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、铝合金或铜等材料复合而成，导磁不锈钢作为涡流产热层，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、铜材料作为高导热层，其导热系数高，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，若内锅高导热层过薄，热量传递速度慢，会出现局部过热、加热不均匀的问题。若内锅高导热层过厚，加热食材前要先将内锅本体加热，内锅本身会吸收大量热量，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的设计方法，导致目前的电饭煲的内锅存在加热效率较低的问题。


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加热效率较低缺陷，从而提供一种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，包括多层材料层，各所述材料层的厚度满足以下公式：
7.其中，所述α为导磁发热结构的等效加热系数、所述δ1至所述δ
n
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料至第n层材料的厚度，单位为mm，所述λ1至所述λ
n
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料至第n层材料的导热系数，单位为w/(m
·
℃)，所述ρ1至所述ρ
n
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料至第n层材料的密度，单位为kg/m3，所述c1至所述c
n
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料至第n层材料的比热容，单位为kj/(kg
·
℃)，所述h为导磁发热结构的高度，单位为mm，所述a、所述b和所述c均为常数。
8.可选地，所述α和导磁发热结构的加热效率通过以下关系进行换算：η＝0.8793α3‑
2.175α2 1.8032α 0.4305；其中，所述η为所述电热加热结构的加热效率，所述α在0.4至1.1的范围内。
9.可选地，所述a为0.1、所述b为7，所述c为0.5。
10.可选地，所述导磁发热结构的由外至内的第一层材料的厚度通过以下公式获得：其中，所述δ1为导磁发热结构的由外至内的第一层材料的厚度，单位为mm，所述f为线圈的激励频率，单位为hz，所述μ
r
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料的相对磁导率，所述μ0为真空磁导率，数值为4π
×
107h/m，所述σ为导磁发热结构的由外至内的第一层材料的电导率，单位为s/m。
11.可选地，所述导磁发热结构为烹饪器具的内锅。
12.可选地，所述多层材料层中，位于最外侧的所述材料层由不锈钢制成，其余所述材料层由铝合金或者铜制成。
13.可选地，所述多层材料层中，位于最外侧的所述材料层的厚度在0.3至1.4mm的范围内，其余所述材料层的总厚度在0.6至2.7mm的范围内。
14.可选地，所述材料层包括由外至内依次设置的第一材料层(10)和第二材料层(20)，所述第一材料层(10)的厚度在0.3至1.4mm的范围内，所述第二材料层(20)的厚度在0.8至2mm的范围内。
15.可选地，所述材料层还包括第三材料层(30)，所述第三材料层(30)位于所述第二材料层(20)的内侧，所述第三材料层(30)的厚度在0.3至1mm的范围内。
16.本发明还提供了一种烹饪器具，包括上述的导磁发热结构。
17.可选地，所述烹饪器具为电饭煲或者电压力锅，所述烹饪器具包括锅体以及盖设在所述锅体上的锅盖，所述锅体的底部设置有线圈盘，所述烹饪器具还包括内锅(100)，所述内锅(100)放置于所述锅体内并位于所述线圈盘的上方，所述内锅形成所述导磁发热结构。
18.本发明具有以下优点：
19.利用本发明的技术方案，将不同的导磁发热结构的材料厚度，材料特性以及加热效率进行记录和实验，建立等效加热效率模型。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以及材料特性代入至等效加热效率模型中，即可设计出满足目标加热效率的导磁发热结构的材料厚度，保证导磁发热结构具有较高的加热效率。同时，通过等效加热效率模型对导磁发热结构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加热效率较低的缺陷。
