Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen zum
Anschließen von Leitungen, und insbesondere auf isothermische
Anschlußblöcke zum Anschließen von Leitungen von
Thermoelementen.
Hintergrund der Erfindung
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Thermoelemente werden seit vielen Jahren verwendet, um genaue
Temperaturmessungen durchzuführen. Beim Betrieb erzeugt ein
Thermoelement eine temperaturbezogene thermoelektrische
Spannung, die zum Erzeugen einer brauchbaren Information an ein
Gerät oder eine andere Vorrichtung angelegt werden kann. Die
Information kann beispielsweise eine Anzeige der Temperatur
oder Steuersignale sein, die zum Steuern anderer Bauteile
verwendet werden können. Das Thermoelement kann direkt oder
mit Thermoelement-Verlängerungsleitungen mit einem Gerät
verbunden sein. Die zwischen der Verbindungsstelle bzw. dem
Übergang und dem offenen Ende des Thermoelements ausgebildete
thermoelektrische Spannung wird an Anschlußklemmen bzw.
Anschlüssen des Geräts angelegt. Die temperaturbezogene
Spannung an den Geräte-Anschlüssen wird mit der Temperatur der
Anschlüsse kombiniert, um die Temperatur an dem
Thermoelement-Übergang zu bestimmen.
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Die Temperatur der Geräte-Anschlüsse kann von einem
Temperatursensor erfaßt werden, der typischerweise, aber nicht
notwendigerweise, neben den Anschlüssen angeordnet ist. Um
genaue Temperaturablesungen durch das Gerät sicherzustellen
ist es wichtig, jegliche Temperaturdifferenzen zwischen den
Geräte-Anschlüssen als auch zwischen den Anschlüssen und dem
Temperatursensor zu minimieren. Das heißt, da die
thermoelektrische
Spannung (zumindest teilweise) von der Temperatur der
Geräte-Anschlüsse abhängig ist, kann eine Temperaturdifferenz
zwischen den Anschlüssen, oder zwischen den Anschlüssen und
dem Anschluß-Temperatursensor bedingen, daß das Gerät
fehlerhafte Temperaturablesungen macht. Um dieses Problem zu
beseitigen, sind Thermoelement-Leitungen herkömmlicherweise über
einen isothermischen Anschlußblock mit dem Gerät verbunden,
der die Anschlüsse an dem Gerät und einen zugehörigen
Anschluß-Temperatursensor auf der im wesentlichen gleichen
Temperatur hält, das heißt, isothermisch.
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Isothermische Anschlußblöcke gemäß dem Stand der Technik
bestehen typischerweise aus einer bedruckten Leiterplatte mit
Eingangs-Anschlüssen, einem Anschluß-Temperatursensor und
einem thermischen Leiter. Der thermische Leiter besteht
herkömmlicherweise aus einem Block aus Kupfer oder Aluminium
oder einem anderem Material mit guter thermischer
Leitfähigkeit. Der thermische Leiter ist typischerweise mit einer
äußeren Oberfläche der Leiterplatte verschraubt oder verbolzt.
In einigen Fällen kann der thermische Leiter mit der äußeren
Oberfläche der Leiterplatte verlötet oder durch ein thermisch
leitfähiges Klebemittel befestigt sein. In jedem Fall ist der
thermische Leiter auf der Leiterplatte neben den
Eingangs-Anschlüssen und dem Temperatursensor angeordnet, so daß er die
Anschlüsse und den Sensor thermisch koppelt, wodurch diese
auf der gleichen, oder im wesentlichen gleichen, Temperatur
gehalten werden, was, wie vorstehend erwähnt, zum
Sicherstellen genauer Temperaturmessungen wichtig ist.
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Typischerweise sind thermische Leiter zusätzlich zu ihrer
thermischen Leitfähigkeit elektrisch leitfähig und müssen
deshalb von den elektrische Signale führenden Abschnitten der
Leiterplatte, wie den Eingangs-Anschlüssen und dem örtlichen
Temperatursensor, isoliert sein. Da Temperaturen oft in
Anwesenheit von Wechsel- und Gleichspannungs-Betriebsspannungen
gemessen werden müssen, könnte das Elektrifizieren des
thermischen Leiters sowohl Schäden an anderen Bauteilen bewirken
als auch eine Sicherheitsbedrohung für das Bedienungspersonal
darstellen. Der thermische Leiter ist von den Anschlüssen auf
der Leiterplatte isoliert, indem minimale Kriechstrecken und
Sicherheitsabstände dazwischen eingehalten werden, um so zu
verhindern, daß Spannungen an den Anschlüssen einen
leitfähigen Weg oder einen Lichtbogen zu dem thermischen Leiter
erzeugen. Diese Kriechstrecken und Sicherheitsabstände sind
durch akzeptierte Industriestandards wie beispielsweise
ANSI/ISA-582-01-1988, IEC 1010 und CSA C22.2, Nr. 231
festgelegt.
