CN2055761U - 速热高效正温度系数恒温电烙铁 - Google Patents

Abstract

速热高效PTC恒温电烙铁是电器工具。它用高质PTC材料制成的具有双重抗老化欧姆接触电极的体积小、重量轻的侧向电场模式的PTC发热器；采用高质有机-无机材料制成的部件及填料；具有高绝缘良好传热结构、配备能简易更换的系列化专用焊嘴。其克服了现有PTC电烙铁易击穿、安全可靠性差、焊嘴单一、用途不广等缺点，成为具有相当35W～45W的强熔锡能力和强负载能力的速热高效恒温电烙铁、兼具特殊及通用多功能焊接工具。

Description

本实用新型——速热高效PTC（正温度系数）恒温电烙铁是属电器工具装置技术。

PTC恒温电烙铁是一种自身具有调节能力的控温型焊接工具，其与传统烙铁（镍——铬丝加热器或陶瓷加热器）不同，其发热器采用具有显著PTC特性的热敏电阻陶瓷固体发热器，故具有一系列明显的优点。八十年代初，高温PTC材料的研究在日本取得了较大的进展，居里点Tc为280℃～300℃的PTC材料逐渐进入批量生产阶段并商品化。日本TDK株式会社首先把高温PTC材料应用在电烙铁，如日本太洋公司推出的“goot”牌PTC系列温度控制型电烙铁，其PTC发热器采用TDK株式会社生产的居里点Tc为280℃～300℃的PTC材料，尺寸为40mm×8mm×2.5mm，PTC发热器电极为Ni－Ag双重欧姆接触电极、耐电压强度（元件空载，并在静止空气中测定）＞150V·Ac／mm，并采用正向电场模式，同时发热器采用单向或双向传热型大面积PTC元件，单向传热型利用两只加热器芯强制加热一只焊咀主体；焊咀采用一次性不可换焊咀及螺纹接合可换型，焊咀与加热器组为一体，非可换式焊咀形状、尺寸单一，这就使得其功能和用途较窄，焊咀易耗废、寿命短。虽然其采用PTC发热器，发热效果较好，能达到速热效果，通电后，初始熔含锡60％的焊料的加热时间为30～45秒，焊咀温度（在电压为200～240V·AC时），可达260～280℃。由于未能采用高质PTC材料及良好的传导热设计，系统结构属最普通形式，故使其仍有许多缺点和不足，最主要的缺点是容易热击穿、安全可靠性差。由于其采用大面积及多只PTC元件作为强力热源来达到速热高温效果，这不仅增加产品的造价，且当传热不合适时，产品易于出现击穿失效；加热器芯自成一体与焊咀组合，虽具有一定的合理性，但因配合的绝缘材料难于达到最佳传导热性能，这是导致击穿失效的又一原因；由于采用的PTC材料温度过载能力较低，ΔT＝Tmax－Tmin 80℃，使PTC元件内部局部易于进入第ⅡNTC（负温度系数）区而造成局部连锁式击穿；而且由于采用的PTC材料的居里点温度Tc不够高，使得不再容易提高焊咀温度，使焊咀温度仍偏低，仍难以适应强热负载使用；由于仅采用Ni－Ag双重欧姆接触电极，使抗老化能力不足，易于老化。

本实用新型目的就是为了克服现有PTC电烙铁上述的缺点及不足，发明一种多功能的特别速热高效的PTC恒温电烙铁。

本发明的第一要点是采用本发明人已研制成功的高居里点Tc≥300℃、高耐压强度＞150V·Ac／mm、高ΔT＝（TRmax－TRmin）≥180℃、Log (Rmax)/(Rmin) ≥2.5的高质PTC材料制成的体积小（28×4×2mm）、重量轻（1.5g）的侧向电场模式的PTC发热器。并采用单片双向导热形式作为具有强力自身调节热源。材料特性曲线图如图1所示。图中及上式中的Rmax、Rmin分别为PTC元件的最大、最小体积电阻；TRmax、TRmin分别为对应于Rmax、Rmin的PTC元件的温度。通电后，PTC元件发热，经历第INTC区后，必定工作在PTC区，PTC元件温度（无热负载时）必定在居里点Tc温度附近，一般是偏高于Tc建立热平衡，工作点由热传导和系统的热负载决定，同一PTC元件在不同的系统中体现的特性也不完全相同；同时本发明采用含有铝、镁的耐高温（T＞1500℃）、耐高压（＞40KV／mm）、高体积电阻率（ρ_V＞10¹⁴Ω·cm）的无机材料与如聚酰亚胺及有机硅型等的各种高导热系数（≥0.6千卡／米·时·度）、高体积电阻率（ρ_V＞10¹⁴Ω·cm）、耐高温（T＞450℃）、耐高压（＞100KV／mm）的有机材料复合制成的膜、片、套管；

