelle über einen
mit der Kontaktmembran 168 elektrisch verbundenen Anschluss 174 und
einen mit der Außenseite
der Seitenwand 156 kontaktierten Anschluss 172 erfolgen.
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Kommt es beim Betrieb der elektrochemischen
Sekundärzelle
durch Quellen (Volumenzunahme) der Elektroden 2, 4 und/oder
durch Gasentwicklung und/oder durch Temperaturzunahme zu einem Ansteigen
des Innendrucks im Inneren des Schutzgehäuses 154 wird dem
als Membran 166 ausgelegten Detektororgan gezielt eine
Wölbung
aufgeprägt, indem
die übrigen
Außenwände des
Schutzgehäuses 154 steifer
als die Membran 166 ausgelegt sind und sich nur wenig verformen.
Beim Quellen der Elektroden 2, 4 können sich
diese auch unmittelbar oder mittelbar über Isolierschichten und/oder
den Elektrolyten 12, welcher ein Festkörperelektrolyt sein kann, an
die Innenflächen
der Membran 166 bzw. der Bodenplatte 158 anlegen
und auf diese Weise eine Formänderung
der Membran 166 bewirken. Die Membran 166 und
mit dieser die Kontaktmembran 168 werden bei einem unzulässigen Betriebszustand so
weit nach außen
gewölbt,
dass die Kontaktmembran 168 über eine labile Gleichgewichtslage
hinaus nach außen
umspringt und der elektrische Kontakt zwischen den beiden Membranen 166, 168 auch
unterbrochen bleibt, wenn die Membran 166 wieder in ihre
Ausgangsposition gemäß 2 zurückgefangen sollte.
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Eine zweite Ausführungsform einer elektrochemischen
Sekundärzelle
gemäß 4 umfasst ein Schutzgehäuse 190 mit
einem einteiligen becherförmigen
Boden 192, einem ebenfalls becherförmigen Deckel 194 und
einer Membran 196, die mittels einer Schweißverbindung 198 an
den einander zugewandten Stirnseiten des Bodens 192 und
des Deckels 194 mit diesen verbunden ist, wobei der Boden 192,
der Deckel 194 und die Membran 196 vorzugsweise
aus dem gleichen elektrisch leitenden Werkstoff bestehen. Die Membran 196 unterteilt
das Schutzgehäuse 190 horizontal
in einen oberen Deckelbereich und einen unteren, hermetisch dichten Raum,
der die positive und die negative Elektrode 2 bzw. 4, den
Separator 6 und den Elektrolyten 12 aufnimmt.
Die negative Elektrode 4 ist mittels der Kontaktlasche 70 mit
dem Boden 192 kontaktiert, dessen Seitenwand eine einpolige
Durchführung 214 über ein
keramisches Substrat 212 hermetisch dicht und mit Bezug
auf die Seitenwand des Bodens 192 elektrisch isoliert aufnimmt.
Die Kontaktlasche 68 stellt den elektrischen Kontakt zwischen
der positiven Elektrode 2 und einem in den hermetisch dichten Raum
des Schutzgehäuses 190 ragenden
Ende der Durchführung 214 her,
deren anderes Ende die Seitenwand des Bodens 192 nach Außen überragt
und mit einem Anschluss 216 elektrisch verbunden ist.
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Auf der der positiven Elektrode 2 zugewandten
Unterseite der Membran 196 sowie an der zu dieser Elektrode
benachbart liegenden Innenfläche
der Seitenwand des Bodens 192 ist zur Vermeidung eines
elektrischen Kontakts zwischen der Membran 196 bzw. der
Seitenwand des Bodens 192 und der positiven Elektrode 2 eine
Isolierschicht 218 aufgebracht. Auf der Oberseite der Membran 196 befindet sich
im Zentrum ein Stößel 222,
der in einen Durchbruch im Deckel 194 hineinragt. In geringem
Abstand oberhalb einer Oberkante des Stößels 222 ist ein insgesamt
mit 204 bezeichnetes, den Durchbruch überspannendes Berstelement
angeordnet. Dieses umfasst auf seiner der Oberseite des Deckels 194 zugewandten
Seite ein Substrat 206 mit einer Leitschicht 208.
Bei dem Substrat 206 kann es sich um eine Keramik, beispielsweise
Oxidkeramik, ein Glas oder dergleichen handeln. Die Leitschicht 208 ist
auf einer Seite des Durchbruchs im Deckel 194 mit diesem über eine
Kontaktlasche 202 kontaktiert und auf einer gegenüberliegenden
Seite des Durchbruchs mit einem Anschluss 210 versehen,
der auf dieses Weise mit der negativen Elektrode 4 elektrisch
verbunden ist.
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Bei einem unzulässigen Betriebszustand der elektrochemischen
Sekundärzelle
wird der Membran 196 – sei
es durch Volumenzunahme der Elektroden 2, 4 und/oder
Temperaturanstieg und/oder Gasentwicklung beim Betrieb der elektrochemischen
Sekundärzelle – eine Wölbung aufgeprägt, die
ausreicht, dass der Stößel 222 das
Berstelement 204 zerstört,
so dass die Leitschicht 208 zwischen der Kontaktlasche 202 und
dem Anschluss 210 irreversibel unterbrochen wird.
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Wie in 5 gezeigt
wird, weist eine dritte Ausführungsform
einer elektrochemischen Sekundärzelle
ein Schutzgehäuse 224 mit
einem flachen, elektrisch leitfähigen
schalenförmigen
Boden 226 auf, der über
seine nach oben zeigende Stirnfläche unter
Zwischenschaltung eines keramischen Isolierrings 229 mit
einer Seitenwand 228 verbunden ist, welche die Form eines
Rohrabschnitts besitzt. Die Seitenwand 228 ist an ihrer
oberen Stirnseite mit einer elektrisch leitfähigen Membran 230 hermetisch dicht
abgeschlossen. Auf der nach oben weisenden äußeren Seite der Membran 230 ist
eine Isolierschicht 232 und auf dieser eine elektrisch
leitende, spröde
berstende Berstschicht 234 aufgebracht. Die Berstschicht 234 ist
im Bereich der Seitenwand 228 an einer ersten Stelle über eine
Kontaktierung 236 elektrisch leitend mit der Membran 230 und
an einer zweiten, diametral gegenüberliegenden Stelle mit einem
Anschluss 238 verbunden, wobei die Berstschicht 234 sich
zwischen diesen beiden Stellen streifenförmig erstreckt. Über den
Anschluss 238 wird die positiven Elektrode 2 von
außerhalb
des Schutzgehäuses 224 abgegriffen,
zu welchem Zweck die positive Elektrode 2 mittels einer
Kontaktlasche 242 kontaktiert ist, welche letztere über eine Schweißverbindung 244 den
elektrischen Kontakt mit der Innenseite der Seitenwand 228 bildet.
