CN101636001A - 立体热源 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一寿命长且电热转换效率高的立体热源。该立体热源包括一加热元件及至少两个电极。该加热元件包括多个均匀分布的碳纳米管。该至少两个电极间隔设置且分别与该加热元件电连接。所述加热元件构成一个中空的三维结构，该加热元件中的多个碳纳米管组成至少一自支撑的碳纳米管结构。该立体热源可以用于制造工厂管道、实验室加热炉或厨具电烤箱等。

Description

立体热源

技术领域

本发明涉及一种立体热源，尤其涉及一种基于碳纳米管的立体热源。

背景技术

热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。立体热源是热源的一种，其特点为立体热源具有一立体结构，从而可将待加热物体设置于其内部进行加热。由于立体热源可对待加热物体的各个部位同时加热，因此，立体热源具有加热面广、加热均匀且效率较高等优点。立体热源已成功用于工业领域、科研领域或生活领域等，如工厂管道、实验室加热炉或厨具电烤箱等。

立体热源的基本结构通常包括一加热元件。现有的立体热源的加热元件通常采用金属丝，如铬镍合金丝、铜丝、钼丝或钨丝等通过铺设或缠绕的方式形成。然而，采用金属丝作为加热元件具有以下缺点：其一，金属丝表面容易被氧化，导致局部电阻增加，从而被烧断，因此使用寿命短；其二，金属丝为灰体辐射，因此，热辐射效率低，辐射距离短，且辐射不均匀；其三，金属丝密度较大，重量大，使用不便。

为解决金属丝作为加热元件存在的问题，碳纤维因为其具有良好的黑体辐射性能，密度小等优点成为加热元件材料研究的热点。碳纤维作为加热元件时，通常以碳纤维纸的形式存在。所述碳纤维纸包括纸基材和杂乱分布于该纸基材中的沥青基碳纤维。其中，纸基材包括纤维素纤维和树脂等的混合物，沥青基碳纤维的直径为3～6毫米，长度为5～20微米。然而，采用碳纤维纸作为加热元件具有以下缺点：其一，由于该碳纤维纸中的沥青基碳纤维杂乱分布，所以该碳纤维纸的强度较小，柔性较差，容易破裂，同样具有寿命较短的缺点；其二，碳纤维纸的电热转换效率较低，不利于节能环保。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种电热转换效率高，寿命较长的的立体热源。

一种立体热源，其包括一个加热元件及至少两个电极，该至少两个电极分别与所述加热元件电连接；其中，所述的加热元件构成一个中空的三维结构，该加热元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个基本平行的碳纳米管。

一种立体热源，其包括一个加热元件及至少两个电极，该至少两个电极分别与所述加热元件电连接；其中，该立体热源进一步包括一中空的三维支撑结构，所述的加热元件设置于该中空的三维支撑结构的表面，该加热元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管。

一种立体热源，其包括：一个加热元件；以及至少两个电极间隔设置并与所述加热元件电连接，其中，所述的加热元件构成一个中空的三维结构，所述的加热元件包括至少一自支撑的碳纳米管结构，该自支撑的碳纳米管结构包括多个碳纳米管首尾相连且通过范德华力连接。

与现有技术相比较，所述的立体热源具有以下优点：第一，由于碳纳米管具有较好的强度及韧性，碳纳米管结构的强度较大，碳纳米管结构的柔性好，不易破裂，使其具有较长的使用寿命。第二，碳纳米管结构中的碳纳米管均匀分布，碳纳米管结构具有均匀的厚度及电阻，发热均匀，碳纳米管的电热转换效率高，所以该立体热源具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点。

附图说明

图1为本发明第一实施例所提供的立体热源的结构示意图。

图2为图1沿II-II线的剖面示意图。

图3为本发明第一实施例的立体热源所使用的碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图4为本发明第一实施例的立体热源所使用的碳纳米管膜的结构示意图。

