CN101951706A - 碳纤维发热源及使用该碳纤维发热源的加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳纤维发热源，包括一束与预定数量的玻璃纤维组合在一起的碳纤维(碳纤维束)，其中围绕该碳纤维束有涂层，且该碳纤维束在高温发热时具有抗弯曲和强度的高抗张强度。该碳纤维发热源包括发热纤维，由至少一个碳纤维和玻璃纤维按预定比例组合来形成；连接端子，形成在所述发热纤维的两端，从而来自电力供电线的电力被施加于此；以及涂覆元件，使用所述涂覆元件将所述发热纤维的表面和连接端子涂覆。所述涂覆元件是硅有机化合物涂层，所述硅有机化合物涂层形成在所述发热纤维的表面上，并和连接端子接触。所述发热纤维是通过碳纤维、玻璃纤维和至少一束聚酯纤维组合而获得的。

Description

碳纤维发热源及使用该碳纤维发热源的加热系统

相关申请的交叉引用

本发明要求于2009年5月8日递交的韩国专利申请号为10-2009-40478、10-2009-40483和10-2009-40489的优先权，并在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种高温发热源，尤其涉及一种碳纤维发热源，该碳纤维发热源包括一束和预定数量的玻璃纤维组合在一起的碳纤维(碳纤维束)，其中在该碳纤维束周围围绕着硅有机化合物涂层，并且该碳纤维束具有高抗张强度以弯曲，以及当在高温发热时具有张力。

背景技术

通常，各种需要高温的加热系统，例如锅炉或者热水器，均设置有高温发热源。这种加热系统是通过利用从发热源发出或者辐射出的热，来加热水或者空气产生热水或者热气。当前，大多数加热系统是基于煤或石油燃烧获得的燃烧热，或者使用电力的发热源产生的焦耳热。

但是，近来，基于煤或石油的锅炉或者气流加热器由于环境污染包括空气污染的问题，以及原材料的耗尽带来的成本上升的问题而逐渐被减少使用。在这些情况下，已经逐渐增加了基于电力的电锅炉或者电热水器的使用。

这种电加热技术包括加热锅炉中循环的冷水的方法，或者利用电流施加至诸如镍铬合金线这样的绕组金属线形成的发热源时产生的焦耳热，加热穿过气流加热器的空气的方法，其中绕组金属线成线圈形式时具有高阻抗性。

但是，上述提及的线圈类型的发热源在存在流过其中的高电流时，在预定的高温发热。而且，这种发热需要很长时间，导致了大量的电能消耗。

另外，线圈在高电流下会固有地发射对人体有害的电磁波(EMI)。另外，当长时间使用发热源后，由于断路、漏电、电击或者过度加热会出现用电事故例如火灾事故。

为了解决上述提及的问题，已经提出了通过将碳纤维发热源应用于锅炉的直接加热循环冷水的方法，其中碳纤维发热源是通过给玻璃纤维涂覆泡沫碳化液体，将涂覆后的碳纤维插入真空管，在真空下密封真空管，并且将电能提供给该管的两端形成的。

与传统的镍铬合金线发热源相比，上述提及的方法减少了能量消耗，并且防止了有害电磁波的产生。但是，该方法由于真空管阻止了从碳纤维至外部的有效传递而存在问题。

另外，上述碳纤维发热源通过需要很长时间和高成本的复杂的过程获得。而且，碳纤维由于其抗冲击和张力的薄弱抵抗力而易被打破或损坏。另外，碳纤维不能弯曲或者折叠，由此必须以原始形态使用。

发明内容

本发明就上述问题而被提出，并且本发明的目的是提供一种碳纤维发热源，该碳纤维发热源是通过提供与预定数量的玻璃纤维组合在一起的碳纤维束，并且围绕该碳纤维束有涂覆层来形成的，以及提供了一种使用该碳纤维发热源的加热系统。碳纤维发热源在高温发热时具有高抗张强度，从而在张力下不会被打破或者损坏，可以容易地使其变形，以及可应用于锅炉和热水器。

本发明的另一个目的是提供一种纳米碳加热器，该纳米碳加热器是通过将碳纤维线插入石英管，并使用LPG和氢来密封，且在石英管的两端将镍金属线的连接端子裸落来形成的。该纳米碳加热器可被用作加热灯、空气加热气、加热管和锅炉的发热源，以提供良好的加热效率，通过避免氧气的直接燃烧而维持干净的室内环境，并且通过远红外射线和阴离子的发射有助于人类、动物和农作物的成长。

本发明的另一个目的是提供一种用于热交换器的碳纤维发热源，该用于热交换器的碳纤维发热源通过提供与预定量玻璃纤维组合在一起的碳纤维束，在碳纤维束的外表面涂覆并粘合有无机热抗陶瓷粘合剂以形成碳纤维发热金属线，以及将碳纤维发热金属线缠绕在水通道管的外部上来获得的，以及还提供了一种使用碳纤维发热源的电锅炉。碳纤维发热源直接加热水，并且通过快速的热交换有效地产生热水。因此，使用碳纤维发热源的电锅炉能够稳定且有效而低能耗地产生热水。

为了实现本发明的目的，本发明的一个方面提供一种碳纤维发热源，该碳纤维发热源包括发热纤维，该发热纤维通过将至少一束碳纤维与玻璃纤维按一定比例组合而形成；形成在该发热纤维的两端的连接端子，从而将电力供电线的电力施加至其上；和涂覆元件，利用该涂覆元件涂覆该发热纤维的表面和连接端子。

