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Umsetzung von elektromagnetischen Schwingungen in Wärme Die Erfindung
bezieht sich auf die Umsetzung von elektromagnetischen Schwingungen in Wärme, insbesondere
zur Erhitzung bzw. Warmhaltung von Geschirr, unter Anwendung eines elektromagnetischen
Feldes mit einer aus einer elektrisch leitenden Schicht, z. B.
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Metallschicht, bestehenden, sekundärseitigen Induktionsspule.
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Die Umsetzung von elektromagnetischen Schwingungen in Wärme über eine
sekundärseitige Induktionsspule in Form einer Metallschicht ist beispielsweise in
der deutschen Patentanmeldung P 24 15 086 vorgeschlagen worden. Es ist nun Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, diese Umsetzung von elektromagnetischen Schwingungen
in Wärme mit einem möglichst guten Wirkungsgrad und unter möglichst geringem Aufwand
durchzuführen. Dabei ist darauf zu achten, daß die Herstellung dieses Geschirrs
und die mit diesem zusammenwirkende Umsetzung der elektromagnetischen Energie in
Wärme möglichst geringe Herstellungsprobleme aufwerfen. Als Geschirr kommen im weitesten
Sinne alle Behälter in Frage, in welchen insbesondere Speisen oder Getränke warm
gehalten, erhitzt oder zubereitet werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die optimale
Schichtdicke dieser leitenden Schicht dann gegeben ist, wenn die Summe aus durch
Induktivität erzeugten Blindwiderstand und dem Schichtwiderstand des verwendeten
Materials ein experimentell oder rechnerisch zu ermittelndes Minimum erreicht. Zum
besseren Verständnis sei kurz auf das Ersatzschaltb des Sekundärkreises einer solchen
Anordnung eingegangen. In einem solchen Fall besteht der Gesamtwiderstand eines
solchen Stromkreises aus mehreren in Reihe geschalteten Widerständen. Zu diesen
Widerständen gehört einmal die Streuinduktivität infolge des räumlichen Abstandes
zwischen
der primärseitigen und sekundärseitigen Induktionsspule, aus dem Blindwiderstand
infolge der Induktivität und dem Schichtwiderstand der sekundärseitigen Induktionsspule.
Der Schichtwiderstand ist hierbei direkt umgekehrt proportional dem Produkt aus
spezifischer Leitfähigkeit und Materialquerschnitt. Die Schichtinduktivität ist
abhängig von dem verwendeten Material und von der Schichtdicke. Die Streuinduktivität
ist beispielsweise abhängig von dem räumlichen Abstand zwischen primärseitiger Induktionsspule
und der sekundärseitig angeordneten Schicht wie auch von dem Grad der Überdeckung
zwischen beiden Teilen. Wenn man nun von der Streuinduktivität durch Übertragung
als eine konstante Größe ausgeht, so läßt sich durch Versuch oder Berechnung ein
Maximum an Wärmeausbeute durch Minimierung der Summe aus Schichtinduktivität und
Schichtwiderstand erzielen. Damit kann für das jeweils vorgesehene Material die
optimale Schichtdicke festgestellt werden. Dies ist sowohl aus Kostengründen notwendig,
da das Schichtmaterial zum Teil recht teuer ist, zum anderen ist es auch aus Wirkungsgradgründen-
notwendig, da möglichst viel der im Primärkreis eingesetzten Strommenge sekundärseitig
in Wärme umgewandelt werden soll.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine primärseitige Induktionsspule,
welche aus drei konzentrisch zueinander angeordneten Flachspulenteilen besteht,
deren mittleres von der Grundfrequenz des Generators und deren inneres und äußeres
von der dritten Oberwellenfrequenz beaufschlagt sind und das innere gegenüber dem
äußeren entgegengesetzt stromdurchflossen ist. Eine solche primärseitige Induktionsspule
ist bereits in der deutschen Patentanmeldung P 24 53 924 vorgeschlagen worden. Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, in Verbindung mit der
bekannten primärseitigen Induktionsspule und der bereits aufgezeigten Möglichkeit,
die optimale Schichtstärke der sekundärseitigen Induktionsspule festzulegen, die
Möglichkeiten weiterer Wirkungsgradverbesserungen aufzuzeigen, im Hinblick auf eine
möglichst einfache Herstellung und Verarbeitung der auf das Geschirr aufzutragenden
Schicht.
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Erfindung8gemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die sekundärseitige
Induktionsspule im Bereich des Bodens des Geschirrteils
angeordnet
ist und in ihrer radialen Ausdehnung mindestens dem primärseitigen mittleren Flachspulenteil
entspricht.