Die negative Elektrode 4 steht über die Kontaktlasche 70 mit der
Innenseite des Bodens 226 in Verbindung und ist von außerhalb
des Schutzgehäuses 224 mittels
eines Anschlusses 240 abzugreifen. Es versteht sich, dass
alternativ zu der Schweißverbindung 244 auch zum
Beispiel eine Lötverbindung
vorgesehen sein kann. Bei einem unzulässigen Betriebszustand der elektrochemischen
Sekundärzelle
wird der Membran 230 eine Wölbung aufgezwungen, welche
die Berstschicht 234 irreversibel zerstört und somit die elektrische
Verbindung zwischen der positiven Elektrode 2 und dem Anschluss 238 unterbricht.
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Eine vierte Ausführungsform einer elektrochemischen
Sekundärzelle
ist in 6 wiedergegeben
und umfasst ein Schutzgehäuse 252,
welches sich vom Schutzgehäuse 224 im
Wesentlichen nur durch die Ausgestaltung des Bodens 226 und
derjenigen des Strompfads zu bzw. von der positiven Elektrode 2 unterscheidet.
Das Schutzgehäuse 252 besitzt
einen Boden 254, dessen Seitenwände bis an die Membran 230 geführt und
mit dieser hermetisch dicht und elektrisch leitend verschweißt sind,
so dass der Isolierring 229 des Schutzgehäuses 224 entfällt. Die
positive Elektrode 2 ist in einer becherförmigen, elektrisch
isolierenden Aufnahme 256 aufgenommen, welche die positive
Elektrode 2 mit Bezug auf die Seitenwand des Bodens 254 und
die Membran 230 elektrisch isoliert sowie in vorbestimmter
Position hält.
Die Kontaktlasche 68 ist im Bereich einer Aussparung 258 der
Aufnahme 256 plaziert und dient der Kontaktierung der positiven
Elektrode 2 mit einem ersten Ende einer hermetisch dicht
und elektrisch isoliert in der Seitenwand des Bodens 254 aufgenommenen
einpoligen Durchführung 260.
Ein zweites Ende der Durchführung 260 überragt
die Außenseite der
Seitenwand des Bodens 254 und ist über eine Kontaktlasche 262 in
elektrische Verbindung mit der elektrisch leitenden Berstschicht 234 gebracht, die durch
eine Isolierschicht 255 vollständig gegenüber der Membran 230 und
dem Boden 254 isoliert ist.
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Entsprechend den 7 und 8 verwendet eine
fünfte
Ausführungsform
einer elektrochemischen Sekundärzelle
ein abgewandeltes Schutzgehäuse 264 mit
einem becherförmigen
Deckel 56 und einem ebenfalls becherförmigen Boden 58. Eine hohlzylindrische
Seitenwand 60 des Deckels 56 ist mit einer Deckelplatte 62 verschweißt, die
als wölbbare
Membran das Detektororgan der elektrochemischen Sekundärzelle bildet.
Der Boden 58 wird von einer hohlzylindrischen Seitenwand 64 und
einer mit dieser verschweißten
Bodenplatte 66 gebildet. Die Elektroden 2 und 4 der
elektrochemischen Sekundärzelle
sind im Inneren des Schutzgehäuses 264 aufgenommen,
wobei die positive Elektrode 2 einen Abgriff aufweist,
der als die Kontaktlasche 68 ausgebildet und mit einer
Innenseite der Seitenwand 60 kontaktiert ist. Die negative
Elektrode 4 der elektrochemischen Sekundärzelle wird
mittels der Kontaktlasche 70 als Abgriff von innen mit
der Seitenwand 64 in elektrisch leitenden Kontakt gebracht,
wobei eine Aussparung 74 im Randbereich der Bodenplatte 66 eine
Verlegung der Kontaktlasche 70 erleichtert. Die Kontaktlaschen 68 und 70 sind
jeweils mit der Seitenwand 60 bzw. 64 elektrisch leitend
verlötet
oder verschweißt
und können
beide mit einer sie umgebenden Isolierschicht 73, z.B.
in Form eines aufgeschobenen Isolationsschlauches, versehen sein.
Es versteht sich, dass anstelle der Löt- oder Schweißverbindung
auch vorgesehen sein kann, die Kontaktlasche 68 und/oder
70 lediglich federnd vorgespannt an den entsprechenden Gehäuseteilen
anliegen zu lassen, zu welchem Zweck entweder Anpresselemente wie
Metallschäume
oder Federn verwendet werden können
oder die Kontaktlaschen 68, 70 selbst für den notwendigen
Anpressdruck sorgen. Auch kann anstelle der Kontaktlasche 68 und/oder
70 prinzipiell jede andere Form der elektrischen Kontaktierung zum
Einsatz kommen, so z.B. ein zwischen einer Unterseite der Deckelplatte 62 und
einer ihr zugewandten Stirnfläche
der Elektrode 2 vorgespannt eingelegter Metallschaum, wobei
vorteilhaft ein weiterer Metallschaum zwischen einer Oberseite der
Bodenplatte 66 und einer ihr zugewandten Stirnfläche der
Elektrode 4 zwischengelegt wird.
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Die Kontaktlasche 68 kann
als Schmelzsicherung ausgebildet sein, welche die elektrische Verbindung
zwischen der positiven Elektrode 2 und der Seitenwand 60 unterbricht,
wenn der über
sie fließende
Strom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Entsprechend
lässt sich
auch die Kontaktlasche 70 als Schmelzsicherung auslegen,
wobei zwischen der negativen Elektrode 4 auf der einen Seite
und der Seitenwand 64 und/oder der Bodenplatte 66 auf
der anderen Seite eine Isolierung anzuordnen ist, die auch beim
Ansprechen dieser Schmelzsicherung einen elektrischen Kontakt durch direktes
Anliegen der negativen Elektrode 4 an den Gehäuseteilen 64 und/oder 66 verhindert.
