201006298 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種空心熱源，尤其涉及一種基於奈米碳 管的空心熱源。 【先前技術】 熱源在人們的生產、生活、科研中起著重要的作用。 空心熱源係熱源的一種，其特點為空心熱源具有一空心結 構，將待加熱物體設置於該空心結構的空心中對物體進^ ⑩加熱，故，空心熱源可對待加熱物體的各個部位同時加熱， 加熱面廣、加熱均勻且效率較高。空心熱源已成功用於工 業領域、科研領域或生活領域等，如工廠管道、官 熱爐或廚具電烤箱等。 ❹ 空心熱源的基本結構通常包括基底和設置在基底上的 電熱層’通過在電熱層中通入電流產生焦耳熱使電献層的 溫度升高進而加熱物體。先前的空心熱源的電 用金屬絲，如鉻鎳合金絲、銅絲、_或鶴料通 =的：切：。然而，採用金屬絲作為電熱層具有以 下缺點.其-’金屬絲表面容易被氧化，導致局部電阻辦 2 ’從而被燒斷’故使用壽命短；其二，金屬絲為灰“ 一ί ’故’熱輻射效率低，輻射距離短，且輕射不均句；盆 二，金屬絲密度較大，重量大，使用不便。 _ —，a 為解決金屬絲作騎歸存在㈣題， 具有良好的黑體輕射性能，密度小等優點 研究的熱點。碳纖維作為電減時，通常以碳纖纟^ = 式存在。所核纖維紙包括紙基材和雜亂分佈於該紙基材 6 201006298 •中的遞青基碳纖維。其中，，紙基材包括纖維素纖維和樹脂 等的混合物，瀝青基碳纖維的直徑為3〜6毫米，長度為5〜2〇 ， 微米。 …i而採用奴纖維紙作為加熱層具有以下缺點：其一， 碳纖維紙厚度較大，一般為幾十微米，使空心熱源不'易做 成微型結構，無法應用於微型器件的加熱。其二， =纖維紙中包含了紙基材，故該碳纖維紙的密度較大，'重/ 昼大’使知採用該碳纖維紙的空心執源使用便。並二， ❺由於該碳纖維紙中的湿青基碳纖維雜亂分佈’故該碳&維 紙的強度較小，柔性較差，容易破裂’限制了其應有範圍。 其四，碳纖維紙的電熱轉換效率較低，不利於節能環保。 有鑒於此，提供一種加熱效率高、強度韌性大、壽命 長、成本較低、可應用於宏觀和微觀器件，實際應用性能 好的空心熱源實為必要。 【發明内容】 —種空心熱源，其包括：一空心基底；一加熱層，該 ❹加熱層設置於空心基底的表面；以及至少兩個電極，且所 过至V、兩個電極間隔设置於加熱層的表面，並分別與該加 熱層電連接，其中，所述之加熱層包括一奈米碳管層，且 该奈米碳管層包括各向同性、沿一固定方向取向或不同方 向取向擇優排列的複數個奈米碳管。 相較於先前技術，所述之空心熱源具有以下優點：第 —’奈米碳管可方便地製成任意尺寸的奈米碳管層，既可 應用於宏觀領域也可應用於微觀領域。第二，奈米碳管比 妷纖維具有更小的密度，故，採用奈米碳管層的空心熱源 具有更輕的重量，使用方便。第三，奈米碳管層的電熱轉 201006298 .換效率高，熱阻率低，故該空心熱源具有升溫迅速、敎滞 後小、熱交換速度快的特點。第四，所述之奈米碳管層可 ♦通過礙壓奈米碳管陣列直接獲得，易於製備，成本較低。 【實施方式】 以下將結合附圖詳細說明本技術方案空心熱源。 請參閱圖1及圖2,本技術方案第一實施例提供一種 空心熱源1〇〇 ’該空心熱源100包括一空心基底1〇2 ; 一 加熱層104,該加熱層104設置於該空心基底1〇2的内表 ❹面；一反射層108’該反射層108位於加熱層1〇4的週邊， 设置於该空心基底102的外表面；一第一電極11〇及一第 二電極112’第一電極110和第二電極112間隔設置於加 熱層104的表面，並分別與加熱層1〇4電連接；—絕緣 保護層106,該絕緣保護層106設置於加熱層1〇4的内表 面。 所述空心基底102的材料不限，用於支撐加熱層 104，可為硬性材料，如：陶瓷、玻璃、樹脂、石英、塑 膠等。空心基底102亦可選擇柔性材料，如：樹脂、橡 膠、塑膠或柔性纖維等。