温控式电加热新型无涂层不粘锅的设计与研究
邱水洲 李宏星 陈广雄 王诗怡 张海宁
【摘? 要】温控式电加热新型无涂层不粘锅是由球墨铸铁与电加热管、温控器、温度显示器等制作而成的新型锅具。球墨铸铁相对其他金属而言具有导电性能好、摩擦系数小、密度大等物理特性，是制作新型锅具合适的材料。团队研发的温控式电加热新型无涂层不粘锅具有温度可控、受热均匀、安全耐用、无涂层而不粘等多项优点。
【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.
【关键词】电加热;温度可控;受热均匀;无涂层;耐磨
【Keywords】electric heating; temperature-controlled; uniform heating; non-coating; wear-resistant
【中图分类号】TG174.4;TS914.24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）06-0194-03
1 引言
锅具产品是家庭日常生活中不可或缺的消费品之一，其发展行业与人们的生活水平、烹饪方式息息相关。随着经济的发展，人们的生活水平越来越高，对锅具的安全健康、功能拓展有着更高的追求。传统的大部分不粘锅多以燃气加热以及电磁加热为主，燃气加热升温较慢，而电磁加热升温过快，两者温度难以掌控，不及时翻炒还会导致菜肴容易糊。把锅体温度掌握在不高不低恰到好处，可以有效避免油烟和致癌物产生，最大限度减少维生素在高温下的损失，以最恰当温度在最短的时间炒出最美的味道[1]。传统不粘锅中多以涂层不粘锅为主，涂层不粘锅多数存在烹饪时涂层易脱落、清洗不方便、耐高温能力差等缺点。除此之外，传统不粘锅具底部多存在聚能螺纹，导致锅具預热时难以达到受热均匀的效果，给使用者带来极大不便。锅内表面如果温度分布不均匀，就很容易造成局部过热而冒烟，且温度不均匀也不利于食物的均匀受热[2]。
针对以上问题，团队研发出一款温度可控的电加热式安全耐用、节能高效的无涂层不粘锅。
2 传统电加热锅的简介
据调研，现有的电加热锅多以不粘锅为主，但仍有少数一部分电加热锅不粘的效果欠佳，其中，最典型的为铝合金与304不锈钢作为锅体的电煮锅。以铝合金为锅体的锅具，由于烹饪时食材与铝合金直接接触，且在高温坏境下，分子热运动剧烈，铝元素容易渗入食材被人误食，对人体健康造成威胁[3]。现有的电加热不粘锅多以涂层不粘锅为主，常见的特氟龙不粘锅因在高温环境下容易产生对人体有害的物质，且长期使用后，涂层脱落随食材进入人体内也会对人体健康造成一定的威胁。少数“钛合金涂层”不粘锅、“钻石涂层”不粘锅是用钛合金微粒、钻石微粒、蓝宝石微粒等超级坚硬的材料用等离子高温工艺混合纳米材料喷涂在锅体上，极大地提高了涂层的防刮和耐磨度，但是成本十分高导致价格十分昂贵，因而其价格不菲[4]。
现已有的电加热式烹饪锅具中，温度调节的方式常见的是多档调节，这种调节温度的方式只能是粗略的大范围的调节，不能做到显示瞬时温度，这对烹饪者的使用造成一定的麻烦，尤其对初学厨艺者更为不利。
综上所述，现今市面上大多数传统不粘锅存在的一些问题是锅具温度难以控制且不能及时掌握确切的温度、锅具受热不匀均、涂层易脱落等。
3 温控式电加热新型无涂层不粘锅的设计思路
3.1 材料的选择
3.1.1 QT500-7球墨铸铁
不粘锅的不粘耐磨性决定了不粘锅的整体性能及使用寿命[5]。一方面，市面上的电加热式不粘锅多为涂层不粘锅，其中涂层会因电加热快速产生的高温而脱落，而涂层一旦脱落会影响锅具的寿命以及随着脱落的涂层进入人体内会对人体的健康造成一定的危害。另一方面，利用金属复合的不粘锅也会受电加热快速产生的高温影响，使金属间受热膨胀而出现松动的现象，从而影响锅具的寿命。
温控式电加热新型无涂层不粘锅由纯球墨铸铁作为内胆材料，球墨铸铁的摩擦系数相对其他金属而言较小，能够达到无涂层而不粘的效果。除此之外，内胆是由单一金属制成，无需进行金属间的复合，避免了因高温而产生的金属脱落的情况。