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Der Innenraum des Schutzgehäuses 264 ist mit
dem Elektrolyten 12 gefüllt,
wobei die positive und die negative Elektrode 2 bzw. 4
durch den schematisch eingezeichneten Separator 6 voneinander
getrennt sind, der einen direkten elektrischen Kontakt zwischen
den Elektroden 2 und 4 verhindert, jedoch eine
Innenwanderung zulässt.
Der Boden 58 weist einen elektrischen Anschluss 78 auf,
der dem Anschluss 18 gemäß 1 entspricht. Der Deckel 56 und
der Boden 58 sind beide aus einem elektrisch leitfähigen metallischen
Werkstoff (beispielsweise Titan) gefertigt, der gegenüber dem
Elektrolyten 12 und den Elektroden 2, 4 chemisch
inert und beständig
mit Bezug auf die ablaufenden elektrochemischen Prozesse ist.
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Die Seitenwände 60 und 64 sind über ihre einander
zugewandten Stirnflächen
unter Zwischenschaltung eines Isolationsrings 80 hermetisch
dicht miteinander verschweißt
oder verlötet,
wobei der Isolationsring 80 einen kleineren Innendurchmesser
als die Seitenwände 60 und 64 hat.
Als Werkstoff für
den Isolationsring 80 kommt z.B. Oxidkeramik in Frage.
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Ein rechteckiger Berststreifen 266 ist über Klebverbindungen 268 und 270 jeweils
etwa im äußeren Drittel seiner längeren Seite an der Deckelplatte 62 des
Schutzgehäuses 264 in
vorgegebenem Abstand von außen
angekoppelt, so dass zwischen den Klebverbindungen 268 und 270 eine Überbrückungszone 272 entsteht.
Eine Symmetrielinie in Richtung der längeren Seite des Berststreifens 266 verläuft dabei
im Wesentlichen parallel zu einer Mittelpunktslinie der runden Deckelplatte 62,
und ein Zentrum der Überbrückungszone 272 befindet
sich oberhalb des Mittelpunkts der Deckelplatte 62. Auf
einer Oberseite des Berststreifens 266 ist eine Leitschicht 276 aufgebracht,
die sich über
nahezu die gesamte Oberseite des Berststreifens 266 erstreckt
und die im Bereich der einen kurzen Seite des Berstreifens mittels
einer Kontaktlasche 284 mit der Deckelplatte 62 und
im Bereich der anderen kurzen Seite mit einem Anschluss 286 kontaktiert
ist. Somit ist eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss 286 und
der positiven Elektrode 2 hergestellt.
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Im Bereich der klebschichtfreien Überbrückungszone 272 ist
nahe einer Seitenhalbierenden der längeren Seite des Berststreifens 266 in
diesem eine Sollbruchstelle in Form einer Perforation 274 vorgesehen.
Die Sollbruchstelle kann dabei natürlich auch auf andere geeignete
Weise, beispielsweise durch Kerben, Ritzen oder Verjüngen des
Berststreifens 266, erzeugt werden. Benachbart zur Perforation 274 ist
mittels einer Lötverbindung 280 ein
Drahtabschnitt als Kurzschlusskontakt 278 fixiert, über dem
in vorgegebenem Abstand ein Gegenkontakt 282 steht. Der
Gegenkontakt 282 steht über
eine Kontaktlasche 288 mit der Seitenwand 64,
d.h., mit der negativen Elektrode 4, in elektrischem Kontakt. Bei
einem unzulässigen
Betriebszustand der elektrochemischen Sekundärzelle wird der Deckelplatte 62 als
wölbbaren
Membran eine Wölbung
aufgeprägt, die
sich über
die Klebverbindungen 268, 270 auf den Berststreifen 266 überträgt, der
gemäß 8 entlang der Perforation 274 bricht.
Der Kurzschlusskontakt 278 wird gegen den Gegenkontakt 282 gedrückt, und
der Kurzschlussstrom zwischen der positiven und der negativen Elektrode 2 bzw. 4 genügt, ein
evtl. verbleibendes Leitschichtfragment 290, welches die Bruchstelle
zumindest teilweise überspannt,
durchzubrennen. Dadurch ist der Strompfad zwischen der positiven
Elektrode 2 und dem Anschluss 286 irreversibel
unterbrochen.
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Da es notwendig ist, die zum Bruch
des Berststreifens 266 erforderliche Wölbung im Bereich einiger hundert μm, vorzugsweise
im Bereich von weniger als 200 μm,
vorherzusagen, muss die vorbestimmte Geometrie des Berststreifens 266 sehr
genau eingehalten werden. Als Material für den Berststreifen 266 kommt
beispielsweise Glas oder Keramik in Betracht, wobei es vorteilhaft
sein kann, dem Berststreifen 266 eine mechanische Vorspannung aufzuprägen, die
den Abstand der Bruchufer nach dem Bersten der Sollbruchstelle vergrößert. Hierzu kann
der Berststreifen 266 als Verbundelement aus wenigstens
einem Glas- oder Keramikwerkstoff und wenigstens einem Metall ausgeführt werden,
die miteinander verklebt oder verlötet sind. Eine Vorspannung
des Berststreifens 266 kann ebenfalls durch Verwendung
eines Metalls mit Formgedächtnis
(Memory-Effekt) induziert werden.
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Es ist ferner möglich, den Berststreifen 266 aus
einem piezoelektrischen Material herzustellen oder zumindest mit
einer derartigen Schicht zu versehen. Bei Verformungen des Berststreifens 266,
die nicht zu dessen Bruch führen,
also noch keinen unzulässigen
Betriebszustand der elektrochemischen Sekundärzelle signalisieren, können von
dem piezoelektrischem Wandler gelieferte elektrische Informationen
in Form von Ladungsänderungen
von der optionalen Auswerteelektronik 52 abgegriffen werden, um
beispielsweise ein dem Öffner 48 oder 50 der 1 entsprechendes Schaltorgan
zu betätigen
und ein Nachladen bzw. Entladen der Elektroden 2, 4 der elektrochemischen
Sekundärzelle
zu unterbrechen, bevor die elektrochemische Sekundärzelle einen
unzulässigen
Betriebszustand erreicht.
