CN104854416A

CN104854416A - 包括金属丝网加热元件的高速烘箱

Info

Publication number: CN104854416A
Application number: CN201380057035.2A
Authority: CN
Inventors: N.P.德卢卡
Original assignee: De Luka Cooking Stove Technology Co Ltd
Current assignee: De Luka Cooking Stove Technology Co Ltd
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: EP2904340A4; CN104854416B; EP2904340A1; WO2014055457A1; JP2015534034A; CA2887005A1; CA2887005C; JP6498121B2; US20150334775A1; EP2904340B1

Abstract

描述了一种包括多个金属丝网元件的辐射烘箱以及通过该辐射烘箱进行加热的方法。所述辐射烘箱包括：配置来接收烹饪载荷的烹饪腔；配置来通过一个或多个储能装置供应电流的电路；以及包括由电流驱动的多个金属丝网加热元件的主加热器，所述多个金属丝网加热元件尺寸适合并定位来加热烹饪载荷，在所述多个金属丝网加热元件的每个之间存在间隙。

Description

包括金属丝网加热元件的高速烘箱

技术领域

一种用于加热的方法，涉及使用镍铬金属丝。

背景技术

镍铬金属丝常用于诸如干发器和烤箱的器具中以及用于嵌入式陶瓷加热器中。金属丝具有高的拉伸强度并且可以容易地在高达1250摄氏度的温度下操作。镍铬合金具有以下物理属性(使用标准的环境温度和压力，除非另外注明)：

材料属性	值	单位
			拉伸强度	2.8×10⁸	Pa
弹性模量	2.2×10¹¹	Pa
			比重	8.4	无
密度	8400	kg/m³
			熔点	1400	℃.
室温下电阻	1.08×10^-6[1]	Ω·m
			比热	450	J/kg℃.
热导率	11.3	W/m/℃.
			热膨胀系数	14×10^-6	m/m/℃.

发明内容

本发明的示例性实施例公开了一种辐射烘箱，其包括：配置来接收烹饪载荷的烹饪腔；配置来通过一个或多个储能装置供电的电路；以及主加热器，该主加热器包括由电流驱动的多个金属丝网加热元件，所述多个金属丝网加热元件尺寸适合并定位来加热烹饪载荷，并且所述多个金属丝网加热元件的每个之间存在间隙。

本发明的示例性实施例公开了一种加热方法，其包括：定位烹饪载荷在包括多个金属丝网加热器的加热腔中；以及通过一个或者多个金属丝网加热器从储能源放出电流。

应当理解，前面的总体性描述以及下面的详细描述都是示例性和解释性的，用于提供对所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

被包括以提供对本发明的进一步的理解并且被引入到本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理。

图1是示出作为网股线的中心到中心间距的函数的网元件的辐射面积的图表；

图2是示出作为股线的半径和网格间距的函数的网元件的电阻的图表；

图3是示出作为股线的半径、网格间距和20KW的耗用功率的函数的双面125mm×250mm网元件烘箱的升温时间的图表；

图4是图1和2的组合图表，其示出应用于用接近于0.11欧姆/平方米的德卢卡要素比(De Luca Element Ratio)烹饪的高速烘箱的区域；

图5示出包括网系统的24V烘箱；

图6是包括输送带和多个金属丝网加热元件的高速烘箱的等轴测视图；

图7是四炉身(stack)的高速烘箱的等轴测视图；

图8是没有盖体的四炉身高速烘箱的等轴测视图；

图9是高速储能的各段金属网线消耗的能量表。

具体实施方式

在此及后参照附图更完全地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于在此公开的实施例。而是，提供这些示例性实施例以使得本公开是充分的，并且会给本领域技术人员完整地传达本发明的范围。将理解，对于本公开的目的，“X、Y和Z的至少一个”可以被理解为仅X、仅Y、仅Z、或者两个或多个项X、Y和Z的任何的组合(例如，XYZ、XZ、XYY、YZ、ZZ)。在整个附图和详细描述中，除非另有说明，相同的附图标记应当被理解为代表相同的元件、特征和结构。为了清楚，这些元件的相对尺寸和描述可能被扩大。

