DE3731762A1 - Verfahren zur temperaturregelung bzw. begrenzung an induktionsheizspulen, insbesondere fuer haushalt-induktionskochgeraete sowie eine vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung bzw. Begrenzung an Induktionsheizspulen, insbesondere für Haushalt-Induktionskochgeräte sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Betriebstemperaturen der Heizspulen von Induktionskochgeräten werden vom Kochgut bzw. vom Kochgefäß durch Rückwärme bestimmt, d. h. die Spulen-Eigenerwärmung ist geringer als die Temperatur des Kochgutes. Bei Koch­ oder Garvorgängen liegen die Spulentemperaturen unterhalb ihrer, entsprechend der verwendeten elektrischen Isolierstoffe, zulässigen Grenztemperatur. Bei Brat- oder Fritiervorgängen können die zulässigen Spulentemperatur- Grenzwerte erreicht oder sogar überschritten werden. Die Grenzwerte werden jedoch auf jeden Fall überschritten, falls mit leerem Kochgefäß ein Trockenheizen vorgenommen wird. Man regelt deshalb über geeignete Einrichtungen die Temperatur des Kochgefäßes bzw. der Induktionsspule selbst. Bei Versagen der Betriebsregeleinrichtung übernimmt ein Temperaturbegrenzer die Abschaltung der Induktionsspule und verhindert deren Zerstörung.

Heizspulen von Induktionskochgeräten der in Rede stehenden Art sind meist kreisrund, in Form einer archimedischen Spirale gewickelt und werden zur Bündelung der magnetischen Feldlinien auf Ihrer Unterseite mit radial angeordneten Ferritkernen der verschiedensten Ausführungsformen und Materialzusammensetzungen bestückt. Ferrite verlieren je nach Zusammensetzung ihrer Sinterwerkstoffe oberhalb bestimmter Temperaturen, dem sogenannten Curie-Punkt, schlagartig ihre magnetische Leitfähigkeit. Bei Unterschreitung des Curie-Punktes gewinnen sie ihre magnetische Leitfähigkeit ebenso plötzlich wieder zurück.

Aus der DE-PS 31 02 668 ist eine "Induktionsheizvorrichtung" bekannt. Hierbei wird die Temperatur des Kochgefäßes mit Hilfe eines an der Oberplattenunterseite (Kochfeldunterseite) berührungsschlüssig und federnd angedrücktes Thermistorelement geregelt. Das Thermistorelement steuert bei Erreichen eines vorgegebenen Widerstandswertes eine Temperaturdetektorschaltung an, welche daraufhin das Eingangs- oder Ausgangssignal eines Ausgangstransistors abschaltet und den Heizvorgang unterbricht. Zentrisch um das Thermistorelement ist ein axial beweglich geführter, ringförmiger Dauermagnet mit Mittelbohrung angeordnet, welcher durch sein Eigengewicht einen Mikroschalter in Ausstellung drückt und ein Heizen verhindert. Wird nun ein Kochgefäß aus magnetisierbarem Material auf das Kochfeld gestellt, so wird der Dauermagnet durch die Anziehungskraft des Kochgefäßes gegen dieses angehoben, der Mikroschalter geschlossen und die Erregung der Heizspule eingeleitet. Die Regelung der Koch- oder Brattemperatur übernimmt anschließend wie vorher erwähnt das Thermistorelement. Versagt nun dieses oder treten Störungen in der Detektorschaltung auf wird der Dauermagnet durch das Kochgefäß soweit erhitzt, daß er seinen Magnetismus verliert, durch sein Eigengewicht nach unten fällt, den Mikroschalter wiederum öffnet und den Heizvorgang unterbricht.

Eine derartige Temperaturregelungs- und Schutzvorrichtung benötigt eine Vielzahl elektronischer, elektrischer und mechanischer Bauteile. Sie bedingt einen großen Verdrahtungs- und Montageaufwand und damit hohe Herstellungskosten. Sie erfaßt den Temperaturanstieg des Kochgefäßes nur punktförmig, nämlich an der Befestigungsstelle von Thermistor und Dauermagnet, während die Temperaturverteilung an der Kochstelle bzw. im Kochgefäß, vornehmlich bei Bratvorgängen, durch ungleichmäßig verteiltes Bratgut meist unterschiedlich ist.

