DE19912783A1 - Wärmeschutzvorrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einer Wärmeschutzvorrichtung, die folgendes umfaßt: eine feste Platte, deren eines Ende mit einem Festkontakt versehen und deren anderes Ende über einen ersten Anschluß mit einem äußeren Stromkreis verbunden ist; eine bewegliche Platte, die an einem Ende mit einem beweglichen Kontakt versehen ist, der den Festkontakt berühren kann, und am anderen Ende über einen zweiten Anschluß mit einem äußeren Stromkreis verbunden ist; sowie eine Bimetallplatte, die in die entgegengesetzte Richtung gebogen wird, wenn ihre Temperatur auf einen vorgegebenen Wert erhöht wird, wodurch die bewegliche Platte derart verformt wird, daß der bewegliche Kontakt von dem Festkontakt getrennt wird; sind die internen leitenden Teile aus einem Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 50% IACS und mehr hergestellt.

Description

Gebiet der Erfindung und Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeschutzvorrichtung und, genauer ausgedrückt, eine Wärmeschutzvorrichtung, die sich für den Einsatz in einem Sekundärbatteriesatz als Bestandteil eines Computers wie eines Notebook-PC eignet.

Wie in Fig. 1 gezeigt wird, umfaßt ein Notebook-PC eine Haupteinheit 2 und einen Sekundärbatteriesatz BP-1. Die Haupteinheit besteht aus einer Zentraleinheit, Speichern usw., d. h. sie führt die grundlegenden Funktionen des Computers aus. Der Sekundärbatteriesatz BP-1 beinhaltet eine Sekundärbatterie 1a sowie eine Wärmeschutzvorrichtung 3. Die Wärmeschutzvorrichtung 3 ist zwischen der Sekundärbatterie 1a und der Haupteinheit 2 angeordnet. Diese Wärmeschutzvorrichtung 3 tritt in Aktion, wenn aufgrund eines Kurzschlusses der Ladung der Batterie 1a ein Überstrom fließen kann oder wenn die Batterie 1a heißläuft und aufgrund eines umfangreichen Entladestroms in einen Überhitzungszustand gerät, so daß sie die Funktion eines elektrischen Isolators zwischen der Haupteinheit 2 und der Sekundärbatterie 1a übernimmt.

Bei Fig. 2 handelt es sich um eine Schnittdarstellung der Wärmeschutzvorrichtung 3. Aufbau und Arbeitsweise einer Wärmeschutzvorrichtung dieses Typs wurden beispielsweise in der Vorläufigen Veröffentlichung eines japanischen Patents Nr. 6-119859 (Nr. 119859/1994) sowie in der Vorläufigen Veröffentlichung eines japanischen Patents Nr. 8-161989 (Nr. 161989/1996) offenbart.

Entsprechend Fig. 2 ist die aus einem guten elektrischen Leiter bestehende feste Platte 3a an einem Ende mit einem ersten Außenanschluß 3b versehen, der mit einem äußeren Stromkreis verbunden ist, und am anderen Ende mit einem Festkontakt 3c. Eine bewegliche Platte 3d, die aus einem elektrisch gut leitenden und elastischen Werkstoff hergestellt wurde, ist an einem Ende mit einem beweglichen Kontakt versehen, der den Festkontakt 3c berühren kann, und am anderen Ende mit einem zweiten Außenanschluß 3f ausgerüstet. Die feste Platte 3a und die bewegliche Platte 3d werden durch den elektrischen Isolierkörper 3g voneinander isoliert.

Die bewegliche Platte 3d trägt auf ihrer Oberseite eine Bimetallplatte 3h, und zwar so, daß die Bimetallplatte 3h in die entgegengesetzte Richtung gebogen werden kann. Der Isolierkörper 3g befestigt die feste Platte 3a, die bewegliche Platte 3d, die Bimetallplatte 3h sowie den Außenanschluß 3f aneinander, indem sie in Löcher greift, die sich in diesen Bauteilen befinden.

