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ELEKTP IS CHE IBIZANORDNUNG Die Erfindung betrifft von elektrischem
Strom gespeiste Heizanordnungen.
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Die Erfindung bezweckt vor allem, elektrische Heizanordnungen einfach
und ökonomisch zu gestalten, und insbesondere reduzierte Dimensione vorzusehen,
unter gleichzeitiger Regelung von Temperatur und Heizleistung.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Heizanordnung, in der mindestens
ein aus einem Halbleiterelement mit mindestens drei Elektroden bestehenden Wärmegenerator
mit wärmeleitenden Mitteln im Wärmekontakt mit dem Halbleiter verbunden ist, wobei
Temperaturregelungsmittel vorgesehen sind, die auf die Charakteristik des Halbleiters
einwirken und damit die am Orte der wärmeleitenden Mittel herrschende Temperatur
regeln.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
das Halbleiterelement ein Hochleistungstransistor, der in einem mit einer Schraube
versehenen Sockel montiert ist, der die Rolle des Wärmeleitere spielt; die Temperaturregelungsmittel
bestehen aus einem Element, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung erlaubt eine direkte Benützung
von Hochleistungshalbleiterplättchen, die mittels mechanischer, physischer oder
anderer Mittel an wärmestrahlende und/oder -leitende Elemente verschiedenster Formen
und Volumen befestigt, angelötet, angeschweisst oder sonstwie untrennbar verbunden
sind. Auf diese Weise werden zahlreiche Ausführungen von Wärmestrahlern geschaffen,
die von elektrischem Strom gespeist werden.
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In der praktischen Ausführung der Heizoberflächen und Heizkörper gemäss
der Erfindung, gibt es dank der geripn Abmessungen
der Hochleistungshalbleitereleme,lte
zahlreiche neue Möglichkeiten wie z.B. die folgenden: Eine erhöhte Leichtigkeit
der praktischen Ausführung, Oekonomie, Realisierbarkeit, Verringerung der Abmessungen,
mechanische und thermische Widerstandsfähigkeit, Unempfindlichkeit gegen Stoss und
Schwingungen, niedrige Arbeitsspannungen. Diese Eigenschaften gestatten die Konstruktion
von neuen Heizanordnungen nachgiebiger oder starrer Natur, mit den verschiedensten
Oberflächen und Volumen, z.B. in der Form von Heizplatten, Heizbändern, Heizscheiben,
Heizröhren, Heizwindungen, Heizstangen.
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Auf diese Weise werden neue Heizelemente geschaffen, die mittels anderer
Verfahren nur schwer zu realisieren sind, wie z.B Heizflügel für Ventilatoren, die
die gewünschten Kalorien an einen gewünschten Ort, direkt am Niveau des Luftstromes,
oder jeden anderen Gasstromes liefern können.
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Andere Heizstrahler gemäss der Erfindung können beweglich oder deformierbar
ausgebildet sein, gleichzeitig mit, oder unabhängig von der Kalorieerzeugung.
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Weitere neue Anwendungen der erfindungsgemässen Heizelemente ergeben
sich aus der Schmiegsamkeit,-#it der die Regulierung und Steuerung der Elemente
gehandhabt werden kann, wie es schon aus früheren Ausführungen zu ersehen war.
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Gemäss der Erfindung kann jede Oberfläche oder Volumen von beliebiger
Form als Heizgenerator ausgebildet werden, indem man über die Oberfläche, oder.
in dem Volumen, mehrere Hochleistungshalbleiterpastillen sorgfältig verteilt, vorausgesetzt,
dass im Interesse eines guten Funktionierens, die die Wärmeableitung betreffenden
physikalischen Gesetze für die benützten Halbleiter respektiert werden, wie z.B.
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für Silizium, Germanium, oder jeden anderen bei Hochtemperatur arbeitenden
Haibleitor.
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In den Ausführungsformen der Erfindung, sind die Heizelemente als
halbleitende Plättchen von geringer Stärke und geringer Oberfläche ausgebildet.
Die Abmessungen dieser Plättchen sind eine Funktion der gewünschten Heizleistung.
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So z.B. dient zur Erzielung einer Heizstrahlung von 60 Watt, ein aus
Silizium bestehendes Halbleiterplättchen mit drei Elektroden, von 4mm Länge, 4mm
Weite und 0.2mm Stärke.
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Hiezu ist zu bemerken, dass dieses Halbleiterplättchen mit einer Schutzvorrichtung
verbunden ist, und dass die ganze Anordnung so auszubilden ist, wie es bei der Besprechung
der anderen Ausführungsformen der Erfindung früher beschrieben worden ist, d.h.
die Anordnung ist mit Thermistanzen oder anderen Regulierungselementen versehen,
die die thermische Regulrerung sichern, und den Abbruch des Halbleiters verhindern.
In die gleiche Anordnung gehören passive elektronische Elemente, die den Arbeitsbereich
des benützten Halbleiters bestimmen, insbesondere Spannung und Leistung der verschiedenen
Elektroden.
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Ueberdies muss das Halbleiterplättchen zum richtigen Funktionieren
mit einer vorzugsweise metallischen Nutzungsvorrichtung verbunden sein, derart,
dass das Halbleiterplättchen oder die Pastille durch Wärmeableitung von überschüssigen,
durch Stromdurchgang im Halbleiter erzeugten Kalorien befreit werden kann. Der Halbleiter
hat vorzugsweise drei Elektroden, wovon eine zur Steuerung dient. Die Heizelemente
sind hier derart gespeist, dass das halbleitende Plättchen oder die Pastille die
Abbruchspannung des Halbleiters nicht übersteigen kann. Diese Abbruchspannung wird
um einige Volts reduziert, falls die Halbleiter zur Heizstrahlung verwendet werden.
Eine solche Reduktion gewährleistet korrektes Funktionieren und volle Sicherheit.
