阅读说明：本技术 具有热量存储能力的太阳能烹饪设备 (Solar cooking apparatus with heat storage capability ) 是由 E·索阿尔 于 2019-02-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种烹饪设备,该烹饪设备包括：容器(1),其具有包围容器(1)的第一内室(2)的底壁(1a)、侧壁(1b)和上壁(1c),其中容器(1)的底壁(1a)和侧壁(1b)是隔热的,且上壁(1c)除了热传导的至少一个平坦的且基本水平定向的烹饪区(4)之外是隔热的；第一相变材料(8),其位于容器(1)的第一内室(2)内部且基本充满容器(1)的第一内室(2)；电阻加热元件(9),其位于第一相变材料(8)中且电连接到电能源；以及可释放盖(7),其由适于覆盖至少一个烹饪区(4)中的每个且使至少一个烹饪区(4)中的每个隔热的隔热材料制成。(The present invention relates to a cooking apparatus, comprising: a container (1) having a bottom wall (1a), a side wall (1b) and an upper wall (1c) enclosing a first internal chamber (2) of the container (1), wherein the bottom wall (1a) and the side wall (1b) of the container (1) are thermally insulated and the upper wall (1c) is thermally insulated except for at least one flat and substantially horizontally oriented cooking zone (4) that is thermally conductive; a first phase change material (8) located inside the first inner chamber (2) of the container (1) and substantially filling the first inner chamber (2) of the container (1); a resistive heating element (9) located in the first phase change material (8) and electrically connected to a source of electrical energy; and a releasable cover (7) made of a heat insulating material adapted to cover and insulate each of the at least one cooking zone (4).)

具有热量存储能力的太阳能烹饪设备

技术领域

本发明涉及一种具有热量存储能力的光伏驱动的炊具。

背景技术

世界上超过10亿人生活在未得到电网电力的地区。超过20亿人未得到清洁的烹饪技术，且在烟气排放缺乏或不足的情况下在明火下烹饪食物。持续暴露于燃烧气体是一个严重的环境和健康问题。因此，需要一种不太昂贵的且不取决于燃烧火柴、煤炭或其它燃烧燃料作为能量供应的烹饪能力。

几乎所有未得到清洁烹饪的人都具有良好的日晒条件，使阳光成为丰富而可用的能源。

现有技术

阳光中的能量可通过热作用或通过光伏作用来使用。从阳光中吸收能量的最简单，最有效的方法是吸收具有低反照率的材料中的阳光。该方法具有获取入射阳光几乎所有能量且将它转换成热能的潜力。通过使用反射镜将来自相对大区域的入射阳光聚焦并聚集到接收区域或物体上，阳光可将接收区域/物体加热到数百摄氏度，这足以烹饪或烘烤食物。

已知有使用反射镜或类似反射表面来使用入射阳光来烹饪和/或烘烤食物的太阳能炊具和灶。例如在文献US 3938497中公开此类太阳能烹饪设备的一个示例。此类太阳能炊具具有如下益处：具有使用自由能的相对简单和便宜的结构，使它们为适于由低收入居民使用的用于烹饪/烘焙食物的非常便宜的设备。它们还具有消除使用明火加热食物的需求的益处，且因此潜在地显著改进室内环境和健康状况。然而，它们没有热量存储能力，且如果阳光中断，它们立即停止工作。它们只能在直射的阳光下操作，这极大地限制室内使用和在傍晚的非常普遍的使用。通过使用热量存储材料来累积和存储太阳能直至以后使用，可缓解该问题。

从CN102597649A中已知一种太阳能烹饪装置，其包括用于收集和存储太阳热的太阳热收集器、部分地填充所述太阳热收集器的热量存储和传导材料以及成组的太阳能烹饪用具。该用具具有内壁，该内壁与热量存储传导材料和太阳热收集器热连接，使得可收集太阳能来烹饪食物。该用具还具有用于在烹饪期间打开和关闭所述用具的可去除部分。在一个示例性实施例中，热量存储材料是相变材料，且在热量存储材料中存在电加热元件。

从US4619244已知一种太阳能灶，该太阳能灶具有安装在第一旋转轴线上的加热室，且该加热室以恒定的角速度旋转角OMEGA。第一旋转轴线可根据地理纬度调整穿过与水平线成角度theta，且根据季节可调整穿过与旋转轴线成角度phi。加热室是具有小孔隙的隔热腔。太阳光线沿垂直于第一轴线的第二轴线通过一个小孔隙聚焦到加热室中。加热室包含相变材料，该相变材料在约180℃下熔化，在日落后在该温度下提供热量。在一个实施例中，一种结构包括用于向烹饪用具供应热量的压板。压板具有附接到其底侧的热传导肋，这些肋浸入到压板下方的封壳中所包含的相变材料中。压板的表面通过重力保持水平。然而，在单个家庭中使用此类灶的主要实际挑战是与保持太阳能跟踪作用足够精确且以可接受的成本操作相关的维护挑战。

Panwar等[4]提供如图10中示出的现有技术的良好概述，以及出于烹饪目的将太阳辐射热直接地或通过临时存储来引导为能量的各种方式。最简单的解决方案是“盒型收集器”，其中玻璃隔热材料允许太阳辐射穿过玻璃并进入收集器，而玻璃相当良好地隔绝已获取和存储的热量。盒型收集器可制成有或没有反射镜以收集更多的辐射。“平板式收集器”具有单独的面板，其收集太阳辐射且将它转换成蒸汽，且然后将蒸汽传递到烹饪用具。“抛物面反射器直接炊具”具有先进的抛物面镜，该抛物面镜通过使用抛物面镜来反射来自较大区域的辐射，使得可实现强的集中辐射。“抛物面反射器间接炊具”使用相同的抛物面镜，但将阳光引导到热量存储介质上，其此后或在其它地方(室内)用于烹饪。令人遗憾的是，上文方法中没有一种能够提供维护需求有限并允许用户自由决定何时烹饪的低成本，可靠的烹饪方法。

