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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Kochfeld mit einer Glas- oder Glaskeramikplatte
als Kochfläche,
welche mindestens eine Kochzone aufweist, unterhalb der eine mit
einem hochfrequenten Wechselstrom gespeiste Induktionspule für eine induktive
Beheizung von auf der Glas- oder
Glaskeramikplatte stehendem Kochgeschirr angeordnet ist.
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Unter
einer Glas- oder Glaskeramikplatte im Sinne der Erfindung sollen
nicht nur flache, ebene Platten, sondern auch abgekantete und abgewinkelte Platten
sowie gewölbte
Platten verstanden werden, wobei die Platten rechtwinklig oder rund
ausgebildet sein können
bzw. auch eine andere Kontur haben können. Als Glasplatten im Sinne
der Erfindung kommen nur solche in Betracht, deren Gläser einen
sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben und genügend „hart" sind, z.B. vorgespannte Borosilikat-Gläser.
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Moderne
Kochfelder besitzen plattenförmige Glas-
oder Glaskeramik-Kochflächen mit
typischerweise vier Kochzonen, denen jeweils eine Heizquelle zugeordnet
ist.
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Als
Heizquelle für
diese Kochfelder haben sich seit Jahren sogenannte elektrisch betriebene Strahlungsheizkörper durchgesetzt.
Diese Strahlungsheizkörper
bestehen jeweils aus einem Isolationstopf, in den ein elektrischer
Widerstandsdraht als Heizquelle eingelegt ist. Fließt nun ein
elektrischer Strom, so erhitzt sich dieser Widerstandsdraht und gibt
die aufgenommene elektrische Energie als Wärme an seine Umgebung ab. Der
Energietransport vom Widerstandsdraht zur Kochfläche bzw. dem darauf stehenden
Kochgeschirrboden erfolgt dabei in Form von Wärmestrahlung und Wärmeleitung.
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Neben
Kochfeldern mit Strahlungsheizkörpern
haben sich auch Kochfelder mit induktiv beheizten Kochzonen am Markt
etabliert. Beim induktiven Kochen und Erwärmen wird mittels elektromagnetischer
Energie die Wärme
direkt im Boden des Kochgeschirres erzeugt. Die dazwischen liegende
Kochfläche
dient lediglich als Standfläche
für das
Kochgeschirr, nicht aber zur Wärmeübertragung.
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Bei
dieser induktiven Beheizung wandelt ein Umrichter im Kochfeld den
Netzstrom mit niedriger Frequenz in einen hochfrequenten Wechselstrom um.
In einer Kupferdrahtspule unter der jeweiligen Kochzone, dem sogenannten
Induktor, welche die Funktion einer Induktionsspule hat, erzeugt
der Hochfrequenzstrom ein elektromagnetisches Wechselfeld. Die Induktionsspulen
werden dabei in Durchmessern gewickelt, die den normalen Kochstellengrößen entsprechen
und verfügen über Leistungen im
Bereich von beispielsweise 1,4 kw bis über beispielsweise 3,0 kw.
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Stellt
man betrieblich ein Kochgeschirr mit magnetisierbarem Boden auf
die Kochzone über dem
Induktor, koppelt dieser sich wie die Sekundärseite eines Transformators
in das angebotene Wechselfeld ein. Es werden Wirbelströme induziert,
die Wärmeenergie
freisetzen. Voraussetzung ist die Verwendung eines speziellen Kochgeschirrs
mit einem magnetisierbaren (ferromagnetischen) Boden, das den sogenannten
Suszeptor bildet. Physikalisch gesehen ist das Induktionskochfeld
demzufolge ein Transformator. Die Primärspule ist die Kupferdrahtspule,
die Induktionsspule, unter der Kochfläche, der Kochgeschirrboden
entspricht der Sekundärspule.
Der Unterschied zum Transformator besteht darin, daß auf der
Sekundärseite
die elektrische Energie nicht entnommen, sondern direkt in Wärmeenergie
umgewandelt wird.
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Da
beim Erzeugen der elektromagnetischen Energie in den Induktionsspulen
außer
der Wärmeenergie
und der magnetischen Energie auch netzbedingte höherfrequente elektrische Feldenergien
erzeugt werden, kann am Kochgeschirr während des Kochvorgangs eine
Spannung gemessen werden. Das Kochgeschirr wirkt zusammen mit der
Kupferdrahtspule wie ein elektrischer Kondensator. Wird die Energiezufuhr
zur Primärseite
unterbrochen, kollabiert das elektromagnetische Feld, wobei sich
die Ladung an der Sekundärseite
erst allmählich
abbaut.
