DE102022112152A1 - Abschirmung für ein Induktionskochfeld - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abschirmung (10) für ein Induktionskochfeld (100) zur Abschirmung elektromagnetischer Streustrahlung (E), die auf einem elektrisch nicht-leitenden Substrat (S) angeordnet ist.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, auf dem elektrisch nicht-leitenden Substrat (S) ein schleifenfreies Muster (M) elektrisch leitfähiger Leiterbahnen (11) angeordnet ist, wobei die Leiterbahnen (11) galvanisch leitend miteinander verbunden sind, bevorzugt außerhalb eines Zentrums (Z) oder einen Flächenschwerpunktes galvanisch leitend miteinander verbunden sind, und über diese Verbindung einen elektrischen Kontakt (12) mit einer stabilisierten Gleichstromquelle oder mit Masse haben.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Abschirmung für ein Induktionskochfeld zur Abschirmung elektromagnetischer Streustrahlung, die auf einem elektrisch nicht-leitenden Substrat angeordnet ist.
• Zum Erwärmen von Flüssigkeiten sind induktive Tauchsieder bekannt, in welchen ein Induktionskörper in ein Gefäß mit der zu erwärmenden Flüssigkeit gelegt wird und das Gefäß auf eine Induktionskochplatte gestellt wird. Anders als bei Induktionskochplatten, die vollflächig durch einen korrespondierenden Kochtopf abgedeckt werden, stellt sich bei den Induktionskochplatten für den Einsatz mit Induktionstauchsiedern das Problem, dass die Induktionsspule nicht unerhebliche elektromagnetische Störstrahlung aussendet. Die sogenannte elektromagnetische Verträglichkeit nach Norm EN61000 solcher Induktionskochplatten für den Einsatz mit Induktionstauchsiedern wird ohne besondere Maßnahmen zur Unterdrückung von Streustrahlung nicht erreicht.
• Bei Mikrowellenherden besteht ein sehr ähnliches Problem. Einerseits soll es ermöglicht werden, dem Kochvorgang in einer Mikrowelle zuschauen zu können, so dass ein Fenster zum Mikrowellenraum vorhanden ist. Andererseits darf durch das Fenster keine elektromagnetische Störstrahlung austreten, und schon gar nicht Mikrowellenstrahlung, die für den Nutzer selbst gefährlich werden könnte. Die Mikrowellenstrahlung könnte durch den menschlichen Körper absorbiert werden und daher können Gewebeüberhitzungen auftreten, die zur Nekrose führen. Um Mikrowellenstrahlung und elektromagnetische Störstrahlung zu unterdrücken, setzt man daher Lochgitter in Mikrowellen-Türfenstern ein, die wie ein faradayscher Käfig wirken.
• Eine Abschirmung, wie sie aus Mikrowellen-Türfenstern bekannt sind, eignen sich aber nicht zum Einsatz auf Induktionskochplatten, da diese Lochgitter Ringströme ermöglichen, die beim Einsatz auf einer Induktionsspule das Lochgitter zerstören würden. Das Lochgitter selbst würde auf der Induktionsspule extrem stark erhitzt werden, wodurch das Lochgitter verbrennen würde.
• Um eine Abdeckung in Form eines faradayschen Käfigs auf einer Induktionsspule nutzen zu können, ist es somit notwendig, schleifenfreie Bahnen von metallischen Leitern anzuordnen. Aber selbst eine schleifenfreie Anordnung von Bahnen garantiert noch nicht, dass die metallischen Bahnen frei von Wirbelströmen bleiben. Schon die Ausbildung von Buchten und teilkreisförmigen Verläufen führt nach experimentellen Untersuchungen zu partiellen Wirbelströmen und daher heizen sie die metallischen Leiter stark auf. Dieser Effekt ist zwar nicht so stark, kann jedoch zu einer unerwünschten Erwärmung führen, die ein Substrat des faradayschen Käfigs thermisch belasten.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abschirmung für eine Induktionskochplatte zur Verfügung zu stellen, welche Störstrahlung absorbiert, wobei die Abdeckung in dem Induktionsfeld nicht selbst erhitzt werden soll.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf dem elektrisch nicht-leitenden Substrat ein schleifenfreies Muster elektrisch leitfähiger Leiterbahnen angeordnet ist, wobei die Leiterbahnen galvanisch leitend miteinander verbunden sind, bevorzugt außerhalb eines Zentrums oder einen Flächenschwerpunktes galvanisch leitend miteinander verbunden sind, und über diese Verbindung einen elektrischen Kontakt mit einer stabilisierten Gleichstromquelle oder mit Masse haben.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben. In den Ansprüchen 7 bis 10 ist eine Induktionskochplatte beansprucht, welche mit der erfindungsgemäßen Abdeckung ausgestattet ist. Dieses Leiterbahnen-Muster führt nach längeren Untersuchungen dazu, dass Störstrahlung ausreichend abgeschirmt wird, sich jedoch keine Wirbelströme in einer Ausprägung bilden, die den Leiterbahnen durch Erwärmung selbst gefährlich werden können.