该涂覆元件可以是形成在发热纤维的表面并且与连接端子接触的硅有机化合物涂层。

该发热纤维可通过将60％-95％的碳纤维和40％-5％的玻璃纤维组合而获得。

该发热纤维可通过将碳纤维、玻璃纤维和至少一束聚酯纤维组合而获得。

该发热纤维以预定间隔被缠绕在铝棒上，然后在加热腔室中被加热至1500-2000℃的温度，从而多股纤维彼此被完整地捆绑在一起形成螺旋形状。

该连接端子可以通过将镍金属线焊接在发热纤维的两端而与该两端一体形成。

该涂覆元件可以是石英管，该石英管的内部空间填充有LPG和氢气，以及容纳且密封该发热纤维，仅连接端子的一部分在两端被裸露。

在一个实施例中，该发热源还包括：安装在石英管的后面的反射板，以反射热；在石英管的两端与连接端子连接的电线；和电源，用于将电能通过电线提供来加热碳纤维。

在另一个实施例中，发热源还可包括：不锈钢波纹管、聚乙烯(PE)管或交联聚乙烯XL管形成的加热管，该加热管容纳有以预设间隔形成为一条线的多个石英管；电线，该电线与处于在加热管中的石英管两端的连接端子连接，按照这种方式连接后石英管平行连接；以及电源，用于将电能通过电线提供来加热碳纤维。

在另一个实施例中，发热源还包括：水通道管，通过该水通道管水流动，其中该发热纤维沿着水通道管的外圆周表面，以2mm至20mm间距按螺旋形状缠绕，以及该涂覆元件可以是抗热涂层，水通道管和发热纤维被该抗热抗涂层所包裹。

该发热纤维可以通过提供和预定数量的玻璃纤维组合在一起的碳纤维碳纤维的纤维束来构成，以及用无机抗热陶瓷粘结剂涂覆在该纤维束的外表面形成0.3mm至0.5mm的厚度，从而该纤维彼此一体绑定在一起。该无机抗热陶瓷粘结剂包含二氧化硅、氧化锆和陶瓷成分。，

另外，本发明的另一方面提供一种使用碳纤维发热源加热引入热水箱中水的加热系统。该加热系统包括：碳纤维发热源设置在热水箱内部的用于加热引入其中的水碳纤维；所述碳纤维发热源是如同前面所定义的一样的发热源，水供给线，用于将在热水箱中被加热的水供给给外部；管道线路，通过该管道线路，在热水箱中加热的水被循环；温度传感器，用于探测热水箱中的热水的温度；以及控制单元，用于根据温度传感器探测的热水箱中的热水温度，控制电线的供电。

在一个实施例中，加热系统还包括：冷水供给管，通过该冷水供给管饮用水被引入进热水箱中；以及热水供给管，通过该热水供给管向外供给在热水箱中加热的热水。

该发热源可以以线圈形式提供，该线圈在垂直方向以大约2mm至5mm的间隔缠绕，设置在热水容箱中。

在另一个实施例中，在本文中公开的使用碳纤维发热源的加热系统包括：加热腔室，所述加热腔室具有内部空间；在腔室一侧形成的进口，该进口用于导入空气；以及形成在另一侧的出口，用于放出加热的空气；风扇，设置在进口附近，以迫使外部空气吸进加热腔室中；沿着纵向平行排列在加热腔室中的多个碳纤维发热源；电线，与形成在碳纤维发热源的两端的连接端子连接，按照这种方式连接后石英管平行连接；以及电源，用于将电能通过电线提供来加热发热纤维。

在另一个实施例中，如在本文中所公开的使用碳纤维发热源的加热系统包括：具有内部空间的热交换器；形成在一侧的进口，用于引入水；以及形成在其另一侧的出口，用于放出加热的水；形成在热交换器的内部空间中的加热腔室；多个碳纤维发热源，沿着纵向平行排列在加热腔室中；电线，与形成在碳纤维发热源的两端的连接端子连接，按照这种方式连接后石英管平行连接；电源，用于将电能通过电线提供来加热发热纤维；和热水交换腔室，形成在加热腔室的顶部，用于对存储在加热腔室中的热水保温。

在另一个实施例中，如在本文中所公开的使用碳纤维发热源的加热系统包括：外部壳体，在其内表面上包括玻璃纤维热绝缘层，并且具有内部空间；设置在外部壳体中的上面描述的碳纤维发热源；冷水进口，形成在碳纤维发热源的一端，是碳纤维发热源所包裹的水通道管的一端，用于将冷水引入水通道管；热水出口，形成在碳纤维发热源的另一端，是碳纤维发热源所包裹的水通道管的另一端，用于将加热的热水通过水通道管释放至外部；循环泵，用于循环通过冷水进口和热水出口的水通道管中的水；以及电源，与碳纤维发热源的两端连接，用于供电。

本发明碳纤维发热源包括与预定数量的玻璃纤维组合在一起的碳纤维的纤维束在被供电时发热。因此，碳纤维发热源具有源自玻璃纤维的高抗张强度，以及是易弯曲的，从而碳纤维发热源可以在多个方向弯曲。另外，碳纤维发热源确保了安全，从而碳纤维即使在张力下不会被打破或者损坏。另外，碳纤维发热源提供了高的效能，这是因为碳纤维发热源短时间内在高温下发热而具有低能耗。因此，当碳纤维发热源被用作锅炉或者热水器的加热器时，加热器具有简单的结构，低能耗和高效率。

