CN101636011B - 空心热源 - Google Patents

Abstract

一种空心热源，其包括：一空心基底；一加热层，该加热层设置于空心基底的表面；以及至少两个电极间隔设置且分别与该加热层电连接，其中，所述的加热层包括一碳纳米管层，且该碳纳米管层包括多个相互缠绕的碳纳米管。

Description

空心热源

技术领域

本发明涉及一种空心热源，尤其涉及一种基于碳纳米管的空心热源。

背景技术

热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。空心热源是热源的一种，其特点为空心热源具有一空心结构，将待加热物体设置于该空心结构的空心中对物体进行加热，因此，空心热源可对待加热物体的各个部位同时加热，加热面广、加热均匀且效率较高。空心热源已成功用于工业领域、科研领域或生活领域等，如工厂管道、实验室加热炉或厨具电烤箱等。

空心热源的基本结构通常包括基底和设置在基底上的电热层，通过在电热层中通入电流产生焦耳热使电热层的温度升高进而加热物体。现有的空心热源的电热层通常采用金属丝，如铬镍合金丝、铜丝、钼丝或钨丝等通过铺设或缠绕的方式形成。然而，采用金属丝作为电热层具有以下缺点：其一，金属丝表面容易被氧化，导致局部电阻增加，从而被烧断，因此使用寿命短；其二，金属丝为灰体辐射，因此，热辐射效率低，辐射距离短，且辐射不均匀；其三，金属丝密度较大，重量大，使用不便。

为解决金属丝作为电热层存在的问题，碳纤维因为其具有良好的黑体辐射性能，密度小等优点成为电热层材料研究的热点(请参见“DevelopmentForeground and Market Analyze of Carbon Fiber”，Wang Hai-ying，Hi-TechFiber&Application，Vol8，P765(2007))。碳纤维作为电热层时，通常以碳纤维纸的形式存在。所述碳纤维纸包括纸基材和杂乱分布于该纸基材中的沥青基碳纤维。其中，纸基材包括纤维素纤维和树脂等的混合物，沥青基碳纤维的直径为3～6毫米，长度为5～20微米。

然而，采用碳纤维纸作为加热层具有以下缺点：其一，碳纤维纸厚度较大，一般为几十微米，使空心热源不易做成微型结构，无法应用于微型器件的加热。其二，由于该碳纤维纸中包含了纸基材，所以该碳纤维纸的密度较大，重量大，使得采用该碳纤维纸的空心热源使用不便。其三，由于该碳纤维纸中的沥青基碳纤维杂乱分布，所以该碳纤维纸的强度较小，柔性较差，容易破裂，限制了其应有范围。其四，碳纤维纸的电热转换效率较低，不利于节能环保。

有鉴于此，确有必要提供一种空心热源，该空心热源加热效率高、强度韧性大、寿命长、成本较低、可应用于宏观和微观器件，实际应用性能好。

发明内容

一种空心热源，其包括：一空心基底；一加热层，该加热层设置于空心基底的表面；以及至少两个电极，且所述至少两个电极间隔设置于加热层的表面，并分别与该加热层电连接，其中，所述的加热层包括一碳纳米管层，且该碳纳米管层包括多个相互缠绕的碳纳米管。

与现有技术相比较，所述的空心热源具有以下优点：其一，碳纳米管可以方便地制成任意尺寸的碳纳米管层，既可以应用于宏观领域也可以应用于微观领域。其二，碳纳米管比碳纤维具有更小的密度，所以，采用碳纳米管层的空心热源具有更轻的重量，使用方便。其三，碳纳米管层的电热转换效率高，热阻率低，所以该空心热源具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点。其四，所述的碳纳米管层中的碳纳米管无序排列，具有很好的韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，所以具有较长的使用寿命。