• Es ist möglich, dass sich Schleifen im Bereich des Zusammentreffens der Leiterbahnen befinden, wenn die Leiterbahnen sich außerhalb der abzudeckenden Fläche der Induktionskochplatte befinden. Dort ist die Wirkung der Induktionsspule nicht mehr so stark, dass in den Schleifen entstehende Ringströme als Wirbelströme die Leiterbahnen so erhitzen, dass sie Schanden nehmen können.
• In besonderer Ausgestaltung der Abschirmung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn vorgesehen ist, dass die elektrischen Leiterbahnen fächerförmig auf einer Kreisfläche angeordnet sind. Die Fächerform mit geringem Winkel benachbarter Leiterbahnen führt zu einem optimalen Kompromiss zwischen effektiver Abschirmung und geringer Eigenerwärmung.
• Bei den typischen Größenordnungen einer Induktionskochplatte für einen Haushalt, nämlich mit einer Leistungsdichte von 500W bis 3kW auf einer Fläche zwischen ca. 75 cm² bis ca. 1.200 cm² hat es sich als besten Kompromiss zwischen Abschirmungseffektivität und geringer Eigenerwärmung herausgestellt, wenn der Abstand zweier benachbarter Leiterbahnen zwischen 0,5 mm und 2 mm beträgt, wobei die Breite der Leiterbahnen zwischen 0,08 mm und 0,5 mm beträgt. In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abschirmung hat es besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Winkel α zwischen zwei Leiterbahnen zwischen 15' (0,25°) und 2,5° beträgt, wobei die abzuschirmende Fläche, die von den Leiterbahmen 11 überdeckt wird, zwischen ca. 75 cm² und ca. 1.200 cm² beträgt.
• Die Abschirmung kann aufgebaut sein wie eine flexible Platine bestehend aus einem nicht-leitenden Substrat und Leiterbahnen. Dabei kann vorgesehen sein, dass das elektrisch nicht-leitende Substrat aus Polyimid oder aus Polyethylenterephtalat besteht, wobei die Leiterbahnen aus kaschiertem Kupfer oder abgeschiedenem oder aufgedampften Gold bestehen können. Nach eingehenden Experimenten hat es sich bei den zuvor erwähnten haushaltstypischen Größenordnungen von Energiedichte und tatsächlicher Größe als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schichtdicke der Leiterbahnen zwischen 5 µm und 100 µm beträgt. Ist die Schichtdicke geringer, so steigt der elektrische Widerstand, so dass der elektrische Widerstand zur Eigenerwärmung führt. Ist die Schichtdicke grö-ßer, so bilden sich in der Leiterbahn mikroskopische Wirbelströme mit einer grö-ßeren Fläche aus, was auch zur Eigenerwärmung führt. Dies führt auch zu einer Verringerung der Schirmwirkung.
• Um zu vermeiden, dass sich Wirbelströme in den Leiterbahnen bilden können, kann vorgesehen sein, dass in einer Induktionskochplatte mit der Abschirmung die galvanische Verbindung der Leiterbahnen am Rand der Induktionskochplatte angeordnet ist.
• Zur Vermeidung von Oberwellen mit hohen Frequenzen in der Störstrahlung , kann vorgesehen sein, dass vor einer Induktionsspule einer Induktionskochplatte mit der erfindungsgemäßen Abschirmung ein Tiefpass angeordnet ist, der Obertöne aus einem Anregungsstrom herausfiltert, wobei die ausgefilterte Obertonfrequenz des Anregungsstroms größer als 250 kHz ist und bis etwa 1 MHz reicht.
• Die hier vorgestellte Abschirmung eignet sich für Induktionskochplatten, bei der der Nennwert der Heizleistung einer Induktionsspule zwischen 500 W und 3 kW liegt, und die Induktionsspule einen Durchmesser zwischen 10 cm und 40 cm aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Leiterbahnen der Abschirmung galvanisch leitend masseseitig mit der Induktionsspule verbunden sind, wobei der galvanische Kontakt mit der Induktionsspule nicht zwingend notwendig ist, da eine Ableitung der in den Leiterbahnen erzeugten Ströme über einen galvanischen Kontakt mit einer stabilisierten Gleichstromquelle geschehen kann. Dabei ist ein elektrischer Massekontakt ein stabilisierter Kontakt mit einer stabilisierten Gleichstromquelle mit dem Potential von idealerweise 0 V. Ein masseseitiger Kontakt stellt sicher, dass das Potential der Abschirmung nicht gefährlich werden kann.
• Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
• 1 eine beispielhafte Induktionskochplatte ohne Abschirmung,
• 2 eine erfindungsgemäße Abschirmung,
• 3 eine Tasse mit Flüssigkeit und darin versenktem Induktionskörper auf einer nicht abgeschirmten Induktionskochplatte,
• 4 eine Tasse mit Flüssigkeit und darin versenktem Induktionskörper auf einer abgeschirmten Induktionskochplatte,
• 5.1 einen Graphen einer Anregungsspannung mit Oberwellenanteil,
• 5.2 einen beispielhaften Tiefpass als R-C-Glied,
• 5.3 einen Graphen einer Anregungsspannung mit ausgefiltertem Oberwellenanteil,
• 5.4 eine skizzierte Induktionsspule,
• 6.1 eine Abschirmung aus den STAND DER TECHNIK, wie sie in Türfenstern von Mikrowellenöfen zum Einsatz kommt, mit durch Fettdruck eingezeichnetem Pfad eines möglichen Wirbelstromes,
• 6.2 die Abschirmung aus 6.1 aus dem STAND DER TECHNIK in einer perspektivischen Darstellung mit eingezeichneten Magnetfeldlinien,
• 7 eine alternative Anordnung von Leiterbahnen in einer weiteren Ausführungsform der Abschirmung,
• 8 eine alternative Anordnung von Leiterbahnen in einer weiteren Ausführungsform der Abschirmung,
• 9 eine alternative Anordnung von Leiterbahnen in einer weiteren quadratischen Ausführungsform der Abschirmung,
• 10 eine alternative Anordnung von Leiterbahnen in einer weiteren rechteckigen Ausführungsform der Abschirmung,
• 11 eine alternative Anordnung von Leiterbahnen in einer weiteren hexagonalen Ausführungsform der Abschirmung,
• 12 eine alternative Anordnung von Leiterbahnen in einer weiteren hexagonalen Ausführungsform der Abschirmung.
• In 1 ist eine beispielhafte Induktionskochplatte 100 ohne eine erfindungsgemäße Abschirmung 19 und einem darauf stehenden Topf T gezeigt. Eine solche Induktionsplatte 100 als Beistellgerät ist im Einzelhandel erhältlich und diese Induktionskochplatte 100 ist dafür ausgelegt, korrespondierende Töpfe T aufzunehmen, die etwa die Grundfläche der Dachfläche der hier gezeigten Induktionskochplatte 100 aufweisen. Dabei verläuft ein Rand des Topfes T etwa entlang des hier gezeigten Rands 110 des Induktionskochfeldes. Da der Topf T die Induktionskochplatte vollständig abdeckt, stellt sich die Problematik nicht, dass vagabundierende elektromagnetische Streustrahlung die Induktionskochplatte 100 verlässt und in der Umgebung als starke elektromagnetische Störquelle auftritt.
• In 2 ist eine erfindungsgemäße Abschirmung skizziert. Eine solche Abschirmung kann zwischen einer Induktionsspule 120 (5.4) und der Oberfläche einer Induktionskochplatte 100 positioniert werden. Dort ist sie vor Küchen-Umwelteinflüssen (Feuchtigkeit, Wasser, Fette) geschützt und deckt ihrerseits die Induktionsspule 120 ab, so dass keine vagabundierende oder nur erheblich gedämpfte, vagabundierende, elektromagnetische Störstrahlung die Induktionskochplatte verlässt. Die Abschirmung kann wie eine flexible Leiterpalte aus Polyimid bestehen und mit Kupfer als Leiterbahnen 11 kaschiert sein. Alternativ kommt auch Polyethylenterephtalat in Betracht. Sofern die Abschirmung heiß werden kann, eignet sich Polyimid, welches bis zu 400° beständig ist. Als Leiterbahnenmaterial kann jedes gut leitende Metall oder auch andere elektrische Leitner wie Kohlenstofffaser, bevorzugt jedoch Kupfer verwendet werden aber auch aufgedampftes Gold. Gold hat den Vorteil, dass es in einer Küchenumgebung nicht korrodiert, auch wenn eine Schutzschicht über der Leiterplatte verletzt ist. Schließlich ist die hohe Duktilität von Gold wertvoll, weil diese es erlaubt, dass die aufgedampfte Schicht sehr dünn wird, ohne dass durch mechanische Einwirkung die Leiterbahn 11 auf dem flexiblen Substrat reißt oder zur Rissbildung beigt.
• 3 zeigt eine Tasse mit darin aufgenommener Flüssigkeit 150 und einem in der Tasse, also in der Flüssigkeit 150 versenktem Induktionskörper I auf einer nicht abgeschirmten Induktionskochplatte 100. Da der Durchmesser der hier gezeigten Tasse erheblich kleiner ist, als der Durchmesser der Induktionskochplatte 100, liegt ein Teil der Induktionsspule 120, die sich unterhalb der Oberfläche der Dachfläche der Induktionskochplatte 100 befindet, frei und so kann elektromagnetische Störstrahlung die Induktionskochplatte 100 verlassen. Die Störstrahlung ist hier als elektrisches Feld $\overrightarrow{E}$

