DE4342143A1

DE4342143A1 - Temperature control device for cooking pots with integral base heating

Info

Publication number: DE4342143A1
Application number: DE4342143A
Authority: DE
Inventors: Hans Kurt Dr Koethe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1995-06-14

Abstract

The temperature control system comprises a DC current supply (1) feeding a heating element (2) which is in thermal contact with the base of the pot (3). The heating element is made of positive temperature coefficient resistors, with resistance increasing sharply at a particular reference temperature and falling again with falling temperature, thus controlling the heating current. The resistors making up the heating element can be selected with differing reference temperatures and can be variously connected via switches for differing cooking temperatures. Additional temperature control is provided by an electronic regulating unit (6) and evaluation switch (7) connected to a resistance sensor or positive temperature coefficient resistance temperature sensor (9) on the base of the pan.

Description

1. Field of application

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Schaltungsanordnung zur Temperaturre gelung von Kochgeräten mit integrierter Beheizung des Bodens insbesondere für Gleichstromanschluß im Spannungsbereich von etwa 2-30 V.The invention relates to a device and circuit arrangement for Temperaturre gelation of cooking appliances with integrated heating of the floor especially for DC connection in the voltage range of about 2-30 V.

2. Purpose

Zweck der Vorrichtung und Schaltungsanordnung ist es, Kochgeräte mit Tempera turregelung, die für eine effiziente Nutzung des Heizstromes erforderlich ist, ohne Schaltprobleme bei Kleinstspannungen betreiben zu können. Dies ist in diesem Spannungsbereich bei Kochgeräten höherer Leistung problematisch, denn diese nehmen dann so hohe Ströme auf, daß es schwierig ist, diese mit Hilfe der üblichen Zweipunktregeler mit mechanischen Schaltern einwandfrei und zuverlässig abzu schalten, insbesondere dann, wenn es sich dabei um Gleichströme handelt. Diese Verhältnisse sind beispielsweise in solchen Fällen gegeben, in denen der Strom zum Kochen von einer photovoltaischen Anlage geliefert wird, die den aus Sonnenstrah lung erzeugten Gleichstrom in Pufferbatterien speichert.The purpose of the device and circuit arrangement is to use cooking appliances with tempera door control, which is required for efficient use of the heating current, without To be able to operate switching problems with extra-low voltages. This is in this Voltage range problem with cooking appliances of higher power, because this then take such high currents that it is difficult to use the usual Two-point controller with mechanical switches flawlessly and reliably switch, especially if it is a direct current. These Ratios are given, for example, in cases in which the current to the Cooking is supplied by a photovoltaic system that uses the sun's rays dc generated in buffer batteries.

3. State of the art

Es sind Kochgeräte mit integrierter elektrischer Bodenbeheizung bekannt, die im Wechselspannungs-Niederspannungsbereich, also bei Spannungen oberhalb von 110 V eingesetzt werden, bei denen auch Ströme bei höheren Wirkleistungen, z. B. bei 110 V und 20 A von 2,2 kW, noch ohne Probleme mit mechanischen Schaltern abgeschaltet werden können, weil die treibende Wechselspannung während des Schaltvorganges mehrmals den Wert Null durchläuft. Bei Gleichspannung im Nie derspannungsbereich sind solche Schaltvorgänge wegen des fehlenden Nulldurch ganges nur sehr schwierig durchzuführen. Wenn diese Aufgabe vorliegt, dann be dient man sich heute der Halbleiterschalter, welche aber bei Kochgeräten für den Hausgebrauch noch keine Anwendung gefunden haben.There are cooking devices with integrated electric floor heating known AC low-voltage range, i.e. at voltages above 110 V are used, in which currents with higher active powers, e.g. B. at 110 V and 20 A of 2.2 kW, still without problems with mechanical switches can be switched off because the driving AC voltage during the Switching process passes through the value zero several times. With DC voltage in the never Such switching operations are due to the lack of zero voltage very difficult to perform. If this task exists, then be today one uses the semiconductor switch, which is used in cooking appliances for the Home use have not yet been used.