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Die durch diese Standards festgelegten Sicherheitsabstände
berücksichtigen derartige Variablen wie
Nominal-Betriebsspannungen an den Anschlüssen und den Typ des Isolators zwischen
den Anschlüssen, dem Sensor und dem thermischen Leiter. Im
Fall des vorstehend beschriebenen isothermischen
Anschlußblocks gemäß dem Stand der Technik (das heißt, bei dem der
thermische Block an der äußeren Oberfläche der Leiterplatte
angebracht ist) bilden Luft und die Leiterplattenoberfläche
die Isolatoren. Mit Luft als einem Isolator erfordern die
Sicherheitsstandards einen relativ hohen Abstand oder
Zwischenraum, und mit der Leiterplattenoberläche als einem Isolator
erfordern die Sicherheitsstandards eine relativ große
Kriechstrecke zwischen den Anschlüssen, dem Sensor und dem
thermischen Leiter. Unglücklicherweise verringern der Zwischenraum
und die Kriech-Sicherheitsabstände die thermische Kopplung
zwischen den Eingangs-Anschlüssen, dem Temperatursensor und
dem thermischen Leiter, insbesondere wenn der Isolator Luft
ist, da der geforderte Minimalabstand so groß ist. Somit
besteht ein Weg zum Verbessern der thermischen Kopplung darin,
den thermischen Leiter nahe bei den Anschlüssen und dem
Sensor anzuordnen. Unglücklicherweise begrenzen die
Sicherheitsstandards, wie nahe sie beabstandet sein können und begrenzen
somit zu einem merklichem Grad die thermische Kopplung.
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Ein anderer Weg zum Verbessern der thermischen Kopplung
zwischen den Eingangs-Anschlüssen und dem Sensor besteht darin,
die Größe des thermischen Leiters zu vergrößern (während
weiterhin angemessene Sicherheitsabstände beibehalten werden).
Um dies zu erreichen, umfassen Ansätze des Standes der
Technik das Vergrößern der Dicke des thermischen Leiters.
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Tatsächlich ist in vielen Fällen der thermische Leiter beim
Stand der Technik wesentlich dicker als die bedruckte
Leiterplatte, an der er befestigt ist. Unglücklicherweise erzeugt
das Vergrößern der Dicke des thermischen Leiters einen
isothermischen Block, der beides, massiv und teuer herzustellen
ist.
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Die DE-A-3 446 117 offenbart einen isothermischen Anschluß-
Kopplungsblock, der Leiter umfaßt, die auf einem Träger mit
hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet sind, wobei der
Träger entweder aus isolierendem Material ausgebildet ist
oder auf zumindest einer Oberfläche mit einer Schicht aus
isolierendem Material versehen ist.
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Demzufolge besteht ein Bedürfnis nach einem isothermischen
Block mit einem kleinen, leichtgewichtigen thermischen
Leiter, der preiswert herzustellen ist und eine verbesserte
thermisches Kopplung zur Verfügung stellt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten
Patentansprüchen aufgezeigt.
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In Übereinstimmung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein isothermischer Block mit
einer eingebetteten thermisch leitfähigen Schicht geschaffen.
Der isothermische Block enthält eine bedruckte Leiterplatte
mit Befestigungslöchern für Eingangs-Anschlüsse, einen
örtlich an der bedruckten Leiterplatte befestigten
Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Eingangs-Anschlüsse
und einen mehrlagigen thermischen Leiter. Eine oder mehrere
erste thermisch leitfähige Schichten des mehrlagigen
thermischen Leiters sind in die bedruckte Leiterplatte eingebettet
und mit einem ersten Abstand von den
Anschluß-Befestigungslöchern und dem örtlichen Temperatursensor beabstandet,
zwischen welchen sie eine thermische Kopplung schaffen.
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In Übereinstimmung mit weiteren Aspekten des bevorzugten
Ausführungsbeispiels enthält der mehrlagige isothermische Block
eine oder mehrere an äußeren Oberflächen der mehrlagigen
bedruckten Leiterplatte befestigte zweite thermisch leitfähige
Schichten. Die zweite(n) thermisch leitfähige(n) Schicht(en)
sind in einem zweiten Abstand von den
Anschluß-Befestigungslöchern und dem örtlichen Temperatursensor beabstandet und
wirken mit der / den ersten thermisch leitfähigen Schicht(en)
zusammen, um eine thermische Kopplung zwischen den Anschluß-
Befestigungslöchern und dem Temperatursensor zu schaffen. Der
erste Abstand zwischen den Anschluß-Befestigungslöchern und
dem Temperatursensor und der / den ersten thermisch
leitfähigen Schicht(en) ist merklich kleiner als der zweite Abstand.
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In Übereinstimmung mit noch weiteren Aspekten der
vorliegenden Erfindung bestehen jede der ersten und zweiten thermisch
leitfähigen Schichten aus einer dünnen Kupferschicht, derart,
daß der mehrlagige thermische Leiter merklich dünner als der
Substratabschnitt der bedruckten Leiterplatte ist.