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Betreibt
man gleichzeitig mehrere Kochzonen auf einem Kochfeld, mit voneinander
getrennten und mit unterschiedlichem Leistungseintrag geregelte
magnetische Wechselfelder, so entsteht eine Ladungsdifferenz zwischen
den einzelnen aufgestellten Kochgeschirren. Wird zwischen diesen
ein elektrisch leitender Kontakt hergestellt, so vollzieht sich
bei Annäherung
der Kontaktstellen ein Ladungsausgleich, der sich bei hoher gespeicherter
Ladung durch einen Ladungsüberschlag
(Blitz) äußert. Erfolgt
eine Erdung der Sekundärseite über den
menschlichen Körper,
so kann die im Kochgeschirr gespeicherte Ladung über diesen abfließen, was
sich hinsichtlich der körperlichen
Empfindung als unangenehmes Gefühl darstellt
(elektrischer Schlag).
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Diese
Ladung, die während
der An- bzw. Fortkochphase auf einem induktiv betriebenen Kochfeld
am Kochgeschirr aufgebaut wird, könnte durch einen am Kochgeschirr
angebrachten Ladungsableiter/Blitzableiter abgeleitet werden und
somit den Ladungsträger
während
des Kochbetriebs dauerhaft entladen. Das Kochgeschirr müsste daher
mit einem Stromkabel aus einem Material mit geringem Widerstand,
z.B. aus Kupfer, mit dem (geerdeten) Nullleiter der Stromversorgung
des Kochfeldes verbunden werden. Da die Ladung den Weg mit dem geringsten Widerstand
Richtung Stromquelle aufsucht, fließt diese über das Kupferkabel in die
Erde ab. Das Kochgeschirr wäre
somit während
des Kochbetriebes geerdet und der Kochfeldbenutzer wäre während des Betriebes
des Kochfeldes vor einem Stromschlag geschützt. Jedoch würde ein
dauerhaft angebrachtes Stromkabel am Kochgeschirr den Kochfeldbenutzer insbesondere
in seiner Handhabung während
des Kochens stark einschränken.
Eine derartige Lösung wäre daher
nicht praxisgerecht.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das eingangs bezeichnete Kochfeld
hinsichtlich des induktiv betriebenen Kochsystems, bestehend aus Spule,
Kochfläche
und Kochgeschirr, auf praktikable Weise so zu verbessern, daß sich während des Kochvorgangs,
d.h. sowohl beim Anwie beim Fortkochen im Kochgeschirr keine elektrische
Ladung mehr aufbauen kann und somit der Schutz für den Kochfeldbenutzer auf
einfache Weise gewährleistet
ist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt bei einem Kochfeld mit einer Glas- oder Glaskeramikplatte
als Kochfläche,
welche mindestens eine Kochzone aufweist, unterhalb der eine mit
einem hochfrequenten Wechselstrom gespeiste Induktionspule für eine induktive
Beheizung von auf der Glas- oder Glaskeramikplatte stehendem Kochgeschirr
angeordnet ist, auf überraschende
Weise erfindungsgemäß dadurch,
daß die
Glas- oder Glaskeramikplatte auf mindestens einer Plattenseite zumindest
teilweise mit einer elektrisch leitfähigen, geerdeten Schicht versehen
ist.
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Die
erfindungsgemäße Beschichtung
der Kochfläche
mit einer elektrisch leitfähigen
Schicht ist auf einfache Weise auf die entsprechende Glas- oder Glaskeramikplatte
aufzubringen und sie stört
die betrieblichen Abläufe
in keiner Weise. Insbesondere wird die Handhabung des Kochgeschirres
nicht beeinträchtigt.
Als überraschend
ist diese einfache Lösung
deshalb anzusehen, weil man zunächst
erwarten müsste,
daß eine
elektrisch leitfähige
Schicht zwischen Induktionsspule und Kochgeschirr das Primärfeld dieser
Spule wie ein faradayischer Käfig
abschirmt und somit das Kochgeschirr nicht mehr erwärmt wird.
Und überraschend
auch, weil die leitfähige
Beschichtung auch dann wirkt, wenn sie auf der Unterseite der Kochfläche angebracht
wird, und sie daher mit dem Kochgeschirr nicht leitend verbunden ist.