Aus der EP- 01 58 353 A2 ist eine "Kalte Elektrokochplatte" bekannt. Hierin besteht der Heizspulenträger aus temperaturbeständigem Kunststoffharz, welches mit circa 75-85% Ferritpulver angereichert ist. Im Heizspulenträger sind radial angeordnete Aussparungen vorgesehen, die der Aufnahme quaderförmiger Ferritstäbe dienen. An den Ferritstäben sind mehrere Fühlorgane angeordnet, welche den magnetischen Leitfähigkeitszustand bzw. die Temperatur der Ferritstäbe ermitteln. Besagte Magnetfühlorgane sind elektrisch mit einem Spulenstromregler verbunden. Erreicht nun einer dieser Ferritstäbe, infolge Spulenüberhitzung den Curie-Punkt und verliert dadurch seine magnetische Leitfähigkeit, so wird der Spulenstrom derart geregelt, bis die Spulentemperatur wieder unterhalb der zulässigen Grenztemperatur liegt.

Die Temperaturerfassung ist annähernd flächendeckend. Hierzu werden eine Vielzahl von Magnetfühlern, mit relativ hohem Verdrahtungsaufwand, verwendet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die dem Stand der Technik anhaftenden Mängel und Nachteile durch geeignete Verbesserungen wirksam zu vermeiden.

Diese Aufgabe, gemäß der Erfindung, wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe einer flächendeckenden, integrierenden Temperaturfühlung ohne separate Temperatur- oder Magnetsensoren und ohne mechanisch bewegbaren Teile ein Maximum an Regelgenauigkeit mit minimaler Temperaturdifferenz erzielt wird.

Hiermit und durch den Entfall elektrischen Verdrahtungsaufwandes ist diese Art der Temperaturregelung oder Begrenzung preisgünstig darstellbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 den Teilausschnitt einer geöffneten Einbaukochmulde mit Ferritkernen bestückten Induktionsspulenträgerplatten ohne Induktionsheizspulen und ohne Glaskeramikabdeckplatte in der Draufsicht,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Induktionskochstelle im Längsschnitt,

Fig. 3 den Temperaturverlauf T (Grad Celsius) in Abhängigkeit von der Heizzeit t (Minuten) an der Induktionsheizspule, an den Ferritkernen und an der Spulenträgerplatte während eines Fritiervorgangs.

Die in Fig. 1 dargestellte Einbaukochmulde besitzt zwei Induktions-Kochstellen (1), (2). Auf Spulenträgerplatten (3), (3′) sind Ferritkerne (4), (4′) radial angeordnet und in nicht näher dargestellter Weise fixiert. Die kreisrunden Spulenträgerplatten (3), (3′) bestehen aus Aluminiumblech (magnetisch nicht leitend) und sind im Durchmesser etwas größer gehalten als der Außendurchmesser der Induktionsspule (5).

Gemäß Fig. 2 besteht eine Induktionskochstelle (1), (2) aus der Spulenträgerplatte (3) und hierauf befestigten Ferritkernen (4). Direkt auf den Ferritkernen (4) wird die eigentliche Induktionsspule (5) in nicht dargestellter Weise befestigt. Die Induktionsspule (5) ist zwischen zwei temperaturbeständigen, hochspannungsfesten Isolierscheiben (6), beispielsweise Glimmerscheiben geringer Stärke oder ähnlichem, eingebettet. Zwischen der oberen Isolierscheibe (6) der Induktionsspule (5) und der Abdeckplatte (7), der eigentlichen Induktionskochstelle (1), (2), befindet sich ein Luftspalt (8). Die Abdeckplatte (7) besteht vorzugsweise aus hochtemperaturbeständiger und schlagfester Glaskeramik. Der Luftspalt (8) ist aus thermischen und elektrotechnischen Sicherheitsgründen erforderlich.

