立體熱源的製作方法

2023-05-02 15:03:21

專利名稱：立體熱源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種立體熱源，尤其涉及一種基於>^友納米管的立體熱源。
背景技術：
熱源在人們的生產、生活、科研中起著重要的作用。立體熱源是熱源的 一種，其特點為立體熱源具有一立體結構，從而可將待加熱物體設置於其內 部進行力。熱。由於立體熱源可對待加熱物體的各個部位同時加熱，因此，立 體熱源具有加熱面廣、加熱均勻且效率較高等優點。立體熱源已成功用於工 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。
立體熱源的基本結構通常包括一加熱元件。現有的立體熱源的加熱元件 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，採用金屬絲作為加熱元件具有以下缺點其一，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。
為解決金屬絲作為加熱元件存在的問題，碳纖維因為其具有良好的黑體 輻射性能，密度小等優點成為加熱元件材料研究的熱點。碳纖維作為加熱元 件時，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 該紙基材中的湯青基碳纖維。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 紙作為加熱元件具有以下缺點其一，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，同樣具有壽命 較短的缺點；其二，碳纖維紙的電熱轉換效率較低，不利於節能環保。

發明內容
有鑑於此，確有必要提供一種電熱轉換效率高，壽命較長的的立體熱源"
4一種立體熱源，其包括一個加熱元件及至少兩個電極，該至少兩個電極
分別與所述加熱元件電連接；其中，所述的加熱元件構成一個中空的三維結 構，該加熱元件包括至少一層碳納米管膜，該碳納米管膜包括多個基本平行 的碳納米管。
一種立體熱源，其包括一個加熱元件及至少兩個電極，該至少兩個電極 分別與所述加熱元件電連接；其中，該立體熱源進一步包括一中空的三維支 撐結構，所述的加熱元件設置於該中空的三維支撐結構的表面，該加熱元件 包括至少一層碳納米管膜，該碳納米管膜包括多個首尾相連的碳納米管。
一種立體熱源，其包括 一個加熱元件；以及至少兩個電4及間隔i殳置並 與所述加熱元件電連接，其中，所述的加熱元件構成一個中空的三維結構， 所述的加熱元件包括至少一 自支撐的碳納米管結構，該自支撐的碳納米管結
構包括多個碳納米管首尾相連且通過範德華力連接。
與現有技術相比較，所述的立體熱源具有以下優點第一，由於碳納米 管具有較好的強度及韌性，碳納米管結構的強度較大，碳納米管結構的柔性 好，不易破裂，使其具有較長的使用壽命。第二，碳納米管結構中的碳納米 管均勻分布，碳納米管結構具有均勻的厚度及電阻，發熱均勻，碳納米管的 電熱轉換效率高，所以該立體熱源具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快 的特點。


圖1為本發明第一實施例所提供的立體熱源的結構示意圖。
圖2為圖i沿n-n線的剖面示意圖。
圖3為本發明第 一實施例的立體熱源所使用的碳納米管膜的掃描電鏡照片。
圖4為本發明第一實施例的立體熱源所使用的碳納米管膜的結構示意圖。
圖5為本發明第二實施例的立體熱源的結構示意圖。
圖6為沿圖5中VI-VI線的剖視圖。
圖7為沿圖5中VII-VII線的剖^L圖。
圖8為本發明第三實施例的立體熱源的結構示意圖。圖9為沿圖8中IX-IX線的剖-阮圖。 具體實施例
以下將結合附圖詳細說明本發明的立體熱源及其製備方法。
請參閱圖1及圖2,為本發明第一實施例提供一種立體熱源100。該立 體熱源100包括一中空的三維支撐結構102， 一加熱元件104， 一第一電極 110及一第二電極112。該加熱元件104 i殳置於該中空的三維支撐結構102 的外表面。該第一電極110和第二電極112分別與加熱元件104電連接，用 於^f吏所述加熱元件104與電源電連接。
