电饭煲加热技术的探索和发展

电饭煲加热技术的探索和发展

陈定武   ,陈和辉

珠海格力电器股份有限公司    广东珠海519070

摘要：目前，虽然国内销售的智能电饭煲功能齐全，但大米品种和海拔是唯一影响相应的烹饪曲线。由于大米种类不同，其吸水性和海拔等特点，糙米可能会遇到煮不熟等问题，或者用同样的功率加热味道不好等问题。高档电饭煲必须能够根据不同的大米种类，地域高度和口味差异，形成不同的烹饪曲线组合可达数千种，参数数据巨大。如何根据不同的大米选择不同的加热曲线，确保烹饪效果成为家电领域技术研究的攻关课题。

Abstract: At present, although the smart rice cookers sold in China have complete functions, rice varieties and altitude are the only ones that affect the corresponding cooking curve. Due to different types of rice, their water absorption and altitude, brown rice may encounter problems such as undercooked cooking, or bad taste when heated with the same power. High grade rice cookers must be able to form thousands of different cooking curve combinations according to different rice varieties, regional heights and taste differences, with huge parameter data. How to select different heating curves according to different rice to ensure cooking effect has become a key problem in the field of home appliance technology research.

关键词：多功能电饭煲；加热技术；防干烧；加热曲线

引言

电饭煲是一种将电能转化为热能的现代电饭锅，通常具有煮饭、炖菜、煲汤、蒸煮等多种加热功能。电饭锅不仅可以煮食物，而且可以保温，还可以自动控制温度，点击控制面板按键操作，然后加热锅具，可根据加热方法分为传统电发热盘和IH电磁加热；根据控制方法，可分为机械和电子两种；根据工作压力，可分为普通无压力和几十Kpa压力类型；锅具容器的材料可以分为金属和非金属两种。当前我国电饭煲普及率非常高，随着家用电器技术的不断发展，电饭煲从机械控制温度逐步转变为精密电子控制温度，从简单烹饪功能转变为各种功能组合，从简单的大米烹饪到预先储备、远程操作、自动识别和其他智能方向，产品也朝着更节能、更环保的方向发展。

1.电饭煲在家庭中的重要作用

尽管电饭煲是一个小型家用电器，但烹饪是日常每个家庭必不可少的生活部分。电饭煲在饮食中起着重要作用，如果能有适合家庭烹饪的电饭锅，一定会给家庭主厨带来很多便利。不仅节约做饭的时间，提高了烹饪效率，而且提高食物的美观性，给家人或消费者带来了更好的用餐体验。

2.高温蒸汽技术为电饭煲带来的改善

2010年以后，中国的消费规模增长加快，渗透到了小厨房电器领域。高端电饭煲市场启动后，首先被日本和韩国的高端家电品牌占据。这一市场很快被国内家电品牌Supor抓住。经过长时间的技术积累，于2015年率先在国内引进蒸汽电饭煲，在电饭煲烹饪阶段，蒸汽利用集成不锈钢蒸汽杯迅速产生高温蒸汽，通过上盖层较高的封闭蒸汽通道输送到锅内，此后高温蒸汽继续喷入锅中，也就是说，在烹饪阶段，蒸汽主要在辅助加热中发挥作用。

在保温阶段，高温蒸汽分子锁住米饭的水分和香气，煮完米饭后可保持8小时的新鲜，使米饭在保温过程中不再变得干燥和坚硬。因此，在保温阶段，蒸汽在保持米饭湿度和温度方面发挥着最关键的作用。这也是使蒸汽保持100度和锅内湿度的主要因素。其次，在烹饪时增加IH电磁加热系统，锅底和上部的米水温度更均匀，蒸汽电饭煲在米饭保温阶段允许蒸汽进行8小时的水合物保温，蒸汽系统定期排放高温蒸汽，因此上层米饭不会变得干巴巴，在保温过程中充分提高米饭的口味。这种保温和补湿功能非常适合城市办公人员，特别是并非所有成员都能同时吃饭的家庭。有些人下班很晚，已经在家八九个小时了，老人和孩子六点要吃饭，有了这三个小时的时差，米饭的保温是至关重要的。普通电饭煲保温米饭，虽然不冷，但是口感特别差，蒸汽电饭煲采用蒸汽保温和保湿能储存几个小时，味道和刚煮的时候一样。研发人员最初的意图也是由于许多消费者调查的结果。