温控式电加热新型无涂层不粘锅内胆材料采用QT500-7球墨铸铁，据实验数据处理结果显示，QT500-7球墨铸铁相对于其他金属具有优良的物理特性。在常见的金属中，QT500-7球墨铸铁的摩擦系数为1.005，其摩擦系数与不锈钢的比值为58.1%，与铝合金的比值为45.1%，与铁的比值为63.4%。金属表面的摩擦系数越小，其表面粗糙程度越光滑。用光滑的金属做锅具的锅体，与食材接触时能够达到不粘的效果。
QT500-7球墨铸铁以及常见金属的密度可以根据密度公式求出，密度ρ=■，体积V=Sh，面积S=πr2，得到球墨铸铁的密度为7.25g/cm3，其密度与钛的比值为1.59，与铝合金的比值为2.59。从数据分析可以看出，QT500-7球墨铸铁相对其他金属密度较大。用金属密度大的材料制作不粘锅，能够达到耐磨的效果。
3.1.2 温度显示器
温控式电加热新型无涂层不粘锅显示温度的材料采用温度显示器。温度显示器能够时刻显示锅体表面的温度，给予烹饪者准确判断锅具在预热时适合烹饪的最佳温度，安全健康地烹饪食物。测量锅具表面温度的材料采用红外测温仪，红外测温仪能够测量锅具表面的瞬时温度，通过单片机等技术及时将瞬时温度反馈给温度显示器。
3.1.3 加热盘
温控式电加热新型无涂层不粘锅底部与内胆接触的是加热盘。电加热盘能够快速产生大量的热量使锅具快速升温，这有利于烹饪者在烹饪中锅具预热时不用等待太长的时间。
3.1.4 温度控制器
随着科学技术的进步，温度控制越来越广泛应用于高新科技产品，而温度控制的效果很大程度上影响着产品的指标是否合格。
温控式电加热新型无涂层不粘锅实现温度控制的材料采用温度控制器。烹饪者通过温度控制器旋钮设定温度，当调整温度控制器旋钮时，温度控制器旋钮便带动调温凸轮转动，从而使温度控制板控制弹簧的张力，使温度控制器能够改变电路中的功率，实现温度可控。
3.2 锅具设计
温控式电加热新型无涂层不粘锅的外表面材料采用工程塑料，锅具顶部设置2个锅耳，在右边锅耳处设置有一凹陷，内置控制面板。在左边锅耳处放置温度显示器，在右边锅耳处增加一把柄，用于烹饪时，给予烹饪者握住锅具的空间。内胆由QT500-7球墨铸铁制作而成，底座设计温度控制器。温控式电加热新型无涂层不粘锅锅体如图1所示，底面加热盘如图2所示，锅体与加热盘正视图如图3所示，其结构图如图4所示。
温控式电加热新型无涂层不粘锅的整体电路设计如图5所示，其中light1和light3为信号指示灯，当switch1闭合时，指示灯light1工作发光，当switch3闭合时，指示灯light3工作发光，能够提醒烹饪者此时锅具为何档位;FU为熔断器，起保护电路作用，当电路中电流超过其额定电流时，FU断开，电路停止工作;heating为电加热盘，当电流通过时，加热盘开始工作;R2和R4是滑动变阻器，通过滑动变阻器改变电阻的大小，进而控制流经该电路的电流。R5为定值大电阻;测温系统利用红外测温技术，监测锅具温度并显示出来，使烹饪过程更便捷。
第①部分为档位选择区。如果选择switch1开关，电路为慢档。如果选择switch2开关，电路为中档。R1与R3为并联关系，同时选择switch1开关、switch2开关，则并联电路中总电阻变小，此时电路为快档。
第②部分为温度控制区。R2与R4为可变电阻，通过旋钮改变R2、R4的电阻大小，控制流經R2、R4的电流。如果R2、R4的电阻变大，则流经R2、R4的电流变小，流经heating加热盘的支路电流变大，从而加热盘升温加快。反之，如果R2、R4的电阻变小，则流经R2、R4的电流变大，流经heating加热盘的支路电流变小，从而加热盘升温较慢。烹饪者能够通过调节旋钮，细微调节电阻的大小，细微改变电流的大小，实现小范围的温度控制。
第③部分为测温系统区。测温系统由非接触式红外测温模块MLX90614温度采集传感器等组成，测温系统工作时，红外测温仪测出温度，通过传感器将温度传至温度显示器，实现显示锅具的瞬时温度。结合第②部分的旋钮式细微改变电阻的大小和第③部分的测温系统，让烹饪者更加方便掌握适合烹饪的温度。
4 温控式电加热新型无涂层不粘锅的制作
4.1 制作相关工艺