4. Criticism of the state of the art

Kochgeräte für den Kleinstspannungsbereich sind nur für kleinere Leistungen bis zu 300 Watt bekannt, z. B. als Tauchsieder oder als Autokaffeemaschine, wobei letzte re nichts anderes ist als ein kleiner Tauchsieder, der in das Kochgefäß integriert ist. Diese Geräte sind ungeregelt, da sie nur die Aufgabe haben, Wasser zum Kochen zu bringen. Der Heizstrom von 25 A bei 12 V läßt sich auch noch mit den aus der Kraftfahrzeugtechnik bekannten 12 V-Relais schalten, da die Lichtbogenbrennspan nung oberhalb von 12 V liegt. Die gleichen Relais gibt es auch für 24 V Nennspan nung, allerdings bereits mit reduziertem Laststrom, bedingt durch die Gefahr eines weiterbrennenden Lichtbogens bei größeren Strömen.Cooking appliances for the extra-low voltage range are only for smaller outputs up to 300 watts known, e.g. B. as immersion heater or as a coffee machine, the last re is nothing more than a small immersion heater integrated into the cooking vessel. These devices are unregulated because they only have the task of boiling water bring. The heating current of 25 A at 12 V can also be used with the Motor vehicle technology known 12 V relay switch, because the arcing voltage is above 12 V. The same relays are also available for 24 V nominal voltage voltage, but already with a reduced load current, due to the risk of further burning arc at larger currents.

Die Leistungen von Kochgeräten liegen wesentlich höher als 300 W: es werden meist mindestens 600 W an Kochplattenleistung benötigt, weitere Standards liegen um 900 W (Kaffee- und Teeautomaten), 1200 W, 1500 W, 1800 W und 2100 W. Schon bei 1200 W liegt die Stromaufnahme der Kochplatte bei 12 V Versorgungs spannung bei 100 A, und dieser Strom läßt sich nur mit schweren und sehr teuren Spezialrelais schalten.The power of cooking appliances is much higher than 300 W: it will usually requires at least 600 W of hotplate power, other standards are around 900 W (coffee and tea machines), 1200 W, 1500 W, 1800 W and 2100 W. The power consumption of the hotplate is already at 1200 V with a 12 V supply voltage at 100 A, and this current can only be with heavy and very expensive Switch special relays.

5th task

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und Schaltungsanord nung anzugeben, die es ermöglicht, Geräte mit Temperaturregelung und einer Lei stungsaufnahme von bis zu einigen kW, die zum Kochen und Braten geeignet sind, mit vertretbarem Aufwand im Klein- und Kleinstspannungsbereich zu betreiben. The invention has for its object a device and circuit arrangement Specification that allows devices with temperature control and a Lei power consumption of up to a few kW, which are suitable for cooking and roasting, to operate with reasonable effort in the low and very low voltage range.

6. Solution

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Heizkörper in einen in nigen thermischen Kontakt zum Topfboden gebracht wird, und daß dieser entweder durch sein Temperaturverhalten in der Art einer stetigen Regelung die Topfbo dentemperatur auf vorgewählte Werte begrenzt, oder daß seine Temperaturbegren zung mit Hilfe eines auf dem Topfboden angebrachten Temperatursensors und einer Auswerteschaltung geschieht, die einen elektronischen Schalter ansteuert, der die Unterbrechung und Wiedereinschaltung des Heizstromes bewirkt, was zu einer Zweipunktregelung führt.According to the invention the object is achieved in that the radiator in one nigen thermal contact is brought to the bottom of the pot, and that this either due to its temperature behavior in the manner of a constant control the pottbo temperature is limited to preselected values, or that its temperature limits with the help of a temperature sensor attached to the bottom of the pot and a Evaluation circuit happens that controls an electronic switch that the Interruption and reactivation of the heating current causes what Two-point control leads.

7. Description

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und Schaltungsanordnung mit der Funktion einer stetigen Regelung in der einfachsten Form im Blockschaltbild dargestellt. Die Gleichstromquelle 1 speist einen Heizkörper 2, der als sogenannter Kaltleiter ausgeführt ist, ein Bauelement, dessen Widerstand ab einer bestimmten Temperatur, Bezugstemperatur genannt, steil ansteigt und demnach durch Begren zung der Stromzufuhr ein weiteres Aufheizen des Topfbodens 3 verhindert. Solche Kaltleiter gibt es für verschiedene Bezugstemperaturen, z. B. 100°C, 180°C oder 200°C. Topfboden 3 und Heizkörper 2 werden durch eine mechanische Umhül lung 4 gegen Fremdeinwirkung geschützt. Mit dieser Umhüllung kann auch die An schlußdose 5 mechanisch verbunden werden.In Fig. 1 an embodiment of the device and circuit arrangement with the function of continuous control in the simplest form is shown in the block diagram. The DC power source 1 feeds a radiator 2 , which is designed as a so-called PTC thermistor, a component whose resistance rises sharply from a certain temperature, referred to as the reference temperature, and accordingly prevents further heating of the pot base 3 by limiting the power supply. Such PTC thermistors are available for different reference temperatures, e.g. B. 100 ° C, 180 ° C or 200 ° C. Pot bottom 3 and radiator 2 are protected by a mechanical wrapping 4 against external influences. With this envelope, the junction box 5 can be mechanically connected.

