家用嵌入式電烤箱門體的溫升分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉昌文

家用嵌入式電烤箱門體的溫升分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉昌文

（戈蘭尼亞股份公司，斯洛文尼亞 韋拉涅 3320）

介紹了家用嵌入式電烤箱門體溫升在用戶使用過(guò)程中造成的不舒適和危險(xiǎn)性。從嵌入式電烤箱的工作原理出發(fā)，對(duì)其門體的溫升進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化方案，有效降低門體溫度，提高安全性。

烤箱門體；溫度；優(yōu)化設(shè)計(jì)；溫升分析

1 引言

嵌入式電烤箱（以下簡(jiǎn)稱“電烤箱”）是歐美普遍使用的一種廚房家電，在加熱均勻性、容積、烘烤功能多樣性、溫度控制準(zhǔn)確性等方面都存在明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)內(nèi)烘烤文化的流行，披薩、面包、蛋糕、烤雞翅、牛排等烘烤食品越來(lái)越受歡迎，根據(jù)奧維數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020-03電烤箱品類產(chǎn)品逆勢(shì)上升，大部分蒸烤箱產(chǎn)品的漲幅都在30%以上。相信在未來(lái)，隨著國(guó)民生活水平的提升以及年輕消費(fèi)群體的崛起，烤箱在中國(guó)廚房中的普及度會(huì)越來(lái)越高。

一款好的電烤箱，不僅能夠烘烤出美食，安全和使用舒適性方面也同樣重要。電烤箱屬于加熱器具，正常工作時(shí)腔體溫度超過(guò)200 ℃，部分高溫自清潔功能的腔體溫度可以達(dá)到400 ℃以上。如果直接接觸高溫腔體，尤其是小朋友，看到烤箱中的食物烘烤都會(huì)表現(xiàn)出極強(qiáng)的好奇心，觸碰后會(huì)造成嚴(yán)重的燙傷。所以配備電烤箱門體是避免用戶直接接觸高溫腔體的最有效手段，開(kāi)啟時(shí)放置食物，關(guān)閉時(shí)加熱食物。雖然門體可以阻止熱量傳遞，但由于腔體內(nèi)部的高溫，仍然會(huì)有一些熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)、輻射及對(duì)流的方式傳遞出來(lái)，門體表面會(huì)有一定的溫升。

電烤箱國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.22中規(guī)定了門體溫升的測(cè)試方法和要求。環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，需安裝在特定的實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，在1.15倍的電壓下加熱60 min或者達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，腔體溫度需達(dá)到200 ℃后，測(cè)試電烤箱周圍家具的溫升不能超過(guò)70 K，門體的玻璃或陶瓷的可觸及表面溫升不能超過(guò)60 K，金屬和噴涂金屬不能超過(guò)45 K。

有效降低電烤箱門體的溫升，需有利于增強(qiáng)用戶的安全和使用體驗(yàn)，同時(shí)也有利于產(chǎn)品節(jié)能。本文通過(guò)分析電烤箱的工作原理及結(jié)構(gòu)，提出了幾種降低門體溫升的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

2 電烤箱門體溫度與工作原理分析

電烤箱根據(jù)結(jié)構(gòu)一般分為臺(tái)面式小烤箱和嵌入式大烤箱，其工作原理是電流通過(guò)電熱元件產(chǎn)生熱量，借助傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流的傳遞方式，將熱量傳遞給食物，使其加熱到所要求的溫度和時(shí)間。電烤箱主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，電烤箱主要由烤箱腔體、門體、控制單元、顯示單元、照明燈、熱風(fēng)對(duì)流風(fēng)扇、排氣風(fēng)扇、后部/底部/頂部加熱元件等構(gòu)成。因?yàn)樾枰ㄆ谟^察食物的情況，所以門體主要采用玻璃材質(zhì)。

圖1 電烤箱主要結(jié)構(gòu)示意圖

電烤箱設(shè)置有多根發(fā)熱管，是烘烤食物的主要熱源，功率在2～3 kW范圍內(nèi)。電烤箱還設(shè)置有對(duì)流風(fēng)機(jī)，使腔體內(nèi)的高溫空氣對(duì)流，使熱量分布更加均勻。腔體的溫度有機(jī)械控制和電子控制兩種方式，機(jī)械控制多采用毛細(xì)管溫控器，電子控制多采用電子溫度傳感器，可以設(shè)置不同的溫度。

