EP0855722B1 - Résistance à forte dissipation de puissance et/ou d'énergie et son procédé de fabrication - Google Patents

Résistance à forte dissipation de puissance et/ou d'énergie et son procédé de fabrication Download PDF

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EP0855722B1
EP0855722B1 EP97403046A EP97403046A EP0855722B1 EP 0855722 B1 EP0855722 B1 EP 0855722B1 EP 97403046 A EP97403046 A EP 97403046A EP 97403046 A EP97403046 A EP 97403046A EP 0855722 B1 EP0855722 B1 EP 0855722B1
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/08—Cooling, heating or ventilating arrangements
    • H01C1/084—Cooling, heating or ventilating arrangements using self-cooling, e.g. fins, heat sinks

Definitions

  • the present invention relates to resistance to strong dissipation of power and / or energy with integrated radiator as well as its manufacturing process.
  • this type of resistance has a substrate and a multilayer structure applied to the substrate and comprising a layer of resistive material and a layer of conductive material.
  • the substrate 12 receives a multilayer structure comprising a layer of resistive material 24 and a layer of conductive material 6.
  • the structure includes an aluminum sole 10 on which is deposited a layer of glue 11 to fix a substrate in alumina 12 intended to receive the multilayer structure.
  • the substrate includes a steel soleplate covered by a layer ceramic insulator applied by screen printing.
  • the object of the present invention is to provide a high power resistance simplified manufacturing and having improved thermal performance.
  • this resistance is characterized in that the multilayer structure comprises furthermore an assembly forming a thermal reservoir comprising a block of thermal conductive material with high heat capacity and an alumina plate.
  • resistance thermal performance are including the thermal resistance between the resistive layer and a possible auxiliary radiator, on which the resistance is fixed, is reduced.
  • Resistor assembly is simplified by makes continuous use of screen printing for apply one or more insulating layers of material dielectric, as well as the layers of resistive material and driver.
  • the insulating layer in contact with the sole of the substrate made of a material dielectric having a coefficient of expansion thermal substantially equal to the coefficient of expansion thermal of the steel of the sole.
  • the adequacy of the expansion coefficients steel constituting the sole and the layer insulation in contact with the sole prevents cracks or separation of the insulating layers screen printed on the sole.
  • the steel of the sole comprises at least 17% by weight of titanium.
  • the titanium content of the steel allows improve the adhesion of the dielectric material screen printed on the sole.
  • the present invention also provides a method manufacturing a resistance to far power dissipation, and / or of energy, the steps of which are defined by claim 7.
  • a high resistance dissipation comprises an insulating housing 1, fixed on a sole 10, 20, fixing lugs not shown being provided for fixing the resistance, by example by screwing, on an auxiliary radiator.
  • Connection pads 2 two in number allow the resistance to be linked to a source of Electric power.
  • Electric current is transmitted by a rod conductive 4, fixed for example by means of solder 5, on a conductive element 6, generally made of an alloy silver and palladium.
  • This conductive element 6 is in contact with the layer of resistive material 24 and makes it possible to supply the latter in electric current.
  • the multilayer structure of the resistance successively comprises this layer of material resistive 24, in contact with the substrate, a layer of glue 25, an alumina plate 26, a second layer glue 27 and a block of conductive material 28 such as copper.
  • the alumina plate 26 on which is stuck the block of thermal conductive material 28, with high heat capacity constitutes a whole forming thermal tank.
  • the substrate comprises a sole made of steel 20 and at least one insulating layer 21, 22, 23 dielectric material applied by screen printing on the steel sole 20 and disposed between the sole 20 and the previously described multilayer structure.
  • the substrate comprises at least two insulating layers 21, 22, 23 superimposed in dielectric material.
  • the substrate comprises three insulating layers 21, 22, 23.
  • the insulating layer 21 in contact with the sole 20 of the substrate is made of a dielectric material having a coefficient of thermal expansion substantially equal to the coefficient of thermal expansion steel of sole 20 in order to avoid any detachment or crack of this insulating layer 21.
  • the characteristics of the dielectric material used to make this first layer 21 are mainly determined to allow hanging of this insulating layer 21 on the steel of the sole 20.
  • the second and third layers 22 and 23 allow to realize strictly speaking a layer insulating between the steel sole 20 and the layer in resistive material 24.
  • the different superimposed insulating layers 21, 22, 23 are applied by screen printing and baked separately, before each new application silkscreen.
  • a continuous insulating coating is thus obtained on one face of the sole 20.
  • the different layers 21, 22, 23 can be made of an identical dielectric material, such as that marketed by the company ESL ® under the ESL reference D - 4914, having a coefficient of expansion accorded to ferritic stainless steel.
  • the last layer 23 can also be made of a dielectric material different from previous, such as that marketed under the reference ESL D - 4913.
  • a high resistance is thus obtained dissipation, able to hold in tension until about 7000 Volt, and having an ohmic value which does not vary practically not throughout the life of the resistance.
  • the sole is made of steel ferritic stainless, comprising at least 17% by weight titanium.
  • This steel sole has an equal or greater than about 1 mm, so as to present a sufficient mechanical rigidity and good dissipation heat.
  • a steel suitable for realize the sole is marketed by the company UGINE ® under the reference UGINOX F 17 T, corresponding to the European designation X 3 Cr Ti 17.
  • Standard steels X 2 Cr Ti 12, X 2 Cr Ti Nb 18 or X 2 Cr Mo Ti 18 - 2 may also be suitable.
  • the number of insulating layers in dielectric material can be adjusted according to the thickness of each of the screen-printed layers and the insulating power of the material used.