Die Bimetallplatte 3h weist die in Fig. 2 gezeigte, nach oben konvexe Form auf, wenn ihre Temperatur unter einem vorgegebenen Wert liegt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der bewegliche Kontakt 3e in Kontakt mit dem Festkontakt 3c. Wenn die Temperatur der Bimetallplatte 3h über den vorgegebenen Wert steigt wird die Bimetallplatte 3h sofort in die entgegengesetzte Richtung gebogen, so daß sie eine nach unten konvexe Form annimmt. Die über eine derartige Eigenschaft verfügende Bimetallplatte 3h wird als Bimetallplatte des Sprungkontakttyps bezeichnet.

Das vordere Ende der Bimetallplatte 3h steht in Berührung mit der beweglichen Platte 3d über die Klaue 3i, die am vorderen Ende der beweglichen Platte 3d angebracht ist. Wenn die Bimetallplatte 3h so gebogen wird, daß sie eine nach unten konvexe Form annimmt, wird demzufolge die bewegliche Platte 3d so gebogen, daß sie sich aufgrund der Verformungskraft von der festen Platte 3a entfernt. Das führt dazu, daß der bewegliche Kontakt 3e vom Festkontakt 3c getrennt wird.

Die zuvor erwähnte Wärmeschutzvorrichtung 3 ist zumindest an einer der Leitungen 4a und 4b vorgesehen, die die Haupteinheit 2 mit der Sekundärbatterie 1a verbinden.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Zustand, in dem die Bimetallplatte 3h nicht in die entgegengesetzte Richtung verformt ist, fließt der elektrische Strom in der Reihenfolge: erster Außenanschluß 3b, feste Platte 3a, Festkontakt 3c, beweglicher Kontakt 3e, bewegliche Platte 3d und zweiter Außenanschluß 3f; bzw. in der umgekehrten Reihenfolge. Andererseits, wenn die Bimetallplatte 3h in die entgegengesetzte Richtung gebogen und der bewegliche Kontakt 3e vom Festkontakt 3c getrennt ist, wird die Haupteinheit 2 von der Sekundärbatterie 1a elektrisch isoliert.

Herkömmlicherweise wurde einen Nickel-Cadmium-Batterie oder eine Nickel-Wasserstoff- Batterie als die zuvor erwähnte Sekundärbatterie 1a eingesetzt. Derartige Sekundärbatterien müssen vor einem durch Kurzschluß erzeugten Überstrom geschützt werden. Aus diesem Grunde ist die Wärmeschutzvorrichtung 3 erforderlich, damit sie auf den Überstrom reagiert. Bei der herkömmlichen Wärmeschutzvorrichtung 3 sind deshalb, um einen angemessenen Innenwiderstand zu gewährleisten, die Außenanschlüsse 3b und 3f, die feste Platte 3a und die bewegliche Platte 3d unter Verwendung eines Werkstoffs mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 20% IACS (beispielsweise Messing) hergestellt. Übrigens steht der Terminus IACS als Abkürzung für International Annealed Copper Standard (Internationale Norm für geglühtes Kupfer), und % IACS bedeutet den Prozentsatz der elektrischen Leitfähigkeit in bezug auf einen normalen geglühten Kupferdraht.

Wenn bei einer Wärmeschutzvorrichtung 3, deren leitende Teile aus dem obengenannten Werkstoff hergestellt sind, ein Überstrom aufgrund eines Kurzschlusses usw. der Last in die Sekundärbatterie fließt, wird die Bimetallplatte 3h in die entgegengesetzte Richtung gebogen, und zwar aufgrund der Selbsterhitzung durch den Innenwiderstand. Auf diese Weise läßt sich aufgrund der Öffnung der Kontakte 3c und 3e, die durch die entgegengesetzte Verbiegung der Bimetallplatte 3h verursacht wird, der Kurzschlußzustand der Sekundärbatterie 1a beenden.

