201008362 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 尤其涉及一種基於奈米碳 本發明涉及一種空心熱源 管的空心熱源。 【先前技術】 …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-種，其特點為空心熱源具有一空心結 ^將待加熱物體設置於該空心結構的空心中對物體進行 ”、、’故，空心熱源可對待加熱物體的各個部位同時加埶， =廣、加熱均句且效率較高。空心熱源已成功用於工 業項域、科研領域或生活領域等，如工 熱爐或廚具電烤箱等。 實驗至加 空心熱源的基本結構通常包括基底和設 電；層’通過在電熱層中通入電流產生焦耳熱使電= 尚進而加熱物體。先前的空心熱源的電熱層通常採 孟、4，如鉻鎳合金絲、銅絲、鉬絲或鎢絲等通過鋪設 ©或纏繞的方式形成。然而，採用金屬絲作為電熱層具有以 下缺點.其一’金屬絲表面容易被氧化，導致局部電阻辦 :口，從而被燒斷，故使用壽命短；其二，金屬絲為灰“ 一士，故，熱輻射效率低，輻射距離短，且輻射不均勻；其 一金屬絲密度較大，重量大，使用不便。 為解決金屬絲作為電熱層存在的問題，碳纖維因為其 具有良好的黑體輻射性能，密度小等優點成為電熱層材料 的熱點。碳纖維作為電熱層時，通常以碳纖維紙的形 ，子在。所述碳纖維紙包括紙基材和雜亂分佈於該紙基材 6 201008362 :的瀝月基碳纖維。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 •微米。 ， υ . 然而，採用碳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，由於該 f纖維紙中包含了紙基材，故該碳纖維紙的密度較大，重 里大，使得採用該碳纖維紙的空心熱源使用不便。其三， 〇由於該碳纖維紙中的瀝青基碳纖維雜亂分佈，㈣碳纖維 、、氏的強度較小，柔性較差，容易破裂，限制了其應有範圍。 其四，石反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】 一種空心熱源，其包括：一空心基底；一加熱層，該 ❿加熱層設置於空心基底的表面；以及至少兩個電極’且所 述至少兩個電極間隔設置，並分別與該加熱層電連接，其 =二所述之加熱層包括至少一奈米碳管薄膜，且該奈米碳 B薄膜包括複數個首尾相連且擇優取向排列的奈米碳管。 與先前技術相比較，所述之空心熱源具有以下優點： 第一，奈米碳管的直徑較小，使得奈米碳管層具有較小的 厚度’可製備微型空心熱源，應用於微型器件的加熱。第 二:奈米碳官比碳纖維具有更小的密度，所以，採用奈米 石厌官層的空心熱源具有更輕的重量，使用方便。第三，所 述之奈米碳管層包括至少一奈米碳管薄膜，同一奈米碳管 201008362 薄膜中的奈米碳管沿同一方向排列，具有較低的電阻，且 奈米碳管的電熱轉換效率高，熱阻率低，所以該空心熱源 -具有升溫迅速、熱滞後小、熱交換速度快的特點。 .【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100 ’該空心熱源100包括一空心基底102 ;— 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， 设置於該空心基底102的外表面；一第一電極HQ及一第 二電極112，第一電極11〇和第二電極112間隔設置於加 熱層104的表面’並分別與加熱層電連接；一絕緣 保遵層106，該絕緣保護層1〇6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，用於支樓加熱層 104，可為硬性材料，如：陶瓷、玻璃、樹脂、石英、塑 ❾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。當空心基底撤為柔性材料時， 該空心熱源100在使用時可根據需要彎折成任意形狀。 所述王〜基底102的形狀大小不限，其具有一空心結 7可’可為管狀、球狀、長方體狀等，可為全封閉結構， 為半封閉結構，其具體可根據實際需要進行改變。 工〜基，102的橫截面的形狀亦不限，可為圓形、弧形、 方形專本實施例中，空心基底102為一空心陶奢a 其橫截面為一圓形。 二、陶是管’ 所述加熱層104設置於空心基底1〇2的内表面，用於 8 201008362 向空心基底102的内部空間加熱。所述加熱層包括 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1〇2的表面，也可通過 枯結劑a又置於空心基底1 〇2的表面。所述之枯結劑為石夕 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。本技術方案所提供的奈米碳管層的厚度為丄 微米-1毫来。 0 所述加熱層包104括至少一奈米碳管薄膜。請參閱 ❹圖3 ’該奈米碳管薄膜可通過直接拉伸一奈米碳管陣列獲 得。該奈米碳管薄膜包括複數個首尾相連且沿拉伸方向 擇優取向排列的奈米碳管。