空心熱源的製作方法

2023-12-02 00:38:26 2

專利名稱：空心熱源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空心熱源，尤其涉及一種基於碳納米管的空心熱源。
背景技術：
熱源在人們的生產、生活、科研中起著重要的作用。空心熱源是熱源的 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，因此，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。現有的空心 熱源的電熱層通常採用金屬絲，如鉻鎳合金絲、銅絲、鉬絲或鴒絲等通過鋪
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，因此使用壽命短； 其二，金屬絲為灰體輻射，因此，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布於該紙基 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，所以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布，所以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。
有鑑於此，確有必要提供一種空心熱源，該空心熱源加熱效率高、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。

發明內容
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，且所述至少兩個電才及間隔i殳置於加熱層的 表面，並分別與該加熱層電連接，其中，所述的加熱層包括一碳納米管層， 且該碳納米管層包括各向同性、沿一固定方向取向或不同方向取向擇優排列 的多個碳納米管。
與現有技術相比較，所述的空心熱源具有以下優點第一，碳納米管可 以方便地製成任意尺寸的石友納米管層，既可以應用於宏觀領域也可以應用於 微觀領域。第二，碳納米管比碳纖維具有更小的密度，所以，採用碳納米管 層的空心熱源具有更輕的重量，使用方便。第三，碳納米管層的電熱轉換效 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。第四，所述的碳納米管層可以通過碾壓碳納米管陣列直接獲得，易 於製備，成本較低。