3.IH技术加热相关原理

IH电饭煲采用LC谐振产生高频交变磁场，在锅具底部形成涡流，使内锅加热。磁场作用强度和加热区发生变化时，锅中的热情况也会跟随发生变化，从而使内锅卷绕方式和锅底材料发生变化时加热效果发生变化。一种高端多段IH电饭煲，采用多层卷绕，围绕内胆不同部位加热，使大米在加热过程中形成360度的包围圈翻滚加热。IH电磁加热技术大大提高了电饭煲的热效率，不仅实现使每粒大米都能均匀加热的完整三维加热，而且还利用单片机的模糊逻辑对过程进行精确的程序控制 这大大改善了米饭的营养成分和口味。IH加热技术用于加热内锅表面，使食品能够快速均匀地加热，准确地控制热量，从而满足不同烹饪方式的需求，节省能源。

4.多功能分体养生电饭煲的设计

4.1总体结构设计

多功能分体健康电饭煲的主要设计是基于一个传统电饭锅，分为三个独立的内锅，可以同时加热三种不同的食物，不仅提高烹饪效率，而且还可以节能、节省家庭空间。

4.2人机控制模块

人机控制模块使用WIFI模块建立人机连接。WIFI模组有两种主要运作模式。一种是活动串行端口设备的网络连接，即每次数据交换之前，连接由串行端口WIFI模块设备主动启动，然后进行数据交换。第二种是连接被动串行端口设备，其中所有WIFI模块在每次数据交换之前都处于待机状态，然后服务器发出登录提示并进行数据交换。WIFI模块充当多功能手机和电饭煲之间的数据传输站，将多功能手机实时电饭锅数据传输到移动应用程序，并将移动应用程序控制信息传输到电饭锅，使电饭锅根据配置的条件工作。

4.3压力传感模块

最常见的压力传感器有:变形压力传感器、陶瓷压力传感器、硅分散压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电压力传感器，这里主要采用压电压力传感器。电极压力传感器主要由正面的电极效应组成。正电子效应是指晶体在固定方向受到外力作用时，会在内部发生电极现象，同时在两个表面上产生相反的标称载荷；当外力移除时，晶体恢复到未充电状态；当外力作用方向改变时，电荷极性也随之改变；晶体力产生的电力负荷与外力的大小成正比。反电子效应被称为电望远镜效应，即通过将电场应用于晶体而引起的晶体机械变形现象。使用电子传感器是因为硬件需要很高的精度。

4.4加热控制模块与报警模块

加热控制模块中有多种加热方法，控制发热盘的温度。此设计采用额定功率220V和600W的发热盘。电源直接使用市电网。发热盘整体开关控制由光耦和绝缘双向可控硅模块实现，可达到低压控制高压目标。模块驱动电压为3.3-24V，可控制功率小于1100W的设备。直流5V电源驱动模块旨在实现发热盘的整体开关指令。

数字温度传感器DS18B20在设计中用于实现温度测量，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等优点。将DS18B20放在附着内锅外，下部锅壁附近，DS18B20将实时温度传递给STM32主芯片，主芯片收到工作信号后，发热盘开始加热，然后由DS18B20返回检测温度，然后断开加热模块供电连接恢复到最低温度，使电饭煲能够在固定的工作范围内工作。上下限温度因模式而异，加热时间也不同。一旦达到指定的加热时间，电饭煲就会进入保温模式。为避免发生事故，发热盘与温度控制开关串联，主控制芯片将报警上限设置为108℃，温度达到108℃时，APP端生成报警，温度达到110℃时，发热盘电源控制开关直接断开。

4.5软件平台及方法

设计通信部分选择智能云平台，首先用智能云平台完成通信部分代码，并在智能云平台上生成项目后下载其平台提供的代码部分。在生成的项目中，必须向其中添加数据点，这些数据点可以是只读的、可写的、警报和4种故障类型。设计中仅使用前三种数据点，并且每个数据点类型都具有不同的数据类型。控制开关部分采用可写数据点，布尔数据，即0闭合，返回值部分采用只读数据点，即用于显示当前操作模式的数字数据。设计中有4种操作模式，分别对应于操作模式中显示的1到4位数字。“警报”部分使用警报数据点，这些数据点在警报时显示在应用程序级别。数据点是设计的重要组成部分，因此必须在开发之前进行配置。工程是使用STM32CubeMX创建的，它可以初始化芯片的所有外围配置。

5.电饭煲的防干烧设计

目前，为了避免电饭煲锅具干烧，持续加热引起的过热火灾等问题，在锅底装有热熔断保险丝，分别串联在零火线上，当锅底温度超过120℃，保险丝会熔断，零线或火线供电断开，电饭煲停止工作。热熔断保险丝损坏前，电饭煲一般在操作过程中设定两个控制温度，即开启加热温度和最高限制温度，当加热温度低于限制的温度时，电饭煲又开始加热，达到限定温度，程序控制断开发热盘电源。以达到防止内锅干烧的目的。但是，为了保证产品的使用范围，通常将材料调整到较高的耐温水平，如电饭煲功率较高，热惯性较高，加热温度达到材料耐温时才停止，控制上必须实时检测加热温度判断电饭锅是否干烧。