  

  gezeigt, welches über die Zeit t und entlang der Reise entlang des Radius r seine Auslenkung wellenförmig ändert. Die Amplitude des elektrischen Feldes $\overrightarrow{E}$

  

  steht hier für die Intensität der unerwünschten Streustrahlung oder der vagabundierenden elektromagnetischen Strahlung. Dabei liegt die Frequenz f_B der Induktionsspule 120 in der Induktionskochplatte 100 bei ca. 30 kHz bis etwa 50 kHz. Diese Frequenz f_B erzeugt durch die Induktionsspule 120 ein Magnetfeld mit den hier eingezeichneten schwingenden Magnetfeldlinien $\stackrel{\rightharpoonup }{B}$

  

  Diese schwingenden Magnetfeldlinien $\stackrel{\rightharpoonup }{B}$

  

  erzeugen in einem Induktionskörper I Wirbelströme (engl. eddy currents), welche den Induktionskörper I stark aufheizen. Die Energieübertragung zwischen der Induktionsspule 120 in der Induktionskochplatte 100 erfolgt also über eine induktive Kopplung, so dass ein gewisser Anteil der Energie in der Induktionsspule 120 als elektrisches Feld $\overrightarrow{E}$

  

  die Induktionsspule 120 verlässt. Dabei sind weniger die Frequenzen der Basisschwingung im Bereich von 30 kHz bis 50 kHz problematisch als die Frequenzen f_E jenseits von 250 kHz bis etwa 1 MHz. Oberwellen darüber sind nicht mehr stark ausgeprägt und können durch einen Tiefpassfilter in der Ansteuerelektronik am Netzanschluss des Geräts gedämpft werden.
• In 4 ist eine Tasse mit darin enthaltener Flüssigkeit 150 und darin versenktem Induktionskörper I auf einer mit einer erfindungsgemäßen Abschirmung 10 abgeschirmten Induktionskochplatte 100 abgebildet. Die linearen Leiterbahnen 11 in der Abschirmung 10 wirken wie ein faradayscher Käfig, so dass vagabundierende elektromagnetische Strahlung die Induktionskochplatte 100 nicht mehr verlässt, zumindest aber ist diese Störstrahlung mit einer Frequenz f_E im Bereich von 250 kHz bis 1 MHz stark gedämpft. Gleichwohl verlassen die magnetischen Feldlinien $\stackrel{\rightharpoonup }{B}$

  

  die Induktionskochplatte 100 nahezu ungefiltert. Die erfindungsgemäße Abschirmung 10 ist also transparent für die schwingenden Magnetfeldlinien $\stackrel{\rightharpoonup }{B}.$

  