Die Ursache liegt nach Erkenntnis der Erfinder darin, daß die leitfähige Schicht
zu dünn
ist, um die gewollten, zum Kochen erforderlichen elektromagnetischen
Felder abzuschirmen, aber dick genug ist, um die von der Induktionsspule
ausgehenden ungewollten und störenden
höherfrequenten
Felder abzuschirmen. Für
diese elektromagnetischen Felder wirkt die Beschichtung wie eine
Sperrschicht, sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite
der Kochfläche.
Aufgrund dieser Wirkungsweise braucht die leitfähige Schicht auch nicht mit
dem Kochgeschirr leitfähig
verbunden sein, da ja vorher schon verhindert wird, daß sich im
Kochgeschirr ein Potential aufbauen kann.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind in Unteransprüchen
gekennzeichnet sowie ergeben sich aus der Figurenbeschreibung.
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Anhand
von zwei in der Patentzeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
wird die Erfindung näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 in
einer schematischen Längsschnitt-Darstellung
eine Kochzone eines Kochfeldes mit induktiv betriebenem Kochsystem,
bestehend aus Induktionsspule, Kochfläche und Kochgeschirr, wobei
die Oberseite der Kochfläche
mit einer elektrisch leitfähigen,
geerdeten Schicht versehen ist,
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2 in
einer der 1 entsprechenden Darstellung
eine zweite Ausführungsform,
bei welcher die Unterseite der Kochfläche mit der elektrisch leitfähigen Schicht
versehen ist.
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Beide
Figuren zeigen ausschnittsweise den Bereich um eine Kochzone 1 eines
Kochfeldes mit einer Glas- oder Glaskeramikplatte 2 als
Kochfläche. Derartige
Kochfelder sind hinlänglich
bekannt und brauchen daher hier nicht näher beschrieben zu werden.
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Unterhalb
der Kochzone 1 ist eine Induktionsspule 3 angeordnet,
die von einem im Kochfeld angeordneten und vom Netz gespeisten Umrichter mit
einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt wird. Diese zugehörige Elektrik
ist in den beiden Figuren nicht dargestellt, weil sie ebenfalls
hinlänglich
bekannt ist, z.B. durch die eingangs zitierten einschlägigen Schriften.
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Die
Induktionsspule 3 erzeugt betrieblich ein hochfrequentes
elektromagnetisches Wechselfeld, in das sich ein auf die Kochzone 1 aufgestelltes
Kochgeschirr 4 mit magnetisierbarem Boden wie die Sekundärseite eines
Transformators einkoppelt. Es werden dabei Wirbelströme induziert,
die Wärmeenergie
freisetzen und das zu garende Gut erwärmen.
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Neben
dieser gewollten Energiefreisetzung erzeugt die Induktionsspule 3 auch
ungewollte störende
netzbedingte höherfrequente
elektrische Felder, die, wie eingangs dargelegt, unerwünschte elektrische
Spannungen am Kochgeschirr erzeugen. Um diese Aufladung zu vermeiden,
sieht die Erfindung vor, eine Seite der Kochfläche mit einer elektrisch leitenden
Schicht 5 zu versehen, sowie diese Schicht zu erden, z.b.
mit dem Nullleiter der Stromversorgung zu verbinden, was in den
Figuren symbolisch durch die Leitung 6 zum Ausdruck gebracht
ist. Diese Erdung erfolgt vorzugssweise am Rand der Kochfläche, zweckmäßig an mehreren
Stellen.
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Die
Dicke der Schicht 5 ist so bemessen, daß sie auf der einen Seite die
ungewollten und störenden
höherfrequenten
elektrischen Felder abschirmt und auf der anderen Seite die gewollten,
zum Kochen erforderlichen elektromagnetischen Felder nicht merklich
beeinträchtigt.
Die entsprechende Dicke der Schicht 5, die auch von dem
Schichtmaterial abhängt,
liegt typischerweise im Bereich von 80 – 120 nm, vorzugsweise bei
85 nm. Der Schichtwiderstand (Flächenwiderstand)
liegt im Bereich von 300 – 500 Ω☐.
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Bei
der Ausführungsform
nach 1 ist die elektrisch leitfähige Schicht 5 auf
der Oberseite der Glas- oder Glaskeramikplatte 2 des Kochfeldes
aufgebracht. Sie lässt
auf der einen Seite das heizende elektromagnetische Feld durch und
ermöglicht
auf der anderen Seite das Abfließen der Ladung vom Kochgeschirr 4 über die
Schicht 5 zum Nullleiter.