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Description

La présente invention concerne une résistance à forte dissipation de puissance et / ou d'énergie avec radiateur intégré ainsi que son procédé de fabrication.
Généralement, ce type de résistance comporte un substrat et une structure multicouche appliquée sur le substrat et comprenant une couche en matériau résistif et une couche en matériau conducteur.
Une telle résistance est illustrée en coupe transversale à la figure 1.
Le substrat 12 reçoit une structure multicouche comprenant une couche en matériau résistif 24 et une couche en matériau conducteur 6.
Dans les résistances connues, la structure comprend une semelle 10 en aluminium sur laquelle est déposée une couche de colle 11 pour fixer un substrat en alumine 12 destiné à recevoir la structure multicouche.
L'utilisation d'une semelle en aluminium sur laquelle est collé un substrat d'alumine présente l'inconvénient de ne pas être idéale pour le transfert de la chaleur.
En outre, le montage de la résistance est fastidieux, nécessitant le collage d'une plaque en alumine sur la semelle.
Dans le brevet US 4 689 270, le substrat comprend une semelle en acier recouverte par une couche isolante en céramique appliquée par sérigraphie.
La présente invention a pour but de proposer une résistance de forte puissance de fabrication simplifiée et ayant des performances thermiques améliorées.
La résistance à forte dissipation de puissance visée par l'invention comprend :
  • un substrat comportant une semelle en acier et au moins une couche isolante en matériau diélectrique appliquée par sérigraphie sur la semelle en acier, et
  • une structure multicouche appliquée sur le substrat et comportant une couche en matériau résistif et une couche en matériau conducteur.
Selon l'invention, cette résistance est caractérisée en ce que la structure multicouche comprend en outre un ensemble formant un réservoir thermique comportant un bloc en matériau conducteur thermique à forte capacité calorifique et une plaque en alumine.
Ainsi, grâce à ces dispositions, les performances thermiques de la résistance sont améliorées, et notamment la résistance thermique entre la couche résistive et un éventuel radiateur auxiliaire, sur lequel est fixée la résistance, est réduite.
L'assemblage de la résistance est simplifié du fait de l'utilisation en continu de la sérigraphie pour appliquer une ou plusieurs couches isolantes en matériau diélectrique, ainsi que les couches en matériau résistif et conducteur.
De préférence, la couche isolante en contact avec la semelle du substrat est constituée d'un matériau diélectrique ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal au coefficient de dilatation thermique de l'acier de la semelle.
Lors des différents cycles thermiques auxquels est soumise la résistance à forte dissipation conforme à l'invention, l'adéquation des coefficients de dilatation de l'acier constituant la semelle et de la couche isolante en contact avec la semelle permet d'éviter les fissures ou le décollement des couches isolantes sérigraphiées sur la semelle.
Selon une version préférée de l'invention l'acier de la semelle comprend au moins 17% en poids de titane.
La teneur en titane de l'acier permet d'améliorer l'adhérence du matériau diélectrique sérigraphiée sur la semelle.
la présente invention propose également un procédé de fabrication d'une résistance à farte dissipation de puissance, et/ou d'énergie, dont les étapes sont définies par la revendication 7.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaítront encore dans la description ci-après.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs:
  • la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une résistance à forte dissipation de l'état de la technique antérieure; et
  • la figure 2 est une vue en coupe transversale de la résistance à forte dissipation conforme à l'invention.
En référence aux figures, une résistance à forte dissipation comprend un boítier isolant 1, fixé sur une semelle 10, 20, des pattes de fixation non représentées étant prévues pour la fixation de la résistance, par exemple par vissage, sur un radiateur auxiliaire.
Des plots de connexion 2, au nombre de deux permettent de relier la résistance à une source de courant électrique.
