CN108601472B - 振荡微通道厨具 - Google Patents

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Abstract

例如烤盘和锅等厨具形成有在直接与间接加热区之间来回卷绕的振荡微通道。在真空下放置占用所述振荡微通道的30‑90％的体积的工作流体。所述微通道经设定尺寸以产生毛细管力，所述毛细管力产生贯穿所述振荡微通道散布的蒸气气泡和液体段塞。所述直接加热区的加热产生所述蒸气气泡和液体段塞的振荡移动，所述振荡移动从所述直接加热区向所述间接加热区传递热以维持跨越食物加热区域的较均匀温度。所述厨具可展现至少1,000W/m.K的有效热导率。

Description

振荡微通道厨具
技术领域
本发明涉及例如在电炉、气炉或感应炉上使用以用于烹饪食物的例如锅和烤盘等厨具，且更具体地说，涉及具有对烹饪表面的快速且均匀加热的可制造、高效节能、低成本、轻型且安全的厨具。
背景技术
为了以高效节能方式获得令人满意的烹饪结果，厨具应当快速加热且维持底部和任何侧壁表面处于近似均匀的温度。为了实现所需加热性质，厨具必须展现高热导率。这对于加热不与热源直接接触的烹饪表面是尤其关键的。举例来说，较大烤盘的较远区或锅的侧壁。厨具优选地为轻型且低成本的，且对于消费者必须是可靠且安全的。
市售厨具利用呈单一或多层构造的不锈钢、铸铁、阳极化铝或焊锡铜的“实心”芯构造。举例来说，铝或铜层可以夹在不锈钢板之间以改善热导率。实心芯构造是安全且可靠的。然而，实现几百W/m.K(瓦/米.开尔文)的热导率所需的多层构造产生重且昂贵的产品。当前现有技术多层构造具有390W/m.K的最大热导率。
可能具有高得多的热导率的常规实心芯厨具哦替代方案是“热管”厨具。热管厨具具有界定密闭性密封空间的内部和外部金属壳。工作流体部分地填充所述密闭性密封空间。通过使用密闭性密封空间中的工作流体在均匀温度下蒸发和冷凝而经受相变的现象，厨具可理论上维持内部壳的整个表面上的相同温度，这展现与由具有无限热导率的理想材料制成相同的效果。即使厨具由火焰、电或来自外部源的感应不均匀地或局部加热，厨具也可维持内表面处于均匀温度。
使用“芯子”以改进密闭性密封空间内的工作流体的循环。所述芯子可以包含位于工作流体的高度的铁丝网筛以及位于密闭性密封空间的中心的多孔金属板。冷凝的工作流体借助于重力和/或所述筛和多孔板的毛细压力而收集于密闭性密封空间的下部中心。需要“芯子”结构来实现>1,000W/m.K的高热传导。然而，其构造是复杂且昂贵的，这降低了厨具的可靠性和安全性，同时极大地增加成本。如果循环被芯子结构阻止，那么热管厨具存在严重烧干的风险。出于所有这些原因，热管厨具不是市售的。对于热管厨具的变体请参见美国专利3,791,372和4,296,729、WO公开案00/54638和01/26517以及德国专利DE3027006A1。
发明内容
下文是发明内容，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。此发明内容并不希望识别本发明的关键或极其重要的元件或者划定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本发明的一些概念作为稍后呈现的更详细描述和界定权利要求书的序言。
本发明提供具有快速热响应和均匀加热的安全、轻型且便宜的厨具。这是使用振荡微通道以经由对流从直接加热区向间接加热区传递热以用于在两个表面上烹饪而实现。
在一实施例中，厨具包括金属板，其包含经配置以从热源直接接收热的直接加热区以及间接加热区，所述直接和间接加热区一起界定食物加热区域。嵌入于所述板中的振荡微通道在所述直接与间接加热区之间来回卷绕。在真空下放置占用振荡微通道的30-90％体积的工作流体以产生贯穿振荡微通道散布的蒸气气泡和液体段塞。振荡微通道被设定尺寸以产生保持微通道中的液体段塞的毛细管力。所述直接加热区的加热产生所述蒸气气泡和液体段塞的振荡移动，所述振荡移动从所述直接加热区向所述间接加热区传递热以维持跨越食物加热区域的较均匀温度。热传递主要是借助于对流而不是相变。
