CN1229519A - 热熔电阻 - Google Patents

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Abstract

一种热熔式电阻装置(50),包括一个电阻(58),其一端电连接到第一电阻端子(62),而相反的一端连接到第二电阻端子(64)。利用一个焊接环(66)在电阻的一端与其对应的电阻端子之间形成电连接。焊接环(66)的一部分处在与电阻表面的电绝缘部分(74)相接触的位置,其位置优选对应着电阻的热点,并且利用热传导介质(76)以导热和机械的方式将焊接环(66)连接到电阻表面上的电绝缘部分(74)。当电阻的温度增加到一个预定的温度范围之内时,导热连接到电阻(58)上的焊接环(66)的一部分(72)可以受热熔化,从电路上将电阻的一端与其对应的电阻端子断开。

Description

热熔电阻
发明领域
本发明总体涉及从相关的电路上断开一个过热的电阻，具体地说也就是使用热触发式熔断器的技术。
发明背景
许多电路和系统中需要使用功率电阻来执行各种各样的功能，例如是为有关的电路产生所需的电压和电流电平，以及/或是从其他的电气设备获得电功率。使用后一种情况的一个例子就是公知的汽车空调系统，这种系统通常是采用功率电阻来控制空调风机的电动机速度。在某些操作模式下，可以用功率电阻从风机电动机为输入的气流提供可观数量的功率。由于消耗的功率很大，功率电阻的工作温度通常处在大约80-150℃之间。
在许多上述的电路和系统中，潜在的故障状态为因为流经功率电阻的电流过大而使之造成过热。这种过热现象可能会造成周围的电路和结构受热损坏，并且有可能导致火灾。为了防止危险的过热状态，这种功率电阻通常要装备热触发式的熔断器，在电阻的工作温度上升到某个预定的温度范围时用来断开电阻的电路。
为了提供热熔式的电气元件，特别是针对装在基片上的薄膜式电气元件，目前已经为电路和系统的设计者提供了各种各样的方案。在这些方案中包括使用一种弹簧加载的金属悬臂，它通常是通过焊接被连接在电气元件和它的端子之间。当电气元件的温度增加到一个预定的温度范围之内时，附着在元件和悬臂之间的焊料就会熔化，使弹簧加载的悬臂脱离元件，形成开路状态。在Dornfeld等人的美国专利US3638083中就提供了这种方案的一个例子。
尽管上述的方案具有成功的一面，但是还不够可靠。例如，随着时间的推移，由于元件在正常操作中的温度循环，连接的焊料会逐渐变弱，最终会使弹簧加载的悬臂从元件上脱落，从而造成开路状态。
在图1中表示了另一种专门为薄膜式电气元件提供热触发式熔断器的普通方案。参见图1，在基片14的一侧设有一对导电的电路，并且按照公开的方式在二者之间形成一种所谓的厚膜电气元件16，例如是一个电阻。第一元件端子18可以电连接到电路10上，而第二元件端子20可以电连接到与电路12相邻的第三导电电路22上。然后将热触发式的熔断器元件24电连接在电路12和22之间。
作为图1的另一种形式，在图2中表示了又一种特别适合薄膜式电气元件的热触发式熔断器的普通方案。参见图2，在基片34的一侧设有一对导电的电路30和32，并且在二者之间形成一个厚膜电气元件36。在基片34的相反一侧形成一对分别与电路30和32对齐的导电电路38和40。第一元件端子42可以电连接到电路30和38，而第二元件端子44可以电连接到电路32和40。然后将热触发式熔断器元件46对置于电气元件36电连接在电路38和40之间。
