DE69736003T2

DE69736003T2 - Wärmespeicherschüssel mit temperaturselbstregulierendem zustandsveränderlichem wärmeträger

Info

Publication number: DE69736003T2
Application number: DE69736003T
Authority: DE
Inventors: J. Amil Wichita ABLAH; L. Brian Wichita CLOTHIER
Original assignee: Thermal Solutions Inc
Current assignee: Thermal Solutions Inc
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2017-08-01
Also published as: ATE306803T1; CA2261693C; AU3822897A; AU735781B2; JP2002516021A; WO1998005184A1; CN1227701A; CA2261693A1; DE69736003D1; EP0916235A4; CN1132505C; EP0916235A1; US5954984A; ES2253780T3; EP0916235B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Viele Zubereiter von Speisen benötigen die Verwendung von Vorrichtungen zum Warmhalten von Speisen vor dem Servieren und während einer Mahlzeit. Solche Zubereiter umfassen institutionelle Zubereiter und Servierdienste von Speisen, Restaurants, Speiselieferanten, einzelne Verbraucher usw. Institutionelle Servierdienste von Speisen, wie etwa Krankenhäuser, Pflegeheime und andere ähnliche Betriebe benötigen gewöhnlich einen Zeitraum zwischen der Zubereitung und dem Servieren von Speisen, der dreißig Minuten überschreiten kann.
Im Stand der Technik sind verschiedene wärmespeichernde Serviervorrichtungen bekannt, um Speisen warm zu halten, bis die Speisen serviert werden können. Wärmespeichernde Serviervorrichtungen enthalten im Allgemeinen eine Serviervorrichtungsbasis und eine isolierte Haube für die Basis. Die häufigste kommerziell verwendete Serviervorrichtungsbasis ist ausgestaltet, um Standardgeschirr zur Aufnahme von Speisen zu tragen. Beispiele des Standes der Technik einer solchen Serviervorrichtungsbasis sind in US-Patent Nr. 4,246,884 an Vandas gezeigt und sind von Unternehmen, wie etwa der Seco Products Corporation und der Carter-Hoffman Corporation, erhältlich. Seco Products stellt zum Beispiel solche Produkte unter den Namen "System 7" und "System 9" her.
Die Serviervorrichtungsbasis besteht typischerweise aus einem "Pellet" oder einer Basis aus rostfreiem Stahl mit irgendeiner Art von Wärmespeicherungsmaterial, das darin eingeschlossen ist, einer Zwischenlage aus synthetischem Harz zur Isolation und einem keramischen Standard-Essteller, der auf dem Pellet ruht. Gebräuchliche Wärmespeicherungsmaterialien in dem Pellet umfassen Metalle und Wachs.
Wärmespeichernde Serviervorrichtungen des Standes der Technik werden typischerweise in der folgenden Art und Weise verwendet. Zunächst werden Stapel von Pellets aus rostfreiem Stahl in einem geheizten Pelletspender vom Ofentyp vorerwärmt. Gleichzeitig werden Stapel separater Essteller in demselben oder einem ähnlichen geheizten Spender erwärmt. Nachdem ausreichend Wärme in den Pellets aus rostfreiem Stahl und dem Geschirr gespeichert worden ist, werden die wärmespeichernden Serviervorrichtungen während der Mahlzeitzusammenstellung zusammengebaut.
Während eines solchen Zusammenbaus entfernt ein Arbeiter unter Verwendung eines großen Saugbechers vorsichtig ein heißes Pellet aus rostfreiem Stahl. Der Arbeiter trägt Handschuhe, um Verbrennungen an der heißen und thermisch sehr leitfähigen Metalloberfläche zu verhindern. Das Pellet aus rostfreiem Stahl wird auf einer Kunststoffzwischenlage angeordnet. Als Nächstes wird ein erwärmter Essteller auf dem Pellet angeordnet. Diese Anordnung wird dann entlang eines Fließbandes geschickt, wo eine Speise auf dem Teller angeordnet wird. Schließlich wird eine isolierende Haube mit der vollständigen Basis gekoppelt, um die Speise abzudecken und die Servieranordnung fertig zu stellen. Die in der Serviervorrichtung eingeschlossene Speise wird durch Wärme, die passiv von dem Wärmespeicherungsmaterial abgegeben wird, und durch die isolierende Wirkung der Haube und der Zwischenlage warm gehalten.
US-Patent Nr. 3,557,774 an Kreis, US-Patent Nr. 3,837,330 an Lanigan et al. und US-Patent Nr. 4,086,907 an Rothschild offenbaren Beispiele für Serviervorrichtungsbasen die irgendeine Art von Metall oder Metalllegierung als ein wärmespeicherndes Material aufweisen. Jede der in diesen Referenzen offenbarten Vorrichtungen enthält Variationen in der Struktur der Serviervorrichtungsbasis zur Steuerung der Metallausdehnung und der Ausdehnung gefangener Luft in der Serviervorrichtungsbasis. Auch wenn sich heute viele kommerzielle Serviervorrichtungsbasen mit metallischen Wärmespeicherungsmaterialien in Gebrauch befinden, halten sie Speisen für viele institutionelle Speiseservierbetriebe nicht lange genug warm. Zum Beispiel müssen diese Serviervorrichtungsbasen aufgrund der Speicherung von ausschließlich fühlbarer Wärme und der niedrigen spezifischen Wärme, der hohen thermischen Leitfähigkeit und der hohen Dichte von Metallen entweder äußerst massiv sein oder auf extreme Temperaturen vorerwärmt werden, um der Leistung von Serviervorrichtungsbasen gleich zu kommen, die Phasenänderungsmaterialien verwenden.
US-Patent Nr. 3,148,676 an Truog et al., US-Patent Nr. 3,734,077 an Murdough et al. und die Vandas-Referenz offenbaren Beispiele für Wachskern-Serviervorrichtungsbasen die Fest-/Flüssig-Phasenänderungsmaterialien als ein Wärmespeicherungsmaterial verwenden. Diese Referenzen offenbaren ein erdölbasiertes, Carnauba- oder synthetisches Wachs mit einer relativ hohen spezifischen Wärme und einem relativ niedrigen Schmelzpunkt, wie etwa zwischen ungefähr 170 bis 270°F. Strukturelle Unterschiede der in diesen Referenzen offenbarten Vorrichtungen umfassen Variationen ausdehnbarer Wandausgestaltungen, um das Brechen der Basis beim Schmelzen/Ausdehnen des Wachses zu verhindern, und verschiedene Mittel zum Verbessern der Wärmeübertragung von dem Wachs auf die obere Fläche der Serviervorrichtungsbasis. Viele Wachskern-Serviervorrichtungsbasen werden heute durch institutionelle Speiseservierdienste verwendet, einschließlich der oben erwähnten System 7- und System 9-Vorrichtungen, die von Seco Products Corporation hergestellt werden. Die meisten kommerziell erhältlichen wärmespeichernden Wachskern-Serviervorrichtungen nehmen für sich in Anspruch, Speisen bzw. Lebensmittel für mehr als 30 Minuten über 140°F zu halten, einige für länger als eine Stunde.
Trotz der unter institutionellen Speiseservierdiensten weit verbreiteten gegenwärtigen Verwendung von Serviervorrichtungsbasen, die wärmespeichernde Fest-/Flüssig-Kerne enthalten, bestehen einige Probleme. Zum Beispiel dauert das Vorerwärmen der Basen aus rostfreiem Stahl in kommerziell erhältlichen geheizten Basisspendern vom Ofentyp zwischen einer und zwei Stunden, was die Flexibilität des Speiseservierbetriebes begrenzt. Nach Beendigung dieses zeit- und energieintensiven Prozesses müssen Arbeiter, wie oben erwähnt, beim Zusammenbau der Serviervorrichtungen die extreme Vorsicht walten lassen, um Verbrennungen zu verhindern.
Verschiedene alternative Serviervorrichtungsausgestaltungen im Stand der Technik haben diese Probleme berücksichtigt. US-Patent Nr. 4,982,722 an Wyatt offenbart eine Serviervorrichtungsbasis mit oberen und unteren Schalenwänden, die aus einem nicht-metallischen Metall niedriger thermischer Leitfähigkeit hergestellt sind. Ein eingekapselter Wärmekern aus Fest-/Flüssig-Phasenänderungsmaterial ist in dem Hohlraum angeordnet. Diese Ausgestaltung nimmt für sich in Anspruch, das Problem potentieller Verbrennungen beim Entfernen der Serviervorrichtungsbasis aus einer Erwärmungsvorrichtung vom Ofentyp zu lösen. Die erforderliche Vorerwärmungszeit ist jedoch relativ lang. US-Patent Nr. 4,567,877 an Sepahpur nimmt sich des Vorerwärmungszeitproblems an. Die Sepahpur-Referenz offenbart eine mit ausschließlich nicht-metallischen Materialien konstruierte wärmespeichernde Serviervorrichtung, die ausgestaltet ist, um Wärme zu speichern, indem in seiner Basis einge kapselter nasser Sand Mikrowellen ausgesetzt wird. Die Sepahpur-Vorrichtung berücksichtigt jedoch nicht das Dampfdruckproblem, das auftritt, wenn das Wasser in dieser zu Dampf wird.
Trotz der Versuche des Standes der Technik, die vorerwähnten Vorerwärmungs- und Sicherheitsprobleme mit Serviervorrichtungsbasen zu lösen, bleiben diese und viele andere Probleme mit wärmespeichernden Serviervorrichtungen des Standes der Technik ungelöst. Zum Beispiel sind wärmespeichernde Serviervorrichtungen des Standes der Technik groß. In institutionellen Servieranwendungen erfordert die Größe große Transportwagen zur Auslieferung mehrerer Mahlzeiten an Patienten, was die Kosten der Ausrüstung erhöht und potentiell übermäßige Belastungen der Arbeiter verursacht, die sie ausliefern. Wärmespeichernde Serviervorrichtungen des Standes der Technik erfordern eine spezielle Waschbehandlung und spezielle Gestelle zur richtigen Trocknung. Wärmespeichernde Serviervorrichtungsbasen des Standes der Technik enthalten auch typischerweise mehrere Teile, die zusätzliche Arbeitskraft und Zeit zum Zusammenbau während der Mahlzeitzusammenstellung erfordern und übermäßigen Platz zur Lagerung erfordern, wenn sie nicht in Gebrauch sind. Darüber hinaus kann aus Serviervorrichtungsbasen des Standes der Technik mit langen Temperaturhaltezeiten, d.h. mit Wachskernbasen, während der normalen Verwendung geschmolzenes Wachs aus ihren Abdichtungen austreten. Dieses Problem stellt Sicherheitsrisiken für institutionelle Arbeiter und Gäste dar.
Als ein Ergebnis dieser Nachteile greifen Restaurants im Allgemeinen darauf zurück, keramische Standard-Essteller und/oder spezielles Metallgeschirr in Kochöfen vorzuerwärmen. Restaurants verwenden auch Infrarot-Erwärmungsvorrichtungen, um Speisen vor dem Servieren warm zu halten. Diese Verfahren sind relativ ineffizient und zeitintensiv. Darüber hinaus haben solche Verfahren zur Folge, dass nur die äußere Nahrungs mittelschicht erwärmt wird, was es zulässt, dass die Speise erheblich abkühlt und dehydriert, bevor sie von einem Gast konsumiert wird. Andere bekannte Serviereinrichtungs-Erwärmungsvorrichtungen umfassen elektrisch betriebene Büfetts, Erwärmungsschalen und wärmeleitende Schalen aus Aluminium, die durch Kerzen, Sterno oder Brenner erwärmt werden.
Es ist wünschenswert, eine wärmespeichernde Serviervorrichtung zu haben, die die Probleme berücksichtigt, die sich für institutionelle Speiseservierdienste durch Serviervorrichtungen des Standes der Technik stellen. Es ist wünschenswert, dass eine neue Serviervorrichtung nicht nur mit gegenwärtiger, kommerziell erhältlicher Vorerwärmungsausrüstung kompatibel ist, sondern durch zweckmäßige neue Verfahren vorerwärmt werden kann, um die Zubereitungszeit beträchtlich zu verringern, die erforderliche Arbeitskraft zu verringern und Sicherheitsbedenken zu verringern. Es ist auch wünschenswert, dass eine neue wärmespeichernde Serviervorrichtung und neue Vorerwärmungsverfahren praktisch, effizient und effektiv genug sind, um neue Märkte für ihre Verwendung zu öffnen, d.h. Restaurants, Speiselieferanten und einzelne Verbraucher. Schließlich ist es wünschenswert, eine neue wärmespeichernde Serviervorrichtung mit strukturellen Merkmalen, insbesondere dem Wärmespeicherungsmaterial darin, bereitzustellen, die unmittelbar auf alle Arten anderer Serviereinrichtungen zur Verwendung in allen Marktsegmenten übertragbar sind.
Um die obigen Wünsche zu erfüllen, sollte bevorzugt ein Fest-/Fest-Phasenänderungsmaterial verwendet werden. Es sind viele solcher Materialien bekannt. Zum Beispiel wurde eine große Anzahl von Fest-/Fest-Phasenänderungsmaterialien von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) während der 1960 er als thermische Speicher ausprobiert, um die Temperaturschwingungen passiv zu dämpfen, die in der Erdumlaufbahn befindliche Satelliten erfahren. Siehe Hale et al., Phase Change Materials Handbook, NASA Report B72-10464 (August 1972).
Unter den Hunderten durch die NASA ausprobierten Phasenänderungsmaterialien waren ein paar Materialien, die Fest-/Fest-Umwandlungen mit großen Enthalpien zeigten. Obwohl diese Festkörper-Phasenänderungsmaterialien nicht in Weltraumanwendungen eingesetzt wurden, quantifizieren ausführliche Forschungsdaten des Standes der Technik die Speicherungseigenschaften für thermische Energie einer Reihe von Festkörper-Phasenänderungsmaterialien. Solche Festkörper-Phasenänderungsmaterialien haben einige potentielle Vorteile gegenüber Fest-/Flüssig-Phasenänderungsmaterialien, die gegenwärtig in wärmespeichernden Serviervorrichtungen des Standes der Technik verwendet werden. Diese möglichen Vorteile umfassen weniger strenge Einkapselungsanforderungen, eine größere Ausgestaltungsflexibilität und ein größeres Potential zur effizienten Wärmeübertragung auf das und von dem Phasenänderungsmaterial.