Lameck NKhonera等[5]研究翅片热盒型收集器，其用于在150-200℃下使用季戊四醇作为用于存储从辐照收集的潜热的相变材料(PCM)来太阳能烹饪。该研究研究了随设计成用于在由太阳充足电之后1至4小时内使用的烹调用炉中的PCM:翅片的体积比而变的热存储单元的性能。文章公开一种热存储单元，该热存储单元由用季戊四醇填充的铝容器和平行于边缘垂直直立的成组的铝翅片组成，且在其上端附接到铝顶板上，铝顶板具有并入其中的成组的电加热元件，以便模拟在玻璃下提供220℃表面温度的太阳辐射加热。热存储单元在侧部上和底部中用岩棉隔热。

发明内容

本发明的主要目标在于提供一种低成本和可靠的太阳能以及可选地由净电能驱动的具有热量存储能力的烹饪设备，该烹饪设备适于每天不能可靠地提供电网电力的地区。

本发明的描述

本发明使用相变材料与光伏面板和电阻加热元件组合来存储热能作为能源。

因此，在第一方面，本发明涉及一种烹饪设备，其包括：

-第一液密容器(1)，其具有包围容器的第一内室(2)的底壁(1a)、侧壁(1b)和上壁(1c)，其中：

-上壁(1c)包括由热传导材料制成的至少一个基本水平定向的烹饪区(4)，以及

-底壁(1a)、侧壁(1b)和除了至少一个烹饪区(4)之外的上壁(1c)包括第一隔热物(3)，且

-第一相变材料(8)，其位于第一容器(1)的第一内室(2)内部且基本充满第一容器(1)的第一内室(2)，

-一个或多个电阻加热元件(9)，其电连接到电能源并与相变材料热接触，以及

-可释放盖(7)，其由适于覆盖至少一个烹饪区(4)中的每个且使至少一个烹饪区(4)中的每个隔热的隔热材料制成。

如本文中使用的用语“相变材料”意指经历允许在80至500℃、优选为90至450℃、更优选为100至400℃、且最优选为110至300℃范围的温度下吸收或释放有用量的潜热的可逆相变的任何化合物或化合物的混合物，优选为大于100kJ/kg的相变材料。相变可为固-固相变，但优选为固-液相变。本发明可应用为技术人员已知的具有适于烹饪设备中使用的相转变温度的任何相变材料。

合适的固-液相变材料的示例包括但不限于：无机盐，诸如，例如NaNO₃(310℃，174kJ/kg)、NaNO₂(282℃，212kJ/kg)、MgCl₂∙6H₂O(117℃，168.6kJ/kg)、NaOH(318℃，158kJ/kg)、KOH(360℃，167kJ/kg)、KNO₃(337℃，116kJ/kg)、LiNO₃(261℃，370kJ/kg)以及其混合物；盐的混合物(按重量计)，诸如，例如26.8%NaCl和NaOH(370℃，379kJ/kg)、NaOH和7.2%Na₂CO₃(283℃，340kJ/kg)、NaCl和5%NaNO₃(284℃，171kJ/kg)、49%LiNO₃和NaNO₃(194℃，265kJ/kg)；31.9%ZnCl和KCl(235℃，198kJ/kg)；有机化合物，诸如赤藓糖醇(IUPAC名称；(2R，3S)-丁烷-1,2,3,4-四醇，121℃，339kJ/kg)或对乙酰苯胺(IUPAC名称；N-苯基乙酰胺，114.3℃，222kJ/kg)或d-甘露醇(IUPAC名称；(2R,3R,4R,5R)-己烷-1,2,3,4,5,6-己醇；167℃，310kJ/kg)或二甘醇/半乳糖醇(IUPAC名称；(2R,3S,4R,5S)-己烷-1,2,3,4,5,6-己醇；188℃，350kJ/kg)。上文括号中设定的温度和kJ/kg数值分别是相变材料的熔点和熔化热。

合适的固-固相变材料的示例包括但不限于；季戊四醇(IUPAC名称；2,2-双(羟甲基)丙烷-1,3-二醇，184.2℃，222.5kJ/kg)或五甘油(IUPAC名称；2-(羟甲基)-2-甲基丙烷-1,3-二醇，89℃，139kJ/kg)；季戊四醇(PE)、三羟甲基乙烷(TME)和新戊二醇(NPG)的混合物(以摩尔%计)，例如30 PE、10 TME和60 NPG(127℃)；45 PE、45 TME和10 NPG(109℃)；45PE、10 TME和45 NPG(140℃)或70 PE、15 TME和15 NPG(158℃)。新戊二醇的IUPAC名称为2,2-二甲基丙烷-1,3-二醇，而三羟甲基乙烷的IUPAC名称为2-(羟甲基)-2-甲基丙烷-1,3-二醇。上文括号中设定(如果给出)的温度和kJ/kg数字分别是相变材料的固-固相转变温度和熔化热。