另外，根据本发明的一个实施例，由通过将多股线拧在一起而形成的、用来加强张力的碳纤维线，按照预定间隔与聚酯线一起被缠绕在铝棒上，从而形成类似线圈的形状。当铝棒在加热腔室中被加热到1500-2000℃的温度时，聚酯线被熔化从而多股碳纤维线形成一体且具有弹性。然后，镍金属线被整体地焊接至具有加强张力的碳纤维线的两端，从而镍金属线用做用于提供电能的连接端子。此后，碳纤维线被插入石英管，LPG和氢气在真空下被填充进石英管，然后石英管的两端按照以下方式被密封，这种方式是仅仅管的两端被裸露落，从而完成了纳米碳加热器。纳米碳加热器被安装在反射板之前，而电线与两个连接端子连接，从而提供了允许加热室内空间的加热灯，具有低能耗的高热量值，维护了室内环境，放射出阴离子和远红外线，并且对人体、动物和农作物有利。

此外，根据本发明另一个实施例用于热交换器的碳纤维发热源和使用该碳纤维发热源的电锅炉，碳纤维发热源包括在施加电力后在高温发热的与预定数量玻璃纤维组合在一起的碳纤维的纤维素，其中碳纤维和玻璃纤维通过无机抗热陶瓷粘结剂彼此一体地绑定在一起。由于碳纤维发热源被缠绕在水通道管上，碳纤维发热源直接加热流经水通道的水。在这种方式下，有可能来实现高效热交换，在低能耗下产生热水，实现源自玻璃纤维的高抗张强度和易弯曲性，通过施加无机抗热陶瓷粘结剂涂层，防止氧化，通过施加抗热涂层防止引起用电事故，以及在使用中实现高安全性。

附图说明

图1是示出了本发明一个实施例说明碳纤维发热源的透视图。

图2是示出了本发明一个实施例作为加热系统的锅炉的示意图。

图3是示出了本发明另一个实施例作为加热系统的热水器的示意图。

图4是示出了本发明另一个实施例作碳纤维发热源的制造工艺的示意图。

图5是示出了使用图4所示实施例的碳纤维发热源的加热灯的截面图。

图6是示出了使用图4所示实施例的碳纤维发热源的空气加热器的示意图。

图7是示出了本发明另一个实施例作为加热系统的加热管的示意图。

图8是示出了本发明另一个实施例作为加热系统的纳米碳锅炉的示意图。

图9是示出了本发明另一个实施例碳纤维发热源的透视图。

图10是图9所示的碳纤维发热源的截面图。

图11是示出了本发明再一个实施例作为加热系统的电锅炉的示意图。

【主要元件的详细描述】

110 碳纤维发热源

111 碳纤维                 112 玻璃纤维

113 电线                   114 连接固定元件

115 硅有机化合物涂层       120 锅炉

130 热水器                 121、131 热水箱

122 管道线路               123 给水管

132 冷水给水管             133 热水给水管

124、134 控制单元          125、135 温度传感器

201 碳纤维                 202 聚酯纤维

203 铝棒                   204 加热腔室

205 连接端子               206 石英管

210 碳纤维发热源

211 加热灯                 221 空气加热器

231 加热管                 241 纳米碳锅炉

301 电锅炉

310 碳纤维发热源

311 水通道管

312 碳纤维发热线

313 碳纤维                 314 玻璃纤维

315 无机抗热陶瓷粘结剂

316 抗热涂层

310a 冷水进口              310b 冷水出口

310c 循环泵                330 外部壳体

320 玻璃纤维热绝缘层

340 电源

具体实施方式

参见附图，从下面实施例的描述本发明的优点、特征和方面将会变得明显。实施例的描述将在下文进行阐述。

图1是本发明一个实施例碳纤维发热源的透视图。

如图1所示，该碳纤维发热源110是由一束两股或多股碳纤维111形成的，该碳纤维111在施加电力后高温时发热且具有预定长度。当提供了一束碳纤维111后，具有相同长度的预定数量的玻璃纤维112与该碳纤维111组合。

根据碳纤维111和玻璃纤维112的组合，具有抗外力的高抗张强度的玻璃纤维112用来支撑碳纤维111，该外力包括施加至碳纤维111两侧或者一侧的张力或者弯曲力。因此，玻璃纤维112可防止碳纤维111由于外力损坏，并且确保了高安全性。

碳纤维111与玻璃纤维112的组合是通过控制碳纤维111对玻璃纤维112的比例在60％-95％∶40％-5％来制成。即，高比例的碳纤维111可被用来增加热量值和热效。否则，相对高比例的玻璃纤维112可被用来确保高抗张强度和安全性。因此，组合比例可根据具体使用和期望的热量值来进行变化。

另外，金属电线113连接至碳纤维111的两端以给碳纤维111供电。在电线113连接至碳纤维111后，碳纤维111和电线113被绑定，并且通过具有预定宽度的连接固定元件114彼此紧紧地固定在一起。然后，由将碳纤维111和玻璃纤维112组合，以及将电线连接至碳纤维111形成的束(碳纤维束)的表面被涂覆有硅有机化合物涂层115，从而构成碳纤维发热源110。

上面描述的碳纤维发热源110由于其使用碳纤维111具有高热传导性、高强度和低热膨胀性的优点。此外，当通过电线113施加电力时，碳纤维发热源比传统的使用镍铬铁合金线的发热源，在高温时更加迅速发热，且具有低能耗，从而大大地减少了电能消耗。另外，使用预定数量的具有高抗张强度的玻璃纤维112防止了碳纤维的破坏，从而提高了安全性。而且，碳纤维发热源表面涂覆有具有高绝缘性的硅有机化合物涂层115，由此防止了由于电流流过碳纤维111而导致的用电事故。

