一種改善平底不粘鍋鍋底內(nèi)凹散油的可靠性方案設(shè)計

邱波 李海波 王璞

【摘 要】平底鍋具有不粘油、耐磨損和易清洗等優(yōu)點，在市場上廣受歡迎。為避免金屬鍋底受熱膨脹產(chǎn)生的鍋底外凸現(xiàn)象，平底不粘鍋鍋底通常采用微內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，但這一結(jié)構(gòu)會造成鍋具在使用過程中極易發(fā)生糧油在鍋底散開的情況，導(dǎo)致鍋底產(chǎn)生局部受熱，縮短鍋具的使用壽命。為了解決這一問題，文章將影響形變中心區(qū)域的復(fù)底片直接去除，調(diào)整復(fù)底片中心的圓周尺寸，減小鍋底平面中心區(qū)域的形變。此方法簡單有效，不僅適用于明火灶具，在電磁爐上使用同樣有效，為平底不粘鍋鍋底的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了新思路。

【關(guān)鍵詞】平底鍋;聚油;結(jié)構(gòu)設(shè)計

【中圖分類號】TS914.24 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）12-0032-03

0 引言

平底鍋在使用過程中，受熱區(qū)域集中在鍋底中央，長時間使用后鍋底中間溫度過高，導(dǎo)致鍋底中心區(qū)域發(fā)生形變向上凸起。生產(chǎn)企業(yè)針對此問題采取了鍋底內(nèi)凹的改善設(shè)計，但隨之而來的問題是鍋底的內(nèi)凹幅度過大，導(dǎo)致鍋具在使用過程中糧油會由凹頂四散于周圍而沒有聚油現(xiàn)象，影響鍋具的正常使用。

為解決平底鍋聚油效果不好的問題，本文對平底不粘鍋鍋底結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，討論與分析了平底不粘鍋鍋底結(jié)構(gòu)對聚油效果的影響，為平底不粘鍋鍋底的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了新的思路。

1 聚油鍋具發(fā)展現(xiàn)狀

目前，人們常用的鍋具根據(jù)鍋體形狀不同一般分為兩種：一種是底部圓弧的鍋;另一種是底部水平的鍋，通常與電磁爐相配使用的是底部水平的鍋。平底鍋的厚度一般為等厚結(jié)構(gòu)，即底部各處厚度相同，普通平底鍋在加熱時鍋底受熱發(fā)生形變，會向上凸起或向下凹陷。目前，市場上的平底鍋基材多數(shù)都由鋁合金沖壓制成，而純鋁鍋無法在電磁爐上加熱，因此用于電磁爐加熱的平底不粘鍋鍋底均設(shè)置有鐵制的復(fù)底片，復(fù)底片埋嵌在底盤內(nèi)，形成復(fù)合鍋底。埋嵌復(fù)底片使鋁鍋的鍋底具有導(dǎo)磁性能，同時能保留傳統(tǒng)鋁鍋的絕大部分優(yōu)點，可以較好地改善平底不粘鍋局部過熱現(xiàn)象和對于灶具的限制。鋁合金和復(fù)底片材料的材質(zhì)不一致，鍋體在加熱狀態(tài)下兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)也不一致。由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)大于復(fù)底片材料的熱膨脹系數(shù)，鍋底在加熱狀態(tài)下產(chǎn)生膨脹或收縮變形，鍋體特別是其底部區(qū)域在熱作用下，會往鍋體內(nèi)表面方向逐漸拱起，導(dǎo)致底部不平，隨著溫度的升高，鍋底中心區(qū)域拱起的弧面變大，導(dǎo)致加熱狀態(tài)下鍋底的油往兩邊跑的現(xiàn)象愈加明顯，即跑油現(xiàn)象加重，油聚集在鍋底邊緣，鍋底中間呈無油狀態(tài)，烹飪時極容易將食材燒焦[1]。