所述中空的三維支撐結構102用於支撐加熱元件104,使加熱元件104 形成一立體結構，該立體結構定義一空間，^吏加熱元件104可/人多個方向向 該空間內加熱，從而提升加熱元件104的加熱效率。中空的三維支撐結構102 可以由硬性材料或柔性材料製成。當該中空的三維支撐結構102選擇硬性材 料時，其可以為陶瓷、玻璃、樹脂、石英、塑料等中的一種或幾種。當中空 的三維支撐結構102選擇柔性材料時，其可以為樹脂、橡膠、塑料或柔性纖 維等中的一種或幾種。當該中空的三維支撐結構102選擇柔性材料時，其在 使用時還可根據需要彎折成任意形狀。在本實施例中，該中空的三維支撐結 構102由硬性材料製成。所述中空的三維支撐結構102具有一空心結構，且 其可以為全封閉結構，也可以為半封閉結構，其具體可根據實際需要如被加 熱元件的結構進行改變。該中空的三維支撐結構102的結構可以為管狀、球 狀、長方體狀等。中空的三維支撐結構102的橫截面的形狀亦不限，可以為 圓形、弧形、長方形等。該中空的三維支撐結構102還可以為工廠管道、鍋 爐殼體、杯子等。在本實施例中，中空的三維支撐結構102為一空心陶瓷管， 其橫截面為一圓形。
所述加熱元件104可設置於中空的三維支撐結構102的內表面或外表 面。本實施例中，加熱元件104設置於中空的三維支撐結構102的外表面。 所述加熱元件104包括一碳納米管結構，該碳納米管結構可通過粘結劑(圖 未示)設置於中空的三維支撐結構102的外表面。所述的粘結劑可以為矽膠。 該碳納米管結構也可通過機械連接方式，如螺釘，固定於中空的三維支撐結 構102的表面。該碳納米管結構的長度、寬度和厚度不限。可以理解，該三維支撐結構為可選擇結構，當加熱元件104可以自支撐合圍形成一立體結構 時，可無需三維支撐結構102。
所述碳納米管結構為一自支撐結構。所謂"自支撐結構"即該碳納米管 結構無需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。該自支撐結構的碳 納米管結構包括多個碳納米管，該多個碳納米管通過範德華力相互吸引，從 而使碳納米管結構具有特定的形狀。所述碳納米管結構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 50納米，所述雙壁-友納米管的直徑為1.0納米~50納 米，所述多壁碳納米管的直徑為1.5納米 50納米。所述碳納米管結構的單 位面積熱容小於2xl0"焦耳每平方釐米開爾文。優選地，所述碳納米管結構 的單位面積熱容大概為1.7xl0-s焦耳每平方釐米開爾文。具體地，所述碳納 米管結構包括至少一層碳納米管膜。
所述碳納米管膜為從一碳納米管陣列中拉取所獲得。所述碳納米管結構 可包括一層碳納米管膜或兩層以上碳納米管膜。碳納米管膜包括多個基本平 行的碳納米管，該多個碳納米管沿同一方向擇優取向且平行於碳納米管膜表 面排列。所述碳納米管之間通過範德華力首尾相連。請參閱圖3及圖4,每 一碳納米管膜包括多個連續且定向排列的碳納米管片段143。該多個碳納米 管片段143通過範德華力首尾相連。每一碳納米管片段143包括多個大致平 行的碳納米管145，該多個平行的碳納米管145通過範德華力緊密連接。該 碳納米管片段143具有任意的寬度、厚度、均勻性及形狀。該碳納米管膜表 面具有一定的粘性。所述碳納米管膜的厚度為0.5納米 100微米，寬度與拉 取該碳納米管膜的碳納米管陣列的尺寸有關，長度不限。所述碳納米管膜及 其製備方法請參見範守善等人於2007年2月9日申請的，於2008年8月13 日公開的第CN101239712A號中國公開專利申請"碳納米管薄膜結構及其制 備方法"，申請人清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司。為節省篇 幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的 一部分。可以理解的是，當該碳納米管結構由碳納米管膜組成，且碳納米管 結構的厚度比較小時，例如小於10微米，該碳納米管結構有很好的透明度， 其透光率可以達到90%,可以用於製造一透明熱源。
當所述碳納米管結構包括兩層以上的碳納米管膜時，該多層碳納米管膜
7相互疊加設置或並列設置。相鄰兩層碳納米管膜中的擇優取向排列的碳納米
管之間形成一交叉角度a， a大於等於0度且小於等於90度(0。^^90。)。所 述多層的碳納米管膜之間或一個碳納米管膜之中的相鄰的碳納米管之間具有
一定間隙，從而在碳納米管結構中形成多個孔隙，孔隙的尺寸約小於IO微米。