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Damit ist sichergestellt, daß mit einer in ihrer radialen Ausdehnung
kleineren sekundärseitigen Induktionsspule der weitaus größte Anteil der elektrischen
Energie drahtlos übertragen werden kann, da gemäß den elektrischen Gegebenheiten
auf der Primärseite allein die Grundfrequenzspule mehr als 90 % der übertragbaren
elektrischen Leistung erzeugt. Es ist dabei auch ohne weiteres möglich, den radial
innersten Bereich, welcher kein Gegenstück in der in der primärseitigen Induktionsspule
aufweist, ebenfalls einzusparen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es vorteilhaft, daß
die sekundärseitige Induktionsspule entsprechend dem Aufbau der primärseitigen Induktionsspule
in ein mittleres, inneres und gegebenenfalls in ein äußeres Spulenteil unterteilt
ist, welche untereinander elektrisch isoliert sind. Damit ist eine exakte Abgrenzung
der einzelnen Wirbelströme erzielt und eine gegenseitige Beeinflussung ist ausgeschlossen.
Weiterhin kann von Fall zu Fall entschieden werden, ob ein äußeres Spulenteil sekundärseitig
angeordnet wird, wobei die auf dieses Spulenteil übertragbare Leistung relativ gering
ist, andererseits jedoch der Aufwand für diese Spule infolge ihres großen Durchmessers
relativ groß ist.
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Die Erfindung schlägt vor, daß jeder Spulenteil über seine radiale
Erstreckung eine konstante Schichtstärke aufweist. Dies ist einmal herstellungstechnisch
günstig und zum anderen ergibt sich eine ziemlich gleichmäßige Erwärmung über die
gesamte radiale Erstreckung des entsprechenden Spulenteils. Daraus wiederum resultiert
eine gleichmäßige Erwärmung des Bodens des Geschirrteils und Spitzentemperaturen
werden vermieden, zu Gunsten einer gleichmäßigen Erwärmung.
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Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist es weiterhin, daß die einzelnen
Spulenteile unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen. Da Beschichtungsmaterial,
welches alle günstigen Eigenschaften in sich vereint, relativ teuer ist, kann eine
wirtschaftliche Lösung dadurch gefunden werden, daß im Bereich der inneren und äußeren
Spulenteile, welche von der dritten Oberwellenfrequenz
beaufschlagt
sind, preiswerteres Material Verwendung findet, welches insbesondere der Dämpfung
der elektromagnetischen Schwingungen infolge Induktivität dient. Als Material kommt
hierbei z. B. Messing oder Aluminium in Frage.
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Ein anderer vorteilhafter Weg für eine besonders preiswerte Ausführung
wird erfindungsgemäß dadurch vorgeschlagen, daß das mittlere Spulenteil eine größere
Schichtstärke aufweist. Damit wird in diesem Bereich insbesondere die Wärmeleistung
übertragen, während die dünner ausgebildeten äußeren und inneren Spulenteile in
der Hauptsache der Dämpfung und weniger der Wärmeerzeugung dienen. Eine besonders
exakte Stromführung wird sekundärseitig dadurch erreicht, daß die einzelnen Spulenteile
für sich in konzentrische, elektrisch voneinander isolierte Ringe unterteilt sind.
Damit wird eine exakte Trennung der teilweise in entgegengesetzter Stromrichtung
durchflossenen Spulenteile erzielt und ein gleichmäßigerer Stromfluß in den einzelnen
Ringen erzwungen, so daß eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Geschirrteils
erzielt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, daß alle Spulenteile
Teil einer Spirale sind und eine Trennstelle X vom inneren Durchmesser des mittleren
Spulenteils und eine Trennstelle Y am äußeren Durchmesser des mittleren Spulenteils
angeordnet sind und die Enden der einzelnen Spulenteile durch separate Leiter miteinander
verbunden sind. Damit wird erzielt, daß in jedem Spulenteil über den gesamten radialen
Erstreckungsbereich die gleiche Stromstärke zur Verfügung steht. Eine besonders
gleichmäßige Erwärmung ist mit dieser Ausführung somit erzielbar. Erfindungsgemäß
wird weiterhin vorgeschlagen, daß das radial innere Spulenteil auf der Innenseite
des Bodens des Geschirrteils, zum Beispiel in Verbindung mit einem Dekor, angeordnet
ist. Damit sind zwei an sich völlig unabhängig voneinander bestehende Forderungen
sinnvoll zum gegenseitigen Vorteil miteinander vereint.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, daß das Geschirrteil
radial außerhalb des äußeren Spulenteils eine weitere Spule aufweist, zur Vorwärmung
gestapelten Geschirrs in einem separaten Vorwärmer. Dabei ist insbesondere an die
Möglichkeit gedacht,
bei der Vorwärmung von Tellern diese in einem
Stapel in einem separaten Vorwärmgerät auf elektromagnetische Weise vorzuwärmen.