所述奈米碳管均勻分佈，且 平行於奈米碳管薄膜表面。所述奈米碳管薄 碳管之間通過凡德瓦爾力連接。一方面 米碳管之間通過凡德瓦爾力連接，另一方面，平行的奈 f碳管之間部分亦通過凡德瓦爾力結合，故，該奈米碳 管薄膜具有-定的柔韌性，可彎曲折疊成任意形二不 ❾破裂，且採用該奈米碳管薄膜的空心熱源100具有較長 的使用壽命。 ^所述奈米碳管薄膜中的奈米碳管包括單壁奈米碳 管:雙^奈米碳管及多壁奈米碳管中的—種或多種 述單壁奈米碳管的直徑為0·5奈米_10奈米，雙壁 S的直徑為1.0奈米-15奈米，多壁奈米碳管的直徑為\ 5 奈上50奈米。該奈米碳管的長度大於1〇〇微米广優選為 200-900 微米。 ^所述奈米碳管薄膜係由奈米碳管陣列經進一步處理 件到的，故其長度不限，寬度和奈米碳管陣列所生長的 9 201008362 基底的尺寸有關，可根據實際需求制得。本實施例中， 採用氣相沈積法在4英寸的基底生長超順排奈米碳管陣 列。所述奈来碳管薄膜的寬度可為〇 〇1厘米_1〇厘米 度為1奈米-loo微米。奈米碳管薄膜的厚度優選為〇1 微米-10微米。 ❹ 所述加熱層104包括至少兩層重疊設置的奈米碳管薄 膜時，相鄰的奈米碳管薄膜之間通過凡德瓦爾力緊密結 合。進一步’該奈米碳管層中的奈米碳管薄膜的層數不限， 且相鄰兩層奈米碳管薄膜中的奈米碳管的排列方向之間形 成一夾角α，OMgo度’具體可依據實際需求製備。可以 ^解’通過控制奈米碳管薄膜的層數可控制奈米碳管層的 厚度。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； 反奈米碳管層的厚度越小’熱回應速度越快。本實施 :中’所述奈米碳管層的厚度為！微米」毫米，奈米碳管 ^在小於1秒的時間内就可達到最高溫度。本實施例中， 不未碳管單層膜在0」毫秒時間内就可達到最高溫度。所 以，該空心熱源100適用於對物體快速加熱。 爲太本實施例中加熱層綱採用重疊且交叉設置的100 =米碳管薄臈，相鄰兩層奈米碳管薄膜之間交叉的角 ^為:〇度。該奈米碳管層中奈米碳管薄膜的長度為5厘 声？不未碳管薄膜的寬度為3厘米，奈米碳管薄膜的厚 ::50微米。利用奈米碳管層本身的枯性，將該奈米碳 吕層包裹於所述反射層210的表面。 所述第一電極i i 〇和第二電極i i 2間隔設置且分別與 "、、層104電連接，可設置在加熱層1〇4的同一表面上 201008362 也可没置在加熱層104的不同表面上。所述第一電極no 和第二電極112可通過奈米碳管層的粘性或導電粘結劑 (圖未示）設置於該加熱層1〇4的表面上。導電粘結劑在實 .現第一電極110和第二電極112與奈米碳管層電接觸的同 時’還可將第一電極110和第二電極112更好地固定於奈 米碳管層的表面上。通過該第一電極11〇和第二電極112 可對加熱層104施加電壓。其中，第一電極和第二電 極112之間相隔設置，以使採用奈米碳管層的加熱層1〇4 ❹通電發熱時接入一定的阻值避免短路現象產生。優選 地，第一電極110和第二電極112間隔設置於空心基底 102的兩端’並環繞設置於加熱層104的表面。 所述第一電極110和第二電極U2為導電薄膜、金屬 片或者金屬引線。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（AT〇)、導電銀膠、導 電聚合物等。該導電薄膜可通過物理氣相沈積法、化學 氣相沈積法或其他方法形成於加熱層104表面。該金屬 ❹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1〇4表面。 所述第一電極110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。該 奈米碳管結構可通過其自身的粘性或導電粘結劑固定= 加熱層104的外表面。該奈米碳管結構包括定向排列且 均勻分佈的金屬性奈米碳管。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 11 201008362 彳第電極112。該兩個有序奈米碳管薄膜環縫於 ι〇4的外表面，並通過導電枯結劑與加熱層1〇Γ之門 .斤述導電枯結劑優選為銀膠。由於本實施例中 .:费Γ曰104也採用奈米碳管層，所以第一電極110和第 一切f 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100對電能的利用率。 所述反射層108用於反射加熱層1〇4 使其有效地對空心基底皿内部空間加熱。反：層二 ❹位於加熱層104週邊，本實施例中，反射層1〇8設置於 空心基底102的外表面.反射層1〇8的材料為一白色絕 緣材料，如：金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷等。反射層1〇8 通過濺射或塗敷的方法設置於空心基底1〇2的外表面。 f實施例中，反射層1〇8的材料優選為三氧化二鋁，其 厚度為100微米_0.5毫米。