TWI427027B - 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極通常採用一金屬片、金屬絲、金屬膜、銦錫氧化物(ITO)層、銻錫氧化物(ATO)層、導電銀膠層或導電聚合物層等。然而，採用金屬片、金屬絲、金屬膜、銦錫氧化物(ITO)層、銻錫氧化物(ATO)層、導電銀膠層或導電聚合物層作為空心熱源的電極具有以下缺點：第一，該電極的電阻率較大，故對電能的損耗也 較大。第二，該電極的柔韌性和機械強度差，長期折疊容易斷裂，使用壽命短，不易應用於柔性空心熱源。第三，該電極的密度較大，重量大，使用不便。

有鑒於此，提供電極電阻率較小，柔韌性和機械強度高，長期折疊不易斷裂，且密度小，重量輕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；以及兩個電極，所述兩個電極間隔設置於奈米碳管結構上的表面且位於該線狀基底的兩端，且分別與加熱層電連接；其中，所述兩個電極中，至少一個電極包括一奈米碳管結構。

相較於先前技術，所述之空心熱源具有以下優點：其一，奈米碳管具有極好的導電性，故該電極的電阻小，有利於降低功耗，提高發熱效率。其二，奈米碳管的優異的力學特性使得奈米碳管結構具有很好的柔韌性和機械強度，故，採用奈米碳管結構作電極，可相應的提高空心熱源，尤其係柔性空心熱源的耐用性，故該空心熱源使用壽命長；其三，奈米碳管密度小，故該空心熱源重量輕，使用方便。

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中沿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束狀結構的奈米碳管長線的掃描電鏡照片。

圖5為本技術方案實施例的絞線結構的奈米碳管長線的掃描電鏡照片。

圖6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7為圖6的沿VII-VII線的剖面示意圖。

圖8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9為圖8的IX-IX沿線的剖面示意圖。

以下將結合附圖詳細說明本技術方案提供的空心熱源。

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的材料不限，其可為金屬絲層、電熱膜、碳纖維層或奈米碳管層。當採用奈米碳管層作為加熱層104時，該奈米碳管層包括複數個均勻分佈的奈米碳管。該奈米碳管層中的奈米碳管有序排列或無序排列。該奈米碳管層的厚度為0.01微米~2毫米。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。該奈米碳管的長度為大於50微米，優選為200~900微米。該奈米碳管層可通過粘結劑或分子間力固定於所述空心基底102的內表面。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。

所述第一電極110和第二電極112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，且與加熱層104電連接。所述第一電極110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104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110和第二電極112可對加熱層104進行施加電壓。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，將第一電極110和第二電極112環繞設置於加熱層104的外表面。

所述之第一電極110和第二電極112中至少一個電極包括一奈米碳管結構。該奈米碳管結構通過導電粘結劑或分子間力固定於所述加熱層104的表面，且與加熱層104電連接。該奈米碳管結構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。本實施例優選金屬性奈米碳管。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。該奈米碳管的長度為大於50微米。

具體地，該奈米碳管結構包括一有序奈米碳管薄膜或至少兩層重疊且交叉設置的有序奈米碳管薄膜，或至少一奈米碳管 長線。

當所述奈米碳管結構包括至少一有序奈米碳管薄膜時。請參閱圖3，該有序奈米碳管薄膜可通過直接拉伸一奈米碳管陣列獲得。該有序奈米碳管薄膜包括複數個沿拉伸方向定向排列的奈米碳管。所述奈米碳管均勻分佈，且平行於奈米碳管薄膜表面。具體地，所述有序奈米碳管薄膜包括複數個首尾相連且沿同一方向擇優取向排列的複數個奈米碳管163。該複數個奈米碳管163之間通過凡德瓦爾力連接，一方面，首尾相連的奈米碳管163之間通過凡德瓦爾力連接，另一方面，擇優取向的奈米碳管163之間通過凡德瓦爾力連接，故，該有序奈米碳管薄膜具有很好地柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂，且採用該有序奈米碳管薄膜的電極具有較長的使用壽命。

所述有序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。所述有序奈米碳管薄膜的寬度可為0.01厘米~10厘米，厚度為0.01微米~100微米。有序奈米碳管薄膜的厚度優選為0.1微米~10微米。

另，所述有序奈米碳管薄膜還可包括複數個平行排列的長奈米碳管。該長奈米碳管的長度為1厘米~5厘米，直徑為0.5奈米~50奈米。由於該長奈米碳管為單根奈米碳管，故其電阻 更小。故採用該有序奈米碳管薄膜設置於反射層210或加熱層204的表面做電極，可更有效的傳導電流，減少電能的損耗。

當所述奈米碳管結構包括至少兩層重疊設置的有序奈米碳管薄膜時，相鄰的有序奈米碳管薄膜之間通過凡德瓦爾力緊密結合。進一步，該奈米碳管結構中的有序奈米碳管薄膜的層數不限，且相鄰兩層有序奈米碳管薄膜之間奈米碳管的排列方向形成一夾角α，0≦α≦90度，具體可依據實際需求製備。由於該有序奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿同一方向定向排列，故在奈米碳管排列方向具有優異的導電性。本實施例通過改變相鄰兩層有序奈米碳管薄膜之間的交叉角度α，可使得該奈米碳管結構在各個方向都具有優異的導電性。本實施例中，優選交叉角度α=90度。

當所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管長線時，該奈米碳管長線纏繞於加熱層104的表面。所述奈米碳管長線可通過直接拉伸一奈米碳管陣列獲得或拉伸一奈米碳管陣列後經過扭轉紡紗獲得。所述奈米碳管長線的直徑為1奈米~100微米，其長度不限，可根據實際需求制得。請參見圖4及圖5，所述奈米碳管長線包括複數個首尾相連的奈米碳管沿奈米碳管長線的軸向方向擇優取向排列。具體地，該奈米碳管長線中的奈米碳管沿奈米碳管長線的軸向方向平行排列或沿奈米碳管長線的軸向方向螺旋排列。該奈米碳管長線中的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合，故奈米碳管長線具有一定的 柔韌性。該奈米碳管的長度為200~900微米。

