專利名稱：空心熱源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空心熱源，尤其涉及一種基于碳納米管的空心熱源。
背景技術(shù)：
熱源在人們的生產(chǎn)、生活、科研中起著重要的作用?？招臒嵩词菬嵩吹囊环N，其特點(diǎn)為空心熱源具有一空心結(jié)構(gòu)，將待加熱物體設(shè)置于該空心結(jié)構(gòu)的空心中對(duì)物體進(jìn)行加熱，因此，空心熱源可對(duì)待加熱物體的各個(gè)部位同時(shí)
加熱，加熱面廣、加熱均勻且效率豐交高?？招臒嵩匆殉晒τ糜诠I(yè)領(lǐng)域、科研領(lǐng)域或生活領(lǐng)域等，如工廠管道、實(shí)驗(yàn)室加熱爐或廚具電烤箱等。
空心熱源的基本結(jié)構(gòu)通常包括基底和設(shè)置在基底上的電熱層，通過在電熱層中通入電流產(chǎn)生焦耳熱使電熱層的溫度升高進(jìn)而加熱物體?，F(xiàn)有的空心熱源的電熱層通常采用金屬絲，如鉻鎳合金絲、銅絲、鉬絲或鴒絲等通過鋪
設(shè)或纏繞的方式形成。然而，采用金屬絲作為電熱層具有以下缺點(diǎn)其一，金屬絲表面容易被氧化，導(dǎo)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?yàn)槠渚哂辛己玫暮隗w輻射性能，密度小等優(yōu)點(diǎn)成為電熱層材料研究的熱點(diǎn)(請(qǐng)參見"DevelopmentForeground and Market Analyze of Carbon Fiber" , Wang Hai-ying, Hi-TechFiber & Application, Vol.8, P765(2007))。碳纖維作為電熱層時(shí)，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于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(zhǎng)度為5 20微米。
然而，采用碳纖維紙作為加熱層具有以下缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)，無(wú)法應(yīng)用于微型器件的加熱。其二，由于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，使得采用該碳纖維紙的空心熱源使用不便。其三，由于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(qiáng)度較小，柔性較差， 容易破裂，限制了其應(yīng)有范圍。其四，碳纖維紙的電熱轉(zhuǎn)換效率較低，不利 于節(jié)能環(huán)保。
有鑒于此，確有必要提供一種空心熱源，該空心熱源加熱效率高、強(qiáng)度 韌性大、壽命長(zhǎng)、成本較低、可應(yīng)用于宏觀和微觀器件，實(shí)際應(yīng)用性能好。

發(fā)明內(nèi)容
一種空心熱源，其包括 一空心基底； 一加熱層，該加熱層設(shè)置于空心 基底的表面；以及至少兩個(gè)電極，且所述至少兩個(gè)電極間隔設(shè)置于加熱層的 表面，并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多個(gè)相互纏繞的碳納米管。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述的空心熱源具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，碳納米管可 以方便地制成任意尺寸的碳納米管層，既可以應(yīng)用于宏觀領(lǐng)域也可以應(yīng)用于 微觀領(lǐng)域。其二，碳納米管比碳纖維具有更小的密度，所以，采用碳納米管 層的空心熱源具有更輕的重量，使用方便。其三，碳納米管層的電熱轉(zhuǎn)換效 率高，熱阻率低，所以該空心熱源具有升溫迅速、熱滯后小、熱交換速度快 的特點(diǎn)。其四，所述的碳納米管層中的碳納米管無(wú)序排列，具有很好的韌性， 可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂，所以具有較長(zhǎng)的使用壽命。


圖1為本技術(shù)方案第一實(shí)施例所提供的空心熱源的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的沿II-II線的剖面示意圖。
圖3為本技術(shù)方案實(shí)施例的碳納米管層的掃描電鏡照片。
圖4為本技術(shù)方案實(shí)施例的碳納米管層的照片。
圖5為本技術(shù)方案第二實(shí)施例所提供的空心熱源的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為圖5的VI-VI線的剖面示意圖。
圖7為本技術(shù)方案第三實(shí)施例所提供的空心熱源的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為圖7的沿vin-vni線的剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本技術(shù)方案空心熱源。