US-Patent Nr. 4,983,798 an Eckler et al. zeigt eine Erwärmungsvorrichtung und einen Lebensmittel- bzw. Nahrungsmittel-Aufnahmebehälter, die eine Art von Fest-/Fest-Phasenänderungsmaterial, diskrete feste Teilchen von reinen Polyolen und Polyolmischungen, als das Wärmespeicherungsmedium verwenden. Die Eckler-Referenz offenbart, dass diese Polyole bei Mikrowellenfrequenzen, insbesondere bei der 2450 MHz-Frequenz kommerzieller Mikrowellenöfen, verlustbehaftet sind. Aufgrund der niedrigen thermischen Leitfähigkeit von Polyolen erfordert eine beschränkte Menge (220 g) reinen Polyols oder einer Mischung von reinen Polyolen in einem herkömmlichen Ofen viele Stunden, um ausreichend Wärme zu speichern, um die Fest-/Fest-Phasenumwandlung in dem gesamten Material auszulösen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diskrete Teilchen die Fähigkeit behindern, einen guten thermischen Kontakt mit dem Gehäuse zu gewährleisten, und es schwierig machen, Lufttaschen zu besei tigen, die beim Erwärmen Expansionsprobleme verursachen könnten. Außerdem erfordern diskrete Teilchen von Polyol ohne Kompression ein großes Volumen, um ausreichende Energiemengen zu speichern. Schließlich haften diskrete Polyolteilchen nicht an anderen Objekten. Zusammen verhindern diese Probleme, dass diskrete Teilchen, wie sie von der Eckler-Referenz beschrieben werden, als ein effektiver wärmespeichernder Kern von Nahrungsmittel-Serviereinrichtungen funktionieren.
Ein Fest-/Fest-Phasenänderungsmaterial alleine ist nicht ausreichend, um die oben aufgelisteten Wünsche zu erfüllen. Es ist ein alternatives Verfahren zur Vorerwärmung einer verbesserten wärmespeichernden Serviervorrichtung, die ein Fest-/Fest-Phasenänderungsmaterial einsetzt, notwendig. Das bevorzugte alternative Erwärmungsverfahren ist Magnetinduktionserwärmung. Magnetinduktionserwärmung setzt magnetische Wechselfelder, wie etwa diejenigen, die in einer Induktionsspule erzeugt werden, ein, um einen elektrischen Strom in einem Körper zu induzieren, der in dem magnetischen Feld angeordnetes ferromagnetisches Material aufweist. Der induzierte Strom in dem Körper erzeugt "Wirbelströme", die dann bewirken, dass der Körper eine Joulesche Erwärmung in unmittelbarem Zusammenhang mit der Leistung, I²R, des Stromes durch den Körper erfährt. Der Joulesche Erwärmungseffekt erwärmt den Körper, sodass der Körper verwendet werden kann, um die Temperatur von Objekten in Berührung mit dem Körper zu erhöhen.
Die Verwendung von Magnetinduktion als ein Mittel zum Vorerwärmen verbesserter wärmespeichernder Serviervorrichtungen ermöglicht ein wichtiges Merkmal, das in wärmespeichernden Serviervorrichtungen des Standes der Technik nicht ausgenutzt wurde. Dieses Merkmal ist Temperatur-Selbstregelung ohne die Notwendigkeit eines thermischen Kontaktes zwischen der Serviervorrichtung und der Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung. Viele kommerziell verfügbare Magnetinduktions-Kochherde haben Temperaturregelungen, die eine Regelung der Temperatur der unteren Oberfläche eines Kochgerätes erlauben, wenn sich die Oberfläche in unmittelbarer Berührung mit der Tragfläche des Kochherdes befindet. Typischerweise erfolgt dies über eine Rückkopplungsschaltung unter Verwendung eines Wandlers, der an der Unterseite der Magnetinduktions-Herdplatte befestigt ist. Durch Einsatz eines Magnetinduktions-Heizelementes in der Serviervorrichtung selbst, das bei einer angegebenen Temperatur als ein Impedanzschalter wirkt, in Verbindung mit dem Einsatz eines strombegrenzenden Schalters, der in heutigen Magnetinduktions-Kochvorrichtungen enthalten ist, kann eine neue wärmespeichernde Serviervorrichtung konstruiert werden, die ohne unmittelbare Erwärmung ihrer unteren Oberfläche temperaturselbstregelnd ist.
Temperaturselbstregelnde Magnetinduktions-Heizelemente sind bekannt und in Öfen und elektrischen Lötvorrichtungen verwendet worden. Die folgende Diskussion behandelt die Theorie hinter diesen Elementen des Standes der Technik. Wenn ein ferromagnetisches Metall eine kritische Temperatur erreicht oder überschreitet, die als Curie-Temperatur T_c bezeichnet wird, fällt die relative magnetische Permeabilität μ_r des Materials schnell von einem Wert zwischen ungefähr 100 und 1000, abhängig von dem Metall oder der Legierung, auf einen Wert von ungefähr 1 ab. Diese automatische, reversible, schalterähnliche Änderung in der relativen magnetischen Permeabilität beeinflusst unmittelbar die Konzentration des induzierten Wirbelstromflusses in einem ferromagnetischen Heizelement. Induzierte Wirbelströme fließen hauptsächlich entlang der Oberfläche des Elements, wobei die induzierte Stromdichte j(x) exponentiell als eine Funktion des Abstandes von der Oberfläche des Elements x abnimmt. Dieser exponentielle Zusammenhang zwischen Stromdichte j(x) und dem Abstand von der Oberfläche des Heizelements x ist durch Gleichung 1 gegeben: j(x) = j0 e–x/δ, (1)wobei j₀ die Stromdichte an der Oberfläche des Elements ist und δ eine Eigenschaft ist, die von der Materialzusammensetzung des Elements abhängt und als Skintiefe bekannt ist. Je größer die Skintiefe eines bestimmten Heizelementes ist, desto weniger ist der induzierte Strom an der Oberfläche des Elements konzentriert. Die Skintiefe δ in mks-Einheiten ist durch Gleichung 2 gegeben: δ = (2ρ/ωμ)½, (2)wobei ω die Winkelfrequenz des angelegten Feldes in Sekunden^–1 ist, ρ der spezifische elektrische Widerstand des Elements in Ohm-m ist und μ die magnetische Permeabilität des Elements ist. Es ist zweckmäßig, sich unter Bezugnahme auf die relative Permeabilität μ_r auszudrücken, wobei μ_r die auf die magnetische Permeabilität von Vakuum μ_v normierte Permeabilität ist, wobei μ_v gleich 4π × 10^–7 Wb/A–m ist. Somit ist μ_r = μ/μ_r = μ/4π × 10^–7 Wb/A–m. Für nicht-magnetische Materialien ist μ_r = 1.
Nun wird angenommen, dass die Frequenz und die Größe des induzierten Stromes in dem Induktionsheizelement konstant gehalten werden (durch Regeln der Frequenz und des Stromes in der Primärwindung der Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung). Unter der Curie-Temperatur ist die relative magnetische Permeabilität u_r des Heizelements relativ hoch. Daher ist die Skintiefe des Elements klein. Bevor die Temperatur des Heizelements die Curie-Temperatur erreicht, ist der durch das Element fließende induzierte Strom stark in dem Oberflächenbereich des Elements konzentriert. Diese hohe Konzentration stellt eine relativ kleine Bahn für den Stromdurchfluss bereit, was den Widerstand des Elements erhöht. Als eine Folge ist die Joulesche Erwärmungsgeschwindigkeit des Heizelementes hoch, und das Heizelement erwärmt sich unterhalb der Curie-Temperatur schnell.
Sobald das Element über die Curie-Temperatur erwärmt ist, wo die relative magnetische Permeabilität des Elements auf 1 abgefallen ist, kann sich der durch das Heizelement fließende induzierte Strom weiter in das Innere des Elements ausbreiten. Die resultierende niedrigere Konzentration des Stromes verringert den Widerstand. Als eine Folge fällt die Joulesche Erwärmungsgeschwindigkeit des Heizelements erheblich ab, und zwar ausreichend, damit sich die Erwärmung des Elements verlangsamt. Da das Verhältnis von maximaler Erwärmungsgeschwindigkeit und minimaler Erwärmungsgeschwindigkeit den Bereich bestimmt, über den das Heizelement angemessen eine konstante Temperatur aufrechterhalten kann, sind dieses Verhältnis und das entsprechende Verhältnis R_max/R_min wesentliche Anzeichen für die Temperatur-Selbstregelungsleistung des Heizelements.
Der Widerstand eines Heizelementstreifens, der eine Einheit breit, eine Einheit lang und eine Skintiefe dick ist, ist: ROberfläche ρ/δ. (3)
Einsetzen von δ aus Gleichung 2: ROberfläche = (ωμρ/2)½ (4) R_Oberfläche wird spezifischer Oberflächenwiderstand genannt und kann als der effektive spezifische Wechselstromwiderstand eines Materials betrachtet werden. Da das Erreichen der strengsten Temperatur-Selbstregelung das Erreichen des höchsten Verhältnisses von R_max/R_min erfordert, ergibt sich aus der Verwendung von Gleichung 4, dass dies das Erreichen des höchsten Verhältnisses von:
bedeutet.
Unglücklicherweise setzen kommerziell erhältliche Magnetinduktions-Kochvorrichtungen keine Schaltungen ein, um induzierten Strom in einer Last bei nahezu konstanten Pegeln zu halten, wenn die magnetische Permeabilität der Last steil abfällt, was eine Voraussetzung ist, von der die oben beschriebene Heizelemente des Standes der Technik abhängen. Die Bezeichnung konstanter Strom bezieht sich auf den folgenden Zusammenhang:
Glücklicherweise setzen kommerziell erhältliche Magnetinduktions-Kochvorrichtungen Schaltungen ein, die ausgestaltet sind, um zu verhindern, dass exzessiv hohe Ströme durch die Wechselrichterschaltung und damit durch die Last fließen. Diese Art von Schaltung, die typischerweise als Detektor für einen "Nulllast"-Zustand oder einen Zustand "unnormaler Last" bezeichnet wird, ist ausgestaltet, um einen Rückkopplungsparameter zu verwenden, der unmittelbar von der Impedanz der Last abhängt. Dieser Rückkopplungsparameter, dessen Detektion und Verwendung nicht einen thermischen Kontakt mit der Last erfordern, und die Nulllast-Detektionsschaltung werden verwendet, um einen anhaltenden Strom durch die Induktionserwärmungsspule zu unterbrechen und somit das magnetische Feld zu unterbrechen und den Wechselrichter vor dem Zustand unnormaler Last zu schützen, wenn einer Situation mit keiner Last oder einer relativ niedrigen Last auftritt. Die US-Patente mit den Nummern 3,978,307 an Amagami et al. und 4,115,676 an Higuchi et al. offenbaren Nulllast-Schaltungen. Serviereinrichtungen des Standes der Technik sind jedoch nicht mit Heizelementen ausgestattet, die zur Verwendung der Nulllast-Detektionsschaltung ausgestaltet sind, um Temperatur-Selbstregelung zu erreichen.
US-A-5,194,708 offenbart eine temperaturselbstregelnde Erwärmungsvorrichtung, die eine elektromagnetische Induktionserwärmungsvorrichtung ist, die ein ferromagnetisches Material mit einer Curie-Temperatur verwendet.
US-A-4,983,798 offenbart Erwärmungsvorrichtungen mit Festkörper-Phasenänderungsmaterialien, die zur Erwärmung von Nahrungsmitteln verwendet werden.
US-A-4,454,403 und US-A-5,070,398 offenbaren die Verwendung von Epoxidbindemitteln in Nahrungsmittelbehältern.
US-A-5,227,597 offenbart eine Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung, die eine Bratplatte enthält, die ein magnetisch permeables Material mit einer bestimmten Curie-Temperatur aufweist, und eine herkömmliche Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung zum Erwärmen der Platte, wobei die Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung eine Nulllast-Detektionsschaltung hat. Die Induktionsspulen der Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung werden mit einem konstanten Wechselstrom versorgt, um die Platte bei einer relativ konstanten Temperatur bei ungefähr ihrer Curie-Temperatur zu halten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung mit verbesserten temperaturselbstregelnden Eigenschaften unter Verwendung einer herkömmlichen Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieses Problem wird durch eine Lebensmittel- bzw. Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung gelöst, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Version der Erfindung enthält eine Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung einen verbesserten wärmespeichernden Kern und ein Heizelement, das ausgestaltet ist, um die Temperatur des Kerns unter Verwendung von Nulllast-Detektionsschaltungen herkömmlicher Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtungen zu regeln.
Allgemein ausgedrückt enthält eine solche Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung ein Lebensmittel- bzw. Nahrungsmittel-Aufnahmemittel, einen wärmespeichernden Kern, der funktional mit dem Nahrungsmittel-Aufnahmemittel gekoppelt ist, und ein Magnetinduktions-Heizelement. Der Kern ist zum Übertragen von Wärme auf das Nahrungsmittel-Aufnahmemittel vorgesehen. Das Heizelement befindet sich zum Erwärmen des Kerns in thermischen Kontakt mit dem Kern.
Das Nahrungsmittel-Aufnahmemittel enthält eine im Wesentlichen starre, erwärmbare, nahrungsmittelberührende Wand, die einen Hohlraum definiert. Der Kern ist in dem Hohlraum angeordnet und enthält eine Matrix eines Phasenänderungsmaterials und eines elastischen Materials. Das Phasenänderungsmaterial speichert während einer Phasenumwandlung, die bei einer Phasenumwandlungstemperatur auftritt, latente Wärme. Das elastiche Material lässt die Expansion des Phasenänderungsmaterials in der Matrix während der Phasenumwandlung zu. Die nahrungsmittelberührende Wand und der Kern stellen in Zusammenwirkung eine wärmespeichernde Vorrichtung bereit.