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Wie der vorhergehenden Zusammenfassung leicht zu entnehmen
ist, schafft die vorliegende Erfindung einen isothermischen
Anschlußblock mit einem mehrlagigen thermischen Leiter, der
eine verbesserte thermische Kopplung zwischen
Eingangs-Anschlüssen und einem auf dem isothermischen Anschlußblock
angebrachten örtlichen Temperatursensor schafft.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die vorstehenden und weitere Vorteile dieser Erfindung werden
leichter ersichtlich, wenn selbige mit Bezug auf die folgende
ausführliche Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung besser verständlich wird.
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Es zeigen:
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FIGUR 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines ein
Thermoelement verwendenden Temperatur-Meßsystems;
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FIGUR 2 eine isometrische Ansicht eines zur Verwendung in dem
in Fig. 1 dargestellten System geeigneten isothermischen
Anschlußblocks gemäß dem Stand der Technik;
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FIGUR 3 eine seitliche Schnittansicht des in Fig. 2 gezeigten
isothermischen Anschlußblocks gemäß dem Stand der Technik,
wobei vertikale Abmessungen übertrieben dargestellt sind und
horizontale Schichten der Übersichtlichkeit wegen getrennt
dargestellt sind;
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FIGUR 4 eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäß
ausgebildeten und zur Verwendung in dem in Fig. 1 dargestellten
System geeigneten isothermischen Anschlußblocks; und
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FIGUR 5 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels des in Fig. 4 dargestellten
isothermischen Anschlußblocks, wobei vertikale Abmessungen
übertrieben dargestellt sind und horizontale Schichten zum
Zweck der besseren Darstellbarkeit verschiedener wichtiger
Merkmale des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung
getrennt dargestellt sind.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Figur 1 stellt in Form eines einfachen Blockschaltbilds einen
isothermischen Block in einem Temperatur-Meßsystem dar. Ein
Temperatur-Meßgerät 10 ist mit einem oder mehreren
Temperatur-Meßfühlern verbunden, die stellvertretend als ein
einzelner Meßfühler 16 dargestellt sind. Vorzugsweise ist der
Meßfühler 16 ein herkömmlicher Temperatur-Meßfühler eines einen
beliebigen Typ eines Thermoelements verwendenden
Thermoelement-Typs. Obwohl der Meßfühler 16 schematisch als Tauch-
bzw. Immersions-Typ Meßfühler dargestellt ist, ist es zudem
selbstverständlich, daß jede andere Art von Meßfühler,
beispielsweise ein Wulst- ("bead type") - oder Oberflächen-Typ
Thermoelement-Meßfühler verwendet werden kann. Das Gerät 10
enthält eine Meßschaltung 12 und einen isothermischen
Anschlußblock 14. Der isothermische Anschlußblock 14 besteht
aus einer bedruckten Leiterplatte 15 mit Eingangs-Anschlüssen
20 zum Verbinden mit einem Thermoelement und einem an der
Leiterplatte 15 angebrachten örtlichen Temperatursensor 21.
Der Temperatursensor 21 kann jeder Typ eines
temperaturempfindlichen Bauteils sein, beispielsweise ein Thermistor oder
ein Transistor, dessen Basis-Emitter-Spannung proportional
der Transitortemperatur ist. Die Anschlüsse 20 und der Sensor
21 sind über elektrisch leitfähige Spuren bzw. Leiterbahnen
24 mit einer Verbindungsvorrichtung 22a verbunden. Zu
Darstellungszwecken sind die Anschlüsse 20 als
Schraubentyp-Anschlüsse dargestellt, aber es ist verständlich, daß jede Art
von Leitungsanschluß oder Verbindungsvorrichtung gleichfalls
geeignet ist. Der Meßfühler 16 ist mit den
Eingangs-Anschlüssen 20 durch Thermoelement-Leitungen 18 verbunden. Die
Meßschaltung 12 ist über Leiter 26 und eine mit der
Verbindungsvorrichtung 22a zusammenpassende Verbindungsvorrichtung 22b
mit der Verbindungsvorrichtung 22a verbunden.
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Die Meßschaltung 12 empfängt über den isothermischen
Anschlußblock 14 eine von dem Meßfühler erzeugte
temperaturbezogene thermoelektrische Spannung. Die Meßschaltung empfängt
ebenfalls ein von dem Temperatursensor 21 erzeugtes Signal,
das die Temperatur des isothermischen Anschlußblocks 14
anzeigt. Die Meßschaltung 12 verarbeitet die von dem Meßfühler
16 erzeugte temperaturbezogene Spannung und die von dem
Sensor 21 zur Verfügung gestellte Temperatur-Information und
erzeugt ein gewünschtes Ergebnis, wie beispielsweise eine
Anzeige der von dem Thermoelement des Meßfühlers 16 erfaßten
Temperatur.