Was die Sekundärbatterie an betrifft, so wurden die oben erwähnten Nickel-Cadmium- Batterien oder Nickel-Wasserstoff-Batterien in letzter Zeit durch Lithiumionenbatterien ersetzt. Diese Lithiumionenbatterien erfordern eine präzise Ladungs-/Entladungssteuerschaltung. Deshalb erfüllt eine Steuerschaltung, die mit einem Halbleiter arbeitet, die Funktion der Steuerung einschließlich des Schutzes gegen einen Kurzschluß.

Jedoch empfiehlt sich aus Sicherheitsgründen der Einsatz einer Sicherheitsvorrichtung anderer Art. Selbst bei Batteriesätzen mit den obengenannten Lithiumbatterien wurde deshalb häufig eine Wärmeschutzvorrichtung eingesetzt. Da sich jedoch die Leistungsfähigkeit tragbarer Computer rasch erhöht hat, besteht auch ein Trend zur Erhöhung der notwendigen Stromstärke.

Bei der für einen derartigen Batteriesatz eingesetzten Wärmeschutzvorrichtung ist also im Gegensatz zur herkömmlichen Wärmeschutzvorrichtung eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber elektrischem Strom erforderlich. Insbesondere ist es wichtig, die Arbeitsempfindlichkeit aufgrund von Selbsterhitzung zu verringern, mit anderen Worten, den Strom zu erhöhen, der im Nichtbetriebszustand fließen darf (im folgenden als Nichtbetriebsstrom bezeichnet).

Gegenstand und Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben geschilderten Situation erarbeitet, und eines ihrer Ziele besteht darin, eine Wärmeschutzvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die das Fließen eines hohen Stromes im Nichtbetriebszustand gestattet.

Das genannte Ziel wurde mit einer in Patentanspruch 1 definierten Wärmeschutzvorrichtung erreicht. Das heißt, es wurde dadurch erreicht, daß die leitenden Teile wie feste Platte und bewegliche Platte unter Verwendung eines Werkstoffs mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 50% IACS und mehr hergestellt wurden.

Um die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, ist es notwendig, daß selbst bei fließendem Strom keine Temperaturerhöhung zugelassen wird. Zu diesem Zweck ist es zunächst erforderlich, daß der elektrische Widerstand der beweglichen Platte, die nahe der Bimetallplatte angeordnet ist, verringert wird, wodurch die Stärke der Selbsterhitzung aufgrund des in der beweglichen Platte fließenden Stroms reduziert wird.

Um den Temperaturanstieg der Bimetallplatte weiter zu vermindern, kommt es jedoch auch darauf an, jede nur schwach in der beweglichen Platte erzeugte Wärme rasch nach außen abzuleiten.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wirksamkeit der Wärmeableitung verbessert, indem die leitenden Teile wie die feste Platte, die nicht nahe der Bimetallplatte angeordnet sind, unter Verwendung eines Werkstoffs mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden.

Im allgemeinen bestimmen innerhalb eines Metalls die freien Elektronen sowohl die elektrische als auch die thermische Leitfähigkeit, und das Wiedemann-Franz-Gesetz besagt, daß das Verhältnis der thermischen Leitfähigkeit zur elektrischen Leitfähigkeit konstant ist. Bei Einsatz eines Werkstoffs mit hoher elektrischer Leitfähigkeit läßt sich deshalb eine hohe Wärmeleitfähigkeit erzielen.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde eine Wärmeschutzvorrichtung realisiert, bei der die in der Wärmeschutzvorrichtung erzeugte Wärme von geringer Menge, die Ableitungseffektivität der erzeugten Wärme hoch ist und der Nichtbetriebsstrom bei Zimmertemperatur 12 A und mehr beträgt, indem ein Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 50% IACS und darüber eingesetzt wurde.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Nichtbetriebsstrom im Vergleich zur herkömmlichen Wärmeschutzvorrichtung verdoppelt werden, ohne die Form zu vergrößern. Deshalb kann eine Batterie von höherer Kapazität verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung zwischen einem Sekundärbatteriesatz einschließlich einer herkömmlichen Wärmeschutzvorrichtung und einer Haupteinheit zeigt;