Das Phasenänderungsmaterial ist bevorzugt ein Festkörper-Phasenänderungsmaterial, das bei einer Phasenumwandlungstemperatur eine Fest-/Fest-Phasenänderung durchmacht. Beispielhafte Phasenänderungsmaterialien enthalten Pentaerythrit (C₅H₁₂O₄), Pentaglycerin (C₅H₁₂O₃), das auch Trimethylolethan genannt wird, Neopentylglykol (C₅H₁₂O₂), Neopentylalkohol (C₅H₁₂O) und Neopentan (C₅H₁₂). Diese Materialien speichern reversibel große Mengen latenter Wärme pro Einheitsmasse, jedes bei einer charakteristischen konstanten Umwandlungstemperatur deutlich unter ihren jeweiligen Schmelzpunkten. Außerdem können diese Umwandlungstemperaturen über einen weiten Bereich von Temperaturen von 25°C bis 188°C durch Auswählen und Mischen unterschiedlicher Festkörper-Phasenänderungsmaterialien eingestellt werden. Siehe Murrill et al., "Solid-Solid-Phase Transitions Determined by Scanning Calorimetry", Thermochim. Acta, 1 (1970) Seiten 239–246 und 409–414 und in Thermochim. Acta 3 (1972) Seiten 311–315, Chandra et al., "Adjustment of solid-solid Phase Transition Temperature of Polyalcohols by the Use of Dopants", Advances in X-Ray Analysis, 29 (1986) Seiten 305–313 und Font et al., "Calorimetric Study of the Mixtures PE/NPG und PG/NPG", Solar Energy Materials 15 (1987) Seiten 299–310.
Auch wenn Festkörper-Phasenänderungsmaterialien paramagnetisch sind und nicht unmittelbar durch Magnetinduktion erwärmt werden können, können sie so erwärmt werden, indem die Materialien in thermischem Kontakt mit einem ferromagnetischen Heizelement angeordnet werden. Daher weist der bevorzugte wärmespeichernde Kern der Serviereinrichtung dieser Erfindung ein geeignetes wärmespeicherndes Material in thermischem Kontakt mit irgendeiner Form von ferromagnetischem Heizelement auf, was eine verbesserte wärmespeichernde Serviervorrichtung ergibt, die durch Magnetinduktion erwärmt werden kann. Das Festkörper-Phasenänderungsmaterial sollte sich nicht in unmittelbarem physikalischen Kontakt mit einem Metall befinden, um die Verschlechterung der Wärmespeicherungskapazität der Polyol kristalle nach einer begrenzten Anzahl von Zyklen zu verhindern.
Dementsprechend enthält das Heizelement ferromagnetisches Material, das zum Induzieren eines elektrischen Stromes in dem Element zum Jouleschen Erwärmen des Elementes auf ein magnetisches Feld reagiert. Das ferromagnetische Material hat eine Curie-Temperatur zwischen der Phasenumwandlungstemperatur und der Schmelztemperatur des Phasenänderungsmaterials. Als eine Folge ist das Element ausgestaltet, um den Kern auf eine Temperatur über der Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials zu erwärmen. Einmal über dieser Temperatur kann das Phasenänderungsmaterial die gespeicherte Energie abgeben, um die nahrungsmittelberührende Wand des Nahrungsmittel-Aufnahmemittels für ausgedehnte Zeiträume warm zu halten.
Magnetinduktion als ein Erwärmungsverfahren hat gegenüber Mikrowellenerwärmung mehrere Vorteile. Zum Beispiel sind Strahlungsgefahren viel geringer, da der Strahlungsfrequenzbereich so viel niedriger ist. Dies lässt mehr Ausgestaltungsflexibilität beim Ausgestalten von Erwärmungsvorrichtungen zu, die große Anzahlen wärmespeichernder Serviereinrichtungen, die ein Festkörper-Wärmespeicherungsmaterial enthalten, in einer kurzen Zeit zu erwärmen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für ferromagnetische Materialien gezeigt worden ist, dass sie bei Einwirkung magnetischer Wechselfelder in demselben Frequenzbereich (von 20 kHz bis 50 kHz) wie demjenigen, der gegenwärtig in kommerziell erhältlichen Magnetinduktions-Kochvorrichtungen verwendet wird, effiziente Wärmeerzeuger sind. Als eine Folge ist die zur Magnetinduktionserwärmung ferromagnetischer Heizelemente notwendige Elektronik relativ kostengünstig und leicht erhältlich.
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Magnetinduktion als ein Erwärmungsverfahren für eine verbesserte wärmespeichernde Serviervorrichtung besteht darin, dass Temperatur-Selbstregelung der Serviervorrichtung selbst möglich ist. Zum Beispiel ist das ferromagnetische Material bevorzugt ausgestaltet, um um eine Temperatur gerade oberhalb der Phasenänderungstemperatur des Festkörper-Phasenänderungsmaterials, aber deutlich unterhalb seiner Schmelztemperatur unbegrenzt selbst zu regeln. Temperatur-Selbstregelung lässt es zu, dass eine Vorrichtung mit Magnetinduktion für einen unbegrenzten Zeitraum ohne die Sorge einer thermischen Überhitzung erwärmt wird. Ein solches Sicherheitsmerkmal erlaubt Flexibilität bei der Verwendung von Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtungen für die Serviervorrichtungen und die zugehörigen Serviereinrichtungen bzw. das zugehörige Serviergeschirr. Temperatur-Selbstregelung lässt es auch zu, dass die Vorrichtung die Doppelfunktion als eine Temperaturhaltevorrichtung und eine wärmespeichernde Serviervorrichtung ausfüllt. Restaurants können zum Beispiel die wärmespeichernde Serviereinrichtung auf einer Magnetinduktions-Herdplatte oder einer andere Magnetinduktionsvorrichtung anordnen, um eine von der Serviereinrichtung aufgenommene Speise für eine unbegrenzte Zeitdauer bei einer relativ konstanten Temperatur zu halten, bevor sie an Gäste serviert wird. Sobald sie serviert ist, hält das wärmespeichernde Material die Speise während der gesamten Mahlzeit warm.
Die vorliegende erfinderische Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung kann auch mit einer verbesserten Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung zum Erwärmen mehrerer Serviereinrichtungsstücke auf einmal verwendet werden. Zum Beispiel dient ein Stapel solcher Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtungen als ein elektromagnetischer Kern, der aus einem ferrimagnetischen Material besteht, was den magnetischen Fluss des angelegten Magnetfeldes erhöht. Der magnetische Fluss in dem Kern erhöht sich als ein mehrfaches Verhältnis zu der relativen Permeabilität des Kernmaterials. Außerdem ist das resultierende magnetische Feld in dem Kern und über die gesamte Ausdehnung des Kerns fokussiert. Dieses Prinzip kann auch angewendet werden, um die Leistung dieser Erfindung zu verbessern. Durch homogenes Mischen eines weichen Ferritpulvers in die Polyolmischung des wärmespeichernden Kerns dieser Erfindung emuliert ein Stapel von Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtungen einen Ferritkern. Als eine Folge kann das durch eine Induktionsspule erzeugte Magnetfeld durch mehrere Vorrichtungen in einem Stapel fokussiert werden, was eine Wärmeerzeugung in mehr als einer Vorrichtung zur Zeit bereitstellt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer wärmespeichernden Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung mit einem temperaturselbstregelnden Kern, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
2 ist eine Draufsicht eines Heizelements der Vorrichtung aus 1.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Komponente des Heizelements aus 2.
4 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine alternative Ausführungsform des Heizelements der Vorrichtung aus 1.
6 ist eine schematische Darstellung einer temperaturselbstregelnden Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
6A ist ein Flussdiagramm einer herkömmlichen Nulllast-Detektionsschaltung.
6B ist ein Flussdiagramm einer alternativen Nulllast-Detektionsschaltung.
7 ist eine Ansicht in teilweisem Querschnitt einer Kaffeekaraffe, die gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
8 ist eine Draufsicht eines Heizelements, das gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
9 ist eine Schnittansicht des Heizelements aus 8 entlang der Linie 9-9.
10 ist eine Schnittansicht einer Pfanne, die das Heizelement aus 8 enthält.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Heizelements, das gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
12 ist eine Schnittansicht eines wärmespeichernden Pellets.
13 ist eine Schnittansicht eines Topfes, der gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
14 ist eine Ansicht in teilweisem Querschnitt einer Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung, die gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
15 ist eine Schnittansicht einer Kaffeetasse, die gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine wärmespeichernde, temperaturselbstregelnde Lebensmittel- bzw. Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist in 1 dargestellt. Die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 enthält allgemein einen Körper 12, einen wärmespeichernden Kern 14 und ein Magnetinduktions-Heizelement 16, das in den Kern 14 eingebettet ist.
Der Körper 12 ist als ein Nahrungsmittel-Aufnahmemittel vorgesehen und enthält eine im Wesentlichen starre nahrungsmittelberührende Wand 18 und einen ringförmigen Randbereich 20. Die Wand 18 enthält einen sich nach unten erstreckenden Wandbereich 22 und definiert einen Hohlraum 24, der zur Aufnahme des Kerns 14 ausgestaltet ist. Der Körper 12 ist aus einem vitrifizierten keramischen Material konstruiert, das glasiert worden ist. Natürlich können auch Glas, Kunststoffmaterialien oder jedes andere geeignete Material verwendet werden. Der Körper 12 besitzt eine Wärmestabilität von mindestens 100°C (212°F) und ist für elektromagnetische Energie in sowohl dem RF- als auch dem Mikrowellenfrequenzbereich im Wesentlichen transparent.
In der dargestellten bevorzugten Form ist die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 ähnlich wie eine herkömmliche Platte geformt und ist kompatibel mit kommerziell erhältlichen isolierten Hauben. Daher ist der Körper 12 im Wesentlichen kreisförmig mit einem Außendurchmesser, der zu dem Innendurchmesser der zu verwendenden Haube passt. Solche Hauben haben typischerweise einen Innendurchmesser von zwischen ungefähr 20 bis 23 cm (7¾'' bis 9''). Die Wand 18 kann einen dekorativen Stil oder ein dekoratives Design aufweisen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass der oben beschriebene Körper 12 durch jede Art von Serviereinrichtungskörper ersetzt werden kann, solange der Serviereinrichtungskörper einen offenen Hohlraum zur Aufnahme der Wärmespeicherungszusammensetzung dieser Erfindung aufweist. Jede Form oder Art von wärmespeichernder Serviereinrichtung weist immer noch alle Vorteile dieser Erfindung auf. Andere in Erwägung gezogene Typen wärmespeichernder Serviereinrichtungen umfassen Schüsseln, flache Schalen, Tassen, Brotteller, alle Arten spezialisierten Serviergeschirrs, Getränkebehälter usw.
Der wärmespeichernde Kern 14 besteht aus einer Wärmespeicherungszusammensetzungsmatrix aus Festkörper-Phasenänderungsmaterial, Ferritmaterial, einem feuerhemmenden Zusatz und einem flexiblen Epoxidbindemittel. Das Heizelement 16 ist zur gezielten Erwärmung des Kerns 14 in den Kern 14 eingebettet.
Das Festkörper-Phasenänderungsmaterial ist vorteilhaft aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyhydroxyverbindungen (z.B. mehrwertigen Alkoholen (Polyofen) und Glykolen) und den C₂- bis C₄-Polyalkylenen besteht. Beispielhafte Polyhydroxyverbindungen umfassen Trimethylolethan, das auch als Pentaglycerin bekannt ist, Pentaerythrit, Neopentylglykol, Trimethylolpropan, Monoaminopentaerythrit, Diaminopentaerythrit, Tris(hydroxymethyl)essigsäure, vernetztes Polyethylen hoher Dichte (HDPE) oder eine Mischung solcher Verbindungen. Das C₂- bis C₄-Polyalkylen ist bevorzugt ein vernetztes Polyethylen hoher Dichte.
Festkörper-Phasenänderungsmaterial stellt durch kristalline Fest-/Fest-Phasenumwandlungen eine Speicherung fühlbarer Wärme sowie eine reversible Speicherung latenter Wärme bereit. Das Phasenänderungsmaterial speichert große Mengen latenter ther mischer Energie um eine einzelne Phasenübergangstemperatur. Die latente thermische Energie wird in einem schmalen Temperaturband abgegeben, das um eine etwas niedrigere Temperatur als die Übergangstemperatur zentriert ist. Tabelle 1 ist "Solid State Phase Transitions in Pentaerythritol and Related Polyhydric Alcohols", Solar Energy Materials, 13 (1986) Seite 134 von Benson et al. entnommen und zeigt die thermischen Eigenschaften für einige der oben erwähnten Polyole.