請(qǐng)參閱圖1及圖2,本技術(shù)方案第一實(shí)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(shè)置于該空心基底102的內(nèi)表面； 一反射層108，該反射層108位于加熱層104的外圍，設(shè)置于該空心基底102的外表面； 一第一電極IIO及一第二電極112,第一電極110和第二電極112間隔設(shè)置于加熱層104的表面，并分別與加熱層104電連接； 一絕緣保護(hù)層106,該絕緣保護(hù)層106設(shè)置于加熱層104的內(nèi)表面。
所述空心基底102的材料不限，用于支撐加熱層104，可為硬性材料，如陶瓷、玻璃、樹脂、石英、塑料等?？招幕?02亦可以選擇柔性材料，如樹脂、橡膠、塑料或柔性纖維等。當(dāng)空心基底102為柔性材料時(shí)，該空心熱源IOO在使用時(shí)可根據(jù)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(jié)構(gòu)即可，可為管狀、球狀、長(zhǎng)方體狀等，可以為全封閉結(jié)構(gòu)，也可以為半封閉結(jié)構(gòu)，其具體可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改變?？招幕?02的橫截面的形狀亦不限，可以為圓形、弧形、長(zhǎng)方形等。本實(shí)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(shè)置于空心基底102的內(nèi)表面，用于向空心基底102的內(nèi)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(shè)置于空心基底102的表面，也可以通過粘結(jié)劑設(shè)置于空心基底102的表面。所述的粘結(jié)劑為硅膠。該碳納米管層的長(zhǎng)度、寬度和厚度不限，可根據(jù)實(shí)際需要選擇。本技術(shù)方案提供的碳納米管層的長(zhǎng)度為l-10厘米，寬度為l-10厘米，厚度為l微米 2毫米。可以理解，碳納米管層的熱響應(yīng)速度與其厚度有關(guān)。在相同面積的情況下，碳納米管層的厚度越大，熱響應(yīng)速度越慢；反之，碳納米管層的厚度越小，熱響應(yīng)速度越快。
所述碳納米管層包括相互纏繞的碳納米管，請(qǐng)參閱圖3。所述的碳納米管之間通過范德華力相互吸引、纏繞，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。該碳納米管層中，碳納米管為均勻分布，無(wú)規(guī)則排列，使得該碳納米管層呈各向同性；碳納米管相互纏繞，因此該碳納米管層具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂，請(qǐng)參閱圖4。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^ 友納米管的直徑為1.0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(zhǎng)度大于50微米。本實(shí)施例中， 碳納米管的長(zhǎng)度優(yōu)選為200-900孩企米。
本實(shí)施例中，加熱層104釆用厚度為IOO微米的碳納米管層。該碳納米 管層的長(zhǎng)度為5厘米，碳納米管層的寬度為3厘米。利用碳納米管層本身的 粘性，將該碳納米管層設(shè)置于空心基底102的內(nèi)表面。
所述第一電極IIO和第二電極112間隔設(shè)置且分別與加熱層電連接，第 一電極IIO和第二電極112可設(shè)置在加熱層104的同一表面上也可以設(shè)置在 加熱層104的不同表面上。所述第一電極IIO和第二電極112可通過碳納米 管層的粘性或?qū)щ娬辰Y(jié)劑(圖未示)設(shè)置于該加熱層104的表面上。導(dǎo)電粘結(jié) 劑在實(shí)現(xiàn)第一電極IIO和第二電極112與碳納米管層電接觸的同時(shí)，還可將 第一電極IIO和第二電極112更好地固定于碳納米管層的表面上。通過該第 一電極110和第二電極112可以對(duì)加熱層104施加電壓。其中，第一電極110 和第二電極112之間相隔設(shè)置，以使采用碳納米管層的加熱層104通電發(fā)熱 時(shí)接入一定的阻值避免短路現(xiàn)象產(chǎn)生。優(yōu)選地，第一電極IIO和第二電極112 間隔設(shè)置于空心基底102的兩端，并環(huán)繞設(shè)置于加熱層104的表面。
所述第一電極IIO和第二電極112為導(dǎo)電薄膜、金屬片或者金屬引線。 該導(dǎo)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(dǎo)電銀膠、導(dǎo)電聚合物等。該導(dǎo)電薄膜可以通過物理氣相沉積法、化學(xué)氣相 沉積法或其它方法形成于加熱層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(dǎo)電粘結(jié)劑固定于加熱層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(jié)構(gòu)。該碳納米 管結(jié)構(gòu)設(shè)置于加熱層104的外表面。該碳納米管結(jié)構(gòu)可通過其自身的粘性或 導(dǎo)電粘結(jié)劑固定于加熱層104的外表面。該碳納米管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)包括至少一有序碳納米 管薄膜或至少 一碳納米管長(zhǎng)線。
