Brevet FR2601494A1 — publié le 19880115

La présente invention concerne une résistance à haute densité de puissance et à faible effet corona. Les résistances à haute densité de puissance et à faible effet corona sont actuellement fabriquées en utilisant un noyau céramique cylindrique sur lequel est enroulé un fil de résistance. La résistance à fil enroulé est montée dans un alésage cylindrique d'un boîtier métallique et est moulée dans l'alésage. La chaleur dissipée par la résistance rayonne radialement vers l'extérieur à travers le bottier métallique et est transportée 10 vers l'extérieur. Pour qu'une telle résistance dissipe convenablement la chaleur résultant de la dissipation de haute puissance, il est nécessaire que l'on minimise le phénomène connu sous l'appellation d'effet corona. L'effet corona résulte de fissures, de vides, ou 15 d'autres irrégularités dans le composé diélectrique qui entoure la résistance à fil enroulé. De tels fissures, vides ou autres irrégularités provoquent une modification des caractéristiques diélectriques du composé diélectrique. Cette variation des caractéristiques diélectriques entraîne qu'une charge électrique 20 est ionisée dans la cavité et cette ionisation provoque un claquage du matériau diélectrique. En plus du phénomène d'effet corona, des "points chauds" thermiques peuvent parfois se produire dans les vides. En conséquence, il est important d'éviter des vides, des fissures ou 25 autres irrégularités dans le trajet de conductivité thermique pour le bon fonctionnement d'une résistance à forte densité de puissance. En conséquence, un premier objet de la présente invention est de prévoir une résistance améliorée à haute densité 30 de puissance et à faible effet corona. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une résistance qui présente un faible effet corona même quand la résistance est soumise à un niveau de tension élevé. Un autre objet de la présente invention est de prévoir 35 une résistance qui réduise les points chauds thermiques créés aux bornes des vides, des fissures ou autres irrégularités dans le 260 1 494 trajet de dissipation thermique. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une résistance électrique qui présente une forte rigidité diélectrique et une résistance physique notable de façon à minimiser les claquages ou les mauvais'fonctionnements de la résistance. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une résistance qui permette une forte dissipation par rapport à la densité dimensionnelle de la résistance. Un autre objet de la présente invention est de prévoir 10 une résistance à forte densité de puissance et à faible effet corona qui présente un faible encombrement. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une résistance à haute densité de puissance et à faible effet corona qui puisse être montée dans diverses directions à l'intérieur du composant électrique dans lequel elle est utilisée. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une résistance à haute densité de puissance et à faible effet corona qui maintienne une faible dissipation thermique vers l'air environnant la résistance et qui rende maximale la dissipation 20 thermique à travers le radiateur sur lequel la résistance est montée. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une résistance à haute densité de puissance et à faible effet corona qui soit économique à fabriquer, d'usage durable et 25 efficace en fonctionnement. La présente invention comprend un substrat relativement mince ayant une épaisseur comprise entre 1 mm et 1,5 mm. Sur la surface supérieure du substrat est montée une feuille électriquement conductrice qui agit en tant qu'élément de résistance. La 30 feuille peut être imprimée ou déposée sur la surface supérieure du substrat ou ce peut être une feuille mince qui est fixée au substrat par un adhésif ou tout autre moyen. Une paire de plots de contact est également montée sur la surface supérieure du substrat et ces contacts sont en liaison électrique avec l'élément de 35 résistance. Deux conducteurs comprennent chacun une extrémité inférieure connectée à l'un des plots de contact et une extrémité 260 1 494 supérieure s'étendant vers le haut à partir du substrat. A titre de