Tabelle 1
Die Menge an durch Neopentylglykol und Trimethylolethan gespeicherter latenter thermischer Energie ist vergleichbar mit der Energie, die durch die besten verfügbaren Wachse gespeichert wird, die gegenwärtig in kommerziell verfügbaren wärmespeichernden Serviervorrichtungen verwendet werden, ungefähr 160 kJ/kg. Die Menge an durch Pentaerythrit gespeicherter latenter thermischer Energie ist erheblich höher. Jedoch haben Festkörper-Phasenänderungsmaterialien andere bedeutsamere Vorteile gegenüber herkömmlichen Wachsen. Ein Vorteil besteht darin, dass die kristalline Phasenübergangstemperatur der Festkörper-Phasenänderungsmaterialien der Erfindung über den Temperaturbereich von zwischen ungefähr 7 bis 200°C (45 bis 392°F) durch Auswählen bestimmter der oben erwähnten Phasenänderungsmaterialien alleine oder in geeigneten Mischungen in Abhängigkeit von der speziellen gewünschten Phasenübergangstemperatur eingestellt werden kann. Beispiele geeigneter Mischungen und ihrer resultierenden Phasenübergangstemperaturen können in Advances in X-Ray Analysis, Band 29, 1986, Seiten 305 bis 313 mit dem Titel "Adjustment of Solid-Solid Phase Transition Temperature of Polyalcohols by the Use of Dopants" von D. Chandra et al. gefunden werden, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Ein weiterer Vorteil der Festkörper-Phasenänderungsmaterialien gegenüber Wachsen besteht darin, dass die latente Wärme in einem Fest-/Fest- statt eines Fest-/Flüssig-Übergangs gespeichert wird. Dieser Vorteil ist ein mehrfacher. Zunächst wird die Einkapselung weniger kritisch und daher leichter. Da während einer normalen Verwendung in der Serviereinrichtung kein geschmolzenes Material existiert, wird ein Austreten gefährlich heißer Fluide vermieden. Ferner ist, weil die thermische Ausdehnung während eines kristallinen Fest-/Fest-Phasenübergangs im Vergleich zu der von einem Wachs während eines Fest-/Flüssig-Übergangs durchgemachten Ausdehnung minimal ist, weniger Raum für die Ausdehnung erforderlich, und einfachere Einkapselungsausgestaltungen können eingesetzt werden. Schließlich ist es viel leichter, die thermische Leitfähigkeit des Fest-/Fest-Phasenänderungsmaterials, wie etwa einem Polyol, permanent zu erhöhen, als dies für ein Fest-/Flüssig-Phasenänderungsmaterial zu tun. Aus einzelnen Teilchen bestehende Zusätze, die einmal homogen fein verteilt sind, bleiben in einem Phasenänderungsmaterial während Fest-/Fest-Phasenumwandlungen homogen fein verteilt. Bei einer Fest-/Flüssig-Umwandlung neigen aus einzelnen Teilchen bestehende Zusätze dazu, sich in einem Phasenänderungsmaterial unter dem Einfluss der Schwerkraft abzusetzen.
Trimethylolethan ist das bevorzugte Polyol zur Verwendung in der wärmespeichernden Serviereinrichtung dieser Erfindung. Die Phasenumwandlungstemperatur von Trimethylolethan von ungefähr 81°C (178°F) ist ideal zur Speicherung latenter Wärme in kommerziell erhältlichen geheizten Basisspendern vom Ofentyp. Dieses Material setzt seine gespeicherte latente Wärme bei einer Temperatur von weniger als 81°C (178°F), aber deutlich oberhalb derjenigen frei, die erforderlich ist, um Nahrungsmittel für ausgedehnte Zeiträume bei Temperaturen über 60°C (140°F) zu halten. Ferner weist Trimethylolethan eine äußerst geringe Toxizität auf, ist von der FDA zur Verwendung mit Nahrungsmittelkontakt anerkannt worden und ist leicht bei relativ niedrigen Kosten erhältlich.
Der Zusatz von Ferritpulver zu dem wärmespeichernden Kern dient zwei Hauptzwecken. Zunächst erhöht das Ferritpulver für eine gegebene, durch eine Induktionsspule erzeugte magnetische Feldstärke die magnetische Flussdichte in dem wärmespeichernden Kern. Zweitens erhöht das Pulver die thermische Leitfähigkeit des wärmespeichernden Kerns, was es zulässt, dass Wärme schneller in dem gesamten wärmespeichernden Polyolmaterial übertragen wird.
Das Ferritpulver erhöht die magnetische Flussdichte der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10, sodass die Vorrichtung 10 schneller und effizienter durch eine Magnetinduktions-Heizspule erwärmt wird. Das Ferrit kann es zulassen, dass mehrere benachbarte oder gestapelte Teller gleichzeitig durch eine einzige Induktionsspule erwärmt werden. Außerdem erhöht das Ferrit auch die allgemein niedrige thermische Leitfähigkeit des Polyolmaterials. Ferrite, die keramische Materialien in einem vollständig oxidierten Zustand sind, sollten die Wärme speicherungskapazität der Polyolkristalle nicht verschlechtern. Kein bekannter Stand der Technik hat den Zusatz von Ferriten zu Polyolen gelehrt, damit diese ihre thermische Leitfähigkeit verbessern können, während gleichzeitig eine effizientere Erwärmung durch Magnetinduktion zugelassen wird.
Das Ferritpulver hat bevorzugt eine hohe anfängliche Permeabilität, hohe Mikrowellenverlusteigenschaften (besonders 2450 MHz) und niedrige Verlusteigenschaften für die RF-Magnetinduktionsfrequenz, die verwendet wird, um die Serviereinrichtungen zu erwärmen. Viele kommerziell erhältliche Ferrite, die seit Jahren als Kernmaterialien für Transformatoren und andere elektrische Geräte verwendet worden sind, erfüllen dieses Profil. Solche kommerziellen Verwendungen erfordern hohe Vergrößerungen der magnetischen Flussdichte, während sie einen kleinen Energieverlust bei niedrigeren Frequenzen aufgrund von Wirbelstromerzeugung haben. Es ist bekannt, dass Ferrite jeden Bereich von Eigenschaften besitzen können, indem sie mit Zink, Mangan, Kobalt, Nickel, Lithium, Eisen oder Kupfer in Verbindung gebracht werden, wie es in zwei Veröffentlichungen offenbart ist: Ferrites von J. Smit und H.P.J. Wijn, John Wiley and Sons, New York, 1959, Seite 1, usw. und Ferrites: A Review of Materials and Applications von F.E. Riches, Mills and Boon Limited, London 1972, Seite 9 usw. Daher ist die Auswahl des geeigneten Ferritpulvers zur Bereitstellung einer hohen anfänglichen Permeabilität, niedriger RF-Verluste, hoher Mikrowellenfrequenzverluste und einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit für einen Fachmann ersichtlich. Für jeden unterschiedlichen Typ von Serviereinrichtung dieser Erfindung kann ein einzigartiges Ferrit oder eine einzigartige Kombination von Ferriten geeignet sein. Verschiedene Mangan-Zink-, Nickel-Zink- und Kupfer-Zink-Ferrite mit akzeptablen Eigenschaften sind von Steward, Inc. aus Tennessee erhältlich. Ein Mangan-Zink-Ferrit, das als Steward Moment 35 bezeichnet wird, hat in Versuchen eine angemessene Leistung gezeigt.
Der feuerhemmende Zusatz ist bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus α-Aluminiumoxidhydrat, den Phosphatestern, Chlorkohlenwasserstoffen, Bromkohlenwasserstoffen, Antimontrioxid, Boraten, Phosphor enthaltenden Polyolen und bromiertem Bisphenol A besteht. Der Zusatz wird der Polyol-/Ferritpulver-Mischung vor dem Mischen mit flexiblem Epoxidbindemittel während der Kernherstellung zugefügt.
α-Aluminiumoxidhydrat ist der am meisten bevorzugte feuerhemmende Zusatz. Wenn α-Aluminiumoxidhydrat Feuer ausgesetzt wird, zersetzt sich das Hydrat endotherm und gibt das meiste seines chemisch gebundenen Wassers frei und wirkt als eine Wärmesenke, um die Wärme des Feuers zu absorbieren. Mehrere Eigenschaften von α-Aluminiumoxidhydrat sind zur Verwendung in dieser Erfindung vorteilhaft. Als eine Keramik kann es in Pulverform mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 10 μm erhalten werden. Teilchen von μm-Größe erlauben eine homogene Mischung mit dem Polyol und Ferrit in Pulverform. α-Aluminiumoxidhydrat ist auch ohne weiteres erhältlich, relativ kostengünstig, sicher zu handhaben und besitzt eine Einstufung als "im Wesentlichen als sicher anerkannt" ("generally recognized as safe", GRAS) von der FDA. Feingemahlenes α-Aluminiumoxidhydrat wird zum Beispiel als Bestandteil in Zahnpasta verwendet.
Das flexible Epoxidbindemittel dient als ein Bindemittel für die wärmespeichernde Zusammensetzung, ein Einkapselungsmittel für das Festkörper-Phasenänderungsmaterial, ein Klebemittel, um thermischen Kontakt zwischen dem wärmespeichernden Kern 14 und dem Körper 12 beizubehalten, ein Ausgleichsmittel für thermische Ausdehnung (was die Ausdehnung des Festkörper-Phasenänderungsmaterials in der Zusammensetzungsmatrix während einer Phasenumwandlung zulässt) und eine langsame Energieabgabe von dem Polyol an den Körper 12. Außerdem ist das flexible Epoxidbindemittel dazu in der Lage, seine Eigenschaften bei durchgehenden Betriebstemperaturen von bis zu 177°C (350°F) und Spitzentemperaturen von 204°C (400°F) beizubehalten.
Als ein Bindemittel hält das flexible Epoxid den thermischen Kontakt zwischen dem Ferrit und dem Polyol aufrecht. Als ein Einkapselungsmittel beschichtet das flexible Epoxid jedes Teilchen des Festkörper-Phasenänderungsmaterials, was dahingehend wirkt, solche Teilchen von einer Berührung mit dem Heizelement 16 abzuhalten. Eine solche Berührung würde schließlich die Wärmespeicherungsleistung des Polyols verschlechtern. Das Bindemittel wirkt als ein Sicherheitseinkapselungsmittel falls eine grobe Überhitzung der wärmespeichernden Vorrichtung 10 zur Folge haben sollte, dass das Festkörper-Phasenänderungsmaterial teilweise oder vollständig geschmolzen wird. Als ein Klebemittel und Ausgleichsmittel für thermische Ausdehnung gewährleistet das Bindemittel eine lang anhaltende Verbindung zwischen dem Kern 14 und dem Körper 12, indem es eine Ausdehnung des Phasenänderungsmaterials während einer Phasenumwandlung von zwischen ungefähr 5 bis 15% des Volumens des Phasenänderungsmaterials vor der Umwandlung zulässt. Als ein Isolator gewährleistet das Bindemittel eine langsame, gleichmäßige Leitung von Wärme von dem eingekapselten Polyol zu der nahrungsmittelberührenden Wand 18 und den die Wand 18 berührenden Nahrungsmitteln.
Das bevorzugte flexible Epoxidbindemittel ist eine Mischung aus drei Harzen und zwei Vulkanisationsmitteln. Die Harze umfassen Bisphenol A-Harz, wie etwa Dow D.E.R. 383 Harz, Novolak Epoxidharz, wie etwa Dow D.E.N. 431 Harz, und einen flexiblen Epoxidharzzusatz, wie etwa ein aliphatisches Diepoxid. Dow D.E.R. 732 Harz ist ein geeignetes aliphatisches Diepoxid. Das Vulkanisationsmittel umfasst cycloaliphatisches Amin, wie etwa Ancamin 1770, das von Air Products and Chemicals, Inc. erhältlich ist, und N-(2-Hydroxyethyl)diethylentriamin, wie etwa An camin T, das ebenfalls von Air Products and Chemicals, Inc. erhältlich ist. Viele Mischungsverhältnisse dieser drei Harze und zwei Vulkanisationsmittel können für die Produkte dieser Erfindung in Abhängigkeit von der gewünschten Regeltemperatur verwendet werden.
Eine bevorzugte Harzmischung für Niedertemperaturanwendungen enthält 56 Gew.-% Bisphenol A-Harz, 14 Gew.-% Novolak Epoxidharz und 30 Gew.-% flexiblen Epoxidharzzusatz. Der flexible Epoxidharzzusatz kann auf 25 Gew.-% abgesenkt oder auf 40 Gew.-% angehoben werden, während das Verhältnis von Bisphenol A zu Novolok Epoxidharz gleich gehalten wird. Die optimalen Teile pro Gewicht von Vulkanisationsmittel pro hundert Teilen dieser Epoxidharzmischung sind ungefähr 11 phr Ancamin T und 5 phr Ancamin 1770.
Eine weitere bevorzugte Harzmischung für Anwendungen bei höheren Temperaturen enthält 70 Gew.-% Novolak Epoxidharz, 10 Gew.-% Bisphenol A-Epoxidharz und 20 Gew.-% flexiblen Epoxidharzzusatz. Der flexible Epoxidharzzusatz kann auf 10% abgesenkt oder auf 30% angehoben werden, während das Verhältnis von Novolok Epoxidharz zu Bisphenol A gleich gehalten wird. Die optimalen Teile pro Gewicht von Vulkanisationsmittel pro hundert Teilen dieser Epoxidharzmischung sind ungefähr 12 phr Ancamin T und 5 phr Ancamin 1700.
Das Heizelement 16 dieser Erfindung weist mehrere bevorzugte Merkmale auf. Das Element 16 ist bei einer Temperatur selbstregelnd, die über der Phasenänderungstemperatur liegt, aber unter der Schmelztemperatur des Festkörper-Phasenänderungsmaterials in dem Kern 14. Das Element 16 ist auch selbstregelnd, wenn es durch kommerziell erhältliche Magnetinduktions-Kochvorrichtungen erwärmt wird, die keine Schaltung einsetzen, um induzierten Strom in dem Heizelement 16 bei nahezu konstanten Pegeln zu halten. Das Element 16 überträgt Wärme gleichmäßig auf im Wesentlichen den gesamten Kern 14. Darüber hinaus sollte das Element 16 einen minimalen Raum in dem Kern 14 einnehmen.
Das Heizelement 16 der vorliegenden Erfindung ist temperaturselbstregelnd, wenn es durch kommerziell erhältliche Magnetinduktions-Kochvorrichtungen erwärmt wird, die keine Schaltung einsetzen, um induzierten Strom in dem Heizelement bei nahezu konstanten Pegeln zu halten. Wie oben angegeben setzen solche Kochvorrichtungen des Standes der Technik typischerweise Schaltungen ein, die ausgestaltet sind, um zu verhindern, dass exzessiv hohe Ströme durch die Wechselrichterschaltung und somit durch die Last fließen.