電烤箱的門體由多層鋼化玻璃固定組成。首先用高溫膠將金屬或者塑料支架粘貼在最外層玻璃上，安裝卡扣將其他幾層玻璃固定在一起，然后安裝鉸鏈與烤箱腔體連接起來(lái)，鉸鏈負(fù)責(zé)門體的開(kāi)合；在腔體與最內(nèi)層玻璃接觸的部位安裝有耐高溫墊圈，腔體在工作時(shí)保持密閉，避免熱量流失?？鞠溟T體正常采用鋼化玻璃，但具有高溫自清潔功能的烤箱，最內(nèi)層會(huì)采用硼硅玻璃（硼硅玻璃的膨脹系數(shù)隨溫度變化小，耐高溫效果更好，不易破碎）。幾層玻璃構(gòu)成的空腔，在加熱狀態(tài)下會(huì)形成自然的對(duì)流，高溫空氣從空腔頂部排出，低溫空氣從底部吸入，將熱量帶出。

電烤箱帶有排氣冷卻系統(tǒng)，其由排氣風(fēng)扇和排氣風(fēng)道組成，電烤箱排氣冷卻系統(tǒng)及門體的對(duì)流如圖2所示。排氣冷卻系統(tǒng)有兩大作用：通過(guò)排氣風(fēng)扇將電烤箱周圍的空氣從箱體空隙處吸入，通過(guò)門體上方的出風(fēng)口排出，降低周圍家具的溫升；電烤箱排出熱空氣的同時(shí)，會(huì)在門體空腔頂部形成文丘里效應(yīng)，使空腔中的空氣對(duì)流加速，從而更快速地降低門體表面的溫升。

圖2 電烤箱排氣冷卻系統(tǒng)及門體的對(duì)流示意

3 降低電烤箱門體溫升的分析及優(yōu)化措施

熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流都會(huì)對(duì)門體溫升有一定的影響，所以降低熱傳導(dǎo)和熱輻射、加速門體空腔中的對(duì)流，同時(shí)精準(zhǔn)控制烤箱的加熱溫度，可以有效降低門體的溫升，有利于提高烤箱的節(jié)能效果。下面介紹幾種降低電烤箱門體溫升的方案。

3.1 合理控制電烤箱門體的玻璃層數(shù)和封閉方式

鋼化玻璃是烤箱門體的主要組成部分，鋼化玻璃的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，一般熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.09 W/（m·K），增加玻璃的層數(shù)，可以有效降低熱傳導(dǎo)的系數(shù)；同時(shí)增加玻璃層數(shù)后，可以形成多個(gè)空腔，有效分割熱量傳導(dǎo)的區(qū)域。不同的區(qū)域采用不同的熱對(duì)流方式，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)、玻璃層數(shù)和性能規(guī)格相同情況下，節(jié)能性能排序?yàn)榉忾]性箱門＞半封閉＞敞開(kāi)式；封閉式箱門玻璃內(nèi)的空氣不對(duì)流，熱損失較小[1]，所以合理控制門體玻璃的數(shù)量，在最內(nèi)層采用封閉式結(jié)構(gòu)，會(huì)使節(jié)能效果更好。

但是增加玻璃層數(shù)，會(huì)增加成本，門體質(zhì)量也會(huì)增大，對(duì)應(yīng)的鉸鏈也需要重新設(shè)計(jì)；玻璃增多還會(huì)帶來(lái)裝配成本的上升，所以玻璃數(shù)量并不是越多越好。常用的電烤箱有兩三層玻璃，具有高溫自清潔功能的電烤箱玻璃層數(shù)會(huì)達(dá)到4層。

3.2 降低電烤箱腔體對(duì)最外層玻璃的熱輻射

電烤箱一般采用鋼化玻璃。普通鋼化玻璃對(duì)各種光譜的反射率大致相同，在實(shí)際工作中對(duì)熱輻射的抵抗能力不強(qiáng)，絕大部分輻射熱能可通過(guò)玻璃被吸收。因此，采用這種材質(zhì)的玻璃設(shè)計(jì)電烤箱的門體，其實(shí)際保溫性能極差[2]。因此在電烤箱設(shè)計(jì)中大多會(huì)使用Low-E玻璃。Low-E玻璃（Low-emission glass）又稱低輻射玻璃，是一種波長(zhǎng)范圍為4.5～25 μm的遠(yuǎn)紅外線有較高反射比的鍍膜玻璃[3]。同等條件下，6 mm透明+12 mm空氣+6 mm透明玻璃的傳導(dǎo)系數(shù)為2.8 W/（m2·K），總透射比為0.75，如果增加一層低透光Low-E玻璃，傳導(dǎo)系數(shù)降低到1.8 W/（m2·K），總透射比降為0.2，熱輻射降低的效果明顯[4]。不同層數(shù)的Low-E玻璃的溫度對(duì)比如圖3所示。圖3中兩張圖片都是采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量同樣工作條件下不同Low-E涂層數(shù)量的門體溫度。可以看到，2層Low-E的玻璃的門體表面溫度相比1層Low-E的玻璃的溫度下降了20 ℃左右，溫度下降明顯。