當空心基底1〇2為柔性材料時， 該空心熱源100在使用時可根據需要彎折成任意形狀。 所述空心基底102的形狀大小不限，其具有一空心奸構 即可’可為管狀、球狀、長方體狀等，可為全封閉結^， 也可為半封閉結構，其具體可根據實際需要進行改變。 空心基底102的橫截面的形狀亦不限，可為圓形、弧形、 長方形等。本實施例中，空心基底102為一空 其橫截面為一圓形。 所述加熱層104設置於空心基底1〇2的内表面， 8 201006298 向空心基底102的内部空間加熱。所述加熱層104包括 一奈米碳管層，該奈米碳管層本身具有一定的粘性，可 * 利用本身的粘性設置於空心基底102的表面，也可通過 粘結劑設置於空心基底102的表面。所述之粘結劑為矽 膠。該奈米碳管層的長度、寬度和厚度不限，可根據實 際需要選擇。 所述奈米碳管層包括均勻分佈的奈米碳管。該奈米碳 管層中的奈米碳管與奈米碳管層的表面成一夾角α，其 ⑩中，α大於等於零度且小於等於15度（〇5〇^15°)。優選地， 所述奈米碳管層中的奈米碳管平行於奈米碳管層的表 面。該奈米碳管層可通過碾壓一奈米碳管陣列製備，依 據碾壓的方式不同，該奈米碳管層中的奈米碳管具有不 同的排列形式。具體地，奈米碳管可各向同性排列；當 沿不同方向碾壓時，奈米碳管沿不同方向擇優取向排 列，請參閱圖3 ;當沿同一方向碾壓時，奈米碳管沿一固 定方向擇優取向排列，請參閱圖4。所述奈米碳管層中的 _奈米碳管部分交疊。所述奈米碳管層中奈米碳管之間通 過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管層 具有很好的柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。 該奈米碳管層中的奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁 奈米碳管及多壁奈米礙管中的一種或多種。所述單壁奈 米碳管的直徑為0.5奈米〜10奈米，雙壁奈米碳管的直徑 為1奈米〜15奈米，多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米〜50 奈米。該奈米碳管的長度大於50微米。奈米碳管的長度 大於50微米，優選地，奈米碳管的長度為200〜900微米。 該奈米碳管層的面積和厚度不限，可根據實際需要選 9 201006298 擇。該奈米碳管層的面積與奈米碳管陣列所生長的基底 的尺寸有關。該奈米碳管層厚度與奈米碳管陣列的高度 以及碾壓的壓力有關’可為1微米至1毫米。可以理解， 奈米碳管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則製備的 奈米碳管層的厚度越大；反之，奈米碳管陣列的高度越 小而施加的壓力越大，則製備的奈米碳管層的厚度越 小。可以理解，奈米碳管層的熱回應速度與其厚度有關。 在相同面積的情況下，奈米碳管層的厚度越大，熱回應 ©速度越慢；反之，奈米碳管層的厚度越小，熱回度 越快。 一本實施例中，加熱層104採用厚度為100微米的夺 米碳管層。該奈米碳管層的長度為5厘米，奈米碳管層 的寬度為3厘米。利用奈米碳管層本身的粘性，將該‘ 米碳管層設置於空心基底1〇2的内表面。 所述第-電極11()和第二電極112可設置在加 二的同-表面上也可設置在加熱層綱的不同表面：。 β性^基蕾^ 110和第二電極112可通過奈米碳管層的枯 =電粘結劑（圖未示）設置於該加熱層1〇4的表面上。 與居ί、口劑在實現第一電極110和第2電極112與奈米碳 接觸的同時，還可將第一電極ιι〇 ==於奈米碳管層的表面上。通過該第一電極η。 極熱層綱施加㈣。其中，第-電 層的加隔設置，錢 象產生。