用于电磁炉辐射暴露评估的方法和程序的评价

《Bioelectromagnetics》：Evaluation of Exposure Assessment Methods and Procedures for Induction Hobs

电磁炉的磁场暴露与安全评估。通过测量四款最新感应灶具的磁场分布，发现其最大磁场强度远超ICNIRP 2010和IEEE 2019的参考限值（RL），在30cm距离时RL超标达26dB。尽管接触电流均低于限值，但电场强度和电流密度在局部区域仍可能超标。研究提出使用IEC 63184的三级方法（Tier 3）进行更准确的评估，并建议将安全距离从30cm延长至17cm。设计小线圈和优化布局可降低暴露风险而不影响加热性能。

　　### 电磁暴露与感应炉灶的安全性评估

在现代厨房设备中，感应炉灶因其高效、节能、易于清洁以及安全性等优点而广泛应用于家庭和商业厨房。然而，随着感应炉灶技术的不断进步，其电磁暴露问题也引起了越来越多的关注。感应炉灶通过产生交变的磁场，利用电磁感应原理在锅具中产生涡电流，从而实现加热。这种磁场的强度在锅具底部附近最高，但在较大距离上仍可能达到显著水平。研究发现，这些暴露水平在某些情况下甚至超过了国际电磁暴露安全指南（如ICNIRP 1998、ICNIRP 2010以及IEEE 2019）所设定的参考限值（RL）。然而，参考限值被超过并不意味着基本限制（BR）也被违反，因此，需要进一步评估感应炉灶对人体暴露的潜在影响。

为了更全面地了解最新一代感应炉灶的电磁暴露情况，本研究采用了先进的仪器和多种方法，包括国际电工委员会（IEC）为家用电器开发的IEC 62233标准（IEC International Electrotechnical Commission 2005）、为无线电力传输系统开发的4级评估方法（IEC 63184，IEC International Electrotechnical Commission 2021）及其衍生方法。研究首先评估了确定最大暴露配置的方法，接着对磁场的三维分布进行了扫描，并分析了接触电流，最后通过解剖模型进行数值剂量评估，以确定由测量的入射场或代表线圈模型转换而来的最大感应场。研究结果表明，不同感应炉灶之间的暴露水平存在显著差异，其变化幅度可达20倍（26 dB），这一变化与功率、线圈尺寸以及与线圈的距离密切相关。这意味着，如果设计得当，可以制造出低暴露水平的感应炉灶，而不会影响其烹饪性能。

此外，研究还强化了先前研究的结论，即IEC 62233标准可能低估了靠近炉灶的人员所受到的暴露水平，最多可能低估30倍（30 dB）。这一发现基于根据ICNIRP 1998和IEEE 2019的暴露限值进行的测试。因此，该标准并不能保证安全。虽然剂量分析是最准确的方法，但其成本较高，研究探讨了来自IEC 63184（IEC International Electrotechnical Commission 2021）的经济可行且不过于保守的替代方法。

### 感应炉灶的分类与性能

基于对瑞士市场上最新感应炉灶的调查，研究将它们分为四类：

1. **固定加热区的感应炉灶**：这类炉灶的加热区域是固定的，用户只能在指定的区域内放置锅具。
2. **带桥接功能的感应炉灶**：允许多个加热区组合成一个统一的加热区，提供更大的烹饪灵活性。
3. **固定加热区和桥接加热区相结合的混合型感应炉灶**：结合了固定和桥接两种类型，具有更高的功能多样性。
4. **全柔性感应炉灶**：允许用户在全柔性加热区内任意放置锅具，进一步提高了使用的便捷性。

为了全面评估这些炉灶的电磁暴露情况，研究选择了四款代表性的感应炉灶进行测试，见表2。这些炉灶的加热能力根据其数据表中的最大功率值进行分类。例如，设备D的最大功率消费为7.4 kW，而其单个锅具的最大功率未提供。总体而言，这四款炉灶的加热能力相近。其中，设备C和D分别由8个中等加热线圈和32个小加热线圈组成，这可能意味着它们在设计上更加注重电磁场的控制。

### 最大暴露配置的评估

为了确定感应炉灶的最大暴露配置，研究使用了两台MAGPy探头（Schmid & Partner Engineering AG，瑞士），并同时测量了磁场强度。探头1放置在炉灶前方，距离炉灶边缘4厘米，与加热区对齐；探头2则放置在炉灶上方，位于加热区左侧或锅具旁。通过改变多种因素，如锅具特性、加热区（适用于固定加热区炉灶）、锅具偏移（适用于固定加热区炉灶）、锅具位置（适用于全柔性炉灶）、功率水平以及同时加热的锅具数量，研究分析了这些因素对磁场强度的影响。

