DE19814949C2

DE19814949C2 - Gareinrichtung mit Induktionsbeheizung und Widerstandsbeheizung

Info

Publication number: DE19814949C2
Application number: DE19814949A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gehrke
Original assignee: AEG Hausgeraete GmbH
Current assignee: AEG Hausgeraete GmbH
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2018-04-04
Also published as: FR2763201B1; FR2763201A1; DE19816770A1; DE19814949A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gareinrichtung.

Es sind Induktionskochstellen bekannt mit einer Kochstel lenplatte zum Aufstellen eines Kochbehälters und einer oder mehreren unter der Kochstellenplatte angeordneten Indukti onsspulen zum induktiven Erhitzen des Behälters. Die Koch stellenplatte und die Induktionsspulen sind voneinander ge trennte Bauteile. Die Induktionsspulen sind aus einem im allgemeinen mehrdrähtigen Spulenleiter gewickelt und in der Regel einlagige Flachspulen (EP 0 380 030 A1, EP 0 722 261 A1).

Aus DE 38 17 438 C2 ist ein Induktionskochfeld bekannt mit einer Kochstellenplatte aus Kunststoff, in die eine Induk tionsspule und eine Kühlschlange einer Flüssigkeitskühlung gemeinsam als flache Spirale eingegossen sind. Der Indukti onsspulenleiter ist aus einem Kupfergewebeschlauch gebil det, der auf die aus elektrisch isolierenden Material be stehende Kühlschlange aufgezogen ist.

Aus EP 0 069 298 A1 ist eine Elektrokochplatte bekannt mit einem flachen Kochplattenkörper aus Keramik, an dessen Un terseite eine mäanderförmig strukturierte Schicht aus Wi derstandsmaterial aufgebracht ist. Diese Widerstandsschicht wird mit einem elektrischen Strom erhitzt zum Beheizen des Kochplattenkörpers.

Aus WO 96/09738 A1 ist eine widerstandsbeheizte Kochstelle be kannt mit einer Kochplatte aus einem elektrisch isolieren den Keramikträger als Wärmesenke, an dessen Unterseite eine mäanderförmige Widerstandsstruktur zum direkten elektri schen Beheizen des Keramikträgers angeordnet ist. Die Wi derstandsstruktur ist in dieser bekannten Ausführungsform entweder auf den Keramikträger aufgedampft oder aufgesput tert oder als vorgefertigte, gestanzte Metallfolie an den Keramikträger mit einer Anpreßplatte angepreßt. Der Kera mikträger besteht aus einer Siliciumnitrid-Keramik oder ei ner Siliciumcarbid-Keramik.

GB 2 079 119 A offenbart ein Induktionskochfeld mit einer Glasplatte auf die drei Induktionsspulen aus elektrisch leitendem Material aufgeklebt sind.

In US 3,843,857 ist ein Induktionskochfeld offenbart mit einer Kochfeldplatte aus Keramik oder Glas, an deren Unter seite eine Induktionsspule aufgedruckt oder aufgeklebt ist. An die Induktionsspule wird ein gepulster Gleichstrom eines entsprechenden Generators gelegt.

Aus US 5,369,249 A schließlich ist eine Induktionsheizung für ein Induktionskochfeld bekannt mit einer Keramikplatte und einer auf der Keramikplatte aufgebrachten und durch Photolithographie strukturierten Kupferspulenstruktur, an deren zwei Anschlüsse ein Hochfrequenzfeld eines HF- Generators angelegt wird.

WO 96/09738 A1 offenbart ein mäanderförmiges Heizelement.

Die DE 195 00 448 A1 zeigt eine Heizeinheit, bei der eine Induktionsstruktur und eine Widerstandsstruktur als inein anderlaufende Spiralen ausgebildet sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine besonde re Gareinrichtung und ein Herstellverfahren für eine beson dere Gareinrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk malen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 24.

Die Gareinrichtung gemäß Anspruch 1 umfaßt

a) wenigstens einen Trägerkörper,
b) wenigstens eine auf einer Oberfläche des Trägerkörpers angeordnete und in Form einer Spirale oder Spule mit wenigstens einer Windung ausgebildete Induktionsstruk tur,
c) wenigstens eine auf der Oberfläche des Trägerkörpers und von der Induktionsstruktur beabstandet angeordnete Widerstandsstruktur,
d) einen mit der Widerstandsstruktur elektrisch verbindba ren Heizgenerator zum Erzeugen von zum Garen verwendba rer Joulescher Verlustwärme in der Widerstandsstruktur durch Anlegen einer elektrischen Heizspannung an die Widerstandsstruktur und
e) einen mit der Induktionsstruktur elektrisch verbindba ren Induktionsgenerator zum Erzeugen eines magnetischen Induktionswechselfeldes um die Induktionsstruktur durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die In duktionssstruktur, wobei
f) wenigstens die eine Widerstandsstruktur und die wenig stens eine Induktionsstruktur unter Bildung jeweiliger Kochzonen einer Mehrzonenkochstelle in zueinander kon zentrischen Teilbereichen der Oberfläche (20) des Trä gerkörpers angeordnet sind.

