專利名稱：具有多層熱導體的隔熱端子盒的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及接線器件，具體涉及用于熱電偶引線的端子盒。
多年來，熱電偶被用來進行準確的溫度測量。在測量中，熱電偶產生一與溫度相關的熱電壓(勢)，該熱電壓被加于儀器或其它裝置上，產生可用的信息。例如，這種信息可以是溫度的顯示或控制其它設備的控制信號。熱電偶可以直接或通過熱電偶延長引線連到儀器上。熱電偶的接點和開端之間的熱電壓加于儀器的端子上。儀器端子上的與溫度相關的電壓與該端子的溫度相結合，從而測定熱電偶接點的溫度。
儀器端子的溫度可以用一溫度探測器測定，溫度探測器一般(但非必須)位于靠近端子的地方。為了保證儀器對溫度的讀數準確，重要的是把儀器端子間的溫度差別以及端子和溫度探測器間的溫度差別減至最小。那是因為，熱電壓依賴于(至少部分地)儀器端子的溫度，端子間的溫度差別，或端子和溫度探測器間的溫度差別可能使儀器產生錯誤的溫度讀數，為了減輕這個問題，熱電偶的引線通常經一隔熱端子盒連到儀器上，該端子盒將儀器上的端子和一伴隨的端子溫度探測器保持在基本相同的溫度，即盒是隔熱的。
先有技術的隔熱端子盒一般由一帶有輸入端、端子溫度探測器和熱導體的印刷電路板組成。熱導體通常由一塊銅或鋁或其它具有良導熱性的材料組成。在典型的情況下，熱導體被螺釘固定在或銷在印刷電路板的外向表面上。在有些情況下，熱導體也可以被焊在或用導熱粘結劑粘在印刷電路板的外向表面上。無論哪種情況，熱導體都位于靠近輸入端子及溫度探測器，因此使端子和探測器熱耦合，從而，使它們保持在相同或大體上相同的溫度，如上所述，這對于保證精確的溫度測量是重要的。
典型的熱導體不但導熱，而且導電，因此，它必須與電路板的電信號載體部分，例如輸入端子及本機溫度探測器絕緣，因為溫度時常在有交流和直流線電壓的情況下測量，所以熱導體的帶電能引起對其它設備的損壞，甚至會危及操作者的安全。通過維持熱導體與電路板的端子間的爬電距離最小，并維護其間的電氣間隙，使它們相互絕緣，以便防止端子上的電壓產生熱導體的電通路或電弧。這些爬電距離和電氣間隙由公認的工業標準確定，例如ANSI/ISA-S82·01-1988，IEC1010和CSA C22·2，No 231。
這些標準所確立的電氣間隙考慮了在端子上的變化的額定線電壓及端子，探測器和熱導體之間的絕緣類型。在上述先有技術的隔熱盒中，(即熱盒被固定在電路板外向表面上的情況)空氣和電路板的表面形成絕緣體。以空氣作為絕緣體，安全標準要求相對較大的距離或電氣間隙，用電路板表面做為絕緣體，安全標準要求在端子，探測器和熱導體之間的爬電距離較大。不幸的是，電氣間隙和爬電安全間隔減小了輸入端子、溫度探測器和熱導體間的熱耦合，特別是當空氣作為絕緣介質時，因為所要求的最小間隔太大。因此，改善熱耦合的一種辦法是將熱導體緊靠端子和探測器放置。但是，安全標準限制了它們的接近，因而，在很大程度上限制了熱耦合。
改善輸入端子和探測器之間熱耦合的另一種辦法是增加熱導體的尺寸(同時仍保持適當的安全間隔)。先有技術克服這個問題的努力包括增加熱導體的厚度。事實上，在很多情況下，先有技術的熱導體大體上厚于它要附著的印刷電路板。但是，熱導體厚度的增加導致隔熱盒笨重，制造昂貴。
因此，隔熱盒需要體積小，重量輕，熱導體造價低，并且具有改善的熱耦合。本發明的目的是具有達到這些結果的埋在印刷電路板中的多層熱導體的隔熱盒。
根據本發明，提供一具有埋入導熱層的隔熱盒。隔熱盒包括一印刷電路板，其上有用于輸入端子的安裝孔，一安裝在印刷電路板上用于探測輸入端子溫度的溫度探測器，以及一多層熱導體。多層熱導體的一個或多個第一導熱體層埋入印刷電路板，與端子安裝孔和本機溫度探測器隔開一第一距離，并在它們之間提供熱耦合。
根據本發明的另一些方面，多層隔熱盒包括一個或多個第二導熱層，第二導熱層安裝在多層印刷電路板的外表面。第二導熱層與端子安裝孔和本機溫度探測器隔開一第二距離，它和第一導熱層共同作用，在端子安裝孔和溫度探測器之間提供熱耦合。端子安裝孔和溫度探測器與第一導熱層間的第一距離大體上小于第二距離。
