DE69516979T2

DE69516979T2 - Induktionskochstelle mit temperaturgeschütztem Induktor

Info

Publication number: DE69516979T2
Application number: DE69516979T
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Gaspard
Original assignee: Compagnie Europeenne pour lEquipement Menager SA
Current assignee: Brandt Industries SAS
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2015-11-11
Also published as: US5665263A; FR2726961A1; EP0713350B1; EP0713350A1; FR2726961B1; DE69516979D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionskochstelle mit temperaturgeschütztem Induktor.
Bei Induktionskochplatten enthält in der Regel jede Kochstelle einen Induktor, der unter der Platte aus Glaskeramik angeordnet ist, auf welcher die Gefäße abgestellt werden, und der von einem Generator gespeist wird, welcher einen Hochfrequenzstrom abgibt. Gewöhnlich besteht der Induktor aus einer oder mehreren Spulen aus elektrisch leitendem Draht, beispielsweise Kupfer, die sich im Betrieb erhitzen.
Derzeit können Spulen aus zur Anwendung im Hochfrequenzbereich bestimmten Litzen Heiztemperaturen standhalten, die unter einer kritischen Temperatur von typischerweise etwa 200ºC liegen, oberhalb derer die Isolierungen zwischen den Drähten beeinträchtigt werden. Es ist bekannt, im Bereich der Spule, insbesondere in deren Mitte, einen Temperaturfühler, beispielsweise einen Thermistor vorzusehen, um Temperaturüberschreitungen vorzubeugen. Diese Art von Punktfühler hat jedoch nur einen örtlich sehr begrenzten Wirkungsbereich, der nicht die gesamte Fläche des Induktors berücksichtigt. Ferner kommen dann, wenn der Fühler nicht richtig funktioniert, Situationen vor, in denen die kritische Temperatur erreicht bzw. überschritten werden kann. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein leeres Gefäß über einen stromgespeisten Induktor abgestellt wird oder wenn zu kochende Nahrungsmittel einen Fritiervorgang erfordern.
Es ist somit von Bedeutung, eine Anordnung vorzusehen, die eine Unterbrechung des Generators oder eine Verminderung der von diesem Generator abgegebenen Leistung ermöglicht, wenn ein Induktor bis nahe seiner kritischen Temperatur erhitzt wird.
Wie insbesondere die europäische Patentanmeldung EP-A-0 158 353 zeigt, besitzen derzeit bekannte Induktionskochstellen in der Regel einen unter dem Induktor befindlichen magnetischen Kreis, dessen Aufgabe darin besteht, das vom Induktor erzeugte Magnetfeld auf die zu erhitzenden Gefäße so zu konzentrieren, daß das Erhitzen optimiert wird und die induzierten Störungen minimiert werden.
Es ist bereits bekannt, diesen magnetischen Kreis zum Temperaturschutz des Induktors zu verwenden.
Insbesondere in der FR 2.620.894 ist ein Temperaturschutzsystem des Induktors beschrieben, bei dem ein magnetischer Kreis Anwendung findet, der aus Ferritkernen besteht, welche radial an der Unterseite des Induktors angeordnet sind, bei dem die Ferritkerne so ausgewählt sind, daß deren Curie-Temperatur geringfügig unter der kritischen Temperatur liegt. Wenn die Temperatur der Ferrite die Curie-Temperatur erreicht, verlieren somit die Ferrite schlagartig ihre magnetische Eigenschaft und die Nutzleistung am Kochgerät fällt schnell ab, wodurch eine Überhitzung des Induktors vermieden wird.
Ein derartiges System ist jedoch mit den nachfolgend aufgeführten Nachteilen behaftet.
Die Curie-Temperatur von Leistungs-Ferrit-Materialien (bei spielsweise Mangan-Zink) ist höher als 200ºC und liegt somit bereits über der kritischen Temperatur für Induktoren aus im Hochfrequenzbereich verwendeten Drahtlitzen.