例如，为了研究锅具特性的影响，仅改变锅具，而其他因素和探头位置保持不变。结果显示，锅具底部直径较小且由铸铁制成的锅具会产生最强的磁场。值得注意的是，10厘米直径的锅具在许多情况下无法被检测到，因此不被考虑为最坏情况。对于固定加热区炉灶，最大的加热区通常会产生最强的磁场，而更大的加热区往往意味着更高的功率。对于全柔性炉灶，当锅具放置在多个加热线圈之间时，磁场可能因线圈之间的干涉而达到峰值。此外，功率水平越高，磁场强度也越高，但某些炉灶可能没有提供最大功率设置。当多个锅具同时加热时，磁场强度可能会略有增加，但某些炉灶（如设备A）在使用两个锅具时，磁场强度增加了约4 dB，这可能是由于多个线圈之间的干涉导致的。

根据这些研究，确定了以下最大暴露配置：

- **设备A**：单个锅具操作，使用12厘米直径的铸铁锅具在21厘米直径的加热区上，功率为最大值，无锅具偏移。
- **设备A**：多个锅具操作，使用12厘米直径的铸铁锅具在21厘米直径的加热区上，以及14厘米直径的不锈钢锅具在14.5厘米直径的加热区上，功率为最高可达值，无锅具偏移。
- **设备B**：使用12厘米直径的铸铁锅具在左前加热区，功率为最大值，无锅具偏移。
- **设备C**：12厘米直径的铸铁锅具接触加热区的前边缘，并放置在两个激活线圈之间，功率为最大值。
- **设备D**：12厘米直径的铸铁锅具放置在四个前加热线圈的中心，功率为最大值。

这些配置被选为评估电磁暴露的关键点，因为它们代表了最极端的使用场景，可能对用户或旁观者造成最大的暴露风险。

### 入射场与参考限值的评估

为了评估感应炉灶的入射场和参考限值（RL）相关的量，研究对最大暴露配置进行了高分辨率的三维扫描。这些扫描覆盖了炉灶前方、锅具上方以及炉灶表面的区域，以确保能够全面分析不同位置的磁场分布。其中，设备A的扫描结果如图3所示，展示了磁场随距离衰减的情况、螺旋加热线圈的磁场分布以及靠近活动线圈时的高磁场强度。

研究发现，磁场在高频下的衰减比低频更明显，因此谐波的影响可以忽略不计。同时，测量的不确定性被评估为1.1 dB（Schmid & Partner Engineering AG 2023），这一数值表明测量的准确性较高。在某些情况下，磁场强度可能达到参考限值的180倍（45.1 dB），特别是在靠近炉灶的区域。然而，当在距离炉灶边缘30厘米处进行测量时，所有设备都符合IEC 62233标准所规定的参考限值。

### 接触电流的评估

为了评估感应炉灶的接触电流，研究使用了模拟人体阻抗的电路，以测量通过人体流向地面的电流。接触电流的评估通常包括通过体电流和手对手电流两种情况。对于通过体电流，研究使用了IEC 60990标准（IEC International Electrotechnical Commission 2016）的模拟方法，以确保测量的准确性。接触电流的测量方法包括使用可追溯的交流电压表（Keithley 2001）和50欧姆分流电阻器，以校准测量系统。

在测试中，选择了三种不同尺寸的锅具（12厘米直径×7厘米高、16厘米直径×10厘米高、28厘米直径×20厘米高）来评估通过体电流。同时，还选择了两组锅具（12厘米直径×7厘米高和28厘米直径×20厘米高；22厘米直径×12厘米高和22厘米直径×14厘米高）来评估手对手电流。结果表明，通过体电流通常在参考限值范围内，但某些设备（如设备B）在极短时间内（如1秒）的瞬态信号可能会略微超过参考限值，但由于这些瞬态信号是电容耦合的，因此对整体安全影响较小。

### 感应场与基本限制的评估

为了评估感应场（如电场和电流密度）是否符合基本限制（BR）标准，研究使用了Sim4Life V7.2平台（ZMT Zurich MedTech AG）和ViP解剖模型。这些模型代表了不同年龄段的用户，包括胎儿、儿童和成人。ViP模型的组织特性根据IT'IS组织数据库（IT'IS Foundation n.d.）进行配置，以确保其真实性和准确性。

研究发现，对于全身体模型，最大感应电流密度通常低于ICNIRP 2010和IEEE 2019标准所规定的BR。然而，对于某些情况（如胎儿模型或手部暴露），最大感应电流密度可能高于BR。例如，在9个月妊娠的Ella模型中，最大感应电流密度可能超过BR，但由于胎儿模型中的羊水具有较高的导电性，这些结果不被考虑在内。

