一种改善平底不粘锅锅底内凹散油的可靠性方案设计
邱波 李海波 王璞
【摘 要】平底锅具有不粘油、耐磨损和易清洗等优点，在市场上广受欢迎。为避免金属锅底受热膨胀产生的锅底外凸现象，平底不粘锅锅底通常采用微内凹结构，但这一结构会造成锅具在使用过程中极易发生粮油在锅底散开的情况，导致锅底产生局部受热，缩短锅具的使用寿命。为了解决这一问题，文章将影响形变中心区域的复底片直接去除，调整复底片中心的圆周尺寸，减小锅底平面中心区域的形变。此方法简单有效，不仅适用于明火灶具，在电磁炉上使用同样有效，为平底不粘锅锅底的结构设计和优化提供了新思路。
【关键词】平底锅;聚油;结构设计
【中图分类号】TS914.24 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）12-0032-03
0 引言
平底锅在使用过程中，受热区域集中在锅底中央，长时间使用后锅底中间温度过高，导致锅底中心区域发生形变向上凸起。生产企业针对此问题采取了锅底内凹的改善设计，但随之而来的问题是锅底的内凹幅度过大，导致锅具在使用过程中粮油会由凹顶四散于周围而没有聚油现象，影响锅具的正常使用。
为解决平底锅聚油效果不好的问题，本文对平底不粘锅锅底结构进行优化设计，讨论与分析了平底不粘锅锅底结构对聚油效果的影响，为平底不粘锅锅底的结构设计和优化提供了新的思路。
1 聚油锅具发展现状
目前，人们常用的锅具根据锅体形状不同一般分为两种：一种是底部圆弧的锅;另一种是底部水平的锅，通常与电磁炉相配使用的是底部水平的锅。平底锅的厚度一般为等厚结构，即底部各处厚度相同，普通平底锅在加热时锅底受热发生形变，会向上凸起或向下凹陷。目前，市场上的平底锅基材多数都由铝合金冲压制成，而纯铝锅无法在电磁炉上加热，因此用于电磁炉加热的平底不粘锅锅底均设置有铁制的复底片，复底片埋嵌在底盘内，形成复合锅底。埋嵌复底片使铝锅的锅底具有导磁性能，同时能保留传统铝锅的绝大部分优点，可以较好地改善平底不粘锅局部过热现象和对于灶具的限制。铝合金和复底片材料的材质不一致，锅体在加热状态下两种材质的热膨胀系数也不一致。由于铝合金的热膨胀系数大于复底片材料的热膨胀系數，锅底在加热状态下产生膨胀或收缩变形，锅体特别是其底部区域在热作用下，会往锅体内表面方向逐渐拱起，导致底部不平，随着温度的升高，锅底中心区域拱起的弧面变大，导致加热状态下锅底的油往两边跑的现象愈加明显，即跑油现象加重，油聚集在锅底边缘，锅底中间呈无油状态，烹饪时极容易将食材烧焦[1]。
通过上述分析可知，锅具底部由于受热而产生的锅底不平是导致平底锅无法聚油的根本原因，而目前采取的通用方法是将锅底设计成微内凹结构，避免锅底向外凸出，一般设定的内凹值为0.4‰～0.6‰，但这一方法仍旧无法避免复底片材料和铝合金由于热膨胀系数的差异而产生的锅底不平问题。为此，现有用于制造复合底铝锅的复底片多为中心开孔、周围镂空的圆形贴片。金属锅底受热膨胀后，通孔作为缓冲空间，锅底受热向外凸出提供了形变空间，减少了底部复合交界面产生的外凸情况的发生[2]。但是，复底片在使用过程中容易因通孔位置设置不合理而使复底片受热后的可变性空间不足，复底片受热后内部产生的应力向复底片中心集中，导致复底片发生形变产生不平现象。