本實施例中，加熱元件104採用重疊且交叉設置的IOO層碳納米管膜， 相鄰兩層碳納米管膜之間交叉的角度為90度。該碳納米管結構中碳納米管 膜的長度為5釐米，碳納米管膜的寬度為3釐米，碳納米管膜的厚度為50 微米。利用碳納米管結構本身的粘性，將該碳納米管結構包裹於所述中空的 三維支撐結構102的表面。
所述第一電極IIO和第二電極112由導電材料製成，該第一電極110和 第二電極112的形狀不限，可為導電膜、金屬片或者金屬引線。優選地，第 一電極IIO和第二電極112均為一層導電膜。當用於微型立體熱源100時， 該導電膜的厚度為0.5納米 100微米。該導電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、導電聚合物或導電性 碳納米管等。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、鴒、鉬、金、鈦、釹、把、 銫或其任意組合的合金。本實施例中，所述第一電極IIO和第二電極112的 材料為金屬鈀膜，厚度為5納米。所述金屬鈀與碳納米管具有較好的潤溼效 果，有利於所述第一電極IIO及第二電極112與所述加熱元件104之間形成 良好的電接觸，減少歐姆接觸電阻。
所述的第一電4及110和第二電4及112與加熱元件104電連接。其中，第 一電極110和第二電極112間隔設置，以使加熱元件10 4應用於立體熱源10 0 時接入一定的阻值避免短路現象產生。當該碳納米管結構中碳納米管有序排 列時，該碳納米管的軸向基本沿第一電極110向第二電極112延伸。所述的 第一電極110和第二電極112可通過一導電粘結劑(圖未示)設置於該加熱元 件104或碳納米管結構表面，導電粘結劑在實現第一電極110和第二電極112 與石友納米管結構電接觸的同時，還可以將所述第一電極110和第二電極112 更好地固定於碳納米管結構的表面上。該導電粘結劑可以為銀膠。
所述立體熱源IOO也可以包括多個電極與所述加熱元件104電連接，其 數量不限，通過控制不同的電極實現加熱元件104有選擇的加熱各個區域。 該多個電極中任意兩個電極可分別與外部電^各電連接，z使電連4妄於該兩個電才及之間的加熱元件104工作。優選地，該多個電才及中的<壬意兩個相鄰的電招_ 通過外接導線(圖未示)分別與外部電源電連接，即交替間隔設置的電極同 時接正極或負極。具體地，所述立體熱源100可包括多個第一電極112及多 個第二電極114，該多個第一電極112和多個第二電極114交替間隔設置。 所述多個第一電極112之間可相互電連並接接外部電源正才及，所述多個第二 電極114之間可相互電連接並接外部電源負極。
可以理解，第一電極110和第二電極112的結構和材料均不限，其設置 目的是為了使所述加熱元件104中碳納米管結構流過電流。因此，所述第一 電極110和第二電極112隻需要導電，並與所述加熱元件104中碳納米管結 構之間形成電接觸都在本發明的保護範圍內。所述第一電極110和第二電極 112的具體位置不限，只需確保第一電極110與第二電極112分別與加熱元 件104電連接。
所述立體熱源100進一步包括一熱反射層108,熱反射層108用於反射 加熱元件104所發出的熱量，使其有效地對中空的三維支撐結構102內部空 間加熱。因此，熱反射層108位於加熱元件104外圍，當加熱元件104設置 於中空的三維支撐結構102的內表面時，熱反射層108設置於中空的三維支 撐結構102與加熱元件104之間或設置於中空的三維支撐結構102的外表面； 當加熱元件104設置於中空的三維支撐結構102的外表面時，熱反射層108 設置於加熱元件的外表面，即加熱元件104設置於中空的三維支撐結構102 與熱反射層108之間。本實施例中，由於加熱元件104設置於中空的三維支 撐結構102的外表面，所以熱反射層108設置於加熱元件104的外表面。熱 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。 熱反射層108通過濺射或塗敷的方法設置於中空的三維支撐結構102的外表 面。本實施例中，熱反射層108的材料優選為三氧化二鋁，其厚度為IOO微 米 0.5毫米。可以理解，該熱反射層108為一可選擇結構，當立體熱源IOO 未包括熱反射層時，該立體熱源IOO也可用於對外加熱。