仍然根據本發明的另一些方面，第一和第二導熱層的每一個都由薄銅層制成，這樣，多層熱導體可以大體上薄于印刷電路板的基板部分。
如前述概述中很容易地了解的，本發明提供一具有多層熱導體的隔熱端子盒，它在輸入端子的安裝在隔熱端子盒上的本機溫度探測器之間提供改善的熱耦合。
結合附圖，參考如下詳細說明，本發明的前述優點和其它優點將變得更顯見和更易于理解。其中
圖1是一采用熱電偶的溫度測量系統的簡化方塊圖;
圖2是適于圖1系統采用的先有技術隔熱端子盒的立體圖。
圖3是圖2中描繪的先有技術隔熱盒的截面側視圖，其中，為清楚起見，豎向尺寸被放大，水平層被分開;
圖4是按照本發明形成的一個隔熱端子盒的立體圖，它適用于圖1的測量系統;
圖5是圖4中所描繪的隔熱盒的優選實施例的簡化截面側視圖，其中，為了更好地畫出本發明的各重要特征，豎向尺寸被放大，水平層被分開;
圖1以簡單的方塊圖的形式示出了一個溫度測量系統中的隔熱盒。溫度測量儀器10被聯到一個或多個溫度探頭，這里僅代表性地以單探頭16表示。最好，探頭16是傳統的利用任何形式熱電偶的熱偶型溫度探頭。而且，雖然探頭16被圖示為浸入式的，但應當理解，任何其它形式的探頭也都可以使用。儀器10包括一測量電路12和一隔熱端子盒14。隔熱端子盒14電具有連接熱電偶的輸入端子20和本機的安裝在電路板15上溫度探測器21組成，溫度探測器21可以是任何類型的熱敏元件，如熱敏電阻或其基極-發射極電壓正比于晶體管溫度的晶體管。端子20和探測器21經導電跡線24連接到連接器22a。為圖示清楚，端子20表示為螺絲型端子，但應當理解，其他型式的線端子或連接器也完全是適用的。探頭16經熱電偶引線18連接到輸入端子20。測量電路12經導線26及與連接器22a配對的連接器22b連接到22a。
測量電路12經隔熱盒14接受由探頭16產生的與溫度相關的熱電壓。測量電路12還接受溫度探測器21產生的表示隔熱端子盒14溫度的信號。測量電路12對探頭16產生的溫度相關電壓和探測器21提供的溫度信息進行處理，產生所要求的結果，比如，探頭16的熱電偶探測的溫度的顯示。
隔熱盒在這個應用中具有特殊的意義，它把端子20和探測器21保持在相同的溫度。換言之，輸入端子20和溫度傳感器21繼續隔熱。如在溫度測量領域中已知的，如果儀器10要準確地度量，端子20和探測器21必須非常接近于同一溫度。某一具體熱電偶的兩個輸入端20間的溫度差別或輸入端子20與溫度探測器21間的溫度差別可能使儀器10產生錯誤的溫度讀數。
隔熱盒14的隔熱特性由附著在盒14上的熱導體28提供。熱導體28提供端子20和溫度探測器21間的熱耦合。圖1中，為清楚起見，熱導體28用虛線示出，它可以附著在電路板15的外向表面上或埋入其中。不管哪種情況，熱導塊28都不和端子20、溫度探測器21及跡線24接觸。
接看圖2，這是一適于圖1的測量系統使用的典型先有技術隔熱盒30的簡化立體圖，它包括一印刷電路板32和一熱導體34。如圖2所示，熱導體附著在電路板32的頂面。電路板32包括輸入端子安裝孔40和溫度探測器安裝孔42，輸入端子(未示出)可裝在孔40中，本機溫度探測器可裝在孔42中。安裝孔40和42用導電跡線44連到另一電路上。跡線44在圖2中用虛線表示，它既可以埋入電路板32，也可以位于電路板32的底面上，這樣，無論哪種情況，跡線44都不會與熱導體34電接觸。
熱導體34是一導熱材料盒，如銅和鋁，它們最易于擰入或銷入到電路板32上。此外，熱導體34也可以被焊到電路板32上或用適當的粘接劑固定到板上，熱導體34除可導熱外，也可導電，因此，必須與安裝孔40和42絕緣。熱導體34在靠近安裝孔42和40的地方分別有開孔36和38，它們為使熱導體34絕緣于孔40和42(以及相關的輸入端和溫度探測器)提供了必須的電氣間隙和爬電距離。如前所提到的，最小電氣間隙和爬電距離是由公認的工業安全標準規定的，這些標準考慮了如端子的電壓額定值及端子和熱導體34之間的絕緣介質等因素。