在上述描述的碳纤维发热源110中，在表面上涂覆有的硅有机化合物涂层115具有250℃的熔点。当碳纤维发热源110向空气中发热的时候，硅有机化合物涂层115可在被加热到高于熔点之时融化。在这种情况下，碳纤维发热源110可被破坏或者可导致漏电或发生火灾。因此，优选的是碳纤维发热源110被加入在水中，以及允许与循环水之间进行热交换，由此碳纤维发热源110保持100-150℃的温度，这样防止了硅有机化合物涂层115融化。

此外，既然硅有机化合物涂层115具有良好的防水性，这就有效的防止了水渗透入碳纤维111和连接固定元件114。由此防止了用电事故，例如漏电。

图2是本发明一个实施例作为加热系统的锅炉的示意图。

如图1所示，在使用时，被加入水中的碳纤维发热源110，适于提供锅炉120和热水器130使用热水。下面将对本发明使用碳纤维发热源110的锅炉120和热水器130进行详细的描述。

首先，如图2所示，锅炉120一般使用加热系统加热引入到热水箱121的冷水到预定的温度。被加热系统加热的热水通过管道线路122循环流动来暖和地板，或者通过给水管123将热水传递至盥洗盆等。于此，锅炉120的加热系统包括碳纤维发热源110。通过这种方式，提供了使用碳纤维发热源110的锅炉120。

换句话说，碳纤维发热源110被设置在热水箱121的内部，而且碳纤维加热源的两端位于热水箱121的外部。另外，锅炉120包括连接至电线113的控制单元124，温度传感器125探测热水箱121中的温度，电线113用于供电。

在此，当碳纤维加热源110以简单的直线形式设置在热水箱121里时，提供了很小的热发射区域，并且耗用了大量的电能来在高温时发热。因此不足以来与热水箱121中的所有的水进行热交换。基于这个原因，碳纤维发热源110可按预设的2mm到5mm的小间隔来以线圈的形式缠绕，或者以线圈的形式，缠绕在例如棒状本体的内部核心物质上。以此方式，有可能增加邻近碳纤维发热源110的热发射区域，而低能耗地在高温时发热，以及改进了热传导性，从而短时间内有效地提供热水。

甚至当碳纤维发热源110按照上述描述方式的来折叠或者缠绕时，具有高抗张强度的玻璃纤维112防止碳纤维111被切断或者损坏，由此确保了高安全性。

在锅炉中，控制单元124通过温度传感器125探测热水箱124中的温度，然后供电至电线113来加热水箱121中的热水到预设温度，由此碳纤维发热源110发热。碳纤维发热源110与热水箱121中的冷水进行热交换，来允许在大约100-150℃时的热水沿着管道线路122循环，或者流入给水管123。此外，热水的温度可通过调节电线113的供电和碳纤维发热源110的温度而简单控制。

如上所述的锅炉120具有简单和紧凑的结构，生产方式简单，维护和维修简单，成本有效，以及快速而低能耗的在高温下发热，从而减少了电能消耗。此外，硅有机化合物涂层115防止多种用电事故来提供高安全性，足够卫生可接受的和安全的，水可直接接触硅有机化合物涂层，由此显示了高的热传导性。

接下来，图3是了本发明另一个实施例作为加热系统的热水器的示意图。

如图3所示的热水器130中，饮用水通过冷水给水管132引入热水箱131中，然后通过加热系统加热到预设温度。然后加热的水流入热水给水管133。在此，热水器130的加热系统包括碳纤维发热源110。以这种方式，提供了使用碳纤维发热源110的热水器130。

换句话说，与使用碳纤维发热源110的锅炉120相类似，碳纤维发热源110设置在热水箱131中的一侧，以及碳纤维发热源的两端位于热水箱131的外侧。此外，热水器130包括连接电线113的控制单元134，温度传感器135探测热水箱131内的温度，该电线113用于供电。

类似地，设置在热水箱131中的碳纤维发热源按照预设的大约2mm-5mm的小间隔缠绕成线圈的形式，或者以线圈的形式缠绕在内部核心物质上，例如类似棒状体。在这种方式下，有可能增加邻近碳纤维发热源110的发热区域，以实现高温下而低能耗的发热，以及提高热传导性，从而短时间内有效地提供热水。

在热水器中，控制单元134通过温度传感器135探测热水箱131中的温度，然后向电线113供电来将热水箱131内的饮用水加热至预设温度，从而碳纤维发热源110发热。碳纤维发热源110与热水箱131中的饮用水进行热交换，由此将适于饮用的大约40-100℃温度的饮用水通过热水给水管133供给。另外，热水的温度可通过调节电线133的供电和碳纤维发热器110的温度而被简单控制。

如上面描述的热水器130也具有简单和紧凑的结构，生产方式简单，维护和维修简单，好的成本效率，以及快速而低能耗的在高温下发热，从而减少了电能消耗。此外，硅有机化合物涂层115防止各种用电事故来提供高安全性，并且是足够卫生可接受的从而饮用水可直接接触硅有机化合物涂层而没有任何污染，由此显示出了高热传导性。

根据上面所描述的碳纤维发热源110，碳纤维112允许短时间内在高温而低能耗的发热，而且按照预设的比率与碳纤维组合在一起的玻璃纤维112将高抗张强度分配给整个碳纤维发热源。因此，碳纤维发热源110即使在张力下不会被破坏或者损坏，由此确保了高安全性和实现了易弯曲性。此外，用来涂敷碳纤维发热源的硅有机化合物涂层115确保了在水中的安全且干净的应用。