圖3 不同層數(shù)的Low-E玻璃的溫度對(duì)比

3.3 優(yōu)化電烤箱門體空腔的熱對(duì)流結(jié)構(gòu)

電烤箱玻璃形成的空腔，當(dāng)里面的空氣被加熱時(shí)，熱空氣會(huì)從空腔頂部排出，而冷空氣會(huì)從底部吸入；而電烤箱的排氣系統(tǒng)，會(huì)在玻璃空腔頂部形成文丘里效應(yīng)，加速其熱對(duì)流。熱對(duì)流公式：熱流量（W）=對(duì)流傳熱系數(shù)（W/m2K）×物體表面積（m2）×（表面溫度－流體溫度）（K）。

對(duì)流傳熱系數(shù)不是物質(zhì)的特性值，而是狀態(tài)值，自然對(duì)流的傳熱系數(shù)為3～12 W/m2K。在較大的物體邊緣形成一層熱邊界層，物體越大，其頂部的熱邊界層就越厚，會(huì)降低對(duì)流效果。門體頂部的氣流加劇，會(huì)破壞其空腔中的熱邊界層，加大對(duì)流傳熱系數(shù)，更多的熱量通過(guò)對(duì)流排出，從而降低玻璃表面的溫升。

但從能效的角度來(lái)分析，熱對(duì)流增加會(huì)導(dǎo)致電烤箱的熱量流失加大，繼而降低產(chǎn)品的能效和烘烤效果。最佳的方案是只增大最外層玻璃空腔中的對(duì)流，而在其他幾層玻璃空腔內(nèi)盡量減少對(duì)流，減少熱量損失，所以要將熱對(duì)流盡量控制在最外層的玻璃空腔中。

3.4 精準(zhǔn)控制電烤箱的烘烤溫度

在其他條件不變的情況下，腔體的溫度越高，門體溫度越高。所以在電烤箱要實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的溫度控制，避免溫度波動(dòng)。一般可采用電子控制（數(shù)字感溫探頭），因?yàn)殡娮涌刂频木纫哂跈C(jī)械控制（毛細(xì)管溫控器），溫度的波動(dòng)范圍更小，腔體內(nèi)的溫度更加穩(wěn)定；同樣也可以使用變頻加熱技術(shù)，通過(guò)變頻發(fā)熱管、變頻對(duì)流風(fēng)機(jī)、智能控制系統(tǒng)，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和控制烘烤所需要的溫度和循環(huán)風(fēng)量。上述的幾種方法都可以降低門體的溫升。

4 總結(jié)

隨著中國(guó)家庭消費(fèi)水平提高，人們對(duì)飲食多樣性的追求不斷提升，烤箱作為家庭烘烤的中心，可以制作更加多樣化的烘烤食品。在消費(fèi)需求不斷提升的趨勢(shì)下，消費(fèi)者對(duì)烤箱的使用安全性和舒適性方面也提出了更高的要求。未來(lái)隨著越來(lái)越多的企業(yè)對(duì)大烤箱的重視程度提升，通過(guò)更多的研究和分享，會(huì)有更多、更好的新技術(shù)來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。

［1］楊均，曹驥.淺談嵌入式電烤箱箱門結(jié)構(gòu)［J］.家電科技，2010（4）：64.

［2］林吼潮，姚斌.嵌入式電烤箱箱門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］.科技與創(chuàng)新，2017（1）：90-91.

［3］王全，謝謙.淺談low-E玻璃的節(jié)能效果［J］.中國(guó)地市報(bào)人，2012（11）：88-89.

［4］朱人杰，詹鳴.low-E玻璃原理及應(yīng)用［J］.科技視界，2018（8）：173-174，151.

TM925.53

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.043

2095－6835（2020）14－0107－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