So z.B. für den Fall, dass das als Heizelenient benütze Halbleiterplättchen
im
Typ einem Halbleiterelement des Transistors ATES BU 120 gleicht, ergibt eine Prüfung
der Spannungs-Stromstärke-Strahlleistungs-Kurven für dieses Element, dass das Element
nur mit einer Spannung von 10 Volt maximum zwischen Emitter und Kollektor, und mit
einer Stromstärke von 6 Ampere für eine Heizleistung von 60 Watt betrieben werden
darf. Andererseits zeigen diese Kurven auch, dass dasselbe Halbleiterplättchen bei
einer Spannung von 60 Volt nicht einmal mit einer Stromstärke von 1 Ampere be trieben
werden kann ohne eInen raschen thermischen Abbruch des Halbleiters zu riskeren Der
Halbleiter zrd dann rasch zerstört, obwohl die &ogestrahlte Leistung gleich
bleibewurde Die 1 leitenden Plättchen oder Pastillen werden deshalb gemass der Erfindung
derart benützt, dass. vorzuge weise für jedes Plättchen individuelle Funktionen,
en, vorge sehen sind, bei relativ grösseren Stromns arkers und relativ geringere
Spannungen als auf dem Gebiete der klassischenS nonthermischen Funktionen angewendet
werden Die experimentellen Studien über diese neue, mittels Halbleiter realisierten
Heizelemente haben gezeigt, dass die Zerstörung der gewöhnlichen Halbleiterelemente,
wie sie z.B# im Innern von Hochleistungstransistoren angeordnet sind, gewöhnlich
von der Zerstörung der Stromeinfuhrdrähte auB dem Niveau der Halbleiter-Verbindungsstellen
herrührt, Diese Zerstörung ist nicht bedingt, wie gewöhnlich angenommen wird, durch
das Fusionsphenomen oder durch chariiteristische Veränderungen der Verbindungsstellen,
Phen-omene, die in höheren Temperaturbereichen auftreten. Dieser Effekt der Zerstörung
der Stromeinfuhrdrähte auf dem Niveau der Verbindungsstellen, lässt sich besonders
nachweisen, wenn die Einfuhrdrähte aus schmelzbarem Material wie Indium bestehen.
Es ist eine der Charakteristiken der Erfindung, in den hier besprochenen
Ausführungsformen,
dass sie dank der direkten Anwendung von Haibleiterpastillen es gestattet auf diesem
Niveau zu intervenieren und Verbindungrjvorzusehen, die aus bei Hochtemperatur korrekt
funktionierenden Metallen bestehen.
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In den eingangs besprochenen Ausführungsformen der Erfindung, ist
dies schwierig durchzuführen, insbesondere wenn die Heizelemente gemäss der Erfindung
mittels handelsüblicher Hochleistungstransistoren realisiert sind, deren Stromeinfuhrverbindungen
nicht modifiziert werden können. In den Ausführungsformen der Erfindung, die in
diesem beschriebenen Zusammenhang sind, ergeben sich neue Heizelemente, die bei
mehr als 30000 funktionieren.
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Gemäss dieser Form der Erfindung ist es möglich eine Anzahl von Plättchen
von reduzierten Abmessungen in Serie zu schalten, und damit zur Speisung der Heizanordnung
jede beliebige elektrische Spannung zu verwenden, vorausgesetzt, dass die Abbruchspannung
jeder der verwendeten Halblelterpastillen beachtet wird; es ist daher möglich, direkt
an das allgemeine Stromnetz anzuschliessen. Doch empfiehlt es sich jedenfalls, im
Interesse der Sicherheit des Benützers, z.B.
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in einer elektrischen Küche, die Heizelemente gemäss der Erfindung
hinter einem elektrischen Transformator anzusciliessen. Solch ein Transformator
bildet eine Isolierung gegenüber dem öffentlichen Stromnetz. In gewissen Fällen,
enthebt solch ein Transformator noch von der Notwendigkeit der Isolierung der Elektroden
der Halbleiterpastillen, die in direktem Kontakt mit dem wärmestrahlenden und/ oder
-leitenden Metall stehen. Eine solche Anordnung hat den definitiven Vorteil, dass
die Halbleiterplättchen direkt mit dem kaloriestrahlenden Element verbunden sind,
und dabei doch ein vollständiger Schutz gegen Elektrokution gesichert ist, falls
der Transformator, wie es hier empfohlen wird, die Netzspannung beträglich herabsetzt.
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Eine Heizanordnung gemäss dieser Form der Erfindung umfasst daher
mindestens eine halbleitende Pastille, deren Resistivät durch eine angemessene Dopierung
einer oder mehrerer Transistorjunktionen, oder Verbindungsstellen bedingt ist, und
die mit einem wärmeleitenden Element sowie mit Regulierungs- und Schutzvorrichtungen
verbunden ist.
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Eine derartige halbleitende Pastille wird auch aus der folgenden Beschreibung
(siehe Fig. 6 bis 21) ersichtlich,-wobei Beschreibung wie Zeichnungen nur als Beispiele
der Erfindung anzusehen sind.
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Andere Anordnungen oder Charakteristiken gemäss der Erfindung werden
in einer mehr detaillierten Beschreibung einer vorteilhaften Ausbildungsform beschrieben
und zwar anhand von Zeichnungen, von denen Fig. 1 in einem Prinzipdiagramm die verschiedenen
Teile einer erfindungsgemässen Heizanordnung darstellt.
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Fig. 2 zeigt schematisch die elektrische Montage einer erfindungsgemässen
Heizanordnung, worin das Halbleiterelement ein Hochleistungstransistor ist.
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Fig. 3 illustriert einen in einem mit Schraube versehenen Hochleistungstransistor
als praktisches Beispiel für die Realisierung der Erfindung. Fig. 4 und 5 zeigen
spezielle Ausführungsformen.