Ferner bewirkt der Übergang zur Curie-Temperatur eine schlagartige Systemunterbrechung und kann zudem eine starke Hysterese aufweisen. Folglich kann es erforderlich sein, für eine längere Zeit abzuwarten, daß das System erneut arbeitet, selbst wenn die Temperatur des Induktors auf eine zulässige Temperatur abgesunken ist.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 209 215 sind auch Systeme zur Temperaturregelung eines ferromagnetischen Teils bekannt, das beispielsweise als Lötkolbenspitze verwendet wird. Bei einem dieser Systeme unterliegt das ferromagnetische Teil einer magnetischen Induktion mittels einer Hilfswicklung und wird durch einen elektrischen Strom erhitzt, der dieses durchfließt und mittels eines Relais daran angelegt ist, das von einem Magnetinduktionsfühler gesteuert wird. Der am ferromagnetischen Teil angeordnete Magnetinduktionsfühler bewirkt immer dann ein Öffnen des Relais, wenn er ein Abfallen in der Permeabilität des ferromagnetischen Teils erfaßt, das einer Überschreitung seiner Curie-Temperatur folgt. Bei den weiteren Systemen dient das ferromagnetische Teil als Last für eine Hochfrequenzstromquelle, die dieses erhitzt, wobei Mittel ein Abfallen der Impedanz des ferromagnetischen Teils erfassen, das der Überschreitung der Curie-Temperatur folgt, um eine Stromunterbrechung oder -verminderung der Hochfrequenzquelle zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Induktionskochstelle vom Typ mit wenigstens einem Induktor zu schaffen, der die elektromagnetische Heizenergie liefert, einem Generator, der einen Hochfrequenzstrom abgibt, um den Induktor zu speisen, und einem magnetischen Kreis, der sich unter dem Induktor befindet, wobei die Kochstelle dadurch gekennzeichnet ist, daß der magnetische Kreis einen magnetischen Widerstand aufweist, der so kalibriert ist, daß er ab einer vorbestimmten Temperatur, die unter der für den Induktor maximal zulässigen Temperatur liegt, Sättigung erlangt, und daß sie ferner enthält:
- Mittel, die sich vom Induktor unterscheiden und einen Anstieg des Strombedarfs im Induktor über einen Grenzwert hinaus hervorrufen, sobald der magnetische Kreis Sättigung erlangt,
- Mittel zum Regulieren, die den Anstieg des Strombedarfs im Induktor über den Grenzwert hinaus erfassen und dann die dem Induktor gelieferte Leistung begrenzen.
Die Funktionsweise einer solchen Induktionskochstelle zum Temperaturschutz des Induktors sowie weitere Merkmale der Erfin dung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, welche eine bevorzugte, aber nicht einschränkende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kochstelle darstellen und worin zeigen:
- Fig. 1 in Schnittdarstellung die mechanischen Teile einer erfindungsgemäßen Induktionskochstelle;
- Fig. 2 beispielhaft und in vereinfachter Form die Bestandteile eines Generators für eine erfindungsgemäße Induktionskochstelle;
- Fig. 3 in Explosionsdarstellung verschiedene Bauteile einer Induktionskochstelle in einer bevorzugten Abwandlung der Erfindung;
- Fig. 4 die Bauteile aus Fig. 4 im zusammengesetzten Zustand; und
- Fig. 5 in Schnittdarstellung einen beispielhaften Induktorträger.
Fig. 1 zeigt schematisch in Schnittdarstellung die mechanischen Teile einer erfindungsgemäßen Induktionskochstelle.
Eine derartige Kochstelle enthält gewöhnlich einen Induktor 1, der beispielsweise aus in Form einer Spirale konzentrisch aufgewickelten Kupferdrahtlitzen 10 besteht. Der Induktor 1 ist unter einer beispielsweise aus Glaskeramik bestehenden Arbeitsplatte 2 angeordnet, auf die das zu erhitzende Gefäß 3 abgestellt wird. Der Induktor 1 ist vorzugsweise durch eine Schicht 2a aus thermisch isolierendem Material von der Arbeitsplatte 2 getrennt. Der Induktor 1 wird von einem (nicht dargestellten) Generator gespeist, der einen Hochfrequenzstrom abgibt, wobei eine mögliche Funktionsweise näher anhand der Fig. 2 beschrieben wird. Die Kochstelle enthält auch einen magnetischen Kreis 4, der unter dem Induktor 1 angeordnet ist und dessen Hauptauf gabe es ist, die vom Induktor 1 erzeugten magnetischen Feldlinien zum Gefäß 3 hin zu bündeln.
Die vorliegende Erfindung beruht auf einer besonderen Eigenschaft magnetischer Kreise, die darin besteht, daß sie einen Sättigungsinduktionswert BS aufweisen, der stufenweise mit steigender Temperatur weit vor Erreichen der Curie-Temperatur abnimmt.
Die Erfindung besteht darin, den magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises so zu kalibrieren, daß die beiden nachfolgenden Wirkungen erzielt werden.