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Bei der Ausführungsform gemäß den 7 und 8 ist denkbar, die Lage der Perforation 274 und des
Kurzschlusskontaktes 278 mit Bezug zur Seitenhalbierenden
der längeren
Seite des Berststreifens 266 gegeneinander zu vertauschen,
so dass der Kurzschlusskontakt 278 auf der in 8 rechten Seite des Bruchufers
zu liegen kommt. In diesem Fall kann ein Kurzschlussstrom zwar ein
eventuell verbleibendes Leitschichtfragment 290 nicht durchbrennen,
wohl aber die elektrochemischen Sekundärzelle gewollt vollständig entladen,
wobei dann die Kontaktlasche 68 und/oder 70 nicht als Schmelzsicherung auszulegen
wären,
wie dies grundsätzlich
möglich ist.
Ist eine mehrfach redundante Absicherung nicht erforderlich, ist
es ferner denkbar, auf den Kurzschlusskontakt 278 und den
Gegenkontakt 282 komplett zu verzichten, nur die irreversible Öffnerfunktion des
Berststreifens 266 auszunutzen und diesen so auszulegen,
dass in jedem Fall sichergestellt ist, dass beim Bruch des Bertstreifens 266 kein
Leitschichtfragment 290 verbleibt.
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Bei der in den 9 bis 11 gezeigten
Sekundärzelle
ist auf der Deckelplatte 62 eines weitestgehend dem Schutzgehäuse 264 der 7 und 8 entsprechenden Schutzgehäuses 54 ein
insgesamt mit 86 bezeichnetes Schaltorgan angebracht, welches dem
Schließer 44 der 1 entspricht. Als wesentliches
Bauteil besitzt der Schließer 86 einen
flexiblen Kontaktträger 92,
beispielsweise aus Polyimid, der die Form einer etwa rechteckigen
dünnwandigen Platte
hat, deren eine kurze Seite einen U-förmigen Einschnitt aufweist,
so dass zwei Federarme 102, 104 entstehen. Entlang
der beiden längeren
Seiten sind auf der Oberseite des Kontaktträgers 92 Metallisierungen 94 angebracht,
die sich bis in die Federarme 102 bzw. 104 erstrecken,
wo auf den Metallisierungen 94 je ein Abschnitt eines Platindrahtes
als Kontakt 106 bzw. 108 über eine Lötverbindung 109 angelötet ist.
In der Nähe
der zweiten kurzen Seite des Kontaktträgers 94 ist mittels
einer Lötschicht 100 eine
Kontaktplatte 96 und 98 jeweils mit einer der
beiden Metallisierungen 94 verbunden. Dabei tragen die Kontaktplatten 96 und 98 je
einen Anschluss 112 bzw. 114, so dass der Anschluss 112 elektrisch
mit dem Kontakt 106 und der Anschluss 114 elektrisch mit
dem Kontakt 108 verbunden ist. In geringem Abstand über den
Kontakten 106 und 108 ist eine Kontaktbrücke 110 angeordnet,
mit der die Kontakte 106, 108 in Berührung bringbar
sind, um diese elektrisch kurzzuschließen. Der flexible Kontaktträger 92 ist über einen
mehrschichtigen Aufbau mit der Deckelplatte 62 dergestalt
verbunden, dass die Kontakte 106, 108 mittig über der
Deckelplatte 62 angeordnet sind und in der Draufsicht entlang
einer Symmetrieachse der runden Deckelplatte 62 verlaufen.
Wie in 11 dargestellt,
umfasst der mehrschichtige Aufbau zwischen dem Kontaktträger 92 und
der Deckelplatte 62 ausgehend von der der Deckelplatte 62 zugewandten
Unterseite des Kontaktträgers 92 eine Klebschicht 88,
eine Distanzplatte 90 und eine zweite Klebschicht 88.
Der mehrschichtige Aufbau erstreckt sich etwa von der die Kontaktplatten 96, 98 aufweisenden
kurzen Seite des Kontaktträgers 92 bis
zum Grund des U-förmigen
Einschnitts, der die beiden Federarme 102, 104 trennt,
so dass diese frei in genau vorgegebenem Abstand über der
Deckelplatte 62 stehen.
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Kommt es beim Betrieb der Sekundärzelle durch
Quellen (Volumenzunahme) der Elektroden 2, 4 und/oder
durch Gasentwicklung und/oder durch Temperaturzunahme zu einem Ansteigen
des Innendrucks im Inneren des Schutzgehäuses 54 und wölbt sich
die Deckelplatte 62, nähern
sich die Kontakte 106 und 108 der Kontaktbrücke 110,
um schließlich – bei Überschreiten
eines einen gerade noch zulässigen
Betriebszustand der elektrochemischen Sekundärzelle signalisierenden Grenzwerts
des Innendrucks im Schutzgehäuse 54 – die Kontaktbrücke 110 zu
berühren
und die Anschlüsse 112 und 114 und über diese
den Nachladestromkreis 22 elektrisch kurzzuschließen, wobei
eine weitere Energiezufuhr zu den Elektroden 2, 4 der
elektrochemischen Sekundärzelle
unterbunden wird. Durch die flexible Gestaltung der Federarme 102, 104 werden
diese beim Schließen
des Schaltorgans 86 nicht beschädigt, so dass der Schließer 86 prinzipiell
reversibel arbeitet: Bei abnehmendem Innendruck im Schutzgehäuse 54 nimmt
das Schaltorgan 86 wieder seine in 9 wiedergegebene Grundposition ein.
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Die Wölbung der Deckelplatte 62,
die zu einer Betätigung
des Schaltorgans 86 führt,
beträgt
in der Regel weniger als 300 μm,
wobei das Schutzgehäuse 54 beispielsweise
einen Außendurchmesser von
etwa 18 mm bei einer Höhe
von weniger als 5,5 mm, gemessen von der Bodenplatte 66 bis
zur Deckelplatte 62, aufweist.
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Die in 12 gezeigte
Sekundärzelle
besitzt ein Schutzgehäuse 116 mit
becherförmigem
einteiligem Boden 118 aus einem elektrisch leitfähigen Material.