另外，使用碳纤维发热源110作为加热系统的锅炉120和热水器130显示出了足以在短时间内提供热水的高热传导性，具有简单和紧凑的结构，维护和维修简单，减少电能消耗，以及能够安全和卫生的应用。

在另一个实施例中，提供在锅炉120或者热水器130中的每一个热水箱121、131中的碳纤维发热源110可被紧紧的插入到管中，例如石英玻璃管、不锈钢管或者铜管中，以通过防止与水直接接触提高安全性，以及便于将易变形的碳纤维发射源110固定。

图4示出了本发明另一个实施例，是制造碳纤维发热源的过程的示意图。

如图4所示，本发明的碳纤维发热源可以通过特定的过程获得，该过程包括提供碳纤维201，该碳纤维201是多股拧在一起以加强张力，和按照预设间隔，将碳纤维201和聚酯纤维202一起缠绕在铝棒203上。

然后，被缠绕了碳纤维201的铝棒203在加热腔室204内在1500-2000度被加热，从而碳纤维具有弹性和多股碳纤维被结合在一起，而聚酯纤维202融化。

此外，镍金属线一体地焊接在多股拧在一起以加强张力的碳纤维201的两端，由此镍金属线作为连接端子205来提供电能。

碳纤维201被插入至石英管206，以及LPG和氢气被填充至管中后，管的两端按下述方式密封，这种方式为仅仅连接端子205暴露，从而提供了碳纤维发热源210。

更加具体地，如经上述描述获得的碳纤维发热源210，通过将碳纤维与聚酯纤维202按照预设间隔缠绕在铝棒203，来保持其类似线圈状，该碳纤维为多股拧在一起，来加强张力。

缠绕有碳纤维201的铝棒203在加热腔室204中以1500-200℃被加热，由此，聚酯纤维202被融化，多股碳纤维被结合在一起且具有弹性。

然后，镍金属线一体焊接在碳纤维201的两端，该碳纤维201为多股拧在一起来加强张力，从而形成连接端子205来提供电能。

碳纤维201插入到石英管206，且LPG以及氢气填充入该管中后，该管的两端按下述方式来密封，该方式是仅连接端子205裸露落。当通过连接端子205提供电能时，碳纤维发热源210通过流经碳纤维201的电流发热，而填充在石英管206中的LPG和氢气经过部分燃烧来产生大量的热和光，以及发射阴离子和远红外射线。

图5示出了如图4所示的实施例，是使用碳纤维发热源的加热灯的截面图。

碳纤维发热源210安装在反射板212的前面。接着，电线213连接两个连接端子205，以及电源214在460v，10A的条件下提供电能，从而加热灯211发热。加热灯暖和室内空间，在该室内空间中，加热灯具有低能耗下的高热量值。当包括碳纤维210的纳米碳加热器210发热时，还发出对人体、动物和农作物有利的阴离子和远红外线，而且维持了干净的室内环境。

上面描述的使用碳纤维发热源210的加热系统带来了室内环境没有碳的燃烧，因此维持了干净的室内环境。另外，在纳米碳加热器210发热的过程中，发出的大量的阴离子和远红外线便于农作物和动物的成长。此外，加热系统与使用轻油的传统的加热系统相比，减少燃料成本至70％-80％。

图6是示出了使用如图4所示的实施例的碳纤维发热源的空气加热器的示意图。

碳纤维发热源210以预设的间隔被安装在不锈钢波纹管中，PE管或者XL管(232)中，且电线233连接至碳纤维发热源210的连接端子205。然后，由460v，10A条件的电源234提供电能，从而加热管231发热。加热管可安装在需要加热的某空间的地板的下方，或者可嵌入在地下室来实现地热加热。以这种方式，加热管在室内空间发热过程中显示了高热量值而低能耗。当包括碳纤维210的纳米碳加热器210从中发热时，还发射出对人体、农作物和动物有利的阴离子和远红外线，而维持干净的室内环境。

上面描述的使用碳纤维发热源210的加热系统不会引起在室内环境中碳的燃烧，因此维持了干净的室内空间。此外，在纳米碳加热器210的发热过程中，发出的大量阴离子和远红外线便于农作物和动物的成长。另外，加热系统与传统的使用轻油的加热系统相比较减少燃料成本至70％-80％。

图7是示出了本发明另一个实施例的作为加热系统的加热管的示意图。

多个碳纤维发热源210纵向放置在在加热腔室222中，电线223连接至两个连接端子205。然后，电能从460v，10A的电源224并联提供至多个碳纤维发热源，从而碳纤维发热源210发热。

另外，在如图7所示的空气加热器221中，当安装在包括碳纤维发热源210的加热腔室222的一侧的风扇225运行时，通过进口226进入的空气被加热，然后通过出口227放出，从而增加了室内空间的温度。以这种方式，空气加热器221显示了在室内空间发热过程中，高热量值而低能耗。当包括碳纤维210的纳米碳加热器210从中发热时，还发出对人体、动物和农作物有利的阴离子和远红外线，而维持了干净的室内环境。

上面描述的空气加热器221作为使用碳纤维发热源210的加热系统，不会引起室内环境的碳的燃烧，因此维持了干净的室内环境。另外，在纳米碳加热器210发热的过程中发出的大量阴离子和远红外线便于农作物和动物的成长。此外，空气加热器221与传统的使用轻油的加热系统相比，减少了燃料成本至70％-80％。