附图说明

图1为本技术方案第一实施例所提供的空心热源的结构示意图。

图2为图1的沿II-II线的剖面示意图。

图3为本技术方案实施例的碳纳米管层的扫描电镜照片。

图4为本技术方案实施例的碳纳米管层的照片。

图5为本技术方案第二实施例所提供的空心热源的结构示意图。

图6为图5的VI-VI线的剖面示意图。

图7为本技术方案第三实施例所提供的空心热源的结构示意图。

图8为图7的沿VIII-VIII线的剖面示意图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本技术方案空心热源。

请参阅图1及图2，本技术方案第一实施例提供一种空心热源100，该空心热源100包括一空心基底102；一加热层104，该加热层104设置于该空心基底102的内表面；一反射层108，该反射层108位于加热层104的外围，设置于该空心基底102的外表面；一第一电极110及一第二电极112，第一电极110和第二电极112间隔设置于加热层104的表面，并分别与加热层104电连接；一绝缘保护层106，该绝缘保护层106设置于加热层104的内表面。

所述空心基底102的材料不限，用于支撑加热层104，可为硬性材料，如：陶瓷、玻璃、树脂、石英、塑料等。空心基底102亦可以选择柔性材料，如：树脂、橡胶、塑料或柔性纤维等。当空心基底102为柔性材料时，该空心热源100在使用时可根据需要弯折成任意形状。所述空心基底102的形状大小不限，其具有一空心结构即可，可为管状、球状、长方体状等，可以为全封闭结构，也可以为半封闭结构，其具体可根据实际需要进行改变。空心基底102的横截面的形状亦不限，可以为圆形、弧形、长方形等。本实施例中，空心基底102为一空心陶瓷管，其横截面为一圆形。

所述加热层104设置于空心基底102的内表面，用于向空心基底102的内部空间加热。所述加热层104包括一碳纳米管层，该碳纳米管层本身具有一定的粘性，可以利用本身的粘性设置于空心基底102的表面，也可以通过粘结剂设置于空心基底102的表面。所述的粘结剂为硅胶。该碳纳米管层的长度、宽度和厚度不限，可根据实际需要选择。本技术方案提供的碳纳米管层的长度为1～10厘米，宽度为1～10厘米，厚度为1微米～2毫米。可以理解，碳纳米管层的热响应速度与其厚度有关。在相同面积的情况下，碳纳米管层的厚度越大，热响应速度越慢；反之，碳纳米管层的厚度越小，热响应速度越快。

所述碳纳米管层包括相互缠绕的碳纳米管，请参阅图3。所述的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。该碳纳米管层中，碳纳米管为均匀分布，无规则排列，使得该碳纳米管层呈各向同性；碳纳米管相互缠绕，因此该碳纳米管层具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，请参阅图4。该碳纳米管层中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。该碳纳米管的长度大于50微米。本实施例中，碳纳米管的长度优选为200～900微米。

本实施例中，加热层104采用厚度为100微米的碳纳米管层。该碳纳米管层的长度为5厘米，碳纳米管层的宽度为3厘米。利用碳纳米管层本身的粘性，将该碳纳米管层设置于空心基底102的内表面。

所述第一电极110和第二电极112间隔设置且分别与加热层电连接，第一电极110和第二电极112可设置在加热层104的同一表面上也可以设置在加热层104的不同表面上。所述第一电极110和第二电极112可通过碳纳米管层的粘性或导电粘结剂(图未示)设置于该加热层104的表面上。导电粘结剂在实现第一电极110和第二电极112与碳纳米管层电接触的同时，还可将第一电极110和第二电极112更好地固定于碳纳米管层的表面上。通过该第一电极110和第二电极112可以对加热层104施加电压。其中，第一电极110和第二电极112之间相隔设置，以使采用碳纳米管层的加热层104通电发热时接入一定的阻值避免短路现象产生。优选地，第一电极110和第二电极112间隔设置于空心基底102的两端，并环绕设置于加热层104的表面。