variante, des éléments de résistance multiples peuvent être imprimés ou déposés d'une autre manière sur le substrat par des plots de contact et des conducteurs multiples connectés à ceux-ci. 5 Un boîtier est monté sur le substrat et comprend deux ouvertures de conducteurs à travers lesquelles les conducteurs peuvent s'étendre. Les conducteurs comprennent des moyens de connexion à leurs extrémités supérieures qui sont externes au boîtier et sont sur la surface supérieure du boîtier. Un matériau de moulage ou d'encapsulation diélectrique est prévu dans le bottier et recouvre les extrémités inférieures des conducteurs, les connexions des conducteurs, et l'élément de résistance, de façon à assurer une protection physique pour ceux-ci. Le matériau diélectrique peut être un composé de moulage, 15 un matériau d'encapsulation ou une peinture diélectrique qui est prévue sur l'élément de résistance et les extrémités inférieures des conducteurs. Sur la surface inférieure du substrat est montée une feuille conductrice mince qui est en contact intime avec la 20 surface inférieure du substrat. Le substrat est de préférence constitué d'une matière céramique qui est une matière diélectrique mais qui est également un bon conducteur thermique. Des exemples sont l'alumine ou l'oxyde de béryllium. La surface inférieure du substrat comprend souvent une pluralité d'empreintes ou autres imperfections microscopiques. Le matériau de feuille conductrice est en contact intime avec la surface inférieure du substrat et remplit sensiblement les npreinLes microscopiques qui sont dans la surface inférieure du substrat. Ceci est important pour éliminer ou minimiser des vides quelconques à l'interface entre la feuille 30 conductrice et la surface inférieure du substrat. La feuille conductrice est de préférence une peinture conductrice contenant des produits de charge tels que du carbone ou éventuellement de l'argent. Un exemple de peinture oUintris Aprdcide est fériqué par la Siété dite Acheson Colloids, 35 Port Huron, Michigan, sous l'appellation Aerodag G. Une paire de vis ou de boulons s'étend vers le bas à 260 1 494 travers le boZtier, le substrat et la feuille conductrice sur la surface inférieure du substrat. Les extrémités inférieures des boulons peuvent être liées à un châssis pour fixer la résistance au châssis, la feuille conductrice étant en contact intime avec le châssis pour rendre maximale la conduction thermique entre la feuille conductrice et le châssis. Une variante de l'invention consiste à utiliser une plaque à refroidissement par eau au lieu de la plaque conductrice sur la surface inférieure du substrat. La plaque à refroidissement 10 par eau comprend des trous de passage d'eau pour permettre la circulation d'eau pour assurer un refroidissement supplémentaire de la plaque de sorte que la dissipation thermique peut être rendue maximale. Pour obtenir le meilleur profit de cette résistance en 15 ce qui concerne la dissipation de puissances élevées, il est parfois désirable de prévoir un châssis refroidi. Ceci peut êtreeffectué en faisant circuler de l'eau à travers le châssis ou en utilisant un système de réfrigération, de circulation d'air, ou d'autres fluides de refroidissement pour refroidir le châssis. Une 20 circulation d'eau est le cas pratique le plus courant. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec le dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue en perspective éclatée de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe de la résistance selon la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe de détail agrandie 30 prise selon la ligne 3-3 de la figure 2; et la figure 4 est une vue en coupe similaire à celle de la figure 2,mais présentant une variante de l'invention. Dans les dessins, la référence 10 désigne de'façon générale la résistance à haute densité de puissance et à faible 35 effet corona selon la présente invention. La résistance 10 comprend un substrat 12 de forme sensiblement rectangulaire qui 260 1 494 comprend une surface supérieure 14 et une surface inférieure 16 (figure 2) . La surface inférieure 16 et la surface supérieure 14 sont sensiblement parallèles l'une à l'autre, et l'épaisseur verticale du substrat 12 est de préférence