在此使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并不意在用于限制本公开。如在此使用的，单数形式的“一”和“所述”意在也可以包括复数形式，除非上下文另有清楚的说明。而且，使用术语“一”等并不表示限制数量，而是表示存在至少一个所指物件。使用术语“第一”、“第二”等并不暗指任何特定顺序，而是它们被使用以区分个体元件。而且，使用术语第一、第二等并不表示任何顺序或者重要性，而是术语第一、第二等用于区分一个元件与另一元件。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在用于本说明书中时是指存在所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或者增加一个或多个其它的特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。尽管一些特征可以针对各示例性实施例进行描述，但是各个方面并不限于此，以使得来自于一个或多个示例性实施例的特征可以与来自一个或多个示例性实施例的其它特征组合。

在此及后，将参照附图更详细地描述利用多个金属丝网元件的辐射烘箱和加热方法的示例性实施例。

当考虑镍铬合金在烘箱中的使用时，重要的是，不仅考虑当是热的时元件的电阻特征，而且要包括元件的黑体辐射。

关于电阻元件的总体特征，电阻与导体的长度和电阻率成正比，与导体的面积成反比。

R＝L/A·ρ＝L/A·ρ₀(α(T-T₀)+1) 等式1

其中ρ是电阻：

ρ＝1/σ,

L是导体的长度，A是它的横截面积，T是它的温度，T0是基准温度(通常是室温)，ρ0是在T0下的电阻，α是作为ρ0的百分数的每单位温度的电阻变化。在上面的表达式中，假定L和A在温度范围内保持不变。还注意到，ρ和α是取决于被考虑的导体的常数。对于镍铬合金，ρ0是在20摄氏度下的电阻，或者1.10×10^-6，并且α＝0.0004。从上面可以看出，电阻元件的半径增大两倍，电阻将减小四倍，反之亦然。

关于电阻元件消耗的功率，其中i是电流，R是电阻的欧姆数，v是跨过元件的电压，从欧姆定律可以看出，因为v＝iR，

P＝i²R

在具有恒压电源例如电池的元件的情形下，通过元件的电流是其电阻的函数。替代上面的R，并利用欧姆定律，

P＝v²/R＝v²A/ρ₀L 等式2

在诸如镍铬金属丝的电阻元件的情形中，在元件内产生的热量随着辐射冷却整个元件而快速消散。现考虑元件的黑体特征：假定元件作为黑体，斯特凡-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)等式表征辐射时消散的电力：

W＝σ·A·T⁴ 等式3

进一步的，波长λ，对于辐射强度最高的情形，由韦恩(Wien)定律给出为：

λ_max＝b/T 等式4

其中,

σ是斯特凡-玻耳兹曼常数5.670×10^-8W·m^-2·K^-4，

b是韦恩位移常数2.897×10^-3m·K。

在诸如烹饪烘箱的场合下，对于最大效率，需要2微米(2×10E-6)的优选工作波长，元件的温度基于韦恩定律应当接近1400开氏度或者1127摄氏度。从斯特凡-玻耳兹曼等式，具有两个加热侧面的小的烘箱将具有大约4×0.25m×0.25m或者0.25m²的工作表面积。这样，对于烘箱，W应当接近20000瓦。

在产生安全高功率的烤箱或者烘箱的情形下，系统有必要在不超过24伏的低压下操作。这样，利用具有20000W的等式2，元件将具有大约0.041欧姆的电阻，如果在工作温度下100％的效率的话。基于等式1，从操作温度到室温(从1400到293k)的降低代表元件电阻大致降低大约1.44倍，因此需要在室温下电阻为0.0284欧姆的元件。

现，考虑元件的电阻和元件作为黑体的特征的关系：

加热器的电阻与该加热器的黑体辐射面积的比率成为烘箱的关键设计约束条件，即在此所谓的德卢卡要素比。理想的烘箱对于在2微米波长下在0.25平方米区域以上进行食物操作具有0.1137欧姆/平方米(0.0284欧姆/0.25平方米)的德卢卡要素比(在室温下)。德卢卡要素比仅依赖于材料的电阻和辐射表面积，但是独立于系统操作的电压。此外，对于金属丝，金属丝的长度不会改变该比率。

表1列出了集中常见镍铬金属丝尺寸的每米的电阻以及这些元件的德卢卡要素比。重要地，注意到，所有这些金属丝具有在1400K、24V和超过0.25平方米下操作的烘箱所需的0.1137的德卢卡要素比。显然，使用具有从末端到末端布置的电压的单一金属丝来实现需用功率是不可行的。

