专利名称：诸如烙铁的加热工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用热量处理作业材料并同时观察其状态的所谓加热工具，例如烙铁、塑料热合器、电熨斗、烫发器和诸如此类的工具，特别是涉及一种在供电后的几秒钟内即可使用的加热工具。
此外，现有一些使用了辅助加热器的烙铁，辅助加热器在一个开关被按下后将与常规加热器一起工作，常规加热器通常用于作业材料具有大量热量时。然而，使用者在按下按钮4或5秒后可能会忘记了时间，因此为了防止因过度按压而引起过热，必须减弱加热能力。为此，即使在开始时就使用了辅助加热器，也会消耗10至20秒的加热时间。
用在这种加热工具中的加热器是这样制成的，即将一根镍铬合金丝卷绕成云母状薄板，或将合金丝夹持在薄板之间。因此，产生的热量会受到云母这一超强绝热体的阻碍而只能缓慢地传输到工具末端。此外，由于需要有大温差，因此加热丝要被加热到邻近其熔点处，从而导致其寿命缩短。
现有一些加热工具能够在大约几秒钟后进行操作，例如，通过供应大约500安培的电流而同时对集成电路或大规模集成电路(IC或LSI)上的具有固定形状的多个端子进行软焊的大型模块。然而，它的尺寸大，而且不能方便地用于作业材料的形状和热容量有所变化的情况。
现有一种采用了陶瓷加热器的加热工具被使用，加热器是通过将金属氧化物如氧化铝烧结在陶瓷上而制成的。然而，由于只能供应小量的电量，因此单位面积内的热量值不是很大。此外，氧化铝的导热率与不锈钢在量级上相同，因此，为使热量到达工具末端/储热器，需要很长时间。
高导热率的氮化铝具有高烧结温度，因此它在技术上难以用作需要被牢固烧结的加热丝中的导热材料。此外，在承受热膨胀和热收缩上的耐用性方面存在困难。
传统加热工具因此而不能快速加热，这样可能会导致例如在加热状态下忘了加热工具从而保持开关一直接通，中断工作时忘了关闭开关并几乎着火，或者从加热了的工具末端开始燃烧以及诸如此类，由此而引起的危险已经发生了很多次。在长时间连续工作时，加热工具不会带来不便，然而它不适合快速用于小量工作，或者用于间歇性工作。因此，需要有一种能够立即使用并且能够简单和低成本地控制的加热工具。
发明内容
根据本发明的加热工具包括一根加热丝，它由金属板如铁铬合金制成，并且被减薄到仅能维持其形状的极限；一个电绝缘体，其为氮化铝或类似材料制成的薄板，而且具有比加热丝高10倍以上的导热率；以及一个工具末端/储热器，其由铜或类似材料制成，具有比氮化铝或类似材料高两倍以上的导热率，并具有高热容量，而且工具是利用一个绝热支架的压紧或类似作用将这些元件充分紧密粘着而制成的。
根据本发明的控制方法包括通过每次操作电源开关而在一个固定短时间内向加热丝供应固定的大量电能，并在适于处理作业材料的温度范围内，或在适宜温度范围的一半或三分之一温度范围内，快速升高工具末端/储热器的温度，并且通过以可计量的次数按压开关而获得理想温度。
实施本发明的最佳方式
图1是本发明作为烙铁加热器的透视图，为了便于图示，绝热支架和类似物被取走。一工具末端/储热器1，其是由铜制成的4mm正方形杆，其末端变尖。在工具末端上，安置着一由氮化铝制成的厚度为0.6mm的薄板2，薄板2上覆盖着一厚度为0.1mm、宽度为2mm的加热丝3，加热丝由沿长度方向盘绕了25mm的窄条形铁铬合金带制成。在实际应用中，加热丝上覆盖着绝热体，例如玻璃布或类似物，绝热体是通过被不锈钢制成的覆层缠绕着而被紧密粘着和固定的，而且加热工具上设有一与之形成一体或单独安装的手柄，从而可以被简便地使用。