图5为本发明第二实施例的立体热源的结构示意图。

图6为沿图5中VI-VI线的剖视图。

图7为沿图5中VII-VII线的剖视图。

图8为本发明第三实施例的立体热源的结构示意图。

图9为沿图8中IX-IX线的剖视图。

具体实施例

以下将结合附图详细说明本发明的立体热源及其制备方法。

请参阅图1及图2，为本发明第一实施例提供一种立体热源100。该立体热源100包括一中空的三维支撑结构102，一加热元件104，一第一电极110及一第二电极112。该加热元件104设置于该中空的三维支撑结构102的外表面。该第一电极110和第二电极112分别与加热元件104电连接，用于使所述加热元件104与电源电连接。

所述中空的三维支撑结构102用于支撑加热元件104，使加热元件104形成一立体结构，该立体结构定义一空间，使加热元件104可从多个方向向该空间内加热，从而提升加热元件104的加热效率。中空的三维支撑结构102可以由硬性材料或柔性材料制成。当该中空的三维支撑结构102选择硬性材料时，其可以为陶瓷、玻璃、树脂、石英、塑料等中的一种或几种。当中空的三维支撑结构102选择柔性材料时，其可以为树脂、橡胶、塑料或柔性纤维等中的一种或几种。当该中空的三维支撑结构102选择柔性材料时，其在使用时还可根据需要弯折成任意形状。在本实施例中，该中空的三维支撑结构102由硬性材料制成。所述中空的三维支撑结构102具有一空心结构，且其可以为全封闭结构，也可以为半封闭结构，其具体可根据实际需要如被加热元件的结构进行改变。该中空的三维支撑结构102的结构可以为管状、球状、长方体状等。中空的三维支撑结构102的横截面的形状亦不限，可以为圆形、弧形、长方形等。该中空的三维支撑结构102还可以为工厂管道、锅炉壳体、杯子等。在本实施例中，中空的三维支撑结构102为一空心陶瓷管，其横截面为一圆形。

所述加热元件104可设置于中空的三维支撑结构102的内表面或外表面。本实施例中，加热元件104设置于中空的三维支撑结构102的外表面。所述加热元件104包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构可通过粘结剂(图未示)设置于中空的三维支撑结构102的外表面。所述的粘结剂可以为硅胶。该碳纳米管结构也可通过机械连接方式，如螺钉，固定于中空的三维支撑结构102的表面。该碳纳米管结构的长度、宽度和厚度不限。可以理解，该三维支撑结构为可选择结构，当加热元件104可以自支撑合围形成一立体结构时，可无需三维支撑结构102。

所述碳纳米管结构为一自支撑结构。所谓“自支撑结构”即该碳纳米管结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。该自支撑结构的碳纳米管结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管结构具有特定的形状。所述碳纳米管结构中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管结构的单位面积热容小于2×10^-4焦耳每平方厘米开尔文。优选地，所述碳纳米管结构的单位面积热容大概为1.7×10^-6焦耳每平方厘米开尔文。具体地，所述碳纳米管结构包括至少一层碳纳米管膜。

所述碳纳米管膜为从一碳纳米管阵列中拉取所获得。所述碳纳米管结构可包括一层碳纳米管膜或两层以上碳纳米管膜。碳纳米管膜包括多个基本平行的碳纳米管，该多个碳纳米管沿同一方向择优取向且平行于碳纳米管膜表面排列。所述碳纳米管之间通过范德华力首尾相连。请参阅图3及图4，每一碳纳米管膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个大致平行的碳纳米管145，该多个平行的碳纳米管145通过范德华力紧密连接。该碳纳米管片段143具有任意的宽度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管膜表面具有一定的粘性。所述碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米，宽度与拉取该碳纳米管膜的碳纳米管阵列的尺寸有关，长度不限。所述碳纳米管膜及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13日公开的第CN101239712A号中国公开专利申请“碳纳米管薄膜结构及其制备方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。可以理解的是，当该碳纳米管结构由碳纳米管膜组成，且碳纳米管结构的厚度比较小时，例如小于10微米，该碳纳米管结构有很好的透明度，其透光率可以达到90％，可以用于制造一透明热源。