Unter Gareinrichtung wird eine Einrichtung zum Garen von Gargut wie Lebensmitteln und Speisen verstanden. Garen umfaßt alle Formen der thermischen Zubereitung von Lebensmit teln und Speisen, beispielsweise Kochen, Backen, Braten, Schmoren, Dünsten, Trocknen oder auch Auftauen von Speisen, um nur einige zu nennen. Unter einer elektrischen Wech selspannung wird jede zeitlich veränderliche elektrische Spannung verstanden. Unter einem magnetischen Induktions wechselfeld wird im Zusammenhang mit einer Gareinrichtung eine zeitlich veränderliche und im allgemeinen ortsabhängi ge (vektorielle) magnetische Induktion verstanden, die in einem elektrischen Leiter, beispielsweise einem Kochtopf oder sonstigen Gargutträger, Wirbelströme erzeugen kann, wodurch dieser Leiter erhitzt wird. Das Induktionswechsel feld wird selbst durch die Wechselspannung erzeugt, die an die Induktionsstruktur angelegt wird, so daß ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom durch die Induktions struktur fließt.

Mit der Erfindung wird also eine Universalgareinrichtung geschaffen, die die Vorteile des induktiven Garens, insbe sondere das schnelle Aufheizen und das zuverlässige Garen auch bei schlechten Gargutträgerböden, und die Vorteile des Widerstandsgarens (elektrische Direktbeheizung, Wider standsbeheizung), insbesondere dessen besserer Wirkungsgrad bei Fortkochvorgängen und das zuverlässige Garen auch bei nicht ferromagnetischen Gargutträgern, in sich vereint. So kann beispielsweise die Induktionsheizung und gegebenen falls zusätzlich die Widerstandsheizung benutzt werden, wenn hohe Heizleistungen erwünscht sind, beispielsweise zu Beginn eines Garvorganges zum schnelleren Aufheizen. Ande rerseits kann aber auch zumindest während einer bestimmten Phase eines Garvorganges nur eine Heizungsart verwendet werden, beispielsweise beim Fortgaren nur die energieeffi zientere Widerstandsheizung oder bei schlechten Böden der Gargutbehälter nur die Induktionsheizung.

Das Verfahren zum Herstellen einer Gareinrichtung gemäß An spruch 24 umfaßt die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen eines Trägerkörpers mit einer Oberfläche,
b) Aufbringen einer in Form einer Spirale oder Spule mit wenigstens einer Windung ausgebildeten Induktionsstruk tur (3) zum Erzeugen eines magnetischen Induktionsfeldes (B) auf die Oberfläche des Trägerkörpers,
c) Aufbringen einer Widerstandsstruktur zum Erzeugen Joule scher Wärme auf die Oberfläche des Trägerkörpers.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Gareinrichtung und des Verfahrens zum Herstellen einer Gareinrichtung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 bzw. An spruch 24 jeweils abhängigen Ansprüchen.

Das Frequenzspektrum oder die Frequenz der Induktionswech selspannung liegt vorzugsweise höher als das bzw. die der Heizspannung. Bevorzugte Frequenzspektren sind für die In duktionswechselspannung der Mittelfrequenzbereich zwischen etwa 20 kHz und etwa 100 kHz und für die Heizspannung ein Niederfrequenzbereich unter 100 Hz, also der Frequenzbe reich, in dem üblicherweise die Netzspannungen (im allge meinen 50 Hz oder 60 Hz) oder Gleichspannungen liegen

Die wenigstens eine Widerstandsstruktur ist vorzugsweise mäanderförmig ausgebildet, um einen höheren elektrischen Widerstand und eine gleichmäßigere Beheizung zu erreichen.

Die Widerstandstruktur und die Induktionsstruktur können aus einer gemeinsamen, entsprechend strukturierten Schicht oder Folie oder jeweils aus einer separaten, strukturierten Schicht oder Folie gebildet sein.

Vorzugsweise werden die Widerstandsstruktur und/oder die Induktionsstruktur an der Oberfläche des Trägerkörpers haf tend, d. h. mit dem Trägerkörper durch Adhäsion (Adhäsionss kräfte) verbunden, ausgebildet bzw. hergestellt. Dazu eig nen sich insbesondere thermisches Aufdampfen, ein Sputter prozeß oder auch Aufdrucken der Schicht sowie ein Anpressen oder Aufkleben der Folie, wobei es zweckmäßig ist, für alle Strukturen dieselbe Prozeßtechnologie zu verwenden.

Die Widerstandsstruktur und/oder die Induktionsstruktur können aber auch durch einen vorgegebenen Anpreßdruck an der Oberfläche des Trägerkörpers gehalten sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Gareinrichtung besteht der Trägerkörper wärmeleitendem Material und weist eine von der genannten Oberfläche abgewandte weitere Ober fläche auf, die unmittelbar gegenüberliegend zu der Wider standsstruktur und der Induktionsstruktur als Aufstellflä che zum Aufstellen von Gargutträgern oder Gargutbehältern ausgebildet ist.

Der Trägerkörper kann in einer weiteren Ausführungsform auch aus mehreren Teilträgerkörpern zusammengesetzt sein, die jeweils einen Teil der Induktionsstruktur und/oder der Widerstandsstruktur tragen. Die einzelnen Teile der Induk tionsstruktur bzw. Widerstandsstruktur sind dann elektrisch miteinander verbunden.

In einer besonderen Ausführungsform sind die Induktions struktur und/oder die Widerstandsstruktur mit einer Schutz schicht überzogen. Die Strukturen können dann auch direkt an der Aufstellfläche des Trägerkörpers angeordnet sein.