通过连接烙铁中的线路，如图2中的电路图所示，并且按下按钮开关4，首先会在定时器T设置的时间例如1秒内以28V的电压从变压器5的H端子通电，而供应的电流为14A，因为加热丝3的电阻为2Ω，在1秒后，以8V的电压从L端子通电，而供应的电流为4A。也就是说，可以利用H端子以大约400W加热，利用L端子以大约30W加热。在松开开关4后，电流被完全切断。通过重复3次这样的操作，即按下按钮4，然后在松开1秒后再次按下按钮，工具末端1可以在大约5秒后开始熔化操作。
图3是一个曲线图，其中以温度为纵轴，时间为横轴。以400W加热1秒后的平均增加温度大约为80℃，在温度升高后，温度变化幅度降低。温度起始于室温20℃，并在三次开关操作后变为260℃左右。这个温度是加热丝附近的储热器的温度。热量到达工具末端要经过1秒。当供电转换到L端子的30W时，温度会在大约3分钟内达到300℃左右，因此可以认为温度在数秒钟内是均匀的，这与电流切断后在30秒内温度降低大约100℃时的情况一样。
从这个曲线图以及从软焊料的状态可以估计出大致的温度。二者的组合可能会有一些变化，但软焊料是在以虚线所示的190℃左右开始熔化的，并且可以在350℃和以上的温度下使用，因此存在一个足够的适宜温度范围。这样，烙铁可以在软焊料开始熔化时使用，也可以在软焊料停止熔化后按下开关一次或两次，以便再次使用。当开关被按下3或4次以后软焊料变成球形并且操作变得困难时，加热工具就处于过热状态了。通过这些测定方法，本发明的加热工具可以在没有诸如传感器等等控制机构的情况下使用。
这种烙铁采用的是普通40至60W功率，但它的输入热量可以增大几乎10倍。这是因为，氮化铝的导热率比铁铬合金或镍铬合金高几乎5至10倍，因此加热丝产生的热量可以被快速吸收，以使超过常规电流2至3倍的电流流过。氮化铝可以向具有大约两倍导热率的铜制工具末端快速传递热量。作为另一种导热体，在工作温度或价格满足要求的情况下，可以采用碳化硅或金刚石和类似材料。
为了将产生的热量从由铁铬合金或类似材料制成的加热丝传递出来并被由氮化铝和铜制成的储热器快速吸收，加热丝的厚度应当在保持加热丝形状的前提下尽可能小。目前可以获得的厚度为0.1mm的薄板在通过回火而达到适宜的硬度后，对于使用而言是足够的。它应当被制作得薄、硬和坚固，因此在不可能实施冲压操作时，可以利用光蚀或线切割加工。
从上面的描述可以看出，加热丝的温度应保持在略高于工具末端和储热器的温度。因此，当加热工具的目标温度低于例如400℃时，可以采用铁铬合金或诸如此类的不怕回火的材料，从而使使用寿命延长并且极大简化绝热结构。所用材料并不局限于铁铬合金，而是可以利用镍铬合金、坎萨尔铬铝钴铁合金、铂或其他金属制作电热丝。此外，电热丝可以被制作得能够产生500℃以上的热量。
为了尽可能快地将产生的热量传递到工具末端，需要从尽可能多的外围侧壁处开始加热。对于图1所示的正方形杆，应当在4个侧壁处加热。然而，在金属加热丝未足够紧密地粘着在铝镍合金上的地方，例如工具末端的棱边或角部处，热量不能被吸收，以致于该部位会被空气绝热而且温度变得极高，因而加热丝可能会被烧毁。为了防止过热，此处的加热丝应当比加热部分的宽度加大2至5倍，以降低产生的热量，如图1中的加热丝3的角部6处所示。
另外，如图4所示，图1中所示的工具末端加热器可以被制作成更狭窄的锯齿形，即在两侧交替成形出多个狭缝，这些狭缝垂直于由铁铬合金或类似材料制成的带材的长度方向。例如，通过成形0.2mm宽的狭缝，并且使加热丝的宽度为0.4mm，而电阻为25Ω，因此可以直接连接100V的电源，而且由于电流下降到4A，因此可以省略变压器。锯齿部分应当在延伸了短距离后折回，如图中所示，因为这样更容易吸收因加热丝产生的热量而导致的膨胀和收缩，并且可以变得更强，以承受诸如弯曲等变形。
