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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Backofen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Backofens
mit Unterhitzeheizkörper.
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Ein
derartiger Backofen ist bekannt aus der
DE 27 57 059 C2 , wobei in
einer Anheizphase die volle Heizleistung und das, Umluftgebläse anschaltbar
sind und in einer Fortheizphase das Umluftgebläse und eine reduzierte Heizleistung
anschaltbar sind, wobei die Umschaltung von der Anheizphase auf
die Fortheizphase selbsttätig
vor Erreichen der gewählten
Backofen-Soll-Temperatur erfolgt.
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Ein
weiterer Backofen ist bekannt aus der Druckschrift
DE 43 19 613 C1 , wobei ein
verbessertes Backergebnis in mehreren Ebenen des Backraumes dadurch
erreicht wird, daß ein
Backvorgang in einer ersten Betriebsart mit vorgebbarer, erster
Taktzeit im Umluftbetrieb mit eingeschaltetem Gebläse und eingeschaltetem
Gebläseheizkör per begonnen wird.
Danach wird auf eine zweite Betriebsart mit vorgebbarer zweiter
Taktzeit im Umluftbetrieb mit eingeschaltetem Gebläse und eingeschaltetem
Oberhitze- und Unterhitze-Heizkörper
umgeschaltet. Der Backvorgang wird abwechselnd in der ersten und
zweiten Betriebsart mit der vorgegebenen ersten und der vorgegebenen
zweiten Taktzeit bis zum Ablauf der vorgegebenen Backzeit weitergeführt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Backofen nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 im Muffelbodenbereich kritisch hohe Temperaturen
sicher zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist dies
bei einem Backofen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch
Verfahren zum Betreiben des Backofens mit den Merkmalen der Patentansprüche 5 und
6 erreicht.
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Bei
konventionellen Backöfen
ist die Nennheizleistung des Unterhitzeheizkörpers beim Backbetrieb üblicherweise
größer als
insbesondere die des Oberhitzeheizkörpers. Dies ist unter anderem dadurch
bedingt, daß der
Oberhitzeheizkörper
innerhalb der Backofenmuffel im Unterschied zu dem außen unterhalb
der Muffel liegenden Unterhitzeheizkörper angeordnet ist. Beispielsweise
beim Backbetrieb wird die Temperatur im Garraum durch den Temperaturfühler mit
den beiden genannten Heizkörpern so
geregelt, daß sich
im Garraumschwerpunkt typischerweise eine Temperatur von etwa 220°C einstellt.
Die sich dabei ergebende Wandtemperatur der Muffel ist deutlich
höher,
wobei der Unterschied zur Temperatur im Garraumschwerpunkt grob
geschätzt bei
etwa 150 K liegt. Die Temperatur im Bodenbereich der Muffel ist
typischerweise die höchste
aller auftretenden Temperaturen. Beschichtungen der Backofenmuffel,
beispielsweise Email, besitzen eine kritische Temperatur von typisch
etwa um 500°C.
Bei Überschreitung
der Wandtemperatur kommt es zur bleibenden Beschädigung des Emails. Andererseits ist
es wünschenswert,
die Nennheizleistung des Unterhitzeheizkörpers für Backvorgänge möglichst hoch zu wählen, um
den Backprozeß von
unten zu beschleunigen. Hinzu kommt, daß der Unterhitzeheizkörper jedoch
beispielsweise auch zusammen mit dem Oberhitzeheizkörper bei
Backvorgängen
mit Backofentemperaturen von bis zu 300°C verwendet wird. Dies gilt
beispielsweise bei der Zubereitung von Pizzas oder Brot in der Backofenmuffel.
Erfindungsgemäß ist es
nun möglich,
einerseits bei typischen Backvorgängen eine möglichst große Unterhitzeheizleistung bereitzustellen
und andererseits bei hohen gewünschten
Backofentemperaturen sicherzustellen, daß die zulässigen Temperaturen im Bodenbereich
der Backofenmuffel nicht überschritten
werden.