在图1和2所示的热触发式熔断器方案中，一般的熔断器元件24(图1)和元件46(图2)是在电气元件的工作温度增加到预定的温度范围时可以熔化的导线、设计成跌落式的导电连接链条或者是一种可以软熔的焊料膏。然而，这些已知的熔断器结构都存在各种各样的缺点。例如，对可以熔化的导线来说，导线可以熔化，但是不一定能充分地脱离电路38和40而断开电路连接。对于导电连接链条来说，它通常是通过焊料连接到电路38和40上的，焊料可以熔化，但是导电链条不一定能脱离电路使元件36开路。如果元件36的定位不够适当，这个问题就更复杂了。最后，对于焊料膏来说，这种膏中的液态组份会随着时间和反复的温度循环而逐渐消耗，因而不一定能准确地熔化并且脱离电路38和40而按照要求形成电气元件的开路。在Holmes的美国专利US4494104和Belopolsky的美国专利US4533896以及Lester等人的美国专利US5084691中描述了上述图1和2中所示的各种热熔断器结构。
上述各种已知的热熔断器结构存在的另一个问题是，在电气元件的工作温度达到了过热的温度范围时，熔断器元件本身的断开不够准确，因此不能使电气元件准确地开路。如图1和2所示，熔断器元件24和46的位置远离发热的元件。例如.图1中的熔断器元件24的位置与电气元件16相邻，而图2中的熔断器元件46和电气元件36是位于基片34上相对的两侧。在各种情况下，无论使用哪种类型的熔断器结构，在熔断器断开之前，电气元件必须将整个基片加热到过热的温度范围。因此，例如一个电阻的这种电气元件的工作温度就需要超过熔断器断开的温度。在图3中表示了这种现象，如果熔断器元件不是与电阻的表面紧密接触，在熔断器断开之前，电阻的最高温度TR，MAX就会上升到比熔断器的断开温度TF高ΔT度的温度等级。
如图3所示的公知的热熔式电气元件的上述问题可能带来多方面的不利结果。例如，额外的电阻温升ΔT可能足以烧毁附近的结构。另外，整个基片的过热可能会破坏附近的无关的电路和/或其他结构。
因此就需要有这样一种热熔式电阻装置，它应该能在工作温度达到一个过热等级时可靠地断开发热电阻的电路。这种热熔断器应该放在与电阻保持紧密热接触的位置，以便在电阻的工作温度达到预定的温度范围时立即断开。实际上，这种热熔断器的最佳位置应该是对应着电阻的所谓热点，在本文中，热点的意思是指电阻上产生最高温度的区域。
发明概述
本发明可以解决现有技术部分中所述的各种问题。按照本发明的一个方面，一种热熔式电阻装置包括一个电阻，其一端电连接到第一电阻端子，并且还包括一个将电阻的相反一端电连接到第二电阻端子的焊接环。电阻有一个外表面，并且该装置包括用来将焊接环的一部分热连接到电阻外表面上一个电绝缘部分的装置。
按照本发明的另一方面，用来制造热熔式电阻的方法包括以下步骤：
提供一个电阻，其一端电连接到第一电阻端子，并且具有一个外表面，将一个焊接环电连接在电阻上相反的一端和第二电阻端子之间，并且将焊接环的一部分热连接到电阻外表面上的电绝缘部分。
按照本发明的再一方面，将一个基片和一个限定在基片上的薄膜电阻与一个热触发式熔断器装置组合在一起，在其中将电阻的一端电连接到第一电阻端子，而相反的一端电连接到第二电阻端子，用来在电阻产生的热量达到预定的温度范围时将薄膜电阻的所述一端与第一端子断开。该熔断器装置包括一个与薄膜电阻外表面的至少一部分保持接触的电绝缘层，以及一个在薄膜电阻的一端与第一端子之间形成电连接的熔断器。熔断器上还具有一个与电绝缘层的一部分保持热接触的部分。
本发明的目的之一是提供一种热熔式电阻，其中热触发式熔断器的位置与电阻的表面保持紧密的热接触。
本发明的另一方面是提供一种热熔式电阻，使热触发式熔断器的位置与电阻的热点保持热接触。
本发明的再一方面是提供一种热熔式电阻，其中热触发式熔断器是一个药芯焊料(flux core solder)环，它通过一种传热的环氧树脂连接在电阻表面上。
根据以下参照最佳实施例的说明可以更清楚地认识到本发明的上述及其他目的。