如本文中使用的用语“基本水平”解释为大致水平。设备的烹饪区应能够加热放置在烹饪区上的水壶、锅、煎锅、砂锅等的食物内容物，而没有任何待加热的食物内容物滑落或溢出的显著风险。即，容器的烹饪区的上表面不需要完全是水平的，而是可相对于地球重力场在相对小的倾角(例如最多达10°，或可能最多达20°)下起良好的作用。基本水平的烹饪区(4)的上表面(5)可有利地是平坦的。

如本文中使用的用语“热传导烹饪区”意指构成烹饪区的材料以足够的速率传导热量，以允许诸如水壶、锅、煎锅、砂锅等之类的烹饪容器放置在烹饪区上，通过从烹饪区下方的相变材料传导的热量而变得充分加热，以在烹饪容器中烹饪食物、开水等。烹饪区(4)可与上壁(1c)集成且形成上壁(1c)的一部分，诸如在例如图1中示出的，或可布置到上壁(1c)上，诸如图5中示出的。如本文中使用的用语“上壁(1c)包括至少一个基本水平定向的烹饪区(4)”因此包含放置在上壁(1c)上的烹饪区(4)，以及制成上壁(1c)的组成部分并因此与容器(1)的第一内室(2)直接接触的烹饪区(4)。

烹饪区的材料可由具有支承烹饪容器的机械弹性和承受容器内相变材料的温度的热弹性的单一固体材料制成，或它可为此类材料中两种或更多种的层状结构等的混合物。对于允许烹饪食物的烹饪区材料的热导率没有通常的下限。这取决于所施加的相变材料的熔化热、相变材料的温度、烹饪容器的形状和尺寸、烹饪区材料的厚度、待烹饪的食物量、烹饪过程的时间框架以及其它因素。

本发明可应用适于用作烹饪区的为技术人员已知的任何材料。在实践中，烹饪区的材料可有利地具有至少1W/mK、优选为至少10W/mK、更优选为至少20W/mK、更优选为至少30W/mK、且最优选为至少50W/mK的热导率。合适的热传导材料的示例包括但不限于；金属，诸如Fe、Cu、Al、Zn、Sn、W以及其合金，诸如，例如青铜、黄铜、康铜、各种钢合金、金色铜；陶瓷，诸如氧化铝、结晶二氧化硅、瓷器、派热克斯玻璃等。

烹饪区应与相变材料充分热接触，以允许为烹饪区供应对于烹饪食物所需的热能。然而，当相变材料在其固相与液相之间转换时，该相变材料可经历体积改变。当从固相变为液相时，一些材料在体积上增加，而另一些在体积上减小。这可导致烹饪区的材料与用作烹饪区的热量储器的下面相变材料之间的热接触不足。因此，在一个示例性实施例中，本发明可有利地施加呈现相对小的体积改变(诸如例如小于15%，且更优选地小于7%)的相变材料。在一个示例性实施例中，还优选地施加与其液相相比固相中具有较小体积的相变材料，且以该方式确保相变材料处于液态时填充材料的整个内部体积，且因此获得与烹饪区出色的热接触。其中液相中体积略微较大的材料也将使增加的膨胀压力更均匀地分布到容器表面，且从而更可能持续达长时间。

备选地，在一个示例性实施例中，可通过提供从烹饪区的下侧向下延伸到相变材料的本体相中的一个或多个伸长部件且因此用作将烹饪区热连接到下面相变材料的热桥来获得相变材料与烹饪区之间的热接触。伸长部件可有利地由具有良好热导率的材料制成，诸如，例如上文关于烹饪区所列的相同材料。在其中伸长部件和烹饪区由铝制成的示例性实施例中，它们可有利地同时通过挤压制造。备选地，伸长部件可由(第二)固-固相变材料制成，或可为中空的且用相变材料填充，优选地，第二相变材料具有比第一相变材料更高的相转变温度。

在另一示例性实施例中，可通过使一个或多个膨胀室用相变材料部分地填充且在容器的第一内室的大部分中与液相变材料流体连通来补偿相变材料的体积改变。部分填充的膨胀室可通过调整容纳在膨胀室中的液相变材料的量来补偿容器的第一内室内部的相变材料的最终体积改变。

膨胀室可有利地包括由圆柱形侧壁、第一端壁和具有开口的第二端壁限定的内圆柱形对称空间，其中第一端壁和第二端壁位于圆柱形侧壁的相反端处。膨胀室可有利地还包括位于内圆柱形对称空间内的可滑动活塞，且该可滑动活塞将内部空间分成第一膨胀室和第二膨胀室，第一膨胀室和第二膨胀室将根据可滑动活塞的位置改变其体积。通过使第一内膨胀室用例如适度加压的气体填充，该气体不断寻求将可滑动活塞朝第二端壁处的开口压，膨胀室将根据相变材料处于其预期工作状态时炊具设备的相变材料的体积不断地调整其在第二内膨胀室中的相变材料含量。即，当相变材料足够热，而完全处于液态或主要处于液态而具有一些固化材料(且只要固化的材料不阻挡第二端壁的开口)。可预见的是，膨胀室的可滑动活塞可单独地或与加压气体组合地通过弹簧圈，或通过用于对可滑动活塞施加恒定推力的任何其它方式来推向开口。