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Fig. 6 zeigt ein halbleitendes Plättchen als Grundelement.
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Fig. 7, 8 und Q zeigen perspektivisch drei Typen von Heizelementen
in einer Anordnung gemäss der Erfindung, die ein Plättchen gemäss Fig. 6 einschliesst.
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Fig. 10 zeigt im Schnitt den Heizkolben eines Löteisens mit einem
Heizelement gemäss der Erfindung.
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Fig. 11 bzw. 12 und 13 zeigen einen anderen Lötkolben dieses Typs
in Aussenansicht, im Schnitt, und in Section entlang der Linien VIII - VIII von
Fig. 12.
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Fig. 14,15,16 und 17 stellen Heizelemente dar, mit autonomer Selbstregulierung
ri anderen Einrichtungen gemäss der Erfindung.
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z representiert ein Heizelement gemäss der Erfindung, das auf einem
Ventilatflrenfljigei angeordnet ists Fig. 19 zeigt in Perspektive ein in einem luftdich-en
Block montiertes Heizelement gemäss der Erfindancg, Fig. 20 und 21 illustrieren
ittel zur Anordnung des Heizelements in einem luftdichten Block: gemass Fig 19.
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Das Prinzipdiagramm von Fig 1 iilus-#riert in Blockform die die erfindungsgemässe
Heizanordrung bildenden Teile, und zwar: Halbleiterelement 1 mit mindestens drei
Elektroden, vorzugsweise ein Transistor; zweckmässig kann jedoch auch ein Thyristor,
Triac oder jedes andere Halbleiterelement mit mindestens einer Elektrode,Verwendung
finden, wobei diese Elektrode geeignet sein muss, von einem Signal gespeist zu werden,
das auf die Charakteristik des Halbleiterelements bzw. auf seine Leitfähigkeit wie
seine aufgewandte Leistung einwirken kann.
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Wärmeleitende Mittel 2, die vorzugsweise aus einem Radiator im Wärmekontakt
mit Halbleiterelement 1 bestehen; ein solcher Radiator kann aus dem Sockel des Transistors
oder irgend eines anderen Halbleiterelements bestehen, oder aus einem Stück mit
diesem Element gefertigt sein.
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Temperaturregelungsmittel 3, die auf die Charakteristik des Halbleiterelements
1 einwirken und damit die an dem gewünschten Orte der Wärmeleitungsmittel 2 die
Temperatur regeln, z.B. für den Fall eines Radiators, an dessen freiem Ende.
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In der vorzugsweisen, im elektrischen Schema von Fig. 2 dargestellten
Ausführungsform der Erfindung, ist das Halbleiterelement ein Hochleistungstransistor
la, z.B. der Transistor mit der Referenznummer 40340 der amerikanischen Gesellschaft
RCA, mit einer Dissipationsleistung von ungefähr 70 Watt und einer Temperatur von
200°C. Transistor la ist von einer (nicht dargestellten) Stromquelle gespeist, die
zwischen den Polen+und-einen Gleichstrom zwischen Emitter 4 und Kollektor 5 liefert,
während das Potential der Basis 6, i.e. seine Charakteristik durch zwei Widerstände
7 und 8 bestimmt ist; Widerstand 7 ist zwischen Basis 6 und Kollektor 5 angeordnet,
Widerstand 8 zwischen Basis 6 und Emitter 4.
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Temperaturregelungsmittel 3a bestehen aus einer Thermistance z.B.
einem Element, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Thermistance 3a
ist in der Nähe des Wärmeleiters 2 angeornet, und ist zwischen Baais 6 und Emitter
4 von Transistor Ia verbunden. In di#s# Falle, mit einem n-p-n-typ Transistor, besitzt
Thermistancd 3a einen negativen Temperaturkoeffizienten z.B. mit steigender Temperatur,
verringert sich sein Widerstand, und damit das Potential der Basis 6, wodurch Transistor
la weniger leitend #wird, und damit weniger Leistung liefert. Umgekehrt, mit sich
verringernder
Temperatur, erhöht sich der Widerstand von Element
3a-, und damit das Potential der Basis 6, was den Transistor la besser leitend macht
und damit seine Leistung erhöht. Die hier beschriebene Arbeitsweise illustriert
die temperaturstabilisierende Rolle von Thermistance 3a.
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Diese Temperatur ist durch die Werte der Widerstände 3a, 7 und 8 bestimmt.
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Es ist daher möglich, in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Thermistance 3a zwischen Basis 6 und Kollektor 5 Transistor la anzuordnen. In diesem
Falle besitzt Thermistance 3a einen positiven Temperaturkoeffizienten.
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Widerstand 8 ist einstellbar, um damit die Heizleistung der Anordnung
zu regulieren. Wie es bereits aus dem Vorhergehenden ersichtlich war, in Bezug auf
Thermistance 3a, mit einer Veränderung des Wertes von Widerstand 8, ändert sich
das Potential der Basis 6 und damit die Charakteristik von Transistor la. Hier kann
bemerkt werden, dass Widerstand 7 auch einstellbar gemacht werden könnte, oder gegebenenfalls
könnten beide Widerstände 7 und 8 das gleiche Potentiometer bilden, dessen einstellbarer
Zwischenkontakt mit der Transistorbasis 6 verbunden sein kann.
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Weiterhin ist zu bemerken, dass wenn in der Ausführungsform der Fig.
2 das Potential der Basis 6 durch dieselbe Quelle bestimmt ist, die den Transistor
mit Gleichstrom versorgt, dann kann dieses Potential durch eine unabhängige Quelle
bestimmt werden.
