溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的設(shè)計(jì)與研究

邱水洲 李宏星 陳廣雄 王詩(shī)怡 張海寧

【摘? 要】溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋是由球墨鑄鐵與電加熱管、溫控器、溫度顯示器等制作而成的新型鍋具。球墨鑄鐵相對(duì)其他金屬而言具有導(dǎo)電性能好、摩擦系數(shù)小、密度大等物理特性，是制作新型鍋具合適的材料。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋具有溫度可控、受熱均勻、安全耐用、無(wú)涂層而不粘等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

【Abstract】The temperature-controlled electric heating non-coating non-stick pot is a new type of pot made of ductile iron and electric heating pipe， temperature controller， temperature display， etc. Compared with other metals， ductile iron has good electrical conductivity， small friction coefficient， high density and other physical characteristics. It is a suitable material for making new pots and pans. The new non-coating non-stick pot developed by the team has many advantages， such as temperature-controlled， uniform heating， safety and durability， non-coating and no adhesion.

【關(guān)鍵詞】電加熱;溫度可控;受熱均勻;無(wú)涂層;耐磨

【Keywords】electric heating; temperature-controlled; uniform heating; non-coating; wear-resistant

【中圖分類(lèi)號(hào)】TG174.4;TS914.24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）06-0194-03

1 引言

鍋具產(chǎn)品是家庭日常生活中不可或缺的消費(fèi)品之一，其發(fā)展行業(yè)與人們的生活水平、烹飪方式息息相關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平越來(lái)越高，對(duì)鍋具的安全健康、功能拓展有著更高的追求。傳統(tǒng)的大部分不粘鍋多以燃?xì)饧訜嵋约半姶偶訜釣橹?，燃?xì)饧訜嵘郎剌^慢，而電磁加熱升溫過(guò)快，兩者溫度難以掌控，不及時(shí)翻炒還會(huì)導(dǎo)致菜肴容易糊。把鍋體溫度掌握在不高不低恰到好處，可以有效避免油煙和致癌物產(chǎn)生，最大限度減少維生素在高溫下的損失，以最恰當(dāng)溫度在最短的時(shí)間炒出最美的味道[1]。傳統(tǒng)不粘鍋中多以涂層不粘鍋為主，涂層不粘鍋多數(shù)存在烹飪時(shí)涂層易脫落、清洗不方便、耐高溫能力差等缺點(diǎn)。除此之外，傳統(tǒng)不粘鍋具底部多存在聚能螺紋，導(dǎo)致鍋具預(yù)熱時(shí)難以達(dá)到受熱均勻的效果，給使用者帶來(lái)極大不便。鍋內(nèi)表面如果溫度分布不均勻，就很容易造成局部過(guò)熱而冒煙，且溫度不均勻也不利于食物的均勻受熱[2]。

針對(duì)以上問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款溫度可控的電加熱式安全耐用、節(jié)能高效的無(wú)涂層不粘鍋。

2 傳統(tǒng)電加熱鍋的簡(jiǎn)介

據(jù)調(diào)研，現(xiàn)有的電加熱鍋多以不粘鍋為主，但仍有少數(shù)一部分電加熱鍋不粘的效果欠佳，其中，最典型的為鋁合金與304不銹鋼作為鍋體的電煮鍋。以鋁合金為鍋體的鍋具，由于烹飪時(shí)食材與鋁合金直接接觸，且在高溫壞境下，分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，鋁元素容易滲入食材被人誤食，對(duì)人體健康造成威脅[3]?，F(xiàn)有的電加熱不粘鍋多以涂層不粘鍋為主，常見(jiàn)的特氟龍不粘鍋因在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，且長(zhǎng)期使用后，涂層脫落隨食材進(jìn)入人體內(nèi)也會(huì)對(duì)人體健康造成一定的威脅。少數(shù)“鈦合金涂層”不粘鍋、“鉆石涂層”不粘鍋是用鈦合金微粒、鉆石微粒、藍(lán)寶石微粒等超級(jí)堅(jiān)硬的材料用等離子高溫工藝混合納米材料噴涂在鍋體上，極大地提高了涂層的防刮和耐磨度，但是成本十分高導(dǎo)致價(jià)格十分昂貴，因而其價(jià)格不菲[4]。

現(xiàn)已有的電加熱式烹飪鍋具中，溫度調(diào)節(jié)的方式常見(jiàn)的是多檔調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)溫度的方式只能是粗略的大范圍的調(diào)節(jié)，不能做到顯示瞬時(shí)溫度，這對(duì)烹飪者的使用造成一定的麻煩，尤其對(duì)初學(xué)廚藝者更為不利。