温控式电加热新型无涂层不粘锅锅体与加热盘的试焊工艺有钎焊、电阻焊、熔焊、熔钎焊、物理镶嵌法等。结合QT500-7球墨铸铁的物理特性以及加热盘的物理特性等，团队采用熔钎焊的复合工艺，熔钎焊是指利用铝钢熔点的差异，严格控制热输入量，使铝熔化而钢不熔化，熔融的铝合金在钢表面润湿铺展形成钎焊接头，与铝母材形成熔焊接头的工艺方法。
4.2 制作过程
通过电火花线切割机床对球墨铸铁切割一块直径大小为30cm，高为3cm的圆柱，利用铣床钻孔技术，在圆柱内铣出1个直径大小为28cm，高为2cm的锅状，经精细打磨，抛光技术把锅内表面抛光至光滑。通过熔钎焊等工艺，将锅体与加热盘焊接，并且实现相关电路的设计与连接，实现温控式电加热新型无涂层不粘锅的制作。
5 温控式电加热新型无涂层不粘锅的创新点
5.1传统锅具
传统的大部分不粘锅多以火焰加热以及电磁炉加热为主，火焰加热升温较慢，而电磁炉加热升温过快，两者温度难以掌握，不及时翻炒还会导致菜肴容易糊，给使用者带来极大不便。①火焰加热温度上升较慢，不易获得薄的表面淬火层等。②电磁炉加热温度上升特别快，开炉之前应做好准备工作，否则，容易发生空锅干烧，缩短锅具和电磁炉的使用寿命。
5.2 温控式电加热新型无涂层不粘锅的创新
5.2.1 材料创新——单一金属QT500-7球墨铸铁
在传统大多数不粘锅中，其之所以能够达到不粘的效果，是由于在锅具中添加了涂层或是多种金属复合加工而成的，而温控式电加热新型无涂层不粘锅采用的材料是QT500-7球墨铸铁，材料本身的物理特性能够达到无涂层而不粘的效果。
5.2.2 加热方式——电加热
在传统的不粘锅中，大多数以火焰加热以及燃气加热为主，但以火焰加热以及燃气加热为主的不粘锅，温度难以掌握，而以电作为加热方式的不粘锅，其温度变化不会过大，能够给予烹饪者足够的反映时间。
5.2.3 温度调节——控温
温控式电加热新型无涂层不粘锅通过改变接入电路中的电阻的大小，从而改变烹饪时的温度大小，有利于烹饪者把握火候。
6 温控式电加热新型无涂层不粘锅的性能
6.1 快速升温
温控式电加热新型无涂层不粘锅升温情况相对电磁加热而言较慢，而相对燃气加热而言较快。以1200W的加热盘实验数据发现，在1min内温度变化如图6所示。根据数据发现，在1200W的加热盘作用下，温控式电加热新型无涂层不粘锅的主材料QT500-7球墨铸铁的初始温度是29℃，在1min之后温度达到120.7℃。可见，QT500-7球墨铸铁的导热性优良，升温极快。
6.2 温度可控
温控式电加热新型无涂层不粘锅是由加热盘里的电加热管通电后产生的大量热量而加热的。首先选用合适的温度控制器，通过温度控制器改变接入电路中电阻的大小，从而改变电路功率大小，实现温度可控。
6.3 受热均匀
温控式电加热新型无涂层不粘锅选用的球墨铸铁作为锅体的底部，将锅体底部制作成平滑状态，并且球墨铸铁摩擦系数较小、表面光滑平整，且所选用的加热盘为圆形加热盘，能够与球墨铸铁锅体高度切合，使煎锅受热均匀。
6.4 耐磨实用
温控式电加热新型无涂层不粘锅作为锅体的金属材料是QT500-7球墨铸铁，其密度相对其他金属而言较大，因而具有耐磨的物理性能。对于烹饪者而言，烹具的耐磨性是非常重要的，这不仅关系到烹饪者在清洗烹具时的便捷（不需要专门的清洗工具），还关系到烹具的寿命。
7 结语
通过对温控式电加热新型无涂层不粘锅所选用的材料的物理特性的研究以及对温控式电加热新型无涂层不粘锅的性能研究，得出以下结论：①温控式电加热新型无涂层不粘锅具有温度可控的优点，解决了绝大部分燃气加热和电磁加热不能较精准控制温度的弊端。②温控式电加热新型无涂层不粘锅具有热传导性能好的优点，解决了传统燃气加热升温过慢、电磁加热升温过快的弊端。③温控式电加热新型无涂层不粘锅具有受热均匀的优点，解决了传统不粘锅在锅具预热时受热不均匀的弊端。④温控式电加热新型无涂层不粘锅具有无涂层而不粘的优点，解决了传统涂层不粘锅涂层受热易脱落的弊端。
【参考文献】
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