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Naturgemäß kann hier eine Flachspule der bereits vorgeschlagenen Bauart
nicht sämtliche im Stapel enthaltenen Geschirrteile erwärmen. Der separate Vorwärmer
wird somit primärseitig eine in der Hauptsache zylindrisch ausgeführte Spule aufweisen
müssen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Figuren beispielsweise
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen im einzelnen: Fig. 1 ein Ersatzschaltbild für die primärseitige
und sekundärseitige Induktionsspule; Fig. 2 und 3 Ansicht und Querschnitt der primärseitigen
Induktions-Spule; Fig. 4 die Ansicht einer sekundärseitigen Induktionsspule mit
innerem, mittlerem und äußerem Spulenteil; Fig. 5 die Ansicht einer sekundärseitigen
Induktionsspule mit konzentrisch aufgeteiltem inneren und mittleren Spulenteil;
Fig. 6 die Ansicht einer sekundärseitigen Induktionsspule in Form einer Spirale;
Fig. 7 die Ansicht einer sekundärseitigen Induktionsspule mit innerem und mittlerem
Spulenteil; Fig. 8 die Ansicht einer sekundärseitigen Induktionsspule mit separater
Spule zur Stapelvorwärmung; Fig. 9 den Schnitt durch einen Teller mit Ausbildung
des inneren Spulenteils als Dekor.
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Fig. 1 zeigt insbesondere das Ersatzschaltbild für die sekundärseitige
Induktionsspule 7, 12. Darin bedeuten Ls die Streuinduktivität durch Übertragung;
Lf die Schichtinduktivität und Rf den
Schichtwiderstand. Der Primärkreis
ist durch die primärseitige Induktionsspule Lo angedeutet. Wenn man davon ausgeht,
daß Ls bei der Anordnung des Geschirrs mit der sekundärseitigen Induktionsspule
7, 12 direkt auf der primärseitigen Induktionsspule Lo als konstant angesehen werden
kann, so weist der sekundärseitige Stromkreis noch die beiden Widerstände Lf und
Rf auf. Alle diese Widerstände wirken so, als seien sie in Reihe geschaltet. Um
also bei konstantem Ls die beste Umsetzung der übertragbaren elektrischen Leistung
in Wärme zu erzielen, muß die Summe von Lf und Rf ein Minimum ergeben. Dies ist
bei einem vorgegebenen Material für die Beschichtung des Geschirrteils allein durch
Variation der Schichtstärke erzielbar; denn je dünner diese Schicht ist, um so größer
wird der Widerstand Rf und um so kleiner wird der Widerstand Lf. Je dicker die Beschichtung
gewählt wird, um so geringer wird der reine Materialwiderstand Rf und um so größer
wird die Induktivität Lf.
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Die beiden Figuren 2 und 3 zeigen die primärseitige Induktionsl spule
11, welche als Flachspule ausgebildet ist und in einzelne, zueinander konzentrisch
angeordnete Ringe aufgeteilt ist. Sie weist ein mittleres Spulenteil 1, ein inneres
Spulenteil 2 und ein äußeres Spulenteil 3 auf. Dabei ist entsprechend dem Stand
der Technik das mittlere Spulenteil von der Grundwelle und das innere und äußere
Spulenteil von der dritten Oberwelle beaufschlagt. Die elektrische Schaltung der
drei Spulenteile untereinander ist so gestaltet, daß das innere und äußere Spulenteil
gegenläufig stromdurchflossen sind, so daß diese beiden Oberwellenspulenteile insgesamt
gegen die Grundwellenspule magnetisch entkoppelt sind. Diese vorgesehene Stromflußrichtung
ist in Fig. 3 durch Symbole wiedergegeben.
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Wie aus dem Stand der Technik weiter zu entnehmen ist, teilt sich
die übertragbare Leistung etwa zu neun Zehntel auf das mittlere Spulenteil 1 und
zu einem Zehntel auf die beiden Spulenteile 2 und 3 auf. Diese Aufteilung entsteht
durch die Anteile der Spannungsverläufe von Grundwelle und Oberwelle an dem insgesamt
etwa rechteckähnlichen Verlauf der Gesamt spannung.