優選地，熱時接入一定的阻值避免短路現 於* 、第電極U0和第二電極112間隔設置 二土 _ 102的兩端，並環繞設置於加熱層104的表 201006298 面。 • κ —電極m和第二電極112為導電薄膜、金屬 片或，盘屬引線。該導電薄膜的材料可為金屬、合金、 銦錫氧化物（ITO)、銻錫氧化物（AT0)、導電銀膠、 電聚合物等。該導電薄膜可通過物理氣相沈積法:化學 軋相沈積法或其他方法形成於加熱層104表面。該 片或者金屬引線的材料可為銅片或鋁片等。該金屬片可 通過導電粘結劑固定於加熱層104表面。 ❹ 戶斤述第-電請和第二電極112還可為一奈米碳管 結構。該奈米碳管結構設置於加熱層104的外表面。1 奈米碳管結構可通過其自身的枯性或導電枯結劑固定= 加熱層104的外表面。該奈米碳管結構包括定向排列且 =分佈的金屬性奈米碳f。具體地，該奈米碳管結構 包括至少一有序奈米碳管薄膜或至少一奈米碳管長線。 ^本實施例中，優選地，將兩個有序奈米碳管薄膜分別 設置於沿空心基底102長度方向的兩端作為第一電極HO ❹和第二電極112。該兩個有序奈米碳管薄膜環繞於加熱層 04的外表面，並通過導電粘結劑與加熱層之間形成 電接觸。所述導電減劑優選為銀膠。由於本實施例中 的加熱層104也採用奈米碳管層，故第一電極和第二 電極112與加熱層1〇4之間具有較小的歐姆接觸電阻，可 提高空心熱源1〇〇對電能的利用率。 所述反射層108用於反射加熱層1〇4所發出的熱量， 使其有效地對空心基底1〇2内部空間加熱。故，反射層 108位於加熱層104週邊，本實施例申，反射層設置 於玉心基底102的外表面。反射層1〇8的材料為一白色 11 201006298 .絕緣材料，如：金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷等。反射層 • 108通過濺射或塗敷的方法設置於空心基底1〇2的外表 面。本實施例中，反射層108的材料優選為三氧化二鋁， 其厚度為100微米〜〇·5毫米。該反射層1〇8通過濺射的 方法沈積於3亥空心基底1〇2外表面。可以理解，該反射 層108為一可選擇結構，當空心熱源1〇〇未包括反射層 時’該空心熱源1〇〇也可用於對外加熱。 所述絕緣保護層1〇6用來防止該空心熱源1〇〇在使用 ❺時與外界开>成電接觸，同時還可防止加熱層中的奈 米碳管層吸附外界雜質。本實施例中，絕緣保護層1〇6 設置於加熱層104的内表面。所述絕緣保護層106的材 料為一絕緣材料，如：橡膠、樹脂等。所述絕緣保護層 106厚度不限，可根據實際情況選擇。優選地，該絕緣保 護層106的厚度為〇.5〜2毫米。該絕緣保護層1〇6可通過 塗敷或濺射的方法形成於加熱層1〇4的表面。可以理解， 所述絕緣保護層1〇6為一可選擇結構。 _ 本實施例所提供的空心熱源100在應用時具體包括 以下步驟：提供一待加熱的物體；將待加熱的物體設置 於該空心熱源100的中心；將空心熱源1〇〇通過第一電 極110與第二電極112連接導線接入丄伏—加伏的電源電 壓後，加熱功率為i瓦〜40瓦，該空心熱源可輻射出波長 較長的電磁波。通過溫度測量儀紅外測溫儀AZ8859測量 發現该空心熱源1〇〇的加熱層1〇4表面的溫度為5〇勺 〜500 c，加熱待加熱物體。可見，該奈米碳管層具有較 高的電熱轉換效率。由於加熱層104表面的熱量二熱^ 射的形式傳遞給待加熱物體，加熱效果不會因為待加熱 12 201006298 物體中各個部分因為距離空心埶 •丄ΛΑ π η …、你iUU的不同而產生較 •大的不同，可實現對待加熱物體的均句加埶。對於具1 黑體結構的物體來說，其所對應的溫度為20(rc〜450t 就能發出人眼看不見的熱輻射（紅 最穩定'效率最高’所產生的熱轄射^最此大時的熱㈣ 而吉==熱源100在使用時，可將其與待加熱的物體表 直接接觸或將其與被加熱的物體間隔設置，利用其熱輻 射即可進行加熱。