某微波炉烧烤性能提升研究

邓 洋 唐相伟 孙炎军 陈茂顺

（广东美的厨房电器制造有限公司 佛山 528311）

引言

微波炉在人们的日常生活中比较常见，随着技术的发展，微波炉的功能也从单一的微波加热功能，发展到微波加烧烤，或是微波加蒸汽，又或是微波烧烤蒸汽三合一的多样化功能。然而微波炉的功能是多样化了，虽可以满足人们对烹饪多样化的追求，但同时也带来了一些使用痛点，比如某23 L顶部带烧烤组件的微波炉，由于微波炉门面材料的温升要求，使得发热管位置不得不往腔体后部移动，这就导致腔体中后部温度比靠近炉门处的高，导致腔体前后端温差较大，烧烤食物容易出现中间位置过火，靠近炉门位置不熟的情况。针对这样的痛点，本文设计了一款反射罩结构[1]，可以很好的解决烧烤不均匀和上色效果差的痛点。

1 加热原理

1.1 加热的方式

加热的方式主要有三种：①热传导，即发热管（源）产生的热量通过空气传导到食物；②热对流，即有热风组件的烤箱通过内部热风循环加热食物；③辐射加热，即发热管（源）产生的热量直接辐射到食物表面进行加热。由于本文所述的某23 L微波炉烧烤组件只有发热管，没有热风组件，因此其烧烤加热方式主要有热传导和辐射，而由于空气的导热系数很小，热传导的热量很小，因此主要加热方式是辐射加热。

1.2 辐射加热

为了便于研究辐射，人们提出了黑体模型，黑体的辐射力与热力学温度（K）的关系由斯忒藩-玻耳兹曼定律[2]所规定：

式中：

σ表示黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W/（m2·K4）；

C0表示黑体辐射系数，其值为5.67 W/（m2·K4）；

T表示热力学温度；

下标b表示黑体。

黑体的光谱辐射力随波长的变化由普朗克定律[2]可知：

式中：

Ebλ表示黑体光谱辐射力，W/m3；

λ表示波长，m；

T表示黑体热力学温度，K；

e表示自然对数的底；

c1表示第一辐射常量，3.7419x10-16W·m2；

c2表示第一辐射常量，1.4388x10-2m·K。

由于腔体内壁面采取了黑色喷粉处理，且底部面板采用黑色微晶陶瓷板，黑色处理后内壁和底部面板的吸收率可达到0.9以上。烧烤管采用石英发热管，靠近炉门位置的发热管（前发热管）功率250 W，远离炉门的发热管（后发热管）功率600 W，两根发热管串联。两根发热管分别采用不同的反射罩结构，前发热管由于靠近炉门，为避免热量过多的辐射到炉门门面位置，造成门面温升超标，前发热管采用圆弧结构反射罩，而后发热管为了增大辐射面积，采用梯形结构反射罩。

原反射罩结构如图1（a）所示，为一等腰梯形反射罩，上下底长度分别为80 mm和100 mm，高度22 mm，两发热管间距45 mm。新反射罩结构如图1（b）所示，其中圆弧反射罩半径31 mm，梯形反射罩上下底长分别为45 mm和70 mm，反射罩高度22 mm，两发热管间距155 mm，反射罩均采用不锈钢材质。

1.3 光学建模

由于石英发热管工作时，主要以光波的形式往四周辐射热量，因此可将发热管的辐射机理从光学角度进行分析[3]，建立腔体、反射罩和发热管的几何模型，并创建一个300×200×5 mm的块来替代面包片模型。

1.3.1 仿真设置

设置发热管光学属性设置为光通量，前发热管250 W，后发热管600 W，发热管有效长度240 mm。由于采用了乳白色石英发热管，乳白色玻璃可吸收来自发热丝辐射的几乎全部可见光和近红外光，并使之转化为远红外辐射，因此波长设置主要为远红外的波长范围。反射罩采用了不锈钢材质，其反射面近似为镜面，设置反射罩表面属性为镜面反射；腔体四周采用黑色喷粉处理，壁面吸收率大于0.9以上，设置壁面表面属性为95%完全吸收，面包片模型作为负载，设置为完全吸收表面。

发热管光强分布类似Lambertian分布，即发光强度随角度变化呈类似余弦分布[3]。光线追踪基于蒙特卡罗法（Monte Carlo）也叫随机仿真法[4]，进行非序列光线追踪，在光线追踪过程中，光线的方向是随机选取的，本文设置总光线数50万条，进行光线追踪。

1.3.2 仿真结果

仿真结果如图2所示，由于光线数量庞大，文中只显示了少部分光线来示意，其中图2（a）为原机模型反射罩光线追踪路径图；图2（b）为新反射罩光线追踪路径图。

图1 反射罩结构

从图2光线追踪路径图可以看出，采用原反射罩结构时，发热管发出的光线主要集中在反射罩下方的区域，势必会增加反射罩下方位置的辐照度，而采用新反射罩结构时，光线分布相对比较分散。食物放置在腔体下层烤架位置，食物表面吸收的光通量如图3所示，其中图3（a）为原反射罩烧烤时食物表面吸收的光通量，图3（b）为新反射罩烧烤时食物表面吸收的光通量。

