DE102012207847A1

DE102012207847A1 - Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Heizkörpers

Info

Publication number: DE102012207847A1
Application number: DE102012207847A
Authority: DE
Inventors: Harri Pankratz; Hans-Joachim Thiemann
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14
Also published as: CN104272863A; CA2870241A1; EP2848088A2; JP2015517715A; US20150060439A1; JP6218809B2; WO2013167686A2; KR20150011827A; DE112013002397A5; US9615407B2

Abstract

Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Heizkörpers (4), insbesondere mittels eines durch eine Induktionsspule (2) erzeugten Magnetfeldes (1), mit einer Induktionsspule (2), die an einen Schwingkreis (3) angeschlossen ist, wobei der Schwingkreis (3) mindestens einen erste Kondensator (6) und mindestens eine erste Stromquelle (9) aufweist, und die Induktionsspule (2) eine spezifische Induktivität (8) sowie einen Widerstand (7) aufweist, und das Material des Heizkörpers (4) eine zumindest in Temperaturteilbereichen konstante Permeabilität aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Heizkörpers, insbesondere mittels eines durch eine Induktionsspule erzeugten Magnetfeldes, mit einer Induktionsspule, die an einen Schwingkreis angeschlossen ist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Heizkörpers.
Stand der Technik
Per Induktion können elektrisch leitende Materialien erwärmt werden. Dies geschieht indem ein elektrisch leitfähiges Material in ein Magnetfeld, welches durch eine Induktionsspule erzeugt wird gebracht wird. Das Magnetfeld wird hierbei durch Wechselstrom erzeugt, was zu einer Umpolung des Magnetfeldes in der Frequenz des Wechselstroms führt.
Durch das wechselnde Magnetfeld werden Wirbelströme in das elektrisch leitende Material induziert. Diese induzierten Wechselströme wirken gegen den spezifischen Widerstand des Materials, wodurch Wärme erzeugt wird.
Die Induktion kann hierbei durch nicht leitende Materialien hindurch erfolgen, welche keine Erwärmung erfahren. Lediglich die Wärmeabstrahlung des elektrisch leitenden Materials kann zu eine Erwärmung der umgebenden nicht leitenden Materialien führen.
Erwärmung per Induktion ist heute in vielen Anwendungen zu finden. Die häufigsten industriellen Anwendungen sind etwa das Anlassen, Glühen, Schmelzen oder Schweißen von Metallen. Aber auch in der Haushalttechnik ist das induktive Erwärmen etwa in Induktionskochfeldern zu finden.
Induktionsheizungen werden weiterhin auch zur Erwärmung von Fluiden genutzt, welche einen Heizkörper umfließen. Insbesondere zum Einsatz in Wasserkreisläufen in Elektrofahrzeugen sind Induktionsheizungen geeignet, da mit einem relativ hohen Wirkungsgrad elektrische Energie in Wärme umgesetzt werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da bei Elektrofahrzeugen keine Abwärme vom Verbrennungsmotor entsteht und diese somit nicht zur Erwärmung etwa des Fahrgastinnenraums genutzt werden kann.
Um die abgegebene Heizleistung einer Induktionsheizung gezielt regeln zu können, und um sicherstellen zu können, dass die Induktionsheizung nicht überhitzt ist es notwendig die Temperatur des Heizkörpers, welcher induktiv erwärmt wird genau bestimmen zu können. Hierfür sind im Stand der Technik unterschiedliche Methoden bekannt.
Unter anderem kann die Temperatur eines Gegenstandes durch Temperatursensoren erfasst werden. Diese können entweder direkt auf dem Gegenstand angebracht sein, oder in Verbindung mit einer thermischen Brücke am Gegenstand befestigt sein. Diese Temperatursensoren arbeiten etwa durch das Prinzip der temperaturabhängigen Veränderung des Widerstandes des Sensors. Hierzu muss jedoch der Sensor oder die thermische Brücke als zusätzliches Teil genutzt werden, wodurch Kosten entstehen, und weiterhin Bauraum beansprucht wird.
Außerdem sind ebenfalls optische Temperaturmessvorrichtungen bekannt, welche eine Temperatur berührungslos über optische Verfahren bestimmen. Um optische Verfahren einsetzen zu können muss der zu messende Bereich einsehbar und im Besten Falle auch zugänglich sein. Dies ist jedoch nicht überall möglich.
Die Bestimmung der Temperatur eines mittels Induktion erwärmten Heizkörpers ist überdies auch durch Verfahren, welche die temperaturabhängigen Permeabilitätseigenschaften eines Materials ausnutzen erfolgen. Dies ist etwa in der DE 42 38 862 C2 offenbart.
Nachteilig an diesem Verfahren ist insbesondere, dass eine Anwendung nicht für Materialien möglich ist, die eine konstante Permeabilität für den im Anwendungsfall interessanten Temperaturbereich aufweisen, wodurch die Materialauswahl eingeschränkt wird, bzw. die Anwendung des Verfahrens nur bei speziellen Material-Temperaturbereich-Kombinationen möglich ist.