- Im Normalbetrieb, wenn die Temperatur unter einer kritischen Temperatur liegt, die in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Nichtleiters der Induktorspule bestimmt wird, ist die Bündelfunktion des magnetischen Felds durch den magnetischen Kreis optimal, d. h. es liegt keine Sättigung vor.
- Im kritischen Bereich, d. h. bei einer vorbestimmten Temperatur des magnetischen Kreises, die unter der kritischen Temperatur des Induktors liegt, erlangt der magnetische Kreis Sättigung.
Ferner enthält die erfindungsgemäße Kochstelle Mittel 5, die einen Anstieg des Strombedarfs im Induktor 1 hervorrufen, wenn der magnetische Kreis Sättigung erlangt. Diese Mittel bestehen vorteilhaft aus einer Platte 5 aus nichtmagnetischem und elektrisch leitendem Material, wie etwa Aluminium, die unter dem magnetischen Kreis 4 angeordnet ist. Wenn die Sättigungsinduktion BS des magnetischen Kreises erreicht ist, bewirkt die vorhandene Platte aus Aluminium, daß die Impedanz der vom Generator gespeisten Last fällt. Daraus ergibt sich ein Stromanstieg im Induktor. Mittel zum Regulieren, welche den Stromwert im Induktor begrenzen, wirken sodann erfindungsgemäß derart, daß diesem Stromanstieg entgegengetreten wird und somit der Induktor temperaturgeschützt ist, wobei der Generator so gesteuert wird, daß er im Induktor eine geringere Leistung abgibt.
Diese Mittel zum Regulieren können einteilig mit der Elektronik des Generators ausgebildet sein, wie nachfolgend anhand der Fig. 2 beschrieben ist, welche vereinfacht einen möglichen Aufbau eines Generators zum Speisen der vorangehend beschriebenen Induktionskochstelle zeigt.
Die Spannungsquelle 6 gibt ein Wechselsignal mit Niederfrequenz, beispielsweise 50 Hz, ab, das in einem Hochfrequenzfilter 7 gefiltert und von Gleichrichtermitteln 8 gleichgerichtet wird. Die so erhaltene gleichgerichtete Spannung wird an einen Resonanz-Wechselrichter 9 angelegt, dessen allgemeine Funktionsweise nachfolgend in Erinnerung gerufen sei.
Der Wechselrichter enthält grundsätzlich zwei bipolare Transistoren T1, T2, zu denen zwei Freilaufdioden D3, D4 und zwei Kondensatoren C1 und C2 parallel geschaltet sind, wie in der Figur angedeutet ist. Die vom Wechselrichter gespeiste Last, die aus dem Induktor 1 und gegebenenfalls aus dem auf den Induktor abgestellten Gefäß 3 besteht, ist symbolisch durch die Serienschaltung einer Induktivität L und einem Widerstand R dargestellt.
Nicht näher beschriebene Steuermittel 11 steuern die Transistoren T1 und T2 so, daß sie abwechselnd stromführend sind. Wenn der Transistor T1 stromführend ist, wird der Kondensator C&sub2; durch den Induktor (L, R) mit einer Frequenz geladen, die vom Wert aus L und C2 abhängig ist. Wenn Ic die effektive Stärke des in der Last vorhandenen Stroms ist, so ist die Verlustleistung gleich RIc². Wenn der Strom Ic, dessen Wert durch Mittel 12, beispielsweise durch einen Stromwandler, erfaßt wird, aufgehoben ist, so steuern die Steuermittel 11 die Stromführung des Transistors T&sub2; und der Kondensator C&sub1; wird seinerseits durch den Induktor L, R geladen.
Somit erhält man in der Last L, R einen quasi sinusförmigen Strom, dessen Frequenz an den Wert aus L gebunden ist, und die Leistung ist an den Wert aus R gebunden.
Die verschiedenen Bauteile des Generators sind so kalibriert, daß sie bei einer gegebenen Nominalleistung des Generators, beispielsweise 2,8 kW, mit einer Last arbeiten, die einem Gefäß mit großem Durchmesser entspricht und durch einen Wert aus R, beispielsweise 3 Ω, und einem Wert aus L, beispielsweise 50 uH bestimmt ist, etwa bei 25 kHz.
Wie oben erwähnt, fällt der Wert der Impedanz (L, R) bei Sättigung des magnetischen Kreises 4 aufgrund der vorhandenen Platte 5. Der Strom in der Last steigt an, bis ein Begrenzer anspricht; Dieser ermöglicht sodann durch einen Vergleich zwischen dem Momentanwert des Stroms in der Last und einem Grenzspitzenwert Imax' der bei Sättigung des magnetischen Kreises erreicht wird, beispielsweise durch einen Komparator 13, die durch den Wechselrichter abgegebene Leistung zu reduzieren, indem in dem letztgenannten der stromführende Transistor immer dann blockiert wird, wenn der Momentanwert des Stroms in der Last dazu neigt, den Grenzspitzenwert Imax zu überschreiten. Dies führt zum Abfallen der Temperatur des Induktors. Da somit auch die Temperatur des magnetischen Kreises abfällt, wird schnell wieder der Normalbetrieb außerhalb der Sättigung erlangt.