然而，如果狭窄部分的宽度急剧加大，例如加大5倍而达到2mm，则应力会集中在前面的狭窄部分上，从而使得该部分容易断裂。因此，应当使宽度的加大或缩减逐渐变化，如图4所示。
通过反馈的传感器测量值而控制快速加热中的加热器是困难的。然而，可以在缓慢和阶梯式加热中或在冷却中实施控制，因而加热器可以配备例如用于防止加热超过350℃的过热防止装置，或者用于在温度低于200℃时点亮一个信号的电路。另外，作为示例，可以将开始阶段的加热时间固定，并在达到适宜温度后降低供应的电流，以获得常规温度控制。在这种情况下，在使用中热量值一直较低，因此会丧失很多优点。此外，它通常是以能够导致能量损失的方式加热的，而且控制装置昂贵。
本发明的控制方法如下所述。图3所示的加热工具的温度变化可以认为是这样的温度攀升阶梯，即在3次操作中，每次操作使温度上升大约80℃。通过将这些阶梯缩小，则在每次升高50℃时需要采用5个阶梯，在每次升高30℃时需要采用8个阶梯。这样可以更平稳地供应热量，然而，为了获得理想温度，按压开关的次数也增多到8次。操作次数被维持在一位数，以使操作不会太困难，而是会变得相当麻烦。
加热阶梯可以被加大到每一个阶梯升温200℃。然而，在未获得足够热量的情况下将加热工具加热到200℃，软焊料会过热，从而使操作变得困难，而且会对所面对的电气元件和类似物产生坏的影响。因此，加热阶梯应当位于适于处理作业材料的温度范围内。优选的是，将理想温度除以2或3，以将温升设置在70至80℃，从而在过量按压了开关1或2次时，不会过热。只需要按压开关3或4次，即可获得可用温度，因此易于操作。
图2中的电路开关4同时还用作电源开关，因此在松开开关后，电流即被切断，从而以其自身固有的方式方便和安全地操作。然而，也可以制作出这样的电路，即单独形成一个电源开关7，而且可以按下操作开关4而利用唯一的加热丝8在定时器T设置的短时间内实施与常规加热分开的快速加热，如图5所示。另外，可以利用电源插头的脱开而替代电源开关的作用。这些内容是本发明的其他改型。主要因素是，在利用开关给予电路指令后，能够产生固定的高热量区段。
另外，加热工具可以被制作成这样，即快速加热过程中的时间和温度级别以及平稳加热过程中的加热强度可以基于作业材料的热容量、特性等而调节。在这种情况下，电源控制并不局限于变压器，而是可以采用电子控制，优选利用可控硅进行相态控制，或者利用零交叉开关进行开关控制。电子控制的尺寸较小，因此可以容易地安装在手柄内。也可以使用这些控制方法的组合。此外，不但商业供应的电力，而且电池和类似物也可以用作电源。
为了简化控制，可以省略定时器。操作者可以在短时间如1秒左右内相对精确地反复操作，这种时间可以通过人体感官例如心跳的间隔而估计出来。通过如上所述在短时间内按下电源开关，可以使设定的大量值电量流入加热丝中。剩下的电路常数可以根据上述短时间而设置，以使上述接通电源的操作能够以简单的次数反复进行。基于人体感官可能会产生一些误差，但通过观察软焊料的熔化状态，使用这种方法就足够了。
