TWI462630B - 面熱源 - Google Patents

Description

面熱源

本發明涉及一種面熱源，尤其涉及一種基於奈米碳管的面熱源。

熱源在人們的生產、生活、科研中起著重要的作用。面熱源係熱源的一種，其特點為面熱源具有一平面結構，將待加熱物體置於該平面結構的上方對物體進行加熱，故，面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。面熱源已成功用於工業領域、科研領域或生活領域等，如電加熱器、紅外治療儀、電暖器等。

先前面熱源一般包括一加熱層和至少兩個電極，該至少兩個電極設置於該加熱層的表面，並與該加熱層的表面電連接。當連接加熱層上的電極通入低電壓電流時，熱量立刻從加熱層釋放出來。現在市售的面熱源通常採用金屬製成的電熱絲作為加熱層進行電熱轉換。然而，電熱絲的強度不高易於折斷，特別係彎曲或繞折成一定角度時，故應用受到限制。另，以金屬製成的電熱絲所產生的熱量係以普通波長向外輻射的，其電熱轉換效率不高不利於節省能源。

非金屬碳纖維導電材料的發明為面熱源的發展帶來了突破。採用碳纖維的加熱層通常在碳纖維外部塗覆一層防水的絕緣層用作電熱轉換的元件以代替金屬電熱絲。由於碳纖維具有較好的韌性，這在一定程度上解決了電熱 絲強度不高易折斷的缺點。然而，由於碳纖維仍係以普通波長向外散熱，故並未解決電熱轉換率低的問題。為解決上述問題，採用碳纖維的加熱層一般包括多根碳纖維熱源線鋪設而成。該碳纖維熱源線為一外表包裹有化纖或者棉線的導電芯線。該化纖或者棉線的外面浸塗一層防水阻燃絕緣材料。所述導電芯線由多根碳纖維與多根表面黏塗有遠紅外塗料的棉線纏繞而成。導電芯線中加入黏塗有遠紅外塗料的棉線，一來可增強芯線的強度，二來可使通電後碳導纖維發出的熱量能以紅外波長向外輻射。

然而，採用碳纖維紙作為加熱層具有以下缺點：第一，碳纖維強度不夠大，柔性不夠好，容易破裂，需要加入棉線提高碳纖維的強度，限制了其應有範圍；第二，碳纖維本身的電熱轉換效率較低，需加入黏塗有遠紅外塗料的棉線提高電熱轉換效率，不利於節能環保；第三，需先製成碳纖維熱源線再製成加熱層，不利於大面積製作，不利於均勻性的要求，同時，不利於微型面熱源的製作。

有鑒於此，提供一種具有強度大，電熱轉換效率較高，有利於節省能源且發熱均勻，大小可控，可製成大面積或者微型的面熱源實為必要。

一種面熱源，包括一加熱層；至少兩電極，該至少兩個電極間隔設置且分別與該加熱層電接觸，其中，所述加熱層包括至少一奈米碳管薄膜，且該奈米碳管薄膜包括 複數個首尾相連且擇優取向排列的奈米碳管。

相較與先前技術，所述面熱源具有以下優點：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，可製備微型面熱源，應用於微型器件的加熱。第二，奈米碳管比碳纖維具有更小的密度，故，採用奈米碳管層的面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，故該面熱源具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快的特點。

以下將結合附圖及具體實施例詳細說明本技術方案所提供的面熱源。

請參閱圖1及圖2，本技術方案實施例提供一種面熱源10，該面熱源10包括一基底18、一反射層17、一加熱層16、一第一電極12、一第二電極14和一絕緣保護層15。所述反射層17設置於基底18的表面。所述加熱層16設置於所述反射層17的表面。所述第一電極12和第二電極14間隔設置於所述加熱層16的表面，並與該加熱層16電接觸，用於使所述加熱層16中流過電流。所述絕緣保護層15設置於所述加熱層16的表面，並將所述第一電極12和第二電極14覆蓋，用於避免所述加熱層16吸附外界雜質。