Im Temperatur-Zeitdiagramm nach Fig. 3 steigt die Temperatur an den Ferritkernen (4), (4′) sowie die Temperatur an der Ober- und Unterseite der Induktionsspule (5) und die Temperatur an der Spulenträgerplatte (3), (3′) solange an, bis der Curie-Punkt der Ferritkerne (4), (4′) erreicht ist. Er liegt hier etwas unterhalb 240 Grad Celsius. Der durch einen nicht dargestellten Wechselrichter erzeugte Magnetfluß wird durch die kreisförmig angeordneten und segmentartig ausgebildeten Ferritkerne (4), (4′) gerichtet bzw. gebündelt. Bei Erreichen der Curie-Punkt- Temperatur verlieren die Ferritkerne (4), (4′) ihre magnetischen Eigenschaften. Dies bewirkt, daß das magnetische Feld nicht mehr beeinflußt wird und die magnetischen Feldlinien streuen. Messungen haben ergeben, daß die Wirkleistungsabgabe an das Kochgeschirr zu diesem Zeitpunkt rapide auf den 4. Teil der Nennleistungsaufnahme abfällt und eine Überhitzung der Induktionsspule (5) vermieden wird bzw. eine selbständige Regelung der Kochguttemperatur einsetzt. Im Diagramm (Fig. 3 ) ist dies durch einen deutlichen Temperaturabfall an der Induktionsspule (5) und an der Spulenträgerplatte (3), (3′) ersichtlich.

Da der Curie-Punkt eine fest fixierte Temperaturgrenze darstellt werden sämtliche Regelamplituden im Beharrungszustand nahezu gleich null. (Erkennbar durch den fast waagrechten Temperaturkennlinienverlauf aller Parameter ab dem Heizpunkt t=50 Minuten). Bei geringfügigem Temperaturabfall an den Ferritkernen (4), (4′) erhalten diese wiederum ihre magnetische Leitfähigkeit und die Leistungsaufnahme der Induktionskochstelle (1), (2) erreicht kurzzeitig wiederum ihren Nennwert. Die Ferritkerne (4), (4′) selbst ermöglichen ein sogenanntes Leistungstakten mit einer relativen Einschaltdauer von circa 25% ohne den Einsatz von Fühl- oder Regelorganen. Aus dem Temperatur-Zeitdiagramm gemäß Fig. 3 ist weiterhin zu entnehmen, daß der Temperaturverlauf der Induktionsspule (5) vornehmlich an der Induktionsspulenunterseite, nach dem Einsetzen der Curie-Punkt-Regelung dem Temperaturverlauf der Ferritkerne (4), (4′) fast identisch ist. Vorraussetzung hierfür ist, daß die Ferritkerne (4), (4′) von der Induktionsspule (5) flächenmäßig vollkommen überdeckt werden. Selbst bei Ausfall von Teilen der Elektronik wird zuverlässig eine unzulässige Überhitzung der Induktionsspule (5) und damit ein Brand verhindert. Da der Curie-Punkt bei einer mittleren Ferritkerntemperatur erreicht wird, stellen auch alle übrigen Temperaturen Mittelwerte dar, d. h. die Temperaturerfassung ist flächenintegrierend und nicht punktuell.

Claims (7)

1. Verfahren zur Temperaturregelung bzw. Begrenzung an Induktionsheizspulen, insbesondere für Haushalt- Induktionskochgeräte sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit Hilfe von an der Induktionsspulenunterseite radial angeordneten Ferritkernen beliebiger Form mit vorbestimmtem Curie-Punkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Curie-Punkt der Ferritkerne (4) so gewählt ist, daß er etwas unterhalb der maximal zulässigen Induktionsspulengrenztemperatur liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Ferritkerne (4) der Induktionsspule (5) den gleichen Curie-Punkt besitzen.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Curie-Punkt der Ferritkerne (4) bei gleich oder kleiner 240 Grad Celsius liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das beim Unmagnetischwerden der Ferritkerne (4) sich aufbauende magnetische Streufeld der Induktionsspule (5) direkt zur Reduzierung der Leistungsabgabe eines Wechselrichters verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die periodisch wiederkehrende magnetische Leitfähigkeit der Ferritkerne (4) dem Leistungstakten der Induktionsspule (5) dient.

6.Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne (4) auf einer Spulenträgerplatte (3) aus Aluminiumblech befestigt, geklebt oder fixiert sind.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Radialanordnung der Ferritkerne (4) annähernd dem Außendurchmesser der Induktionsspule (5) entspricht.