炊飯器のモデリング（その2） 〜理想的な炊飯器のモデリングを行う〜：1Dモデリングの勘所（23）（3/4 ページ）

「1Dモデリング」に関する連載。連載第23回は各種炊飯器の分析と炊く方法（レシピ）を調査し、鍋材料が重要な役割を担っていることを確認する。その上で、うまく材料を選択することで、入力制御なしに“お米をおいしく炊く経験的方法”を実現する理想的なアプローチがあることを示す。最後に、この理想的な炊飯器をモデリングし、解析して炊飯性能を確認する。

[大富浩一／日本機械学会 設計研究会，MONOist]

炊飯器のモデリング

　土鍋を想定した炊飯器のモデリングを行うに当たって、熱の流れを追うことにする。図4に示すように、熱は鍋底に入力され鍋底を伝わって、釜内部のお米＆水の混合体に入熱される。最初、お米上部にあった水が、水の沸騰を通してお米に水が含水されていく。炊き終わりにはお米＆水が一体となった“ご飯”が出来上がる。熱はお釜内の上部気相を通って、鍋ぶたを介してフタ表面からの自然対流とフタ表面からの放射で大気中に伝熱される。

図4　炊飯前後の状況［クリックで拡大］

　図5に示した各部の熱特性（熱容量、熱コンダクタンス）が定義できれば、各部の温度を予測することが可能になる。鍋底、鍋ぶたに関しては、材料と形状が分かれば自動的に熱容量、熱コンダクタンスが求まる。一方、釜内部のお米＆水＆空気に関しては厳密には、熱伝導と対流の混合現象と考えられる。参考文献［4］によると、炊飯時の釜内部の温度はほとんど均一とある。これは、熱の伝導性が良いことを意味するので、お米＆水＆空気の熱特性に関しては、十分に大きい熱コンダクタンスで表現することにする。お米＆水、空気＆蒸気の熱容量は諸元に従って算出する。フタ表面からの自然対流、放射に関しては等価な熱コンダクタンスに換算する（参考文献［5］）。

図5　炊飯器のモデリング［クリックで拡大］

　図5を図2と同じ形式で表現すると図6となる。これを式で表現すると、熱量の連続性に関して、

式5

　各部に熱伝導に関して、

式6

　各部の熱容量に関係して、

式7

が成り立つ。

図6　炊飯器のモデル［クリックで拡大］

参考文献：

• ［4］今中｜炊飯米の形態学的研究：加熱過程の差、品種による差、炊飯量の差における炊飯米粒組織の観察｜広島文化短期大学紀要 39 7-25（2006）
• ［5］大富、福江、山崎｜材料・プロセス選定のためのAshby法と機械設計：第12回 材料・プロセス選定と機械設計の実用問題：その3 〜フライパンの設計（3）：伝熱の非定常現象〜｜機械設計 2017年12月号｜日刊工業新聞