Der Trägerkörper besteht vorzugsweise zumindest an der Oberfläche, auf der die Induktionstruktur und die Wider standsstruktur angeordnet sind, aus elektrisch isolierendem Material und insbesondere aus einem Glas, einer Glaskeramik oder einer Keramik, insbesondere einer Siliciumnitrid- Keramik oder einer Siliciumcarbid-Keramik.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden zusätzliche Mittel zum Erfassen von Garprozeßgrößen wie Temperatur oder Vorhandensein von Gargutträgern vorgesehen. In einer ersten Ausführungsform wird die Induktionsstruktur und/oder die Widerstandsstruktur in einer Doppelfunktion auch als Sensor zum Messen einer Prozeßgröße beim Garen verwendet. Dazu wird die Struktur zusätzlich mit einer Meßeinrichtung ver bunden, die die Struktur mit einer Meßspannung oder einem Meßstrom versorgt und aus der zugleich gemessenen Impedanz der die gewünschte Prozeßgröße bestimmt. Die Meßspannung liegt insbesondere in einem Hochfrequenzbereich oberhalb 100 kHz, vorzugsweise bei etwa 300 kHz. In einer zweiten Ausführungsform wird wenisgtens eine zusätzliche Meßstruk tur auf der Oberfläche des Trägerkörpers von der Indukti onsstruktur und der Widerstandsstrukturbeabstandet ange ordnet und diese Meßstruktur zum Erfassen einer Prozeßgröße für einen Garprozeß mit einer Meßeinrichtung verbunden, die eine Meßspannung oder einen Meßstrom an die Meßstruktur an legt und die Impedanz der Meßstruktur als Maß für die Pro zeßgröße ermittelt. Beispielsweise kann die Induktivität oder Kapazität der Meßstruktur bzw. der Induktionsstruktur bzw. der Widerstandsstruktur als Maß dafür herangezogen werden, ob sich ein Gargutträger oder Gargutbehälter im Be reich des Trägerkörpers befindet oder nicht, oder der ohm sche Widerstand der Meßstruktur bzw. der Induktionsstruktur bzw. der Widerstandsstruktur als Maß für eine Temperatur an dem Trägerkörper.

Zum Steuern des Garprozesses ist ferner vorzugsweise eine Steuereinrichtung vorgesehen, die beim Angaren (Aufheizen) nur die Induktionsstruktur mit der Induktionswechselspan nung des Induktionsgenerators oder die Induktionsstruktur und die Widerstandsstruktur mit der Induktionswechselspan nung des Induktionsgenerators bzw. der Heizspannung des Heizgenerators versorgt und nach Beendigung des Angarens zum Fortgaren nur die Widerstandsstruktur mit der Heizspan nung des Heizgenerators versorgt. Dadurch werden die kürze re Ankochzeit (geringe thermische Trägheit) der Induktions beheizung beim Ankochen und die geringeren Verluste (höhe rer Wirkungsgrad) der Widerstandsbeheizung beim Fortkochen vorteilhaft ausgenutzt.

Die Steuereinrichtung versorgt in einer Weiterbildung die Induktionsstruktur mit der Induktionswechselspannung des Induktionsgenerators und/oder die Widerstandsstruktur mit der Heizspannung des Heizgenerators nur dann, wenn die Meßeinrichtung das Vorhandensein eines Gargutträgers oder Gargutbehälters erkannt hat.

Die Mehrzonenkochstelle weist vorzugsweise entweder in ei ner Innenzone eine Induktionsstruktur und in einer die In nenzone umgebenden äußeren Teilzone wenigstens eine Wider standsstruktur oder in einem inneren Teilbereich eine erste Widerstandsstruktur, in einem äußeren Teilbereich eine zweite Widerstandsstruktur und in einem dazwischenliegenden mittleren Teilbereich eine Induktionsstruktur auf. In bei den Fällen reicht die Induktionsstruktur nicht bis zum Rand der Kochzone, so daß Streufelder reduziert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nungen Bezug genommen, in denen Ausführungsbeispiele einer Gareinrichtung jeweils schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gareinrichtung mit einer widerstandsbeheizten Innenzone und einer induktionsbeheizten Außenzone in einer Draufsicht,

Fig. 2 eine Gareinrichtung mit einer widerstandsbeheizten Innenzone und Außenzone und einer induktionsbeheizten Zwischenzone,

Fig. 3 eine Gareinrichtung mit einer induktionsbeheizten In nenzone und einer widerstandsbeheizten Außenzone so wie einer Meßstruktur,

Fig. 4 eine Gareinrichtung mit einer aus einer Metallschicht strukturierten Induktionsstruktur und Widerstands struktur auf einem Trägerkörper in einem Querschnitt, und

Fig. 5 eine Gareinrichtung mit einer aus einer Metallfolie gebildeten Induktionsstruktur und einer aus einer weiteren Metallfolie gebildeten Widerstandsstruktur auf einem Trägerkörper in einer Explosionsdarstellung in einem Querschnitt.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gareinrich tung mit einem vorzugsweise im wesentlichen plattenförmigen Trägerkörper (Substrat) 2, auf dessen erster Oberfläche 20 in einer Innenheizzone eine Widerstandsstruktur 4 und in einer die Innenheizzone, beispielsweise konzentrisch, um schließenden Außenheizzone eine Induktionsstruktur 5 ange ordnet sind. Die Innenheizzone und die Außenheizzone bilden vorzugsweise eine Kochzone oder Kochstelle. Insbesondere können an dem Trägerkörper 2 mehrere Kochzonen zum Aufstel len von Gargeschirr ausgebildet sein (Kochmulde, Kochfeld).