可滑动活塞允许将气相容纳在第一室中，而与膨胀室的定向无关。然而，如果膨胀室竖直地定向且具有在底部处的其开口，膨胀室内部的气体将无处逸出，使得滑动活塞是不必要的且可省略。在后一种情况下，膨胀室可有利地位于其开口面向下的第一容器的内膨胀室的上部中，且膨胀室的主体可至少部分地向上突出穿过第一容器的上壁，备选地穿过第一容器(1)的上壁(1c)且进入第一隔热物(3)至少一定距离，或备选地穿过第一容器(1)的上壁(1c)且进一步穿过第一隔热物(3)且进入第二隔热物(6)一定距离(如果存在)。在该情况下，膨胀室的第二室可有利地包括电加热元件，以防止相变材料固化。在膨胀和收缩期间，液相变材料然后可在膨胀室内向上和向下移动，使得不需要活塞。在该示例性实施例中，可有利地施加在液体状态下具有最低密度的相变材料，且膨胀室可有利地包括电阻加热器。

膨胀室还可有利地位于相变材料主容器的顶板上方的隔热物内部。在该设计中，小的电阻加热器可有利地放置在膨胀室内，并将其向下延伸到主加热元件，使得当热量添加到室内并开始膨胀时，容器中的液体与膨胀室直接接触。

为减小固化的相变材料阻挡膨胀室作用的风险，其可有利地位于太阳能炊具的容器(1)的第一内室(2)中的区域处，其在太阳能炊具使用期间随后固化。该位置将取决于太阳能炊具的设计和尺寸，但大体上将在容器中的较低位置处。

如本文中使用的用语“隔热”意指未构成烹饪区的第一容器的壁朝第一容器的周围环境充分隔热，允许将用于烹饪食物的热能存储至少几小时的时间段，优选地最多达至少12小时，且最优选地最多达至少24小时。可通过第一容器的壁本身由足够厚的隔热材料层制成，或通过使第一容器的壁可由在其外部涂覆/覆盖/施加一层或多层隔热材料的非隔热或隔热材料制成，或其组合来获得隔热。为获得至少24小时存储能力的目标，对于横跨第一容器的隔热物的热阻，没有绝对的边界。这取决于所施加的相变材料的熔化热、相变材料的温度、设备中相变材料的量以及容器的表面体积比以及其它因素。然而，在实践中，横跨容器壁的比热阻R可有利地为至少10mK/W，优选为至少12mK/W，更优选为至少15mK/W，更优选为至少20mK/W，且最优选为至少25mK/W。在热阻率的该范围内，隔热材料的热导率在0.04W/mK至0.10W/mK的范围内，且获得上文目标所需隔热层的总厚度变为在10至30cm的范围内。本发明可应用为技术人员已知的具有此类热导率、足以支承相变材料的机械强度以及承受相变材料加热所处最高温度的热弹性的任何材料来做隔热。合适的隔热材料的示例包括但不限于：硅酸钙、多孔玻璃、玻璃纤维、矿棉、岩棉、陶瓷泡沫、聚氨酯、泡沫聚氨酯(诸如，例如以商标Puren市售的)，以及具有空气填充孔的多孔材料等。

在一个备选实施例中，第一容器的隔热可通过使侧壁、下壁和上壁由至少两个同心类似形状的容器形成来获得，其中第一容器是内部容器，且一个或多个外部容器尺寸稍微较大，使得在内部容器与第二容器以及最终在第二容器与第三同心容器等之间存在间隙。内部同心容器与外部同心容器之间的间隙可用上文提到的一种或多种隔热材料填充，或是具有低压下的气体的抽空区域，该区域有利地可处于小于25kPa，优选地小于1kPa的气体压力下。在后一备选方案中，类似于层状窗玻璃的隔热，隔热由气体填充来获得并限制在空间中。

本发明可将为技术人员已知的具有可适用作太阳能烹饪设备的负载承载结构所需机械强度和耐热性的任何材料施加在第一容器的壁中，且可选地施加在外部容器的壁中。适于内容器壁和可选的外容器壁的材料的示例包括但不限于；玻璃、聚合物或金属(诸如钢、铝等)。

在一个示例性实施例中，本发明可应用由诸如聚合物之类的柔性材料制成的容器，以用于容纳相变材料，允许容器对于每种使用根据与相变相关联的密度改变来膨胀和收缩。在该示例性实施例中，周围的隔热材料还可有利地是柔性的以包含第一容器的膨胀，或可有利地在隔热材料内部存在可用空间。

在另一示例性实施例中，本发明可应用可容忍压力变化且没有完全填充相变材料的容器。这为容器中的气压变化提供机会，以吸收相变材料体积的变化。

本发明可应用为技术人员已知的允许将相变材料加热至其预期的热量存储温度，且可承受加热的相变材料中的化学环境的任何电加热元件。电能源可为任何可用的源，包括小规模的风力、光伏面板的电能、电网电力等。

如本文中使用的用语“与一种或多种相变材料热接触的电阻加热元件”意指烹饪设备的容器的内部空间可包含多于一种相变材料，且至少一个电加热元件位于与容器的内部空间直接接触或位于其内部的位置，其允许该元件将优选的存在的所有相变材料，但至少容器内的大部分相变材料加热到相变材料为液体所处的温度。如果仅应用一个加热元件，它的位置可有利地在第一内室(2)的下部处，允许通过热对流将所供应的热量扩散到相变材料的主体部分中。在该示例性实施例中，最终的膨胀室可有利地位于加热元件附近。备选地，可应用分布在容器的内部空间内的两个或更多个加热元件，以确保加热所有或大部分相变材料。出于一些目的，可能还可想要在烹饪区(4)本身中添加电加热元件，以便提高用于烹饪的热通量，以产生额外的高热通量，或因为存储在相变材料中的大部分热量已释放。