comprise entre 1 et 1,5 mm. Le substrat 12 doit être constitué d'un matériau diélectrique thermiquement conducteur tel que de l'alumine ou de l'oxyde de béryllium. Quand l'épaisseur du substrat augmente, le dispositif devient moins efficace et, quand son épaisseur diminue, il devient plus efficace jusqu'à une épaisseur d'environ 1 mm, 10 valeur pour laquelle toute diminution supplémentaire d'épaisseur peut entraîner un claquage du substrat pendant le fonctionnement de la résistance. Les quatre coins du substrat 12 sont munis de trous 18 recevant des boulons. Sur la surface supérieure 14 du substrat 12 se trouve 15 un élément de résistance 20 en forme de feuille. L'élément de résistance 20 peut être constitué d'un matériau résistif imprimé ou déposé d'une autre façon sur le substrat. Ce peut être également une feuille collée à la surface supérieure du substrat 12 par un adhésif approprié. Sur le substrat sont également déposés deux plots de contact 22 électriquement conducteurs qui sont en contact électrique avec les extrémités de l'élément de résistance 20. Les plots de contact 22 peuvent être imprimés sous les extrémités de l'élément de résistance 20 de la façon représentée ou bien peuvent 25 être imprimés sur l'élément de résistance 20. - Deux conducteurs électriques 24, 26 comprennent chacun une extrémité inférieure 28 électriquement connectée à l'un des plots de contact 22 par soudure, brasure ou analogue. Les conducteurs 24, 26 comprennent également des extrémités supérieu30 res fixées à une paire de connecteurs électriques 30, 32. Sur le substrat 12 est monté un boitier en matière plastique diélectrique 34 qui comprend une paroi supérieure 36 et une pluralité de parois latérales 38 qui se terminent par des bords inférieurs 40 et qui butent contre la surface supérieure 14 35 du substrat 12. La paroi supérieure 36 du bottier 34 comprend une paire de trous de conducteurs 42, 44 qui sont adaptés à recevoir 260 1 494 les extrémités supérieures des conducteurs 24 et qui sont également adaptés à recevoir des connecteurs électriques 30 qui leur sont opérativement fixés. Un trou de remplissage 46 est prévu dans la paroi supérieure 36 et est utilisé pour introduire un composé d'encapsulation ou composé de moulage 48 dans la cavité 50 formée par le boîtier 34. Comme on peut le voir en figure 2, le composé 48 remplit de préférence le tiers inférieur de la cavité 50,mais il est également possible que le composé d'encapsulation 48 remplisse 10 plus ou moins d'espace dans la cavité 50 par rapport à ce qui est représenté en figure 2. Par exemple, le composé 50 peut être une couche de peinture diélectrique qui recouvre l'élément de résistance 20, les plots de contact 22 et les extrémités inférieures 28 des conducteurs 24, 26. Une autre variante pourrait 15 consister à remplir complètement la cavité 50 par le composé d'encapsulation 48. Une feuille conductrice 52 est fixée à la surface inférieure 16 du substrat 12 et recouvre complètement la surface inférieure 16. Il est important pour la présente invention que la 20 feuille 52 soit en contact intime avec la surface inférieure 16 du substrat 12 car tout vide à l'interface entre la feuille 52 et la surface inférieure 16 provoquerait le phénomène d'effet corona pendant le fonctionnement de la résistance. Ces vides fourniraient une constante diélectrique différente de celle de la constante diélectrique du substrat 12 et ceci entraînerait une ionisation de l'air dans les vides et provoquerait un claquage du matériau diélectrique. Des vides peuvent également entraîner l'apparition de points chauds thermiques au travers de ces vides et ces points chauds peuvent interférer avec le bon fonctionnement de l'élément 30 de résistance 20 pendant le fonctionnement. En conséquence, un contact intime entre la plaque conductrice 52 et la surface inférieure du substrat 12 est important pour la présente invention. Ce contact intime peut être obtenu en utilisant une peinture conductrice pour former la 35 feuille conductrice 52. La peinture conductrice comprendra de préférence des produits de charge tels que du carbone ou de 260 1 494 l'argent qui accroissent les propriétés de conductivité électrique et de conductivité thermique de la couche