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Eine solche Gleichstromquelle kann am besten im Zusammenhang mit #der
gegebenen Anwendung ausgewählt werden. So z.B. kann eine ABrumulatorenbatterie oder
eine Quelle verwendet erden, die einen von einer Diodenbrücke gleichgerichteten
Strom
liefert, oder noch einfacher von einer Diode in Serie mit dem Transistor herleitet,
etc.
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Fig. 3 stellt eine vorteilhafte Ausführungsform der Wärmeleitungsmittel
dar in Anwendung auf die Ausführungsform der Erfindung gemäss Fig. 2. In diesem
Falle ist Hochleistungstransistor lb in einem Sockel 9 montiert, der mit einer Schraube
2b versehen ist, die die Wärmeleitungsmittel bildet. In dieser Ausführungsform,
kann das Heizelement auf die Schraube 2b aufgeschraubt werden und Thermistance 3a
in Kontakt mit oder in der Nähe von dieser Schraube angeordnet werden. Um eine gute
Temperaturregelung herbeizuführen, kann man gegebenenfalls ein Moderator element
für den Wärmefluss zwischen den Wärmeleitungsmittel und der Thermistance anordnen.
Solch ein Element besteht z.B. aus einem keramischen Stück, oder anderem temperaturbeständigen
Material.
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Die Heizanordnung gemäss -der Erfindung kann vielseitig angewendet
werden, entweder allein oder in Verbindung mit anderen Heizmittel beispielshalber,
jedoch ohne den Umfang der Erfindung zu beschränken, können die folgenden Anwendungen
angeführt werden: Löteisen mit regulierbarer Leistung und stabilisierter Temperatur,
Flüssigkeitserhitzung, Wohnungsheizer, Küchenofen, Flaschenwärmer, Ofen, etc.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung findet die Erfindung für Löt-
oder Schweissvorrichtungen mit stabilisierter Temperatur, wobei das Heizelement
für den Lötkolben aus einer Heizanordnung besteht, die gemäss der Erfindung zumindest
einen ein Halbleiterelement mit mindestens drei Elektroden enthaltenden Wärmegenerator
umfasst, sowie Wärmeleitungsmittel im thermischen Kontakt mit dem Halbleiterelement,
nebst Temperaturregelungsmittel, die auf die Charakteristik des Halbleiterelements
derart einwirken, dass sie die an einer gewünschten Stelle der Wärmeleitungsmittel
herrschenden
Temperatur regeln.
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Die Erfindung bezweckt Löteisen dieser Art weitgehend an die versciedenen
Anwendungsbedingungen anpassungsfähig zu gestalten.
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Eine besondere Ausführungsform der Erfindung besteht aus einem Löteisen,
in welchem ein wärmeleitendes Metallstück an einen Ende mit den wärmeleitenden Mitteln
der Heizanordnung in thermischen Kontakt ist, während das andere Ende dieses Metallstückes
einen gegenüber dem ersten Ende v t~nd reduzierten Querschnitt besitzt, wobei diese
beiden Enden durch einen Körper verbunden sind, dessen Querschnitt vom ersten zum
zweiten Ende in regelmässiger Weise abnimmt.
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In einer abgeänderten Ausführungsform dieses Erfindungsbeispiels besteht
der Kolben des Löteisens aus den warmeleitenden Mitteln der Heizanordnung-selber.
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In einer weiteren Ausführungsfrm enthält das Löteisen ein Rohrstück,
das geeignet ist, die Temperaturregelungsmittel der Heizanordnung aufzunehmen, wobei
dieses Rohrstück mit mindestens einer Oeffnung versehen ist, die Kontakt zwischen
den Wärmeregelungsmitteln und der Atmosphäre besorgen.
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Weitere Anordnungen und Charakteristiken der Erfindung erhellen von
der detaillierten Beschreibung der in Fig. 4 und 5 illustrierten Ausführungsformen
der Erfindung: Darin zeigtFig. 4, teilweise im Querschnitt, ein QqerscXt ji mit
Kolben und Rohrstück gemäss der Erfindung, während Fig. 5 eine weitere Verbesserung
gemäss der Erfindung darstellt.
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Ein Löteisen gemäss Fig. 4 zeigt als Wärmegenerator einen Hochleistungstransistor
1, der auf einem in eine Schraube 3
auslaufenden Sockel 2 montiert
ist. Schraube 3 ist auf der den Elektroden abgewandten Seite des Transistors 1 angeordnet,
und der Lötkolben 4 selber besitzt eine Gewindeöffnung 5, mit der er auf die Schraube
3 aufgeschraubt werden kann.
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Gemäss der Erfindung, ist Thermistance 6 zwischen Basis 7 und Emitter
8 des Transistors 1 angeordnet.
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Thermistance 6 ist in thermischen Kontakt mit Transistorsockel 2 mittels
einer Metallkappe 9, vorzugsweise aus Kupfer.
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Metallkappe 9 umgibt Sockel 2, ausgenommen die die Schraube 3 enthaltende
Fläche. Metallkappe 9 ist mit drei Oeffnungen versehen, die die Elektroden des Transistors
1 passieren lassen. Ueberdies befindet sich in der dargestellten Ausführungsform
auf der den Elektroden zugewandten Seite und zwischen Thermistance 6 und Metallkappe
9 eine aus elektrischem Isolierstoff bestehende Folie oder Platte eingelegt. Diese
vorzugsweise aus Mica bestehende Folie 70 dient auf der einen Seite als elektrische
Isolation zwischen den Elektroden des Transistors 1, und auf der anderen Seite als
ein Moderator für den zwischen Sockel 2 und Thermistance 6 herrschenden Wärme fluss.