Le courant électrique est transmis par une tige conductrice 4, fixée par exemple au moyen de brasure 5, sur un élément conducteur 6, généralement en alliage d'argent et palladium.
Cet élément conducteur 6 est en contact avec la couche en matériau résistif 24 et permet d'alimenter cette dernière en courant électrique.
La structure multicouche de la résistance comprend, successivement, cette couche en matériau résistif 24, en contact avec le substrat, une couche de colle 25, une plaque en alumine 26, une seconde couche de colle 27 et un bloc en matériau conducteur 28 tel que du cuivre.
La plaque en alumine 26 sur laquelle est collé le bloc en matériau conducteur thermique 28, à forte capacité calorifique constitue un ensemble formant réservoir thermique.
Comme illustré à la figure 2, et conformément à la présente invention, le substrat comprend une semelle en acier 20 et au moins une couche isolante 21, 22, 23 en matériau diélectrique appliquée par sérigraphie sur la semelle en acier 20 et disposée entre la semelle 20 et la structure multicouche précédemment décrite.
De préférence, le substrat comprend au moins deux couches isolantes 21, 22, 23 superposées en matériau diélectrique.
Dans cet exemple de réalisation, le substrat comprend trois couches isolantes 21, 22, 23.
La couche isolante 21 en contact avec la semelle 20 du substrat est constituée d'un matériau diélectrique ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal au coefficient de dilatation thermique de l'acier de la semelle 20 afin d'éviter tout décollement ou fissure de cette couche isolante 21.
Les caractéristiques du matériau diélectrique utilisé pour réaliser cette première couche 21 sont déterminées principalement pour permettre l'accrochage de cette couche isolante 21 sur l'acier de la semelle 20.
Les deuxième et troisième couches 22 et 23 permettent de réaliser à proprement parler une couche isolante entre la semelle en acier 20 et la couche en matériau résistif 24.
Les différentes couches isolantes superposées 21, 22, 23 sont appliquées par sérigraphie et cuites séparément, avant chaque nouvelle application sérigraphique.
Un revêtement continu isolant est ainsi obtenu sur une face de la semelle 20.
Lorsque les couches en matériau résistif 24 et conducteur 6 sont également appliquées par sérigraphie, la résistance à forte dissipation peut ainsi être assemblée aisément, par sérigraphie en continu des différentes couches 21, 22, 23, 24, 6.
L'ensemble des couches de matériau diélectrique 21, 22, 23, disposées entre la semelle 20 et la structure multicouche de la résistance, ont une épaisseur totale pouvant atteindre 80 µm environ afin d'assurer une bonne isolation électrique.
Les différentes couches 21, 22, 23, peuvent être réalisées en un matériau diélectrique identique, tel que celui commercialisé par la société ESL ® sous la référence ESL D - 4914, ayant un coefficient de dilatation accordé à l'acier inox ferritique.
La dernière couche 23 peut également être réalisée en un matériau diélectrique différent du précédent, tel que celui commercialisé sous la référence ESL D - 4913.
On obtient ainsi une résistance à forte dissipation, capable de tenir en tension jusqu'à environ 7000 Volt, et possédant une valeur ohmique qui ne varie pratiquement pas pendant toute la durée de vie de la résistance.
De préférence, la semelle est en acier inoxydable ferritique, comprenant au moins 17% en poids de titane.
La présence de titane permet d'améliorer l'accrochage du revêtement diélectrique appliqué par sérigraphie.
Cette semelle en acier a une épaisseur égale ou supérieure à 1 mm environ, de manière à présenter une rigidité mécanique suffisante et une bonne dissipation de la chaleur.
A titre d'exemple, un acier convenant pour réaliser la semelle est commercialisé par la société UGINE ® sous la référence UGINOX F 17 T, correspondant à la désignation européenne X 3 Cr Ti 17.
Les aciers normalisés X 2 Cr Ti 12, X 2 Cr Ti Nb 18 ou X 2 Cr Mo Ti 18 - 2 peuvent également convenir.
Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple décrit ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, le nombre de couches isolantes en matériau diélectrique peut être ajusté en fonction de l'épaisseur de chacune des couches sérigraphiées et du pouvoir isolant du matériau utilisé.