Bei allem nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden zusätzliche Komponenten benötigt um eine Temperaturbestimmung durchführen zu können oder es wird ein ausreichender Zugang zur zu messenden Stelle benötigt.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Heizkörpers und ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Heizkörpers eine Induktionsheizung zu schaffen, welche bzw. welches es auf einfache und kostengünstige Weise, ohne zusätzliche Komponenten und ohne Anforderungen an die Zugänglichkeit des Heizkörpers erlaubt die Temperatur des Heizkörpers zu bestimmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst und bezüglich des Verfahrens durch eine Warmwegsteuerung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Vorteilhaft ist eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Heizkörpers, insbesondere mittels eines durch eine Induktionsspule erzeugten Magnetfeldes, mit einer Induktionsspule, die an einen Schwingkreis angeschlossen ist, wobei der Schwingkreis mindestens einen erste Kondensator und mindestens eine erste Stromquelle aufweist, und die Spule eine spezifische Induktivität sowie einen Widerstand aufweist, und das Material des Heizkörpers eine zumindest in Temperaturteilbereichen konstante Permeabilität aufweist.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Schwingkreis mit Wechselstrom betreibbar ist. Hierdurch bildet sich ein sich mit der Frequenz des Wechselstroms umpolarisierendes Magnetfeld aus, über welches Wechselströme in den Heizkörper induziert werden.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Kondensator mit der Stromquelle und der Induktionsspule in Reihe geschaltet ist.
Außerdem vorteilhaft ist es, wenn das Material des Heizkörpers eine temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit aufweist. Über die elektrische Leitfähigkeit ist der Widerstand des Materials berechenbar, da der Widerstand und die Leitfähigkeit umgekehrt proportional zusammenhängen. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es notwendig, dass der Heizkörper einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Schwingkreis mindestens eine erste Messeinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf und/oder weist eine zweite Messeinrichtung zur Bestimmung des Leistungsverbrauchs des Schwingkreises auf.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung mindestens eine dritte Messeinrichtung zur Messung des temperaturabhängigen Widerstands des Heizkörpers aufweist, wobei aus dem Widerstand die Temperatur des Heizkörpers ermittelbar ist.
Über den Widerstand des Heizkörpers kann letztlich die Temperatur des Heizkörpers abgeleitet wird.
Auch zweckmäßig ist es, wenn der temperaturabhängige Widerstands des Heizkörpers ermittelt, wie insbesondere berechnet wird, wobei aus dem Widerstand die Temperatur des Heizkörpers ermittelbar ist.
Hinsichtlich des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn zur Bestimmung der Temperatur eines Heizkörpers, die Induktivität der Induktionsspule über die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt wird und/oder der Widerstand der Induktionsspule über den Leistungsverbrauch des Schwingkreises ermittelt wird.
Weiterhin zweckmäßig für ein Verfahren ist es, wenn aus der Induktivität und/oder dem Widerstand der Induktionsspule die Temperatur des Heizkörpers ermittelt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Induktionsheizung,
2 zeigt eine Detaildarstellung des Stromkreises, welcher an die Induktionsspule angeschlossen ist, die das Magnetfeld erzeugt, und
3 zeigt ein Flussdiagramm, welches einzelne Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels verdeutlicht.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Induktionsheizung. Dargestellt ist die Induktionsspule 2, welche an einen Schwingkreis 3 angeschlossen ist, welcher mit Wechselspannung betrieben wird. Durch die Wechselspannung im Schwingkreis 3 wird in der Induktionsspule 2 ein Magnetfeld 1 erzeugt. Auf Grund des im Schwingkreis 3 anliegenden Wechselstroms ist das Magnetfeld 1 ein Wechselmagnetfeld, welches mit der Frequenz des Wechselstroms seine magnetische Ausrichtung ändert.
In das Magnetfeld 1 ist ein Heizkörper 4 eingebracht, welcher aus einem elektrisch leitenden Material besteht. In den Heizkörper 4 werden auf Grund des Magnetfeldes 1 Wirbelströme 5 induziert. Da die Wirbelströme 5 gegen den spezifischen Widerstand des Heizkörpers 4 wirken, entsteht Wärme im Heizkörper 4.
Hieraus ergibt sich, dass das Material aus dem der Heizkörper 4 besteht einen gewissen spezifischen inneren Widerstand aufweisen muss, um eine wirksame Erwärmung des Heizkörpers 4 zu ermöglichen. Je geringer der innere Widerstand des Materials ist, umso geringer wird der Erwärmungseffekt ausfallen.