相反，在120V和1500W以及500K下较小的0.338平方米面积操作的家庭用弹出式烤箱会需要35.5的德卢卡要素比。这样，1米长、两端电压120V、0.001m半径的镍铬金属丝可以适当地工作。

表1

显然，为了实现接近于0.1137的德卢卡要素比，会需要更低的电阻或者更高的表面积。

实现0.1137德卢卡要素比的一种方法是，使用2厘米半径的大的元件。这涉及的问题是元件的固有热容量。从表1注意到，为了从室温升高温度至1400K，会需要65.4秒以及因此大约0.36KWH的能量。

该计算是从关于热能与比热容的等式推导出来的，其中关于质量的单位量是：

ΔQ＝mcΔT

其中ΔQ是进入元件中或者从元件出来的热能(其中P×时间＝ΔQ)，m是元件的质量，c是比热容，ΔT是温差，即最终温度减去起始温度。

这样，加热元件所需的时间将会特别长，并且不能实现快速烹调时间的目标。

降低电阻的另一方法是并联布置多个电阻器。Kirkoff定理可预知并联布置的电阻器的累积结果。

\frac{1}{R_{total}} = \frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + . . . + \frac{1}{R_{n}}

等式5

下面的表2列出对于表1总的每个元件的导体数量，如利用等式5推导出来的，所述导体会需要并联布置以为了实现0.1137的德卢卡要素比。显然，跨过表面均匀地布置和分布这些元件会是非常困难的，并且对于制造来说是不可能的。还注意到，对于具有大于0.0002米的半径的元件，在20KW下，从室温到1400K加热组合的元件块所需的时间对于总共几秒的烹饪时间来说也是太大的。

表2

总之，下面的发明允许通过利用电阻网元件产生高功率的烘箱。加热元件设计来允许通过修改网的厚度以及热量从其辐射的表面积二者来获得期望的波长输出。加热器包括单一单元的网，其易于组装到烘箱中并具有低的质量以允许非常快速的加热(在小于几秒的数量级)。

具体地，金属丝网织物设计被校准以具有正确的德卢卡要素比以用于在1400开氏度下操作的快速响应(小于2秒)的烘箱。

根据示例性实施例，设计用于快速反应时间烘箱的网包括具有0.3毫米的股线直径以及股线之间0.3毫米的间隔并且工作电压24V的镍铬金属丝网。

在考虑最好的网设计方面，重要的是，评估作为以下函数的黑体辐射面积以及元件的电阻：

1)每一单位面积的网的股线数量

2)网股线的半径

3)网股线的材料

4)用于股线之间的辐射阻塞的电势。

图1描述作为网的股线数量和股线间隔的函数的黑体面积。有趣的，表面积独立于金属丝股线的半径，如果间隔被形成为半径的函数的话。

利用以上的等式5，网的电阻可以针对特定的金属丝股线半径进行计算。图2示出作为股线的半径和网格间隔的函数的镍铬合金网元件的电阻。随着股线数量变得非常高并且电阻变得非常低，在等式5中的限制变得明显；因此，与在室温下金属中的电子的随机运动相关的原子效应形成最小电阻阈。

利用镍铬合金作为网中的股线材料并且在20KW下操作系统，实现1400开氏度的操作温度的升温时间是股线半径和网格间隔的函数(注意到，使用两倍的名义网目尺寸125mm×250mm)。图3示出一区域，在该区域下，可实现小于2秒的升温(注意到，0.5毫米以上的金属丝半径由于需要长的升温时间而未示出)。

图4是图1和2的复合图，示出可用于在接近于0.11欧姆/m²的德卢卡要素比下烹饪的高速烘箱的区域。

图5是具有顶部和底部金属丝网元件1和2的烘箱3的照片，每个金属丝网元件为125mm×230mm并且在24V下操作。每个金属丝网(1和2)具有跨过416-230毫米长的元件编织的766-125毫米长的丝线，每个元件直径为0.3毫米。24V的电池源跨过766元件的长度布置在母线条4和5上。对于0.14毫米直径的金属丝的单一股线的金属丝表面积是0.000440m²/m。这样，总的表面积(对于组合的顶部和底部元件)可以计算为：

