家用嵌入式电烤箱门体的温升分析及优化设计

刘昌文

家用嵌入式电烤箱门体的温升分析及优化设计

刘昌文

（戈兰尼亚股份公司，斯洛文尼亚 韦拉涅 3320）

介绍了家用嵌入式电烤箱门体温升在用户使用过程中造成的不舒适和危险性。从嵌入式电烤箱的工作原理出发，对其门体的温升进行分析，并提出优化方案，有效降低门体温度，提高安全性。

烤箱门体；温度；优化设计；温升分析

1 引言

嵌入式电烤箱（以下简称“电烤箱”）是欧美普遍使用的一种厨房家电，在加热均匀性、容积、烘烤功能多样性、温度控制准确性等方面都存在明显的优势。随着国内烘烤文化的流行，披萨、面包、蛋糕、烤鸡翅、牛排等烘烤食品越来越受欢迎，根据奥维数据统计，2020-03电烤箱品类产品逆势上升，大部分蒸烤箱产品的涨幅都在30%以上。相信在未来，随着国民生活水平的提升以及年轻消费群体的崛起，烤箱在中国厨房中的普及度会越来越高。

一款好的电烤箱，不仅能够烘烤出美食，安全和使用舒适性方面也同样重要。电烤箱属于加热器具，正常工作时腔体温度超过200 ℃，部分高温自清洁功能的腔体温度可以达到400 ℃以上。如果直接接触高温腔体，尤其是小朋友，看到烤箱中的食物烘烤都会表现出极强的好奇心，触碰后会造成严重的烫伤。所以配备电烤箱门体是避免用户直接接触高温腔体的最有效手段，开启时放置食物，关闭时加热食物。虽然门体可以阻止热量传递，但由于腔体内部的高温，仍然会有一些热量通过热传导、辐射及对流的方式传递出来，门体表面会有一定的温升。

电烤箱国内标准GB 4706.22中规定了门体温升的测试方法和要求。环境温度为25 ℃时，需安装在特定的实验箱内，在1.15倍的电压下加热60 min或者达到稳定状态后，腔体温度需达到200 ℃后，测试电烤箱周围家具的温升不能超过70 K，门体的玻璃或陶瓷的可触及表面温升不能超过60 K，金属和喷涂金属不能超过45 K。

有效降低电烤箱门体的温升，需有利于增强用户的安全和使用体验，同时也有利于产品节能。本文通过分析电烤箱的工作原理及结构，提出了几种降低门体温升的优化设计思路。

2 电烤箱门体温度与工作原理分析

电烤箱根据结构一般分为台面式小烤箱和嵌入式大烤箱，其工作原理是电流通过电热元件产生热量，借助传导、辐射和对流的传递方式，将热量传递给食物，使其加热到所要求的温度和时间。电烤箱主要结构如图1所示，电烤箱主要由烤箱腔体、门体、控制单元、显示单元、照明灯、热风对流风扇、排气风扇、后部/底部/顶部加热元件等构成。因为需要定期观察食物的情况，所以门体主要采用玻璃材质。

图1 电烤箱主要结构示意图

电烤箱设置有多根发热管，是烘烤食物的主要热源，功率在2～3 kW范围内。电烤箱还设置有对流风机，使腔体内的高温空气对流，使热量分布更加均匀。腔体的温度有机械控制和电子控制两种方式，机械控制多采用毛细管温控器，电子控制多采用电子温度传感器，可以设置不同的温度。

电烤箱的门体由多层钢化玻璃固定组成。首先用高温胶将金属或者塑料支架粘贴在最外层玻璃上，安装卡扣将其他几层玻璃固定在一起，然后安装铰链与烤箱腔体连接起来，铰链负责门体的开合；在腔体与最内层玻璃接触的部位安装有耐高温垫圈，腔体在工作时保持密闭，避免热量流失。烤箱门体正常采用钢化玻璃，但具有高温自清洁功能的烤箱，最内层会采用硼硅玻璃（硼硅玻璃的膨胀系数随温度变化小，耐高温效果更好，不易破碎）。几层玻璃构成的空腔，在加热状态下会形成自然的对流，高温空气从空腔顶部排出，低温空气从底部吸入，将热量带出。

电烤箱带有排气冷却系统，其由排气风扇和排气风道组成，电烤箱排气冷却系统及门体的对流如图2所示。排气冷却系统有两大作用：通过排气风扇将电烤箱周围的空气从箱体空隙处吸入，通过门体上方的出风口排出，降低周围家具的温升；电烤箱排出热空气的同时，会在门体空腔顶部形成文丘里效应，使空腔中的空气对流加速，从而更快速地降低门体表面的温升。

图2 电烤箱排气冷却系统及门体的对流示意

3 降低电烤箱门体温升的分析及优化措施

热传导、热辐射和热对流都会对门体温升有一定的影响，所以降低热传导和热辐射、加速门体空腔中的对流，同时精准控制烤箱的加热温度，可以有效降低门体的温升，有利于提高烤箱的节能效果。下面介绍几种降低电烤箱门体温升的方案。