本发明的第二要点是革除了现有技术中均采用正向电场模式PTC元件的形式，创造性地采用了侧向电场模式的侧向逐层复盖Ni－Al－Ag的双重抗老化欧姆接触复合电极的PTC元件。图2为正向电场模式与侧向电场模式的PTC元件对照图，其中（A）为侧向电场模式；（B）为正向电场模式。采用侧向电场模式PTC元件，使侧向电场模式转变的热能主要沿h方向传导，形成如图3所示的在h方向的温度场，侧向模垂直于h向的两个表面温度T1

T2，按沿h向的箭头方向梯度分布，在 (n)/2 处为最高值Tmax。设PTC材料的组成是均匀无气孔的，则W向温度分布近似相等，电导率也近似相等，故施加于W向的电场分布是均匀的，因此，模式内部不致因局部高电场而形成高击穿电场区、并因此迅速在模式中循环扩展形成击穿通道，同时大大地降低了施加于元件的电场强度，达到50V·AC／mm，使其远低于元件击穿电场强度，达到克服PTC电击穿失效的效果。此外，侧向电场模式PTC元件的采用使烙铁部件的装配方便、易于紧固，电极线不易拉出。

本发明的第三要点是具有特别良好的传导热设计。在现有技术中，由于传热设计不佳，PTC元件中的热能无法充分尽快导出，在局部因热平衡的重建使PTC元件局部跨越Rmax点进入第ⅡNTC区（参见图1），发生急速恶性循环，电导率在局部急剧增大，发热量大于热扩散传导，PTC元件局部急剧温升、熔化，恶性循环在其周围加剧，内部电场急剧重新分布并形成击穿通道，造成元件热击穿失效。本发明除采用特别良好的高绝缘导热材料外，还采用在烙铁焊咀主体前端设置有能使装配简化及能阻止向烙铁金属外套管传热的沟槽、在主体末端中部设制有固定各种配件的固定沟、整体中设计有装置PTC的槽、金属外套管设置有阻止热传导的沟槽等的能使各部件紧凑配合的高绝缘、良好传导热的结构设计（参见图5）。同时采用高导热系数＞0.6千卡／米·时·度、高耐压强度＞6KV／mm的Si－Mg型的高绝缘的良好导热填料填充部件间空隙，达到PTC元件与焊咀主体的槽面间及各部件间良好的热耦合，以克服因传导热不良而导致的PTC元件的局部热击穿失效及保证焊咀温度提高，适应强热负载和多功能应用；本发明的第四要点是为克服因油和其它易燃有机物渗入PTC加热器而导致击穿失效，及击穿烧断的电极脱离加热器与外壳相碰而带电造成的不安全性，发明人根据电击穿点是在击穿前瞬时通过极大电流的过程，设计了在电极线的某个位置截面积减小，当击穿时的同等电流通过时，则首先在该位置击断，发明人预先在该位置上套上耐高温的高绝缘保护套管，使击穿点不与外壳相碰而起到了安全保护作用，使本发明具有更高的安全可靠性；本发明的第五要点是焊咀的多种类、系列化的设计，配备适于各类型IC的插焊、压焊及除焊拔取等多种类型、系列化专用焊咀及用锁匙的简易更换结构以适应各种不同用途。且焊咀主体部分与PTC加热器组成一体，使焊咀比传统烙铁更易于更换（10秒内能完成插除更换），造价低廉（0.2元／只），同时本实用新型的焊咀具有特别耐磨、耐腐蚀的镀层，使焊咀寿命增长。

由于本发明具有上述的发明设计特征，完全克服了现有电烙铁技术的缺点和不足，并具有下列各种的显著优点和效果：不发生电、热击穿失效；速热（＜30秒）、特别高效的熔锡能力及强负载能力（参见表1、表2）；使本发明特别适用于对电压、静电及热冲击敏感的印刷电路板、各类IC、微型元件、组件的焊接。本发明美观耐用、安全可靠、寿命长。本发明的研制成功，特别进入批量生产后，必将产生高的技术效果和很高的经济、社会效益。

对附图进一步说明如下：图1为本实用新型速热高效PTC恒温电烙铁采用的高质PTC材料的特性曲线图，图中R25为室（常）温25℃所对应的PTC材料体积电阻；T（℃）为PTC元件温度；R为PTC体积电阻；图2为正向电场模式与侧向电场模式的PTC元件对照图。图中h为PTC元件高（厚）度；W为宽度；L为长度；E为电场方向；1、2均为电极。图3为侧向电场模式PTC元件的电场、温度分布图。T1、T2分别为侧向电场模两个互相平行的正向表面温度。图4为本实用新型速热特效PTC恒温电烙铁的结构示意图。图中：3为焊咀主体；4为高绝缘无机材料膜、片（如云母片、陶瓷片等）；5为高绝缘有机材料膜、片（如有机硅型等）；6、9为高绝缘陶瓷棒；7为侧向电场模式PTC元件；8为电极金属片及电引线连接体；10为高绝缘有机或无机材料安全保护套管；11为金属外套管；12为焊咀；图5为焊咀主体结构图。图中13为装置PTC元件的沟槽；14为简化装配及阻热沟槽；15为固定各部件的固定沟；16为标准焊咀更换匙孔。