Die Widerstandsstruktur (Heizwiderstandselement) 4 ist zur Widerstandsbeheizung des Trägerkörpers 2 vorgesehen und weist dazu eine Leiterbahn mit zwei an deren Enden liegen den Anschlüsse 42 und 43 auf, die mit einem Heizgenerator 10' über bespielsweise angelötete elektrische Leitungen elektrisch verbunden oder verbindbar sind. Bei Anlegen ei ner Heizspannung U_R des Heizgenerators 10', vorzugsweise ei ner niederfrequenten Wechselspannung, insbesondere Netz spannung mit 50 Hz (230 V oder 400 V), fließt durch die Leiterbahn der Widerstandsstruktur 4 ein elektrischer Heiz strom I_R = U_R/R mit dem elektrischen (ohmschen) Widerstand R der Widerstandsstruktur 4. Dieser Heizstrom I_R bewirkt eine elektrische Verlustleistung (Joulesche Verlustleistung) R I_R ², die zu einer Aufheizung der Widerstandsstruktur 4 führt und zum Garen von Gargut verwendet wird. Der Widerstand R der Widerstandsstruktur 4 wird gemäß der Beziehung R = ρ l/A durch den spezifischen Widerstand ρ des Materials der Widerstandstruktur 4, die Länge l der Widerstandsstruktur 4 zwischen den beiden Anschlüssen 42 und 43 und den Quer schnitt A der Widerstandsstruktur 4 bestimmt. Um auch auf einem kleinen Teilbereich der Oberfläche 20 eine ausrei chende Heizleistung zu erzielen, können also bei einem vor gegebenen Material für die Widerstandsstruktur 4 und bei einer vorgegebenen Heizspannung U_R des Heizgenerators 10' die Länge l der Leiterbahn der Widerstandsstruktur 4 durch Mäandrierung entsprechend groß und/oder der Querschnitt der. Leiterbahn entsprechend klein ausgelegt werden

Die in der Widerstandsstruktur 4 freigesetzte thermische Energie kann direkt auf einen Gargutträger mit dem Gargut übertragen werden, wenn die Oberfläche 20 des Trägerkörpers 2 als Aufstellfläche für den Gargutträger vorgesehen wird. Der Trägerkörper 2 wird dann vorzugsweise aus einem ther misch schlecht leitenden Material gebildet.

Im allgemeinen wird jedoch als Aufstellfläche für die Gar gutträger eine von der Oberfläche 20 abgewandte Oberfläche des Trägerkörpers 2 vorgesehen. Die von der Widerstands struktur 4 in den mit der Widerstandsstruktur 4 thermisch gekoppelten (in unmittelbarem thermischen Kontakt stehen den) Trägerkörper 2 übertragene Wärme wird dann durch den Trägerkörper 2 zur Aufstellfläche geleitet. Der Trägerkör per 2 wird in dieser Ausführungsform aus einem thermisch leitfähigen (wärmeleitenden) Material gebildet.

Die Induktionsstruktur 5 in der Außenheizzone ist mit einer Leiterbahn gebildet, die die Widerstandsstruktur 4 in der Innenheizzone in Gestalt einer Flachspule oder Spirale um gibt und an ihren Enden jeweils einen elektrischen Anschluß 52 bzw. 53 aufweist. Zur elektrischen Isolation von Induk tionsstruktur 5 und Widerstandsstruktur 4 ist zwischen bei den ein ausreichender Abstand eingehalten und der Träger körper 2 aus elektrisch isolierendem Material gebildet. An die beiden Anschlüsse 52 und 53 der Induktionsstruktur 5 sind elektrische Leitungen angeschlossen, beispielsweise durch Löten, zum elektrischen Verbinden der Induktions struktur 5 mit einem Induktions- und Meßgenerator 11'. Der Induktions- und Meßgenerator 11' erzeugt in einer Heizbe triebsart eine zeitlich veränderliche Induktionsspannung U_I und in einer Meßbetriebsart eine Meßspannung U_M.

Bei Anliegen der Induktionsspannung U_I an der Induktions struktur 5 fließt in dieser ein von der Impedanz der Induk tionsstruktur 5 abhängender zeitlich veränderlicher Strom, der wiederum um die Induktionsstruktur 5 einen zeitlich veränderlichen magnetischen Fluß bzw. ein sich mit der Zeit änderndes magnetisches Induktionsfeld erzeugt, das von der Induktivität, insbesondere der Zahl der Windungen, der In duktionsstruktur 5 abhängt. B mit entsprechenden Frequenzen. Wenn nun in dieses Induktionsfeld B ein elektrisch leitender, ferromagnetischer Gargutträger wie beispielswei se Gargeschirr, gebracht wird, so werden in dem Gargutträ ger Wirbelströme induziert, deren Energie in Wärme im Gar gutträger umgewandelt wird. Diese Wärme wird nun dem Gargut im oder auf dem Gargutträger zugeführt. Die entsprechende Energie wird dem Induktions- und Meßgenerator 11' entzogen. Die Induktionsspannung U_I ist insbesondere eine mittelfre quente Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen etwa 20 kHz und etwa 100 kHz, vorzugsweise wenigstens 25 kHz, wel che eine periodisch wechselnde Polarität oder auch periodi sche Pulse gleicher Polarität aufweisen kann.