附图说明
20.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。
21.图1示出了本发明的导磁发热结构的结构示意图；
22.图2示出了图1中a处放大示意图；以及
23.图3示出了根据本发明的导磁发热结构的材料厚度的设计方法进行设计的不同内锅的热效率示意图。
24.附图标记说明：
25.10、第一材料层；20、第二材料层；30、第三材料层；100、内锅。
具体实施方式
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.本实施例的导磁发热结构的材料厚度的设计方法，包括：
31.步骤s1：根据不同导磁发热结构的材料厚度、材料特性及加热效率，通过实验建立等效加热效率模型；
32.步骤s2：将目标导磁发热结构的加热效率、目标导磁发热结构的材料的特性代入至等效加热模型中，得到目标导磁发热结构的材料厚度。
33.利用本实施例的技术方案，将不同的导磁发热结构的材料厚度，材料特性以及加热效率进行记录和实验，建立等效加热效率模型。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以及材料特性代入至等效加热模型中，即可设计出满足目标加热效率的导磁发热结构的材料厚度，保证导磁发热结构具有较高的加热效率。同时，通过等效加热效率模型对导磁发热结构的材料厚度进行设计，具有设计块，效率高的特点。因此本实施例的技术方案解决了现有技术中的电饭煲的内锅加热效率较低缺陷。
34.需要说明的是，导磁发热结构的材料特性指的是，导磁发热结构的相对磁导率、电导率、导热系数、密度、比热容等等。当导磁发热结构的某一层的材料确定时(例如选为不锈钢、铝合金、铜等等)，其材料即可确定。将不同导磁发热结构的材料厚度、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等效加热效率模型。
35.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，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，以下以内锅对本实施例的设计方法进行说明，当然，本领域技术人员可以理解，下述设计方法完全可以
用于上述举例的各种电磁加热部件。
36.如图1和图2的所示，内锅100一般由多层材料组成，主要包括涡流产热层和高导热层。本实施例中，内锅100包括第一材料层10、第二材料层20和第三材料层30。其中，第一材料层10作为感应涡流产热层，其由导磁不锈钢等磁性材料组成，通过电磁感应涡流产生热量，加热内锅100和内锅100内的食材，作为加热热源。第二材料层20和第三材料层30作为高导热层，主要采用铝合金、铜等导热性能好的材料。
37.本实施例中，第一材料层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，在线圈周围空间生产交变磁场，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。第二材料层20作为高导热层，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。第三材料层30作为高导热层，与第二材料层20的作用相同。
38.ih电饭煲内锅100导磁不锈钢层感应涡流产生热量，热量通过高导热层传导至整个内锅锅体，使内锅锅体整体快速升温，提高内锅锅体平均温度，内锅锅体与锅内食材的温差增大，增强内锅与锅内食材的换热性能，进而提高加热效率。
39.热量在内锅锅体内传热热量的快慢主要取决于内锅材料的导热系数和材料厚度，内锅导热系数越大、厚度越大，锅体内的热传导速度越快，内锅锅体温度更加均匀；内锅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，内锅的升温速度越快，内锅与锅内食材的温差越大，换热速度越快，加热效率越高。
40.因此，等效加热效率模型通过以下三个理论公式得到：
41.内锅锅体传热热阻：
[0042][0043]
锅体内热扩散计算：
[0044][0045]
集总参数法：
[0046][0047]