綜上所述，現(xiàn)今市面上大多數(shù)傳統(tǒng)不粘鍋存在的一些問(wèn)題是鍋具溫度難以控制且不能及時(shí)掌握確切的溫度、鍋具受熱不勻均、涂層易脫落等。

3 溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的設(shè)計(jì)思路

3.1 材料的選擇

3.1.1 QT500-7球墨鑄鐵

不粘鍋的不粘耐磨性決定了不粘鍋的整體性能及使用壽命[5]。一方面，市面上的電加熱式不粘鍋多為涂層不粘鍋，其中涂層會(huì)因電加熱快速產(chǎn)生的高溫而脫落，而涂層一旦脫落會(huì)影響鍋具的壽命以及隨著脫落的涂層進(jìn)入人體內(nèi)會(huì)對(duì)人體的健康造成一定的危害。另一方面，利用金屬?gòu)?fù)合的不粘鍋也會(huì)受電加熱快速產(chǎn)生的高溫影響，使金屬間受熱膨脹而出現(xiàn)松動(dòng)的現(xiàn)象，從而影響鍋具的壽命。

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋由純球墨鑄鐵作為內(nèi)膽材料，球墨鑄鐵的摩擦系數(shù)相對(duì)其他金屬而言較小，能夠達(dá)到無(wú)涂層而不粘的效果。除此之外，內(nèi)膽是由單一金屬制成，無(wú)需進(jìn)行金屬間的復(fù)合，避免了因高溫而產(chǎn)生的金屬脫落的情況。

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋內(nèi)膽材料采用QT500-7球墨鑄鐵，據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，QT500-7球墨鑄鐵相對(duì)于其他金屬具有優(yōu)良的物理特性。在常見(jiàn)的金屬中，QT500-7球墨鑄鐵的摩擦系數(shù)為1.005，其摩擦系數(shù)與不銹鋼的比值為58.1%，與鋁合金的比值為45.1%，與鐵的比值為63.4%。金屬表面的摩擦系數(shù)越小，其表面粗糙程度越光滑。用光滑的金屬做鍋具的鍋體，與食材接觸時(shí)能夠達(dá)到不粘的效果。

QT500-7球墨鑄鐵以及常見(jiàn)金屬的密度可以根據(jù)密度公式求出，密度ρ=■，體積V=Sh，面積S=πr2，得到球墨鑄鐵的密度為7.25g/cm3，其密度與鈦的比值為1.59，與鋁合金的比值為2.59。從數(shù)據(jù)分析可以看出，QT500-7球墨鑄鐵相對(duì)其他金屬密度較大。用金屬密度大的材料制作不粘鍋，能夠達(dá)到耐磨的效果。

3.1.2 溫度顯示器

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋顯示溫度的材料采用溫度顯示器。溫度顯示器能夠時(shí)刻顯示鍋體表面的溫度，給予烹飪者準(zhǔn)確判斷鍋具在預(yù)熱時(shí)適合烹飪的最佳溫度，安全健康地烹飪食物。測(cè)量鍋具表面溫度的材料采用紅外測(cè)溫儀，紅外測(cè)溫儀能夠測(cè)量鍋具表面的瞬時(shí)溫度，通過(guò)單片機(jī)等技術(shù)及時(shí)將瞬時(shí)溫度反饋給溫度顯示器。

3.1.3 加熱盤(pán)

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋底部與內(nèi)膽接觸的是加熱盤(pán)。電加熱盤(pán)能夠快速產(chǎn)生大量的熱量使鍋具快速升溫，這有利于烹飪者在烹飪中鍋具預(yù)熱時(shí)不用等待太長(zhǎng)的時(shí)間。

3.1.4 溫度控制器

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，溫度控制越來(lái)越廣泛應(yīng)用于高新科技產(chǎn)品，而溫度控制的效果很大程度上影響著產(chǎn)品的指標(biāo)是否合格。

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋實(shí)現(xiàn)溫度控制的材料采用溫度控制器。烹飪者通過(guò)溫度控制器旋鈕設(shè)定溫度，當(dāng)調(diào)整溫度控制器旋鈕時(shí)，溫度控制器旋鈕便帶動(dòng)調(diào)溫凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使溫度控制板控制彈簧的張力，使溫度控制器能夠改變電路中的功率，實(shí)現(xiàn)溫度可控。

3.2 鍋具設(shè)計(jì)

