TWI486090B - 空心熱源 - Google Patents

Description

空心熱源

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。

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行加熱，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、實驗室加熱爐或廚具電烤箱等。

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熱層的溫度升高進而加熱物體。先前的空心熱源的電熱層通常採用金屬絲，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，導致局部電阻增加，從而被燒斷，故使用壽命短；其二，金屬絲為灰體輻射，故，熱輻射效率低，輻射距離短，且輻射不均勻；其三，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研究的熱點。碳纖 維作為電熱層時，通常以碳纖維紙的形式存在。所述碳纖維紙包括紙基材和雜亂分佈於該紙基材中的瀝青基碳纖維。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5~20微米。

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，由於該碳纖維紙中包含了紙基材，故該碳纖維紙的密度較大，重量大，使得採用該碳纖維紙的空心熱源使用不便。其三，由於該碳纖維紙中的瀝青基碳纖維雜亂分佈，故該碳纖維紙的強度較小，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。

一種空心熱源，其包括：一空心基底；一加熱層，該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，其中，所述之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。

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，奈米碳管比碳纖維具 有更小的密度，所以，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，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，所以該空心熱源具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快的特點。

100,200,300‧‧‧空心熱源

102,202,302‧‧‧空心基底

104,204,304‧‧‧加熱層

106,206‧‧‧絕緣保護層

108,208,308‧‧‧反射層

110.210,310‧‧‧第一電極

112,212,312‧‧‧第二電極

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II-II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照片。

圖4為本技術方案實施例的空心熱源的表面溫度與加熱功率的關係圖。

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。

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；一加熱層104，該加熱層104設置於該空心基底102的內表面；一反射層108，該反射層108位於加熱層104的週邊，設置於該空心基底102的外表面；一第一電極110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104電連接；一絕緣保護層106，該絕緣保護層106設置於加熱層104的內表面。

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102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，其具有一空心結構即可，可為管狀、球狀、長方體狀等，可為全封閉結構，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為一空心陶瓷管，其橫截面為一圓形。

所述加熱層104設置於空心基底102的內表面，用於向空心基底102的內部空間加熱。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黏性，可利用本身的黏性設置於空心基底102的表面，也可通過黏結劑設置於空心基底102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。

所述加熱層包104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，α大於等於0度小於等於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，奈米碳管單層膜在0.1毫秒時間內就可達到最高溫度。所以，該空心熱源100適用於對物體快速加熱。

本實施例中，加熱層104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，將該奈米碳管層包裹於所述反射層210的表面。

所述第一電極110和第二電極112間隔設置且分別與加熱層104電連接，可設置在加熱層104的同一表面上也可設置在加熱層104的不同表面上。所述第一電極110和第二電極112可通過奈米碳管層的黏性或導電黏結劑(圖未示)設置於該加熱層104的表面上。導電黏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110和第二電極112可對加熱層104施加電壓。其中，第一電極110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104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112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(ATO)、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黏結劑固定於加熱層104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黏性或導電黏結劑固定於加熱層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110和第二電極112。該兩個有序奈米碳管薄膜環繞於加熱層104的外表面，並通過導電黏結劑與加熱層104之間形成電接觸。所述導電黏結劑優選為銀膠。由於本實施例中的加熱層104也採用奈米碳管層，所以第一電極110和第二電極112與加熱層104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104所發出的熱量，使其有效地對空心基底102內部空間加熱。反射層108位於加熱層104週邊，本實施例中，反射層108設置於空心基底102的外表面。反射層108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108通過濺射或塗敷的方法設置於空心基底102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-0.5毫米。該反射層108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108為一可選擇結構，當空心熱源100未包括反射層時，該空心熱源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100在使用時與外界形成電接觸，同時還可防止加熱層104中的奈米碳管層吸附外界雜質 。本實施例中，絕緣保護層106設置於加熱層104的內表面。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0.5-2毫米。該絕緣保護層106可通過塗敷或濺射的方法形成於加熱層104的表面。可以理解，所述絕緣保護層106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100通過第一電極110與第二電極112連接導線接入1伏-20伏的電源電壓後，加熱功率為1瓦-40瓦時，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測量發現該空心熱源100的加熱層104表面的溫度為50℃-500℃，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表面的熱量以熱輻射的形式傳遞給待加熱物體，加熱效果不會因為待加熱物體中各個部分因為距離空心熱源100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，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厘米的空心基底102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。電流沿著空心基底102的長度方向流入。測量儀器分別為紅外測溫儀RAYTEK RAYNER IP-M(熱傳組)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。

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，利用其熱輻射即可進行加熱。該空心熱源100可廣泛應用於如工廠管道、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；其三，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；一加熱層204，該加熱層204設置於該空心基底202的內表面；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的內表面。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100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。

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；一加熱層304；一反射層308；一第一電極310及一第二電極312，第一電極310和第二電極312間隔設置於加熱層304的表面，並分別與加熱層304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100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302的外表面，該反射層308設置於加熱層304的外表面，由於加熱層304設置於空心基底302和反射層308之間，故，無需絕緣保護層，且加熱層304與反射層308的位置不同。第三實施例中的所述空心基底302、加熱層304、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之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧空心熱源

102‧‧‧空心基底

104‧‧‧加熱層

106‧‧‧絕緣保護層

108‧‧‧反射層

110‧‧‧第一電極

112‧‧‧第二電極

Claims (16)

1. 一種空心熱源裝置，其包括：一空心基底；一加熱層由所述空心基底所支撐；以及兩個電極間隔設置且分別與加熱層電連接，其改良在於：所述加熱層設置於空心基底的內表面，每個電極為一環狀結構環繞設置於加熱層的表面，所述之加熱層由複數個奈米碳管組成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述之空心熱源進一步包括一反射層，所述反射層設置於加熱層的週邊。
3. 如申請專利範圍第2項所述之空心熱源裝置，其中，所述之空心熱源進一步包括一絕緣保護層，該絕緣保護層設置於加熱層的表面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述兩個電極中，每個電極為一奈米碳管結構，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。
5. 如申請專利範圍第3項所述之空心熱源裝置，其中，所述之反射層設置於空心基底的外表面，所述之絕緣保護層設置於加熱層的內表面。
6. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述之兩個電極分別設置於加熱層的兩端。
7. 如申請專利範圍第2項所述之空心熱源裝置，其中，所述之反射層的材料為金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷。
8. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，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。
9. 如申請專利範圍第8項所述之空心熱源裝置，其中，所述奈米碳管的長度 大於100微米，直徑小於50奈米。
10. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述加熱層包括至少兩個重疊設置的奈米碳管薄膜，且相鄰兩個奈米碳管薄膜之間通過凡德瓦爾力緊密連接。
11. 如申請專利範圍第10項所述之空心熱源裝置，其中，所述加熱層中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，α大於等於0度小於等於90度。
12. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述奈米碳管薄膜的厚度為1奈米-100微米。
13. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述加熱層的厚度為1微米-1毫米。
14. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述至少兩個電極設置在加熱層的同一表面或不同表面。
15. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述至少兩個電極的材料為金屬、合金、銦錫氧化物、導電銀膠、導電聚合物或金屬性奈米碳管。
16. 如申請專利範圍第1項所述之空心熱源裝置，其中，所述空心基底的材料為柔性材料或硬性材料，且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、石英。