Claims (8)

  1. Résistance à forte dissipation de puissance, et / ou d'énergie, comprenant :
    un substrat comportant une semelle en acier (20) et au moins une couche isolante (21, 22, 23) en matériau diélectrique appliquée par sérigraphie sur la semelle en acier (20),
    une structure multicouche appliquée sur le substrat et comportant une couche en matériau résistif (24) et une couche en matériau conducteur électrique (6),
    caractérisée en ce que la structure multicouche comprend en outre un ensemble formant un réservoir thermique comportant un bloc (28) en matériau conducteur thermique à forte capacité calorifique et une plaque en alumine (26).
  2. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure multicouche comprend successivement une première couche de colle (25) appliquée sur la couche en matériau résistif (24), la plaque en alumine (26), une seconde couche de colle (27) et le bloc en matériau conducteur (28).
  3. Résistance selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche isolante (21) en contact avec la semelle (20) du substrat est constituée d'un matériau diélectrique ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal au coefficient de dilatation thermique de l'acier de la semelle (20).
  4. Résistance selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la ou les couches de matériau diélectrique (21, 22, 23), disposées entre la semelle (20) et la structure multicouche, ont une épaisseur totale pouvant atteindre 80 µm environ.
  5. Résistance selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la semelle en acier (20) a une épaisseur égale ou supérieure à 1 mm.
  6. Résistance selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la semelle (20) est en acier inoxydable ferritique comprenant au moins 17% en poids de titane.
  7. Procédé de fabrication d'une résistance à forte dissipation de puissance, et / ou d'énergie, comprenant successivement les étapes consistant à :
    appliquer par sérigraphie sur une semelle en acier (20) au moins une couche isolante (21, 22, 23) en matériau diélectrique,
    appliquer par sérigraphie sur ladite couche isolante (21, 22, 23) une couche en matériau résistif (24), puis une couche en matériau conducteur électrique (6),
    caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à coller sur la couche en matériau résistif (24) une plaque en alumine (26), et à coller sur la plaque en alumine (26) un bloc (28) en matériau conducteur thermique à forte capacité calorifique.
  8. Procédé de fabrication selon la revendication 7,
    caractérisé en ce qu'il comprend l'application sur la semelle en acier (20) d'au moins deux couches isolantes (21, 22, 23) qui sont cuites séparément.
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