导磁发热结构及烹饪器具的制作方法

1.本发明涉及烹饪器具技术领域，具体涉及一种导磁发热结构及烹饪器具。


背景技术：

2.ih电饭煲是通过电磁感应原理加热食物的烹饪器具，能效是电饭煲基础性能的重要评价指标，低能效产品将逐步被淘汰。由于ih电饭煲的能效普遍高于发热盘电饭煲，因此以ih技术为代表的高能效产品已经成为电饭煲行业发展的主要趋势。
3.ih电饭煲的工作原理大致为：锅体底部的线圈盘输入高频交变电流，电流流过励磁线圈产生交变的磁场，交变磁场作用在具有导磁层的内锅上，磁力线在内锅产生感应涡流，产生涡流热加热锅具及锅具中的食物。现有的ih饭煲内锅一般采用导磁不锈钢、铝合金复合而成，导磁不锈钢作为涡流生热层，其主要作用是在交变的磁场中产生热量，为内锅提供热量。而铝合金材料作为导热层，其导热系数高，导热层能够把导磁不锈钢层产生的热量迅速均匀地传递到内锅各处。
4.在设计内锅时，若内锅涡流生热层过薄，则涡流生热层产热量较少，磁热转换效率较低。若内锅涡流生热层过厚，加热食材前要先将涡流生热层及内锅本体加热，涡流生热层会吸收大量热量，造成热量浪费，加热速度慢，导致加热效率较低，且导致材料浪费，增加材料成本。而现有技术中缺乏针对高效能内锅涡流生热层的设计方法，导致目前的电饭煲的内锅涡流生热层存在磁热转换效率较低的问题。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电饭煲的内锅的涡流生热层的磁热转换效率较低的缺陷，从而提供一种磁热转换效率较高的导磁发热结构及烹饪器具。
6.为了解决上述问题，本发明提供了一种导磁发热结构，包括至少两层材料层，至少两层材料层包括涡流生热层，涡流生热层的厚度δ满足以下公式：其中，p为导磁发热结构的额定功率，单位为w；δ0为涡流生热层的趋肤深度，单位为m；δ为涡流生热层的设计厚度，单位为m；a为涡流生热层的外表面积，单位为m2；ρ为涡流生热层材料的密度，单位为kg/m3；c为涡流生热层材料的比热容，单位为j/(kg
·
℃)；b为常数。
7.本发明的导磁发热结构，δ还满足以下公式：其中，f为线圈激励的频率，单位为hz；μ
r
为材料相对磁导率；μ0为真空磁导率，单位为4π
×
107h/m；σ为材料电导率。
8.本发明的导磁发热结构，导磁发热结构的热效率大于或等于86％，b为2.5
×
10
‑
10
。
9.本发明的导磁发热结构，至少还包括导热层，涡流生热层位于导热层的外侧。
10.本发明的导磁发热结构，涡流生热层由不锈钢制成，导热层由铝合金和/或铜制成。
11.本发明的导磁发热结构，涡流生热层的厚度在0.356mm至1.43mm的范围内。
12.本发明的导磁发热结构，涡流生热层的厚度为0.61mm。
13.本发明的导磁发热结构为锅具。
14.本发明还提供一种烹饪器具，包括上述的导磁发热结构。
15.本发明的烹饪器具为电饭煲或者电压力锅，烹饪器具包括锅体以及盖设在锅体上的锅盖，锅体的底部设置有线圈盘，烹饪器具还包括内锅，内锅放置于锅体内并位于线圈盘的上方，内锅形成导磁发热结构。
16.本发明具有以下优点：
17.利用本发明的技术方案，将不同的导磁发热结构的涡流生热层的材料厚度，材料特性以及加热效率进行记录和实验，建立产热热能与吸热热能的数学模型。在对导磁发热结构进行设计时，将需要设计的目标电磁加热效率对应常数b以及材料特性代入至产热热能与吸热热能的数学模型中，即可设计出满足目标电磁加热效率的导磁发热结构的涡流生热层的材料厚度，保证导磁发热结构的涡流生热层具有较高的磁热转换效率，减少材料浪费和热量损耗，保证导磁发热结构具有较高的加热效率。同时，通过产热热能与吸热热能的数学模型对导磁发热结构的涡流生热层的材料厚度进行设计，具有设计快，效率高的特点。因此本发明的技术方案解决了现有技术中的电饭煲的内锅涡流生热层的磁热转换率较低的缺陷。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1示出了本发明的内锅的结构示意图；
20.图2示出了图1中c处放大示意图；
21.图3示出了本发明的导磁发热结构的不同厚度的涡流生热层的热量示意图；
22.图4示出了本发明的导磁发热结构的不同厚度的涡流生热层的热效率示意图。
23.附图标记说明：