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung, die den Aufbau einer Wärmeschutzvorrichtung zeigt;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung zwischen einem Sekundärbatteriesatz einschließlich einer erfindungsgemäßen Wärmeschutzvorrichtung und einer Haupteinheit zeigt; und

Fig. 4 sind Außenansichten bevorzugter Ausführungen einer erfindungsgemäßen Wärmeschutzvorrichtung, bei der ein Kupferdraht an einen Außenanschluß angeschlossen ist.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungen

In Fig. 3 ist ein Batteriesatz BP-2, der als Sekundärbatterie 1 eine Lithiumionenbatterie, eine Stromsteuerschaltung 5 sowie die erfindungsgemäße Wärmeschutzvorrichtung umfaßt, in einen PC 1 eingebaut.

Die unter Verwendung eines Halbleiters hergestellte Stromsteuerschaltung 5 ist für die Steuerung der Ladung/Entladung der Sekundärbatterie 1b, für den Schutz gegen Kurzschluß und ähnliches vorgesehen.

Die Wärmeschutzvorrichtung 6 ist zumindest auf einer der Leitungen 4a und 4b zwischengeschaltet, die die Haupteinheit 2 mit der Stromsteuerschaltung 5 verbinden. Die Wärmeschutzvorrichtung 6 kann auch zwischen die Sekundärbatterie 1b und die Stromsteuerschaltung 5 geschaltet werden. Die Haupteinheit 2 umfaßt eine Zentraleinheit, mehrere Speicher usw.

Der Aufbau der Wärmeschutzvorrichtung 6 an sich ist derselbe wie bei der herkömmlichen Wärmeschutzvorrichtung 3 in Fig. 2. Allerdings unterscheidet sich diese Wärmeschutzvorrichtung 6 von der herkömmlichen Wärmeschutzvorrichtung in bezug auf den Werkstoff der leitenden Teile usw.

Die Besonderheit besteht darin, daß herkömmlicherweise die in Fig. 2 gezeigte bewegliche Platte 3d aus einem Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 20% IACS hergestellt wird, wohingegen die Wärmeschutzvorrichtung der vorliegenden Ausführung über eine bewegliche Platte 3d verfügt die aus einem Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 50% IACS und mehr (beispielsweise Beryllium-Kupfer-11-Legierung) hergestellt wird. Wenn weiterhin herkömmlicherweise die feste Platte 3a einschließlich des ersten Außenanschlusses 3b und des zweiten Außenanschlusses 3f aus Messing bestehen, verfügt demgegenüber die Wärmeschutzvorrichtung 6 der vorliegenden Ausführung über eine feste Platte 3a und einen Außenanschluß 3f aus Kupfer (dessen elektrische Leitfähigkeit beispielsweise etwa 98% IACS und mehr beträgt).

Fig. 4 zeigt Zuführungsleitungen 7, die an die Außenanschlüsse 3b und 3f angeschlossen sind. Während herkömmlicherweise Nickelbandkabel für die Zuführungsleitungen eingesetzt wird, arbeitet die Wärmeschutzvorrichtung 6 der vorliegenden Ausführung mit einem Kupferdraht von 0,8 mm Durchmesser. Dadurch wird die Wärmeerzeugung weiter reduziert, und die Wärmeleitfähigkeit wird verbessert.

Bei der herkömmlichen Wärmeschutzvorrichtung beträgt der elektrische Widerstand zwischen den Außenanschlüssen 3b und 3f etwa 6,5 mΩ, und die Stärke des Nichtbetriebsstroms beträgt etwa 6,5 A bei Zimmertemperatur und etwa 3,5 A bei 60°C.