所述基底18形狀不限，其具有一表面用於支撐加熱層16或者反射層17。優選地，所述基底18為一板狀基底，其材料可為硬性材料，如：陶瓷、玻璃、樹脂、石英等， 亦可選擇柔性材料，如：塑膠或柔性纖維等。當為柔性材料時，該面熱源10在使用時可根據需要彎折成任意形狀。其中，基底18的大小不限，可依據實際需要進行改變。本實施例優選的基底18為一陶瓷基板。另，當加熱層16具有一定的自支撐性及穩定性時，所述面熱源10中的基底18為一可選擇的結構。

所述反射層17的設置用來反射加熱層16所發的熱量，從而控制加熱的方向，用於單面加熱，並進一步提高加熱的效率。所述反射層17的材料為一白色絕緣材料，如：金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷等。本實施例中，反射層17為三氧化二鋁層，其厚度為100微米~0.5毫米。該反射層17可通過濺射或其他方法形成於該基底18表面。可以理解，所述反射層17也可設置在基底18遠離加熱層16的表面，即所述基底18設置於所述加熱層16和所述反射層17之間，進一步加強反射層17反射熱量的作用。當面熱源10不包括基底18時，所述加熱層16可直接設置於所述反射層17的表面。所述反射層17為一可選擇的結構。所述加熱層16可直接設置在基底18的表面，此時面熱源10的加熱方向不限，可用於雙面加熱。

所述加熱層16包括一奈米碳管層，該奈米碳管層本身具有一定的黏性，可利用本身的黏性設置於基底18的表面，也可通過黏結劑設置於基底18的表面。所述之黏結劑為矽膠。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。本技術方案所提供的奈米碳管層的厚度為1微米-1毫米。

所述奈米碳管層包括至少一奈米碳管薄膜。請參閱圖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。所述奈米碳管薄膜中的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力連接。一方面，首尾相連的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力連接，另一方面，平行的奈米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一定的柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂，且採用該奈米碳管薄膜的面熱源10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、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或多種。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1.0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100微米。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得到的，故其長度不限，寬度和奈米碳管陣列所生長的基底的尺寸有關，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。所述奈米碳管薄膜的寬度可為0.01厘米-10厘米，厚度為1奈米-100微米。奈米碳管薄膜的厚度優選為0.1微米-10微米。

所述奈米碳管層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，0≦α≦90度，具體可依據實際需求製備。可以理解，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；反之，奈米碳管層的厚度越小，熱回應速度越快。本實施例中，所述奈米碳管層的厚度為1微米-1毫米，奈米碳管層在小於1秒的時間內就可達到最高溫度。本實施例中，單層奈米碳管薄膜在0.1毫秒時間內就可達到最高溫度。故，該面熱源10適用於對物體快速加熱。

本實施例中，加熱層16採用重疊且交叉設置的100層奈米碳管薄膜，相鄰兩層奈米碳管薄膜之間交叉的角度為90度。該奈米碳管層中奈米碳管薄膜的長度為5厘米，奈米碳管薄膜的寬度為3厘米，奈米碳管薄膜的厚度為50微米。利用奈米碳管層本身的黏性，將該奈米碳管層設置於反射層17的表面。

所述第一電極12和第二電極14由導電材料組成，該第一電極12和第二電極14的形狀不限，可為導電薄膜、金屬片或者金屬引線。優選地，第一電極12和第二電極14均為一層導電薄膜。該導電薄膜的厚度為0.5奈米~100微米。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(ATO)、導電銀膠、導電聚合物或導電 性奈米碳管等。該金屬或合金材料可為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、釹、鈀、銫或其任意組合的合金。本實施例中，所述第一電極12和第二電極14的材料為金屬鈀膜，厚度為5奈米。所述金屬鈀與奈米碳管具有較好的潤濕效果，有利於所述第一電極12及第二電極14與所述加熱層16之間形成良好的電接觸，減少歐姆接觸電阻。

所述之第一電極12和第二電極14可設置在加熱層16的同一表面上也可設置在加熱層16的不同表面上。或者，當所述面熱源10中未包括基底18時，也可將加熱層16固定在間隔的第一電極12和第二電極14表面，該第一電極12和第二電極14用於支撐加熱層16。其中，第一電極12和第二電極14間隔設置，以使加熱層16應用於面熱源10時接入一定的阻值避免短路現象產生。由於作為加熱層16的奈米碳管層本身有很好的黏附性，故第一電極12和第二電極14直接就可與奈米碳管層之間形成很好的電接觸。