为了通过对流促进有效的热传递和固相的熔化，加热元件的最大表面可设计为竖直定向，使得在向完全固化的室中添加热量时引发沿加热元件表面的向上连续流动。然后还将引发沿非熔融固相的向下的逆流作为次要结果，从而通过在部分液化的体积中的对流来引发从加热元件到固体本体的有效热传递。

烹饪区(烹饪板)可有利地还包括提升机构，该提升机构适于在第一位置中完全嵌入和缩回到烹饪区中，且在至少第二位置中在烹饪区的上表面上方延伸一定距离。该提升装置允许通过将烹饪工具、平底锅/烹饪锅/煎锅等从第一位置抬起到第二位置来调节烹饪区的加热效果，在第一位置，烹饪工具的热接收表面与烹饪区的上表面物理接触，并因此从烹饪设备接收最大可获得的加热效果，在第二位置，烹饪工具通过提升机构悬挂在烹饪区的上表面上并在烹饪区的上表面上方提升一定距离。本发明可应用任何已知的和可想到的提升机构，其允许将烹饪工具提升且保持在烹饪区的上表面上方一定距离，诸如，例如成组的伸长部件，其装配到烹饪区的凹槽中且在第一位置水平地定向以允许烹饪工具停留在烹饪区的表面上，且可同步地旋转以将烹饪工具提升到离开烹饪区一定距离。另一示例可为成组的竖直定向的(即，垂直于烹饪区的上表面)带齿架，其可通过一个或多个小齿轮竖直地移动。例如，某人可使烹饪区由在内部具有开口的固定部分和每当想要最大热通量时位于这些开口中的可移动部分组成。如果期望较少的热传递，用户可转动逐渐升高可移动部分的旋钮，使得该区的固定部分与锅之间不再直接接触，而只能通过可移动部分间接接触。更进一步地升高端口将进一步降低热传递。

图7a)至图7c)中示意性地示出提升机构的示例性实施例。图7a)可直接从上方看到，且可为图1至图6中示出的示例性实施例中的任一者。烹饪区(4)具有位于其第一位置的四个杆部件(30)，即，水平定向并完全缩回到烹饪区(4)的凹槽中。如图7b)中示出的，当杆部件(30)处于该位置时，放置在烹饪区(4)上的烹饪工具(32)将搁置在烹饪区(4)的上表面上。杆部件(30)在一端可枢转地附接到延伸穿过隔热物(3,6)且在烹饪设备外部一定距离的杆(31)，以允许操作者手动扭转杆(31)，如图7c)中示出的，将杆部件(30)的一端从其在烹饪区中的凹槽向上升高并提起放置在其上的烹饪工具(32)。在另一示例性实施例中，杆(31)可附接到小齿轮，该小齿轮引起竖直定向的带齿杆部件(30)在进入烹饪区(4)的完全缩回位置与从烹饪区(4)的上表面突出一定距离之间竖直地移位。

根据本发明的任何方面的烹饪设备可另外包括电加热元件，该电加热元件与烹饪区(4)直接热接触且与用于电能的源电连接，使当电能可达时允许电加热烹饪板。有利地，电加热元件可为嵌入烹饪区(4)中的电阻加热器(15)。

附图说明

图1a是沿图1b中标记为B-B'的虚线看到的断面截面图，示意性地示出本发明的示例性实施例。

图1b是沿图1a中标记为A-A'的虚线看到的断面截面图，示意性地示出如图1a中示出的本发明的相同示例性实施例。

图2是本发明的第二示例性实施例的如图1a中示出的类似断面视图。

图3是本发明的第三示例性实施例的如图1a中示出的类似断面视图。

图4是本发明的第四示例性实施例的如图1a中示出的类似断面视图。

图5是本发明的第五示例性实施例的如图1a中示出的类似断面视图。

图6是本发明的第六示例性实施例的如图1a中示出的类似断面视图。

图7a)至图7c)是用于调整从烹饪区域到烹饪工具的热传递速率的提升机构的示例性实施例的示意图。

图8a)至图8c)是本发明的第八示例性实施例的示意图。

图9是本发明的另一示例性实施例的示意图。

图10是来自Panwar等[4]的图3的复制，示出太阳能烹饪的技术水平。

具体实施方式

通过示例性实施例将更详细地解释本发明。

本发明的第一示例性实施例

在图1a和图1b中示意性地示出本发明的第一示例性实施例。图1a是沿图1b中的标记为B-B'的虚线截取的从一侧看的断面截面图，而图1b是沿上方的标记为A-A'的虚线截取的从上方看的断面截面图。

该示例性实施例的第一容器定形为内径D且内高度H的竖直直立的圆柱体。圆柱体容器(1)由圆柱体区段(1b)构成，该圆柱体区段在底部处由圆盘形底部(1a)闭合。环形盘(1c)构成圆柱形容器的顶部，且具有同心的圆形开口，构成烹饪区的圆盘(4)位于该同心圆形开口中，且与环形盘(1c)形成流体密封性。圆盘(4)由热传导材料制成，诸如，例如铝合金、钢等。例如，底部(1a)、圆柱形区段(1b)和环形盘(1c)可由例如1mm厚的薄钢或聚合物壳制成。第一层隔热材料(3)施加到底部(1a)、圆柱形区段(1b)和环形盘(1c)的外侧。第一隔热物(3)的材料可为例如岩棉。当不用于烹饪食物时，烹饪区(4)由隔热材料制成的盖(7)覆盖/闭合。

