CH711124A2 - Induktionskochsystem mit Temperaturregelung. - Google Patents

Abstract

Das Induktionskochsystem gemäss der Erfindung besteht aus einem speziellen Kochgeschirr (2) in dessen Boden eine Temperaturerfassungseinheit (3) untergebracht ist und einer im Kochfeld untergebrachten Elektronik (4), die in der Lage ist, das drahtlos gesendete Signal zu empfangen und als Führungsgrösse einer temperaturgeführten Leistungsregelung zu benutzen. Das vorgestellte Induktionskochsystem mit Temperaturregelung ist ein System, welches sich durch höchste Energieeffizienz, hohe Betriebssicherheit, leichte Bedienung und unbegrenzte Design auszeichnet.

Description

[0001] Ein energieeffizientes, sicheres und leichtes Kochen ist nur dann möglich, wenn das Kochgeschirr und die Wärmequelle des Kochfeldes miteinander kommunizieren können. Die Kommunikation muss sinnvollerweise nur über die Temperatur als Regelgrösse erfolgen. Es gab Versuche diese auf verschiedene Art und Weise zu lösen, allerdings sind sie bis dato allesamt gescheitert. Die Gründe des Scheiterns sind hauptsächlich in der Genauigkeit der Regelung zu suchen. Man hat es nicht geschafft, eine Lösung zu finden, welche sämtliche Anforderungen des Kochens und Bratens hätte gleichzeitig zufriedenstellen können. Es sind Lösungen bekannt, wonach man die Aussentemperatur der Kochgeschirrs-Wand als Referenz genommen hatte. Diese Lösung ist an bestimmte Bedingungen betreffen minimalen z.B. Wassermengen gebunden war. Für das Braten ist diese Lösung ungenau, resp. unbrauchbar. Eine weitere Lösung konzentrierte sich auf die Temperaturverhältnisse im Kochgeschirrdeckel, was dazu führt, das sie für das Braten ungeeignet ist. Allen Lösungen lag eine drahtlose Übertragung der Temperaturmesswerte zugrunde. Dem Erfinder ist eine einzige Lösung, bei der die Temperaturerfassung des Kochgeschirrbodens zu Grunde liegt, bekannt. Diese sieht vor, dass ein Hochtemperatursensor die Bodentemperatur misst in der er in einer radialer Bohrung im der Bodenebene untergebracht ist und mit der an dem Kochgeschirr aussenseitig befestigten Elektronik verdrahtet ist. Solche Lösung hat sich nicht durchgesetzt, da sie nicht besonders praxistauglich ist (unakzeptable Handgriffe, Störungsanfälligkeit ist gross usw.)

[0002] Bis dato hat sich keine akzeptable Lösung durchsetzen können, die eine Regelung des Kochsystems auf der Basis der Temperatur als Führungsgrösse kennzeichnet, durchgesetzt.

[0003] Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie geeignet ist ein gradgenaues Kochen und Braten zu garantieren. Diese Lösung ist derzeit nur in Verbindung mit einer Induktion möglich. Angesicht der Tatsachen, dass die Induktion einen stets zunehmenden Anteil bei elektrischen Kochfeldern erweist, ist diese Einschränkung nicht besonders störend.

Beschreibung der Erfindung

[0004] Die wichtigsten Systemkomponenten des Induktionskochsystems mit Temperaturregelung (1) sind das Kochgeschirr (2) mit in seinem Boden integrierten elektronischen Einheit (3), welche die Kochguttemperatur misst, das Messsignal der Steuerungselektronik (4) des Kochfeldes sendet, damit die Wärmeleistung eines Kochprozesses mit induktiven Heizung (5) temperaturgeführt geregelt werden kann. Also auf einer Seite liegt ein spezielles Kochgeschirr und auf der anderer Seite ein Regler, dazwischen nur noch die «Mechanik» (3/4) wie die Glaskeramik oder die Küchenarbeitsplatten aus verschiedensten Materialien, vor. Die beiden Systemkomponenten kommunizieren miteinander drahtlos, die elektronische Einheit (3) besitzt eine Antenne, die Steuerungselektronik (4) des Kochfeldes einen Empfänger.

