TWI448417B - 線熱源 - Google Patents

Description

線熱源

本發明涉及一種線熱源，尤其涉及一種基於奈米碳管的線熱源。

熱源於人們的生產、生活、科研中起著重要的作用。線熱源係常用的熱源之一，被廣泛應用於電加熱器、紅外治療儀、電暖器等領域。

請參見圖1，先前技術提供一種線熱源10，其包括一中空圓柱狀支架102；一加熱層104設置於該支架102表面，一絕緣保護層106設置於該加熱層104表面；兩個電極110分別設置於支架102兩端，且與加熱層104電連接；兩個夾緊件108分別將兩個電極110與加熱層104卡固於支架102兩端。其中，加熱層104通常採用一碳纖維紙通過纏繞或包裹的方式形成。當通過兩個電極110對該線熱源10施加一電壓時，所述加熱層104產生焦耳熱，並向周圍進行熱輻射。所述碳纖維紙包括紙基材及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及樹脂等的混合物，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：第一，碳纖維紙厚度較大，一般為幾十微米，使線熱源不易做成微型結構，無法應用於微型器件的加熱。第二，由於該碳纖維紙中包含紙基材，故，該碳纖維紙的密度較大，重量大，使得採用該碳纖維紙的線 熱源使用不便。第三，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，限制其應有範圍。第四，碳纖維紙的電熱轉換效率較低，不利於節能環保。

有鑒於此，提供一種重量小，強度大，適應用於微型器件的加熱，且電熱轉換效率較低，利於節能環保的線熱源實為必要。

一種線熱源包括一線狀基底；一加熱層設置於線狀基底的表面；及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，所述加熱層包括至少一奈米碳管長線。

相較於先前技術，所述的線熱源具有以下優點：第一，奈米碳管長線直徑可控制於宏觀或微觀範圍，既可應用於宏觀領域也可應用於微觀領域。第二，奈米碳管比碳纖維具有更小的密度，故，採用奈米碳管結構的線熱源具有更輕的重量，使用方便。第三，奈米碳管結構的電熱轉換效率高，熱阻率低，故，該線熱源具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快的特點。

10,20‧‧‧線熱源

102‧‧‧支架

104,204‧‧‧加熱層

106‧‧‧保護層

108‧‧‧夾緊件

110,206‧‧‧電極

202‧‧‧線狀基底

208‧‧‧絕緣保護層

210‧‧‧反射層

圖1為先前技術的線熱源的結構示意圖。

圖2為本技術方案實施例的線熱源的結構示意圖。

圖3為圖2的線熱源沿線Ⅲ-Ⅲ的剖面示意圖。

圖4為圖3的線熱源沿線Ⅳ-Ⅳ的剖面示意圖。

圖5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6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。

以下將結合附圖詳細說明本技術方案線熱源。

請參閱圖2至圖4，本技術方案實施例提供一種線熱源20，該線熱源20包括一線狀基底202；一反射層210設置於該線狀基底202的表面；一加熱層204設置於所述反射層210表面；兩個電極206間隔設置於該加熱層204的表面，且與該加熱層204電連接；及一絕緣保護層208設置於該加熱層204的表面。所述線熱源20的長度不限，直徑為0.1微米~1.5厘米。本實施例的線熱源20的直徑優選為1.1毫米~1.1厘米。

所述線狀基底202起支撐作用，其材料可為硬性材料，如：陶瓷、玻璃、樹脂、石英等，亦可選擇柔性材料，如：塑膠或柔性纖維等。當線狀基底202為柔性材料時，該線熱源20使用時可根據需要彎折成任意形狀。所述線狀基底202的長度、直徑及形狀不限，可依據實際需要進行選擇。本實施例優選的線狀基底202為一陶瓷桿，其直徑為1毫米~1厘米。

所述反射層210的材料為一白色絕緣材料，如：金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷等。本實施例中，反射層210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210通過濺射的方法沈積於該線狀基底202表面。所述反射層210用來反射加熱層204所發的熱量，使其有效的散發到外界空間去，故，該反射層210為一可選擇結構。

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，可根據實際需求製得。請參見圖5及圖6，所述奈米碳管長線包括複數個首尾相連的奈米碳管束平行地組成的束狀結構或由複數個首尾相連的奈米碳管束相互扭轉組成的絞線結構。該相鄰的奈米碳管束之間通過凡德瓦爾力緊密結合，該奈米碳管束包括複數個平行排列的奈米碳管。所述奈米碳管長線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。所述奈米碳管的長度大於100微米。本實施例中，該奈米碳管的長度優選為200~900微米。

當加熱層204包括複數個奈米碳管長線時，該複數個奈米碳管長線相互平行或交叉設置於反射層210的表面。由於奈米碳管長線包括複數個首尾相連的奈米碳管束平行地組成的束狀結構或由複數個首尾相連的奈米碳管束相互扭轉組成的絞線結構，故，具有一定的柔韌性。故，該加熱層204可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。