容器的内部用相变材料(8)填充，该相变材料可为例如NaOH和按重量计7.2%的Na₂CO₃的混合物(基于混合物的总重量)。当相变材料的主要部分处于固态时，也可将相变材料与液体混合以允许容器内部的有效热传递。

将电阻加热元件(9)放置在相变材料(8)中和底部(1a)附近，以将相变材料加热到它的相变温度(其在该示例性实施例中为283℃)以上。在该示例性实施例中，电阻加热元件(9)可有利地定形为平坦的板或竖直固定在圆柱体(1)的中心中且在底部(1a)上方一定距离处的板的交叉，且可有利地配备有电导体(未示出)，该电导体将元件电连接到器具插头插座(未示出)，以用于允许将电能供给到加热元件。

烹饪设备可有利地还包括位于相变材料(8)中的可选的温度传感器(10)，当相变材料的温度达到预定温度时，该预定温度在该示例性实施例中可设定为例如300℃(且如果应用另一相变材料，自然处于另一温度)，终止将电能供应到加热元件(9)。相变材料(8)可呈现固-固相变或液-固相变。

该示例性实施例还包括覆盖第一隔热物(3)的第二隔热物(6)。第二隔热物(6)是可选的，但可有利地由刚性固体材料制成，诸如，例如蜂窝状混凝土或其它泡沫陶瓷材料，以提供增强的容器隔热性且为烹饪设备提供负载承载能力，允许它在无任何额外的负载承载或机械稳定结构的情况下使用。其可简单地放在地板上并直接用于烹饪食物(加热相变材料后)。该示例性实施例具有尤其简单的构造，允许尤其低成本地制造烹饪设备。注意，隔热壁可由一层或多层隔热材料组成，因为不同的材料在不同的温度下可成本效益合算。

本发明的第二示例性实施例

如图2中示出的，本发明的第二示例性实施例类似于第一示例性实施例，不同之处在于，为了减轻烹饪区(4)之间的热接触逐渐变差的潜在的问题(因为烹饪区(4)正下方的相变材料由于热量传递到正在烹饪的食物而冷却)，存在一个或多个伸长部件(11)从烹饪区(4)向下延伸到第一内室(2)的大部分中用作热量传导桥，以将热量从较低层且因此较热的相变材料(8)传递到烹饪区(4)。该示例性实施例具有如下优点：与第一示例中示出的示例性实施例相比，当应用呈现固-固相变或液-固相变的相变材料时，允许延长将相对高的热量传递到烹饪区的时段。

伸长部件(11)可有利地由与烹饪区(4)相同的金属/材料制成，且可定形为伸长翅片、圆杆等。

本发明的第三示例性实施例

如图3中示出的，本发明的第三示例性实施例类似于第一示例性实施例，不同之处在于，它还包括第二内室(12)，该第二内室(12)位于容器内部在烹饪区(4)正下方且与其接触。第二内室(12)用第二相变材料(13)填充，该第二相变材料在比填充第一内室(2)的其余部分的第一相变材料(8)更低的相转变温度下呈现液-固相变。

第二内室(12)可有利地由附接到并密封到烹饪区(4)的下表面的金属盒/圆柱体等形成，使得在第一内室(2)与第二内室(12)之间没有相变材料的交换/泄漏。

该示例性实施例的优点在于，确保与烹饪区(4)接触的相变材料(13)处于液态，直到大部分的材料(8)已相变，且因此确保从相变材料(8、13)到烹饪区(4)的有效的对流热传递，只要第一相变材料(8)仍至少部分处于高温相。即，用户没有将第一相变材料(8)的热储器排空到将大部分的第一相变材料转变成其低温相的程度。因此，该实施例给予用户较长的可用于高功率使用的时间。

本发明的第四示例性实施例

图4中示出的本发明的第四示例性实施例与第三示例性实施例类似，不同之处在于，其还包括与示例2中类似的多个一个或多个伸长部件(11)。

伸长部件(11)可有利地延伸穿过第二内室(12)，且进一步延伸到第一内室(2)中一定距离，允许改进第一内室内部的相变材料与第二内室内部的相变材料之间的热接触。在另一实施例中，部件(11)也可仅安装在第二内室(12)下方。

本发明的第五示例性实施例

图5中示出的本发明的第五示例性实施例与第一示例性实施例类似，不同之处在于，上壁(1c)是盘形的且形成圆柱形容器(1)的上封壳，烹饪区(4)放置在上壁(1c)上且与其热接触，并其施加设计为两个板交叉的加热元件，且此外其还包括位于烹饪设备的容器(1)内部空间中的膨胀室(20)。

膨胀室(20)包括由圆柱形侧壁(21)、第一端壁(22)和具有开口(24)的第二端壁(23)限定的内圆柱形对称空间。第一端壁(22)和第二端壁(23)位于圆柱形侧壁(21)的相反端处。可滑动活塞(25)位于内圆柱形对称空间内部且将内圆柱形对称空间分为第一内膨胀室(26)和第二内膨胀室(27)。第一内膨胀室(26)用加压的气体填充，使得它不断寻求将可滑动活塞(25)朝开口(24)压，且因此将存在于第二内膨胀室(27)中的相变材料挤出来。

本发明的第六示例性实施例

本发明的第六示例性实施例与第五示例性实施例类似，不同之处在于，具有位于第一内室(2)的上部中的膨胀室(20)延伸穿过环形盘(1c)且至少部分地延伸进入第一隔热物(3)，且如果存在，第二隔热物(6)具有与相变材料(8)直接接触的膨胀室(20)的开口(24)。在膨胀和收缩期间，液相变材料然后可在膨胀室(20)内上下移动，且不需要活塞(25)。