[0005] Fig. 1 zeigt schematisch den Kommunikationsweg zwischen den beiden Kochsystembestandteilen.

[0006] Die Sendefrequenz wird in Bezug auf die verschiedenen Randbedingungen die das Kochsystem charakterisieren, entsprechend festgelegt. Der konstruktive Aufbau des Kochgeschirrs erlaubt spezifischen Massnahmen durchzuführen, welche einen störungsfreien drahtlosen Datentransfer gewährleisten. Schliesslich befindet sich die Kochgeschirrelektronik in einer metallischen Umgebung die von einem elektromagnetischen Wechselfeld durchflutet wird.

[0007] Der konstruktive Aufbau des induktionstauglichen Kochgeschirrs mit einer integrierten Temperaturerfassung stellt eine Erweiterung des Kochgeschirrs, welches in der CH-Patentanmeldung Nr. 00 655/15 unter dem Titel «Induktionstaugliches Niedertemperatur-Kochgeschirr, offenbart wurde, dar. Diese sieht den Einbau der erforderlichen Elektronik in den Bodenbereich des Topfes, welcher vor dem Tiefziehen erfolgt, vor.

[0008] Die schematische Darstellung gibt Fig. 2 wieder.

[0009] Die Gestaltung des Bodens erlaubt den Einbau einer elektronischen Einheit (3) die in der Lage ist die Temperatur der Innenscheibe (6) des Kochgeschirrs zu messen, das Analogsignal zu digitalisieren und ihn zu seinem korrespondierenden «Partner» im Kochfeld zu übermitteln. Solche miniaturisierte, autarke, drahtlose Mikrosysteme die bereits realisiert worden sind (IZM/FhG/Berlin), konnten angesichts der im Kochgeschirrboden herrschenden hohen Temperaturen, bis dato nicht eingesetzt werden. Mit dem Bekanntwerden des Kochgeschirrs gemäss obiger CH-Patentanmeldung öffnet sich die Möglichkeit solche mikroelektronischer Systeme in den Niedertemperaturraum (10) des Kochgeschirrbodens zu platzieren und sie als Grundlage für eine temperaturgeführte Regelung des induktivgeheizten Kochsystems zu benutzen.

[0010] Als Temperatursensor kann man entweder Platin-Messwiderstände oder Thermoelemente verschiedenen Typs verwenden. Kontaktlose IR-Sensoren können ebenfalls zum Einsatz kommen. Die gemessene Temperatur der Innenscheibe (6) entspricht weitgehend der Temperatur des Mediums welches sich im Kochgeschirr befindet. Die elektronischen Bauteile, sprich die Komponenten der Temperaturerfassungseinheit, befinden sich im Niedertemperaturraum (10) wo, dank thermischer Isolation durch die Wärmedämmschicht, wesentlich geringere Temperaturen herrschen. Heutige Elektronik-Bauteile können Temperaturen von 130 °C und leicht darüber vertragen ohne, dass ihre Funktionen beeinträchtigt werden. Da normalerweise bei heutigen Kochgeschirren im Bodenbereich, resp. Aussenscheibe (7) Temperaturen bis zu 400 °C (Strahlung) und mehr entstehen können, war der Einsatz eines Temperaturerfassungssystems mit einer drahtlosen Signalübertragung bis dato schlichtweg nicht möglich. Auch bei induktiven Kochsystemen können heute Temperaturen von bis zu 300 °C und mehr entstehen, insbesondere wenn es um Braten geht, oder allgemein gesehen, wenn leere Kochgeschirre erwärmt werden.