当所述碳纳米管结构包括两层以上的碳纳米管膜时，该多层碳纳米管膜相互叠加设置或并列设置。相邻两层碳纳米管膜中的择优取向排列的碳纳米管之间形成一交叉角度α，α大于等于0度且小于等于90度(0°≤α≤90°)。所述多层的碳纳米管膜之间或一个碳纳米管膜之中的相邻的碳纳米管之间具有一定间隙，从而在碳纳米管结构中形成多个孔隙，孔隙的尺寸约小于10微米。

本实施例中，加热元件104采用重叠且交叉设置的100层碳纳米管膜，相邻两层碳纳米管膜之间交叉的角度为90度。该碳纳米管结构中碳纳米管膜的长度为5厘米，碳纳米管膜的宽度为3厘米，碳纳米管膜的厚度为50微米。利用碳纳米管结构本身的粘性，将该碳纳米管结构包裹于所述中空的三维支撑结构102的表面。

所述第一电极110和第二电极112由导电材料制成，该第一电极110和第二电极112的形状不限，可为导电膜、金属片或者金属引线。优选地，第一电极110和第二电极112均为一层导电膜。当用于微型立体热源100时，该导电膜的厚度为0.5纳米～100微米。该导电膜的材料可以为金属、合金、铟锡氧化物(ITO)、锑锡氧化物(ATO)、导电银胶、导电聚合物或导电性碳纳米管等。该金属或合金材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钕、钯、铯或其任意组合的合金。本实施例中，所述第一电极110和第二电极112的材料为金属钯膜，厚度为5纳米。所述金属钯与碳纳米管具有较好的润湿效果，有利于所述第一电极110及第二电极112与所述加热元件104之间形成良好的电接触，减少欧姆接触电阻。

所述的第一电极110和第二电极112与加热元件104电连接。其中，第一电极110和第二电极112间隔设置，以使加热元件104应用于立体热源100时接入一定的阻值避免短路现象产生。当该碳纳米管结构中碳纳米管有序排列时，该碳纳米管的轴向基本沿第一电极110向第二电极112延伸。所述的第一电极110和第二电极112可通过一导电粘结剂(图未示)设置于该加热元件104或碳纳米管结构表面，导电粘结剂在实现第一电极110和第二电极112与碳纳米管结构电接触的同时，还可以将所述第一电极110和第二电极112更好地固定于碳纳米管结构的表面上。该导电粘结剂可以为银胶。

所述立体热源100也可以包括多个电极与所述加热元件104电连接，其数量不限，通过控制不同的电极实现加热元件104有选择的加热各个区域。该多个电极中任意两个电极可分别与外部电路电连接，使电连接于该两个电极之间的加热元件104工作。优选地，该多个电极中的任意两个相邻的电极通过外接导线(图未示)分别与外部电源电连接，即交替间隔设置的电极同时接正极或负极。具体地，所述立体热源100可包括多个第一电极112及多个第二电极114，该多个第一电极112和多个第二电极114交替间隔设置。所述多个第一电极112之间可相互电连并接接外部电源正极，所述多个第二电极114之间可相互电连接并接外部电源负极。

可以理解，第一电极110和第二电极112的结构和材料均不限，其设置目的是为了使所述加热元件104中碳纳米管结构流过电流。因此，所述第一电极110和第二电极112只需要导电，并与所述加热元件104中碳纳米管结构之间形成电接触都在本发明的保护范围内。所述第一电极110和第二电极112的具体位置不限，只需确保第一电极110与第二电极112分别与加热元件104电连接。

所述立体热源100进一步包括一热反射层108，热反射层108用于反射加热元件104所发出的热量，使其有效地对中空的三维支撑结构102内部空间加热。因此，热反射层108位于加热元件104外围，当加热元件104设置于中空的三维支撑结构102的内表面时，热反射层108设置于中空的三维支撑结构102与加热元件104之间或设置于中空的三维支撑结构102的外表面；当加热元件104设置于中空的三维支撑结构102的外表面时，热反射层108设置于加热元件的外表面，即加热元件104设置于中空的三维支撑结构102与热反射层108之间。本实施例中，由于加热元件104设置于中空的三维支撑结构102的外表面，所以热反射层108设置于加热元件104的外表面。热反射层108的材料为一白色绝缘材料，如：金属氧化物、金属盐或陶瓷等。热反射层108通过溅射或涂敷的方法设置于中空的三维支撑结构102的外表面。本实施例中，热反射层108的材料优选为三氧化二铝，其厚度为100微米～0.5毫米。可以理解，该热反射层108为一可选择结构，当立体热源100未包括热反射层时，该立体热源100也可用于对外加热。

