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。隨著國內(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)品逆勢上升，大部分蒸烤箱產(chǎn)品的漲幅都在30%以上。相信在未來，隨著國民生活水平的提升以及年輕消費(fèi)群體的崛起，烤箱在中國廚房中的普及度會越來越高。

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表現(xiàn)出極強(qiáng)的好奇心，觸碰后會造成嚴(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，仍然會有一些熱量通過熱傳導(dǎo)、輻射及對流的方式傳遞出來，門體表面會有一定的溫升。

電烤箱國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.22中規(guī)定了門體溫升的測試方法和要求。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，測試電烤箱周圍家具的溫升不能超過70 K，門體的玻璃或陶瓷的可觸及表面溫升不能超過60 K，金屬和噴涂金屬不能超過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)一般分為臺面式小烤箱和嵌入式大烤箱，其工作原理是電流通過電熱元件產(chǎn)生熱量，借助傳導(dǎo)、輻射和對流的傳遞方式，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)置有對流風(fēng)機(jī)，使腔體內(nèi)的高溫空氣對流，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，鉸鏈負(fù)責(zé)門體的開合；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。烤箱門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)下會形成自然的對流，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)及門體的對流如圖2所示。排氣冷卻系統(tǒng)有兩大作用：通過排氣風(fēng)扇將電烤箱周圍的空氣從箱體空隙處吸入，通過門體上方的出風(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)，會在門體空腔頂部形成文丘里效應(yīng)，使空腔中的空氣對流加速，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)、熱輻射和熱對流都會對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＞敞開式；封閉式箱門玻璃內(nèi)的空氣不對流，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)，會使節(jié)能效果更好。

但是增加玻璃層數(shù)，會增加成本，門體質(zhì)量也會增大，對應(yīng)的鉸鏈也需要重新設(shè)計(jì)；玻璃增多還會帶來裝配成本的上升，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)會達(dá)到4層。

3.2 降低電烤箱腔體對最外層玻璃的熱輻射

電烤箱一般采用鋼化玻璃。普通鋼化玻璃對各種光譜的反射率大致相同，在實(shí)際工作中對熱輻射的抵抗能力不強(qiáng)，絕大部分輻射熱能可通過玻璃被吸收。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玻璃的溫度對比如圖3所示。圖3中兩張圖片都是采用紅外測溫儀測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玻璃的溫度對比

3.3 優(yōu)化電烤箱門體空腔的熱對流結(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)，熱空氣會從空腔頂部排出，而冷空氣會從底部吸入；而電烤箱的排氣系統(tǒng)，會在玻璃空腔頂部形成文丘里效應(yīng)，加速其熱對流。熱對流公式：熱流量（W）=對流傳熱系數(shù)（W/m2K）×物體表面積（m2）×（表面溫度－流體溫度）（K）。

對流傳熱系數(shù)不是物質(zhì)的特性值，而是狀態(tài)值，自然對流的傳熱系數(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，會降低對流效果。門體頂部的氣流加劇，會破壞其空腔中的熱邊界層，加大對流傳熱系數(shù)，更多的熱量通過對流排出，從而降低玻璃表面的溫升。

但從能效的角度來分析，熱對流增加會導(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流，而在其他幾層玻璃空腔內(nèi)盡量減少對流，減少熱量損失，所以要將熱對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。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)，通過變頻發(fā)熱管、變頻對流風(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)

隨著中國家庭消費(fèi)水平提高，人們對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下，消費(fèi)者對烤箱的使用安全性和舒適性方面也提出了更高的要求。未來隨著越來越多的企業(yè)對大烤箱的重視程度提升，通過更多的研究和分享，會有更多、更好的新技術(shù)來滿足市場的需求。

［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〕