DE4142872A1 - Verfahren und vorrichtung zum induktiven beheizen von behaeltern unterschiedlicher groesse - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum indukti­ ven Beheizen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Sachanspruchs.

Es ist bekannt, daß Behälter, wie beispielsweise Kochtöpfe, Bratpfannen, usw., durch induktive Verfahren beheizt werden können und somit die in den Töpfen befindlichen Waren, wie Speisen oder dergleichen, erwärmt werden können.

Aus GB 21 99 454 A ist bereits ein Induktionsheiz-Kochgerät bekannt mit einem Induktionsmittel, das aus zwei einzelnen Induktionselementen besteht. Dabei wird bei Verwendung eines Behälters mit magnetischem Boden, der einen hohen Widerstand aufweist, nur ein einziges Induktionselement verwendet und bei Verwendung eines Behälters mit einem nicht-magnetischen Boden und einem niedrigen Widerstand werden die beiden Induk­ tionselemente in Reihe geschaltet, da eine erhöhte Anzahl von Windungen benötigt wird.

Bei dem bekannten System wird jedoch die Größe des zu erhit­ zenden Behälters nicht berücksichtigt. Damit kommt es bei kleinen Töpfen und einer großen Induktionsspule zu einer Verminderung des Wirkungsgrades und zu erhöhter Störstrah­ lung. Bei großen Töpfen und einer kleinen Induktionsspule erfolgt eine ungenügende und ungleichmäßige Erwärmung. Das ist insbesondere bei der Zubereitung von empfindlichen Spei­ sen, wie Eierpfannkuchen (Crepes), besonders störend.

Es ist weiterhin die DE-PS 35 08 289 bekannt, die einen Wech­ selrichter zur Speisung eines Verbrauchers mit einer indukti­ ven Komponente vorstellt. In dieser Schrift wird erwähnt, daß die Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Behälters (Kochtopfes) die Last und damit den Gütefaktor eines Schwingkreises, der eine als spiralförmige Spule ausgebildete Induktivität und einen im Generator (Wandler) enthaltenen Kondensator umfaßt, verändert. Die Veränderung des Gütefaktors kann bestimmt werden durch die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der angelegten Hochfrequenz-Spannung und dem dadurch resultie­ renden Strom.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Verwendung von Behältern unterschiedlicher Größe Strahlungsverluste zu vermeiden und eine ausreichende Beheizung zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß dem ersten Sachanspruch.

Erfindungsgemäß bestehen die Induktionsmittel aus zwei oder mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Induktionsele­ menten. Bei Inbetriebnahme der Heizeinrichtung wird zunächst die Größe des verwendeten Behälters ermittelt und anschlie­ ßend werden nur diejenigen Induktionselemente mit elektri­ scher Leistung versorgt, die für das Beheizen des Behälters notwendig sind.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß bei Verwendung kleiner Behälter nur ein kleines Induktionselement in Betrieb genom­ men werden muß mit einem entsprechend geringeren Leistungsbe­ darf.

Weiterhin wird bei Verwendung von großen Behältern eine gleichmäßigere Erwärmung des Bodens erzielt.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Behältergröße dadurch erkannt, daß die Veränderungen der Induktivität der einzelnen Induktionselemente festgestellt und ausgewertet wird. Dabei ist es ebenfalls möglich, die Gesamt-Induktivitä­ ten von gleichzeitig eingeschalteten Induktionselementen zu bestimmen und so auf die Topfgröße zu schließen.

Die Topfgröße kann weiterhin ermittelt werden, indem die Phasenlage der einem Induktionselement zugeführten elektri­ schen Leistung verglichen wird mit einem Referenzsignal. Insbesondere sind dafür zum einen die angelegte Spannung und zum anderen der dadurch verursachte Strom geeignet; oder aber der eingeprägte Strom und die daraus resultierende Spannung. Es ist auch möglich, die Phasenlage der zugeführten Leistung mit der eines anderen Induktionselementes zu vergleichen.

Werden nicht alle Induktionselemente mit elektrischer Lei­ stung versorgt, so wird dasjenige bzw. so werden diejenigen, die nach außen hin mit Induktionselementen benachbart sind, die mit elektrischer Energie versorgt werden, kurzgeschlos­ sen. Dieses Kurzschließen bezieht sich dabei auf die Fre­ quenz, mit der die elektrische Leistung eingespeist wird.

Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von nur einem Indukti­ onselement Streustrahlung durch Bleche kurzgeschlossen und damit abgeschirmt wird, die das Induktionselement umgeben. Sind jedoch zwei oder mehrere Induktionselemente vorgesehen, von denen ein inneres mit elektrischer Leistung versorgt und ein äußeres weder kurzgeschlossen noch an eine elektrische Versorgungsstufe angeschlossen ist, so werden die Störstrah­ lungen des mit elektrischer Leistung versorgten Induktionsele­ mentes nicht genügend abgeschirmt, wodurch es zu Beeinflussun­ gen von benachbarten Geräten kommen kann. Auch sind gesund­ heitliche Beeinflussungen von Personen insbesondere dann nicht ausgeschlossen, wenn diese einen Herzschrittmacher verwenden. Indem das nicht mit elektrischer Leistung versorg­ te Induktionselement kurzgeschlossen wird, wird diese Stör­ strahlung weitestgehend vermieden.

Durch gesetzliche Vorschriften, wie beispielsweise VDE 0750 und VDE 0848 in der Bundesrepublik Deutschland oder NFC 74 346 in Frankreich, werden Höchstgrenzen für Störstrahlungen fest­ gelegt, die durch die Erfindung bei entsprechend hoher Heiz­ leistung eingehalten werden können.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß wenn mehrere Induktionsele­ mente mit unterschiedlichen Wicklungsrichtungen konzentrisch angeordnet sind, die gesamte Störstrahlung vermindert werden kann.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden in den folgenden Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 die Anordnung von Induktionsmitteln mit einem kleinen Behälter (a) bzw. mit einem großen Behälter (b);

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevor auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele näher eingegangen wird, sei darauf hingewiesen, daß die in den Figuren einzeln dargestellten Blöcke lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung dienen. Üblicherweise sind einzelne oder mehrere dieser Blöcke zu Einheiten zusammengefaßt. Diese können in integrierter oder Hybridtechnik oder als programmge­ steuerter Mikrorechner, bzw. als Teil eines zu seiner Steue­ rung geeigneten Programmes realisiert sein.

Die in den einzelnen Stufen enthaltenen Elemente können je­ doch auch getrennt ausgeführt werden oder aber in anderen Stufen enthalten sein.

Fig. 1a zeigt einen kleinen Behälter 10a, der hier als Koch­ topf ausgebildet ist, im Wirkungsbereich von Induktionsmit­ teln, die aus einem inneren Induktionselement 11 und einem äußeren Induktionselement 12 bestehen. Um das äußere Indukti­ onselement 12 herum befindet sich ein Abschirmblech 13, das zugleich auch als Arbeitsplatte verwendet werden kann.

Fig. 1b zeigt im Wesentlichen die gleiche Anordnung des Induktionsmittels 11, 12 sowie des Abschirmbleches 13, jedoch ist im Wirkungsbereich des Induktionsmittels 11, 12 ein gro­ ßer Behälter 10b angeordnet.

Fig. 2 zeigt zunächst eine Draufsicht auf die Induktionsmit­ tel 11, 12 und das Abschirmblech 13.

Das innere Induktionselement 11 wird in diesem Ausführungsbei­ spiel gebildet aus einer von innen nach außen im Uhrzeiger­ sinn angeordneten Wicklung von Metalldraht, Metallband oder dergleichen. Der innere Anschlußpunkt dieses Induktionselemen­ tes 11 führt zu einem ersten Ausgang eines Stromgenerators 14, der hier nur symbolisch angedeutet ist. Dieser kann den Induktionselementen 11, 12 einen vorgebbaren Strom einprägen oder an diese eine vorgebbare Spannung anlegen.

Der äußere Anschlußpunkt des inneren Induktionselementes 11 führt zum einen zu dem inneren Anschlußpunkt des äußeren Induktionselementes 12, das in diesem Ausführungsbeispiel aus einem ebenfalls im Uhrzeigersinn gewickelten Draht oder Me­ tallband besteht. Der gemeinsame Anschluß der Induktionsele­ mente 11, 12 führt zu einem ersten Schalteingang einer Um­ schaltvorrichtung 15, an deren zweiten Schalteingang der äußere Anschlußpunkt des äußeren Induktionselementes 12 ange­ schlossen ist. Weiterhin ist an diesen zweiten Schalteingang ein zweiter Ausgang des Stromgenerators 14 und der erste Eingang eines Auswertemittels 16 angeschlossen.