In einer erfindungsgemäßen Ausführung weist das Material 4 in den für die Induktionsheizung relevanten Temperaturbereich eine konstante Permeabilität auf, was zur Folge hat, dass Temperaturmessverfahren, die eine sich in Abhängigkeit der Temperatur verändernde Permeabilität zu Grunde legen nicht eingesetzt werden können
Der Heizkörper 4 muss in einem solchen Abstand zur Induktionsspule 2 angeordnet sein, dass er sich noch innerhalb des sich bildenden Magnetfeldes befindet. Zwischen dem Heizkörper 4 und der Induktionsspule 2 können andere Elemente aus elektrisch nicht leitenden Materialien angeordnet sein.
Nach diesem einfachen Prinzip sind Induktionsheizungen aufgebaut. Der Heizkörper 4 kann in alternativen Ausführungsformen auch andere Außenmaße und -formen aufweisen. So ist prinzipiell jede regelmäßige oder auch unregelmäßige Anordnung des Materials des Heizkörpers 4 denkbar.
2 stellt eine Detailansicht des Schwingkreises 3 dar. Neben der Spannungsquelle 9 und der Induktionsspule 2 ist ein Kondensator 6 in den Schwingkreis 3 integriert. Der Kondensator 6 ist mit der Induktionsspule 2 und der Spannungsquelle 9 in Reihe geschaltet.
Die Induktionsspule 2 weist einen inneren Widerstand 7 und eine Induktivität 8 auf. Diese beiden Größen lassen sich in dem in 2 gezeigten Schwingkreis 3 über die Messung des Leistungsverbrauchs des Schwingkreises 3 oder die Messung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 3 ermitteln.
Hierbei ist insbesondere die Induktivität 8 über die Messung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 3 und der innere Widerstand 7 über den Leistungsverbrauch des Schwingkreises 3 ermittelbar.
In der 2 nicht dargestellt ist der innere Widerstand des Heizkörpers 4. Dieser ist in einer erfindungsgemäßen Ausführung von der Temperatur des Heizkörpers 4 abhängig. Der Widerstand des Materials ist direkt umgekehrt proportional mit der Leitfähigkeit des Materials verknüpft. Der Widerstand entspricht damit dem Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit.
Da die Stärke und die Verteilung der Wirbelströme 5 im Heizkörper 4 in hohem Maße von dem inneren Widerstand, bzw. der Leitfähigkeit des Heizkörpers 4 abhängt, folgt als logische Konsequenz, dass die Veränderung des Widerstandes aufgrund der sich verändernden Temperatur, Auswirkungen auf die Wirbelströme 5 hat. Die Stärke und Verteilung der Wirbelströme 5 ist somit ebenfalls temperaturabhängig.
Die induzierten Wirbelströme 5 wirken ihrerseits auf das Magnetfeld 1 der Induktionsspule 2 ein und verändern hierdurch die elektrischen Eigenschaften der Induktionsspule 2.
Diese Veränderung der elektrischen Eigenschaften betrifft den inneren Widerstand 7 und die Induktivität 8 der Induktionsspule 2. Aus der Veränderung dieser beiden Größen kann damit auf die Veränderung des elektrischen Widerstandes des Heizkörpers 4 und damit auf seine Temperatur geschlossen werden.
Es kann somit ein direkter Bezug zwischen den Größen Induktivität 8, innerer Widerstand 7 der Induktionsspule 2 und dem temperaturabhängigen Widerstand bzw. der Leitfähigkeit des Heizkörpers 4 hergestellt werden. Wodurch direkte Aussagen über die Temperatur des Heizkörpers 4 über die Bestimmung der Induktivität 8 und/oder dem inneren Widerstand 7 der Induktionsspule 2 möglich werden
Bei genügend hoher Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, bzw. der Leitfähigkeit des Heizkörpers 4 ist es möglich die Temperatur des Heizkörpers 4 aus nur einer der beiden Größen, Induktivität 8 oder Widerstand 7 der Induktionsspule 2 zu ermitteln.
3 zeigt ein Flussdiagramm 10 zur Verdeutlichung des Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur eines Heizkörpers 4, wobei in Block 11 die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 3 gemessen wird. Dies kann beispielsweise über einen Frequenzzähler bewerkstelligt werden. In Block 12 wird dann der Leistungsverbrauch des Schwingkreises 3 gemessen.
Mit dem in Block 11 ermittelten Wert für die Resonanzfrequenz lässt sich nun die Induktivität 8 der Induktionsspule 2 ermitteln. Dies geschieht in Block 13.
In Block 14 wird der Widerstand 7 der induktionsspule 2 aus dem in Block 12 gemessenen Leistungsverbrauch des Schwingkreises 3 ermittelt.
In Block 15 wird nun aus der Induktivität 8 und/oder aus dem Widerstand 7 der Induktionsspule 2 die Temperatur des Heizkörpers ermittelt.
Dieses Vorgehen basiert darauf, dass durch eine Veränderung des temperaturabhängigen Widerstands des Heizkörpers 4 sich auch die Ausbildung der Wirbelströme 5 im Heizkörper 4 verändert. Die Wirbelströme 5 haben ihrerseits Einfluss auf das Magnetfeld 1 welches wiederum direkt auf die elektrischen Eigenschaften der Induktionsspule 2 einwirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4238862 C2 [0010]