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Um
dieses Abfließen
der Ladung zu gewährleisten,
genügt
es prinzipiell, die Glas- oder Glaskeramikplatte nur partiell mit
der leitfähigen
Schicht zu versehen, z.B. indem die Kochzonen und sie verbindende
Bereiche beschichtet werden. Herstellungstechnisch einfacher ist
es jedoch, die gesamte Plattenfläche
zu beschichten.
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Bei
der Ausführungsform
nach 2 ist die elektrisch leitfähige Schicht 5 auf
der Unterseite der Glas- oder Glaskeramikplatte 2 aufgebracht.
Sie schirmt die störenden
elektrischen Felder ab und verhindert eine merkliche Aufladung des
Kochgeschirres.
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Als
elektrisch leitfähiges
Material für
die Schicht 5 kommt z.B. Zinnoxid (SnO2)
in Frage. Eine SnO2)-Beschichtung besitzt
gegenüber
anderen metallischen und elektrisch leitfähigen Schichten den Vorteil,
daß sie
im sichtbaren Bereich annähernd transparent
ist und somit die visuelle Anmutung der Kochfläche weitgehendst unbeeinträchtigt lässt. Problematisch
ist dabei, daß die
Beschichtung selbst gegenüber
empfohlenen Reinigungsmitteln für
Glaskeramik-Kochflächen
nicht abriebfest ist, was die Leitfähigkeit der Beschichtung beeinträchtigen
könnte.
Daher wird vorzugsweise auf die elektrisch leitfähige Schicht 5 noch
eine konventionelle abriebfeste „harte" und transparente Deckschicht aufgebracht,
wenn die abschirmende elektrisch leitfähige Schicht 5 gemäß 1 auf
der Oberseite der Glas- oder Glaskeramikplatte angebracht ist. Dabei
sollte zweckmäßig die
Deckschicht ebenfalls leitfähig
sein, damit über diese
die notwendige Erdung stattfinden kann, oder die Erdung erfolgt über einen
Kontakt an einem deckschichtfreien Randstreifen der leitfähigen Schicht 5.
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Liegt
die elektrisch leitfähige
Schicht 5 auf der Unterseite der Glas- oder Glaskeramikplatte (2),
dann entfällt
die Notwendigkeit einer zusätzlichen
Deckschicht, weil die empfindliche SnO2 Beschichtung
nicht durch ein Reinigungsmittel beeinträchtigt werden kann. Außerdem wird
die Anmutung der Kochfläche
durch den leicht spiegelnden Effekt der Schicht 5 nicht
beeinträchtigt,
was den Betrachter im Fall der Ausführung nach 1 stören könnte.
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Während eines
An- bzw. Fortkochversuches mit einer erfindungsgemäß präparierten
Glaskeramik-Versuchsplatte zeigte sich für beide Ausführungsformen,
daß, sobald
die Beschichtung 5 am Rand der Kochfläche mit dem Nullleiter 6 verbunden wurde,
am Kochgeschirr 4 keine Ladung mehr gemessen werden konnte.
Dieser Vorgang wurde in mehreren Versuchszyklen bestätigt.
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Die
Zinnoxid-Schicht kann beispielsweise im Sprühverfahren und anschließender Wärmebehandlung
auf die Glas- oder Glaskeramikplatte aufgebracht werden.
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Daneben
hat sich auch gezeigt, daß eine elektrisch
leitfähige
Beschichtung auch im Sputterverfahren aufgebracht werden kann, was
besonders vorteilhaft eine sehr gleichmäßige homogene Schicht auf der
Glas- oder Glaskeramikplatte erzeugt. Als elektrisch leitfähige Materialien,
die durch Sputtern aufgebracht werden können, sind z.B. Edelstahl,
Titan, Chrom oder Aluminium zu nennen, die alle einen geringen spezifischen
elektrischen Widerstand vorweisen. Grundsätzlich sind auch Edelmetalle
wie Gold oder Silber geeignet, die jedoch relativ teuer sind.
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Als
elektrisch leitfähige
Beschichtung ist auch eine metallisierte Kunststoffschicht aus temperaturbeständigem Kunststoff
denkbar.
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Ferner
ist es denkbar, unterhalb der Glas- oder Glaskeramikplatte zur Abschirmung
der störenden
höherfrequenten
elektrischen Felder eine dünne metallische
Folie oder eine dünne
metallisierte Kunststofffolie mit jeweils geringem spezifischen
Widerstand anzubringen.