Das Schutzgehäuse 116 wird
von einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Deckel 120 abgeschlossen,
wobei zwischen dem Deckel 120 und dem Boden 118 ein
Isolierring 122 aus Oxidkeramik eingelötet ist. Der Isolierring 122,
dessen Innendurchmesser kleiner ist als derjenige der Seitenwand
des Bodens 118, trägt
elektrisch gegeneinander isoliert an seiner Unterseite eine Membran 138 und
an seiner Oberseite eine Kontaktmembran 134. Beide Membranen 134 und 138 sind
aus elektrisch leitfähigem
Material gefertigt, wobei die Kontaktmembran 134 mit ihrer Oberseite
gegenüber
dem benachbart angeordneten Deckel 120 mittels einer Isolierschicht 148 elektrisch isoliert
und über
eine Metallisierung 132, eine Durchkontaktierung 130 und
eine Lötschicht 128 elektrisch leitend
mit dem Boden 118 verbunden ist. Die Elektroden 2 und 4,
der Separator 6 und der Elektrolyt 12 sind vom
Boden 118, der Unterseite des Isolierrings 122 und
der Membran 138 hermetisch dicht umschlossen, und die positive
Elektrode 2 wird von der elektrisch isolierenden, ringförmigen Aufnahme 124, die
zwischen der Seitenwand des Bodens 118 und der positiven
Elektrode 2 im Bereich zwischen dem Separator 6 und
der Unterseite des Isolierrings 122 positioniert ist, im
Schutzgehäuse 116 dergestalt zentriert,
dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Seitenwand des Bodens 118 und
der positiven Elektrode 2 möglich ist. Eine Aussparung 140 in
der Aufnahme 124 erleichtert die Verlegung der Kontaktlasche 68,
mittels der die positive Elektrode 2 mit der Unterseite
der Membran 138 elektrisch kontaktiert ist. Eine Metallisierung 142 an
der Unterseite des Isolierrings 122, eine Durchkontaktierung 144 durch
den Isolierring 122 sowie eine Lötschicht 146 schließen die
elektrische Verbindung zwischen der Membran 138 und dem
Deckel 120, mit dem seinerseits ein elektrischer Anschluss 152 kontaktiert
ist. Ein elektrischer Anschluss 150 an der äußeren Seitenwand
des Bodens 118 ist über
den Boden 118 und die an der inneren Seitenwand des Bodens 118 angeschlossene Kontaktlasche 70 mit
der negativen Elektrode 4 elektrisch verbunden.
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Während
also die Membran 138 mit der positiven Elektrode 2 in
Verbindung steht, ist die von der Membran 138 in einem
der Dicke des Isolierrings 122 entsprechenden Abstand befindliche
Kontaktmembran 134 mit der negativen Elektrode 4 kontaktiert. Dieser
Abstand ist so bemessen, dass bei einem unzulässigen Betriebszustand der
elektrochemischen Sekundärzelle
der als Detektororgan fungierenden Membran 138 eine Wölbung aufgeprägt wird,
die ausreicht, mit der Kontaktmembran 134 in elektrisch leitenden
Kontakt zu gelangen, so dass die Sekundärzelle elektrisch kurzgeschlossen
wird. Ferner kann ein Abschnitt der Lötverbindung 146 als
Schmelzsicherung dimensioniert sein, die irreversibel durchbrennt,
falls ein Nachlade- oder ein Entladestrom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Eine weitere Energiezufuhr und -abgabe über die Anschlüsse 150, 152 ist
damit unterbunden.
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Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform der Sekundärzelle dient
die Kombination von Membran 138 und Kontaktmembran 134 als
reversibel arbeitendes Schaltorgan, das als Schließer ausgebildet
ist und mechanisch vom Detektororgan 138 betätigt wird.
Da die beiden Anschlüsse 150, 152 von einem
biokompatiblen Isoliermantel 149 umgeben sind und ein biokompatibles
Polymer 153, beispielsweise Silikon, das Schutzgehäuse 116 sowie
die gehäuseseitigen
Enden der Anschlüsse 150, 152 umhüllt, kann
das Schutzgehäuse 116 unmittelbar
implantiert werden. Die gesamte in 12 dargestellte Einheit
kann als Energieversorgungsmodul eingesetzt werden, dessen Anschlüsse 150, 152 über ein Koppelorgan
vorzugsweise lösbar
elektrisch mit weiteren Komponenten der implantierbaren Vorrichtung verbunden
sind.
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Das Schutzgehäuse der in den 13 und 14 veranschaulichten
Sekundärzelle
unterscheidet sich von dem Schutzgehäuse 154 im Wesentlichen nur
durch die Ausgestaltung der Membranen 166, 168 und
ihre elektrische Kontaktierung. Eine der Membran 166 entsprechende
Membran 176 trägt zentral
an ihrer Oberseite eine insgesamt mit 180 bezeichnete Kontaktfeder
mit einem Stift 182 und einem Federteller 184.
Der zylindrische Stift 182 ist mit einer Stirnseite an
der Membran 176, auf welcher er mit seiner Längsachse
etwa senkrecht steht, festgelegt und mit seiner zweiten Stirnseite
mit dem Federteller 184 verbunden. Dabei durchsetzt der
Stift 182 einen Durchbruch in einer Kontaktmembran 178,
die der Kontaktmembran 168 des Schutzgehäuses 154 entspricht,
wobei der Federteller 184 in einer Grundposition gemäß 13 mit einer in der Nähe seines
Außenrandes
befindlichen, der Oberseite der Kontaktmembran 178 zugewandten
Kontaktfläche 185 mit der
Kontaktmembran 178 in elektrisch leitfähigem Kontakt steht. In der
Grundposition verlaufen die Membranen 176, 178 etwa
parallel, und die Kontaktfläche 185 liegt
federnd vorgespannt an der Kontaktmembran 178 auf. Bei
einem unzulässigen
Betriebszustand der elektrochemischen Sekundärzelle wird der Membran 176 eine
Wölbung
nach außen
in Richtung auf die Kontaktmembran 178 aufgezwungen, die
sich im Wesentlichen nicht verformt und ihre Lage beibehält. Die
Wölbung
der Membran 176 reicht dabei aus, die Kontaktfläche 185 von
der Kontaktmembran 178 abzuheben und den elektrischen Kontakt reversibel
zu unterbrechen, ist aber nicht so groß, dass die Oberseite der Membran 176 mit
der Unterseite der Kontaktmembran 178 in Kontakt kommt. Um
letzteres auch bei noch stärkerer
Wölbung
der Membran 176 zu gewährleisten,
ist die Unterseite der Kontaktmembran 178 mit einer Isolierschicht 186 versehen.