所述立體熱源100進一步包括一絕緣保護層(圖未示)。所述絕緣保護 層用來防止該立體熱源100在^f吏用時與外界形成電接觸，同時還可以防止加 熱元件104中的碳納米管結構吸附外界雜質。絕緣保護層設置於加熱元件可 與外界接觸的表面上。可以理解，所述絕緣保護層106為一可選擇結構。當加熱元件104不與外界接觸時，可無需絕緣保護層。所述絕緣保護層的材料 為一絕緣材料，如橡膠、樹脂等。所述絕緣保護層厚度不限，可以根據實 際情況選擇。優選地，該絕緣保護層的厚度為0.5-2毫米。該絕緣保護層可 通過塗敷或濺射的方法形成於加熱元件104的表面。本實施例中，由於加熱 元件104設置於中空的三維支撐結構102與熱反射層108之間，所以無需絕 緣保護層。
本實施例提供一種使用上述立體熱源IOO加熱物體的方法，其包括以下 步驟提供一待加熱的物體；將待加熱的物體設置於該立體熱源100的內部 空間中；將立體熱源IOO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，〗吏立體熱源IOO加熱功率為1瓦~40瓦，該立體熱源 可以輻射出波長較長的電磁波。通過溫度測量儀測量發現該立體熱源100的 加熱元件104表面的溫度為50"C 50(TC,力口熱待力口熱物體。可見，該碳納米 管結構具有較高的電熱轉換效率。由於加熱元件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與立體熱 源100的距離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。
該立體熱源IOO在使用時，可以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。該立體熱源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。
請參見圖5、 6和7,本發明第二實施例提供一種立體熱源200。該立體 熱源200包括一加熱元件204、 一熱反射層208、第一電極210及第二電極 212。該加熱元件204構成一中空的三維結構。該第一電極210及第二電極 212分別與加熱元件204電連接，用於^f吏所述加熱元件204接通電源從而流 過電流。所述加熱元件204摺疊形成一立方體形狀的中空三維結構。所述第 一電極210及第二電極212間隔設置，分別設置於加熱元件204所形成的立 方體形狀的中空三維結構的相對的側邊上，並可起到支撐加熱元件204的作 用。所述第一電極210及第二電極212為線狀，且大致相互平行。所述的熱 反射層208設置於加熱元件204的外表面。該立體熱源200可進一步包括多個電極，該多個電極間隔平行設置，加熱元件204設置於該多個電極的外圍， 以該多個電極為支撐體，形成一中空的立體結構。可以理解，該多個電極可 以看作一中空的三維支撐結構。本實施例中的立體熱源200與第一實施例基 本相同，其不同之處在於本實施例中的立體熱源200採用電極作為中空的三 維支撐結構用於支撐加熱元件204。
請參見圖8和9，本發明第三實施例提供一種立體熱源300。該立體熱 源300包括一中空的三維支撐結構302, —加熱元件304， 一第一電極310 及一第二電極312。該加熱元件304設置於該中空的三維支撐結構302的外 表面。該第一電極310和第二電極312並分別與加熱元件104電連接，間隔 設置於加熱元件204的外表面上，用於使所述加熱元件104"l妄通電源/人而流 過電流。該三維支撐結構302為一半球狀中空三維結構，加熱元件304包覆 於該三維支撐結構302的外表面，形成一半球狀，或半橢球狀結構。第一電 極310為點狀，位於加熱元件302的底部，第二電極312為環狀，環繞於半 球狀結構的加熱元件302的頂部。該立體熱源300進一步包括一熱反射層 308，該熱反射層設置於加熱元件304的外圍。本實施例中，該熱反射層308 覆蓋第一電4及310與第二電才及312並設置於加熱元件304的外表面。本實施 例中的立體熱源300與第一實施例基本相同，其不同點在於本實施例中的立 體熱源300為一半球狀或半橢球狀的中空三維結構。當然立體熱源300為也 可以為其他類似的近一端開口的形狀。