所述第一电极110和第二电极112为导电薄膜、金属片或者金属引线。该导电薄膜的材料可以为金属、合金、铟锡氧化物(ITO)、锑锡氧化物(ATO)、导电银胶、导电聚合物等。该导电薄膜可以通过物理气相沉积法、化学气相沉积法或其它方法形成于加热层104表面。该金属片或者金属引线的材料可以为铜片或铝片等。该金属片可以通过导电粘结剂固定于加热层104表面。

所述第一电极110和第二电极112还可以为一碳纳米管结构。该碳纳米管结构设置于加热层104的外表面。该碳纳米管结构可通过其自身的粘性或导电粘结剂固定于加热层104的外表面。该碳纳米管结构包括定向排列且均匀分布的金属性碳纳米管。具体地，该碳纳米管结构包括至少一有序碳纳米管薄膜或至少一碳纳米管长线。

本实施例中，优选地，将两个有序碳纳米管薄膜分别设置于沿空心基底102长度方向的两端作为第一电极110和第二电极112。该两个有序碳纳米管薄膜环绕于加热层104的外表面，并通过导电粘结剂与加热层104之间形成电接触。所述导电粘结剂优选为银胶。由于本实施例中的加热层104也采用碳纳米管层，所以第一电极110和第二电极112与加热层104之间具有较小的欧姆接触电阻，可以提高空心热源100对电能的利用率。

所述反射层108用于反射加热层104所发出的热量，使其有效地对空心基底102内部空间加热。反射层108位于加热层104外围，本实施例中，反射层108设置于空心基底102的外表面。反射层108的材料为一白色绝缘材料，如：金属氧化物、金属盐或陶瓷等。反射层108通过溅射或涂敷的方法设置于空心基底102的外表面。本实施例中，反射层108的材料优选为三氧化二铝，其厚度为100微米～0.5毫米。该反射层108通过溅射的方法沉积于该空心基底102外表面。可以理解，该反射层108为一可选择结构，当空心热源100未包括反射层时，该空心热源100也可用于对外加热。

所述绝缘保护层106用来防止该空心热源100在使用时与外界形成电接触，同时还可以防止加热层104中的碳纳米管层吸附外界杂质。本实施例中，绝缘保护层106设置于加热层104的内表面。所述绝缘保护层106的材料为一绝缘材料，如：橡胶、树脂等。所述绝缘保护层106厚度不限，可以根据实际情况选择。优选地，该绝缘保护层106的厚度为0.5～2毫米。该绝缘保护层106可通过涂敷或溅射的方法形成于加热层104的表面。可以理解，所述绝缘保护层106为一可选择结构。

本实施例所提供的空心热源100在应用时具体包括以下步骤：提供一待加热的物体；将待加热的物体设置于该空心热源100的中心；将空心热源100通过第一电极110与第二电极112连接导线接入1伏-20伏的电源电压后，加热功率为1瓦～40瓦时，该空心热源可以辐射出波长较长的电磁波。通过温度测量仪红外测温仪AZ8859测量发现该空心热源100的加热层104表面的温度为50℃～500℃，加热待加热物体。可见，该碳纳米管层具有较高的电热转换效率。由于加热层104表面的热量以热辐射的形式传递给待加热物体，加热效果不会因为待加热物体中各个部分因为距离空心热源100的不同而产生较大的不同，可实现对待加热物体的均匀加热。对于具有黑体结构的物体来说，其所对应的温度为200℃～450℃时就能发出人眼看不见的热辐射(红外线)，此时的热辐射最稳定、效率最高，所产生的热辐射热量最大。

该空心热源100在使用时，可以将其与待加热的物体表面直接接触或将其与被加热的物体间隔设置，利用其热辐射即可进行加热。该空心热源100可以广泛应用于如工厂管道、实验室加热炉或厨具电烤箱等。