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。
[0048]
基于集总参数法，通过数值模拟和实验测试，研究材料热阻、热容、热扩散对热效率的影响规律，拟合内锅材料物性参数、结构参数和等效加热效率的函数关系，发明人建立了高能效内锅设计计算模型，具体如下：
[0049]
等效加热效率模型包括：
[0050][0051]
在上述公式中，α为导磁发热结构的等效加热率、δ1至δ
n
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料至第n层材料的厚度，λ1至λ
n
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料至第n层材料的导热系数，ρ1至ρ
n
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料至第n层材料的密度，c1至c
n
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料至第n层材料的比热容，h为导磁发热结构的高度，a、b和c均为常数。
[0052]
本领域技术人员可以理解，当内锅100的某一层材料层的材料确定时，该材料的导热系数、密度、比热容均可确定。同时，内锅100的整体高度设计时即可确定。因此在上述的等效加热效率模型中，变量为各个材料层的厚度。将内锅100需要达到的等效加热率带入至上述等效加热效率模型中，设计出的内锅100的各材料层的厚度只要满足上述等式，即可满足目标等效加热效率，保证设计出的内锅具有较高效能。
[0053]
具体而言，由于本实施中的材料层包括第一材料层10、第二材料层20和第三材料层30，因此上述的n取3即可。本领域技术人员理解，当内锅100的材料层的层数不同时，n相应的取对应值即可。
[0054]
申请人通过仿真计算获得大量数据，再基于仿真数据，分析内锅材料物性参数、结构参数和加热效率之间的关系，拟合出内锅材料密度、比热容、导热系数、厚度、以及内锅高度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，等效加热系数越大，内锅的加热效率越高，即ih电饭煲的热效率更高，根据申请人的实验数据表明，α(等效加热系数)和导磁发热结构的加热效率并非是线性关系。并且α(等效加热效系数)和导磁发热结构的加热效率通过以下关系进行换算：
[0055]
η＝0.8793α3‑
2.175α2 1.8032α 0.4305；
[0056]
其中，η为所述电热加热结构的加热效率，并且优选地，α在0.4至1.1的范围内。具体而言，η大于86％时，内锅具备高效能的特点，对应的α为0.4。并且当α大于1.1时，η的值大于1，显然符不符合设计规律。因此α的最终的取值为0.4至1.1。
[0057]
具体而言，将目标加热效率η带入至上述公式中，然后解方程组得到α的具体数值，然后再将α带入至上述的等效加热效率模型，并设计各个材料层的厚度。
[0058]
为了便于取值，申请人列出了几个常用的加热效率和等效加热系数的对应关系：
[0059]
等效加热效率α0.40.5570.5850.6520.6940.869实际加热效率η86％91.4％91.5％92.5％92.9％93.2％
[0060]
具体而言，高效能内锅的加热效率通常在86％以上，因此此时等效加热效率对应为0.4。当然，当设计内锅的目标加热效率为其它数值时，将目标加热效率带入上述公式，求解等式右侧的方程组即可。
[0061]
进一步地，对于应当大于或者等于应当大于或者等于高效能内锅而言，目标加热效率应当大于或者等于86％时，对应的等效加热效率应当大于或者等于0.4。
[0062]
优选地，上述的参数a、b和c具体为：a为0.1、b为7，c为0.5。当然，本领域技术人员可以根据实验数据的拟合结果，对上述三个参数的数值进行调整。
[0063]
进一步地，为了产生感应涡流生热，为ih电饭煲提供加热热源，其内锅最外层材料
必须为导磁不锈钢材料，即第一材料层10为导磁不锈钢材料，导磁不锈钢材料的厚度为δ1。根据电磁加热过程中的趋肤效应，导磁不锈钢材料厚度δ1应不小于其趋肤深度δ0，因此导磁发热结构的由外至内的第一层材料10的厚度通过以下公式获得：
[0064][0065]
其中，δ1为导磁发热结构的由外至内的第一层材料的厚度，f为线圈的激励频率，μ
r