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Der isothermische Anschlußblock 14, der bei dieser Anmeldung
von besonderem Interesse ist, hält die Anschlüsse 20 und den
Sensor 21 auf der gleichen Temperatur. In anderen Worten, die
Eingangs-Anschlüsse 20 und der Temperatursensor 21 bleiben
isothermisch. Wie auf dem Gebiet der Temperaturmessung gut
bekannt ist, müssen die Anschlüsse 20 und der Sensor 21 auf
annähernd der gleichen Temperatur bleiben, wenn genaue
Messungen mit dem Gerät 10 vorgenommen werden sollen. Eine
Temperaturdifferenz zwischen zwei Eingangs-Anschlüssen 20 für
ein spezielles Thermoelement oder zwischen
Eingangs-Anschlüssen 20 und dem Temperatursensor 21 kann bewirken, daß das
Gerät 10 eine fehlerhafte Temperaturablesung durchführt.
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Die isothermische Eigenschaft des isothermischen Blocks 14
wird durch einen an dem Block 14 angebrachten thermischen
Leiter 28 geschaffen. Der thermische Leiter 28 schafft eine
thermische Kopplung zwischen den Anschlüssen 20 und dem
Temperatursensor 21. In FIGUR 1 ist der thermische Leiter 28 aus
Gründen der Übersichtlichkeit schematisch durch eine
unterbrochene Linie dargestellt und kann entweder an einer äußeren
Oberfläche der Leiterplatte 15 oder darin eingebettet
angebracht sein. Auf jeden Fall ist der thermische Leiter nicht
in elektrischem Kontakt mit den Anschlüssen 20, dem
Temperatursensor 21 oder den Spuren bzw. Leiterbahnen 24.
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Mit Bezug auf FIGUR 2 ist als nächstes eine vereinfachte
isometrische Ansicht eines typischen isothermischen Blocks 30
gemäß dem Stand der Technik dargestellt, der zur Verwendung
mit dem Meßsystem gemäß FIGUR 1 verwendbar ist und aus einer
bedruckten Leiterplatte 32 und einem thermischen Leiter 34
besteht. Wie in FIGUR 2 dargestellt, ist der thermische
Leiter an der oberen Oberfläche der Leiterplatte 32 angebracht.
Die Leiterplatte 32 enthält
Eingangs-Anschluß-Befestigungslöcher 40, in die (nicht gezeigte) Eingangs-Anschlüsse montiert
werden können und Temperatursensor-Befestigungslöcher 42, in
die ein (ebenfalls nicht gezeigter) Temperatursensor montiert
werden kann. Die Befestigungslöcher 40 und 42 sind mit
anderen Schaltungen oder (nicht gezeigten)
Verbindungsvorrichtungen durch leitfähige Spuren bzw. Leiterbahnen 44
verbunden. Die in FIGUR 2 als unterbrochene Linien dargestellten
Leiterbahnen 44 sind entweder in die Leiterplatte 32
eingebettet oder auf der Boden-Oberfläche bzw. Unterseite der
Leiterplatte 32 angeordnet, so daß die Leiterbahnen 44 auf
keinen. Fall in elektrischen Kontakt mit dem thermischen Leiter
34 kommen.
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Der thermische Leiter 34 ist ein Block aus thermisch
leitfähigem Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, das am
geeignetsten mit der Leiterplatte 32 verschraubt oder
verbolzt ist. Alternativ kann der thermische Leiter 34 mit der
Leiterplatte 32 verlötet sein oder mit einem geeigneten
Klebemittel befestigt sein. Zusätzlich zur thermischen
Leitfähigkeit ist der thermische Leiter 34 ebenfalls elektrisch
leitfähig und muß deshalb von den Befestigungslöchern 40 und
42 isoliert sein. Der thermische Leiter 34 hat jeweils neben
den Befestigungslöchern 40 und 42 Öffnungen 36 und 38, die
die notwendigen Sicherheitsabstände und Kriechstrecken zum
elektrischen Isolieren des thermischen Leiters 34 von den
Löchern 40 und 42 (als auch von den zugehörigen
Eingangs-Anschlüssen und dem Temperatursensor) zur Verfügung stellen.
Minimale Sicherheitsabstände und Kriechstrecken sind durch
akzeptierte Industriestandards wie den vorstehend erwähnten
festgelegt, die derartige Einflußgrößen wie die
Nominalspannung der Anschlüsse und das / die isolierende(n) Medium /
Medien zwischen den Anschlüssen und dem thermischen Leiter 34
berücksichtigen.
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FIGUR 3 stellt den in FIGUR 2 gezeigten isothermischen Block
30 des Standes der Technik als Querschnitt entlang der
Schnittlinie 3-3 dar. Der vertikale Maßstab von FIGUR 3 ist
übertrieben und verschiedene Schichten des isothermischen
Blocks 30 sind zum Zweck der Übersichtlichkeit getrennt
dargestellt. Die Leiterplatte 32 kann eine einlagige oder
mehrlagige Platte sein. Zu Erörterungszwecken ist die in FIGUR 3
dargestellte Leiterplatte 32 eine vierlagige Leiterplatte mit
auf Substratschichten 66a, 66b, 66c und 66d ausgebildeten
leitfähigen Schichten 50a, 50b, 50c und 50d. Die
Substratschichten sind untereinander durch ein durch Schichten 68a
und 68b dargestelltes Klebemittel verbunden und auf
herkömmliche Weise aufeinander angeordnet, um die Leiterplatte 32
auszubilden.