本實(shí)施例中，優(yōu)選地，將兩個(gè)有序碳納米管薄膜分別設(shè)置于沿空心基底 102長(zhǎng)度方向的兩端作為第一電才及110和第二電才及112。該兩個(gè)有序^i內(nèi)米 管薄膜環(huán)繞于加熱層104的外表面，并通過導(dǎo)電粘結(jié)劑與加熱層104之間形成電接觸。所述導(dǎo)電粘結(jié)劑優(yōu)選為銀膠。由于本實(shí)施例中的加熱層104也采 用碳納米管層，所以第一電極110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(duì)電能的利用率。
所述反射層108用于反射加熱層104所發(fā)出的熱量，使其有效地對(duì)空心 基底102內(nèi)部空間加熱。反射層108位于加熱層104外圍，本實(shí)施例中，反 射層108設(shè)置于空心基底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通過濺射或涂敷的方法 設(shè)置于空心基底102的外表面。本實(shí)施例中，反射層108的材料優(yōu)選為三氧 化二鋁，其厚度為10(H敖米 0.5毫米。該反射層108通過濺射的方法沉積于 該空心基底102外表面?？梢岳斫猓摲瓷鋵?08為一可選擇結(jié)構(gòu)，當(dāng)空心 熱源IOO未包括反射層時(shí)，該空心熱源IOO也可用于對(duì)外加熱。
所述絕緣保護(hù)層106用來防止該空心熱源IOO在使用時(shí)與外界形成電接 觸，同時(shí)還可以防止加熱層104中的碳納米管層吸附外界雜質(zhì)。本實(shí)施例中， 絕緣保護(hù)層106設(shè)置于加熱層104的內(nèi)表面。所述絕緣保護(hù)層106的材料為 一絕緣材料，如橡膠、樹脂等。所述絕緣保護(hù)層106厚度不限，可以根據(jù) 實(shí)際情況選擇。優(yōu)選地，該絕緣保護(hù)層106的厚度為0.5-2毫米。該絕緣保 護(hù)層106可通過涂敷或賊射的方法形成于加熱層104的表面?？梢岳斫猓?述絕緣保護(hù)層106為一可選擇結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例所提供的空心熱源IOO在應(yīng)用時(shí)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(shè)置于該空心熱源IOO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(dǎo)線接入1伏-20伏的電源電壓后， 加熱功率為1瓦 40瓦時(shí)，該空心熱源可以輻射出波長(zhǎng)4交長(zhǎng)的電；茲波。通過 溫度測(cè)量?jī)x紅外測(cè)溫儀AZ8859測(cè)量發(fā)現(xiàn)該空心熱源100的加熱層104表面 的溫度為50。C 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(zhuǎn)換效率。由于加熱層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(huì)因?yàn)榇訜嵛矬w中各個(gè)部分因?yàn)榫嚯x空心熱源IOO的不同而產(chǎn) 生較大的不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)待加熱物體的均勻加熱。對(duì)于具有黑體結(jié)構(gòu)的物體 來說，其所對(duì)應(yīng)的溫度為200。C 45(TC時(shí)就能發(fā)出人眼看不見的熱輻射(紅 外線)，此時(shí)的熱輻射最穩(wěn)定、效率最高，所產(chǎn)生的熱輻射熱量最大。
該空心熱源IOO在使用時(shí)，可以將其與待加熱的物體表面直接接觸或?qū)⑵渑c被加熱的物體間隔設(shè)置，利用其熱輻射即可進(jìn)行加熱。該空心熱源100 可以廣泛應(yīng)用于如工廠管道、實(shí)^r室加熱爐或廚具電烤箱等。
本實(shí)施例中所提供的空心熱源100具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，加熱層104為 一碳納米管層，碳納米管具有強(qiáng)的抗腐蝕性，使其可以在酸性環(huán)境中工作； 其二，碳納米管比同體積的鋼強(qiáng)度高100倍，重量卻只有其1/6，所以，采 用碳納米管的空心熱源20具有更高的強(qiáng)度和更輕的重量；其三，所述的碳 納米管層中的碳納米管無(wú)序排列，具有很好的韌性，可以彎曲折疊成任意形 狀而不破裂，所以具有較長(zhǎng)的使用壽命。