所述立体热源100进一步包括一绝缘保护层(图未示)。所述绝缘保护层用来防止该立体热源100在使用时与外界形成电接触，同时还可以防止加热元件104中的碳纳米管结构吸附外界杂质。绝缘保护层设置于加热元件可与外界接触的表面上。可以理解，所述绝缘保护层106为一可选择结构。当加热元件104不与外界接触时，可无需绝缘保护层。所述绝缘保护层的材料为一绝缘材料，如：橡胶、树脂等。所述绝缘保护层厚度不限，可以根据实际情况选择。优选地，该绝缘保护层的厚度为0.5～2毫米。该绝缘保护层可通过涂敷或溅射的方法形成于加热元件104的表面。本实施例中，由于加热元件104设置于中空的三维支撑结构102与热反射层108之间，所以无需绝缘保护层。

本实施例提供一种使用上述立体热源100加热物体的方法，其包括以下步骤：提供一待加热的物体；将待加热的物体设置于该立体热源100的内部空间中；将立体热源100通过第一电极110与第二电极112连接导线接入1伏～20伏的电源电压，使立体热源100加热功率为1瓦～40瓦，该立体热源可以辐射出波长较长的电磁波。通过温度测量仪测量发现该立体热源100的加热元件104表面的温度为50℃～500℃，加热待加热物体。可见，该碳纳米管结构具有较高的电热转换效率。由于加热元件104表面的热量以热辐射的形式传递给待加热物体，加热效果不会因为待加热物体中各个部分与立体热源100的距离不同而产生较大的不同，可实现对待加热物体的均匀加热。对于具有黑体结构的物体来说，其所对应的温度为200℃～450℃时就能发出人眼看不见的热辐射(红外线)，此时的热辐射最稳定、效率最高，所产生的热辐射热量最大。

该立体热源100在使用时，可以将其与待加热的物体表面直接接触或将其与被加热的物体间隔设置，利用其热辐射即可进行加热。该立体热源100可以广泛应用于如工厂管道、实验室加热炉或厨具电烤箱等。

请参见图5、6和7，本发明第二实施例提供一种立体热源200。该立体热源200包括一加热元件204、一热反射层208、第一电极210及第二电极212。该加热元件204构成一中空的三维结构。该第一电极210及第二电极212分别与加热元件204电连接，用于使所述加热元件204接通电源从而流过电流。所述加热元件204折叠形成一立方体形状的中空三维结构。所述第一电极210及第二电极212间隔设置，分别设置于加热元件204所形成的立方体形状的中空三维结构的相对的侧边上，并可起到支撑加热元件204的作用。所述第一电极210及第二电极212为线状，且大致相互平行。所述的热反射层208设置于加热元件204的外表面。该立体热源200可进一步包括多个电极，该多个电极间隔平行设置，加热元件204设置于该多个电极的外围，以该多个电极为支撑体，形成一中空的立体结构。可以理解，该多个电极可以看作一中空的三维支撑结构。本实施例中的立体热源200与第一实施例基本相同，其不同之处在于本实施例中的立体热源200采用电极作为中空的三维支撑结构用于支撑加热元件204。

请参见图8和9，本发明第三实施例提供一种立体热源300。该立体热源300包括一中空的三维支撑结构302，一加热元件304，一第一电极310及一第二电极312。该加热元件304设置于该中空的三维支撑结构302的外表面。该第一电极310和第二电极312并分别与加热元件104电连接，间隔设置于加热元件204的外表面上，用于使所述加热元件104接通电源从而流过电流。该三维支撑结构302为一半球状中空三维结构，加热元件304包覆于该三维支撑结构302的外表面，形成一半球状，或半椭球状结构。第一电极310为点状，位于加热元件302的底部，第二电极312为环状，环绕于半球状结构的加热元件302的顶部。该立体热源300进一步包括一热反射层308，该热反射层设置于加热元件304的外围。本实施例中，该热反射层308覆盖第一电极310与第二电极312并设置于加热元件304的外表面。本实施例中的立体热源300与第一实施例基本相同，其不同点在于本实施例中的立体热源300为一半球状或半椭球状的中空三维结构。当然立体热源300为也可以为其他类似的近一端开口的形状。