为导磁发热结构的由外至内的第一层材料的相对磁导率，μ0为真空磁导率，σ为导磁发热结构的由外至内的第一层材料的电导率。
[0066]
结合图2可以看出，上述的由外至内的第一层材料即为内锅100的第一材料层10。
[0067]
上述的公式为常规的理论趋肤深度计算公式，通过上述公式计算出δ1后带入至等效加热效率模型，然后调整其他各材料层的厚度，并使等效加热效率模型的等号右侧的数值大于或者等于左侧的目标等效加热系数，使得设计出的内锅100具有高效能的特点。
[0068]
如图1和图2所示，本实施例还提供了一种导磁发热结构，导磁发热结构包括多层材料层，各材料层的厚度通过上述的设计方法获得。在上述多层材料层中，位于最外侧的材料层由不锈钢制成，其余材料层由铝合金或者铜制成。
[0069]
优选地，申请人根据上述的等效加热效率模型对内锅100进行设计，设计目标加热效率为86％，对应的等效加热系数α为0.4，设计公式为：
[0070][0071]
其中，n取2或3。
[0072]
并且使最外侧的材料的厚度满足：
[0073][0074]
其中，δ0为导磁不锈钢材料的趋肤深度。
[0075]
本实施例中的内锅各层厚度的设计规律为，最外侧的导磁层的厚度在0.3至1.4mm的范围内，当导磁层的厚度小于0.3mm时，导磁层的厚度小于趋肤深度，磁感应效果下降。当导磁层的厚度大于1.4mm时，会使内锅厚度过厚，整体重量过大，且无助于提高加热效率。导磁层的内侧的其余材料层组成的高导热层的总体厚度在0.6至2.7mm的范围内，以保证内锅具有合理的厚度。
[0076]
对于内锅而言，常见的为两层和三层结构，当内锅为三层结构时，除导磁层外的其余两层的材料层的厚度范围分别为0.8至2mm和在0.3至1mm的范围内。当然，内锅也可以设计为四层、五层以及更多层的结构，但只要保证除导磁层外的其他材料层的总厚度在0.6至2.7mm的范围内即可。
[0077]
根据上述设计公式和设计规律，申请人设计了五组内锅100，其数据分别为：
[0078]
1、材料层包括由外至内依次设置的第一材料层10和第二材料层20，第一材料层10由不锈钢制成，第二材料层20由铝合金制成，其中，第一材料层10的厚度在0.7至1.6mm的范围内，第二材料层20的厚度在1.6至2.3mm的范围内；
[0079]
2、材料层包括由外至内依次设置的第一材料层10、第二材料层20和第三材料层30，第一材料层10由不锈钢制成，第二材料层20由铝合金制成，第三材料层30由铜制成，其中，第一材料层10的厚度在0.3至1.4mm的范围内，第二材料层20的厚度在0.8至2mm的范围内，第三材料层30的厚度在0.3至1mm的范围内；
[0080]
3、材料层包括由外至内依次设置的第一材料层10和第二材料层20，第一材料层10由不锈钢制成，第二材料层20由铝合金制成，其中，第一材料层10的厚度在0.3至1mm的范围内，第二材料层20的厚度在1至2.7mm的范围内；
[0081]
4、材料层包括由外至内依次设置的第一材料层10和第二材料层20，第一材料层10由不锈钢制成，第二材料层20由铝合金制成，其中，第一材料层10的厚度在0.7至1.3mm的范围内，第二材料层20的厚度在0.7至1.3mm的范围内；
[0082]
5、材料层包括由外至内依次设置的第一材料层10和第二材料层20，第一材料层10由不锈钢制成，第二材料层20由铝合金制成，其中，第一材料层10的厚度在0.3至0.9mm的范围内，第二材料层20的厚度在1.1至1.7mm的范围内。
[0083]
对上述五组内锅的数据优化后，最终进行测试的内锅数据为：不锈钢1mm铝合金2mm的两层锅、不锈钢0.6mm铝合金1.9mm铜0.5mm的三层锅、不锈钢0.6mm铝合金2.4mm的两层锅、不锈钢1mm铝合金1mm的两层锅、以及不锈钢0.6mm铝合金1.4mm的两层锅。
[0084]
最终测试结果如图3所示，五组内锅的热效率均高于设计目标86％，说明根据五组内锅均具备高效能的特点。
[0085]
优选地，导磁发热结构为锅具。
[0086]
本实施例还提供了一种烹饪器具，包括上述的导磁发热结构。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，内锅形成导磁发热结构。
[0087]
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。
[0088]
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。