  Dem gegenüber ist die erfindungsgemäße Abschirmung 10 für vagabundierende, elektromagnetische Strahlung opak oder zumindest dämpft diese die unerwünschte vagabundierende, elektromagnetische Strahlung.
• Zur Dämpfung der elektromagnetischen Strahlung sind die tatsächlichen Ausmaße und Ausrichtungen der Leiterbahnen 11 in der Abschirmung 10 sehr wichtig. Die hier in Rede stehenden Induktionskochplatten 100 weisen eine Nennleistung zwischen 500 W und 3 kW auf. Dabei hat die Induktionskochplatte 100 mit der darin ausgelegten Induktionsspule 120 einen Durchmesser zwischen 10 cm und 40 cm. Induktionskochplatten 100 mit einem Durchmesser von 10 cm sind als Zustellgeräte in einer Büroküche oder als Zustellgerät in einem privaten Haushalt gedacht. Bei einer Nennleistung bis zu 3 kW ergibt sich bei den kleinen Induktionskochplatte 100 eine für Haushaltsgeräte recht hohe Energiedichte. Induktionskochplatten von bis zu 40 cm Durchmesser sind als Kochplatten in Einbauküchen denkbar. Um vagabundierende, elektromagnetische Störstrahlung einer solchen Induktionskochplatte 100 so abzuschirmen, dass sie den Anforderungen gesetzlicher Vorschriften zur elektromagnetische Verträglichkeit, wie sie in der Norm EN61000 definiert ist, entspricht, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand der Leiterbahnen der Abstand zweier benachbarter Leiterbahnen 11 der Abschirmung zwischen 0,5 mm und 2 mm beträgt, wobei die Breite der Leiterbahnen 11 zwischen 0,08 mm und 0,5 mm beträgt. Bei diesem Überdeckungsverhältnis gepaart mit den tatsächlichen Ausmaßen der Breite der Lücken zwischen den Leiterbahnen und der Leiterbahnenbreite ist einerseits gesichert, dass die elektromagnetische Verträglichkeit im Bereich zwischen 250 kHz und 1 MHz erfüllt wird. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass Wirbelströme, die sich in den Leiterbahnen 11 bilden können, aufgrund der Dimensionen der Breite der Leiterbahnen 11 eine nur so geringe Fläche bei der gegebenen Magnetfeldstärke, um 500 W bis 3 kW auf einer Fläche zwischen ca. 75 cm², basierend auf einem Radius der Induktionskochplatte 100 von 5 cm (Fläche: π r², also etwa 3,14 x 5 cm x 5 cm ) bis hin zu einer Fläche von ca. 1.200 cm², basierend auf einem Radius der Induktionskochplatte 100 von 20 cm (Fläche: π r², also etwa 3,14 x 20 cm x 20 cm) bilden können, dass die Energiedissipation durch Wärme die Leiterbahnen 11 bei üblichen Leiterbahnstärken, die aus dem Platinenbau üblich ist, nicht zerstört werden und auch das Substrat nicht überhitzt wird. Hier vorteilhaft sind Leiterbahnenstärken zwischen 5 µm und 100 µm. Um die Wirkung der Abschirmung in alle von der Oberfläche ausgehenden Raumrichtungen nicht zu unterschiedlich werden zu lassen, sollte der Winkel zwischen den Leiterbahnen 11 zwischen 15' (0,25°) und 2,5° betragen. dadurch ändert sich die lichte Weite zwischen einzelnen Leiterbahnen 11 nicht so sehr, dass ein Überdeckungsverhältnis zwischen Leiterbahn 11 und dazwischen liegender Freifläche so klein wird, dass die Effektivität des faradayschen Käfigs nicht unter einen kritischen Wert fällt. Um bei den Ausmaßen, der Induktionskochplatte 100 von 5 cm Radius bis 20 cm Radius, einer Nennleistung zwischen 500 W bis 3 kW die elektromagnetische Verträglichkeit zu sichern, sind diese konkreten Maße vorteilhaft. Werden die Leiterbahnen 11 breiter, so steht eine größere Fläche für Wirbelströme bereit, so dass die Leiterbahnen 11 Energie aus dem Induktionsfeld in Wärme dissipieren und dabei sich selbst erhitzen. Wird der Abstand der Leiterbahnen 11 zu groß, so verringert sich dadurch die Effektivität, die Dämpfungswirkung, des dadurch gebildeten faradayschen Käfigs. Weisen die Leiterbahnen 11 Schleifen auf, so kann sich ein Ringstrom bilden, der sich entlang der Schleifen ausbildet, darum ist es wichtig, dass die Leiterbahnen 11 in der Abschirmung 10 keine geschlossenen Schleifen aufweisen. Ideal ist es, wenn die Leiterbahnen nicht einmal Buchten ausbilden, in denen sich partielle Wirbelströme bilden können.