3.1 合理控制电烤箱门体的玻璃层数和封闭方式

钢化玻璃是烤箱门体的主要组成部分，钢化玻璃的热传导系数较低，一般热传导系数为1.09 W/（m·K），增加玻璃的层数，可以有效降低热传导的系数；同时增加玻璃层数后，可以形成多个空腔，有效分割热量传导的区域。不同的区域采用不同的热对流方式，因为在结构、玻璃层数和性能规格相同情况下，节能性能排序为封闭性箱门＞半封闭＞敞开式；封闭式箱门玻璃内的空气不对流，热损失较小[1]，所以合理控制门体玻璃的数量，在最内层采用封闭式结构，会使节能效果更好。

但是增加玻璃层数，会增加成本，门体质量也会增大，对应的铰链也需要重新设计；玻璃增多还会带来装配成本的上升，所以玻璃数量并不是越多越好。常用的电烤箱有两三层玻璃，具有高温自清洁功能的电烤箱玻璃层数会达到4层。

3.2 降低电烤箱腔体对最外层玻璃的热辐射

电烤箱一般采用钢化玻璃。普通钢化玻璃对各种光谱的反射率大致相同，在实际工作中对热辐射的抵抗能力不强，绝大部分辐射热能可通过玻璃被吸收。因此，采用这种材质的玻璃设计电烤箱的门体，其实际保温性能极差[2]。因此在电烤箱设计中大多会使用Low-E玻璃。Low-E玻璃（Low-emission glass）又称低辐射玻璃，是一种波长范围为4.5～25 μm的远红外线有较高反射比的镀膜玻璃[3]。同等条件下，6 mm透明+12 mm空气+6 mm透明玻璃的传导系数为2.8 W/（m2·K），总透射比为0.75，如果增加一层低透光Low-E玻璃，传导系数降低到1.8 W/（m2·K），总透射比降为0.2，热辐射降低的效果明显[4]。不同层数的Low-E玻璃的温度对比如图3所示。图3中两张图片都是采用红外测温仪测量同样工作条件下不同Low-E涂层数量的门体温度。可以看到，2层Low-E的玻璃的门体表面温度相比1层Low-E的玻璃的温度下降了20 ℃左右，温度下降明显。

图3 不同层数的Low-E玻璃的温度对比

3.3 优化电烤箱门体空腔的热对流结构

电烤箱玻璃形成的空腔，当里面的空气被加热时，热空气会从空腔顶部排出，而冷空气会从底部吸入；而电烤箱的排气系统，会在玻璃空腔顶部形成文丘里效应，加速其热对流。热对流公式：热流量（W）=对流传热系数（W/m2K）×物体表面积（m2）×（表面温度－流体温度）（K）。

对流传热系数不是物质的特性值，而是状态值，自然对流的传热系数为3～12 W/m2K。在较大的物体边缘形成一层热边界层，物体越大，其顶部的热边界层就越厚，会降低对流效果。门体顶部的气流加剧，会破坏其空腔中的热边界层，加大对流传热系数，更多的热量通过对流排出，从而降低玻璃表面的温升。

但从能效的角度来分析，热对流增加会导致电烤箱的热量流失加大，继而降低产品的能效和烘烤效果。最佳的方案是只增大最外层玻璃空腔中的对流，而在其他几层玻璃空腔内尽量减少对流，减少热量损失，所以要将热对流尽量控制在最外层的玻璃空腔中。

3.4 精准控制电烤箱的烘烤温度

在其他条件不变的情况下，腔体的温度越高，门体温度越高。所以在电烤箱要实现更加精准的温度控制，避免温度波动。一般可采用电子控制（数字感温探头），因为电子控制的精度要高于机械控制（毛细管温控器），温度的波动范围更小，腔体内的温度更加稳定；同样也可以使用变频加热技术，通过变频发热管、变频对流风机、智能控制系统，精准调节和控制烘烤所需要的温度和循环风量。上述的几种方法都可以降低门体的温升。

4 总结

随着中国家庭消费水平提高，人们对饮食多样性的追求不断提升，烤箱作为家庭烘烤的中心，可以制作更加多样化的烘烤食品。在消费需求不断提升的趋势下，消费者对烤箱的使用安全性和舒适性方面也提出了更高的要求。未来随着越来越多的企业对大烤箱的重视程度提升，通过更多的研究和分享，会有更多、更好的新技术来满足市场的需求。

［1］杨均，曹骥.浅谈嵌入式电烤箱箱门结构［J］.家电科技，2010（4）：64.

［2］林吼潮，姚斌.嵌入式电烤箱箱门结构设计分析［J］.科技与创新，2017（1）：90-91.

［3］王全，谢谦.浅谈low-E玻璃的节能效果［J］.中国地市报人，2012（11）：88-89.

［4］朱人杰，詹鸣.low-E玻璃原理及应用［J］.科技视界，2018（8）：173-174，151.

TM925.53

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.043

2095－6835（2020）14－0107－02

〔编辑：严丽琴〕