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Kupferkappe 9 und Thermistance 6 sind auf der dem Kolben 4 abgewandten
Seite von einem zylindrischen Rohrstück 11 umgeben aus steifen Material. Rohrstück
11 kann in den (nicht dargestellten) Halter des Löteisens verlängert werden und
besitzt deshalb eine wesentlich grössere Länge als die von Kappe 9 und Thermistance
6 gebildete Anordnung. Das steife Material des Rohrstücks 11 wird deshalb zweckmässig
ein relativ schlechter Wärmeleiter sein und z.B. aus inxydablem Stahlrohr bestehen.
Rohrstück 11 ist auch,unter anderem, mit peripheren Oeffnungen versehen. Diese zweckmässig
am Niveau von Thermistance 6 gelegenen Oeffnungen 12 dienen
dazu,
Thermistance 6 in Kontakt mit der Atmosphäre zu bringen und damit ist Thermistancewnicht
-dem vom Hochleistungstransistor herrührenden Wärme fluss ausgesetzt, wodurch die
Pegulierungsfunktion dieses Thermistors noch weiter verbessert wird und übermassige
Temperaturschwingungen auf Sockel 2 und Kolben 4 vermieden werden. Oeffnungen 12
stellen überdies ein gewünschtes Hindernis für die vom Transistor 1 zum Rohrstück
11 strömende Wärme.
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Man sieht auch, dass die Metallkappe 9 dadurch, dass sie die zu erhitzende
Masse erhöht, als Wärmeabfluss dient, abgesehen von ihrer Funktion als Leiter der
Wärme von dem Sockel 2 zu Thermistance 6.
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Eine andere wichtige Charakteristik der Erfindung liegt in der Form
des Kolbens 4. Kolben 4 ist an einem Endo 13 durch eine Fläche begrenzt, die im
wesentlichen der Fläche 14 des durch Schraube 3 verlängerten Sockels gleicht. Hiezu
ist zu bemerken, dass zum Zwecke einer guten Wärmeleitung zwischen Sockel 2 und
Kolben 4 das Ende 13 in Kontakt mit der Fläche 14 sein muss und dass daher die Gewindeöffnung
5 mindestens so tief sein muss wie die Länge der Schraube 3. Das andere Kolbenende
15, das zur eigentlichen Lötung dient, endet in eine Fläche Ia, die im wesentlichen
kleiner ist als die das Ende 13 begrenzende Fläche. Kolbenende 15 ist in an sich
bekannter Weise abgeflacht oder abgeschrägt, um damit die Verteilung-des Lötmaterials
am heissen Eisen z.B. beim Zinnlöten zu gestatten. Der Körper des Kolbens 4 besitzt
einen sich graduell vom Ende 13 zum Ende 15 verringernden Querschnitt.
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Diese Anordnung gestattet eine gute Wärmeleitung vom Sockel 2 bis
zur Nutz- oder Lötstelle des Kolbens 4. Kolben 4 bildet vorzugsweise einen soliden
Drehkörper, dessen Achse mit der der Schraube 3 zusammenfällt, und dessen Erzeugende
gekrümmt oder geradlinig ist.
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Fig. 4 stellt teilweise im Schnitt, eine erfindungsgemässe Abänderung
eines Löteisens dar, wobei ein vorzugsweise aus Kupfer bestehendes Metallstück dieselben
Formcharakteristiken wie der in Fig. 1 dargestellte Kolben 4 besitzt und zwischen
einem Sockel 2a und einem Kolben 19 angeordnet ist. Metallstück 18 enthält wie Kolben
4 eine Gewindeöffnung zum Empfang einer Schraube 3a als Verlängerung des Sockels
2a. Metallstück 18 besitzt an seinem anderen Ende 15a eine Gewindeöffnung 20 die
mit dem ebenfalls mit einem Gewinde versehenen zweiten Ende 21 des Kolbens 19 zuscgnmenpasst.
Wie in Fig. 5 dargestellt, kann die Gewindeöffnung 20 eine Verlängerung der für
die Schraube 3a bestimmten Gewindeöffnung bilden.
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Diese Anordnung gestattet einem Metall stück 18 die Wärme des Sockels
2a des Heizelements auf den Kolben 19 zu übertragen, und dabei für ein Löteisen
gemäss der Erfindung jeden im Handel erhältlichen Lötkolben zu benützen.
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Gemäss einer anderen (nicht dargestellten) Variante eines erfindungsgemässen
Löteisens, representiert der Kolben das l?~ärmeleitungsmittel der Heizanordnung,
d.ho der Kolben representiert den Sockel des Halbleiterelements, wobei sich der
letztere im Inntern des Sockels befindet. So z B. mit Bezug auf Fig. 4, kann das
Halbleiterelement in der Oeffnung 5 des Kolbens 4 angeordnet sein. Eine solche Variante
gestattet offenbar die Herstellung eines Löteisens genmss der Erfindung wesentlich
zu vereinfachen.
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Es versteht sich ebenso, wie bereits früher in der Beschreibung der
Figs. 1 bis 3 erklärt wurde, dass ein Löteisen gemäss der Erfindung mit Mitteln
zur Regelung der Heizleistung versehen werden kann und dass es mit Wechselstrom
gespeist werden kann, der durch eine Diode in Serie mit dem Transistor gleichgerichtet
worden ist, wobei diese Diode ebenso veie die anderen Stromkreiselemente im Innern
des Rohrstüclis 11 angeordnet sein können, wie es im Zusammenhang mit Fig. 4 angedeutet
ist.
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Das hier beschriebene Löteisen besitzt cine Anzahl von Vorzü0#n; Es
kann in einfacher und ökonomischer Weise hergestellt werden; sein Energieverbrauch
ist klein, und es kann von einer Schwachspannungsquelle betrieben werden, was die
Sicherheit des Benützers erhöht.
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Gemäss Figs. 6 bis 21 und insbesondere im Einklang mit solchen Anwendungsformen,
wie auch solchen Ausführungsformen ihrer diversen, vorzugsbehandelten Teile, kann
in der Realisierung von Heizanordnungen, der folgende oder ein analoger Weg eingeschlagen
werden.