• 5.1 zeigt einen Graphen einer Anregungsspannung für eine Induktionsspule 120 mit Oberwellenanteil. Oberwellen in einem Strom oder in einer Spannung zum Ansteuern von Induktionsspulen 120 haben vielfältige Ursachen und können durch Imperfektionen der eingesetzten Elektronik, durch Abweichungen der Parameter einzelner Elektronik-Bausteine in einem gewissen Toleranzbereich, aber auch durch die Leitungsführung in der Ansteuerungselektronik auftreten. Schließlich ist auch das Schaltverhalten im Gerät befindlicher Halbleiter zur Erzeugung der Induktionsspannung mit einer Frequenz von 30 kHz bis 50 kHz ursächlich für das Entstehen von unerwünschten Oberwellen. Oberwellen äußern sich darin, dass die Kurve der Wechselspannung von der idealen Sinusform abweicht. Da sich jede regelmäßig wiederholende Wellenform durch eine Linearkombination von Sinuskurven unterschiedlich hoher Frequenz darstellen lässt, führt eine Abweichung von der Sinusform zu einem Oberwellenanteil von Spannungen mit höheren Frequenzen (Eine mathematische Fourier-Transformation zur Analyse der Wellenform deckt die Anteile der unterschiedlichen Frequenzen auf). Diese in einer Fourier-Analyse zu Tage tretenden Oberwellen können ursächlich für eine elektromagnetische Unverträglichkeit sein, das bedeutet, dass die Induktionskochplatte 100 elektromagnetische Strahlung in dem Frequenzbereich der Oberwellen abgibt. Zur Dämpfung hoher Frequenzen, die nur noch mit einem geringen Anteil in der Frequenzanalyse vorkommen, wie z.B. Frequenzen oberhalb von ca 1 MHz, ist es möglich, vor die Induktionsspule 120 einen Tiefpass 130 zu schalten. Der Tiefpass 130 schließt die hohen Frequenzen kurz, so dass der hochfrequente Strom über einen Kondensator gedämpft wird. Der Tiefpass besteht hier nicht aus einem RC- sondern einem LC-Glied, weil der gesamte Laststrom durch den Widerstand fließen müsste, was zu sehr hohen Verlusten führen würde. Mit einer Filterdrossel L als Tiefpass wird ebenfalls eine Dämpfung höherer Frequenzanteile erzielt, wobei die gedämpfte Leistung nicht in Wärme umgesetzt, sondern kurzzeitig im magnetischen Feld gespeichert wird. Frequenzanteile im Bereich von 250 kHz bis 1 MHz bei einer Anregungsfrequenz der Induktionsspule 120 zwischen 30 kHz und 50 kHz können so hoch sein, dass ein Tiefpass größere Ströme dissipieren müsste. Des Weiteren ist nicht nur eine Ansteuerung der Induktionsspule 120 mit einem klirrenden Signal (ein nicht nur aus einer Frequenz bestehendem Signal) ursächlich für Oberwellen, sondern die Induktionsspule 120 selbst kann solche Oberwellen in Verbindung mit der Ansteuerungselektronik eine Signalverzerrung erzwingen, so dass die unerwünschten Oberwellen entstehen.
• In 5.2 ist ein beispielhafter Tiefpass 130 als R-C-Glied skizziert. Ein Tiefpass 130 kann auch aus Spulen und Leistungswiderständen bestehen (L-C-Glied) oder aus Spulen, Kondensatoren und Widerständen (R-L-C-Glied). Der Fachmann ist hier frei, die richtige Tiefpassschaltung zu bestimmen. Eine Eingangsspannung Ue mit Oberwellen durchströmt den Tiefpass 130 bestehend aus einem Widerstand R und einem parallel geschalteten Kondensator C. Diese Spannung wird beim Verlassen des Tiefpasses 130 als Ausgangsspannung Ua den Tiefpass verlassen.
• 5.3 zeigt schließlich einen Graphen einer Anregungsspannung mit ausgefiltertem Oberwellenanteil. Die verbleibende Schwingung ist einer idealen Sinusschwingung sehr nahe.
• Eine Induktionsspule ist in 5.4 abgebildet. Diese kann durch die Ausgangsspannung Ua des in 5.3 gezeigten Tiefpasses 130 angesteuert werden.
• 6.1 zeigt eine Abschirmung 50 aus den STAND DER TECHNIK, wie sie in Türfenstern von Mikrowellenöfen zum Einsatz kommt, mit durch kreisförmigen Fettdruck des Musters eingezeichnetem Pfad eines denkbaren Wirbelstromes. Zwar wirken die Abschirmungen 50 in Mikrowellen-Türfenstern auch als faradayscher Käfig. Diese Abschirmungen 50 wären aber in dem hier dargestellten Anwendungsfall unbrauchbar. Die starken Magnetfeldlinien zum Anregen von Wirbelströmen im Induktionskörper I mit einer Leistung zwischen 500 W und 3 kW würde bei Abschirmungen 50 für Mikrowellen dazu führen, dass sich Ringströme ausbilden, welche die Abschirmung 50 schlichtweg zerstören würde, da der elektrische Ringstrom so groß würde, das die Abschirmung 50 verbrennt.
• In 6.2 ist die Abschirmung aus 6.1 aus dem STAND DER TECHNIK in einer perspektivischen Darstellung mit eingezeichneten Magnetfeldlinien dargestellt. Im Zentrum der geschlossenen und sich zeitlich in seiner Stärke verändernden Magnetfeldlinien $\stackrel{\rightharpoonup }{B}$