图8是示出本发明另一个实施例作为加热系统的纳米碳锅炉的示意图。

如图8所示，多个碳纤维发热源210被纵向设置在加热腔室242中，电线243连接至两个连接端子205。然后，电能由460v，10A的电源244并联提供至多个碳纤维发热源210，从而碳纤维发热源发热。

因此，热交换管245被设置在加热腔室242的外部，这样从热交换器的一侧的进口246引入的水被加热，然后在通过出口247输出之后，在需要加热的地方(未示出)进行循环。

热水交换腔室248被安装在加热腔室242的顶部，来提供允许使用加热的水的纳米碳锅炉241。在这种方式下，纳米碳锅炉241显示了在室内空间发热过程中的高热量值而低能耗，以及允许使用热水。当包括碳纤维210的纳米碳锅炉210从中发热时，还发出对人体、农作物和动物有利的阴离子和远红外线，而维持干净的室内环境。

上面描述的使用碳纤维发热源210的加热系统在室内空间中没有引起碳的燃烧，因此维持了干净的室内环境。此外，在纳米碳加热器210发热过程中发出的大量阴离子和远红外线有助于农作物和动物的生长。另外，该加热系统与传统的使用轻油的加热系统相比较减少燃料成本至70％-80％。

图9是示出本发明另一个实施例碳纤维发热源的透视图，以及图10是图9所示碳纤维发热源的剖面图。

如图9和10所示，热交换器的碳纤维发热源310包括水通道管311，缠绕在水通道管311上的碳纤维发热线312，以及抗热涂层316，通过该水通道管311水流过，水通道管和碳纤维发热线被该涂层316所包裹。

该水通道管311是通过将具有高热传导性的金属例如铝或铜被浇铸至用于流通水的中空的管来形成的。碳纤维发热线312以螺旋形状按预设的间隔，缠绕在水通道管的外圆周表面上。

缠绕在水通道管311上的碳纤维发热线312是由碳纤维313和玻璃纤维314组合的纤维束，以及将它们用无机抗热陶瓷粘结剂315来绑定形成的。

碳纤维发热线312是通过提供一束两股或者多股碳纤维313来形成的，该碳纤维313在施加电力后会在高温时发热，且具有预定长度。当提供一束碳纤维313时，预设数量的具有相同长度的玻璃纤维314与该碳纤维313组合在一起。

根据碳纤维313和玻璃纤维314的组合，具有抗外力的高抗张强度的玻璃纤维314，用来支撑碳纤维313，该外力包括施加至碳纤维111两侧或者其中一侧的张力或者弯曲力。因此，玻璃纤维314防止碳纤维313在缠绕在水通道管311的外表面后或者在施加外力后被损坏，以及确保了高安全性。

碳纤维313和玻璃纤维314的组合是通过控制碳纤维313对玻璃纤维314的比例在60％-95％∶40％-5％来制成的。即，碳纤维313的高比例可用来增加热量值和热效率。反之，相对高比例的玻璃纤维314可用来确保高抗张强度和安全性。因此，组合比例可根据具体使用和期望的热量值来变化。

尽管碳纤维313具有很多优点，例如高热传导性，高强度和低热膨胀特性，但是由于其在高温的低氧化稳定性而在使用中受到限制。

换而言之，尽管温度会根据生成碳纤维材料的具体方法或者内部原子排列而发生变化，但是碳纤维一般开始引起氧化在温度500℃或者更高的时候。在相对低的温度范围内，由于碳的低反应性，氧气渗透进碳的孔中，且引起扩散，导致碳内部全面的氧化。在相对高的温度范围，碳比氧具有较高的反应性，且氧不会渗透进碳中。因此，当从含碳材料表面上呈现的氧化膜接收到碳时，表面扩散会出现。在中间温度范围，两种类型的反应出现，当氧化过程时，孔形成在碳的表面上，且氧扩散进入碳内引起氧化。

因此，当碳纤维313在高温下发热时，碳纤维313受到快速的氧化。结果，碳纤维313显示了短的生命周期，低热量值和低效率。为了防止这种氧化，并且维持碳纤维固定在预先设定的形状，这就需要用无机抗热陶瓷粘结剂315来涂覆碳纤维313和玻璃纤维314束的外部表面，从而纤维彼此结合在一起。在这种方式下，有可能防止与氧的反应，即氧化，并且维持期望的形状。

无机抗热陶瓷粘结剂315作为在低温下的抗氧化熔融混合抗剂，从而混合物填充或者阻止碳纤维313中的碳的移动，以及将碳纤维313与玻璃纤维314一体地绑定成束。无机抗热陶瓷粘结剂315包括二氧化硅(SiO2)、二氧化锆(ZrO2)或者其他陶瓷成分，并且被施加至碳纤维313和玻璃纤维314的束上面至0.3mm-0.5mm厚度，然后进行干燥。无机抗热粘结剂315防止碳纤维313的氧化，由于二氧化硅、氧化锆或者陶瓷成分，即使在大约1700℃，将抗热抗性分配平均，没有环境污染的释放，以及将碳纤维和玻璃纤维一体绑定且固定。

另外，用于供电的金属连接端子(未示出)通过无机抗热陶瓷粘结剂315连接至碳纤维绑定有玻璃纤维314的束的两端，从而提供碳纤维发热线312。碳纤维发热线312使用碳纤维313，因此具有高热传导性、高强度和低热膨胀性等优点。当通过连接端子供电至碳纤维313时，碳纤维发热线比使用镍线的传统的发热源在高温时更快地发热，且还低能耗，从而显著地减少了电能消耗。此外，使用预定数量的具有高抗张强度的玻璃纤维314防止碳纤维313的破坏，从而提高了安全性。并且，碳纤维发热线的外部表面涂覆有无机抗热陶瓷粘结剂315，并且碳纤维与玻璃纤维绑定在一起，从而防止碳纤维313的氧化，且增加生命周期。