Im Meßbetrieb wird die Induktionsstruktur 5 als Sensor ver wendet, indem eine Meßspannung U_M des Induktions- und Meßge nerators 11', zwischen den beiden Anschlüssen 52 und 53 der Induktionsstruktur 5 angelegt wird und die Impedanz oder eine Impedanzänderung der Induktionsstruktur 5 gemes sen (erfaßt) wird, beispielsweise mithilfe einer Vierpol messung oder einer Meßoszillatorschaltung. Die Impedanz der Struktur 3 liefert nämlich Informationen über bestimmte Prozeßgrößen des Garprozesses. So kann eine Änderung des ohmschen Widerstandes der Induktionsstruktur 5 als Maß für eine Temperaturänderung an dem Trägerkörper 2 und eine Än derung der Induktivität der Induktionsstruktur 5 als Maß für eine Annäherung oder Entfernung eines Gargutträgers (Topferkennung) herangezogen werden. Insbesondere zur Topf erkennung wird die Induktionsstruktur 5 mit einer hochfre quenten Meßspannung U_M über 100 kHz, typischerweise 300 kHZ, versorgt. Die Induktionsstruktur 5 erzeugt dadurch durch Induktion um sich ein magnetisches Meßfeld, das durch das Einbringen des Gargutträgers geändert wird. Diese Feld änderung kann als Änderung der Induktivität der Induktions struktur 3 detektiert werden. Ein Schwellwertdetektor einer nicht dargestellten Steuereinrichtung vergleicht die gemes sene Induktivität mit einem vorgegebenen Schwellwert und schaltet abhängig vom Unterschreiten oder Überschreiten des Schwellwertes den Heizgenerator 10' und/oder den Indukti onsgenerator 11' nur ein oder hält diesen an die Wider standsstruktur 4 bzw. die Induktionsstruktur 4 angeschlos sen, wenn bzw. solange sich ein Gargutträger auf der Koch stelle befindet.

Wenn nun zusätzlich über eine Bedieneinrichtung mehrere Kochstufen auswählbar und eine Ankochstufe auswählbar oder automatisch einstellbar sind, so kann die Steuereinrichtung in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform zunächst zum Ankochen nur den Induktionsgenerator 11' und gegebenen falls zusätzlich den Heizgenerator 10' mit der Induktions struktur 5 bzw. der Widerstandsstruktur 4 verbinden und nach Beendigung des Ankochens zum Fortkochen mit der ausge wählten Kochstufe nur den Heizgenerator 10' mit der Wider standsstruktur 4 verbinden. Dadurch werden die kürzere An kochzeit (geringe thermische Trägheit) der Induktionsbehei zung beim Ankochen und die geringeren Verluste (höherer Wirkungsgrad) der Widerstandsbeheizung beim Fortkochen vor teilhaft ausgenutzt.

Die Steuereinrichtung verbindet in einer besonderen Ausfüh rungsform den Heizgenerator 10' und/oder den Induktionsge nerator 11' erst dann mit der entsprechenden Struktur 4 bzw 5, wenn der Induktions- und Meßgenerator 11' als Meßein richtung das Vorhandensein eines Gargutträgers registriert hat. Die Meßspannung kann auch während des Anlegens der In duktionswechselspannung an der Induktionsstruktur 5 ange schlossen bleiben zum Überwachen der Prozeßgrößen auch wäh rend des Garens.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Gareinrichtung gemäß Fig. 1, bei der um die Induktionsstruk tur 5 in einer weiteren Heizzone eine weitere Widerstands struktur 6, die beispielsweise einfach ringförmig ausgebil det ist, angeordnet ist (Dreizonen- oder Dreikreiskochstel le oder -kochzone). Ein Heizgenerator 10 versorgt die zwei te Widerstandsstruktur 6 durch Anlegen einer Heizspannung U_R2 an zwei Anschlüsse 62 und 63 der Widerstandsstruktur 6 mit einer Heizleistung. Die Heizspannung des Heizgenerators 10 für die erste Widerstandsstruktur 4 in der Innenheizzone ist mit U_R1 bezeichnet. Die zwischen den beiden Widerstands strukturen 4 und 6 angeordnete Induktionsstruktur 5 wird von einem Induktionsgenerator 11 mit der Induktionsspannung U_I versorgt.

Während in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 jeweils eine Widerstandsstruktur im Zentrum (Innenheizzone) der Kochstelle angeordnet ist, zeigt Fig. 3 eine Ausfüh rungsform mit einer flachspulenförmigen Induktionsstruktur 3 in einer Innenheizzone der Kochstelle und einer die In duktionsstruktur 3 umgebenden Widerstandsstruktur 7 in ei ner Außenheizzone (Zweizonenkochstelle). Diese Ausführungs form ist besonders vorteilhaft, da die Streufelder der In duktionsstruktur 3 reduziert werden. Die Induktionsstruktur 3 weist eine, spiralförmige Leiterbahn (Ränder jeweils mit einer Linie gezeichnet) mit zwei Anschlüssen 32 und 33 auf und die Widerstandsstruktur 8 eine Leiterbahn (mit einfa cher Linie gezeichnet) mit zwei Anschlüssen 82 und 83. Die Leiterbahn der Widerstandsstruktur 8 verläuft in Gestalt eines fast geschlossenen Doppelringes.

Zusätzlich zu den Heizstrukturen 3 und 8 ist in Fig. 3 auch eine Meßstruktur 7 dargestellt mit zwei Meßanschlüssen 72 und 73. An diese Meßstruktur 7 kann nun analog zu dem anhand Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Meßspan nung einer Meßeinrichtung angelegt und die Impedanz der Meßstruktur als Maß für die Temperatur an dem Trägerkörper 2 während des Garens, beispielsweise für eine Temperaturre gelung oder einen Übertemperaturschutz, oder für eine Top ferkennung gemessen werden. Es können natürlich auch sepa rate Meßstrukturen mit zugeordneten Meßeinrichtungen für verschiedene Prozeßgrößen wie Temperatur oder Topferkennung vorgesehen sein.