6.智能电饭煲最佳的煮饭曲线

1)预热阶段(吸水):用小火加热，将温度逐步提高到约50℃，此时大米在平均温度下完全吸收水分，使大米的水分含量达到约30%，大米吸收水分，使其在加热过程中能够均匀加热。这一阶段大约需要8分钟。2)加热阶段:锅内的水被火加热，大米在短时间内继续吸收水分，在快速加热的影响下，锅内的米水对流性强，使所有的大米均匀加热，为避免大米翻滚不完全现象，控制约10分钟的沸腾时间。3)沸腾阶段:将锅内水温保持在98℃以上，让大米深层吸收水分，将难以消化的β淀粉转化为易于消化的α淀粉。同时，锅内的水进一步减少，直到锅底蒸熟，大米温度上升到150℃左右，加热停止，沸腾结束。这一阶段的持续时间约20分钟。4)焖饭阶段:煮饭的目的是使一部分热量渗透到米粒内部，使其均匀加热到米饭内部和外部，充分释放米饭的精华，营养，产生香味，另一部分水分蒸发，使米饭能够不断膨胀和变软5)保温阶段:温度高时，大米变质、变色、有损大米气味，因此在保温过程中，保持大米温度在67 ~ 78℃之间，保证后期提高米饭质量。

图1电饭煲米饭最佳温度加热曲线

7.性能指标

7.1蒸煮容器防粘涂层耐磨性

目前，电饭煲行业普遍存在内锅涂层脱落问题，消费者更加关注内胆涂层材料是否影响健康。电饭煲内锅有一个涂层，而内锅涂层目前主要分为特氟龙涂层(即聚四氟乙烯)或陶瓷涂层。内胆涂层脱落后，大米受热不均，引起粘锅、发黄、干锅等问题。影响米饭的利用率和营养价值。一般涂复的材料大多是合金铝，当涂层落下时，会暴露内锅的铝基材料，从而使它们直接接触到食物。如果食物中含有酸性物质，可能会产生长期的反应或迁移，食品安全标准得不到遵守，对食品安全构成威胁。根据QB/T4099《电饭锅及类似器具》标准，将1/2最大煮饭容量的生米放入蒸煮容器中，不用加水，在蒸煮容器中放置一个搅拌板，其最大宽度比蒸煮容器内径约小20毫米，周边形状接近蒸煮容器的内部形状，搅拌板下部边缘距蒸煮容器底部约10mm，搅拌板与蒸煮容器不接触，蒸煮容器转动26000转后观察镀层状态，基本材料不得变色或接触。

7.2能效限定值

GB12021.6-2017《电饭锅能效限定值及能效等级》是最新版本，标准将电饭煲分为5级，第1级是最节能的，第5级是产品的市场准入指标，低于这5级要求的电饭煲不得在国内生产和销售。能源效率水平主要是对电饭煲产品热效率值、保温能耗和待机功率的评估。随着时代的发展，新型电磁感应加热电饭锅IH逐渐占据了市场。2017年能源效率标准的最重要修订是增加了IH电饭煲，该标准界定了大米蒸煮器的能源效率水平、保温能耗、待机能耗、能源效率限制、能源效率测试方法和检查规则与2008年以前的标准相比，新标准中的三项主要的热效率、保温能耗和待机功率指标有所改进，特别是2级以上的热保温功率限值，这将在生产经济活动中发挥更积极的作用，随机选择了具有代表性的行业模型来测试热效率值，所选产品的热效率测试结果令人满意，效率和一致性良好，能源利用率可以大大提高。

结束语

总之，传统的电饭煲通常有这样的缺点:均匀加热很难；干巴巴饭、粗米饭和黏糊糊的饭很容易，工作时发出强烈的噪音，高能耗。从上述加热技术原理分析中可以看出，与传统的电饭锅相比，引进IH电磁技术的电饭煲有很多优势，采用了三维立体加热系统，在锅里增加大米360度翻滚功能，能使锅具中心烹饪温度均匀；即时冷却、快速加热、精确控制温度；锅体采用多层不锈钢厚度复合釜，传热均匀，保温性能持久；锅底光滑，容易清洗；能耗更低；高热效率；煮饭粒粒均匀，香甜可口；因此，IH电饭煲比传统发热盘电饭锅具有绝对优势。随着成本的进一步降低和技术的更新，预计IH饭煲将成为主流加热方法。大多数家电企业应该把握市场未来发展的机遇，在生产过程中适应市场需求，注重家电功能的多样性。只有这样，家电企业才能更具竞争力。

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