如上面描述获得的碳纤维发热金属线312被缠绕在水通道管311的外圆周表面上，然后还用抗热涂层316从周围包裹，该抗热涂层316由包括玻璃纤维，以及具有绝缘效果和在高温阻止形变的绝缘材料的抗热涂覆材料形成。在这种方式下，根据本发明提供了一种用于热交换器的碳纤维发热源310。

在此，碳纤维发热线312显示了高的热效率，由于邻近的碳纤维313引起了热裂变来在高温时短时间内发热。由于这个原因，碳纤维发热线312优选地以大约2mm-20mm间隔被缠绕在水通道管311上。

如上面描述的碳纤维发热源310包括碳纤维发热线312，该碳纤维发热线312使用在高温下发热而具有低能耗的碳纤维313，因此具有高热传导性、高强度和低热膨胀性等优点。另外，碳纤维发热线312比传统的使用镍铬铁合金金属线的发热源更快地低能耗地在高温下发热，从而显著地减少了电能消耗。

除了上述之外，使用预定数量的具有高抗张强度的玻璃纤维314防止碳纤维313的断裂，从而改进了安全性。而且，碳纤维发热线的外部表面被涂覆有无机抗热陶瓷粘结剂315，以及碳纤维与玻璃纤维被一体地绑定，从而防止碳纤维313的氧化和增加了生命周期。

另外，有可能来防止断开连接、漏电、电击或者过热引起的用电事故，从而增加了安全性。由于碳纤维发热线312被缠绕在水通道管311上或者与水通道管311紧密接触，将热直接传递给流经水通道管311的水，从而提供高热交换效率和短时间内产生热水。

具体地，抗热涂层316防止碳纤维313产生的热被释放至外部，因此进一步改进了热效率。抗热涂层316还具有高电绝缘特性来防止断开连接、漏电、电击或者过热引起的用电事故，因此允许用户更加安全且容易的操作热交换器的碳纤维发热源310。

热交换器的碳纤维发热源310可被应用于电锅炉301来有效地产生热水，并且获得高效率低能耗的电锅炉310。

图11是示出了本发明再一个实施例的作为加热系统的电锅炉的示意图。

如图11中，电锅炉301具有一般的锅炉形状，其内部是空的，并且在具有玻璃纤维热绝缘层320的外部壳体330内部设置作为热交换器的碳纤维发热源310。在热交换器的碳纤维发热源310的水通道管311的两端，连接有用于从外部将冷水引入水通道管311内部的冷水进口310a，和将通过用于热交换器的碳纤维发热源310加热的热水释放至外部的热水出口310b。另外，连接循环泵310c来允许热交换器的碳纤维发热源310的水通道管311中的水，通过冷水进口310a和热水出口310b持续地循环。换而言之，引入冷水进口310a的冷水流通过水通道管311，然后从热水出口310b释放。

另外，连接至用于热交换器的碳纤维发热源310的碳纤维313的连接端子，被连接至形成在外部壳体330的一侧的电源340，从而电源340提供的电力被施加至碳纤维313，因此允许碳纤维313在高温发热。通过调整电源340提供的电量或者使用定时器，有可能来控制碳纤维313的发热温度，以及控制电锅炉的驱动条件和时间。

另外，电锅炉301在外部壳体330的内表面上设置有玻璃纤维热绝缘层320，来防止热从用于热交换器的碳纤维发热源310中释放，从而更加地改进电锅炉301的热效率。

如上面描述的电锅炉301，当冷水通过折叠的进水口310a，利用循环泵310c从外部被引入用于热交换器的碳纤维发热源310的水通道管311中时，在电源340供电后，发热的碳纤维313加热流经水通道管311的冷水，从而执行热交换。在这种方式下，产生热水，然后通过热水出口310b从用于热交换器的碳纤维发热源310释放，从而可用来加热。

具体地，用于热交换器的碳纤维发热源310在外部壳体330的内部以线圈的形状缠绕多次。因此，有可能通过增加用作热交换器的碳纤维发热源310的单位长度，来加热流经水通道管311的冷水，至足够来加热的温度或者更高的温度。

尽管示出了用于热交换器的碳纤维发热源310被直接插入图11所示的电锅炉301的外部壳体330中，但是在碳纤维发热源310被插入具有抗腐蚀性能和强度的诸如铝管或者铜管这样的管中后即可使用。在后者这个例子中，有可能来保护用于热交换器的碳纤维发热源310，从而提供改进的安全性和服务时间。

如上所描述的使用用于热交换器的碳纤维发热源310的电锅炉301可在高温时低能耗的进行发热，从而显著地减少了电能消耗。电锅炉301防止各种用电事故来提供高安全性。电锅炉301还具有玻璃纤维热绝缘层320来提供高热效率，并且设置为简单且紧凑的结构，因此可被容易地应用在各种工业领域。

虽然本发明以特定实施例进行了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，可进行各种改变和修改，而不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.碳纤维发热源，包括：

发热纤维，由至少一束碳纤维和玻璃纤维按预定的比例组合；

连接端子，形成在所述发热纤维的两端，从而来自电力供电线的电力被施加于此；以及

涂覆元件，使用所述涂覆元件包覆所述发热纤维和连接端子的表面。

2.如权利要求1所述的碳纤维发热源，其中所述涂覆元件是硅有机化合物涂层，所述硅有机化合物涂层形成在所述发热纤维表面和连接端子上，并和所述发热纤维表面和连接端子接触。