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Jedes der Eingangs-Anschluß-Befestigungslöcher 40 umfaßt vier
leitfähige Anschlußflächen bzw. Pads 56a, 56b, 56c und 56d,
die jeweils als Teil der leitfähigen Schichten 50a - 50d
ausgebildet sind. Ahnlich umfaßt jedes der
Sensor-Befestigungslöcher vier leitfähige Anschlußflächen bzw. Pads 54a, 54b,
54c und 54d, die ebenfalls als Teil der leitfähigen Schichten
50a - 50d ausgebildet sind. Eine Bohrung 60 durchdringt Pads
56a - 56d, Substratschichten 66a - 66c und
Klebemittelschichten 68a und 68b. Ähnlich durchdringt eine Bohrung 58 Pads 54a
- 54d und Schichten 66a - 66c, 68a und 68b. Die Oberflächen
der Bohrungen 58 und 60 sind beschichtet, um elektrisch
leitfähig zu sein. Somit sind Pads 54a - 54d auf herkömmliche
Weise elektrisch mit der Bohrung 58 verbunden, um ein Sensor-
Befestigungsloch 42 auszubilden, und Pads 56a - 56d sind mit
der Bohrung 60 verbunden, um ein
Eingangs-Anschluß-Befestigungsloch 40 auszubilden.
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In FIGUR 3 sind die Leiterbahnen 44 als einen Bestandteil der
leitfähigen Schicht 50c bildend dargestellt, aber sie können
gleichfalls als eine oder mehrere der leitfähigen Schichten
50a - 50d ausgebildet sein. Wie vorstehend erwähnt, verbinden
die Leiterbahnen 44 die Befestigungslöcher 40 und 42 mit
anderen Schaltungen und / oder Verbindungsvorrichtungen.
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Der thermische Leiter 34 ist in einem als d1 bezeichneten
Abstand von Befestigungslöchern 40 und 42 angeordnet. Der durch
den Abstand d1 geschaffene Zwischenraum isoliert den
thermischen Leiter 34 von an den Eingangs-Anschlüssen und dem
Temperatursensor und somit an den jeweiligen Befestigungslöchern
40 und 42 vorhandenen Spannungen. Wie vorstehend erwähnt, ist
der Minimalwert von d1 durch Industrie-Sicherheitsstandards
bestimmt. Die Standards spezifizieren Zwischenräume in
Abhängigkeit verschiedener Einflußgrößen, wie beispielsweise den
Spannungen an den Anschlüssen und dem Isoliermedium zwischen
den Anschlüssen und dem thermischen Leiter. Bei dem dem Stand
der Technik gemäßen isothermischen Block 30 aus FIGUR 3 ist
das Isoliermedium Luft und die Oberflächen der äußeren
Schichten 50a und 50d. Die Nominalspannung der in den Löchern
40 befestigten Anschlüsse ist abhängig von der einzelnen
Anwendung des Blocks 30. Beispielsweise muß ein isothermischer
Block 30 des in FIGUR 2 und 3 dargestellten Typs, der für 250
Volt ausgelegt ist, einen Sicherheitsabstand und eine
Kriechstrecke von 0.080 Inches zwischen dem thermischen Leiter 34
und den Eingangs-Anschluß Befestigungslöchern 40 haben (das
heißt, d1 = 0.080").
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Obwohl der Abstand d1 eine angemessene elektrische Isolierung
schafft, verringert er unglücklicherweise ebenfalls die
thermische Kopplung zwischen den
Eingangs-Anschluß-Befestigungslöchern 40 und den Temperatursensor-Befestigungslöchern 42.
Wie Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet der
Temperaturmessung allgemein bekannt ist, hängt die thermische Kopplung
zumindest teilweise von der Nähe des thermischen Leiters zu den
isothermisch zu haltenden Einrichtungen ab. Demzufolge
verringert sich der Grad der thermischen Kopplung zwischen
Befestigungslöchern 40 und 42 mit dem Vergrößern des Abstandes
d1.
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In gewissem Umfang kann die thermische Kopplung durch
Vergrößern der Dicke des thermischen Leiters 34 verbessert werden.
Um beispielsweise den Abstand zwischen den
Befestigungslöchern 40 und 42 zu kompensieren und eine angemessene
thermische Kopplung zu schaffen, kann der thermische Leiter 34 in
FIGUR 3 eine durch t1 bezeichnete Dicke von ungefähr gleich
0.25 Inches (t1 = 0.25") haben. Demzufolge muß der
thermische Leiter 34 bei dem Stand der Technik wesentlich dicker
als die gesamte Dicke der Leiterplatte 32 sein. Auf jeden
Fall haben dem Stand der Technik gemäße isothermische Blöcke
des durch den isothermischen Block 30 dargestellten Typs
typischerweise relativ dicke thermische Leiter, die die Größe
und Kosten isothermischer Blöcke des Standes der Technik
vergrößern.