另，所述之第一電極12和第二電極14也可通過一導電黏結劑(圖未示)設置於該加熱層16的表面上，導電黏結劑在實現第一電極12和第二電極14與加熱層16電接觸的同時，還可將所述第一電極12和第二電極14更好地固定於加熱層16的表面上。本實施例優選的導電黏結劑為銀膠。

可以理解，第一電極12和第二電極14的結構和材料均不限，其設置目的係為了使所述加熱層16中流過電流。故，所述第一電極12和第二電極14只需要導電，並與所述 加熱層16之間形成電接觸都在本發明的保護範圍內。

所述絕緣保護層15為一可選擇結構，其材料為一絕緣材料，如：橡膠、樹脂等。所述絕緣保護層15厚度不限，可根據實際情況選擇。所述絕緣保護層15覆蓋於所述第一電極12、第二電極14和加熱層16之上，可使該面熱源10在絕緣狀態下使用，同時還可避免所述加熱層16中的奈米碳管吸附外界雜質。本實施例中，該絕緣保護層15的材料為橡膠，其厚度為0.5~2毫米。

本技術方案實施例的面熱源10在使用時，可先將面熱源10的第一電極12和第二電極14連接導線後接入電源。在接入電源後熱源10中的奈米碳管層即可輻射出一定波長範圍的電磁波。所述面熱源10可與待加熱物體的表面直接接觸。或者，由於本實施例中作為加熱層16的奈米碳管層中的奈米碳管具有良好的導電性能，且該奈米碳管層本身已經具有一定的自支撐性及穩定性，所述面熱源10可與待加熱物體相隔一定的距離設置。

奈米碳管具有良好的導電性能以及熱穩定性，作為一理想的黑體結構，且具有比較高的熱輻射效率。本實施例中，對由100層奈米碳管交叉膜組成的奈米碳管層進行了電熱性能測量。該奈米碳管層長5厘米，寬3厘米。將該奈米碳管層包裹於一外部直徑為1厘米的基底18上，且其位於第一電極110和第二電極112之間的長度為3厘米。電流沿著基底18的長度方向流入。測量儀器分別為紅外測溫儀RAYTEK RAYNER IP-M與紅外測溫儀測量儀器，型號為AZ-8859。請參見圖4，當加熱功率為36瓦時，其表 面溫度已經達到370℃。可見，該奈米碳管層具有較高的電熱轉換效率。

本技術方案實施例中的面熱源10在奈米碳管層的面積大小一定時，可通過調節電源電壓大小和奈米碳管層的厚度，可輻射出不同波長範圍的電磁波。電源電壓的大小一定時，奈米碳管層的厚度和面熱源10輻出電磁波的波長成反比。即當電源電壓大小一定時，奈米碳管層的厚度越厚，面熱源10輻出電磁波的波長越短，該面熱源10可產生一可見光熱輻射；奈米碳管層的厚度越薄，面熱源10輻出電磁波的波長越長，該面熱源10可產生一紅外線熱輻射。奈米碳管層的厚度一定時，電源電壓的大小和面熱源10輻出電磁波的波長成反比。即當奈米碳管層的厚度一定時，電源電壓越大，面熱源10輻出電磁波的波長越短，該面熱源10可產生一可見光熱輻射；電源電壓越小，面熱源10輻出電磁波的波長越長，該面熱源10可產生一紅外熱輻射。

奈米碳管具有良好的導電性能以及熱穩定性，且作為一理想的黑體結構，具有比較高的熱輻射效率。將該面熱源10暴露在氧化性氣體或者大氣的環境中，其中奈米碳管層的厚度為5毫米，通過在10伏~30伏調節電源電壓，該面熱源10可輻射出波長較長的電磁波。通過溫度測量儀發現該面熱源10的溫度為50℃~500℃。對於具有黑體結構的物體來說，其所對應的溫度為200℃~450℃時就能發出人眼看不見的熱輻射(紅外線)，此時的熱輻射最穩定、效率最高。應用該奈米碳管層製成的發熱元件， 可應用於電加熱器、紅外治療儀、電暖器等領域。