在某些实施例中，厨具展现至少1,000W/m.K、更优选至少1,500W/m.K且可能大于2,000W/m.K的有效热导率。
在某些实施例中，振荡微通道是“无芯的”，且因此安全且有效地实施更简单且更便宜。
在不同实施例中，厨具可经配置用于与明火、电或感应热源一起使用。
在不同实施例中，金属板可为单一或多层构造。可以使用不锈钢或铝的单层构造。
在不同实施例中，振荡微通道可为开环或闭环。可以通过将例如铜管等管嵌入金属板中或通过将两个或更多个板夹在一起而实施振荡微通道。振荡微通道可经配置以使得直接和间接加热区是可互换的(例如，烤盘)。第二振荡微通道可以与第一振荡微通道成90度嵌入于金属板中，使得厨具(例如，烤盘)可相对于热源以各种定向放置且改善热传递的总体均匀性。
在不同实施例中，工作流体可以例如为水、一种类型的硅油或一种类型的润滑油。
本领域的技术人员从以下结合附图对优选实施例详细描述将了解本发明的这些和其它特征和优点，在附图中：
附图说明
图1是振荡微通道厨具的实施例的图；
图2a-2c是振荡微通道烤盘的实施例的透视图、开放平面图和截面图；
图3a-3c是振荡微通道烤盘的实施例的透视图、开放平面图和截面图，其具有分别纵向和横向定向的一对振荡微通道；
图4是用于比较实心芯烤盘与振荡微通道烤盘的烤盘和局部热源的图；
图5是振荡微通道烤盘的用于计算有效热导率的测量值的表；
图6是分别针对多层实心芯和振荡微通道厨具的在局部热源正上方和在烤盘的相对末端处的烤盘温度的绘图；以及
图7a和7b是振荡微通道锅的实施例的不同视图。
具体实施方式
本发明提供具有快速热响应和均匀加热的安全、轻型且便宜的厨具。这是使用振荡微通道以经由对流从直接加热区向间接加热区传递热以用于在两个表面上烹饪而实现。在某些实施例中，振荡微通道是“无芯的”，且因此安全且有效地实施更简单且更便宜。
参看图1，厨具10包含金属板12，其具有经配置成直接从热源16接收热能15的直接加热区14以及间接加热区18。直接加热区14和间接加热区18一起界定食物加热区域20。嵌入于板12中的“无芯”振荡微通道(OMC)22在直接与间接加热区之间来回卷绕。占用振荡微通道的30-90％体积的工作流体24在真空下放置以产生贯穿振荡微通道散布的蒸气气泡26和液体段塞28。振荡微通道被设定尺寸以产生保持微通道中的液体段塞28的毛细管力。直接加热区14的加热产生蒸气气泡26和液体段塞28的振荡移动29，其从直接加热区14向间接加热区18传递热30以维持食物加热区域20上的较均匀温度。热传递主要是借助对流而不是相变。所述厨具可以展现至少1,000W/m.K(瓦/米-开尔文)、可能大于1,500W/m.K且最优选大于2,000W/m.K的有效热导率。
厨具10可以是例如不锈钢、铸铁或铝的单层金属板12，或者可以是例如不锈钢、铝和铜层的多层金属板12。厨具10、至少所述直接加热区14可以由适合与感应加热元件一起使用的铁磁性金属形成。
厨具10可以包含界定OMC 22的连续长度的管道，例如铜管道。与工作流体24接触的材料必须是惰性的，不与工作流体24相互作用。替代地，厨具可以包含至少两个板，其中至少一个被蚀刻/加工以界定OMC 22，在此情况下板材料(或其上的涂层)必须是惰性的。
厨具10可以是烤盘，在此情况下食物加热区域是大于加热元件的平坦表面。为了在整个食物加热区域上方加热食物，OMC 22从直接加热区向远处的间接加热区传递热。高有效热导率确保整个食物加热区域上方的更均匀加热。OMC 22合适地经配置成具有对称性以使得直接和间接加热区是可互换的，使得厨师可将烤盘的任一末端放在加热元件上方。第二OMC可以与OMC 22成近似90度定向而嵌入于厨具中。第二OMC将促进从烤盘的顶部到底部侧的热传递，从而允许厨师有较大灵活性在炉子上定向烤盘，以及改进的热传递均匀性。