Das Heizelement 16 der vorliegenden Erfindung ist so ausgestaltet, dass es, wenn es über die Curie-Temperatur erwärmt ist, eine Impedanz hat, deren Größe Z_min unter derjenigen liegt, die auslöst, dass die Nulllast-Detektionsschaltung einer kommerziell erhältlichen Magnetinduktions-Kochvorrichtung ihre Magnetfelderzeugung unterbricht. Für die nachfolgende Diskussion wird auf die Größe der Lastimpedanz, die die Nulllast-Detektionsschaltung auslöst, als Z_Detektor Bezug genommen. Das Heizelement 16 hat auch eine Impedanz, wenn es bei einer Temperatur von weniger als der Curie-Temperatur ist, deren Größe Z_max erheblich größer als Z_Detektor ist, um eine signifikante Erwärmungsgeschwindigkeit zu erreichen.
Weil das Heizelement 16 während Übergängen durch die Curie-Temperatur seine Geometrie nicht ändert (leichte Metallausdehnungen können ignoriert werden), sind jegliche Änderungen in der Impedanz Z des Elementes 16 proportional zu Änderungen in dem Widerstand R des Elements 16. Daher ist gemäß Gleichung 4 die Impedanz Z des Elements 16 proportional zu der Gleichung (ωμρ/2)^½. Unter der Annahme, dass die Winkelfrequenz ω des Elements 16 relativ konstant bleibt, wenn das Element 16 die Curie-Temperatur durchläuft, tritt die maximale Impedanz Z_max des Heizelements gerade vor der Curie-Temperatur auf und befolgt die folgenden Proportionalitätsbeziehung: Zmax ∝ (μr,T<Tc·ρT<Tc). (7)
In ähnlicher Weise tritt die minimale Impedanz Z_min des Heizelements gerade hinter der Curie-Temperatur auf und befolgt die folgende Proportionalitätsbeziehung: Zmin ∝ (μr,T>Tc·ρT>Tc). (8)
Weil sich der Wert von Z_Detektor von einer kommerziell erhältlichen Magnetinduktions-Kochvorrichtung zu einer anderen leicht ändern kann, ist das Heizelement 16 aus Materialien konstruiert, um eine relativ große Differenz zwischen Z_min und Z_max zu erlauben. Dies lässt es zu, dass Z_min unter Z_Detektor Vorgesehen ist, während es zulässt, dass Z_max hoch genug ist, um akzeptable Erwärmungsgeschwindigkeiten und -effizienzen für im Wesentlichen alle kommerziell erhältlichen Kochvorrichtungen zu erreichen.
Zusammenfassend besteht das Prinzip des temperaturselbstregelnden Heizelements 16 darin, dass die Impedanz des Elements 16 bei einer Regeltemperatur sehr nahe seiner Curie-Temperatur auf ein solches Niveau abfällt, dass die Nulllast-Detektionssystemschaltung einer kommerziell erhältlichen Kochvorrichtung den durch die Induktionserwärmungsspule fließenden Strom abschaltet und dadurch die Magnetfelderzeugung beseitigt und auf diese Weise die Joulesche Erwärmung des Elements 16 unterbricht. Sobald die Temperatur des Heizelements 16 unter die Regeltemperatur fällt, erhöht sich die Impedanz des Elements 16 auf ein Niveau deutlich über demjenigen, das erforderlich ist, damit die "Nulllast"-Detektionssystemschaltung die Schaltelemente des Wechselrichters wieder anschaltet und dadurch wieder das sich ändernde Magnetfeld abgibt. Als eine Folge wird die Joulesche Erwärmung wieder hergestellt. Weil dieser Erwärmungs-/Abkühlungszyklus reversibel ist, regelt das Heizelement selbst um die Regeltemperatur.
Nun auf 6A Bezug nehmend ist ein Flussdiagramm dargestellt, das den Funktionen der konventionellen Nulllast-Detektionsschaltung entspricht. Bei Bezugszeichen 1000 wird ein Magnetfeld erzeugt. Danach wird die Impedanz des Elements 16, Z_gemessen, bei Bezugszeichen 1002 detektiert. Z_gemessen wird dann mit Z_Detektor verglichen, Bezugszeichen 1004, und wenn Z_gemessen geringer als Z_Detektor ist, was anzeigt, dass die Temperatur des Elements 16 größer als die Curie-Temperatur ist, wird das Magnetfeld unterbrochen, Bezugszeichen 1006. Nachdem das Magnetfeld unterbrochen ist, wird das Feld periodisch neu erzeugt, sodass die Impedanz des Elements 16 wieder detektiert werden kann. Das Feld wird wieder unterbrochen, wenn Z_gemessen unter Z_Detektor bleibt. Wenn Z_gemessen über Z_Detektor ansteigt, was einen Abfall in der Temperatur des Elements unter die Curie-Temperatur anzeigt, bleibt das Magnetfeld angeschaltet. Diese Folge von Detektion und Vergleich wird fortlaufend wiederholt, während die Kochvorrichtung verwendet wird.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Temperatur, bei der das Heizelement 16 selbst regelt, durch Ändern des Abstandes zwischen dem Heizelement 16 und der Quelle des Magnetfeldes eingestellt werden kann. Die effektive Lastimpedanz, die das Heizelement 16 für die Magnetinduktionsschaltung darstellt, hängt von dem Abstand zwischen dem Heizelement 16 und der Induktionserwärmungsspule ab. Als eine Folge ist Z_max und somit die Differenz zwischen Z_max Und Z_Detektor umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen dem Element 16 und der Magnetfeldquelle. Weil die Impedanz des Elements 16 über einen gegebenen, endlichen Temperaturbereich auf Z_min abfällt, kann die Temperatur, bei der die Impedanz des Elements 16 unter Z_Detektor abfällt, über den gesamten Bereich durch Einstellen des Abstandes zwischen dem Element 16 und der Magnetfeldquelle eingestellt werden.
Ein alternatives Verfahren zum Detektieren der Impedanz des Heizelements 16, Z_gemessen, und zum Bestimmen, wann das Magnetfeld zu unterbrechen ist, ist in 6B dargestellt. Das alternative Verfahren ist ausgestaltet, um die Abhängigkeit der Temperatur der Selbstregelung von dem Abstand zwischen dem Heizelement 16 und der magnetischen Quelle zu beseitigen. In diesem alternativen Verfahren werden zwei Vergleiche beim Bestimmen vorgenommen, ob das Magnetfeld zu unterbrechen ist. Der erste Vergleich, Bezugszeichen 2004, ist ähnlich zu dem in dem Verfahren der 6A gezeigten Vergleich, die gemessene Impedanz Z_gemessen wird mit einem vorbestimmten Impedanzniveau Z₁ verglichen. Wenn Z_gemessen geringer als Z₁ ist, unterbricht die Schaltung das Magnetfeld und veranlasst, dass periodische Messungen der Impedanz des Heizelements 16 vorgenommen werden. Solange Z_gemessen größer als Z₁ ist, wird ein zweiter Vergleich vorgenommen.
Der zweite Vergleich, Bezugszeichen 2008, basiert auf dem absoluten Wert der Änderung in der Impedanz |ΔZ| zwischen der gegenwärtig und der unmittelbar vorher gemessenen Impedanz Z_gemessen bzw. Z_{Verganqenheit}. Es ist anzumerken, dass während der ersten Runde von Messungen Z_{Vergangenheit} keinen Wert zugewiesen worden ist, und daher das Magnetfeld nach der anfänglichen Messung und dem anfänglichen Vergleich immer unterbrochen wird. Nach der zweiten Messung der Impedanz des Elements 16 wird das Feld unterbrochen, wenn |ΔZ| größer als ein zweiter vorgewählter Impedanzwert Z₂ ist. Solange |ΔZ| geringer als Z₂ bleibt, wird die Impedanz des Heizelements 16 neu gemessen, wie es in dem Flussdiagramm 6B gezeigt ist.
Der zweite Vergleich beseitigt effektiv die Abhängigkeit der Selbstregelungstemperatur von dem Abstand zwischen dem Heizelement 16 und der Magnetinduktions-Erwärmungsspule, weil der absolute Wert der Änderungsgeschwindigkeit der Impedanz des Heizelements 16 zwischen Z_max und Z_min |dZ/dt| nicht linear ist. Untersuchungen zeigen, dass sich |dZ/dt| erhöht, wenn sich die Temperatur des Heizelements in Richtung auf die Z_min entsprechende Temperatur erhöht. Daher wird durch Auswahl eines bestimmten Wertes von |ΔZ|, nämlich Z₂, über das spezielle Zeitintervall, während dessen der zweite Vergleich vorgenommen wird, eine bestimmte Temperatur (in einem kleinen Temperaturbereich), die diesem Wert von |dZ/dt| entspricht, unabhängig von dem Wert von Z_gemessen, der dieser Temperatur entspricht, die Selbstregelungstemperatur. Der Grund dafür, dass der erste Vergleich immer noch benötigt wird, besteht darin, dass der zweite Vergleich alleine das Magnetfeld (nach zwei Messungen) nicht unterbrechen würde, wenn entweder keine Last oder ein Heizelement, das bereits deutlich oberhalb seiner Curie-Temperatur ist, auf der Magnetinduktions-Kochvorrichtung angeordnet würde.
Verschiedene Materialien können verwendet werden, um das Heizelement 16 zu konstruieren, um die bevorzugten Charakteristika zu erreichen. Zum Beispiel kann das Element 16 aus einem einzigen reinen ferromagnetischen Metall oder einer einzigen ferromagnetischen Legierung mit einer relativen magnetischen Permeabilität konstruiert werden, die bei Temperaturen über der Curie-Temperatur signifikant abfällt. Das Verhältnis von ρ_T<Tc/ρ_T>Tc ist ausreichend nahe an 1 und daher hängt die Differenz zwischen Z_max und Z_min von der Differenz zwischen μ_r,T<Tc und μ_r,T>Tc ab. Weil μ_r,T<Tc Werte hat, die für die meisten ferromagnetischen Metalle in den Bereich von 100 bis 1000 fallen, und μ_r,T>Tc ungefähr gleich eins ist, ist die Differenz beträchtlich.
Das ferromagnetische Material besteht bevorzugt aus einer Legierung von Nickel mit entweder Aluminium, Zink oder Kupfer. Wie in Graph 1 gezeigt ist, der "Magnetic Properties of Metals – d-elements, alloys, and compounds", Editor H.P.J. Wijn, Springer-Verlag, Berlin, 1991 entnommen wurde, zeigt mit Kupfer legiertes Nickel einen linearen Zusammenhang zwischen der ferromagnetischen Curie-Temperatur und den prozentualen Zusammensetzungsanteilen. Dieser lineare Zusammenhang und die Mischbarkeit von Nickel und Kupfer ineinander machen eine Legierung von Nickel und Kupfer zur Verwendung als das Material des Heizelements 16 attraktiv. Durch Wählen der prozentualen Anteile von sowohl Nickel als auch Kupfer ist es möglich, die geeignete Curie-Temperatur für verschiedene Typen wärmespeichernder Serviereinrichtungen zu wählen.
Graph 1: Ni-Cu-Legierung. Änderung der ferromagnetischen Curie-Temperatur T_c mit der Zusammensetzung
Auf die Gleichungen 7 und 8 Bezug nehmend kann eine größere Differenz zwischen Z_max und Z_min erreicht werden, wenn vorgesehen wird, dass sowohl der spezifische elektrische Widerstand ρ als auch die relative magnetische Permeabilität μ_r des Heizelements gerade nach der Curie-Temperatur dramatisch abfallen. Die Charakteristika werden erhalten, wenn das Heizelement 16 aus einem Substrat 26 aus nicht-magnetischem Material und einer das Substrat 26 umgebenden Schicht 28 aus ferromagnetischem Material konstruiert ist, was in 3 dargestellt ist. Das nicht-magnetische Material hat eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, während das ferromagnetische Material eine niedrige elektrische Leitfähigkeit hat. Wenn sich der induzierte Strom bei Temperaturen über der Curie-Temperatur des ferromagnetischen Materials in den Körper der Heizelements ausbreitet, wird die Querschnittsfläche der Stromflussbahn erhöht und die Strombahn breitet sich in das stärker leitende Material des Kerns aus. Daher wir die Impedanz des Heizelements bei Temperaturen über der Curie-Temperatur, Z_min, aufgrund von sowohl einem Abfall in der relativen magnetischen Permeabilität als auch einem Abfall in dem spezifischen elektrischen Widerstand geringer.
Natürlich ist es auch notwendig, den Wert von Z_max hoch genug zu halten, um die oben angegebene erwünschte große Differenz zwischen Z_max und Z_min zu erreichen. Bei Vorsehen einer Schicht ferromagnetischer Umhüllung von ungefähr 1,5 bis 1,8 Skintiefen Dicke, bleibt Z_max im Wesentlichen dasjenige eines Heizelements, das ausschließlich aus demselben ferromagnetischen Material konstruiert ist. Daher wird eine relativ große Differenz zwischen Z_max und Z_min erreicht. Diese größere Differenz lässt es nicht nur zu, dass Z_min für im Wesentlichen alle kommerziell erhältlichen Kochvorrichtungen unter Z_Detektor vorgesehen wird, sondern lässt es auch zu, dass Z_max noch weiter über Z_Detektor liegt, wodurch höhere Erwärmungsgeschwindigkeiten und -effizienzen als mit einem Heizelement aus einem einzigen Metall erreicht werden.