在该设计中，需要使用在液体状态下密度最低的相变材料(8)，并然后有利的是使用小的电阻加热器，该电阻加热器位于膨胀室(20)内并向下延伸到主加热元件(9)，使得当向室(2)添加热量并开始膨胀时，第一容器(2)中的液相变材料与膨胀室(20)中的液体直接接触。

本发明的第七示例性实施例

图6中示出的本发明的第七示例性实施例与第四示例性实施例类似，不同之处在于，它还包括如第五示例性实施例中描述的类似膨胀室(20)，该膨胀室与第二内室(12)内的第二相变材料(13)流体连通。

本发明的第八示例性实施例

本发明的第八示例性实施例具有烹饪区(4)，该烹饪区域具有平坦的上表面(5)和一定厚度，使得其向下突出一定距离进入第一内室(2)，如图8a)中示意性示出的。

备选地，烹饪区(4)可在其下部处被给予凸形形状，且关于位于烹饪区(4)的中心中且垂直于分别在图1a)和1b)中标记为A-A'和B-B'的线的轴线旋转对称(即，轴线垂直于上平坦表面(5)，如图8b)中示意性示出的)。

由于(4)的部分突出到第一内室(2)中一定距离，因此将在第一内室(2)的上部形成由壁1b)和1c)的部分以及烹饪区(4)限制的区(14)。该区(14)可通过填充诸如例如0.25至3巴，优选为0.4至2巴的中等加压的气体来用作膨胀室。由于它的可压缩性，气体填充区(14)将吸收液相变材料(8)中的体积改变。在另一备选方案中，如图8c)中示意性示出的，容器(1)的上部形状类似于香槟酒瓶的底部，即，上壁(1c)形成容器(1)上端的封盖，但具有向下突出到第一内室(2)中的凸形凸起。凸起可有利地关于位于烹饪区(4)的中心中且垂直于上平坦表面(5)的轴线旋转对称。烹饪区(4)的下部应被给予互补的形状和尺寸，以与上壁(1c)的凸起形部分形成紧密配合。

在本发明的所有方面和本文中描述的每个示例性实施例中可应用具有下部稍微突出到第一内室(2)中的烹饪区(4)和气体填充区(14)。

本发明的第九示例性实施例

本发明的第九示例性实施例应用与第二示例性实施例类似的伸长部件，不同之处在于，该伸长部件由相转变温度高于第一相变材料的固-固相变材料制成。伸长部件可例如是竖直地悬挂或安装在烹饪板下方的板，使得它们具有与第一相变材料直接接触的大的竖直表面，且使得当它们由于固-固相变来释放热量时，它们可在第一相变材料中刺激液体的对流。

本发明的第十示例性实施例

本发明的第十示例性实施例在第一容器(1)和/或第二内室(12)的壁上施加柔性材料，使得一种或多种相变材料中所有或部分的体积改变由第一容器(1)和/或第二内室(12)的体积上的类似改变所促进。

本发明的第十一示例性实施例

本发明的第十一示例性实施例还包括第二相变材料，该第二相变材料封装在分散于第一相变材料中的小的微容器/胶囊中，且其中微容器/胶囊中的第二相变材料具有比周围的第一相变材料更高的相变温度。

封装在分散于第一相变材料中的小的微容器/胶囊中的第二相变材料可应用于本发明的所有方面，且可应用于本文中描述的每个示例性实施例中。

第十二示例性实施例

本发明的第十二示例性实施例具有由铝制成的矩形第一容器(1)，其内部尺寸为30×30×12cm³，用季戊四醇作为第一PCM材料填充，以及从烹饪区(4)(也可由铝制成)向下延伸的成组的50个均匀间隔的铝翅片/伸长部件(11)，尺寸为0.14×10×30cm³，诸如在例如图2中示出的。铝翅片将以约4.5mm的间隙在它们之间间隔。

计算示出，此类构造将获得约1kWh的热量存储能力，且允许为烹饪区供应可控制最多达约2kW的热通量(其中烹饪区与PCM材料的相转变温度之间的温差为约80℃)。

如果使用30个铝翅片，而不是50个或相等，太阳能炊具将能够存储约1.5kWh的热能，并向烹饪区域提供约1kW的热通量，即使当约一半的相变材料已相变时。在该情况下，铝翅片之间的间隙变为大致8mm。

第十二示例性实施例是本发明的特别低成本的版本，且设想具有圆柱形的第一容器(1)，该圆柱形的第一容器的内径在20至50cm的范围内，优选为30cm，且高度为10至40cm，优选为15cm，或备选地，矩形的第一容器(1)，其长度和宽度为20至50cm，优选为30cm，高度为12至50cm，优选为15cm。内室(2)优选地用季戊四醇作为第一PCM材料填充，且包含成组的20至70个、优选为30至70个铝翅片/伸长部件(11)，它们彼此间隔一定距离平行布置(优选地均匀间隔)，且在第一容器的底壁1(a)上方，从烹饪区(4)向下突出一定距离，该距离在2至40cm的范围内，优选在5至20cm的范围内。铝翅片/伸长部件(11)的厚度在0.5至3mm的范围内，优选在1.0至1.5mm的范围内。在一个备选方案中，铝翅片/伸长部件(11)可适于在内室(2)的长度或宽度上延伸，或备选地，如果内室是圆柱体，可在圆柱体的水平截面上从一侧延伸到另一侧。即，翅片将朝圆柱形内室的中心轴线逐渐变宽，或在矩形内室的情况下同样变宽。