Dabei ist anzumerken, daß die Aluminiumplatte 5 auch als Abschirmung gegen Störungen wirken kann, die vom Induktor herbeigeführt oder abgestrahlt werden. Um zu vermeiden, daß eine derartige Platte nicht selbst Störungen verursacht, ist sie vorteilhaft mit der Spannungsquelle 6 durch das Filter 7 des Generators, vorzugsweise durch einen Kondensator, verbunden.
In den Fig. 3 und 4 sind die Bestandteile einer Induktionskochstelle in einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ohne Generator in Explosionsansicht und im zusammengesetzten Zustand dargestellt.
Bei diesen Figuren sind Teile, die denen in den vorangehenden Figuren entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem besonderen Falle enthält die Induktionskochstelle einen Träger 15 mit Schlitzen 16, die beispielsweise radial angeordnet sind. Die Schlitze sind dazu bestimmt, den magnetischen Kreis 4 aufzunehmen und festzuhalten, der in Form von mehreren Ferritstäben 40 vorgesehen ist. Die Kalibrierung des magnetischen Widerstands des magnetischen Kreises erfolgt in diesem besonderen Falle dadurch, daß das Gesamtvolumen der verwendeten Ferrite optimiert wird. Durch die Auswahl der Ferrite ist es auch möglich, den magnetischen Widerstand zu kalibrieren.
Vorteilhaft besteht der Träger 15 aus einem thermisch leitenden Material, so daß eine Abführung der am Induktor angestauten Wärme zur Aluminiumplatte 5 hin möglich ist. Der Träger kann insbesondere aus Kunststoff bestehen, der mit einem thermisch leitenden Material (beispielsweise einem mit Graphit oder mit Metalloxid, etwa Aluminiumoxid, versehenen Vinylester oder Schamottemörtel auf Basis von Magnesiumoxid-Pulver) versehen ist.
Um die thermische Kopplung zwischen dem Induktor 1 und dem Träger 15 aus thermisch leitendem Material zu verbessern, kann vorgesehen sein, den Induktor nicht einfach nur auf die Oberfläche des Trägers zu setzen, sondern in eine direkt auf die Oberfläche dieses Trägers aufgedruckte Spirale. In Fig. 5 ist ein derartiger Träger 15 in Schnittdarstellung gezeigt, auf dessen Oberfläche eine Spirale 17 aufgedruckt wurde.
Schließlich besteht eine weitere mögliche Variante einer erfindungsgemäßen Kochstelle darin, dem Träger neben seiner Funktion als Induktorträger die Funktion des magnetischen Kreises zuzuordnen. Dazu wird die Einheit aus Träger 15 und Ferritstäben 40 durch einen vollen, beispielsweise scheibenförmigen Träger ersetzt, der aus Eisen- oder Ferritpulver besteht, welches beispielsweise mit Kunststoff gebunden ist. Falls das ausgewählte Material auch gut thermisch leitend ist (Ferritpulver), kann auch direkt eine Spirale über den Träger aufgedruckt werden, um den Induktor aufzunehmen und die Wärmeübertragung zu verbessern. Bei dieser weiteren Variante wird der magnetische Widerstand durch die Auswahl des magnetischen Materials und durch Optimierung des Gesamtvolumens kalibriert. Falls eine Erhöhung des magnetischen Widerstands bei einem gegebenen Träger erwünscht ist, ist es insbesondere möglich, Löcher in diesem Träger vorzusehen.
Eine erfindungsgemäße Induktionskochstelle weist mit ihren verschiedenen vorangehend beschriebenen Ausführungsvarianten gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, ein Regulieren der Temperatur des Induktors und nicht nur eine schlagartige Unterbrechung des Systems zu ermöglichen. Wenn nämlich der magnetische Kreis Sättigung erlangt, erfolgt der Anstieg des Stroms im Induktor progressiv. Ferner weist der Sättigungszustand des magnetischen Kreises keine Hysterese auf. Sobald die Temperatur des magnetischen Kreises erneut unter die Sättigungsschwelle tritt, erlangt die Kochstelle wieder den Normalbetrieb.