对于本发明的加热工具及其控制方法而言，重要的一点是，工具末端/储热器具有大的热容量。因此，将加热工具分为两部分会更方便，如图6所示。一部分可以是裸露的加热工具10，它由工具末端/储热器1和一个手柄9构成，并且不带加热部分。另一部分可以是容纳加热装置11，它由剩下的导热材料如氮化铝制薄板和加热丝构成。氮化铝或类似材料可以设在一个由铜或类似材料制成的保护覆层上，但应当相对于热量而言尺寸较小。通过构造出一个入口12或一个槽或类似物，并且可以通过将裸露加热工具10插入或放入容纳加热装置中而使入口与加热工具紧密接触，工具末端/储热器1可以被加热。
从上面的描述可以看出，工具末端/储热器1可以被制作得更大一些，因为裸露加热工具10上不带加热部分或绝热支架。因此，尽管在图1中所示的4mm正方形杆在实际使用中就足够大了，但它仍然能够被扩大，以使热容量增加数倍，而且因不带连线而更容易使用。另外，由于尺寸限制放宽，容纳加热装置11更容易制造。控制方法可以是传统方法，也可以是本发明的阶进式加热方法。在后一情况下，加热是通过插入加热工具10并且按下电源开关13数次而实现的。
确定工具末端/储热器是否足够大取决于是否可以利用储存的热量完成工作目标。在用于小尺寸物品的处理时，加热工具可以较小。然而，较大加热工具可以兼容较小者，因此将其制作得尽可能大是便利的。
上面描述的实施例均涉及烙铁。然而，通过改变工具末端的形状和温度，可以对塑料热合器、电熨斗、烫发器和诸如此类的工具作几乎相同的叙述。
对于塑料热合器，所需的温度为大约100℃至150℃，即大约为烙铁的一半，因此，热量阶梯即快速加热中的温度范围应当为30℃左右。形状与烙铁的T形形状相同，并在末端设有一个如图7中的俯视图所示的转盘14和诸如此类的部件，这取决于处理的对象。加热方法、控制方法等等均与烙铁相同。此外，通过将热合器如前述实施例，中那样分割为两部分，即一部分形成图7所示的裸露加热工具15，另一部分形成用于加热厚铜盘14的容纳加热装置(未示出)，可以将热合器制作得不带连线，从而制造出非常容易使用的塑料热合器。工业应用性通过本发明，加热工具可以在几秒钟内准备就绪，甚至传感器都无法在这么短的时间内作出响应，因此加热工具可以在需要时立即使用，从而可以节约时间。另外，没有恒定的电能供应，因此不必担心加热器末端燃烧或着火。此外，不会有过热现象，因此不会过度消耗电能，而且加热器和工具末端的使用寿命可以增加。
由于不被恒定加热，因此相对于热容量而言，尺寸可以制作得较小。对于烙铁，可以被制作得更短。因此，软焊料的引入装置和供应装置可以容易地添加在烙铁上，而且粘结剂供应装置例如胶水枪可以容易地添加在塑料热合器上，以使之更方便实用。
加热工具是利用简单的电路控制的，而不带精确的传感器或昂贵的控制装置，因此相对于性能而言，其制造成本较低。特别是，当加热丝被设置为窄长锯齿形时，不需要变压器而可以利用100V左右的电压，因此装置被进一步简化。
当加热工具被分割为一个裸露加热工具和一个容纳加热装置时，每个部分均更容易制造。另外，可以加大热容量，可以转换成无绳结构，容易改变加热工具的形状，并且容易操作。
日常使用的电熨斗、烙铁和诸如此类的工具均可采用本发明的加热装置的加热器和控制方法。通过使之在需要时立即可用，并且使之不存在预热和过热问题，可以在全国范围内节约非常大的电能总量。
权利要求
1.一种诸如烙铁的加热工具，包括至少一工具末端/储热器、一用于加热所述工具末端/储热器的加热丝、一用于组装这些元件的绝热支架和一手柄，所述加热丝具有由金属板如铁镍合金薄板制成的希望的形状，一由导热体如氮化铝制成的薄板用作电绝缘体，其导热率显著高于所述加热丝，所述工具末端/储热器由金属如铜制成，其导热率显著高于所述氮化铝或类似材料，且热容量被充分提高，这些元件通过所述绝热支架的压紧或类似作用而被紧密地充分粘着在一起，其特征在于，所述加热丝产生的热量被快速吸收，从而将供应到所述加热丝中的电量同普通电量相比提高很多倍，以确保快速加热和大热容量。