通過上述分析可知，鍋具底部由于受熱而產(chǎn)生的鍋底不平是導(dǎo)致平底鍋無法聚油的根本原因，而目前采取的通用方法是將鍋底設(shè)計成微內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，避免鍋底向外凸出，一般設(shè)定的內(nèi)凹值為0.4‰～0.6‰，但這一方法仍舊無法避免復(fù)底片材料和鋁合金由于熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的鍋底不平問題。為此，現(xiàn)有用于制造復(fù)合底鋁鍋的復(fù)底片多為中心開孔、周圍鏤空的圓形貼片。金屬鍋底受熱膨脹后，通孔作為緩沖空間，鍋底受熱向外凸出提供了形變空間，減少了底部復(fù)合交界面產(chǎn)生的外凸情況的發(fā)生[2]。但是，復(fù)底片在使用過程中容易因通孔位置設(shè)置不合理而使復(fù)底片受熱后的可變性空間不足，復(fù)底片受熱后內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力向復(fù)底片中心集中，導(dǎo)致復(fù)底片發(fā)生形變產(chǎn)生不平現(xiàn)象。

除了針對復(fù)底片材料的結(jié)構(gòu)和通孔分布進行改進，也有設(shè)計人員對鍋底內(nèi)表面結(jié)構(gòu)進行調(diào)整以實現(xiàn)平底鍋聚油。方成等[3]設(shè)計了一種聚油鍋，其鍋體底部內(nèi)側(cè)設(shè)置具有一定間隔的第一螺紋和第二螺紋，同心的螺紋結(jié)構(gòu)使鍋體內(nèi)部的油在兩個螺紋之間回旋流動，并且螺紋的高度從鍋體底部中心向鍋體底部邊緣方向遞減，可以避免鍋體底部加熱向上凸起而導(dǎo)致跑油現(xiàn)象。但是，油一旦流入螺旋紋則不易流出，并且很難實現(xiàn)油的徑向自由流動，導(dǎo)致局部油溫過高甚至不同溫度的油上下分層，影響烹飪效果。同時，不適用于需要應(yīng)用電磁爐的復(fù)底鋁鍋。王恩[4]設(shè)計了一種聚油復(fù)底鋁鍋，鍋內(nèi)底在中心部位設(shè)置有環(huán)形的導(dǎo)流環(huán)槽、聚油區(qū)，導(dǎo)流環(huán)槽的外側(cè)壁用于阻擋或減少位于聚油區(qū)的油向邊緣區(qū)流動，聚油效果明顯。但是，在此類鍋內(nèi)底設(shè)置螺紋或者導(dǎo)流槽，對加工精度要求很高，此類方式并未考慮實際加工過程中的加工難度。

2 聚油底鍋具結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文從兩個方面對平底鍋進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，可以達到平底鍋聚油的目的。

2.1 聚油底鍋具底部設(shè)計

由上述介紹可知，目前對聚油平底不粘鍋鍋底本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計大多是在平底鍋內(nèi)表面設(shè)置導(dǎo)流槽，但此種方式實際加工難度大。因此，研究人員考慮對鍋具底部外表面進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，以達到平底鍋具聚油的目的（如圖1所示）。

本設(shè)計所屬的聚油底鍋具包括鍋體，鍋體包含鍋體底部，鍋體底部包括用于與食物接觸的內(nèi)側(cè)表面和面向加熱源的外側(cè)表面，鍋體底部內(nèi)側(cè)表面的中間位置設(shè)置為內(nèi)凹結(jié)構(gòu);鍋體底部外側(cè)表面的邊緣位置設(shè)置有墊高凸臺;外側(cè)表面的最低點處與墊高凸臺的底面平齊，或者外側(cè)表面的最低點處位于墊高凸臺的底面上方。鍋體底部內(nèi)側(cè)表面的中間位置為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，食用油能聚集在鍋體底部的中間位置，烹飪效果佳。鍋體底部外側(cè)表面的邊緣位置設(shè)置了墊高凸臺。外側(cè)表面的最低點處與墊高凸臺的底面平齊，或者外側(cè)表面的最低點處位于墊高凸臺的底面上方，避免僅鍋體底部的中間位置與加熱源接觸發(fā)生打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。其中，墊高凸臺為環(huán)形，并沿外側(cè)表面繞圓周間隔分布，并與鍋體一體成型，避免墊高凸臺使用時間過長后發(fā)生脫落現(xiàn)象。