附图简述
图1是一个示意图，表示现有技术的一种热熔式电阻；
图2是一个示意图，表示现有技术的另一种热熔式电阻；
图3是图1和2所示热熔式电阻装置中的电阻温度与热触发式熔断器温度的比较曲线图；
图4是一个示意图，表示本发明热熔式电阻的一个优选实施例；
图5是沿着图4中的截面线5-5看到的热熔式电阻的一个截面图；
图6是图4所示热熔式电阻的温度与热触发式熔断器温度的比较曲线图；以及
图7是一个示意图，表示按照本发明装在单个基片上的多个热熔式电阻的一个优选实施例。
优选实施例描述
为了便于理解本发明的原理，以下要参照附图具体地说明本发明的实施例。然而，这些实施例的作用决不是为了限制本发明的范围，熟悉本发明相关领域的技术人员根据本文所描述的本发明的原理显然还可以对本发明的装置加以变更和进一步的修改，以及将其用于其他用途。
以下参见图4，在图中表示了本发明的热熔式电阻50的一个优选实施例。可以用电子工业中用于印刷和连接电子电路元件的任何一种公知的导电材料制成一个电绝缘基片52，例如可以采用陶瓷氧化铝。在基片52的一个表面53上淀积导电的电路54，56和60，可以采用电子工业中用来提供电信号路径的任何公知的导电材料形成这种电路，例如是铜基的化合物等等。按照公知的方式将一对电阻端子62和64分别连接到电路60和56上。
优选采用公知的掩模(film screeing)或印刷技术在基片表面53上淀积一个厚膜电阻58，但在本发明中也可以用其他公知的薄膜淀积技术形成电阻58。电阻58的一端被电连接到导电电路54，并且将电阻的另一端电连接到导电电路56。在图中还表示了本发明的热触发式熔断器装置，以下要结合着厚膜电阻58的结构加以说明，显而易见，本发明的原理还可以用来为其他公知的电阻装置提供热触发式熔断器，例如可用于其他的薄膜电阻和分立的电阻，包括芯片式的电阻、模制的电阻以及电位器等等。
以下参见图4和5的热熔式电阻50，在暴露的电阻表面55的至少一部分上面设有一个电绝缘层74。电绝缘层74的作用是防止下述的热触发式熔断器66与有效的电阻表面55电接触，以免造成短路。层74可以象图1那样覆盖住整个电阻表面55，或是可以仅仅覆盖住电阻表面55上有可能接触到热触发式熔断器66的局部区域。当然，和本发明的热触发式熔断器装置配合使用的其他类型的电阻可能已具有能覆盖有效电阻区域的电绝缘层，这时就可以省掉层74。
电绝缘层74最好是一个薄层，并且应该是由能够与电阻表面55形成明显接触并且具有高导热性能的材料构成的，以便能充分有效地传导电阻58产生的热量。电绝缘层74最好是用玻璃(SiO2)制成的，但是在本发明中也可以用其他公知的电绝缘材料制成绝缘层74，例如采用氮化硅(Si3N4)，聚酰亚胺，以及公知的具有良好的或提高的热传导性的涂层等等。
热触发式熔断器66的一端电连接到电路54，而相反的一端连接到电路70，在两端之间至少有一个部分72接触到电绝缘层74。在一个优选实施例中，熔断器66是用一个焊接环构成的，它的熔点处在第一预定温度范围之内，分别通过焊接点68和70将其电连接到电路54和60，其中的焊接点68和70是用熔点处在第二预定温度范围内的焊料构成的，其熔点稍稍低于焊接环66的熔点。然而，本领域的技术人员显然都知道，熔断器66也可以用熔点处在第一温度范围内的其他任何适当的材料制成。无论如何，当电阻58的温度由于流过的电流而增加到第一预定温度范围内的温度时，熔断器66就会熔化，并且从电路60上断开电路54。