Es kann auch der Heizkörper 2 im Topfboden 3 integriert sein. In den Figuren sind der Übersichtlichkeit wegen die Heizkörper 2 und Topfboden (TB) 3 separat darge stellt.The radiator 2 can also be integrated in the base 3 of the pot. In the figures, the radiator 2 and pot bottom (TB) 3 are shown separately for the sake of clarity.

Der Wert von 100°C wird zum Wasserkochen benötigt, 200°C braucht man zum Anbraten von Fleisch und etwa 180°C zum Weiterbraten. Es ist möglich, Kaltleiter für bestimmte Temperaturen zu entwickeln, doch ist dies bei einer Varian te der Erfindung nicht erforderlich: es werden dabei den Erfordernissen entspre chend Kaltleiter mit verschiedenen Bezugstemperaturen so auf dem Topfboden an geordnet und miteinander verschaltet, daß sich bei der gegebenen Temperaturab fuhr stets die gewünschte Temperatur zum Kochen oder Braten einstellt. Ein Bei spiel dafür ist in Fig. 2 dargestellt. Die Kaltleiter 2a, 2b . . . haben verschiedene Be zugstemperaturen. Ihre Anordnung auf dem Topfboden 3 kann beispielsweise ge mäß Fig. 2a erfolgen, ihre elektrische Verschaltung gemäß Fig. 2b. Sie lassen sich natürlich statt in Kombination auch jeder für sich betreiben und ermöglichen dadurch die Einstellung weiterer Topfbodentemperaturen; dies wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, mit einem von Hand betätigten Schalter 5 bewerkstelligt. Für die nied rigste Temperatur ist der Schalter 5 geöffnet, für die höhere wird er geschlossen. Die Dimensionierung kann beispielsweise so gewählt werden, daß die Kaltleiter 2a die Basistemperatur bestimmen, und daß die Kaltleiter 2b weitere Wärmeverluste kompensieren oder höhere mittlere Topfbodentemperaturen erzeugen können. Na türlich können auch weitere Kaltleiter mit anderen Ansprechtemperaturen, die über weitere Schalter zuschaltbar sind, in die Kombinationsmöglichkeiten einbezogen werden.The value of 100 ° C is required for boiling water, 200 ° C is needed for searing meat and about 180 ° C for further frying. It is possible to develop PTC thermistors for certain temperatures, but this is not necessary in a variant of the invention: it is arranged according to the requirements PTC thermistor with different reference temperatures so on the bottom of the pot and interconnected that at the given temperature always set the desired temperature for cooking or roasting. An example of this is shown in Fig. 2. The PTC thermistor 2 a, 2 b. . . have different reference temperatures. Their arrangement on the pot bottom 3 can, for example, be done according to FIG. 2a, their electrical connection according to FIG. 2b. Of course, they can also be operated individually instead of in combination, thereby enabling the setting of further pot bottom temperatures; this is accomplished, as shown in FIG. 3, with a manually operated switch 5 . The switch 5 is open for the lowest temperature, it is closed for the higher one. The dimensioning can be chosen, for example, so that the PTC thermistors 2 a determine the base temperature, and that the PTC thermistors 2 b can compensate for further heat losses or can produce higher mean pot bottom temperatures. Of course, other PTC thermistors with other response temperatures, which can be activated via additional switches, can also be included in the combination options.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und Schaltungsanordnung mit der Funktion einer Zweipunkt-Regelung in der einfachsten Form im Blockschaltbild dargestellt. Die Gleichstromquelle 1 ist über die Steckverbindung 5 mit den Bau gruppen 6 und 7 verbunden, die in dem Gehäuse 8 untergebracht sind, und die mit dem Heizkörper 2 und dem Temperaturfühler 9 in Verbindung stehen, die beide ei nen innigen thermischen Kontakt zu dem Topfboden 3 besitzen. Baugruppe 6 ist ein elektronisches Stellglied, das von der Auswerteschaltung 7 so angesteuert wird, daß der Sollwert der Topfbodentemperatur eingehalten wird. Der dazu benötigte Istwert wird von dem Temperatursensor 9 übermittelt.In FIG. 4, an embodiment of the apparatus and circuit arrangement with the function of one is shown in the block diagram two-position control in the simplest form. The DC power source 1 is connected via the connector 5 to the construction groups 6 and 7 , which are housed in the housing 8 , and which are connected to the radiator 2 and the temperature sensor 9 , both of which are intimate thermal contact with the pot bottom 3 have. Module 6 is an electronic actuator that is controlled by the evaluation circuit 7 so that the setpoint of the pot bottom temperature is maintained. The actual value required for this is transmitted by the temperature sensor 9 .