該空心熱源100可廣泛應用於如工^ _道、實驗室加熱爐或廚具電烤箱等。 本實施例中所提供的空心熱源100具有以下優點：其 一，加熱層104為一奈米碳管層，奈米碳管具有強的抗腐 蝕性，使其可在酸性環境中工作；其二，奈米碳管比同體 積的鋼強度高100倍，重量卻只有其1/6，故’採用奈米 碳管的空心熱源20具有更高的強度和更輕的重量；其三， 奈米碳管層為由碾壓奈米碳管陣列直接獲得，製備方法簡 單，適合1產，且通過礙壓不同大小的奈米碳管陣列可獲 ❺得不同大小的奈米碳管層，奈米碳管層的尺寸可控。 請參見圖5及圖6，本技術方案第二實施例提供一種 空心熱源200，該空心熱源200包括一空心基底202 ; — 加熱層204，該加熱層204設置於該空心基底202的内表 面·’一反射層208，該反射層208位於加熱層204的週邊； —第一電極210及一第二電極212,第一電極210和第二 電極212間隔設置於加熱層204的表面，並分別與加熱 層204電連接；一絕緣保護層206，該絕緣保護層206設 置於加熱層104的内表面。第二實施例中所提供的空心 熱源200與第一實施例所提供的空心熱源1〇〇的結構基 13 201006298 本相同，其區別在於反射層208設置於空心基底202與 加熱層204之間，位於加熱層1〇4的外表面。所述空心 • 基底202、加熱層204、反射層208、第一電極210及第 一電極212的結構和材料與第一實施例相同。 請參見圖7及圖8,本技術方案第三實施例提供一種 空心熱源300 ’該空心熱源300包括一空心基底302 ; — 加熱層304 ; —反射層208 ; —第一電極210及一第二電 極212，第一電極210和第二電極212間隔設置於加熱層 ❹204的表面’並分別與加熱層2〇4電連接。第三實施例中 的空心熱源300和第一實施例中的空心熱源1〇〇的結構 基本相同，其區別在於，該加熱層3〇4設置於該空心基 底202的外表面，該反射層2〇8設置於加熱層3〇4的外 表面’由於加熱層304設置於空心基底302和反射層208 之間’故’無需絕緣保護層，且加熱層3〇4與反射層3〇8 的位置不同。第三實施例中的所述空心基底3〇2、加熱層 3〇4、反射層308的結構和材料與第一實施例相同。 鲁 綜上所述’本發明確已符合發明專利之要件，遂依 法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實 施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知 本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變 化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1為本技術方案第一實施例所提供的空心埶源的姓 構示意圖。 、° 圖2為圖1沿ΙΙ-ΙΙ線的剖面示意圖。 圖3為本技術方案第一實施例採用的包括沿不同方向 201006298 擇優取向排列的奈米碳管的奈米碳管層的掃描電鏡照片。 圖4為本技術方案第一實施例採用的包括沿同一方向 擇優取向排列的奈米碳管的奈米碳管層的掃描電鏡照片。 圖5為本技術方案第二實施例所提供的空心熱源的結 構示意圖。 圖6為圖5沿VI-VI線的剖面示意圖。 圖7為本技術方案第三實施例所提供的空心熱源的結 構示意圖。 圖8為圖7沿VIII-VIII線的剖面示意圖。 【主要元件符號說明】 空心熱源 100, 200, 300 空心基底 102, 202, 302 加熱層 104, 204, 304 絕緣保護層 106, 206 反射層 108, 208, 308 參第一電極 110. 210, 310 第二電極 112, 212, 312 15