厨具10可以是锅，在此情况下食物加热区域是所述锅的体积。锅的底部表面界定直接加热区且其侧壁界定间接加热区。OMC 22从其底部表面沿着其侧壁向上传递热。高有效热导率确保整个食物加热区域上方的更均匀加热。OMC 22自然地经配置成具有对称性，其允许锅相对于加热元件以任何定向放置。
厨具10可具有一个且仅一个OMC 22。OMC 22自身是极简单、便宜且安全的结构。抽取真空且密封OMC 22可为实施所述厨具的最复杂且昂贵的方面。因此，在许多应用中，单个OMC 22是足够且优选的。在其它应用中，厨具可以经配置成具有多个OMC。
OMC 22包含工作流体24，例如水或硅酮油，其通常分离为间隔开且由蒸气气泡26分离的液体段塞28。OMC 22通常包含在直接加热区14与间接加热区18之间来回的毛细管尺寸的曲折管和许多匝(例如，由U形转弯管区段连接的平行管区段)，其中在直接加热区接收的热造成液体段塞和蒸气气泡由于所吸收热产生的压力脉动而振荡。因此，压力脉动迫使液体段塞和蒸气气泡在直接加热区14与间接加热区18之间移动。由于例如通过从热源16(例如，明火、电或感应加热元件)的热传递将热施加于直接加热区14中的OMC 22，因此至少一些液体在直接加热区14中气化。在到达间接加热区18后，其中间接加热区18大体上比从直接加热区14到达的蒸气冷，至少一些蒸气冷凝为液体。由于气化的体积膨胀以及由于冷凝的收缩造成工作流体的振荡运动，这将蒸气发送到间接加热区18且将液体返回到直接加热区14。液体段塞和蒸气气泡的振荡运动是自持续的，只要维持加热和冷却条件即可。因此，OMC 22是自给自足的，且不需要任何外部机械装置(例如，泵)或能量来操作。
本发明的OMC 22不应限于任何特定配置，因为在本发明的额外实施例中OMC可以是任何数目的大小和配置。举例来说，OMC 22可以是各种尺寸，管可以具有各种直径和配置，且直接加热区14和间接加热区18可以具有各种长度和匝的数目。此外，可以修改工作流体的量(即，充填比率)、工作流体的类型和性质以及管材料以产生不同热传递结果。举例来说，填充比率可以是近似30-90％，而管可以是具有近似3-4mm外径和1-2mm内径的铜材料，另外，OMC 22可以是开环或闭环的，在各种位置中定向。
OMC 22可由OMC匝(由两个平行管和一个弯曲部计数，或OMC的一个侧面上的U形管)的数目指定。每一匝可使用水作为工作流体传递近似50W的热。对于2KW炉子，在OMC中将输入高达一半的热(1KW)。因此，需要20匝。对于一些应用，OMC可由嵌入于厨具中的管道形成。管道是安全、可靠且便宜的。如果需要高密度OMC，那么可在金属板/厨具衬底上蚀刻/加工OMC，而不是以最小半径要求来弯曲/嵌入管。蚀刻或加工的通道可为极紧凑的且允许较高热传递。
因此，振荡微通道厨具具有比任何市售实心芯厨具高得多的有效热导率(Keff)。我们已证明Keff>1,200W/m.K，且可实现Keff>2,000W/m.K。作为比较，不锈钢近似为18W/m.K，铸铁近似为40W/m.K，且铝和铜的多层构造具有200W/m.K的最大值。此外，振荡微通道厨具可比多层较高性能厨具重量显著更轻且更便宜。
与已设计但不市售的热管厨具相比，振荡微通道厨具可以实施简单的“无芯”结构，其实施和使用是安全且可靠的，且因此相当更便宜。此外，因为OMC中的工作流体的充填比率比常规热管高得多，所以液体段塞的频繁振荡移动可传递高质量流量通过直接热区。高质量流量对应于高热传递。因此，OMC可展现比热管更高的有效热导率。
