Изобретение паяльника. Статья №61. 17.10.17.


В одном из предыдущих рассказов о делах прошлых, которые, спустя череду лет, по-прежнему кажутся настоящими, речь шла о паяльниках, на которые удалось обменять первые персональные компьютеры отечественного производства.

Настало время рассказать, что же такого особенного было в наших самодельных паяльниках. И что заставило руководителей производства пообещать нам поставку нового и очень дефицитного оборудования в обмен на какие-то там паяльники.



Сам по себе электрический паяльник – устройство довольно простое. Тонкий медный стержень, называемый жалом, получает тепло от электрической спирали, охватывающей медный стержень. Спираль из тонкой нихромовой проволоки обычно наматывают на металлическую втулку, предварительно обернув её термостойким электроизолятором. Чаще всего в качестве изолятора используется слюда.

Нагреватель размешается внутри стальной трубки, вставленной в ручку из дерева или из пластика. Провода электропитания проходят к нагревателю сквозь ручку и сквозь стальную трубку.

Есть паяльники, работающие от обычной электросети 220 вольт, а есть низковольтные паяльники с питающим напряжением 12 вольт.

Главная беда всех электропаяльников в их недолговечности. Вполне исправные паяльники, прошедшие контроль ОТК, по непонятной причине, неожиданно выходят из строя.

Иногда перегорает жаростойкая нихромовая спираль, рассчитанная на температуру более чем в 1000 градусов, а иногда теряется контакт спирали с проводами питания.

В условиях конвейерной сборки электроники, выход из строя даже одного паяльника вызывает остановку конвейера, а это ЧП и снижение производительности.

Вот почему моё обещание оснастить производство неперегорающими паяльниками стало для зеленоградского завода предложением, от которого было невозможно отказаться.

Рассказывая начальнику сборочного цеха о реальном существовании неперегорающих паяльников, я, разумеется, не упомянул о том, что эти паяльники – наши самоделки. Это было наше изобретение, созданное в экспериментальной лаборатории ОКБ Туполева.

Не имея никакого отношения к электронике и к пайке радиодеталей, мы столкнулись с проблемой живучести паяльников при использовании их в процессе раскроя синтетического войлока, идущего на изготовление экспериментальной теплозащиты самолёта.

Жизнь подкинула нам реальную изобретательскую задачку, которую нужно было решить в очень сжатые строки.

Для начала нам нужно было понять причину внезапного перегорания паяльников. Дело в том, что требуемая температура жала паяльника обычно находится в диапазоне от 300 до 350 градусов, что не так уж и много, учитывая жаростойкость нихромовой проволоки на уровне 1000 градусов.

Запас по жаростойкости нагревательного элемента, казалось бы, вполне достаточен. Ведь нет никакой необходимости доводить нагревательный элемент до температуры выше 500 градусов.

Однако, реальная проверка температуры внутри паяльника показала, что на холостом ходу (паяльник включён но не используется в работе) температура в зоне спирали приближается к 800 градусам. Значит, в отдельных точках спирали можно ожидать и более высоких температур. Возникает вопрос, зачем такая высокая температура создаётся внутри нагревательного элемента паяльника.

Оказалось, причиной всему слюда, отделяющая нихромовую спираль от втулки, на которую её наматывают. Слюда не только хороший электроизолятор, но и хороший теплоизолятор, перекрывающий тепловой поток от спирали к медному жалу.

Именно из-за слоя слюды приходится столь сильно повышать температуру нагревательного элемента, чтобы, несмотря на сопротивление тепловому потоку со стороны слюды, можно было доставить к жалу требуемое количество ватт.

Это был первый шаг в понимании проблем, приводящих к перегоранию паяльников. Но к решению изобретательской задачи приступать было ещё рано. Мы обнаружили далеко не все подводные рифы.

Следующим шагом был анализ требуемой тепловой мощности паяльника и её сравнение с мощностью, получаемой из электрической сети. Оказалось, что КПД паяльника составляет менее 25%. Это, конечно много больше, чем у паровоза (5%), но всё же, явно мало в сравнении, например, с обычным электроутюгом (80%).

Три четверти тепла, вырабатываемого в нагревательном элементе паяльника, просто улетает в окружающее пространство. Из-за этого приходится неоправданно повышать мощность, потребляемую из электросети.

Основная причина бесполезного разбазаривания тепла объясняется тепловым потоком от нагревательного элемента к наружному кожуху паяльника и далее в окружающий воздух. Вроде как, неизбежные потери.

Детальный анализ неисправностей кучи перегоревших паяльников выявил ещё одну проблему, которая напрямую не связана с жаростойкостью нихромовой проволоки. Оказалось, что нередко нарушается электрический контакт нихромовой спирали с медными проводами питания. Свинцовый припой, используемый при пайке соединений проводов, расплавляется, опять же, на режиме холостого хода.

В целом, техническая проблема стала ясна. Оставалось, в соответствие с методикой изобретательства Альтшуллера, сформулировать идеальный конечный результат (ИКР) и найти узловые противоречия, стоящие на пути конструирования идеального паяльника.

С ИКР-ом как-то не заладилось. Кроме идеи о том, что медное жало паяльника должно греться само, ничего в голову не приходило.

Основное техническое противоречие имело отношение к слою слюды. Этот слой должен быть для обеспечения электроизоляции спирали от корпуса паяльника, и его не должно быть, чтобы не препятствовать потоку тепла от спирали к медному жалу.

