CN103370845A

CN103370845A - 在有爆炸危险的区域中使用的电子装置及其保护元件

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Publication number: CN103370845A
Application number: CN2012800088971A
Authority: CN
Inventors: 温弗里德·迈尔; 罗兰·格罗青格
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: EP2676347A1; US20130322020A1; DE102011004061A1; EP2676347B1; CN103370845B; WO2012110417A1

Abstract

本发明涉及一种在有爆炸危险的区域中使用的电子装置，包括：上级电子单元（1）；多个电子组件（3），所述多个电子组件（3）被连接至所述上级单元（1）并且由此被提供能量；以及的保护元件（7、7’），所述保护元件（7、7’）被插入到用于将每个组件（3）连接至所述上级单元（1）的多条连接线路（5）中。在一个组件（3）故障的情况下，由所述上级单元（1）所提供的功率被以节省空间的方式安全地转化成热。根据本发明，保护元件（7、7’）包括：电绝缘且导热的主体（9）；和数量对应于所述连接线路（5）的数量的多个电阻器（R），所述电阻器（R）被安装在所述主体（9）上，所述电阻器（R）的每一个在输入和输出侧上设有连接（11、11’），该电阻器（R）经由该连接（11、11’）被连接至所述连接线路（5）的相应一条。

Description

在有爆炸危险的区域中使用的电子装置及其保护元件

技术领域

本发明涉及一种在有爆炸危险的区域中使用的电子装置。该电子装置具有上级电子单元和连接至该上级单元并由其提供能量的多个电子组件。本发明还涉及一种保护元件，通过该保护元件，在组件故障的情况下，该上级单元提供的功率可安全地转化为热。

背景技术

在工业测量技术中应用大量电子装置，尤其是测量装置，例如压力、温度、流量或料位测量装置。这些装置通常具有能量供应的上级电子单元，通过该上级单元提供能量的许多电子组件连接至该上级单元，例如诸如传感器、测量电路、控制电路和/或评估电路或信号处理器的电子组件。

在存在爆炸危险的使用现场采用严格的安全规范。在这种情况下，因为在给定情况下火花可能触发爆炸，所以尤其是要预防火花形成。相应地，目前上级单元可获得的功率被通过相应的电流和电压限制保护电路规则地限制为预定最大功率，例如1瓦。此外，必须确保在通过上级单元向其组件提供功率的装置中，在故障的情况下也不导致火花。目前通常通过将功率安全地转化为热实现该目标。以不能点燃位于诸如例如气体或灰尘的环境中的爆炸性介质的方式，实现这种在组件故障情况下，将通过上级电子单元向各自组件提供的电功率安全转化为热。

目前通常通过图1所示的方式实现该需求，其中上级单元1连接至许多下级组件3，并且在将上级单元1连接组件3的每一条连接线5中，插入所谓的爆炸保护电阻器R_Ex。在该情况下，每个爆炸保护电阻器R_Ex被做的足够大，使得在故障情况下，将从上级单元1可获得的全部功率转化为热。在该情况下，以爆炸保护电阻器R_Ex当例如由于与其连接的组件3中短路从上级单元1可获得的全部功率被转化为热时不会过热的方式，设计每个单独爆炸保护电阻器R_Ex的构造尺寸和外形。根据可在上级单元1中获得的最大功率，通常，由于该最大功率，需要具有非常大的机械尺寸的爆炸保护电阻器R_Ex，以便确保吸收和安全地处理热。

由于爆炸保护电阻器R_Ex的所需尺寸，尤其是在具有许多下级组件3的装置的情况下，这导致相当大的空间需求，并且与小型化和成本最优化相冲突。

发明内容

本发明的目标是提供一种保护元件和一种配备有这种保护元件的上述类型的装置，通过该保护元件，在组件故障的情况下，代替节省方式，确保了将可从上级元件获得的功率安全地转化为热。