现参看图2a-2c，OMC厨具的实施例经配置成烤盘50。烤盘被设定尺寸为具有平坦烹饪表面52以使得其比炉子上的典型加热元件长得多且可能更宽。连续铜管54嵌入于不锈钢板56中以形成单个开环OMC 58，其从烤盘的一个末端到另一末端来回卷绕以覆盖平坦烹饪表面52。工作流体60以30-90％之间的充填比率填充OMC 58。铜管被设定尺寸以产生毛细管力，其产生贯穿振荡微通道散布的蒸气气泡和液体段塞。止回阀62可以联接到管道以在OMC中的压力超过安全阈值的情况下排出工作流体。烤盘的任一末端可以放在加热元件上方。蒸气气泡和液体段塞的振荡移动从烤盘的一个末端向另一末端传递热。高有效热传导减少烹饪表面上的温度差以实现更有效的烹饪。
现参看图3a-3c，OMC厨具的实施例经配置成烤盘70，其中第一OMC 72包含从烤盘的一个末端到另一末端纵向延行的平行管道区段74，且第二OMC 76包含跨越烤盘横向延行的平行管道区段78。一对垂直定向OMC的这种组合改善了热传递，因此改善跨越整个烹饪表面80的温度均匀性，并且具体地说允许厨师将任一末端或任一侧放在加热元件上方。每一OMC以30-90％之间的充填比率填充有工作流体。止回阀82和84联接到每一OMC。
现参看图4、5和6，定义标准大小烤盘100和明火加热元件102(近似1,500W)以确定OMC烤盘的有效热导率，且比较OMC烤盘和多层铝/铜烤盘的加热特性。烤盘100是20"长和13"宽。加热元件102置于烤盘的一个末端。第一热电偶104在加热元件的正上方附接到烹饪表面106。第二热电偶108附接于烤盘的另一末端附近。
如图5中的表110中所示，在不同热负载Q(即，火焰加大到多高)下测试图2中图示的类型的OMC烤盘。由第一和第二热电偶提供的烹饪表面的温度提供在烤盘的远端处的间接加热区的绝对温度Tind以及直接与间接加热区之间的温度差△T。此温度差用以计算在那些条件下的有效热导率Keff。在相对低热负载(低火焰)下，温度差相对高且有效热导率相对弱。如果输入热负载过低，那么蒸气气泡和液体段塞的振荡不被激活且热传递不良。一旦输入热负载超过阈值，振荡就被激活且热传递显著地改善。对于此实例，稳态Keff是>1,000W/m.K。这表示优于实心芯厨具的现有技术的显著改进，现有技术对于最昂贵的多层厨具为200W/mK的最大值。
在图6中针对OMC烤盘和现有技术多层烤盘标绘的测试结果中证明此显著改进。在足以激活振荡移动的热负载输入下，在OMC烤盘的远端处测得的表面温度120一致地比火焰正上方测得的表面温度122小近似40℃。相反，对于相同热负载输入，在多层烤盘的远端处测得的表面温度124低得多且由于其低Keff而可能跟不上表面温度的增加。在炉子关断时，表面温度124比火焰正上方测得的表面温度122小超过250℉。
现参看图7a-7b，OMC厨具的实施例经配置成锅130。锅130包含底部加热表面132(直接加热区)和侧壁134(间接加热区)。嵌入式连续铜管136在底部加热表面134的中心与侧壁134的顶部之间来回卷绕，环绕锅130而界定操作微通道138。工作流体以30-90％之间的充填比率填充OMC。铜管被设定尺寸以产生毛细管力，其产生贯穿振荡微通道散布的蒸气气泡和液体段塞。蒸气气泡和液体段塞的振荡移动从底部加热表面132向侧壁134传递热。高有效热传导减少了烹饪表面上的温度差以实现更有效的烹饪。
虽然已经示出且描述本发明的若干说明性实施例，但本领域的技术人员将了解许多变化和替代实施例。这些变化和替代实施例是预期的，且可以在不脱离如所附权利要求书中界定的本发明的精神和范围的情况下做出。

Claims (16)

1.一种厨具，其包括：
金属板，其限定烹饪表面，所述金属板包含经配置以直接从热源接收热能的直接加热区以及间接加热区，所述直接加热区和间接加热区一起界定食物加热区域；
振荡微通道，其嵌入于所述金属板中，所述振荡微通道在所述直接加热区与间接加热区之间来回卷绕，其中所述振荡微通道包括经配置以与所述烹饪表面进行热交换的连续闭环流体通道；以及
工作流体，其占用在真空下所述振荡微通道的30％-90％的体积，其中所述振荡微通道经设定尺寸且经配置以产生毛细管力，以在所述工作流体中产生贯穿所述振荡微通道散布的蒸汽气泡和液体段塞，从而在将热施加到所述直接加热区域时，引起所述工作流体在所述振荡微通道内的流动的振荡；