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的外表面材料采用工程塑料，鍋具頂部設(shè)置2個(gè)鍋耳，在右邊鍋耳處設(shè)置有一凹陷，內(nèi)置控制面板。在左邊鍋耳處放置溫度顯示器，在右邊鍋耳處增加一把柄，用于烹飪時(shí)，給予烹飪者握住鍋具的空間。內(nèi)膽由QT500-7球墨鑄鐵制作而成，底座設(shè)計(jì)溫度控制器。溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋鍋體如圖1所示，底面加熱盤(pán)如圖2所示，鍋體與加熱盤(pán)正視圖如圖3所示，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的整體電路設(shè)計(jì)如圖5所示，其中l(wèi)ight1和light3為信號(hào)指示燈，當(dāng)switch1閉合時(shí)，指示燈light1工作發(fā)光，當(dāng)switch3閉合時(shí)，指示燈light3工作發(fā)光，能夠提醒烹飪者此時(shí)鍋具為何檔位;FU為熔斷器，起保護(hù)電路作用，當(dāng)電路中電流超過(guò)其額定電流時(shí)，F(xiàn)U斷開(kāi)，電路停止工作;heating為電加熱盤(pán)，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，加熱盤(pán)開(kāi)始工作;R2和R4是滑動(dòng)變阻器，通過(guò)滑動(dòng)變阻器改變電阻的大小，進(jìn)而控制流經(jīng)該電路的電流。R5為定值大電阻;測(cè)溫系統(tǒng)利用紅外測(cè)溫技術(shù)，監(jiān)測(cè)鍋具溫度并顯示出來(lái)，使烹飪過(guò)程更便捷。

第①部分為檔位選擇區(qū)。如果選擇switch1開(kāi)關(guān)，電路為慢檔。如果選擇switch2開(kāi)關(guān)，電路為中檔。R1與R3為并聯(lián)關(guān)系，同時(shí)選擇switch1開(kāi)關(guān)、switch2開(kāi)關(guān)，則并聯(lián)電路中總電阻變小，此時(shí)電路為快檔。

第②部分為溫度控制區(qū)。R2與R4為可變電阻，通過(guò)旋鈕改變R2、R4的電阻大小，控制流經(jīng)R2、R4的電流。如果R2、R4的電阻變大，則流經(jīng)R2、R4的電流變小，流經(jīng)heating加熱盤(pán)的支路電流變大，從而加熱盤(pán)升溫加快。反之，如果R2、R4的電阻變小，則流經(jīng)R2、R4的電流變大，流經(jīng)heating加熱盤(pán)的支路電流變小，從而加熱盤(pán)升溫較慢。烹飪者能夠通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕，細(xì)微調(diào)節(jié)電阻的大小，細(xì)微改變電流的大小，實(shí)現(xiàn)小范圍的溫度控制。

第③部分為測(cè)溫系統(tǒng)區(qū)。測(cè)溫系統(tǒng)由非接觸式紅外測(cè)溫模塊MLX90614溫度采集傳感器等組成，測(cè)溫系統(tǒng)工作時(shí)，紅外測(cè)溫儀測(cè)出溫度，通過(guò)傳感器將溫度傳至溫度顯示器，實(shí)現(xiàn)顯示鍋具的瞬時(shí)溫度。結(jié)合第②部分的旋鈕式細(xì)微改變電阻的大小和第③部分的測(cè)溫系統(tǒng)，讓烹飪者更加方便掌握適合烹飪的溫度。

4 溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的制作

4.1 制作相關(guān)工藝

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋鍋體與加熱盤(pán)的試焊工藝有釬焊、電阻焊、熔焊、熔釬焊、物理鑲嵌法等。結(jié)合QT500-7球墨鑄鐵的物理特性以及加熱盤(pán)的物理特性等，團(tuán)隊(duì)采用熔釬焊的復(fù)合工藝，熔釬焊是指利用鋁鋼熔點(diǎn)的差異，嚴(yán)格控制熱輸入量，使鋁熔化而鋼不熔化，熔融的鋁合金在鋼表面潤(rùn)濕鋪展形成釬焊接頭，與鋁母材形成熔焊接頭的工藝方法。

4.2 制作過(guò)程

通過(guò)電火花線(xiàn)切割機(jī)床對(duì)球墨鑄鐵切割一塊直徑大小為30cm，高為3cm的圓柱，利用銑床鉆孔技術(shù)，在圓柱內(nèi)銑出1個(gè)直徑大小為28cm，高為2cm的鍋狀，經(jīng)精細(xì)打磨，拋光技術(shù)把鍋內(nèi)表面拋光至光滑。通過(guò)熔釬焊等工藝，將鍋體與加熱盤(pán)焊接，并且實(shí)現(xiàn)相關(guān)電路的設(shè)計(jì)與連接，實(shí)現(xiàn)溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的制作。

5 溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的創(chuàng)新點(diǎn)

5.1傳統(tǒng)鍋具

傳統(tǒng)的大部分不粘鍋多以火焰加熱以及電磁爐加熱為主，火焰加熱升溫較慢，而電磁爐加熱升溫過(guò)快，兩者溫度難以掌握，不及時(shí)翻炒還會(huì)導(dǎo)致菜肴容易糊，給使用者帶來(lái)極大不便。①火焰加熱溫度上升較慢，不易獲得薄的表面淬火層等。②電磁爐加熱溫度上升特別快，開(kāi)爐之前應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，否則，容易發(fā)生空鍋干燒，縮短鍋具和電磁爐的使用壽命。