本实施例中所提供的空心热源100具有以下优点：其一，加热层104为一碳纳米管层，碳纳米管具有强的抗腐蚀性，使其可以在酸性环境中工作；其二，碳纳米管比同体积的钢强度高100倍，重量却只有其1/6，所以，采用碳纳米管的空心热源20具有更高的强度和更轻的重量；其三，所述的碳纳米管层中的碳纳米管无序排列，具有很好的韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，所以具有较长的使用寿命。

请参见图5及图6，本技术方案第二实施例提供一种空心热源200，该空心热源200包括一空心基底202；一加热层204，该加热层204设置于该空心基底202的内表面；一反射层208，该反射层208位于加热层204的外围；一第一电极210及一第二电极212，第一电极210和第二电极212间隔设置于加热层204的表面，并分别与加热层204电连接；一绝缘保护层206，该绝缘保护层206设置于加热层204的内表面。第二实施例中所提供的空心热源200与第一实施例所提供的空心热源100的结构基本相同，其区别在于反射层208设置于空心基底202与加热层204之间，位于加热层204的外表面。所述空心基底202、加热层204、反射层208、第一电极210及第二电极212的结构和材料与第一实施例相同。

请参见图7及图8，本技术方案第三实施例提供一种空心热源300，该空心热源300包括一空心基底302；一加热层304；一反射层208；一第一电极310及一第二电极312，第一电极310和第二电极312间隔设置于加热层204的表面，并分别与加热层304电连接。第三实施例中的空心热源300和第一实施例中的空心热源100的结构基本相同，其区别在于，该加热层304设置于该空心基底302的外表面，该反射层308设置于加热层304的外表面，由于加热层304设置于空心基底302和反射层308之间，因此，无需绝缘保护层，且加热层304与反射层308的位置不同。第三实施例中的所述空心基底302、加热层304、反射层308的结构和材料与第一实施例相同。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (15)

1.一种空心热源，其包括：

一空心基底；

一加热层，该加热层设置于空心基底的表面；以及

至少两个电极间隔设置并分别与加热层电连接；

其特征在于，所述的加热层包括一碳纳米管层，且该碳纳米管层包括多个通过范德华力相互缠绕的碳纳米管。

2.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述的空心热源进一步包括一反射层，所述反射层设置于加热层的外围。

3.如权利要求2所述的空心热源，其特征在于，所述的空心热源进一步包括一绝缘保护层，该绝缘保护层设置于加热层的表面。

4.如权利要求3所述的空心热源，其特征在于，所述的加热层设置于空心基底的外表面，所述的反射层设置于加热层的外表面，加热层位于空心基底与反射层之间。

5.如权利要求3所述的空心热源，其特征在于，所述的加热层设置于空心基底的内表面，所述的反射层设置于空心基底的外表面，所述的绝缘保护层设置于加热层的内表面。

6.如权利要求3所述的空心热源，其特征在于，所述的加热层设置于空心基底的内表面，所述的反射层设置于加热层与空心基底之间，所述的绝缘保护层设置于加热层的内表面。

7.如权利要求2所述的空心热源，其特征在于，所述的反射层的材料为金属氧化物、金属盐或陶瓷，其厚度为100微米-0.5毫米。

8.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述的碳纳米管层中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，形成网络状结构。

9.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述碳纳米管均匀分布，无规则排列，碳纳米管层呈各向同性。

10.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述的碳纳米管层的厚度为1微米至2毫米。

11.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述的碳纳米管的长度大于50微米，直径小于50纳米。

12.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述至少两个电极设置于加热层的同一表面或不同表面。

13.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述至少两个电极的材料为金属、合金、铟锡氧化物、导电银胶、导电聚合物或导电性碳纳米管。

14.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述空心基底的材料为柔性材料或硬性材料，且所述柔性材料为塑料或柔性纤维，所述硬性材料为陶瓷、玻璃、树脂、石英。

15.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述至少两个电极中至少一个电极为一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括至少一有序碳纳米管薄膜或至少一碳纳米管长线。

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