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Die in 15 gezeigte
Sekundärzelle
unterscheidet sich von der Ausführungsform
der 9 bis 11 nur dadurch, dass zur
Erhöhung
der Redundanz ein Dehnungsmessstreifen 292 mäanderförmig auf der
Oberseite der Deckelplatte 62 aufgebracht ist. Der Dehnungsmessstreifen 292 erfährt bei
Wölbung der
Deckelplatte 62 eine Formänderung, die zu einer Änderung
seines elektrischen Widerstandes führt, der über Anschlüsse 294 und 296 von
der Auswerteelektronik 52 erfasst und beispielsweise zur
Betätigung
weiterer Schaltorgane verwendet wird, etwa für einen elektrisch betätigbaren
Schließer,
der vom Schutzgehäuse
entfernt plaziert sein kann und in der Funktion dem Schließer 46 oder
dem Öffner 50 der 1 entspricht. Die Auswerteelektronik 52 kann
ferner eine nicht gezeigte Warneinrichtung aktivieren, die einen
Benutzer über
die Fehlfunktion der elektrochemischen Sekundärzelle in Kenntnis setzt.
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Ein in 16 wiedergegebenes
Schutzgehäuse 298 umfasst
das bereits im Zusammenhang mit dem Schutzgehäuse 54 der 9 bis 11 beschriebene Schaltorgan 86 und
unterscheidet sich vom Schutzgehäuse 54 im
Wesentlichen nur durch folgende Gestaltungsmerkmale: Ein metallischer, vorzugsweise
aus Titan gefertigter Boden ist becherförmig ausgestaltet, wobei eine
hohlzylindrische Seitenwand 300 an ihrer unteren Stirnseite
einstöckig mittels
einer Bodenplatte 302 verschlossen ist. An einer oberen
Stirnseite der Seitenwand 300 ist eine als wölbbare Membran
ausgebildete Deckelplatte 304 hermetisch dicht angeschweißt, welche
ebenfalls bevorzugt in Titan ausgeführt ist. Eine becherförmige Aufnahme 306 ist
im Inneren des Schutzgehäuses 298 dergestalt
aufgenommen, dass ihre zylindrische Seitenwand einen dem Innendurchmesser
der Seitenwand 300 entsprechenden Außendurchmesser hat und ihre
Bodenplatte auf der Bodenplatte 302 aufliegt. Die Innenkontur
der Aufnahme 306 ist der Außenkontur der positiven Elektrode 2 angepasst, wobei
letztere fixiert und in radialer Richtung innerhalb des Schutzgehäuses 298 zentriert
wird. Die Aufnahme 306 besteht – ebenso wie die bereits beschriebenen
Aufnahmen 124 ( 2, 3 und 12 bis 14)
und 256 (6) – aus einem
elektrisch isolierenden Werkstoff, vorzugsweise einem Kunststoffmaterial
wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), und isoliert die positive
Elektrode 2 mit Bezug auf die metallischen Außenwände des
Schutzgehäuses 298.
Die Aufnahme 306 ist an der Außenseite ihrer Seitenwand mit
einer Aussparung 308 versehen und so in das Schutzgehäuse 298 eingelegt,
das die Aussparung 308 einem in radialer Richtung in der
Seitenwand 300 eingebrachten Durchbruch 310 zugewandt ist.
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Der zylindrische Durchbruch 310 in
der Seitenwand 300 ist an der Außenseite der Seitenwand 300 von
einer zylindrischen Planfläche 312 umgeben,
in die eine nach außen weisende
Schulter 314 einer buchsenförmigen, metallischen, vorzugsweise aus
Titan gefertigten Aufnahme 316 eingepasst und hermetisch
dicht verschweißt
ist. In der Aufnahme 316 ist ein elektrisch isolierender,
anorganisch-nichtmetallischer Gehäuseabschnitt des Schutzgehäuses 298 in
Form eines keramischen Substrats 318, beispielsweise aus
A12O3, dergestalt
aufgenommen, dass das Substrat 318 mit seinem Außendurchmesser
dem Innendurchmesser der Aufnahme 316 angepasst und bis
zu einem Bund an der Innenwand der Aufnahme 316 in diese
eingesetzt ist, der sich in axialer Richtung auf der der Schulter 314 zugewandten Seite
der Aufnahme 316 befindet. Auf der gegenüberliegenden
Seite überragt
das Substrat 318 die Aufnahme 316 und ist mit
dieser über
eine Goldlötverbindung 320 hermetisch
dicht verbunden. Das Substrat 318 nimmt seinerseits eine
zweipolige Durchführung 315 auf,
die zwei metallische Kontaktstifte 322 und 324 umfasst,
welche letztere vorzugsweise aus einer Platin-Iridium-Verbindung
bestehen und je einen Pol der zweipoligen Durchführung 315 bilden.
Die Kontaktstifte 322 und 324, die in 16 in einer um 90° um die Achse
der Aufnahme 316 gedrehten Lage gezeigt sind, durchsetzen
das Substrat 318 in axialer Richtung und sind in diesem
in gleicher Weise mittels einer Goldlötverbindung 326 hermetisch
dicht festgelegt. Sie besitzen eine Länge, die ausreicht, die Stirnseite
der Schulter 314 sowie diejenige des Substrats 318 axial
zu überragen,
wobei die Kontaktstifte 322 und 324 auf der dem
Inneren des Schutzgehäuses 298 zugewandten
Seite in die Aussparung 308 hineinstehen. Der Stift 322 ist über eine Kontaktlasche 332 mit
der positiven Elektrode 2 kontaktiert, und eine Kontaktlasche 330 bildet
einen Strompfad zwischen der negativen Elektrode 4 und dem
Kontaktstift 324. Beide Kontaktlaschen 330 und 332 sind
jeweils mit einem Isolationsschlauch 334 umgeben. Um die
metallischen Gehäuseabschnitte (d.h.
die Seitenwand 300, die Bodenplatte 302, die Deckelplatte 304 und
die Aufnahme 316) des Schutzgehäuses 298 definiert
auf das Potential der negativen Elektrode 4 zu legen, weist
die Durchführung 315 eine
Lötbrücke 328 auf,
die sich zwischen dem Kontaktstift 324 und der Aufnahme 316 erstreckt.