验证发明

如第一示例性实施例中描述的具有内半径10cm且内高度30cm的圆柱形内部容器的太阳能炊具可包含约20kg固相NaOH与7.2%Na₂CO₃混合作为相变材料(密度为约2.2kg/升)，允许存储约2kWh作为相变材料中的潜热。该潜热将在283℃的温度下从相变材料中释放。

在使用厚度为10cm的岩棉层(热导率为0.06W/mK)作为第一隔热层，并使用厚度为10cm的泡沫聚氨酯层作为第二隔热层(热导率为0.025W/mK)的情况下，太阳能炊具的容器获得70cm的外部高度和60cm的外径。

可认为，横跨底部、底表面2和上表面3,4的热通量几乎等于横跨与自由流动的空气(自然对流)接触的平坦复合壁的热通量。此类热通量可通过[参考文献1]第37-38页的关系式来计算：

其中q''是以[W/m²]为单位的热通量，U是以[W/m²K]为单位的总热传递系数，T_cont是容器内部的以[℃]为单位的温度(其为相变材料的相变温度)，且T_air是周围空气的以[℃]为单位的温度。数字“i”层的复合壁的总热传递系数由关系[参考文献1]第37、38页给出：

这里L₁是第一隔热层的以[m]为单位的厚度，L₂是第二隔热层等的厚度，且k₁是第一隔热层的以[W/mK]为单位的热导率，k₂是第二隔热层等的热导率，且h_air是关于自然对流朝环境空气的热传递系数。

关于竖直直立板的h_air约为5W/m²K(参考文献[2])。通过假设顶表面和底表面的值(由于表面水平定向，它将稍微较小)相同，且内钢壳为1mm厚且具有16W/mK的热导率(参考文献[3])，横跨太阳能炊具容器的底表面和上表面的热通量变为44.8W/m²，或横跨底表面和顶表面中的每个的热损失为1.4W(如果盖7与壁的其余部分同样隔热)。

横跨长度为h的圆柱形侧壁的热损失可通过关系(参考文献[1]第40页)来计算，该侧壁具有层状壁结构，其具有的第一层的外半径为r₁(该层面向圆柱体的内部空间)，第二层的外半径为r₂等，直到第i层的外半径为r_air：

其中R_tot是圆柱形壁上的以[K/W]为单位的总热阻，且其由下者限定：

其中r_cont是容器的内径，且A_air是面向环境空气的圆柱体外表面。

为圆柱形部分应用与关于上文底表面和顶表面所给出的相同的壁结构，横跨圆柱形侧壁的热损失变为18.4W，使得本示例性实施例产生的总热损失变为约21.2W，只要相变材料释放足以将相变材料保持在283℃处的潜热。在例如24小时的时间跨度上，该示例性实施例在存储在室内(在自由对流流动条件下与空气接触)时将损失最多约0.5kWh的热量。在实践中，热损失将比所计算的稍微更小，因为由于热损失，容器壁附近的相变材料将逐渐固化，且因此增加横跨容器壁的热阻。

约20kg的NaOH与7.2%Na₂CO₃混合作为相变材料的该示例性实施例可存储约2kWh的潜热，使得在存储24小时之后，炊具的可用潜热含量的约3/4保留用于烹饪食物。

类似地，用季戊四醇(IUPAC名称；2,2-双(羟甲基)丙烷-1,3-二醇)作为相变材料填充的内径15cm且内高度30cm的圆柱形容器可存储约1.8kWh作为潜热(密度1.4kg/升，相变温度184.2℃，且熔化热222.5kJ/kg)。存储24小时上的热量损失变得刚好超过0.4kWh，即约占其潜热含量的1/4。

这些计算验证，根据本发明的太阳能炊具可在允许烹饪食物达至少24小时的温度下存储和保持足够量的热量。在亚热带和热带地区，在一天的日照中，峰值功率为300-500W的太阳能面板足以累积约2kWh的热能。

应注意，与PV模块组合的主要使用模式将是在白天添加能量，且其中它的大部分在同一天下午3小时之后使用。相变材料中的残余液体将在夜间沿最冷的壁开始固化，并从而逐渐增加隔热，使得在许多情况下在白天添加的80-90%的能量可能将可用于烹饪晚餐和早餐/午餐。

上文的示例性实施例使根据本发明的烹饪设备显示为具有单个烹饪区的竖直圆柱体。这不应解释为对本发明的限制。容器可备选地定形为盒状，即长A、宽B和高C的长方体，或任何其它可想到的设计，且烹饪设备可设有两个或更多个烹饪区。

参考文献

1 Adrian Bejan, “Heat Transfer(热传递)”, John Wiley & Sons, 1993.

2 从因特网检索：https://www.engineersedge.com/heat_transfer/convective_heat_transfer_coefficients__13378.htm

3 从因特网检索：https://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html

4 Pamwar等, “State of the art of solar cooking: An overview(太阳能烹饪领域状态：概述)”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 3776– 3785,doi:10.1016/j.rser.2012.03.026

5 Lameck NKhonera等, “Experimental investigation of a finnedpentaerythritol-based heat storage unit for solar cooking at 150-200 ℃(用于在150-200 ℃下太阳能烹饪的基于翅片季戊四醇的热量存储单元的实验研究)”, EnergyProcedia, 93 (2016) 160-167, doi:10.1016/j.egypro.2017.07.165