進一步地，將本技術方案實施例中的面熱源10放入一真空裝置中，通過在80伏~150伏調節電源電壓，該面熱源10可輻射出波長較短的電磁波。當電源電壓大於150伏時，該面熱源10陸續會發出紅光、黃光等可見光。通過溫度測量儀發現該面熱源10的溫度可達到1500℃以上，此時會產生一普通熱輻射。隨著電源電壓的進一步增大，該面熱源10還能產生殺死細菌的人眼看不見的射線(紫外光)，可應用於光源、顯示器件等領域。

所述之面熱源具有以下優點：第一，由於奈米碳管具有較好的強度及韌性，奈米碳管層的強度較大，奈米碳管層的柔性好，不易破裂，使其具有較長的使用壽命。第二，奈米碳管層中的奈米碳管均勻分佈，奈米碳管層具有均勻的厚度及電阻，發熱均勻，奈米碳管的電熱轉換效率高，故該面熱源具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快、輻射效率高的特點。第三，奈米碳管的直徑較小，使得奈米碳管層具有較小的厚度，可製備微型面熱源，應用於微型器件的加熱。第四，奈米碳管層可通過從奈米碳管陣列中拉取後作進一步處理得到，方法簡單且有利於大面積面熱源的製作。

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。舉凡熟悉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內。

10‧‧‧面熱源

12‧‧‧第一電極

14‧‧‧第二電極

15‧‧‧絕緣保護層

16‧‧‧加熱層

17‧‧‧反射層

18‧‧‧基底

圖1係本技術方案實施例的面熱源的結構示意圖。

圖2係圖1的Ⅱ-Ⅱ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照片。

圖4為本技術方案實施例的面熱源的表面溫度與加熱功率的關係圖。

10‧‧‧面熱源

12‧‧‧第一電極

14‧‧‧第二電極

15‧‧‧絕緣保護層

16‧‧‧加熱層

17‧‧‧反射層

18‧‧‧基底

Claims (17)

1. 一種面熱源的裝置，其包括：一加熱層；以及至少兩電極，該至少兩個電極間隔設置且分別與該加熱層電接觸，其改良在於，所述加熱層包括至少兩個重疊設置的奈米碳管薄膜，且任意奈米碳管薄膜包括複數個首尾相連且擇優取向排列的奈米碳管，相鄰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，0≦α≦90度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，所述奈米碳管的長度大於100微米，直徑小於50奈米。
3. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，相鄰兩個奈米碳管薄膜之間通過凡德瓦爾力緊密連接。
4. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，所述奈米碳管薄膜中的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力連接。
5. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，所述奈米碳管薄膜的厚度為1奈米~100微米。
6. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，所述加熱層的厚度為1微米~1毫米。
7. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，所述至少兩電極的材料為金屬、合金、銦錫氧化物、銻錫氧化物、導電銀膠、導電聚合物或導電性奈米碳管。
8. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，所述至少兩電極間隔設置在奈米碳管層的同一表面或者不同表面。
9. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，所述面熱源進一步包括一板狀基底，所述奈米碳管層設置在該板狀基底表面。
10. 如申請專利範圍第9項所述之面熱源的裝置，其中，所述基底的材料為柔性材料或硬性材料。
11. 如申請專利範圍第10項所述之面熱源的裝置，其中，所述柔性材料為塑膠或柔性纖維，所述硬性材料為陶瓷、玻璃、樹脂或石英。
12. 如申請專利範圍第1項所述之面熱源的裝置，其中，所述面熱源進一步包括一反射層設置於加熱層表面。
13. 如申請專利範圍第12項所述之面熱源的裝置，其中，所述反射層設置在所述加熱層與基底之間。
14. 如申請專利範圍第12項所述之面熱源的裝置，其中，所述反射層設置在所述基底遠離加熱層的表面。
15. 如申請專利範圍第12項所述之面熱源的裝置，其中，所述反射層的材料為金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷，厚度為100微米~0.5毫米。
16. 如申請專利範圍第14項所述之面熱源的裝置，其中，所述面熱源進一步包括一絕緣保護層設置於所述加熱層表面。
17. 如申請專利範圍第16項所述之面熱源的裝置，其中，所述絕緣保護層的材料包括橡膠或樹脂。