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Fig. 4 zeigt die Ansicht einer sekundärseitigen Induktionsspule 12.
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Diese ist in ihrer Projektion deckungsgleich mit der Projektion der
primärseitigen Induktionsspule 11 gem. Fig. 2 und 3 aufgebaut.
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Sie besitzt ein mittleres Spulenteil 4 für die Grundwelle und ein
inneres Spulenteil 5 sowie ein äußeres Spulenteil 6 für die Oberwellen. Als Spulenmaterial
findet beispielsweise eine Metallschicht Verwendung, welche auf den Boden beispielsweise
eines Porzellantellers aufgebracht ist. Durch die Isolierzwischenräume zwischen
den einzelnen Spulenteilen wird der Wirbelstrom jedes einzelnen Spulenteils in eine
feste Bahn gezwungen und eine gegenseitige Beeinflussung der in verschiedenen Richtungen
fließenden Wirbelströme wird vermieden. Außerdem findet eine ausgezeichnete Verteilung
der entstehenden Wärme über die jeweilige radiale Erstreckung eines Spulenteils
durch die wärmeleitenden Eigenschaften der Metallschicht statt.
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Fig. 5 zeigt eine sekundärseitige Induktionsspule, bei welcher das
innere Spulenteil 5 sowie das mittlere Spulenteil 4 noch in konzentrische Kreise
unterteilt sind. Damit werden in noch wirkungsvollerer Weise die einzelnen Wirbelströme
in konzentrische Bahnen gelenkt und beeinflussen sich gegenseitig in noch geringerem
Ausmaß.
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Fig. 6 zeigt eine sekundärseitige Induktionsspule in Form einer Spirale
7. Diese Spirale 7 ist praktisch bis zum Zentrum ausgebildet und weist lediglich
zwei Trennstellen X und Y auf. Diese Trennstellen sind am Übergang vom äußeren Spulenteil
6 in den mittleren Spulenteil 4 und vom mittleren Spulenteil 4 in den inneren Spulenteil
5 angeordnet. Um einen einwandfreien Stromfluß zu erzielen, sind die Enden dieser
einzelnen Spulenteile jeweils mit einem elektrischen Leiter 8, 9 bzw. 10 miteinander
verbunden.
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-Diese Ausführung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß das
innere Spulenteil 5 bis in den Mittelpunkt der Spirale 7 reicht und somit das zu
erwärmende Gefäß auch wirklich bis in den Mittelpunkt hinein erwärmt wird.
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In Fig. 7 ist eine sekundärseitige Induktionsspule 12 wiedergegeben,
welche aus einem inneren Spulenteil 5 und einem mittleren Spulenteil 4 besteht.
Das äußere Spulenteil ist weggelassen, da es - wie bereits früher dargelegt - nur
einen sehr geringen Anteil
der Gesamtleistung umsetzen kann. Somit
ist bei dieser Ausführung der Induktionsspule dem relativ großen Aufwand Rechnung
getragen, welcher sich aus dem zum Teil teueren Spulenmaterial und aus dem Aufbringen
auf das Geschirr ergibt. Dabei ist eine weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit
dadurch möglich, daß das innere Spulenteil 5 eine geringere Schicht stärke aufweist
und in der Hauptsache noch der Dämpfung des Schwingkreises dient, da über dieses
Spulenteil sowieso nur ein sehr geringer Leistungsumsatz möglich ist. Andererseits
könnte für das innere Spulenteil 5 ein billigeres Material verwendet werden5 welches
dann ebenfalls in der Hauptsache der Dämpfung des Schwingkreises beim Betrieb dient.
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Fig. 8 zeigt eine Spulenanordnung, bei welcher außerhalb der sekundärseitigen
Induktionsspule 12 in einem größeren Abstand eine weitere Spule 13 angeordnet ist,
welche bei der Anwendung von einer etwa zylindrisch ausgeführten Primärspule zur
Stapelvorwärmung für Geschirr dienen kann. In einem solchen Fall sind die Geschirrteile,
z. B. die Teller, in einem größeren Stapel übereinander geschichtet und der Stapel
ist insgesamt in eine zylindrische Spule eingebracht oder durchläuft eine solche
Spule.
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Fig. 9 zeigt den Schnitt durch einen Teller, bei welchem das innere
Spulenteil 5 auf der nach innen weisenden Bodenseite angeordnet ist, während das
mittlere Spulenteil 4 auf der Außenseite angeordnet ist. Eine solche Ausführung
wird vorteilhaft da angewendet, wo das innere Spulenteil gleichzeitig als Dekor
für das Geschirr ausgebildet ist.