Fig. 5 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung für den Temperatursensor 9 und ein Auswerteschaltung 7, wobei der Sensor 9 als Kaltleiter ausgeführt ist. Das Stellglied 6 in Fig. 5a ist in diesem Fall ein VMOS-Transistor, der gemeinsam mit der hier sehr einfachen Auswerteschaltung 7, die auf einen einfachen Widerstand reduziert ist, in dem Gehäuse 8 untergebracht werden kann. Dieses Gehäuse kann ein Stiel sein, der an der Umhüllung 4 angebracht ist, und durch den auch die elek trische Zuleitung von der Stromquelle 1 geführt werden kann. Wenn beim Erreichen der Bezugstemperatur der Widerstand des Kaltleitersensors steil ansteigt, wird die Gate/Source-Spannung des VMOS-Transistors so stark nach unten verschoben, daß dieser sperrt und damit den Heizstrom unterbricht. Bei sinkender Topfbodentempe ratur sinkt der Kaltleiterwiderstand schnell ab, und der Transistor 6 schaltet den Heizstrom wieder ein. In einer Variante werden, wie in Fig. 5b gezeigt, mehrere Kaltleiter 9a, 9b, 9c . . . unterschiedlicher Bezugstemperatur auf dem Topf boden angebracht, so daß mittels des Schalters 10 verschiedene, diskrete Topfbo dentemperaturen vorgewählt werden können. Fig. 5 shows a possible circuit arrangement for the temperature sensor 9, and an evaluation circuit 7, the sensor 9 is designed as a PTC thermistor. In this case, the actuator 6 in FIG. 5 a is a VMOS transistor, which can be accommodated in the housing 8 together with the evaluation circuit 7 , which is very simple here and is reduced to a simple resistor. This housing can be a stem, which is attached to the sheath 4 , and through which the elec trical lead from the power source 1 can be performed. If the resistance of the PTC sensor rises steeply when the reference temperature is reached, the gate / source voltage of the VMOS transistor is shifted downward so much that it blocks and thus interrupts the heating current. When the pot bottom temperature drops, the PTC resistor quickly drops, and the transistor 6 switches the heating current back on. In a variant, as shown in Fig. 5b, several PTC thermistors 9 a, 9 b, 9 c. . . different reference temperature on the bottom of the pot, so that 10 different, discrete Topfbo dent temperatures can be selected by means of the switch.