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Wenn
dabei die gemessene Backofentemperatur als Schaltkriterium verwendet
wird, ist sichergestellt, daß bereits
im Aufheizvorgang die maximale Unterhitzeheizleistung verwendet
werden kann. Andererseits ist es aufgrund der thermischen Trägheit des
Systems Heizkörper-Backofenmuffel-Temperaturfühler dabei
problematisch, beim Aufheizvorgang für die Beschichtung der Muffelwand
im Bodenbereich schädliche
Heizspitzen zu vermeiden. Deshalb muß der Grenzwert bei dieser
erfindungsgemäßen Lösung jeweils
entsprechend gewählt
sein. Sicherheitstechnisch günstiger
kann es deshalb sein, bereits beim Einstellen einer kritischen Backofentemperatur
in der Bedien einheit, die Heizleistung des Unterhitzeheizkörpers von
Anfang an entsprechend zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß gibt die
Steuereinheit den Grenzwert in Abhängigkeit von der eingestellten
Betriebsart des Backofens vor. In Abhängigkeit von den Betriebsarten
ergeben sich unterschiedliche Temperaturverteilungen im Garraum.
Die Temperaturdifferenzen zwischen dem Garraumschwerpunkt und der Muffelbodenwand
kann also schwanken. Um die maximal mögliche Heizleistung des Unterhitzeheizkörpers zur
Beschleunigung des Backvorganges von unten verwenden zu können, wird
deshalb zunächst in
Versuchsreihen beim Backofenhersteller festgestellt, welcher Grenzwert
bei welcher Betriebsart eine ausreichende Sicherheit gewährleistet.
Die entsprechende Information kann anschließend in einem nicht flüchtigen
Speicher der Steuereinheit des Backofens abgelegt werden.
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Bei
derzeit typischen Anordnungen der Heizelemente und der Regelungseinrichtung
des Backofens hat sich bei emaillierten Backofenmuffeln ein Grenzwert
von etwa 250° C
als günstig
erwiesen. Falls anstelle des Emails andere Schutzschichten, beispielsweise
spezielle extrem dünne
Schichten in Sol-Gel-Technik, verwendet werden, oder andere Heizleistungsverteilungen
und Heizkörperanordnungen
realisiert werden, ist der Grenzwert herstellerseitig entsprechend
anzupassen.
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Um
den Backvorgang günstig
gestalten zu können,
beträgt
erfindungsgemäß die Nennheizleistung
des außenliegenden
Unterhitzeheizkörpers etwa
1800 W. Dieser Wert ist einerseits groß genug, um den Backprozeß von unten
ausreichend beschleunigen zu können.
Andererseits ist er klein genug, um bei herkömmlichen Dimensionierungen
der anderen Heizkörper
des Backofens bzw. eines beigestellten Kochfeldes das Haushaltsnetz
sicher nicht zu überlasten.
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Nachfolgend
ist anhand schematischer Darstellungen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Backofens
beschrieben.
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Es
zeigen
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1 in
einer Seitenansicht teilweise in Schnittdarstellung stark vereinfacht
den Backofen;
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2 ein
Schaltmuster des Oberhitze- und des Unterhitzeheizkörpers bei
einer eingestellten Backofentemperatur von 220°C,
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3a und 3b ein
Schaltmuster des Oberhitze- und des Unterhitzeheizkörpers bei
einer eingestellten Backofentemperatur von 300°C, wobei in 3a der
vorgegebene Grenzwert und in 3b der
gemessene Grenzwert als Schalterkriterium dient, und
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4 ein
Diagramm der prinzipiellen Temperaturverteilung in der Backofenmuffel
bei den unterschiedlichen Backofentemperaturen gemäß 2 und 3.
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Ein
Backofen 1 dem Stand der Technik gemäß 1 weist
ein Gehäuse 3 auf,
in dem eine metallische Muffel 5 gehaltert ist, die frontseitig
durch eine Backofentür 7 verschließbar ist.
Die Muffel 5 ist quaderförmig ausgebildet und emailliert.
Die Grenzbetriebstemperatur des Emailles beträgt etwa 500°C. Die Backofenmuffel 5 ist
zur Wärmedämmung im
wesentlichen allseitig umgeben von einem an sich bekannten Backofenisolationsmaterial 9.
Im Garraum bzw. der Backofenmuffel 5 ist deckseitig ein
mehrfach gebogener Rohrheizkörper
als Oberhitzeheizkörper 11 angeordnet.
Unterhalb des Bodens der Backofenmuffel 5 ist ein Unterhitzeheizkörper 13 in Form
eines an sich bekannten Rohrheizkörpers gehaltert und außenseitig
durch die Backofenisolation 9 abgedeckt. Der Unterhitzeheizkörper 13 ist
thermisch in Verbindung mit dem Boden der Muffel 5. Die
Nennheizleistung des Oberhitzeheizkörpers 11 beträgt beim
Backbetrieb 1100 Watt und die des Unterhitzeheizkörpers 13 1750
Watt. Im Bereich des Oberhitzeheizkörpers 11 ist ein Platin
500-Meßwiderstand
als Temperaturfühler 15 angeordnet.