所述奈米碳管結構還可包括複數個奈米碳管長線，且複數個奈米碳管長線交叉且重疊設置於加熱層104的表面。該奈米碳管結構的長度、寬度以及厚度不限，可根據實際需要製備。由於奈米碳管長線具有一定的柔韌性，故該奈米碳管結構可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。

由於該奈米碳管長線中的奈米碳管沿著奈米碳管長線的長度方向排列，故該奈米碳管長線沿著長度方向具有較小的電阻。故將該奈米碳管長線纏繞於加熱層104的表面做電極，可有效的傳導電流，節約電能。

當只有一個電極包括一奈米碳管結構時，另一電極採用金屬片金屬絲、金屬膜或導電膠層等。本實施例優選地，第一電極110和第二電極112都採用奈米碳管結構製作，且該奈米碳管結構包括重疊且交叉設置的50層有序奈米碳管薄膜，相鄰兩層有序奈米碳管薄膜之間交叉的角度為90度。該奈米碳管結構中有序奈米碳管薄膜的長度為1厘米，寬度為1厘米，厚度為30微米。本實施例將兩個上述奈米碳管結構分別間隔包裹於加熱層104的表面。由於奈米碳管結構良好的導電性，使得奈米碳管結構與加熱層104之間形成良好的電連接。

本實施例中，優選地，加熱層104採用奈米碳管層。第一電極110和第二電極112都採用採用重疊且交叉設置的10層有序奈米碳管薄膜，相鄰兩層有序奈米碳管薄膜之間交叉的角度 為90度。該結構可減小加熱層204與電極之間的歐姆接觸電阻，提高對電能的利用率。

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，故，反射層108位於加熱層104週邊，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，其設置於加熱層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。

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具有以下優點：其一，奈米碳管具有較低的電阻率，故電極的電阻小，有利於節約能源。其二，奈米碳管具有優異的力學特性，使得奈米碳管結構具有很好的柔韌性和機械強度，故，採用奈米碳管結構作電極，可相應提高空心熱源的耐用性，空心熱源的使用壽命長；其三，奈米碳管的密度低，故空心熱源的品質輕，使用方便。

本實施例所提供的空心熱源100中，奈米碳管具有強的抗腐 蝕性，使其可在酸性環境中工作。而且，奈米碳管具有極強的穩定性，即使於3000℃以上的高溫真空環境下工作而不會分解，使空心熱源100可在真空高溫環境下工作。另，奈米碳管比同體積的鋼強度高100倍，重量只有其1/6，故，採用奈米碳管結構作為電極的空心熱源100具有更高的強度和更輕的品質。

請參見圖6及圖7，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8及圖9，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208；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。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202的外表面，該反射層208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208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 (20)

1. 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；以及兩個電極，所述兩個電極間隔設置，且分別與加熱層電連接；其改良在於，所述兩個電極中的至少一個電極包括一奈米碳管結構。
2. 如請求項第1項所述之空心熱源，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外圍。
3. 如請求項第2項所述之空心熱源，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. 如請求項第3項所述之空心熱源，其中，所述之加熱層設置於空心基底的外表面，所述之反射層設置於加熱層的外表面，加熱層位於空心基底與反射層之間。
5. 如請求項第3項所述之空心熱源，其中，所述之加熱層設置於空心基底的內表面，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. 如請求項第3項所述之空心熱源，其中，所述之加熱層設置於空心基底的內表面，所述之反射層設置於加熱層與空心基底之間，所述之絕緣保護層設置於加熱層的內表面。
7. 如請求項第2項所述之空心熱源，其中，所述之反射層的材料為金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷。
8. 如請求項第1項所述之空心熱源，其中，所述兩個電極設置於加熱層的同一表面或不同表面。
9. 如請求項第1項所述之空心熱源，其中，所述奈米碳管結構包括至少一有序奈米碳管薄膜，且該有序奈米碳管薄膜包括複數個奈米碳管沿同一方向排列。
10. 如請求項第9項所述之空心熱源，其中，所述之有序奈米碳管薄膜的厚度為0.01微米~100微米。
11. 如請求項第9項所述之空心熱源，其中，所述有序奈米碳管薄膜包括複數個首尾相連且沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管。
12. 如請求項第11項所述之空心熱源，其中，所述奈米碳管之間通過凡德瓦爾力連接。
13. 如請求項第9項所述之空心熱源，其中，所述奈米碳管結構包括至少兩個重疊設置的有序奈米碳管薄膜，且相鄰兩個有序奈米碳管薄膜之間通過凡德瓦爾力緊密連接。
14. 如請求項第13項所述之空心熱源，其中，所述之奈米碳管結構中相鄰的有序奈米碳管薄膜中的奈米碳管的排列方向形成一夾角α，0≦α≦90度。
15. 如請求項第1項所述之空心熱源，其中，所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管長線。
16. 如請求項第1項所述之空心熱源，其中，所述奈米碳管結構為由多根奈米碳管長線組成的束狀結構或絞線結構。
17. 如請求項第16項所述之空心熱源，其中，所述奈米碳管長線的直徑為1奈米~100微米。
18. 如請求項第16項所述之空心熱源，其中，所述奈米碳管長線包括複數個由首尾相連且擇優取向排列的奈米碳管。
19. 如請求項第18項所述之空心熱源，其中，所述相鄰的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合。
20. 如請求項第1項所述之空心熱源，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。