Bei allen Ausführungsformen der spulenförmigen Induktions strukturen 3 und 5 kann auch nur eine Windung vorgesehen sein.

Die Gareinrichtung gemäß Fig. 4 umfaßt einen Trägerkörper 2 mit einer vorzugsweise flachen ersten Oberfläche 20 und ei ner vorzugsweise wenigstens annähernd parallel zur ersten Oberfläche 20 gerichteten und von der ersten Oberfläche 20 abgewandten zweiten Oberfläche 21 als Aufstellfläche für Gargutträger oder Gargutbehälter. Auf der ersten Oberfläche 20 des Trägerkörpers 2 sind in unmittelbarem Kontakt zur ersten Oberfläche 20 in einem Innenbereich eine Wider standsstruktur 4' und in einem Außenbereich von der Wider standsstruktur 4' beabstandet eine Induktionsstruktur 5' angeordnet. Beide Strukturen 4' und 5' sind jeweils mit ei ner Leiterbahn gebildet, deren Querschnitte jeweils schraf fiert dargestellt sind.

Die Widerstandsstruktur 4' und die Induktionsstruktur 5' können in einer Ausführungsform aus einer in einem Verfah rensschritt auf die Oberfläche 20 des Trägerkörpers 2 auf gebrachten elektrisch leitenden Schicht, insbesondere einer Metallschicht, strukturiert sein und bestehen dann aus dem selben Material. Die gewünschten Impedanzen der Strukturen 4' und 5' werden dann über deren geometrische Abmessungen eingestellt.

In einer anderen Ausführungsform werden in zwei getrennten Verfahrensschritten jeweils eine Schicht für die beiden Strukturen 4' und 5' auf die Oberfläche 20 des Trägerkör pers 2 aufgebracht und die Strukturen 4' und 5' zur Bildung der entsprechenden Leiterbahn jeweils aus der zugehörigen Schicht strukturiert. In dieser Ausführungsform können auch unterschiedliche Materialien für die Widerstandsstruktur 4' und die Induktionsstruktur 5' verwendet werden.

Zum Aufbringen der Schicht bzw. Schichten können alle ge eigneten bekannten Prozesse aus der Dünnschicht- oder Dick schichttechnologie verwendet werden, insbesondere thermi sches Aufdampfen, vorzugsweise im Vakuum, ein Sputterver fahren, ein mechanisches Druckverfahren (Aufdrucken), ein Lötverfahren, ein Aufschmelzverfahren oder auch Auflegieren des Materials der Schicht auf die Oberfläche 20 des Träger körpers 2. Besonders geeignete Verfahren werden in Abhän gigkeit von den Materialien der Schicht und des Trägerkör pers 2 gewählt. Den genannten Verfahren ist gemeinsam, daß die Leiterschicht an der Oberfläche 20 des Trägerkörpers 2 haftet (adhäsive Verbindung). Die Dicke der auf den Träger körper 2 aufgebrachten Schichten für die Strukturen 4' und 5' liegt im allgemeinen zwischen etwa 200 nm und etwa 1 mm, insbesondere zwischen etwa 700 nm und etwa' 500 µm und vor zugsweise zwischen 1 µm und etwa 100 µm.

Auch zum Strukturieren der aufgebrachten Schicht bzw. Schichten können gängige Strukturierverfahren verwendet werden wie Lithographieverfahren, insbesondere Photolitho graphie, mit geeigneten Masken und Ätzverfahren (Trockenätzen oder Naßätzen) zum Wegätzen des Metalls oder anderen Materials derart, daß nur die Leiterbahn stehenbleibt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Gareinrichtung, bei der eine vorgefertigte Widerstandsstruktur 4" und eine vorgefertigte Induktionsstruktur 5" auf die erste Oberflä che 20 des Trägerkörpers 2 in Richtung der dargestellten Pfeile aufgebracht werden. Die Strukturen 4" und 5" sind vorzugsweise mit jeweils einer vorstrukturierten, insbeson dere durch Stanzen hergestellten Metallfolie gebildet, die jeweils zwei Kontakte (Anschlüsse) aufweist. Die Dicke der Metallfolien wird im allgemeinen zwischen etwa 0,8 µm und etwa 5 mm eingestellt und kann insbesondere für Wider standsstruktur 4" und Induktionsstruktur 5" unterschied lich groß sein, vorzusgweise kleiner für die Widerstands struktur 4".

Die vorgefertigten Metallfolien der Widerstandsstruktur 4" und der Induktionsstruktur 5" werden in einer ersten Al ternative auf die Oberfläche 20 unter einem mechanischen Druck aufgepreßt, so daß die Metallfolie an dieser Oberflä che 20 haftet, oder auch unter einem im allgemeinen leich teren Druck mit Hilfe von nicht dargestellten Anpreßmit teln, beispielsweise einer Anpreßplatte, fest an der Ober fläche 20 gehalten. Im letzteren Fall ist die Verbindung des Trägerkörpers 2 mit den Strukturen 4" und 5" lösbar. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Strukturen 4" und 5" mit Hilfe eines Klebers auf die Oberfläche 20 des Trägerkörpers 2 aufgeklebt.

Der Trägerkörper 2 besteht in allen Ausführungsformen vor zugsweise aus einer Keramik und weist im allgemeinen eine Dicke von zwischen etwa 1 mm und etwa 20 mm auf. Als Kera mik eignet sich insbesondere eine Siliciumnitrid-Keramik oder auch eine, vorzugsweise elektrisch isolierende, Sili ciumcarbid-Keramik. Insbesondere in diesen Ausführungsfor men kann die Induktionsstruktur 3 auch mit elektrisch lei tendem Polysilicium (polykristallinem Silicium) gebildet sein. Die genannten Keramiken weisen eine relativ große Wärmeleitfähigkeit auf.