  

  bildet sich ein elektrischer Strom der entlang des fettgedruckten Pfades fließt und die Abschirmung zerstören würde.
• Um die Abschirmung 10 einer Induktionskochplatte 100 bei den für einen haushaltstypischen Größenordnungen von Abmessungen und thermischer/elektrischer Leistung so zu gestalten, dass sie langlebig ist, und effektiv störende Strahlung gemäß der europäischen Norm EN61000 unterdrückt, sind spezifische Maße als Größenordnungen notwendig, die nicht von vornherein ableitbar sind, sondern durch Versuch bestimmt wurden. Dabei ergaben sich eine Vielzahl von Anordnungen, bei denen die hier um Schutz ersuchte eine optimale Abschirmung bietet.
• In 7 ist eine alternative Anordnung der Leiterbahnen 11 in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abdeckung als Abdeckung 10' dargestellt. In dieser Ausführungsform bilden die Leiterbahnen 11 teilweise kreisrunde und zur Mitte konzentrisch gekrümmte Bahnverläufe an. In diesen Verläufen können sich Ringströme bilden, wenngleich die Leiterbahnen 11' in dieser Ausführungsform der Abdeckung nicht geschlossen sind und auch keine Schleifen bilden. In diesen partielle Schleifen bildenden Leiterbahnen 11' können sich bei hohen Leistungen Induktionsspule 120 Wirbelströme bilden, welche die Leiterbahnen 11' stark aufheizen können. Diese Anordnung der Leiterbahnen 11' ist nicht so gut zur Abschirmung für Induktionsspule 120 mit hohen Leistungen der Induktionsspule 120 geeignet.
• In 8 ist eine alternative Anordnung der Leiterbahnen 11 in einer weiteren ausführungsform der erfindungsgemäßen Abdeckung als Abdeckung 10' dargestellt. In dieser Ausführungsform bilden die Leiterbahnen 11 entlang der mittleren vertikalen Verbindungslinie enge, auf der Seite liegende und U-förmige Buchten aus. In diesen Buchten können sich partielle Ringströme bilden, wenngleich die Leiterbahnen 11" in dieser Ausführungsform der Abdeckung nicht geschlossen sind und auch keine Schleifen bilden. In diesen partielle Schleifen bildenden Leiterbahnen 11" mit engen Buchten können sich bei hohen Leistungen Induktionsspule 120 Wirbelströme bilden, welche die Leiterbahnen 11" stark aufheizen können. Diese Anordnung der Leiterbahnen 11' ist nicht so gut zur Abschirmung für Induktionsspule 120 mit hohen Leistungen der Induktionsspule 120 geeignet.
• Zur Verdeutlichung der Geometrieabhängigkeit der abzuschirmenden Fläche und dem Winkel α zwischen einzelnen Leiterbahnen 11 ist in 9 eine quadratisches Induktionskochplatte 100' gezeigt, wobei sich die Leiterbahnen 11 in einer Ecke des Quadrates treffen. Hierdurch können die gleichmäßig im Winkel verteilten Leiterbahnen 11 einen Gesamtwinkel von 90° aufspannen.
• In 10 ist dargestellt, dass bei einer Anordnung der Leiterbahnen 11 am Rand des Rechteckes einer rechteckigen Induktionskochplatte 100" die Leiterbahnen 11 einen Winkel von 180° überspannen müssen. Dadurch ist eine höhere Anzahl der Leiterbahnen 11 über den aufgespannten Winkel von 180° notwendig.
• Der Effekt ist in 11 deutlicher gezeugt. Für eine hexagonale Induktionskochplatte 100''', bei der sich die Leiterbahnen 11 am Rand des Hexagons treffen, muss ein Winkel von 180° überspannt werden, um auch die Bereiche neben der Anschlussstelle abschirmen zu können.
• In 12 ist gezeigt, dass bei einer Anordnung des Treffpunktes aller Leiterbahnen 11 in einer Ecke einer hexagonalen Induktionskochplatte 100'''' nur 120° überspant werden müssen, wodurch die Dichte der Leiterbahnen 11 reduziert werden kann.
• BEZUGSZEICHENLISTE