5.2 溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的創(chuàng)新

5.2.1 材料創(chuàng)新——單一金屬Q(mào)T500-7球墨鑄鐵

在傳統(tǒng)大多數(shù)不粘鍋中，其之所以能夠達(dá)到不粘的效果，是由于在鍋具中添加了涂層或是多種金屬?gòu)?fù)合加工而成的，而溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋采用的材料是QT500-7球墨鑄鐵，材料本身的物理特性能夠達(dá)到無(wú)涂層而不粘的效果。

5.2.2 加熱方式——電加熱

在傳統(tǒng)的不粘鍋中，大多數(shù)以火焰加熱以及燃?xì)饧訜釣橹鳎曰鹧婕訜嵋约叭細(xì)饧訜釣橹鞯牟徽冲?，溫度難以掌握，而以電作為加熱方式的不粘鍋，其溫度變化不會(huì)過(guò)大，能夠給予烹飪者足夠的反映時(shí)間。

5.2.3 溫度調(diào)節(jié)——控溫

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋通過(guò)改變接入電路中的電阻的大小，從而改變烹飪時(shí)的溫度大小，有利于烹飪者把握火候。

6 溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的性能

6.1 快速升溫

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋升溫情況相對(duì)電磁加熱而言較慢，而相對(duì)燃?xì)饧訜岫暂^快。以1200W的加熱盤(pán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在1min內(nèi)溫度變化如圖6所示。根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在1200W的加熱盤(pán)作用下，溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的主材料QT500-7球墨鑄鐵的初始溫度是29℃，在1min之后溫度達(dá)到120.7℃?？梢?jiàn)，QT500-7球墨鑄鐵的導(dǎo)熱性?xún)?yōu)良，升溫極快。

6.2 溫度可控

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋是由加熱盤(pán)里的電加熱管通電后產(chǎn)生的大量熱量而加熱的。首先選用合適的溫度控制器，通過(guò)溫度控制器改變接入電路中電阻的大小，從而改變電路功率大小，實(shí)現(xiàn)溫度可控。

6.3 受熱均勻

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋選用的球墨鑄鐵作為鍋體的底部，將鍋體底部制作成平滑狀態(tài)，并且球墨鑄鐵摩擦系數(shù)較小、表面光滑平整，且所選用的加熱盤(pán)為圓形加熱盤(pán)，能夠與球墨鑄鐵鍋體高度切合，使煎鍋受熱均勻。

6.4 耐磨實(shí)用

溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋?zhàn)鳛殄侒w的金屬材料是QT500-7球墨鑄鐵，其密度相對(duì)其他金屬而言較大，因而具有耐磨的物理性能。對(duì)于烹飪者而言，烹具的耐磨性是非常重要的，這不僅關(guān)系到烹飪者在清洗烹具時(shí)的便捷（不需要專(zhuān)門(mén)的清洗工具），還關(guān)系到烹具的壽命。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋所選用的材料的物理特性的研究以及對(duì)溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋的性能研究，得出以下結(jié)論：①溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋具有溫度可控的優(yōu)點(diǎn)，解決了絕大部分燃?xì)饧訜岷碗姶偶訜岵荒茌^精準(zhǔn)控制溫度的弊端。②溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋具有熱傳導(dǎo)性能好的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)燃?xì)饧訜嵘郎剡^(guò)慢、電磁加熱升溫過(guò)快的弊端。③溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋具有受熱均勻的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)不粘鍋在鍋具預(yù)熱時(shí)受熱不均勻的弊端。④溫控式電加熱新型無(wú)涂層不粘鍋具有無(wú)涂層而不粘的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)涂層不粘鍋涂層受熱易脫落的弊端。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王曉東.炒鍋產(chǎn)品發(fā)展前景分析[J].現(xiàn)代家電，2008（23）：44-47.

【2】盛明純.鋁對(duì)人體健康影響的研究進(jìn)展綜述[J].安徽預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2006（01）：46-48.

【3】鄭國(guó)鑫，朱巧玲，莫華蓮，等.新型復(fù)合材料不粘鍋的制作與研究[J].四川建材，2020，46（06）：224-225+227.

【4】許周烽，厲峰，王狄軍.鋁及鋁合金不粘鍋不粘耐磨性能比對(duì)研究[J].浙江冶金，2020（03）：27-30.

【5】賈劍平，詹志平.鋁鋼熔釬焊工藝及腐蝕性能研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2020，49（11）：1-5