圖3示出了圖2所畫先有技術隔熱盒30沿線3-3所取的截面圖。為清楚起見，圖3的豎向尺寸被放大而隔熱盒30的各層被分離。電路板32可以是單層或多層板。為討論方便，圖3中畫出的電路板32是一個四層板，它們分別是在基板層66a、66b和66c上形成的導電層50a、50b、50c和50d。基板層用68a和68b表示的粘接劑相互粘接，并用傳統方式疊在一起，形成電路板32。
每個輸入端子安裝孔40包括4個導電墊片56a、56b、56c和56d，這些墊片分別是導電層50a-50d的部分。類似，每個探測器安裝孔包括4個導電墊片54a、54b、54c和54d，這些墊片也分別是導電層50a-50d的部分。通孔60貫通墊片56a-56d、基板層66a-66c和粘接層68a、68b。同樣，通孔58貫通墊片54a-54d、基板層66a-66c和粘接層68a、68b。通孔58和60都有鍍層，使能導電。因此，用傳統的方式，墊片54a-54d電連接到通孔58形成探測器安裝孔42，墊片56a-56d電連接到通孔60形成輸入端子安裝孔40。
在圖3中，跡線44畫為導電層50c的組成部分，但可完全相同地在一個或多個導電層50a-50d上形成。如上所指出的，跡線44將安裝孔40和42連接到另一電路和/或連接器上。
熱導體34與安裝孔40和42隔開的距離標為d1。隔開的距離d1使熱導體34與輸入端子和溫度探測器上的(也就分別是安裝孔40和42上的)電壓絕緣。如前所述，d1的最小值由工業安全標準決定。這些標準規定的隔開距離依賴于各種因素，如端子上的電壓，端子和熱導體間的絕緣介質等。在圖3的先有技術隔熱盒30中，絕緣介質是空氣和外層50a、50d的表面。安裝在孔40中的端子的電壓額定值依賴于盒30的具體應用條件。例如，圖2和3所示類型的隔熱盒30的額定值為250v，所以熱導體34和輸入端子安裝孔40間的電氣間隙或爬電距離為0.080英寸(即d1＝0.080″)。
雖然距離d1提供了適當的電絕緣，但是，這減低了輸入端子安裝孔40和熱探測器安裝孔42之間的熱耦合。如在溫度測量領域中普通技術人員所已知的，熱耦合至少部分地依賴于熱導體靠近保持隔熱的器件的程序。因此，安裝孔40和42間的熱耦合隨距離d1的增加而減小。
某種意義上來說，可以增加熱導體34的厚度來改善熱耦合。例如，為了補償到安裝孔40、42的隔開距離，并提供適合的熱耦合，圖3中的熱導體34的厚度t1大約為0.25英寸(t1＝0.25″)。因此，先有技術的熱導體34基本上大于整個電路板32的厚度。在任何情況下，隔熱盒30所代表的先有技術隔熱盒一般都有較厚的熱導體，這就增加了先有技術隔熱盒的尺寸和成本。
接看圖4，示出了適合圖1的溫度測量系統的隔熱盒70的立體圖，它是依據本發明形成的。隔熱盒70包括一多層印刷電路板72和一熱導體74。根據圖5所示和下面將要更充分討論的一個實施例，熱導體74包括多個與電路板72的不同層交錯的層，實際形成電路板的一部分。圖4中示出一個熱導層76a，它位于印刷電路板72的頂表面，印刷電路板72包括用于安裝輸入端子的端子安裝孔78和用于安裝本機溫度探測器的探測器安裝孔80，為清楚起見，輸入端子和溫度探測器沒有在圖4中示出。有許多類型的適用輸入端子和溫度探測器，所以，他們并不形成本發明的內容。安裝孔78和80用導電跡線104連到電路和/或連接器上。跡線104用虛線畫出，表示他們位于電路板72的內層。
具有多層的熱導體74是由導熱材料制成，最好用銅，其他材料，如銀或鋁也可以用，只要他們具有良好的導熱性能。因為這些材料還是導電的。熱導體74的各層必須與印刷電路板72的導電部分絕緣，如在圖5中代表性示出的，熱導層76a上有開口82和84，它們提供了與安裝孔78和80的電絕緣。
熱導體74的各層和導熱層76a最好用傳統的印刷電路板處理工藝，如刻蝕形成。因此，如將從下面討論中更清楚地了解的，熱導體74大體上薄于先有技術的熱導體。而且，熱導體74部分由于埋入的導熱層(在圖4中未示出)而比先有技術熱導體提供改善的熱耦合。