出于该目的，本发明涉及一种用于在有爆炸危险的区域中使用的电子装置，包括：

-上级电子单元，

-多个电子组件，其被连接至该上级单元并且由该上级单元提供能量，以及

-保护元件，其被安装在用于将各个组件连接至上级单元的多条连接线路中，并且包括

--电绝缘且导热的基座主体，以及

--多个电阻器，其被施加在该基座主体上并且对应于所述多条连接线路，其中电阻器的每一个在输入和输出侧被提供有连接，通过该连接该电阻器被插入各自一条连接线路中。

在优选实施例中，该基座主体包括陶瓷，尤其是氮化铝（AlN）。

在另外的实施例中，该电阻器是薄膜电阻器，尤其是TaNi或NiCr的薄膜电阻器。

在第一进一步发展中，在基座主体的承载电阻器的相反一侧上施加导热层，尤其是金属涂层。

在第一进一步发展的另外进一步发展中，

-保护元件以基座主体具有导热层的一侧置于电路板上，并且

-该电路板在被导热层所覆盖的区域中具有腔体。

在第二进一步发展中，

-保护元件被布置在电路板上，

-基座主体承载电阻器的一侧面对电路板，并且

-电路板和保护元件被间隔体彼此隔开。

在第二进一步发展的进一步发展中，电绝缘且导热的元件被布置在电路板和保护元件之间。

在第二进一步发展的进一步发展中，间隔体是电阻器的连接，并且朝向背离基座主体的方向，在基座主体的承载电阻器的一侧上，从电阻器的平面凸出。

在第三进一步发展中，保护元件的承载电阻器的一侧被涂覆以电绝缘且导热的层，尤其是漆或灌封物。

此外，本发明涉及一种保护元件，其用于将上级电子单元电连接至通过该上级单元来提供能量的多个电子组件，该保护元件包括：

-电绝缘且导热的基座主体，

-多个互相并联的电阻器，其被施加在该基座主体上并且对应于所述多个组件，其中电阻器的每一个可通过输入侧连接而连接至所述单元并且可通过输出侧连接而连接至一个组件。

附图说明

现在将基于附图中的图更详细地解释本发明和其他优点，其中提出两个实施例实例；图中相同的元件具有相同的附图标记。其中：

图1是根据现有技术的装置的框图；

图2是本发明的装置的框图；

图3是本发明的保护元件的第一变体的视图；

图4是图3的保护元件的下侧；

图5是电路板上的图3的保护元件的截面图；

图6是本发明的保护元件的第二变体的局部视图；并且

图7是电路板上的图6的保护元件的截面图。

具体实施方式

图2示出了用于在有爆炸危险的区域中使用的电子装置的框图。其包括单一上级电子单元1，多个下级电子组件3连接至该上级电子单元1。每个组件3通过连接线路5连接至上级单元1，并且由上级单元1提供能量。

根据本发明，保护元件7被提供为插入到许多连接线路5中，该许多连接线路5连接各自组件3和上级单元1。在实施例的例示实例中，所有组件3通过所示保护元件7连接上级单元1。然而，作为替换方式，在每种情况下，也能够通过插入各自组的所有组件的连接线路的单独保护元件，将许多组件组连接至上级单元1。

图3示出本发明的保护元件7的第一变体。其包括电绝缘且导热材料的，诸如例如陶瓷的，基座主体9。由于其数量级为200W/mK的高热导率，所以尤其适合的陶瓷材料是例如氮化铝（AlN）。

施加在基座主体9上的是多个电阻器R，其对应于穿过保护元件7的多个连接线路5。优选地，电阻器R为薄膜电阻器，尤其是TaNi或NiCr的薄膜电阻器。

每个电阻器R在输入和输出侧被提供有用于一条连接线路5的连接11。在图3中例示的变体中，电阻器R实施为条状表面电阻器，其互相并联地横向穿过基座主体9的上侧延伸。例如，被提供在输入和输出侧上的连接11是SMD焊料连接，其被布置在基座主体9的相对侧表面上，每个在基座主体9的上侧连接电阻器R的各自末端。

在通过保护元件7连接至上级单元1的一个或更多组件3故障的情况下，通过上级单元1可获得的能量被安全地转化为热。由于仅存在一个上级单元1，这种能量也仅发生一次，与通过保护元件7连接至上级单元1的组件3数目无关。与上述现有技术中在故障情况下每个单独保护电阻器R_Ex必须能够将从上级单元1可获得的能量安全地转化为热的情况不同，与通过其连接的组件3的数目无关，此处通过保护元件7的一次转化就足够了。

一个组件3故障导致通过位于该组件3的连接线路5中的保护元件7的电阻器R的电流增大。在该情况下，所释放的热被基座主体9吸收，并且通过基座主体9排出。在该情况下，基座主体9的优越地高热导率实现了基座主体9近似均匀分布的升温，并且因此实现了高效的大表面的热排出。由于仅一次出现被转化为热的能量，所以两个或更多组件3的同时发生的故障不导致在保护元件7上逐渐出现更多热。因而，即使在多个组件3同时故障的情况下，对于安全的热转化，单一基座主体9也足够。因此，根据本发明，为了将多个组件3连接至上级单元1，仅需要单一的中心布置的基座主体9。通过这种方式，节省了相当大的空间，这可用于装置的小型化、其他组件或其他用途。

为了提高热排出，能够在基座主体9的与电阻器R相反一侧上施加导热层13，尤其是金属涂层。如图3和4中所示，导热层13能够被布置在基座主体9中的相应腔体中。导热层13的存在使得可能提高通过保护元件7可转化的热的量以及通过上级单元1可获得的能量，或者使得可能在通过上级单元1可获得相同能量的情况下，减小基座主体9的尺寸。

如图5中所示，保护元件7例如被布置在电路板15上，上级单元1和组件3之间的连接线路5在电路板15的上侧施加。保护元件7被插入连接线路5中。在每种情况下，连接线路5通往电阻器连接11，其被布置在基座主体9的相对侧上，用于电阻器R。例如，通过焊接连接17提供各自连接线路5和连接11之间的电连续性。优选地，这些焊接连接17同时也用于将保护元件7机械固定至电路板15。