Diesem werden über einen zweiten Eingang Referenzsignale R von dem Stromgenerator 14 übermittelt. Diese können beispiels­ weise abgeleitet sein aus dem Strom, der den Induktionselemen­ ten 11, 12 eingeprägt wird oder aus der resultierenden Span­ nung. Das Auswertemittel 16 steuert über einen entsprechenden Steuereingang die Umschaltvorrichtung 15.

An die Auswerteeinheit 16 ist weiterhin eine Anzeigestufe 17 angeschlossen, die jeweilige Betriebszustände, wie beispiels­ weise "kein Behälter", "großer/kleiner Behälter", die für den Heizbetrieb benötigten Induktionselemente, deren Anzahl oder dergleichen anzeigen kann. Diese Anzeigeeinheit 14 kann bei­ spielsweise gestaltet sein als eine oder mehrere Lampen, Leuchtdioden, als alphanumerische Anzeige mittels Flüssigkri­ stallen oder als sonstige Anzeige. Denkbar ist ebenfalls, daß zumindest einzelne Betriebszustände akustisch signalisiert werden.

Bei Inbetriebnahme des Stromgenerators 14 ermittelt die Aus­ werteeinheit 16 zunächst bei geöffnetem Schalter 15 bei varia­ bler Frequenz der Versorgungsleistung die Phasenlage des Referenzsignales R, das beispielsweise ein Maß sein kann für den eingeprägten Strom, und die Phasenlage des Versorgungssi­ gnales V, das beispielsweise ein Maß sein kann für die an den Induktionselementen 11, 12 anliegende Spannung, zueinander. Zusätzlich können die entsprechenden Amplituden ausgewertet werden.

Dadurch wird ermittelt, ob sich ein zu beheizender Behälter 10 sowohl im Bereich des inneren Induktionselementes 11 als auch im Bereich des äußeren Induktionselementes 12 befindet. Ergibt sich, daß der Behälter 10 im wesentlichen nur im Be­ reich des inneren Induktionselementes 11 vorhanden ist, so wird die Schaltvorrichtung 15 derart angesteuert, daß der Kontakt geschlossen ist. Damit wird zum einen nur das innere Induktionselement 11 mit elektrischer Leistung versorgt und zum anderen wird das äußere Induktionselement 12 kurzgeschlos­ sen.

Stellt sich hingegen heraus, daß der zu beheizende Behälter sich sowohl im Bereich des inneren Induktionselementes 11 als auch im Bereich des äußeren Induktionselementes 12 befindet, so wird die Schaltvorrichtung 15 derart angesteuert, daß der Schalter geöffnet ist und damit wird sowohl das innere Induk­ tionselement 11 als auch das äußere Induktionselement 12 mit elektrischer Leistung versorgt und dadurch der Behälter 10b gleichmäßig beheizt.

Versionen des genannten Ausführungsbeispieles können minde­ stens eine der folgenden Varianten aufweisen:

• - statt der Auswertung der Phasenlage von Versorgungssi­ gnal V und Referenzsignal R bei in Serie geschalteten Induktionselementen kann auch die Phasenlage des Versor­ gungssignales für jedes einzelne Induktionselement be­ stimmt und ausgewertet werden. Damit kann beispielsweise überprüft werden, ob ein zu beheizender Behälter symme­ trisch im Bereich des Induktionsmittels angeordnet ist. Falls dieses nicht der Fall sein sollte, so kann das als weiterer Betriebszustand durch entsprechende akustische und/oder optische Signale dem Bedienpersonal signali­ siert werden;
• - anstatt das äußere Induktionselement 12 bei Nichtinbe­ triebnahme kurzzuschließen, kann ein zusätzliches Induk­ tionsmittel, das im einfachsten Fall als einfacher Ring ausgebildet ist, und zwischen dem inneren und dem äuße­ ren Induktionsmittel angeordnet ist, kurzgeschlossen werden;
• - bei Verwendung von mehr als zwei Induktionselementen und bei einem Behälter, der nicht die Inbetriebnahme aller Induktionselemente erfordert, wird dasjenige nicht benö­ tigte Element kurzgeschlossen, das einem mit elektri­ scher Energie versorgten Element nach außen benachbart ist. Dabei ist es möglich, daß mehrere Induktionselemen­ te kurzgeschlossen werden;
• - eine Änderung von der Kapazität und/oder Induktivität der einzelnen Induktionselemente oder des gesamten Induk­ tionsmittels kann durch Signale bestimmt werden, die nicht mit den Versorgungssignalen übereinstimmen. Dabei können andere Strom-, Spannungs- und/oder Frequenzwerte gewählt werden als bei dem Versorgungssignal V;
• - die Wicklungsrichtungen der verwendeten Induktionselemen­ te können unterschiedlich sein, wodurch die Gesamtstör­ strahlung und die Gesamtinduktivität insbesondere bei geringem Abstand benachbarter Induktionselemente positiv beeinflußt werden;
• - anstelle der automatischen Bestimmung der in Betrieb zu nehmenden Induktionselemente können diese manuell vorge­ geben werden, wobei der Auswerteeinheit 16 für diesen Fall zusätzliche Eingabemittel zugeordnet sind;
• - anstelle des einen Umschaltkontaktes in der Umschaltvor­ richtung 15 können mehrere Schaltkontakte derart vorgese­ hen sein, daß bei Nichtinbetriebnahme eines Induktions­ elementes (12) dieses von den in Betrieb genommenen (11) elektrisch getrennt wird. Dadurch können die Ströme in den einzelnen Schaltkontakten vermindert werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum induktiven Beheizen von Behältern unter­ schiedlicher Größe mit Hilfe von zwei oder mehreren konzentrisch angeordneten Induktionselementen, da­ durch gekennzeichnet, daß die Größe des zu beheizenden Behälters erkannt und daraufhin die Anzahl von für den Heizbetrieb benötigten Induktionsele­ menten bestimmt wird und diese mit elektrischer Leistung versorgt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Größe des Behälters erkannt wird aufgrund der Änderung der Induktivität der Indukti­ onselemente, nachdem der zu beheizende Behälter in den Wirkungsbereich der Induktionselemente gelangt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Größe des zu beheizen­ den Behälters erkannt wird aufgrund einer Phasenverschie­ bung der den Induktionselementen zugeführten elektri­ schen Leistung.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Induktions­ element, das nicht für den Heizbetrieb mit elektrischer Leistung versorgt wird, und einem zweiten Induktionsele­ ment, das für den Heizbetrieb mit elektrischer Leistung versorgt wird, nach außen benachbart ist, bezüglich der Frequenz der dem zweiten Induktionselement eingespeisten elektrischen Leistung kurzgeschlossen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Betriebszustände signa­ lisiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Heizbetrieb benötigten Induktionselemente und/oder deren Anzahl manuell vorgebbar sind.

7. Vorrichtung zum induktiven Beheizen von Behältern (10) unterschiedlicher Größe mit Hilfe von zwei oder mehreren konzentrisch angeordneten Induktionselementen (11, 12), dadurch gekennzeichnet, daß Steuer­ mittel (16) vorgesehen sind, die die Größe des zu behei­ zenden Behälters (10) erkennen und daraufhin die Anzahl von für den Heizbetrieb benötigten Induktionselementen bestimmen und ein Umschaltmittel (15) derartig ansteu­ ern, daß die für den Heizbetrieb benötigten Induktions­ elemente (11; 12) mit elektrischer Leistung versorgt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuermittel (16) die Größe des zu beheizenden Behälters erkennen aufgrund einer Änderung der Induktivität der Induktionselemente (11, 12), nachdem der zu beheizende Behälter (10) in den Wirkungsbereich der Induktionselemente (11, 12) gelangt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (16) die Größe des zu beheizenden Behälters erkennen aufgrund einer Phasenverschiebung der den Induktionselementen zugeführten elektrischen Leistung.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß ein erstes Induktionselement (12), das nicht für den Heizbetrieb mit elektrischer Leistung versorgt wird, und einem zwei­ ten Induktionselement (11), das für den Heizbetrieb mit elektrischer Leistung versorgt wird, nach außen benach­ bart ist, bezüglich der Frequenz der dem zweiten Indukti­ onselement (11) eingespeisten elektrischen Leistung kurzgeschlossen wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Indukti­ onselemente (11, 12) unterschiedliche Wicklungsrichtun­ gen aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß Anzeigemit­ tel (17) vorgesehen sind, über die Betriebszustände signalisiert werden.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß Eingabemit­ tel vorgesehen sind, über die die für den Heizbetrieb benötigten Induktionselemente (11; 12) und/oder deren Anzahl vorgebbar sind.