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Man geht vorerst von einem halbleitenden Plättchen aus.
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So z.B. findet man in Fig. 6 ein halbleitendes Plättchenelement 1
mit ungefähr 60 Watt Leistung - in natürlicher Grösse - , das auf einer strahlenden
Metallplatte 2 angebracht, verlötet oder angeschweisst ist. Die Stromeinführungen
gehen über Metallmasse 2 als Kollektor, Anschluss 3 als Emitter und Anschluss 4
als Basis oder Steuerelektrode.
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Fig. 7 stellt ein komplettes Heizeiement dar, das gemäss der Erfindung
mit folgendem versehen ist, und zwar hat das halbleitende Plättchen 1, z.B. eine
Hochleistungstransistor pastille, drei Elektroden, E,B, und C. Sein metallischer
Träger 2 kann einen integrierenden Bestandteil irgendeiner Benutzungsanordnung für
die durch den Hauptstromdurchgang im Element 1 erzeugte Strahlungswärme bilden.
Dieser zwischen Emitter E und Kollektor C passierende Hauptstrom wird gesteuert
und reguliert von einem die Junktion der Pastille 1, zwischen Basis B und Emitter
E traversierenden-Sekundärstrom.
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Ein beispielsweise vitreous Widerstand 5 zusammen mit einem Widerstand
5a ist als Speisebrücke ausgebildet, die das Halbleiterelement 7. an der Basis B
mit geeignetem Speisestrom versorgt.
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Thermistance 7 sichert die thermische Regulierung der Anordnung,
wobei sie den Abbruch des 3-elektrodigen Halbleiters verhindert. Thermistance 7
ist angebracht an oder verbunden mit der strahlenden Metallbasis 2, unter der distanzierenden
Zwischenlage einer elektrischen, hochhitzebeständigen Isolation wie z.B. einer keramischen
Pastille.
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Eine gleichrichtende Diode 6 befindet sich im allgemeinen ausserhalb
des Heizelemente, kann jedoch gegebenenfalls darin eingeschlossen sen. Diode 6 erübrigt
sich,falls:die Speisung direkt mittels Gleichstror erfolgen soll. Für den Fall einer
Wechselstromspeisung, dient Diode 6 zur Gleichrichtung, wobei sie einen gleichgerichteten
Halbellenstrom erzeugt. Andere Gleichrichtungsmittel fallen ebenfalls in den Rahmen
der vorliegenden Erfindung wie z.B. der Ersatz der einfachen Diode, durch eine,
einen Vollvellengleichstrom erzeugende Gleichrichterbrücke.
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In Fig. 8 erscheint das Heizelement der Fig. 7 vereinfacht, wobei
für entsprechende Bestandteile dieselben Referenzahlen benützt werden. In diesem
Felle werden drei anstatt zwei Speisedrähte benötigt. Eine solche Anordnung hat
jedoch bedeutende Vorteile, falls eine Fernsteuerung der von den Heizelementen erzeugten
Wärmeenergie gewünscht wird. Eine solche Fernsteuerung kann durch veränderliche
Gleichströme oder Impulse bewirkt werden, die an die Steuerelektrode, zwischen Anschlüssen
9 und 10, angelegt werden. Fig. 8 zeigt ferner, neben dem wärmeerzeugenden Halbleiterplättchen
1, die zum Schutz dienende Thermistance 7.
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Thermistance 7; kann durch ein Element 7a ersetzt werden, vom Typ
eines Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizienten, der Jedoch in--diésem
Fall in Serie geschaltet ist, wie es in der eint Variante von Fig. 8 bildenden Fig.
9 dargestellt ist.
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In jedem Falle, erfolgt die Speisung des#Heizelements, ob mit Gleichstrom
oder gleichgerichteten Halb- oder Vollwellenstrom, zwischen Kollektor C und Emitter
E. Sie ist von einem variablen Gleichstrom und / oder von Impulsen von variabler
Amplitude- und/oder Dauer gesteuert. Die Stuersignale können z.B. an Anschlüsse
9 und 10, eines elektronischen Steuerblocks abgenommen werden, der sich ausserhalb
des Heizelements befindet. Widerstand 5, ein Schutzwiderstand, dient dazu, die Spannung
und den Strom der Basis B und damit die vom Heizelement dissipierte Wärmeleistung
zu begrenzen.
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In Fig. 10 sieht man den Heizkolben eines Löteisens, das mit einem
erfindungsgemässen Heizelement von besonderer Form versehen ist. Ein halbleitendes
Plättchen 1 ist im Lötkolben 11 eingesetzt und damit un1ösbar#verbunden. Dieselbe
Anordnung kann mehrere solcher Plättchen enthalten, die von derselben Regulierungsvorrichtung
oder gegebenenfalls von separaten Regulierungsvorrichtungen gesteuert sind. Der
Heizkolben oder das Heizelement besteht aus einem maschinebearbeiteten Metallblock;
z.B. aus Kupfer. Dieser Metallblock ist gegebenenfalls mit einer gewissen Anzahl
von Oeffnungen oder Fenstern versehen, von irgendeiner Form, die dazu dienen, die
Wärmeleitung an der der Nutzseite abgelegenen Seite z.B. auf Seiten der Halterung)
zu erschweren. Am Ende des Lötkolbens befindet sich ein von der Anordnung isolierter
Kontakt, z.B. ein in einer Glasperle zentrierte Elektrode. Dieser. Kontakt sichert
den Durchgang des Speisestromes. Sein Rückweg vollzieht sich über die Metallmasse,
die an einer entsprechenden Basis angeschraubt, angenietet oder sonstwie befestigt
ist; die ganze Anordnung ist als Heizkolben eines Löteisens ausgebildet, der mit
einer autonomen Regelvorrichtung versehen und mittels einer Schraubenverbindung
auswechselbar ist, wie es in Fig.