热熔式电阻50还包括一个与熔断器66的一部分和电绝缘层74相接触的热传导介质76。热传导介质76以传热但是不导电的方式将熔断器66连接到一部分电阻表面55上。热传导介质76优选是由公知的热传导环氧树脂制成的，但是在本发明中也可以用其他任何公知的具有良好的热传导性或是能促进热传导性的涂层或是附着介质构成介质76。通过实验已经发现，导热的环氧树脂76可以浸透电绝缘层74和焊接环66的表面，从而在二者之间形成导热材料的稳定的嵌条。
在使用中，当电阻58的温度上升到第一预定温度范围之内时，焊接环66的一部分72开始熔化，从电路60上断开电路54，并且使电阻端子62和64之间的电阻58开路。由于焊接环66的一部分72被包在导热介质76的内部，熔融的焊料从介质76内部退回到电阻58上温度较低的区域，在介质76内部留下一个空洞或是间隙。焊接环66最好有一个药芯65，用来促进焊料在适当的温度下熔化。另外，在焊接环66的一部分72熔化的过程中，由药芯65留下的空洞可以使剩下的焊料金属明显地收缩，以便于断开电路54和60之间的电连接。通过实验已经发现，采用具有药芯65的焊接环66可以在熔化的焊接环部分之间产生至少达0.1英寸左右的间隙。
在汽车空调系统的设备中，电阻58的最高工作温度需要达到220℃左右，该温度低于空调系统中的正常破裂温度，在一般的条件下这种破裂可能会产生点火。在这种系统中的焊接环66最好是用95％的锡和5％的银制成，其熔点处在大约220℃的很小的温度范围内。当然，在本发明中也可以用其他不同的焊接环66组合来改变熔断的温度范围。例如，按照现有的技术，普通焊料的熔点范围在180-250℃左右，为了扩大其温度范围，可以在其中添加其他材料。
焊接环66的一部分72最好是装在电阻58的“热点”上，热点被确定为电阻58的表面55上与电阻58之表面55的其他区域相比具有最高工作温度的区域。按照这种方式将焊接环66的一部分72定位可以有助于高精度地“检测”电阻58的最高工作温度。在工作中，电阻58之表面55上最热的一部分达到一个过热的温度范围，按照上述方式使焊接环66的一部分72熔化，造成电阻端子62和64之间的电阻58开路。在图6中表示了这种精确的温度检测过程，图中表示电阻58的工作温度78在热触发式熔断器开路过程中的曲线。与用来表示用于公知的热熔式电阻装置的图3相反，值得注意的是，在图6中，电阻58的最高工作温度TR，MAX基本上等于焊接环66断开时的温度TF。因此，本发明的热触发式熔断器装置可以尽量减少电阻58的最高工作温度与热触发式熔断器66断开时的温度之间的温度偏差，因而构成了一种具有精确工作温度的热熔断器装置。
以下参见图7，它表示按照本发明的热熔式电阻装置80的一个具有多个电阻的实施例。热熔式电阻装置80包括一个基片82，在基片上设有分别与电路90，92，94，96，98和100形成电接触的多个厚膜电阻84，86和88。按照公知的现有技术，将许多电阻端子或是电路电连接到电路90-100上。例如，电阻端子102被连接到电路90，电阻端子104被连接到电路94，电阻端子106被连接到电路98，而电阻端子108被连接到电路100。将电阻84-88以串联形式电连接在电阻端子102和108之间，每个独立的电阻具有一对向外延伸的电阻端子，当然也可以象现有技术中公知的方式将任意数量的电阻连接成并联或是任意的串联/并联组合。电阻84-88之间的串联电连接是用上述的热触发式熔断器66和热传导介质76构成的。最好是按照图7的方式在所有电阻84-88上面形成一个电绝缘层74，当然也可以按照前述的方式有选择地在每个电阻84-88上面形成电绝缘层74。热触发式熔断器66的工作方式与上述相同，用来在电阻的工作温度上升到预定的温度范围之内时使对应的电阻开路。
通过以上的附图和说明详细地解释了本发明的原理，但是这种说明并不是对特征的限制，在上文中所述的仅仅是一些最佳的实施例，属于本发明范围之内的所有变更和修改都应该受到保护。