該反射層1〇8通過濺射的方法 沈積於該空心基底102外表面。可以理解，該反射層1〇8 為一可選擇結構’當空心熱源1〇〇未包括反射層時，該 ❹空心熱源100也可用於對外加熱。 所述絕緣保護層106用來防止該空心熱源1〇〇在使用 時^外界形成電接觸，同時還可防止加熱層1〇4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1〇6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 濩層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106為一可選擇結構。 12 201008362 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連接導線接入工伏-如伏的電源電 職，加熱功率為i瓦_40瓦時，該空心熱源可輕射出波 長較長的電磁波。通過溫度測量儀紅外測溫儀AZ8859測 量發。現該空心熱源100的加熱層104表面的溫度為 -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I綱表面的熱量以熱輕射 的形式傳遞給待加熱物體，加熱效果不會因為待加埶物 體中各個部分因為距離^心熱源⑽的不同而產生較大 的不同，可實現對待加熱物體的均勻加熱。對於呈有里 體結構的物體來說，其所對應的溫度為2〇(rc_45(rc時就 出人眼看不見的熱輕射（紅外線），此時的熱輕射最 穩疋、效f最高，所產生的熱輻射熱量最大。 奈米碳管具有良好的導電性能以及熱穩定性作為一 ❹：丨ί的黑體結構，且具有比較高的熱輻射效率。本實施 二 對由ι〇0層奈米碳管交叉膜組成的奈米碳管層進 ^電熱性能測量。該奈米破管層長5厘米，寬3厘米。 將:亥奈米碳管層包裹於一外部直徑為i厘米的空心基底 上，且其位於第—電極110和第二電極112之間的長 厘f。電流沿著空心基底102的長度方向流入。 I (器刀別為紅外測溫儀RAYTEK RAYNER IP-Μ (埶 ^且）與紅外測溫儀测量儀器，型號為ΑΖ·8859。請參見、 〇 田加，功率為36瓦時，其表面溫度已經達到370 可見，该奈米碳管層具有較高的電熱轉換效率。 13 201008362 該空心熱源100在使用時，可將其與待加熱的物體表 面直接接觸或將其與被加熱的物體間隔設置，利用其熱 .射即可進行加熱。該空心熱源⑽可廣泛應用於如^管 •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，所以，採用奈 ©米碳管的空心熱源100具有更高的強度和更輕的重量；其 二，奈米碳管中的奈米碳管薄膜為直接從奈米碳管陣列拉 取獲得，製備方法簡單，適合量產，且通過不同大小的奈 米碳管陣列可獲得不同大小的奈米碳管薄膜’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 ❹面；一反射層208 ’該反射層208位於加熱層204的週邊； 一第一電極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 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104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 二電極212的結構和材料與第一實施例相同。 201008362 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 204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304設置於該空心基 底202的外表面，該反射層208設置於加熱層304的外 ❹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304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302、加熱層 3〇4、反射層308的結構和材料與第一實施例相同。 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 〇化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。4則戈變 【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熱源的結 構示意圖。 ” 圖2為圖1沿Π-ΙΙ線的剖面示意圖。 圖3為本技術方案實施例的奈米碳管薄膜的掃描電鏡 熱源的表面溫度與加 圖4為本技術方案實施例的空心 熱功率的關係圖。 15 201008362 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 第一電極 110. 210, 310 第二電極 112, 212, 312 16