本實施例將一奈米碳管長線緊密的纏繞於所述反射層210的表面作為加熱層204。該加熱層204的厚度為100微米。

所述電極206可設置於加熱層204的同一表面上也可設置於加熱層204的不同表面上。所述電極206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204的表面上。導電黏結劑實現電極206與奈米碳管層電接觸的同時，還可將電極206更好地固定 於奈米碳管層的表面上。通過該兩個電極206可對加熱層204施加電壓。其中，兩個電極206之間相隔設置，以使採用奈米碳管層的加熱層204通電發熱時接入一定的阻值避免短路現象產生。優選地，由於線狀基底202直徑較小，兩個電極206間隔設置於線狀基底202的兩端，並環繞設置於加熱層204的表面。

所述電極206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204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204表面。

所述電極206還可為一奈米碳管結構。該奈米碳管結構包裹或纏繞於反射層210的表面。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反射層210的表面。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。由於本實施例中的加熱層204也採用奈米碳管結構，故，電極206與加熱層204之間具有較小的歐姆接觸電阻，可提高線熱源20對電能的利用率。

本實施例中，由於本實施例中的加熱層204由一奈米碳管長線纏繞形成，故，奈米碳管長線的兩端可作為電極使用，而無需專門設置兩個電極206。

所述絕緣保護層208的材料為一絕緣材料，如：橡膠、樹脂等。所述絕緣保護層208厚度不限，可根據實際情況選擇。本實施例 中，該絕緣保護層208的材料採用橡膠，其厚度為0.5~2毫米。該絕緣保護層208可通過塗敷或包裹的方法形成於加熱層204的表面。所述絕緣保護層208用來防止該線熱源20使用時與外界形成電接觸，同時還可防止加熱層204中的奈米碳管層吸附外界雜質。該絕緣保護層208為一可選擇結構。

本實施例中，將直徑為100微米的奈米碳管長線纏繞於一直徑為1厘米的線狀基底202上，且其位於兩個電極206之間的長度為3厘米。電流沿著奈米碳管長線的纏繞方向流入。測量儀器為紅外測溫儀AZ-8859。當施加電壓於1伏~20伏，加熱功率為1瓦~40瓦時，奈米碳管長線的表面溫度為50℃~500℃。可見，該奈米碳管結構具有較高的電熱轉換效率。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。

該線熱源20使用時，可將其設置於所要加熱的物體表面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。另，還可將複數個該線熱源20排列成各種預定的圖形使用。該線熱源20可廣泛應用於電加熱器、紅外治療儀、電暖器等領域。

本實施例中，由於奈米碳管具有奈米級的直徑，使得製備的奈米碳管結構可具有較小的厚度，故，採用小直徑的線狀基底可製備微型線熱源。奈米碳管具有強的抗腐蝕性，使其可於酸性環境中工作。而且，奈米碳管具有極強的穩定性，即使於3000℃以上高溫的真空環境下工作而不會分解，使該線熱源20適合於真空高溫下工作。另，奈米碳管比同體積的鋼強度高100倍，重量卻只有 其1/6，故，採用奈米碳管的線熱源20具有更高的強度及更輕的重量。

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。舉凡熟悉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。

20‧‧‧線熱源

202‧‧‧線狀基底

204‧‧‧加熱層

206‧‧‧電極

208‧‧‧絕緣保護層

210‧‧‧反射層

Claims (17)

1. 一種線熱源包括一線狀基底，一加熱層設置於線狀基底的表面，及兩個電極間隔設置，並分別與該加熱層電連接，其改良在於，所述加熱層包括至少一奈米碳管長線，且所述兩個電極通過該奈米碳管長線電連接。
2. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述至少一奈米碳管長線纏繞於線狀基底的表面。
3. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述加熱層包括複數個奈米碳管長線平行或交叉設置於線狀基底的表面。
4. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述奈米碳管長線的直徑為1奈米~100微米。
5. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述奈米碳管長線包括複數個首尾相連的奈米碳管束平行地組成的束狀結構或由複數個首尾相連的奈米碳管束相互扭轉組成的絞線結構，相鄰的奈米碳管束之間通過凡德瓦爾力緊密結合，且該奈米碳管束包括複數個平行排列的奈米碳管。
6. 如請求項第5項所述的線熱源，其中，所述的奈米碳管的長度大於100微米，直徑小於50奈米。
7. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述奈米碳管長線通過其自身的黏性或導電黏結劑固定於加熱層的表面。
8. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述兩個電極設置於加熱層的表面。
9. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述電極為一導電薄膜、金屬片、金屬引線或奈米碳管結構。
10. 如請求項第9項所述的線熱源，其中，所述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。
11. 如請求項第9項所述的線熱源，其中，所述奈米碳管結構包括至少一有序奈米碳管薄膜或至少一奈米碳管長線。
12. 如請求項第9項所述的線熱源，其中，所述奈米碳管結構包裹或纏繞於加熱層的表面。
13. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述奈米碳管結構通過其自身的黏性或導電黏結劑固定於加熱層的表面。
14. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述線狀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。
15. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述線熱源進一步包括一反射層設置於加熱層與線狀基底之間，且該反射層的材料為金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷，厚度為100微米~0.5毫米。
16. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述線熱源進一步包括一絕緣保護層設置於所述加熱層的外表面。
17. 如請求項第1項所述的線熱源，其中，所述線熱源的直徑為0.1微米~1.5厘米。