Claims

1. Induktionskochstelle vom Typ mit WENIGSTENS einem Induktor (1), der die elektromagnetische Heizenergie liefert, einem Generator (20), der einen Hochfrequenzstrom abgibt, um den Induktor zu speisen, und einem magnetischen Kreis (4), der sich unter dem Induktor befindet, wobei die Kochstelle dadurch gekennzeichnet ist, daß der magnetische Kreis einen magnetischen Widerstand aufweist, der so kalibriert ist, daß er ab einer vorbestimmten Temperatur, die unter der für den Induktor maximal zulässigen Temperatur liegt, Sättigung erlangt, und daß sie ferner enthält:

- Mittel (5), die sich vom Induktor unterscheiden und einen Anstieg des Strombedarfs im Induktor über einen Grenzwert hinaus hervorrufen, sobald der magnetische Kreis Sättigung erlangt,

- Mittel (11, 13) zum Regulieren, die den Anstieg des Strombedarfs im Induktor über den Grenzwert hinaus erfassen und dann die dem Induktor gelieferte Leistung begrenzen.

2. Induktionskochstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Stromanstiegs aus einer Platte aus nichtmagnetischem und elektrisch leitendem Material bestehen, die unter dem magnetischen Kreis angeordnet ist.

3. Induktionskochstelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus Aluminium besteht.

4. Induktionskochstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen mit Schlitzen (16) versehenen Induktorträger (15) enthält, und daß der magnetische Kreis aus einer Mehrzahl von Ferritstäben (40) besteht, die in den Schlitzen angeordnet sind, wobei der magnetische Widerstand durch das Gesamtvolumen des verwendeten Ferrits und durch die Art der verwendeten Ferrite kalibriert wird.

5. Induktionskochstelle nach einem der Ansprüche 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (15) aus thermisch leitendem Material besteht, so daß zwischen dem Induktor und der Platte eine Wärmeübertragung stattfinden kann.