除了针对复底片材料的结构和通孔分布进行改进，也有设计人员对锅底内表面结构进行调整以实现平底锅聚油。方成等[3]设计了一种聚油锅，其锅体底部内侧设置具有一定间隔的第一螺纹和第二螺纹，同心的螺纹结构使锅体内部的油在两个螺纹之间回旋流动，并且螺纹的高度从锅体底部中心向锅体底部边缘方向递减，可以避免锅体底部加热向上凸起而导致跑油现象。但是，油一旦流入螺旋纹则不易流出，并且很难实现油的径向自由流动，导致局部油温过高甚至不同温度的油上下分层，影响烹饪效果。同时，不适用于需要应用电磁炉的复底铝锅。王恩[4]设计了一种聚油复底铝锅，锅内底在中心部位设置有环形的导流环槽、聚油区，导流环槽的外侧壁用于阻挡或减少位于聚油区的油向边缘区流动，聚油效果明显。但是，在此类锅内底设置螺纹或者导流槽，对加工精度要求很高，此类方式并未考虑实际加工过程中的加工难度。
2 聚油底锅具结构设计
本文从两个方面对平底锅进行结构设计和优化，可以达到平底锅聚油的目的。
2.1 聚油底锅具底部设计
由上述介绍可知，目前对聚油平底不粘锅锅底本身结构的设计大多是在平底锅内表面设置导流槽，但此种方式实际加工难度大。因此，研究人员考虑对锅具底部外表面进行结构调整，以达到平底锅具聚油的目的（如图1所示）。
本设计所属的聚油底锅具包括锅体，锅体包含锅体底部，锅体底部包括用于与食物接触的内侧表面和面向加热源的外侧表面，锅体底部内侧表面的中间位置设置为内凹结构;锅体底部外侧表面的边缘位置设置有垫高凸台;外侧表面的最低点处与垫高凸台的底面平齐，或者外侧表面的最低点处位于垫高凸台的底面上方。锅体底部内侧表面的中间位置为内凹结构，食用油能聚集在锅体底部的中间位置，烹饪效果佳。锅体底部外侧表面的边缘位置设置了垫高凸台。外侧表面的最低点处与垫高凸台的底面平齐，或者外侧表面的最低点处位于垫高凸台的底面上方，避免仅锅体底部的中间位置与加热源接触发生打转现象。其中，垫高凸台为环形，并沿外侧表面绕圆周间隔分布，并与锅体一体成型，避免垫高凸台使用时间过长后发生脱落现象。
垫高凸台的形状可根据需要具体设置。垫高凸台为沿锅体底部外侧表面的圆周方向延伸设置的条形。呈条形状的垫高凸台能将锅体底部稳定地支撑在加热源上。此外，垫高凸台的形状也可以设置成其他形状。
该设计在锅具底部增加了垫高凸台，并且锅具底部中心区域为内凹结构，聚油效果明显，无明显的锅底打转问题。但是，当垫高凸台的高度过高，复底片与电磁炉出现明显的高度差，接触面积小，磁热效果差，所以该聚油锅具无法在电磁炉上有效使用。当垫高凸台的高度过低，则锅体没有足够的空间吸收由于热膨胀系数不同而导致的锅底不平现象，聚油效果无法达到预期。
2.2 聚油锅具复底片设计
锅具底部设计的微内凹结构是为了防止在使用过程中锅具出现外凸、打转的现象，但这也是锅具不聚油的根本原因，而锅底复底片的通孔是锅具底部外凸的缓冲空间。复底片结构的设计是平衡锅具底部外凸形变和聚油现象的关键。
2.2.1 复底片通孔设计
复底片通孔的主要作用是吸收复底片在受热时产生的应用，避免复底片内部应力向中心位置集中，导致复底片变形。研究人员设计了一种具有放射状长孔的复底片，保证了一定的导磁面积，减少了变形导致的加热不均问题。但是，该方案增加了复底片中心孔区域的面积，在受热时应力容易向中心区域传递，最终导致形变。因此，研究人员在设计通孔位置分布和形状时，应该充分考虑复底片在受热过程中应力传递的影响因素，保证受热过程中应力均匀吸收，避免形变。
以市面上所购买的直径为26.0 cm的某平底不粘锅为例，其复底片的组成结构可以分为5个部分[如图2（a）]所示从外至内称为80个圆分布、64个圆分布、21个圆周分布、16个圆分布和中心圆。可以调整21个圆周的大小以改善复底片的形变问题[如图2（b）所示]。该复底片中间区域的21圆周是复底片抵御变形的关键区域。设计人员将圆周大小由竖直形调整为宽大形，缩小了向中心的面积，有效吸收了复底片在受热时产生的形变，避免应力向中心传递。