Hinter einer parallel zur Rückwand
der Backofenmuffel 5 in dieser gehalterten Prallwand 17 mit
nicht näher
gezeigten Ansaug- und Ausblasöffnungen
ist ein an sich bekanntes Umluftgebläse 19 vorgesehen.
Damit kann die erhitze Luft in der Muffel 5 umgewälzt werden
und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung
in der Muffel 5 erreicht werden. Gegebenenfalls kann das
Lüfterrad des
Umluftgebläses 19 von
einem ringförmigen
Umluftheizkörper
umzogen sein (nicht gezeigt). Mittels in einer Bedienblende des
Backofens 1 gehalterter Bedienknebel 21 sind unter
anderem Betriebsarten für den
Backofen 1 und die gewünschte
Backofentemperatur (Solltemperatur) vorgebbar. Die Bedienknebel 21 sind
mittels Verbindungsleitungen 27 mit einer Steuereinheit 23 des
Backofens 1 verbunden. Diese Steuereinheit 23 weist
insbesondere einen Mikro prozessor und entsprechende Speicherbausteine
auf. Zur Steuerung der Heizleistung des Backofens 1 ist die
Steuereinheit 23 über
Verbindungsleitungen 27 mit einer Schalteinheit 25 verbunden.
In dieser sind entsprechende elektrische Schalter vorgesehen, die ein
Ein- und Ausschalten der Heizkörper 11, 13 und gegebenenfalls
des Umluftgebläses 19 ermöglichen. Zur
Regelung der Backofentemperatur ist der Temperaturfühler 15 ebenfalls über eine
Verbindungsleitung 27 mit der Steuereinheit 23 verbunden.
Das geregelte Heizsystem Backofen ist derart abgestimmt, daß entsprechend
der Temperaturvorgabe mit dem Bedienknebel 21 die Steuereinheit 23 die
gemäß der Betriebsart
gewählten
Heizkörper 11, 13 derart
taktet, daß trotz
indirekter Temperaturmessung durch den Temperaturfühler 15 im
Bereich der Decke der Backofenmuffel 5 die voreingestellte
und gewünschte
Backofentemperatur im Schwerpunkt der Muffel 5 eingeregelt
wird. Ein in dem Garraum beispielsweise auf einem Backblech angeordnetes
Backgut wird dann entsprechend mit der Unter- und der Oberhitze 11, 13 gebacken.
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Gemäß 2 ist
beispielsweise mit Hilfe des Bedienknebels 21 eine gewünschte Backofentemperatur
(Solltemperatur) von 220°C
beim Backen mit Ober- und Unterhitze 11, 13 vorgegeben.
Zu einem Zeitpunkt t = 0 wird deshalb sowohl der Oberhitzeheizkörper 11 (OH)
als auch der Unterhitzeheizkörper 13 (UH)
an die Netzspannung des Backofens 1 gelegt. Der Temperaturfühler 15 fühlt die
Garraumtemperatur und schaltet über
die Steuereinheit 23 beim Erreichen einer bestimmten Temperatur,
die einer Schwerpunktbackofentemperatur von etwa 220°C entspricht,
die beiden Heizkörper 11, 13 ab. Für eine Abschaltzeit
tA bleiben die beiden Heizkörper 11, 13 dann
abgeschaltet, um anschließend
für eine
Einschaltzeit tE wieder eingeschaltet zu
werden. Durch das zyklische Ein- und Ausschalten der beiden Heizkörper 11, 13 wird
die Backofentemperatur mit Hilfe des Temperaturfühlers 15 auf etwa
220°C konstant
geregelt (Isttemperatur). Dabei beträgt im Aufheizvorgang eine Heizleistung
POH1 1100 Watt, während sie im eingeschwungenen
Zustand gemäß 2 durch
das Takten gemäß PoH2 etwa halbiert, also deutlich reduziert
ist. Entsprechendes gilt für
die Heizleistung des Unterhitzeheizkörpers 13 mit der Nennheizleistung
PUH1 = 1750 Watt im Aufheizvorgang und der
reduzierten Heizleistung in eingeschwungenem Zustand PUH2.
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Gemäß 3a und 3b ist
eine Backofentemperatur von 300°C
(Solltemperatur) beim Backbetrieb mit Ober- und Unterhitze 11, 13 vorgegeben.