métallique. Il est également important que la couche 52 soit un matériau électriquement conducteur. La raison en est représentée en figure 3 des dessins qui est une vue en coupe partielle agrandie prise selon la ligne 3-3 de la figure 2. La surface inférieure 16 du substrat 12, quand elle est observée au microscope, comprend une pluralité d'empreintes désignées par la référence 54 en figure 3. La couche conductrice 10 52 remplit de préférence ces eapreintes de façon à éliminer tout vide à l'interface entre la surface inférieure 16 et la couche conductrice 52. Si la couche 52 est formée d'un matériau diélectrique, ce matériau diélectrique remplit les empreintes 54 et il peut en résulter que les -epreintes 54soient remplies d'un 15 matériau ayant une constante diélectrique différente de la constante diélectrique de la matière céramique dans le substrat 12. Ces deux matériaux de constantes diélectriques différentes peuvent entraîner le phénomène d'effet corona pratiquement 20 de la même façon que cela se produit si les empreintes comprennent des vides. L'utilisation d'une couche conductrice empêche cette variation des constantes diélectriques et réduit la probabilité d'apparition d'un effet corona et l'instabilité ou le claquage subséquent dans la résistance. En conséquence, l'utilisation d'un 25 matériau conducteur pour la couche 52 ainsi que le contact intime de la couche 52 avec la surface inférieure 16 du substrat 12 constituent des caractéristiques importantes de la présente invention. Quatre vis ou boulons 56 s'étendent vers le bas à 30 travers des ouvertures 58 dans le boîtier 34 et également à travers des ouvertures 18 dans le substrat 12. Les boulons 56 maintiennent le boîtier 34 fixé de façon étanche au substrat 12. Egalement, les boulons 56 comprennent des extrémités inférieures 60 qui font saillie en dessous de la couche conductrice 52 et qui 35 sont adaptées à passer dans des trous de montage d'un châssis 62 pour montage de la résistance 10 sur le châssis 62. Quatre écrous 64 sont vissés sur les extrémités inférieures 60 des boulons 56 pour fixer la résistance au châssis 62. La figure 4 représente une variante de l'invention désignée par la référence 66. Les parties supérieures de la résistance 66 sont identiques à la résistance 10 représentée en figure 2 et, en conséquence, des références correspondantes indiquent des parties-identiques. La différence essentielle entre la résistance 66 et la résistance 10 de la figure 2 est que la résistance 66 comprend une plaque de refroidissement 68 au lieu de 10 la feuille métallique 52. La plaque de refroidissement 68 est fixée à la surface inférieure 16 du substrat 12 au moyen d'un adhésif 70 qui maintient la plaque de refroidissement 16 en contact intime avec le substrat.12. A travers la plaque de refroidissement 68 s'étend une pluralité de passages de circula15 tion d'eau 72 qui comprennent des embouts 74 à leurs extrémités opposées pour relier les passages 72 à une source de fluide de refroidissement tel que de l'eau. Le fluide de refroidissement passant dans les passages 72 permet au dispositif de mieux éliminer la chaleur de l'élément de résistance 20 pendant le 20 fonctionnement de la résistance. Pour obtenir un bénéfice maximal de la résistance en ce qui concerne la dissipation de puissances élevées, il est parfois souhaitable d'avoir un châssis refroidi. Ceci peut être effectué en faisant circuler de l'eau à travers le châssis ou en 25 utilisant un système de réfrigération, de l'air en circulation ou autres fluides de refroidissement pour refroidir le châssis. Une circulation d'eau est le plus pratique. Ceci peut être réalisé en plaçant les passages 72 et les embouts 74 dans le châssis 62 plutôt que dans la plaque de refroidissement 68. Il résulte de la présente invention une résistance qui présente une forte rigidité diélectrique, une excellente dissipation de puissance par rapport à la densité dimensionnelle, une génération d'effet corona extrêmement faible avec une faible quantité de dissipation thermique dans l'air environnant. La dissipation de chaleur est effectuée essentiellement à travers le substrat 12, la couche métallique 52 (ou la plaque de refroidisse- 26 0 1 4 9 4 ment 68), et le châssis 62. Ceci