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Mit Bezug auf FIGUR 4 ist eine isometrische Ansicht eines
isothermischen Blocks 70 dargestellt, der bei dem Temperatur-
Meßsystem aus Fig. 1 verwendbar ist und erfindungsgemäß
ausgebildet ist. Der isothermische Block 70 umfaßt eine
mehrlagige bedruckte Leiterplatte 72 und einen thermischen Leiter
74. In Übereinstimmung mit einem in FIGUR 5 dargestellten und
nachstehend ausführlicher beschriebenen tatsächlichen
Ausführungsbeispiel umfaßt der thermische Leiter 74 mehrere
Schichten, die mit verschiedenen Schichten der Leiterplatte 72
verschachtelt
sind und tatsächlich einen Teil desselben bilden.
Eine thermisch leitfähige Schicht 76a ist in FIGUR 4
dargestellt und ist an der oberen Oberfläche bzw. Oberseite der
bedruckten Platte 72 angeordnet. Die bedruckte Leiterplatte
72 enthält Anschluß-Befestigungslöcher 78 zum Befestigen von
Eingangs-Anschlüssen daran und Sensor-Befestigungslöcher 80
zum Befestigen eines örtlichen Temperatursensors daran. Die
Eingangsanschlüsse und der Temperatursensor sind in FIGUR 4
aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Es gibt
viele Arten geeigneter Eingangs-Anschlüsse und
Temperatursensoren, die verwendet werden können, und als solche stellen
sie keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar. Die
Befestigungslöcher 78 und 80 sind über elektrisch leitfähige Spuren
bzw. Leiterbahnen 104 mit Schaltungen und / oder
Verbindungsvorrichtungen verbunden. Die Leiterbahnen sind als
unterbrochene Linien dargestellt, um zu zeigen, daß sie an inneren
Schichten der Leiterplatte 72 angeordnet sind.
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Die mehreren Schichten des thermischen Leiters 74 bestehen
aus thermisch leitfähigem Material, vorzugsweise Kupfer,
obwohl andere Materialien wie beispielsweise Silber oder
Aluminium verwendet werden können, solange sie gute thermische
Leitfähigkeit zeigen. Da diese Materialien ebenfalls
elektrisch leitfähig sind, müssen die verschiedenen Schichten des
thermischen Leiters 74 von elektrisch leitenden Abschnitten
der bedruckten Leiterplatte 72 isoliert sein. Wie in FIGUR 5
stellvertretend dargestellt ist, hat eine thermisch
leitfähige Schicht 76a Öffnungen 82 und 84, die die elektrische
Isolierung von den Befestigungslöchern 78 und 80 schaffen.
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Die thermisch leitfähige Schicht 76a und die anderen
verschiedenen Schichten des thermischen Leiters 74 werden
vorzugsweise unter Verwendung herkömmlicher
Herstellungsverfahren für bedruckte Leiterplatten wie beispielsweise Ätzen
hergestellt. Als ein Ergebnis, und wie aus der folgenden
Diskussion besser verständlich werden wird, ist der thermische
Leiter 74 wesentlich dünner als bei dem Stand der Technik
verwendete thermische Leiter. Zudem schafft der thermische
Leiter 74, zum Teil aufgrund der (in FIGUR 4 nicht gezeigten)
eingebetteten thermisch leitfähigen Schichten eine
verbesserte thermische Kopplung, verglichen mit der, die durch die
thermischen Leiter beim Stand der Technik erreicht wird.
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FIGUR 5 stellt eine Seitenansicht eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels des in Fig. 4 dargestellten isothermischen
Blocks 70 entlang einer Schnittlinie 5-5 dar. Der vertikale
Maßstab ist übertrieben dargestellt, um ein besseres
Verständnis der wichtigen Merkmale des isothermischen Blocks 70
zu ermöglichen. Zudem sind verschieden Schichten des Blocks
70 zum Zweck der Übersichtlichkeit in vertikaler Richtung
getrennt dargestellt, aber es ist selbstverständlich, daß diese
vertikale Trennung nicht in dem physischen
Ausführungsbeispiel existiert.
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Wie in FIGUR 5 dargestellt, ist die Leiterplatte 72 eine
mehrlagige Platte, die vier Substratschichten 86a - 86d und
drei Klebemittelschichten 88a - 88c enthält, die
verschachtelt sind und von oben nach unten gestapelt sind. Genauer
gesagt, sind die verschiedenen Schichten von oben nach unten in
der folgenden Reihenfolge angeordnet: Substratschicht 86a,
Klebemittelschicht 88a, Substratschicht 86b,
Klebemittelschicht 88b, Substratschicht 86c, Klebemittelschicht 88c, und
letzlich Substratschicht 86d.