In einer anderen Variante der Schaltungsanordnung nach Fig. 4, mit der Topfbo dentemperaturen bis zu 150°C beliebig eingestellt werden können, wird als Tem peratursensor 9 ein sehr empfindlicher Siliziumsensor eingesetzt, dessen Wider stand sich um z. B. 20 Ohm/K verändert. Sein Einsatz an Stelle eines Kaltleiters verlangt zwar eine wesentlich aufwendigere Auswerteschaltung 7 wie sie in Fig. 6 innerhalb des Rahmens für die Umhüllung 8 eingezeichnet ist, doch bietet er dafür einen wesentlich höheren Komfort. Allerdings sind mit dem Topf nur Kochvorgänge (und Dünsten), aber keine Bratvorgänge möglich. Erhöht sich der Widerstand des Sensors 9 mit der Temperatur, so sinkt die Spannung am nichtinvertierenden Ein gang des Operationsverstärkers OP, bis dieser die Referenzspannung an dem inver tierenden Eingang unterschreitet. Damit fällt die Ausgangsspannung am Punkt A steil ab, und der Transistor 6 sperrt. Fällt die Temperatur der Kochplatte 3 wieder, so steigt die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP wieder an, bis er umschaltet und der Transistor 6 wieder durchgesteuert wird. Die Ansprechspannung des Operationsverstärkers und damit die Topfbodentempe ratur läßt sich mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes R11 in der Auswerteschal tung 7 vorwählen.In another variant of the circuit arrangement according to FIG. 4, with the Topfbo dent temperatures up to 150 ° C can be set as desired, a very sensitive silicon sensor is used as temperature sensor 9, the resistance to which was z. B. 20 Ohm / K changed. Its use instead of a PTC thermistor requires a much more complex evaluation circuit 7 as shown in FIG. 6 within the frame for the sheath 8 , but it offers a much higher level of convenience. However, only cooking processes (and steaming) are possible with the pot, but no roasting processes are possible. If the resistance of the sensor 9 increases with the temperature, the voltage at the non-inverting input of the operational amplifier OP drops until it falls below the reference voltage at the inverting input. The output voltage at point A thus drops sharply, and transistor 6 blocks. If the temperature of the hotplate 3 drops again, the voltage at the non-inverting input of the operational amplifier OP rises again until it switches over and the transistor 6 is turned on again. The response voltage of the operational amplifier and thus the pot bottom temperature can be selected using the adjustable resistor R11 in the evaluation circuit 7 .

Für Bratgeschirr wird in einer weiteren Variante der Erfindung ein Thermometerwi derstand als Temperatursensor 9 eingesetzt. Solche Widerstände, bekannt als PT 100 (+ 0,34 Ohm/K) oder Ni 100 (+ 0,8 Ohm/K) sind wenig temperaturempfind lich und verlangen daher zur Erfassung des Temperatursignals eine Brückenschal tung in der Auswerteschaltung 7, wobei letztere wieder aus 7 Widerständen und einem Operationsverstärker besteht, die in Fig. 7 eingerahmt von der Umhüllung 8 angegeben ist. Die Temperaturvorwahl erfolgt mittels des einstellbaren Widerstan des R3 der Auswerteschaltung.For roasting dishes, a thermometer resistor is used as a temperature sensor 9 in a further variant of the invention. Such resistors, known as PT 100 (+ 0.34 Ohm / K) or Ni 100 (+ 0.8 Ohm / K) are little temperature sensitive and therefore require a bridge circuit in the evaluation circuit 7 to detect the temperature signal, the latter again consists of 7 resistors and an operational amplifier, which is indicated in FIG. 7 framed by the casing 8 . The temperature is selected by means of the adjustable resistance of the R3 of the evaluation circuit.

Claims

1. Device and circuit arrangement for temperature control of Kochge devices with integrated heating of the bottom, in particular for direct current connection in the extra-low voltage range, characterized in that the radiator ( 1 ) is arranged in thermal contact with the pot bottom ( 3 ), and that the radiator ( 2 ) is either self-regulating or clocked by its temperature behavior, such that the pot or pan bottom temperature is limited to preselected values.

2. Device according to claim 1, characterized in that the heater ( 2 ) consists of a PTC thermistor which is designed such that its resistance at a certain reference temperature, which is slightly below the desired target temperature of the pot or pan bottom, so strong on the one hand increases that by the associated Dros selung the heating current, a further rise in temperature of the pot or Pfan nenbodenens is effectively prevented, and that, on the other hand, its resistance decreases again with decreasing temperature in such a way that the heating current rises again, which leads to a leveling out of the Pot or pan bottom temperature to the desired setpoint.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the radiator ( 2 ) from several PTC thermistors ( 2 a, 2 b; 91 , 9 b, 9 c) is composed with several different reference temperatures, which via switches ( 5 , 10 ) can be switched on in such a way that they can be operated in parallel with one another, and the reference temperatures are selected such that the PTC thermistors with the higher reference temperatures can compensate for additional heat losses or enable the setting of higher cooking temperatures.

4. Apparatus according to claim 1, characterized in that an electronic actuator ( 6 ) is provided to achieve a certain pot or pan bottom temperature according to the type of two-point control, this actuator being controlled with the aid of an evaluation circuit ( 7 ) which the signal on evaluates the temperature attached to the bottom of the pot or pan.

5. Device according to claims 1-4, characterized in that the heater ( 2 ) in the pot base ( 3 ) is arranged integrated.

6. Device according to claims 1-5, characterized in that temperature sensors ( 9 ) are provided, which are designed as a PTC thermistor or as a resistance sensor.