墊高凸臺的形狀可根據(jù)需要具體設(shè)置。墊高凸臺為沿鍋體底部外側(cè)表面的圓周方向延伸設(shè)置的條形。呈條形狀的墊高凸臺能將鍋體底部穩(wěn)定地支撐在加熱源上。此外，墊高凸臺的形狀也可以設(shè)置成其他形狀。

該設(shè)計在鍋具底部增加了墊高凸臺，并且鍋具底部中心區(qū)域為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，聚油效果明顯，無明顯的鍋底打轉(zhuǎn)問題。但是，當(dāng)墊高凸臺的高度過高，復(fù)底片與電磁爐出現(xiàn)明顯的高度差，接觸面積小，磁熱效果差，所以該聚油鍋具無法在電磁爐上有效使用。當(dāng)墊高凸臺的高度過低，則鍋體沒有足夠的空間吸收由于熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的鍋底不平現(xiàn)象，聚油效果無法達到預(yù)期。

2.2 聚油鍋具復(fù)底片設(shè)計

鍋具底部設(shè)計的微內(nèi)凹結(jié)構(gòu)是為了防止在使用過程中鍋具出現(xiàn)外凸、打轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，但這也是鍋具不聚油的根本原因，而鍋底復(fù)底片的通孔是鍋具底部外凸的緩沖空間。復(fù)底片結(jié)構(gòu)的設(shè)計是平衡鍋具底部外凸形變和聚油現(xiàn)象的關(guān)鍵。

2.2.1 復(fù)底片通孔設(shè)計

復(fù)底片通孔的主要作用是吸收復(fù)底片在受熱時產(chǎn)生的應(yīng)用，避免復(fù)底片內(nèi)部應(yīng)力向中心位置集中，導(dǎo)致復(fù)底片變形。研究人員設(shè)計了一種具有放射狀長孔的復(fù)底片，保證了一定的導(dǎo)磁面積，減少了變形導(dǎo)致的加熱不均問題。但是，該方案增加了復(fù)底片中心孔區(qū)域的面積，在受熱時應(yīng)力容易向中心區(qū)域傳遞，最終導(dǎo)致形變。因此，研究人員在設(shè)計通孔位置分布和形狀時，應(yīng)該充分考慮復(fù)底片在受熱過程中應(yīng)力傳遞的影響因素，保證受熱過程中應(yīng)力均勻吸收，避免形變。

以市面上所購買的直徑為26.0 cm的某平底不粘鍋為例，其復(fù)底片的組成結(jié)構(gòu)可以分為5個部分[如圖2（a）]所示從外至內(nèi)稱為80個圓分布、64個圓分布、21個圓周分布、16個圓分布和中心圓?？梢哉{(diào)整21個圓周的大小以改善復(fù)底片的形變問題[如圖2（b）所示]。該復(fù)底片中間區(qū)域的21圓周是復(fù)底片抵御變形的關(guān)鍵區(qū)域。設(shè)計人員將圓周大小由豎直形調(diào)整為寬大形，縮小了向中心的面積，有效吸收了復(fù)底片在受熱時產(chǎn)生的形變，避免應(yīng)力向中心傳遞。