2.如权利要求1所述的诸如烙铁的加热工具，其特征在于，所述加热工具被分成两部分，以形成一裸露加热工具和一容纳加热装置，所述裸露加热工具包括一配有手柄的工具末端/储热器，并且没有自己的加热装置，而所述容纳加热装置包括一由氮化铝或类似材料制成的绝热体薄板和一加热丝，加热丝是单独的或者配有一铜制薄板覆层或类似物，以保护氮化铝或类似物，而且加热装置可以通过插入或作类似动作而紧密附着在所述工具末端/储热器上，从而具有加热所述工具末端/储热器的能力。
3.如权利要求1或2所述的加热工具，其特征在于，加热丝包括锯齿形状，锯齿是通过在一由铁铬合金或类似材料制成的薄板的两侧交替成形出多个狭缝而形成的，并且具有缩小的宽度，锯齿优选在延伸了较短距离后折回，而且加热丝在工具末端/储热器的棱边或角部等位置处具有显著加大的宽度，在这些位置处，所述加热丝不能紧密粘着在由氮化铝或类似材料制成的绝热体薄板上。
4.一种如权利要求1或2所述的加热工具的控制方法，包括通过每次操作电源开关，在一个固定的短时间如1秒至几秒内向加热丝供应固定的大量电能，并在适于处理作业材料的温度范围内，优选在适宜温度范围的一半或三分之一温度范围内，快速和显著升高工具末端/储热器的温度，此后，或者是在所述开关不被操作时，转换到低电量或无电量，以使温度逐渐到达平衡温度，其特征在于，要求的温度和热量是通过以简单的次数操作所述开关而获得的。
5.一种如权利要求1或2所述的加热工具的控制方法，包括通过持续接通一个不带定时器的电源开关，在一个可通过人体感官而估计出的短时间如1秒或1秒左右内向加热丝供应固定的大量电能，并在适于处理作业材料的温度范围内，优选在适宜温度范围的一半或三分之一温度范围内，快速和显著升高工具末端/储热器的温度，此后，或者是在所述开关不被操作时，转换到低电量或无电量，以使温度逐渐到达平衡温度，其特征在于，要求的温度和热量是通过以简单的次数操作所述开关而获得的。
全文摘要
本发明涉及一种利用热量处理作业材料并同时观察其状态的加热工具,例如烙铁、塑料热合器、电熨斗、烫发器等,特别是涉及一种在供电后几秒钟内即可使用的加热工具。一种加热工具包括:一根加热丝,其由金属板如铁铬合金制成,并且被减薄到仅能维持其形状的极限;一个电绝缘体,其为氮化铝或类似材料制成的薄板,而且具有比加热丝高10倍以上的导热率;以及一个工具末端/储热器,其由铜或类似材料制成,具有比氮化铝或类似材料高两倍以上的导热率,并具有高热容量,而且工具是利用一个绝热支架的压紧或类似作用将这些元件充分紧密粘着而制成的。加热工具可被分成两部分,以形成一个裸露加热工具和一个容纳加热装置。控制方法包括:通过每次操作电源开关而在一个固定的短时间内向加热丝供应固定的大量电能,并快速升高工具末端/储热器的温度,并且通过以可计量的次数按压开关而获得要求的温度。所述加热工具可以具有比传统加热工具大10倍的热量值,因而可以快速加热具有大热容量的工具末端/储热器。此外,由于通过开关操作而阶进式提高工具末端的温度,因此可以对加热工具进行控制,而不必使用测量装置或控制机构。此外,在达到要求的温度时,储存的热量很大,因此不必加热即可使用。这样,可以使用不带连线的裸露加热工具。
文档编号B23K3/03GK1347358SQ00806400
公开日2002年5月1日 申请日期2000年1月7日 优先权日1999年4月20日
发明者坂本笃信, 坂本和子 申请人:坂本笃信, 坂本和子