Bei einer erfindungsgemäßen Wärmeschutzvorrichtung 6, bei der die bewegliche Platte 3d, die feste Platte 3a und die Außenanschlüsse 3b und 3f aus dem oben erwähnten Werkstoff hergestellt sind, beträgt demgegenüber der elektrische Widerstand zwischen den Außenanschlüssen 3b und 3f nur 2,5 mΩ oder weniger, so daß die Stärke des Nichtbetriebsstroms 12 A und mehr bei Zimmertemperatur sowie 7 A und mehr bei 60°C beträgt. Empfehlenswert ist eine Verringerung des elektrischen Widerstands zwischen den Anschlüssen 3b und 3f auf 3 mΩ und darunter.

Da also die erfindungsgemäße Wärmeschutzvorrichtung 6 einen hohen Nichtbetriebsstrom aufweist, reicht, selbst wenn ein Stromfluß von zweimal und mehr im Vergleich zur herkömmlichen Schutzvorrichtung zugelassen wird, die Wärmeerzeugung nicht aus, um das Bimetall 3h in die entgegengesetzte Richtung zu biegen. Sie eignet sich deshalb als Wärmeschutzvorrichtung für Batteriesätze BP mit hoher Kapazität und hohem Laststrom.

Wenn die Stromsteuerschaltung 5 mit dem Halbleiter gestört ist oder wenn der Laststrom der Sekundärbatterie 1b den Steuerbereich der Stromsteuerschaltung 5 überschreitet, steigt die Temperatur der Bimetallplatte 3h über den vorgegebenen Wert, so daß die Wärmeschutzvorrichtung 6 in Funktion gesetzt wird. Das führt dazu, daß die Haupteinheit 2 elektrisch von der Sekundärbatterie 1a isoliert wird.

Da die erfindungsgemäße Wärmeschutzvorrichtung 6 eine geringe Empfindlichkeit gegenüber elektrischem Strom aufweist, ist es empfehlenswert, den elektrischen Isolierkörper aus einem hitzehärtbaren Kunstharz herzustellen, um den elektrischen Isolierkörper vor einem nachteiligen thermischen Effekt aufgrund von Überstrom zu schützen.

Claims (6)

1. Wärmeschutzvorrichtung, die folgendes umfaßt: eine feste Platte, deren eines Ende mit einem Festkontakt versehen und deren anderes Ende über einen ersten Anschluß mit einem äußeren Stromkreis verbunden ist; eine bewegliche Platte, die an einem Ende mit einem beweglichen Kontakt versehen ist, der den genannten Festkontakt berühren kann, und am anderen Ende über einen zweiten Anschluß mit einem äußeren Stromkreis verbunden ist; sowie eine Bimetallplatte, die in die entgegengesetzte Richtung gebogen wird, wenn ihre Temperatur auf einen vorgegebenen Wert erhöht wird, wodurch die genannte bewegliche Platte derart verformt wird, daß der genannte bewegliche Kontakt von dem genannten Festkontakt getrennt wird, gekennzeichnet dadurch, daß die inneren leitenden Teile aus einem Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 50% IACS und mehr bestehen.

2. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der genannte erste und zweite Anschluß aus Kupfer hergestellt sind.

3. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der elektrische Widerstand zwischen dem genannten ersten und zweiten Anschluß 3 mΩ und weniger beträgt.

4. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Werkstoff für die leitenden Teile so ausgewählt wird, daß der Nichtbetriebsstrom bei 60°C 7 A und mehr beträgt.

5. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein interner elektrischer Isolierkörper aus einem hitzehärtbaren Kunstharz hergestellt ist.

6. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die an den genannten ersten und zweiten Anschluß angeschlossene Zuführungsleitung ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,8 mm und mehr ist.