[0011] Der von der Antenne der Temperaturerfassungseinheit gesendeter Signal, wird von der im Kochfeld befindlichen Steuerungselektronik (4) empfangen und dem darin integrierten Regler weitergeleitet. Die entsprechende Regler-Software verarbeitet die übertragene Information über die Temperatur des Bodens, sprich des Mediums im Kochtopfinneren entsprechend. Wird eine bestimmte Temperatur des Kochgutes vorgegeben, sprich vom Koch oder Köchin in die Bedienungsebene eingetippt, so wird sie mit dem Messwert verglichen und entsprechend verarbeitet. So lange dieser Wert, der Sollwert genannt wird, kleiner ist als der Istwert ist, liefert das Kochfeld in das Kochgeschirr die volle Leistung. Erreicht der Istwert den Sollwert, schaltet die Elektronik die Leistungszufuhr ab und schaltet dann wieder ein, je nachdem wie die Temperaturhysterese festgelegt wurde. Die einfachste Art der Temperaturregelung ist eine On-Off-Regelung, wobei die andere Regelverhalten ebenfalls in Betracht kommen können (z.B. mit P, PI oder PID-Regler usw.).

[0012] Mit einer temperaturgeführten Regelung der Wärmezufuhr in ein Kochgeschirr wird das Kochen oder Braten besonders energieeffizient. Die Energieverbrauchsmessungen eines induktiven Kochsystems mit Kochgeschirr gemäss dieser Erfindung, zeigen, dass der Energieverbrauch gegenüber klassischen Kochfeldern die heute im Einsatz sind, um mehr als 70% verringert werden kann. Die Physik eines solchen Kochsystems ist einfach zu beschreiben: Dank dem Regler erfolgt die Wärmezufuhr innerhalb 1–3 Sekunden (je nach Grösse des Kochgeschirrs). Bis die Temperatur des Kochgutes im Inneren des Kochgeschirrs um 4 K abnimmt (z.B. bei einer +/–2 K-Hysterese) vergehen mehrere Zehner Sekunden. Das Kochgeschirr gibt seine Wärme an die umgebende Luft ab und dieser Wärmetransport verläuft nach Gesetzen der natürlichen Konvektion, der «langsam», resp. gering ist. Mit anderen Worten bei Erreichen des Einschaltpunktes – gleich Sollwert minus Hysterese – schaltet die Elektronik den Strom ein und dieser heizt das Kochgut mit voller Leistung an. Bei einer 2000 W Anschlussleistung des Kochfeldes dauert dieser Zustand 1–3 Sekunden an. In diesem Zeitinterwal sind dem Kochgut 2–6 kJ an Wärme zugeführt worden. Dagegen ist die Zeit bis der neuer Leistungsschub kommt in der Regel grösser als 20–60 Sekunden. Das Kochgeschirr gibt seine Wärme an die umgebende Luft in sehr geringen Mengen ab. Bei einem 3-Liter Kochgeschirr sind es gerade noch 100 W die da abgegeben werden. Schliesslich diese Wärmemenge muss aus dem Kochgeschirr an die Umgebung abgegeben werden und das dauert halt etwas länger. Dadurch ist es leicht zu verstehen, dass das Kochfeld 20 Mal länger ausgeschaltet als eingeschaltet ist. Zustand «eingeschaltet» bedeutet Energie wird zugeführt, resp. verbraucht. Dieses typische Verhalten entspricht den Verhältnissen während des Fortkochens, wodurch besonders viel Energie gespart werden kann.