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10 durch Windung 14 angedeute#t ist. Diese Art der Befestigung kann
auch, wenn gewünscht, durch einen einschiebbaren Einsatz ersetzt werden, oder durdlirgendein
anderes Fixier- oder Befestigungsmittei.
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Fig. 11, 12 und 13 representieren einen auswechselbaren Heizkolben,
der mit einem 3-elektrodigen Heizelement und einer ausserhalb befindlichen Regulierungssteuerung
versehen ist.
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Man bemerkt in Fig. 12 die Innenanordnung eines halbleitenden Plättchens
1 das mit dem Metallkolben 11 eng verbunden ist.
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Auf diesem Plättchen 1 ist eine dünne Steatitscheibe 15 angeordnet,
die bei hoher Temperatur die elektrische Isolierung besorgt, wobei Thermistance
7 zwischen Basis B und Emitter E des Strahlungselements verbunden ist. Oeffnungen
oder Fenster 12 bilden eine wärmeleitende Verbindung für den Innenteil des Heizelements
während gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit auf der Seite der Halterung in Richtung
der das Werkzeug bedienenden Person verringert wird. Windung 14 dient dazu, den
Heizkolben an eine Halterung irgendwelcher Art anzuschrauben. In dieser Halterung
ist die für die Zulassung des Basisstromes erfor#derliche Widerstandsbrücke untergebracht,
ebenso wie eine eventuelle-Diode oder Dioden und gegebenenfalls auch die lokalen
Regelelemente. Dass der Speisetransformator in der Halterung oder im Träger eines
Löteisens angeordnet ist, bringt die Anordnung nicht aus dem Rahmen der Erfindung.
Dasselbe gilt für den Fall, dass die ringförmigen Ausgangselektroden verschieden
geformt und verschieden angeordnet sein würden. Ebenso würde jede andere Art der
Befestigung einschliesslich einer Draht- und elektrischen "Domino -Typ>'-Verbindung~
nicht den Rahmen der Erfindung überschreiten. Ebenfalls im Rahmen der Erfindung
befindet sich jedwede Detailveränderung wie z.B. der Ersatz der Schraube durch einen
Bajonetvers-chluss; Veränderung der Elektrodenform und die lateralposition der Elektroden,
die Form der Oeffnungen oder die Form des Heizkolbens, di#e Lage der halbleitenden
Plättchen, die Einfügung von Widerständen und/oder einer oder mehreren Dioden in
das zylindrische Innere des Heizkolbens, etc.
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In Fig. 14 findet man eine halbleitende Pastille.l mit einer Metallmasse
16 verbunden, die die durch den Stromdurchgang
zwischen Emitter
E und Kollektor C erzeugte Wärme abstrahlt.
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In dieser Realisation der Erfindung ist es der Kollektor, der sich
im direktem Kontakt mit dem metallischen Wärmeenergiestrahler befindet. Es ist vorteilhafter,
die Wärmeenergie von der Basis ausstrahlen zu lassen, die sich in diesem Falle in
direktem Kontakt mit dem Metallkörper befindet. Diese Anordnung erlaubt es unter
anderem, eine am Metall angebrachte Thermistance direkt und parallel zwischen Basis
B und Emitter E vorzusehen. Dasselbe gilt für die Widerstände, die in diesem Fall
in der Form von, der-Thermistance ähnlichen Pastillen, vorgesehen werden können,
was die Fabrikation bedeutend vereinfacht. In einer weitgehenden Integration aller
dieser Elemente, erlaubt diese Anordnung gemäss der Erfindung, in einem einzigen
Block die Heizpastille unterzubringen, die in diesem Falle in der Form einer halbleitenden
Pastille 1 vom Hochleistungstransistorentyp besteht, der auf einer seiner Seiten
oder in peripheraler Lage mit einem Halbleiterelement 17 eng verbunden ist. Element
17 ist ein Widerstandstyp mit positivem Temperaturko#ffizienten. Auf der entgegengesetzten
Seite des Transistors befindet sich ein Widerstand 18 mit negativem Temperaturkoeffizienten.
Das Ganze bildet ein einziges, an dem die Wärmeenergie (in die Richtung der Pfeile
F) ausstrahlende Metallmasse 16, angebrachtes Element, das sich wie ein autonomes,
selbstregulierendes Element verhält, wie es in Fig. 14 dargestellt ist.
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Im Rahmen der Erfindung befinden sich noch die folgenden Anordnungen
und Funktionen, die Einzel- oder Mehrfachstruktur-Anwendung finden können: Das"Sandwichen"
von mehreren halbleitenden Plättchen, die Steuerung des Basisstromes sowie der anderen
Ströme mittels Potentiometers oder Rheostats, Steuerung mittels Impulsen, eine Speisung,
die an die Heizelemente die Hauptströme und/oder Steuerströmo der verschiedenen
Formen liefert, die Veränderung der Lage der benützten Elemente; der Ersatz der
Thermistancen oder der Widerstände
durch Elemente mit positiven
oder negativen Temperaturkoeffizienten, eine Integration der diversen Elemente wie
z.B. die Vereinigung in einem einzigen Heizplättchen von Metall träger, Transistorelement,
Widerstandselement, Gleichrichterelement, elektrischen Kontakte etc.
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Fig. 15 stellt eine wichtige Variante eines erfindungsgemässen Heizelements
dar. Bisher sind die 3-elektrodigen halbleitenden Heizpastillen mit dem Kollektor
C auf der Seite des Wärmediffusors dargestellt worden, was nicht unbedingt notwendig
ist. Diese Darstellung beruht generell auf die gegenwärtige Konstruktion dieses
Typs von halbleitenden Pastillen.