所述的立体热源具有以下优点：第一，由于碳纳米管具有较好的强度及韧性，碳纳米管结构的强度较大，柔性较好，不易破裂，使立体热源具有较长的使用寿命。第二，该碳纳米管结构的单位面积热容较小，小于2×10^-4焦耳每平方厘米开尔文，碳纳米管结构可以较快的升温并将热量传递出去，因此，该立体热源具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快、辐射效率高的特点。其三，碳纳米管膜为直接从碳纳米管阵列拉取获得，制备方法简单，适合量产，且通过不同大小的碳纳米管阵列可以获得不同大小的碳纳米管膜，碳纳米管结构的尺寸可控。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种立体热源，其包括一个加热元件及至少两个电极，该至少两个电极分别与所述加热元件电连接；其特征在于：

所述的加热元件构成一个中空的三维结构，该加热元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个基本平行的碳纳米管。

2.如权利要求1所述的立体热源，其特征在于，所述碳纳米管膜中的多个碳纳米管通过范德华力首尾相连。

3.如权利要求2所述的立体热源，其特征在于，所述碳纳米管膜中的多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列。

4.如权利要求3所述的立体热源，其特征在于，所述碳纳米管膜中的碳纳米管的轴向基本沿一个电极向另一个电极延伸。

5.如权利要求1所述的立体热源，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段包括多个相互大致平行的碳纳米管，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。

6.如权利要求1所述的立体热源，其特征在于，所述碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米。

7.如权利要求1所述的立体热源，其特征在于，所述加热元件的单位面积热容小于2×10^-4焦耳每平方厘米开尔文。

8.如权利要求1所述的立体热源，其特征在于，所述加热元件包括多层碳纳米管膜，该多层碳纳米管膜层叠设置或并排设置。

9.如权利要求1所述的立体热源，其特征在于，所述的立体热源进一步包括一热反射层设置于该加热元件的一侧。

10.如权利要求1所述的立体热源，其特征在于，所述立体热源包括多个电极，该多个电极间隔设置且分别与加热元件电连接。

11.如权利要求10所述的立体热源，其特征在于，所述立体热源包括多个第一电极与多个第二电极连续地交替间隔设置，所述多个第一电极之间电连接，所述多个第二电极之间电连接。

12.一种立体热源，其包括一个加热元件及至少两个电极，该至少两个电极分别与所述加热元件电连接；其特征在于：

该立体热源进一步包括一中空的三维支撑结构，所述的加热元件设置于该中空的三维支撑结构的表面，该加热元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管。

13.如权利要求12所述的立体热源，其特征在于，所述的加热元件通过粘结剂或机械连接方式设置于该三维支撑结构的内表面或外表面。

14.如权利要求12所述的立体热源，其特征在于，所述三维支撑结构的材料为柔性材料或硬性材料，且所述柔性材料为柔性树脂、橡胶、柔性塑料或柔性纤维，所述硬性材料为陶瓷、玻璃、硬性树脂、石英或硬性塑料。

15.如权利要求12所述的立体热源，其特征在于，所述三维支撑结构的形状为管状、球状或长方体状。

16.如权利要求12所述的立体热源，其特征在于，所述三维支撑结构为管道、锅炉壳体或杯子。

17.一种立体热源，其包括：

一个加热元件；以及

至少两个电极间隔设置并与所述加热元件电连接，

其特征在于，所述的加热元件构成一个中空的三维结构，所述的加热元件包括至少一自支撑的碳纳米管结构，该自支撑的碳纳米管结构包括多个碳纳米管首尾相连且通过范德华力连接。

18.如权利要求17所述的立体热源，其特征在于，所述自支撑的碳纳米管结构中碳纳米管均匀分布。

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