請(qǐng)參見圖5及圖6，本技術(shù)方案第二實(shí)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; —加熱層204,該加熱層204設(shè)置于該 空心基底202的內(nèi)表面； 一反射層208，該反射層208位于加熱層204的外 圍； 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(shè)置于加熱層204的表面，并分別與加熱層204電連接； 一絕緣保護(hù)層206， 該絕緣保護(hù)層206設(shè)置于加熱層104的內(nèi)表面。第二實(shí)施例中所提供的空心 熱源200與第一實(shí)施例所提供的空心熱源IOO的結(jié)構(gòu)基本相同，其區(qū)別在于 反射層208設(shè)置于空心基底202與加熱層204之間，位于加熱層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(jié)構(gòu)和材料與第一實(shí)施例相同。
請(qǐng)參見圖7及圖8，本技術(shù)方案第三實(shí)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(shè)置于加熱層 204的表面，并分別與加熱層204電連接。第三實(shí)施例中的空心熱源300和 第一實(shí)施例中的空心熱源100的結(jié)構(gòu)基本相同，其區(qū)別在于，該加熱層304 設(shè)置于該空心基底202的外表面，該反射層208設(shè)置于加熱層304的外表面， 由于加熱層304設(shè)置于空心基底302和反射層208之間，因此，無(wú)需絕緣保 護(hù)層，且加熱層304與反射層308的位置不同。第三實(shí)施例中的所述空心基 底302、加熱層304、反射層308的結(jié)構(gòu)和材料與第一實(shí)施例相同。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依 據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)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(shè)置于空心基底的表面；以及至少兩個(gè)電極間隔設(shè)置并分別與加熱層電連接；其特征在于，所述的加熱層包括一碳納米管層，且該碳納米管層包括多個(gè)相互纏繞的碳納米管。
2. 如權(quán)利要求1所述的空心熱源，其特征在于，所述的空心熱源進(jìn)一步包括一反射層，所述反射層設(shè)置于加熱層的外圍。
3. 如權(quán)利要求2所述的空心熱源，其特征在于，所述的空心熱源進(jìn)一步包括一絕緣保護(hù)層，該絕緣保護(hù)層設(shè)置于加熱層的表面。
4. 如權(quán)利要求3所述的空心熱源，其特征在于，所述的加熱層設(shè)置于空心基底的外表面，所述的反射層設(shè)置于加熱層的外表面，加熱層位于空心基底與反射層之間。
5. 如權(quán)利要求3所述的空心熱源，其特征在于，所述的加熱層設(shè)置于空心基底的內(nèi)表面，所述的反射層設(shè)置于空心基底的外表面，所述的絕緣保護(hù)層設(shè)置于加熱層的內(nèi)表面。
6. 如權(quán)利要求3所述的空心熱源，其特征在于，所述的加熱層設(shè)置于空心基底的內(nèi)表面，所述的反射層設(shè)置于加熱層與空心基底之間，所述的絕緣保護(hù)層設(shè)置于加熱層的內(nèi)表面。
7. 如權(quán)利要求2所述的空心熱源，其特征在于，所述的反射層的材料為金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷，其厚度為100微米-0.5毫米。
8. 如權(quán)利要求1所述的空心熱源，其特征在于，所述的碳納米管層中的碳納米管之間通過范德華力相互吸引，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。
9. 如權(quán)利要求1所述的空心熱源，其特征在于，所述> 友納米管均勻分布，無(wú)規(guī)則排列，碳納米管層呈各向同性。
10. 如權(quán)利要求1所述的空心熱源，其特征在于，所述的碳納米管層的厚度為1微米至2毫米。
11. 如權(quán)利要求1所述的空心熱源，其特征在于，所述的碳納米管的長(zhǎng)度大于50#:米，直徑小于50納米。
12. 如權(quán)利要求1所述的空心熱源，其特征在于，所述至少兩個(gè)電極設(shè)置于加熱 層的同一表面或不同表面。
13. 如權(quán)利要求1所述的空心熱源，其特征在于，所述至少兩個(gè)電極的材料為金 屬、合金、銦錫氧化物、導(dǎo)電銀膠、導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娦蕴技{米管。
14. 如權(quán)利要求1所述的空心熱源，其特征在于，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(shè)置于空心基底的表面；以及至少兩個(gè)電極間隔設(shè)置且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多個(gè)相互纏繞的碳納米管。
文檔編號(hào)H05B3/40GK101636011SQ200810142610
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者劉長(zhǎng)洪, 姜開利, 鼎 王, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司