总的黑体辐射面积＝2×0.000440×(416×0.23+766×0.125)＝0.168m²

跨过母线条4和5以及6和7的电阻被测量为0.04+/-0.01欧姆。(注意到，条4和6以及5和7分别由横条8和9连接)。这样，对于元件的德卢卡要素比的计算给出为：

0.02ohms+/-0.01ohms/0.168m²＝0.119+/-0.06ohms/m²

其是在用于提供最佳烹饪时间的德卢卡要素比的期望值的实验误差内。这些实验值还紧紧地匹配图4所示的期望值。

面板10和11是用于帮助向着放置在区域12中的物件聚焦辐射的反射体。

根据示例性实施例，网是利用0.14毫米直径的镍铬金属丝并且在24V操作良好的0.3mm×0.3mm的网(2×R)。

基于利用金属丝网段的烘箱允许不同于间断传送的连续流程工艺，其中待烹饪的物件在传送器上在单独的金属丝网段之间传送。每个金属丝网段或者加热元件可以关于强度和/或持续时间分别控制。该实施例可以提供高流速的加热或者烹饪的优点。再者，对于每个物件的加热轮廓可以最优地定制。该定制可以无需重构烘箱硬件地实现。

每个长度的金属丝网段和所述长度的金属丝网段之间的中间间隙可以提供开关脉冲烘箱的同等效果。这可以允许连续的工艺流程，例如，当烹饪食品物件时。

在示例性实施例中，传送带等速运转，并且待烹饪的物件布置在带上。在一些情形下，金属丝网段布置来在带的顶部和底部表面上都反射。在其它情形下，金属丝网段也可以布置为在带的顶部或者底部表面上。

随着待加热的目标或者食品物件通过带向前传送，金属丝网段可以加热该物件。当物件接近金属丝网段时，金属丝网段或者加热元件可以已经打开或者可以打开。物件然后在金属丝段下通过并加热。

在一些实施例中，随着物件被传送或者移动通过金属丝网元件，物件可以被冷却。冷却截止周期的持续时间可以实现通过间隙实现。在优选实施例中，金属丝网元件可以包括镍铬加热元件。

在没有待加热的物件的情形下，金属丝网加热元件可以关闭。例如，如果利用金属丝网段的正常工艺需要4秒的开时间以及然后8秒的关时间，对于以每分钟60”运动的带，4”长的元件可以跟着8”的间隙。

在一些实施例中，屏蔽罩可以被提供以反射红外辐射。

图6是包括多个金属丝网加热元件102的辐射烘箱的等轴测视图。间隙104布置在多个金属丝网加热元件102的两个之间。母线108和110供应电流到多个金属丝网加热元件102的每个。布置在辊/电机112之上的可移动的带114被提供。待加热的物件，例如食品，可以布置在带114上。多个金属丝网加热元件102中的一些可以布置在平面120中在带114上方。多个金属丝网加热元件102中的一些可以布置在平面122中在带114下方。辐射烘箱100可以布置在包壳(未示出)中。包壳在图7中可见。

图7是布置在包壳中的四炉身400的辐射烘箱202a，202b，202c和202d的等轴测视图。

图8是四炉身300的辐射烘箱302a，302b，302c和302d的等轴测视图。

图9是由高速储能的各金属网线段消耗的能量表。金属网线段以巨大的速率输出热量。在金属丝网元件下方的食品需要关期间或者休息期间，其中由食品物件的外表面接收到的热量可以被导入到食品物件的内表面。提供休息期间给食品的一种方法是，当食品物件在加热元件下方是静止的即不运动时，循环金属丝网段。但是，对于食品物件布置在其上的可移动的带，食品物件的休息期间可以通过布置间隙来替换金属丝网加热元件的关周期而被提供。

在示例性实施例中，比萨饼可以利用下表中所示的持续时间(数秒)在静止的金属丝网烘箱中烹饪60秒。这些持续时间可以被转换为装备有60”运输带的烘箱中的金属丝网元件的段长和中间间隙。在装备有带的烘箱中，金属丝网加热段可以被布置在两个平面中，即，顶部和底部。该表提供在60”烘箱中示例性的循环时间金属丝网段长。与现有技术的带烘箱相比，本发明的带烘箱可以将比萨饼烹饪时间缩短一半。在其它的实施例中，与现有技术的带烘箱相比，本发明的带烘箱可以将比萨饼烹饪时间缩短为四分之一。