24.10、涡流生热层；20、导热层；100、内锅。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
29.如图1至图2所示，本实施例提供了一种导磁发热结构，至少包括涡流生热层10，涡流生热层10的厚度δ满足以下公式：其中，p为导磁发热结构的额定功率，单位为w；δ0为涡流生热层10的趋肤深度，单位为m；δ为涡流生热层10的设计厚度，单位为m；a为涡流生热层10的外表面积，单位为m2；ρ为涡流生热层10材料的密度，单位为kg/m3；c为涡流生热层10材料的比热容，单位为j/(kg
·
℃)；b为常数。涡流生热层10的主要作用是在交变的磁场中产生热量。
30.将不同的导磁发热结构的涡流生热层10的材料厚度，材料特性以及加热效率进行记录和实验，建立产热热能与吸热热能的数学模型。在对导磁发热结构进行设计时，将需要设计的目标导磁发热结构的加热效率对应的常数b以及材料特性代入至产热热能与吸热热能的数学模型中，即可设计出满足目标导磁发热结构的加热效率的涡流生热层10的材料厚度，保证导磁发热结构的涡流生热层10具有较高的磁热转换效率，减少材料浪费和热量损耗，保证导磁发热结构具有较高的加热效率。同时，通过产热热能与吸热热能的数学模型对导磁发热结构的涡流生热层10的材料厚度进行设计，具有设计快，效率高的特点。因此本发明的技术方案解决了现有技术中的电饭煲的内锅100涡流生热层10的磁热转换率较低的缺陷。
31.需要说明的是，导磁发热结构的涡流生热层10的材料特性指的是，涡流生热层10的相对磁导率、电导率、导热系数、密度、比热容等等。将不同导磁发热结构的涡流生热层10的材料厚度、材料特性和加热效率进行试验，并将试验数据结果进行函数拟合，即可获得导磁发热结构的涡流生热层10的产热热能与吸热热能的数学模型。涡流生热层10的产热热能与吸热热能的数学模型包括
32.本领域技术人员可以理解，利用电磁感应进行加热的结构，均可以作为导磁发热结构，例如，导磁发热结构可以为ih电饭煲或者电压力锅的内锅100，或者为电磁炉用锅具、电磁火锅、电磁壁挂炉导热部件以及电磁加热模具导热部件等等。为了便于说明，以下以内锅100对本实施例进行说明，当然，本领域技术人员可以理解，下述实施例中描述的技术内容完全可以用于上述举例的各种电磁加热部件。
33.涡流生热层10的产热热能与吸热热能的数学模型通过以下公式得到：
34.磁场强度分布的基本方程：
[0035][0036]
等效电流方程：
[0037][0038]
以及等效功率方程：
[0039][0040]
其中，i
r
为离外表面深度x处的电流密度值；i0为外表面的电流密度值；x为从外表面到测量点的距离；δ0为涡流电流的趋肤深度。由于趋肤效应，涡流生热层10在交变的磁场中感应产生的涡流电流密度并非均匀分布，涡流生热层10靠近产生交变磁场的结构的外表面的涡流电流密度大，距离外表面越远则涡流电流逐渐减小。涡流电流和涡流功率主要集中在涡流生热层10的外表面，随着涡流生热层10距离外表面的距离的增加，涡流电流和涡流功率呈指数规律下降，涡流能量的87.5％都是产生在距离表面δ0的厚度内。
[0041]
以上三个公式均为常规理论公式，本领域技术人员可以理解其具体含义与计算方式，故不再赘述。
[0042]
本实施例中的导磁发热结构，δ还满足以下公式：其中，f为线圈激励的频率，单位为hz；μ
r
为材料相对磁导率；μ0为真空磁导率，单位为4π
×
107h/m；σ为材料电导率。根据上述的趋肤效应，本发明的导磁发热结构还满足δ≥δ0；其中，
[0043]
如图3和图4所示，当涡流生热层10的厚度从趋肤深度增加到某一厚度时，再继续增加涡流生热层10的厚度，涡流生热层10的感应涡流产热量基本不再增加，而内锅100的吸热量会一直呈线性增加，吸热量越来越大，涡流生热层10热损耗一直增加，因此，涡流生热层10的厚度为某一厚度时，涡流生热层10产热量与吸热量的差值最大，此时，涡流生热层10的热效率最高，相应的导磁发热结构的热效率最高。
[0044]
以上公式、不同涡流生热层10的相关参数、内锅100感应加热仿真计算、图3示出的不同厚度的涡流生热层10的热量示意图及图4示出的不同厚度的涡流生热层10的热效率示意图，通过理论推导、仿真与实验数据分析，获得涡流生热层10的产热热能与吸热热能的影响规律，拟合出内锅100等导磁发热结构的涡流生热层10的厚度计算函数，实现导磁发热结构的高效加热。