Für die wärmespeichernde Serviereinrichtung dieser Erfindung ist ein Heizelement mit einem Kupfer- oder Aluminiumkern und einer Umhüllung einer Nickel-Kupfer-Legierung besonders praktisch. Ein Verfahren, um die gewünschte Legierungsumhüllung zu erreichen, ist mittels elektrochemischer Abscheidung. Die exakten prozentualen Anteile von Nickel und Kupfer der gewünschten Legierungsumhüllung werden in einem Galvanisierungsprozess des Kupfer- oder Aluminiumkerns erreicht. Elektrochemische Abscheidung von Legierungen wird im Detail in Electrodeposition of Alloys: Principles and Practice, Band 1 von 2, von Abner Brennar, Academic Press, New York, 1963, Seiten 1 ff. diskutiert, das durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Das Verhältnis von Nickel zu Kupfer in der Legierungsumhüllung wird hauptsächlich durch Änderung des Verhältnisses von Nickel zu Kupfer in dem Galvanisierungsbad eingestellt. Die Dicke des galvanischen Nickel-Kupfer-Überzugs wird durch Einstellen der Galvanisierungszeit beeinflusst.
Das bevorzugte Element 16 der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 enthält ein Substrat 26, das aus Aluminium konstruiert ist, und eine das Substrat 26 umgebende Schicht 28 aus einer ferromagnetischen Legierung, wie es in 3 dargestellt ist. Die Legierung besteht aus ungefähr 78% Nickel und 22% Kupfer, was eine Curie-Temperatur von ungefähr 100°C (212°F) ergibt, eine Temperatur oberhalb der Phasenänderungstemperatur von Trimethylolethan, 81°C, aber deutlich unter seiner Schmelztemperatur von 195°C. Die elektrochemische Abscheidung der Überzugsschicht 28 hat einen Vorteil, der darin liegt, dass nur ausgewählte vollständige Stromwege des Induktionsheizelements überzogen werden können, was die Kosten des Heizelements verringert.
Die relativ dünnere Schicht 28 kann auch mit der relativ dickeren Lage des Kupfer- oder Aluminiumsubstrats verbunden sein. Die dünne Lage der gewünschten Nickel-Kupfer-Legierung kann durch Zusammenschmelzen der Komponentenmetalle und anschließendes Bilden der Lage erzeugt werden, wie es in dieser Offenbarung beschrieben worden ist. Im Stand der Technik sind verschiedene elektrisch leitende und thermisch leitende temperaturbeständige Verbindungsverfahren oder -mittel bekannt, die dazu in der Lage sind, den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsgeschwindigkeiten des Substrats und des Überzugs zu widerstehen.
In einer alternativer Form enthält die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 ein Element 16, das ausschließlich aus einer Legierung von ungefähr 78% Nickel und 22% Kupfer konstruiert ist. Die Curie-Temperatur der Legierung ist ungefähr 100°C (212°F), eine Temperatur über der Phasenänderungstemperatur des bevorzugten Phasenänderungsmaterials Trimethylol ethan, 81°C (178°F), aber deutlich unter der Schmelztemperatur von 197°C (387°F) des Phasenänderungsmaterials. Die Aufnahme von Kupfer verbessert die thermische Leitfähigkeit von Nickel und bewirkt auf diese Weise einen effizienteren Transport von Wärme durch das gesamte Heizelement und durch den gesamten wärmespeichernden Kern.
Die geeigneten Anteile der reinen Metalle werden zusammengeschmolzen, um Rohblöcke der Legierung zu bilden. Diese Rohblöcke werden dann in Streifen- oder Blechform umgewandelt, aus der die Heizelemente, wie es nachfolgend detaillierter diskutiert wird, hergestellt werden können. Der Vorteil des Einmetallansatzes ist die Einfachheit der Herstellung nachdem die Rohblöcke erzeugt worden sind. Ein Nachteil dieses Ansatzes sind die höheren Kosten und die höhere Sperrigkeit des Elements, das aus einer solchen Legierung konstruiert ist. Um zum Beispiel die vollständigen Vorteile der Differenz zwischen Z_max und Z_min aus einem Streifen homogener Nickel-/Kupfer-Legierung zu erhalten, sollte er in jedem Temperaturbereich mindestens eine Skintiefe dick sein, d.h. bei Temperaturen sowohl unter als auch über seiner Curie-Temperatur. Bei Temperaturen unter ihrer Curie-Temperatur ist die Skintiefe δ einer Nickel-/Kupfer-Legierung mit hohem prozentualen Anteil von Nickel unter der Annahme von μ_r = 100 und ρ = 8 × 10^–8 Ohm-m bei einer Frequenz von 20 kHz, typischerweise dem unteren Ende von durch die meisten kommerziellen Magnetinduktions-Kochvorrichtungen verwendeten Frequenzen, ungefähr 0,1 mm (0,004 Inch). Jedoch erhöht sich bei Temperaturen über der Curie-Temperatur der Legierung die Skintiefe unter denselben Bedingungen auf ungefähr 1 mm (0,038 Inch). Dieser letztere Wert der Skintiefe erfordert ein relativ sperriges Heizelement. Die Materialkosten des Heizelements steigen natürlich mit der Größe.
Für einige Serviereinrichtungsgegenstände dieser Erfindung, bei denen zusätzliche Größe und Kosten toleriert werden kön nen, ist ein aus einem einzigen reinen ferromagnetischen Metall hergestelltes Heizelement ökonomisch und mechanisch realisierbar. Jedoch besteht für die meisten Serviereinrichtungsgegenstände das zur Herstellung des Heizelements verwendete Material bevorzugt aus einem Kern nicht-magnetischen Materials mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, der mit einer dünnen Oberflächenschicht eines ferromagnetischen Materials mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit überzogen ist.
Die oben beschriebenen Überzugsausgestaltungen bieten die Vorteile verringerter Kosten und Größe relativ zu dem Heizelement, das vollständig aus einer einzigen ferromagnetischen Legierung konstruiert ist. Zum Beispiel muss nur eine relativ dünne Oberflächenschicht der Nickel-Kupfer-Legierung (ungefähr 1,5 bis 1,8 Skintiefen) auf das viel dickere Kupfer- oder Aluminiumsubstrat (ungefähr 1 Skintiefe) aufgebracht oder auf diese geklebt werden. Für eine Nickel-/Kupfer-Legierung mit hohem prozentualen Anteil von Nickel, die galvanisch auf einen Streifen reinen Kupfers aufgebracht ist, ist die Skintiefe δ einer Nickel-/Kupfer-Legierung mit hohem prozentualen Anteil von Nickel (unter der Annahme, dass μ_r = 100 und ρ = 8 × 10^–8 Ohm-m) bei einer Frequenz von 20 kHz (typischerweise das untere Ende von durch die meisten kommerziellen Magnetinduktions-Kochvorrichtung verwendeten Frequenzen) ungefähr 0,1 mm (0,004 Inch), während die Skintiefe δ des reinen Kupfers bei derselben Frequenz ungefähr 0,5 mm (0,019 Inch) ist. Daher könnte ein ungefähr 0,64 mm (0,025 Inch) dicker legierungsüberzogener Heizelementstreifen einen ungefähr 1 mm (0,038 Inch) dicken Einlegierungs-Heizelementstreifen übertreffen. Weil außerdem die Kosten von reinem Kupfer oder Aluminium geringer als diejenigen einer Nickel-Kupfer-Legierung mit hohem prozentualem Anteil von Nickel sind, hat das legierungsüberzogene Heizelementmaterial auch einen Materialpreisvorteil gegenüber seinem Einmetall-Gegenstück.
Nun auf 2 Bezug nehmend ist das gemäß einer bevorzugten Form konstruierte Heizelement 16 dargestellt. Die Form des Elements 16 lässt es zu, dass das Element 16 Wärme gleichmäßig zu dem Kern 14 leitet. Die bevorzugte Form des Elements 16 ist die eines Streckmetallbleches, das in die Form gestanzt ist, die erforderlich ist, um den Hohlraum 24 des Körpers 12 im Wesentlichen zu füllen. Streckmetallbleche beginnen als gewöhnliches Metallblech oder gewöhnlicher Metallstreifen. Es bzw. er wird gleichzeitig durch geformte Werkzeuge geschlitzt und gestreckt, die das Muster und die Anzahl von Öffnungen bestimmen. Strangdimensionen, Breite und Dicke, Gesamtdicke des Streckmetallblechs und Gewicht pro Quadratinch sind gesteuerte Größen. Die Exmet Corporation aus Naugatuck, Connecticut stellt Streckmetall im Wesentlichen jeglicher Spezifikation her. Ein Quadratfuß gewöhnlichen Metallblechs resultiert in zwei oder drei Quadratfuß von Streckmetallblech. Eine Gesamtdicke von über 2,5 mm (0,100 Inch) kann sich aus einer gewöhnlichen Metallblechdicke von 0,13 mm (0,005 Inch) ergeben. Diese Möglichkeit, große Gesamtdicken aus sehr dünnen Metallblechen zu erzeugen, lässt es zu, dass das Heizelement 16 seine Wärme gleichmäßig an den Kern 14 überträgt, während es ein minimales Volumen des Kerns 14 einnimmt.
Die Größe, Form und Anzahl von Öffnungen pro Quadratinch des Elements 16 sind wichtige Spezifikationen. Das Heizelement 16 hat die Form einer kreisförmigen Scheibe. Der Durchmesser des Elements 16 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des Hohlraums des Körpers 12. Die ursprüngliche Blechdicke des Metalls des Elements ist ungefähr 0,015 bis 0,020 Inch dick. Die gesamte gestreckte Dicke des Heizelements 16 ist etwas geringer als die Gesamtdicke des wärmespeichernden Kerns 14 selbst.
Wieder auf 1 Bezug nehmend enthält die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung eine kernfesthaltende Kappe 30. Die Kappe 30 ist vorgesehen, um den Kern 14 in dem Hohlraum 24 einzukapseln, und stellt eine dauerhafte, wasserdichte, ästhetische Oberfläche für die Unterseite der Vorrichtung 10 bereit. Die Kappe ist aus einem flexiblen synthetischen Harz konstruiert, der zum Festhaften an dem Körper 12 ausgestaltet ist und leichte Expansionen und Kontraktionen des Kerns zulässt, um die Integrität über aufeinanderfolgende Erwärmungs/Abkühlungszyklen aufrecht zu erhalten. Natürlich kann für einen Kunststoffkörper 12 die Kappe 30 aus demselben Kunststoffmaterial wie der Körper 12 konstruiert sein und dann entweder an den Körper 12 geklebt oder geschweißt werden.
Die Kappe 30 ist bevorzugt aus derselben flexiblen Epoxidmischung konstruiert, die oben zur Verwendung in dem Kern 14 beschrieben wurde. Ein aus der oben angegebenen Gruppe ausgewähltes feuerhemmendes Mittel kann in feiner Pulverform mit der Epoxidmischung ausgegeben werden. Ein Pigment nach Wahl wird für ästhetische Zwecke hinzugefügt. Die bevorzugte Dicke der Kappe 30 ist ungefähr 0,0625 Inch. Die Kappe 30 kann alternativ aus Material konstruiert sein, das duroplastische Kunststoffe, wie etwa Harnstoffformaldehyd oder Phenolharze, oder thermoplastische Harze mit zu der in dieser Offenbarung beschriebenen flexiblen Epoxidmischung vergleichbaren Eigenschaften enthält.
Die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 wird in der folgenden Weise konstruiert. Der Körper 12 wird bereitgestellt und umgedreht, sodass das Heizelement 16 in dem Hohlraum 24 des Körpers 12 angeordnet werden kann. Das Element 16 wird positioniert, um auf der im Wesentlichen flachen Oberfläche des Hohlraums 24 aufzuliegen. Einige Tropfen Silikonklebemittel, wie etwa RTV 102, werden dann auf das Heizelement aufgebracht, um das Element 16 an den Körper 12 zu kleben. Nachdem das Klebemittel ausgehärtet ist, ist das Heizelement in einer geeigneten Position, und die wärmespeichernde Zusammensetzung ist bereit, in dem Hohlraum 24 des Körpers 12 angeordnet zu werden.
Als Nächstes wird die Zusammensetzung zur Bildung des Kerns gemischt. Zuerst wird das bevorzugte Polyol, Ferrit und feuerhemmende Mittel, die sich in einem trockenen Zustand befinden, zusammengemischt, um eine homogene Mischung zu erhalten. Die ungefähren prozentualen Gewichtsanteile des Polyols, Ferrits und feuerhemmenden Mittels für eine optimale Funktionsweise des wärmespeichernden Esstellers sind die Folgenden:

Polyol 67%

Ferritpulver 17%

Feuerhemmendes Mittel 17%
Alternativ können Ferritpulver und/oder feuerhemmendes Mittel aus der trockenen Mischung entfernt werden, in welchem Fall ihr entsprechender prozentualer Gewichtsanteil durch Polyol ersetzt würde. Die Gesamtmasse der trockenen Bestandteile der wärmespeichernden Zusammensetzung, die in einem Stück wärmespeichernder Serviereinrichtung dieser Erfindung verwendet wird, hängt von der Größe, Geometrie und der gewünschten Wärmespeicherungskapazität der Serviereinrichtung ab.
Die flexiblen Epoxidkomponenten werden dann sorgfältig gemischt und den homogenen gemischten trockenen Bestandteilen unter hoher Scherbeanspruchung hinzugefügt. Das richtige Verhältnis von flexiblem Epoxid zu trockenen Bestandteilen ist derart, dass alle Teilchen des Polyols durch das Epoxid gründlich benetzt werden können und auf diese Weise die gewünschte Einkapselung bereitstellen. Es hat sich gezeigt, dass die optimalen prozentualen Gewichtsanteile von trockenen und nassen Bestandteilen ungefähr sind:

Trockene Bestandteile 67%

Flexibler Epoxidharz 33%
Die Höhe der Mischung über der Oberfläche des Heizelements 16 (entfernt von der flachen Oberfläche des Hohlraums 24) sollte so niedrig gehalten werden, dass Joulesche Erwärmung von dem Heizelement 16 während der Magnetinduktionserwärmung leichter auf alle Teile des Kerns 14, der durch die Mischung gebildet wird, übertragen werden kann. Wenn die gewünschte Dicke des Kerns 14 bedeutend größer als das dickste verfügbare Heizelement 16 ist, haben Untersuchungen gezeigt, dass eine Schicht oder Schichten gestreckten Metallnetzes aus Kupfer oder Aluminium an dem Heizelement 16 befestigt werden können (an der Oberflächenseite des Hohlraums 24 benachbart zu dem Körper 12), um eine exzellente thermische Leichtfähigkeit bereitzustellen, während die Temperaturselbstregelung des Kerns 14 nicht verhindert wird.