顶部开	顶部关	底部开	底部关
				3	0	3	0
3	6	3	0
				4	4	3	0
4	4	2	0
				4	4	0	0
4	2	3	0
				4	5	0	0
2	5	0	0

在此提供的例子意在示出潜在的和特定的实施例。可以认识到，所述例子主要是出于为本领域技术人员给出示例的目的。在此示出的图表是通过例子的形式提供的。对在此描述的这些图表或者操作可以存在变体，其并不超出本发明的范围。例如，在某些情形下，方法步骤或者操作可以以不同的顺序执行，或者操作可以被增加、删除或者修改。

Claims

1.一种辐射烘箱，包括：

配置来接收烹饪载荷的烹饪腔；

配置来通过一个或多个储能装置供应电流的电路；以及

包括由电流驱动的多个金属丝网加热元件的主加热器，所述多个金属丝网加热元件尺寸适合并定位来加热烹饪载荷，在所述多个金属丝网加热元件的每个之间存在间隙。

2.如权利要求1所述的辐射烘箱，其中，所述储能装置是电池。

3.如权利要求1所述的辐射烘箱，其中，所述主加热器包括并联安置在至少一个平面中的多个金属丝网元件。

4.如权利要求1所的辐射烘箱，其中，所述主加热器包括并联安置在两个或更多个平面中的多个金属丝网元件。

5.如权利要求1所述的辐射烘箱，其中所述主加热器包括安置在至少一个平面基质中的多个金属丝网元件。

6.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括配置来通过从外部电源获取电力来给所述一个或多个存能装置充电的充电器。

7.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括配置来当烹饪载荷移动通过烹饪区域时支撑烹饪载荷的可移动带。

8.如权利要求7所述的辐射烘箱，其中，所述可移动带以恒定速度移动。

9.如权利要求7所述的辐射烘箱，进一步包括：

布置在配置来支撑烹饪载荷的所述带上的托盘；以及

配置来以同心运动移动托盘以便均匀地辐射烹饪载荷的旋转器。

10.如权利要求7所述的辐射烘箱，其中，用于支撑烹饪载荷的所述带由能够经得起高温的不导电材料制成。

11.如权利要求7所述的辐射烘箱，其中，所述带的顶部表面到金属丝网加热元件的距离是可调节的。

12.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括配置来循环到每个金属丝网加热元件的电流连接的继电器；以及配置来控制该继电器的每个的控制电路。

13.如权利要求12所述的辐射烘箱，进一步包括：

由控制电路控制以便对烹饪区域排气的扇；以及

与所述控制电路通信的温度传感器。

14.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括配置来通过响应用户输入或者自动响应表明烹饪载荷的状态的测量参数而以一占空比循环开和关而控制到所述多个金属丝网元件的每个的电流的控制电路。

15.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括用于监测由烹饪载荷发出的气体或者颗粒的传感器。

16.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括用于通过关于时间对功率积分来计算由主加热器消耗的能量的能量计算电路。

17.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括：

第一母线，包括附连到一个或多个网末端的一个侧面的张紧支撑件；以及

第二母线，包括附连到相对的网末端的张紧支撑件。

18.如权利要求1所述的辐射烘箱，其中，从烹饪载荷到任何的金属丝网加热器的最短距离不超过二分之一英寸。

19.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括一个或多个反射体，其尺寸适合并定位在一个或多个金属丝网加热器附近以向着烹饪载荷反射射线。

20.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括烘箱门，以及设置在烘箱门上或中以便向着烹饪载荷反射辐射的一个或多个反射体。

21.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括配置来利用小的电流预热一个或多个金属丝网加热器的控制电路。

22.如权利要求1所述的辐射烘箱，进一步包括配置来改变多个金属丝网加热元件的每个的电压的电压控制电路。

23.一种加热方法，包括：

定位烹饪载荷到包括多个金属丝网加热器的加热腔中；

从储能源放出电流通过一个或者多个金属丝网加热器。

24.如权利要求22所述的方法，其中，储能源包括一个或多个可再充电的电池。