2.2.2 復(fù)底片中心孔設(shè)計

復(fù)底片中心孔區(qū)域的大小決定了鍋具底部外凸的緩沖空間。在設(shè)計復(fù)底片中心孔區(qū)域時，設(shè)計人員需要充分考慮鍋具底部外凸的形變空間，并調(diào)整鍋具底部的內(nèi)凹值，以滿足鍋具底部不外凸打轉(zhuǎn)和聚油需求。通常，市面上的平底不粘鍋使用的復(fù)底片具有較小直徑的中心孔區(qū)域，雖然保證了鍋具在使用過程中的導(dǎo)磁性能，但是使鍋具底部中心位置可外凸形變空間減小，因此需采用較大的微內(nèi)凹值對鍋具底部外凸形變進行補償，鍋具聚油效果差。此外，復(fù)底片所用材料增加，則鍋體基材和復(fù)底片兩者因熱膨脹系數(shù)而產(chǎn)生的形變差異越明顯，復(fù)底片易產(chǎn)生變形。因此，可以考慮增加復(fù)底片中心孔區(qū)域的面積，使復(fù)底片中心的電磁效應(yīng)略微降低，平衡復(fù)底片和基材的導(dǎo)熱效率，同步導(dǎo)熱功率，減少鍋具底部中心區(qū)域的形變。相應(yīng)地，鍋具內(nèi)凹值降低后，能滿足鍋具底部不外凸打轉(zhuǎn)和聚油需求。

對市面所售的直徑為26.0 cm的某平底不粘鍋底部復(fù)底片的中心孔區(qū)域進行調(diào)整，原始復(fù)底片中心孔區(qū)域直徑為4.0 cm，將其分別擴大至6.0 cm和7.5 cm。按照不同的去除直徑尺寸，分別制作樣品A（去除直徑為60 cm）和樣品B（去除直徑為75 cm），然后分別在明火和電磁爐作用下觀察樣品的聚油情況。

3 聚油鍋具實際應(yīng)用效果

鍋具的聚油效果可由鍋具的內(nèi)凹值直接反映。聚油效果的檢測方法如下：首先測量并記錄樣品在常溫下底部中心部位的內(nèi)凹值;然后將樣品放置在燃氣爐（電磁爐）上，加熱鍋體溫度達到（200±5）℃時，關(guān)閉火源，立即將樣品浸入常溫水中3 s以上（保證水要淹沒整個樣品），重復(fù)以上步驟100次后，即可測量產(chǎn)品的內(nèi)凹值。

按照上述方法觀察樣品A和樣品B在明火下的底部內(nèi)凹值變化情況（如圖3所示）。

由圖3發(fā)現(xiàn)，樣品A和樣品B在明火條件下鍋身內(nèi)凹量的變化趨勢是一致的，都是先下降，然后到第75個循環(huán)后內(nèi)凹值趨于穩(wěn)定。從數(shù)值上來看，樣品B的內(nèi)凹值下降幅度比樣品A的小，因此樣品B在明火條件下的聚油效果要優(yōu)于樣品A。進一步對樣品B在電磁爐加熱下的內(nèi)凹值進行觀察（如圖4所示）。

由圖4可以看到，當(dāng)用電磁爐加熱時，內(nèi)凹量會先增大，然后保持在一個較高的水平;當(dāng)用明火加熱時，樣品B的內(nèi)凹量有逐步減小的趨勢（如圖4所示）。因此，相對于在明火下使用，樣品B在電磁爐上使用時更能保持其聚油效果。

4 結(jié)語

綜上所述，設(shè)計人員針對目前市場上平底不粘鍋存在的拱底與散油現(xiàn)象，設(shè)計了一種改善鍋底散油拱底的平底鍋。將影響形變的中心區(qū)域復(fù)底片直接去除，改善周圍圓周尺寸，減小了向中心區(qū)域的形變。此方法簡單有效，不僅適用于明火灶具，在電磁爐上使用同樣有效，為平底不粘鍋鍋底的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了新的思路。

參 考 文 獻

[1]徐騰飛.用于炊具的復(fù)底片和具有該復(fù)底片的炊具[P].中國專利：CN201210378387.5，2014-04-09.

[2]王崇哲.一種適用于電磁加熱的平底鍋[P].中國專利：CN202010268412.9，2020-04-08.

[3]方成，陶列剛，鐘洪偉.一種聚油鍋[P].中國專利：CN

201610036385.6，2016-01-20.

[4]王恩.一種聚油復(fù)底鋁鍋[P].中國專利：CN20192136

5633.7，2019-08-21.