所述的立體熱源具有以下優點第一，由於碳納米管具有較好的強度及 韌性，碳納米管結構的強度較大，柔性較好，不易破裂，使立體熱源具有較 長的使用壽命。第二，該碳納米管結構的單位面積熱容較小，小於2xl0"焦 耳每平方釐米開爾文，碳納米管結構可以較快的升溫並將熱量傳遞出去，因 此，該立體熱源具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快、輻射效率高的特 點。其三，碳納米管膜為直接從碳納米管陣列拉取獲得，製備方法簡單，適 合量產，且通過不同大小的碳納米管陣列可以獲得不同大小的碳納米管膜，
碳納米管結構的尺寸可控。
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
1.一種立體熱源，其包括一個加熱元件及至少兩個電極，該至少兩個電極分別與所述加熱元件電連接；其特徵在於所述的加熱元件構成一個中空的三維結構，該加熱元件包括至少一層碳納米管膜，該碳納米管膜包括多個基本平行的碳納米管。
2. 如權利要求1所述的立體熱源，其特徵在於，所述碳納米管膜中的多個碳納 米管通過範德華力首尾相連。
3. 如權利要求2所述的立體熱源，其特徵在於，所述碳納米管膜中的多個碳納 米管沿同一方向擇優取向排列。
4. 如權利要求3所述的立體熱源，其特徵在於，所述碳納米管膜中的碳納米管 的軸向基本沿 一個電+及向另 一個電極延伸。
5. 如權利要求1所述的立體熱源，其特徵在於，所述碳納米管膜包括多個碳納 米管片段，該多個碳納米管片段包括多個相互大致平行的碳納米管，該多個 碳納米管片段通過範德華力首尾相連。
6. 如權利要求1所述的立體熱源，其特徵在於，所述碳納米管膜的厚度為0.5 納米 100微米。
7. 如權利要求1所述的立體熱源，其特徵在於，所述加熱元件的單位面積熱容 小於2 x 10-4焦耳每平方釐米開爾文。
8. 如權利要求1所述的立體熱源，其特徵在於，所述加熱元件包括多層碳納米 管膜，該多層碳納米管膜層疊設置或並排設置。
9. 如權利要求1所述的立體熱源，其特徵在於，所述的立體熱源進一步包括一 熱反射層設置於該加熱元件的 一側。
10. 如權利要求1所述的立體熱源，其特徵在於，所述立體熱源包括多個電極， 該多個電極間隔設置且分別與加熱元件電連接。
11. 如權利要求10所述的立體熱源，其特徵在於，所述立體熱源包括多個第一 電極與多個第二電極連續地交替間隔設置，所述多個第一電極之間電連接， 所述多個第二電極之間電連接。
12. —種立體熱源，其包括一個加熱元件及至少兩個電才及，該至少兩個電才及分別與所述加熱元件電連接；其特徵在於該立體熱源進一步包括一中空的三維支撐結構，所述的加熱元件設置於該中 空的三維支撐結構的表面，該加熱元件包括至少一層碳納米管膜，該碳納米 管膜包括多個首 目連的碳納米管。
13. 如權利要求12所述的立體熱源，其特徵在於，所述的加熱元件通過粘結劑 或機械連接方式設置於該三維支撐結構的內表面或外表面。
14. 如權利要求12所述的立體熱源，其特徵在於，所述三維支撐結構的材料為 柔性材料或硬性材料，且所述柔性材料為柔性樹脂、橡膠、柔性塑料或柔性 纖維，所述硬性材料為陶覺、玻璃、硬性樹脂、石英或硬性塑料。
15. 如權利要求12所述的立體熱源，其特徵在於，所述三維支撐結構的形狀為 管狀、球狀或長方體狀。
16. 如權利要求12所述的立體熱源，其特徵在於，所述三維支撐結構為管道、 鍋爐殼體或杯子。
17. —種立體熱源，其包括 一個加熱元件；以及至少兩個電極間隔設置並與所述加熱元件電連接，其特徵在於，所述的加熱元件構成一個中空的三維結構，所述的加熱元件包 括至少一自支撐的碳納米管結構，該自支撐的碳納米管結構包括多個碳納米 管首尾相連且通過範德華力連接。
18. 如權利要求17所述的立體熱源，其特徵在於，所述自支撐的碳納米管結構 中碳納米管均勻分布。
全文摘要
本發明旨在提供一壽命長且電熱轉換效率高的立體熱源。該立體熱源包括一加熱元件及至少兩個電極。該加熱元件包括多個均勻分布的碳納米管。該至少兩個電極間隔設置且分別與該加熱元件電連接。所述加熱元件構成一個中空的三維結構，該加熱元件中的多個碳納米管組成至少一自支撐的碳納米管結構。該立體熱源可以用於製造工廠管道、實驗室加熱爐或廚具電烤箱等。
文檔編號H05B3/02GK101636001SQ20091014917
公開日2010年1月27日 申請日期2009年6月9日 優先權日2008年7月25日
發明者辰 馮, 鍇 劉, 姜開利, 範守善 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司