此外，研究还模拟了特殊暴露场景，如儿童站在椅子上搅拌锅具、成人携带儿童进行烹饪等。这些场景中的暴露水平通常高于普通情况，但仍在可接受范围内。通过分析不同模型的暴露情况，研究发现，尽管某些模型的感应电流密度较高，但它们并未超过BR。

### 评估方法与结果

为了评估感应炉灶是否符合ICNIRP 1998、ICNIRP 2010和IEEE 2019标准，研究采用了不同的方法和程序。这些方法包括：

1. **第一列**：将30厘米距离处的磁场强度与参考限值（RL）进行比较，根据IEC 62233标准（IEC International Electrotechnical Commission 2005）。
2. **第二列**：将炉灶前方或锅具上方的磁场强度与参考限值（RL）进行比较，根据IEC 63184标准（IEC International Electrotechnical Commission 2021）的Tier 2方法。
3. **第三列**：使用通用梯度源模型（GGSM）方法（Liorni et al. 2020）评估感应场，并与基本限制（BR）进行比较，根据IEC 63184的Tier 3方法。
4. **第四列**：使用解剖模型进行数值剂量评估，以确定感应场是否符合BR，根据IEC 63184的Tier 4方法。

通过这些方法，研究发现，尽管某些设备的磁场强度在靠近炉灶的区域可能超过参考限值，但在30厘米的距离处符合IEC 62233标准。然而，当使用Tier 2方法评估时，磁场强度可能被高估，导致某些设备的暴露评估不准确。相比之下，Tier 4方法虽然准确，但成本较高，因此需要更经济可行的替代方法。

### 暴露评估的结论

研究的结论表明，感应炉灶的电磁暴露水平在很大程度上取决于功率、线圈尺寸以及与活动线圈的距离。因此，设计更小的加热线圈可以显著降低暴露水平，而不会影响烹饪性能。此外，IEC 62233标准可能低估了靠近炉灶的人员所受到的暴露水平，最多可能低估30倍（30 dB），因此需要修订以确保安全性。尽管当前的暴露评估方法（如IEC 62233）并未报告任何危险，但可能是因为商业炉灶尚未完全利用安全标准的极限。

另一方面，IEC 63184标准（IEC International Electrotechnical Commission 2021）的Tier 2方法虽然能有效评估暴露水平，但可能高估了感应场的强度。这种高估可能达到15倍（24 dB）或更多，具体取决于所采用的标准（如ICNIRP 1998、ICNIRP 2010或IEEE 2019）。因此，为了确保安全性，需要对IEC 62233标准进行修订，以更准确地评估感应炉灶的暴露水平。

### 暴露评估的可行性

尽管Tier 4方法是最准确的评估方法，但其成本较高，因此需要寻找更经济可行的替代方法。研究讨论了来自IEC 63184（IEC International Electrotechnical Commission 2021）的替代方法，这些方法在保证安全性的前提下，可以降低评估成本。此外，IEC 60990标准（IEC International Electrotechnical Commission 2016）可以用于直接评估接触电流，而无需进一步优化。

### 暴露评估的未来方向

为了进一步提高感应炉灶的安全性评估，研究建议对IEC 62233标准进行修订，以确保其能够准确评估所有可能的暴露情况。此外，对IEC 63184的Tier 3方法进行优化，以提高其在感应炉灶评估中的适用性。这些改进将有助于制定更合理、更安全的电磁暴露评估标准，以确保用户和旁观者的安全。

### 研究的意义与影响

本研究的发现对于电磁暴露评估标准的修订具有重要意义。它不仅揭示了感应炉灶在不同情况下的暴露水平差异，还强调了现有标准的局限性。通过使用更先进的仪器和评估方法，研究为制定更安全、更准确的暴露评估标准提供了科学依据。此外，研究还表明，感应炉灶的电磁暴露水平可以通过优化设计（如使用较小的加热线圈）来显著降低，从而在不牺牲烹饪性能的前提下，提高其安全性。

### 结论

感应炉灶的电磁暴露水平在很大程度上取决于其功率、线圈尺寸以及与线圈的距离。因此，设计更小的加热线圈可以有效降低暴露水平，同时保持良好的烹饪性能。现有的IEC 62233标准可能低估了靠近炉灶的人员所受到的暴露水平，最多可能低估30倍（30 dB），因此需要修订以确保安全性。尽管Tier 4方法是最准确的评估方法，但其成本较高，因此需要寻找更经济可行的替代方法。研究建议对IEC 63184的Tier 3方法进行优化，以提高其在感应炉灶评估中的适用性。此外，IEC 60990标准可以用于直接评估接触电流，而无需进一步优化。这些结论为未来的电磁暴露评估标准提供了重要的参考，有助于确保感应炉灶的安全性。