minimise le chauffage de l'air entourant la résistance. Le boîtier 34 et le composé d'encapsulation 48 assurent un renforcement physique important de l'élément de résistance 20 et de la connexion des conducteurs 24, 26 aux plots de contact 22. Le fait que les connecteurs électriques 30, 32 sont montés à la surface supérieure du boîtier 34 permet au bottier 34 d'être positionné dans un circuit électrique selon diverses positions, tout en maintenant une possibilité de choix quant à la façon dont les conducteurs 30, 32 peuvent être connectés aux autres composants du circuit. Dans les dispositifs antérieurs, les deux conducteurs s'étendaient axialement à partir des extrémités de résistance et,en conséquence,il existait moins de souplesse 15 dans la façon dont la résistance pouvait être disposée dans le circuit. La présente invention fournit également un dispositif à faible encombrement de forme rectangulaire et qui présente une épaisseur verticale inférieure aux résistances de forte puissance 20 à bottier métallique actuellement connues dans la technique. Les matériaux préférés pour les divers composants sont les suivants: La feuille métallique 52 est formée par pulvérisation de peinture conductrice contenant des produits de charge tels que du 25 carbone ou de l'argent. Un exemple d'un tel composé est fabriqué par la société dite Acheson Colloids Co., Port Huron, Michigan, sous l'appellation Aerodag G. La résistance 20 peut être une feuille conductrice imprimée ou peut être une feuille collée sur la céramique. Le composé 48 peut être une peinture diélectrique ou peut être un composé d'encapsulation classique rempli par gravité à travers l'ouverture 46. Le composé doit résister à l'environnement et doit avoir une tenue en température qui tolère des températures au moins égales à 200'C. Il doit également être un 35 bon diélectrique. Un exemple d'un tel matériau est vendu sous l'appellation Sylgard 567 par Dow Corning à Midland, Michigan. -2 6 0 1 4 9 4 -Z601494 Ainsi, on peut voir. que le dispositif atteint au moins tous les objets énoncés. 260 1 494 REVENDICATIONS 1. Résistance à faible effet corona et à haute densité de puissance adaptée à être montée sur la surface d'un radiateur de dissipation thermique (62), caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat diélectrique thermiquement conducteur (12) a-:ant une surface supérieure (14) et une surface inférieure (16), cette surface inférieure étant sensiblement plane et comprenant une pluralité d'empreintes microscopiques; un élément de résistance (20) monté sur la surface supérieure du substrat, cet élément de résistance comprenant une 10 couche mince de matériau électriquement conducteur en contact intime avec ladite surface supérieure du substrat; une paire espacée de moyens de conducteurs électriques (24, 26) comprenant chacun des première et seconde extrémités, les premières extrémités étant électriquement connectées à l'élément 15 de résistance; un matériau électriquement isolant (48) recouvrant l'élément de résistance et les premières extrémités de la paire de conducteurs pour assurer une protection physique, par rapport à l'environnement, et structurelle pour l'élément de résistance et 20 les premières extrémités de la paire de moyens conducteurs, les secondes extrémités des conducteurs faisant saillie à l'extérieur du matériau isolant; la résistance comprenant en outre: une feuille électriquement conductrice (52) 25 liée fonctiomellement à la surface inférieure du substrat et en contact intime avec cette surface inférieure du substrat de façon à remplir sensiblement lesdites empreintes microscopiques, et à éliminer sensiblement les vides entre ladite surface inférieure (16) et ladite feuille conductrice (62); et des moyens de fixation pour fixer le substrat à la surface du radiateur thermique, la feuille métallique étant en contact de conduction thermique avec la surface du radiateur thermique. 2. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément de boîtier (34) ayant une paroi supérieure (36), une pluralité de parois latérales (38), et un fond ouvert, cet élément de bolîtier formant une cavité (50); lesdits moyens de fixation fixant également le boîtier au substrat en relation de recouvrement au-dessus de l'élément de résistance et du matériau isolant. 