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n-ir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擇優取向排列的碳 納米管的碳納米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碳 納米管的碳納米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-vr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V1H-Vffl'線的剖面示意圖。
具體實施例方式
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102的內表面； 一反射層108，該反射層108位於加熱層104的外 圍，設置於該空心基底102的外表面； 一第一電極IIO及一第二電極112， 第一電極IIO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、塑料等。空心基底102亦可以選擇柔性材料， 如樹脂、橡膠、塑料或柔性纖維等。當空心基底102為柔性材料時，該空 心熱源IOO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，可以為 全封閉結構，也可以為半封閉結構，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，可以為圓形、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包括一碳納米管層，該碳納米管層本身具有 一定的粘性，可以利用本身的粘性設置於空心基底102的表面，也可以通過 粘結劑設置於空心基底102的表面。所述的粘結劑為矽膠。該碳納米管層的 長度、寬度和厚度不限，可根據實際需要選擇。
所述碳納米管層包括均勻分布的碳納米管。該碳納米管層中的碳納米管 與碳納米管層的表面成一夾角a,其中，cc大於等於零度且小於等於15度 (0^0^15°)。優選地，所述碳納米管層中的碳納米管平行於碳納米管層的表面。 該碳納米管層可以通過碾壓一碳納米管陣列製備，依據碾壓的方式不同，該 碳納米管層中的碳納米管具有不同的排列形式。具體地，碳納米管可以各向 同性排列；當沿不同方向碾壓時，碳納米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，碳納米管沿一固定方向擇優取向排列，請參 閱圖4。所述碳納米管層中的碳納米管部分交疊。所述碳納米管層中碳納米管之間通過範德華力相互吸引，緊密結合，使得該碳納米管層具有很好的柔 韌性，可以彎曲摺疊成任意形狀而不破裂。
該碳納米管層中的碳納米管包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳
納米管中的一種或多種。所述單壁碳納米管的直徑為0.5納米 10納米，雙 壁碳納米管的直徑為1納米~15納米，多壁碳納米管的直徑為1.5納米~50 納米。該碳納米管的長度大於50微米。碳納米管的長度大於50微米，優選 地，碳納米管的長度為200~900微米。
該碳納米管層的面積和厚度不限，可根據實際需要選擇。該碳納米管層 的面積與碳納米管陣列所生長的基底的尺寸有關。該碳納米管層厚度與碳納 米管陣列的高度以及碾壓的壓力有關，可為l微米至l毫米。可以理解，碳 納米管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則製備的碳納米管層的厚度越 大；反之，碳納米管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則製備的碳納米管 層的厚度越小。可以理解，碳納米管層的熱響應速度與其厚度有關。在相同 面積的情況下，碳納米管層的厚度越大，熱響應速度越慢；反之，碳納米管 層的厚度越小，熱響應速度越快。
本實施例中，加熱層104採用厚度為IOO微米的碳納米管層。該碳納米 管層的長度為5釐米，碳納米管層的寬度為3釐米。利用碳納米管層本身的 粘性，將該碳納米管層設置於空心基底102的內表面。
所述第一電才及110和第二電才及112可設置在加熱層104的同一表面上也 可以設置在加熱層104的不同表面上。所述第一電才及IIO和第二電才及112可 通過碳納米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IIO和第二電極112與碳納米管層電接觸的 同時，還可將第一電極IIO和第二電極112更好地固定於碳納米管層的表面 上。通過該第一電極IIO和第二電極112可以對加熱層104施加電壓。其中， 第一電極IIO和第二電極112之間相隔設置，以使採用碳納米管層的加熱層 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4及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以為金屬、合金、銦錫氧化物(ITO )、銻錫氧化物(ATO )、導電銀膠、導電聚合物等。該導電薄膜可以通過物理氣相沉積法、化學氣相
沉積法或其它方法形成於加熱層104表面。該金屬片或者金屬引線的材料可 以為銅片或鋁片等。該金屬片可以通過導電粘結劑固定於加熱層104表面。
所述第一電極IIO和第二電極112還可以為一碳納米管結構。該碳納米 管結構設置於加熱層104的外表面。該碳納米管結構可通過其自身的粘性或 導電粘結劑固定於加熱層104的外表面。該碳納米管結構包括定向排列且均 勻分布的金屬性碳納米管。具體地，該碳納米管結構包括至少一有序碳納米 管薄膜或至少 一碳納米管長線。
本實施例中，優選地，將兩個有序碳納米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才及110和第二電才及112。該兩個有序^5友納米 管薄膜環繞於加熱層104的外表面，並通過導電粘結劑與加熱層104之間形 成電接觸。所述導電粘結劑優選為^l艮膠。由於本實施例中的加熱層104也採 用碳納米管層，所以第一電極IIO和第二電極112與加熱層104之間具有較 小的歐姆接觸電阻，可以提高空心熱源IOO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。因此，反射層108位於加熱層104外圍，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10(M鼓米 0.5毫米。該反射層108通過濺射的方法 沉積於該空心基底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IOO未包括反射層時，該空心熱源IOO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IOO在使用時與外界形成電接 觸，同時還可以防止加熱層104中的碳納米管層吸附外'^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，可以根據 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IOO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，該空心熱源可以輻射出波長較長的電^茲波。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5(TC 500。C,加熱待加熱物體。可見，該碳納米管層具有較高的電 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IOO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。C 450。C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IOO在卩吏用時，可以將其與4寺加熱的物體表面直接4妄觸或將 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 可以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IOO具有以下優點其一，加熱層104為 一碳納米管層，碳納米管具有強的抗腐蝕性，使其可以在酸性環境中工作； 其二，碳納米管比同體積的鋼強度高100倍，重量卻只有其1/6,所以，採 用碳納米管的空心熱源20具有更高的強度和更輕的重量；其三，碳納米管 層為由碾壓碳納米管陣列直接獲得，製備方法簡單，適合量產，且通過碾壓 不同大小的碳納米管陣列可以獲得不同大小的碳納米管層，碳納米管層的尺 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包糹舌一空心基底202; —加熱層204,該加熱層204 i殳置於該 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的外 圍； 一第一電極210及一第二電極212,第一電才及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IOO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; —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，因此，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。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依 據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。
權利要求
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；以及至少兩個電極，且所述電極間隔設置於加熱層的表面；其特徵在於，所述的加熱層包括一碳納米管層，且該碳納米管層包括各向同性、沿一固定方向取向或不同方向取向擇優排列的多個碳納米管。
2. 如權利要求1所述的空心熱源，其特徵在於，所述的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. 如權利要求2所述的空心熱源，其特徵在於，所述的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. 如權利要求3所述的空心熱源，其特徵在於，所述的加熱層設置於空心基底 的外表面，所述的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. 如權利要求3所述的空心熱源，其特徵在於，所述的加熱層設置於空心基底 的內表面，所述的反射層設置於空心基底的外表面，所述的絕緣保護層設置 於加熱層的內表面。
6. 如權利要求3所述的空心熱源，其特徵在於，所述的加熱層設置於空心基底 的內表面，所述的反射層設置於加熱層與空心基底之間，所述的絕緣保護層 設置於加熱層的內表面。
7. 如權利要求2所述的空心熱源，其特徵在於，所述的反射層的材料為金屬氧 化物、金屬鹽或陶乾，其厚度為100微米-0.5毫米。
8. 如權利要求1所述的空心熱源，其特徵在於，所述碳納米管層中的碳納米管 與碳納米管層的表面成一夾角a，其中，a大於等於零度且小於等於15度 (0^15。)。
9. 如權利要求I所述的空心熱源，其特徵在於，所述的碳納米管層的厚度為1 微米至1毫米。
10. 如權利要求1所述的空心熱源，其特徵在於，所述的碳納米管層中的碳納米管部分交疊。
11. 如權利要求1所述的空心熱源，其特徵在於，所述碳納米管層中的碳納米管 之間通過範德華力相互吸引、緊密結合。
12. 如權利要求1所述的空心熱源，其特徵在於，所述兩個電極的材料為金屬、 合金、銦錫氧化物、導電銀膠、導電聚合物或導電性碳納米管。
13. 如權利要求1所述的空心熱源，其特徵在於，所述碳納米管的長度大於50 微米，直徑小於50納米。
14. 如權利要求l所述的空心熱源，其特徵在於，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料或柔性纖維，所述硬性材料為陶覺、 玻璃、樹脂、石英。
全文摘要
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於加熱層的表面，並分別與該加熱層電連接，其中，所述的加熱層包括一碳納米管層，且該碳納米管層包括各向同性、沿一固定方向取向或不同方向取向擇優排列的多個碳納米管。
文檔編號H05B3/40GK101626642SQ20081006846
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月11日 優先權日2008年7月11日
發明者劉長洪, 姜開利, 鼎 王, 範守善 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司