[0045]
申请人通过仿真计算获得大量数据，再基于仿真数据，分析内锅100的涡流生热层10的物性参数、结构参数、磁热转换效率和加热效率之间的关系，拟合出涡流生热层10的材料密度、比热容、导热系数、厚度、以及磁热转换效率与等效加热效率的函数，再通过国标电饭锅能效测试实验进行验证。涡流生热层10的产热热能与吸热热能的比值越大，内锅100的加热效率越高，即ih电饭煲的热效率更高。
[0046]
例如在本实施例中，当目标加热效率为86％时，对应的常数b为2.5
×
10
‑
10
。
[0047]
优选地，当目标加热效率最高时，上述的参数b为2.5
×
10
‑8。当然，本领域技术人员可以根据实验数据的拟合结果，对上述的参数b进行调整。
[0048]
如图1和图2所示，本实施例中的导磁发热结构至少还包括导热层20，涡流生热层10位于导热层20的外侧。导热层20的导热系数高，用于把涡流生热层10产生的热量迅速均匀地传递到内锅100等导磁发热结构的各处。
[0049]
本实施例中，涡流生热层10由不锈钢制成，导热层20由铝合金制成，其中，涡流生热层10的厚度由上述的产热热能与吸热热能的比值模型获得和趋肤深度获得。为了产生感应涡流生热，为ih电饭煲提供加热热源，其内锅100最外层材料必须为导磁不锈钢材料。
[0050]
作为可变换的实施方式，也可以为，涡流生热层10由不锈钢制成，导热层20由铜制成。
[0051]
作为可变换的实施方式，也可以为，材料层包括由外至内依次设置的第一材料层、第二材料层和第三材料层，第一材料层为由不锈钢制成的涡流生热层10，第二材料层由铝合金制成，第三材料层由铜制成。
[0052]
本实施例的一种具体地实施方式中，当导磁发热结构的热效率大于86％时，常数b为2.5
×
10
‑
10
，即涡流生热层10的厚度同时满足以下两个公式：
[0053][0054][0055]
根据上述两个公式进行计算，获得内锅100等导磁发热结构的涡流生热层10的厚度在0.356mm至1.43mm的范围内。
[0056]
本实施例中，常数b为2.5
×
10
‑8时，电磁感应加热的磁热转换效率接近最高值，ih电饭煲等导磁发热结构的热效率接近最高值，此时，涡流生热层10的厚度满足以下公式：为涡流生热层10的最优厚度。本实施例中，涡流生热层10的最优厚度为0.61mm。
[0057]
本实施例中，涡流生热层10一般由导磁不锈钢材料组成，ih电饭煲线圈内通入高频交变电流，在线圈周围空间产生交变磁场，导磁不锈钢层在交变的磁场中产生感应涡流，感应涡流产生热量，作为ih电饭煲加热内锅100及内锅100内的食材的热源。导热层20一般由铝合金、铜等高导热材料组成，用于将产热层产生的热量传导至整个内锅100，使内锅100锅体整体快速升温，提高内锅100的锅体平均温度，增强内锅100与锅内食材的换热性能，提高加热效率。
[0058]
ih电饭煲内锅100导磁不锈钢层感应涡流产生热量，热量通过导热层20传导至整个内锅100锅体，使内锅100锅体整体快速升温，提高内锅100锅体平均温度，内锅100锅体与锅内食材的温差增大，增强内锅100与锅内食材的换热性能，进而提高加热效率。
[0059]
热量在内锅100锅体内传热热量的快慢主要取决于内锅100材料的导热系数和材料厚度，内锅100导热系数越大、厚度越大，锅体内的热传导速度越快，内锅100锅体温度更
加均匀；内锅100的升温速度主要取决于材料的比热容、密度和材料厚度，材料的比热容越小、密度越小、厚度越小，内锅100的升温速度越快，内锅100与锅内食材的温差越大，换热速度越快，加热效率越高。
[0060]
本实施例中，导磁发热结构为锅具，优选为烹饪器具的内锅100。
[0061]
本实施例还提供一种烹饪器具，包括上述的导磁发热结构。
[0062]
烹饪器具为电饭煲或者电压力锅，烹饪器具包括锅体以及盖设在锅体上的锅盖，锅体的底部设置有线圈盘，烹饪器具还包括内锅100，内锅100放置于锅体内并位于线圈盘的上方，内锅100形成导磁发热结构。
[0063]
当然，烹饪器具还可以为其他的利用电磁感应进行加热的烹饪器具。
[0064]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。