Nachdem die Mischung gegossen worden ist, wird die Vorrichtung 10 für ungefähr 1 Stunde bei ungefähr 93°C (200°F) und ungefähr 1 Stunde bei ungefähr 121°C (250°F) ofengehärtet.
Ofenhärtung der Vorrichtung 10 lässt es zu, dass die Mischung abbindet und den Kern 14 bildet.
Die kernfesthaltende Kappe wird dann an ihren Platz in dem Hohlraum 24 des Körpers 12 gegossen, sodass sie den Kern 14 überdeckt. Es wird darauf geachtet, dass Luft von unterhalb der Niveaufläche der Kappe 30 entfernen wird. Die Dicke der Kappe 30, die die Oberfläche der wärmespeichernden Zusammensetzung abdeckt, sollte so gewählt werden, dass sie eine langlebige Abdeckung für die Unterseite der Vorrichtung 10 bereitstellt. Die bevorzugte Dicke dieser Schicht ist ungefähr 0,0625 Inch.
Bei der Verwendung wird die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 vorerwärmt, indem sie entweder für mindestens eine Stunde bei ungefähr 121°C (250°F) in einem Konvektionsofen angeordnet wird oder für eine unbestimmte Zeitdauer auf einer Magnetinduktions-Herdplatte. Dann werden Nahrungsmittel auf der oberen Fläche der Serviervorrichtung angeordnet, um die Nahrungsmittel für eine wesentlich längere Zeitdauer als die Vorrichtungen des Standes der Technik warm zu halten. Eine über den Nahrungsmitteln angeordnete isolierte Abdeckung verlängert die Haltezeit weiter.
Auf 4 Bezug nehmend ist eine alternative Ausführungsform der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 dargestellt. Die alternative Ausführungsform enthält eine Lage 32 von Schaumgummi, die unter dem Kern 14 und über der Kappe 30 angeordnet ist. Die Lage 32 verringert die Wärmeverluste durch die Unterseite der Vorrichtung 10.
Das Schaumgummimaterial ist bevorzugt eine geschlossenzellige Silikonschaumgummilage mittlerer Dichte. Andere Schwammmaterialien mit hoher Wärmebeständigkeit und guter Entflammbarkeitseinstufung, wie etwa Neopren oder Nitril, können ebenfalls verwendet werden. Die Lage ist ungefähr 0,0625 Inch dick. Der gestanzte Kunstharzschwamm 24 kann von Lamatak, Inc. aus New Jersey erworben werden.
Beim Zusammenbau der alternativen Ausführungsform der Vorrichtung 10 wird die Lage 32 in die Form des Kerns 14 gestanzt und vor dem Aushärten des Kerns auf dem Kern 14 angeordnet, sodass die Lage 32 an der klebrigen Mischung fest haftet. Es wird darauf geachtet, Lufttaschenbildung zwischen dem Kunstharzschwamm 24 und der Mischung zu verhindern. Die Mischung wird dann ofengehärtet, und die Kappe 30 wird gegossen und gehärtet.
Eine weitere Ausführungsform der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 enthält das Heizelement 34, das in 5 dargestellt ist. Das alternative Element 34 ist im Vergleich mit dem bevorzugten Element 16 relativ dünn und wird in Anwendungen verwendet, die ein niedrigeres Profil erfordern. Das alternative Element 34 kann aus einer einzigen ferromagnetischen Legierung oder aus einem nicht-magnetischen Substrat mit einer ferromagnetischen Schicht konstruiert sein.
Das alternative Element 34 ist in der Form einer einlagigen, ringförmigen, flachen spiralförmigen Spule mit einem zentralen Anschlussende 36 vorgesehen, das durch einen flachen Streifen 40 ohmsch mit einem äußeren Anschlussende 38 verbunden ist. Der Streifen 40 ist von allen anderen Punkten der flachen spiralförmigen Spule elektrisch isoliert. Die Isolation wird durch Isolieren der Spule mit einer dünnen Schicht temperaturbeständiger Farbe, temperaturbeständigen Lacks, temperaturbeständigen Epoxids oder eines anderen geeigneten temperaturbeständigen Materials erreicht. Bevorzugt wird ein Klebemittel verwendet, um den Streifen 40 zu isolieren und den Streifen 40 mit der Spule zu koppeln, wie etwa ein keramisches Klebemittel, das von Aremco Products, Inc., Ossining, NY erhältlich ist, oder ein Hochtemperatur-Epoxid, das mit thermisch leitfähigen Materialien wie etwa Aluminiumoxid gefüllt ist. Die spiralförmige Spule wird aus einer Lage leitfähigen Materials gestanzt. Mehrere nahezu identisch geformte spiralförmige Spulen können vorteilhaft aus derselben Lage leitfähigen Materials hergestellt werden, was Materialkosten verringert.
Darüber hinaus kann das Element 34 zwischen dem Ende 38 und dem Streifen 40 einen Schalter zum Öffnen und Schließen des durch die Spule und den Streifen 40 erzeugten Stromkreises enthalten. Als eine Folge kann der Schalter verwendet werden, um das Element 34 wahlweise zu aktivieren und zu deaktivieren.
Auf 6 Bezug nehmend ist eine temperaturselbstregelnde Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung 42 dargestellt. Die Vorrichtung 42 enthält im weitesten Sinne eine Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung 44 und die oben beschriebene, auf der Erwärmungsvorrichtung angeordnete Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung. Die Erwärmungsvorrichtung enthält einen Halter 46 zum Halten der Vorrichtung 10, einen Magnetfeldgenerator 48 und einen Nulllast-Detektor 50 oder einen Detektor 50 für unnormale Last. Der Generator 48 stellt ein Mittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes durch den Raum über dem Halter 46 bereit. Der Nulllast-Detektor 50 stellt ein Mittel zum Detektieren der Impedanz eines auf dem Halter 46 in dem Magnetfeld angeordneten Körpers und zum Unterbrechen des Magnetfeldes bereit, wenn die detektierte Impedanz geringer als ein vorbestimmter Wert ist. Der Betrieb des Detektors 50 und die Zusammenwirkung mit der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 sind oben beschrieben.
Es gibt zahlreiche Vorteile der Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung 42 gegenüber Halte-/Erwärmungs-Vorrichtungen des Standes der Technik. Die Energieeffizienz der Vorrichtung 42 ist größer als die der Vorrichtungen des Standes der Technik, da Energie nur verbraucht wird, wenn die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 oder ein anderer induktiv heizender Gegenstand auf dem Halter 46 angeordnet ist. Außerdem sorgt das Heizelement 16 für unbegrenzte Temperaturselbstregelung des gesamten Kerns 14 und auf diese Weise der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10, während sie sich auf der Erwärmungsvorrichtung 44 befindet. Der Benutzer muss sich nicht über eine thermische Überhitzung der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 sorgen, da sie unbegrenzt auf der Erwärmungsvorrichtung gelassen werden kann, was eine größere Flexibilität der Verwendung zulässt. Außerdem hält der wärmespeichernde Kern 14 die Nahrungsmittel für einen ausgedehnten Zeitraum heiß, nach dem die Vorrichtung 10 von der Erwärmungsvorrichtung entfernt worden ist.
In einer alternativen Ausgestaltung enthält die Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung 42 einen isolierten, verschließbaren Metallschrank zur Aufnahme einer Säule oder mehrerer Säulen vertikal gestapelter Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtungen 10. Die Erwärmungsvorrichtung 44 ist in dem Schrank angeordnet. Ein Deckel ist zum Schließen des Schrankes vorgesehen. Der magnetische Generator der alternativen Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung enthält eine Magnetfeldspule, wie etwa diejenigen, die in den Abtastvorrichtungen verwendet werden, die gegenwärtig in der Industrie eingesetzt werden, um Metalle durch Magnetinduktion zu härten. Diese Spulen sind solenoidförmig mit ausreichender Länge, um in dem Zentrum des Solenoids ein nahezu gleichförmiges Magnetfeld zu erzeugen. Die Intensität dieses Magnetfeldes wird in dem Zentrum der Röhre durch die inhärente Magnetisierung des Ferritmaterials in den Esstellern erhöht, die in der Induktionsspule zentriert sind. Eine elektromagnetische Abschirmung zur Verringerung elektromagnetischer Abstrahlungen von dieser Vorrichtung wird durch den Metallschrank und andere magnetische Abschirmverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, bereitgestellt.
Die Spule wird durch ein einfaches Schneckengetriebe angetrieben, das die Länge des Schrankes nach unten verläuft, und versorgt mehrere der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtungen 10 auf einmal über Magnetinduktion mit Energie. Diese Vorrichtung ist dazu in der Lage, den Stapel wärmespeichernder Platzteller relativ effizient und schnell im Vergleich mit der Zeit von 1 bis 2 Stunden zu erwärmen, die bei gegenwärtig durch die meisten Krankenhäuser verwendeten Spendern für geheizte Basen vom Ofentyp erforderlich ist. Außerdem sind die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtungen 10 nur in ihren zentralen Bereichen benachbart zu dem Kern 14 heiß, was den Randbereich 20 gegenüber Berührung kalt lässt. Als eine Folge ist das Entladen und die Handhabung der Teller relativ sicherer als im Stand der Technik.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung enthält die Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung 42 einen isolierten, verschließbaren Kunststoff- oder Metallschrank zur Aufnahme einer Säule oder mehrerer Säulen vertikal gestapelter Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtungen 10, von denen jede auf ihrer eigenen Erwärmungsvorrichtung 44 angeordnet ist. Eine Tür ist zum Schließen des Schrankes vorgesehen.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung enthält die Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung ein Förderband zum Transportieren einer Vielzahl von Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtungen 10 zwischen Eingangs- und Ausgangspositionen. Magnetfeldgeneratoren und Nulllast-Detektoren sind entlang der Fördereinrichtung angeordnet, sodass die Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 10 auf eine Betriebstemperatur gebracht werden kann. Die Vorrichtung kann ausgestaltet sein, um eine Vielzahl von Vorrichtungen 10 entweder horizontal oder vertikal gestapelt aufzunehmen.
Nun auf 7 Bezug nehmend ist eine alternative temperaturselbstregelnde Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung 100 in der Form einer Kaffeekaraffe gezeigt. Die Vorrichtung 100 enthält im weitesten Sinne ein Kaffeekaraffenoberteil 102 und einen unteren Abschnitt 104, der mittels Gewindeeingriff mit dem Oberteil 102 gekoppelt sind. Die Gewindekopplung lässt die Trennung des Oberteils 102 von dem unteren Abschnitt 104 zur Reinigung zu. Natürlich können das Oberteil 102 und der untere Abschnitt 104 alternativ adhäsiv aneinander befestigt sein. Der untere Abschnitt 104 enthält ein Heizelement 106 in Form eines festen Bleches zum Erwärmen des Inhalts der Vorrichtung 100.
Das Heizelement 106 ist thermisch von der nichtmetallischen Außenwand des unteren Abschnitts 104 über entweder eine Schaumisolierung, einen Luftspalt, einen Vakuumraum oder irgendein anderes Mittel thermischer Isolierung, das im Stand der Technik bekannt ist, isoliert. Das Kaffeekaraffenoberteil 102, wie es gezeigt ist, ist mit doppelten klaren Kunststoffwänden isoliert, die einen Luftspalt dazwischen aufweisen. Je besser der Inhalt der Vorrichtung 100 isoliert ist, desto weniger Energieeintrag von der Magnetinduktions-Erwärmungsvorrichtung 44 ist erforderlich, um den Inhalt bei einer konstanten Temperatur zu halten. Experimente mit einem Prototyp der Vorrichtung 100, dessen Heizelement 106 in Form eines festen Bleches aus einer einzigen Legierung von 73% Nickel und 27 Kupfer gebildet wurde, wurden auf einer Sunpentown International Model SR-1330 Magnetinduktions-Herdplatte durchgeführt. Experimente haben gezeigt, dass unabhängig von der Menge an Kaffee in der Vorrichtung 100 Temperaturregelung bei 190 ± 2°F auftrat. Die Sunpentown SR-1330 Herdplatte unterbrach ihre Magnetfeldausgabe im Mittel ungefähr 67% der Zeit. Somit erwärmte die Herdplatte das Gefäß aktiv nur 33% der Zeit, um eine konstante Temperatur aufrecht zu erhalten.
Experimente haben auch gezeigt, dass durch Anheben der Vorrichtung 100 um ungefähr 1/32 Inch über die Herdplattenoberfläche eine Haltetemperatur von 181°F erreicht wurde. Dieses Erniedrigen der Haltetemperatur war möglich, bis das Gefäß ungefähr 1/8 Inch über der Herdplattenoberflächen war, zu welcher Zeit die Haltetemperatur 155°F betrug. Der Haltetemperatur-/Höhen-Zusammenhang scheint linear mit einer Steigung von ungefähr (9°F)/(Höhenzunahme von 1/32 Inch) zu sein. Jede weitere Erhöhung der Höhe verhinderte, dass das Gefäß die Herdplatte aktivierte, und verhindert somit überhaupt jegliche Erwärmung des Gefäßes. Diese Möglichkeit, die Haltetemperatur des Gefäßes einzustellen, indem es über die Herdplattenober fläche (und somit die Magnetinduktionsspule) angehoben wird, lässt es zu, dass die Ausgestaltung der Kaffeemaschine eine Höheneinstellungseinrichtung 108 enthält, um es dem Benutzer zu erlauben, die exakte gewünschte Haltetemperatur zu wählen. Die Höheneinstellungseinrichtung 108 ist einfach eine mit einem Gewinde versehene Kappe 110, die als ein Halter für die Kaffeekaraffe dient. Die mit einem Gewinde versehene Kappe 110 wird von einem Benutzer gedreht, um die Kaffeekaraffe über eine fabrikeingestellte Höhe anzuheben oder abzusenken, um die Kaffeehaltetemperatur zu erniedrigen oder zu erhöhen. Da der Haltetemperatur-/Höhen-Zusammenhang linear zu sein scheint, ist die Kappenhöheneinstelleinrichtung leicht zu kalibrieren und für eine gewählte Haltetemperatur fabrikmäßig einzustellen.