2.2.2 复底片中心孔设计
复底片中心孔区域的大小决定了锅具底部外凸的缓冲空间。在设计复底片中心孔区域时，设计人员需要充分考虑锅具底部外凸的形变空间，并调整锅具底部的内凹值，以满足锅具底部不外凸打转和聚油需求。通常，市面上的平底不粘锅使用的复底片具有较小直径的中心孔区域，虽然保证了锅具在使用過程中的导磁性能，但是使锅具底部中心位置可外凸形变空间减小，因此需采用较大的微内凹值对锅具底部外凸形变进行补偿，锅具聚油效果差。此外，复底片所用材料增加，则锅体基材和复底片两者因热膨胀系数而产生的形变差异越明显，复底片易产生变形。因此，可以考虑增加复底片中心孔区域的面积，使复底片中心的电磁效应略微降低，平衡复底片和基材的导热效率，同步导热功率，减少锅具底部中心区域的形变。相应地，锅具内凹值降低后，能满足锅具底部不外凸打转和聚油需求。
对市面所售的直径为26.0 cm的某平底不粘锅底部复底片的中心孔区域进行调整，原始复底片中心孔区域直径为4.0 cm，将其分别扩大至6.0 cm和7.5 cm。按照不同的去除直径尺寸，分别制作样品A（去除直径为60 cm）和样品B（去除直径为75 cm），然后分别在明火和电磁炉作用下观察样品的聚油情况。
3 聚油锅具实际应用效果
锅具的聚油效果可由锅具的内凹值直接反映。聚油效果的检测方法如下：首先测量并记录样品在常温下底部中心部位的内凹值;然后将样品放置在燃气炉（电磁炉）上，加热锅体温度达到（200±5）℃时，关闭火源，立即将样品浸入常温水中3 s以上（保证水要淹没整个样品），重复以上步骤100次后，即可测量产品的内凹值。
按照上述方法观察样品A和样品B在明火下的底部内凹值变化情况（如图3所示）。
由图3发现，样品A和样品B在明火条件下锅身内凹量的变化趋势是一致的，都是先下降，然后到第75个循环后内凹值趋于稳定。从数值上来看，样品B的内凹值下降幅度比样品A的小，因此样品B在明火条件下的聚油效果要优于样品A。进一步对样品B在电磁炉加热下的内凹值进行观察（如图4所示）。
由图4可以看到，当用电磁炉加热时，内凹量会先增大，然后保持在一个较高的水平;当用明火加热时，样品B的内凹量有逐步减小的趋势（如图4所示）。因此，相对于在明火下使用，样品B在电磁炉上使用时更能保持其聚油效果。
4 结语
综上所述，设计人员针对目前市场上平底不粘锅存在的拱底与散油现象，设计了一种改善锅底散油拱底的平底锅。将影响形变的中心区域复底片直接去除，改善周围圆周尺寸，减小了向中心区域的形变。此方法简单有效，不仅适用于明火灶具，在电磁炉上使用同样有效，为平底不粘锅锅底的结构设计和优化提供了新的思路。
参 考 文 献
[1]徐腾飞.用于炊具的复底片和具有该复底片的炊具[P].中国专利：CN201210378387.5，2014-04-09.
[2]王崇哲.一种适用于电磁加热的平底锅[P].中国专利：CN202010268412.9，2020-04-08.
[3]方成，陶列刚，钟洪伟.一种聚油锅[P].中国专利：CN
201610036385.6，2016-01-20.
[4]王恩.一种聚油复底铝锅[P].中国专利：CN20192136
5633.7，2019-08-21.
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