圖5是圖4所示的一個隔熱盒70的優選實施例沿剖面線5-5取的側視圖。為能更好地了解隔熱盒70的重要特征，豎向尺寸被放大。此外，為清楚起見，盒70的各層在豎向上被分離，但是，要理解，在具體實施中，并不存在這些豎向分離。
如圖5所示，電路板72是一多層板，它包括4個基板層86a-86d及在三個粘接層88a-88c，它們交錯并從頂到底疊起來。更具體說，各層從頂到底按如下次序安排基板層86a，粘接層88a，基板層86b，粘接層88b，基板層86c，粘接層88c，最后是基板層86d。
最好，輸入端子安裝孔78和溫度探測器安裝孔80具有傳統的結構，并用傳統的印刷電路板工藝如光成像和刻蝕技術形成。下面討論一個安裝孔78和80的一個可能結構的例子，來更好地理解隔熱盒70的其他特征。每個輸入端子安裝孔78包括導電墊片92a、92b和92c，其中，92a靠近基板層86a的上表面，墊片92b靠近基板層86b的下表面，墊片92c靠近基板層86d的下表面。一通孔100貫通基板層86a-86d、粘接層88a-88c、墊片92a、92b和92c。通孔100用導電材料鍍覆，在通孔中形成導電層(未示出)，這樣，墊片92a、92b和92c及通孔100是電耦合的以形成輸入端子安裝孔78。同樣，每個探測器安裝孔80包括導電墊片94a、94b和94c，其中，墊片94a靠近基板層86a的上表面，墊片94b靠近基板層86b的下表面，墊片94c靠近基板層86d的下表面。通孔102貫通基板層86a-86d、粘接層88a-88c、墊片94a、94b和94c。通孔102鍍有導電材料，在通孔102中形成導電層(未示出)，這樣，墊片94a、94b和94c與通孔102電耦合，形成安裝孔80。
導電跡線104位于基板層86b的底表面，并把輸入端子安裝孔78和探測器安裝孔80連接到其他電路和連接器上(未示出)。然而，應當了解，跡線104在電路板上的位置并不限于圖5所畫的位置。相反，根據電路板72的復雜性和其上的線路，跡線104可以形成于任一導電的和導熱的層76a-76f上。
如上所簡要討論的，熱導體74是多層的。按照本發明的一個優選實施例，多層熱導體74包括6層熱導層76a-76f，最好用傳統印刷電路板處理工藝形成在基板層88a-86d上。熱導層76a-76f與基板層86a-86d和粘連層88a-88c交疊的次序如下傳導層76a，76b和76d分別靠近基板層86a、86b和86c的頂表面，傳導層76c、76e和76f分別靠近基板層86b、86c和86d的底表面。
如上所提到的，熱導層76a-76f可以用傳統的生長或刻蝕工藝分別形成于基板層上，進一步講，熱導層76a-76f和墊片92a-92c及94a-94c可以用同樣的工藝從同一傳導層形成。就是說，例如，在一個基板的表面上形成的傳導層可以被刻蝕以形成用于安裝孔78和80的墊片、跡線104及導熱層76a-76f之一。
從以上討論并參考圖5中了解到，導熱層76a和76f位于印刷電路板72的外表面，而導熱層76b-76e埋入印刷電路板72。安裝孔78和80的外邊緣與導熱層76a和76f隔開的距離標為d2。更具體來說，層76a和76f與墊片92a、92c、94a和94c隔開一距離d2。如上所說，該距離提供了導熱層76a和76f與安裝孔78和80之間的電絕緣。在這個優選的實施例中，空氣和基板層86a、86d的表面是導熱層76a、76f與安裝孔78、80之間的絕緣物。因此，按照本發明的一個優選實施例形成的隔熱盒70導熱層76a和76f與孔78和80之間的距離d2可以基本等于隔熱盒34與前面討論的(圖2和圖3所示)先有技術隔熱盒30的安裝孔40和42之間的距離d1。
另一方面，埋入的導熱層76b、76d和76e與安裝孔78和80(更確切說是通孔100和102)隔開一距離d3，同樣，導熱層76c與墊片92b和94b以及與跡線104隔開一距離d3。由于這些層都是埋在印刷電路板72中的，所以層86b和86c的基板材料以及層88a-88c的粘接劑均是導熱層76b-76e與安裝孔78和80間的絕緣物。一般來說，傳統的基板和粘接劑(如果使用)都是比空氣更好的絕緣介質，此外，它們被埋入電路板72，不受表面污染和沾污。安裝孔78和80與埋入的導熱層76b-76e間的距離d3可以基本上小于外部導熱層76a和76f所必須的距離d2，同時仍為給定的端子或探測器電壓提供適當的電絕緣。