Claims

Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Heizkörpers (4), insbesondere mittels eines durch eine Induktionsspule (2) erzeugten Magnetfeldes (1), mit einer Induktionsspule (2), die an einen Schwingkreis (3) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (3) mindestens einen erste Kondensator (6) und mindestens eine erste Stromquelle (9) aufweist, und die Induktionsspule (2) eine spezifische Induktivität (8) sowie einen Widerstand (7) aufweist, und das Material des Heizkörpers (4) eine zumindest in Temperaturteilbereichen im Wesentlichen konstante Permeabilität aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (3) mit Wechselstrom betreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (6) mit der Stromquelle (9) und der Induktionsspule (2) in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizkörpers (4) eine temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (3) mindestens eine erste Messeinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (3) aufweist und/oder eine zweite Messeinrichtung zur Bestimmung des Leistungsverbrauchs des Schwingkreises (3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine dritte Messeinrichtung zur Messung des temperaturabhängigen Widerstands des Heizkörpers (4) aufweist, wobei aus dem Widerstand die Temperatur des Heizkörpers ermittelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstands des Heizkörpers (4) ermittelt, wie insbesondere berechnet wird, wobei aus dem Widerstand die Temperatur des Heizkörpers ermittelbar ist.
Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Heizkörpers (4), insbesondere in einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (7) der Induktionsspule (2) über die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (3) ermittelt wird und/oder der Widerstand (8) der Induktionsspule (2) über den Leistungsverbrauch des Schwingkreises (3) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Induktivität und/oder dem Widerstand der Induktionsspule die Temperatur des Heizkörpers ermittelt wird.