为了在故障情况下另外地提高热排出，电路板15在其被保护元件7覆盖的区域中具有腔体19，通过该腔体19，热被穿过电路板15而排出。该措施导致非常高效的热排出，尤其是与被设置在面对电路板15的基座主体9一侧上的导热层13相结合。然而，作为替换方式，导热层13也能够被施加至，分别焊接至，被设置在电路板15上的冷却表面（未示出）。

图6示出了本发明的保护元件7′的另外变体的截面图。由于和上述变体的类似性，所以仅更详细地解释其差异。与上述变体相比，此处的电阻器R及其连接11′被布置在基座主体9的一侧，并且是相同一侧上。通过这种方式，电路板15和基座主体9之间的间隔体21使得可能在电路板15上，以电阻器R被定位于基座主体9面对电路板15的一侧上的方式，诸如图7中所示地，安装保护元件7′。

优选地，间隔体21由电阻器R的连接11′形成，出于该原因，连接11′朝向背离基座主体9的方向，在基座主体9的承载电阻器R的一侧上，从电阻器R的平面凸出。此处，也优选地，连接11′通过焊接连接17′连接至在电路板15上延伸至保护元件7′的连接线路5。

与图5中例示的实施例实例的情况严格相同地，此处在保护元件7′覆盖的电路板15的区域中，也能够提供穿过电路板15的腔体（此处未示出），以提高热排出。

作为替换，能够在电路板15和保护元件7′之间布置电绝缘且导热的元件23，以提高热排出。

此外，优选地，至少保护元件7，分别7′，的承载电阻器R的侧面被涂覆以电绝缘且导热的层，尤其是漆或灌封物。一方面，该导热层提供了提高和加速了局部热散发在基座主体9上的单独电阻器R区域中的均匀分布的优点。另一方面，通过单独电阻器R之间的间隔，其提高了单独电阻器R彼此之间的绝缘，并且有助于通过其提高击穿电压。

Claims

1.一种在有爆炸危险的区域中使用的电子装置，包括：

上级电子单元（1），

多个电子组件（3），所述多个电子组件（3）被连接至所述上级单元（1）并且由所述上级单元（1）提供能量，以及

保护元件（7、7’），所述保护元件（7、7’）被安装在用于把所述组件（3）的各个连接至所述上级单元（1）的多条连接线路（5）中，并且所述保护元件（7、7’）包括

电绝缘且导热的基座主体（9），以及

被施加在所述基座主体（9）上并且对应于所述多条连接线路（5）的多个电阻器（R），其中，所述电阻器（R）的每一个在输入和输出侧被提供有连接（11、11’），该电阻器（R）经由该连接（11、11’）被插入所述连接线路（5）的相应一条。

2.根据权利要求1所述的电子装置，其中

所述基座主体（9）包括陶瓷，尤其是氮化铝（AlN）。

3.根据权利要求1所述的电子装置，其中

所述电阻器（R）是薄膜电阻器，尤其是TaNi或NiCr的薄膜电阻器。

4.根据权利要求1所述的电子装置，其中

在所述基座主体（9）的承载所述电阻器（R）的相反一侧上施加导热层（13），尤其是金属涂层。

5.根据权利要求4所述的电子装置，其中

所述保护元件（7）以所述基座主体（9）具有所述导热层（13）的一侧置于所述电路板（15）上，并且

所述电路板（15）在被所述导热层（13）覆盖的区域中具有腔体（19）。

6.根据权利要求1所述的电子装置，其中

所述保护元件（7’）被布置在电路板（15）上，

所述基座主体（9）承载所述电阻器（R）的一侧面对所述电路板（15），并且

所述电路板（15）和所述保护元件（7’）彼此之间被间隔体（21）隔开。

7.根据权利要求6所述的电子装置，其中

至少一个电绝缘且导热的元件（23）被布置在所述电路板（15）和所述保护元件（7’）之间。

8.根据权利要求6所述的电子装置，其中

所述间隔体（21）是所述电阻器（R）的所述连接（11’），并且朝向背离所述基座主体（9）的方向，在所述基座主体（9）承载所述电阻器（R）的一侧上，从所述电阻器（R）的平面凸出。

9.根据权利要求1所述的电子装置，其中

所述保护元件（7、7′）的承载所述电阻器（R）的一侧被涂覆有电绝缘且导热的层，尤其是漆或灌封物。

10.一种保护元件（7、7′），所述保护元件（7、7′）用于把上级电子单元（1）电连接至通过所述上级单元（1）来提供能量的多个电子组件（3），所述保护元件（7、7′）包括

电绝缘且导热的基座主体（9），以及

多个电阻器（R），所述许多电阻器（R）被施加在所述基座主体（9）上并且对应于所述多个组件（3），其中所述电阻器（R）的每一个通过输入侧连接（11、11’）可连接至所述单元（1）并且通过输出侧连接（11、11’）可连接至所述组件（3）之一。