Außerhalb
des Schutzgehäuses 298 werden
die positive Elektrode 2 und die negative Elektrode 4 jeweils über einen
Anschluss 338 bzw. 336 abgegriffen.
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Das Schutzgehäuse 298 lässt sich
im Vergleich zum Schutzgehäuse 54 mit
geringerem Aufwand fertigen, da der Boden des Schutzgehäuses 298 einstöckig ausgeführt ist
und kein keramischer Isolationsring 80 verwendet wird.
Der besonders kritische Metall-Keramik-Übergang ist auf ein Minimum reduziert
und auf ein separat zu fertigendes und zu prüfendes Teil beschränkt, welches
die Komponenten 316, 318, 322 sowie 324
umfasst. Dies trägt
wesentlich zu einer erhöhten
Druckfestigkeit des Schutzgehäuses 298 bei.
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Wie aus 17 hervorgeht, kann ein Schutzgehäuse 340 in
Richtung seiner kleinsten Ausdehnung gesehen statt einer zylindrischen
auch eine andere, beispielsweise eine etwa tropfenförmige Querschnittsform
haben. In der Ausführungsform
des Schutzgehäuses 340 gemäß 17 wird die Seitenwand von
einem Segment 342 in Form eines Dreiviertelkreises sowie
zwei sich tangential zu beiden Seiten des Dreiviertelkreises anschließenden linearen
Segmenten 344 und 346 gebildet, wobei letztere sich über eine
zwischen ihnen liegende Abrundung schließen. Die Seitenwand ist metallisch,
vorzugsweise in Titan ausgeführt
und bildet zusammen mit einer einstöckigen Bodenplatte einen becherförmigen Boden.
Eine nicht gezeigte, ebenfalls vorzugsweise aus Titan gefertigte
Deckelplatte ist mit der oberen Stirnseite der Seitenwand hermetisch
dicht verschweißt.
Der Übersichtlichkeit
halber ist die Wandstärke
der Segmente 342, 344 und 346 vergrößert wiedergegeben.
Die Elektroden 2 und 4 sind im Inneren des Schutzgehäuses 340 durch
eine nicht gezeigte Zentrieranordnung festgelegt, wobei mindestens
eine der Elektroden 2 und 4 mit Bezug auf den
becherförmigen
Boden und die Deckelplatte vorzugsweise mittels der Zentrieranordnung
elektrisch isoliert ist. Dabei kann die Zentrieranordnung eine becherförmige Aufnahme ähnlich der
Aufnahme 256 (vgl. 6)
oder der Aufnahme 306 (16)
umfassen, die neben der Zentrierfunktion auch die Aufgabe der elektrischen
Isolierung erfüllt.
Ferner kann die den Elektroden 2, 4 zugewandte
Innenseite des becherförmigen
Bodens und/oder der Deckelplatte mit einer Isolierschicht versehen
sein.
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Eine insgesamt mit 348 bezeichnete
Durchführung
ist zweipolig ausgebildet, wobei im Unterschied zur Ausgestaltung
gemäß 16 auf die dort verwendete
Aufnahme 316 verzichtet wird, so dass ein keramisches Substrat 350 nicht
in einer Aufnahme sondern direkt in die Seitenwand des Schutzgehäuses 340 hermetisch
dicht eingelötet
ist, wozu vorzugsweise Goldlot verwendet wird. Das keramische Substrat 350 ist
in das lineare Segment 344 eingelötet, es ist aber ebenso möglich, ersteres
in dem Kreissegment 342 unterzubringen. Metallische Kontaktstifte 354 und 356,
die jeweils einen Pol der zweipoligen Durchführung 348 bilden,
sind im keramischen Substrat 352 hermetisch dicht eingelötet und dienen
der getrennten Durchführung
eines Strompfads von bzw. zu den beiden Elektroden 2 und 4 durch
die Wand des Segments 344. Hinsichtlich der bevorzugten
Materialwahl für
die Kontaktstifte 354, 356 sowie das Substrat 350 sei
auf die Ausführungen zur
Durchführung 315 verwiesen.
Auch bei der Durchführung 348 kann
eine der Lötbrücke 328 (siehe 16) ähnliche elektrische Verbindung
zwischen dem Kontaktstift 354 oder 356 und dem
Segment 344 vorgesehen sein, um das Gehäuse definiert auf negatives
bzw. positives Potential zu legen. Vorzugsweise wird das Gehäuse elektrisch
leitend mit der negativen Elektrode 4 verbunden und die
positive Elektrode 2 mit Bezug auf das Gehäuse isoliert.
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Ein zylindrischer Durchbruch im Segment 346 nimmt
mittels einer Lötverbindung
ein keramisches Substrat 358 auf, welches von zwei Kontaktstiften 360 und 362 durchsetzt
ist, die im Substrat 358 über eine Lötverbindung aufgenommen sind
und dieses axial beidseitig überragen.
Der Durchbruch im Segment 346 ist auf der Außenseite
durch eine metallische Membran 364 hermetisch dicht verschlossen,
wobei die Membran 364 im Grundzustand, d.h. bei nicht unzulässig erhöhtem Druck
im Inneren des Schutzgehäuses 340,
mit ihrer auf das Innere des Schutzgehäuses 340 weisenden
Innenseite auf den Kontaktstiften 360 und 362 mit
definierter Vorspannung anliegt und diese elektrisch verbindet.
Die als Detektororgan fungierende Membran 364 befindet sich
außerhalb
eines die Elektroden 2 und 4 aufnehmenden Abschnitts
des Schutzgehäuses 340,
wobei ein im Wesentlichen in Richtung der Längsachse der Kontaktstifte 360, 362 verlaufender
Durchbruch 366 im Substrat 358 eine Fluidverbindung
zwischen der Membran 364 und dem die Elektroden 2 und 4 aufnehmenden
Abschnitt des Schutzgehäuses 340 sicherstellt.