10

Abschirmung

11

Leiterbahn

12

elektrischer Kontakt

50

Gitter

100

Induktionskochplatte

100'

Induktionskochplatte

100''

Induktionskochplatte

100'''

Induktionskochplatte

100''''

Induktionskochplatte

110

Rand

120

Induktionsspule

130

Tiefpass

150

Flüssigkeit

α

Winkel

magnetische Feldlinie

C

Kondensator

E

Streustrahlung

elektrisches Feld

fB

Frequenz der Induktionsspule

G

Griff

I

Induktionskörper

K

Kreisfläche

L

Spule

M

Muster

r

Radius, Entfernung

R

Widerstand

S

Substrat

Ue

Eingangsspannung

Ua

Ausgangsspannung

t

Zeit

T

Topf

x

Richtung

y

Richtung

Z

Zentrum

Claims (10)

1. Abschirmung (10) für ein Induktionskochfeld (100, 100', 100'', 100''', 100'''') zur Abschirmung elektromagnetischer Streustrahlung (E), die auf einem elektrisch nicht-leitenden Substrat (S) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem elektrisch nicht-leitenden Substrat (S) ein schleifenfreies Muster (M) elektrisch leitfähiger Leiterbahnen (11) angeordnet ist, wobei die Leiterbahnen (11) galvanisch leitend miteinander verbunden sind, bevorzugt außerhalb eines Zentrums (Z) oder einen Flächenschwerpunktes galvanisch leitend miteinander verbunden sind, und über diese Verbindung einen elektrischen Kontakt (12) mit einer stabilisierten Gleichstromquelle oder mit Masse haben.
2. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiterbahnen (11) fächerförmig auf einer Kreisfläche (K) angeordnet sind.
3. Abschirmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweier benachbarter Leiterbahnen (11) zwischen 0,5 mm und 2 mm beträgt, wobei die Breite der Leiterbahnen (11) zwischen 0,08 mm und 0,5 mm beträgt.
4. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen zwei Leiterbahnen zwischen 15' und 2,5° beträgt, wobei die abzuschirmende Fläche, die von den Leiterbahmen 11 überdeckt wird, zwischen ca. 75 cm² und ca. 1.200 cm² beträgt.
5. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dass das elektrisch nicht-leitende Substrat (S) aus Polyimid oder aus Polyethylenterephtalat besteht, wobei die Leiterbahnen (11) aus Kohlefasern, kaschiertem Kupfer oder abgeschiedenem oder aufgedampften Gold bestehen.
6. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Leiterbahnen 11 zwischen 5 µm und 100 µm beträgt.
7. Induktionskochplatte (100) zum Erwärmen von Flüssigkeiten (150) in haushaltsüblichen Mengen, aufweisend eine Abschirmung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Verbindung der Leiterbahnen (11) am Rand (110) der Induktionskochplatte (100) angeordnet ist.
8. Induktionskochplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Induktionsspule (120) ein Tiefpass (130) angeordnet ist, der Obertöne aus einem Anregungsstrom herausfiltert, wobei die ausgefilterte Obertonfrequenz des Anregungsstroms größer als 250 MHz ist und bis etwa 1 MHz reicht.
9. Induktionskochplatte nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nennwert der Heizleistung einer Induktionsspule (120) zwischen 500 W und 3 kW liegt, und die Induktionsspule (120) einen Durchmesser zwischen 10 cm und 40 cm aufweist.
10. Induktionskochplatte nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (11) der Abschirmung (10) galvanisch leitend masseseitig mit der Induktionsspule (120) verbunden sind.

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