Ein alternatives Heizelement 150 ist ausgestaltet, um in einer Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung angeordnet zu werden, und ist in den 8 und 9 gezeigt. Das Heizelement 150 ist im Wesentlichen scheibenförmig und enthält eine Struktur, die eine Vielzahl von Öffnungen 152 durch das Element 150 definiert. Das Element 150 kann alternativ von anderen Formen und Größen sein. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Vertiefungen 154 in dem Element 150 ausgebildet. Die Vertiefungen 154 dienen dazu, die Scheibe von dem Boden der Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtung anzuheben, sodass Nahrungsmittel in der Vorrichtung durch die Öffnungen 152 strömen können.
Durch Bereitstellen des Elements 150 können nahrungsmittelaufnehmende Vorrichtungen, die ansonsten nicht zum Erwärmen und zum Halten der Temperatur von Nahrungsmitteln durch die Verwendung von Magnetinduktion ausgestaltet sind, leicht in Magnetinduktions-Nahrungsmittelerwärmungsvorrichtungen umgewandelt werden. Außerdem können thermisch isolierte Nahrungsmittel-Aufnahmevorrichtungen ausgestaltet sein, um äußerst energieeffiziente temperaturselbstregelnde Haltevorrichtungen zu sein. Nun auf 10 Bezug nehmend ist eine typische Kunststoff-Dampftischpfanne 158 in eine temperaturselbstregelnde, thermisch isolierte Vorrichtung 156 umgewandelt worden. Das Heizelement 150 ist in der Pfanne 158 angeordnet, um Magnetinduktionserwärmung des Inhalts der Pfanne 158 zuzulassen. Die Vorrichtung 156 enthält die Pfanne 158 und eine äußere Schale 160, die von der Pfanne 158 beabstandet ist.
Die Schale 160 ist bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial, wie etwa Polycarbonat, konstruiert. Während der Raum zwischen der Auskleidung 158 und der Schale 160 thermische Isolierung zwischen dem Inhalt der Pfanne 156 und der Schale 160 bereitstellt, kann eine weitere Isolierung durch Auskleidung oder Beschichtung der Innenfläche der Schale 160 mit einem Isolationsmaterial aus dem Stand der Technik erreicht werden. Ein solches Material ist eine Beschichtung niedrigen Emissionsvermögens, wie etwas dasjenige, das auf Folien zu finden ist, die zur thermischen Isolierung von Bürofenstern verwendet werden. Experimente unter Verwendung einer solchen Folie, die von 3M Corporation erhältlich ist, haben gezeigt, dass Wärmeverluste um ungefähr 25% verringert werden können.
Ein Vorteil der Verwendung von Heizelement 150 in einer Vorrichtung, wie etwa 156, besteht darin, dass das Element bequem entfernt und regelmäßig gewaschen werden kann. Diese bequeme Reinigungsmöglichkeit ist besonders wichtig für Wassertanks, in denen sich mit der Zeit Mineralablagerungen auf herkömmlichen Heizelementen ausbilden. Aufgrund der in Magnetinduktions-Kochvorrichtungen eingesetzten Magnetfeldfrequenzen, typischerweise in dem Bereich von 20 bis 50 kHz, wirken die Ultraschallvibrationen, die in dem Element 150 induziert werden, außerdem dahingehend, dem Aufbau von Mineralablagerungen, wie etwa Kalk, und Korrosion zu widerstehen.
Ein zylindrisches Heizelement 200 ist in 11 gezeigt. Das Element 200 enthält ein offenes oberes und ein offenes unteres Ende und eine Wandstruktur, die eine Vielzahl von Öffnungen 202 dadurch definiert. Das Heizelement 200 ist zur Verwendung beim Wiedererwärmen gekühlter oder gefrorener Nahrungsmittel ausgestaltet. Zum Beispiel werden die Nahrungsmittel vor dem Kühlen der Nahrungsmittel in einem geeigneten Behälter, wie einer Polyvinylchlorid-Tasche, angeordnet, und das Heizelement 200 wird in den Nahrungsmitteln angeordnet. Die Nahrungsmittel werden dann einfach wiedererwärmt, indem sie so angeordnet werden, dass sich das Heizelement 200 in einem Magnetfeld zum Induzieren eines Stroms in dem Element 200 befindet, der das Element 200 erwärmt und auf diese Weise die Nahrungsmittel wiedererwärmt. Ein Vorteil der Wiedererwärmung von Nahrungsmitteln in einer solchen Weise besteht darin, dass es in demselben Behälter durchgeführt werden kann, in dem sie aufbewahrt wurden. Außerdem kann wegen des Temperatur-Selbstregelungsmerkmals des Elements 200 keine Überhitzung der Nahrungsmittel auftreten.
Ein wärmespeicherndes Pellet 250 ist in 12 dargestellt. Das Pellet enthält ein Einkapselungsgehäuse 252, einen wärmespeichernden Kern 254, der in dem Gehäuse 252 angeordnet ist, und ein in den Kern 254 eingebettetes Heizelement 256. Der Kern 254 und das Heizelement 256 sind mit dem Kern 14 bzw. dem Element 16 der bevorzugten Ausführungsform vergleichbar. Als eine Folge stellt das Pellet 250 eine unabhängige Einheit dar, die dazu in der Lage ist, latente Wärme zum Erwärmen des das Pellet 250 umgebenden Bereiches zu speichern. Das Pellet oder eine Vielzahl von Pellets kann mittels der in dieser Offenbarung beschriebenen Nahrungmittel-Erwärmungsvorrichtung 42 erwärmt werden. Solch ein Pellet ist besonders nützlich, wenn es in einen isolierten Nahrungsmittel- bzw. Speisewagen eingesetzt wird, wie etwa demjenigen, der durch Cambro Manufacturing Company hergestellt wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Prototyp des Pellets 250, der 500 g Polyol enthält, die Temperaturhaltefähigkeit eines isolierten Cambro 400MPC um mehr als 50% steigern kann.
Ein Nahrungsmittel-Erwärmungstopf 300, der mehrere der Merkmale der vorliegenden Erfindung einsetzt, ist in 13 gezeigt. Der Topf 300 enthält einen Deckel 301, einen Körper 302 und eine Auskleidung 304, die in den Körper 302 eingesetzt ist. Ein Heizelement 306 ist zwischen dem Körper 302 und der Auskleidung 304 zur Magnetinduktionserwärmung des Inhalts des Topfes 300 vorgesehen. Das Heizelement 306 ist mit Ausnahme dessen ähnlich zu dem früher in dieser Offenbarung beschriebenen Element 34, dass das Element 306 ausgestaltet ist, um die Auskleidung 304 zu umgeben. Durch Vorsehen des Heizelements 306, das ausgestaltet ist, um den Großteil des Inhalts des Topfes 300 zu umgeben, kann der Inhalt gleichmäßiger und effizienter erwärmt werden. Zusätzlich ist ein Isolationsmaterial 308 zwischen dem Körper 302 und der Auskleidung 304 zur Isolierung des Topfes 300 vorgesehen. Das Isolationsmaterial 308 kann aus der oben beschriebenen wärmespeichernden Matrix konstruiert sein, aber kann auch Schaum oder jeder andere geeignete Isolator sein.
Wie oben diskutiert wurde, kann die Temperatur, bei der Selbstregelung auftritt, durch Verändern des Abstandes zwischen dem Magnetinduktions-Heizelement und der Magnetfeldquelle eingestellt werden. Alternativ kann eine Änderung in der Temperatur der Selbstregelung erreicht werden, indem eine Vielzahl von Heizelementen aufgenommen wird, von denen jedes aus einem Material mit einer einzigartigen Curie-Temperatur konstruiert ist.
14 stellt einen Nahrungsmittelbehälter 350 in der Form eines Getränkegefäßes dar, der ein erstes und zweites Heizelement 352, 354 enthält. Die Heizelemente 352, 354 sind mit Ausnahme dessen ähnlich zu dem früher in dieser Offenbarung beschriebenen Element 34, dass die Elemente 352, 354 ausgestaltet sind, um das Getränkegefäß zu umgeben. Ein Schalter 356 ist mit jedem der Elemente 352, 354 zum wahlweisen Öffnen und Schließen der durch die Elemente 352, 354 gebildeten Stromkreise gekoppelt. Als eine Folge kann ein Benutzer wahlweise den Stromkreis des ersten Elements 352 öffnen, damit der Behälter 350 auf die Selbstregelungstemperatur des zweiten Elements 354 erwärmt wird, und umgekehrt. Daher stellt der Schalter 356 ein Mittel zum Einstellen der Temperatur der Selbstregelung bereit.
Nun auf 15 Bezug nehmend ist eine Kaffee- oder Espressotasse 400 gezeigt, die gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Die Tasse 400 enthält einen Körper 410, der aus einem keramischen Material konstruiert ist. Der Körper 410 definiert einen unteren Hohlraum 420. Ein wärmeleitendes Material 430, wie etwa pulverförmiges Aluminiumoxid, oder die wärmespeichernde Matrix dieser Erfindung ist in dem Hohlraum 420 angeordnet, und ein Heizelement 440 ist in dem Material 430 angeordnet. Eine untere Wand 450 ist zum Einkapseln des Materials 430 und des Elements 440 in dem Hohlraum 420 vorgesehen. Ein Paar von Öffnungen 460 ist in der Wand 450 ausgebildet und kann durch ein Klebemittel, wie etwa Ceramabond 569, das von Aremco Products, Inc. aus Ossining, NY erhältlich ist, versiegelt sein.
Die Tasse 400 wird in einem mehrstufigen Verfahren konstruiert. Zuerst wird der den Hohlraum 420 bildende Körper 410 ausgebildet. Als Nächstes wird die Tasse 400 umgedreht, und das Element 440 wird in dem Hohlraum 420 angeordnet. Dann wird die unteren Wand 450 mit Öffnungen 460 angeordnet, um das Heizelement 440 einzukapseln, während ein Luftstrom zwischen dem Hohlraum 420 und der Umgebungsluft zugelassen wird. An diesem Punkt wird die Tasse 400 gebrannt, glasiert und wieder ge brannt. Nachdem die Tasse 400 abgekühlt ist, wird der Hohlraum 420 mit dem Material 430 gefüllt. Wie oben angegeben wurde, ist das Material 430 bevorzugt ein pulverförmiges Aluminiumoxid, das eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zeigt, während es eine exzessive Ausdehnung während der Erwärmung des Elements 440 verhindert, um ein Brechen der Tasse 400 zu verhindern. Für Anwendungen, die ein Material 430 verwenden, das während seiner Erwärmung eine erhebliche Ausdehnung durchmacht, kann eine Schaumschicht unter dem Material 430 angeordnet werden, um eine Ausdehnung des Materials 430 ohne Brechen der Tasse 400 zuzulassen. Ein Phasenänderungsmaterial, wie etwa das oben Beschriebene, kann das Material 430 ersetzen.
Sobald das Material 430 in dem Hohlraum 420 angeordnet worden ist, wird ein Klebemittel in die Öffnungen 460 zum Versiegeln der Öffnungen 460 eingespritzt. Nach Aushärtung des Klebemittels ist die Tasse 400 einsatzbereit.
Bei der Verwendung kann die Tasse 400 durch Magnetinduktion erwärmt werden, bevor sie mit Kaffee gefüllt wird, sodass der Kaffee nicht durch Berührung des Körpers 410 abgekühlt wird. Für Kaffeearten, wie etwa Espresso, bei denen der Geschmack des Kaffees unmittelbar mit der Temperatur des Kaffees zusammenhängt, kann die Tasse 400 vorteilhaft verwendet werden, um eine unerwünschte Verringerung in der Temperatur des Kaffees zu verhindern. Alternativ kann die Tasse 400 durch Magnetinduktion erwärmt werden, wenn sie mit Espresso gefüllt wird und auf diese Weise die Temperatur des Espressos regeln, bis die Tasse gefüllt und entfernt ist.
Die vorliegende Erfindung ist unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden. Es ist darauf hinzuweisen, dass Ersetzungen und Änderungen vorgenommen und Äquivalente eingesetzt werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den Ansprüchen angegeben ist.

Claims

Nahrungsmittel-Erwärmungsvorrichtung mit: einem Nahrungsmittel-Aufnahmebehälter (10), der ein erwärmbares Element (16) enthält, das ein ferromagnetisches Material aufweist, und einer Magnetinduktionserwärmungsvorrichtung (42), die einen Magnetfeldgenerator (48) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, eine Wechselrichterschaltung und eine Schaltung (50) enthält, die betrieben werden kann, um periodisch einen Wechselrichterschaltungs-Rückkopplungsparameter zu detektieren, der unmittelbar von der durch den Behälter (10) dargestellten Impedanz abhängt, wenn der Behälter (10) benachbart zu der Erwärmungsvorrichtung (42) angeordnet ist, wobei der Behälter (10) benachbart zu der Erwärmungsvorrichtung (42) angeordnet werden kann, um das Element (16) zu erwärmen, wenn ein Magnetfeld durch den Feldgenerator (48) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (50) betrieben werden kann, um die Temperatur des erwärmbaren Elements (16) zu steuern, indem das Magnetfeld in Abhängigkeit von dem detektierten Parameter aufrechterhalten, unterbrochen oder neu erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Magnetinduktionserwärmungsvorrichtung (42) eine Magnetinduktionserwärmungsspule enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Wechselrichterschaltungs-Rückkopplungsparameter die Größe des Stromes ist, der durch die Magnetinduktionserwärmungsspule fliesst.