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Während
eine Kontaktlasche 372 einen an der positiven Elektrode 2 vorgesehenen
Abgriff 384 direkt mit dem Kontaktstift 356 der
Durchführung 348 verbindet,
ist der zweite Kontaktstift 354 der Durchführung 348 unter
Zwischenschaltung eines Öffners mit
einem Abgriff 382 der negativen Elektrode 4 kontaktiert,
wobei der Öffner
ein aus den Kontaktstiften 360, 362 gebildetes
Kontaktpaar sowie die Membran 364 umfasst. Dabei ist eine
Kontaktlasche 368 zwischen dem Abgriff 382 und
dem Kontaktstift 360 sowie eine Kontaktlasche 370 zwischen
dem Kontaktstift 362 und dem Kontaktstift 354 vorgesehen.
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Ein Quellen der Elektroden 2 und 4 führt ebenso
wie eine Gasentwicklung und/oder eine Temperaturerhöhung beim
Betrieb der elektrochemischen Sekundärzelle zu einer Zunahme des
Innendrucks im Schutzgehäuse 340.
Wird ein einen gerade noch zulässigen
Betriebszustand der elektrochemischen Sekundärzelle signalisierender vorbestimmter Druckgrenzwertes
innerhalb des hermetisch dichten Schutzgehäuses 340 überschritten,
wird der Membran 364, die über den Durchbruch 366 in
Fluidkommunikation mit dem Innenraum des Schutzgehäuses 340 steht,
eine Wölbung
aufgeprägt,
die ausreicht, die Membran 364 von den Kontaktstiften 360 und 362 abzuheben.
Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktstiften 360, 362,
und damit zwischen der negativen Elektrode 4 und dem Kontaktstift 354 der
Durchführung 348,
ist dann reversibel unterbrochen.
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Das Schutzgehäuse 340 weist ein
weiteres Schaltorgan auf, welches in dem Kreissegment 342 integriert
und als reversibler Schließer
ausgebildet ist. Dieses Schaltorgan kann zusätzlich zu dem oder anstelle
des oben beschriebenen Öffners)
vorhanden sein. Eine Membran 380 ist zugleich Detektororgan und
Teil des Schließers.
Sie ist an der den Elektroden 2, 4 zugewandten
Innenseite des Segments 342 vorgesehen und verschließt einen
Durchbruch im Segment 342. Im zylindrischen Durchbruch
ist ein keramisches Substrat 374 dergestalt eingelötet, das
zwei das Substrat 374 axial durchsetzende Kontaktstifte 376 und 378 in
der Grundstellung der Membran 380 in vorbestimmtem Abstand
zu deren Außenseite
stehen. Die Membran 380 ist zumindest in dem Bereich ihrer
Außenseite
elektrisch leitfähig
ausgebildet, der den Kontaktstiften 376, 378 benachbart
ist. Vorzugsweise ist jedoch die gesamte Membran 380 elektrisch leitend,
insbesondere in einem mit dem Werkstoff des metallischen Bodens
und der Deckelplatte des Schutzgehäuses 340 übereinstimmendem
Material, ausgeführt
und im Segment 342 eingeschweißt. Sie liegt in diesem Fall
als Ganzes auf dem elektrischen Potential der genannten metallischen
Gehäuseteile.
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Die Membran 380 muss den
Durchbruch im Segment 342 nicht zwangsweise hermetisch
dicht verschließen.
Es ist reicht aus, wenn sie hinreichend dicht ist, bei einem unzulässig hohen
Druckanstieg im Inneren des Schutzgehäuses 340 eine Wölbung zu
erfahren (in 17 durch
eine gestrichelte Linie angedeutet), die wenigstens ihren leitfähigen Bereich in
elektrischen Kontakt mit den Kontaktstiften 376 und 378 bringt
und diese elektrisch kurzschließt.
Die hermetische Dichtheit muss dann von dem Substrat 374 gewährleistet
werden, welches mit dem Segment 342 ebenso wie mit den
Kontaktstiften 376, 378 hermetisch dicht zu verlöten wäre. Ferner
wäre ein zwischen
dem Substrat 374 und der Membran 380 gebildeter
Kompressionsraum bei der Auslegung der Membran 380 zu berücksichtigen.
Verschließt
hingegen die Membran 380 den Durchbruch im Segment 342 hermetisch
dicht, was bevorzugt wird, ist eine hermetisch dichte Gestaltung
des Substrats 374 und der entsprechenden Lötverbindungen
zwischen dem Substrat 374 und den Kontaktstiften 376, 378 sowie dem
Segment 342 nicht zwingend notwendig, jedoch unter Umständen sinnvoll.
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Es versteht sich, dass das Schutzgehäuse 340 so
ausgelegt werden kann, dass auch ein Quellen bzw. eine Volumensexpansion
der Elektroden 2 und/oder 4 in Wölbungsrichtung
der Membran 380, d.h. im Wesentlichen senkrecht zur kleinsten
Ausdehnung des Schutzgehäuses 340,
die Membran 380 betätigt,
indem die Elektroden 2 und/oder 4 unmittelbar
oder mittelbar z.B. über
eine Isolierschicht an der Membran 380 anliegen. Bevorzugte
Materialien für
die Kontaktstifte 360, 362, 376, 378 und
die Substrate 358 und 374 des Öffners bzw. des Schließers entsprechen
denjenigen der Kontaktstifte 354 und 356 der Durchführung 348 bzw.
des Substrats 350.
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Der die Membran 380 und
ein von den Kontaktstiften 376, 378 gebildetes
Kontaktpaar umfassende Schließer
des Schutzgehäuses 340 kann
beispielsweise entsprechend dem Schließer 44 (siehe 1) eingesetzt werden, um
den Nachladestromkreis 22 direkt kurzzuschließen. Es
ist ebenso möglich,
den Schließer
mittels der Auswerteelektronik 52 zu überwachen, die ihrerseits andere
Schaltorgane oder die bereits erwähnte Warneinrichtung betätigt.
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Ein wesentlicher Vorteil des Schutzgehäuses 340 ist
darin zu sehen, dass dieses durch Integration aller Detektor- und
Schaltorgane sowie der Durchführung
in die Seitenwand des Schutzgehäuses 340 sehr
flach baut und in Richtung seiner kleinsten Ausdehnung eine Dicke
aufweist, die im Wesentlichen nur um die Wandstärken des Bodens und der Deckelplatte
größer ist
als diejenige des Elektroden/Elektrolytsystems.