发明人按图4所示结构图，实施了本发明。其制配组装过程如下：①在焊咀主体3（部件3）前端部设置有使装配简化并能阻止向烙铁金属外套管11（部件11）传热的沟槽14，末端部设置有固定各种部件的固定沟15，整体设置有装置PTC元件的槽，在槽上抹涂硅型粘胶，并把尺寸大于槽面的高绝缘无机膜片4（附件4）贴上；②在部件3的槽内底端嵌入高绝缘陶瓷棒6（部件6），在部件3的槽面及部件4的表面涂抹上硅型粘胶并把尺寸大于部件4的高绝缘有机材料（如有机硅型）膜、片5（部件5）贴上；③把侧向电场模式PTC元件7（部件7）推装入槽13内，并使部件7的二正面与部件5紧接，并保持部件7与部件3轴对称接近重合；④将电极金属片及电引线连接体8（部件8）插入部件3的槽内13，使部件8的电极金属片与部件7的侧面电极完全接触；⑤在部件8的电极金属片中部将高绝缘陶瓷棒9（部件9）推入槽内，二侧压紧后，用金属丝缠绕于部件3中部的固定沟15加以绑紧；⑥沿部件8的电引线端套入有机（无机）材料安全保护套10（部件10）。在部件3～9配合间形成的空隙充分填充入高绝缘性、高导热性的Si－Mg型填料；⑦在部件3槽内推压入4个部件9，装配完上面的部件后，把整体推入金属套管11，并完全压入锁紧，最后在标准焊咀系列中选择需要的任一种焊咀12装配进已抹涂了硅型粘胶的接合端，用锁匙在匙孔16上固紧，配以电源线及各种能承受100℃以上的高强度塑料手柄，便组装了美观、耐用的速热高效恒温PTC电烙铁。

表1本实用新型电烙铁熔锡能力表

焊咀端面温度（℃）	稳态功率PS（W）	熔锡（60%  Sn，φ2）能力		功率补偿(ΔP/PS)（％）其中：ΔP＝有载功率一无载功率
					长度（mm)/分	重量（克）／分
		300	12				500	12	约60

表2本实用新型电烙铁负载能力表

焊咀端面温度（℃）	稳态功率（W）	热负载黄铜板		焊点锡量（克）	焊点达到透熔时间（秒）	功率补偿（％）
							有效面积（cm2)	厚度（mm)
		300	12						5	0.2	0.25	1	<10
5	0.5			0.1	1
						5	0.5	0.25	～2
10	0.5			0.25	～3
						10	0.5	0.5	～3

Claims (2)

1、一种由焊咀、PTC发热器、手柄组成的速热高效PTC恒温电烙铁，其特征在于：(a)采用高△T值(△T=T_Rmax-T_Rmin≥180℃)、高耐压强度(＞150V·AC/mm)、高居里点(T_c≥300℃)的高质PTC材料制成的侧向电场模式PTC发热器；(b)采用含铝、镁的耐高温(T＞1500℃)、耐高压(＞40KV/mm)、高体积电阻率(L_V＞10¹⁴Ω·cm)的无机材料与如聚酰亚胺及有机硅型等的高导热系数(≥0.6千卡/米·时·度)、高体积电阻率、耐高温(T＞450℃)、耐高压(＞100KV/mm)的有机材料的复合材料制成的膜、片、套管及采用高导热系数、高耐压强度(＞6KV/mm)的Si-Mg型高绝缘的良好导热填料、填充部件间空隙；(c)采用在焊咀主体前端设置有使装配简化及阻止向烙铁金属外套管传热的沟槽14、在末端部设置有固定各种部件的固定沟15、整体中设置有装置PTC发热器的槽沟13等能使各部件紧密配合的高绝缘良好的传热结构；(d)配备了适用于包括各类IC的插焊、压焊、除焊等多种类系列化专用焊咀及其用锁匙的简易更换焊咀结构；(e)设计选定在PTC加热器电极线的某个位置的截面积减小并套上耐高温的高绝缘保护套管，以使击穿电流通过电极线该位时首先烧断而不碰金属管外套管13。

2、据权利要求1所述的PTC恒温电烙铁，其特征在于所述的PTC发热器采用逐层复盖Ni－A1－Ag的双重抗老化欧姆接触复合电极。

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