从图3（a）中可以看出，原反射罩结构由于两根发热管间距很小，导致食物中心偏腔体后侧位置吸收的光通量过大，而靠近炉门-60～-4 mm区域的光通量较少；图3（b）对比图3（a），食物中心偏腔体后侧位置吸收光通量过大的现象基本消失，食物整个表面吸收的光通量相比之前更均匀，并且图3（b）云图可以看出靠近炉门-60～-4 mm区域的光通量比图3（a）有明显增加，整体改善明显。

为了便于量化食物表面吸收的光通量，本文将食物表面区域划分为24个50*50 mm的小平面，如图4所示。将一整个大面平均划分为24个小面，分别计算24个小面吸收的光通量，再对24个小面吸收的光通量求方差，方差越小，代表这组数据越稳定，进而均匀性越好。

图2 光线追踪路径

图3 食物表面吸收光通量

按照上述方法，计算24个小面吸收的光通量，得到如图4（a）所示使用原反射罩的方差为17.67；图4（b）所示使用新反射罩的方差为3.47，此值远小于原反射罩的方差值17.67，显然使用新反射罩食物表面吸收的光通量更均匀。图4和图3对比，也验证了图3中新反射罩结构可解决食物中心温度过于聚焦和靠近炉门-60～-4 mm区域的食物表面吸收光通量少的问题。

2 实验测试

2.1 面包片上色效果测试

图4 食物表面吸收光通量

本文测试烧烤均匀性采用烤面包片的方法，通过面包片的上色面积和上色效果来判断原反射罩和新反射罩对均匀性的影响。面包片测试结果如图5所示，其中图5（a）为原反射罩结构面包片上色效果，图5（b）为新反射罩结构面包片上色效果。

从实验测试结果来看，图5面包片上色情况与图4仿真结果面包片吸收光通量的情况吻合较好，面包片上色深的位置对应仿真吸收光通量较大的位置，而靠近炉门位置的面包片未上色，对应此区域仿真吸收的光通量少。

对比图5（a）和图6（b）发现：图5（a）采用原反射罩结构，仅有反射罩下方位置的两块面包片上色，靠近炉门的两块面包片基本没上色，靠近腔体后部的两块面包片也仅仅一小部分上色，上色面积不到40 %，六块面包片的色差大，整体上色效果较差；而图5（b）采用新反射罩结构，六块面包片均上色，上色面积大于90 %，并且六块面包片的色差较小，整体上色效果较好。采用新反射罩结构可使面包片的上色面积提升50 %以上，并且可明显改善各面包片之间的色差。

2.2 奶酪土豆效果

奶酪土豆作为微波炉烧烤性能评判的一份重要菜单，通过观察其表面上色和测量上中下和左右五个点位置的温度差，来判断微波炉烧烤性能的好坏。原反射罩和新反射罩测试效果如图6所示，其中图6（a）为原反射罩结构测试效果，图6（b）为新反射罩结构测试效果。

图5 面包片上色效果

图6 奶酪土豆上色效果和测试点温度

采用原反射罩结构，靠近炉门的区域基本不上色，而测量五个点的温度也发现，靠近炉门位置测点的温度偏低，只有83.1 ℃，五个测试点的最大温差为14.4 ℃；新反射罩的效果改善比较明显，整体上色比较均匀，而五个测试点的最大温差只有8 ℃，温差比原反射罩结构的测试结果降低6.4 ℃。

2.3 温差测试

从一定程度上来说，腔体温差越小，腔体内部温度越均匀，烧烤均匀性越好。本文通过在腔体下层烤架平面布置12个测试点，测量并计算原反射罩和新反射罩腔体下层烤架平面12个测点温度值的极差，极差值拟合得到温差曲线如图7所示。

从图7可以看出，原反射罩腔体下层烤架的温差基本在40 ℃左右波动，而新反射罩腔体温差在16 ℃左右波动，新反射罩结构腔体测试温差比原反射罩结构降低了55 %左右。而温差的减小，同时也说明了腔体下层烤架平面温度的均匀性较原反射罩更好。

最后，按照安规[5]要求进行温升测试，采用新反射罩结构的微波炉炉门以及其他电器件等的各项温升指标均符合安规要求。

图7 腔体温差对比曲线

3 结论

针对现有微波炉烧烤均匀性差，上色效果差的痛点，通过光学仿真和实验测试的方法来改善微波炉烧烤性能，主要得到以下结论：

1）光学仿真的引入，并且通过大量实验的验证测试，光学仿真结果与实验测试结果吻合较好，光学仿真可以用来指导反射罩结构的设计

2）测大面积食物的均匀性，可通过仿真技术，化大面为多个小面，计算多个小面的方差值，可迅速判断出食物表面吸收光通量的均匀性，进而可快速判断烧烤均匀性。

3）温差曲线可通过计算多个测试点的极差值来拟合。

4）减小腔体温差，可提高腔体温度的均匀性，进而改善烧烤均匀性。