Als Material für die Strukturen 3 bis 8 gemäß den Fig. 1 bis 5 kann insbesondere ein elementares Metall wie beispiels weise Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Aluminium (Al), Titan (Ti), Molybdän (Mo), oder Chrom (Cr)oder eine Metallegierung aus zwei oder mehr metallischen Komponenten, insbesonders der vorgenannten Metalle, verwendet werden. Ferner kann auch aus einer Metallverbindung wie vorzugsweise einem Metallni trid, beispielsweise Titannitrid, oder einem Metallcarbid, insbesondere Wolframcarbid oder Tantalcarbid, verwendet werden.

An der Oberfläche 20 des Trägerkörpers 2 können zusätzlich auch Kompensationswicklungen zum Kompensieren von Indukti onsstreufeldern angeordnet sein.

Die Gareinrichtung kann auch mehrere Trägerkörper oder Teilträgerkörper umfassen, die jeweils eine oder mehrere Widerstands- und/oder Induktionsstrukturen oder Teile von solchen Strukturen tragen. Die einzelnen Teile einer Struk tur werden dann elektrisch miteinander verbunden, bei spielsweise verlötet.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform können die In duktionsstrukturen und Widerstandsstrukturen auch mit einer Passivierungsschicht zum Schutz vor chemischen Reaktionen mit der Umgebung insbesondere zum Schutz vor Oxidation, überzogen werden. Eine solche Schicht kann auch zusätzlich elektrisch isolierend sein, wenn die Strukturen an der Auf stellfläche vorgesehen werden und das Kochgeschirr auf die Strukturen aufgestellt wird.

Ferner können auch nicht dargestellte ferritische Abschlüs se zum Führen des Magnetfelds und Unterdrücken von Streu feldern der Struktur 3 im Induktionsbetrieb zugeordnet sein.

Claims

1. Gareinrichtung mit

a) wenigstens einem Trägerkörper (2),
b) wenigstens einer auf einer Oberfläche (20) des Träger körpers (2) angeordneten und in Form einer Spirale oder Spule mit wenigstens einer Windung ausgebildeten Induk tionsstruktur (3, 5, 5', 5"),
c) wenigstens einer auf der Oberfläche (20) des Trägerkör pers von der Induktionsstruktur beabstandet angeordne ten Widerstandsstruktur (8, 4, 4', 4"),
d) einem mit der Widerstandsstruktur elektrisch verbindba ren Heizgenerator (10, 10') zum Erzeugen von Joulescher Verlustwärme in der Widerstandsstruktur durch Anlegen einer elektrischen Heizspannung (U_R) an die Widerstands struktur und mit
e) einem mit der Induktionsstruktur elektrisch verbindba ren Induktionsgenerator (11, 11') zum Erzeugen eines ma gnetischen Induktionswechselfeldes (B) um die Indukti onsstruktur durch Anlegen einer elektrischen Wech selspannung (U_I) an die Induktionssstruktur,
f) wobei die wenigstens eine Widerstandstruktur und die wenigstens eine Induktionsstruktur unter Bildung jewei liger Kochzonen einer Mehrzonenkochstelle in zueinander konzentrischen Teilbereichen der Oberfläche (20) des Trägerkörpers angeordnet sind.

2. Gareinrichtung nach Anspruch 1, bei der die wenigstens eine Widerstandsstruktur (4, 5) mäanderförmig ausgebil det ist.

3. Gareinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Widerstandstruktur (4") und die Induktionsstruktur (5") aus verschiedenen, jeweils getrennt strukturier ten Schichten oder Folien gebildet sind.

4. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Widerstandsstruktur (4') und/oder die In duktionsstruktur (5') an der Oberfläche (20) des Trä gerkörpers (2) haften bzw. haftet.

5. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Widerstandsstruktur (4") und/oder die In duktionsstruktur (5") durch einen vorgegebenen Anpreß druck an der Oberfläche (20) des Trägerkörpers (2) ge halten sind bzw. ist.

6. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Trägerkörper (2) aus thermisch leitfähigem Material besteht und eine von der genannten Oberfläche (20) abgewandte weitere Oberfläche (21) aufweist, die unmittelbar gegenüberliegend zu der Widerstandsstruktur und der Induktionsstruktur als Aufstellfläche zum Auf stellen von Gargutträgern oder Gargutbehältern ausge bildet ist.

7. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Induktionsstruktur und/oder die Wider standsstruktur mit einer Schutzschicht überzogen sind.

8. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Trägerkörper (2) zumindest an der Oberflä che (20), auf der die Induktionstruktur und die Wider standsstruktur angeordnet sind, aus elektrisch isolie rendem Material besteht.

9. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Trägerkörper (2) aus einem Glas, einer Glaskeramik oder einer Keramik, insbesondere einer Si liciumnitrid-Keramik oder einer Siliciumcarbid-Keramik, besteht.

10. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrische Wechselspannung (U_I) des Induk tionsgenerators (11) höhere Frequenzanteile aufweist als die elektrische Heizspannung (U_R) des Heizgenerators (10).

11. Gareinrichtung nach Anspruch 10, bei der die elektri sche Heizspannung (U_R) des Heizgenerators (10) Frequenz anteile unterhalb von 100 Hz, vorzugsweise die vorgege benen Netzfrequenz eines Stromversorgungsnetzes, auf weist.

12. Gareinrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, bei der die Frequenzanteile der elektrischen Wechselspan nung (U_I) des Induktionsgenerators (11) zwischen 20 kHz und 100 kHz, vorzugsweise über 25 kHz, liegen.

13. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer ebenfalls auf der Oberfläche (20) des Träger körpers (2) und von der Induktionsstruktur (3) und der Widerstandsstruktur (4, 5) beabstandet angeordneten Meßstruktur (7) und mit einer mit der Meßstruktur (7) elektrisch verbindbaren Meßeinrichtung (12) zum Erfas sen einer Prozeßgröße für einen Garprozeß durch Anlegen einer Meßspannung (U_M) oder eines Meßstromes an die Meß struktur (7) und Messen der Impedanz der Meßstruktur (7) als Maß für die Prozeßgröße.

14. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer mit der Induktionsstruktur (5) und/oder der Widerstandsstruktur elektrisch verbindbaren Meßeinrich tung (11') zum Erfassen einer Prozeßgröße für einen Garprozeß durch Anlegen einer Meßspannung (U_M) oder ei nes Meßstromes an die Induktionsstruktur (5) bzw. Wi derstandsstruktur und Messen der Impedanz der Indukti onsstruktur (5) bzw. Widerstandsstruktur als Maß für die Prozeßgröße.

15. Gareinrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, bei der die Meßeinrichtung (12) aus der gemessenen Indukti vität oder Kapazität der Meßstruktur (7) bzw. der In duktionsstruktur (3) bzw. Widerstandsstruktur erkennt, ob sich ein Gargutträger oder Gargutbehälter im Bereich des Trägerkörpers (2) befindet oder nicht.

16. Gareinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Meßeinrichtung (12) den ohmschen Widerstand der Meßstruktur (7 bzw. der Induktionsstruktur (3) bzw. der Widerstandsstruktur als Maß für eine Temperatur an dem Trägerkörper (2) erfaßt.

17. Gareinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der die Meßspannung (U_M) der Meßeinrichtung (12) Frequenzanteile oberhalb 100 kHz, vorzugsweise bei etwa 300 kHz, aufweist.

18. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17 mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Heizgenerators und des Induktionsgenerator und/oder Verbinden des Heizgenerators mit der Widerstandsstruk tur und des Induktionsgenerators mit der Induktions struktur.

19. Gareinrichtung nach Anspruch 18, bei der die Steuerein richtung beim Angaren (Aufheizen) nur die Induktions struktur mit der Induktionswechselspannung des Indukti onsgenerators oder die Induktionsstruktur und die Wi derstandsstruktur mit der Induktionswechselspannung des Induktionsgenerators bzw. der Heizspannung des Heizge nerators versorgt und nach Beendigung des Angarens zum Fortgaren nur die Widerstandsstruktur mit der Heizspan nung des Heizgenerators versorgt.

20. Gareinrichtung nach einem der auf Anspruch 15 rückbezo genen Ansprüche und einem der Ansprüche 18 oder 19, bei der die Steuereinrichtung die Induktionsstruktur mit der Induktionswechselspannung des Induktionsgenerators und/oder die Widerstandsstruktur mit der Heizspannung des Heizgenerators nur dann versorgt, wenn die Meßein richtung (12) das Vorhandensein eines Gargutträgers oder Gargutbehälters erkannt hat.

21. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Trägerkörper aus mehreren Teilträgerkörpern zusammengesetzt ist, die jeweils einen Teil der Induktionsstruktur und/oder der Widerstandsstruktur aufwei sen, wobei die einzelnen Teile der Induktionsstruktur bzw. der Widerstandsstruktur elektrisch miteinander verbunden sind.

22. Gareinrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der in einem inneren Teilbereich eine Induktions struktur (3) und in einem äußeren Teilbereich wenig stens eine Widerstandsstruktur (8) angeordnet sind.

23. Gareinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der in einem inneren Teilbereich eine erste Wider standsstruktur (4), in einem äußeren Teilbereich eine zweite Widerstandsstruktur (6) und in einem dazwischen liegenden mittleren Teilbereich eine Induktionsstruktur (5) angeordnet sind.

24. Verfahren zum Herstellen einer Gareinrichtung nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfah rensschritten:

a) Bereitstellen des Trägerkörpers (2),
b) Aufbringen der Induktionsstruktur (3) auf eine Ober fläche (20) des Trägerkörpers (2),
c) Aufbringen der Widerstandsstruktur auf dieselbe Ober fläche (20) des Trägerkörpers.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Induktions struktur (5') und die Widerstandsstruktur (4') derart auf die Oberfläche (20) des Trägerkörpers (2) aufge bracht werden, daß sie nach dem Aufbringen an dem Trä gerkörper (2) haften.

26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Induktions struktur und die Widerstandsstruktur durch Aufbringen einer gemeinsamen oder jeweils einer Schicht auf die Oberfläche (20) des Trägerkörpers (2) und anschließen des Strukturieren dieser Schicht erzeugt werden.

27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem jede Schicht auf gesputtert wird.

28. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem jede Schicht auf gedampft wird.

29. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem jede Schicht auf gepreßt wird.

30. Verfahren nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, bei dem als Induktionsstruktur und Widerstandsstruktur jeweils eine vorgefertigte Folie verwendet wird.

31. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Folie an die Oberfläche (20) des Trägerkörpers (2) angepreßt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Folie auf die Oberfläche (20) des Trägerkörpers (2) aufgeklebt wird.