其中所述工作流体在所述振荡微通道内的所述流动的所述振荡，经配置以被动地经由对流热传递而将热从所述直接加热区向所述间接加热区传递，以维持跨越所述食物加热区域上的均匀温度。
2.根据权利要求1所述的厨具，其中所述厨具展现至少1,000W/m.K的有效热导率。
3.根据权利要求1所述的厨具，其中所述振荡微通道不包含芯子。
4.根据权利要求1所述的厨具，其中所述厨具包含单一振荡微通道。
5.根据权利要求1所述的厨具，其中所述振荡微通道从所述直接加热区到所述间接加热区具有至少四匝。
6.根据权利要求5所述的厨具，其中所述振荡微通道包括由u形区段连接的笔直平行区段。
7.根据权利要求1所述的厨具，其中所述金属板包括多个金属层，所述多个金属层中的至少一个经蚀刻以形成所述振荡微通道。
8.根据权利要求1所述的厨具，其中所述金属板是单层。
9.根据权利要求1所述的厨具，其中所述金属板是包括不同类型金属的多个层的多层。
10.根据权利要求1所述的厨具，其中所述金属板的至少所述直接加热区包括铁磁性金属。
11.根据权利要求1所述的厨具，其中所述厨具是具有平坦食物加热区域的烤盘。
12.根据权利要求11所述的厨具，其中所述振荡微通道经配置以使得所述直接加热区域和间接加热区域是可互换的。
13.根据权利要求11所述的厨具，其进一步包括与所述振荡微通道近似正交定向的第二振荡微通道，其中在所述直接加热区与间接加热区之间来回卷绕的所述第二振荡微通道包括经配置以与所述烹饪表面进行热交换的连续闭环流体通道。
14.根据权利要求1所述的厨具，其中所述厨具是锅，其中所述直接加热区是所述锅的平坦底部表面，且所述间接加热区是所述锅的侧壁，使得所述食物加热区域是所述锅的体积。
15.一种烤盘，其包括：
金属板，其限定烹饪表面，所述金属板包含经配置以直接从热源接收热能的直接加热区以及间接加热区，所述直接加热区和间接加热区一起界定平坦食物加热区域；
振荡微通道，其嵌入于所述金属板中，所述振荡微通道在所述直接加热区与间接加热区之间来回卷绕，从所述直接加热区到所述间接加热区具有至少四匝，其中所述振荡微通道包括经配置以与所述烹饪表面进行热交换的连续闭环流体通道；以及
工作流体，其占用在真空下所述振荡微通道的30％-90％的体积，其中所述振荡微通道经设定尺寸且经配置以产生毛细管力，以在所述工作流体中产生贯穿所述振荡微通道散布的蒸汽气泡和液体段塞，从而在将热施加到所述直接加热区域时，引起所述工作流体在所述振荡微通道内的流动的振荡；
其中所述工作流体在所述振荡微通道内的所述流动的所述振荡，经配置以被动地经由对流热传递而将热以至少1,000W/m.K的有效热导率，从所述直接加热区向所述间接加热区传递，以维持跨越所述食物加热区域上的均匀温度。
16.一种锅，其包括：
金属板，其限定烹饪表面，所述金属板包含界定经配置以直接从热源接收热能的直接加热区的平坦底部表面以及界定间接加热区的侧壁，所述直接加热区和间接加热区一起界定所述锅的体积中的食物加热区域；
振荡微通道，其嵌入于所述金属板中，所述振荡微通道在所述直接与间接加热区之间来回卷绕，从所述直接加热区到所述间接加热区具有至少四匝，其中所述振荡微通道包括经配置以与所述烹饪表面进行热交换的连续闭环流体通道；以及
工作流体，其占用在真空下所述振荡微通道的30％-90％的体积，其中所述振荡微通道经设定尺寸且经配置以产生毛细管力，以在所述工作流体中产生贯穿所述振荡微通道散布的蒸汽气泡和液体段塞，从而在将热施加到所述直接加热区域时，引起所述工作流体在所述振荡微通道内的流动的振荡；
其中所述工作流体在所述振荡微通道内的所述流动的所述振荡，经配置以被动地经由对流热传递而将热以至少1,000W/m.K的有效热导率，从所述直接加热区向所述间接加热区传递热，以维持跨越所述食物加热区域上的均匀温度。
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