3.如权利要求1所述的碳纤维发热源，其中所述发热源是通过将60％-95％的碳纤维和40％-5％的玻璃纤维组合在一起而获得的。

4.如权利要求1或3所述的一种碳纤维发热源，其中所述发热纤维是通过将碳纤维、玻璃纤维和至少一束聚酯纤维组合而获得的。

5.如权利要求1所述的碳纤维发热源，其中所述发热纤维以预设间隔被缠绕在铝棒上，以及在加热腔室中被加热至1500-2000℃的温度，从而多股所述纤维彼此一体地绑定在一起形成螺旋形状。

6.如权利要求1所述的碳纤维发热源，其中所述连接端子通过将镍金属线熔融至所述发热纤维的两端来与所述两端一体形成。

7.如权利要求1所述的碳纤维发热源，其中所述涂覆元件是石英管，所述石英管的内部空间填充有液化石油气LPG和氢气，容纳所述发热纤维，并且按下述方式将所述发热纤维密封在所述石英管的内部空间中，所述方式为仅部分所述连接端子在所述两端被裸露。

8.如权利要求7所述的碳纤维发热源，还包括：

反射板，被安装在所述石英管的后面，以反射热；

电线，被连接至所述石英管的两端的所述连接端子上；以及

电源，用于通过所述电线将电能提供来加热所述碳纤维。

9.如权利要求7所述的碳纤维发热源，还包括：

加热管，由波纹结构的不锈钢管、聚乙烯(PE)管或XL管形成，所述加热管容纳有按预设间隔形成为在一条线上的多个石英管热发射源；

电线，与设置在所述加热管中的所述石英管的两端的所述连接端子连接，以此方式所述石英管平行连接；以及

电源，用于通过所述电线将电源提供来加热所述碳纤维。

10.如权利要求1所述的碳纤维发热源，还包括：

水通道管，水通过所述水通道管流动，其中所述发热纤维沿着所述水通道管的外圆周表面以2mm至20mm间距按螺旋形状缠绕，以及所述涂覆元件是抗热涂层，所述水通道管和发热纤维被所述抗热涂层包裹。。

11.如权利要求10所述的碳纤维发热源，其中所述发热纤维通过提供与预设数量的玻璃纤维组合在一起的碳纤维束来形成，以及用无机抗热陶瓷粘结剂涂覆在所述束的外表面，形成0.3mm至0.5mm厚度，从而所述纤维被彼此一体绑定在一起，所述无机抗热陶瓷粘结剂包含二氧化硅、氧化锆和陶瓷成分。

12.使用碳纤维发热源加热引入热水箱中水的加热系统，包括：

如权利要求2所定义的碳纤维发热源，设置在热水箱内部，用于加热引入的水；

水供给线，用于将在所述热水箱中被加热的水供给给外部；

管道线路，通过所述管道线路，在所述热水箱中被加热的水被循环；

温度传感器，用于探测所述热水箱中的热水的温度；以及

控制单元，用于根据所述温度传感器探测的所述热水箱中的热水温度，控制经所述电线的供电。

13.如权利要求12所述的使用碳纤维发热源的加热系统，还包括：

冷水供给管，通过所述冷水供给管，饮用水被引入进所述热水箱中；以及

热水供给管，通过所述热水供给管，提供在所述热水箱中被加热的热水。

14.如权利要求12所述的使用碳纤维发热源的加热系统，其中所述发热源以线圈的形式提供，所述线圈在垂直方向以大约2mm至5mm的间隔缠绕，设置在所述热水箱内部。

15.使用碳纤维发热源的加热系统，包括：

加热腔室，所述加热腔室具有内部空间，形成在所述加热腔室一侧用于引入空气的进口，以及形成在另一侧用于放出加热的空气的出口；

风扇，设置在所述进口的附近以迫使外部空气被吸进所述加热腔室；

如权利要求7所定义的多个碳纤维发热源，沿着纵向平行排列在所述加热腔室中；

电线，与形成在所述碳纤维发热源的两端的所述连接端子连接，以使石英管平行连接；以及

电源，用于将电能通过电线提供来加热所述发热纤维。

16.使用碳纤维发热源的加热系统，包括：

热交换器，所述热交换器具有内部空间，形成在所述热交换器一侧用于导入水的进口以及形成在其另一侧用于放出加热的水的出口；

加热腔室，形成在所述热交换器的内部空间中；

如权利要求7所定义的多个碳纤维发热源，沿着纵向平行排列在所述加热腔室中；

电线，与形成在所述碳纤维发热源的两端的所述连接端子连接，以使石英管平行连接；

电源，用于将电能通过所述电线提供来加热所述发热纤维；以及

热水交换腔室，形成在所述加热腔室的顶部，用于对存储在所述加热腔室中的热水保温。

17.使用碳纤维发热源的加热系统，包括：

外部壳体，所述外部壳体在其内表面上包括玻璃纤维热绝缘层，并且具有内部空间；

如权利要求10所定义的碳纤维发热源，设置在所述外部壳体中；

冷水进口，形成在所述碳纤维发热源的水管通道的一端，用于将冷水导入水通道管；

热水出口，形成在所述碳纤维发热源的水管通道的另一端，用于将加热的热水通过所述水通道管释放至外部；

循环泵，用于循环连通所述冷水进口和热水出口的所述水通道管中的水；以及

电源，与所述碳纤维发热源的两端连接，用于供电。

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