3. Résistance selon la revendication 2, caractérisée en ce que le boîtier (34) comprend une paire de trous de passage de conducteurs (42, 44), les secondes extrémités de ladite paire 10 de moyens de conducteurs s'étendant à travers ladite paire de trous pour conducteurs vers l'extérieur du boîtier, les premières extrémités des moyens de conducteurs se trouvant dans la cavité du bottier. 4. Résistance selon la revendication 3, caractérisée 15 en ce que le boîtier (34) comprend un trou de remplissage (46) pour permettre l'introduction dudit matériau isolant dans la cavité (50) après que le boîtier a été fixé par le moyen de fixation au substrat. 5. Résistance selon la revendication 4, caractérisée 20 en ce que le matériau isolant (48) comprend un matériau de moulage isolant remplissant au moins partiellement ladite cavité. 6. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de résistance est appliqué à ladite surface supérieure du substrat par impression. 7. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément de résistance comprend une feuille métallique, une matière adhésive fixant ladite feuille métallique à ladite surface supérieure du substrat. 8. Résistance selon la revendication 1, caractérisée 30 en ce que les surfaces supérieure (14) et inférieure (16) sont sensiblement parallèles l'une à l'autre et en ce que le substrat a une épaisseur verticale comprise entre 1 mm et 1,5 mm. 9. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat est constitué d'un matériau électriquement 35 isolant et thermiquement conducteur choisi dans le groupe comprenant l'alumine et l'oxyde de béryllium. 260 1 494 1 3 10. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite feuille conductrice (52) comprend une peinture électriquement conductrice appliquée sur la surface inférieure (16) dudit substrat (12). 11. Résistance selon la revendication 10, caractérisée en ce que la peinture conductrice comprend une charge électriquement conductrice choisie dans le groupe comprenant essentiellement le carbone et l'argent. 12. Résistance selon la revendication 1, caractérisée 10 en ce que ladite feuille conductrice (52) comprend une peinture métallique. 13. Résistance à faible effet corona et à haute densité de puissance adaptée à être montée sur la surface d'un radiateur de dissipation thermique (62), cette résistance 15 étant caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat diélectrique thermiquement conducteur (12) ayant une surface supérieure (14) et une surface inférieure (16), cette surface inférieure étant sensiblement plane et comprenant une pluralité d'empreintes microscopiques; un élément de résistance (20) monté sur la surface supérieure du substrat, cet élément de résistance comprenant une couche mince de matériau électriquement conducteur en contact intime avec ladite surface supérieure du substrat; une paire espacée de moyens conducteurs électriques 25 (24, 26) comprenant chacun des première et seconde extrémités, les premières extrémités étant électriquement connectées à l'élément de résistance; un matériau électriquement isolant (48) recouvrant l'élément de résistance et les premières extrémités de la paire de 30 conducteurs pour assurer une protection physique et structurelle pour l'élément de résistance et les premières extrémités de la paire de moyens conducteurs, les secondes extrémités des conducteurs faisant saillie à l'extérieur du matériau isolant; la résistance comprenant en Outre: une plaque électriquement conductrice (68) ayant des 260 1 494 surfaces supérieure et inférieure; un moyen de fixation fixant la plaque métallique à ladite surface inférieure du substrat, ladite surface supérieure de la plaque métallique étant en contact intime thermiquement conducteur avec la surface inférieure du substrat. 14. Résistance selon la revendication 13, caractérisée en ce que le moyen de fixation comprend un adhésif. 15. Résistance selon la revendication 14,-caractérisée en ce que la plaque conductrice comprend une pluralité de passages 10 de fluide de refroidissement la traversant et des moyens pour assurer une liaison de fluide entre lesdits passages et une source de fluide de refroidissement.