如前討論的，安裝孔78和80間的熱耦合程度部分地由熱導體74接近這些孔的程度所決定。因此，由埋入的層76b-76e對安裝孔78和80的接近程度所提供的熱耦合比先有技術隔熱盒中所用的裝配在外部的熱導體所可能提供的熱耦合要好。
導熱層76a-76f通常基本上薄于基板層86a-86d。進而多層熱導體74的總厚度可以大體上小于先有技術的外部裝配的熱導體的厚度，這樣做是可能的，因為這種多層熱導體74提供了改善的熱耦合。作為實例，在本發明的一個優選實施例中，電路板72中的六層熱導體74比總厚度約為0.080″的電路板約厚出0.017″，而相近額定值(如250V)的先有技術隔熱盒30的熱導體34要厚出0.250″之多。所以，本發明的隔熱盒70與額定值的先有技術隔熱盒相比大體要薄些，相應要輕。
雖然借助實例示出并討論了本發明的優選實施例，應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，能夠進行各種改變。例如，熱導體可以由埋入電路板的單層組成，只要它能提供適當的熱耦合。此外，熱導層可以是與多層電路板交疊的薄片，它們用刻蝕等印刷電路板工藝形成于電路板層的反面。本發明可以與以下所述方式不同而得以實踐。
權利要求
1.把導線接點保持在基本相同的溫度的隔熱盒，其特征在于包括(a)一具有聯接電引線的連接裝置的印刷電路板和(b)一埋入所述印刷電路板、用于與所述連接裝置熱耦合的第一導熱層。
2.根據權利要求1的隔熱盒，其特征在于，隔熱盒進一步包括一安裝在所述印刷電路板一外向表面的第二導熱層，它與所述第一導熱層配合，實現所述連接裝置的熱耦合。
3.根據權利要求2的隔熱盒，其特征在于，所述第一和第二導熱層是導電的，并電絕緣于所述印刷電路板的所述連接裝置。
4.根據權利要求3的隔熱盒，其特征在于，所述第一和第二導熱層由銅制成。
5.一種終接電引線并把電引線端子保持在參考溫度的隔熱盒，其特征在于，包括(a)一具有第一終接裝置和第二終接裝置的印刷電路板，第一終接裝置用來接受遠離所述印刷電路板的熱電偶的引線，第二終接裝置用來終接來自一溫度探測器的引線，該探測器探測所述印刷電路板的溫度，所述印刷電路板的溫度是所述參考溫度;和(b)埋在所述印刷電路板中的第一導熱層，用于實現第一和第二終接裝置的熱耦合。
6.根據權利要求5的隔熱盒，其特征在于，隔熱盒進一步包括一安裝在所述印刷電路板的一外向表面上的第二導熱層，它和所述第一導熱層配合，實現第一和第二終接裝置的熱耦合。
7.根據權利要求6的隔熱盒，其特征在于，所述第一和第二導熱層由銅制成。
8.根據權利要求5的隔熱端子盒，其特征在于，所述第一和第二導熱層是導電的，并與所述第一和第二終接裝置電絕緣。
9.根據權利要求8的隔熱盒，其特征在于，所述第一導熱層與所述第一和第二終接裝置隔開第一距離，所述第二導熱層與所述第一和第二終接裝置隔開第二距離，所述第一距離大體上小于所述第二距離。
10.根據權利要求9的隔熱盒，其特征在于，所述第一和第二導熱層大體上薄于所述印刷電路板。
11.根據權利要求10的隔熱盒，其特征在于，所述第一和第二導熱層由銅制成。
全文摘要
一隔熱盒有多層熱導體與印刷電路板的各層交疊，從而改善輸入端子和安裝在隔熱盒上的本機溫度探測器間的熱耦合。每層導熱層大體上薄于印刷電路板的基板層，導熱層與端子隔開，以形成與端子間的電絕緣。埋入的導熱層與端子的隔開距離小于外層導熱體與端子的隔開距離。
文檔編號H05K1/02GK1056932SQ9010850
公開日1991年12月11日 申請日期1990年10月20日 優先權日1990年5月31日
發明者雷蒙·D·索力克, 彼得·F·巴比 申請人:約翰弗蘭克制造公司