Im ersten Fall gemäß 3a erkennt
die Steuereinheit 23 bereits beim Vorgeben dieser hohen Backofen temperatur
mit dem Bedienknebel 21, daß ein abgespeicherter Grenzwert
in Höhe
von 250°C für die Backofenschwerpunktstemperatur
bei der Betriebsart Backen überschritten
ist. Entsprechend wird im Unterschied zum Oberhitzeheizkörper 11 der
Unterhitzeheizkörper 13 bereits
beim Aufheizvorgang mit reduzierter Leistung gefahren. Dies ist
dadurch erreicht, daß während des
Aufheizvorganges immer wieder für
Zeiten t1 der Unterhitzeheizkörper 13 durch die
Schalteinheit 25 abgeschaltet wird. Damit wird die Leistung
des Unterhitzeheizkörpers 13 während des Aufheizvorganges
von beispielsweise 1750 auf 1500 Watt reduziert. Beim Erreichen
der Schwerpunktsbackofentemperatur von 300°C (Isttemperatur), die einer
bestimmten Temperatur des Temperaturfühlers 15 entspricht,
werden zeitgleich die beiden Heizkörper 11, 13 abgeschaltet
und getaktet. Dadurch wird die Backofentemperatur auf etwa 300°C geregelt. Dabei
wird die mittlere Leistung des Unterhitzeheizkörpers 13 PUH3 gegenüber
der Leistung des Oberhitzeheizkörpers 11 reduziert.
Das Heizleistungsverhältnis
von Oberhitzeheizkörper 11 zu
Unterhitzeheizkörper 13 wird
also gemäß 3a im
Unterschied zu 2 zu Gunsten des Oberhitzeheizkörpers 11 verschoben,
wie im Zusammenhang mit 4 näher erläutert ist.
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Daraus
ergibt sich gemäß 4 folgende prinzipielle
Temperaturverteilung in der Backofenmuffel 5. An dem räumlichen
Schwerpunkt der Backofenmuffel 5 xS liegt
nach dem Aufheizvorgang bei einer mittels des Bedienknebels 21 vorgegebenen Solltemperatur
von 220°C
eine Isttemperatur von annähernd
tatsächlich
220°C vor.
Diese steigt in Richtung auf die Muffeldecke (x = x1) an. Entsprechendes gilt
für den
Temperaturverlauf in Richtung auf den Muffelboden (x = x2). Zu beachten
ist, daß aufgrund der
höheren
Unterhitzeleistung die Temperatur bei x2 (Muffelboden) größer ist
als die bei x1 (Muffeldecke) (T(x2) > T(x1)). Entsprechendes gilt für die Seitenwände der
Muffel 5. Erfindungsgemäß ist der
Temperaturverlauf bei einer vorgegebenen Backofentemperatur von
300°C beim
Backbetrieb gemäß 4 nicht parallel
verschoben zur Kurve des Temperaturverlaufes bei 220°C. Vielmehr
wird durch die Veränderung des
Leistungsverhältnisses
von Oberhitzeleistung zu Unterhitzeleistung die Temperatur am Ort
x2 (Muffelboden) deutlich geringer angehoben als am Ort x1 (Muffeldecke)
bzw. im Muffelschwerpunkt (x = xS). Dadurch
ist sichergestellt, daß im
Muffelboden (x = x2) unzulässig
hohe Temperaturen nicht erreicht werden und somit das Backofenemail
vor Beschädigung allerorts
sicher geschützt
ist.
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Gemäß 3b ist
im Unterschied zu 3a die Taktung der Heizkörper 11, 13 im
Backbetrieb dargestellt, wenn der durch den Temperaturfühler 15 gemessene
Wert der Backofentemperatur als Schaltkriterium für die Steuereinheit 23 dient.
Dabei muß dieser
Grenzwert nicht mit dem oben angegebenen Grenzwert übereinstimmen.
Zunächst
werden gemäß 3b beide
Heizkörper 11, 13 mit
Nennheizleistung, also 1100 und 1750 Watt, betrieben. Bei Erreichen
des Grenzwertes zum Zeitpunkt tG reduziert die
Steuereinheit 23 die Heizleistung des Unterhitzeheizkörpers 13.
Erst durch das gleichzeitige Weiterheizen mit dem Oberhitzeheizkörper 11 wird
die gewünschte
Backofentemperatur von 300°C
(Solltemperatur) erreicht. Um dann die Temperatur konstant zu regeln,
werden wie oben beschrieben, die beiden Heizkörper 11, 13 leistungsmäßig getaktet.