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Vorzugsweise weisen die Eingangs-Anschluß Befestigungslöcher
78 und die Temperatursensor Befestigungslöcher 80 einen
herkömmlichen Aufbau auf und sind durch herkömmliche
Herstellungsverfahren für bedruckte Leiterplatten ausgebildet, wie
beispielsweise Photoabbildungs- und Ätztechniken. Als
nächstes wird ein Beispiel eines möglichen Aufbaus der
Befestigungslöcher 78 und 80 diskutiert und ist vorgesehen, um ein
besseres Verständnis anderer Merkmale des isothermischen
Blocks 70 zu ermöglichen. Jedes der Eingans-Anschluß
Befestigungslöcher 78 enthält elektrisch leitfähige Anschlußflächen
bzw. Pads 92a, 92b und 92c, wobei Pad 92a an der oberen
Oberfläche bzw. Oberseite der Substratschicht 86a anliegt, Pad
92b an der unteren Oberfläche bzw. Unterseite der
Substratschicht 86b anliegt und Pad 92c an der Unterseite der
Substratschicht
86d anliegt. Eine Bohrung 100 durchdringt
Substratschichten 86a - 86d, Klebemittelschichten 88a - 88c und
Pads 92a, 92b und 92c. Die Bohrung 100 ist mit einem
elektrisch leitfähigen Material beschichtet, das in der Bohrung
100 eine (nicht gezeigte) leitfähige Schicht derart
ausbildet, daß Pads 92a, 92b und 92c und die Bohrung 100 elektrisch
gekoppelt sind, um Eingangs-Anschluß-Befestigungslöcher 78
auszubilden. Ähnlich enthält jedes der
Sensor-Befestigungslöcher 80 elektrisch leitfähige Pads 94a, 94b und 94c, wobei
Pad 94a an der Oberseite der Substratschicht 86a anliegt, Pad
94b an der Unterseite der Substratschicht 86b anliegt und Pad
94c an der Unterseite der Substratschicht 86d anliegt. Eine
Bohrung 102 durchdringt Substratschichten 86a - 86d,
Klebemittelschichten 88a - 88c und Pads 94a, 94b und 94c. Die
Bohrung 102 ist mit einem elektrisch leitfähigen Material
beschichtet, das in der Bohrung 102 eine (ebenfalls nicht
gezeigte) leitfähige Schicht derart ausbildet, daß Pads 94a,
94b und 94c und die Bohrung 102 elektrisch gekoppelt sind, um
Sensor-Befestigungslöcher 80 auszubilden.
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Elektrisch leitfähige Leiterbahnen 104 sind an der Unterseite
der Substratschicht 86b angeordnet und verbinden die
Eingangs-Anschluß-Befestigungslöcher 78 und die
Sensor-Befestigungslöcher 80 mit anderen Schaltungen und (nicht gezeigten)
Verbindungsvorrichtungen. Es sollte jedoch selbstverständlich
sein, daß die spezielle Anordnung der Leiterbahnen 104 auf
der Leiterplatte 72 nicht auf die in FIGUR 5 dargestellte
Anordnung begrenzt ist. Abhängig von der Komplexität der
Leiterplatte 72 und der Schaltung darauf können Leiterbahnen
vielmehr auf jeder der elektrisch und thermisch leitfähigen
Schichten 76a - 76f ausgebildet sein.
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Wie vorstehend kurz erläutert, hat der thermische Leiter 74
mehrere Schichten. Gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der mehrlagige thermische Leiter
74 sechs thermisch leitfähige Schichten 76a - 76f, die
vorzugsweise unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens zur
Herstellung gedruckter Schaltungen auf Substratschichten 86a
- 86f ausgebildet sind. Die thermisch leitfähigen Schichten
76a - 76f sind mit den Substratschichten 86a - 86d und
Klebemittelschichten 88a - 88c wie folgt verschachtelt: leitfähige
Schichten 76a, 76b und 76d liegen jeweils an der oberen
Oberfläche von Substratschichten 86a, 86b und 86c an, und
leitfähige Schichten 76c, 76e und 76f liegen jeweils an unteren
Oberflächen bzw. Unterseiten von Substratschichten 86b, 86c
und 86d an.
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Wie vorstehend angemerkt, können die thermisch leitfähigen
Schichten 76a - 76f mittels eines herkömmlichen Aufwachs-
oder Ätzverfahrens auf entsprechenden Substratschichten
ausgebildet werden. Ferner können die thermisch leitfähigen
Schichten 76a - 76f und die Pads 92a - 92c und 94a - 94c
mittels des gleichen Verfahrens aus der gleichen leitfähigen
Schicht ausgebildet werden. Das heißt beispielsweise, eine
auf der Oberfläche von einem der Substrate ausgebildete
leitfähige Schicht kann geätzt werden, um sowohl Pads für die
Befestigungslöcher 78 und 80 und die Leiterbahnen 104 als auch
für eine der thermisch leitfähigen Schichten 76a - 76f
auszubilden.
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Wie sowohl aus der vorhergehenden Beschreibung als auch mit
Bezug auf FIGUR 5 verständlich wird, sind thermisch
leitfähige Schichten 76a und 76f an äußeren Oberflächen der
bedruckten Leiterplatte 72 angeordnet, während leitfähige
Schichten 76b - 76e in der bedruckten Leiterplatte 72
eingebettet sind. Die äußeren thermisch leitfähigen Schichten 76a
und 76f sind in einem mit d2 bezeichneten Abstand von
Befestigungslöchern 78 und 80 beabstandet. Genauer, die Schichten
76a und 76f sind in einem Abstand d2 von Pads 92a, 92c, 94a
und 94c beabstandet angeordnet. Wie vorhergehend angemerkt,
schafft der Abstand eine elektrische Isolation zwischen den
leitfähigen Schichten 76a und 76f und den Befestigungslöchern
78 und 80. Bei dem vorliegenden bevorzugten
Ausführungsbeispiel sind Luft und die Oberfläche von Substratschichten 86a
und 86d die Isolatoren zwischen den thermisch leitfähigen
Schichten 76a und 76f und den Befestigungslöchern 78 und 80.