[0013] Auf die Darstellung der Einzelkomponenten der autarken Temperaturerfassungseinheit (3) wird hier nicht naher eingegangen. Allerdings ist ihre Aufgabe, die Temperatur mittels eines Temperatursensors zu messen, den analogen Messwert in einen digitalen Messwert umzuwandeln (A/D-Wandler) und ihn dem Kochfeld drahtlos der Kochfeldsteuerungselektronik (4) zu übermitteln. Hier geht es nicht um die genaue Beschreibung der Funktionsweise der Bestandteile einer solchen Einheit, sondern lediglich um ihre Aufgabe in dem System Kochgeschirr-Regelung eines Induktionskochens. Die notwendige Energiequelle, die für das Funktionieren der Temperaturerfassungseinheit (3) erforderlich ist, erfolgt ebenfalls drahtlos. Eine miniaturisierte Spule, die vom elektromagnetischen Wechselfeld durchflutet wird, sorgt für die ausreichende Spannung, resp. Leistung die für den Betrieb benötigt ist. Neuere Miniatur-Energieversorgungstechnologien wie die thermoelektrischen Generatoren kommen hier grundsätzlich auch in Frage. Aus verständlichen Gründen kann ein Batteriebetrieb nicht zum Einsatz kommen (zu hohe Temperaturen, umständlicher Austausch usw.) obwohl prinzipiell möglich. Ausserdem wird es nicht gerade gerne gesehen, wenn von den Kunden verlangt wird, dass er die Batterie selber austauschen muss.

[0014] Vorzugsweise sollte die Temperaturerfassungseinheit (3) in einem Gehäuse untergebracht werden, damit ihr Einbau in den Niedertemperaturraum (10) leicht erfolgen kann. Weil sie in der Regel vor dem Tiefziehen eingebaut wird, muss sie von der eventuellen mechanischen Belastungen durch den vorzugsweise schlecht wärmeleitenden Ring (11) geschützt werden. Die räumliche Position des Niedertemperaturraums (10) im Boden des Kochgeschirrs kann, aber muss nicht unbedingt im Zentrum des Kochgeschirrs sein.

[0015] Das digitale Signal wird der elektronischer Steuerung des Kochfeldes (4) gesendet und dem darin integrierten Regler mitgeteilt. Eine anwendungsspezifische Software sorgt dann für den Rest.

[0016] Das oberste Ziel einer temperaturgeführten Leistungsregelung ist den Sollwert zu erreichen und diesen zu halten. Die heutigen Kochsysteme besitzen keine temperaturgeführte Regelung. Sie funktionieren nur auf der Basis einer Steuerung. Eine Steuerung unterscheidet sich von einer Regelung darin, dass sie mit der «Aussenwelt» nicht kommuniziert, sondern von fest programmierten Vorgaben gespeist wird. Die Leistungsstufen, die meist mit Zahlen von 1–10 gekennzeichnet sind, werden von dem Benutzer wählt. Dieser Leistungsstufe sind Werte für die ON/OFF-Betrieb fest zugeordnet. Im Gegensatz zu Steuerung unterscheidet sich die Regelung gerade in diesem Punkt; sie kommuniziert mit der «Aussenwelt» in dem sie die tatsächlichen gemessenen Temperaturen – man nennt sie Istwert – mit dem von dem Benutzer vorgegebenen Sollwert vergleicht und dann entsprechend die Leistung «dosiert». Neu ist allerdings die Tatsache, dass der Benutzer nicht mehr eine Leistungsstufe wählt, sondern die gewünschte Kochguttemperatur. Dies ist durchaus gewöhnungsbedürftig, aber keinesfalls der Grund dafür, dass man auf eine Reihe positiver Eigenschaften dieser Erfindung verzichten muss.

[0017] Ein Kochfeld besitzt alles was erforderlich ist um sein Funktionieren gewährleisten zu können. Allerdings hängt seine Energieeffizienz ausschliesslich von dem Verhalten seines Bedieners ab. Im Gegensatz zu Regelung muss der Benutzer heute ständig mitdenken, um energieeffizient kochen zu können. Diese Aufgabe nun übernimmt die Regelung, resp. die Regelalgorhythmen, welche in die Software implementiert wurden und übernehmen dass was bis dato der Benutzer tun musste, nämlich ständige Anpassung der Wärmeleistung durch die Wahl einer neuen Leistungsstufe. Die meisten Softwaren können viel mehr liefern als lediglich ein Regelverhalten, wie z.B. eine bestimmte Kochguttemperatur zu halten. Dies allerdings ist nicht das Thema dieser Erfindung und wird verständlicher Weise nicht näher erläutert.