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Jedenfalls kann auch die Basis B oder der Emitter E so konstruiert
werden, dass sie die bevorzugte wärmedissipierende Elektrode bilden. In diesem Falle
wird es möglich spezielle Heizelemente anzuordnen, sei es als Elemente des Typs
NPN oder des Typs PNP, d.h. als komplementäre Heizelemente. Damit ergaben sich mehrfahce
Kombinationen dieser diversen Typen von Halbleiterplättchen, die in Serie, Parallel,
oder in Mischverbindungen geschaltet werden können. Diese Zusatzanordnungen gestatten
die praktische Realisierung von Heizbändern, Platten, Stangen, Töpfen, Röhren etc.
Die entsprechenden Plättchen können so definiert werden: Plättchen la sind von NPN-Typ
mit positivem Strom vom Kollektor zum Emitter, und mit einer gegenüber dem Emitter
positiven Steuerung der Basis; Strahlung erfolgt vom Kollektor, Emitter oder Basis.
Plättchen lb sind vom PNP-Typ, mit negativem Strom vom Kollektor zum Emitter und
mit einer gegenüber dem Emitter negativen Steuerung der Basis. Ein weiteres Beispiel
einer dieser möglichen Kombinationen ist in Fig. 16 dargestellt. Das Heizelement
besteht in dieser Version aus zwei halbleitenden Pastillen komplementären Typs,
die eine, lb, vom Typ PNP, die andere la vom Typ NPN. In beiden Plättchen erfolgt
die Strahlung vom Kollektor C. Dies gestattet, die beiden Heizelemente in Serie
zu schalten. Gleichzeitig bleibt die Möglichkeit, die Kollektroelektroden ohne jede
zusätzliche Isolierung auf dem wärmestrahlenden Metall anzubringen.
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In Fig. 15 und 16 kann man die Widerstände 18 und 19 der Fig. 14 mit
positivem bzw. negativem Temperaturkoeffizienten wiederfinden.
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Fig. 17 stellt ein der Fig. 16 entsprechendes elektrisches Diagramm
dar. Man findet in Fig. 17 zwei lJuderstandsbrücken, die zur lokalen Erzeugung des
für die Heizfunktion erforderlichen Basisstromes dienen. Jede dieser Brücken besteht
aus einem Widerstand 17 mit positivem Temperaturkoeffizienten. Dies erzeugt eine
zweifache thermische Regulierungswirkung auf jeden der Transistoren 19, 20, die
alg Heizelemente dienen. Eine Serienschaltung der beiden Elemente gestattet die
Speisung der gesamten Anordnung mittels doppelter- Spannung#bei der der gleichen
Stromstärke. Man erhält somit die doppelte gestrahlte Wärmeleistung. E,B und C bedeuten,
wie; ~in den übrigen Figuren Emitters, Basis bzw. Kollektoren.
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Fig. 18 stellt ein erfindungsgemässes Heizelement dar, das auf einen
Ventilatorenflügel'21 montiert-ist,' wodurch dieser mit minimalen konstruktiven
Schwierigkeiten in einen Heizventilator origineller und praktischer Konzeption umgewandelt
wird und dabei noch eine bedeutende Leistungsbesserung aufweist. Stromzufuhr und
elektrische Verbindung (die in gedruckter Kreisform zu realisieren'sind),sind direkt
auf jeden der Ventilatorenflügel angebracht und zwar vorzugsweise in der folgenden
Art: Die Stromzufuhr erfolgt bst 22 durch die Metallmasse des Ventilators, mittels
eines Drehkontaktes 23, auf den ein mechanischer, z.B. aus Kohle bestehender Kollektor
24 gleitet. Die Steuerung der Regulierung ist vorzugsweise autonom. Sie kann'jedoch
auch an den rotierenden Ventilatorenflügeln mittels einer Serie von Drehkontakten
bewirkt werden'die von externen Parametern gesteuert werden.
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Diese Anwendung beweist die neuen durch die erfindungsgemässin Heizelemente
sich ergebenden Möglichkeiten statischer wie dynamischer Natur.
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Fig. 19 stellt die Anordnung eines aus einem Halbleiterplättchen 1
bestehenden Heizelements 25 in einem luftdichten Block 26 dar. Mehrere derartige
Blöcke ob autonomregulierend oder#nicht, können in Serie, in Parallel oder gemischt
verbunden werden, wobei die mechanische Anordnung durch schwalbenschwanzartige Verbindungen
erleichtert werden kann, wie dies in Fig. 20 an 3-draht-Elementen und in Fig. 21
an 2-drahtelementen illustriert ist. Gegebenenfalls können auch andere Mittel zum
mechanischen Zusammenbau dieser Elemente Anwendung finden, ohne den Rahmen der Erfindung
zu überschreiten. In einem solchen kompakten und luftdichten Heizelement ist die
wärmestrahlende Elektrode der haltleitenden Pastille vorzugsweise von ihrem Sockel
isoliert. Diese Isolierung erfolgt mittels einer dünnen Lamelle aus-Steatit, Glass,
Keramik oder anderem Isoliermaterial, das ohne Verschlechterung den hohen Temperaturen
widerstehen kann. In den Rahmen der Erfindung fällt auch eine Aussenisolierung dieser
Blöcke gegeneinander, oder gegenüber einem allgemeinen System.
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Während die Erfindung anhand einer Anzahl von Prinzipdarstellungen
und Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben worden ist, ist sie jedoch
nicht beschränkte auf die Zahl, Typ und Art der Anordnung und Verbindung dargestellt
oder beschrieben, sondern kann in jeder beliebigen Weise geändert oder wiederholt
werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. So, z.B., ohne damit das Vorhergehende
einzuschränken, kann die Anzahl der Halbleiterelemente vergrössert und die individuellen
Elemente modifiziert werden in Charakter wie in der Anordnung ohne den Boden der
Erfindung zu verlassen.