Варьирование толщиной слоя слюды ничего хорошего не сулило, поскольку этот путь оптимизации уже был пройден изготовителями паяльников.

Разделение противоречивых требований во времени или в пространстве, в данном случае, было невозможно. Вроде как, напрашивалось разрешение противоречия в отношении электропроводности и теплопроводности, но поиски надёжных электроизоляторов, обладающих высокой теплопроводностью, ничего не дали.

Пришлось вернуться к формулировке ИКР:

- жало нагревается само…

- тепло рождается прямо в жале…

- тепло рождается внутри жала…

Варианты с индуктивным нагревом соответствовали идее рождения тепла внутри жала, но были нами отставлены в сторону, из-за их неосуществимости в наших реальных условиях.

А вот, “тепло рождается внутри жала” – это интересно.

Идея явно нестандартная, ведь нагревательный элемент традиционно располагают снаружи медного жала, а если расположить его внутри…

По крайней мере, доля теплопотерь в окружающее пространство при таком варианте резко снизится, а КПД паяльника приблизится к КПД утюга. Это уже кое-что.

Но противоречие с изоляцией спирали остаётся по-прежнему неразрешённым.

Хорошо, попробуем сформулировать ИКР для изоляции. В идеале, изоляции просто не должно быть, а свойства изоляции должны сохраниться, то есть не должно быть электрического контакта между спиралью и жалом.

В голове сразу всплыла идея об окисных плёнках металлов. Большинство металлических окислов являются прекрасными изоляторами. Например, из оксида алюминия изготавливают электротехническую керамику.

К сожалению, спираль паяльника сделана не из алюминия, а из нихрома (сплав никеля и хрома). Химическая энциклопедия подсказывает, что оксид никеля неустойчив, а оксид хрома очень стоек, правда, ядовит.

В любом случае, идея с оксидной плёнкой – явно в масть. Надо копать глубже.

Ныряем в патентный фонд, и о чудо: авторское свидетельство СССР № 368652 “Способ получения оксидного покрытия нихромовой проволоки”, автор Сытник М. И. 1973 г.

Суть способа состоит в обработке раскалённой нихромовой проволоки смесью углекислого газа и угарного газа (СО2 и СО).

Дело за малым, надо раскалить спираль и обработать её дымом, ведь в нём есть и СО и СО2. Начинаем опыты. Раскаляем спираль до оранжевого свечения и опыляем её масляным туманом из чистейшего вакуумного масла. Дым валит клубами, но почти без запаха, за счёт чистоты масла.

После первых обработок исчезла межвитковая проводимость. Уже хорошо ! После десятого сеанса на всей поверхности нихромовой проволоки появился тёмный твёрдый налёт – это наш желанный оксид. Та самая изоляция, которой как бы нет, но которая, всё же, есть.

На поверхности спирали появился микронный слой твёрдого окисла с нулевой (почти что) электрической проводимостью. Вот оно – решение нашей главной проблемы !

Теперь надо подтянуть оставшиеся слабые места.

Что у нас там с потерей контакта спирали с медными проводами питания ? Ага, плавится термостойкий припой, которым они спаяны.

Удаляем это слабое место. Обойдёмся без припоя. Пригодится наш опыт сварки термопар с помощью электрического разряда от высоковольтного конденсатора. Бабах и два проводка превращаются в одно целое. Никакой нагрев стыка проводов теперь не сможет его нарушить, поскольку температура плавления меди около тысячи градусов.



Осталось воплотить найденное решение в конструкцию. Медное жало в зоне расположения нагревательного элемента мы сделали потолще – десять миллиметров в диаметре, а в рабочей зоне потоньше – четыре миллиметра в диаметре.

Нагревательный элемент имеет шесть миллиметров в диаметре и столько же с небольшим припуском имеет и внутренняя полость в медном жале.

Конструкция нагревательного элемента тоже имеет маленькие технологические хитрости, но они не принципиальны, и мы их оставим в тени.

Трубка, соединяющая жало с ручкой – диаметром 8 мм, изготавливается из нержавеющей стали с резьбой по обеим концам трубки. Сама же ручка сделана из бука с тонировкой под красное дерево. Инструмент, который приходится держать в руках весь день, должен не только быть приятен на ощупь, но ещё и радовать глаз.

Перед установкой нагревательного элемента внутрь жала, вся внутренняя полость жала обрабатывается мастикой на основе жидкого стекла и диоксида алюминия.

Дополнительная тонкая плёнка сверхпрочного керамического диэлектрика предотвращает окисление внутренней полости и повышает надёжность защиты паяльника от пробоя напряжения питания на жало.

Последним штрихом является внешнее хромирование медного жала, которое препятствует окислению меди на воздухе и придаёт паяльнику парадный вид.

С тех давних пор прошло много десятков лет, и на сборочном конвейере зеленоградского завода давно уже никто не сидит с паяльниками в руках, но я уверен, что наши чудесные паяльники всё ещё живы и всё ещё доставляют настоящее удовольствие тем, кто изредка берёт их в свои руки.



Обогатите патентный фонд своими изобретениями.
А мы поможем получить на них патенты.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 4020
Надежда Станиславовна Ковальчук.



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов. Видео - Николай Геннадьевич Соков.

Возврат к списку