[0018] Der Vorteil des Induktionskochsystems liegt darin, dass man damit gradgenau Kochen und Braten kann. Beides zusammen, also Kochen und Braten was bis dato äusserst schwierig und ist als einer der Hauptgründe für das Scheitern einer temperaturgeführten Regelung, zu benennen. Dieses Kochsystem zeichnet sich auch durch die niedrige Kochgeschirrbodentemperatur aus und dem zu Folge kann man ihn in die Küchenarbeitsplatten aus verschiedensten Materialien integrieren. So z.B. kann man solche Materialien, welche nicht gerade hochtemperaturbeständig sind verwenden. Ein Beispiel dafür sind Küchenarbeitsplatten oder Spülen aus Mineralwerkstoffen wie Corian/DuPont, Keramik, Quarzsteine wie Zodiac/DuPont, Cristalite, Cristastone und Cristadur allesamt von Schock, sowie Silgranit/Blanco. Diese Materialien können jetzt ohne Bedenken als Küchenarbeitsplatte unterhalb denen eine Induktion angebracht ist, verwendet werden. Die niedrigen Temperaturen des Kochgeschirrs ermöglichen diesen Einsatz. Bis dato war eine solche Lösung nicht möglich da diese Materialien zu geringe Temperaturbeständigkeit haben. Natürlich sind diese künstlichen Werkstoffe mehr oder weniger kratzempfindlich, aber sie eignen sich als Material für die Küchenarbeitsplatten durchaus, ohne dass man für Induktion die Arbeitsplatte mit einem Ausschnitt versehen muss. Induktives Kochen auf einer ebenen Arbeitsplatte ist bis dato nur mit einer sog. TPB-Arbeitsplatte möglich (TPB/Barce-lona). Diese Platte ist zusammengesetzt aus einer Oberschicht aus Porzellan, einer Alu-Schicht und einem Duroplast (BMC oder ä.) damit sie sämtlichen Eigenschaften, welche von einer Küchenarbeitsplatte erwartet werden, erfüllt werden können. Der Nachteil dieser Lösung liegt in den zu hohen Temperaturen welche an Kochpositionen herrschen und die gelegentlich zu Handverbrennungen führen können. Mit einem Induktionskochsystem, gemäss dieser Erfindung, bekommt auch eine solche Küchenarbeitsplatte zusätzlich eine ganz andere Qualität.

Claims (10)

1. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Kochgeschirr mit einer integrierten Temperaturerfassungseinheit, welche in seinem Boden positioniert ist und einer Steuerungselektronik, welche in Kochfeld positioniert ist, besteht.

2. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet ist, dass Temperaturerfassungseinheit die Messwerte drahtlos an die Steuerungseinheit des Kochfeldes überträgt.

3. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinheit vor dem Tiefziehen in ein thermisch isolierten Raum positioniert und durch einen im Kochgeschirrboden positionierten Ring vor der mechanischen Zerstörung geschützt wird.

4. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Temperaturerfassungseinheit drahtlos durch eine Mikrospule oder durch einen thermoelektrischen Generator erfolgt.

5. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerungseinheit des Kochfeldes ein Temperaturregler integriert ist.

6. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit des Kochfeldes alle technischen Voraussetzungen erfüllt, um eine temperaturgeführte Regelung realisieren zu können.

7. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler durch ein P-, PI-, PID-, oder ON/OFF-Verhalten charakterisiert wird.

8. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungselektronik des Kochfeldes mehr als eine Kochstelle erfassen kann.

9. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht, welche ein Bestandteil des Bodens des Kochgeschirrs ist, keine Temperatur des Kochgeschirrbodens wesentlich grösser als 100 °C zulässt.

10. Induktionskochsystem mit Temperaturregelung gemäss Patentansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmedämmschicht feste und gasförmige Materien, vorzugsweise solche mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit oder Vakuum, verwendet wird.