Claims (21)

1.一种热熔式电阻装置，包括：
一个电阻，其一端电连接到第一电阻端子，并且具有一个外表面；
一个焊接环，其将所述电阻的相反一端电连接到第二电阻端子；以及
用来将所述焊接环的一部分热连接到所述电阻外表面上的一个电绝缘部分的装置。
2.按照权利要求1的热熔式电阻，其特征是所述电阻外表面的所述电绝缘部分对应着所述电阻的一个区域，该区域为响应于通过所述电阻的电流产生最大热量的区域。
3.按照权利要求1的热熔式电阻，其特征是所述焊接环包括一个药芯。
4.按照权利要求3的热熔式电阻，其特征是所述焊接环的熔点处在约180-250℃的范围内。
5.按照权利要求1的热熔式电阻，其特征是用来将所述焊接环的所述部分热连接到所述电阻外表面之所述电绝缘部分的所述装置是一种热传导的环氧树脂。
6.按照权利要求1的热熔式电阻，其特征是还包括设在所述电阻外表面的至少一部分上的电绝缘装置。
7.按照权利要求6的热熔式电阻，其特征是设在所述电阻外表面的至少一部分上的所述电绝缘装置是一种具有高导热性能的电绝缘材料。
8.按照权利要求7的热熔式电阻，其特征是所述电绝缘材料是玻璃。
9.按照权利要求1的热熔式电阻，其特征是还包括用来将所述焊接环电连接到所述电阻的所述相反端和所述第二电阻端子的装置。
10.按照权利要求9的热熔式电阻，其特征是将所述焊接环电连接到所述电阻的所述相反端和所述第二电阻端子的装置包括一种焊料，其熔点稍稍低于所述焊接环的熔点。
11.按照权利要求1的热熔式电阻，其特征是所述电阻是一种薄膜电阻。
12.一种用来制造热熔式电阻的方法，包括以下步骤：
提供一个电阻，其一端电连接到第一电阻端子，并且具有一个外表面；
将一个焊接环电连接在所述电阻的相反一端和一个第二电阻端子之间；以及
将所述焊接环的一部分热连接到所述电阻外表面的一个电绝缘部分。
13.按照权利要求12的方法，其特征是所述焊接环的所述部分被热连接到所述电阻之所述外表面的一部分，该部分为对应着通过所述电阻的电流产生最大热量的区域。
14.按照权利要求12的方法，其特征是所述电阻是一种薄膜电阻；
并且在执行所述的热连接步骤之前，所述的方法还包括以下步骤：
形成一个与所述电阻外表面的至少一部分接触的电绝缘层。
15.按照权利要求14的方法，其特征是所述热连接步骤包括通过一种热传导的环氧树脂将所述焊接环的所述部分连接到所述电绝缘层的一部分上。
16.按照权利要求12的方法，其特征是通过一种焊料将所述焊接环电连接到所述电阻的所述相反端和所述第二电阻端子，该焊料的熔点稍稍低于所述焊接环的熔点。
17.一种组合，包括：
一个基片；
限定在所述基片上的一个薄膜电阻，其一端电连接到第一电阻端子，而相反的一端电连接到第二电阻端子；以及
一个热触发式熔断器装置，用来响应于所述电阻在预定温度范围内产生的热量来将所述薄膜电阻的所述一端与所述第一端子在电路上断开，所述熔断器装置包括：
与所述薄膜电阻的外表面的至少一部分保持接触的电绝缘层；以及
在所述薄膜电阻的所述一端与所述第一端子之间形成所述电连接的一个熔断器，其一部分与所述电绝缘层的一部分保持热接触。
18.按照权利要求17的组合，其特征是还包括使所述熔断器的所述部分与所述电绝缘层的所述部分形成热连接的装置。
19.按照权利要求18的组合，其特征是使所述熔断器的所述部分与所述电绝缘层的所述部分形成热连接的所述装置是一种热传导的环氧树脂。
20.按照权利要求19的组合，其特征是所述熔断器是一个焊接环。
21.按照权利要求20的组合，其特征是所述焊接环具有一个药芯。
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