Demzufolge kann der gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildete Abstand d2
zwischen
den thermisch leitfähigen Schichten 76a und 76f und den
Löchern 78 und 80 des isothermischen Blocks 70 im
wesentlichen gleich dem Abstand d1 zwischen dem isothermischen
Block 34 und den Befestigungslöchern 40 und 42 des dem Stand
der Technik gemäßen, vorhergehend erläuterten und in FIGUR 2
und 3 dargestellten isothermischen Blocks 30 sein. Die
eingebetteten thermisch leitfähigen Schichten 76b, 76d und 76e auf
der anderen Seite sind in einem als d3 bezeichneten Abstand
von den Befestigungslöchern 78 und 80, oder genauer, von den
Bohrungen 100 und 102 beabstandet. Ähnlich ist die thermisch
leitfähige Schicht 76c in einem Abstand d3 von Pads 92b und
94b und von Leiterbahnen 104 beabstandet. Da diese Schichten
in die Leiterplatte 72 eingebettet sind, wirken sowohl die
Substratmaterialien der Schichten 86b und 86c als auch das
Klebemittel der Schichten 88a - 88c als die Isolatoren
zwischen den leitfähigen Schichten 76b - 76e und den
Befestigungslöchern 78 und 80. Typischerweise bilden herkömmliche
Substrate und (falls verwendet) Klebemittel bessere
Isolatoren aus als Luft und sind zudem keiner
Oberflächenverschmutzung und Verunreinigung bzw. Kontamination ausgesetzt,
da sie in die Leiterplatte 70 eingebettet sind. Demzufolge
kann der Abstand d3 zwischen den Befestigungslöchern 78 und
80 und den eingebetteten thermisch leitfähigen Schichten 76b
- 76e merklich kleiner als der Abstand d2 sein, der für die
äußeren thermisch leitfähigen Schichten 76a und 76f notwendig
ist, während weiterhin eine angemessene elektrische
Isolierung für eine gegebene Anschluß oder Sensorspannung
vorhanden ist.
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Wie vorstehend erläutert, ist der Grad der thermischen
Kopplung zwischen den Befestigungslöchern 78 und 80 teilweise
durch die Nähe des thermischen Leiters 74 zu den Löchern
bestimmt. Demzufolge schafft die Nähe der eingebetteten
Schichten 76b - 76e zu den Befestigungslöchern 78 und 80 eine
bessere thermische Kopplung dazwischen als es mit den außen
befestigten thermischen Leitern möglich war, die bei
isothermischen Blöcken gemäß dem Stand der Technik verwendet sind.
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Die thermisch leitfähigen Schichten 76a - 76f sind merklich
dünner als die Substratschichten 86a - 86d. Zudem kann die
Gesamtdicke des mehrlagigen thermischen Leiters 74 deutlich
kleiner sein als die Dicke der außen befestigten thermischen
Leiter, die bei dem Stand der Technik verwendet sind, was
wegen der durch den mehrlagigen thermischen Leiter 74
geschaffenen, verbesserten thermischen Kopplung ermöglicht ist.
Beispielsweise ist ein sechslagiger isothermischer Leiter 74
innerhalb der Leiterplatte 72 in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung etwa 0.017" dick bei
einer ungefähren Gesamtdicke der Leiterplatte von 0.080",
wohingegen der thermische Leiter 34 eines ähnlich bemessenen
bzw. ausgelegten (z. B. 250 Volt) isothermischen Blocks 30
des Standes der Technik so dick wie 0.250" sein kann. Als
ein Ergebnis ist der isothermische Block 70 der vorliegenden
Erfindung deutlich dünner, und demzufolge leichter als ein
vergleichbar bemessener isothermischer Block gemäß dem Stand
der Technik.
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Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
als Beispiel dargestellt und beschrieben wurde, ist es klar,
daß verschiedene Änderungen daran vorgenommen werden können,
ohne den durch die Patentansprüche definierten Schutzbereich
der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann der
thermische Leiter aus einer einzelnen in die Leiterplatte
eingebetteten Schicht bestehen, solange eine ausreichende thermische
Kopplung ausgebildet wird. Ferner können (kann) die thermisch
leitfähige(n) Schicht(en) dünne Blätter sein, die mit der
mehrlagigen Leiterplatte verschachtelt sind, im Gegensatz zum
Ausbilden auf den Leiterplattenschichten durch ein
Leiterplatten-Herstellungsverfahren wie beispielsweise Ätzen. Daher
kann die Erfindung anders ausgeführt werden als hierin
kennzeichnend beschrieben.